具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统

224 编辑：中冶有色技术网来源：山东好山石油科技有限公司

2024-12-13 16:03:36

权利要求

1.一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统，包括空心钻具，所述空心钻具顶部设置有钻杆和动力设备，所述动力设备的顶部设置有与空心钻具连通的钻井液循环进口，所述空心钻具和钻杆的工作面顶部设置有钢护筒，所述钢护筒上设置有钻井液循环出口，其特征在于，所述钻井液循环出口与钻井液循环进口之间的循环路径上设置有泥沙收集池、沉淀与储浆一体罐、混合罐和添加剂罐，所述沉淀与储浆一体罐包括敞口的沉淀罐体，所述沉淀罐体的底部设置有污泥排出口，所述污泥排出口处设置有污泥泵，所述沉淀罐体的上方设置有振动除砂机，所述振动除砂机的出砂端朝向泥沙收集池，所述振动除砂机的出泥浆端朝向沉淀罐体的一侧，所述沉淀罐体的侧面设置有围绕沉淀罐体的三个侧面分布的储浆罐体，所述储浆罐体的横截面呈U字形，所述储浆罐体的两侧顶部为封闭端且其远离振动除砂机的一侧顶部为敞口端，所述敞口端与沉淀罐体通过第一溢流口连通，所述储浆罐体的两侧与沉淀罐体之间设置有走风狭缝和多个加强杆，所述储浆罐体的两侧内部均设置有冷水换热管，所述冷水换热管的供给端设置有冷水机组，所述储浆罐体的一侧设置有第二溢流口，所述第二溢流口处设置有溜槽，所述溜槽的一端连接至混合罐，所述混合罐上设置有泵管，所述泵管的泵送路径上设置有泥浆泵，所述泥浆泵的输出侧与钻井液循环进口连通。

2.根据权利要求1所述的一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统，其特征在于，所述沉淀罐体的底部和混合罐的底部均为齿形底，所述齿形底包括多个三角截面的底凸，所述底凸朝沉淀罐体的长度方向和混合罐的长度方向延伸，所述齿形底埋在地表以下用于散热。

3.根据权利要求2所述的一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统，其特征在于，所述储浆罐体的两侧内部均设置有内凹式隔墙，所述内凹式隔墙将储浆罐体的单侧分为2个储浆腔，所述冷水换热管从靠近敞口端的一个储浆腔上引入并通过设置在储浆罐体外侧的U形管引入另一个储浆腔。

4.根据权利要求3所述的一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统，其特征在于，所述冷水换热管在一个储浆腔中由高降低且呈蛇形轨迹蜿蜒延伸，所述冷水换热管在另一个储浆腔中由低升高且呈蛇形轨迹蜿蜒延伸。

5.根据权利要求4所述的一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统，其特征在于，所述储浆罐体的外侧设置有用来连通同侧的两个储浆腔的涡轮泵，所述涡轮泵将泥浆从靠近敞口端的储浆腔导入靠近振动除砂机的储浆腔，所述第二溢流口设置在靠近振动除砂机的储浆腔上。

6.根据权利要求1或5所述的一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统，其特征在于，所述泥浆泵与钻井液循环进口的输送路径上设置有涡轮增压泵，所述涡轮增压泵的输出侧设置有分支管，所述分支管上设置有补水泵，所述补水泵的供给端设置有补水机组。

7.根据权利要求6所述的一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统，其特征在于，所述补水泵的输出侧设置有螺旋尼龙管。

8.根据权利要求1所述的一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统，其特征在于，所述储浆罐体在其靠近敞口端的储浆腔的内部设置有折流板，所述折流板的分布位置较冷水换热管靠近敞口端。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于钻探设备技术领域，尤其涉及一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统。

背景技术

[0002]钻井液是钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质。钻井液是钻井的血液，又称钻孔冲洗液。钻井液按组成成分可分为清水、泥浆、无粘土相冲洗液、乳状液、泡沫和压缩空气等。清水是使用最早的钻井液，无需处理，使用方便，适用于完整岩层和水源充足的地区。泥浆是广泛使用的钻井液，主要适用于松散、裂隙发育、易坍塌掉块、遇水膨胀剥落等孔壁不稳定岩层。钻井液的循环温度不但影响钻井液性能，还影响钻杆和钻筒的实际使用寿命，而且对于地面上为钻井液提供循环动力的部分也会面临各种问题，包括存在一些安全隐患，因此在钻井作业中会采用一定的冷却措施。

[0003]目前，在钻井现场的钻井液多采用自然冷却的方式，如在钻井液的正循环过程中，钻井液从钢护筒流出进入沉淀罐，进入沉淀罐之前要经过振动输送机将泥沙截留在泥沙坑中，进入沉淀罐的泥浆则在沉淀的阶段进行自然冷却，包括后续进入泥浆存储罐中的泥浆也是通过自然冷却的方式，将泥浆的温度控低，但是这样进行自然冷却的话，一是冷却效果不佳，二是泥泞循环效率较低，影响钻井作业的效率。

[0004]现有专利CN110284845B公开了一种钻井液强制冷却装置及低温循环钻井方法，包括载冷剂冷却系统和对流换热系统组成，载冷剂冷却系统与对流换热系统串联在装置中，一种钻井液强制冷却装置的低温循环钻井方法，采用了上述钻井液强制冷却装置将钻井液的入井温度控制在40℃～50℃之间，包括钻井液冷却循环和载冷剂冷却循环，该发明的钻井技术可解决井下超高温造成的钻井液循环温度超过井下工具的耐温极限的技术瓶颈，通过降低钻井液的入井温度，可有效降低钻井液循环温度，提高井下工具的工作寿命。但是，该设备对周围环境在自然冷却方面的能力利用不足，导致强制循环系统实际上的耗能较大;再者就是，对于采用泥浆作为钻井循环液的系统，泥浆沉淀物的排放周期不合理以及不便于排放的话，会作为温床而导致泥浆进入强制冷却循环系统中的温度保持在较高水平，进一步增加强制冷却循环系统的负荷，增加耗能。

发明内容

[0005]本发明针对上述的钻井液强制冷却装置所存在的技术问题，提出一种设计合理、能够有效结合自然环境的冷却能力并降低系统冷却耗能的一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统。

[0006]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为，本发明提供的一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统，包括空心钻具，所述空心钻具顶部设置有钻杆和动力设备，所述动力设备的顶部设置有与空心钻具连通的钻井液循环进口，所述空心钻具和钻杆的工作面顶部设置有钢护筒，所述钢护筒上设置有钻井液循环出口，所述钻井液循环出口与钻井液循环进口之间的循环路径上设置有泥沙收集池、沉淀与储浆一体罐、混合罐和添加剂罐，所述沉淀与储浆一体罐包括敞口的沉淀罐体，所述沉淀罐体的底部设置有污泥排出口，所述污泥排出口处设置有污泥泵，所述沉淀罐体的上方设置有振动除砂机，所述振动除砂机的出砂端朝向泥沙收集池，所述振动除砂机的出泥浆端朝向沉淀罐体的一侧，所述沉淀罐体的侧面设置有围绕沉淀罐体的三个侧面分布的储浆罐体，所述储浆罐体的横截面呈U字形，所述储浆罐体的两侧顶部为封闭端且其远离振动除砂机的一侧顶部为敞口端，所述敞口端与沉淀罐体通过第一溢流口连通，所述储浆罐体的两侧与沉淀罐体之间设置有走风狭缝和多个加强杆，所述储浆罐体的两侧内部均设置有冷水换热管，所述冷水换热管的供给端设置有冷水机组，所述储浆罐体的一侧设置有第二溢流口，所述第二溢流口处设置有溜槽，所述溜槽的一端连接至混合罐，所述混合罐上设置有泵管，所述泵管的泵送路径上设置有泥浆泵，所述泥浆泵的输出侧与钻井液循环进口连通。

[0007]作为优选，所述沉淀罐体的底部和混合罐的底部均为齿形底，所述齿形底包括多个三角截面的底凸，所述底凸朝沉淀罐体的长度方向和混合罐的长度方向延伸，所述齿形底埋在地表以下用于散热。

[0008]作为优选，所述储浆罐体的两侧内部均设置有内凹式隔墙，所述内凹式隔墙将储浆罐体的单侧分为2个储浆腔，所述冷水换热管从靠近敞口端的一个储浆腔上引入并通过设置在储浆罐体外侧的U形管引入另一个储浆腔。

[0009]作为优选，所述冷水换热管在一个储浆腔中由高降低且呈蛇形轨迹蜿蜒延伸，所述冷水换热管在另一个储浆腔中由低升高且呈蛇形轨迹蜿蜒延伸。

[0010]作为优选，所述储浆罐体的外侧设置有用来连通同侧的两个储浆腔的涡轮泵，所述涡轮泵将泥浆从靠近敞口端的储浆腔导入靠近振动除砂机的储浆腔，所述第二溢流口设置在靠近振动除砂机的储浆腔上。

[0011]作为优选，所述泥浆泵与钻井液循环进口的输送路径上设置有涡轮增压泵，所述涡轮增压泵的输出侧设置有分支管，所述分支管上设置有补水泵，所述补水泵的供给端设置有补水机组。

[0012]作为优选，所述补水泵的输出侧设置有螺旋尼龙管。

[0013]作为优选，所述储浆罐体在其靠近敞口端的储浆腔的内部设置有折流板，所述折流板的分布位置较冷水换热管靠近敞口端。

[0014]与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明提供的一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统，利用振动除砂机可将大量的大颗粒泥沙截留在泥沙收集池中，大量减少系统中的热量负荷，而且泥浆在沉淀与储浆一体罐中以及与混合罐的流转过程中可与自然环境完成一定的热交换，进一步减少系统中的热量负荷，有利于降低能耗;同时，沉淀与储浆一体罐采用两罐集合的方式，减小了沉淀罐和储浆罐的占地面积，通过缩短污泥排出周期以及提高泥浆流转速率来进一步降低热量负荷，并且走风狭缝出的走风速率也大于周围环境，可改善本装置的自然冷却效果。

[0015]2、本发明提供的一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统，沉淀与储浆一体罐与冷水换热管采用两罐集合+内部就地换热的方式，提高了本设备的空间集约率，而且分腔先后与冷水换热管进行换热，有利于改善热交换效果，提高本设备对钻井液的强制冷却效率。

[0016]3、本发明提供的一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统，通过增加涡流增压泵和补水泵以及螺旋尼龙管，可加速钻井液从泥浆泵至钻井液循环进口的速率，通过提高流速可起到降温的作用，进一步提高本系统的强制冷却效率。

附图说明

[0017]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0018]图1为实施例中一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统的主视图;

图2为沉淀与储浆一体罐的俯视图;

图3为沉淀与储浆一体罐的主视图;

图4为沉淀与储浆一体罐的侧视图;

以上各图中，1、空心钻具;2、钻杆;3、动力设备;4、钻井液循环进口;5、钢护筒;6、钻井液循环出口;7、泥沙收集池;8、沉淀与储浆一体罐;81、沉淀罐体;82、污泥排出口;83、污泥泵;84、储浆罐体;841、封闭端;842、敞口端;843、内凹式隔墙;844、储浆腔;85、第一溢流口;86、走风狭缝;87、加强杆;88、冷水换热管;89、U形管;810、第二溢流口;811、齿形底;9、混合罐;10、添加剂罐;11、振动除砂机;12、冷水机组;13、溜槽;14、泵管;15、泥浆泵;16、涡轮泵;17、涡轮增压泵;18、补水泵;19、补水机组;20、螺旋尼龙管;21、折流板。

具体实施方式

[0019]为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

[0020]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

[0021]实施例，如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供的一种具有钻井液强制冷却装置的钻井循环系统，包括空心钻具1，空心钻具1顶部设置有钻杆2和动力设备3，动力设备3的顶部设置有与空心钻具1连通的钻井液循环进口4，空心钻具1和钻杆2的工作面顶部设置有钢护筒5，钢护筒5上设置有钻井液循环出口6。其中，钢护筒5安装在钻孔的顶部，在钻孔作业中由下至上而来的钻井液可以从钢护筒5的内部流向钻井液循环出口6，在进行本系统的冷却循环中;冷却后的钻井液在补充添加剂和水量之后从钻井液循环进口4进入动力设备3，通过动力设备3打入钻杆2直至流向钻头的工作面位置。

[0022]为了提高本设备对钻井液的冷却效果，本发明提供的钻井液循环出口6与钻井液循环进口4之间的循环路径上设置有泥沙收集池7、沉淀与储浆一体罐8、混合罐9和添加剂罐10，添加剂罐10通过管道将添加剂添加到混合罐9中来与泥浆完成混合，沉淀与储浆一体罐8包括敞口的沉淀罐体81，沉淀罐体81的底部设置有污泥排出口82，污泥排出口82处设置有污泥泵83，沉淀罐体81的上方设置有振动除砂机11，振动除砂机11的出砂端朝向泥沙收集池7，振动除砂机11的出泥浆端朝向沉淀罐体81的一侧，沉淀罐体81的侧面设置有围绕沉淀罐体81的三个侧面分布的储浆罐体84，储浆罐体84的横截面呈U字形，储浆罐体84的两侧顶部为封闭端且其远离振动除砂机11的一侧顶部为敞口端，敞口端与沉淀罐体81通过第一溢流口85连通，储浆罐体84的两侧与沉淀罐体81之间设置有走风狭缝86和多个加强杆87，储浆罐体84的两侧内部均设置有冷水换热管88，冷水换热管88的供给端设置有冷水机组12，储浆罐体84的一侧设置有第二溢流口810，第二溢流口810处设置有溜槽13，溜槽13的一端连接至混合罐9，混合罐9上设置有泵管14，泵管14的泵送路径上设置有泥浆泵15，泥浆泵15的输出侧与钻井液循环进口4连通。

[0023]具体地，在自然冷却方面，振动除砂机11可将大量的大颗粒泥沙截留在泥沙收集池7中，泥沙本身吸热快、散热也快，这样可以大量减少系统中的热量负荷。而且泥浆在沉淀与储浆一体罐8具有一定的、敞口的散热表面积，在泥浆沉淀过程中以及与混合罐9的流转过程中可与自然环境完成一定的热交换，进一步减少系统中的热量负荷，充分利用环境的自然冷却能力来降低系统能耗。同时，沉淀与储浆一体罐8采用两罐集合的方式，减小了沉淀罐和储浆罐的占地面积，从控制流量方面考虑要保证储浆罐中有足够的泥浆流转体量，而与之配合地，通过缩短污泥排出周期以及提高泥浆流转速率来保证泥浆流转体量，并且减小了污泥的温床效应，进一步降低系统的热量负荷。储浆罐体84与沉淀罐体81之间的走风狭缝86出可通过压强效应来增加该位置的走风速率，大于周围环境的空气流通速率，从而带走沉淀罐体81以及泥浆的部分热量，可改善本装置的自然冷却效果。

[0024]在强制冷却方面，沉淀与储浆一体罐8与冷水换热管88采用两罐集合+内部就地换热的方式，提高了本设备的空间集约率，冷水换热管88直接在储浆罐体84中与泥浆进行热交换，缩短了泥浆的流转路径和流转时间，而且储浆罐体84提供的储浆腔844提供了充分的空间来令泥浆冷水换热管88接触，不至于出现换热容器内部堵塞的情况。

[0025]为了减少强制冷却作业的能耗，本发明提供的沉淀罐体81的底部和混合罐9的底部均为齿形底811，齿形底811包括多个三角截面的底凸，底凸朝沉淀罐体81的长度方向和混合罐9的长度方向延伸，齿形底811埋在地表以下用于散热。这样的话，由于沉淀罐体81和混合罐9都有较大的底面积，而齿形底811设计可进一步增加罐体与地表的实际接触面积，利用地表作为一个较大的换热媒介来降低系统的热量负荷，有利于降低强制冷却作业的能耗。

[0026]为了提高本系统强制冷却的性能，本发明提供的储浆罐体84的两侧内部均设置有内凹式隔墙843，内凹式隔墙843将储浆罐体84的单侧分为2个储浆腔844，冷水换热管88从靠近敞口端的一个储浆腔844上引入并通过设置在储浆罐体84外侧的U形管引入另一个储浆腔844。具体地，靠近敞口端的储浆腔844中的泥浆温度大于远离敞口端的储浆腔844中的热量，则冷水换热管88先与温度较高的泥浆进行热交换，再与温度较低的泥浆进行换热，也就是分腔先后与冷水换热管88进行换热，而且U形管的暴露安装也可令其与环境进行一定热交换，提高冷水换热管88中冷水介质对泥浆的冷却效果。这样的话，一方面，分腔设计可以保证冷水换热管88与泥浆有充分的、有效的接触概率，减少无效接触，另一方面则以阶梯式的换热方式来提高换热效率，有利于改善系统热交换效果，提高本设备对钻井液的强制冷却效率。

[0027]进一步地，由于从沉淀罐体81溢流进入储浆腔844中的泥浆多流动与浆位上半部分，所以从换热的效果上考虑，本发明提供的冷水换热管88在靠近敞口端的储浆腔844中由高降低且呈蛇形轨迹蜿蜒延伸，冷水换热管88在另一个储浆腔844中由低升高且呈蛇形轨迹蜿蜒延伸。这样的话，一套冷水换热管88在空间上连通两个储浆腔844，不仅空间统筹性比较合理，还从热交换方面来提高冷水对在先储浆腔844中泥浆的冷却效率，进而提高本系统的强制冷却效率。

[0028]为了提高泥浆的循环效率，与两个储浆腔844相匹配地，本发明提供的储浆罐体84的外侧设置有用来连通同侧的两个储浆腔844的涡轮泵16，涡轮泵16将泥浆从靠近敞口端的储浆腔844导入靠近振动除砂机11的储浆腔844，第二溢流口810设置在靠近振动除砂机11的储浆腔844上。涡轮泵16的进口处于低位，与靠近敞口端的储浆腔844连通，可保证其抽走储浆腔844中的泥浆，而涡轮泵16的出口则通过长管加高再伸入另一个储浆腔844中，由此来实现泥浆的合理转移，这样既保证了泥浆转移功能的实现，又实现了空间上的合理统筹。

[0029]为了提高本设备对泥浆的冷却效率，本发明提供的泥浆泵15与钻井液循环进口4的输送路径上设置有涡轮增压泵17，涡轮增压泵17的输出侧设置有分支管，分支管上设置有补水泵18，补水泵18的供给端设置有补水机组19。其中，涡轮增压泵17以涡轮增加的方式对泥浆进行加压加速，通过对管道内流体提速的方式来完成无热源快速制冷，而且对于水量不足的情况，可启动补水机组19从分支管打入一定水量，既起到提速作用，又起到配料作用，还有效保证了系统中钻井液进入之前的温度处于合理的范围，有利于提高钻井液的利用率。

[0030]进一步地，补水泵18的输出侧设置有螺旋尼龙管20，螺旋尼龙管20与环境具有一定的热交换面积，在其起到管道连接作用的基础上，可与外界环境实时进行热交换，而且可以与涡流增压泵和补水泵18相配合地，增加钻井液倒流的阻力，而涡流增压泵和补水泵18可有效保证泥浆经过螺旋尼龙管20的速率大于原尼龙管的速率，以提高整个系统的强制冷却效率。

[0031]为了提高靠近敞口端的储浆腔844中的钻井液即泥浆与冷水换热管88的换热效率，本发明在该储浆腔844的内部设置有折流板21，折流板21的分布位置较冷水换热管88靠近敞口端，该储浆腔844可以一边导出一部分泥浆，一边对一部分泥浆进行热交换，在合理的空间范围内保证泥浆的有效流转，有利于改善本设备对泥浆的冷却效果和对冷水热交换能力的利用程度。

[0032]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

说明书附图(4)