钻井泥浆冷却技术发展现状与新型泥浆冷却系统的研究
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摘要：国内在泥浆制冷技术及设备的研制方面还处于初级研究阶段，针对目前陆地天然气水合物勘探与开发工作的需要，吉林大学于2009年成功研制了一套钻井泥浆制冷系统，为我国首次在青藏木里盆地的陆地冻工区钻获天然气水合物样品起到了关键性的作用。2011及2012年在青海木里盆地、羌塘盆地及黑龙江漠河盆地的天然气水合物勘探工作中，也成功地运用了此项技术，但是，近几年实践过程中也暴露了其自动化程度低，出现多次换热器内部泥浆结冰堵塞现象，为顺利获取天然气水合物原状样品埋下隐患。为此，需对泥浆制冷系统的温控单元进行改进。
中图分类号： TF713 文献标识码： A
引言：
随着我国对能源需求量的增加，天然气水合物作为一种潜在的新型能源，成为勘探与开发的一个重要方向。天然气水合物钻探取样过程中，泥浆制冷系统具有十分重要的作用。如何获取原状保真样品成为勘探开发技术的关键。本文就针对钻井泥浆冷却技术发展现状与新型泥浆冷却系统进行研究。
一、泥浆冷却技术研究现状
国外天然气水合物勘探中，在加拿大马更些地区Mallik 2L一38天然气水合物勘探井中，泥浆冷却装置采用的是平板式换热器，可以将泥浆温度冷却至2℃左右;2003年在美国阿拉斯加北坡天然气水合物试采井“热冰1井”中，泥浆冷却维持在-5℃左右;2007年在美国阿拉斯加北坡天然气水合物钻探中，采用美国Drillcool公司研制的泥浆冷却装置，泥浆冷却至一2℃左右，满足设计要求。在我国天然气水合物科钻项目中，使用的是吉林大学研制的泥浆冷却系统，采用载冷剂和泥浆对流换热的冷却方式，能有效地将泥浆温度控制在低温范围内，为天然气水合物样品的获取发挥了很大的作用。
二、泥浆冷却系统组成与工作原理
钻井泥浆冷却系统为一套独立的系统，能够实现泥浆动态冷却，即保证泥浆温度在钻进中始终稳定在低温范围内。该系统的核心装置为同轴套管式换热器，选择乙二醇为载冷剂，低温的载冷剂与孔口返回的泥浆在换热器中对流换热使泥浆温度降低。
同轴式套管换热器是将不同直径的两种管了套在一起，形成同心套管，一种流体在管内流动，另一种流体在内管与外管的环状问隙流过，通常成逆流流动，这样可以提高热量的传递效率。当需要较多的传热面积时，换热器可以用多根套管组合而成，其内管与内管问用U形管连接，外管与外管问用短管连接。泥浆池中的泥浆通过低温泥浆泵经过泥浆入口进入套管式换热器的内管中，然后经过泥浆出口再返回泥浆池中，中问经过一次降温过程。同时从载冷剂箱中出来的一15℃的乙二醇载冷剂经过制冷液输送泵送入套管式换热器的环状问隙中，与内管中的泥浆形成逆流，同时制冷泥浆，然后返回载冷剂箱中经过制冷机组重新降温形成反复循环。套管式换热器的长度可以随着系统参数和泥浆参数的不同而调整。制冷液输送泵采用能耐一15℃的低温泵。泥浆泵将泥浆池中经过制冷的泥浆抽入井中进行不断循环。
三、新型泥浆冷却系统，智能温控单元的加入
为了提高泥浆制冷系统的自动化程度与系统的工作可靠度，可在泥浆制冷系统原有的温度检测系统中加入智能温控单元，将泥浆制冷过程自动化，避免事故发生。智能温控单儿的工作原理:嵌入式微控制器(Microcontroller Unit MCU)是系统的核心部分，传感器所测量的数据通过单片机分析处理后，振荡回路发生一定频率的交流信号，此信号经进入放大回路后控制受控设备(即低温制冷液输送泵)的开关。嵌入式微控制器还负责屏幕显示以及键盘输入等工作。开关的供电系统由一个桥式整流将220 V交流电转化成+12 V直流电，另由三端稳压集成电路7805将部分+12 V电压转化成+5 V电压，保证了开关中各部件所需电源。
考虑到施工环境的复杂性，为了避免雷电小感应、大设备启动与停止等等的波动干扰，引发输出端口误动作是本单儿的技术难点。在输出端口加入一个约2s的判断比较延迟来解决这类问题。如果在2s内，每一次的测量结果都符合输出端口的动作要求，输出端口才会真正执行动作，否则将不会执行。具体做法是在放大回路与受控设备之间加入一个直流电磁式时一间继电器时一间继电器(timerelay)是指当加入(或去掉)输入的动作信号后，其输出电路需经过规定的准确时一间才产生跳跃式变化(或触头动作)的一种继电器。直流电磁式时一间继电器的工作原理是利用电磁系统在电磁线圈断电后磁通延缓变化的原理工作的。选择电磁式时一间继电器是由于它结构简单，价格低廉，延时较短0. 3s- 5.5s，只能用于直流断点等特点很好的符合本智能温控开关的实际需求。直流电磁式时间继电器的加入，解决了施工环境不稳定因素引发的工作隐患，使智能温控开关更严谨、更可靠。
在天然气水合物钻井泥浆冷却系统工作时一，智能温控开关从泥浆出口温度传感器获得温度数据，若温度>2. 5℃(可根据实际需要更改)，温控芯片经过处理下达指令，继电器接口处的开关闭合，从而将载冷剂循环泵打开。若温度
智能温控开关在满足工程需要的同时，还有其它功能将使天然气水合物钻井泥浆冷却系统更加完善。用户可以将所设定的温度参数存储到芯片中，不受停电等意外因素的影响，不会丢失检测数据。
四、结语
在钻井泥浆制冷系统中引入此智能温控单元，提高了泥浆制冷系统的自动化程度，解决了泥浆制冷过程中的重要隐患。在保证天然气水合物钻井泥浆冷却系统有效工作的同时，使操作更加便捷，降低了劳动强度。将智能单元引入到泥浆制冷温度控制系统后，也将对整个制冷系统本身也起到一定的保护作用，柔和、合理的开关使得硬件的寿命得到延长，减少硬件损坏，可大幅度提高钻井泥浆制冷系统的可靠性。
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