一种钻井液冷却换热装置及钻井液循环系统的制作方法

本实用新型涉及油气井钻井领域，尤其涉及一种钻井液循环降温装置及钻井液循环系统。

背景技术：

随着石油钻井技术的发展，深井、超深井、高温高压井技术已成为石油钻井行业的重要发展趋势，然而由于深度的增加，在钻井过程中也面临着新的问题。据实测，当井深超过7000m时，井底温度可达到200℃，同时钻具切屑岩石、钻杆与井壁摩擦也会产生大量的热，这些热量会不断的传递给钻井液，使井内钻井液温度过高。钻井液大幅度的升温不仅影响了钻井液性能，而且降低了井下工具的使用寿命，影响测量仪器的正常使用，另一方面，返回地面的钻井液温度过高也对钻井作业的安全性带来了威胁。

目前，钻井液冷却设备多为传统的以水、空气为被冷却介质的换热器，由于水和空气与钻井液性质相差甚远，因此在使用过程中易出现通道堵塞、冷却效果不佳的问题，同时也对钻井液的排量和输送动力有一定要求，易影响钻井作业的正常进行。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种钻井液冷却效果好，保证钻井作业正常运行的钻井液循环降温装置及钻井液循环系统。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种钻井液冷却换热装置，包括换热箱体、钻井液循环腔、冷却液循环腔、换热管及钻井液流通管道，其中，所述钻井液循环腔和冷却液循环腔并排布置于所述换热箱体内，所述换热管的两端分别位于所述钻井液循环腔和所述冷却液循环腔；所述钻井液流通管道与所述钻井液循环腔串联，以形成钻井液自循环通道。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述换热管内部设有换热介质，所述换热介质在所述钻井液循环腔内受热转换为气体介质，所述换热介质在所述冷却液循环腔内遇冷转换为液体介质。

所述换热管为倾斜布置，所述换热管的位于冷却液循环腔的一端高于所述换热管的位于钻井液循环腔的一端。

所述钻井液循环腔与所述冷却液循环腔通过隔板隔开；所述换热管为多个，多个所述换热管呈阵列状密封安装于所述隔板上。

所述钻井液循环腔的靠近钻井液入口位置设有使钻井液流态均匀的过流板，所述过流板上设有多个均匀排布的贯通孔；所述钻井液循环腔通过所述过流板分隔为钻井液流入段和钻井液换热段，所述换热管设于所述钻井液换热段内。

所述钻井液换热段的底部设有避免泥砂聚集的除砂组件，所述除砂组件包括沉砂板、除砂口及密封盖，所述沉砂板的表面垂直于钻井液的流动方向倾斜布置，所述除砂口位于所述沉砂板的低端，所述密封盖在钻井液冷却换热时设于所述除砂口上。

所述沉砂板的表面沿钻井液的流动方向为波浪形表面，所述除砂口位于所述波浪形表面的低端。

所述钻井液循环腔的两端设有钻井液入口和钻井液出口，所述冷却液循环腔的两端设有冷却水入口和冷却水出口，所述钻井液入口与所述冷却水出口位于同侧，所述钻井液出口与所述冷却水入口位于同侧。

所述钻井液循环腔还设有排出多余钻井液的钻井液排放口，所述钻井液排放口位于所述钻井液出口的下方。

一种钻井液循环系统，其特征在于，包括循环管线和上述所述的钻井液冷却换热装置，所述钻井液冷却换热装置设于所述循环管线上。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型的钻井液冷却换热装置在换热箱体内并排设置钻井液循环腔和冷却液循环腔，且在钻井液循环腔和冷却液循环腔之间设置换热管。其结构简单，且钻井液循环腔内的钻井液通过换热管将热量传递至冷却液循环腔的冷却水中，从而实现高温钻井液的冷却降温，其传热快速高效，且冷却效果好。同时，钻井液流通管道与钻井液循环腔串联，以形成钻井液自循环通道，其使得钻井液介质可循环流动进行多次冷却换热，从而可持续高效的降低高温钻井液的温度，保证钻井液冷却效果；同时，钻井液自循环通道在保障循环动力充足的同时对钻井作业无影响，从而使设备进出口流量更加稳定。

本实用新型的钻井液循环系统同样具有上述优点，且钻井液冷却换热装置设于循环管线上，其无需改变钻井液循环系统现有结构，即可使得冷却换热装置直接连接于钻井液循环系统中进行配套使用，其在有效降低钻井液入井温度的同时，不影响钻井作业的正常运行，具有操作方便、成本低的优点。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。其中：

图1是本实用新型钻井液冷却换热装置的水平剖面图。

图2是本实用新型钻井液冷却换热装置的结构示意图。

图3是本实用新型钻井液冷却换热装置的正视图。

图4是本实用新型换热管与换热箱体的位置关系示意图。

图中各标号表示：

1、换热箱体；11、钻井液入口；12、钻井液出口；13、冷却水入口；14、冷却水出口；15、钻井液排放口；16、自循环出口；17、自循环进口；2、钻井液循环腔；3、冷却液循环腔；4、换热管；41、散热翅片；5、钻井液流通管道；51、自循环泵；6、隔板；7、过流板；71、贯通孔；8、除砂组件；81、沉砂板；82、除砂口。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

如图1至图4示出了本实用新型钻井液冷却换热装置的实施例，其适用于深井和高温井中。本实施例中，钻井液冷却换热装置包括换热箱体1、钻井液循环腔2、冷却液循环腔3、换热管4及钻井液流通管道5。其中，钻井液循环腔2和冷却液循环腔3并排布置于换热箱体1内，换热管4的两端分别位于钻井液循环腔2和冷却液循环腔3。其结构简单，且钻井液循环腔2内的钻井液通过换热管4将热量传递至冷却液循环腔3的冷却水中，从而实现高温钻井液的冷却降温，其传热快速高效，且冷却效果好。

同时，钻井液流通管道5与钻井液循环腔2串联，以形成钻井液自循环通道。其使得钻井液介质可循环流动进行多次冷却换热，从而可持续高效的降低高温钻井液的温度，保证钻井液冷却效果。本实施例中，钻井液流通管道5上设有自循环泵51，以提供钻井液足够的循环动力，其在保障循环动力充足的同时对钻井作业无影响，从而使设备进出口流量更加稳定。

本实施例中，换热管4内部设有换热介质。换热介质在钻井液循环腔2内受热转换为气体介质，此时，气体介质为高温气体，高温气体通过换热管4流入冷却液循环腔3内。高温气体在冷却液循环腔3内遇冷换热，高温气体换热后转换为液体介质，此时，液体介质为低温液体，低温液体通过换热管4重新流入钻井液循环腔2内。本实用新型在钻井液循环冷却换热的过程中，换热介质在换热管4的钻井液循环腔2与冷却液循环腔3的方向循环流动，其传热快速高效、冷却效果好，且可重复使用。

进一步地，如图4所示，换热管4为倾斜布置，换热管4的位于冷却液循环腔3的一端高于换热管4的位于钻井液循环腔2的一端。以利于换热管4的液体介质流入钻井液循环腔2内，气体介质进入冷却液循环腔3内，保证换热管4的有效传热和顺利工作。

进一步地，换热管4位于冷却液循环腔3内的部分设有散热翅片41，其进一步提高了冷却水与换热介质的换热效果。

本实施例中，钻井液循环腔2与冷却液循环腔3通过隔板6隔开。如图3所示，换热管4为多个，多个换热管4呈阵列状密封安装于隔板6上，其保证了钻井液冷却效果，且由于各换热管4相互独立，在某一换热管4损坏时不会影响钻井液的冷却效果，其保证了钻井液冷却换热可靠性。

如图2所示，钻井液循环腔2的靠近钻井液入口11位置设有过流板7，过流板7上设有多个均匀排布的贯通孔71。同时，钻井液循环腔2通过过流板7分隔为钻井液流入段和钻井液换热段，换热管4设于钻井液换热段内。本实用新型的钻井液通过贯通孔71后流态均匀，从而使得钻井液与换热管4充分接触，提高了钻井液冷却效果；且钻井液均匀流动，减少了长期使用带来的泥砂沉积，从而达到持续、高效换热的目的。

进一步地，过流板7的高度低于换热箱体1的高度，钻井液出口12的高度与过流板7的高度平齐，以避免钻井液溢流。同时，换热箱体1的顶板为活动板，可随意拆卸，便于清洗。

如图2至4所示，钻井液换热段的底部设有除砂组件8，除砂组件8包括沉砂板81、除砂口82及密封盖。其中，沉砂板81的表面垂直于钻井液的流动方向倾斜布置，除砂口82位于沉砂板81的低端，以使泥砂导向至除砂口82位置；密封盖在钻井液冷却换热时设于除砂口82上，在钻井液冷却换热后，打开密封盖排出泥砂和剩余钻井液，其有效避免了泥砂聚集，保证了换热效率。

进一步地，沉砂板81的表面沿钻井液的流动方向为波浪形表面，除砂口82位于波浪形表面的低端。其使沉砂板81多段布置，增加沉砂板81沿钻井液的流动方向的坡度，提高了沉砂效果。

在钻井液循环冷却过程中，部分泥砂沉降在沉砂板81上，伴随着钻井液冲刷，在沉砂板81的特殊结构的作用下汇集至沉砂板81的最低点；待钻井液冷却换热装置停止使用后，打开钻井液排放口15，将多余钻井液排出；打开除砂口82的密封盖，插入除砂管、配合螺杆泵将泥砂及剩余钻井液抽出，并排放至指定地点。除砂口82的直径应大于除砂管的直径，以方便除砂管插入，便于收集并排放泥砂。

本实施例中，钻井液循环腔2上设有钻井液入口11和钻井液出口12，钻井液入口11与钻井液出口12相对布置于钻井液循环腔2的两端；同时，冷却液循环腔3上设有冷却水入口13和冷却水出口14，冷却水入口13和冷却水出口14相对布置于钻井液循环腔2的两端，以形成冷却水流通通道。本实施例中，钻井液入口11和冷却水出口14位于同侧，钻井液出口12和冷却水入口13位于同侧，其使得钻井液和冷却水流动方向相反，高温钻井液与低温冷却水逆向流动，通过换热管4的作用，将高温钻井液快速冷却。同时，由于钻井液和冷却水流动方向相反，使得两侧液体在流动过程中始终存在温度差，从而换热箱体1中的所有换热管4均能够充分发挥换热作用，有效提高了整体换热效率。

进一步地，钻井液循环腔2上还设有钻井液排放口15，钻井液排放口15位于钻井液出口12的下方，以在钻井液冷却换热后排出多余钻井液。

同时，钻井液循环腔2的两端还设有自循环出口16和自循环进口17，以使钻井液循环腔2与钻井液流通管道5可靠连通。本实施例中，各进出口均通过法兰连接于换热箱体1上，以便于外部管道的安装连接。

本实施例中，钻井液循环腔2与冷却液循环腔3的体积比为3:2。在其他实施例中，钻井液循环腔2与冷却液循环腔3的体积比只要能够保证钻井液充分冷却散热即可，其可依据钻井液流量和冷却水量进行调节。

本实施例中，钻井液冷却换热装置的工作过程为：将钻井液冷却换热装置连接在钻井液循环系统中；高温钻井液由钻井液入口11进入钻井液循环腔2，经过流板7均匀分配流量后，与换热管4充分接触，将热量通过换热管4的换热介质传递给低温冷却水；此时，钻井液未达到目标温度、且液面高度未达到钻井液出口12处，钻井液进入钻井液流通管道5内，并在自循环泵51的作用下泵送至钻井液循环腔2内，再次参与循环换热；待钻井液降到目标温度后，随钻井液的不断注入，钻井液循环腔2内的液面升高，当钻井液液面高度达到钻井液出口12后，冷却后的钻井液流出并通过泥浆泵进入井筒内。低温冷却水由冷却水入口13进入冷却液循环腔3，与换热管4接触换热，升温后的冷却水从冷却水出口14流出，由此达到持续降低钻井液入井温度的效果。

本实施例的钻井液循环系统包括循环管线和上述实施例所述的钻井液冷却换热装置，钻井液冷却换热装置设于循环管线上。

本实用新型的钻井液循环系统同样具有上述钻井液冷却换热装置的优点，且钻井液冷却换热装置设于循环管线上，其无需改变钻井液循环系统现有结构，即可使得冷却换热装置直接连接于钻井液循环系统中进行配套使用，其在有效降低钻井液入井温度的同时，不影响钻井作业的正常运行，具有操作方便、成本低的优点。

虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。