一种可充分冷却钻井液的冷却塔及操作方法与流程

本发明涉及钻井技术领域，特别涉及一种可充分冷却钻井液的冷却塔及操作方法。

背景技术：

在石油天然气钻井过程中，钻井液主要起冷却钻具、从井底携带破碎的岩屑、稳定井壁结构等作用。由于钻井液由化学剂、膨润土或者是其他油品材料组成，其自身都有严格的温度使用范围，钻井液温度过高不仅影响其本身的性能，还影响井下钻具及导向测试工具的环境温度、使用寿命、机械钻速和井壁稳定性等。通常在高温条件下，钻井液中的各种粘土粒子产生絮凝作用、凝胶化、粘度增大，甚至由于钻井液材料的热降解等因素，钻井液的功能显著降低，这样导致钻机动力负荷增大，钻井液返排能力减弱，钻井泵的泵压需求增加，钻机整体功耗增加等这些潜在可能存在的负面因素，同时，随着钻井深度的增加，井底温度也随之增高，高温会引起各种钻井液性能的恶化，甚至加速钻具寿命缩减，严重影响钻井安全及生产进度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可充分冷却钻井液的冷却塔及操作方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种可充分冷却钻井液的冷却塔，包括塔体、风冷组件、水冷组件、喷嘴组件、进风口、高温钻井液进入管和冷却后钻井液排出管，所述风冷组件与所述塔体的顶部密封连接，所述塔体的中部设置有用于冷却钻井液的所述水冷组件，所述塔体的底部密封连接有收集仓，所述收集仓的底部设置有所述冷却后钻井液排出管，所述塔体的侧壁上设置有用于防止钻井液排出所述塔体外侧的所述进风口，所述进风口设置在所述收集仓与所述水冷组件之间，所述塔体的内部设置有喷嘴组件，所述喷嘴组件设置在所述风冷组件与所述水冷组件之间，所述喷嘴组件与所述高温钻井液进入管相连。

进一步地，所述风冷组件包括收水器、密封顶板、防爆风机和热气排出口，所述密封顶板与所述塔体顶部密封连接，所述密封顶板上设置有所述热气排出口，所述热气排出口上设置有用于快速排气的所述防爆风机，所述塔体的内壁上设置有与所述塔体内壁配合的所述收水器，所述收水器设置在所述密封顶板与所述喷嘴组件之间。

进一步地，所述水冷组件包括填料架、水道部件、防爆离心水泵和冷却水罐，所述填料架与所述水道部件相连，所述水道部件的输出端与所述冷却水罐上端相连，所述水道部件的输入端与所述防爆离心水泵的输出端相连，所述防爆离心水泵的输入端与所述冷却水罐的底部相连，所述填料架设置在所述塔体内部，所述水道部件设置在所述塔体的外壁上，所述冷却水罐与用于冷却所述冷却水罐中的冷却水的水冷机组相连；

所述填料架包括若干第一冷却平面和若干第二冷却平面，所述第一冷却平面与所述第二冷却平面相间设置且互相平行，所述第一冷却平面由若干互相平行的第一冷却管组成，所述第二冷却平面由若干互相平行的第二冷却管组成，所述第一冷却管与所述第二冷却管互呈一定角度设置；

所述水道部件包括第一输入水道、第一输出水道、第二输入水道和第二输出水道，所述第一输入水道与所述第一输出水道相对设置，所述第二输入水道与所述第二输出水道相对设置，所述第一冷却管的两端分别与所述第一输入水道及所述第一输出水道连通，所述第二冷却管的两端分别与所述第二输入水道及所述第二输出水道连通，所述第一输入水道、第一输出水道、第二输入水道和第二输出水道的一端均密封，所述第一输入水道的另一端和所述第二输入水道的另一端均与所述防爆离心水泵的输出端相连，所述第一输出水道的另一端和所述第二输出水道的另一端均与所述冷却水罐的上端相连。

进一步地，所述喷嘴组件包括喷头、分流支管、进液主管和分流腔体，所述进液主管的一端与所述高温钻井液进入管相连，其另一端穿过所述塔体的壁后与所述分流腔体的上端相连，所述分流腔体的侧壁与若干所述分流支管的一端相连，所述分流支管与向所述填料架侧喷射钻井液的所述喷头相连。

进一步地，所述高温钻井液进入管的输入端与防爆砂泵相连，所述塔体、防爆砂泵、防爆离心水泵和冷却水罐均设置在运输撬上，所述运输撬上还设置有防爆电控箱，所述防爆砂泵、防爆离心水泵、水冷机组和防爆风机均与所述防爆电控箱电连接。

进一步地，所述收水器包括外框和阻挡片，所述外框与所述塔体的内壁配合，所述外框中等间距设置有若干互相平行的所述阻挡片，所述阻挡片的截面呈m型。

进一步地，所述第一冷却管与所述第二冷却管互相垂直。

进一步地，所述防爆砂泵的输入端通过高温钻井液吸入管与固控系统钻井高温液罐相连，所述冷却后钻井液排出管的输出端与固控系统钻井低温液罐相连。

进一步地，所述塔体的截面呈方形，所述进风口上设置有百叶窗，所述百叶窗上设置有若干横板，且所述横板向所述塔体内部倾斜。

冷却塔的操作方法，所述操作方法包括以下步骤：

s1：将所述冷却塔、运输撬和冷水机组运输至指定地点，并进行连接组装；

s2：向所述冷却水罐中注入冷却水；

s3：根据所述固控系统钻井高温液罐中的温度，确定所述防爆风机和所述爆砂泵的启动/停止；

s4：根据所述填料架中的温度，确定所述防爆离心水泵的启动/停止；

s5：根据所述冷却水罐中的温度，确定所述冷水机组的启动/停止。

本发明的有益效果是：

1)在本冷却塔中，喷嘴组件在喷出钻井液的过程中，钻井液会散开，这样实现了钻井液的第一次冷却；在风冷组件的作用下，空气从进风口进入，然后从热气排出口上排出，空气从塔体内部的下侧到上侧会与钻井液相遇，空气可以带走钻井液中的部分热量，实现了钻井液的第二次冷却；钻井液作用在填料架上，使得钻井液充分散开，填料架也能吸收一部分热量，在冷却水的循环作用下，冷却水间接的与钻井液进行热交换，实现了钻井液的第三次冷却，因此，本冷却塔充分使得钻井液被冷却，提高石油天然气钻井的效率、保障钻井作业安全，延长工具及其他设备的使用寿命。

2)在本冷却塔中，填料架由多个第一冷却平面和多个第二冷却平面组成，第一冷却平面由多个第一冷却管组成，第二冷却平面由多个第二冷却管组成，这样使得钻井液在填料架的作用下充分散开，填料架在冷却水循环的动作下也能充分带走钻井液中的热量。

3)在本冷却塔中，收水器由外框和阻挡片组成，而阻挡片的截面呈m型，在阻挡片的作用下使得钻井液不会从热气排出口排出，而热量可以从阻挡片之间的缝隙中排出。

附图说明

图1为本冷却塔的立体连接结构图；

图2为本冷却塔的俯视连接结构图；

图3为图2的a-a剖面结构图；

图4为图3的b处放大结构图；

图5为喷嘴组件的俯视结构图；

图6为收水器的俯视结构图；

图7为图6的c-c剖面结构图；

图8为本冷却塔的塔体被放倒后的连接结构图；

图中，1-塔体，2-进风口，3-高温钻井液进入管，4-冷却后钻井液排出管，5-收集仓，6-收水器，7-密封顶板，8-防爆风机，9-热气排出口，10-防爆离心水泵，11-冷却水罐，12-第一冷却平面，13-第二冷却平面，14-第一冷却管，15-第二冷却管，16-第一输入水道，17-第一输出水道，18-第二输入水道，19-第二输出水道，20-喷头，21-分流支管，22-进液主管，23-分流腔体，24-防爆砂泵，25-运输撬，26-防爆电控箱，27-外框，28-阻挡片，29-高温钻井液吸入管，30-吊耳，31-销轴，32-横板，33-固定立柱，34-活动立柱。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：

一种可充分冷却钻井液的冷却塔，包括塔体1、风冷组件、水冷组件、喷嘴组件、进风口2、高温钻井液进入管3和冷却后钻井液排出管4，风冷组件与塔体1的顶部密封连接，塔体1呈壳长方壳体状，塔体1的中部设置有用于冷却钻井液的水冷组件，塔体1的底部密封连接有收集仓5，收集仓5的底部设置有冷却后钻井液排出管4，塔体1的侧壁上设置有用于防止钻井液排出塔体1外侧的进风口2，进风口2设置在收集仓5与水冷组件之间，塔体1的内部设置有喷嘴组件，喷嘴组件设置在风冷组件与水冷组件之间，喷嘴组件与高温钻井液进入管3相连。防爆砂泵24的输入端通过高温钻井液吸入管29与固控系统钻井高温液罐相连，冷却后钻井液排出管4的输出端与固控系统钻井低温液罐相连。其中，固控系统钻井高温液罐和固控系统钻井低温液罐都为现有技术设备，固控系统钻井高温液罐主要用来沉淀钻井液中的砂石的，固控系统钻井低温液罐用来进一步除去砂石的，高温钻井液吸入管29连接在输入端连接在固控系统钻井高温液罐的上侧，只输送上侧的钻井液，不输送下侧的砂石沉淀。塔体1的截面呈方形，进风口2上设置有百叶窗，百叶窗上设置有若干横板32，且横板32向塔体1内部倾斜，防止钻井液外流。塔体1的截面呈长方形或者正方形。收集仓5呈倒四棱锥状，冷却后钻井液排出管4连接在四棱锥状的尖部。固控系统钻井高温液罐中的钻井液通过防爆砂泵24进入到喷嘴组件中，喷嘴组件喷洒后进入到收集仓5，收集仓5中的钻井液通过冷却后钻井液排出管4进入到固控系统钻井低温液罐中。

优选的，风冷组件包括收水器6、密封顶板7、防爆风机8和热气排出口9，密封顶板7与塔体1顶部密封连接，密封顶板7上设置有热气排出口9，热气排出口9上设置有用于快速排气的防爆风机8，塔体1的内壁上设置有与塔体1内壁配合的收水器6，收水器6设置在密封顶板7与喷嘴组件之间。密封顶板7分为两种，一种是一块整块板子，还有一种是一块整块板子上设置多个透气孔，在板子上设置有热气排出口9，热气排出口9为空心圆柱，防爆风机8包括防爆电机和防爆电机驱动的风扇，风扇设置在空心圆柱内，防爆电机设置在空心圆柱外，这样可以充分抽出热气，进风口2是空气的进入点，防爆电机为现有技术。在本冷却塔中，呈对称设置有两个空心圆柱，每个空心圆柱都有一个防爆风机8。

优选的，收水器6包括外框27和阻挡片28，外框27与塔体1的内壁配合，外框27中等间距设置有若干互相平行的阻挡片28，阻挡片28的截面呈m型。收水器6由外框27和阻挡片28组成，而阻挡片28的截面呈m型，在阻挡28片的作用下使得钻井液不会从热气排出口排出，而热量可以从阻挡片28之间的缝隙中排出。

优选的，水冷组件包括填料架、水道部件、防爆离心水泵10和冷却水罐11，填料架与水道部件相连，水道部件的输出端与冷却水罐11上端相连，水道部件的输入端与防爆离心水泵10的输出端相连，防爆离心水泵10的输入端与冷却水罐11的底部相连，填料架设置在塔体1内部，水道部件设置在塔体1的外壁上，冷却水罐11与用于冷却冷却水罐11中的冷却水的水冷机组相连，水冷机组采用现有技术设备；填料架包括若干第一冷却平面12和若干第二冷却平面13，第一冷却平面12与第二冷却平面13相间设置且互相平行，第一冷却平面12由若干互相平行的第一冷却管14组成，第二冷却平面13由若干互相平行的第二冷却管15组成，第一冷却管14与第二冷却管15互呈一定角度设置；水道部件包括第一输入水道16、第一输出水道17、第二输入水道18和第二输出水道19，第一输入水道16与第一输出水道17相对设置，第二输入水道18与第二输出水道19相对设置，第一冷却管14的两端分别与第一输入水道16及第一输出水道17连通，第二冷却管15的两端分别与第二输入水道18及第二输出水道19连通，第一输入水道16、第一输出水道17、第二输入水道18和第二输出水道19的一端均密封，第一输入水道16的另一端和第二输入水道18的另一端均与防爆离心水泵10的输出端相连，第一输出水道17的另一端和第二输出水道19的另一端均与冷却水罐11的上端相连。在冷却塔中，填料架包括若干第一冷却平面12和若干第二冷却平面13，这样使得第一输入水道16、第一输出水道17、第二输入水道18和第二输出水道19均呈弓字形，塔体1的截面呈方形，第一输入水道16和第一输出水道17设置在相对的两个面上，第二输入水道18和第二输出水道19设置在另外两个相对的面上，这样可以使得填料架充分实现热交换。第一冷却管14与第二冷却管15互相垂直。其中，第一输出水道17和第二输出水道19的下端是密封的，其上端分别通过管道与冷却水罐11开口部的固定件相连；第一输入水道16和第二输入水道18的上端是密封的，其下端分别与防爆离心水泵10相连，防爆离心水泵10上设置有三通管，其中一个管口与防爆离心水泵10相连，另外两个管口分别与第一输入水道16和第二输入水道18相连。在本冷却塔中，填料架由多个第一冷却平面12和多个第二冷却平面13组成，第一冷却平面12由多个第一冷却管14组成，第二冷却平面13由多个第二冷却管15组成，这样使得钻井液在填料架的作用下充分散开，填料架也能充分带走钻井液中的热量。冷却水为清水，其水温≤20℃。第一冷却平面12上的两侧第一冷却管14靠近塔体1的内壁，第二冷却平面13上的两侧第二冷却管15也靠近塔体1的内壁。

优选的，喷嘴组件包括喷头20、分流支管21、进液主管22和分流腔体23，进液主管22的一端与高温钻井液进入管3相连，其另一端穿过塔体1的壁后与分流腔体23的上端相连，分流腔体23的侧壁与若干分流支管21的一端相连，分流支管21与向填料架侧喷射钻井液的喷头20相连。其中，喷头20为现有技术，喷头20上有多个孔，这样从喷头20喷出的钻井液是散状的，喷头是向下喷的。分流腔体23呈圆柱状，内部是空心的，进液主管22与圆柱状的分流腔体23上表面相连，进液主管22与塔体1的侧壁是密封连接的，在圆柱状的分流腔体23侧面上均匀分布有多个分流支管21，一般情况下，分流支管21的数量为四个。钻井液通过高温钻井液进入管3进入到进液主管22，然后通过分流腔体23进入到分流支管21中，最后通过喷头20喷出。喷头20采用耐磨、耐腐蚀、大流量的实心锥喷嘴，散射角度90°～120°。

优选的，高温钻井液进入管3的输入端与防爆砂泵24相连，塔体1、防爆砂泵24、防爆离心水泵10和冷却水罐11均设置在运输撬25上，运输撬25上还设置有防爆电控箱26，防爆砂泵24、防爆离心水泵10和防爆风机8均与防爆电控箱26电连接。在钻井过程中，油井会产生可燃性气体，所以防爆电控箱26、防爆砂泵24、防爆离心水泵10和防爆风机8都为了防止工作过程中可燃性气体被点燃，这些设备都是现有技术，冷却水罐11用来储存冷却水的。在防爆电控箱26中设置有微控制器，在固控系统钻井高温液罐内设置有第一温度传感器，在填料架内设置有第二温度传感器，在冷却水罐11内设置有第三温度传感器，第一温度传感、第二温度传感器、第三温度传感器、防爆砂泵24、防爆离心水泵10和防爆风机8均与微控制器电连接，通过微控制器使得本冷却塔实现自动化。防爆电控箱26中的微控制器主要控制冷水机组、防爆风机8、防爆砂泵24、防爆离心水泵10、自动化控制系统、照明等。

运输撬25与塔体1之间设置有支架组件，支架组件包括固定立柱33和活动立柱34，两个固定立柱33的下端固定在运输撬25上，两个固定立柱33靠近冷却水罐11侧设置，两个固定立柱33的上端分别与塔体1一侧铰接，两个活动立柱34的是可以拆掉的，两个活动立柱34的下端通过螺栓固定在运输撬25上，两个活动立柱34上端通过销轴31固定在塔体1上。由于塔体1较高不方便运输，所以在运输过程中将活动立柱34拆下，然后将塔体1放倒，放倒之后还是通过固定立柱33与运输撬25连接成一体的；使用时再将塔体1树立，在塔体1的顶部设置有吊耳30，在活动立柱34拆/装的过程中，通过吊车设备将塔体1吊起来。

一般情况下，冷却塔中的冷却水温度控制在20℃以下，冷却水罐里面设置有温度传感器，温度传感器与微控制器电连接，当冷却水罐里面的冷却水温度高于摄氏度时候，冷却水罐中设置的冷却机组自动启动开始降温冷却水作业。

冷却塔的操作方法，该操作方法包括以下步骤：

(1)将冷却塔、运输撬25和冷水机组运输至指定地点，并进行连接组装；这里的指定地点是指钻井处的固控系统钻井高温液罐旁边。冷却塔的塔体1从倒放状态变成竖立状态，需要在塔体1与运输撬25之间安装活动立柱34，塔体1通过高温钻井液进入管3与防爆砂泵24相连，防爆砂泵24通过高温钻井液吸入管29与固控系统钻井高温液罐相连，塔体1通过冷却后钻井液排出管4与固控系统钻井低温液罐连接，然后连接输电线缆。

(2)向冷却水罐11中注入冷却水。在运输过程中，冷却水罐11没有冷却水，设备安装完成后，在冷却水罐11中加入冷却水。冷却水罐11的6个面全部做隔热层，主要防止外界气温与冷却水进行冷热交换。

(3)根据固控系统钻井高温液罐中的温度，确定防爆风机8和爆砂泵24的启动/停止。当固控系统钻井高温液罐里面的第一温度传感器检测到某设定温度值(比如20℃)后，自动启动防爆风机8，待防爆风机8运行8～12s后，自动启动所述防爆砂泵24，使得固控系统钻井高温液罐中的高温钻井液通过防爆砂泵24后进入到喷嘴组件中，喷嘴组件向填料架侧喷淋钻井液；当固控系统钻井高温液罐里面的第一温度传感器检测到的温度低于-10℃后，整个冷却系统全部停止运作。

(4)根据填料架中的温度，确定防爆离心水泵10的启动/停止。当填料架里面的第二温度传感器检测到某设定温度值(比如30℃)后，自动启动防爆离心水泵10，使得冷却水罐11中的冷却水通过防爆离心水泵10和水道部件进入到填料架中，冷却水对填料架进行降温，填料架对钻井液进行降温；当填料架里面的第二温度传感器检测到的温度低于某设定温度值(比如10℃)后，防爆离心水泵10停止工作。

(5)根据冷却水罐11中的温度，确定冷水机组的启动/停止。当冷却水罐11里面的温度≥20℃时，冷水机组通过第三温度传感器的检测自动工作；当冷却水罐11里面的水温≤12～15℃时，冷水机组停止工作。

现场配管，砂泵的吸口与罐体低位连接抽吸高温钻井液，冷却塔底部的排出口直接放在另外的罐内，避免在同个罐内进行钻井液循环冷却。在砂泵抽吸的罐内放置低位测温传感器，温度达到设定值后，设备开始运转在冷却水罐里面注入冷却水，当填料架温度达到一定值后，水冷却系统自动启动。冷却水罐里面的冷却水可以使用冷冻机组生产低温冷水循环，效果会更好，如果使用低温冷水机组，只需在冷却水罐上做一个单独的冷水机组进水口和出水口就行，冷水机组的供电电源从控制柜上接线。如果想要增加冷却量以及获得更好的冷却效果，可以在现场多增加多套冷却塔，冷却塔可以串联也可以并联，但是串联的冷却效果肯定好，并联的处理量比较大。

在本冷却塔中，喷嘴组件在喷出钻井液的过程中，钻井液会散开，这样实现了钻井液的第一次冷却；在风冷组件的作用下，空气从进风口进入，然后从热气排出口上排出，空气从塔体内部的下侧到上侧会与钻井液相遇，空气可以带走钻井液中的部分热量，实现了钻井液的第二次冷却；钻井液作用在填料架上，使得钻井液充分散开，填料架也能吸收一部分热量，在冷却水的循环作用下，冷却水间接的与钻井液进行热交换，实现了钻井液的第三次冷却，因此，本冷却塔充分使得钻井液被冷却，提高石油天然气钻井的效率、保障钻井作业安全，延长工具及其他设备的使用寿命。

在使用过程中，还可以串联多个冷却塔，连接方式为上一个的冷却塔的冷却后钻井液排出管4与后一个冷却塔的高温钻井液进入管3相连。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。