本实用新型属于天然气水合物钻井开采装备领域，具体涉及一种天然气水合物钻井液冷却装置。
背景技术：
天然气水合物是天然气和水在高压和低温条件下形成的类冰固体化合物，甲烷含量占80％～99.9％，能量密度大，燃烧时的污染比煤、石油、天然气都小很多。天然气水合物作为新一代高效洁净的优质非常规能源，世界各国已经开始大力研究对它的勘探开发利用。
由于天然气水合物热物理性质及赋存地质条件的特殊性，它的勘探开采方法不同于常规油气资源的开采。目前国内外一般采用分解抑制法和分解容许法钻井技术，这两种钻井技术的关键技术之一是钻井液冷却并将其温度控制在钻井工艺要求的范围内。由于在钻井时钻头、钻杆与岩石、井壁的摩擦会产生热量，并且随着井深的增加，井底温度逐渐增大。钻井液循环过程中其本身温度会逐渐升高，温度过高的循环钻井液会在钻井过程中产生主要以下两个方面的影响：
一方面，过高的循环钻井液温度导致井底天然气水合物温度升高而分解出大量的甲烷气体，如果分解过程失控，大量的甲烷气体外泄可能导致井喷事故以及进入大气将会严重破坏开采区域的生态环境，并导致地层沉降。
另一方面，循环钻井液温度升高会导致冻土层的力学性能发生变化，极易引起冻土层井壁的坍塌，导致井下卡钻和其它钻井事故。
因此，为了防止天然气水合物在钻井过程中分解及因此导致井壁的坍塌，控制钻井液体系保持在合适的低温状态是天然气水合物成功钻井的关键技术之一。
技术实现要素：
鉴于现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种天然气水合物钻井液冷却装置，以能够降低钻井液温度。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种天然气水合物钻井液冷却装置，包括：
用于对载冷剂制冷的制冷器；
与所述制冷器相连通的换热器；所述载冷剂能在所述制冷器与所述换热器之间循环流动；所述换热器具有输入钻井液的钻井液输入口以及输出钻井液的钻井液输出口；所述换热器能使载冷剂与钻井液热交换，以冷却钻井液；
检测单元；所述检测单元能够检测载冷剂的温度和/或流量、以及所述钻井液流出所述换热器的钻井液温度；
与所述制冷器以及检测单元相连接的控制器；所述控制器能够根据所述钻井液流出所述换热器的钻井液温度控制所述载冷剂的温度和/或流量。
作为优选的实施方式，所述制冷器具有制冷输出口、以及制冷输入口；
所述换热器具有冷媒输入口、冷媒输出口；所述冷媒输入口与所述制冷输出口通过第一管线相连通，所述冷媒输出口和所述制冷输入口通过第二管线相连通；
所述第二管线上设有制冷泵；所述制冷泵与所述控制器相连通。
作为优选的实施方式，所述检测单元包括设置于所述第一管线上的流量传感器、以及第一温度传感器。
作为优选的实施方式，所述检测单元包括设置于所述钻井液输出口的第二温度传感器。
作为优选的实施方式，所述第一管线上还串联有第一容器，以存储载冷剂；所述第二管线上还串联有第二容器，以存储载冷剂。
作为优选的实施方式，所述第一管线上设有循环泵，所述循环泵用于驱动载冷剂循环流动；所述控制器与所述循环泵相连接，以控制所述载冷剂的流量。
作为优选的实施方式，所述换热器为具有多个换热板片的板式换热器。
作为优选的实施方式，所述换热器包括固定压紧板、以及活动压紧板；所述活动压紧板通过导杆连接所述固定压紧板，并且，所述活动压紧板能沿所述导杆滑动；多个所述换热板片夹设于所述活动压紧板与所述固定压紧板之间。
作为优选的实施方式，所述换热板片的板面上设有多个V型槽，相邻两个换热板片相对板面上的V型槽朝向相反；所述V型槽的夹角为100度-140度，所述V型槽的槽宽为10mm-30mm。
作为优选的实施方式，还包括撬装基座；所述制冷器、所述换热器以及所述控制器安装于所述撬装基座上。
作为优选的实施方式，所述控制器为设置于所述撬装基座上且具有显示触控面板的控制柜。
作为优选的实施方式，所述控制器在所述钻井液温度到达设定温度时降低所述载冷剂的流量和/或提升所述载冷剂的温度。
作为优选的实施方式，所述设定温度高于钻井液的冰点温度2-5摄氏度。
有益效果
本实用新型的天然气水合物钻井液冷却装置通过设有制冷器以及换热器，使得载冷剂在换热器中与高温钻井液换热，将高温钻井液的热量吸收以降低钻井液的温度，载冷剂吸收钻井液的热量后重新返回至制冷器中，并被制冷器降温后再循环至换热器中与钻井液热交换，如此降低钻井液温度。
参照后文的说明和附图，详细公开了本实用新型的特定实施方式，指明了本实用新型的原理可以被采用的方式。应该理解，本实用新型的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本实用新型的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施方式所提供的一种天然气水合物钻井液冷却装置结构示意图；
图2是图1的立体图；
图3是图1的换热器结构示意图；
图4是图3的换热板片示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参照图1、图2，为本实用新型实施方式所提供的一种天然气水合物钻井液冷却装置结构示意图。在该实施方式中，所述天然气水合物钻井液冷却装置包括：用于对载冷剂制冷的制冷器1；与所述制冷器1相连通的换热器8；所述载冷剂能在所述制冷器1与所述换热器8之间循环流动；所述换热器8具有输入钻井液的钻井液输入口以及输出钻井液的钻井液输出口；所述换热器8能使载冷剂与钻井液热交换，以冷却钻井液；检测单元；所述检测单元能够检测载冷剂的温度和/或流量、以及所述钻井液流出所述换热器8的钻井液温度；与所述制冷器1以及检测单元相连接的控制器9；所述控制器9能够根据所述钻井液流出所述换热器8的钻井液温度控制所述载冷剂的温度和/或流量。
本实施方式的天然气水合物钻井液冷却装置通过设有制冷器1以及换热器8，使得载冷剂在换热器8中与高温钻井液换热，将高温钻井液的热量吸收以降低钻井液的温度，载冷剂吸收钻井液的热量后重新返回至制冷器1中，并被制冷器1降温后再循环至换热器8中与钻井液热交换，如此降低钻井液温度。
同时，该天然气水合物钻井液冷却装置通过设有检测单元以及控制器9，并且所述控制器9能够根据所述钻井液流出所述换热器8的钻井液温度控制所述载冷剂的温度和/或流量，从而可以实时控制钻井液的温度在钻井工艺要求的范围内。
在本实施方式中，制冷器1可以为螺杆式制冷机，其中，制冷器1可以具有压缩机，控制器9可以通过控制制冷器1的制冷功率从而调节载冷剂的制冷温度。
在本实施方式中，所述制冷器1具有制冷输出口、以及制冷输入口；所述换热器8具有冷媒输入口11、冷媒输出口17；所述冷媒输入口11与所述制冷输出口通过第一管线6a相连通，所述冷媒输出口17和所述制冷输入口通过第二管线6b相连通；所述第二管线6b上设有制冷泵2；所述制冷泵2与所述控制器9相连通。
所述第一管线6a上还串联有第一容器5a，以存储载冷剂；所述第二管线6b上还串联有第二容器5b，以存储载冷剂。其中，所述第一容器5a和第二容器5b均具有保温效果，如此可以保证载冷剂的低温性能，以更好地与钻井液进行热交换。如图1所示，制冷泵2位于第二管线6b上，并且，制冷泵2位于第二容器5b的下游。制冷泵2可以将第二容器5b中存储的温度升高的载冷剂输送至制冷器1中制冷。该制冷泵2用于载冷剂从换热器8流动至制冷器1之间的运输。
为进一步保证载冷剂的运输，所述第一管线6a上设有循环泵7，所述循环泵7用于驱动载冷剂循环流动；所述控制器9与所述循环泵7相连接，以控制所述载冷剂的流量。其中，该循环泵7串联于第一容器5a与换热器8之间，可以保证第一容至第二容器5b之间载冷剂的流动，相应的，制冷泵2可以将第二容器5b存储的载冷剂驱动至制冷器1中进行制冷。
换热器8主要实现载冷剂和钻井液的热交换，从而冷却钻井液。温度较高的钻井液和低温载冷剂在换热器8中实现强制对流传热，从而实现钻井液的冷却和降温，换热器8通过第一管线6a、第二管线6b与第一容器5a、第二容器5b连接；所述循环泵7将低温载冷剂从第一容器5a中泵入换热器8。同时，钻井液在钻井液驱动泵的驱动作用下泵入换热器8中。
在本实施方式中，换热器8可以采用多种换热器8结构，比如管式换热器8、板式换热器8。作为优选的，所述换热器8为具有多个换热板片15的板式换热器8。该板式换热器8换热效率高于管式换热器8，冷却速度快，同时，单位换热功率条件下板式换热器8比管式换热器8体积小，结构紧凑；并且板式换热器8维修清洗比管式换热器8简单方便。
如图3所示，所述换热器8包括固定压紧板13、以及活动压紧板16；所述活动压紧板16通过导杆连接所述固定压紧板13，并且，所述活动压紧板16能沿所述导杆滑动；多个所述换热板片15夹设于所述活动压紧板16与所述固定压紧板13之间。其中，导杆可以具有上导杆18和下导杆12，以便同时为活动压紧板16的上端和下端导向。固定压紧板13和活动压紧板16还通过多个夹紧螺柱14相连接，通过旋动夹紧螺柱14上的螺母，从而实现活动压紧板16的动作以及定位。
在本实施方式中，相邻两个换热板片15之间形成载冷剂流道，相邻两个换热板片15之间形成钻井液流道；沿换热板片15的层叠排布方向，载冷剂流道与钻井液流道相间隔排布，即，相邻两个载冷剂流道之间夹设有一钻井液流道，相邻两个钻井液流道之间夹设有载冷剂流道。为便于钻井液的均匀加热，钻井液流道与载冷剂流道的流动方向相反，比如，图1中所示，载冷剂流道为从下至上流动，钻井液流道为从上至下流动。为形成各个流道以及防止流体泄漏，相邻两个换热板片15之间设有密封垫片。
考虑到钻井液在循环过程中内部杂质越来越多，为避免堵塞换热器8，同时具备较佳的换热效果，如图4所示，所述换热板片15的板面上设有多个V型槽19(也称为人字形槽)，相邻两个换热板片15相对板面上的V型槽19朝向相反；所述V型槽19的夹角β为100度-140度，所述V型槽19的槽宽H/2为10mm-30mm。
具体的，换热板片15为矩形板结构，多个V型槽19沿换热板片15的长度方向排布。在换热板片15上，靠近边角位置设有通孔，一对角的两个通孔20与换热板片15一侧板面的流道相通，另一对角的两个通孔21与换热板片15另一侧板面的流道相通。
进一步地，相邻两个换热板片15相对板面上的V型槽19朝向相反，可以在相邻两个换热板片15相对齐压紧后形成网格状流道，从而降低流体的流速，增加换热面积，提升换热效率。如图4所示，该换热板片15上的V型槽19的尖端朝下，相应的，与其相对的换热板片15的V型槽19的尖端朝上设置。
为方便该天然气水合物钻井液冷却装置的运移以及安装，该天然气水合物钻井液冷却装置还包括撬装基座10；所述制冷器1、所述换热器8以及所述控制器9安装于所述撬装基座10上。该天然气水合物钻井液冷却装置集成安装于撬装基座10上，形成一体化撬装结构，结构紧凑，运移安装简单方便。
在本实施方式中，为防止钻井液过冷而出现结冰，甚至损坏换热器8无法正常工作的问题，该天然气水合物钻井液冷却装置设有检测单元以及控制器9。其中，检测单元能够检测载冷剂的温度和/或流量、以及所述钻井液流出所述换热器8的钻井液温度。
该检测单元所检测载冷剂的温度可以为流出制冷器1的温度(制冷温度)，也可以为流出换热器8的温度(升温后的温度)，较佳的，为及时调控载冷剂的温度状态以及获取制冷器1的制冷能力，该检测单元所检测载冷剂的温度优选为制冷温度。
相应的，该检测单元所检测载冷剂的流量可以为流入换热器8的流量(换热流量)，也可以为流入制冷器1的流量(制冷流量)。较佳的，为及时调控以及获取载冷剂的流量状态，该检测单元所检测载冷剂的流量优选为换热流量。
承上所述，检测单元可以设置于第一管线6a上检测载冷剂的制冷温度，也可以设置于第二管线6b上检测载冷剂温度升高后的温度。所述检测单元包括设置于所述第一管线6a上的流量传感器4、以及第一温度传感器3。其中，第一管线6a上可以设有多个第一温度传感器3，且分布于第一容器5a的上下游，如此可以更完整地反映载冷剂的制冷温度。所述检测单元包括设置于所述钻井液输出口的第二温度传感器。
所述控制器9能接收检测单元的检测信号。具体的，所述控制器9能够根据所述钻井液流出所述换热器8的钻井液温度控制所述载冷剂的温度和/或流量。其中，控制器9控制载冷剂的温度可以通过控制制冷器1的制冷功率、电流、压缩频率(比如压缩机的功率、电流)实现。控制器9控制载冷剂的流量可以通过控制循环泵7和/或制冷泵2的功率、转速、电流等参数实现。
本实施方式的天然气水合物钻井液冷却装置通过设有检测单元与控制器9，可以实现钻井液和载冷剂温度、流量的实时监测以及控制，同时，防止钻井液温度过低在换热器8中结冰造成换热器8堵塞的问题。进一步地，为较佳的保护该天然气水合物钻井液冷却装置以及维持钻井工作的持续稳定运行，所述控制器9在所述钻井液温度到达设定温度时降低所述载冷剂的流量和/或提升所述载冷剂的温度。其中，所述设定温度高于钻井液的冰点温度2-5摄氏度。
请继续参阅图1、图2，所述控制器9为设置于所述撬装基座10上且具有显示触控面板的控制柜。其中，该触控面板可以具有触控按钮以及显示屏，从而可以显示检测单元的检测数据，以便操作人员获知该天然气水合物钻井液冷却装置的运行状态。另外，操作人员还可以通过触控面板向控制器9施加操作指令，控制器9根据该指令控制天然气水合物钻井液冷却装置各个组件的动作。
本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的实用新型主题的一部分。