[发明专利]正辛烷在对钻具进行冷却的制冷循环中作为制冷剂的应用

说明书

本发明公开了正辛烷在对钻具进行冷却的制冷循环中作为制冷剂的应用。目前在石油开采作业中采用高压冷却液对钻具进行冷却，施工和运行难度均较大，无法实现长时间高效运行。本发明采用制冷循环对石油开采钻具进行冷却，制冷循环采用蒸汽压缩式制冷循环，制冷循环利用高速流动的钻井液进行驱动，采用正辛烷作为制冷剂。本发明采用正辛烷作为制冷循环工质，应用在150℃～250℃高温温区的制冷循环中，填补了对石油开采钻具进行冷却的技术空缺，满足了如石油钻井随钻仪器等场景的制冷需要。

技术领域

本发明属于石油开采技术领域，具体是在石油开采作业中的对钻具的冷却，涉及了正辛烷在对钻具进行冷却的制冷循环中作为制冷剂的应用。

背景技术

在石油开采作业中，需要利用石油钻井设备从地面开始沿设计轨道钻穿多套地层到达地下数千米深的预定油气层。地球的平均地温梯度为3℃/100m，即从地表开始每深入100米，温度会提高约3摄氏度。以7000～8000m的深井为例，井底温度可达200～250℃。在钻井设备运行过程中，钻具中通过的钻井液受地层温度影响，温度往往高达200℃左右。在钻具结构中，外部为内径较大的钻铤，内部为抗压筒，抗压筒外部有隔热涂层，内部为探管，探管支架上放置随钻仪器。钻井液由钻铤和抗压筒之间的间隙自上而下通过，再从钻铤外部向上回流。随钻电子设备一般安装在钻头附近位置，而钻头正常工作需要大量钻井液润滑钻头，由于探管上的随钻仪器工作温度一般不能超过175℃，而钻井液的温度则高达200℃左右。在这种情况下，若不采取一些措施，则会导致钻具中探管等仪器因长期处于过高工作温度下而损坏、无法正常运行。目前，行业中解决此问题的方法主要有两种：一种是定期更换钻具中的探管等随钻电子元器件，但是这种方法成本过高；另一种是利用高压冷却液(一般是高压水)对钻具中的随钻仪器进行冷却，高压冷却液从地面通过管道运输到地下数千米的的钻头附近，施工和运行难度均较大，存在技术上的困难并且运行成本较高，无法实现长时间高效运行。

可使用一种处于150℃～250℃特殊温区的制冷循环装置安装于钻具附近，利用钻井液的高速流动驱动涡轮，利用涡轮的转动提供驱动力对气体进行加压，即可实现井下不通电实现制冷。

制冷循环装置通过制冷剂完成热力循环。制冷剂在低温下吸取被冷却物体的热量，然后在较高温度下转移给冷却水或空气。在蒸气压缩式制冷机中，使用在常温或较低温度下能液化的工质为制冷剂，如氟利昂(饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物)，共沸混合工质(由两种氟利昂按一定比例混合而成的共沸溶液)、碳氢化合物(丙烷、乙烯等)、氨等；在气体压缩式制冷机中，使用气体制冷剂，如空气、氢气、氦气等，这些气体在制冷循环中始终为气态；在吸收式制冷机中，使用由吸收剂和制冷剂组成的二元溶液作为工质，如氨和水、溴化锂和水等；蒸汽喷射式制冷机用水作为制冷剂。制冷剂的主要技术指标有饱和蒸气压强、比热、粘度、导热系数、表面张力等。

1960年以后，人们对非共沸混合工质的应用进行了大量的试验研究，并已将其用于天然气的液化和分离等方面。应用非共沸混合工质单级压缩可得到很低的蒸发温度，且可增加制冷量，减少功耗。它的性质直接关系到制冷装置的制冷效果、经济性、安全性及运行管理，因而对制冷剂性质要求的了解是不容忽视的。传统工业及生活中较常见的工作介质是部分卤代烃(尤其是氯氟烃)，但由于它们会造成臭氧层空洞而逐渐被淘汰。其他应用较广的工作介质有氨气、二氧化硫和甲烷等。

对于制冷剂，其性能要求包括：(1)具有优良的热力学特性，以便能在给定的温度区域内运行时有较高的循环效率。具体要求为：临界温度高于冷凝温度、与冷凝温度对应的饱和压力不要太高、标准沸点较低、流体比热容小、绝热指数低、单位容积制热量较大等；(2)具有优良的热物理性能，具体要求为：较高的传热系数、较低的粘度及较小的密度；(3)具有良好的化学稳定性，要求工质在高温下具有良好的化学稳定性，保证在最高工作温度下工质不发生分解；(4)与润滑油有良好互溶性；(5)安全性工质应无毒、无刺激性、无燃烧性及爆炸性；(6)有良好的电气绝缘性；(7)经济性要求工质低廉，易于获得。

发明内容