天然气水合物钻井泥浆冷却系统内管防堵装置

PAGEPAGEIV摘要在冻土带钻井及天然气水合物钻井中,钻井泥浆冷却技术是钻井工艺中的关键技术之一。适当的井内循环泥浆温度是钻井作业安全快速进行的保证。为满足天然气水合物钻探取样工艺要求,我校研制了一种天然气水合物钻井泥浆冷却系统。由于泥浆在冷却器内循环温度低于泥浆冰点温度，因此冷却器内管会出现冻结和卡堵等现象。本论文研究的内管防堵装置是对我校研制的天然气水合物钻井泥浆冷却系统进行改进，防止泥浆内管发生冻结和卡堵。防堵装置主要是分析同轴套管式冷却器内管发生堵塞时其温度、流量和压力的变化过程，确定最佳控制参数。根据钻井工作对泥浆流量的要求，确定流量控制范围，并设计防堵装置，确定工作原理、各部件组成和工作流程。关键词：泥浆冷却、内管卡堵、防堵装置AbstractMudcoolingisakeytechnologyofpermafrostdrillingandgashyd-ratedrillingoperation.Propertemperatureofcirculationdrillingmudistheguaranteeforsafeandfastdrillingoperation.Inviewofthetechnologicalrequirementsofthesamplingofgashydratedrilling,atypeofdrillingmudcoolingsystemforper-mafrostdrillingandgashydratedrillingwasdevelopedbyJilinUniv-ersity.Thecirculationtemperatureofdrillingmudinthecoolersislowerthanfreezingpointofdrillingmud.sotheinnerofpipewouldbeenfrozenandblocked.ThepreventblockingequipmentwhichthepaperintroducedistoimprovethegashydratedrillingmudcoolingsystemJilinUniversityresearched.anditisinstalledonthecoolerinthemudcoolingsystem.Themainfunctionofpreventblockingequipmentistoanalysethechangingprocessoftemperature.pressureandflow.andtogetbestcontrolingparameters.Drillingmudflowaccordingtotherequire-mentsof,determinethescopeofflowcontrol,andattemptstopreventthedevicedesignedtodeterminetheworkingprinciple,thecomponentsandprocesses.Keywords：mudcoolinginnerpipefrozenpreventblockingequipment目录第1章绪论……………1第1节天然气水合物的一般特征…1第2节泥浆冷却技术国内外研究现状……………3第3节本课题主要研究内容………5第2章内管防堵装置机理分析………7第1节天然气水合物泥浆冷却系统简介…………7第2节内管压力影响及分析……13第3节内管温度影响及分析……15第4节内管流量影响及分析……19本章小结……………21第3章泥浆冷却系统防冻装置设计…23第1节防堵装置设计目的与用途………………23第2节防堵装置原理……………24第3节防堵装置主要技术参数…30第4节防堵装置组成……………30第5节防堵装置安装图…………38第6节防堵装置工作流程图……39本章小结……………40第4章结论与展望……41结论………41展望………42致谢………43参考文献…………………44PAGE1第1章绪论第1节天然气水合物的一般特征随着经济的发展，对能源尤其是煤、石油、天然气等化石能源的消耗显著增加。我国作为世界上最大的发展中国家，能源问题十分紧迫。因此，勘探开发新型能源变得异常迫切。天然气水合物作为一种潜在替代能源，越来越受到重视，成为近年来能源领域的研究热点。天然气水合物是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。在这种化合物中，水分子通过氢键作用形成具有一定尺寸的晶格主体，小分子则包容在空穴中，从而形成外观似雪花状或者松散冰的固态化合物。如图1-1、1-2所示，组成天然气的成分有烃类（CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物）及非烃类（CO2、N2、H2S）等。图1-1天然气水合物的笼式结构PAGE46图1-2天然气水合物的类型和结构关系示意图天然气水合物是近二十年来在海洋和冻土层发现的新型能源，因储量巨大、能量密度高、分布广等特点受到各国的普遍重视。天然气水合物的主要特点如下：1)储量巨大迄今文献大量报道的天然气水合物含甲烷资源量为1.0×1016m³。这就是说天然气水合物含甲烷资源量为已知煤、石油和常规天然气甲烷当量（约为52)能量密度高天然气水合物的能量密度是煤炭的10倍，常规天然气的2-5倍。由于独特的晶体结构与分子空间构型决定了天然气水合物独特的高浓集气体的能力，表现特点为：高浓度气体、高储量。3）分布范围广天然气水合物在自然界广泛分布在内陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。图1-3天然气水合物在世界各地分布图第2节天然气水合物泥浆冷却技术现状国内外研究现状在天然气水合物钻进中,由于水合物特殊的热物理性质,钻井液循环温度必须严格控制,以防止水合物层在钻进过程中发生分解。如果钻井液循环温度高于钻进水合物层温度将会引起水合物分解,在冻土带钻井和天然气水合物钻井中,钻井泥浆需要冷却至零度以下或零度左右的低温状态,1998年在加拿大波弗特海近海冻土层钻井中,为了保持井壁稳定采用泥浆冷却器将泥浆冷却至-9℃。在天然气水合物钻井中,钻井泥浆也要冷却至0℃左右,1998年在加拿大马三角洲永冻层Mallik2L-38中泥浆冷却天然气水合物钻井装置采用的是平板式换热器,将泥浆冷却至2℃。2002年,在加拿大马三角洲Mallik2L-38天然气水合物试开采项目主井Mallik5L-38钻井中,将泥浆冷却至-1℃。2003年,美国阿拉斯加北部斜坡天然气水合物试采井—热冰1井钻井中,泥浆被冷却保持在-5℃。2007年，在美国阿拉斯加北坡永冻层天然气水合物钻探中采用的是美国 Drillcool公司研制的泥浆冷却装置,泥浆冷却温度是-2℃。在低温泥浆冷却技术领域,最著名的公司是美国Drillcool公司,其泥浆冷却装置的原理是使用氨水制冷机组通过板式换热器制冷乙二醇,冷却后的乙二醇再通过螺旋换热器冷却泥浆,从而达到控制泥浆温度的目的。我国2007年在南海北部天然气水合物取样钻探中,钻探技术采用的是国外技术。2008年10-11月我国在青海木里盆地天然气水合物DK-1井进行取样钻探时,钻井泥浆流量保持在100L/min左右,环境温度在-20℃以下,返回地面的泥浆在泥浆循环槽及泥浆池中自然冷却降温,进井泥浆温度维持在4℃左右。但冻土层段钻孔扩径现象比较明显。如果在夏季施工,环境气温高,依靠泥浆自然冷却法不再适合,必须采用泥浆冷却系统。目前我国在泥浆冷却技术及设备方面的研究,尤其是适用于低温泥浆的冷却技术及设备方面的研究处于初期阶段,研究一种有效冷却泥浆的方法及设备对大力开展天然气水合物钻探具有迫切而重要的意义。针对目前我国泥浆冷却技术的不足情况,我校研制了一套钻井泥浆冷却系统,特别适合于对低温泥浆的冷却。该钻井泥浆冷却系统能够实现的主要功能有:一、实现钻井泥浆的快速冷却;二、能够将泥浆动态维持在低温范围内。图1-4钻井泥浆冷却系统原理图1-风冷(或水冷)氟利昂制冷机组;2-制冷机组泵;3-阀;4-载冷剂箱;5-阀;6-阀;7-温度传感器;8-阀;9-载冷剂箱泵;10-温度传感器;11-温度传感器;12-同轴泥浆对流换热器;13-温度传感器;14-温度传感器;15-泥浆输送泵;16-温度传感器;17-泥浆池;18-钻机泥浆泵;19-温度传感器;20-温度传感器;21-钻井;22-温度巡检仪第3节本课题主要研究内容在冻土层钻井与天然气水合物钻井中，钻头破碎岩石会产生大量热量，钻杆与井壁摩擦也会产生热量使井底温度增高。并且随着钻井液循环时间的增长，致使返回地表的钻井液温度比冻土层或天然气水合物储层温度高，从而引起冻土层井段扩径或天然气水合物直接在井底分解，导致无法取心或取心不完整等情况的发生。与此同时，如果钻井液泥浆循环温度高于水合物层温度将会引起水合物分解,会带来一系列问题,如大量气体分解,使井口装置或防喷器失去承载能力而发生倾斜,将丧失井压控制手段,可能导致井喷及井塌事故。分解后的气体可能会破坏周围环境,有时还会出现溶洞,使天然气水合物地层下沉,出现地基沉降事故。所以，必须对钻井液泥浆进行及时的冷却。图1-5为同轴套管式换热器工作原理图。换热器由内外两层管组成。内管为钻井泥浆循环通道，内外管的环状间隙为低温乙二醇冷却液循环通道，通过二者的逆向流动，实现强制对流传热，从而致使低温乙二醇冷却液制冷泥浆。泥浆泥浆低温乙二醇冷却液低温乙二醇冷却液图1-5同轴套管式换热器原理图由于天然气水合物的特殊的温压特性,钻井一般采用分解抑制法,即通过泥浆冷却,使泥浆进井温度保持在低温范围内(-4℃-4℃),防止水合物地层和岩心温度升高,将相平衡状态维持在水合物分解抑制状态,避免水合物发生分解,维持井壁定。水合物泥浆冷却系统设计进井温度为-1℃，出井温度为1℃。制冷能力（进出井温差）△T=2℃.而通常情况下，泥浆的冰点为0℃左右。这就意味着当泥浆在冷却系统内循环时将会出现局部冻结的甚至全部堵塞同轴套管式冷却器的内管。并且，在我国首次的青藏高原冻土带水合物施工现场都曾发生内管内泥浆局部冻结甚至堵塞内管的现象。冻结或堵塞将会带来一系列问题。首先，局部冻结或堵塞将使泥浆的流量减小，这样泵送的井底的泥浆总量将减少，这将可能出现排粉不利、井底钻头冷却不充分等现象。甚至发生卡钻、埋钻、烧钻、孔壁坍塌等孔内事故。另外，一旦发生冻结或堵塞势必会影响冷却效率，从而使泥浆无法达到设计温度。这样将导致冻土层井段扩径或天然气水合物直接在井底分解。导致无法取心或取心不完整等情况的发生。再有，当冻结或堵塞必将带来流体流动阻力增加的问题，且对同轴套管式冷却系统的内管得压力增加，使冷却系统的寿命及制冷效率下降。本课题研究的项目旨在设计一套装置用来改善和解决冷却系统在冷却时发生局部冻结或堵塞的现象。通过分析同轴套管式换热器内管发生堵塞时其温度、流量和压力的变化过程，确定最佳控制参数。根据钻井工作中冷却钻头、携带岩粉等工作对钻井液流量的要求确定流量控制范围，并设计防冻装置，确定工作原理、各部件组成和工作流程。第2章内管防堵装置机理分析本课题研究的内管防堵装置对我校研制的天然气水合物钻井泥浆冷却系统进行改进，并安装在系统中的同轴轴套管式冷却器。第一章中，已经定性的阐述了冷却器的工作原理、存在问题。本章将详细介绍冷却器，同时对发生卡堵对内管内压力、温度、流量分别作出计算模拟。第二节天然气水合物泥浆冷却系统简介1.1设计目的与用途：该套天然气水合物取样器制冷系统主要用于制冷从孔中返出并且经过地表循环的而升温的冲洗液，使冲洗液制冷到一定温度从而保证天然气水合物样品能够顺利并且保真地取出。1.2技术参数：此次钻进过程中冲洗液采用能耐-5℃的低温聚合物泥浆，要求冲洗液的流速为160L/min，且进井温度为-1℃。冲洗液的基本参数如表1，表2混合物体积比水土乙二醇聚乙烯醇NaCl69%4%15%2%10%表1冲洗液的基本组成成分表2冲洗液的性能参数物质密度g/cm3比热kJ/kg·℃粘度10-6m2/s普朗特数导热系数w/m.K流量L/min冲洗液1.15773.706410.7313.670.55160表3乙二醇制冷剂的性能参数含量浓度%15℃的密度(Kg/m3)温度℃比热c(kJ/kg.k)动力粘度(10-4N.s/m2)运动粘度(10-6mPa.s)导热系数(w/m.K)普朗特数(Pr=μc/λ)301.038-53.677152.875.11750.47141.25-103.651363.5046.11050.46849.28-153.620578.227.5130.46461.121.3制冷系统的结构组成：综合考虑了多种制冷系统方案，并考虑海拔4000多米的施工高原现场的复杂气候因素，设计了此种冲洗液制冷方案，其系统结构如图2-1所示：图2-1制冷系统结构1.4工作原理本系统工作原理大致可以分为两个回路，和电子检测系统，以下就逐一介绍:（1）冷凝机组制冷液回路该回路的原理如图2-2所示：图2-2制冷机组制冷液回路用一台风冷乙二醇制冷机组连续地对载冷剂（乙二醇溶液）进行制冷，将冷量不断地输送到载冷剂箱中，使载冷剂箱中的温度基本为-5℃左右，载冷剂箱为一保温箱，其规格为：2×1.5×1m。载冷剂为30%左右的乙二醇溶液，该回路通过制冷液输送泵不断地循环。（2）套管式换热器循环回路套管式换热器是将不同直径的两种管子套在一起，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间隙流过，通常成逆流流动，有利于热量的传递。每根套管的有效长度一般在4~6m以下。当我们需要较多的传热面积时，换热器可以用多根套管组合而成，其内管与内管间用U型管连接，外管与外管与外管间用短管连接。其具体组成如图2-3：图2-3制冷系统换热器回路泥浆池中的泥浆通过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，中间经过一次降温过程。同时从载冷剂箱中出来的-5℃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间隙中，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反复循环。套管型热交换器的长度可以随着系统参数的不同而调整。制冷液输送泵采用能耐-5℃低温的泵。泥浆泵可以从被经过制冷的泥浆池中抽出进入井中进行循环。（3）电子检测系统通过检测制冷后的载冷剂温度、载冷剂入口温度、载冷剂出口温度、泥浆入口温度、泥浆出口温度、泥浆池温度、进入水龙头时泥浆温度，我们可以控制制冷机组的开关，或调整载冷剂的流量等措施来控制泥浆的制冷过程。第二节内管压力影响及分析发生卡堵时，循环的内管的四周会出现结冻现象，并且随着循环时间的延长这样的状况会更加显著。内管周围管壁结冻带来的影响有以下几方面：（1）当泥浆中伴有冰冻物等固体的出现致使泥浆粘度变大，由达西公式：（2-1）可知，当管路发生堵塞时，内管直径d由于附着有冻结物而变小，这样沿程阻力将增大。（2）泥浆杂有冰冻物等固体将很容易引起管路堵塞。对于内管而言当泥浆循环时管内受到的应力可用下列公式表示：（2-2）其中式中：p-大气压强D-内管直径-管壁壁厚当管路发生堵塞时，内管直径D由于附着有冻结物而变化。循环系统内管压力也会随着变化。为了解决循环系统结冻或者堵塞问题，可以设计一种以压力变化作为信息反馈的输入端。将压力的变化作为输入量，通过一写特定的操作或转化将压力信息转变为更容易识别与控制的电流、电压、数字模拟信号作为反馈的输出端来控制冷却剂输送泵运转、停止的操作信号。可以使用压力传感器与继电器初步实现这一功能。在设计前需用仿真模拟软件分析和模拟泥浆在循环系统内管循环时的压力分布特性，从而确定设计的可行性与合理性。图2-4、2-5分别为用Fluent流体模拟软件做出的泥浆在循环系统管路中压力分布云图和曲线图。图2-4发生卡堵时管路内泥浆压力分布云图图2-5发生卡堵时管路内泥浆压力分布曲线图结论：仿真模拟管内压力分布云图和曲线图可以得出管内压力分布极不均匀。首先，在管的径向分布是中间部分压力较高，边缘较低，这样不利于压力的测量及后续的反馈控制。因此不是很适合于用压力传感器进行检测、反馈、控制。第3节内管温度影响及分析发生卡堵时，循环的内管的四周会出现结冻现象，并且随着循环时间的延长这样的状况会更加显著。内管周围管壁结冻带来的影响有以下几方面：（1）泥浆中伴有冰冻物等固体的出现致使泥浆粘度变大。粘度变大必将使泥浆与内管之间的流动阻力增大，阻力增大将导致泥浆的流动速度发生变化。这样将使冷却剂与泥浆之间的换热效率发生变化，从而影响泥浆的冷却效果致使泥浆的温度发生变化。（2）原冷却系统的设计方案为利用内外管间隙一定温度的制冷剂（乙二醇）与泥浆之间发生逆向流动实现热传递，二者之间为导热效果良好的合金钢。当发生卡堵时，内管管壁附着着一层冻结物，其传热系数等一些参数必定与合金钢之间存在差异，这样将影响热传递效率从而使泥浆温度发生变化。（3）当内管附着一层冻结物时必将使内管原来的过流断面发生变化。对于传热系数k有如下公式计算：（2-3）其中式中：和分别为内管内外半径，为换热管的有效换热半径,为泥浆与内管对流换热系数，为载冷剂与内管对流换热系数，和分别为内管内外污垢系数，为管壁的导热系数；为对数平均温差，计算按公式，和分别为泥浆在换热器进出口处的温度，和分别为载冷剂在换热器进出口处的温度。由式（2-3）可知当热管的有效换热半径R发生变化时，即泥浆与冷却剂之间的接触面积发生变化这也将影响制冷剂与泥浆之间的热传递效率从而引起泥浆温度的变化。（4）之前的章节曾分析强制对流只针于流体与流体之间的热交换效果显著。但是当发生卡堵时，泥浆中将会伴有冻结物的出现，并且水合物钻井时往往伴有各种气体，这时的泥浆便是固、液、气三相物质。对于泥浆而言，其比热c是由你将各组分共同决定的，具体计算公式如下：c=∑c/∑m=(m1c1+m2c2+m3c3+…)/(m1+m2+m3+…)组分不同或者所占比例不同时必然影响泥浆整体的比热，进而对导热侠侣产生影响，从而影响泥浆温度的变化。为了解决循环系统结冻或者堵塞问题，本课题的一种设计思路为设计一种传感器装置。将泥浆的温度变化作为反馈系统的输入端，经过一些列的转化之后将温度升、降的变化分别转化成电压、电流或电子信号来控制制冷泵的开、停。用以实现泥浆冷却系统的顺利运行。在设计前需用仿真模拟软件分析和模拟你将在循环系统内管循环时的温度分布特性，从而却定设计的可行性与合理性。图2-6、2-7分别为用Fluent流体模拟软件做出的泥浆在循环系统管路中温度分布云图和曲线图。图2-6发生卡堵时管路内泥浆温度分布云图图2-7发生卡堵时管路内泥浆温度分布曲线图结论：仿真模拟管内压力分布云图和曲线图可以得出管内温度除了入口段温度变化比较大外，其他段温度变化比较细微。本课题的设计思路为将泥浆的温度变化作为反馈系统的输入端，经过一些列的转化之后将温度升、降的变化分别转化成电压、电流或电子信号来控制制冷泵的开、停。用以实现泥浆冷却系统的顺利运行。但是模拟仿真的结果显示温度变化并不是很大，这样温度的变化就不足以引起反馈信息的触发，从而无法制冷剂输送泵的自动起停控制。或者可以使用高精度的温度传感器来检测并进行反馈信息的转换，但是这样导致的问题是一方面高精度传感器成本较高，另一方面比较容易损坏。因此不是很适合于用温度传感器进行检测、反馈、控制。第4节内管流量影响及分析发生卡堵时，循环的内管的四周会出现结冻现象，并且随着循环时间的延长这样的状况会更加显著。内管周围管壁结冻带来的影响有以下几方面：（1）内管管壁结冻时，管壁附着有一层冻结物必将导致年讲）的过流断面面积减小。而流量的定义为：单位时间内通过某一端面的流体的体积。即为流速与过流断面面积的乘积，用公式表示为：（2-5）其中式中：Q：某一断面流量S：计算断面流量的面积V：通过该断面积流体的速度。所以当过流断面面积改变时必将影响流量的大小（2）当泥浆中伴有冰冻物等固体的出现致使泥浆粘度变大，由达西公式（2-1）可知，当管路发生堵塞时，内管直径d由于附着有冻结物而变小，这样沿程阻力将增大。为了解决循环系统结冻或者堵塞问题，本课题的一种设计思路为设计一种传感器装置。将泥浆的流量变化作为反馈系统的输入端，经过一些列的转化之后将温度升、降的变化分别转化成电压、电流或电子信号来控制制冷泵的开、停。用以实现泥浆冷却系统的顺利运行。设计前需用仿真模拟软件分析和模拟泥浆在循环系统内管循环时的温度分布特性，从而却定设计的可行性与合理性。图2-8、2-9分别为用Fluent流体模拟软件做出的泥浆在循环系统管路中温度分布云图和曲线图。图2-8发生卡堵时管路内泥浆流速分布云图图2-9发生卡堵时管路内泥浆流速分布曲线图结论：仿真模拟管内压力分布曲线图可以得出循环管内泥浆流速变化比较均匀，且由泥浆流速分布云图可以看出内管径向流速也呈均匀变化，这样的变化趋势既保证了流量会发生变化且变化处在适量范围内能够引起足够大的反馈信息来控制制冷输送泵的正常工作与停止运转。本课题拟用电磁流量计作为把流量变化信号转化为电子信号输出，然后将电磁流量计与继电器连接，将电磁继电器的输出的信号作为几点起的输入信号。通过继电器对信号变化的不同动作用以实现控制制冷输送泵的不同动作。本章小结本章重点讨论以下几点内容及结论：（1）详细介绍同轴套管式泥浆冷却器设计目的与用途、各项技术参数、制冷系统构成、工作原理。（2）分析内管发生卡堵时对压力带来的影响，并通过Fluent流体模拟软件进行分析模拟，得出压力不适合作为防堵装置原理的应变参数。（3）分析内管发生卡堵时对温度带来的影响，并通过Fluent流体模拟软件进行分析模拟，得出温度不适合作为防堵装置原理的应变参数。（4）分析内管发生卡堵时对流量带来的影响，并通过Fluent流体模拟软件进行分析模拟，得出应将流量作为防堵装置原理的应变参数。第三章泥浆冷却系统防冻装置设计在前面的章节中，介绍了现有的冷却器及其存在问题。并且通过模拟计算确定了将流量作为应变参数。本章将通过所选应变参数根据要求设计防堵装置，与此同时对其工作原理、装置组成、技术参数、工作流程等进行详细阐述。第1节设计目的与用途在冻土层天然气水合物钻探保真取样及试开采中，鉴于水合物只能在低温高压条件下才能稳定存在的情况及开采地层构造与特殊物理力学性质。必须对泥浆进行冷却到一定温度后才能在钻孔内循环。与此同时，为了保证钻探工作中钻孔孔壁的稳定及安全施工也要求必须对泥浆进行冷却。传统的冷却方式以自然冷却或者风冷的方式实现将泥浆冷却的目的。然而这种方式适合于环境温度较低时使用，当环境温度较高时冷却效果不明显。针对这一现状，我校研制开发了新型冷却系统—同轴套管式泥浆冷却器满足冷却泥浆的要求。这种冷却器将两个管子套在一起。在内外观环状间隙循环低温制冷剂（乙二醇），内管中循环泥浆。二者逆向流动，强制对流的方式的对泥浆进行冷却，达到设计温度。同轴套管式泥浆冷却器能够高效的将泥浆冷却到钻探、取芯工作要求的温度。但是这种冷却器在试验及现场使用时出现冷却一段时间后内管管管壁附着有一层泥浆的冻结物。严重影响冷却器的正常使用：发生卡堵时泥浆的温度发生变化，甚至发生卡钻、烧钻、埋钻、孔壁坍塌等孔内事故，严重影响钻进工作的正常进行；另外，你将对内管得压力也将变化，从而影响到内管正常的使用寿命；与此同时，发生卡堵时泥浆的流量也会发生变化，这将使泥浆输送设备（泥浆泵）的负荷增大，并且影响钻探工作对冲洗液液量的正常要求，衍生严重的后果。本课题研究的防堵装置旨在通过流量这一参数的变化来控制制冷机输送泵的开关来消除卡堵的发生，从而保证钻井工作的正常进行与钻井安全以及冷却器的正使用。第二节防堵装置原理针对同轴套管式泥浆冷却器发生卡堵这一问题以及卡堵时引起压力、温度、流量等各参数的变化这一情况，在第二章中通过以上三种参数进行计算模拟分析得出流量最适宜作为变化参数通过控制制冷机输送泵开关避免冷却器发生卡堵。本装置拟用电磁流量计与电磁继电器的组合体来实现当流量发生变化，通过流量的变化将流量信号转变为电流、电压或电子信号并进行进一步转化、放大。将处理后的信号输送至电磁继电器，根据钻探冷却、保真取样等工作对泥浆流量的要求设定流量的上下限。根据不同流量与信号的对应关系设定电磁继电器信号临界值，以实现对制冷机输送泵自动开关进而解决卡堵问题。2.1电磁流量计电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体体积流量的仪表。在本装置中主要用于将流量变化信息转换为电流、电压、电子等信号并进行放大处理。（1）电磁流量计工作原理电流量计测量原理是基于法拉第电磁感应定律。流量计的测量管是一内衬绝缘材料的非导磁合金短管。两只电极沿管径方向穿通管壁固定在测量管上。其电极头与衬里内表面基本齐平。励磁线圈由双方波脉冲励磁时，将在与测量管轴线垂直的方向上产生一磁通量密度为B的工作磁场。此时，如果具有一定电导率的流体流经测量管。将切割磁力线感应出电动势E。电动势E正比于磁通量密度B，测量管内径d与平均流速v的乘积。电动势E（流量信号）由电极检出并通过电缆送至转换器。转化器将流量信号放大处理后，可显示流体流量，并能输出脉冲，模拟电流等信号，用于流量的控制和调节。图3-1电磁流量计原理图E=KBdv式中：E为电极间的信号电压（v）B磁通密度（T）d测量管内径（m）v平均流速（m/s）式中k,d为常数，由于励磁电流是恒流的，故B也是常数，则由E=KBdv可知，体积流量Q与信号电压E-成正比，即流速感应的信号电压E与体积Q成线性关系。因此，只要测量出E就可确定流量Q，这是电磁流量计的基本工作原理。由E=KBdv可知，被测流量体介质的温度、密度、压力、电导率、液固两两相流体介质的液固成分比等参数不会影响测量结果。至于流动状态只要符合轴对称流动（如层流或者紊流）就不会影响测量结果的。因此说电磁流量计是一中真正的体积流量计。对于制造商和用户来说，只要用普通的水实际标定后就可以测量其他任何导电流体介质的体积流量，而不需要任何修正。这是电磁流量计的一突出优点，是其他任何流量计所没有的。测量管内无活动及阻流部件，因此几乎没有压力损失，并且有分高的可靠性。（2）电磁流量计组成：整套仪表由电磁流量变送器和转换器两部分组成。变送器安装在工艺管道上，它的作用是将流经管内的液体流量值线性地变换成感应电势信号，并通过传输线将此信号送到转换器中去。转换器的作用是将变送器送来的流量信号进行比较、放大、并转换成统一标准的输出信号，以实现对被测液体流量的远距离指示、记录、积算或调节。2.2电磁继电器电磁继电器是由控制电流通过线圈所产生的电磁吸力，驱动磁路中的可动部分而实现触点开、闭或转换功能的继电器。在本装置中主要是接受电磁流量计输送来的信号，并根据设计要求的流量上、下限值对应的电流通过线圈所产生的电磁吸力，驱动磁路中的可动部分而实现触点开、闭制冷机输送泵。（1）电磁继电器组成如图3-9所示为一种电磁式继电器的结构图，它由感应机构、变换机构、比较机构和执行机构组成。感应机构是线圈；变换机构是电磁系统，包括铁心、衔铁、轭铁和线圈；比较机构是反力系统，主要包括反力弹簧和簧片；执行机构是导电接触系统(主要指触点)，多为簧片结构。图3-2电磁继电器结构图1、一静触点；2—动触点；3—轭铁；4一线圈；5一极靴(极帽)；6—铁心；7一衔铁；8—反力弹簧；9—簧片；10—工作气晾（2）电磁继电器工作原理在图3-2中，线圈的作用是从电源获取能量、建立磁场。铁心和扼铁的作用是加强工作气隙内的磁场，亦即使磁通大部分沿铁心、轭铁、衔铁和工作气隙闭合。衔铁的主要作用是实现电磁能与机械能的转换。极靴(极帽)的作用是增大工作气隙的磁导。反力弹簧和簧片用来提供反力。当线圈接通电源以后，线团的激磁电流就产生磁场，因而产生力图使工作气隙减小的电磁吸力吸引衔洗一旦电磁吸力太子反力，衔铁就开始运动，带动与之连接的动触点向下移动，使动触点与上面的静触点(称为动断静触点)分开，而与下面的静触点(称为动合静触点)接触。最后，衔铁被吸持在最终位置上，即与极靴(极帽)相接触的位置上。若在衔铁处于最终位置时切断线圈的电源，磁场便逐渐消失。于是，衔铁在反力的作用下脱离极靴，并带动动触点脱离下面的动合静触点，最终返回起始位置。2.3防堵装置原理分析通过上述对电磁流量计及电磁继电器的介绍可知，当低温制冷剂（-5℃乙二醇）在内外管间隙循环时。由于制冷剂温度（-5℃）低于泥浆冰点温度（接近0℃），所以随着制冷剂循环时间的增加，在内管管壁将附着有一层泥浆的冻结物。冻结物导致泥浆的过过流断面发生改变，同时也将引起泥浆流速变化。与此同时，当泥浆中出现冻结物时，泥浆粘度增加。这也将引起泥浆流速变化。这几方面的变化导致泥浆流量随着时间增加，卡堵愈发严重，流量进一步减小。当泥浆流量由于卡堵减小到设计的下限值时，电磁流量计的变送器将流量变化通过电磁感应现象将流量信号转化为电流、电压、电子信号并传输至转换器。转换器接收到变送器传输的电流、电压、电子信号后根据电磁继电器的要求将信号进行进一步放大、转换为电流信号然后传送至电磁继电器。电磁继电器接收到电磁继电器转换处理完的电流信号后，通过线圈4内的电流产生的激励磁场对衔铁7的吸力不足以克服反力弹簧8产生的收缩力，因而动触点从下位的脱离在弹簧反力的作用下到达静触点1位置。因为静触点与制冷剂输送泵连接，所以这一动作将制冷剂输送泵的电源切断，制冷机输送泵停止工作。制冷剂在内外管间隙停止循环，制冷暂时中断。制冷中断之后，由于环境温度高于泥浆温度，因此外界向泥浆传递热量。内管管壁泥浆冻结物开始消融，一定时间后，冻结物完全消融，泥浆流量达到设计上限值。当内管管壁附着的泥浆冻结物完全消融后，泥浆流量逐渐增加，一段时间后达到上限值，电磁流量内变送器将这一流量信号通过电磁感应现象转化为电流、电压、电子信号传送至转换器。转换器接收到变送器输送来的电流、电压、电子信号根据电磁继电器的要求将信号进行进一步转换、放大成电流信号然后传输给后续的电磁继电器。当泥浆流量由于冻结物消融而增加到设计的上限值时，电磁继电器接收到电磁继电器转换处理完的电流信号后，通过线圈4内的电流产生的激励磁场对衔铁7的吸力克服反力弹簧8产生的收缩力，因而动触点从上位的1脱离在弹簧反力的作用下到达下位的静触点位置。因为静触点与制冷剂输送泵连接，所以这一动作将制冷剂输送泵的电源接通，制冷机输送泵恢复工作。制冷剂在内外管间隙恢复循环，制冷恢复循环。第三节防堵装置主要技术参数冲洗液冷却温度变化差ΔT：2℃冲洗液出口温度：-1℃冲洗液进口温度：1℃冲洗液制冷量：160L/min发生卡堵时冲洗液流量上限值：160L/min发生卡堵时冲洗液流量上限值：120L/min表4制冷系统现场的一些基本参数管道直径mm管道长度m流量m3/s流速m/s内管内径48480.00281.55环状间隙当量直径18480.00182.18第四节防堵装置组成同轴套管式泥浆冷却器防堵装置主要由电磁流量计、电磁继电器、制冷机输送泵及理解管线组成。本节将分别对装置各组成部分进行选型并对所选设备各项参数进行介绍1.电磁继电器本装置拟选用DHLDE-50L-H1X100-0.168型智能电磁流量计。所选电磁流量计被广泛用于化工、造纸、食品、矿冶、石油、给排水等行业，用于测量污水、盐水、煤水浆、纸浆、矿浆、泥浆。因此非常适合于作为防堵装置的测量设备。主要技术参数公称通径：50mm流动方向正，反，净流量，量程比：150：1重复性误差：测量值的±0.1%精度等级：0.5级被测介质温度：-20-+60℃额定工作压力：≤2.5Mpa,流量测量范围：流量测量范围对流速度范围是0.3—15m/s电导率范围：被测流体电导率≥5μs/cm输出电流及负载电阻：4-20mA全隔离负载电阻＜750欧姆脉冲频率0-1KHZ光电隔离OCT外接电源≤35V导通时集电极最大电流为25mA电极材料：哈氏合金（H）供电电源：85-265V，45-63HZ直管段长度：下游≥2DN连接方式：流量计与配管之间均采用法兰连接，法兰连接尺寸应符合GB9119-88的规定。防暴标志：mdllBT4环境温度：-25℃-+60℃相对温度：5%-95%消耗总功率：小于20W图3-3分体式流量计接线图分体式远传接线端转换器上排：DS2,SGND,DS信号屏蔽（铜丝网）EXT_EXT激磁线圈TR,TR+RS485通讯COM,ALM+,ALM上下限报警L1,L2电源220V转换器下排：SIG2,SGND,SIG1信号电极ICCOM,ICOVT,INSW正反向4-20Ma

PCOM,PUL-PUI+正反向脉冲频率

传感器：SIG1,SIG2,SGND信号电极

DS1,DS2信号屏蔽（铜丝网）

EXT+,EXT-激磁线圈方型转换器外观及安装尺图3-4方型转换器外观及安装尺2.电磁继电器本装置选用HHC66F(JZC-22F)-10A-1Z-12VDC型电磁继电器，所选电磁继电器因具有体积小、功耗低、触点负载大、灵敏度高等优点而被广泛应用于机械、石油、化工等行业。主要技术参数外形尺寸：20.3×16.6×20.4形式：1Z、1H、1D负载（阻性）：10A（感性为30％）最大切换电压：240VAC/28VDC接触电阻（初始）：≤50mΩ材料：银合金电气寿命：≥105（频率1S通/1S断）机械寿命：≥105（频率300次/分钟）吸合电压（25℃）：DC：≤75％×额定电压释放电压（25℃）：DC：≥10％×额定电压最大电压（25℃）：110％×额定电压线圈规格：DC3V,5V,6V,9V,12V,15V,18V,24V,36V,48V线圈功率：DC:0.36W吸合时间（额定电压）：≤10ms释放时间（额定电压）：≤5ms绝缘电阻：≥100MΩ（500VDC）环境温度：-55℃-+70℃环境湿度：35％-80％RH大气压力：86-106kPa耐冲击：10G（正弦半波脉冲：11ms）耐振动：10-55Hz双振幅1.0mm安装方式：PCB印刷板式外形图、接线图、安装尺寸图3-5HHC66F(JZC-22F)-10A-1Z-12VDC型电磁继电器外形图图3-6HHC66F(JZC-22F)-10A-1Z-12VDC型电磁继电器接线图图3-7HHC66F(JZC-22F)-10A-1Z-12VDC型电磁继电器尺寸图性能曲线图图3-8HHC66F(JZC-22F)-10A-1Z-12VDC型电磁继电器性能曲线图图3-9HHC66F(JZC-22F)-10A-1Z-12VDC型电磁继电器实物制冷剂输送泵类型：采用低温流体离心泵流量：6.3m3/h扬程：50m功率：4kw除上述各部分，另外需传输信号用线缆若干。第5节防堵装置安装图本课题设计研究的防堵装置主要是针对我校设计的同轴套管式泥浆冷却器。关于它的安装，也必须建立在冷却器之上。图3-10防堵装置安装图图3-11防堵装置流量计变送器安装明细图如图3-10、3-11所示，防堵装置的电磁流量计变送器安装在冷却器出口处内管端口。流量计变送器负责测定由冷却器流出泥浆的流量，并在显示屏显示。与此同时，将流量信号转换为电流、电压、电子信号通过线缆传输至流量计的转换器将信号进一步进行转换、放大为需要的电流信号。转换器接收到变送器传输的信号后，将信号进行进一步处理然后经过线缆传输至继电器进行判断。电磁继电器接收到经转换器放大、转换处理的电流信号。在内部将电流值与限值进行比较后进行开、关制冷机输送泵的动作。第6节防堵装置流程图图3-12防堵装置工作流程图如图3-12所示，防堵装置的工作流程为：首先，制冷机组从载冷剂箱抽取不满足设计温度要求的制冷剂至制冷机组。经过一定时间冷却后达到设计温度后，由制冷机输送泵将冷却后的制冷剂输送至同轴套管式泥浆冷却器内外管间隙进行循环。并由泥浆泵从泥浆池抽取泥浆在冷却器内管逆向循环已达到冷却泥浆的目的。当制冷剂在冷却器内外管间隙循环一定时间后，由于制冷剂温度（-5℃）低于泥浆冰点（接近0℃），所以循环一段时间后冷却器内管管壁附着有一层泥浆冻结物。这时流出冷却器的泥浆流量发生变化，这一变化被安装在冷却器出口防堵装置变送器检测到。当流量减小到一定程度达到下限值（120L/min）时，变送器检测显示这时的流量值。与此同时，通过法拉第电磁感应原理将流量信号转换为电子信号并通过缆线将这一电子信号传输至防堵装置转换器。转换器接收到变送器传输的电子信号后进行进一步转换、放大，最后处理为对应的电流信号并将电流信号通过导线传输至电磁继电器。电流信号传送至继电器后，电流流经线圈产生磁场对磁场作用于衔铁。当流量达到下限值时，流经线圈的电流产生的磁场对衔铁的吸合力不足以克服反力弹簧产生的收缩力。这样在反力弹簧的收缩力作用下，动触点断开。这一动作切断了制冷机输送泵电力回路，制冷机输送泵停止工作，泥浆制冷暂时中断。制冷机输送泵停止循环后，由于环境温度高于泥浆温度。因此，冷却器内管管壁附着的泥浆冻结物缓慢消融。随着消融的进行，泥浆流量逐渐增大。一段时间后冻结物完全消融，流出冷却器的泥浆流量达到上限值（160L/min）。这一上限值被位于冷却器出口的防堵装置变送器检测到，然后将这一流量信号显示的同时转换为电子信号的同时通过缆线将这一电子信号输送至防冻装置转换器。转换器接收到电子信号（上限值）后，进行进一步转换、放大最终处理成对应的电流信号（上限值）。然后将这一电流信号通过缆线传送至防堵装置电磁继电器。由转换器输送来的电流流经电磁继电器内线圈，线圈产生磁场然后对衔铁产生作用。当流经线圈的电流为上限值时，线圈产生的磁场对衔铁的吸合力大于反力弹簧的收缩力。因此动触点被线圈吸合，这一动作接通制冷机输送泵电子回路。制冷机输送泵开始工作将制冷剂输送至冷却器并在内外管开始间隙循环，泥浆得到冷却。这就是同轴套管式泥浆冷却器防堵装置的工作流程。简而言之，防堵装置是一套当冷却器发生卡堵时，让制冷剂停止循环；当泥浆流量正常（卡堵现象消失）时，恢复制冷剂循环继续冷却泥浆的装置。本章小结（1）本装置可以解决同轴套管式冷却器的卡堵问题（2）本装置主要由电磁流量计与电磁继电器组成实现防堵功能。（3）根据设计要求确定防堵装置的各技术参数（4）根据功能要求为本装置分别选取DHLDE-50L-H1X100-0.168型智能电磁流量计与HHC66F(JZC-22F)-10A-1Z-12VDC型电磁继电器。（5）绘制本装置在冷却器上安装图。（6）绘制流程图并阐述装置如何实现防堵功能。第4章结论与展望结论1）泥浆内管防堵装置能够控制同轴套管式换热器内管泥浆不冻结，并保证始终处于所要求流量的流动状态。2）通过理论分析和计算机模拟手段，确定了流量作为泥浆内管防堵装置控制参数。3）设计了泥浆内管防堵装置，分析了其工作原理、装置组成与选型和装置工作流程等，为下一步加工泥浆内管防堵装置提供了参考。展望本装置从设计思路到参数分析，再到原理分析以及后续的装置组成部分选择、主要设计参数选择、设备安装、流程分析都符合设计要求。较为遗憾的是由于