勘查技術(shù)與工程專業(yè)概論論文

勘查技術(shù)與工程專業(yè)概論課程論文

學(xué)院：地質(zhì)學(xué)院

專業(yè)班級(jí)：勘查技術(shù)與工程201*級(jí)1班

姓名：楊琛龍學(xué)號(hào)：201*01171234

勘查技術(shù)與工程專業(yè)概論論文

經(jīng)過(guò)半個(gè)學(xué)期的專業(yè)概論課的學(xué)習(xí)，我已經(jīng)對(duì)勘查技術(shù)與工程這門專業(yè)有了初等的認(rèn)識(shí)。對(duì)利用地球物理勘探來(lái)解決地質(zhì)問(wèn)題也有了一定的初步認(rèn)識(shí)，下面就是我對(duì)這些星期以來(lái)對(duì)專業(yè)概論課學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)總結(jié)：地球物理勘探的主要方法有哪些，能解決的主要地質(zhì)問(wèn)題有什么，以及本人在以后的學(xué)習(xí)中應(yīng)如何的學(xué)好本專業(yè)課。

一，地球物理勘探的主要方法

地理物理勘探所給出的是根據(jù)物理現(xiàn)象對(duì)地質(zhì)體或地質(zhì)構(gòu)造做出解釋推斷的

結(jié)果因此它是間接的勘探方法。此外用地球物理方法研究或勘查地質(zhì)體或地質(zhì)構(gòu)造是根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)或所觀測(cè)的地球物理場(chǎng)求解場(chǎng)源體的問(wèn)題是地球物理場(chǎng)的反演的問(wèn)題而反演的結(jié)果一般是多解的因此地球物理勘探存在多解性的問(wèn)題。為了獲得更準(zhǔn)確更有效的解釋結(jié)果一般盡可能通過(guò)多種物探方法配合進(jìn)行對(duì)比研究同時(shí)要注重與地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)理論的研究相結(jié)合進(jìn)行綜合分析判斷。人類居住的地球，表層是由巖石圈組成的地殼，石油和天然氣就埋藏于地殼的巖石中，埋藏可深達(dá)數(shù)千米，眼看不到，手摸不著，所以，要找到油氣首先需要搞清地下巖石情況。怎樣才能搞清地下巖石的情況呢？這要從巖石的物理性質(zhì)談起。巖石物理性質(zhì)是指巖石的導(dǎo)電性、磁性、密度、地震波傳播等特性，地下巖石情況不同，巖石的物理性質(zhì)也隨之而變化。各種物理性質(zhì)都表現(xiàn)為一種或幾種不同的物理現(xiàn)象，如導(dǎo)電性不同的巖石在相同的電壓作用下，具有不同的電流分布；磁性不同的巖石，對(duì)同一磁鐵的作用力不同；密度不同的巖石，可以引起重力的差異；振動(dòng)波在不同巖石中傳播速度不同等。運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)，完全可以記錄到上述物理現(xiàn)象的變化，進(jìn)而可以了解地下巖石的性質(zhì)及其分布規(guī)律，達(dá)到尋找地下油氣的目的。我們把這種以巖石間物理性質(zhì)差異為基礎(chǔ)，以物理方法為手段的油氣勘探技術(shù)，稱為地球物理勘探技術(shù)，簡(jiǎn)稱物探技術(shù)。古代兵器有刀、槍、劍、戟，當(dāng)今的油氣地球物理勘探技術(shù)又有哪些呢？根據(jù)這幾個(gè)星期的學(xué)習(xí)，我總結(jié)了一下的幾個(gè)方面：重力勘探

地球物理勘探方法之一。是利用組成地殼的各種巖體、礦體間的密度差異所引起的地表的重力加速度值的變化而進(jìn)行地質(zhì)勘探的一種方法。它是以牛頓萬(wàn)有引力定律為基礎(chǔ)的。只要勘探地質(zhì)體與其周圍巖體有一定的密度差異，就可以用精密的重力測(cè)量?jī)x器（主要為重力儀和扭秤）找出重力異常。然后，結(jié)合工作地區(qū)的地質(zhì)和其他物探資料，對(duì)重力異常進(jìn)行定性解釋和定量解釋，便可以推斷覆蓋層以下密度不同的礦體與巖層埋藏情況，進(jìn)而找出隱伏礦體存在的位置和地質(zhì)構(gòu)造情況。磁法勘探是地球物理勘探方法之一。自然界的巖石和礦石具有不同磁性，可以產(chǎn)生各不相同的磁場(chǎng)，它使地球磁場(chǎng)在局部地區(qū)發(fā)生變化，出現(xiàn)地磁異常。利用儀器發(fā)現(xiàn)和研究這些磁異常，進(jìn)而尋找磁性礦體和研究地質(zhì)構(gòu)造的方法稱為磁法勘探。磁法勘探是常用的地球物理勘探方法之一。它包括地面、航空、海洋磁法勘探及井中磁測(cè)等。磁法勘探主要用來(lái)尋找和勘探有關(guān)礦產(chǎn)（如鐵礦、鉛鋅礦、銅錦礦等）；進(jìn)行地質(zhì)填圖；研究與油氣有關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造及大地構(gòu)造等問(wèn)題。我國(guó)建國(guó)以來(lái)大多數(shù)鐵礦區(qū)、多金屬礦區(qū)及油氣田等都進(jìn)行了大量的磁法勘探工作，取得了良好的地質(zhì)效果。磁法勘探也是基本地球物理手段，國(guó)家已納入在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量的計(jì)劃，并已基本覆蓋了全國(guó)重要地區(qū)。電法勘探

是根據(jù)巖石和礦石電學(xué)性質(zhì)（如導(dǎo)電性、電化學(xué)活動(dòng)性、電磁感應(yīng)特性和介電性，即所謂“電性差異”）來(lái)找礦和研究地質(zhì)構(gòu)造的一種地球物理勘探方法。它是通過(guò)儀器觀測(cè)人工的、天然的電場(chǎng)或交變電磁場(chǎng)，分析、解釋這些場(chǎng)的特點(diǎn)和規(guī)律達(dá)到找礦勘探的目的。電法勘探分為兩大類。研究直流電場(chǎng)的，統(tǒng)稱為直流電法，包括有電阻率法、充電法、自然電場(chǎng)法和直流激發(fā)極化法等；研究交變電磁場(chǎng)的，統(tǒng)稱為交流電法，包括有交流激發(fā)極化法、電磁法、大地電磁場(chǎng)法、無(wú)線電波透視法和微波法等。按工作場(chǎng)所的差別，電法勘探又分為地面電法、坑道和井中電法、航空電法、海洋電法等。地震勘探

是近代發(fā)展變化最快的地球物理方法之一。它的原理是利用人工激發(fā)的地震波在彈性不同的地層內(nèi)傳播規(guī)律來(lái)勘探地下的地質(zhì)情況。在地面某處激發(fā)的地震波向地下傳播時(shí)，遇到不同彈性的地層分界面就會(huì)產(chǎn)生反射波或折射波返回地面，用專門的儀器可記錄這些波，分析所得記錄的特點(diǎn)，如波的傳播時(shí)間、振動(dòng)形狀等，通過(guò)專門的計(jì)算或儀器處理，能較準(zhǔn)確地測(cè)定這些界面的深度和形態(tài)，判斷地層的巖性，是勘探含油氣構(gòu)造甚至直接找油的主要物探方法，也可以用于勘探煤田、鹽巖礦床、個(gè)別的層狀金屬礦床以及解決水文地質(zhì)工程地質(zhì)等問(wèn)題。近年來(lái)，應(yīng)用天然震源的各種地震勘探方法也不斷得到發(fā)展測(cè)井

是在鉆孔中使用測(cè)量電、聲、熱、放射性等物理性質(zhì)的儀器，以辨別地下巖石和流體性質(zhì)的方法，是勘探和開發(fā)油氣田的重要手段。運(yùn)用物理學(xué)的原理和方法,使用專門的儀器設(shè)備,沿鉆井（鉆孔）剖面測(cè)量巖石的物性參數(shù)，了解井下地質(zhì)情況，從而發(fā)現(xiàn)油（氣）層、煤層、金屬、非金屬、放射性等礦藏，和地?zé)�、地下水等資源。這是油（氣）田勘探與開發(fā)中一種極為重要的方法，也是煤田、水文勘測(cè)以及勘探其他礦藏不可缺少的手段。一般按所探測(cè)的巖石物理性質(zhì)或探測(cè)目的可分為電法測(cè)井、聲波測(cè)井、放射性測(cè)井、地層傾角測(cè)井、氣測(cè)井、地層測(cè)試測(cè)井、鉆氣測(cè)井等。

遙感技術(shù)

遙感是指非接觸的，遠(yuǎn)距離的探測(cè)技術(shù)。一般指運(yùn)用傳感器/遙感器對(duì)物體的電磁波的輻射、反射特性的探測(cè)，并根據(jù)其特性對(duì)物體的性質(zhì)、特征和狀態(tài)進(jìn)行分析的理論、方法和應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)。

地質(zhì)遙感是綜合應(yīng)用現(xiàn)代遙感技術(shù)來(lái)研究地質(zhì)規(guī)律，進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查和資源勘察的一種方法。它從宏觀的角度，著眼于由空中取得的地質(zhì)信息，即以各種地質(zhì)體對(duì)電磁輻射的反應(yīng)作為基本依據(jù)，結(jié)合其他各種地質(zhì)資料及遙感資料的綜合應(yīng)用，以分析、判斷一定地區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況。地質(zhì)遙感工作的基本內(nèi)容是：地面及航空遙感試驗(yàn)，發(fā)揮適用于地質(zhì)找礦、地質(zhì)環(huán)境的遙感系統(tǒng)，進(jìn)行圖像、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的處理和地質(zhì)判釋。地質(zhì)遙感需要應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、電磁輻射理論、現(xiàn)代光學(xué)和電子技術(shù)以及數(shù)學(xué)地質(zhì)的理論與方法，是促進(jìn)地質(zhì)工作現(xiàn)代化的一個(gè)重要技術(shù)領(lǐng)域。

二，地球物理勘探能解決的主要地質(zhì)問(wèn)題

地球物理勘探是解決地質(zhì)問(wèn)題的一種重要方法，在地質(zhì)研究中有著廣泛的應(yīng)用。

1，2，3，

通過(guò)對(duì)野外地質(zhì)資料的分析以及計(jì)算，研究地質(zhì)構(gòu)造，可以勘查地下礦產(chǎn)。

也可以通過(guò)對(duì)一些地區(qū)進(jìn)行物理勘探，得出其內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造，可以有效地預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

可以通過(guò)電發(fā)等勘探方法在干旱地區(qū)尋找地下水資源。

三，本人應(yīng)如何讓學(xué)好本專業(yè)課

在大學(xué)中不管什么專業(yè)都應(yīng)當(dāng)認(rèn)真學(xué)習(xí)其專業(yè)基礎(chǔ)課，把不會(huì)的問(wèn)題弄懂弄透，只有把其原理弄明白才能永久的學(xué)會(huì)。還有就是由于本專業(yè)課對(duì)我們的數(shù)學(xué)，物理，計(jì)算機(jī)要求很高，所以我們對(duì)這些科目也要學(xué)習(xí)的很扎實(shí)，只有學(xué)好了專業(yè)基礎(chǔ)課和我們以后用到的必要工具課，我們才能更好的學(xué)習(xí)本專業(yè)，才能為以后的就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

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勘查技術(shù)與工程畢業(yè)論文

勘查技術(shù)與工程畢業(yè)論文

摘要

在凍土帶鉆井及天然氣水合物鉆井中,鉆井泥漿冷卻技術(shù)是鉆井工藝中的關(guān)鍵技術(shù)之一。適當(dāng)?shù)木畠?nèi)循環(huán)泥漿溫度是鉆井作業(yè)安全快速進(jìn)行的保證。

為滿足天然氣水合物鉆探取樣工藝要求,我校研制了一種天然氣水合物鉆井泥漿冷卻系統(tǒng)。

由于泥漿在冷卻器內(nèi)循環(huán)溫度低于泥漿冰點(diǎn)溫度，因此冷卻器內(nèi)管會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)和卡堵等現(xiàn)象。本論文研究的內(nèi)管防堵裝置是對(duì)我校研制的天然氣水合物鉆井泥漿冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，防止泥漿內(nèi)管發(fā)生凍結(jié)和卡堵。

防堵裝置主要是分析同軸套管式冷卻器內(nèi)管發(fā)生堵塞時(shí)其溫度、流量和壓力的變化過(guò)程，確定最佳控制參數(shù)。根據(jù)鉆井工作對(duì)泥漿流量的要求，確定流量控制范圍，并設(shè)計(jì)防堵裝置，確定工作原理、各部件組成和工作流程。

I

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關(guān)鍵詞：泥漿冷卻、內(nèi)管卡堵、防堵裝置

Abstract

Mudcoolingisakeytechnologyofpermafrostdrillingandgashyd-ratedrillingoperation.Propertemperatureofcirculationdrillingmudistheguaranteeforsafeandfastdrillingoperation.

Inviewofthetechnologicalrequirementsofthesamplingofgashydratedrilling,atypeofdrillingmudcoolingsystemforper-mafrostdrillingandgashydratedrillingwasdevelopedbyJilinUniv-ersity.

Thecirculationtemperatureofdrillingmudinthecoolersislowerthanfreezingpointofdrillingmud.sotheinnerofpipewouldbeenfrozenandblocked.

ThepreventblockingequipmentwhichthepaperintroducedistoimprovethegashydratedrillingmudcoolingsystemJilinUniversityresearched.anditisinstalledonthecoolerinthemudcoolingsystem.Themainfunctionofpreventblockingequipmentistoanalysethechangingprocessoftemperature.pressureandflow.andtogetbestcontrolingparameters.Drillingmudflowaccordingtotherequire-mentsof,determinethescopeofflowcontrol,andattemptsto

II

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preventthedevicedesignedtodeterminetheworkingprinciple,thecomponentsandprocesses.

Keywords：mudcoolinginnerpipefrozenpreventblocking

equipment

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目錄

第1章緒論1

第1節(jié)天然氣水合物的一般特征1第2節(jié)泥漿冷卻技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀3第3節(jié)本課題主要研究?jī)?nèi)容5第2章內(nèi)管防堵裝置機(jī)理分析7第1節(jié)天然氣水合物泥漿冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介7第2節(jié)內(nèi)管壓力影響及分析13第3節(jié)內(nèi)管溫度影響及分析15第4節(jié)內(nèi)管流量影響及分析19

本章小結(jié)21第3章泥漿冷卻系統(tǒng)防凍裝置設(shè)計(jì)23

第1節(jié)防堵裝置設(shè)計(jì)目的與用途23第2節(jié)防堵裝置原理24第3節(jié)防堵裝置主要技術(shù)參數(shù)30第4節(jié)防堵裝置組成30第5節(jié)防堵裝置安裝圖38第6節(jié)防堵裝置工作流程圖39本章小結(jié)40

IV

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第4章結(jié)論與展望41結(jié)論41展望42致謝43參考文獻(xiàn)44

V勘查技術(shù)與工程畢業(yè)論文

第1章緒論

第1節(jié)天然氣水合物的一般特征

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源尤其是煤、石油、天然氣等化石能源的消耗顯著增加。我國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，能源問(wèn)題十分緊迫。因此，勘探開發(fā)新型能源變得異常迫切。

天然氣水合物作為一種潛在替代能源，越來(lái)越受到重視，成為近年來(lái)能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。天然氣水合物是由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結(jié)晶物質(zhì)。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱作“可燃冰”或者“固體瓦斯”和“氣冰”。在這種化合物中，水分子通過(guò)氫鍵作用形成具有一定尺寸的晶格主體，小分子則包容在空穴中，從而形成外觀似雪花狀或者松散冰的固態(tài)化合物。如圖1-1、1-2所示，組成天然氣的成分有烴類（CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物）及非烴類（CO2、N2、H2S）等。

圖1-1天然氣水合物的籠式結(jié)構(gòu)

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圖1-2天然氣水合物的類型和結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖

天然氣水合物是近二十年來(lái)在海洋和凍土層發(fā)現(xiàn)的新型能源，因儲(chǔ)量巨大、能量密度高、分布廣等特點(diǎn)受到各國(guó)的普遍重視。

天然氣水合物的主要特點(diǎn)如下：1)儲(chǔ)量巨大

迄今文獻(xiàn)大量報(bào)道的天然氣水合物含甲烷資源量為1.0×1016m。這就是說(shuō)天然氣水合物含甲烷資源量為已知煤、石油和常規(guī)天然氣甲烷當(dāng)量（約為5×1015m）的兩倍。

2)能量密度高

天然氣水合物的能量密度是煤炭的10倍，常規(guī)天然氣的2-5倍。由于獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)與分子空間構(gòu)型決定了天然氣水合物獨(dú)特的高濃集氣體的能力，表現(xiàn)特點(diǎn)為：高濃度氣體、高儲(chǔ)量。

3）分布范圍廣

天然氣水合物在自然界廣泛分布在內(nèi)陸、島嶼的斜坡地帶、活動(dòng)和被動(dòng)大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境。

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圖1-3天然氣水合物在世界各地分布圖

第2節(jié)天然氣水合物泥漿冷卻技術(shù)現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)

狀

在天然氣水合物鉆進(jìn)中,由于水合物特殊的熱物理性質(zhì),鉆井液循環(huán)溫度必須嚴(yán)格控制,以防止水合物層在鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生分解。如果鉆井液循環(huán)溫度高于鉆進(jìn)水合物層溫度將會(huì)引起水合物分解,在凍土帶鉆井和天然氣水合物鉆井中,鉆井泥漿需要冷卻至零度以下或零度左右的低溫狀態(tài),

1998年在加拿大波弗特海近海凍土層鉆井中,為了保持井壁穩(wěn)定采用泥漿冷卻器將泥漿冷卻至-9℃。在天然氣水合物鉆井中,鉆井泥漿也要冷卻至0℃左右,1998年在加拿大馬三角洲永凍層Mallik2L-38中泥漿冷卻天然氣水合物鉆井裝置采用的是平板式換熱器,將泥漿冷卻至2℃。

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201*年,在加拿大馬三角洲Mallik2L-38天然氣水合物試開采項(xiàng)目主井Mallik5L-38鉆井中,將泥漿冷卻至-1℃。

201*年,美國(guó)阿拉斯加北部斜坡天然氣水合物試采井熱冰1井鉆井中,泥漿被冷卻保持在-5℃。

201*年，在美國(guó)阿拉斯加北坡永凍層天然氣水合物鉆探中采用的是美國(guó)Drillcool公司研制的泥漿冷卻裝置,泥漿冷卻溫度是-2℃。

在低溫泥漿冷卻技術(shù)領(lǐng)域,最著名的公司是美國(guó)Drillcool公司,其泥漿冷卻裝置的原理是使用氨水制冷機(jī)組通過(guò)板式換熱器制冷乙二醇,冷卻后的乙二醇再通過(guò)螺旋換熱器冷卻泥漿,從而達(dá)到控制泥漿溫度的目的。

我國(guó)201*年在南海北部天然氣水合物取樣鉆探中,鉆探技術(shù)采用的是國(guó)外技術(shù)。

201*年10-11月我國(guó)在青海木里盆地天然氣水合物DK-1井進(jìn)行取樣鉆探時(shí),鉆井泥漿流量保持在100L/min左右,環(huán)境溫度在-20℃以下,返回地面的泥漿在泥漿循環(huán)槽及泥漿池中自然冷卻降溫,進(jìn)井泥漿溫度維持在4℃左右。但凍土層段鉆孔擴(kuò)徑現(xiàn)象比較明顯。如果在夏季施工,環(huán)境氣溫高,依靠泥漿自然冷卻法不再適合,必須采用泥漿冷卻系統(tǒng)。

目前我國(guó)在泥漿冷卻技術(shù)及設(shè)備方面的研究,尤其是適用于低溫泥漿的冷卻技術(shù)及設(shè)備方面的研究處于初期階段,研究一種有效冷卻泥漿的方法及設(shè)備對(duì)大力開展天然氣水合物鉆探具有迫切而重要的意義。

針對(duì)目前我國(guó)泥漿冷卻技術(shù)的不足情況,我校研制了一套鉆井泥漿冷卻系統(tǒng),特別適合于對(duì)低溫泥漿的冷卻。

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該鉆井泥漿冷卻系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能有:一、實(shí)現(xiàn)鉆井泥漿的快速冷卻;二、能夠?qū)⒛酀{動(dòng)態(tài)維持在低溫范圍內(nèi)。

圖1-4鉆井泥漿冷卻系統(tǒng)原理圖

1-風(fēng)冷(或水冷)氟利昂制冷機(jī)組;2-制冷機(jī)組泵;3-閥;4-載冷劑箱;5-閥;6-閥;7-溫度傳感器;8-閥;9-載冷劑箱泵;10-溫度傳感器;11-溫度傳感器;12-同軸泥漿對(duì)流換熱器;13-溫度傳感器;14-溫度傳感器;15-泥漿輸送泵;16-溫度傳感器;17-泥漿池;18-鉆機(jī)泥漿泵;19-溫度傳感器;20-溫度傳感器;21-鉆井;22-溫度巡檢儀

第3節(jié)本課題主要研究?jī)?nèi)容

在凍土層鉆井與天然氣水合物鉆井中，鉆頭破碎巖石會(huì)產(chǎn)生大量熱量，鉆桿與井壁摩擦也會(huì)產(chǎn)生熱量使井底溫度增高。并且隨著鉆井液循環(huán)時(shí)間的增長(zhǎng)，致使返回地表的鉆井液溫度比凍土層或天然氣水合物儲(chǔ)層溫度高，從而引起凍土層井段擴(kuò)徑或天然

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氣水合物直接在井底分解，導(dǎo)致無(wú)法取心或取心不完整等情況的發(fā)生。

與此同時(shí)，如果鉆井液泥漿循環(huán)溫度高于水合物層溫度將會(huì)引起水合物分解,會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題,如大量氣體分解,使井口裝置或防噴器失去承載能力而發(fā)生傾斜,將喪失井壓控制手段,可能導(dǎo)致井噴及井塌事故。分解后的氣體可能會(huì)破壞周圍環(huán)境,有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)溶洞,使天然氣水合物地層下沉,出現(xiàn)地基沉降事故。所以，必須對(duì)鉆井液泥漿進(jìn)行及時(shí)的冷卻。

圖1-5為同軸套管式換熱器工作原理圖。換熱器由內(nèi)外兩層管組成。內(nèi)管為鉆井泥漿循環(huán)通道，內(nèi)外管的環(huán)狀間隙為低溫乙二醇冷卻液循環(huán)通道，通過(guò)二者的逆向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流傳熱，從而致使低溫乙二醇冷卻液制冷泥漿。

低溫乙二醇冷卻液

泥

漿低溫乙二醇冷卻液

圖1-5同軸套管式換熱器原理圖

由于天然氣水合物的特殊的溫壓特性,鉆井一般采用分解抑制法,即通過(guò)泥漿冷卻,使泥漿進(jìn)井溫度保持在低溫范圍內(nèi)(-4℃-4℃),防止水合物地層和巖心溫度升高,將相平衡狀態(tài)維持在水合物分解抑制狀態(tài),避免水合物發(fā)生分解,維持井壁定。

水合物泥漿冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)井溫度為-1℃，出井溫度為1℃。

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制冷能力（進(jìn)出井溫差）△T=2℃.而通常情況下，泥漿的冰點(diǎn)為0℃左右。這就意味著當(dāng)泥漿在冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)局部?jī)鼋Y(jié)的甚至全部堵塞同軸套管式冷卻器的內(nèi)管。并且，在我國(guó)首次的青藏高原凍土帶水合物施工現(xiàn)場(chǎng)都曾發(fā)生內(nèi)管內(nèi)泥漿局部?jī)鼋Y(jié)甚至堵塞內(nèi)管的現(xiàn)象。

凍結(jié)或堵塞將會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。首先，局部?jī)鼋Y(jié)或堵塞將使泥漿的流量減小，這樣泵送的井底的泥漿總量將減少，這將可能出現(xiàn)排粉不利、井底鉆頭冷卻不充分等現(xiàn)象。甚至發(fā)生卡鉆、埋鉆、燒鉆、孔壁坍塌等孔內(nèi)事故。另外，一旦發(fā)生凍結(jié)或堵塞勢(shì)必會(huì)影響冷卻效率，從而使泥漿無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)溫度。這樣將導(dǎo)致凍土層井段擴(kuò)徑或天然氣水合物直接在井底分解。導(dǎo)致無(wú)法取心或取心不完整等情況的發(fā)生。再有，當(dāng)凍結(jié)或堵塞必將帶來(lái)流體流動(dòng)阻力增加的問(wèn)題，且對(duì)同軸套管式冷卻系統(tǒng)的內(nèi)管得壓力增加，使冷卻系統(tǒng)的壽命及制冷效率下降。

本課題研究的項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一套裝置用來(lái)改善和解決冷卻系統(tǒng)在冷卻時(shí)發(fā)生局部?jī)鼋Y(jié)或堵塞的現(xiàn)象。通過(guò)分析同軸套管式換熱器內(nèi)管發(fā)生堵塞時(shí)其溫度、流量和壓力的變化過(guò)程，確定最佳控制參數(shù)。根據(jù)鉆井工作中冷卻鉆頭、攜帶巖粉等工作對(duì)鉆井液流量的要求確定流量控制范圍，并設(shè)計(jì)防凍裝置，確定工作原理、各部件組成和工作流程。

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第2章內(nèi)管防堵裝置機(jī)理分析

本課題研究的內(nèi)管防堵裝置對(duì)我校研制的天然氣水合物鉆井泥漿冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并安裝在系統(tǒng)中的同軸軸套管式冷卻器。第一章中，已經(jīng)定性的闡述了冷卻器的工作原理、存在問(wèn)題。本章將詳細(xì)介紹冷卻器，同時(shí)對(duì)發(fā)生卡堵對(duì)內(nèi)管內(nèi)壓力、溫度、流量分別作出計(jì)算模擬。

第二節(jié)天然氣水合物泥漿冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1設(shè)計(jì)目的與用途：

該套天然氣水合物取樣器制冷系統(tǒng)主要用于制冷從孔中返出并且經(jīng)過(guò)地表循環(huán)的而升溫的沖洗液，使沖洗液制冷到一定溫度從而保證天然氣水合物樣品能夠順利并且保真地取出。

1.2技術(shù)參數(shù)：

此次鉆進(jìn)過(guò)程中沖洗液采用能耐-5℃的低溫聚合物泥漿，要求沖洗液的流速為160L/min，且進(jìn)井溫度為-1℃。沖洗液的基本參數(shù)如表1，表2

表1沖洗液的基本組成成分

混合水物體69%積比土4%乙二醇15%聚乙烯醇2%NaCl10%表2沖洗液的性能參數(shù)物質(zhì)密度比熱g/cm3kJ/kg℃粘度普朗特導(dǎo)熱系流量-6210m/s數(shù)數(shù)L/minw/m.K勘查技術(shù)與工程畢業(yè)論文

沖洗1.15773.706410.73液13.670.55160表3乙二醇制冷劑的性能參數(shù)

含量濃度%301.038-5-10-153.67713.65133.620552.8763.50478.225.11756.11057.5130.4710.4680.46415℃的密度(Kg/m3)溫度℃比熱動(dòng)力粘度(10N.s/m)-42運(yùn)動(dòng)粘度(10mPa.s)-6導(dǎo)熱系數(shù)(w/m.K)普朗特?cái)?shù)(Pr=μλ)41.2549.2861.12c/c(kJ/kg.k)1.3制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成：

綜合考慮了多種制冷系統(tǒng)方案，并考慮海拔4000多米的施工高原現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜氣候因素，設(shè)計(jì)了此種沖洗液制冷方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：

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圖2-1制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4工作原理

本系統(tǒng)工作原理大致可以分為兩個(gè)回路，和電子檢測(cè)系統(tǒng)，以下就逐一介紹:

（1）冷凝機(jī)組制冷液回路該回路的原理如圖2-2所示：

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圖2-2制冷機(jī)組制冷液回路

用一臺(tái)風(fēng)冷乙二醇制冷機(jī)組連續(xù)地對(duì)載冷劑（乙二醇溶液）進(jìn)行制冷，將冷量不斷地輸送到載冷劑箱中，使載冷劑箱中的溫度基本為-5℃左右，載冷劑箱為一保溫箱，其規(guī)格為：2×1.5×1m。載冷劑為30%左右的乙二醇溶液，該回路通過(guò)制冷液輸送泵不斷地循環(huán)。

（2）套管式換熱器循環(huán)回路

套管式換熱器是將不同直徑的兩種管子套在一起，形成同心套管，一種流體在管內(nèi)流動(dòng)，另一種流體在內(nèi)管與外管的環(huán)狀間隙流過(guò)，通常成逆流流動(dòng)，有利于熱量的傳遞。每根套管的有效長(zhǎng)度一般在4~6m以下。當(dāng)我們需要較多的傳熱面積時(shí)，換熱器可以用多根套管組合而成，其內(nèi)管與內(nèi)管間用U型管連接，外管與

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外管與外管間用短管連接。其具體組成如圖2-3：

圖2-3制冷系統(tǒng)換熱器回路

泥漿池中的泥漿通過(guò)泥漿泵經(jīng)過(guò)泥漿入口進(jìn)入套管式換熱器的內(nèi)管中，然后經(jīng)過(guò)泥漿出口再返回泥漿池中，中間經(jīng)過(guò)一次降溫過(guò)程。同時(shí)從載冷劑箱中出來(lái)的-5℃的乙二醇載冷劑經(jīng)過(guò)制冷液輸送泵送入套管式換熱器的環(huán)狀間隙中，與內(nèi)管中的泥漿形成逆流，同時(shí)制冷泥漿，然后返回載冷劑箱中經(jīng)過(guò)制冷機(jī)組重新降溫反復(fù)循環(huán)。套管型熱交換器的長(zhǎng)度可以隨著系統(tǒng)參數(shù)的不同而

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調(diào)整。制冷液輸送泵采用能耐-5℃低溫的泵。泥漿泵可以從被經(jīng)過(guò)制冷的泥漿池中抽出進(jìn)入井中進(jìn)行循環(huán)。

（3）電子檢測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)檢測(cè)制冷后的載冷劑溫度、載冷劑入口溫度、載冷劑出口溫度、泥漿入口溫度、泥漿出口溫度、泥漿池溫度、進(jìn)入水龍頭時(shí)泥漿溫度，我們可以控制制冷機(jī)組的開關(guān)，或調(diào)整載冷劑的流量等措施來(lái)控制泥漿的制冷過(guò)程。

第二節(jié)內(nèi)管壓力影響及分析

發(fā)生卡堵時(shí)，循環(huán)的內(nèi)管的四周會(huì)出現(xiàn)結(jié)凍現(xiàn)象，并且隨著循環(huán)時(shí)間的延長(zhǎng)這樣的狀況會(huì)更加顯著。內(nèi)管周圍管壁結(jié)凍帶來(lái)的影響有以下幾方面：

（1）當(dāng)泥漿中伴有冰凍物等固體的出現(xiàn)致使泥漿粘度變大，由達(dá)西公式：

Lv264Lv2hf==（2-1）

d2gRed2g可知，當(dāng)管路發(fā)生堵塞時(shí)，內(nèi)管直徑d由于附著有凍結(jié)物而變小，這樣沿程阻力hf將增大。

（2）泥漿雜有冰凍物等固體將很容易引起管路堵塞。對(duì)于內(nèi)管而言當(dāng)泥漿循環(huán)時(shí)管內(nèi)受到的應(yīng)力可用下列公式表示：

=FxpD=（2-2）2l2其中式中：p-大氣壓強(qiáng)D-內(nèi)管直徑-管壁壁厚

當(dāng)管路發(fā)生堵塞時(shí)，內(nèi)管直徑D由于附著有凍結(jié)物而變化。循環(huán)

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系統(tǒng)內(nèi)管壓力也會(huì)隨著變化。

為了解決循環(huán)系統(tǒng)結(jié)凍或者堵塞問(wèn)題，可以設(shè)計(jì)一種以壓力變化作為信息反饋的輸入端。將壓力的變化作為輸入量，通過(guò)一寫特定的操作或轉(zhuǎn)化將壓力信息轉(zhuǎn)變?yōu)楦�容易識(shí)別與控制的電流、電壓、數(shù)字模擬信號(hào)作為反饋的輸出端來(lái)控制冷卻劑輸送泵運(yùn)轉(zhuǎn)、停止的操作信號(hào)�？梢允褂脡毫�傳感器與繼電器初步實(shí)現(xiàn)這一功能。

在設(shè)計(jì)前需用仿真模擬軟件分析和模擬泥漿在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)管循環(huán)時(shí)的壓力分布特性，從而確定設(shè)計(jì)的可行性與合理性。圖2-4、2-5分別為用Fluent流體模擬軟件做出的泥漿在循環(huán)系統(tǒng)

管路中壓力分布云圖和曲線圖。

圖2-4發(fā)生卡堵時(shí)管路內(nèi)泥漿壓力分布云圖

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圖2-5發(fā)生卡堵時(shí)管路內(nèi)泥漿壓力分布曲線圖

結(jié)論：仿真模擬管內(nèi)壓力分布云圖和曲線圖可以得出管內(nèi)壓力分布極不均勻。首先，在管的徑向分布是中間部分壓力較高，邊緣較低，這樣不利于壓力的測(cè)量及后續(xù)的反饋控制。因此不是很適合于用壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)、反饋、控制。

第3節(jié)內(nèi)管溫度影響及分析

發(fā)生卡堵時(shí)，循環(huán)的內(nèi)管的四周會(huì)出現(xiàn)結(jié)凍現(xiàn)象，并且隨著循環(huán)時(shí)間的延長(zhǎng)這樣的狀況會(huì)更加顯著。內(nèi)管周圍管壁結(jié)凍帶來(lái)的影響有以下幾方面：

（1）泥漿中伴有冰凍物等固體的出現(xiàn)致使泥漿粘度變大。粘度變大必將使泥漿與內(nèi)管之間的流動(dòng)阻力增大，阻力增大將導(dǎo)致泥漿的流動(dòng)速度發(fā)生變化。這樣將使冷卻劑與泥漿之間的換熱效率發(fā)生變化，從而影響泥漿的冷卻效果致使泥漿的溫度發(fā)生變化。

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