光管式与螺纹管式泥浆制冷换热器的对比分析研究

２０１３年第４０卷第２期　探矿工程（岩土钻掘工程）　７　光管式与螺纹管式泥浆制冷换热器的对比分析研究　刘卫卫，孙友宏，郭　威，李　冰，李卓明　（吉林大学建设工程学院，吉林长春１３００２６）　摘要：介绍了泥浆制冷系统及同轴套管式换热器的结构与工作原理，采用传热计算和传热数值模拟分析方法，对　光管式换热器与螺纹管式换热器从传热系数和换热面积进行对比分析研究。对比分析结果表明，在满足水合物钻　探取样的条件下，螺纹管式换热器可增大换热面积，从而使螺纹管式换热器的体积和质量较光管式换热器可减少　５０％一６０％，在相同规格条件下，螺纹管式换热器的换热效率大约是光管式换热器的２～３倍。　关键词：泥浆制冷系统；换热器；光管；螺纹管；数值模拟　中图分类号：Ｐ６３４．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—７４２８（２０１３）０２—００７—０５　Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｌｉｇｈｔ　Ｐｉｐｅ　ａｎｄ　Ｔｈｒｅａｄｅｄ　Ｐｉｐｅ　Ｔｙｐｅ　Ｈｅａｔ　Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ｏｆ　Ｍｕｄ　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａ－　ｔｉｏｎ／Ｌ／Ｕ　Ｗｅｉ—ｗｅｉ，ＳＵＮ　Ｙｏｕ—ｈｏｎｇ，ＧＵＯ　Ｗｅｉ，ＬＩ　Ｂｉｎｇ，ＬＩ　Ｚｈｕｏ—ｍｉｎｇ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒ—　ｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｊｉｌｉｎ　１　３００２６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｍｕｄ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｃｏａｘｉａｌ　ｐｉｐｅ　ｈｅａｔ　ｅｘ—　ｃｈａｎｇｅｒ．Ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎａｌｙｓｉｓ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ｏｎ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔ　ｐｉｐｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｒｅａｄ　ｔｕｂｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅａｄｅｄ　ｐｉｐｅ　ｔｙｐｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ｃａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ａｒｅａ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｔｅｓ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｃｏｎｄｉ—　ｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ，ＳＯ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ａｎｄ　ｗｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｒｅａｄｅｄ　ｐｉｐｅ　ｔｙｐｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　５０％～６０％ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔ　ｔｕｂｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ．Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｒｅａｄｅｄ　ｐｉｐｅ　ｔｙｐｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ｉｓ　ａｂｏｕｔ　２～３　ｔｉｍｅｓ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔ　ｔｕｂｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｕｄ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ｌｉｇｈｔ　ｐｉｐｅ；ｔｈｒｅａｄｅｄ　ｐｉｐｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　０　引言　在天然气水合物钻探取样中，由于水合物特殊　低温高压赋存状态，对钻井液循环温度也必须严格　控制，抑制水合物在钻进过程中发生分解。如果钻　井液循环温度高于水合物温度引起水合物分解，不　仅会导致无法钻获水合物，还会引起大量气体分解，　使井径扩大，套管被压扁，井口装置或防喷器失去承　载能力而发生倾斜，有可能导致井喷及井塌事故。　斯加北坡永冻层天然气水合物钻探中采用的是美国　ＤｒｉＵＣｏｏｌ公司研制的泥浆冷却装置，采用的是一种　螺旋板式换热器的泥浆制冷器，泥浆被冷却至一２　ｃＩＣ。我国在冻土带天然气水合物钻探中所采用的是　由吉林大学研制的泥浆制冷系统，特别适用于高原　恶劣环境，能够将泥浆动态的维持在低温范围内，该　套泥浆制冷系统采用的是光管式同轴套管式换热　器　而且，分解后的气体可能破坏周围环境，有时地层还　会出现溶洞，使天然气水合物地层下沉，出现地基沉　降事故。因此，在冻土层天然气水合物钻探取样中，　必须要使用泥浆制冷系统动态制冷泥浆，保证钻井　泥浆温度始终保持在０　ｏＣ以下或０　ｏＣ左右的低温状　态。　１　泥浆制冷系统结构与工作原理　天然气水合物钻井泥浆制冷系统主要由载冷剂　制冷部分、泥浆制冷部分和温度监测部分组成。系　统结构组成如图１所示。　首先通过制冷机组制冷载冷剂，然后载冷剂输　加拿大马更些三角洲永冻层天然气水合物钻探　取样和试采工程中，使用的泥浆冷却装置是一种平　板式的换热器，将泥浆冷却至一１～２℃。美国阿拉　收稿日期：２０１２—０９—２７　送泵将载冷剂从载冷剂箱输送至光管式同轴套管式　换热器，同时，冲洗液输送泵将泥浆池内的冲洗液也　输送至同轴套管式换热器，二者在换热器内通过逆　基金项目：中国地质调查局项目（ＧＺＨＬ２０１１０３２０）、（ＧＺＨＬ２０１１０３２６）；大学生创新实验计划（２０１２Ｂ６３１８３）　作者简介：刘卫卫（１９８７一），男（汉族），江苏淮安人，吉林大学建设工程学院硕士研究生，地质工程专业，研究方向为天然气水合物钻采技　术，吉林省长春市西民主大街６号，１ｗｗ８１０＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｎ；孙友宏（１９６５一），男（汉族），江苏如皋人，吉林大学建设工程学院院长、教授，博士生　导师，地质工程专业，从事地质工程和新能源勘探开发的教学与科研工作，ｓｙｈ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ａｌｌ；郭威（１９７９一），男（汉族），吉林公主岭人，吉林大学　建设工程学院副教授，地质工程专业，博士，主要从事天然气水合物钻采技术研究，ｇｕｏｗｅｉ６９８１＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。　２０１３年第４０卷第２期　探矿工程（岩土钻掘工程）　９　图４螺纹管结构不慝图　大换热量Ｑ，最有效的办法是增强传热系数　和增　大传热面积Ａ。　２．１．１传热量的计算　Ｑ＝Ｑｌ＝ｃｌｐ１　Ｇ１（ｔ１２一ｔ１　）　（２）　式中：Ｑ——换热量，ｋＷ；Ｑ　——泥浆换热量，ｋｗ；　Ｃ　——泥浆比热，ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）；ｐ　——泥浆密度，ｋｇ／　ｍ　；ｔｌｌ——泥浆在换热器进口温度，℃；ｔｊ２——泥浆　在换热器出口温度，ｏＣ。　２．１．２平均温度差△　的计算　＝　考　㈩　式中：ｔ　。——载冷剂乙二醇水溶液在换热器进口的　温度，℃；　——载冷剂乙二醇水溶液在换热器出口　的温度，℃。　２．１．３传热系数Ｋ的计算　雷诺数计算公式：　Ｒ　＝ｐｄｖ／ｇ　（４）　式中：ｐ——密度，ｋｇ／ｍ　；ｄ——管径，对于乙二醇水　溶液所对应的直径为当量管直径，ｍｍ；　——流速，　ｍ／ｓ；　——动力粘度，ｍＰａ・Ｓ。　威热斯实验关联式：　Ⅳ　：０．０６７３（Ｒ　）　（Ｐ　）　（　）Ｖ　（５）　式中：Ｐ　——普朗特数。　换热系数公式：　Ｏｔ＝ＮｏＡ／ｄ　（６）　式中：Ａ——内管导热系数，Ｗ／（ｉｎ・Ｋ）。　传热系数经验公式：　１　＋　・Ｄｏ＝　＂。＋　。　　ｏ＋ｒ－・＂ｉ。　　＋　１＋　・。一一Ｄｉ（７）ｌ／　　式中：　——载冷剂乙二醇水溶液对内管壁对流换　热器系数，ｗ／（ｍ　・Ｋ）；／＇ｏ——管外壁污垢系数，取　ｒ　＝０．０００１　ｍ　・Ｋ／ｗ；艿——管壁厚度，ｍｍ；Ｄ　——　内管外径，ｍｍ；Ｄ　——内管的平均直径，ｍｍ；Ｆｉ——　管内壁污垢系数，取　＝０．０００４　ｍ。・Ｋ／ｗ；ｏｚ】——　泥浆对内管壁对流换热器系数，Ｗ／（ｍ　・Ｋ）；　Ｄ　——内管内径，ｈｉｍ。　由式（４）～（７）可得传热系数　与载冷剂流量　Ｇ：的关系式：　１　１　＋　Ｋ　（Ｐ）－￣（　ｌ＇Ｚ２）＋（ｐ　ｚｄ　２　ｒ２Ｄｏｒｎ＋　＋　‘～・～Ｄ＋ｒ－・¨ｉ‘　　ｏ＋　ｍ　１　Ｄ。　ｃＰｒ，　（８）　假设工况条件：　泥浆流量１６０　Ｌ／ｍｉｎ，进口温度０　ｃＩ＝，出口温度　一２℃；载冷剂乙二醇水溶液进口温度一１５　ｃＣ。泥　浆和乙二醇的性能参数见表１。　表１　两种流体物理性能参数　运动粘度动力粘度导热系数Ａ　比热ｃ　密度　性能参数∥（ｘｌＯ　（ｍＰａ・／［ｗ－ｍ・／［ｋｌ・（ｋｇ・ｐ／（ｋｇ・　ｍ２・ｓ　）　ｓ）　Ｋ）一］　Ｋ）一］　ｍ。）　泥浆　１０．７３　１２．４２　０．５５　３．７０６　１１５７．７　乙二醇水溶　７．２３　７．５１　０．４６４　３．６２　１０３８　液（一１５℃）　在该工况条件下，在换热量一定时，以式（８）为　依据，比较相同规格组合的光滑套管式换热器与螺　纹套管式换热器的传热系数Ｋ随载冷剂流量变化　的趋势（如图５所示）。　图５传热系数随载冷剂流量增加变化曲线对比图　由图５可以看出，螺纹管传热系数随载冷剂流　量的增加变化幅度很小；光滑管在载冷剂流量从３　１Ｔ１　／ｈ增加到６　ｉｎ　／ｈ，传热系数增长较快，之后随着　载冷剂流量的增加，传热系数增长率明显下降。　因为螺纹管在较低的载冷剂流量下就达到了紊　流状态，环隙载冷剂对流换热系数相对于内管泥浆　对流换热系数很大，若再增加载冷剂流量提高载冷　剂换热系数，对传热系数影响很小，所以该螺纹管随　２０１３年第４０卷第２期　探矿工程（岩土钻掘工程）　ｍａｆｒｏｓｔ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｃ　Ｊ．１９９０．２７１—２８２．　在有效传热长度为１　ｍ时的换热器泥浆出口的温度　变化规律，在１　ｍ内，螺纹管结构式换热器能够使泥　浆温度降低０．１５５　ｏＣ，光滑管型换热器仅能使泥浆　温度降低０．０４８℃。　［３］　Ｔ．Ｏｈａｒａ，Ｓ．Ｒ．Ｄａｌｌｉｍｏｒｅ，Ｅ．Ｆｅｒｅｈｏ．ＪＡＰＥＸ／ＪＮＯＣ／ＧＳＣ　ＭＡＬＬＩＫ　２Ｌ一３８　Ｇａｓ　Ｈｙｄｒａｔｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｗｅｌｌ，Ｍａｃｋｅｎｚｉｅ　Ｄｅｌｔａ，　Ｎ．Ｗ．Ｔ．：Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｆｉｅｌｄ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ『Ａ］．ＳＰＥ／ＣＥＲＩ　Ｇａｓ　通过对数值模拟的速度云图、温度云图及泥浆温　度随换热长度变化曲线的分析可得出：光管内泥浆轴　向和径向速度分布均匀，边界层较厚；而螺纹管的分　布不均，边界层薄，湍流强度大，换热系数大。螺纹管　的泥浆有沿水平方向的速度，说明有一部分泥浆是沿　着槽螺旋运动，增大换热长度，换热系数提高。螺纹　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ［Ｃ］．Ｃａｌｇａｒｙ，Ａｌｂｅｒｔａ，Ｃａｎａｄａ：２０００．　［４］　张金昌．天然气水合物勘探开发：从马利克走向未来——加拿　大北极地区天然气水合物勘探开发情况综述［Ｊ］．地质通报，　２００５，２４（７）：４—７．　［５］　Ａｌｉ　Ｇ．Ｋａｄａｓｔｅｒ，Ｋｅｉｔｈ　Ｋ．Ｍｉｌｌｈｅｉｍ，Ｔｏｍｍｙ　Ｗ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ．Ｔｈｅ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｈｏｔ　Ｉｃｅ＃１一Ｇａｓ　Ｈｙｄｒａｔｅ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　Ｗｅｌｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ａｌａｓｋａｎ　Ａｒｃｔｉｃ［Ａ］．ＩＡＤＣ／ＳＰＥ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　［ｃ］．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ：２００５．　［６］　Ｒｏｂｅｒｔ　Ｂ．Ｈｕｎｔｅｒ，Ｓｃｏｔｔ　Ａ．Ｄｉｇｅｒｔ，Ｒａｙ　Ｂｏｓｗｅｌｌ，ｅｔａ１．Ａｌａｓｋａ　Ｇａｓ　Ｈｙｄｒａｔｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｅ　Ｔｅｓｔ　Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　Ｒｅｓｕｌｔｓ　管结构式换热器在１　ｍ内可实现泥浆温度降低０．１５５　℃，而光管结构的换热器仅降低了０．０４８℃，螺纹管　［Ｚ］．２００８．　张正端，邵洪福．换热器及计算基础知识［Ｍ］．北京：化学工业　出版社，１９８０．　靳明聪，程尚模，赵永湘．换热器［Ｍ］．重庆：重庆大学出版社，　１９９０．　的效率为光管的３．２３倍，这与理论计算中，在同一换　热量下螺纹管的管长为光管管长的１／３基本吻合。　ｒ；ｌ卜　引　程林，杨培毅，陆煜．换热器运行导论［Ｍ］．北京：石油工业出　ｍ　¨　Ｈ　＂　版社，１９９５．　］ｊ］ｊ］ｊ　ｒ｝ｒ｝ｒ｝　４　结论　Ｂ．Ｍ．拉默．换热器［Ｍ］．刘桁烈，等译．北京：商务印书馆，　１９５６．　（１）通过理论分析，螺纹管式泥浆制冷换热器　通过增大换热面积，提高传热系数，进一步增强了制　冷效率。　朱聘冠．换热器原理及计算［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９８７．　兰州石油机械研究所．换热器（中册）［Ｍ］．北京：烃加工出版　社，１９８８．　（２）在满足水合物钻探取样要求条件下，螺纹管　式换热器的体积和质量较光管可减少５０％～６０％。　兰州石油机械研究所．换热器（下册）［Ｍ］．北京：烃加工出版　社．１９９０．　柯如柏．套管式换热器的强化分析［Ｊ］．化学工程师，１９８８：２０　（３）通过数值模拟结果分析，在相同规格条件　下，螺纹管式换热器的换热效率约是光管的２～３倍。　参考文献：　［１］蒋国盛，王达，汤凤林，等．天然气水合物的勘探与开发［Ｍ］．　湖北武汉：中国地质大学出版社，２００２．６６—６７．　［２］Ｊ．Ｐ．ＲＵＦＦＥＬＬ，Ｔ．Ｒ．ＭＵＰＲＨＹ，Ｃ．Ａ．ＧＲＡＨＡＭ．Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　５００ｍ　Ｃｏｒｅｈｏｌｅ　Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｏｆｆｓｈｏｒｅ　Ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ［Ａ］．　ＰＥＲＭＡＦＲＯＳＴ——ＣＡＮＡＤＡ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆｉｆｔｈ　Ｃａｎａｄｉａｎ　Ｐｅｒ．．　２３．　彭洁．螺旋槽管换热过程的三维数值模拟［Ｄ］．河北秦皇岛：　燕山大学，２００６．　王涛，程林．内管纵向敷肋时套管式换热器传热研究［Ｊ］．水　动力学研究与进展，１９９６，ｌ１（６）：７０７—７１１．　朱道义，孙红，吴洪特．套管换热器的强化效果试验研究［Ｊ］．　长江大学学报（自然科学版），２０１０，７（３）：１９７—２００．　杨世铭，陶文栓．传热学（第三版）［Ｍ］．北京：高等教育出版　社．１９９８．　汶川地震科学钻探二号孔钻探、测井、录井施工通过验收　中国地质调查局网站消息（２０１３一Ｏ１—３０）　２０１３年１　月２３日，汶川地震断裂带科学钻探项目二号孔（ＷＦＳＤ一２）　钻探、测井、录井施工验收会在中国地质科学院探矿工艺研　究所召开。　地质科学院探矿工艺研究所承担。二号孔位于都江堰市虹　口乡，目标层为映秀一北川断裂，该孔上部０—８９７．６６　ｍ由　北京市地质工程设计研究院承包钻探施工，下部孔段由陕西　省煤田地质局一八五队承担钻探劳务工作。该孔于２００９年　７月５日开钻，２０１２年４月５日完钻，２０１２年４月２９日完井，　完井周期１０２８．７天，完钻深度为２２８３．５６　ｍ，取心钻进进尺　按照会议议程安排，相关施工单位进行了工作汇报；与会　专家听取汇报后，通过审查资料、讨论、质询等形式对项目进　行了细致、认真的审查，一致认为：在钻探施工方面，ＷＦＳＤ一２　孔钻探取心工艺先进，为地学研究提供了优质的实物资料和　测试条件，技术指标和工程质量满足设计要求；测井施工主　要原始资料齐全，质量可靠，按时提交了测井解释报告，取得　了较好的解释成果，测井监督管理工作严格、到位，完成了合　同规定的各项测井任务；录井施工采用先进设备，原始资料　齐全、质量可靠，按时提交了录井日报、周报、月报等，及时提　１９０５．５３　ｍ（含侧钻重复取心进尺９．５４　ｍ和侧钻补心进尺　１０５．５１　ｍ），岩心长度１７３５．９６　ｍ，岩心采取率９１．１％，岩心原　状性好，较好地满足了地学研究的需要。　国土资源部科技与国际合作司、中国地质调查局、中国地　质大学（北京、武汉）、成都理工大学、中国地质科学院地质研　究所、中国地质科学院勘探技术研究所、北京探矿工程研究　所、中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所及中国地　交了异常预报，完成了录井施工服务任务，同意通过验收。　二号孔是“科学钻探与科学测井”课题内容之一，由中国　质科学院探矿工艺研究所等单位的专家３０余人出席了会议。