基于旋转黏度计低温测试装置的制冷效果研究

李进，赵建刚，陈延滨，程婧格，赵锴，刘俊良

基于旋转黏度计低温测试装置的制冷效果研究

李进，赵建刚，陈延滨，程婧格，赵锴，刘俊良

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

作者研制了一种简单实用低温测试装置并完成了该装置的制冷效果分析。该装置选用电热制冷，能够与旋转黏度计配合使用。通过实验发现，加入隔热系统与风导流系统，能够有效地缩短制冷时间，达到更低的制冷温度。

钻井液；黏度计；低温；制冷；研究

1 前言

随着油气资源的进一步勘探开发，常规油气资源已日渐匮乏。深海、极地、高原以及永冻层成为了现在的热点开发区域，我国深海区与青藏高原等地蕴藏着丰富的油气资源，亟待开发利用，在该类地区钻井温度低，对钻井液要求更加的苛刻。低温环境下，钻井液黏度升高，循环压耗增大，液柱压力升高，使井控更加困难，在静置时易出现胶凝现象，给深水钻井带来极大困难[1-2]。国内专业的低温钻井液测试设备种类少，实际测试效果较差，很难反映低温条件下的钻井液性能，严重的制约了钻井液技术的发展，如何将制冷技术与钻井液性能测试技术紧密的联系在一起是研究的重点。目前市场上制冷技术较多，实际所采用的制冷方法也各有区别。常规的利用制冷剂(氟利昂、氨[3]等)制冷，一般设备体积较大，主要用于工业制冷；也有通过磁体来进行制冷，利用磁工质的磁热效应，在磁化时向外界放热，退磁时从外界吸热从而达到制冷的目的[4]，该技术成本较高，不太适合民用；电热制冷是利用半导体材料来进行制冷[5]，该技术具有体积小，经济环保的特点。为了能够测试了解低温条件下的钻井液性能，本所研制了一种能够方便快速为钻井液降温实验装置，该装置采用电热制冷技术，能与旋转黏度计配套使用，用于直接测试钻井液低温条件下的流变性能。

2 低温制冷装置简介

低温制冷装置目前在六速黏度计上广泛应用[6-8]，从市场上的低温测试装置来看，制冷效果好坏不一，降温速率差距大，控温效果也不理想，实际设备的价格也相对较为昂贵。低温测试装置主要由箱体、制冷系统、加热系统、空气循环系统以及控制系统组成，见图1和图2。本所研制的制冷装置，具有简单实用，方便快速的特点。该装置能够直接对所测试的钻井液进行降温，达到所需的温度后通过上部的六速旋转黏度计能够轻松测试出钻井液的流变性能，实际操作简单，测试结果可靠。

图1 低温测试装置在旋转黏度计上的测试原理图

图2 低温测试装置实物图

3 制冷效果分析

该装置的关键技术在于制冷系统，基于电热制冷小巧环保，经济适用的特点，该装置采用了电热制冷的方式。选用半导体制冷片，因为制冷片分为两面，一面吸热，一面散热，只是起到导热作用，本身不会制冷，所以热传导速率对制冷效果至关重要。要达到更好的效果，从热力学角度来讲，要尽可能减少两侧温差来提高效率。如图3所示，即降低发热端的温度来提高制冷效果，通过在发热端加装散热片对制冷效果具有很大的影响。

图3 低温测试装置加装散热片原理图

实验选取常规钻井液基浆(3%膨润土+0.1% Na2CO3)，采用该冷凝装置选用两种不同类型的散热片来测试基浆温度的变化，从而研究实际散热片对于制冷效果的影响。具体实验结果见图4和图5，从实验结果可以看出，选用密齿散热片对于冷凝效果有了较大的提升，降温时间更短，能够达到的温度更低。

图4 加装散热片实际制冷效果图

图5 加装密齿散热片实际制冷效果图

良好的通风与导热，能够很好的提升制冷效果，通过加入风导流系统，尽可能的将钻井液的热量带出；在杯子四周加入隔热板与隔热棉能够使杯体温度保持恒定，原理图见下图6。

图6 低温制冷装置加装风扇与隔热片原理图

实验选取常规钻井液基浆(3%膨润土+0.1% Na2CO3)，来测试基浆温度的变化，实际测试数据见图7。通过实验结果可以明显看出，加入导流与隔热后，制冷效果明显加强，降温更加迅速，而且达到的温度更低，能够很好的满足现阶段各类钻井液低温测试的需求。

图7 加导流与隔热板实际制冷效果图

4 结论

(1)本所研制的低温制冷装置能够很好的与旋转黏度计配合使用，具有简单方便的测试钻井液性能的功能。

(2)通过实验研究可以看出通过加入散热片、隔热板与风导流系统，能够很好地提升制冷效果，有效地缩短了实验测试时间。

(3)电热制冷效率偏低，制冷时间相对较长，如何进一步缩短制冷时间是下一步的工作重点。

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[2] 徐加放,邱正松,毕波,等.深水水基钻井液的配方优选与性能评价[J].钻井液与完井液,2011,28(4):4-7.

[3] 杨一凡. 氨制冷技术的应用现状及发展趋势[J]. 制冷学报, 2007, 28(4):12-19.

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2016-01-09

李进(1990-)，男，北京延庆人，北京探矿工程研究所助理工程师，械设计制造及其自动化专业，主要从事钻探仪器的研发、售后服务工作，北京市海淀区学院路29号探工楼102室，Tel：010-82321596。

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