可燃冰的成功开采，制冷系统功不可没

5月18日，国土资源部宣布，我国正在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采获得成功， 这标志着我国成为了全球第一个实现在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。

截至6月10日，我国在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采已连续开采31日天，成为全球海域可燃冰试开采连续产气时间最长的国家。

作为暖通工程师我们应该感到骄傲，  

正是因为我国采用了新型泥浆制冷技术，

才使得可燃冰的开采能够顺利进行。

 

可燃冰开采平台

可燃冰的开采方式

可燃冰是甲烷水合物，在低温、高压环境下以固态形式存在，当温度升高或压力降低时，很容易气化为甲烷气体。

在可燃冰开采的钻进过程中，钻头切削岩石，钻杆和井壁之间的摩擦都会产生热量，而且，随着钻井深度的增加，地温梯度也会上升，同样会导致孔内温度的升高。

因此，无论泥浆的初始温度有多低，随着钻进过程的进行，泥浆的温度都会慢慢上升。在水合物钻探过程中，因为其特殊的存在条件(低温，高压) ，泥浆温度的升高会导致天然气水合物分解为水和气体(主要是甲烷) ，从而使取心失败。

更糟糕的是，如果无法控制分解出来的气体，周围的环境就会遭到破坏，而且还会使地下出现空洞，导致地面沉降。降温能够加强天然气水合物的稳定性。在这种情况下，天然气水合物钻探对低温泥浆的需求就更加迫切。

与国际上通用的“被动式保压保温取样”钻探原理不同，我国首次采用了“主动式降温冷冻取样”方法。

泥浆制冷系统拥有4个换热器，并形成1个氟利昂闭式循环圈，2个载冷剂开放式循环圈和1个泥浆开放式循环圈，通过三级制冷原理达到稳定强制制冷泥浆的效果，保证可燃冰在开采过程中不被气化，从而使得我国可燃冰的开采成为可能。

钻井液制冷系统  

 

泥浆制冷系统原理

钻井液制冷系统结构如下图所示，这种新型的泥浆制冷系统是由制冷剂循环部分、泥浆冷却部分和温度监测部分组成的。

其中: 制冷剂循环部分包括制冷机组、机组循环泵和制冷剂箱; 泥浆冷却部分包括载冷循环泵，同轴双管换热器和泥浆循环泵; 温度监测部分包括温度传感器和无纸记录仪。

首先，调定制冷机组的工作温度范围(由所需的泥浆温度和环境温度确定)，制冷机组将制冷剂的温度降到设定的温度范围内; 然后，制冷剂和泥浆由循环泵同时泵送入同轴套管式换热器内，二者在同轴管内逆流换热，泥浆就会被制冷。

同时，温度监测系统检测一些关键点的温度，通过调整制冷机组的工作温度范围来满足不同的制冷需求。


 

钻井液制冷系统结构

在试验过程中，研究人员记录了钻探深度地温与泥浆进、出口温度，如下图所示：


 

地温与泥浆进、出口温度

图中，T1为泥浆出口温度；T2为泥浆进口温度。从图中可以看出，地温随着钻探深度不断上升，而泥浆进、出口温度均控制在了一个较低的温度水平。

可燃冰开采成功的意义

有学者认为，可燃冰的成功试采意味着中国在开采“可燃冰”上占据了领先位置。它将会是继美国引领“页岩气革命”之后的，由中国引领的新一轮“天然气水合物革命”，将推动整个世界能源利用格局的改变。可燃冰的开采对冷却系统的要求相当苛刻，这对我们暖通工程师是个不小的挑战。

但我们也该意识到，它同时也是一个很好的机遇，当可燃冰开采技术趋于成熟，钻探平台泥浆制冷设备将会是一个巨大的市场。如果能够开发出可靠、高效的泥浆制冷设备，必将在即将到来的激烈竞争中占据先机。