具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种利用钻井液实现井筒降温与热能利用相结合的方法，过程包括：

将复合相变蓄热材料与钻井液配制成具有蓄热能力的蓄热复合钻井液。

若所用复合相变蓄热材料具有强腐蚀性、有毒性等危害或者复合相变蓄热材料的成分与钻井液其他成分发生化学反应，则用微胶囊封装使用。

如图1所述，上述配制的蓄热复合钻井液从钻杆内流入，从喷射式钻头流出到达井底，携带岩屑通过环空返回地面，经振动筛、除砂器、除泥器、离心机等分离出岩屑颗粒后进入换热器，换热器降低蓄热复合钻井液的温度使复合相变材料达到其凝固点，凝固后再循环利用，放出的热量被冷却水所吸收，该冷却水可作为日常生活用热水。

如图2所示，蓄热复合钻井液通过钻杆内时，随着地层深度逐渐加大，井筒内的温度和压力也逐渐增加，达到相变温度T₁时，温度继续增加，此时如图的右箭头方向所示，复合相变材料由固相转变为液相，复合相变材料开始相变蓄热，吸收来自地层传递的能量，降低井下井筒温度。当温度降到T₂时，复合相变材料由液相变为固相，如图的左箭头所示，此时复合相变材料放出热量，放出的热量被换热器的冷却水所吸收。

换热器的冷却水加热后于蓄水箱储存，可供给钻井井场作为日常生活热水使用。

所述复合相变蓄热材料的相变形式优选固—液的相变材料，相变潜热大、腐蚀性小或者无腐蚀性、无毒无挥发性，相态能凝固为固态，便于回收利用。

进一步地，所述微胶囊是一种用成膜材料将固体、液体或者气体包覆形成的微小粒子，由芯材与壁材构成，具有优良的物理特性、比面积大、储热效率高，而且解决了相变材料本身的腐蚀、相分离等问题。

蓄热复合钻井液返回地面，经振动筛、除砂器、除泥器、离心机等分离出岩屑颗粒时，由于使用的微胶囊足够小，所以不足以和岩屑一同分离出去，而是和钻井液一同进入换热器。

由于井下井筒温度超过150℃，钻探技术存在一些致命的缺陷，为了使井下井筒温度不超过150℃，复合相变蓄热材料的相变温度的范围在100～300℃，即中温相变材料(中温PCM)。复合相变材料具有多种单一材料的性质，且具有潜热大和热导率高等优异性能，所以使用的材料优选中温复合相变蓄热材料。

由吉布斯相律可知，自由度对于二元系统，相律简化为在单项区内，F＝3，温度、压力和成分可以独立地变化。在两相区内，F＝2，可选择或者是温度和压力，或者是温度(或压力)和一个相的成分作为独立变数。优选的复合相变蓄热材料属于二元系统，在两相区内，以温度和相的成分作为独立变数，当一个变数确定之后，另一个变数也就确定了。所以当复合相变蓄热材料的各组分的摩尔比确定之后，相变温度也就随之确定。简而言之，复合相变蓄热材料的相变温度是由各组分的摩尔比确定。

作为优选，选择两种复合相变蓄热材料作为示例，分别是(NaNO₃-NaNO₂)/MgO和NaOH/KOH。

(NaNO₃-NaNO₂)/MgO是一种复合中温储热砖体系，相变温度150～450℃，蓄热量(447±2)kJ/kg，腐蚀性小；NaOH/KOH的相变温度145～318℃，相变潜热231kJ/kg，比热容1.308kJ/(kg·℃)，具有腐蚀性。

具有相变蓄热的钻井液的制备过程如下所述：

由于(NaNO₃-NaNO₂)/MgO无毒、无挥发、腐蚀性小，可作为钻井液处理剂与钻井液混合配制，钻井液中其他成分没有与NaNO₃-NaNO₂发生化学反应的物质，没有与MgO发生化学反应的物质，(NaNO₃-NaNO₂)/MgO的相变温度由井下井筒某点温度确定，根据(NaNO₃-NaNO₂)与MgO的不同摩尔比具体配制，配制的钻井液需要满足钻井液的功能、性质。

由于NaOH/KOH具有腐蚀性，不可与钻井液混合配制，否则会腐蚀金属钻杆等工具、设备，用微胶囊封装使用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

降温显著且能把钻井过程中钻井液携带的热能进行利用；复合相变蓄热材料的相变温度是可确定的、可调配的；不改变钻井工具结构及性能；操作简单，实用性强。

图3为不同NaOH质量分数对应的相变温度的折线图，可以直观看出当NaOH质量分数大于23.4％时，随着NaOH质量分数增大，相变温度也随之增大，可逐渐增加NaOH的量达到增加相变温度。

图4为井下温度与比热的关系图，从图可以看出，利用本技术所述的复合相变蓄热材料可使钻井液的比热增加50％，使井下温度降低30℃左右。

图5为一定压力下，摩尔比为1:1的NaOH/KOH混合物凝固曲线图，由图可以看出，随着时间的变化，1:1的NaOH/KOH混合物达到184.2℃的相变温度，混合物开始蓄热且由固体变为液体，直到151.2℃，混合物开始放热凝固，由液体变为固体，到达84.1℃时，混合物存在固到固的相变。所以NaOH/KOH二元体系的放热过程包括固-液相变和固-固相变过程。若所用复合相变蓄热材料没有用微胶囊封装，则可根据凝固曲线通过换热器进行降温，凝固后回收复合相变蓄热材料，循环利用复合相变蓄热材料。

表1为NaOH与KOH不同摩尔比的相变温度，如表1所示，可以根据两者不同用量确定相变温度，二者的用量比由井下井筒温度决定。

表1 NaOH与KOH不同摩尔比的相变温度表

本发明原理：一种利用钻井液实现井筒降温与热能利用相结合的方法，主要是利用复合相变蓄热材料与钻井液配制成蓄热复合钻井液；蓄热复合钻井液通过钻杆内时，达到相变温度开始蓄热，吸收来自地层传递的能量，从而达到降低井筒温度的目的。在地面处还能把钻井过程中钻井液携带的热能进行利用，做到钻进和热能利用同时进行。复合相变蓄热材料优选是根据相变温度、蓄热量、无毒性、无挥发性、无腐蚀性和不与钻井液发生反应等选取，重要的是复合相变蓄热材料的相变温度是根据由各组分的摩尔比确定。该方法的好处在于，降温显著且能把钻井过程中钻井液携带的热能进行利用；复合相变蓄热材料的相变温度是可确定的、可调配的；不改变钻井工具结构及性能；操作简单，实用性强。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的两种复合相变蓄热材料是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的方法启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。