為了盡可能地清除鉆井液中的所有"有害固相"，目前已廣泛應(yīng)用振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、清潔器、除氣器、離心機(jī)等固控設(shè)備。

國(guó)外在多年研究的基礎(chǔ)上，近年來(lái)已在海上成功地使用了"綜合自控鉆井液系統(tǒng)"(Integrated automation for a mud system)。其實(shí)用性和可靠性均已得到海上作業(yè)者的認(rèn)可。這一自控系統(tǒng)包括：固控設(shè)備自控監(jiān)視器(Automated monitoring of solids control equipent)、鉆井液處理劑自動(dòng)加料器(Automated addition of mud chemicals)、主要鉆井液指標(biāo)連續(xù)監(jiān)視器(Continuous monitoring of key mud parameters)。三項(xiàng)主要部件均由中心監(jiān)視和綜合控制系統(tǒng)(Control monitoring and integrated process control)進(jìn)行調(diào)正、監(jiān)控、操作。

其功能：

1) 自動(dòng)控制各類固控設(shè)備的開(kāi)啟、運(yùn)轉(zhuǎn)，并自動(dòng)分析固相 含量的組份。

2) 自動(dòng)添加鉆井液藥品，自動(dòng)控制加藥速度(如在一個(gè)循環(huán)周內(nèi)加入定量的藥品)，并能自動(dòng)顯示出主要鉆井液性能的指標(biāo)。

3) 可及時(shí)提供壓井液，節(jié)省了為壓井而準(zhǔn)備的儲(chǔ)罐和鉆井液。這一綜合自控鉆井液系統(tǒng)的應(yīng)用不僅保證了鉆井液性能的平穩(wěn)、合格，也為海上作業(yè)特別是高溫高壓地區(qū)的海上作業(yè)提高了安全性。

1. 振動(dòng)篩

振動(dòng)篩使用的好壞直接影響下一級(jí)固控設(shè)備的效果。泵排量、篩網(wǎng)面積、固相濃度、鉆井液粘度等因素影響振動(dòng)篩網(wǎng)的選擇以及分離的效果。應(yīng)盡可能選擇使用細(xì)的篩網(wǎng)。性能先進(jìn)的振動(dòng)篩使用的...小篩網(wǎng)可達(dá)325目至460目。一般原則是以鉆井液覆蓋篩網(wǎng)面積的70～80為合適。除特殊情形外(如加入堵漏材料)，不允許返出鉆井液旁通振動(dòng)篩循環(huán)。

篩網(wǎng)的目數(shù)是指從鋼絲的中心算起在縱向或橫向上每一英寸內(nèi)的孔眼數(shù)。API對(duì)篩網(wǎng)的標(biāo)記方法是：縱向和橫向上的目數(shù)，縱向和橫向上的開(kāi)孔大小(微米) 以及開(kāi)孔面積的百分?jǐn)?shù)。例如：API80×80(178×178,32.4)這樣的標(biāo)記表示：篩網(wǎng)是正方形80×80目，縱、橫兩方向上的開(kāi)孔大小為178mm、開(kāi)孔面積為32.4%。

海洋鉆井常見(jiàn)的篩網(wǎng)標(biāo)記和代號(hào)解釋如下：

S 正方形目數(shù)篩網(wǎng)

B 長(zhǎng)方形目數(shù)篩網(wǎng)

BLS 雙層篩網(wǎng)

BXL 高強(qiáng)度篩網(wǎng)

注：以上代號(hào)的后面通常跟一個(gè)數(shù)字，代表篩網(wǎng)的目數(shù)。如S-80，既是"正方形80目篩"。BXL-200既是"200目篩"。而B(niǎo)是代表長(zhǎng)方形篩網(wǎng)，其數(shù)目是縱橫兩方向目數(shù)的和，如B-120代表80×40篩目。

SWG 三聯(lián)篩網(wǎng)，不可修復(fù)

PWP 可修復(fù)的，底板支撐的平面篩網(wǎng)

SCG 特殊高強(qiáng)度篩網(wǎng)

PMD 金字塔型篩網(wǎng)

DX 特細(xì)篩網(wǎng)

HP 長(zhǎng)方形孔高容量篩網(wǎng)

LMP 用于線性篩的穿孔底架篩網(wǎng)

2. 沉砂罐

沉砂罐或沉砂池為重力分離設(shè)備。罐底一般為45o斜坡以便排放和節(jié)省鉆井 液。鉆井液中的顆粒沉降速率遵循斯托克斯(Stoke's)定律：

V=20/9 ×ds2(ps-pm) ×g /M

式中：

V ______ 顆粒沉降速度，cm/s;

ds ______ 顆粒的直徑，cm;

ps、pm___ 分別為液相和固相密度，g/cm3;

m_______ 液相粘度，pa · s;

g_______ 重力加速度，cm/s2 。

3. 離心機(jī)分離裝置

離心機(jī)分離裝置包括水力旋流器(除砂器、除泥器、清潔器)和離心機(jī)。從斯托克斯定律中可看出，顆粒在液體中的沉降速度與重心加速度成正比，與固體顆粒直徑成正比，而與液體粘度成反比。離心機(jī)分離裝置通過(guò)提高定律中的加速度，從而提高固相顆粒的沉降速度。在固相設(shè)備的術(shù)語(yǔ)中, 常常提到"G"值, 它的物理意義是表示機(jī)器產(chǎn)生的離心加速度相當(dāng)于重力加速度的倍數(shù)。如G=6，表示固體顆粒在機(jī)器受到的力是自身總量的6倍。衡量振動(dòng)篩的高頻與否實(shí)際也是敘述它產(chǎn)生的G值大小。離心機(jī)分離裝置是目前鉆井現(xiàn)場(chǎng)固控系統(tǒng)的重要組成部分，它們將鉆井液固相分離成"粗重"和"輕細(xì)"兩部分，可根據(jù)需要廢棄其中一部分而回收另一部分。

(1) 除砂器和除泥器

這是一種內(nèi)部沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的圓錐筒形裝置。鉆井液由上部的切線口進(jìn)入，在一定的流速條件下，這一切向力使鉆井液在筒內(nèi)呈螺旋運(yùn)動(dòng)，像旋風(fēng)一樣，使大顆粒下沉，由底部排出，輕液由上部溢流口返回池中。一般把直徑為152.4~304.8mm(6~12英寸)的旋流器叫"除砂器"，把50.8~152.4mm(2~6英寸)的叫"除泥器"。為了滿足鉆井排量的要求，把4個(gè)、6個(gè)、8個(gè)、12個(gè)一齊組裝起來(lái)，它們的處理量 應(yīng)該是循環(huán)排量的125~150%。

旋流器的除固相能力以"分離點(diǎn)"表示，又叫"中分點(diǎn)"，或"分離效率百分?jǐn)?shù)"。其定義是指旋流器的分離效率為50%的固相顆粒的大小(以當(dāng)量直徑表示)。也就是該直徑的顆粒有50%從底流排出，而仍有50%保留在液體中。

一般情況下，旋流器的分離能力與旋流器的直徑有關(guān)。直徑愈大其分離的顆粒也越大。反之直徑愈小，其分離出的固相顆粒也愈小。如152.4~304.8mm(6~12英寸)的旋流器稱為"除砂器"，分離點(diǎn)約為40微米，把50.8~152.4mm(2~6英寸)的旋流器叫做"除泥器"，分離點(diǎn)約為15微米，均根據(jù)其分離能力而得名。有一種微型旋流器，其直徑只有50mm(2英寸)，分離效率達(dá)到7~5微米。

除砂器通常用于非加重鉆井液(也有專家建議在1.30~1.44g/cm3(SG)的加重鉆井液中使用，因?yàn)橹鼐蟛糠诸w粒在"泥"的范圍，在此密度范圍內(nèi)不會(huì)造成大量的重晶石損失)。在正常工作狀態(tài)下，其底流密度應(yīng)比進(jìn)口鉆井液密度高0.3~0.6g/cm3。還有一種判定方法，即如果進(jìn)口鉆井液的含砂量為6%左右，經(jīng)除砂器處理 后其溢流的含砂量應(yīng)為微量(<0.5%)。

除泥器用于非加重鉆井液。正常工作時(shí)，其底流的密度應(yīng)比進(jìn)口鉆井液密度高0.3~0.42g/cm3，且溢流的密度應(yīng)比進(jìn)口鉆井液密度稍低。

除砂器和除泥器的操作要點(diǎn)：

a. 傘狀排泄和串狀排泄的對(duì)比，要達(dá)到...好的固相清除，水力旋流器的底流口應(yīng)呈傘狀流，且伴有空氣從底流口吸入。傘狀流損耗的鉆井液與排出固體顆粒的表面積成正比。其清除的效率高而對(duì)內(nèi)壁和底流口的磨損輕。而串狀流表明鉆井液和固相顆粒在抵達(dá)流口之前就失去了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，底流口無(wú)空氣吸入，分離效率低，器壁和底流口磨損大，到達(dá)底流口較細(xì)的顆粒不從底流口而從溢流口排出。串狀排泄時(shí)底流的密度比傘狀底流的密度高。但不能以其密度來(lái)衡量旋流器清除固體的效率。應(yīng)從單位時(shí)間內(nèi)清除固體的重量來(lái)評(píng)價(jià)。

b. 旋流設(shè)備在一定的水壓頭下工作，而不是在一定的壓力下工作。一般要求有23~27m(75~90ft)的壓頭。工作壓力量是水壓頭乘上鉆井液密度。因此，鉆井液 密度越高，工作壓力應(yīng)越大。對(duì)于27m的水壓頭，壓力(MPa)=0.27×鉆井液密度。在通常情況下，離心泵要保持0.24~0.31MPa(35~45psi)的壓力。過(guò)大的壓力會(huì)加速 磨損且影響分離點(diǎn)。

c. 底流口有時(shí)會(huì)堵塞，可通過(guò)調(diào)節(jié)底流口或加以疏通。連續(xù)性的堵塞可能是前一級(jí)的固控裝置工作不好，導(dǎo)致固相含量過(guò)大。可事先調(diào)大底流口及提高前一級(jí)固控裝置的效率。

(2) 清潔器

清潔器由除泥器與細(xì)網(wǎng)振動(dòng)篩組成，篩網(wǎng)一般在140~200目(網(wǎng)孔104~74微米)之間，目的是回收部分通過(guò)旋流器排出的液體。

一般不建議清潔器用于非加重鉆井液。若在非加重鉆井液中使用清潔器，則可關(guān)掉振動(dòng)篩而讓旋流器的底流全部排掉。

(3) 離心機(jī)

是利用重力加速度原理而研制成功的另一種結(jié)構(gòu)的清除細(xì)顆粒固相的設(shè)備，與旋流器結(jié)構(gòu)主要不同之點(diǎn)在于旋流器是利用高速度液流來(lái)產(chǎn)生離心力使固相分離，而離心機(jī)是利用外殼旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生離心力，分離固相顆粒。通稱第三級(jí)固控。該裝置是一筒形離心機(jī)。它由一高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒和安裝在筒內(nèi)能將粗顆粒排出，把較細(xì)的顆粒留在液體中的一螺旋輸送器組成。

其大概流程是將欲處理的鉆井液經(jīng)空心軸內(nèi)的管子進(jìn)入進(jìn)料室，從進(jìn)料口進(jìn)入分離室后，鉆井液被拋向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，形成液圈并加速到與轉(zhuǎn)鼓相近似的速度,使固、液相分離。重的和粗的顆粒會(huì)進(jìn)一步甩向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁并沉降進(jìn)入沉降區(qū)，再通過(guò)輸送器的刮板將沉降的顆粒推向脫水區(qū)而從底流口排出。由于鉆井液在離心機(jī)內(nèi)有一個(gè)滯留的時(shí)間(約30~50秒)，顆粒受到離心機(jī)擠壓和過(guò)濾, 因此排出的鉆屑比較干，只帶少量的吸附水。

離心機(jī)的規(guī)格以鼓的長(zhǎng)度和...大直徑表示：有18×24英寸、14×22英寸、14×20英寸(直徑×長(zhǎng)度)等規(guī)格。離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓以1500~3500轉(zhuǎn)/分(r/min)旋轉(zhuǎn)。螺旋輸送器一般以1:80的速差和轉(zhuǎn)鼓同向旋轉(zhuǎn)。一般可清除2~3微米的固相顆粒。

在現(xiàn)場(chǎng)組合應(yīng)用時(shí)，一般是根據(jù)離心機(jī)的處理量大小、離心機(jī)"G"的大小、分離點(diǎn)的大小、轉(zhuǎn)速等分成了三種類型：

a. 重晶石回收離心機(jī)：這類離心機(jī)的轉(zhuǎn)速在1800r/min左右，"G"值在700左右。低密度固相分離點(diǎn)在6~10微米，高密度固相分離點(diǎn)在4~10微米。這種離心機(jī) 主要是將重晶石粉回收至鉆井液體系中，而將一些低固相顆粒除掉。其處理量一般為38~151升/分(1/min)[10~40加侖/分(gal/min)]。

b. 大容量離心機(jī)：主要用來(lái)排除低密度的固相，轉(zhuǎn)速為1900~2200r/min，"G"值為800左右，分離點(diǎn)約為5~7微米(在未加重鉆井液中)，處理量為378~7561/min(100~200gal/min)。

c. 高速離心機(jī)：用做雙離心機(jī)組合使用時(shí)的第二臺(tái)離心機(jī)。主要用來(lái)清除未加重鉆井液中的低密度含量。這類離心機(jī)的規(guī)格是：轉(zhuǎn)速2500~3300r/min，"G" 值在1200~2100，分離點(diǎn)在2~5微米，處理量為151~4531/min(40~120gal/min)。

雙離心機(jī)組合應(yīng)用時(shí)，...一臺(tái)為重晶石回收離心機(jī)，將重晶石粉回收使用，其溢流排出的液體通過(guò)高速離心機(jī)(...二臺(tái))將低固相顆粒排除，而將液相返回泥漿池中使用。

離心機(jī)的應(yīng)用使現(xiàn)場(chǎng)有手段除去相當(dāng)部分對(duì)鉆井液有顯著影響的細(xì)顆粒。但是離心機(jī)目前只能降低而不能完全替代必要的稀釋。在現(xiàn)場(chǎng)每日對(duì)塑性粘度、固相含量、MBT等性能進(jìn)行跟蹤測(cè)定可以反映出鉆井液中固相含量的變化，從而合理 地確定離心機(jī)的使用和稀釋量。不同鉆井液使用的固控設(shè)備見(jiàn)表7-2。

4. 綜合效果分析

通過(guò)對(duì)以上各種固控設(shè)備能力的分析，從理論上講，應(yīng)該是可以全部將有害固相排除掉了，然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，能達(dá)到90%已是高效率的，一般只達(dá)到80~85%甚至更低。較好地綜合了各類固控設(shè)備的分離能力及有用固相重晶石粉和有害固相(低密度顆粒)的粒度分布，可看出，如果是用重晶石加重的鉆井液，用除砂器和除泥器就不合適了，而離心機(jī)則不論在使用何種鉆井液時(shí)都可以用以降低鉆井液中逐漸積累起來(lái)的低固相。

例如泰國(guó)Unocal Thailland公司在泰國(guó)灣鉆叢式井的固控設(shè)備，用于使用的是油基鉆井液，為防止跑泥漿(用除砂器之類)和減少污染，充分利用了離心機(jī)。其組合是三臺(tái)振動(dòng)篩(60~80目篩布)和三臺(tái)高速振動(dòng)篩(200目篩布)再加一或二臺(tái)高速 離心機(jī)(2900r/min)。另一組合是三臺(tái)高頻振動(dòng)篩(用200目篩布)二臺(tái)高速離心機(jī)(3500r/min)。用這套組合可使鉆井液密度為13~14ppg(1.56~1.68g/cm3)，體積為500m3的鉆井液在36小時(shí)(h)內(nèi)下降密度至8.8ppg(1.056g/cm3)。目前又使用了如下的組合: 即2~3臺(tái)離心機(jī)并聯(lián)(低速離心機(jī))和2~3臺(tái)離心機(jī)(高頻)串聯(lián)。