固控设备简介

为了尽可能地清除钻井液中的所有"有害固相"，目前已广泛应用振动筛、除砂器、除泥器、清洁器、除气器、离心机等固控设备。

国外在多年研究的基础上，近年来已在海上成功地使用了"综合自控钻井液系统"(Integrated automation for a mud system)。其实用性和可靠性均已得到海上作业者的认可。这一自控系统包括：固控设备自控监视器(Automated monitoring of solids control equipent)、钻井液处理剂自动加料器(Automated addition of mud chemicals)、主要钻井液指标连续监视器(Continuous monitoring of key mud parameters)。三项主要部件均由中心监视和综合控制系统(Control monitoring and integrated process control)进行调正、监控、操作。

其功能：

1) 自动控制各类固控设备的开启、运转，并自动分析固相 含量的组份。

2) 自动添加钻井液药品，自动控制加药速度(如在一个循环周内加入定量的药品)，并能自动显示出主要钻井液性能的指标。

3) 可及时提供压井液，节省了为压井而准备的储罐和钻井液。这一综合自控钻井液系统的应用不仅保证了钻井液性能的平稳、合格，也为海上作业特别是高温高压地区的海上作业提高了安全性。

1. 振动筛

振动筛使用的好坏直接影响下一级固控设备的效果。泵排量、筛网面积、固相浓度、钻井液粘度等因素影响振动筛网的选择以及分离的效果。应尽可能选择使用细的筛网。性能先进的振动筛使用的...小筛网可达325目至460目。一般原则是以钻井液覆盖筛网面积的70～80为合适。除特殊情形外(如加入堵漏材料)，不允许返出钻井液旁通振动筛循环。

筛网的目数是指从钢丝的中心算起在纵向或横向上每一英寸内的孔眼数。API对筛网的标记方法是：纵向和横向上的目数，纵向和横向上的开孔大小(微米) 以及开孔面积的百分数。例如：API80×80(178×178,32.4)这样的标记表示：筛网是正方形80×80目，纵、横两方向上的开孔大小为178mm、开孔面积为32.4%。

海洋钻井常见的筛网标记和代号解释如下：

S 正方形目数筛网

B 长方形目数筛网

BLS 双层筛网

BXL 高强度筛网

注：以上代号的后面通常跟一个数字，代表筛网的目数。如S-80，既是"正方形80目筛"。BXL-200既是"200目筛"。而B是代表长方形筛网，其数目是纵横两方向目数的和，如B-120代表80×40筛目。

SWG 三联筛网，不可修复

PWP 可修复的，底板支撑的平面筛网

SCG 特殊高强度筛网

PMD 金字塔型筛网

DX 特细筛网

HP 长方形孔高容量筛网

LMP 用于线性筛的穿孔底架筛网

2. 沉砂罐

沉砂罐或沉砂池为重力分离设备。罐底一般为45o斜坡以便排放和节省钻井 液。钻井液中的颗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 ______ 颗粒沉降速度，cm/s;

ds ______ 颗粒的直径，cm;

ps、pm___ 分别为液相和固相密度，g/cm3;

m_______ 液相粘度，pa · s;

g_______ 重力加速度，cm/s2 。

3. 离心机分离装置

离心机分离装置包括水力旋流器(除砂器、除泥器、清洁器)和离心机。从斯托克斯定律中可看出，颗粒在液体中的沉降速度与重心加速度成正比，与固体颗粒直径成正比，而与液体粘度成反比。离心机分离装置通过提高定律中的加速度，从而提高固相颗粒的沉降速度。在固相设备的术语中, 常常提到"G"值, 它的物理意义是表示机器产生的离心加速度相当于重力加速度的倍数。如G=6，表示固体颗粒在机器受到的力是自身总量的6倍。衡量振动筛的高频与否实际也是叙述它产生的G值大小。离心机分离装置是目前钻井现场固控系统的重要组成部分，它们将钻井液固相分离成"粗重"和"轻细"两部分，可根据需要废弃其中一部分而回收另一部分。

(1) 除砂器和除泥器

这是一种内部没有运动部件的圆锥筒形装置。钻井液由上部的切线口进入，在一定的流速条件下，这一切向力使钻井液在筒内呈螺旋运动，像旋风一样，使大颗粒下沉，由底部排出，轻液由上部溢流口返回池中。一般把直径为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"。为了满足钻井排量的要求，把4个、6个、8个、12个一齐组装起来，它们的处理量 应该是循环排量的125~150%。

旋流器的除固相能力以"分离点"表示，又叫"中分点"，或"分离效率百分数"。其定义是指旋流器的分离效率为50%的固相颗粒的大小(以当量直径表示)。也就是该直径的颗粒有50%从底流排出，而仍有50%保留在液体中。

一般情况下，旋流器的分离能力与旋流器的直径有关。直径愈大其分离的颗粒也越大。反之直径愈小，其分离出的固相颗粒也愈小。如152.4~304.8mm(6~12英寸)的旋流器称为"除砂器"，分离点约为40微米，把50.8~152.4mm(2~6英寸)的旋流器叫做"除泥器"，分离点约为15微米，均根据其分离能力而得名。有一种微型旋流器，其直径只有50mm(2英寸)，分离效率达到7~5微米。

除砂器通常用于非加重钻井液(也有专家建议在1.30~1.44g/cm3(SG)的加重钻井液中使用，因为重晶石大部分颗粒在"泥"的范围，在此密度范围内不会造成大量的重晶石损失)。在正常工作状态下，其底流密度应比进口钻井液密度高0.3~0.6g/cm3。还有一种判定方法，即如果进口钻井液的含砂量为6%左右，经除砂器处理 后其溢流的含砂量应为微量(<0.5%)。

除泥器用于非加重钻井液。正常工作时，其底流的密度应比进口钻井液密度高0.3~0.42g/cm3，且溢流的密度应比进口钻井液密度稍低。

除砂器和除泥器的操作要点：

a. 伞状排泄和串状排泄的对比，要达到...好的固相清除，水力旋流器的底流口应呈伞状流，且伴有空气从底流口吸入。伞状流损耗的钻井液与排出固体颗粒的表面积成正比。其清除的效率高而对内壁和底流口的磨损轻。而串状流表明钻井液和固相颗粒在抵达流口之前就失去了相对运动，底流口无空气吸入，分离效率低，器壁和底流口磨损大，到达底流口较细的颗粒不从底流口而从溢流口排出。串状排泄时底流的密度比伞状底流的密度高。但不能以其密度来衡量旋流器清除固体的效率。应从单位时间内清除固体的重量来评价。

b. 旋流设备在一定的水压头下工作，而不是在一定的压力下工作。一般要求有23~27m(75~90ft)的压头。工作压力量是水压头乘上钻井液密度。因此，钻井液 密度越高，工作压力应越大。对于27m的水压头，压力(MPa)=0.27×钻井液密度。在通常情况下，离心泵要保持0.24~0.31MPa(35~45psi)的压力。过大的压力会加速 磨损且影响分离点。

c. 底流口有时会堵塞，可通过调节底流口或加以疏通。连续性的堵塞可能是前一级的固控装置工作不好，导致固相含量过大。可事先调大底流口及提高前一级固控装置的效率。

(2) 清洁器

清洁器由除泥器与细网振动筛组成，筛网一般在140~200目(网孔104~74微米)之间，目的是回收部分通过旋流器排出的液体。

一般不建议清洁器用于非加重钻井液。若在非加重钻井液中使用清洁器，则可关掉振动筛而让旋流器的底流全部排掉。

(3) 离心机

是利用重力加速度原理而研制成功的另一种结构的清除细颗粒固相的设备，与旋流器结构主要不同之点在于旋流器是利用高速度液流来产生离心力使固相分离，而离心机是利用外壳旋转来产生离心力，分离固相颗粒。通称第三级固控。该装置是一筒形离心机。它由一高速旋转的转筒和安装在筒内能将粗颗粒排出，把较细的颗粒留在液体中的一螺旋输送器组成。

其大概流程是将欲处理的钻井液经空心轴内的管子进入进料室，从进料口进入分离室后，钻井液被抛向转鼓内壁，形成液圈并加速到与转鼓相近似的速度,使固、液相分离。重的和粗的颗粒会进一步甩向转鼓内壁并沉降进入沉降区，再通过输送器的刮板将沉降的颗粒推向脱水区而从底流口排出。由于钻井液在离心机内有一个滞留的时间(约30~50秒)，颗粒受到离心机挤压和过滤, 因此排出的钻屑比较干，只带少量的吸附水。

离心机的规格以鼓的长度和...大直径表示：有18×24英寸、14×22英寸、14×20英寸(直径×长度)等规格。离心机的转鼓以1500~3500转/分(r/min)旋转。螺旋输送器一般以1:80的速差和转鼓同向旋转。一般可清除2~3微米的固相颗粒。

在现场组合应用时，一般是根据离心机的处理量大小、离心机"G"的大小、分离点的大小、转速等分成了三种类型：

a. 重晶石回收离心机：这类离心机的转速在1800r/min左右，"G"值在700左右。低密度固相分离点在6~10微米，高密度固相分离点在4~10微米。这种离心机 主要是将重晶石粉回收至钻井液体系中，而将一些低固相颗粒除掉。其处理量一般为38~151升/分(1/min)[10~40加仑/分(gal/min)]。

b. 大容量离心机：主要用来排除低密度的固相，转速为1900~2200r/min，"G"值为800左右，分离点约为5~7微米(在未加重钻井液中)，处理量为378~7561/min(100~200gal/min)。

c. 高速离心机：用做双离心机组合使用时的第二台离心机。主要用来清除未加重钻井液中的低密度含量。这类离心机的规格是：转速2500~3300r/min，"G" 值在1200~2100，分离点在2~5微米，处理量为151~4531/min(40~120gal/min)。

双离心机组合应用时，...一台为重晶石回收离心机，将重晶石粉回收使用，其溢流排出的液体通过高速离心机(...二台)将低固相颗粒排除，而将液相返回泥浆池中使用。

离心机的应用使现场有手段除去相当部分对钻井液有显著影响的细颗粒。但是离心机目前只能降低而不能完全替代必要的稀释。在现场每日对塑性粘度、固相含量、MBT等性能进行跟踪测定可以反映出钻井液中固相含量的变化，从而合理 地确定离心机的使用和稀释量。不同钻井液使用的固控设备见表7-2。

4. 综合效果分析

通过对以上各种固控设备能力的分析，从理论上讲，应该是可以全部将有害固相排除掉了，然而在实际应用过程中，能达到90%已是高效率的，一般只达到80~85%甚至更低。较好地综合了各类固控设备的分离能力及有用固相重晶石粉和有害固相(低密度颗粒)的粒度分布，可看出，如果是用重晶石加重的钻井液，用除砂器和除泥器就不合适了，而离心机则不论在使用何种钻井液时都可以用以降低钻井液中逐渐积累起来的低固相。

例如泰国Unocal Thailland公司在泰国湾钻丛式井的固控设备，用于使用的是油基钻井液，为防止跑泥浆(用除砂器之类)和减少污染，充分利用了离心机。其组合是三台振动筛(60~80目筛布)和三台高速振动筛(200目筛布)再加一或二台高速 离心机(2900r/min)。另一组合是三台高频振动筛(用200目筛布)二台高速离心机(3500r/min)。用这套组合可使钻井液密度为13~14ppg(1.56~1.68g/cm3)，体积为500m3的钻井液在36小时(h)内下降密度至8.8ppg(1.056g/cm3)。目前又使用了如下的组合: 即2~3台离心机并联(低速离心机)和2~3台离心机(高频)串联。