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钻井液固相控制技术及设备第一章钻井液中的固相及其影响第一节概论钻井液是钻井过程中使用的循环流体，它是液体固体和化学处理剂的混合物。
钻井液中的固体颗粒分为有害固相和有用固相，岩屑是钻井中的最主要的有害固相。
有害固相在钻井过程中将影响钻井液的物理性能，使钻井液的密度、粘度、动切力、失水、泥饼、研磨性、粘滞性、流动阻力增加，其结果导致损害油气层，降低钻速，增加钻盘扭矩，起下钻遇阻，粘附卡钻，井漏井喷等井下复杂情况，对钻井液循环系统造成磨损。
第二节钻井液的作用与组成一、 作用：1、清洗井底2、携带岩屑3、冷却和润滑钻头及钻柱4、形成泥饼保护井壁5、控制与平衡地层压力6、悬浮钻屑和加重剂沉砂7、提供地层资料保护油气储层防止伤害8作为动力液传递水功率。
二、 钻井液组成1、水－淡水、盐水、咸水和饱和盐水2、膨润土－钠膨润土，钙膨润土3、化学处理剂－无机类、有机类、表面活性剂类、高分子聚合物类4、油－轻质油或厚油类5、加重剂－重晶石类、赤铁矿6、气－空气、天然气，三、 液相选择的原则选择何种液相主要取决于对所钻地层需要的抑制作用。
液相抑制能力强可防止流体减少和活性固体的膨胀，抑制地层的造浆。
第三节固相颗粒粒度的影响（固相颗粒粒度通常指颗粒的大小尺寸）一、固相颗粒粒度对钻速的宏观影响宏观上钻井液中不同性质的固相颗粒对钻速影响不同，小于1微米的胶体要比粗颗粒的影响更严重，在固相量大于6%时，分散性钻井液细颗粒与不分散钻井液细颗粒固相对钻速的影响几乎一样，当固相含量低于6%时，不分散钻井液比分散钻井液的钻速要高，固相含量越低，钻速差别越大，这是因为固相含量低于6%时，分散性钻井液中的胶体颗粒所占的百分比越大。
二、 固体颗粒粒度的微观影响任何水基钻井液中的颗粒，其表面都吸附水分子，自由液体受到约束。
钻井液中的钻屑在钻井循环中不断破裂，其表面积不断增加，因而增加了吸附的水分子。
一个小颗粒被立体型分裂后，颗粒变为多少倍，表面积就增加多少倍。
一、安全事项1.安全预防2.安全标记和警示3.注意事项①安全规定1）各岗位工作人员必须经过培训持证上岗；2）操作人员要懂设备的操作、保养和安全规程并明白相关的注意事项；3）操作人员要具备良好的身体状况，身体不适时，不得上岗。
②安全装置1）所有电器设备、照明器具及输电线路具备防火、防爆功能；2）保护装置要拧紧、完好、有效；3）正确使用安全装置：护栏、梯子等；4）不准随意拆卸安全装置。
③个人保护用品1）操作系统设备时必须佩带劳保；2）劳保产品的防护性能要达到防护要求。
二、固控系统说明1.固控系统简介ZJ70D 钻机固控系统配备有振动筛、真空除气器、钻井液清洁器等四级净化装置以及6 个钻井液罐、1 个冷却水罐、1 个组合补给罐、1 个泥浆冷却罐。
具有高架管路（从井口至振动筛），钻井泵抽吸管路、加重泵抽吸及排出管路、清水管路、中压钻井液泥浆枪管路、罐底连通管路等各种管汇。
系统还配有钻井液补给系统、加重漏斗、加重泵、除砂供液泵、除泥供液泵、补给泵、搅拌器等辅助设备。
另外，还配有走道、梯子、栏杆等安全防护装置。
本套固控系统能够保证泥浆的净化、循环、配制、加重和储备等工作顺利进行，还具备增强了钻井液净化系统的固相控制能力，能满足7000 ｍ钻井工艺的要求。
2.固控系统组成与结构特点本套固控系统由6 个钻井液罐组成，总容积为380 立方米3。
固控系统配四级净化装置，配1 台三联振动筛、1 台真空除气器、1 台钻井液清洁器及砂泵、混合加重装置等。
本套固控系统的设计符合总体设计要求、钻机平面布置和标准的钻井液处理工艺流程，钻井液调配方便，拆装移运简便快捷。
整个固控系统具有以下结构特点：（1）具有比较先进的工艺流程（2）各种设备阀门操作简单方便3.系统技术参数及设备技术参数（1 ）系统技术参数①总容积：380m 3；②总有效容积：300m 3；③泥浆罐数量：主罐6 个，组合补给罐④系统设计最大处理量为⑤钻井液配置能力为⑥适用钻井液密度1 个，冷却水罐1 个，泥浆冷却罐1 个；360 m 3/h ；400m 3/h ；<2.5 ×103㎏/m 3；0.6MPa ；⑦水管线额定工作压力：⑩装机总功率：620KW ；1○1各主要管线规格：井口溢流管DN300(12" )罐间泥浆槽连通管DN300(12" )罐间底连通管DN250(10" )钻井泵吸入管DN300(12" )泥浆枪管线连通管DN80(3") 清水管线连通胶管DN80(3")2 ）系统主要配套设备性能参数（见表1）3）钻井液罐参数及设备布置①钻井液罐参数（见表2 ）②钻井液罐设备布置（见平面布置图）设备性能参数表（表 1 ）钻井液罐技术参数表（表 2 ）4.固控系统原理与工艺流程1)原理：配制好的泥浆在钻井泵的作用下进入井底并携带钻屑返回地面，经过井口接管和分配器进入振动筛，经过振动筛、真空除气器、钻井液清洁器器，完成钻井液的四级净化。
钻井液固控设备的选择及固控系统的总体布置泥浆净化系统（固控设备）的选择及固控系统的总体布置摘要根据钻井液固控系统个组成设备的具体功能提出了选择这些设备的依据，论述了钻井液固控系统的总体布置方法，同时给出了系统与某些设备的几何尺寸和技术参数的计算公式及取值范围。
关键词：钻井液净化系统钻井液固相控制流程钻井泥浆固控系统固控设备的功能随着钻井技术的发展，钻井液固控系统对钻井作业所起的的积极作用越来越大，各种固控系统应运而生，无论固控系统的型式如何变化，它的基本功能（即最大化的清除钻井液中的固相和储存足够的钻井液）是不变的，它是依靠机械式清除设备和钻井液储存罐等辅助设备的有机组合来完成基本功能的。
1、固相清除设备的匹配和使用在钻进中，钻头切削、压碎、研磨地层，使岩石破碎，形成了不同粒度的钻屑，其大小在2—2×103μm之间。
单台固相清除设备所能清除固相颗粒的范围较小，所以仅靠某一种设备不可能达到最大限度地清除固相的目的。
表一列出了不同固相清除设备的适用范围。
为了保证将井底钻屑携带到地面，钻井液必须有足够的上返速度。
为此，必须根据井径大小和钻机能力来决定钻井泵的排量。
选择固控设备必须从净化水平（清除固相的粒度范围）和处理量两方面来考虑（1）钻井液振动筛的选择。
钻井液振动筛是清除钻井液中固相成分的第一级设备，并且在整个钻井过程中都必须使用。
钻井液振动筛清除固相颗粒的粒度范围是由所使用的筛网规格决定的，而其处理能力有雨筛网规格有关。
筛网目数越大，处理量越小，清除固相颗粒粒度越小，清除固相的量越大。
从生产角度上讲，希望能用细目数筛网，而从经济角度上讲，细网目筛网寿命低，因此在应用晒网上要综合考虑。
机械式叠层筛网和化学粘接式叠层筛网的开发推广，有效地提高了细目数筛网的寿命和钻井液振动筛的净化水平。
层叠筛网组合的方式很多，一般下层为12目，上层采用30、40或60目。
应用于钻井液振动筛时不易选用80目及80目以上的筛网，因筛网目数过大则透筛率就较低，导致筛网寿命缩短。
Z J50D T钻机固控系统使用说明书川油广汉宏华有限公司中国 .四川 .广汉.中山大道南二段邮编：618300 电话：0086-0838-******* Issue Date:August 2005Printed in CHINA目录1、用途与功能 (2)2、主要技术参数 (2)3、主要配套设备 (3)4、固控系统工艺流程与原理 (4)5、固控系统布局及安装 (6)6、固控系统操作、维护与保养 (7)7、主要配套设备的操作、维护与保养 (8)附图：ZJ50DBS钻机固控系统流程图1、用途与功能固控系统是为ZJ50DT钻机的辅助配套设备，系统整体性能满足5000米钻井工艺技术要求。
在钻井作业中，起着储存、调配钻井液，控制钻井液中的固相含量，保持、维护钻井液优良性能，提高钻井效率，保证井下安全的作用。
2、固控系统技术参数2.1 泥浆罐数量 4个2.2 系统总容积： 246 m32.3罐体最大外形尺寸 14000mm×3000mm×2700mm2.4 各泥浆罐有效容积：振动筛罐 34.8m3中间罐 70.8m3加重罐 63.3m3储备罐 77.5m32.5 各主要管径规格井口溢流管 DN350（14″）罐间渡槽连通管 DN300（12″）泥浆泵吸入管 DN250（12″）除砂、除泥泵吸入管 DN200（8″）除砂、除泥泵排出管 DN150（6″）加重泵吸入管 DN200（8″）加重泵排出管 DN150（6″）剪切泵吸入管 DN150（6″）剪切泵排出管 DN125（5″）中压泥浆管线 DN75（3″）由壬连接，压力6.4MPa 清水管线 DN75（3″）由壬连接，压力0.5MPa 3.主要配套设备3.6.1 振动筛 3台型号： derrick FLC20003.6.2除气器 1台型号： ZCQ2/63.6.3 除砂清洁器 1台型号：ZQJ250×2/1.5×0.63.6.4 除泥清洁器 1台型号：ZQJ100×10/1.5×0.63.6.5 泥浆搅拌器型号： JB-15 14台型号： JB-7.5 2台3.5.6 卧式螺旋卸料沉降离心机 1台型号：LW450×1000N3.6.7 砂泵 2台型号： SB6"×8"-75kw3.6.8 砂泵 1台型号： SB6"×8"-30kw3.6.9 砂泵(加重泵) 2台型号： SB6"×8"-55kw3.6.10 剪切泵 1台型号： WJQ5*6JC-553.6.11混合漏斗 3套型号：ZHP150-7.03.6.12 补给泵 2台型号: SB6"×8"-11kw3.6.13 旋转泥浆枪DN50 17只4、固控系统工艺流程与原理固控系统流程原理参见附图（ZJ50DT钻机固控系统流程图）整套系统工艺流程设计满足钻井液的<筛析—离心分离>固相控制及泥浆加重、添加化学药剂调配钻井液性能的要求。
钻井液固相含量对钻井作业的影响及其控制—钻井液固相控制工艺及原理钻井液中的固相含量是指单位体积钻井液中的固相含量的质量，单位用kg.m-3或g.cm-3表示。
固相含量对钻井液性能有重要影响，如粘土含量过高，是钻井液的年粘度和切力增加；岩屑含量过高，是滤饼的渗透率增加，滤矢量增大，滤饼增厚，易发生卡钻事故。
因此，钻井液的固相含量必须严格控制。
控制工艺原理如下：固相控制主要是有四种形式1 自然沉降法2 稀释法3 替代法4 机械法一、钻井液液相选择的原则选择何种液相主要取决于对所钻地层需要的抑制作用。
液相抑制能力强可防止流体减少和活性固体的膨胀，抑制地层的造浆。
二、固控设备的工作体系和原理1、固控原理分级清除钻屑是固控设备体系工作原理，大体上分有四级：振动筛、除砂清洁器、除泥清洁器、离心机（两台）2、固控体系分离点----有这样一种固相颗粒，经过固控设备处理后，有50%在底流中，有50%在溢流中，我们把这个固相颗粒粒度点叫分离点，这主要指非全过流处理设备。
理论上除砂清洁器分离点74μm除泥清洁器分离点43μm离心机分离点15μm高速离心机分离点2μm分离点不是一个定数,根据不同振动筛筛网目数以及泥浆体系不同而不同。
离心机的分离能力取决于固、液相的密度差及沉降区长度，固液两相密度差越相近，也就是进料的浆液年度越大，则分离沉降就越难以进行。
在实际生产中工艺条件影响离心机分离效果的因素主要有三个：进料温度，进料速率，异常工艺条件。
三、固液分离基本原理1.沉降原理当固体和液体（或两个液相）间存在着密度差时，便可采用离心沉降方法莱实现固液分离。
在离心场中，当颗粒重于液体时离心力会使其沿径向向外运动；当颗粒轻于液体时，离心力将使其沿径向向内运动。
因此，离心沉降可以认为是较轻颗粒中立沉降法的一种延伸，并且能够分离通常在重力场中稳定的浑浊液。
任何一种分离过程的机理，均依赖于两种组分间是否存在相对运动。
因而存在两种可能性：固体通过流体床沉降；液体通过固体床沉降。
新型钻井液固控系统概述张XX（XXXX大学机电工程学院，四川成都XXXXXX）摘要：随着石油钻井技术的迅速发展，钻井液固控系统也在向结构更巧妙、占地面积更小、运移更快捷、工作更可靠、更安全以及更环保的要求不断提高的方向发展。
本文介绍了国内研制的双层移动模块式固控系统、极地钻机钻井液固控系统、圆形罐固控系统以及固控罐轮式运移系统的主要技术参数、结构特点和应用情况。
关键词：钻井液；固控系统；双层移动模块；极地钻机；圆形罐；罐轮式运移系统The new drilling solid control systemZhang LiPing(School of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Xindu610500，China)Abstract:With the rapid development of oil drilling technology, drilling solids control system which has characters of smarter structure, smaller footprint, faster migration, more reliable, safer and more environmentally friendly is studided. This article describes the main technical parameters, structural features and applications of the double mobile modular solid control system reseached by domestic, polar drilling rig solids control system, the circular pot solids control system and tank wheeled transport system.Keywords: drilling fluid;solid control system;double mobile module;polar drilling rig; circularpot; tank wheeled transport system0 引言随着石油勘探工程的迅猛发展，促使钻井工程技术的不断加强，这就需要钻井液固控系统配套随着高速发展的地质工作不断的提高。
钻井液固控系统向着结构更巧妙、占地面积更小、运移更快捷、工作更可靠、更安全以及更环保的方向发展。
本文介绍了国内研制的双层移动模块式固控系统、极地钻机钻井液固控系统、圆形罐固控系统以及新型固控罐轮式运移系统，并对其结构特点和性能情况进简单的介绍。
1 双层移动模块固控系统双层移动模块式固控系统[1]如图1示，它将钻井液固相控制系统、岩屑收集处理系统和钻井泵等制作成一个能够在轨道上移动的双层框架结构，模块的最大承载载荷是16000KN，分块制作，现场拼装，制作安装难度较大，对钢结构移动平台的强度和刚度要求高，能满足7000m钻井工艺要求。
具有结构紧凑、移动迅速等优点，其新颖独特的清砂方式以及岩屑收集处理系统能够实现钻井岩屑零排放，满足海洋环境钻井要求。
整体能够随主机一同在井口槽两侧的轨道上进行知道移动与弯道移动，且所有岩屑能够集中收集并进行脱干处理，实现钻井废物零排放的标准。
1-净化罐；2-吸入罐；3、4-储备罐；5-钻井泵；6-管路；7-加重剪切模块；8-加重罐；9-清罐用螺旋推进器；10-立式离心机；11-砂泵；12-钻井液收集罐；13-干燥振动筛；14-三通槽；15-螺旋推进器；16-导砂槽。
图1 双层移动模式固控系统1.1 双层移动模块固控系统主要参数1.2 结构特点该固控系统的结构特点主要有以下几个方面：⑴6个功能模块，其中上层布置有净化、补给和储备模块，下层布置有吸人、加重剪切以及岩屑收集处理模块。
其结构紧凑，流程合理；⑵固控系统由双层移动平台(图2)支撑。
移动平台大梁设计为双腹板的焊接H 型钢，大梁连接方式采用销轴连接，横纵方向交替穿入的销轴连接既能保证承受整个模块最大载荷，又能承受弯道移动时的不均衡载荷；⑶利用4个液缸(每条轨道2个)拉移或者推移平台的4个支座，移动速度0.24min /m ，支座底面与轨道摩擦滑动，移动支座中心距定为9m ，实现半径为100m 的弯道顺利移动。
每个支座有2个导向滚轮，移动时起导向作用，也可避免磕伤轨道，防止出现卡死现象。
除4个移动支座外，其余6个支点为辅助支点，以增加与导轨接触面积，减少压强，控制在4MPa 以下。
支点与轨道接触的滑板，底面设计油槽，增强润滑效果，保证移动时的摩擦因数小于0.25。
⑷振动筛、除砂器、除泥器和离心机等净化设备放置在净化罐上，钻屑通过导砂槽下滑到下方的螺旋输送器中，再由螺旋输送器将岩屑输送到底层的岩屑处理系统。
⑸岩屑处理系统由2台干燥振动筛、1个钻井液收集罐和1台砂泵组成。
上层1号罐处理完的岩屑通过三通槽进入下层干燥振动筛被筛分后，固相被直接排走，液相回到钻井液收集罐，再用砂泵将收集罐的钻井液打回1号罐的沉砂仓。
1-上层平台；2-立柱；3-下层平台；4-导轨。
图2 双层移动平台2 极地钻机钻井液固控系统极地钻机在极地低温环境下工作，要满足-45C 极地环境以及雪地和沼泽恶劣环境下能正常钻井作业并保证在-60C 环境无损储存，那么要求该钻机固控系统拥有良好的保温盒运移方案。
2.1系统组成以及结构特点⑴该系统总容积325m，能满足5000m钻井工艺的要求。
具体结构如图3示，包括振动筛罐、离心机罐、吸人罐、2个储备罐、2个水罐、1套橇装灌注系统和1套橇装加重系统。
为了能在沼泽地区采用直升机运输，每个运输模块质量小于19t。
1-液气分离器；2-沉砂仓；3-除气仓；4-除泥仓；5-离心机仓；6-储备仓；7-灌注泵撬；8-钻井泵；9-加重撬；10-水罐泵室；11、12-水罐；13、14-钻井液储备罐；15-钻井液测试房。
图3 极地钻机钻井液固控系统布局图⑵极地钻机钻井液固控系统流程的其特点：管路外置以便于维修和操作；仓间和罐间采用钢丝绳提升的液位平衡器，便于在罐面操作；橇装灌注系统有3台55 kW 砂泵，可以任意吸取各罐的钻井液提供给钻井泵，叶轮订制为254mm(10英寸)，在保证排量的条件下减少功耗和水力冲击；加重橇台上有直径1500mm的大锥状分料漏斗，锥状漏斗中部有4片刀片，可将1t的钻井液材料袋自行割开输送到下面的2个混合漏斗中。
2.2系统的保温及移动方案⑴保温棚结构为易于拆装的落地式桁架结构(见图4)，方钢管作为骨架，立墙及屋顶均为彩钢板夹保温材料，导热系数为180.03J／h。
燃油锅炉为井场提供充足的蒸汽，每个罐内部两侧均有6排直径为50mm的蒸汽管线。
1-保温棚立墙；2-拉撑；3-保温棚斜屋顶；4-钻井液罐。
图4 保温棚示意图⑵振动筛罐到固定罐区的管线采取保温措施，上部为355.6 mm(14英寸)管线输送钻井液管，下部为清水、暖气和钻井液管排(见图5)，管线外侧缠绕低温级自限温式防爆电热带和50mm 厚的岩棉保温。
1-由壬接头；2-钻井液管（3英寸）；3-清水管（3英寸）；4-暖气管（2英寸）；5-防爆直端接线盒；6-电伴热带；7-防爆终端接线盒；8-由壬螺母；9-固定装置。
图5 管排连接与保温3 圆形罐固控系统3.1钻井液罐结构钻屑是有害固相的主要组成部分，要想除掉有害同相，就必须使其悬浮起来，然后再注入除砂、除泥器及离心机才能实现。
有用固相及少量的膨润土也需要均匀悬浮起来，以使钻井液的密度及其它性能保持稳定。
搅拌的主要目的是使钻井液中的固相颗粒悬浮，而圆形罐最利于钻井液充分搅拌均匀[2]。
钻井液罐结构如图6所示，主要由底座、上框、立柱、若干圆柱形子罐、子罐梯子等组成。
每个子罐分别与4根立柱焊接后，4根立柱两端再与底座和上框组焊。
各子罐内设有下罐梯子，子罐之间设有连通管。
另外，在每个圆柱形子罐上面安装1台搅拌器。
1-圆柱形子罐；2-上框；3-立柱；4-搅拌器；5-子罐梯子；6-底座。
图6 圆形钻井液罐结构示意图每个钻井液循环罐均由若干个圆柱形子罐组成，每个圆柱形子罐四周焊有立柱，靠4根立柱底端组焊于一橇装式底座上，顶部与罐上框组焊。
罐顶面为花纹钢板，每个圆柱形子罐上部设有700mm×700mm的人孔。
单个圆柱形罐为敞口，罐口设有挡砂板。
清砂门开设于罐最底部，带有射流冲洗管路。
系统由若干钻井液循环罐、橇装加重系统、补给冷却系统、重晶石储备罐和固控供水系统组成。
另外，还配有梯子、栏杆等安全防护装置。
所有泵吸入口均从罐底部吸入，所有管路外置。
安装摆放时罐与罐上框贴近、靠齐[3]。
圆形钻井液罐的子罐由简体、封头、环形挡板和清砂门等组成，结构如图7所示。
子罐为敞口，罐口焊接的环形挡板一方面能够防止钻井液在搅拌时溅出罐外造成环境污染，另一方面可增加罐体的刚度。
底部采用椭圆封头，相当于矩形固控罐的斜底板。
在封头底部设有清砂门，清砂门带有高压冲洗口。
1-清砂门；2-封头；3-筒体；4-环形挡板；5-筋板。
图7 子罐结构简图3.2主要技术特点(1)圆柱形罐体结构，保证搅拌器搅拌充分均匀，没有沉砂。
(2)可实现100％排放。
由于罐体的圆柱形结构和罐底的椭圆封头设计，将清砂门位于罐最底部，清砂彻底。
(3)能够实现钻井液100％吸入。
泵吸入口位于罐底部，能够充分吸人和排放钻井液，钻井液便于集中收集处理。
(4)系统安装拆卸方便。
整套固控系统不设罐问及罐周边走道，护栏为插接护栏，流程布局合理且简单直观。
4 新型固控罐轮式运移系统新型快速运移的轮式固控系统不仅克服了原有固控系统搬迁运输、安装困难、鉆前准备时间长等缺点，而且节约了大量人力物力、缩短辅助作业时间，有效的降低了施工作业成本。
新型轮式运移系统是由半挂牵引车、一辆半挂车（子罐）、牵引销组成，通过牵引销可以实现半挂车和牵引车的连接和分离，且牵引车的牵引座可以承受半挂车的部分负载[4]。
4.1轮式运移系统的结构特点运移系统中每个子罐都由底盘（牵引销、底盘行走部分、液压举升系统和底盘电气等）、罐体、管路以及牵引车组成，所有运输单元实现了罐体和行走部分的有机结合，并可实现自行平稳起升及下放，满足在恶劣钻井环境下的作业和快速拆装，总体结构如图8示。
图8 轮式运移系统（子罐）总体结构4.2主要技术特点（1）采用牵引销将子罐和牵引车连接，实现固控罐的快速运移；（2）将双桥结构移植到轮式运移系统采用双轴8轮结构；（3）采用液压缸举升或降落单个子罐，并采用独立的动力源；（4）悬挂采用钢板弹簧平衡梁式结构，承载能力大；（5）采用两套独立的制动系统：行车制动装置和驻车制动装置；（6）底盘采用了双斜线设计，增大了轮式子罐的最小离地间隙（325mm），提高了轮式罐的越野能力。
