海洋模块钻机培训材料第二部分：泥浆循环工艺和固控系统随着钻井技术的发展,钻井液的各项性能指标已成为科学钻井的重要标志。
钻井液是钻井过程的血液，它的作用是：清除并悬浮井底岩屑，携带至地面使其进行沉降；冷却钻头及钻具；形成低渗透泥饼并覆盖井壁；控制地层压力；承受部分套管和钻具的重量；保护井眼并提供井下资料；减少油层损耗；将水功率传递给钻头；防止钻具腐蚀等。
固相控制系统通过物理方法清除钻井液中有害固相，调整钻井液的各项性能，储备钻井液，它的合理配备与使用对提高钻井速度、保护油气层、调整钻井液性能和降低钻井成本起着重要的作用。
高压泥浆系统的设计能为钻井操作提供最佳的性能。
各台高压泥浆泵既能同时运行，又能根据钻井和维修的需要单独运行。
从高压泥浆泵安全阀引出的泥浆排放管应是自排式的，否则，泥浆容易在排放管内沉积、堵塞，导致高压泥浆泵超压。
正常钻进时的泥浆来自泥浆储存罐，从高压泥浆泵将吸入的泥浆增压后输送到高压泥浆立管管汇，经水龙带进钻杆后至井底，携带岩屑再从环空返回至喇叭口，进井口返回泥浆槽，经分流盒分流，振动筛除掉大的岩屑后流入泥浆处理罐，除气、除砂、除泥后返回泥浆罐循环使用。
同时高压泥浆管汇泵出口也与节流压井管汇连接，用于井控作业。
一、固相控制系统的构成及配置参数固相控制系统的构成固相控制系统（简称固控系统）是钻机钻井时用来贮存、配置、循环和净化钻井液的重要装备。
一般由钻井液罐和振动筛、除气器、除砂清洁器、除泥清洁器、离心机等必要的五级净化设备以及高架管路（从井口至振动筛）、钻井泵吸入管路、混合泵抽吸及排出管路、海水管路、钻进水管路、基油管路、中压钻井液枪管路、剪切泵抽吸及排出管路、罐底连通管路、补给管路、排放管路等多种管路组成。
系统还配有钻井液补给装置、加重漏斗、加重泵、除砂泵、除泥泵、剪切泵、补给泵、基油泵、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。
它可以有效地除去钻井液中大于5－15 m的有害固相，保留有用固相，为钻井作业提供优质的钻井液。
固控系统的主要配置参数为了保障钻井工况对钻井液质与量的需要，不同型号的钻机在固控系统配备上（固控罐的容积、设备配置、流程布置等）有区别。
根据SY/T6223－2005《钻进液净化装置的使用和维护》中的内容，4000m——7000m钻机的主要性能参数及设备配置如下：在固控系统的设计要求中，通常泥浆罐的有效容积为总容积的75%。
泥浆罐的设计需要达到以下的要求：①、泥浆罐应能容纳钻井过程中钻井液的最大循环量；②、泥浆罐的整体强度应能满足吊装、运输和使用密度为2.5g/cm3的钻井液的要求；③、罐内各舱间应根据工艺流程要求，设置溢流口和带底部阀的连通管；④、每个隔舱应设有清砂口，开口下边缘应与罐底平齐可低于罐底；⑤、所有的密封件需要满足耐油、耐酸碱、碱H2S，能满足使用各种钻井液的要求。
在固控系统的设计要求中，需要配置相应的泥浆处理设备，按照SY/T6223－2005《钻进液净化装置的使用和维护》的要求，固控设备的选型需要遵循以下的原则：①、振动筛：处理量应为钻井泵最大总排量的100%～125%；②、除气器：处理量应为钻井泵最大总排量的100%～125%；③、除砂器：处理量应为钻井泵最大总排量的100%～125%；配置的砂泵和电机应满足上述能力；④、除泥器：处理量应为钻井泵最大总排量的100%～125%，配置的砂泵和电机应满足上述能力；⑤、离心机：处理量通常为钻井时最大排量的5%～10%；二、结构及工作原理固控系统主要由一组储存钻井液的固控罐及用于清除钻井液中有害固相的一组设备组成，储存钻井液的固控罐又分为循环罐与储备罐两部分。
循环罐作为钻井液地面循环的一部分，罐面上安装有震动筛、真空除气器、除砂器、除泥器、离心机等用于净化钻井液的设备。
储备罐是根据钻井工况的需要配制不同性能的钻井液，或储存可能用于不同钻井工况的钻井液。
钻井液在系统中的净化过程1、一级净化即泥浆在振动筛的处理。
配制好的钻井液在钻井泵的作用下进入井底，并携带钻进岩屑返回地面，经过井口高架管进入振动筛，将钻井液中较大的岩屑筛分出来。
2、二级净化当钻井液有气浸时，可通过真空除气器的作用将钻井液中的气体清除，从而恢复钻井液密度、稳定钻井液粘度。
3、三级净化二级净化后的钻井液经除砂器供液泵进入除砂器，钻井液中40--60μm 以上的细小有害固相在除砂器里被分离出来。
4、四级净化三级净化后的钻井液经除泥器供液泵进入除泥器，钻井液中15--40μm 以上的细小有害固相在除泥器里被分离出来。
5、五级净化四级净化后的钻井液经离心机供液泵进入离心机，离心机将钻井液中5--15μm微小的颗粒分离出来。
通常五级净化是同时进行的。
如果只进行其中一项或几项净化，钻井液参数就能满足作业要求时，可以只进行这一项或这几项净化。
钻井液的净化过程完成后，钻井液即可进入下一个正常的钻井循环。
系统的工艺流程钻井液固相控制系统是通过不同的管路来完成钻井液的配制和输送的。
1.高架管路：将从井口返出的钻井液输送到循环罐区一级净化设备。
通常，泥浆返回管的直径不得小于12″，5000m以上的钻机使用的返浆管通常不小于14″，由于在一开时泥浆中常常携带有较大的泥饼，为防止管路堵塞，返浆管路需要保持不小于3°的斜度。
若使用圆管作为返浆管，需要在其上方开有窗口以便于进行清理。
在泥浆返回安装泥浆流量计以测量井底的泥浆返回总量和流速。
2.钻井泵吸入管路：同活动罐连通，罐内钻井液经吸入管路进入钻井泵。
通常情况下，钻井泵的吸入管路包括钻井泵自吸管路和补给泵的补给管路，但也可以只选择一种类型。
在小模块钻机的设计中，以崖城13－1钻机模块为例，只设计有灌注的补给管路。
在钻井泵的吸入管路中，需要设计有泥浆滤网，以过滤泥浆中的较大颗粒和其它杂质。
吸入管路在各泥浆舱中的吸入口离罐底的高度通常保持200mm-300mm的距离。
3.钻井泵的泄压管路：钻井泵安全阀出口管路的管路和修理钻井泵时需要将泥浆泵液力端的的高压泥浆的释放管路。
管路的出口排放到较近的泥浆舱室中，应尽量减少管路的管曲，便于压力泥浆的释放。
4.混合泵吸入及排出管路：泥浆罐内的钻井液被混合泵吸入，与混合漏斗相连通，经混合漏斗加料配置后，输送到不同的固控罐中。
混合泵可以分别吸入不同固控中的钻井液并输送到不同的固控罐中，以保障不同钻井工况的需要。
在海洋模块钻机的配置中，通常设计有两套配浆管路，一套用于从钻机的灰罐系统通过缓冲罐进行加料配浆；一套用于在钻进过程中的散料包加料进行补浆。
5.海水管路：从平台的海水管路接入，并通往参与配浆的各个舱室。
在钻井过程中用以配置钻井泥浆。
6.钻井水管路：从平台的钻井水罐接入，并通往参与配浆的各个舱室。
在钻井过程中用以配置钻井泥浆或冲洗泥浆罐。
7.基油管路：使用基油泵从基油罐中抽出基油，并输送到各个参与配浆的舱室中，在钻井过程中使用油基泥浆时用以调制油基泥浆。
8.中压钻井液枪管路：钻井液通过钻井泵增压后，通过液枪管路输送给中压钻井液枪，对沉积在固控罐底部的沉积物进行冲刷并使之与钻井液充分混合。
在清仓时冲刷罐底部沉砂，以防止岩屑沉积在固控罐中。
由于近年来的的模块钻机上选用的搅拌器通带有底部的搅拌页片，因此泥浆枪管路在设计中已基本取消。
9.罐底连通管路：罐底连通管路的作用是分别连通每两个相邻的泥浆舱室，有直接连通管路和平衡液管路两种方式。
10.剪切泵吸入及排出管路：高分子聚合物钻井液经剪切泵到剪切漏斗，经剪切漏斗配置后，输送到不同的固控罐中。
此部分管路属于可选配的管路，在海洋模块钻机中此部分管路通常不再配置。
11.补给管路：起钻时，补给泵将固控罐中的钻井液补充灌注到井内来平衡地层压力。
12.罐底排放管路：在泥浆处理系统各舱室的底部设置排口，通到排放总管将岩屑或废弃泥进行排海或收集运回陆地。
在罐底排放管路上，通常设计有海水冲洗管路用以冲刷三、主要固控设备振动筛振动筛是固控系统中最重要的净化设备，作为钻井液的第一级净化，其作用是将从井口返出的钻井液中大于70μm的较大颗粒除去，并且不产生破碎，以便下一级净化设备对钻井液进一步净化。
振动筛性能的优劣除直接影响第一级处理的质量外,对下级净化处理设备性能的发挥也有很大的影响。
工作原理和作用：振动筛主要由筛架、筛网激振器、减振元件等组成，通过机械振动把大于网孔的固体和通过吸附作用将部分小于网孔的固体筛离出来。
从井口返出的钻井液由进料槽流向振动着的筛网表面，固相从筛网尾部排出，含有小于网孔固相的液相透过筛网流入在用钻井液系统，从而完成分离。
现在国内常用的振动筛其结构、工作原理基本相同，即通过电动机带动偏心轴高速旋转，偏心轴旋转时产生强大的离心力作用于弹性振子，使固定在框架上的不锈钢筛布以较高的频率振动，筛出钻井液中较大的岩屑。
下面介绍国内常用的几种振动筛的结构、工作原理、安装使用、维护保养及常见故障的原因分析。
1 S230-3特迹振动筛1）振动筛的组成特迹系列钻井液振动筛是由筛箱总成、电动机及支架总成、钻井液进筛槽、底座、皮带护罩等部分组成。
筛箱上装有振动轴，振动轴两端装有经平衡的激振器总成，振动轴一端激振器外侧装有皮带轮总成。
电动机轴上装有电动机皮带轮总成。
用三角皮带将两皮带轮总成联接传递动力。
2）激振原理激振器由轮毂、连杆机构、压簧、压盖、主副偏心块组成。
激振器安装在振动轴两端，其旋转中心即为振动轴的轴心线，当振动轴的转速小于440rpm或处于静止状态时，由于压簧的作用，主副偏心块处于闭合位置，此时激振器的重心与旋转中心重合，不产生离心力，因此筛箱不产生振动。
当振动轴的转速大于440rpm时主副偏心块开始甩开，激振器的重心偏离旋转中心而产生离心力，筛箱开始产生振动。
随着振动转速的增加，主副偏心块张开角度也随之增大，离心力也逐步增大，筛箱振动加剧。
当振动轴转速达到580rpm时，主副偏心块张开最大位置。
当振动轴转速达到额定转速时，激振器离心力达到最大值，筛箱处于稳定振动状态，开始正常工作。
当结束工作，电机断电后，随着振动轴转速的降低激振器离心力逐渐减小，当转速降低到580rpm时，主副偏心块开始合拢，激振器的离心力迅速减小；当转速降低到略小于440rpm时，主副偏心块在压簧的作用下立即合拢，激振器离心力很快降到零，筛箱即可停止振动。
因此使用此激振器可使筛箱起动、停止平稳；降低电机起动电流，防止烧电机。
3）特迹点的振动轨迹根据钻井液振动筛的使用情况，筛箱侧板上位于筛网水平位置的三个点为特征点：第一点选在钻井液进口端，第二点选在激振器旋转中心的铅垂线上，第三点选在钻井液的出口端。
产生这种特殊轨迹的原因是由于激振器的旋转中心与筛箱质心的相对位置所决定的。
4）特迹系列钻井液振动筛的特点由于激振器旋转中心与筛箱质心的特殊相对位置关系而产生的特殊振动轨迹，使得钻井液出口端振幅大，抛掷指数大，筛分效果好，钻屑排出速度快，筛网寿命高。
