8.3.1 固控设备（图8.12至图8.14；表8.1）

图8.12 F-1600HL 泥浆泵

图8.13 美国DERRICK公司固控系统（振动筛、除砂器、除泥器）

图8.14 离心机

表8.1 FL-1600泥浆泵的技术参数

8.3.2 固相含量控制设计

（1）钻井液振动筛GNZS系列钻井液振动筛是用于钻井泥浆净化系统一级固控设备，该振动筛吸取国内外同类产品的设计经验和先进技术，采用进口的激振电机。该钻井液振动筛可以根据需求实际改造成双联或三联。同时该设备也可作为泥浆清洁器的底流振动筛用。该钻井液振动筛具有振动强度高、筛分面积大、筛箱角度可调、结构紧凑、性能卓越、性价比高等优点。如图8.15所示。

图8.15 钻井液振动筛

该钻井液振动筛参数如表8.2所示。

表8.2 钻井液振动筛技术参数

GNZS系列直线振动筛广泛应用于石油钻井、冶金、建材、化工、耐火、水泥、陶瓷、粮食、食品等各行各业中，用于对各种物料不同程度的分级作业。它可用于流水线作业中，实现自动化。

GNZS系列直线振动筛与其他类型的振动筛相比具有以下特点：

1）体积小，重量轻，结构简单，安装方便，维修容易。

2）噪声小，耗能少，效率高，造价低。

3）筛分精度高，无粉尘污染，有利于环境保护。

4）可更换多种振动筛筛网，使用寿命长。

（2）钻井液除砂器

ZQJ系列旋流除泥器是处理钻井液的二、三级固控设备，根据旋流器直径的大小不同，分为除砂器和除泥器。一般6in以下的旋流器组合称为除泥器，是钻井作业中的三级固控设备，常用的是5in和4in旋流器，主要用于分离钻井液中粒度为15～47μm的固相颗粒。根据要求的处理量大小，选择几组旋流器组合成除泥器。冠能固控的旋流除泥器广泛应用于石油钻井，水平定向钻井的旋流除泥分离。如图8.16所示。

该旋流除砂器参数如表8.3所示。

钻井液除砂器由进液管、排砂锥斗和排砂口构成，排砂锥斗内，设有旋转构件，旋转构件的筒壁开有分离窗，旋转构件的上部筒壁、一组锥形槽和进液管构成钻井液上升构件，除砂器的叶片布置在旋转构件的内底，排砂调节器控制排砂量。钻井液由进液管进入旋转构件，经叶片离心旋转，液体上升到分离窗处时砂粒与钻井液分离，砂粒经分离窗排到排砂锥斗内，分离后的钻井液进入到上升构件，钻井液由锥形槽的排液口进入钻井液槽内。排砂锥斗内的砂粒，经排砂调节器控制的排砂口排出。

图8.16 旋流除砂器

表8.3 旋流除砂器技术参数

（3）钻井液除泥器

旋流除泥器是处理钻井液的二、三级固控设备，根据旋流器直径的大小不同，分为除砂器和除泥器。一般6in以下的旋流器组合称为除泥器，是钻井作业中的三级固控设备，常用的是5in和4in旋流器，主要用于分离钻井液中粒度为15～47μm的固相颗粒。根据客户要求处理量的大小，选择几组旋流器组合成除泥器。冠能固控的旋流除泥器广泛应用于石油钻井，水平定向钻井的旋流除泥分离。如图8.17所示。

该旋流除泥器参数表8.4所示。

钻井液除泥器，分离能力高，分离粒度范围广；旋流器底流口呈带压伞状“湿底”排砂使分离区内的颗粒能迅速排出，减少了底流口堵塞的概率；先进的小型两筛网泥浆振动筛处理量大，噪声小，筛网寿命长；对称的进液机构使旋流分配合理、工作稳定。

（4）钻井液离心机

LW系列钻井液卧式螺旋卸料沉降离心机（Decanting Centrifuge）是针对石油钻井液的特点，设计的固液分离专用设备，可在全速运转下完成进料、离心沉降、卸料等各道工序，主要用于回收重晶石，清除细小固体，降低钻井液的固体含量，控制钻井液的密度、黏度，保证钻井液的性能以及对快速钻井均有重要作用。钻井液卧式螺旋卸料沉降离心机是利用离心沉降原理对钻井悬浮液进行分离，悬浮液由进料管经螺旋推料器中出液孔进入转鼓，在离心力的作用下固相颗粒被推向转鼓内壁，通过螺旋推料器上的叶片推至转鼓小端排渣口排出，液相则通过转鼓大端的溢流孔溢出。如此不断循环，以达到连续分离的目的。沉降型离心机属于卧式螺旋离心机范畴，全称卧式螺旋沉降型离心机。如图8.18所示。

图8.17 旋流除砂器

表8.4 旋流除泥器参数

钻井液离心机参数如表8.5所示。

LW系列油田离心机由主机、供液系统和控制系统三大部分组成，大容量离心机同高速离心机配套使用，可以实现三筛、两机固控系统方案，从而简化了固控系统，减少用点功率，提高了净化效率。卧式螺旋离心机具有其他离心机不可比的优点：

1）对物料的适应性较大，能分离的固相粒度范围广0.005～2mm，在固相粒度大小不均时也能照常分离。

图8.18 钻井液离心机

表8.5 钻井液离心机相关参数

2）能自动、连续、长期运转，维修方便，能够进行封闭操作。

3）单机生产能力大，结构紧凑，占地小，操作费用低。

4）可以实现远程自动化控制。

8.3.3 钻屑体积变形分析

8.3.3.1 井下状态分析

在井下10000m处主要为岩浆岩，5000m处有为沉积岩。深层的岩浆岩主要有花岗岩、闪长岩、辉长岩、橄榄岩等。深层沉积岩有砂岩、灰岩、白云岩、石灰岩等。

根据海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重力成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。而对于5000m及10000m属于深部，地应力计算应该遵循海姆假说。

在不考虑地层的构造应力，仅考虑自重应力的情况下（岩石密度取2.6g/cm3（2.5～2.8g/cm3），钻井液密度取1.3g/cm3）岩石应力为：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（中册）

钻井液应力为：

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地温计算，地壳的近似平均地热梯度是每千米25℃，这里取每百米3℃，地表取为0。

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8.3.3.2 温度和压力对岩石弹性模量的影响

（1）自重应力及高围岩压力对岩石弹性模量影响

1）岩石抗压强度：三轴等压强度>三轴不等压强度>单轴抗压强度，所以深部地层岩石的抗压强度要较单轴情况下大很多。

2）岩石的变形：三轴等压下变形

所以三向高应力条件下，抗压强度大很多，变形要较小，因此，在三向高应力下弹性模量可取单轴下的2～3倍，见图8.19。

图8.19 砂岩不同围岩下应力应变

（2）温度对弹性模量影响（图8.20，图8.21）

图8.20 温度对砂岩及石灰岩弹性模量的影响

图8.21 温度对花岗岩等弹性模量的影响

因此，300°时弹性模量可略取常规下的80%，150°下可取常规下的90%。

8.3.3.3 岩屑变形量计算

（1）选取岩石弹性模量，见表8.6。

表8.6 部分岩石的弹性模量

所以，粗略的岩浆岩的弹性模量可取80GPa，沉积岩的弹性模量可取40GPa。

（2）确定岩石线弹性系数，见表8.7。

表8.7 部分岩石的线膨胀系数

因此，岩石的一般线膨胀系数可取2×10-6/℃。

（3）体积变形计算

变形包括应力变化引起的变形和温度变化引起的变形两方面。应力变形又可分为两部分，第一部分为岩石钻碎后的体积变形，第二部分为岩屑上浮过程中应力变化引起的体积变形，

第一部分：

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第二部分，无论在井下10000m还是5000m，上浮过程中压力变化分别为130MPa和65MPa。因此，在此过程中的总体体积变形与第一部分相同，同为0.3%

温度变形计算。假设钻井液到达地面后温度为70°，温度引起的体积膨胀系数取3倍，则

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