石油钻井中都要用哪些固控设备呢？

在石油钻井作业中，钻井液（俗称 “泥浆”）的性能直接决定钻井效率、井下安全与钻井成本。固控设备作为钻井液净化系统的核心，通过去除钻井液中由地层返出的岩屑、固相颗粒及有害杂质，维持钻井液的密度、黏度、切力等关键性能指标，同时实现钻井液的循环复用。一套完整的固控系统通常由五级净化设备组成，按净化精度从低到高依次为：振动筛、除砂器、除泥器、离心机，辅以真空除气器、搅拌器、配浆罐等辅助设备，形成 “粗净化 - 中净化 - 精净化 - 辅助保障” 的全流程处理体系。

一、核心固控设备：五级净化体系

（一）一级净化：振动筛 —— 固控系统的 “第一道防线”

振动筛是钻井液返出井口后接触的首台固控设备，主要作用是去除粒径≥74μm的岩屑和大颗粒固相，承担着 80% 以上的固相清除量，可有效减轻后续设备的处理负荷。

工作原理：钻井液从井口返出后，经导流管进入振动筛的筛箱，筛箱通过电机驱动的偏心块产生高频振动（振幅 5-8mm，频率 1500-3000 次 / 分钟），使钻井液在倾斜的筛网上做抛掷运动。符合要求的钻井液（含细颗粒固相）通过筛网缝隙流入下一级设备，而大颗粒岩屑则沿筛网斜面被抛至排渣口，完成初步分离。

关键参数：

筛网目数：常用 10-32 目（对应粒径 74-1680μm），目数越高，筛网缝隙越小，过滤精度越高；

处理量：根据钻井规模选择，常规陆地钻机配套振动筛处理量为 80-200m³/h，海洋钻机可达 300m³/h 以上；

振动轨迹：分为直线轨迹（适用于高黏度钻井液，排渣效率高）和椭圆轨迹（适用于低黏度钻井液，过滤精度更高）。

应用要点：需根据钻井液黏度、岩屑粒径及时更换筛网，避免筛网堵塞导致钻井液外溢；同时控制筛箱倾斜角度（通常为 15°-25°），平衡排渣效率与过滤精度。

（二）二级净化：除砂器 —— 清除 “砂级” 固相颗粒

经过振动筛处理后，钻井液中仍含有大量20-74μm的砂级固相（密度约 2.65g/cm³），这类颗粒若长期循环，会加剧钻具、泵阀的磨损，还可能导致钻井液密度异常升高。除砂器的核心作用是高效去除砂级固相，保护钻井设备并稳定钻井液性能。

工作原理：基于 “离心沉降” 原理，由砂泵、旋流器、底流收集罐组成。砂泵将振动筛处理后的钻井液以高压力（0.2-0.3MPa）、高流速（5-8m/s）送入旋流器，钻井液在旋流器内部沿筒壁做高速螺旋运动，产生强大的离心力（离心加速度可达重力加速度的 100-300 倍）。密度较大的砂级颗粒在离心力作用下被甩向筒壁，沿筒壁向下运动，从底流口排出（底流为含砂量高的稠浆，需返回振动筛二次处理）；密度较小的钻井液则向中心轴聚集，形成上升的 “内螺旋流”，从溢流口排出，进入下一级除泥器。

关键参数：

旋流器直径：常用 150mm、200mm，直径越小，离心力越大，分离精度越高（150mm 旋流器可分离 20μm 以上颗粒）；

处理量：单台旋流器处理量为 20-50m³/h，实际应用中常采用 “多旋流器并联”（如 6-8 台一组），满足大排量钻井需求；

底流浓度：正常工况下，底流应呈 “伞状喷雾” 形态，若底流呈柱状，说明砂泵压力不足，需及时调整。

（三）三级净化：除泥器 —— 捕捉 “泥级” 超细颗粒

除泥器与除砂器结构相似，核心区别在于旋流器直径更小，主要针对10-20μm的泥级固相（如黏土颗粒、胶体颗粒），这类颗粒会导致钻井液黏度、切力升高，影响钻井液的流动性和携岩能力。

工作原理：同样基于离心沉降，但采用直径更小的旋流器（常用 50mm、75mm），砂泵输送压力更高（0.3-0.4MPa），离心加速度可达 500 倍以上。泥级颗粒在强大离心力作用下从底流排出（底流为含泥量高的细浆，可送入离心机进一步处理），溢流口排出的钻井液固相含量可降至 5% 以下，基本满足钻井循环要求。

应用场景：在黏土含量高的地层（如泥岩、页岩地层）钻井时，除泥器需满负荷运行，避免钻井液 “稠化”；若钻井液需降低黏度，可通过调整除泥器底流排量，增加超细颗粒的去除量。

（四）四级净化：离心机 —— 固控系统的 “精处理终端”

离心机是固控系统中净化精度最高的设备，可去除2-10μm的胶体颗粒、重晶石粉（钻井液加重剂，密度 4.2g/cm³）及有害可溶性盐类，主要用于以下场景：

钻井液密度过高时，分离多余的重晶石粉，降低钻井液密度；

处理含油钻井液，回收钻井液中的基础油；

去除超细固相，控制钻井液黏度，改善其润滑性能。

工作原理：分为卧式螺旋沉降离心机和碟式离心机，钻井作业中以卧式为主。设备由转鼓（转速 2000-4000r/min）和螺旋推料器（与转鼓转速差 5-30r/min）组成，钻井液从进料口进入转鼓后，在高速旋转产生的离心力（离心加速度可达 1000 倍以上）作用下，固相颗粒快速沉降至转鼓内壁，螺旋推料器将沉降的固相推向转鼓小端的排渣口排出；澄清后的钻井液则从转鼓大端的溢流口排出，完成 “固液精分离”。

关键参数：

转鼓转速：转速越高，分离精度越高（4000r/min 可分离 2μm 颗粒）；

差速比：螺旋与转鼓的转速差，差速比越小，固相在转鼓内停留时间越长，分离越彻底，但处理量会降低。

（五）五级净化：真空除气器—— 去除有害气体

钻井过程中，地层中的天然气（如甲烷、硫化氢）、空气会混入钻井液，形成气泡。若气体未及时去除，会导致钻井液密度降低（引发井喷风险）、黏度异常（影响携岩），还可能腐蚀设备。真空除气器作为 “气 - 液分离” 设备，是固控系统的重要补充。

工作原理：设备内部形成真空环境（真空度 0.06-0.08MPa），含气钻井液通过吸入管进入真空罐，在真空作用下，钻井液中的气泡迅速膨胀、破裂，气体被真空泵抽出并排放（或回收）；脱气后的钻井液则通过离心泵排出，返回钻井液循环系统。

应用要点：在深井、高压气层钻井时，真空除气器需连续运行；若钻井液含硫化氢等有毒气体，需配备气体处理装置（如燃烧塔、脱硫设备），避免气体泄漏危害人员安全。

二、辅助固控设备：保障系统稳定运行

（一）钻井液搅拌器

钻井液在罐内静置时，固相颗粒易沉降、分层，导致性能不均。搅拌器通过电机驱动桨叶旋转（转速 60-120r/min），使钻井液形成涡流，维持固相颗粒悬浮状态，同时促进化学处理剂（如降黏剂、降滤失剂）与钻井液的均匀混合。

分类：按安装方式分为立式搅拌器（安装在罐顶，适用于圆形罐）和卧式搅拌器（安装在罐侧，适用于方形罐）；按桨叶形式分为推进式（搅拌效率高，适用于低黏度钻井液）和涡轮式（搅拌范围广，适用于高黏度钻井液）。

（二）钻井液配浆罐与储备罐

配浆罐：用于配制新钻井液，配备搅拌器、加药泵、剪切泵（将高分子聚合物剪切成细小颗粒，提升溶解效率），可根据钻井需求调整钻井液的密度、黏度等参数；

储备罐：用于储存净化后的钻井液，容积通常为钻井循环系统总容积的 1.5-2 倍，确保钻井过程中钻井液供应稳定，同时为应对井漏、井喷等突发情况预留备用量。

（三）砂泵与剪切泵

砂泵：作为除砂器、除泥器的 “动力源”，负责将钻井液加压送入旋流器，要求具备高扬程（20-30m）、高流量（与旋流器处理量匹配）、耐磨损（过流部件采用高铬合金材质）的特点；

剪切泵：主要用于处理高分子聚合物钻井液，通过高速旋转的叶轮（转速 1450r/min）产生剪切力，将聚合物颗粒剪切成微米级，避免颗粒团聚导致钻井液性能不稳定。

三、固控设备的选型与联动原则

匹配钻井规模：陆地浅井（井深＜3000m）可采用 “振动筛 + 除砂器 + 除泥器” 的三级净化系统；陆地深井（井深 3000-6000m）、海洋钻井需配备完整的五级净化系统（含离心机、真空除气器），并提升设备处理量（如采用多旋流器并联、大直径振动筛）；

按地层特性调整：在砂层、砾石层钻井时，需强化振动筛、除砂器的处理能力（选用高目数筛网、大直径旋流器）；在泥岩、页岩地层，需重点启用除泥器、离心机，控制黏土颗粒含量；

联动运行逻辑：钻井液依次通过 “振动筛→除砂器→除泥器→离心机”，每一级设备的溢流口与下一级设备的进料口相连，形成闭环循环；真空除气器通常安装在振动筛之后、除砂器之前，优先去除气体，避免影响后续离心分离效率。

总之，固控设备是石油钻井 “降本增效、安全钻井” 的核心保障，其选型、运行与维护直接关系到钻井作业的成败。一套设计合理、运行稳定的固控系统，可使钻井液复用率提升至 90% 以上，大幅降低钻井液材料消耗，同时减少岩屑排放对环境的污染，实现经济效益与环保效益的双赢。