3.2.1 國內超深井泥漿泵、固控設備基本情況
3.2.1.1 泥漿泵
1）四川勞瑪斯特高勝石油鉆采設備有限公司。泵型號：LGF-1300、LGF-1600。
2）寶雞石油機械有限責任公司。F-2200HL泥漿泵，主要配套9000m以上超深、特深井鉆機以及海洋鉆機。F-1300、F-1600泥漿泵，具有與LTV公司同類FB系列泵相同的制造技術要求和質量。
3）青州石油機械廠。SL3NB-1600，QF-1300、QF-1600系列鉆井泥漿泵為臥式三缸單作用活塞泵。
4）勝利油田高原石油裝備有限責任公司。泵型號：HL3ZB-1600、HL3ZB-1300、HL3ZB-1000。
5）勝利山東長青石油液壓機械有限公司。泵型號：3NB系列鉆井泵、F系列鉆井泵等，如：CQ3NB-1300。
6）德州聯合石油機械有限公司。泵型號：DTF-1600，DTF-1300等。
現在石油壹般用青州石油機械廠生產的3NB-1600較多。
3.2.1.2 固控設備
固控循環系統，它按照振動篩、除砂器、除泥器、除氣器、離心機、剪切泵等五級凈化設備配置而設計，它能夠滿足鉆井液的循環、泥漿加重、剪切及特殊情況下的事故處理等工藝要求。
1）天津大港油田集團中成機械制造有限公司。ZJ70/4500D鉆機固控系統：振動篩型號GW-2；真空除氣器型號ZCQ2/6；除砂器型號ZQJ300×2-1.6×0.6；除泥器型號ZQJ300×2-1.4×0.6；中速離心機型號LW450-1000-N1；砂泵型號；剪切泵型號 WJQ5"×6"-10"。
2）華北石油管理局固控裝備制造配套中心（華北石油太行鉆頭廠）。大港ZJ70D鉆機鉆井液固相控制系統：振動篩、除氣器、除砂清潔器、除泥清潔器、離心機等五級凈化設備。振動篩（美國）型號DERRICK 2E48—90F-3TA；除氣器型號ZCQ1/4；除砂清潔器型號NCS300×2；組合式旋流器（1臺）包括除砂器和除泥器，除泥清潔器型號ZCNQ-120×8；離心機（1臺）（美國）型號BRANDT HS3400。
3）中國石油化工股份有限公司華北分公司。四級凈化設備配備，包括振動篩2臺、除砂器1臺、除泥器1臺、離心機1臺。振動篩型號ZS2×1.15×2/3P；除砂器型號NCJ-227；除泥器型號NJ-861；離心機型號LW355。
4）其他生產廠家還有：唐山澳捷石油機械設備、唐山冠能機械設備有限公司、西安天瑞石油機械設備有限公司、寶雞翌東石油機械有限公司、鉑瑞特機械設備有限公司、唐山市通川石油鉆采設備有限公司等。
固控系統根據鉆井要求配備，壹般現在石油的五級固控系統就能滿足萬米超深井鉆探的要求。
3.2.2 常用的固相控制方法
常用的固相控制方法包括機械清除、化學絮凝、沈澱除砂和稀釋法。
3.2.2.1 機械清除法
通過機械設備來清除鉆井液中的固相，常用的固控設備有振動篩、旋流除砂（泥）器和離心機等。
3.2.2.2 化學絮凝法
在鉆井液中加入適量的絮凝劑（如部分水解聚丙烯酰胺），使細小的固相顆粒聚結成較大顆粒。其中包括全絮凝和選擇性絮凝，全絮凝就是講鉆井液中全部固相。選擇性絮凝則是保留泥漿中的有用固相（膨潤土蒙脫石），絮凝掉泥漿中的無用固相（巖粉）。壹般說來，選擇性絮凝很難達到理想的效果。對於繩索取心來說，絮凝物呈紊狀團塊，密度小，沈降時間長，很多絮凝塊可能又被送入孔內，為鉆桿內壁提供了大量的結垢顆粒。
3.2.2.3 沈澱除砂法
就是通過現場沈澱池和循環槽，利用液流流速驟降，顆粒自重下降，清除掉鉆井液中較大顆粒的巖屑。
3.2.2.4 稀釋法
用清水或新的漿液直接稀釋或替換壹部分性能惡化的鉆井液，使固相含量降低。稀釋法雖然操作簡單、見效快，但會使鉆井液成本顯著增加，替換出的鉆井液的排放還可能會汙染環境。
3.2.3 鉆井液固相控制系統的核心——鉆井液固控離心機
3.2.3.1 技術原理及計算
鉆井液離心機的工作原理及設計思想如下：
離心機主要清除鉆井液中大小為5～40μm的固相顆粒。離心機的工作原理如圖3.1所示，主電動機通過滾筒上的皮帶輪帶動轉鼓高速旋轉，同時帶動行星差速器外齒圈旋轉；輔驅動電動機通過行星差速器中心輪帶動螺旋推進器旋轉。滾筒與推進器轉向相同，但推進器轉速比滾筒轉速略低，使推進器與滾筒之間形成轉速差。由於滾筒高速旋轉，固相顆粒在離心力的作用下貼附於滾筒內壁，被推進器的葉片刮下並推到底流孔排出，經過分離的液相則由溢流孔排出，達到固液分離的目的。
圖3.1 鉆井液離心機結構示意圖
3.2.3.2 離心機處理量與處理粒徑的關系計算
以柱形轉鼓為例進行計算：
固相重力沈降速度：vo=d2Δρg/18μ；
固相在重力場中沈降速度：v=voFr，其中分離因數Fr=ω2r/g；
圖3.2 粒子在柱形轉鼓中運行軌跡
如圖3.2所示，固相從自由液面至轉鼓壁所需時間：
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（上冊）
假定粒子在轉鼓的軸向速度不變，則固相在轉鼓軸向所走沈降區所需時間：
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（上冊）
根據分離條件t1≤t2，可求得離心機的生產能力為：
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（上冊）
將按級數展開，其中r2-r1=h為液層厚度，令，D=2r2變換上式得到
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（上冊）
式中：∑稱為當量沈積面積，又稱為離心機能力指數。由於∑=FrA，而A與Fr均隨r變化，因此取二者乘積的平均值：
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（上冊）
根據上公式計算出的處理量偏大，需要乘以壹個修正系數：
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（上冊）
當離心機的結構參數確定的情況下上式可以轉換為：
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（上冊）
當上式計算出來的值小於流態臨界值時（處理量隨顆粒變化，理想狀態），則離心機符合要求。
當離心機處理量壹定時，則的固相會被清除。
影響鉆井液離心機處理量與處理粒徑的參數比較多，並且相互影響、相互制約。此處只是通過理論計算分析了離心機處理量與處理粒徑之間的關系式，為設計確定離心機結構參數提供了壹些理論原則。由於在整個鉆井過程中，鉆井液密度、黏度和固相含量是不斷變化的，因此，離心機結構參數的優化，還有很多工作要做，這樣才能使離心機發揮最佳工作性能，貼近鉆井工藝的要求。
3.2.3.3 速度關系計算
行星齒輪差速器是離心機最重要的部件之壹，保證主機通過差速傳動實現螺旋推進器與滾筒的差轉速，從而實現了對物料的分離和推料。圖3.3是二級行星齒輪差速器的工作原理圖。下面通過計算分析雙電機驅動與單電機驅動兩種模式下的轉速差與差速比的關系。
圖3.3 二級行星齒輪差速器原理圖
（1）雙電機驅動
根據周轉輪系傳動比公式，可得
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（上冊）
ω8=ω0，ω3=ω5=ω，ω4=ω7代入式（3.2），可得
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（上冊）
將式（3.3）代入式（3.1），可得
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（上冊）
式中：ω1為第壹級太陽輪轉速；ω0為第二級系桿與螺旋推進器的轉速；ω為差速器第壹、第二級內齒圈及滾筒的轉速；z1，z3，z4，z6分別為第壹級太陽輪、第壹級內齒圈、第二級內齒圈和第二級太陽輪齒數；z5，z7分別為第二級內齒圈和第二級太陽輪齒數。
當主驅動電動機未啟動而輔驅動電動機啟動時，則有傳動比
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（上冊）
若令Δω0=ω-ω0為滾筒轉速與螺旋推進器轉速的轉速差，Δω1=ω-ω1為滾筒轉速與差速器輸入轉速的轉速差：則有
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（上冊）
（2）單電機驅動
電機驅動轉鼓，並將原輸入軸固定，即ω1=0。
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（上冊）
可見單電機驅動離心機可通過改變驅動電動機的轉速，來改變滾筒與螺旋推進器的轉速差，從而改變固體顆粒排出速度。
3.2.4 鉆井液固相控制系統選型
以天津大港油田集團中成機械制造有限公司生產的ZJ70/4500D鉆機固控系統為例。
3.2.4.1 概述
ZJ70D鉆機固控循環系統，它按照振動篩、除砂器、除泥器、真空除氣器、中速離心機、剪切泵等五級凈化設備配置而設計，它能夠滿足鉆井液的循環、泥漿加重、剪切及特殊情況下的事故處理等工藝要求。
該系統是綜合了國內外鉆井液循環凈化系統優點的基礎上，結合鉆井工藝的實際需要而設計的新產品，它采用了許多成熟的新工藝、新技術，同時充分考慮了使用過程中的壹些細節問題，具有設計合理、安裝使用方便的特點。
鉆井液凈化系統符合SY/T 6276、ISO/CD14690《石油天然氣工業健康、安全與環境管理體系》，固控系統所有交流電機及控制電路符合防爆要求。工藝流程和設備符合API 13C及相關的標準和規範。
該系統由於采用了集成模塊化，裝卸方便，既滿足公路及鐵路運輸的要求，又滿足吊車裝卸也可用專用搬家車搬運，並能在井場內拖拉。
3.2.4.2 主要技術參數
（1）罐體數量
鉆井液循環罐6個；泥漿材料房1個；泥漿儲備罐2個；原油儲備罐1個；冷卻水罐1個；補給罐1個（固控系統流程布置圖見圖3.4，平面布置圖如圖3.5所示）。
圖3.4 固控系統流程布置圖
圖3.5 固控系統平面布置圖
（2）系統容積（表3.1）
表3.1 固控系統容積
（3）外形尺寸（表3.2）
表3.2 固控系統外形尺寸
（4）安裝方式
鉆井液凈化罐雙排安裝，即1號、2號、3號罐、4號罐為壹排，直線排列；冷卻水罐、5號、6號罐為壹排，直線排列在井場內側；泥漿材料房安裝在4號罐、5號罐壹端；泥漿儲備罐跟4、5號罐擺在壹條直線上；原油儲備罐在3號罐後；補給罐放在1號罐前面。
3.2.4.3 固控系統與鉆機連接尺寸及主要配套設備
（1）連接尺寸
1）井口中心至1號罐側壁的距離5m；
2）井口中心至1號罐壹側罐壁的距離16m；
3）井口中心至1號鉆井泵中心距離22m；
4）三臺鉆井泵（型號F-1600）的中心距4.5m。
（2）泥漿凈化設備及調配設備
主要包括：振動篩、真空除氣器、除砂清潔器、除泥清潔器、離心機、砂泵、灌註泵、加重系統、剪切混合系統。
（3）主要配套設備（表3.3）
表3.3 固控系統主要配套設備
續表
3.2.4.4 鉆井液罐的組成及工作原理
（1）壹號罐
壹號罐為4個倉，分別為補給倉、沈砂倉、壹號除氣倉、二號除氣倉（表3.4）。
表3.4 壹號罐組成及容積
壹號罐前倉為補給倉，沈砂倉底座放置壹臺11kW補給泵和壹臺30kW砂泵。補給泵布置1條吸入管路、1條輸出管路，補給倉內的泥漿來自中壓泥漿管線，可由加重泵提供，為凈化處理後的泥漿，在起鉆過程中可以用補給泵補給泥漿。下鉆過程中泥漿從井口到分配器至補給倉管線流回補給倉。沈砂倉上部裝有振動篩三臺，壹號除氣倉上部裝有真空除氣器壹臺，真空除氣器吸入壹號除氣倉泥漿，30kW砂泵吸入二號除氣倉泥漿接噴射漏鬥，除氣器處理後的泥漿經過噴射漏鬥排至二號除氣倉。二號除氣倉裝有15kW攪拌器壹臺。補給倉、壹號除氣倉和二號除氣倉各裝有旋轉式泥漿槍1套。
（2）二號罐
二號罐為3個倉，分別為除砂倉﹑除泥倉和離心機吸入倉（表3.5）。
表3.5 二號罐組成及容積
二號罐罐面裝有除砂器、除泥器、離心機供液泵各1臺和15kW臥式攪拌器3臺、旋轉式泥漿槍3套。罐右端（從井口方向看）底座裝有除砂泵和除泥泵各1臺，可分別向除砂器和除泥器供液。
（3）三號罐
三號罐分為2個倉，分別為凈化倉和剪切藥品倉（表3.6）。
表3.6 三號罐組成及容積
三號罐裝有2臺15kW臥式攪拌器、旋轉式泥漿槍2臺。罐面配有1個2.5m3藥品罐。罐面裝有1個泥漿化驗房。
（4）四號罐
四號罐分為3個倉。分別為儲備倉、重泥漿倉和剪切藥品倉（表3.7）。
表3.7 四號罐組成及容積
四號罐儲備倉和重泥漿倉裝有15kW攪拌器1臺、旋轉式泥漿槍1臺。剪切藥品倉裝有15kW攪拌器1臺。罐面留有洗眼臺的位置。
（5）五號罐
五號罐分為1個倉，為加重預混倉（表3.8）。
表3.8 五號罐組成及容積
五號罐加重預混倉裝有15kW攪拌器2臺、旋轉式泥漿槍2臺。罐左端（從井口方向看）底座裝有55kW加重泵2臺，罐面裝有2套混合漩流裝置，罐外地面裝有地面加重直噴漏鬥1套。
（6）六號罐
六號罐分1個倉，為鉆井泵吸入倉（表3.9）。
表3.9 6號罐組成及容積
六號罐鉆井泵吸入倉裝有2臺15kW臥式攪拌器，2套旋轉式泥漿槍。
（7）1號和2號泥漿儲備罐組成及容積
1號和2號泥漿儲備罐均分為壹個倉（表3.10）。
表3.10 1號及2號泥漿儲備罐組成及容積
（8）原油儲備罐組成的容積
原油儲備罐分為壹個倉（表3.11）。
表3.11 原油儲備倉容積
3.2.4.5 固控循環系統流程操作
（1）工藝流程特點（圖3.6）
圖3.6 固控循環系統流程
1）工藝流程設計滿足泥漿五級凈化及泥漿調配要求；
2）井口返出泥漿經凈化設備處理及沈澱後，供鉆井泵吸入，也可使用加重系統和剪切混合系統調配泥漿。
3）三臺鉆井泵吸入口，鉆井泵可吸入3號罐、4號罐、5號罐和6號罐各倉泥漿。
4）加重系統可以從3號罐、4號罐、5號罐、6號罐以及泥漿儲備罐任意倉吸入泥漿，並可將加重混合後的泥漿輸送到上述罐任意倉中。
5）剪切混合系統利用4號罐所分隔出的13.4m3剪切藥品倉，進行藥品混合，剪切混合後的藥品可通過輸送管線直接輸送至3號罐上2.5m3藥品罐，可通過泥漿槽加入2號罐、3號罐、4號罐、5號罐、6號罐以及泥漿儲備罐各倉。
6）各罐及各個倉之間有泥漿渡槽或連通管線連接，並裝有可控制液面調節裝置。
7）3號罐、4號罐、5號罐、6號罐以及泥漿儲備罐各倉泥漿的倒換可用加重泵實現。
（2）工藝流程描述
1）鉆井液凈化大循環。
井口出來的泥漿通過管線可分別或同時輸送到3臺振動篩，經過振動篩處理後進入沈砂倉，從沈砂倉出來的泥漿經過泥漿渡槽進入除氣倉，真空除氣器除氣後的泥漿經泥漿渡槽進入除砂倉，除砂泵吸入除砂倉的泥漿，將泥漿通過管線輸送至除砂器，除砂器處理後的泥漿經過泥漿渡槽進入除泥倉，除泥泵吸入除泥倉中的泥漿，將泥漿通過管線輸送至除泥器，除泥器處理後的泥漿經過泥漿渡槽進入中速離心機倉，中速離心機的供液泵吸入中速離心機倉中的泥漿，離心機處理後的泥漿經過泥漿渡槽進入凈化倉，鉆井泵可將其吸入並輸送至井口。
2）加重流程（參考附圖ZJ70D泥漿循環及凈化系統流程圖）。
5號罐為泥漿加重罐，設有兩臺加重泵。
兩臺加重泵都可以吸入3號罐、4號罐、5號罐、6號罐以及泥漿儲備罐各倉的泥漿，並通過旋流器漏鬥加重後，經加重輸送管線將加重後的泥漿送至3號罐、4號罐、5號罐、6號罐以及泥漿儲備罐各個倉。
在泥漿材料房裝有地面加重直噴漏鬥1個，3號罐、4號罐、5號罐、6號罐和泥漿儲備罐也可通過地面加重漏鬥進行加重。
兩臺加重泵可實現互為備用，即有壹臺加重泵出現故障，則另壹臺通過轉換吸入和輸出閥門便可代替其工作（流程圖中加重泵吸入閥1～9為加重泵吸入各倉的罐底閥，加重泵輸送閥1～9為加重泵排入各倉閥門）。
（3）鉆井泵吸入流程
鉆井泵可吸入3號罐、4號罐、5號罐、6號罐各倉泥漿。無須調撥泵調撥（流程圖中鉆井泵吸入閥1～8為鉆井泵吸入各倉的罐底閥）。
（4）灌註流程
每個鉆井泵的左側安放壹臺灌註泵可以直接從3號罐、4號罐、5號罐、6號罐各倉吸入泥漿，為3臺鉆井泵進行泥漿灌註。
（5）剪切混合流程
剪切泵從4號罐所分隔出的13.4m3剪切倉內吸入泥漿，可進行反復剪切混合，剪切混合後的藥品可通過輸送管線輸送至3號罐上2.5m3藥品罐，藥品罐藥品可通過泥漿槽加入2號罐、3號罐、4號罐、5號罐、6號罐以及泥漿儲備罐各倉。
（6）泥漿補給流程
壹號罐前倉為補給倉，補給倉前擺放壹個補給罐，沈砂倉底座放置壹臺11kW補給泵（1號），補給罐中也安裝11kW補給泵（2號）壹臺。補給泵配有吸入、輸出管路，補給倉和補給罐內的泥漿來自中壓泥漿管線，可由加重泵提供，為凈化處理後的泥漿，在起鉆過程中可以用補給泵補給泥漿。下鉆過程中泥漿從井口到分配器至補給罐管線流回補給倉。1號補給泵可以從補給倉中將泥漿打到補給罐中，另外，在沈砂倉清砂前，1號補給泵可通過另壹條通至沈砂倉的吸入管線，將沈砂倉中的泥漿倒至補給倉或補給罐。