固相控制
8.3.1 固控設備（圖8.12至圖8.14；表8.1）
圖8.12 F-1600HL 泥漿泵
圖8.13 美國DERRICK公司固控系統（振動篩、除砂器、除泥器）
圖8.14 離心機
表8.1 FL-1600泥漿泵的技術參數
8.3.2 固相含量控制設計
（1）鉆井液振動篩GNZS系列鉆井液振動篩是用於鉆井泥漿凈化系統壹級固控設備，該振動篩吸取國內外同類產品的設計經驗和先進技術，采用進口的激振電機。該鉆井液振動篩可以根據需求實際改造成雙聯或三聯。同時該設備也可作為泥漿清潔器的底流振動篩用。該鉆井液振動篩具有振動強度高、篩分面積大、篩箱角度可調、結構緊湊、性能卓越、性價比高等優點。如圖8.15所示。
圖8.15 鉆井液振動篩
該鉆井液振動篩參數如表8.2所示。
表8.2 鉆井液振動篩技術參數
GNZS系列直線振動篩廣泛應用於石油鉆井、冶金、建材、化工、耐火、水泥、陶瓷、糧食、食品等各行各業中，用於對各種物料不同程度的分級作業。它可用於流水線作業中，實現自動化。
GNZS系列直線振動篩與其他類型的振動篩相比具有以下特點：
1）體積小，重量輕，結構簡單，安裝方便，維修容易。
2）噪聲小，耗能少，效率高，造價低。
3）篩分精度高，無粉塵汙染，有利於環境保護。
4）可更換多種振動篩篩網，使用壽命長。
（2）鉆井液除砂器
ZQJ系列旋流除泥器是處理鉆井液的二、三級固控設備，根據旋流器直徑的大小不同，分為除砂器和除泥器。壹般6in以下的旋流器組合稱為除泥器，是鉆井作業中的三級固控設備，常用的是5in和4in旋流器，主要用於分離鉆井液中粒度為15～47μm的固相顆粒。根據要求的處理量大小，選擇幾組旋流器組合成除泥器。冠能固控的旋流除泥器廣泛應用於石油鉆井，水平定向鉆井的旋流除泥分離。如圖8.16所示。
該旋流除砂器參數如表8.3所示。
鉆井液除砂器由進液管、排砂錐鬥和排砂口構成，排砂錐鬥內，設有旋轉構件，旋轉構件的筒壁開有分離窗，旋轉構件的上部筒壁、壹組錐形槽和進液管構成鉆井液上升構件，除砂器的葉片布置在旋轉構件的內底，排砂調節器控制排砂量。鉆井液由進液管進入旋轉構件，經葉片離心旋轉，液體上升到分離窗處時砂粒與鉆井液分離，砂粒經分離窗排到排砂錐鬥內，分離後的鉆井液進入到上升構件，鉆井液由錐形槽的排液口進入鉆井液槽內。排砂錐鬥內的砂粒，經排砂調節器控制的排砂口排出。
圖8.16 旋流除砂器
表8.3 旋流除砂器技術參數
（3）鉆井液除泥器
旋流除泥器是處理鉆井液的二、三級固控設備，根據旋流器直徑的大小不同，分為除砂器和除泥器。壹般6in以下的旋流器組合稱為除泥器，是鉆井作業中的三級固控設備，常用的是5in和4in旋流器，主要用於分離鉆井液中粒度為15～47μm的固相顆粒。根據客戶要求處理量的大小，選擇幾組旋流器組合成除泥器。冠能固控的旋流除泥器廣泛應用於石油鉆井，水平定向鉆井的旋流除泥分離。如圖8.17所示。
該旋流除泥器參數表8.4所示。
鉆井液除泥器，分離能力高，分離粒度範圍廣；旋流器底流口呈帶壓傘狀“濕底”排砂使分離區內的顆粒能迅速排出，減少了底流口堵塞的概率；先進的小型兩篩網泥漿振動篩處理量大，噪聲小，篩網壽命長；對稱的進液機構使旋流分配合理、工作穩定。
（4）鉆井液離心機
LW系列鉆井液臥式螺旋卸料沈降離心機（Decanting Centrifuge）是針對石油鉆井液的特點，設計的固液分離專用設備，可在全速運轉下完成進料、離心沈降、卸料等各道工序，主要用於回收重晶石，清除細小固體，降低鉆井液的固體含量，控制鉆井液的密度、黏度，保證鉆井液的性能以及對快速鉆井均有重要作用。鉆井液臥式螺旋卸料沈降離心機是利用離心沈降原理對鉆井懸浮液進行分離，懸浮液由進料管經螺旋推料器中出液孔進入轉鼓，在離心力的作用下固相顆粒被推向轉鼓內壁，通過螺旋推料器上的葉片推至轉鼓小端排渣口排出，液相則通過轉鼓大端的溢流孔溢出。如此不斷循環，以達到連續分離的目的。沈降型離心機屬於臥式螺旋離心機範疇，全稱臥式螺旋沈降型離心機。如圖8.18所示。
圖8.17 旋流除砂器
表8.4 旋流除泥器參數
鉆井液離心機參數如表8.5所示。
LW系列油田離心機由主機、供液系統和控制系統三大部分組成，大容量離心機同高速離心機配套使用，可以實現三篩、兩機固控系統方案，從而簡化了固控系統，減少用點功率，提高了凈化效率。臥式螺旋離心機具有其他離心機不可比的優點：
1）對物料的適應性較大，能分離的固相粒度範圍廣0.005～2mm，在固相粒度大小不均時也能照常分離。
圖8.18 鉆井液離心機
表8.5 鉆井液離心機相關參數
2）能自動、連續、長期運轉，維修方便，能夠進行封閉操作。
3）單機生產能力大，結構緊湊，占地小，操作費用低。
4）可以實現遠程自動化控制。
8.3.3 鉆屑體積變形分析
8.3.3.1 井下狀態分析
在井下10000m處主要為巖漿巖，5000m處有為沈積巖。深層的巖漿巖主要有花崗巖、閃長巖、輝長巖、橄欖巖等。深層沈積巖有砂巖、灰巖、白雲巖、石灰巖等。
根據海姆假說：在巖體深處的初始垂直應力與其上覆巖體的重力成正比，而水平應力大致與垂直應力相等。而對於5000m及10000m屬於深部，地應力計算應該遵循海姆假說。
在不考慮地層的構造應力，僅考慮自重應力的情況下（巖石密度取2.6g/cm3（2.5～2.8g/cm3），鉆井液密度取1.3g/cm3）巖石應力為：
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（中冊）
鉆井液應力為：
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（中冊）
地溫計算，地殼的近似平均地熱梯度是每千米25℃，這裏取每百米3℃，地表取為0。
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（中冊）
8.3.3.2 溫度和壓力對巖石彈性模量的影響
（1）自重應力及高圍巖壓力對巖石彈性模量影響
1）巖石抗壓強度：三軸等壓強度>三軸不等壓強度>單軸抗壓強度，所以深部地層巖石的抗壓強度要較單軸情況下大很多。
2）巖石的變形：三軸等壓下變形
所以三向高應力條件下，抗壓強度大很多，變形要較小，因此，在三向高應力下彈性模量可取單軸下的2～3倍，見圖8.19。
圖8.19 砂巖不同圍巖下應力應變
（2）溫度對彈性模量影響（圖8.20，圖8.21）
圖8.20 溫度對砂巖及石灰巖彈性模量的影響
圖8.21 溫度對花崗巖等彈性模量的影響
因此，300°時彈性模量可略取常規下的80%，150°下可取常規下的90%。
8.3.3.3 巖屑變形量計算
（1）選取巖石彈性模量，見表8.6。
表8.6 部分巖石的彈性模量
所以，粗略的巖漿巖的彈性模量可取80GPa，沈積巖的彈性模量可取40GPa。
（2）確定巖石線彈性系數，見表8.7。
表8.7 部分巖石的線膨脹系數
因此，巖石的壹般線膨脹系數可取2×10-6/℃。
（3）體積變形計算
變形包括應力變化引起的變形和溫度變化引起的變形兩方面。應力變形又可分為兩部分，第壹部分為巖石鉆碎後的體積變形，第二部分為巖屑上浮過程中應力變化引起的體積變形，
第壹部分：
科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（中冊）
第二部分，無論在井下10000m還是5000m，上浮過程中壓力變化分別為130MPa和65MPa。因此，在此過程中的總體體積變形與第壹部分相同，同為0.3%
溫度變形計算。假設鉆井液到達地面後溫度為70°，溫度引起的體積膨脹系數取3倍，則
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