深井固控系统分级设备
钻井液固相控制(简称固控)系统就是对钻井液中的有害固相颗粒进行控制，通过科学地布置固控设备，形成合理、高效的固控流程，可以清除钻井液中的有害固相，保留有用固相，满足钻井工艺对钻井液性能的要求。
深井钻井液固控系统采用五级固控，固控流程如下：
一级固控——去除大颗粒。经井底循环返回的钻井液中含有较大的钻屑，钻井液经井口至1#罐的连接管进入振动筛，通过振动筛将钻井液中粒度大于74μm的钻屑颗粒筛分出来，完成一级固控。
二级固控——清除气体。真空除气器是用于去除在钻井过程中侵入钻井液的气体的专用钻井液处理设备，它能够迅速、有效地清除钻井液中所含的气体(包括空气)，除气器对于恢复钻井液密度、防止潜在井喷、井塌危险的发生具有重要作用。
三级固控——去除较大颗粒。经过振动筛处理后的钻井液进入到除砂器中，除砂器将钻井液较大的砂粒(粒度44μm～74μm)分离出来，完成除砂过程，即为三级固控。
四级固控——去除小颗粒。经过除砂器处理后的钻井液进入到除泥器中，除泥器将钻井液小的砂粒（粒度15μm～44μm)分离出来，完成除泥过程，即为四级固控。
五级固控——去除较小颗粒。经过除泥器处理后的钻井液进入到离心机中，离心机将钻井液较小的砂（粒度2μm～15μm)分离出来，完成离心过程，即为五级固控。
五级固控全部采用主要用于复杂井况和要求较高的井况，在实际使用过程中，可以根据钻井作业的需要，
采用其中的一级或几级固控流程。经过五级固控设备后的钻井液固相含量，可以完全达到国内钻井作业对钻井液质量的要求。
固控设备的分离点
分离点（cut point）用于表明固控设备在给定时刻的分离特性。在分离点数据评价中，不仅要考虑固控设备的性能，好要考虑钻井液的性能。分离点曲线可根据收集的数据绘制而成，它表征在收集数据的某一确定的时刻，某特定尺寸的固相通过固控设备或被固控设备清除的几率。因此，分离点曲线是固相物理性质（如密度）、固相粒径分布以及固相设备自身状况（如密封能力）和钻井液性能的函数。
所有固控设备的分离点都可以被测定比较从固控设备中排出的不同尺寸固相的质量流速和相同尺寸固相进入设备的质量流速即可得到。当测试特定的固控设备时，应知道固控设备的注入流速和固控设备排出和底流流速。显然，设备排出质量流速的总和必须等于设备的注入质量流速。通常，排出流的部分被废弃，而另一部分留在钻井液中。在测量各种液流的固相大小之前，应先校验是否满足质量平衡方程，即体积流速平衡和质量流速平衡。
固控设备仅清除了进入设备的钻井液中的一部分固相，例如，除泥器中4英寸旋流器处理钻井液能力大50gal/min，但只能清除大约1gal/min固相物质。排出的固相物质占处理量的比例很小，以至于很难测量保留下液体与注入流的差别。所以为了得到更精确的注入固相浓度，用排出液流中固相的浓度加上底流中固相的浓度来计算注入流中的固相浓度。
为了确定注入流特定尺寸固相的质量流速和废弃流中相同尺寸颗粒的质量流速，需要测量流速和固相浓度。尽管废弃体积流速一般相对较低，但测量注入流速要求使用流速计或计量泵。
对于钻井液振动筛来说，振动筛注入流速等于钻井液在井眼环空的速率。可以控制钻井液泵排量以提供精确的注入流速。钻井时，将钻井泵从吸入泥浆罐移到加重泥浆罐，测量钻井液加重泥浆罐的下降速度。加重泥浆罐中的钻井液含有液体和气体。因此，必须从加重泥浆罐时所吸抽取钻井液体积中减去气体的体积。气体体积分数由加压钻井液和非加压钻井液之差除以加压钻井液的体积，乘以100得到。如果除泥器或钻井液离心机由砂泵作为供浆泵，就需用其他类型的流速计来精确测定流速。流速计可以用刻度的大容器和秒表来代替。由于离心式砂泵底流中颗粒含量很高，所以很难测量设备底流体积流速。在容器内部划好标定线以供体积测量。向泥浆罐中注入大量水，并把泥浆罐和安装在泥浆罐顶部的离心机相连。当泥浆罐中的钻井液流入钻井液离心机时，秒表开始计时，可以观测水位的变化。两线之间已知体积除以时间得出排放体积速率。底流或高密度钻井液典型样品用于底流密度测量。取信测量的质量和体积流量平衡后，就可确定废弃和底流中的颗粒尺寸。
测量钻井液振动筛和除泥器注入流和排放流的速率需要更大的容器，不能直接称量或测量他们的体积。留在钻井液的必须用典型样品确定不同尺寸颗粒的质量。
对于钻井液离心机和除泥器来说，必须使用精确到微米级的仪器来测量固相的尺寸。钻井液振动筛可使用筛网来测量，因为分离点范围在美国测量实验协会（ASTM）确定的筛网级别之内。径粒不同测量所需仪器也不同，测量小直径颗粒必须选用更精确的实验设备，实验室需用激光仪。
废弃钻井液样品含有的固相和液相。对于钻井液振动筛的废弃流来说，留在ASTM测试筛网上的颗粒质量可通过称量干燥后的固相直接测量。对于除泥器底流和钻井液离心机的底流（重钻井液）废弃液流来说，必须用固相的密度来确定颗粒的质量分数。
利用一系列钻井液标准振动筛，通过测定注入流和废弃流、底流中固相颗粒大小，就可以测量钻井液振动筛的分离点。注入流和废弃流底流的流速一旦确定，各股流每种筛网排放液中颗粒的质量流速与注入液中相同尺寸颗粒的质量流速是有区别的。
用此方法，注入液流样品仅仅是总液流中一小部分，因为误差可能会导致质量不守恒。更好的方法是用废弃液流和底流作为样本，将两种液流中颗粒的分布结合起来建立更精确的分离点曲线。这种方法可以用于注入液流流速远大于废弃液流速的固控设备。
取固控设备中废弃液和底流样品进行分析。测量所有液流的密度。废弃液流的体积流速通过将所有废弃液至于容器（该容器是钻井液振动筛废弃段的工作状态完好的部分沟槽）中的办法来测量。废弃液的质量流速除以废弃液的密度或钻井液的密度，即为废弃液的体积流速。现场钻井固控设备的排量即为注入体积流速。注入质量流速由钻井液的液相清洗多余的钻井液，彻底烘干筛分样本，测量即为注入体积流速。注入质量流速由钻井液钻井液密度乘以循环流速计算。用一系列尺寸分布广泛的筛分湿样本，用钻井液的液相清洗多余的钻井液，彻底烘干筛分的样本，测量筛下的固相颗粒的质量，计算注入废弃流和底流的流速。为确定筛网分离点曲线，废弃液流中特定尺寸颗粒的量必须与进入筛网相同尺寸颗粒的量相比较。虽然可以收集所有的废弃液流，也可以确定所有废弃的特定尺寸颗粒的质量。但是，在废弃液流被收集期间，试图手机筛网的所有流体是不切实际的。例如，如果现场井眼中循环流量是500加仑/分钟，手机废弃样品3.5分钟，那么通过钻井液振动筛排出流应是1750加仑。如果钻井液密度为9.2lb/gal，那么，就意味着16100lb钻井液通过钻井液振动筛。3.5分钟内钻井液振动筛处理的总固相为113.75加仑（1750加仑的6.5%）。以为收集和筛分如此大量的固相是不切实际的，所以通过钻井液振动筛底流氧泵作为样本，来确定通过钻井液振动筛的颗粒浓度和大小分布是比较实际的。必须测量底流样本的流速和每种筛网固相的质量，以上干固相的流速只用于计算，而不是用于特定的时间内收集所有颗粒的原因。
与每种筛布对应的注入流质量流速也可以确定，底流筛布的废弃液流和注入流的流速，确定固控设备中废弃固相的百分数。固相大小与清除的固相百分数建立分离点曲线。
分离点曲线显示了各种尺寸的固相进入固控设备和被固控设备清除的分数。例如，D50分离点是Y轴上50%的点与分离点X轴上相对应的颗粒尺寸的交点。这个分离点表示注入固控设备的颗粒尺寸有50%机会通过设备，有50%的机会被排除设备。通常固相分布曲线被标示为分离点曲线是不正确的。分离点曲线表明被分离的不同尺寸颗粒的分级，他们在很大程度上依赖于钻井液参数，并表明在手机数据时刻固控设备的工作性能。固控设备的分离点取决于设备的性能和钻井液的性能。
接下来分布介绍分析粒径大小的方法和用分离点曲线计算分离点。然后，以钻井液振动筛为例介绍数据如何收集和处理，从实例中获许多的有用信息。这种方法最适用于钻井液振动筛分离点分析，由于钻井液振动筛筛网不可能很细，所以分析至API400目筛网即可。
绘制除泥器除砂器中旋流器和钻井液中离心机分离点曲线应使用非筛分方法。大约635目筛网测量固相颗粒大小是筛分分析的极限。
泥浆清洁器的安装、操作和其他用途
泥浆清洁器在钻井系统中的安装
在钻井系统中，泥浆清洁器通常与除泥器安放在同一个位置。除泥器或水利旋流器（泥浆清洁器）通常用于处理未加重的钻井液泥浆，处理含重晶石或 赤铁钻井液泥浆需要使用钻井液振动筛。水利旋流器过滤的固相尺寸通常比重晶石要大，剩下的尺寸较小部分就和液相一起返回钻井液中。使用提示， 加入了重晶石，就应使用钻井液振动筛。
另一种用主钻井液振动筛代替钻井液泥浆清洁器的方法，通常用在海上钻井过程中。使用直线型或者平动椭圆钻井液振动筛处理上部井眼的流体，少用钻井液振动筛处理井眼尺寸减小和钻井液泥浆密度增大的流体。现场需要做一些调整，可以在钻井液振动筛上安装多达20个4英寸的水利旋流器。正常情况下水利旋流器的进料和上溢流。一般情况下所有除泥器清除非加重钻井液的底流被废弃，而钻井液振动筛处理来自防溢管的钻井液。这通常是最大的
流速。随着井深不断增加，需要使用加重钻井液，这时流速就会降低。加入重晶石后，关闭阀门阻止钻井液流入到振动筛。当除泥器底流转移到振动筛上时，钻井液振动筛就变成了泥浆清洁器。
钻井液泥浆清洁器的操作。
井场第一次使用泥浆清洁器处理加重钻井液，应该将泥浆清洁器关闭。第一个循环周会清除大量重晶石。实际上，这表明钻井液泥浆罐没有垂直安装。
钻井液泥浆枪将钻井液从添加或吸入部分反抽加入到清除罐中。符合API标准的重晶石仍有一大部分会被200目的筛网（74微米）清除。如果重晶石能够 通过钻头喷嘴，那么这些重晶石就会被分散开，也不会被筛网除去。
经常听见这样的评论：加重钻井液最初通过泥浆清洁器，“全部重晶石都会被清除”。为什么会这样呢？钻井液密度降低，需要加入多余正常加量的重晶 石来维持密度，当固相（重晶石或钻屑从钻井液清除后，钻井液密度就会降低。实际上，无论这些关系是钻屑、重晶石、金、银还是钻石，去除所有大于74微米的固相，对于减少钻井事故是非常有用的。因为这些固相会形成不致密的泥饼，导致卡钻。泥浆清洁器去除固相的情形与钻井液离心机处理加重钻井液或底流相似。虽然看上去会清除很多的重晶石，但测试表明，是是不是这样的。
API规定重晶石中可以有3%重量的重晶石大于74微米。100000lb重晶石，就有3000的重晶石被API200的筛网给过滤掉。因为这个原因，加料隔舱中的钻井液泥浆不应从上流循环，主钻井液振动筛也会去除大部分尺寸大于API200目的重晶石。重晶石的作用就不会很明显，因为钻井液的质量通常决定振动筛清除物的量。
泥浆清洁器清除钻井泥浆中的固相和通过钻井液离心机分离的固相原理是相似的。固相浓度大约60%，液体大约40%。在刚开始，液体量大看起来不合理。研究人员频繁取沙子检查各种情况下油的回收过程。如果沙筒空隙达到33%～35%，沙筒非常紧密。如沙滩上的沙子，当潮水退去的时候，他们含水40%，它们不用排水就能形成一个沙丘。通过钻井液泥浆清洁器筛网的钻井液泥浆与来自钻井液离心机底流的泥水含有相同的液相体积百分数。
泥浆清洁器就像钻井液振动筛一样能连续处理钻井液。泥浆清洁器的筛网可以阻止较大的钻屑颗粒进入钻井液体系中。偶尔停止操作泥浆清洁器也能使固相留在钻井液体系中。这些较大的固相被研磨成较小尺寸时，更难清除了。钻井液离心机可以去除加重钻井液中较小的固相，但是它不能处理所有的钻井流体。如果连续使用泥浆清洁器，就能在较大固相被研磨碎之前把固相清除掉。
再次注意，钻井液泥浆清洁器与钻井液离心机互为补充，并非排斥。泥浆清洁器用于除去比重晶石尺寸大的固相，而钻井液离心机用于除去那些比重晶石小的固相。
泥浆清洁器的其他用途
泥浆清洁器的另外的用途是用于隧道掘进、非开挖工程和盾构工程。。这些工程的现场主要在路下面、湖或河流底等处，用作输气管线、光缆通道或者用在循环钻井液的其他安装现场。通常，泥浆配置和处理在这些工程中是一个棘手的问题。所以这些小型钻井系统，在循环系统第一个泥浆罐上面安装一台泥浆清洁器。泥浆清洁器的筛网清除固相，剩下钻井液泥浆再返回到泥浆罐中。这里所用的筛网的尺寸和金属线的直径都要大于油田钻井过程中所使用的筛网。使用这些筛网的目的是清除钻屑中的水分并且尽可能多地将液相返回到钻井液泥浆中。这些工程掘进产生的固相比油田钻井中所产生的固相对钻井液泥浆的破坏性要小，所以，泥浆清洁器中的这些筛网的开口尺寸要大于油田钻井过程中使用的筛网的开口尺寸。
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固控系统中各级设备的使用
为了保证将井底钻屑携带到地面，钻井液必须有足够的上返速度。为此，必须根据井径大小和钻机能力来决定钻井泵的排量。选择固控设备必须从要清除的固相颗粒范围和处理量两方面考虑。
- 钻井液振动筛：钻井液振动筛是清除钻井液中固相的第一级设备，并且在整个钻井过程中都必须使用。钻井液振动筛的清除范围由所使用的筛网决定，而其处理量由于筛网规格有关。筛网目数越大，处理量越小，目数越小，清除的固控颗粒越小，清除的固相越多。
- 真空除气器：真空除气器用来清除气侵钻井液中的气体，其处理能力应达到全流量处理。真空除气器必须置于钻井液振动筛之后砂泵之前来处理钻井液。因为钻井液中含有气体时，砂泵将发生气蚀，气蚀不但使砂泵性能下降，产生噪音和振动，寿命缩短，严重时会使砂泵无法工作或损坏。
真空除气器的功能有两点：
一是保证钻井液性能相对稳定，防止井喷、井涌事故，确保钻井安全；
二是保证旋流器能正常工作。在钻中深探井、气井、和含气油井时，必须配备真空除气器。
- 除砂器和除泥器：除砂器和除泥器都是由一组水力旋流器和一个细目振动筛组成。除砂器应在钻井液振动筛之后作为第二级固控设备，用来清除44~74μm的固相颗粒； 而除泥器应作为第三级固控设备，用来清除15~44μm的固相颗粒。
- 钻井液离心机：作为最后一级
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固控设备对泥浆的逐步净化
固控设备在泥浆净化处理的时候需要对不同阶段的泥浆进行逐步的清理。
当钻井泥浆里出现气侵时，通过钻井液振动筛净化的泥浆进入泥浆净化罐的沉砂仓内，然后利用除气器真空泵的抽吸作用，在真空罐内造成负压的，使泥浆在大气压的作用下进入除气器内进行分离，分理出的气体在排往井架顶部放空，除气后的泥浆在排空腔转子的驱动下排进泥浆罐中。
当固控设备中的泥浆为加重状态时，由于离心机不但会将有害固相清除，还会将泥浆中的加重材料重晶石一并清除，这将会造成泥浆比重很快降低，加重材料大量流失，为了避免加重材料的损失并达到清除有害固相的目的，需要利用两台离心机串联使用，中速的离心机的供液泵自泥浆罐中提出的加重泥浆经过离心机处理，处理后的泥浆进入泥浆净化罐中。
在固控设备中的泥浆中没有气体的情况下，我们可以将除气器作为大功率的泥浆搅拌器使用，然后保持净化罐内的泥浆不沉淀，在通过振动筛得到净化的泥浆。排出的底流排到中速离心机下部的专用罐内，利用专用的供浆泵将其泵入第二级高速离心机内进行再次分离，分离后含有重晶的泥浆返回泥浆净化罐内，保持泥浆的性能稳定。
