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钻井固控教学系统使用说明
USER’S MANUAL OF SOLIDS CONTROL TEACHING SYSTEM

山东中石大石仪科技有限公司
SHANDONG SHIYI SCIENCE AND TECHNOLOGY CO.LTD.OF U.P.C

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目 录
前 言 1
第一章 概 述 2
1.功能 2
2.特点 2
3.技术参数 2
第二章 产品结构 3
1.起升系统 3
1.1绞车 4
1.2天车 4
1.3游车 4
1.4井架 5
2泥浆循环系统 5
2.1水龙头 5
2.2 钻杆 7
2.3钻井泵 7
2.4泥浆罐 7
3固控设备 8
3.1振动筛 8
3.2除砂器 9
3.3除泥器 9
3.4离心机 10
3.5旋流混合漏斗 11
3.6搅拌器 11

固控教学系统使用说明 山东中石大石仪科技有限公司
前 言
钻井固控教学系统选用石油钻井现场泥浆净化系统作为制作蓝本，按比例设计制作，涉及到固控设备、泥浆循环、系统控制、流体力学等多门学科，适用于大中专院校、职工培训等多层次课堂教学，以培养复合型、交叉型的人才。本平台集演示和操作于一体，实现了泥浆循环、固控设备的调节与操作等功能。
钻井固控教学系统在教学实践中的应用，在使学员对泥浆净化系统的布局、固控系统主要设备、管汇安装等进行初步了解的同时，还可通过演示操作来加深学员对钻井现场的认识。
第一章 概 述
1.功能
1) 演示井场布局
可较全面的演示钻井固控系统现场所需的泥浆池、振动筛、除砂器、除泥器、离心机、泥浆泵等的合理摆放。
2)动态演示固控系统各设备的结构及原理
①振动筛：演示全泥浆净化设备——振动筛的结构、振动原理及除砂过程。
②除砂器：演示固控系统第二级除砂设备的结构及除砂过程。
③除泥器：演示固控系统第三级除砂设备的结构及原理。
④离心机：演示固控系统第四级除砂设备的结构及原理。
⑤泥浆池：演示泥浆池的结构和泥浆循环及逐级沉淀澄清的动作过程。
⑥混合漏斗：演示泥浆添加系统的结构及工作原理。
⑦钻井泵：演示为泥浆提供压力和动力的设备结构和工作原理。
⑧并泵管汇：演示泥浆由钻井泵经并泵管汇流向立管的过程。
3)在教师的指导下，对振动筛进行换筛网、调节筛角等操作。
4)在教师的指导下，对钻井泵冲次进行调节操作。
学员可亲自动手操作，即可实现下钻、起钻等基本钻井操作，也可进行振动筛、除砂器、除泥器、离心机、钻井泵等固控系统各设备的操作。
2.特点
1)针对性强 专门应用于石油院校及油田职工培训；
2)仿真性好 本产品按照XJ350修井机的结构设计制造；
3)设计合理 产品结构紧凑、平稳、坚固，便于操作训练。
3.技术参数
提升系统最大绳系：7×6
提升系统滑轮外径：120mm
动力驱动形式：电动
第二章 产品结构
固控教学系统主要包括钻井起升系统、泥浆循环系统、固控设备等。其中钻井起升系统包括井架、天车、游车、绞车等；泥浆循环系统包括井筒、水龙头、立管、并泵管汇、钻井泵、泥浆罐等；固控设备包括振动筛、除砂器、除泥器、离心机、搅拌器、混合漏斗等。
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1.泥浆罐 2.振动筛 3.除砂器 4.除泥器 5.离心机 6.井筒 7.并泵管汇 8.钻杆
9.钻井泵 10.搅拌器 11.混合漏斗 12.立管 13.水龙头 14.游车 15.井架 16.天车
图2.1 固控教学系统
1.起升系统
为了起下钻、下套管、控制钻压及钻头钻进等，钻机配备有一套起升设备，以辅助完成钻井生产，主要由钻井绞车、游动系统（天车、游车、大绳）和井架机构组成。另外，还有用于起下钻操作的井口工具及机械化设备，如吊环、吊卡、动力大钳、立根移运机构等。
1.1绞车
钻井绞车不仅是起升系统设备，也是整个钻机的核心部件，是钻机三大工作组之一。它是一台多智能的起重工作机。主要由以下部分组成：
①滚筒及滚筒轴总成 这是绞车的核心部件。
②制动机构 包括机械刹车和水刹车、电磁刹车、伊顿刹车。
③锚头和锚头轴总成 用以上卸丝扣、起吊重物；有的重型钻机绞车上还包括捞砂滚筒，用以提取岩心筒。
④传动系统 引入并分配动力和传递运动。
⑤控制系统 包括牙嵌式、齿式、气动离合器，司钻控制台，控制阀件等，一般都属于钻机控制系统的组成部分。
⑥支撑系统 有焊接的框架式支架或密闭箱壳式座架。
1.2天车
天车是钻机提升系统的固定部分，安装在井架顶部的定滑轮组,与游车用钢丝绳联系组成一套滑轮系统，它承受最大钩载和快绳、死绳的拉力，并把这些载荷传递到井架和底座上，在最大钩载一定的情况下游动系统绳数越多，快绳的拉力越小，从而可减轻钻机绞车在钻井各种作业(起下钻、下套管、钻进、悬挂钻具)中的负荷并减少发动机组的配备功率。

图2.1 天车
1.3游车
在井架内部上下往复运动的动滑轮组。与大绳、天车共同构成游动系统。主要由滑轮、轴承、侧板、侧护板、滑轮轴、吊梁等组成用于悬吊和起下钻柱杆、更换钻头、下套管等作业。

1.吊环 2.吊环销 3.吊环座 4.吊板 5.15.17.20.六角开槽薄螺母 6.吊板销 7.侧板 8.滑轮
9.轴承 10.小圆螺母 11.丝堵 12.滑轮轴 13.短轴套 14.侧护板销 16.吊梁销 18.吊梁 19.轴套
图3.2 游车模型
1.4井架
井架用来支撑全重量，钻井工艺要求它具有足够的承载能力以保证能起下一定深度的钻柱和下放一定深度的套管柱，还要求具有足够的工作高度和空间，足够的钻台面积。
井架可分为塔形井架、A型井架、桅形井架和π型井架（即前开口型井架）。其中前开口形井架本体分成四五段，各段一般为焊接的整体结构，段间采用锥销定位和螺栓连接，地面或接近地面水平安装，整体起放，分段运输；因受运输尺寸限制，井架本体截面尺寸比塔形井架小。为方便游动系统设备上下畅行无阻和便于放置立根，井架做成前扇敞开、截面为Π型不封闭空间结构。井架各段两侧扇桁架结构形式相同。为保证司钻良好的视野，背扇采用不同的腹杆布置形式。在钻深井方面，多采用该井架。
2泥浆循环系统
为了及时清洗井底、携带岩屑、保护井壁，钻机配备有全套钻井液的循环设备。
2.1水龙头
水龙头通过提环挂在大钩上，上部通过鹅警管与很长的水龙带相连，下部接方钻杆，连接下井钻具，是钻机中非常具有专业特点的设备。悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分以至全部钻具重量；向转动着的钻杆柱内引输高压钻井液，是提升、旋转、循环三大工作机组交汇的“关节”部件，在钻机组成中占有重要的地位。

1.中心管 2.壳体 3.推力球轴承 4.圆锥滚子轴承 5.10.螺栓
6.浮动冲关 7.上盖 8.鹅颈管 9.提环 11.缓冲器
图2.2 水龙头
水龙头主要由承载系统、钻井液系统、辅助系统三部分组成。①承载系统主要包括中心管、方钻杆接头、壳体、耳轴、提环和主轴承等。井中钻具通过方钻杆加到中心管上；中心管通过主轴承座在壳体上，经耳轴、提环将载荷传给大钩。②钻井液系统包括鹅径管、钻井液冲管总成等。高压钻井液经鹅径管进入冲管后，流进旋转着的中心管到达钻杆柱内。冲管总成上的上、下钻井液密封盒用以防止高压钻井液泄漏。③辅助系统包括扶正和防跳辅助轴承、机油密封盒组件及上盖等。上、下辅助轴承对中心管起扶正的作用，保证其工作稳定，限制其摆动，以改善钻井液和机油密封的工作条件，延长其寿命。上辅助轴承是止推轴承，可承受钻修井过程中由钻杆柱传来的冲击和振动，防止中心管轴向窜跳。
浮动冲管总成是水龙头的关键组件，是将不随中心管转动的鹅径管中的高压流体传送到旋转着的中心管中的转换装置。
2.2 钻杆
钻杆是钻柱组成的基本单元，是传递转盘扭矩、游车提升、加压给钻具（钻头等）的直接承载部分，是完成修井工艺过程的基本配套专用管材。钻杆与工具组成钻杆柱，其重要作用是传递扭矩，输送工作液，完成修井工作要求。
2.3钻井泵
钻井泵主要由液缸、活塞、吸入阀、排出阀、阀室、曲轴、连杆、十字头、活塞杆，以及齿轮、皮带轮和传动轴等零部件组成。当动力机通过皮带、齿轮等传动件带动曲轴以角速度ω旋转，活塞即由一端向另一端移动，液缸内形成一定的真空度，吸入池中的液体在液面压力的作用下推开吸入阀，进入液缸，直到活塞移动到死点位置，为液缸的吸入过程。曲轴继续旋转，活塞开始从另一端向起始点运动，缸内的液体受挤压，压力升高，吸入阀关闭，排出阀被打开，液体经排出阀和排出管进入排出池，直到活塞移到死点为止，为液缸的排出过程。曲轴连续运转，每一周(0-2π)内活塞往复运动一次，单作用泵的液缸完成一次吸入和排出过程。
1.底座 2.电机座 3.电机 4.小皮带轮 5.皮带 6.壳体上盖 7.大皮带轮
8.曲轴 9.壳体 10.起升架 11.连接轴 12.卡箍 13.活塞缸套总成 14.空气包
15.安全阀 16.前泵体 17.后泵体 18.吸入管 19.水箱
图2.3 泥浆泵结构图
2.4泥浆罐
泥浆罐是石油钻井中用于沉降净化和配置钻井泥浆箱体，是循环系统和固控系统的重要组成部分。根据罐底部形状可分为方形罐和锥形罐。罐体采用平板锥形结构或瓦楞结构钢板与型钢组焊，罐面及走廊采用防滑钢板和防滑条形网板，罐面栏杆采用方钢管制作，为无障碍可折叠结构，插接牢固。罐面配备清水管线以清洗罐面及设备，罐面网板采用浸锌处理。上罐梯子采用槽钢做主体，用防滑条形网板做踏板，双侧护栏设有保险挂钩。石油钻井泥浆罐设标准防砂、防雨棚，罐内设置暖气保温管线。
3固控设备
3.1振动筛
振动筛是钻井掖固控系统中的第一级固控设备。由井内返出带有大量钻屑的钻井液经振动筛的作用，分离出固相钻屑，使较清洁的钻井液进入后几级分离设备。
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1.筛网 2.振动电机 3.筛角调节机构 4.底座 5.弹簧 6.筛箱
图2.4 振动筛
ZYNS—D圆形筛是根据筛面产生圆形振动轨迹的振动理论设计而成。做高速圆形旋转的筛面，每旋转一次，钻屑就被抛向筛子的上前方。2ZPTS平衡椭圆筛是根据筛面产生椭圆形运动轨迹的振动理论设计而成的。直线轨迹振动筛的工作原理是激振器上两个主轴反向对称旋转一周时，主轴上的一对激振块产生的振力，使钻井液中的钻屑沿着与水平面成50°角的方向被抛向筛子的上前方，钻屑连续地从筛网上排出，透过筛网的钻井液进入后几级固控设备。
3.2除砂器
利用离心分离原理，当含有悬浮颗粒的钻井液被泵入圆柱蜗壳后，钻井液被迫做高速旋转运动，产生极大的离心力。随着液体向锥形的底部移动，由于锥形底部越来越小，液体的角速度也越来越大，相对于液体的固相部分，其密度较大，因此被甩向筒壁，最后沿筒壁做向下的惯性移动直至由锥筒底部排渣口排出。同时，与固相分离后的较轻的液体在锥筒内部产生一个反向旋涡并向上运动，经垂直导流管离开锥筒完成固液分离。
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1.底座 2.弹簧 3.筛箱 4.振动电机 5.旋流器 6.进口管汇 7.出口管汇
图2.5 除砂器
当离心力不足以使较小的颗粒从液体中分离并甩向筒壁时，则这部分固体又被液体带走。不同规格的锥筒可产生不同的离心力场，分离不同大小的固相颗粒。采用旋流器从加重钻井液中清除无用固相的同时，在底流中也有相当多的重晶石。旋流器底流下的细目筛，清除了大颗粒岩屑，而重晶石透过筛网又回到循环罐内。
3.3除泥器
由砂泵把经过除砂器处理过的钻井液以一定的压力和排量送入除泥清洁器的旋流器中，钻井液在旋流器中高速旋流，产生强大的离心力，从而实现固液分离。被分离出的固相混在极少量的钻井液中从旋流器的底流口排出，再经旋流器下方的振动筛过滤后排向循环罐外。经除泥清洁器净化后的钻井液从位于旋流器顶部的溢流口直接排入循环罐中。
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1.振动筛 2.汇流槽 3.旋流器 4.支架 5.进口管汇 6.出口管汇
图2.6 除泥器
3.4离心机

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利用离心沉降或离心分离的原理对悬浮液进行固液分离的设备。可对钻井液中的1.5—12μm的细粒及胶体团相进行有效分离，从而降低或控制钻井液的密度及粘度。离心机可单独使用，亦可由几台联机使用。
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1.底座 2.控制面板 3.电机 4.阀门 5.差速器 6.转鼓
图2.7 离心机
钻井液通过卸料螺旋中心的进料管进入转鼓内，随转鼓一起高速旋转。在强大的离心力作用下，较重、较大的固颗粒被抛向转鼓内壁，并出卸料螺旋铲送至转鼓小端，经挤脱水后由喷渣口喷出转鼓；而较轻、较小的固相颗料及液相则通过转鼓大端的溢流孔溢出转鼓，从而实现钻井液的固液分离。
3.5旋流混合漏斗
一定压力的钻井液，由进液管沿切向泵入内旋筒，与从料斗加入的添加剂混合后，溢入外旋筒，再由沿切向布置的排液管排到体系中去。

图2.8 旋流混合漏斗
3.6搅拌器
靠电机带动减速器，使叶轮旋转搅动钻井液，当钻井液接触到旋转的叶轮叶片时，它就被迫向下运动到罐底，然后沿罐壁向上返，使顶部和底部的钻井液不断地混合，从而使钻井液密度均匀一致。

图2.9 搅拌器

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