钻井固控机械设备及其发展讲座

钻井固控设备及其发展中国石油大学（华东）机电工程学院齐明侠

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纲一、固控设备的作用二、固控设备的组成三、振动筛四、除气器五、除砂器与除泥器六、离心机七、其他固控设备

八、固控设备的发展3一、固控设备的作用固控设备：控制钻井液（泥浆）固相成份的设备，是泥浆处理设备的重要组成部分。1．旋转钻井的钻进过程破岩：转盘—方钻杆—钻杆—钻铤—钻头排屑：泥浆：泥浆泵—水龙头—钻杆—钻头—环空—地面2．钻机的三大工作系统起升系统旋转系统循环系统循环系统最为复杂43．循环系统泥浆流程：泥浆罐—

泥浆泵—

管汇—水龙头—钻具—钻头—环空—井口—泥浆处理系统—泥浆罐564．泥浆的作用冲洗井底携带岩屑平衡地层压力冷却与润滑钻头保护井壁提供井下动力75．对泥浆的要求①满足钻井循环的要求钻井循环对钻井液的要求是泵压低（粘度低），携砂能力强（动切力高），启动泵

压低（静切力低），润滑性能好，摩擦力低，磨损小（固体颗粒少）。8②保持井眼的稳定钻穿的地层要用钻井液的压力柱与地层压力取得平衡，钻井液密度稳定；钻井油气层时要靠钻井液的压力柱来平衡油气的压力要求钻井液密度适当。要求钻井液有克服不稳定地层的性能，例如泥岩吸水膨胀造成井眼收缩；砾岩、火山岩遇水造成跨塌，盐岩遇水而形成溶洞等，即要求有不同性质的钻井液。③保护油气层钻开油气层后，钻井液与油气层接触，为防止钻井液损害油气层，要求钻井液的失水小、泥饼薄（钻井液失水后，固压差固体颗粒在井壁上形成泥饼环）、固相含量低、滤液的水化作用低（滤液进入地层后与地层中的液体发生的化学作用）等。④保护环境和生态钻井液中常含有原油、柴油和各种油类以及含有大量的化学处理剂，为防止钻井液对环境和生态可能造成的影响，要求使用无害、无毒的钻井液。95．固控设备的功能功能——控制钻井液中的固相含量钻井液中的固相含量增加会明显降低机械钻速，甚至会导致钻井事故，使钻井总成本大幅度上升。试验证明固相含量每降低

1%，钻进速度至少可提高10%，而且颗

粒越小对机械钻速的影响越大。钻井液循环系统必须配备钻井液净化装置。1011固控设备的作用：清除有害固相，保证钻井连续进行；保证钻井安全，防止事故发生；节能降耗；降污环保。12二、固控设备的组成固控设备的组成三除一筛振动筛、除气器、除砂器、除泥器离心机其他砂泵、剪切泵、搅拌器、喷枪、循环罐，配料装置2．固控流程13固控流程14固控流程15固控流程16固控系统1718三、振动筛1．要求①振动筛的筛箱应具有合理的运动轨迹，即普通椭圆、圆、直线、平动椭圆。②配备的振动筛能够处理从井眼返出的全部钻井液。③振动筛具有运转平稳、工作可靠，启动和停止过渡时间应小于60s。④振动筛整机平均无故障运转时间不少于3000h。⑤为保证振动筛的性能要求，振动筛整机动态特性检测应符合下表的要求。振动筛整机动态特性192．类型与基本原理分类：（1）按运动轨迹分为：①普通椭圆振动筛：工作时筛箱做椭圆运动，并绕质心做俯仰运

动。②圆振动筛：工作时筛箱做圆轨迹运动。③直线振动筛：工作时筛箱做直线轨迹运动。④平动椭圆振动筛：工作时筛箱做平动椭圆轨迹运动。2021按筛网绷紧方式分为纵向绷紧和横向绷紧筛按筛分层数分为单层筛和双层筛按筛面倾角分为水平筛和倾斜筛按振动方式分为惯性振动筛、惯性共振筛、弹性连杆式共振筛、电磁振动筛等振动筛组成：振动筛是钻井液固相控制系统的第一级处理设备，它工作的好坏直接影响整个固控系统的控制效果。振动筛由底座、激振器、筛箱、筛网、隔振弹簧等构成。2223振动筛的技术水平主要反映在处理能力（处理量和分离粒度）、工作的稳定性、寿命

的长短和操作的灵活性几个方面。振动筛的处

理能力与振动筛的结构、运动轨迹、振动频率、振动强度、筛网面积和筛网的粗细有关。现代振动筛一般是高速、线性、细目、多层振动筛，它在固相控制系统中起着至关重要的作用。243．圆型振动筛单轴惯性振动筛是一种采用偏心轴或偏心块作为激振器，使筛箱完成振动的振动筛。其运动轨迹一般为圆形或准圆形。与双轴惯性筛相比，它具有结构简单，成本低，运移方便，维修保养工作量少等优点。简单惯性筛：工作原理如图所示。筛箱5通过弹簧4支承在底座1上，偏心轴或偏心块6通过轴承2安装于筛箱两侧，皮带轮3安装在偏心轴端，与筛箱一起振动。25偏心自定心式振动筛——使皮带松紧一致264．直线振动筛工作原理：质量相等的两偏心块进行同步反向旋转，工作时所产生的离心力F相等。在各瞬间位置上，离心力F沿振动方向的分力相加，而与振动垂直方向的分力相互抵消。因此激振器只在振动方向形成激振力，使筛箱作直线振动。一般钻井液直线筛的掷抛角为45°～60°。272ZZS-D箱式激振器钻井液直线振动筛1—筛箱；2—箱式激振器；3—渡槽；4—支承弹簧；5—筛网；6—横梁282ZZS-G筒式激振器钻井液直线振动筛1—筛箱；2—筒式激振器；3—筛面；4—渡槽；295—支承弹簧305．椭圆型振动动筛钻井液均衡椭圆振型振动筛(以下简称椭圆振动筛)

圆振型振动筛上有一个旋转着的加速度矢量，筛面上物料极易分散，堵塞筛孔的可能性小，但圆运动物料输送速度较低，因而在相同条件下处理量不如直线筛。直线筛筛面水平布置，物料输送速度高，然而加速度只有一个方向，所以堵孔的可能性较大。均衡运动椭圆筛综合了直线筛和圆筛的优点，即椭圆“长轴”是强化物料输送的分量，而短轴则可减少部分物料堵孔的可能性。一般情况下，椭圆振动筛的总处理量较直线振动筛和圆振动筛大26%左右。31椭圆筛激振器的工作原理：激振器两轴

的偏心质量矩不相等，所以离心力也不相等，在1、3位置，离心力抵消一部分，作用在筛

箱上的力为F1-F2，因此在椭圆运动上形成短轴b；在2、4位置上，离心力叠加，作用于筛箱上的力为F1+F2，因此在椭圆运动上形成

长轴a，相当于双振幅。椭圆筛的长短轴之比与物料分离的难易程度有关，难分离的物料一般宜采用2：1，2.5：1，其他情况下采用4：1及6：1等。13233四、除气器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。除气器必须置于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，离心砂泵将发生气蚀，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。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，必须配备除气器。除气器有大气式和真空式两种类型，从

除气机理看，当钻井液被机械搅拌、真空抽

吸和形成薄层紊流时，气体即可逸出。真空

式除气器具备真空抽吸和形成薄层紊流两种

功能，而大气式除气器只具备机械搅拌功能。从除气效果看，真空式除气器优于大气式除

气器。34除气器35真空除气器36五、除砂器与除泥器除砂器、除泥器在固控工艺流程中处于振动筛之后,它们的主要用途是将通过振动筛后还混在钻井液体系中的更微小的固相颗粒清除出来。37除砂器、除泥器的核心部件是水力旋流器。水力旋流器是根据离心沉降分离原理设计的固液分离设备，它分离固相的能力与本身的结构参数、进浆压力和钻井液特性有关。旋流体内径越小，能分离出的固相颗粒越细。381．原理离心沉淀原理是水力旋流器

的基本工作原理，即悬浮的颗粒受

到离心加速度的

作用而从液体中

分离出来。描述

固相在液体中的

沉降速度的斯托

克思定律仍将有

效。39含有悬浮固相颗粒的钻井液，在压力作用下以很高的速度由进液口进入圆柱蜗壳。绕锥筒中心高速旋转的钻井液产生极大的离心力，并向圆锥筒底部移动。由于钻井液中的液体与固体存在着密度差，使固相分离出来而靠近锥壁。旋流器的锥筒越向底部半径越小，钻井液获得的角速度越大，从而产生更大的离心力。对于一个设计较好并进行适当调节之后的旋流器，钻井液在锥体顶部不但绕中心高速旋转，而且产生一个反向旋涡，经垂直导流管而离开锥筒。钻井液和钻井液中的固相颗粒的运移速度几乎相同，这些固相颗粒在小半径处受到极40大的径向加速度。在径向加速度（离心力）的作用下，迫使固相颗粒向锥筒壁运移。同时，由于旋转下行的固相颗粒惯性力很大，将推着它向底部快速运动，因此当液体反向旋转，向上由溢流口排出时，这些已分离出来的固相颗粒不可能随溢流返回，而是由底流口（排砂口）排出。由此可见，这些固相颗粒实际上是由于惯性除掉的，而不是靠沉降作用。由于细小的颗粒受到的离心力较小，在到达锥底之前未能到达锥壁，因而被反向运动的钻井液带至锥筒中心经溢流口返回。412．结构普通水力旋流器的结构如图。上部是一个圆柱蜗壳，下部是一个锥形壳，圆柱壳的侧面，有一切向钻井液入口管，顶部装有出口溢流管。圆锥壳底部是排砂孔，分离出来的砂、泥以及少量的液体由此排除。423．参数水力旋流器的公称尺寸系指上部圆柱蜗壳的内径D。根据内径不同，将钻井液固控系统中的水力旋流器分为除砂器、除泥器和微型旋流器三大类。到目前为止，尚没有一个严格的分类标准。一般而言主要用来降低API定义的

“砂”粒（颗粒粒度大于74）含量的旋流器，或圆柱蜗壳直径大于、等于150mm的旋流器都定名为“除砂器”。根据国标GB/T11647-89推荐，钻井液固控系统中三类旋流器的分类标准及相应的分离粒度如表所示。43水力旋流器的分类标准及分离粒度44分离点D50454.泥浆清洁器——旋流器+振动筛泥浆清洁器工作流程示意图1－振动筛处理过的泥浆；2－清洁泥浆；3－水力旋46流器4－细目振动筛；5－排出的固体颗粒；6－筛网底流；7－泥浆返回循环系统六、离心机钻井液离心机是固控设备中固液分离的重要装置之一，一般情况下安装在系统的最后一级。用于处理非加重钻井液，可以除去2种以上的有害固相；处理加重液可除去钻井液中多余的胶体，控制钻井液粘度，回收重晶石；处理旋流器底流，可回收液相，减少淡水和油的浪费。此外，离心机也是处理废弃钻井防止污染环境的一种理想设备。47离心机的应用非常广泛，矿业、钢铁、农业、轻工等。我国从七十年代末开始引进螺旋离心机，对国外著名公司生产的多种规格的卧螺离心机进行了仿制。卧螺离心机是原化工部“七五”科技攻关项目，1989年南京绿洲机器厂仿制了

ALFANx42o型大锥角((20)离心机(即L201)，用

于玉米蛋白的分离，并于1992年制成样机；此

后，重庆江北仉械厂、解放军第4819厂和金华

铁路机械厂等研制开发了一系列的螺旋卸料沉

降离心机，并成功地应用于生产实践。但是就

整体水平而言，我国还是远远落后于工业发达

国家的。48泥浆处理用离心机可分为低速和高速两类目前现场应用中没有对高、低速离心机提出统一的分类,但根据其在固控系统中作用的不同，可以简单地将划分为：低速离心机——分离固相颗粒的范围是约>20μm的固相颗粒；高速离心机——分离固相颗粒的范围是约>5μm的固相颗粒。低速离心机在固控系统中的主要用途是将钻井液体系中的重晶石等加重固相颗粒甩出钻井液并加以回收利用，以便控制钻井液密度，其经济效益对于稀释钻井液来控制钻井液密度49的方法是非常明显的。50高速离心机的处理量较中低速离心机而言，处理量小了5倍左右(约1.5～6m3/h)，而且能处理的固相颗粒相对较细，分离含较高固相浓度的钻井液就成问题，所以必须和低速离心机搭配使用。但是高速离心机的固相处理范围正好是影响钻井液粘度的固相范围(1～10μm左右)，所以对于深井降低钻井液的切力，提高井身质量，防止井下事故，高速离心机的效果很好。511．结构钻井液沉降式离心机的结构示意如图所示。离心机的转鼓5两端支承在滚动轴承上，输送固相的螺旋输送器6与转鼓之间留有微量间隙，并用行星差速器7使二者维持一定的转差。电动机通过V形胶带3带动转鼓和螺旋输送器。电机与转鼓之间装有液力联轴器2，加料管4装在转鼓的大端，行星差速器一端装有过载保护装置。钻井液离心机示意图1—电动机；2—液力联轴器；3—V形胶带；4—加料管；5—转鼓；6—螺旋输送器；7—行星差速器522．基本原理离心机分为转筒式和沉淀式等几种。转筒式离心机工作原理是：带许多筛孔的内筒体

在固定的圆筒形外壳内转动，外壳两端装有液力密封，内筒体轴通过密封向外伸出。待处理泥浆和稀释水（泥浆：水＝1：0.7）从外壳左上方由计量泵输入后，由于内筒旋转的作用，泥浆在内、外筒之间的环形空

间转动，在离心力的作用下，重晶石和其它大颗粒的

固相物质飞向外筒的内壁，通过一种可调节的阻流嘴

排出，或由以一定速度运转的底流泵将飞向外筒内壁

的重泥浆从底流管中抽吸出来，予以回收。调节阻流

嘴开度或泵速可以调节底流的流量。而轻质泥浆则慢

速下沉，经过内筒的筛孔进入内筒体，由空心轴排出。53这种离心机处理泥浆量大，可回收重晶石82～96％。转筒式离心机工作示意图1－泥浆；2－稀释水；3－固定外壳；4－筛筒转子；5－润器；6－轻泥浆；7－重晶石回收；8－驱动轴54沉淀式离心机主要由锥形滚筒、输送器和变速器组成。输送器通过变速器与锥形滚筒相连，二者转速不同。多数变速器的变速比为80：1，即滚筒转80圈，输送器转1圈。分离原理是：待处理的加重泥浆用水稀释后，通过空心轴中间的一根固定输入管、输送器上的进浆孔，进入由锥形滚筒和输送器蜗形叶片所形成的分离室，并被加速到与输送器或滚筒大致相同的转速，在滚筒内形成一个液层。调节溢流口的开度，可以改变液层厚度。由于离心力的作用，重晶石和大颗粒的固相被甩向滚筒内壁，形成固相层，由螺旋输送器输送到锥形滚筒处的干湿区过渡带，通过滚筒小头的底流口排出，而自由液体和悬浮的固相颗粒则流向滚筒的大头，通过溢流孔排出。55沉降式离心机的旋转总成1－泥浆进口；2－溢流孔；3－锥形滚筒；4－叶片；5－旋输送器；6－干湿区过渡带；7－变速器；8－固相排出口；9－泥饼；10－调节溢流孔可控制的液面；11－胶体和液体排出；12－进浆孔；13－进浆室；2-1－浅液层孔；2-2－中等液层孔；2-3－深层液孔563．使用要求（1）离心机的分离粒度和处理量应达到设计要求，转鼓转速不应低于设计转速的97%离心机振动烈度：空运转时不大于G7.1级，负载运转时不大于G

11.2级。离心机空运转和负载运转时，噪声不应大于90dB(A)离心机主轴承温升：空运转时不应高于30℃，负载运转时不.应高于40℃。离心机差速器温升：空运转时不应高于30℃，负载运转时不应高于40℃电动机及控制箱为隔爆型，防爆等级为dⅡBT4，运转电流及温升不应超过其额定值。（7）离心机在正常工作情况下，平均无故障工作时间应大于3000h。574．离心机参数LW400×1200型变频控制高速离心机主要技术参数转鼓内径

转鼓长度

最大处理量转鼓最高转速分离中点400

mm1200

mm50

m3/h3000

r/min3μm(转鼓最高转速3000/min、钻井液密度1.2×103kg/m3时)

37

kW7.5

kW功率供液泵功率58（七、其他固控设备砂泵、剪切泵、搅拌器、喷枪、循环罐，配料装置等。（1）砂泵：··

输送钻井液的一种专用离心泵。钻井液中含有磨砺性物质，要求砂泵耐磨。59（2）剪切泵：利用流体剪切原理，使高分子增粘剂快速溶于钻井液的一种复合叶轮泵。其主要用途是在配制钻井液时，用于剪切聚合物粘土(钻井液药品)。剪切泵输送的是含有磨砺性细小颗粒的钻井液，工况十分恶劣。当剪切泵的轴封泄漏时，不仅会导致泵效降低和钻井液浪费，还会造成严重的环境污染。因此，高效、可靠的密封质量是保证剪切泵正常、连续及安全运行的关键。60剪切泵结构泵的剪切作用主要靠组台叶轮和剪切盘提供。叶轮为半开式，进口处设有导叶，导叶与工作叶片相连，叶轮前盖板处设有4个弧形锥管，每个锥管内有11个喷嘴。叶轮与剪切盘同装于泵轴上。61剪切泵原理流体从导叶V处进入，分两路流到剪切盘的P处。其中吸入流体的50％进入4个圆弧排列的锥管形导流管，并从其内的44个喷嘴N处喷出，高速冲击剪切盘，被初步剪切。这部分流体与从导叶V处直接流到剪切盘处的流体在M处产生9O°碰撞剪切，混合后沿剪切盘端面流到剪切盘外缘端部T处。由于剪切盘外缘端部被切分成叉齿状井具有非常高的圆周速度，其尖端速度可达25m/s，使混合液体受到更太强力剪切，达到快速强力混拌之目的。62（3）搅拌器：通过叶轮的搅拌，使钻井液中的固相颗粒悬浮，避免沉降的一种搅拌装置。搅拌器的功能是保持钻井液性能稳定，因此搅拌器叶轮排出的钻井液必须在罐内使悬浮固相向上的速度大于沉降速度，因而叶轮直径和转速给定的搅拌器的工作体积是一定的。搅拌器使其工作体积内的钻井液循环搅动一次的时间叫做循环时间，据国外有关资料介绍，循环时间一般为30～90s。在固控系统中，放置振动筛等固控单机的钻井液贮罐需要沉砂，故循环时间取大值，而其它钻井液贮罐和钻井泵上水罐应取小值，以保证钻井液性能稳定。通常取循环时间为

60s作为设置搅拌器数量的依据。搅拌器规格见表4。63搅拌器参数64（4）泥浆枪：利用高速射流搅拌泥浆的液力搅拌器。钻井液枪钻井液枪的作用是依靠枪体喷嘴产生的高速液流，冲击钻井液贮罐底沉积的固相使其悬浮。同时，当搅拌器停机一段时间后，沉积的固相埋没叶轮而需要重新启用时，钻井液枪工作可消除搅拌器启动时的部分阻力矩，这就为搅拌器正常工作提供了可靠保证。钻井液枪有高、低压之分，高压枪由钻井泵排出支流供液，压力等级为1～6MPa；低压

枪由离心砂泵供液，压力等级为0.2～0.3MPa。配置多少应根据搅拌器数量来决定。6566（5）循环罐：为了保证井口返出的钻井液通畅地注入振动筛，必须根据振动筛进液口高度和钻机底座高度来确定钻井液贮罐的高度尺寸，同时还必须以钻机级别确定系统的钻井液总量。罐外形尺寸的确定从运输条件考虑，罐长≤

12m，宽≤2.6m.高H≤2.4m。按钻机底座和振动筛确定钻井液贮罐高度。67八、固控设备的发展目前，固控设备着重发展国外固相控制设备性能良好、工作稳定、寿命长，已实现设备类型的标准化、系列化和专用化。国外的固控设备水平以美国的BRANDT、SWACO、DERRICK等公司为代表，质量和性能处于世界首位。国外特别重视固控系统设备的优化配置和整个固控系统的效率评价，并为此开发了钻井液固相控制专家系统。68泥浆干燥器的使用美国石油工具有限公司固相控制系统由4台振动筛和两台干燥器(即干燥型振动筛)组成。

4台振动筛和一台干燥器并联在一起，井内返出的钻井液由钻井液分配器分流到4台振动筛和一台干燥器进行处理，它们分离出的固相颗粒再由另一台干燥器进行处理，使颗粒进一步脱水。脱出的液体回收，干燥的颗粒被排掉。干燥器实际上是强力细目振动筛，筛架上倾10°，以减少液体的损失。4台振动筛用的筛网是三维细目波形筛网，而不是传统的平板式线状筛网，三维结构允许重力迫使迎面而来的固体向下进入褶皱槽，从凸起区域离开，从每个褶皱的上部把固体分离。因此增加了通过流体的数量，不会淹没凸起部分，而凸起部分能增加流体流动能力。两层细筛布附在一层粗筛布的上面，三层筛布粘合在一起，做成波纹状，然后再粘合在开孔的板上。波形叠加筛网面积比普通平板筛网的面积大约增加了40％，比平板筛网细大约2～3个筛孔尺寸。处理流体的能力增加70％，且不容易堵塞，处理效果很69好。近年来，国内钻井液固相控制设备的理论研究和制造工艺水平都有较大的发展，特别是在理论研究方面，例如振动筛的工作原理、旋流器的工作原理等，已达到或接近世界先进水平，但国产的固控设备在性能，寿命方面与国外固控设备有一定差距，主要是材料、加工工艺、加工精度和配套使用的通用设备(例如电动机)的质量。高压(承压80MPa)、大排量(30L／s)固控设备还没有。国内振动筛类型少，今后需加快研制开发干燥型细目振动筛、履带式

非振动筛析设备、海洋钻井用环保型专用固控

设备及适合多种工况的多功能固控配套系统等70

，丰富我国固控设备的类型。一种钻井液固控设备的配置方法是采用配置不同目数筛网的高频钻井液振动筛+除砂器+除泥清洁器+中低速离心机+高速离心机的五级固控方式，能有效地清除钻井液中大于3的固相物质，钻井液系统中的固相含量将能够保持在0.3%以下，还可以有效地控制钻井液的黏度、相对密度。71发展方向：（1）固控系统的简化和优化现场试验表明，采用由高效振动筛+变频离心机组成的新型两级固控系统，可省掉除砂器

和除泥器，节能效果明显。也可采用分级过滤

技术，彻底改变现有的固控系统，亦可省去除

砂器和除泥器等设备。采用真空过滤方式，甚

至可以省去振动筛，大大简化固控系统，减轻

井队发电机负荷，优化泥浆罐配置，减少过渡

泥浆罐数量，增加储备罐数量，从而明显提高

固控效率，缩短处理时间，增加钻井的安全性。72（2）先除气、再筛分目前，井口返回的钻井液往往是先经过振动筛，然后再进行除气处理。在进行筛分处理时，大量的气体溢出，不仅增加了振动筛分的危险性，也严重损害了操作人员的身体健康。将专门设计的除气器设置在首位，首先对井口返回的钻井液进行脱气处理，可以降低钻井液的含气量，减少有害气体对人体的危害，减少事故的发生。73（3）改部分处理为全处理目前，振动筛是唯一对钻井液进行全处理的固控设备，对提高钻井液固相控制水平具有十分重要的作用。由于除砂器、除泥器和离心机的处理量有限，下面的几级净化往往是部分操作，另外会有部分钻井液通过钻井液槽直接进入下级仓室，而得不到处理。现场只是通过增加钻井液的处理循环次数来提高固控质量。实际上，每次循环只是对钻井液进行部分处理，增加循环次数，可以提高受处理钻井液的比例，但是降低了处理效率，浪费了大量能源，固控效率很低。74通过改用其他的处理方式，如使用超细振动筛或新型过滤机械，可以增加处理量，实现全处理，从而更能保证一些先进井下工具的性能，并提高机械钻速。75（4）选择性固相控制技术应用选择性固相控制技术，井口返回钻井液经高效振动筛后分为大粒湿钻屑（>74

µm）和过筛液，过筛液由分级过滤机分出三级固相，从粗到细依次为粗钻屑（74~35

µm）、加重固相（35~15

µm）和细钻屑（2~15

µm），加重固相经分散器分散后重新进入钻井液体系，粗钻屑和细钻屑外排。这样对钻井液实现了选

择性固相控制，能清除更多有害固相，特别是

粒径低于加重固相的有害固体颗粒，能够大幅

度提高机械钻速，降低钻井液的黏度，降低稀

释水量，减少钻井液体积。7677（5）钻屑在线处理技术过去只重视钻井液的处理，而忽略了对钻

屑的处理，钻屑直接排入泥浆池中。每口井都

需要1个泥浆池，泥浆池的面积超过500m2。通过对湿钻屑在线处理后，可分为滤液和干钻屑，滤液返回钻井液体系，干钻屑装于储运箱中，

集中处理，并再生利用。通过钻屑在线处理工

艺可以使钻屑和废钻井液在钻井现场不落地，

充分回收可用钻井液，而且省去了泥浆池，具

有明显的经济效益和巨大的社会效益。78（6）钻井液重复利用技术一口井钻成后废弃钻井液一般为100~300m3。根据相应的地层特点以及钻井液类型

对这些废弃物进行分类管理，对可用钻井液进行充分的回收利用，可降低钻井液总量，减少排放量，效益非常明显。当然，对钻井液进行重复利用需要一整套工艺措施，主要包括钻井液稳定性的改善、分类存储、合理应用等几个方面。79总的要求：节能降耗安全环保80有不当之处请批评指正！谢谢！第3讲

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.022医学超声设备的分类A型超声A型超声诊断仪因其回声显示采用幅度调制

(Amplitude

Modulation)而得名。A型显示是超声诊断仪最基本的一种显示方式，即在阴极射线管(CRT)荧光屏上，以横坐标代表被探测物体的深度，纵坐标代表回波脉冲的幅度，故由探头(换能器)定点发射获得回波所在的位置可测得人体脏器的厚度、病灶在人体组织中的深度以及病灶的大小。根据回波的其他一些特征，如波幅和波密度等，7/2还9/2023

可在一定程度上对病医学超声灶仪器原进理讲义行定性分析。907/29/2023医学超声仪器原理讲义91由于A型显示的回波图，只能反映局部组织的回波信息，不能获得在临床诊断上需要

的解剖图形，且诊断的准确性与操作医师

的识图经验关系很大，因此其应用价值已

渐见低落，即使在国内，A型超声诊断仪也很少生产和使用了。7/29/2023医学超声仪器原理讲义92M型超声7/29/2023医学超声仪器原理讲义93M型超声成像诊断仪适用于对运动脏器，如心脏的探查。由于其显示的影像是由运动回波信号对显示器扫描线实行辉度调制，并按时间顺序展开而获得一维空间多点运动时序（motion-time）图，故称之为M型超声成像诊断仪，其所得的图像也叫做超声心动图。7/29/2023医学超声仪器原理讲义947/29/2023医学超声仪器原理讲义95M型超声诊断仪发射和接收工作原理与A型有些相似，不同的是其显示方式。对于运动脏器，由于各界面反射回波的位置及信号大小是随时间而变化的，如果仍用幅度调制的A型显示方式进行显示，所显示波形会随时间而改变，得不到稳定的波形图。因此，M型超声诊断仪采用辉度调制的方法，使深度方向所有界面反射回波用亮点形式在显示器垂直扫描线上显示出来，随着脏器的运动，垂直扫描线上的各点将发生位置上的变动，定时地采样这些回波并使之按时间先后逐行在屏上显示出来。图中可以看出，由于脏器的运动变化，活动曲线的间隔亦随之发生变化，如果脏器中某一界面是967/2静9/2023

止的，活动曲线将变医学超声为仪器原水理讲义平直线。7/29/2023医学超声仪器原理讲义97M型超声诊断仪对人体中的运动脏器，如心脏、胎儿胎心、动脉血管等功能的检查具有优势，并可进行多种心功能参数的测量，如心脏瓣膜的运动速度、加速度等。但M型显示仍不能获得解剖图像，它不适用于对静态脏器的诊查。7/29/2023医学超声仪器原理讲义98B型超声7/29/2023医学超声仪器原理讲义99为了获得人体组织和脏器解剖影像，继A型超声诊断仪应用于临床之后，B型、P型、BP型、C型和F型超声成像仪又先后问世，由于它们的一个共同特点是实现了对人体组织和脏器的断层显示，通常将这类仪器称为超声断层扫描诊断仪。虽然B型超声成像诊断仪因其成像方式采用辉度调制(Brightness

Modulation)而得名，其影像所显

示的却是人体组织或脏器的二维超声断层图(或称

剖面图)，对于运动脏器，还可实现实时动态显示。7/29/2023医学超声仪器原理讲义1007/29/2023医学超声仪器原理讲义101C型超声C型扫查，又称C型显示，“特定深度扫查”

(constant

depth

mode)。与B型扫查一样都是辉度调制的二维切面象显示方式，所不同的是B型扫查所获得的是超声波束扫查平面本身的切面象，即纵向切面象。可惜由于C型扫查的灵敏度较低，显象速度不易提高，使C型扫查技术的发展受到7/2限9/2023

制。医学超声仪器原理讲义

1027/29/2023医学超声仪器原理讲义1037/29/2023医学超声仪器原理讲义104D型超声D型超声成像诊断仪也即超声多普勒诊断仪，它是利用声学多普勒原理，对运动中的脏器和血液所反射回波的多普勒频移信号进行检测并处理，转换成声音、波形、色彩和辉度等信号，从而显示出人体内部器官的运动状态。超声多普勒诊断仪主要分为3种类型：即连续式超声多普勒(continuous

wave

doppler)成像诊断仪脉冲式超声多普勒(pulsed

wave

doppler)成像诊断仪实时二维彩色超声多普勒血流成像(color

doppler1057/29/2023

flow

image)诊断仪。医学超声仪器原理讲义F型超声106F型扫查，又称F型显示。它与C型扫进原理上是相似的。区别仅在于：在扫查一幅图像的过程中，

C型扫查平面距探头的深度是不变的，而F型扫查面距探头的深度是一变量，不是一个常量。根据成像需要可作相应变动，从而可获得7/2斜9/2023

面、曲面的F型医图学超声仪像器原理讲义7/29/2023医学超声仪器原理讲义107P型超声7/29/2023医学超声仪器原理讲义108又称P型显示，它可视为一种持殊的B型显示，超声换能器置于圆周的中心，径向旋转扫查线与显示器上的径向扫描线作同步的旋转。主要适用于对肛门、直肠内肿瘤、食道癌及子宫颈癌的检查，亦可用于对尿道、膀胱的检查。P型超声诊断仪所使用的探头称为径向扫描探头，如尿道探头，直肠探头都属于径向扫描探头。扫

描时探头置于体腔内，如食道、胃或直肠等。7/29/2023医学超声仪器原理讲义1097/29/2023医学超声仪器原理讲义110Part

.013超声诊断仪的主要参数主要参数7/29/2023医学超声仪器原理讲义112表征超声诊断仪性能的参数，从大的方面可分为三类，这就是：声系统参数

图像特性参数

电气特性参数在众多的参数中，我们只讨论其中几个主要参数。声系统参数：声输出的强度、总功率等；

超声场的时频特性，如波型、持续时间、脉冲重复频率、脉冲形状、频率、脉冲带宽等；

声场分布特性，如换能器类型、波束形状、聚焦特性、景深等。7/29/2023医学超声仪器原理讲义113图像特性参数：分辨力；位置记录精度；深度测量精度；帧频；存贮器的容量；图像处理能力。7/29/2023医学超声仪器原理讲义114电气特性参数：灵敏度；增益及TGC指标；压缩特性及动态范围；显示器的动态范围；系统的带宽等。7/29/2023医学超声仪器原理讲义115Part

.02几个主要参数动态范围显示信号的最大水平与最小水平的比称为动态范围(Dynamic

Range,DR)，DR描述了信号幅度变化的大小，一般用分贝[dB]值表示。式中：Umax—信号最大值，Umin

—信号最小7/29/2值023117医学超声仪器原理讲义生物组织的声界面特性，组织吸收（超声衰减）特性及探测深度决定了信号的动态范围7/29/2023医学超声仪器原理讲义118因此动态范围DR通常由两个部分组成：声界面特性（声阻抗差）所确定的信号幅度变化（SDR）超声在组织传播过程中衰减所引起的信号幅度变化，超声传播衰减取决于组织特性（超声衰减系数

）与传播距离（L）由此超声回波总动态范围可写为：DR

=

2 L

+

SDR对动态范围的影响因素7/29/2023医学超声仪器原理讲义119超声在生物组织中传播所产生的全部回波；

超声发射功率、接受放大器的等效输入噪声；终端显示装置的动态范围；动态压缩方法时间增益控制——补偿传输衰减幅度增益控制——使有用信号相对压缩线形范围线性范围，一般指的是仪器中放大器线性范围，它给出放大器输入信号和输出信号之间成线性关系的区域。即Uo

=

KUi线性关系也用分贝值来表示式中：Umax—信号最大值，Umin

—信号最小值，可7/29/20见23线性放大器的线性医学范超声仪围器原理讲即义

是动态范围1207/29/2023医学超声仪器原理讲义121当输出信号的最大幅度保持不变时，输入信号的线性范围将随着K值的减小而增大。7/29/2023医学超声仪器原理讲义122分辨率7/29/2023医学超声仪器原理讲义123分辨力指成像系统能分辨空间尺寸的能力，即能把两点区分开来的最短距离。超声显像仪的分辨力是衡量其质量好坏的最重要的指标，分辨力越高，越能显示出脏器的细小结构。7/29/2023医学超声仪器原理讲义124超声成像的分辨力有横向分辨力和纵向分辨力之分。前者是指垂直于超声脉冲束方向上的分辨力，后者是沿波束轴方向上的分辨力。这两种分辨力的大小差别很大，纵向分辨力总是优于横向分辨力。而且，垂直于波束轴的两个维上的横向分辨力也往往不同。影响横向分辨力和纵向分辨力的因素各不相同，7/29/2023医学超声仪器原理讲义125横向分辨力又称侧向分辨力，它表示区分处于声束轴垂直的平面上的两个物体的能力。超声波束直径尺寸直接影响横向分辨力，波束直径越细，能分辨的尺度越小，横向分辨力越高。7/29/2023医学超声仪器原理讲义126影响横向分辨率的因素显示荧光点尺寸的影响波束直径尺寸的影响

动态范围的影响7/29/2023医学超声仪器原理讲义1277/29/2023医学超声仪器原理讲义1287/29/2023医学超声仪器原理讲义129仪器的图像质量主要取决于横向分辨力。横向分辨力好，图像细腻，小结构就能显示清楚。横向分辨力主要由换能器的尺寸、形状、发射频率、聚焦等因素决定。当显示屏光点尺寸较大时，也会影响横向分辨力。此外，随着深度的增加，脉冲频谱中的各种频率成分的衰减情况也不同，这个因素也潜在地影响着横向分辨力。现代化的显像仪横向分辨力可优于2mm。7/29/2023医学超声仪器原理讲义130纵向分辨力又称轴向分辨力或距离分辨力，表示在声束轴线方向上对相邻两回声点的分辨力。纵向分辨力与发射超声频率有关，因为声波的纵向分辨力理论极限为声波的半波长。频率越高，波长越短。纵向分辨力与超声脉冲的持续时间有关，脉冲持续时间越短，即脉冲越窄，纵向分辨力越高。超声脉冲持续时间与发射电脉冲宽度及换能器阻7/2尼9/2023

有关。医学超声仪器原理讲义

131影响纵向分辨率的因素脉冲宽度的影响增益大小的影响7/29/2023医学超声仪器原理讲义1327/29/2023医学超声仪器原理讲义1337/29/2023医学超声仪器原理讲义134色散吸收对横向、纵向分辨率的影响7/29/2023医学超声仪器原理讲义135吸收与频率的关系——频率越高，吸收越强；频谱中心向低频偏移；波束变宽；前沿变坏；理想的情况下，工作频率越高，分辨率越高；生物组织的平均衰减系数接近1dB/cm·MHz；频率3MHz—深度20

cm—衰减60dB，94%频率10MHz—深度20

cm—衰减200dB，99.5%在大多数情况下，最佳工作频率就是超声波穿透深度不超过200个波长时就能达到被探测脏器的

那个频率；例如：频率为3MHz时，波长是0.51mm它能够像。7/2形9/2023

成102mm深处组织的医学良超声仪好器原理讲图义136带宽7/29/2023137医学超声仪器原理讲义工作频率超声诊断仪的工作频率，根据两个方面因素作最佳的选择。首先，从分辨力的角度说，增高频率，可以改善分辨力。频率越高，波长越短，则波束的指向性越好（近场距离大，而发散角小），横向和纵向分辨力都能提高。其次，从穿透深度的角度来看，工作频率越高，则衰减成正比地增加，必然使探测深度减小。若7/2要9/2023

求较大的穿透深度，医学超声就仪器原得理讲义取较低的工作频率。138因此，在设计中不得不在工作深度与频率之间取合理的折衷。比如眼科应用中，所要求深度小，可以用高频率以提高分辨力，一般用10MHz。而

要穿透较大深度（如腹腔）时，则只能取较低工作频率。通用B型超声诊断仪的工作频率一般在

3.5MHz，有些诊断仪配有多种不同频率的的需要。7/2探9/2023

头以满足不同检医查学超声仪深器原理讲度义139常用超声诊断仪的超声频率；动态范围分辨率(波长mm)频率(MHz)10dB1.520dB2.530dB3.010.253.754.52.50.91.51.850.450.750.910学0.2750.3750.45作用距离（穿透深度）指仪器发射的超声波束可以穿透并能显示出回声图像的被测介质深度。超声医学成像系统的作用距离，通常要满足处于相当深度上的各种器官的成像需要，如腹部成像就需要有20cm的工作距离，而用于眼球