鉆井除砂器是石油天然氣鉆井工程中至關(guān)重要的固控設(shè)備之一，其核心功能是從鉆井液（俗稱 “鉆井泥漿”）中分離去除粒徑處于0.06 - 0.8mm范圍內(nèi)的砂粒、巖屑等固相顆粒，通過凈化鉆井液維持其性能穩(wěn)定，保障鉆井作業(yè)、進(jìn)行。在鉆井過程中，鉆頭破碎地層巖石會(huì)產(chǎn)生大量巖屑，若這些巖屑（尤其是砂粒）長(zhǎng)期懸浮在鉆井液中，會(huì)導(dǎo)致鉆井液黏度、密度異常升高，不僅增加鉆井泵、鉆桿等設(shè)備的磨損，還可能堵塞地層孔隙、影響井眼清潔度，甚至引發(fā)井塌、卡鉆等嚴(yán)重井下事故，因此鉆井除砂器是鉆井固控系統(tǒng)中承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié) —— 上游承接處理大粒徑巖屑的振動(dòng)篩，下游為處理更細(xì)顆粒的除泥器、離心機(jī)等設(shè)備減輕負(fù)荷。

鉆井除砂器的工作原理以水力旋流器為核心，結(jié)合重力沉降與篩分輔助，具體過程可分為以下 4 個(gè)步驟：

高壓進(jìn)料階段：經(jīng)振動(dòng)篩預(yù)處理后（已去除粒徑＞0.8mm 的巖屑）的鉆井液，在鉆井液泵的高壓輸送下（進(jìn)口壓力通?？刂圃?0.2 - 0.4MPa），通過旋流器的 “切線進(jìn)料口” 高速進(jìn)入旋流器內(nèi)部。由于進(jìn)料方向與旋流器內(nèi)壁呈切線角度，鉆井液進(jìn)入后會(huì)立即沿器壁形成高速旋轉(zhuǎn)的螺旋流場(chǎng)（轉(zhuǎn)速可達(dá) 1000 - 3000r/min），產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力（離心加速度可達(dá)重力加速度的 100 - 300 倍）。

離心分離階段：在離心力作用下，鉆井液中密度遠(yuǎn)大于液相（鉆井液基液）的砂粒、粗巖屑等固相顆粒，會(huì)受到向旋流器內(nèi)壁的 “甩向力”，隨螺旋流沿器壁向下運(yùn)動(dòng)，形成 “外螺旋下降流”；而密度較小的清潔鉆井液（含細(xì)顆粒）則向旋流器中心聚集，形成 “內(nèi)螺旋上升流”。這一過程中，顆粒粒徑越大、密度越高，受到的離心力越強(qiáng)，分離效率也越高，從而實(shí)現(xiàn)固、液兩相的分離。

固相排出階段：沿器壁下降的砂粒等固相顆粒，最終匯集至旋流器底部的 “底流口”，以 “底流” 形式排出，通常底流中砂粒含量可達(dá) 70% 以上，部分設(shè)備會(huì)在底流口設(shè)置 “底流篩”（細(xì)目振動(dòng)篩），對(duì)底流進(jìn)行二次篩分，回收其中夾帶的少量鉆井液，進(jìn)一步提高資源利用率。

液相回收階段：向旋流器中心聚集的清潔鉆井液，沿中心軸向上運(yùn)動(dòng)，從旋流器頂部的 “溢流口” 排出，形成 “溢流”。溢流鉆井液的固相含量大幅降低（通常砂粒含量＜1%），可直接輸送至除泥器進(jìn)行下一步細(xì)顆粒分離，或根據(jù)鉆井液性能需求部分回流至鉆井液罐循環(huán)使用，完成 “分離 - 回收 - 循環(huán)” 的閉環(huán)。

鉆井除砂器通常由水力旋流器、底流篩、進(jìn)料管路系統(tǒng)、溢流管路系統(tǒng)、底流收集裝置及輔助支撐結(jié)構(gòu)組成，各部件功能明確、協(xié)同工作：

水力旋流器：是除砂器的 “核心分離單元”，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。其主體為圓錐形或圓柱 - 圓錐形殼體（材質(zhì)多為耐磨鑄鐵、聚氨酯或高分子耐磨材料，以應(yīng)對(duì)高速顆粒沖刷），主要由 5 部分構(gòu)成：

進(jìn)料腔：位于旋流器上部，與切線進(jìn)料口連接，作用是引導(dǎo)高壓鉆井液平穩(wěn)進(jìn)入旋流器，避免進(jìn)料沖擊破壞流場(chǎng)穩(wěn)定性；

圓柱段：進(jìn)料腔下方的圓柱形區(qū)域，是鉆井液形成穩(wěn)定螺旋流場(chǎng)的 “加速區(qū)”，確保離心力充分建立；

圓錐段：圓柱段下方的圓錐形區(qū)域，是分離的 “核心區(qū)”，隨著圓錐內(nèi)徑逐漸縮小，螺旋流的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)一步提升，離心力增強(qiáng)，推動(dòng)固相顆粒向壁面運(yùn)動(dòng)；

溢流管：貫穿旋流器頂部中心的管狀結(jié)構(gòu)，其插入深度、內(nèi)徑尺寸直接影響溢流流量和分離效率，通常溢流管下端需伸入圓柱段內(nèi)一定距離，防止頂部空氣進(jìn)入破壞內(nèi)螺旋流；

底流口：位于旋流器底部的窄口，其直徑（俗稱 “底流嘴直徑”）需根據(jù)鉆井液流量、固相含量調(diào)整，直徑過大易導(dǎo)致清潔鉆井液隨底流排出（“跑漿”），直徑過小則可能造成底流口堵塞，因此部分設(shè)備會(huì)配備可更換的不同規(guī)格底流嘴。

底流篩：又稱 “細(xì)目振動(dòng)篩”，安裝在旋流器底流口正下方，多為單層或雙層的高頻振動(dòng)篩（振動(dòng)頻率通常為 1500 - 3000 次 / 分鐘）。其作用是對(duì)旋流器排出的底流進(jìn)行二次過濾，回收底流中夾帶的鉆井液（底流中通常含 10% - 20% 的鉆井液），減少鉆井液損耗；同時(shí)可進(jìn)一步篩除底流中殘留的少量細(xì)顆粒，提高固相排出的 “干度”，便于后續(xù)巖屑處理（如運(yùn)輸、填埋）。底流篩的篩網(wǎng)目數(shù)通常為 100 - 200 目（對(duì)應(yīng)篩孔尺寸 0.075 - 0.15mm），材質(zhì)多為不銹鋼編織網(wǎng)或聚氨酯篩網(wǎng)，具備良好的耐磨性和抗堵塞性。

管路系統(tǒng)：包括進(jìn)料管路、溢流管路和底流管路，是鉆井液輸送的 “通道”。進(jìn)料管路需配備壓力表（監(jiān)測(cè)進(jìn)口壓力）、閥門（調(diào)節(jié)流量）和止回閥（防止鉆井液回流），且管路內(nèi)壁需光滑，減少流體阻力；溢流管路連接旋流器溢流口與除泥器或鉆井液罐，通常需設(shè)置緩沖裝置，避免清潔鉆井液在輸送過程中因沖擊產(chǎn)生二次混合；底流管路則連接旋流器底流口與底流篩，管路角度需合理設(shè)計(jì)，確保底流能順暢流向底流篩，避免淤積。

支撐與固定結(jié)構(gòu)：通常為鋼結(jié)構(gòu)框架，用于固定水力旋流器、底流篩及管路系統(tǒng)，確保設(shè)備在鉆井現(xiàn)場(chǎng)（多為振動(dòng)、顛簸環(huán)境）中穩(wěn)定運(yùn)行。框架底部一般配備調(diào)節(jié)支腳，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地面平整度調(diào)整設(shè)備水平度，避免因設(shè)備傾斜導(dǎo)致旋流器流場(chǎng)紊亂，影響分離效率。