钻井泵在石油矿场上应用十分普遍，常用于高压下输送高黏度、高密度和高含砂量、高腐 蚀性的液体，流量比较小。按用途的不同，石油矿场用钻井泵往往被冠以相应的名称，例如在钻井过程中，为了携带出井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力，用于向井底输送和循环钻 井液的钻井泵称为钻井泵；为了固化井壁，用于向井底注入高压水钻井液的钻井泵，称为固井泵；为了造成油层的人工裂缝，提高原油产量和采收率，用于向井内注入含有大量固体颗粒的液体或酸碱液体的钻井泵，称为压裂泵；用于向井内油层注入高压水驱油的往复泵，称为注水泵；在采油过程中，用于在井内抽汲原油的钻井泵，称为抽油泵。
石油工业的发展对往复泵提出更高的要求，如泵压要高，功率要大，而制造和维修成本要低，体积和重量不能过大。由于石油矿场用钻井泵的工作条件十分恶劣，提高其易损件(如泵阀、活塞一缸套副、柱塞一密封副等)的工作寿命便成为往复泵设计、制造和使用中迫切地需要解决的问题。
1一曲柄；2一连杆；3一十字头；4一活塞；5一缸套；6—排出阀；7—排出四通；8-预压排出空气包；9—排出管；10—阀箱（液缸）；11一吸入阀；12—吸入管
所示，卧式单缸单作用往复式钻井泵。主要由液缸、活塞、吸入阀、排出阀、阀室、曲柄或曲轴、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或曲柄按图示方向，从左边水平位置开始旋转时，活塞向右边即泵的动力端移动，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，直到活塞移到右死点为止，此为液缸的吸入过程。曲柄继续转动，活塞开始向左边即液力端移动，液缸内液体受挤压，压力升高，吸人阀关闭，排出阀被推开，液体经排出阀和排出管进入排出池，直到活塞移到左死点为止，此为液缸的排出过程。曲柄连续旋转，每一周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。
在吸入或排出过程中，活塞移动的距离以S表示，称作活塞的冲程长度，曲柄半径用r表示，它们之间的关系为S=2r。
国外的钻井泵一般具有不一样的代号，多数按制造厂家编排的系列而定，但代号后面或前面的一组数字，通常表示该泵的额定输人功率（马力）或1/10倍数。常用国产钻井技术规范参数见表3-1。
1—泵体；2—机座；3一动力端总成；4一缸套；5—活塞；6—吸入阀；7-排出阀；8—起重架
三缸单作用活塞泵的动力端主要由主动轴（传动轴）、被动轴（主轴或曲轴）、十字头
三缸单作用泵的每个缸套只有一个吸入阀和排出阀，故其液力端结构比双作用泵液力端简单得多。目前的三缸单作用泵泵头主要有L形、I形和T形三种形式。
1一吸入管汇；2一吸人阀；3一活塞；4一活塞杆；5—排出阀；6—排出管汇
空气包的作用是减小因钻井泵瞬时排量变化而产生的压力波动，使泵压平稳，使设备不 致因剧烈震动而造成损失破坏。空气包胶囊内要求充氮气或惰性气体，在没有氮气或惰性气体的情况下可用空气代替，严禁充入氧气或可燃性气体。充气压力为最高工作所承受的压力的20%~30%。
钻井泵活塞处于排出过程时，排出管内流体流速加快，压力也随之升高,当压力大于空气包气室内的压力时，气囊被压缩，部分液体进入空气包；当活塞处于吸入过程、排出管内液体压 力小于空气包气室的压力时，气囊开始膨胀，挤出空气包内的液体。随着排出和吸入过程的不断重复进行，空气包不断交替地储存和排出液体，自动调节排出管中的流体速度和压力，达到稳定泵压的目的。
往复泵一般都在高压下工作，为了能够更好的保证安全，在排出口处安装有安全保护装置，即安全阀，以便将泵的极限压力控制在允许的范围内。常见的安全阀为销钉剪切式，此外，还有膜片式和弹簧式等安全阀。活塞或膜片下端有高压液体，当压力达到一定值后，活塞推动连杆，切断销钉，活塞上移或膜片破裂，髙压液体由安全阀排出口进入吸入罐或大气空间，达到泄压以保证安全的目的。
清除钻井液中固相含量的过程，称为钻井液的净化。实践证明，钻井液净化是非常必要的，是因为若钻井液中固相含量过多，将产生不良后果（如降低钻井液携带岩屑的能力和钻头的工作效率；使钻井液密度和黏度不必要地上升；钻井液中过多的颗粒会加速整个钻井液循环系统机械设备的磨损，影响设备寿命，增加维修工作量）。
清除钻井液中的固相大体上分为物理方法和化学方法，物理方法是通过振动筛、除砂器、除泥器、离心机等机械设备，利用筛分、离心分离等原理，将钻井液中的固相按密度和颗粒大小的不同而分离，根据自身的需求而取舍，以达到控制固相的目的。
钻井液净化系统主要由一组储存钻井液的固控罐及用于清除钻井液中有害固相的设备组成，罐面上安装有振动筛、除砂器、除泥器、离心机等用于净化钻井液的设备。该系统主要由五级净化组成∶
（1）一级净化，即钻井液在振动筛的处理。配制好的钻井液在钻井泵的作用下进入井底，并携带钻进岩屑返回地面，经过井口高架管进入振动筛，将钻井液中较大的岩屑筛分出来。
近年来，不少钻机已将全套净化装置组成一个整体封闭式系统，装在一个带橇座的大罐上，由于设备先进、齐全，泵、管线、罐等与各设备之间的相对位置布置合理，可将钻井液中的钻屑全部清除，水耗仅为常规净化系统的10%，钻屑几乎能干粒状排出，既可节约钻井费用，又能防止对环境的污染。整体封闭式系统流程如图3-8所示。
1—井口返出钻井液；2—振动筛；3—除气器；4—钻井液清洁器；5—稀释；6—进浆；7—标准离心机；8—重晶石；9—储罐；10—高速离心机；11—废弃固相；12—吸人罐。
为了满足钻井工况对钻井液质与量的需要，不相同的型号的钻机在固控系统配备上（固控罐的容积、设备配置、流程布置等）有所区别。
根据SY/T6223—2005《钻井进化设施配套、安装、使用和维护》中的内容，4000～7000m 钻机的钻井液净化装置主要性能参数及设备配置见表3-2、表3-3、表3-4。
1——钻井液进口；2—钻井液盒；3—筛网；4一筛除粗固相颗粒；5—底座；6—隔振元件；7—筛箱；8一液体和细固相颗粒
石油矿场中使用的多为单轴惯性振动筛，主要由筛箱、筛网、隔振弹簧及激振器等组成，其示意图如图3-9所示。由主轴、轴承和偏心块等构成的激振器，旋转时产生周期性的惯性力，迫使筛箱、筛网、弹簧等部件在底座上作简谐振动或准简谐振动，促使由钻井液盒均匀流到筛网表面的钻井液固相分离，即液体和较小颗粒通过筛网孔流向除砂器，而较大颗粒沿筛网表面移向砂槽。
钻井液振动筛中最易损坏的零件是筛网。一般有钢丝筛网、塑料筛网、带孔筛板等，常用的是不锈钢丝的筛网。筛网通常以目表示其规格，目表示以任何一根钢丝的中心为起点，沿直线mm（lin）上的筛网数目。例如某方形孔筛网每英寸有12孔，称作12目筛网，用API标准表示为12×12。对于矩形孔筛网，一般也以单位长度（in）上的孔数表示，如80 ×40表示 lin 长度的筛网上，一边有80孔，另一边为40孔。
实践证明振动筛一般只能清除25%左右的固相量，74μm以下的细微颗粒仍然留在钻井液中，对钻进速度仍然影响很大。为了进一步改善钻井液性能，一般在钻井液振动筛之后装有水力旋流器，用以清除较小颗粒的固相。水力旋流器分为除砂器和除泥器两种，二者的结构和工作原理完全相同。除砂器的锥筒内径一般为6～12in，能清除大于70um和约50%的大于45μm的细砂颗粒。除泥器的锥筒内径一般为2～5in，能清除大于40μm和约50%大于15um 的泥质颗粒（锥筒内径是指锥筒圆柱体部分的内径，也称为工作内径）。
除砂器、除泥器在固控系统中为第二、第三级进化设施，是由进液管、排液管、旋流器、清洁筛、底座、支架及其他部件构成，如图3-10所示。
水力旋流器的结构原理如图3-11所示，其上部呈圆筒形，形成进口腔，侧部有一切向进口管，由砂泵输送来的钻井液沿切线方向进入腔内。顶部中心有涡流导管，处理后的钻井液由此溢出。壳体下部呈圆锥形，锥角一般为150°～200°，底部为排砂口，排出固相。
水力旋流器与一般分离机械不同，它没有运动部件，是利用钻井液中固、液相各颗粒所受的离心力大小不同进行分离。切向进入的具有很多压力的钻井液，在旋流器内腔旋转时产生离心力，质量较大的固相颗粒受到较大的离心力，其足以克服钻井液的摩擦阻力，被甩到旋流器的内壁上，并靠重力作用向下旋流，由排砂口排出;而质量小的固相颗粒及轻质钻井液则螺旋上升，经溢流管输出。
旋流器上部壳体圆筒部分的直径是决定旋流器钻井液处理量及分离钻井液中泥砂颗粒大小的主要的因素，圆筒部分的直径称为旋流器的名义尺寸。下部壳体的圆锥角一般在15°～20°之间，底流口直径在10～30mm 之间。正常的情况下由一组名义尺寸在150～300mm 之间的旋流器组成的进化设施称之为除砂器，由一组名义尺寸在50～125mm之间的旋流器组成的进化设施称之为除泥器。
根据除砂器对钻井液处理量的大小，正常的情况下除砂器由1～3个150～300mm的旋流器组成。每个旋流器的解决能力，在进液压力为0.2MPa 时不低于 20～120m²/h。正常工作的除砂器能清除约95%大于74μm的岩屑和约50%大于40μm的岩屑。为了更好的提高使用效率，在选用除砂器时其许可处理量必须为钻井时最大排量的125%。
根据除泥器对钻井液处理量的大小，正常的情况下除泥器由4个以上50～125mm的旋流器组成。每个旋流器的解决能力，在进液压力为0.2MPa时不低于5～15m²/h。正常工作的除泥器能清除约95%大于40μm的岩屑和约50%大于15μm的岩屑。除泥器能除去12～13μm 的重晶石，因此不能用它来处理加重钻井液。在选用除泥器时，其许可处理量必须为钻井时最大排量的125%～150%。
清洁器是旋流器与超细网振动筛的组合，上部为旋流器，下部为超细网振动筛。清洁器是二次处理设备。它处理钻井液的过程分两步∶第一步是旋流器把钻井液分离成低密度的溢流和高密度的底流；第二步是超细网振动筛将高密度的底流分成两部分，一部分是重晶石和其他小于网孔的颗粒，它们透过筛网，另一部分是大于网孔的颗粒它们从筛网尾部排出。常用旋流器的规格及工作参数见表3-6。
目前，现场使用的水力旋流器多属于惯性型。另外，还有一种高效水力旋流器，如图3-12所示。它的独特之处是有三根溢流管，当钻井液进入时，重而大的固相颗粒被甩向筒壁，并螺旋下降，经排砂口排出；而轻质部分则从各溢流管溢出，不再形成螺旋上升的轻质液柱，消除了空气柱，减少了内部的水力损失，来提升了钻井液处理量及液体的净化程度。
1一锥体;2—进液管;3—压盖;4，5，6—溢流管;7—短圆筒;8—底流口
水力旋流器分离出固相颗粒的粒径越小，则分离能力越大，它与旋流器的尺寸、进浆压力、钻井液黏度及固相颗粒的分布等有关。由于钻井液中固相颗粒高速撞击旋流器内壁，并沿内壁快速旋转下落，往往导致旋流器内壁很快磨损、破坏。常用钻井液除砂器、除泥器性能参数见表3-7。
自从20世纪80年代末以来，离心机已在石业得到普遍应用，成为钻井工作（特别是中深井和水平井）中必不可少的固控设备。离心机分为低速、中速和高速离心机。
低速离心机也称为重晶石回收型离心机。对于低密度固相，它的分离点为6～10μm；对于高密度固相，分离点为4～7μm。
高速离心机分离点为2～5μm，用于清除有害固相，控制钻井液黏度，一般与低速离心机串联使用组成双机系统。在此系统中，低速离心机放在第一级，它分离出的重晶石排回泥浆罐中以回收重晶石，它排出的液体先排人一个缓冲罐中，再用泵把缓冲罐中的液体送入高速离心机中。高速离心机分离出的固体排出罐外，液体回到循环系统中，采用两机系统既可以有效清除有害固相，又可以有效的预防大量浪费重晶石。
转筒式离心机的工作原理如图3-13所示。一个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。待处理的钻井液和稀释水（钻井液 ∶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，钻井液在内、外筒之间的环形空间转动，在离心力作用下，重晶石和其他大颗粒的固相物质飞向外筒内壁，从一种专门的可调节阻流嘴排出，或由以一定速度运转的底流泵将飞向外筒内壁的重质钻井液从底流管中抽吸出来，予以回收。调节阻流嘴开度或泵速能调节底流的流量。而轻质钻井液则慢速下沉，经过内筒的筛孔进入内筒体，由空心轴排出。这种分离机处理的钻井液量较大，一般可回收82%～96%的重晶石。
1—钻井液；2—稀释水；3—固定外壳；4—筛筒转子；5—润滑器；6一轻质钻井液；7—重晶石回收；8—驱动轴
所示，沉淀式离心机的核心部件是由锥形滚筒、输送器和变速器所组成的旋转总成。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，即滚筒每转80圈，输送器转一圈，因此，若滚筒转速为1800r/min，输送器的转速是22.5r/min。其分离原理是∶待处理的加重钻井液用水稀释后，通过空心轴中间的一根固定输入管、输送器上的进浆孔，进入到由锥形滚筒和输送器涡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。调节溢流口的开度能改变液层厚度。在离心力的作用下，重晶石和大颗粒的固相被甩向滚筒内壁，形成固相层，由螺旋输送器铲掉，并输送到锥形滚筒处的干湿区过渡带，其中大部分液体被挤出，基本上以固相通过滚筒小头的底流口排出，而自由液体和悬浮的细固相则流向滚筒的大头，通过溢流孔排出。
离心机滚筒有圆锥形和圆锥一圆柱形两种，其输送器有双头螺旋和单头螺旋，如
所示。在结构和尺寸一定时，离心机的分离效果与沉降时间、离心力以及进口钻井液量等因素相关。而沉降时间又取决于滚筒的大小、形状及液层厚度。钻井液在离心机中的时间通常是30～50s，时间越长，进口量越小，分离效果越好。
待处理的钻井液和稀释水经漏斗流入装有若干个筛孔涡轮的涡轮室。当涡轮旋转时，大颗粒的固相携同一部分液体被甩向涡轮室的周壁，并穿过其上的孔眼进入清砂室，聚积到底部;在离心压头的作用下，这一部分浓稠的钻井液再经短管进入旋流器；通过旋流分离，加重剂等从回收出口排出，而轻质钻井液则通过管线返入涡轮室；与此同时，涡轮室内的轻质钻井液，则通过涡轮上的筛孔、上底孔板孔及短管排出。常用离心机技术参数见表3-8、表3-9。
除气器用于除去混入钻井液中的小气泡（气泡直径小于1/16in），确保钻井液有合理的密度，防止混气钻井液被重新循环到井底而导致的井涌或者由于气侵密度偏低而导致不必要的添加重钻井液，造成钻井液密度高于设计密度。总之，除气器能有效地控制钻井作业中钻井液的气侵，安全有效地排除有毒气体或可燃气体。
真空式除气器是用真空泵吸入钻井液，经薄膜紊流后分离出气体，再由真空泵抽走。这种型号的除气器效果良好，只是体积偏大，比较笨重。
