操控变密度钻井泥浆的方法和装置
相关申请的交叉参考
本申请要求2006年3月6日提交的美国临时申请第60/779,679号的权益。
技术领域
【0001】本发明一般地涉及在井筒中使用的并与钻井作业有关的装置和方法，以生产烃。更具体地，本发明涉及操控变密度钻井泥浆中的可压缩颗粒的井筒装置和方法。
背景技术
【0002】本部分旨在介绍本领域的多个方面，其可能与本发明的示例性实施方式相关。该讨论被认为有助于提供促进更好地理解本发明具体方面的框架。因此，应当理解，这部分应该以此角度阅读，而不必作为现有技术的入门。
【0003】烃例如油和气的生产已经进行许多年。为了生产这些烃，典型地用安装来达到地下地层的不同套管柱在各层段钻井。套管柱被安装在井筒中以防止井筒壁的坍塌、预防钻井泥浆不希望地流出进入到地层中、和/或预防地层流体流入到井筒中。因为用于较低层段的套管柱穿过已经安装的套管柱，因此套管柱以嵌套的构造形成，其直径在井筒的每个后续层段中连续减小。即，典型地，在较低层段中的套管柱具有更小的直径，以安装在先前安装的套管柱内。可选地，可扩大的套管柱可以在井筒中使用。但是，可扩大的套管柱典型地更昂贵并且增加了井成本。
【0004】安装套管柱的过程包括起下/放下套管柱和胶结套管柱，这费时又昂贵。对于嵌套构造，最初的套管柱必须足够大，以提供能用于工具和其它设备的井筒直径。对于位于更深深度的地下地层，最初套管柱的直径相对地大，以提供可用于生产烃的最后井筒直径。大的井筒增加了钻井作业的费用，因为增大的尺寸导致了增多的钻屑、增大的套管柱尺寸和费用，以及增大的井筒中使用的水泥和钻井泥浆的体积。
【0005】因此，多种方法被用于减小在井筒中安装的套管柱的直径。例如，一些方法描述了改变钻井泥浆，以在井筒中安装更少的不同的套管柱。钻井泥浆被用于移出钻屑并且提供对地下地层的液静压，以保持井的钻井作业。钻井泥浆的重量或密度典型地保持孔隙压力梯度(PPG)和破裂压力梯度(FG)之间，以进行钻井作业。但是，PPG和FG经常随井的真实垂直深度(TVD)变化，这提出了保持钻井泥浆重量或密度的问题。如果钻井泥浆的密度低于PPG，井可能发生井涌。井涌是地层流体流入到井筒中，其在钻井作业可以重新开始之前必须被控制。而且，如果钻井泥浆的密度高于FG，钻井泥浆可能泄漏进入到地层中。泄漏可以导致循环液漏失或大量钻井泥浆损失，钻井泥浆必须被置换以使钻井作业重新开始。因此，钻井泥浆的密度必须保持在PPG和FG之间，以使采用相同尺寸套管柱的钻井作业继续。
【0006】因此，钻井作业可以使用变密度钻井泥浆，以保持钻井泥浆密度在井筒的PPG和FG之内。参见国际专利申请公布WO2006/007347。为了减少在井内使用的中间套管柱的数目，变密度钻井泥浆可以包括各种可压缩颗粒，以提供在PPG和FG内操作的钻井泥浆。因为钻井作业可以是连续的，可压缩颗粒可以在井筒内循环一次或多次。因此，需要操控在变密度钻井泥浆中使用的可压缩颗粒的方法和装置。
【0007】其它相关材料可以在至少下列中被发现：美国专利第3,174,561号；美国专利第3,231,030号；美国专利第4,099,583号；美国专利第4,192,392号；美国专利第5,881,826号；美国专利第5,910,467号；美国专利第6,156,708号；美国专利第6,415,877号；美国专利第6,422,326号；美国专利第6,497,289号；美国专利第6,530,437号；美国专利第6,588,501号；美国专利第6,739,408号；美国专利第6,953,097号；美国专利申请公布第2004/0089591号；美国专利申请公布第2005/0023038号；美国专利申请公布第2005/0113262号；美国专利申请公布第2005/0161262号；以及国际专利申请公布第WO2006/007347号。
发明内容
【0008】在一个实施方式中，描述了用于钻探井筒的系统。该系统包括具有变密度钻井泥浆的井筒、钻杆、放置在井筒内的底部钻具组合和与井筒流体连通的钻井泥浆处理单元。变密度钻井泥浆具有可压缩颗粒和钻井液。底部钻具组合与钻杆相连，而钻井泥浆处理单元被设置来从变密度钻井泥浆中分离可压缩颗粒。在该实施方式中的可压缩颗粒可以包括可压缩中空物体，其充满加压气体且被设置来保持泥浆重量在破裂压力梯度和孔隙压力梯度之间。
【0009】该系统还可以包括对钻井泥浆处理单元的多种变形。例如，作为第一个实施方式，钻井泥浆处理单元可包括钻机振动筛，其被设置来从井筒接收变密度钻井泥浆和钻屑，且将等于或大于可压缩颗粒尺寸的物质转向振动筛流动路径；钻屑振动筛，其与钻机振动筛相连且被设置来将等于或小于可压缩颗粒尺寸的物质从振动筛流动路径转向钻屑流动路径；水力旋流器，其与钻屑振动筛相连且被设置来从钻屑流动路径接收物质、基于密度分离来自钻屑流动路径的物质以及提供密度与可压缩颗粒相似的物质到水力旋流器流动路径；和附加振动筛，其与水力旋流器相连，且被设置来从水力旋流器流动路径接收物质且从水力旋流器流动路径移出可压缩颗粒。可选地，大于可压缩颗粒的物质可以在钻机振动筛中被移除，而等于或小于可压缩颗粒的那些物质可以被转向到振动筛流动路径。随后，下一次分离将等于或大于可压缩颗粒的物质转向提供给水力旋流器的钻屑流动路径。
【0010】作为第二实施方式，钻井泥浆处理单元可以包括钻机振动筛，其从井筒接收变密度钻井泥浆和钻屑，且移出大于可压缩颗粒尺寸的钻屑；以及沉降罐，其与钻机振动筛流体连通，且被设置来接收来自钻机振动筛的存留物质且通过密度从存留物质中分离可压缩颗粒。这种钻井泥浆处理单元还可以包括附加摇动筛，其与沉降罐相连且被设置来从存留物质中移出可压缩颗粒。作为第三实施方式，钻井泥浆处理单元可以包括钻机振动筛，其被设置来从井筒接收变密度钻井泥浆和钻屑且将小于或等于可压缩颗粒尺寸的物质转向振动筛流动路径；水力旋流器，其与钻屑振动筛相连且被设置来接收钻屑流动路径，以及将密度与可压缩颗粒相似的物质转向水力旋流器流动路径；和附加振动筛，其与水力旋流器相连且被设置来接收水力旋流器流动路径，且从水力旋流器流动路径移出可压缩颗粒。作为第四实施方式，钻井泥浆处理单元可以包括钻机振动筛，其被设置来从井筒接收变密度钻井泥浆和钻屑，且将等于或小于可压缩颗粒尺寸的物质转向振动筛流动路径；离心分离机，其与钻机振动筛相连且被设置来接收振动筛流动路径，和将密度相似于可压缩颗粒的物质转向离心分离机流动路径；以及附加振动筛，其与离心分离机相连且被设置来接收离心分离机流动路径，和从离心分离机流动路径移出可压缩颗粒。
【0011】而且，钻井泥浆处理单元可以包括将可压缩颗粒引入钻井液中以形成变密度钻井泥浆的不同实施方式。例如，作为第一实施方式，钻井泥浆处理单元可以包括泥浆池；至少一个搅拌器，其与泥浆池流体连通且被设置来将可压缩颗粒与钻井液混合以形成变密度钻井泥浆；至少一个监控器，其与泥浆池流体连通且被设置来监视变密度钻井泥浆的密度；和泥浆泵，其与监控器流体连通且被设置来将变密度钻井泥浆提供给井筒。作为第二实施方式，钻井泥浆处理单元可以包括泥浆池；至少一个监控器，其与泥浆池流体连通且被设置来将可压缩颗粒与钻井液结合以形成变密度钻井泥浆；和泥浆泵，其与所述至少一个监控器流体连通且被设置来将变密度钻井泥浆提供给井筒。作为第三实施方式，钻井泥浆处理单元可以包括储存容器，其被设置来接收钻井液和可压缩颗粒，以形成变密度钻井泥浆；压缩泵，其与储存容器流体连通且被设置来将变密度钻井泥浆内的可压缩颗粒压缩为压缩状态；和泥浆泵，其通过管道与压缩泵流体连通且被设置来将变密度钻井泥浆提供给井筒。作为第四实施方式，钻井泥浆处理单元可以包括可压缩颗粒泵，其被设置来将可压缩颗粒提供到井筒内的主流动路径；和钻井液泵，被设置来将钻井液提供给井筒内的次流动路径，其中可压缩颗粒和钻井液在井筒的混合区域内混合。作为第五实施方式，钻井泥浆处理单元可以包括可压缩颗粒泵，其被设置来通过旁路管柱(parasite string)，将可压缩颗粒从地面泵送到井筒内的混合区域；和钻井液泵，其被设置来通过钻杆，将钻井液泵送到井筒内的钻头，其中可压缩颗粒和钻井液在井筒的混合区域内混合。
【0012】此外，底部钻具组合可以被设置来从变密度钻井泥浆中分离可压缩颗粒，以将可压缩颗粒转向远离钻头。作为第一实施方式，底部钻具组合可以包括钻头；分离器，其连接在钻头和钻杆之间。分离器可以设置来：接收变密度钻井泥浆；将变密度钻井泥浆分离为第一流动路径和第二流动路径，其中至少一部分可压缩颗粒在第二流动路径内；将第一流动路径提供给接近或穿过钻头的第一井筒位置；和将第二流动路径转向在钻头上方的第二井筒位置。第二流动路径可以从分离器中央转向进入旁路管中，到达钻头上方的第二井筒位置，或通过支路开口从分离器外壁转向钻头上方的第二井筒位置。在一些应用中，可压缩颗粒的转向对于不同密度的可压缩颗粒可以是不同的。而且，可压缩颗粒可以在井筒内不同位置和在地面被分离。
【0013】在第二实施方式中，描述了与烃生产相关的方法。该方法包括在井筒内循环变密度钻井泥浆，其中变密度钻井泥浆保持钻井泥浆的密度在孔隙压力梯度(PPG)和破裂压力梯度(FG)之间，以进行钻井作业，且包括伴有钻井液的可压缩颗粒；以及将来自变密度钻井泥浆的至少一部分可压缩颗粒转向，以操控可压缩颗粒的使用。而且，该方法还包括得到可压缩颗粒和钻井液，以及将可压缩颗粒和钻井液结合以形成变密度钻井泥浆。在该实施方式中，可压缩颗粒可以包括可压缩中空物体，其充满加压气体且被设置来保持泥浆重量在破裂压力梯度和孔隙压力梯度之间。该方法还可以包括在底部钻具组合处从井筒内的变密度钻井泥浆中分离可压缩颗粒。
【0014】该方法还可以包括分离变密度钻井泥浆中的损坏的可压缩颗粒与未损坏的可压缩颗粒；和再循环变密度钻井泥浆中的未损坏的可压缩颗粒。将损坏的可压缩颗粒与未损坏的可压缩颗粒分离可以在井筒的表面进行。而且，将损坏的可压缩颗粒与未损坏的可压缩颗粒分离可以包括下述附加步骤：从井筒中接收淤浆，其中，淤浆包括钻屑和变密度钻井泥浆；通过筛，将淤浆分离成大于可压缩颗粒尺寸的物质的第一流和小于或等于可压缩颗粒尺寸的物质的第二流；将第二流提供给水力旋流器；以及在水力旋流器中将未损坏的可压缩颗粒与变密度钻井泥浆、钻屑和损坏的可压缩颗粒分离。作为第二个可选方式，损坏的可压缩颗粒与未损坏的可压缩颗粒的分离可以包括提供来自井筒的淤浆到沉降罐，其中，淤浆包括钻屑和变密度钻井泥浆；以及从沉降罐中分离未损坏的可压缩颗粒。作为第三可选方式，损坏的可压缩颗粒与未损坏的可压缩颗粒的分离可以包括从井筒中接收淤浆，其中，淤浆包括钻屑和变密度钻井泥浆；通过筛，将淤浆分离为大于可压缩颗粒尺寸的物质的第一流和小于或等于可压缩颗粒尺寸的物质的第二流；提供第二流到离心分离机；和在离心分离机中将未损坏的可压缩颗粒与变密度钻井泥浆、钻屑和损坏的可压缩颗粒分离。作为第四可选方式，损坏的可压缩颗粒与未损坏的可压缩颗粒的分离可以包括从井筒中接收变密度钻井泥浆和钻屑；移出大于或等于可压缩颗粒尺寸的物质；将移出的物质提供给沉降罐，以通过密度从存留的物质中分离可压缩颗粒。
【0015】而且，可压缩颗粒和钻井液的结合可以以在地面或井筒内的多种实施方式进行。例如，可压缩颗粒和钻井液的结合可以包括在泥浆池中混合可压缩颗粒和钻井液，以形成变密度钻井泥浆；监控变密度钻井泥浆的密度；和将变密度钻井泥浆泵送到井筒内。作为第二实施方式，可压缩颗粒和钻井液的结合可以包括将可压缩颗粒与钻井液在监控器中混合，以形成变密度钻井泥浆；以及将变密度钻井泥浆泵送到井筒内。作为第三实施方式，可压缩颗粒和钻井液的结合可以包括在储存容器中将可压缩颗粒和钻井液混合，以形成变密度钻井泥浆；在压缩泵中压缩变密度钻井泥浆；以及将压缩的变密度钻井泥浆通过管道提供到钻机泵；和将压缩的变密度钻井泥浆泵送到井筒内。作为第四实施方式，可压缩颗粒和钻井液的结合可以包括通过主流动路径将可压缩颗粒泵送到井筒内；通过次流动路径将钻井液泵送到井筒内；以及在井筒的混合区域内将可压缩颗粒和钻井液混合。在该实施方式中，主流动路径可以是旁路管柱以及次流动路径可以是钻杆，或主流动路径和次流动路径可以从双壁钻柱提供。
【0016】在第三实施方式中，描述了与烃生产相关的方法。该方法包括在井筒内循环变密度钻井泥浆，其中变密度钻井泥浆保持钻井泥浆的密度在孔隙压力梯度(PPG)和破裂压力梯度(FG)之间，以进行钻井作业，且包括伴有钻井液的可压缩颗粒；以及将来自变密度钻井泥浆的至少一部分可压缩颗粒转向，以操控可压缩颗粒的使用；在井筒内放置设备和油管柱；以及通过油管柱从设备中生产烃。
【0017】此外，在上面的一个或多个实施方式中，密度监控器可以被用于分析或检查变密度钻井泥浆中的可压缩颗粒。例如，在具有泥浆池的实施方式中，一个或多个至少1个大气密度的监控器——其可以测量达到在系统中经历的一样高压力的密度，可以被用于测定对于多种水平应用压力的变密度钻井泥浆的密度响应。也就是说，当变密度钻井泥浆进入到钻柱和/或离开井筒时，监控器可以检查或分析作为压力和温度函数的密度行为，以确定磨损速率和提供在井筒内的密度/压力曲线的实时评估。
附图说明
【0018】本发明的前述和其它优点可以在研读下面实施方式的非限定实例的详细描述和附图之后变得清晰，其中：
【0019】图1是依据本技术的一些方面的示例性钻井系统的图解；
【0020】图2是依据本技术的一些方面的用于图1中钻井系统的示例性流程图；
【0021】图3A-3D是依据本技术的一些方面，用于移出可压缩颗粒的示例性构造；
【0022】图4A-4E是依据本技术的一些方面，用于引入可压缩颗粒的示例性构造；和
【0023】图5A-5B是依据本技术的一些方面，用于移出井底可压缩颗粒的分离器的示例性实施方式；和
【0024】图6是依据本技术的一些方面，具有用于操控井筒环空密度的井下分离器的示例性钻井系统的图解。
具体实施方式
【0025】在下面详细描述部分，本发明的具体实施方式与优选实施方式联系起来描述。但是，就下面的描述特定于本发明的具体实施方式或具体用途的程度而言，旨在仅为示例性的目的，以及仅仅提供示例性实施方式的描述。因此，本发明并不限于下面描述的具体实施方式，相反，它包括落入所附权利要求的真实精神和范围内的所有替代、修改和等价物。
【0026】本技术涉及操控与钻井液一起使用的可压缩颗粒的方法和装置，以提供用于在井中进行钻井作业的变密度钻井泥浆。因为可压缩颗粒可以包括球状体、椭球体等等，在钻井作业期间操控这些可压缩颗粒的方法和装置可以对保持钻井泥浆密度在孔隙压力梯度(PPG)和破裂压力梯度(FG)之间是有益的。因此，钻井作业可以包括其中地面流体被用于在井筒内实现并保持希望的液静压的任何方法，和/或将这种流体循环以从井筒内移出岩屑以及实现其它用途的方法。因为可压缩颗粒被用在变密度钻井泥浆中，本技术涉及将可压缩颗粒移出、循环和引入到钻井液内。而且，应该注意，下面的方法和过程并不限于钻井作业，而是还可以被用于完井作业，或使用具有可压缩颗粒的地面储存/制备的流体的任何过程。
【0027】开始，本技术包括可压缩颗粒和钻井液的使用，其可以被称为变密度钻井泥浆。如在国际专利申请公开第WO2006/007347号中所述，该文献在此通过引用并入，可压缩颗粒可以包括多种形状的可压缩或可收缩的中空物体，例如球体、立方体、角锥、扁平形或扁长形球状体、圆柱体、枕形体和/或其它形状或结构。这些可压缩中空物体可以用加压气体、或甚至可压缩固体物质或物体充满。而且，可压缩颗粒——其被选择以实现响应于压力变化的有利压缩，可以包括聚合物、聚合物复合材料、金属、金属合金和/或聚合物或聚合物复合材料与金属或金属合金的层压物。因此，本技术可以包括结合了多种可压缩颗粒的钻井液(即，混合了在不同压力下收缩的中空物体)，其被设置来保持泥浆重量或密度在FG和PPG之间。
【0028】现在转向附图，并先参考图1，图解了依据本技术的一些方面的示例性钻井系统100。在示例性的钻井系统100中，钻机102被用于钻井104。该井104可以穿透地球表面106，到达地下地层108。如可以认识到的，地下地层108可以包括多层岩石(未显示)，其可以包括或可以不包括烃，例如油和气，且可以被称为地带或层段。由此，井104可以在地下地层108和位于表面106的生产设备(未显示)之间提供流体流动路径。该生产设备可以加工烃且运输烃到消费者。但是，应该注意的是钻井系统100是为示例性目的图解的，并且本技术可以用于从可位于陆地或水中的任何地下位置中得到和产生流体。尽管井104被显示为垂直的，但它可以是斜的或水平的。
【0029】为了进入地下地层108，钻井系统100可以包括钻井元件，例如底部钻具组合(BHA)110、钻杆112、套管柱114和115、旁路管柱122、用于处理变密度钻井泥浆118的钻井泥浆处理单元116，和操控钻井和生产作业的其它系统。BHA 110可以包括钻头、钻头喷嘴、分离器和用于挖掘地层、胶结套管柱、从变密度钻井泥浆118分离可压缩颗粒或在井筒内进行其它钻井作业的其它元件。套管柱114和115可以为进入地下地层108提供支撑和稳定性，其可以包括具有套管鞋121的表面套管柱115和具有套管鞋119的一个或多个中间或生产套管柱114。生产套管柱114可以向下延伸到接近具有裸眼井段120的地下地层108的深度，裸眼井段120从套管鞋119延伸穿过地下地层108。旁路管柱122可以提供穿过部分井104的可替代流动路径，以将变密度钻井泥浆118的可压缩颗粒提供到特定位置。旁路管柱122，其被显示在套管柱114和115之间的环空内，还可以被放置在套管柱114内。钻井泥浆处理单元116被用于操控来自井筒的淤浆(即变密度钻井泥浆118和钻屑)，且给井筒提供用于钻井作业的配制好的变密度钻井泥浆118。钻井泥浆处理单元116可以包括泵、水力旋流器、分离器、筛、泥浆池、泥浆振动筛、除砂器、除泥器、离心分离机等等。
【0030】在钻井作业期间，变密度钻井泥浆118作为钻井泥浆的使用允许操作员在表面106以下钻得更深，具有更长的无套管层段；保持足够的液静压；防止地层流体(气或液体)流入；以及保持在地层可以支撑的FG以下。BHA 110和钻井泥浆处理单元116可以被用于操控变密度钻井泥浆118中的可压缩颗粒。也就是，BHA 110和钻井泥浆处理单元116可以在变密度钻井泥浆118内移出、循环和再引入可压缩颗粒，以增强钻井作业。因此，在下面图2中进一步描述了操控变密度钻井泥浆118的方法。
【0031】图2是依据本技术的一些方面，用于操作图1的钻井系统100的示例性流程图。这个流程图，其被指代为参考数字200，可以通过同时参阅图1更好地理解。在该流程图200中，通过利用可压缩颗粒作为变密度钻井泥浆118的一部分，过程可以被用于增强钻井作业。该过程可以通过操控用于形成变密度钻井泥浆的可压缩颗粒增强钻井作业。因此，以所描述的方式进行的钻井作业可以通过从钻井作业中消除或减少附加的套管柱而降低无效性。
【0032】该流程图在块202处开始。在块204，可以确定井的FG和PPG。例如，PPG可以通过先前的钻井、提取井涌、渗入天然气的迹象、井底工具或建模进行确定。FG可以通过漏失测试、循环液漏失的迹象和/或建模确定。随后，钻井液可以对于确定的可压缩颗粒进行选择，如在块206中显示。钻井液和可压缩颗粒的选择可以基于国际专利申请第WO2006/007347号。例如，钻井液和可压缩颗粒的选择可以包括可压缩(可收缩)中空物体或至少部分填充泡沫的物体，它们由聚合物、聚合物复合材料、金属、金属合金、和/或聚合物或聚合物复合材料与金属或金属合金的层压物制成。钻井液可以基于特定井的应用进行调节，以具有确定的性质。
【0033】一旦变密度钻井泥浆(即钻井液和可压缩颗粒)被选择，可以在块208-212进行钻井作业。在块208，获得钻井液和可压缩颗粒。钻井液和可压缩颗粒可以混合起来或单独运输到钻井位置。在块210，钻井液和可压缩颗粒可以在井筒内循环。钻井液和可压缩颗粒被设置来保持钻井液重量在FG和PPG之间，如上所述。然后，可压缩颗粒可以在底部钻具组合110处与钻井液分离，如在块212所示。具体而言，可压缩颗粒可以在达到钻头喷嘴或钻头之前被移除，以减小对可压缩颗粒可能的损坏。可压缩颗粒的分离可以在钻头上方不同的位置进行，钻头是底部钻具组合110的一部分。分离可以直接在钻头上方或沿BHA 110的任何位置处发生。就是说，不同密度的可压缩颗粒可以在不同的位置从钻井泥浆中分离。为了分流钻头周围的可压缩颗粒，可以使用分离器例如在线离心分离机或其它设备，如下面参见图5A-5B进一步讨论的。
【0034】在块214-220中，可压缩颗粒可以被进一步处理，以分离、检查可压缩颗粒和将可压缩颗粒再引入到钻井液中，以用于进一步的钻井作业。在块214，可压缩颗粒可以从变密度钻井泥浆118和钻屑中被分离，变密度钻井泥浆118和钻屑可以被称为淤浆。将可压缩颗粒从变密度钻井泥浆中移出的过程，其可以在地面进行，可以包括使用离心或其它有源分离方法和/或沉降罐或其它无源分离方法，它们是钻井泥浆处理单元116的一部分。这些多种方法在下面图3A-3D中进一步被讨论。在块216，损坏的可压缩颗粒被移出。损坏或失效的可压缩颗粒的移出可以包括振动筛、沉降罐、水力旋流器、离心分离机等等。随后，在块218，确定钻井作业是否完成。如果钻井作业没有完成，则在块220，可压缩颗粒可以被再引入到钻井液中。将可压缩颗粒再引入到钻井液中的方法可以包括在分离和清理之后，在泥浆池中进行剧烈的再混合；在泥浆泵入口的文丘里管，以将可压缩颗粒吸入钻井液中；使用专门设计的泵直接注入；将可压缩颗粒引入井下的旁路管柱，和/或将可压缩颗粒作为淤浆恰好引入到钻头上方的双壁钻柱。每个方法在下面的图4A-4E中进一步被描述。
【0035】但是，如果钻井作业完成，则在块222，烃可以从井102产生。烃的产生可以包括完井、沿着油管柱在井筒内安装设备、从地下储层中得到烃、在地面装置加工烃和/或其它相似的操作。不管怎样，过程在块224结束。
从变密度钻井泥浆中地面分离可压缩颗粒的方法
【0036】如上面在块214所讨论，几种方法可以被用于在地面106处从变密度钻井泥浆118中分离可压缩颗粒，例如固体或中空物体。典型地，钻井泥浆处理单元116可以包括位于钻机上的基本的地面泥浆清洁装置例如护筛粗网、泥浆振动筛，以基于它们的尺寸将地层钻屑从流动路径中移出；除砂器、除泥器和通过重量/密度的差别将颗粒从钻井泥浆中分离出去的离心分离机。因此，这种类型的设备可以基于具体可压缩颗粒的性质，用于分离可压缩颗粒和钻井液，所述性质可以是正的或负的浮力。例如，如果可压缩颗粒处于未压缩的状态，则可以包括气体和气体不渗透膜的可压缩颗粒可以具有小于淤浆中钻井液和钻屑的密度。因此，可压缩颗粒是正的浮力且自然地上浮到淤浆的表面。浮力抵抗淤浆的粘性和/或多个未压缩可压缩颗粒的相互作用。
【0037】因此，多种不同的实施方式可以被用作钻井泥浆处理单元116的部分，其在图3A-3D中被显示。在第一实施方式中，可压缩颗粒回收装置300可以是钻井泥浆处理单元116的一部分且被用于从淤浆中分离可压缩颗粒，其在图3A中被显示。可压缩颗粒回收装置300可以包括一个或多个振动筛302、304和308以及一个或多个水力旋流器306。具体地，可压缩颗粒回收装置300可以是来自Alpine Mud Products的钻井珠粒回收装置(Drill Bead Recovery Unit)，其基于可压缩颗粒有诸多改变，其可以包括优化筛尺寸和水力旋流器的操作。在该可压缩颗粒回收装置300中，钻机振动筛302依尺寸被制成，以捕获等于或大于可压缩颗粒310尺寸的物质，该物质也可以包括地层钻屑。该淤浆被分成等于或大于可压缩颗粒310尺寸的物质的第一振动筛流动路径和淤浆中其它钻屑的第二振动筛流动路径。在第一振动筛流动路径的泥浆中的存留钻屑和可压缩颗粒310经过钻屑振动筛304，其通过可压缩颗粒310，而阻止更大的钻屑。同样，通过钻屑振动筛304，淤浆被分成可压缩颗粒310和等于或小于可压缩颗粒310的其它物质的第一钻屑流动路径以及大于可压缩颗粒310尺寸的物质的第二钻屑流动路径。随后，可压缩颗粒310被集中在一个或多个水力旋流器306中，因为在未压缩状态下，可压缩颗粒310可以具有比存留钻屑或液态钻井泥浆低的密度。水力旋流器306径向加速存留泥浆且建立密度梯度，其中最轻物质(即例如可压缩颗粒310)沿着第一水力旋流器流动路径从水力旋流器的顶端移出而较重的物质移出底部进入到第二水力旋流器流动路径。因此，从水力旋流器306，存留的淤浆被分成密度近似于可压缩颗粒310的物质的第一水力旋流器流动路径，和密度不同于可压缩颗粒310的其它物质的第二水力旋流器流动路径。例如，损坏的可压缩颗粒可以是第二流动路径的部分。取决于具体的应用，其它物质可以比可压缩颗粒更轻或更重。最后，可压缩颗粒310通过附加振动筛308——其将可压缩颗粒与存留泥浆中的其它物质分离，从夹带的流体或第一水力旋流器流动路径中被回收。
【0038】在第二实施方式中，可压缩颗粒回收装置320，其是钻井泥浆处理单元116的一部分，可以包括两个或多个钻机振动筛332和326和沉降罐324，如在图3B中显示。在该实施方式中，来自井筒的淤浆经过主钻机振动筛322，以移出大于可压缩颗粒310尺寸的物质。淤浆被分成大于可压缩颗粒310尺寸的物质的第一振动筛流动路径和等于或小于淤浆中可压缩颗粒310尺寸的物质的第二振动筛流动路径。在第二振动器流动路径中包括钻屑和可压缩颗粒310的存留泥浆随后被转移到一个或多个沉降罐324，其具有足够的体积以允许通过密度分离。颗粒沉降是颗粒尺寸、颗粒密度、悬浮流体密度和悬浮流体粘度的函数。可压缩颗粒310的沉降时间明显小于悬浮在淤浆中的任何加重剂(例如重晶石或赤铁矿)的沉降时间，这主要是由于它们的相对尺寸。例如，直径大约1mm(毫米)、密度为5ppg(磅/加仑)的大颗粒在15ppg、粘度为10厘泊的钻井液中以0.03m/sec(米/秒)上升。直径大约50微米、密度大约35ppg的小颗粒在7ppg、粘度为10厘泊的钻井液基础油中以5×10-4m/sec下降。在沉降罐324中的停留时间足够长，以确保可压缩颗粒310浮向表面。例如，在6英尺深的罐中，可压缩颗粒可以在大约1分钟内升到表面。应注意到，该沉降时间对于不同的可压缩颗粒和钻井液可以不同。随后，可压缩颗粒310基于密度被分离。例如，如果可压缩颗粒310比钻屑和其它物质更轻，可压缩颗粒可以从沉降罐324的顶部被撇去，或经过次振动筛326，以沿着第一沉降流动路径将它们从淤浆中移出。在淤浆中的其它物质——其可以包括损坏的可压缩颗粒、钻屑或具有更高密度的其它物质，可以通过底部阀或其它方法沿着第二沉降流动路径被移出。例如，沉降罐324可以被设计为漏斗形底部，以周期性地排除任何钻屑，或可以包括螺丝钻螺纹构造，以持续地移动已经沉降在沉降罐324中的高密度物质。
【0039】在对于第二实施方式的可选改变中，可压缩颗粒回收装置320可以在沉降罐中将可压缩颗粒与更大钻屑分离。在该可选实施方式中，来自井筒的淤浆经过主钻机振动筛322，以移出大于或等于可压缩颗粒310尺寸的物质。淤浆被分成大于和等于可压缩颗粒310尺寸的物质的第一振动筛流动路径以及小于可压缩颗粒310的物质的第二流动路径。在第一振动筛流动路径的钻屑和可压缩颗粒310随后被转移到一个或多个沉降罐324，其具有足够的体积以允许通过密度进行分离。具体地，如果可压缩颗粒310比钻屑和其它物质更轻，可压缩颗粒可以从沉降罐324的顶端被撇去，或经过次振动筛326，以沿着第一沉降流动路径将它们从淤浆中移出。在泥浆中的其它物质——其可以包括损坏的可压缩颗粒、钻屑或具有更高密度的其它物质，可以通过底部阀或其它方法沿着第二沉降流动路径被移出。
【0040】在第三实施方式中，可压缩颗粒回收装置320——其是钻井泥浆处理单元116的部分，可以包括两个或多个钻机振动筛332和326和一个或多个水力旋流器334，其在图3C中被显示。在该实施方式中，来自井筒的淤浆经过主钻机振动筛322，以移出大于可压缩颗粒310尺寸的物质。淤浆被分成大于可压缩颗粒310尺寸的物质的第一振动筛流动路径以及等于或小于可压缩颗粒310尺寸的物质的第二振动筛流动路径。保留在主钻机振动筛332上的物质可以作为钻屑被丢弃。第二振动筛流动路径中具有可压缩颗粒310的存留淤浆被转移到水力旋流器334，其径向地加速存留淤浆且建立密度梯度，其中最轻物质(即，例如可压缩颗粒310)沿着第一水力旋流器流动路径移出水力旋流器的顶端而较重的物质移出底部进入到第二水力旋流器流动路径。附加的振动筛336随后被用于从沿着第一水力旋流器流动路径从水力旋流器334顶部出来的淤浆中移出可压缩颗粒310。
【0041】在第四个实施方式中，可压缩颗粒回收装置340——其是钻井泥浆处理单元116的部分，可以包括两个或多个钻机振动筛342和346和离心分离机344，其在图3D中被显示。在该实施方式中，来自井筒的淤浆经过主钻机振动筛342，以移出大于可压缩颗粒310尺寸的物质。淤浆被分成大于可压缩颗粒310尺寸的物质的第一振动筛流动路径以及等于或小于可压缩颗粒310尺寸的物质的第二振动筛流动路径。第二振动筛流动路径中具有可压缩颗粒310的存留淤浆被转移到离心分离机344。在离心分离机344中，可压缩颗粒310从其它物质中被分离，其可以具有更高或更低的密度。例如，如果可压缩颗粒310比其它钻屑更轻，可压缩颗粒310沿着第一离心分离机流动路径与其它轻密度物质一起迁移，而较重的物质沿着第二离心分离机流动路径迁移。随后，附加振动筛346用于从第一离心分离机流动路径移出可压缩颗粒310。
从变密度钻井泥浆中分离失效的或损坏的可压缩颗粒的方法
【0042】如上面参考块212所讨论，几种方法可以被用于从变密度钻井泥浆中分离失效的或损坏的可压缩颗粒。可以预想到，随着时间，在变密度钻井泥浆中的一些部分的可压缩颗粒可能破裂或失效，这是由于在钻井作业期间施加的压力。损坏可以包括由下述引起的损坏：钻头和地层之间的相互作用、旋转钻杆和地层或套管柱之间的相互作用、可压缩颗粒被送过钻头喷嘴情况下的剪切力、可压缩颗粒通过泥浆泵情况下的快速压缩和剪切力、或当可压缩颗粒循环通过井筒时压缩/扩展的循环载荷。而且，如果可压缩颗粒通过在不渗透外壳内密封低密度气体进行配制，则密封的气体可以由于机械故障释放到变密度钻井泥浆中且外壳的更高密度不再具有浮力(即，如果可压缩颗粒的外壳材料是负浮力时倾向于下沉)。随后，先前密封的气体可以从变密度钻井泥浆中在表面被释放，而外壳可以依据它的物质密度，由于重力而沉降。
【0043】不管怎样，钻井泥浆处理单元116可以被用于移出这些损坏的可压缩物体。再者，因为可压缩颗粒的密度可以小于在未压缩状态下的钻井液和钻屑，未损坏的可压缩颗粒是正浮力的，且在环境条件下自然地浮向淤浆的表面，而损坏的可压缩颗粒的密度等于外壳物质密度。因此，在上面图3A-3D中所描述的方法和实施方式可以被用于从淤浆中分离损坏的可压缩颗粒。以这种方式，损坏的和未损坏的可压缩颗粒都可以使用振动筛以及其它装置移出。也就是，大于或等于可压缩颗粒尺寸的物质先从淤浆中分离。随后，基于上述的多种方法，淤浆中的损坏的可压缩颗粒和更小的钻屑由于密度与可压缩颗粒分离。例如，在沉降罐中，未损坏的可压缩颗粒可以上浮，而损坏的可压缩颗粒可以沉降。在该实例中，损坏的可压缩颗粒可以适当地与其它钻屑一起被处置，或可以被回收以再循环外壳物质。
再引入可压缩物体到钻井液流中的方法
【0044】如上面块208和220中所讨论，几种方法可以用于混合或结合可压缩颗粒与钻井液，以产生变密度钻井泥浆118。典型地，钻井液可以被输送到钻井位置，而完全没用可压缩颗粒配制。这可以降低泥浆输送体积且使用最少数目的供应车辆和/或船只。钻井液还可以从原材料现场配制。无论获得可压缩颗粒和钻井液的方法如何，可压缩颗粒可以被混合或结合，以在到达底部钻具组合110的钻头附近的环空之前，产生变密度钻井泥浆118。也就是，当从常规泥浆切换到变密度钻井泥浆118时或在地面进行常规固体控制操作之后，可压缩颗粒可以在第一时间引入钻井作业。此外，具有和不具有可压缩颗粒的钻井液的地面重量或密度可以被监控，且可压缩颗粒被加入以在井下取得希望的连续梯度效应。
【0045】无论用于获得具有可压缩颗粒的钻井液的方法如何，钻井泥浆处理单元116可以被用于循环可压缩颗粒与钻井液，以产生变密度钻井泥浆118。钻井泥浆处理单元116可以包括泵/混合器和其它设备，以引入和再引入可压缩颗粒到井筒中或到钻井液中，其在图4A-4E中被显示。例如，在图4A中显示的第一个实施方式中，可压缩颗粒引入装置400可以混合可压缩颗粒410与钻井液412。可压缩颗粒引入装置400可以包括一个或多个泥浆池402、混合器404、入口监控器406和泥浆泵408。可压缩颗粒410和钻井液412被加入到泥浆池402(即吸浆池或更早)且用混合器404充分混合，例如桨叶式混合器和喷射混合器。泥浆池402中泥浆密度或物质的重量，其包括可压缩颗粒410和钻井液412，由入口监控器406监控。混合的物质形成图1的变密度钻井泥浆118，图1被设置来在井筒内提供连续梯度行为。变密度钻井泥浆被提供给泥浆泵408，其可以以泥浆泵408通过流动路径409输送到井筒的体积流速的大约1到2倍或更多倍提供。典型地，将可压缩颗粒压缩为紧缩状态的压力可以超过泥浆泵408的压力。取决于总的泥浆可压缩性，泥浆泵408以低于或等于泥浆泵的吸入体积流速的体积流速输送变密度钻井泥浆。
【0046】在第二实施方式中，可压缩颗粒410可以在监控器中与钻井液混合，如在图4B中所示。在该实施方式中，可压缩颗粒引入装置420可以包括一个或多个泥浆池422、监控器424和泥浆泵426。钻井液412被加入到泥浆池402(即吸浆池或更早)。随后，可压缩颗粒410可以通过监控器424被计量，在进入到泥浆泵426之前，监控器控制提供到流动路径428中的可压缩颗粒410的数量。用这种方法，可压缩颗粒410可以以干燥的形式或作为浓缩淤浆通过文丘里管引入。再者，泥浆泵408以低于或等于泥浆泵的吸入体积流速的体积流速输送变密度钻井泥浆。可压缩颗粒410和钻井液412被结合以通过流动路径428输送到井筒。
【0047】在第三实施方式中，专用泵或泵组可以被用于将压力应用到浓缩的可压缩颗粒-泥浆浆料，使得颗粒近乎完全地被压缩，如图4C中所示。当表面循环压力在注入到井筒之前足以将可压缩颗粒置于压缩状态时，专用泵可以是有利的。在该实施方式中，可压缩颗粒引入装置430可以包括一个或多个储存容器432、压缩泵434、管道436和钻机泵438。可压缩颗粒410和钻井液412在储存容器432中被结合，其可以是泥浆池或具体容器。随后，可压缩泵434压缩来自储存容器432的变密度钻井泥浆。压缩的变密度钻井泥浆，其包括钻井液412和可压缩颗粒410，通过管道436被引入主钻机泵438的上游或者下游，管道436包括一系列止回阀和管汇以防止回流。该构造减少了由压缩变密度钻井泥浆的主钻机泵438提供的工作量。
【0048】在第四个实施方式中，钻井液和可压缩颗粒410被分开，直到到达钻头附近的井筒内的环空，如图4D中所示。因为连续梯度或变化密度行为在井筒的环空内被使用，可压缩颗粒可以在井筒环空内与钻井液混合。在该实施方式中，可压缩颗粒引入装置450可以包括一个或多个钻井液泵452、可压缩颗粒泵454、钻头456和双壁钻杆管柱，双壁钻杆管柱具有产生主流动路径458和次流动路径460的内杆和外杆。使用双壁钻杆管柱，第一流体例如钻井液412通过钻井液泵452被向下泵入内杆内的主流动路径458。第二流体例如具有一些部分钻井液的可压缩颗粒410，通过可压缩颗粒泵454，被向下泵入在内杆和外杆之间的环空中的次流动路径460。钻井液412穿过钻头456且被循环到位于钻头456之上的混合区域464，而可压缩颗粒410直接离开进入到混合区域464。各流体的体积流速被优选地控制，以在混合区域464中提供可压缩颗粒410的希望浓度，混合区域464可以是在钻头456之上的环空。
【0049】在第五个实施方式中，钻井液和可压缩颗粒410被分开，直到到达旁路管的注入口，如图4E中所显示。因为连续的梯度或变化密度行为在井筒的环空内被使用，可压缩颗粒可以在注入口处与钻井液412混合。在该实施方式中，可压缩颗粒引入装置470可以包括一个或多个钻井液泵472、可压缩颗粒泵474、钻头476、钻杆478如钻杆112和旁路管柱480如旁路管柱122。使用这种构造，第一流体例如钻井液412，通过钻井液泵472被向下泵入钻杆478，而第二流体例如可压缩颗粒410，通过可压缩颗粒泵474被向下泵入旁路管柱480。钻井液412穿过钻头476，且被循环到位于钻头476之上的混合区域482，而可压缩颗粒410直接离开旁路管柱480的出口进入到混合区域482。各流体的体积流速被控制，以在混合区域482中提供可压缩颗粒410的希望浓度，混合区域482可以是接近套管柱114或钻头476的井环空。
【0050】作为具体的实例，钻井系统可以使用这样的变密度钻井泥浆，其是密度为每加仑15磅(ppg)的钻井液和未压缩状态密度为4.8ppg的可压缩颗粒的混合物，其中可压缩颗粒被设置来压缩每平方英寸1500磅以上(psi)。参考图1，这些颗粒可以通过旁路管柱122被注射到井筒内，其中可压缩颗粒在未压缩状态下为变密度钻井泥浆118的体积的40％。低于注射口，不存在可压缩颗粒且泥浆可以具有15ppg的密度。在注射口之上，变密度钻井泥浆的密度可以基于可压缩颗粒的扩展调整。在环空压力小于1500psi的深度之上，变密度钻井泥浆具有恒定的密度，因为可压缩颗粒已经扩展到未压缩的状态。因此，变密度钻井泥浆的密度可以通过调整可压缩颗粒的收缩压力、可压缩颗粒的数目和钻井液密度而进行调节。
【0051】有益地，本技术减轻或阻止了对可压缩颗粒的损坏。而且，本技术可以用于操控井控问题，例如井涌和地下流动。例如，井控事件可以在井内发生。为了操控井控事件，可压缩颗粒从旁路管柱122的流动可以瞬时从地面停止。以这种方式，仅仅在注射点上方井筒内的可压缩颗粒在井内出现，而钻杆包含常规泥浆，即无可压缩颗粒。在注射点上方井筒内的可压缩颗粒可以通过注射具有更高或更低密度的泥浆穿过旁路管柱同时关闭钻杆而循环回到表面。这种技术允许以一种比通过钻杆循环钻井泥浆更容易实现的方式解决井控事件。
用于分离井底可压缩颗粒的方法
【0052】如在上面块212中所讨论，可压缩颗粒可以在井筒内被分离，以潜在地降低高剪切对可压缩颗粒的负面影响。例如，可压缩颗粒可以从钻杆112内的流动路径分离，且导向底部钻具组合110上方的环空。将可压缩颗粒从钻杆112内的流动路经移出可以避免在钻头喷嘴中和附近的高剪切区域，且防止可压缩颗粒经受额外的机械变形和磨损。而且，它还可以保持可压缩颗粒远离通过流体流动驱动的具有潜在破坏性的井底泥浆发动机或涡轮。
【0053】可压缩颗粒的去除可以基于可压缩颗粒相对于钻井液的密度调整。例如，图5A中所示，如果钻井液比可压缩颗粒重，可压缩颗粒可以在井下分离器500中被分离。井下分离器500，其是底部钻具组合(BHA)110的一部分，可以在井筒中被使用，以从变密度钻井泥浆118中分流或分离可压缩颗粒。井下分离器500可以是离心分离机或水力旋流器，其位于钻头502之上且连接于钻杆112。分离器500可以包括分流器504、主室505和支路管506。
【0054】与用于在地面分离可压缩颗粒的水力旋流器相似，井下分离器500可以被放置在其它BHA元件之上，以环形或螺旋方式从钻杆112加快变密度钻井泥浆118，以产生离心加速，如通过实线508所示。随着变密度钻井泥浆118被加速，较重的泥浆成分迁移到主室505的壁外且穿过钻头喷嘴503离开，如通过点线512所示。较轻的钻井泥浆成分迁移到主室505的中间或中央且进入到支路管506中，如破折线510所示。即使在压缩的状态下，可压缩颗粒的密度可以小于钻井液的密度。因此，包括最高浓度的可压缩颗粒的流动路径的中间部分通过井下分离器的开口被转向到井筒环空，该开口是支路管506，而其它存留的流体流动被转向钻头502。来自这些流动路径的流体随后与在钻头502之上的环空流体混合，得到变密度钻井泥浆118。
【0055】在可选的实施方式中，如图5B所示，如果压缩状态下的可压缩颗粒比钻井液重，流动路径可以改变，形成不同的分离器520。在该分离器520中——其同样可以位于钻头502之上，分流器522和主室524可以与上面讨论相似地起作用。但是，支路管526可以转移变密度钻井泥浆118中的更重物质如可压缩颗粒，从主室524的外壁进入环空中。同样，井下分离器520可以放置在其它BHA元件之上，以环形或螺旋方式从钻杆112中加速变密度钻井泥浆118，以产生离心加速，如实线528所示。随着变密度钻井泥浆118被加速，更重的成分如压缩装态的可压缩颗粒迁移到主室524的外壁，如通过点线530所示。更轻的物质，其可以是钻井液，迁移到主室524的中间且通过钻头喷嘴503流出主室524，如破折线532所示。井下分离器520的底部附近，主室524壁附近的流体流动的外围部分，包含最高浓度的可压缩颗粒，且通过井下分离器的开口被转移到井筒环空，该开口是支路管526。来自这些流动路径的流体随后与钻头502之上的环空流体混合，以得到变密度钻井泥浆118。
【0056】进一步，应该注意到，在钻井作业的地面上的设备可以被设计成，具有比与井底部分相关的设备更大的体积流量。例如，在井筒表面的泥浆泵的入口流速可以比BHA 110的流速大，因为在压缩状态的压缩颗粒占据更小的体积。也就是，在井筒内的设备的流速可以基本上低于地面的泵的流速，因为可压缩颗粒处于压缩状态。虽然这种流速降低可能降低变密度钻井泥浆118的井眼清洗功能，但井底设备的尺寸可以被减小，以进一步降低成本。
【0057】此外，应注意到，这些多种示例性应用可以改动，以基于可压缩颗粒的密度设置可压缩颗粒的具体配置。例如，如上面所述，取决于具体应用，在变密度钻井泥浆118中的其它物质可以比可压缩颗粒更轻或更重。在地面，可压缩颗粒可能倾向于处于扩展的或非压缩的状态。结果，可压缩颗粒可以比变密度钻井泥浆118中的其它物质更轻，且可以如上面所述被移出。但是，钻井泥浆处理单元116还可以被改动以移出任意范围密度的可压缩颗粒。相似地，在井筒的底部区域，可压缩颗粒典型地为压缩的状态。在这些井底层段，可压缩颗粒可以比变密度钻井泥浆118中的其它物质更轻或更重。由此，井下分离器可以被设置在多个实施方式中，以基于可压缩颗粒的密度分离可压缩颗粒。
【0058】而且，还应该注意到，可压缩颗粒可以包括一种、两种、三种或多种类型的可压缩颗粒，其具有不同的特征，例如形状、密度和尺寸。同样，钻井泥浆处理单元116和井下分离器500和520的具体构造可以被改变，以处理这些差别。例如，对于钻井泥浆处理单元116，上面描述的实施方式可以控制具有不同特征的可压缩颗粒的分离。但是，钻井泥浆处理单元116可以被改动为具有一系列的两个或多个振动筛302、304、308、322、326、332、336、342和346，与一系列的一个或多个水力旋流器306和334或离心分离机344一起使用，这些被设置以从流动路径分离不同的可压缩颗粒。这些调整可以提供附加的流动路径，用于可压缩颗粒的不同的尺寸或密度。
【0059】作为地面上分离的具体实例，可压缩颗粒回收装置330可以包括振动筛332和水力旋流器334，振动筛332具有第一主振动筛和第二主振动筛，水力旋流器334具有主水力旋流器和次水力旋流器。在该实施方式中，第一可压缩颗粒在尺寸上比第二可压缩颗粒更大。来自井筒的淤浆穿过第一主钻机振动筛，以移出比第一可压缩颗粒310尺寸更大的物质。该淤浆被分成比第一可压缩颗粒310尺寸更大的物质的第一主振动筛流动路径和等于或小于淤浆中可压缩颗粒尺寸的物质的第二振动筛流动路径。存留在主钻机振动筛上的物质可以作为钻屑被丢弃。在第二主振动筛流动路径的具有可压缩颗粒的存留淤浆穿过第二主钻机振动筛，以移出大于第二可压缩颗粒尺寸的物质。该淤浆被分成大于第二可压缩颗粒尺寸的物质的第三主振动筛流动路径和等于或小于淤浆中第二可压缩颗粒尺寸的物质的第四主振动筛流动路径。在第三主振动筛流动路径上的物质被转移至主水力旋流器，其从其它物质中分离第一可压缩颗粒，以沿着第一主水力旋流器流动路径从主水力旋流器的顶部迁移出来，而更重的物质从底部迁移到第二主水力旋流器流动路径。在第四主振动筛流动路径的物质被转移到次水力旋流器，其从其它物质中分离第二可压缩颗粒，以沿着第一次水力旋流器流动路径从次水力旋流器的顶部迁移出来，而更重的物质从底部迁移进入到第二次水力旋流器流动路径。随后，可以使用附加的振动筛，以从水力旋流器顶部离开的泥浆中移出可压缩颗粒，所述水力旋流器可以基于第一或第二可压缩颗粒设计尺寸。
【0060】作为在井筒内分离的具体实例，井下分离器500和520可以用于分离在单一井下分离器中具有不同特征的可压缩颗粒。但是，其它的实施方式可以包括一系列井下分离器，其被用于分离各可压缩颗粒。例如，取决于可压缩颗粒的密度，两个或多个井下分离器可以被用于在两阶段过程中移出可压缩颗粒。例如，如果压缩状态下的第一可压缩颗粒比钻井液更重，且第二可压缩颗粒在压缩的状态下比钻井液更轻，则井下分离器500可以与井下分离器520串联连接，以在不同的阶段中移出可压缩颗粒。其它的实施方式也可以被认为在本实施方式的这种描述的范围内。
【0061】此外，井下分离器500和520可以在井筒的多个位置被使用，以进一步操控在井筒环空内的密度分布。例如，如图6中所示，钻井系统600可以包括钻井元件，例如底部钻具组合(BHA)110、钻杆112、套管柱114和115、旁路管柱122、用于处理变密度钻井泥浆118的钻井泥浆处理单元116、井下分离器602a-602n和其它操控钻井和生产作业的系统。因为在钻井系统600中的一些元件与钻井系统100的元件相似，因此相同的参考数字可以被使用。在该钻井系统600中，井下分离器602a-602n——其可以是井下分离器500和520的实施方式，可以相连到钻杆112的节段上，以操控井筒环空内的密度。而且，应该注意到，井下分离器602a-602n可以包括任意数目的井下分离器，例如一个、两个、三个或更多，这基于井筒的希望的密度分布。
【0062】在钻井系统600中，井104可以穿透地球表面106到达地下地层108。井下分离器602a-602n可以被放置在井104内的多个位置，以通过移出变密度钻井泥浆118可压缩颗粒的一部分来控制密度分布。井下分离器602a-602n可以包括任意数目的井下分离器，例如一个、两个、三个或更多，这基于井筒的希望的密度分布。具有不同密度的可压缩颗粒的混合物可以在钻井过程中被使用。每个分离器被设计成分离可压缩颗粒的重要部分，其可以基于为井筒设计的密度进行调整，利用来自钻杆内流动的和从钻杆中引出的以及进入到井筒环空中的某一密度。例如，钻井液可以包括三种类型的可压缩颗粒，每种具有不同于其它的密度对压力分布。最低内压的可压缩颗粒可以在第一分离器中被分离且引入到井筒环空中，因为它们具有更高的密度状态。更高内压的可压缩颗粒可以在钻杆内的更深位置被分离，且引入到在其它井下分离器中的井筒环空中。最高内压的可压缩颗粒可以在是BHA一部分的井下分离器中被分离，且引入到钻头附近的井筒环空中。由此，井下分离器602a-602n提供了操控井筒的可压缩颗粒和密度分布的额外灵活性。
【0063】而且，还应该注意到，用于移出可压缩颗粒的不同方法和过程不可能移出所有的可压缩颗粒，但可以移出具体部分或基本量的可压缩颗粒。例如，用井下分离器，分离器可以从变密度钻井泥浆中移出基本量，例如70％的可压缩颗粒。分离的效率可以基于井下环境、井下几何形状和其它因素，其对于应用是特定的。由此，上面所描述的多种装置可以移出至少一部分或所有的可压缩颗粒，其可以随不同的构造而变化。
【0064】而且，在其它可选实施方式中，监控器可以被用于进一步加强该过程。例如，当钻井时，可压缩颗粒被传递力，其可以使可压缩颗粒破裂或失效，产生压缩性的重大损失。而且，随时间推移，可压缩颗粒的内压由于外壳壁渗透性可以降低。也就是，当一些可压缩颗粒可以保持内压时，其它可压缩颗粒可能由于穿过可压缩颗粒壁的渗透性而损失内压。这些轻微损坏的可压缩颗粒可再循环，因为它们具有与其它保持其内压的可压缩颗粒相似的密度。因此，在缺少井下随钻压力(PWD)时，确定井筒密度分布变得日益困难。
【0065】为了增强系统的操作，监控器，例如泥浆密度和压力监控器可以被用于预测井下密度分布。在井筒内的变密度钻井泥浆密度(或压力)分布的计算和预测可以对于防止超过FG或低于PPG同时钻井到地下地层是有利的。用于预测变密度钻井泥浆的密度分布的精确方法基于对钻井液系统内组分的可压缩行为的理解。例如，在操作的最初阶段的密度分布或对于未使用的可压缩颗粒的密度分布可以从模型或试验数据以及试验进行预测，因为可压缩颗粒对压力的响应基于可压缩颗粒的内压和壳壁受压性。因此，模型或实验数据可以被用于提供不同变密度钻井泥浆的密度分布。
【0066】随着钻井作业的进行，应该考虑包括在变密度钻井泥浆中的大量离散可压缩颗粒的磨损。也就是，磨损速率应被用于计算具有可压缩钻井泥浆的井底压力，因为它涉及变化泥浆密度对从地面到井底的深度的积分。结果是，变密度钻井泥浆的压力-体积-温度(PVT)的准确了解对于理解可压缩颗粒的磨损速率是有用的。因此，需要一种方法或机制，测量由于变密度钻井泥浆中的可压缩颗粒分布所经历的物理磨损速率以及内部颗粒压力随时间的任何损失。
【0067】为了提供该功能，实施方式可以持续地监控井筒内的变密度钻井泥浆的PVT特征。这可以通过装备往复式泥浆泵以在压缩期间持续地测量和记录活塞位移、内部气缸压力来完成，内部气缸压力作为活塞位移和气缸内泥浆温度的函数。以这种方式，被注入到井筒内的变密度钻井泥浆的PVT特征对于计算井下密度或压力分布是持续有效的(特别是在BHA中缺少PWD工具时)。而且，该数据可以被用于监控变密度钻井泥浆特征，以例如用于通过加入或置换泥浆成分例如可压缩颗粒或钻井液，保持和/或改变变密度钻井泥浆性质的目的。这些泥浆泵的监控——其可以包括泥浆泵408和426，例如，可以提供密度相关的额外数据，以提供井筒内正确的密度。
【0068】因此，监控器的使用可以增强钻井作业。例如，监控器可以确定变密度钻井泥浆的压力体积温度(PVT)特征。PVT特征可以被用于改变变密度钻井泥浆中的可压缩颗粒的体积，以提供希望的密度，和/或被用于改变变密度钻井泥浆中的钻井液的体积或密度，以提供希望的密度。而且，变密度钻井泥浆的PVT特征可以被用于改变具有第一内压的第一组可压缩颗粒和具有第二内压的第二组可压缩颗粒的体积，以提供希望的密度。也就是，在其它的实施方式中，PVT特征可以被用于对于具有不同内压的可压缩颗粒分配不同的体积，以提供具体的密度分布。
【0069】可选技术可以具有压缩装置，其可以持续地操作，以测量从泥浆泵中分离的PVT特征。该压缩装置可以直接从存储区例如泥浆池402和422和/或储存容器432取样。此外，可以有多个装置，测量进入钻柱的变密度钻井泥浆和离开井筒环空的泥浆的PVT行为或特征。
【0070】进一步，变密度钻井泥浆的监控还可以在预防和克服下述方面有益：在变密度钻井液柱压低于地层孔压情况下的井涌，和在变密度钻井液柱压超过地层孔压情况下的流体损失。例如，井涌经常通过在钻井时和在泥浆泵关闭之后循环变密度钻井泥浆或环空流动时泥浆池体积增加而在地面发现。当循环摩擦压力从变密度钻井泥浆中被移出和泥浆泵被关闭时，预期变密度钻井泥浆中的可压缩颗粒会扩展，且在井筒环空中的变密度钻井泥浆可以流出环空。对于通常的非压缩性钻井泥浆，这可以作为出现井涌(taking a kick)的证据。因此，通过PVT行为的地面测量理解变密度钻井泥浆的密度分布可以有利于确定在泥浆泵被关闭之后可压缩颗粒的扩展与井涌出现之间的区别。
【0071】如果确定井涌已经出现，克服井涌的常用方法包括钻机的方法(例如，两循环工艺，其用相同密度的变密度钻井泥浆消除井涌，随后增加循环进入井筒内的变密度钻井泥浆的密度)和加重与等待方法(weight and wait method)(例如，单循环工艺，其增加变密度钻井泥浆的密度同时保持井底压力并将井涌循环出井筒)。在两个方法中，井底压力被保持在基本稳定的水平，同时从井筒中循环井涌。而且，在钻柱中缺少PWD工具时，对作为压力函数的变密度钻井泥浆的密度分布的实时或接近实时测量可以是有益的。以这种方式，在得到在井涌循环过程期间应用到钻柱或环空的泥浆密度分布和表面压力的情况下，井底压力可以被确定。
【0072】虽然对本发明可以有多种改变和可选形式，上面讨论的示例性实施方式仅仅以举例方式显示。上面所描述的实施方式不旨在包括所有可能的多种分离装置和技术的构造(例如，振动筛、水力旋流器、沉降罐、离心分离机等等)。可以预期，上面描述的任何分离技术可以以这样方式组合，以通过尺寸和密度，实现可压缩颗粒从变密度钻井泥浆或从其它可压缩颗粒的希望的分离。而且，应该理解到，本发明不旨在限于本文所公开的具体实施方式。实际上，本发明包括落在由所附权利要求所限定的本发明真正精神和范围中的所有替代物、改动和等价物。