CN106507680A - 井下自隔离井眼钻进系统 - Google Patents

Abstract

用于粉碎岩屑的井下自隔离井眼钻进系统的一个示例包括切削研磨工具和隔离工具。切削研磨工具可以相对于连接到钻柱的井下端的钻头在上井处连接到钻柱。切削研磨工具可以接收并粉碎使用钻头钻进地层产生的岩屑。隔离工具可以相对于切削研磨工具在上井处连接到钻柱。隔离工具可以控制与钻井泥浆混合的粉碎岩屑沿井眼向上通过钻柱的流动。

Description

井下自隔离井眼钻进系统

要求优先权

本申请要求于2014年2月11日提出申请的美国专利申请第14/177,423号的优先权，该申请的全部内容在此并入本文作为参考。

技术领域

本发明涉及井眼钻进。

背景技术

在井眼钻进中，钻头连接到钻柱、下入到井中并旋转而与地层接触。钻头的旋转会使形成井眼的地层破裂和断裂。钻井液(也称为钻井泥浆)顺着钻柱向下循环并通过设置在钻头中的喷嘴至井眼的底部，然后向上朝向地面通过形成在钻柱与井眼的壁之间的环空。钻井液用于许多目的，包括冷却钻头、在井眼穿过的地层上供给流体静压力以防止流体流入井眼中、减小钻柱和井眼之间的转矩和阻力、将岩屑(即，地层的通过旋转钻头断裂的部分)输送到地面以及其它目的。

井眼钻进操作期间的一个潜在的问题发生在设定对井进行生产之前从正在钻进的地层出来的烃被释放到井眼中时。地层中的可能在大于钻头上的钻井泥浆重量的压力下的烃会流动到地面，从而导致井喷。井眼钻进期间的另一个潜在的问题是由于岩屑聚集井底或沿着钻井泥浆的流动路径的其它位置而发生。在其它问题中，这样的聚集会降低钻头的使用寿命、降低渗透率并导致卡钻和/或泥浆漏失。

发明内容

本公开说明用于粉碎岩屑的井下自隔离井眼钻进系统。

通常，在此所述的主题的一个创新方面可以被实现为井眼钻进系统。切削研磨工具相对于被连接到钻柱的井下端的钻头在上井处连接到钻柱。切削研磨工具可以接收并粉碎使用钻头钻进地层产生的岩屑。隔离工具相对于切削研磨工具在上井处连接到钻柱。隔离工具可以控制与钻井泥浆混合的粉碎岩屑通过钻柱的流动。

这方面以及其它方面可以包括以下特征中的一个或多个。泥浆马达可以在钻柱中定位在切削研磨工具和隔离工具之间。泥浆马达可以改变钻头的旋转速度。隔离工具可以包括响应于与烃相接触而膨胀的弹性体。隔离工具可以响应于弹性体的膨胀至少部分地阻塞混合物的流动。隔离工具可以包括浮动构件，所述浮动构件具有比包括烃的混合物的密度大且比不包括烃的混合物的密度小的密度。隔离工具可以包括流路，所述流路包括响应于混合物的密度的变化来容纳或释放浮动构件的基座。响应于流路分别响应于将浮动构件容纳在基座中或从基座释放浮动构件而被至少部分地关闭或至少部分地打开，隔离工具可以至少部分地阻塞或至少部分地允许混合物流动。

隔离工具可以包括分别定位在通向流路的入口和出口处的第一单向流和第二单向流。第一单向流和第二单向流中的每一个可以分别响应于浮动构件被容纳在基座中或从基座中释放而打开或关闭。隔离工具可以包括响应于流路被关闭的旁通流路。稳定器可以围绕切削研磨工具。被稳定器围绕的切削研磨工具的外径可以基本上等于钻头的外径。切削研磨工具可以定位在钻头上以接收岩屑。隔离工具的外径可以基本上等于被稳定器围绕的切削研磨工具的外径。隔离工具可以定位在钻头上以从切削研磨工具接收粉碎岩屑。切削研磨工具可以包括限定用于接收岩屑的入口部的固定外壳和旋转内壳。研磨构件可以连接到旋转内壳。研磨构件和旋转内壳可以旋转，以粉碎经由入口部接收的岩屑。

在此所述的主题的另一个创新方面可以被实现为一种方法。接收到使用连接到钻柱的下向井眼端的钻头钻进地层产生的岩屑。岩屑与流动通过钻柱的钻井泥浆混合。接收到的岩屑被粉碎，从而产生粉碎岩屑和钻井泥浆的混合物。粉碎岩屑和钻井泥浆的混合物的流动根据在混合物中存在从地层释放的烃进行控制。

本方面和其它方面可以包括以下特征中的一个或多个。根据烃的存在控制混合物的流动可以包括确定混合物中存在从地层释放的烃以及响应于确定该存在至少部分地阻塞混合物朝向地面的流动。为了至少部分地阻塞混合物的流动，混合物的流路中的弹性体可以响应于确定烃的存在而膨胀。膨胀的弹性体可以至少部分地阻塞混合物通过流路的流动。为了至少部分地阻塞混合物的流动，浮动构件可以响应于浮动构件的密度大于包括烃的混合物的密度被容纳在形成在混合物的流路中的基座中。就座在基座中的浮动构件可以至少部分地阻塞混合物通过流路的流动。

为了粉碎岩屑从而产生粉碎岩屑和钻井泥浆的混合物，岩屑可以被接收在入口部中，所述入口部由连接到钻柱并定位在钻头上方的切削研磨工具的固定外壳和旋转内壳限定。切削研磨工具可以包括连接到旋转内壳的研磨构件。旋转内壳可以旋转以粉碎经由入口部接收的岩屑。粉碎岩屑和钻井泥浆的混合物可以从粉碎所接收的岩屑的切削研磨工具流动到控制混合物的流动的隔离工具。

在此所述的主题的另外的新颖性方面可以被实现为井眼钻进系统。切削研磨工具绕着连接到钻柱的钻头连接到钻柱。切削研磨工具包括研磨工具外壳和研磨工具内壳、以及研磨构件，其中所述研磨工具外壳和所述研磨工具内壳限定切削研磨工具入口部以接收使用钻头钻进地层所产生的岩屑，所述研磨构件被定位在研磨工具外壳和研磨工具内壳之间以粉碎接收到的岩屑。隔离工具在切削研磨工具的上方连接到钻柱。隔离工具包括隔离工具外壳和隔离工具内壳，所述隔离工具外壳和所述隔离工具内壳限定隔离工具入口部以接收包括钻井泥浆和由切削研磨工具粉碎的岩屑的混合物。隔离工具包括根据混合物中烃的存在控制混合物的流动的流动控制系统。

本方面和其它方面可以包括以下特征中的一个或多个。稳定器可以围绕研磨工具外壳。被稳定器围绕的研磨工具外壳的外径可以基本上等于钻头的外径，以接收经由入口部由钻井泥浆携带的岩屑。研磨工具内壳可以旋转。研磨构件可以连接到研磨工具内壳以旋转，以便粉碎岩屑。流动控制系统可以包括在存在烃时膨胀的弹性体。流动控制系统可以响应于弹性体的膨胀至少部分地阻塞钻井泥浆中的粉碎岩屑的流动。流动控制系统可以包括浮动构件和基座，所述基座用于响应于浮动构件的密度大于包括烃的混合物的密度来容纳浮动构件。流动控制系统可以响应于浮动构件被容纳在基座中而至少部分地阻塞钻井泥浆中的粉碎岩屑的流动。

本说明书中说明的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和下面的说明中阐述。其它特征、方面和主题的优点将从说明书、附图和权利要求中变得清楚。

附图说明

图1是显示示例性的井下自隔离井眼钻进系统的示意图；

图2是显示包括泥浆马达的图1的井下自隔离井眼钻进系统的示意图；

图3A-3C是显示用于粉碎岩屑的切削研磨工具的不同视图的示意图；

图4A-4E是显示用于隔离井眼钻进系统的隔离工具的第一实施方式的不同视图的示意图；

图5A-5C是显示用于隔离井眼钻进系统的隔离工具的第二实施方式的不同视图的示意图；

图6A-6D是显示由图5A-5C的隔离工具执行的操作的示意图；

图7A-7C是显示由隔离工具实现的旁通流动机构的示意图；

图8是由井下自隔离井眼钻进系统来实现的示例过程的流程图；以及

图9是用于操作井下自隔离井眼钻进系统的示例过程的流程图。

各附图中相同的附图符号和标记指示相同的元件。

具体实施方式

本公开说明了井下井眼钻进系统，所述钻进系统包括两个工具部件，即切削研磨工具和隔离工具。切削研磨工具可以将岩屑磨成粉而混到泥浆中，所述岩屑是由于使用钻头在地层中钻井眼而造成的。隔离工具可以在内部隔离工具，即阻塞流体循环路径的流动。如下所述，切削研磨工具被定位在钻头的上方，隔离工具被定位在切削研磨工具的上方。隔离工具可以以不同的方式实现，例如通过使用被启动以在内部隔离工具的快速作用油/气体弹性体、包括对密度敏感的球操作机构的机械关闭装置来实现。

通过实施在此所述的井下井眼钻进系统，所述钻进系统可以主动限制并基本上减少以自动方式不受控制的烃注入的风险。此处所述的工具可以被实现为是简单且坚固的，从而降低制造工具的成本。在一些实施方式中，隔离工具可以在烃注入发生期间捕获烃样本。这样的样本可以被分析以确定使用钻进系统被钻进的地层中的烃的特性。这里所述的钻进系统可以不仅仅依赖于随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)系统来检测烃注入。在不存在烃注入的情况下，这里所述的钻进系统可以起到钻进底部钻具组合(BHA)的功能以允许钻进和粉碎岩屑的循环，并且具有改进井眼清洁并降低下井仪器串卡住的风险的益处。以这种方式，井下井眼钻进系统可以增加井眼钻进操作的安全性。

图1是显示示例性的井下自隔离井眼钻进系统100的示意图。钻进系统100包括将相对于钻头106在上井处连接到钻柱104的切削研磨工具102，其中所述钻头连接到钻柱104的井底端。钻进系统100包括将相对于切削研磨工具102在上井处连接到钻柱104的隔离工具110。切削研磨工具102可以接收和粉碎由使用钻头106钻进地层108所产生的岩屑(未示出)。隔离工具110可以控制与钻井泥浆118混合的粉碎岩屑沿井眼向上朝向井眼的地面的流动。钻进系统100另外可以包括井眼钻进元件，例如相对于隔离工具110定位在上井处的循环接头112、相对于循环接头112定位在上井处的随钻震击器114、连接到随钻震击器114的任一端的钻铤116以及其它井眼钻进元件。

图2是显示图1的示例性井下自隔离井眼钻进系统的示意图，所述系统包括泥浆马达202。在一些实施方式中，切削研磨工具102可以在钻头106的上方(例如，在正上方)连接到钻柱104。隔离工具110可以在切削研磨工具102的上方(例如，正上方)连接到钻柱104，如图1中所示。泥浆泵的压力可以将携带岩屑的钻井泥浆泵送到切削研磨工具102。相似地，所述压力可以将携带粉碎的岩屑的钻井泥浆从切削研磨工具102泵送到隔离工具110。可选地或者另外地，如图2所示，泥浆马达202可以在切削研磨工具102与隔离工具110之间连接到钻柱104。泥浆马达202可以将被切削研磨工具102粉碎的岩屑以及钻井泥浆的混合物沿井眼向上朝向隔离工具110泵送。可选地或者另外地，泥浆马达202可以增加钻头106的旋转速度。

图3A-3C是显示用于粉碎岩屑的切削研磨工具102的不同视图的示意图。图3A是切削研磨工具102的横截面图。切削研磨工具102包括固定外壳302和旋转内壳304，所述固定外壳和所述旋转内壳限定用于接收被钻井泥浆沿井眼向上朝向井眼的地面携带的岩屑的入口部320。切削研磨工具102还包括研磨构件306(例如，岩石切削刃)，所述研磨构件连接到旋转内壳304。图3B是切削研磨工具102的底部入口或顶部出口的横截面图，示出了布置在固定外壳302与旋转内壳304之间的研磨构件306。在一些实施方式中，研磨构件306可以不彼此重叠或者可以仅部分地彼此重叠，从而相对于研磨构件306重叠的设计在切削研磨工具102两端生成较低的压降。图3C是切削研磨工具102的另一个俯视图，显示了允许内壳304绕着钻柱104的轴线旋转的轴承(例如，第一滚珠轴承308、第二滚珠轴承310、第三滚珠轴承312和其它轴承)。

在一些实施方式中，全尺寸实心稳定器119被定位在围绕切削研磨工具102的井眼中。切削研磨工具102的外径可以小于钻头106的外径。例如，切削研磨工具102的标称外径通常尺寸小于1/8”或小于钻头106的外径。被稳定器119围绕的切削研磨工具102的外径可以基本上与钻头106的外径相同。例如，被稳定器119围绕的固定外壳302的外径可以等于钻头106的外径。可选地，被稳定器119围绕的固定外壳302的外径可以基本上与钻头106的外径相同。

由于切削研磨工具102被定位在钻头106的正上方，因此切削研磨工具102可以将几乎所有的钻井泥浆和岩屑的混合物转移到外壳302和内壳304之间限定的内部流动通道中。在一些实施方式中，切削研磨工具102包括用于将返回的钻井泥浆流转移到工具中的全尺寸实心稳定器119。

在操作中，钻井泥浆通过地面处的泥浆泵产生的压力从井眼的地面流动。钻井泥浆流动通过钻柱104中的内部流路并从钻头106中的端口流出，并且将岩屑携带到切削研磨工具102的入口部320中。当内壳304与钻柱104一起旋转(例如，由于与钻柱104连接)时，研磨构件306与内壳304一起旋转，以在岩屑朝向隔离工具110流出切削研磨工具102之前粉碎岩屑(例如，粉碎成比岩屑更小的碎片)。例如，切削研磨工具102可以将岩屑粉碎成足够小以避免堵塞隔离工具110中的流路的尺寸(以下进行说明)。在一些实施方式中，泥浆马达202可以为了快速钻井速率用于增加钻头旋转速度。在这样的实施方式中，泥浆马达202还可以将内壳304转动得更快以粉碎朝向隔离工具110泵送的岩屑。

在一些情况下，切削研磨工具102粉碎的岩屑的量会引起将钻井泥浆泵送通过钻进系统100的泥浆泵上的液压的增加。然而，与钻井液混合的固体(例如，岩屑、在地面混合以用于泵送钻井泥浆的桥接材料、其它固体)的浓度小(例如，为总的循环钻井泥浆体积的大约3％到5％)。这尤其是发生在钻进穿透速率慢以使得在硬岩中很慢时。因此，切削研磨工具102的操作在泥浆泵处不可能形成显著的压力形成或者对钻进系统100的钻进液压没有显著的影响。

图4A-4E是显示用于隔离井眼钻进系统的隔离工具102的第一实施方式的不同视图的示意图。在一些情况下，烃可以由于钻进而从地层被释放，从而产生包括钻井泥浆、粉碎的岩屑和释放的烃的混合物。如上所述，烃的释放可能会造成安全危险，例如可能的井喷。隔离工具102可以操作来从内部封隔井眼，以防止通过隔离钻进系统100进一步释放烃，如下所述。

图4A是隔离工具102的第一实施方式的横截面图。隔离工具110包括固定外壳402和旋转内壳404，所述固定外壳和所述旋转内壳限定入口部406、使钻井泥浆和粉碎的岩屑的混合物可以流动通过隔离工具110的流路410、以及使所述混合物可以离开隔离工具110并流动到井眼的地面的出口部416。

在一些实施方式中，全尺寸实心稳定器121围绕隔离工具定位。被稳定器121围绕的隔离工具110的外径与被稳定器119围绕的切削研磨工具102的外径基本上相同。例如，被稳定器121围绕的固定外壳402的外径可以等于被稳定器121围绕的固定外壳402的外径。可选地，被稳定器121围绕的固定外壳402的外径可以与被稳定器119围绕的固定外壳302的外径基本上相同。例如，隔离工具110的标称外径与具有全尺寸实心稳定器119的切削研磨工具102相同。由于隔离工具110被定位在切削研磨工具102的正上方，因此隔离工具110将几乎所有的钻井泥浆和粉碎岩屑的混合物转移到流路410中。隔离工具110还可以包括具有入口414的旁通流路412，所述入口可以在混合物流动通过隔离工具110时被关闭并可以响应于流路410被阻塞时被打开。

在一些实施方式中，隔离工具110可以包括响应于与烃相接触而膨胀的弹性体408。例如，流路410的内壁的一些或全部的所有或部分可以与快速作用弹性体408排成一行。图4B是显示围绕圆柱形流路410定位的弹性体408的隔离工具110的俯视图。图4C是显示允许内壳404绕着钻柱104的轴线旋转的轴承(例如，第一滚珠轴承414、第二滚珠轴承416、第三滚珠轴承418和其它轴承)的隔离工具110的俯视图。

图4D是隔离工具110的横截面图，图4E是隔离工具110的俯视图，其中弹性体408已经膨胀成块形流。来自地层的烃(例如，油或气体)由于通过钻头106进行的钻进而流入到井眼中，并且与钻井泥浆和岩屑的混合物相混合。切削研磨工具102如上所述粉碎混合物中的岩屑。当隔离工具110经由入口部406接收包括钻井泥浆、粉碎的岩屑和烃的混合物时，烃接触弹性体408。作为响应，快速作用弹性体408膨胀，从而阻塞混合物通过隔离工具110的流动。流中的阻塞导致在地面处泵送井下钻井液的泥浆泵的液压的增加。在一些情况下可以通过监测系统自动检测的压力的增加可以警告钻进系统100的操作者采取适当的行动。

在一些实施方式中，弹性体408可以膨胀以阻塞整个混合物流，使得混合物没有任何部分离开隔离工具110。在一些实施方式中，弹性体408可以膨胀以阻塞混合物流的足以将泥浆泵的压力增加到阈值压力的一部分。例如，阈值压力可以是足以警告钻进系统100的操作者采取适当的行动的压力值。

在操作中，钻井泥浆和粉碎岩屑的混合物通过地面处的泥浆泵产生的压力从切削研磨工具102流动到入口部406。钻井泥浆流过流路410并从出口部416流出，并且朝向井眼的地面输送粉碎岩屑。如果混合物包括烃，则弹性体408在被烃接触时就膨胀。膨胀的弹性体408(部分或完全地)阻塞钻井泥浆、粉碎岩屑和烃的混合物到地面的流动。如上所述，所述流中的阻塞导致地面处的泥浆泵的压力的增加，从而促使操作(手动或自动)，例如井眼钻进操作的停止。另外，压力的增加在隔离工具110周围导致压力差。即，隔离工具110上方的压力可以小于下方的压力。响应于流路410被阻塞0，通向旁通流路412的入口414可以通过高出很多的地面泥浆泵压力被打开以强制打开旁通流路(如图7A-7C中所示)，如图4D所示，以允许横过隔离工具110的压力平衡。这种压力平衡可以例如有助于BHA的安全维修。

图5A-5C是显示用于隔离井眼钻进系统的隔离工具110的第二实施方式的不同视图的示意图。在一些实施方式中，隔离工具110包括固定外壳502和旋转内壳504，所述固定外壳和所述旋转内壳限定入口部508、使钻井泥浆和粉碎岩屑的混合物可以流动通过隔离工具110的流路506、以及使所述混合物可以离开隔离工具110并流动到井眼的地面所经由的出口部510。类似于隔离工具110的第一实施方式，隔离工具110的外径与被稳定器119围绕的切削研磨工具102的外径基本相同。例如，固定外壳502的外径可以等于被稳定器119围绕的固定外壳302的外径。例如，隔离工具110的第二实施方式的标称外径与切削研磨工具102的标称外径相同。由于隔离工具110被定位在切削研磨工具102的正上方，因此隔离工具110可以将几乎所有的钻井泥浆和粉碎岩屑的混合物转移到流路508中。与第一实施方式相似，第二实施方式的隔离工具110还可以包括具有入口的旁通流路，所述入口可以在所述混合物流动通过隔离工具110时被关闭并可以响应于流路506被阻塞而被打开。图5B是显示允许内壳504绕着钻柱104的轴线旋转的轴承(例如，第一滚珠轴承509、第二滚珠轴承511和其它轴承)的隔离工具110的第二实施方式的俯视图。

图5C是显示隔离工具110的第二实施方式的特征的部分平面图，所述隔离工具响应于钻井泥浆和粉碎岩屑的混合物中烃的注入而阻塞流动。隔离工具l10包括流路550，所述流路包括至少三个部分：第一部分，流体流在所述第一部分中朝向地面；连接到第一部分的第二部分，所述流体流在所述第二部分中在井下；以及连接到第一部分的第三部分，所述流体流在所述第三部分中再次朝向地面。隔离工具110包括具有比包括烃的混合物的密度大且比不包括烃的混合物的密度小的密度的浮动构件。流路550，例如流路的第二部分，包括基座554，所述基座用于响应于流动通过流路550的流体的密度的改变来容纳浮动构件。例如，浮动构件552可以是球面球，如下所述，所述球面球可以浮动在基座554的上方，并且在存在烃时在第二部分中下降以被基座554容纳，从而阻塞流动。

图6A-6D是显示由图5A-5C的隔离工具110执行的操作的示意图。图6A是显示在打开状态的隔离工具110的示意图。在一些实施方式中，隔离工具110包括在通向流路550的第一部分的入口处的第一单向流量阀556(例如，挡板阀或其它单向流量阀)。第一单向流量阀556可以被定位在通向第一部分的入口处，以在钻井泥浆和粉碎岩屑的混合物流向地面时打开且保持打开。在所述混合物流入流路550的第二部分中时，比钻井泥浆和粉碎岩屑的混合物的密度小的浮动构件552浮动并上升到基座554的上方，以允许在沿井眼向下方向上流动通过第二部分。所述混合物然后朝向地面流入流路550的第三部分中。隔离工具包括在通向流路550的第三部分的出口处的第二单向阀558(例如，挡板阀或其它单向流量阀)。第二单向流量阀556可以被定位在通向第三部分的出口处，以在钻井泥浆和粉碎岩屑的混合物流向地面时打开并保持打开。在这种方式下，隔离工具110允许混合物流动到地面。混合物不含有烃或者含有不足以使隔离工具110阻塞流动的量的烃。

图6B是显示处于部分关闭状态下的隔离工具110的示意图。在图6B中，烃已经流入井眼中且被包括在钻井泥浆和粉碎岩屑的混合物中。在包括钻井泥浆、粉碎岩屑和烃的混合物朝向地面流动通过流路550的第一部分时，第一单向阀556继续保持打开。钻井泥浆和粉碎岩屑的混合物的密度在存在烃的情况下小于不存在烃的情况下的混合物的密度。在混合物中的烃的量增加时，混合物的密度降低到小于浮动构件552的密度的阀。响应于浮动构件552的密度增加到大于钻井泥浆、粉碎岩屑和烃的混合物的密度，浮动构件552下降并被基座554容纳，从而完全或部分地阻塞混合物的从第二部分到第三部分的流动。当到第三部分中的流动被阻塞时，第三部分中的流体压力可以降低，从而导致第二单向阀558被关闭。

图6C是显示在全关闭状态下的隔离工具110的示意图。当浮动构件552被基座554容纳以及第二单向阀558关闭时，流路550中的所有部分中的压力下降。压力的降低使第一单向阀556也关闭，从而导致隔离工具110处于全关闭状态并部分或完全地阻塞到地面的流。与隔离工具110的第一实施方式相似，所述流中的阻塞导致将在地面处泵送井下钻井液的泥浆泵的液压的增加。在一些情况下可以由监测系统自动检测的压力的增加可以警告钻进系统100的操作者采取适当的行动，例如关闭钻进操作。另外，与隔离工具110的第一实施方式相似，响应于流路被阻塞，通向旁通流路的入口可以被打开，以允许横过隔离工具110的压力平衡。这种压力平衡可以例如便于BHA的安全维修。在一些实施方式中，隔离工具110可以同时包括如参照图4A-4E所述的油或气体可溶胀弹性体408以及如参照图6A-6C所述的浮动构件552。

图6D是显示回流以从基座554移除浮动构件552的示意图。单向流量阀可以不用在这种情况下。使所述流回流到第三部分中的井下流可以使浮动构件552从基座554升起。所述流可以在第二部分中继续朝向地面并在第一部分中沿井眼向下。这样的布置可以被实现，例如以在钻柱安装期间处理由于夹带的空气造成的假烃注入。

图7A-7C是显示由隔离工具110实现的旁通流动机构的示意图。图7A是包括旁通机构的隔离工具110的底部的横截面图。旁通机构包括具有入口704的流路702(例如，图4A中的流路412)。当旁通机构例如未操作用于压力平衡时，套管708(例如，滑动套管)遮盖通向流路702的入口704。套管708被连接到活塞头710，所述活塞头与弹簧714(例如，偏压动力弹簧)接触。当流路702被关闭时，弹簧714处于松弛状态。活塞头710被定位在其中的腔室包括在靠近活塞头710和套管708的区域中的压力室712以及在靠近弹簧714的区域中的压力口716。

图7B是旁通机构操作以允许流动时的隔离工具110的底部的横截面图。压力可以通过压力室712施加在活塞头710上，从而导致弹簧714朝向旁通机构的底端移动。在一些实施方式中，施加在活塞头710上的压力可以源自由于流动被隔离工具110阻塞而使由地面泥浆泵获得的钻井泥浆、粉碎岩屑和烃的压力的大大增加。当活塞头710朝向旁通机构的底端移动时，套管708也移动，从而使入口704打开并使弹簧714被压缩。钻井泥浆、粉碎岩屑和烃的混合物经由入口704进入流路702并朝着地面流动，从而减小隔离工具110下方的压力。当压力降低时，压缩的弹簧714展开，从而在沿井眼向上的方向上将力施加在活塞714上。活塞714上的沿井眼向上的力使套管708封闭入口704。因此，在压力平衡时，旁通机构自动关闭流路702。图7C是包括旁通机构的隔离工具110的顶部的横截面图。旁通机构包括循环端口750。

图8是通过井下自隔离井眼钻进系统来实现的示例过程800的流程图。在802处，使用连接到钻柱的下向井眼端的钻头钻进地层产生的岩屑被例如切削研磨工具102接收。岩屑与流动通过钻柱的钻井泥浆混合。在804处，接收到的岩屑被粉碎，从而例如通过切削研磨工具102产生粉碎岩屑和钻井泥浆的混合物。在806处，粉碎岩屑和钻井泥浆的混合物的流根据混合物中例如通过隔离工具110从地层释放的烃的存在受到控制。

图9是用于操作井下自隔离井眼钻进系统的示例过程900的流程图。在902处，钻柱运行到井眼钻进系统中。在904处，井眼钻进系统被实现为使用钻井泥浆钻井眼。在906处，切削研磨工具102被实现为自动粉碎岩屑。在908处，操作隔离工具110以在将烃注入钻井泥浆中时从内部封隔井眼钻进系统。例如，在遇到油/气体注入的情况下，隔离工具110将用作隔离屏障，所述隔离屏障在与烃的短暂反应时间之后通过膨胀的弹性体或者通过具有对密度敏感的浮动构件的机械装置从内部进行封隔。

在910处，检测到由于隔离工具的封隔而导致的泥浆泵压力的增加。作为响应，钻进操作可以停止。此外，例如，如果表面流检查和附加返回流计量数据表明井正在流动，则所述井可以被立即关井，即通过关闭BOP柱塞、然后通过打开由压力脉冲启动的循环接头打开以帮助大量的较高泥浆重量循环通过阻塞管线以更好地控制井、并关闭循环接头来关井。在912处，操作旁通机构以平衡横过钻进系统的压力。例如，泵压力可以分阶段以打开旁通流动通道，以允许横过隔离工具110的压力平衡，然后可以继续泵送以使隔离工具下方捕集的注入流循环到地面。然后，井眼钻进工具系统可以被泵出，例如泵出到之前的套管靴，以避免在拉出井眼之前抽汲井。

已经说明了许多实施方案。然而，将会理解的是在不脱离本公开的精神和保护范围的情况下可以作出各种修改。

Claims (20)

1.一种井眼钻进系统，包括：

切削研磨工具，所述切削研磨工具相对于钻头在上井处连接到钻柱，所述钻头连接到所述钻柱的井下端，所述切削研磨工具用于接收并粉碎使用所述钻头钻进地层所产生的岩屑；和

隔离工具，所述隔离工具相对于所述切削研磨工具在上井处连接到所述钻柱，所述隔离工具用于控制与钻井泥浆混合的所述粉碎岩屑通过所述钻柱的流动。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

泥浆马达，所述泥浆马达在所述钻柱中定位在所述切削研磨工具和所述隔离工具之间，所述泥浆马达用于改变所述钻头的旋转速度。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述隔离工具包括响应于与烃接触而膨胀的弹性体，所述隔离工具用于响应于所述弹性体的膨胀至少部分地阻塞所述混合物的流动。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述隔离工具包括：

浮动构件，所述浮动构件具有比包括烃的混合物的密度大且比不包括烃的混合物的密度小的密度；和

流路，所述流路包括用于响应所述混合物的密度的变化容纳或释放所述浮动构件的基座，响应于所述流路分别响应于分别将所述浮动构件容纳在基座中或从所述基座释放所述浮动构件而至少部分地关闭或至少部分地打开，所述隔离工具至少部分地阻塞或至少部分地允许所述混合物流动。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述隔离工具还包括分别定位在通向所述流路的入口和出口处的第一单向流量阀和第二单向流量阀，所述第一单向流量阀和所述第二单向流量阀中的每一个都分别响应所述浮动构件被所述基座容纳或从所述基座释放而打开或关闭。

6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述隔离工具还包括响应于所述流路被关闭而打开的旁通流路。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括：

稳定器，所述稳定器围绕所述切削研磨工具，其中被所述稳定器围绕的所述切削研磨工具的外径基本上等于所述钻头的外径，并且其中所述切削研磨工具被定位在所述钻头上方以接收所述岩屑。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述隔离工具的外径基本上等于被所述稳定器围绕的所述切削研磨工具的外径，并且其中所述隔离工具被定位在所述钻头上方以从所述切削研磨工具接收所述粉碎岩屑。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述切削研磨工具包括：

固定外壳和旋转内壳，所述固定外壳和所述旋转内壳限定用于接收所述岩屑的入口部；和

研磨构件，所述研磨构件连接到所述旋转内壳，所述研磨构件和所述旋转内壳旋转以粉碎经由所述入口部接收的所述岩屑。

10.一种方法，包括以下步骤：

接收使用连接到钻柱的井下端的钻头钻进地层所产生的岩屑，所述岩屑与流动通过所述钻柱的钻井泥浆混合；

粉碎所接收的所述岩屑，从而产生粉碎岩屑和所述钻井泥浆的混合物；和

根据从所述地层释放的烃在所述混合物中的存在来控制所述粉碎岩屑和所述钻井泥浆的混合物的流动。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，根据烃的存在控制所述混合物的流动的步骤包括：

确定从地层释放的烃在所述混合物中的存在；和

响应于确定从地层释放的烃存在于所述混合物中，至少部分地阻塞所述混合物朝向地面的流动。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，至少部分地阻塞所述混合物的流动的步骤包括：

响应于确定烃的存在，使所述混合物的流路中的弹性体膨胀，其中膨胀的所述弹性体至少部分地阻塞所述混合物通过所述流路的流动。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，至少部分地阻塞所述混合物的流动的步骤包括：

响应于所述浮动构件的密度大于包括烃的所述混合物的密度，将所述浮动构件容纳在形成在所述混合物的流路中的基座中，其中所述浮动构件安置在基座中至少部分地阻塞所述混合物通过所述流路的流动。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，粉碎所接收的所述岩屑从而产生粉碎岩屑和所述钻井泥浆的混合物的步骤包括：

将所述岩屑接收在入口部中，所述入口部由连接到所述钻柱并定位在所述钻头的上方的切削研磨工具的固定外壳和旋转内壳限定，所述切削研磨工具包括连接到所述旋转内壳的研磨构件；和

使所述旋转内壳旋转以粉碎通过所述入口部接收的所述岩屑。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：

使所述粉碎岩屑和所述钻井泥浆的混合物从粉碎接收到的所述岩屑的切削研磨工具流动到控制所述混合物的流动的隔离工具。

16.一种井眼钻进系统，包括：

切削研磨工具，所述切削研磨工具在连接到钻柱的钻头的上方连接到所述钻柱，所述切削研磨工具包括：

研磨工具外壳和研磨工具内壳，所述研磨工具外壳和所述研磨工具内壳限定用于接收使用所述钻头钻进地层产生的岩屑的切削研磨工具入口部；和

研磨构件，所述研磨构件被定位在所述研磨工具外壳和所述研磨工具内壳之间，以粉碎接收到的所述岩屑；和

隔离工具，所述隔离工具在所述切削研磨工具的上方被连接到所述钻柱，所述隔离工具包括：

隔离工具外壳和隔离工具内壳，所述隔离工具外壳和所述隔离工具内壳限定用于接收包括钻井泥浆和被所述切削研磨工具粉碎的所述岩屑的混合物；和

流动控制系统，所述流动控制系统用于根据烃在所述混合物中的存在来控制所述混合物的流动。

17.根据权利要求16所述的系统，还包括：

稳定器，所述稳定器围绕所述研磨工具外壳，其中被所述稳定器围绕的所述研磨工具外壳的外径基本上等于所述钻头的外径，以通过所述入口部接收由所述钻井泥浆携带的所述岩屑。

18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述研磨工具内壳能够旋转，并且其中所述研磨构件连接到所述研磨工具内壳以旋转，从而粉碎所述岩屑。

19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述流动控制系统包括在存在烃时膨胀的弹性体，并且其中所述流动控制系统响应于所述弹性体的膨胀至少部分地阻塞所述钻井泥浆中的粉碎岩屑的流动。

20.根据权利要求16所述的系统，其中，所述流动控制系统包括：

浮动构件；和

基座，所述基座响应于所述浮动构件的密度大于包括烃的混合物的密度而容纳所述浮动构件，并且其中所述流动控制系统响应于所述浮动构件被容纳在所述基座中而至少部分地阻塞所述钻井泥浆中的所述粉碎岩屑的流动。