專利名稱：與鉆井液結(jié)合以形成可變密度鉆井泥漿的具有預(yù)定內(nèi)壓的可壓縮物體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及提高從地下地層的鉆井作業(yè)和生產(chǎn)作業(yè)的方 法。更具體而言，本發(fā)明涉及用于選擇、制造和利用可壓縮物體與鉆 井液來形成可變密度鉆井泥漿的方法，該可變密度鉆井泥漿最小化或 消除在井筒中所用的不同尺寸的套管柱的數(shù)目。
背景技術(shù)：
本部分意圖向讀者介紹本領(lǐng)域的各個方面，它們可能與下面所 描述和/或要求保護的本發(fā)明的示例性實施方式相關(guān)。該討論被認為是 有助于向讀者提供便于更好理解本發(fā)明具體技術(shù)的信息。因此，應(yīng)當(dāng) 理解，這些論述應(yīng)當(dāng)以此角度來閱讀，而不必認為是對現(xiàn)有技術(shù)的承 認。烴例如油和氣的生產(chǎn)己經(jīng)進行多年。為生產(chǎn)這些烴，通常將井 筒鉆進具有不同套管柱的層段中，這些套管柱被安裝以到達地下地層。 套管柱被安裝在井筒中，以防止井筒壁的坍塌，防止鉆井液不期望地 流出進入地層中，和/或防止流體從地層流入井筒中。通常，安裝套管 柱的過程包括裝套管、下套管以及膠結(jié)套管柱。因為在不同層段中的 套管柱穿過己經(jīng)安裝的套管柱，因此較低層段的套管柱通常具有較小 的直徑。照此方式，套管柱以嵌套結(jié)構(gòu)形成，這些套管柱在每一個隨 后的層段中在直徑上連續(xù)減小。除套管柱之外，鉆井泥漿在井筒內(nèi)循環(huán)，以便從井中去除鉆屑。 鉆井泥漿的重量或密度通常保持在鉆井作業(yè)的孔隙壓力梯度(porepressure gradient, PPG)與破裂壓力梯度(fracture pressure gradient, FG)之間。然而，PPG和FG伴隨井的真垂直井深(true vertical depth, TVD)—起增加，這對于維持鉆井泥漿重量提出了難題。如果鉆井泥漿的重量在PPG之下，則井可能發(fā)生井涌(take a kick)。井涌是地層流體流入井筒內(nèi)，其必須被控制以使鉆井作業(yè)再繼續(xù)。此外，如果鉆井泥漿的重量高于FG，則鉆井泥漿可能泄漏到地層中。這些損失的回流導(dǎo)致大量鉆井泥漿損失，這必須被取代，以使鉆井作業(yè)繼續(xù)進行。因此，套管柱被用于幫助將鉆井泥漿的重量保持在PPG和FG內(nèi)，以便使鉆井作業(yè)繼續(xù)至更大的深度。在位于更大深度處的地下地層內(nèi)，與形成井筒有關(guān)的成本和時間增加。例如，伴隨著嵌套結(jié)構(gòu)，初始的套管柱必須足夠大以便為地下地層附近的工具和其它設(shè)備提供特定尺寸的井筒直徑。結(jié)果是，初始套管柱的直徑相對較大，以提供最終可用的井筒直徑。這種大直徑增加了鉆井作業(yè)的成本，原因在于與增加的套管柱尺寸、必須進行管理的鉆屑的增加的體積以及用于形成井筒的水泥和鉆井泥漿增加的體積相關(guān)的成本。照此而言，通常鉆井作業(yè)的成本導(dǎo)致一些地下地層在經(jīng)濟上是不可行的。為降低套管柱的直徑，利用了各種工藝。例如，鉆井作業(yè)可以利用可變密度鉆井泥漿以維持鉆井泥漿在PPG和FG內(nèi)。如在Poiizzotti等的國際專利申請公布WO 2006/007347中所述，可壓縮物體可包括各種形狀或結(jié)構(gòu)的可壓縮或可脹縮的空心物體。這些可壓縮物體被選擇來響應(yīng)壓力和/或溫度變化獲得有利的壓縮。這些可壓縮物體可以作為部分可變密度鉆井泥漿進行再循環(huán)，以提供降低井筒中的中間套管柱層段數(shù)目的體積變化。然而，在可變密度鉆井泥漿中使用可壓縮物體可能具有挑戰(zhàn)性。例如，可壓縮物體必須被制造成提供一定的壓縮量并且是有彈性的。此外，可壓縮物體必須被設(shè)計為在一定壓力下壓縮，以便在井筒內(nèi)的特定層段中提供體積變化。另外，與可壓縮物體結(jié)合的鉆井液可以被選擇，并且可以包括一些與該可壓縮物體相互作用的添加劑，以增強可變密度鉆井泥漿。照此而言，對選擇和制造與鉆井液一起使用以形成可變密度鉆井泥漿的可壓縮物體的方法存在需求。
其它有關(guān)的材料可以至少發(fā)現(xiàn)于美國專利3,174,561;美國專利3,231,030;美國專利4,099,583;美國專利5，881，826;美國專利5,910,467;美國專利6,156,708;美國專利6,422,326;美國專利6,497,289;美國專利6,530,437;美國專利6,588,501 ;美國專利7,108,066;美國專利申請公布2005/0113262;美國專利申請公布2005/0284661;和國際專利申請公布WO 2006/007347中。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施方式中，描述了可壓縮物體。該可壓縮物體包括封閉內(nèi)部區(qū)域的殼，其中所述可壓縮物體具有(i)在大氣壓下為大約200磅/平方英寸(psi)以上并且(ii)針對預(yù)定外壓而選擇的內(nèi)壓，其中超過內(nèi)壓的外壓減小可壓縮物體的體積，并且其中所述殼被設(shè)計為在可壓縮物體的膨脹和壓縮過程中補償該可壓縮物體的局部應(yīng)變。內(nèi)壓也可以是大氣壓下500磅/平方英寸以上、大氣壓下1500磅/平方英寸以上，或約大氣壓下2000磅/平方英寸以上。此外，內(nèi)壓的范圍可以是大氣壓下200 psi至殼材料的拉伸強度、大氣壓下2000 psi至殼材料的拉伸強度，和/或大氣壓下1500 psi至3500 psi。在第一可選實施方式中，描述了鉆井泥漿。該鉆井泥漿包括可壓縮物體，其中至少一部分可壓縮物體的每一種具有(i)在大氣壓下為200磅/平方英寸(psi)以上并且(ii)針對預(yù)定壓力而選擇的內(nèi)壓，其中超過內(nèi)壓的外壓減小可壓縮物體的體積，其中所述殼被設(shè)計為在可壓縮物體的膨脹和壓縮過程中補償該可壓縮物體的局部應(yīng)變。此外，鉆井泥漿包括鉆井液，其中當(dāng)鉆井液和可壓縮物體朝向井筒表面循環(huán)時，由于可壓縮物體響應(yīng)壓力變化而發(fā)生體積變化，因此鉆井泥漿的密度變化。在第二可選實施方式中，描述了與鉆井相關(guān)的方法。該方法包括選擇可壓縮物體，其中至少一部分可壓縮物體的每一種具有(i)在大氣壓下為200磅/平方英寸(psi)以上并且(ii)針對預(yù)定外壓而選擇的內(nèi)壓，其中超過內(nèi)壓的外壓減小可壓縮物體的體積；選擇鉆井液；向鉆井液引入可壓縮物體以形成可變密度鉆井泥漿，其中當(dāng)所述可變密度鉆井泥漿朝向井的表面循環(huán)時，該可變密度鉆井泥槳提供位于至
16少一個井層段的孔隙壓力梯度與破裂壓力梯度之間的密度；和在井的位置處鉆含有可變密度鉆井泥漿的井筒。此外， 一旦井筒被形成，烴可以從井筒中被生產(chǎn)。在第三可選實施方式中，描述了用于形成可變密度鉆井泥漿的
方法。該方法包括選擇可壓縮物體，其中至少一部分可壓縮物體的
每一種具有(i)在大氣壓下為200磅/平方英寸(psi)以上并且(ii)針
對預(yù)定井壓而選擇的內(nèi)壓，其中超過內(nèi)壓的外壓減小可壓縮物體的體
積；選擇與該可壓縮物體結(jié)合的鉆井液；摻合可壓縮物體與鉆井液以形成可變密度鉆井泥漿，其中當(dāng)所述可變密度鉆井泥漿朝向井的表面循環(huán)時，該可變密度鉆井泥漿保持位于至少一個井層段的孔隙壓力梯度與破裂壓力梯度之間的密度。在第四可選實施方式中，描述了與鉆井筒相關(guān)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括井筒；布置在該井筒內(nèi)的可變密度鉆井泥漿，其中該可變密度鉆井泥漿具有可壓縮物體和鉆井液，其中至少一部分可壓縮物體的每一種具有(i)在大氣壓下為200磅/平方英寸(psi)以上并且(ii)針對預(yù)定井壓而選擇的內(nèi)壓，其中超過內(nèi)壓的外壓減小可壓縮物體的體積。該系統(tǒng)進一步包括布置在井筒內(nèi)的鉆柱和連接至該鉆柱并布置在井筒內(nèi)的底部鉆具組合。


本技術(shù)的上述和其它優(yōu)勢在閱讀下面的詳細描述以及參考附圖后可以變得顯而易見，在附圖中圖1是按照本技術(shù)的一些方面的示例性鉆井系統(tǒng)的圖解；
圖2A-2D是按照本技術(shù)的方面，可壓縮物體的示例性圖表和實施方式；圖3A-3C是按照本技術(shù)的方面，處于不同狀態(tài)的可壓縮物體的示例性實施方式；圖4是按照本技術(shù)的方面，不同形狀的可壓縮物體的示例性圖表；圖5是按照本技術(shù)的一些方面，選擇和應(yīng)用用于圖1鉆井系統(tǒng)的可變密度鉆井泥漿的示例性流程17
圖6是根據(jù)本技術(shù)的一些方面，選擇和制造用于圖5中流程圖的可壓縮物體的示例性流程圖；圖7是按照本技術(shù)的一些方面，與可壓縮物體形狀有關(guān)的示例性圖表；圖8A-8B是按照本技術(shù)一些方面，在圖6流程圖中所用的制造工藝的示例性實施方式；圖9是按照本技術(shù)的一些方面，在具有泡沫樣板的可壓縮物4本的情況下，在圖6流程圖中所用的制造工藝的示例性流程圖10是按照本技術(shù)的一些方面，從圖9流程圖中制造的可壓縮物體的示例性實施方式；圖11A-11B是按照本技術(shù)的一些方面，在圖6流程圖中所用的制造工藝的示例性實施方式；圖12A-12C是按照本技術(shù)的一些方面，具有凸緣的可壓縮物體的實施方式；和圖13是按照本技術(shù)的一些方面，與將凸緣加至可壓縮物體有關(guān)的示例性圖表。
具體實施例方式在下面詳細描述和實施例中，本發(fā)明將結(jié)合其優(yōu)選實施方式進行描述。然而，就下面的描述特定于具體實施方式
或本發(fā)明的具體應(yīng)用來說，其意圖僅僅是示例性的。因此，本發(fā)明不限于下面所述的具體實施方式
，相反，本發(fā)明包括落在所附權(quán)利要求書的真實范圍中的所有可選物、修改和等價物。本技術(shù)涉及方法、組合物和系統(tǒng)，以用于選擇、制造和利用在可變密度鉆井泥漿中的可壓縮物體。具體而言，可壓縮物體可以與鉆井液一起使用以形成用于井中鉆井作業(yè)的可變密度鉆井泥漿。可壓縮物體和鉆井液被選擇來保持鉆井泥漿重量處于井筒內(nèi)的孔隙壓力梯度(PPG)與破裂壓力梯度(FG)之間。具體地，在本技術(shù)下，可壓縮物體具有大氣壓下大約200磅/平方英寸以上、大氣壓下大約500磅/平方英寸以上或者更優(yōu)選地大氣壓下大約1500磅/平方英寸以上的內(nèi)壓?？蓧嚎s物體可以包括各種形狀的可壓縮或可脹縮空心物體，諸如球形、立方
18形、錐形、橢圓形或扁長形球狀體、圓柱體、枕狀物和/或其它形狀或 結(jié)構(gòu)，它們可以被選擇以獲得響應(yīng)壓力和/或溫度變化的有利的壓縮。 另外，如下所述，可壓縮物體可以包括聚合物、聚合物復(fù)合材料、金 屬、金屬合金和/或含有金屬或金屬合金的聚合物或聚合物復(fù)合材料疊 層，其以各種方法被制造。因此，描述了各種方法和系統(tǒng)，以選擇和 制造可壓縮物體。此外，應(yīng)當(dāng)注意，下面的方法和步驟不限于鉆井作 業(yè)，而是也可以用于完井作業(yè)中，或者用于得益于可變密度流體的任 何作業(yè)中?，F(xiàn)轉(zhuǎn)向附圖，開始參考圖1，圖解了按照本技術(shù)一些方面的示
例性鉆井系統(tǒng)100。在示例性鉆井系統(tǒng)100中，鉆機102被用于鉆井 104。井104可以穿入地球的地面106到達地下地層108。正如所認識 到的，地下地層108可以包括各種巖石層，它們可能包括或不包括烴 如油和氣，并且可以被稱為地帶或?qū)佣?。照此而言，?04可以提供 地下地層108與位于地面106處的生產(chǎn)設(shè)施(未顯示)之間的流體流動路 徑。生產(chǎn)設(shè)施可以加工烴并將烴輸送至消費者。然而，應(yīng)當(dāng)注意，鉆 井系統(tǒng)100用于示例性的目的而被圖解，并且為了任意目的，本技術(shù) 可以用于井筒中的任何循環(huán)流體，如進行鉆井作業(yè)或者從地下位置生 產(chǎn)流體。為進入地下地層108，鉆機102可包括鉆井組件，諸如底部鉆 具組合(BHA) 110、鉆柱112、套管柱114和115、用于處理可變密度 鉆井泥漿118的鉆井液處理單元116以及管理井筒鉆井和生產(chǎn)作業(yè)的 其他系統(tǒng)。這些鉆井組件的每一種被用于形成井104的井筒。BHA 110 可包括鉆頭并且可被用于挖掘地層、水泥或來自井筒的其他物質(zhì)。套 管柱114和115可以為到達地下地層108提供支撐和穩(wěn)定性，其可以 包括地面套管柱115和中間或生產(chǎn)套管柱114。生產(chǎn)套管柱114可以向 下延伸至地下地層108附近的深度或者向下延伸穿過地下地層108。鉆 井液處理單元116可以包括可被用于管理可變密度鉆井液的器材。例 如，鉆井液處理單元116可以包括振動篩、分離器、水力旋流器和其 他合適的設(shè)備(例如，如在2007年2月13日提交的國際專利申請?zhí)?PCT/US2007/003691中所述)。在鉆井作業(yè)期間，使用可變密度鉆井泥漿118作為鉆井泥漿允許操作員鉆入地面106之下更深處，維持足夠的靜水壓力，防止地層
流體(氣體或液體)的流入，以及保持地下地層108可以承載的FG之下。 如在Polizzotti等的專利申請公開號WO 2006/007347中所述，其通過 參考被引入，可壓縮物體可優(yōu)選具有的壓縮比適合在特定于鉆井應(yīng)用 的深度層段、之上產(chǎn)生位于孔隙壓力梯度(PPG)與破裂壓力梯度(FG)之 間的泥漿重量。也就是說，可壓縮物體應(yīng)當(dāng)具有基本可恢復(fù)的承載壁 和針對該壓縮物體內(nèi)的氣體的低的滲透性?；究苫謴?fù)被定義為是指， 當(dāng)井被鉆至目標深度時，作為可壓縮物體在地面與井筒底部之間反復(fù) 循環(huán)的結(jié)果殼壁中的塑性應(yīng)變的累計在反復(fù)循環(huán)過程(即兩個或多個循 環(huán))中不會引起承載壁的實質(zhì)故障或者內(nèi)部氣壓的重大損失。另外，低 滲透性被定義為可壓縮物體的內(nèi)壓在使用過程中在將井筒鉆至目標深 度所需的預(yù)定時間內(nèi)保持在可接受極限內(nèi)。盡管將可壓縮物體加至鉆井泥漿中以便基于深度控制鉆井泥漿 的密度己經(jīng)在Polizzotti等的專利申請公開號WO 2006/007347中予以 描述，但是為提供此種功能性而進行的可壓縮物體的設(shè)計以及鉆井液 的選擇是困難的。具體而言，通過在由現(xiàn)有材料的機械性能所賦予的 約束內(nèi)再循環(huán)可變密度鉆井泥漿典型經(jīng)歷的反復(fù)壓縮循環(huán)可能是可壓 縮物體的限制因素。照此而言，制造可壓縮物體的過程可能必須包括 影響可壓縮物體的耐久性和性能的各種因素，如在下面進一步討論。
在開始之前，應(yīng)當(dāng)注意，大的壓縮比是必需的，以在極限內(nèi)實 現(xiàn)鉆井液密度隨深度的期望變化，該極限是由可壓縮物體對流體流變 學(xué)的影響所允許的可壓縮物體的最大體積分數(shù)設(shè)定的，如在專利申請 號WO 2006/007347中所述。因此，可壓縮物體應(yīng)當(dāng)具有一些性能，該 性能適于提供大的壓縮比以及在一些壓力范圍或水平內(nèi)開始壓縮?？?心物體的壓縮比——其為可壓縮物體的一個實施方式——可受到初始 未壓縮體積(即未壓縮或膨脹狀態(tài))除以由包括殼壁加上用于實現(xiàn)感興 趣井筒層段中AP的殼內(nèi)壓縮氣體的體積的物質(zhì)所占據(jù)的體積之比的
限制。大的壓縮比通過薄且柔韌的可壓縮物體的壁來提供。因此，可 壓縮物體可以優(yōu)選被設(shè)計為使得可壓縮物體的壓縮和再膨脹可以在沒
有顯著的永久的壁變形(即，導(dǎo)致可壓縮物體的壁早期疲勞破壞的永久 變形)的情況下完成。
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另外，可壓縮物體的預(yù)定外壓或壓縮深度以及預(yù)定壓縮層段可 適合在井筒內(nèi)的特定深度處或者附近提供鉆井泥漿密度上的變化。通 常，在地面開始的物體壓縮具有極限值。在這些應(yīng)用中，可壓縮物體 從地面壓縮預(yù)定的壓縮層段或范圍，其向下延伸至特定的深度。結(jié)果 是，這些可壓縮物體可以被用于一些特定的陸地鉆井應(yīng)用，但是不可 用于深水環(huán)境或較深的鉆井層段。為了針對特定深度或外壓在特定的 預(yù)定壓力層段之上提供密度變化，預(yù)定壓力層段——在其之上發(fā)生壓 縮——的起始深度和深度層段可優(yōu)選通過可壓縮物體來調(diào)節(jié)。例如， 可壓縮物體的起始內(nèi)壓可以基于期望可壓縮性轉(zhuǎn)變的深度進行選擇。 在壓力位于可壓縮物體的起始內(nèi)壓之下的泥漿柱中的深度(即井筒內(nèi)的 鉆井液)處，壁材料的楊氏模量以及跨過壁材料的壓力差控制可壓縮物 體的體積變化。在泥漿柱中的壓力高于起始內(nèi)壓的深度處，可壓縮物 體的體積變化通過氣體的壓縮而逐漸占據(jù)支配地位。也就是說，預(yù)定 的壓縮層段是從大約等于可壓縮物體的內(nèi)壓的外壓至基本壓縮可壓縮 物體(即，將可壓縮物體壓縮成壓縮態(tài)，其在下面進一步討論)的外壓的 壓力范圍。因此，可壓縮物體可以被制造成在特定壓力或深度下或其 附近和/或針對特定的預(yù)定壓力層段開始壓縮，以在井筒的特定部分或 層段中提供密度變化。為了在特定深度壓縮，可壓縮物體的壁可被設(shè)計為保持預(yù)定的
內(nèi)壓。針對給定鉆井泥漿密度的可壓縮物體的起始內(nèi)壓由深度決定， 在該深度轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓縮由可壓縮物體的體積變化控制。通常，可以
使用在大氣壓下為大約200 psi (磅/平方英寸)以上、大氣壓下500 psi 以上、大氣壓下1500 psi以上或更優(yōu)選大氣壓下2000 psi以上的內(nèi)壓。 對于給定的起始內(nèi)壓，可獲得物體的壓縮比取決于可壓縮物體的壁厚 與有效直徑之比。盡管壁厚優(yōu)選盡可能薄，但是壁厚的下限由能夠在 大約1個大氣壓的外壓——其通常在地面106處遇到的——可含有期 望內(nèi)部氣體壓力的最小厚度定義。因此，通常可以使用拉伸強度在 10,000psi以上的材料，如下面所討論，以維持可壓縮物體的內(nèi)壓。因 此，內(nèi)壓可以在大氣壓下為200psi至殼材料拉伸強度的范圍內(nèi)、在大 氣壓下為2000psi至殼材料拉伸強度的范圍內(nèi)和/或在大氣壓下為1500 psi至3500 psi的范圍內(nèi)。
此外，對于可壓縮物體的給定內(nèi)壓和直徑，可以使用的最小壁 厚因此通過壁材料的拉伸強度的彈性極限來定義。在這些強度極限內(nèi)， 期望最小化壁厚，原因在于壁材料的體積與可壓縮物體的總體積之比 設(shè)定了可獲得的可壓縮比的大小的上限，如上文所述。因此，盡管可 壓縮物體可以包括多種形狀，例如，諸如立方形、錐形、橢圓形或扁 長橢圓體、圓柱形、枕形，但是基于與可壓縮泥漿流變學(xué)的最優(yōu)化相 關(guān)的原因，具有球形或近似球形膨脹幾何結(jié)構(gòu)的球形和橢圓物體是有 用的。因此，可壓縮物體可以包括橢圓形和/或球形物體，諸如縱橫比(即
大直徑與小直徑之比)在大約1至5之間的加壓空心金屬球形和橢圓形 物體，以提供可高達5:1或更大的壓縮比?？蓧嚎s物體的設(shè)計可以由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性而被進一步復(fù)雜化。 例如，對于給定內(nèi)壓和直徑，球形物體可受到該球形物體構(gòu)造的結(jié)構(gòu) 不穩(wěn)定特性的限制。結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性可以包括局部應(yīng)變，諸如在膨脹階 段的赤道彎曲不穩(wěn)定性(equatorial buckling instability)以及在壓縮階 段的覆蓋層彎曲不穩(wěn)定性(cap buckling instability)。照此，可壓縮物 體的設(shè)計也可以被調(diào)整為補償或減小在可壓縮物體的膨脹和壓縮過程 中的局部應(yīng)力和不穩(wěn)定性。因此，球形物體的有限元分析(FEA)模擬一 —其可以是可壓縮物體的一個實施方式——在下面進一步被討論，如 在圖2A-2D中所示。圖2A是可壓縮物體的示例性圖表和實施方式。在圖表200中， 可壓縮物體是近似球形物體，其具有大約1.0的縱橫比和IO微米的壁 厚。物體的縱橫比被定義為長軸與短軸之比，其在下面進一步討論。
在圖2A中，顯示了彈性球形物體的最大應(yīng)變202對壓縮比204 的圖表200。最大應(yīng)變202是在該狀態(tài)下在可壓縮物體上的任意點處的 最大應(yīng)變。圖表200——產(chǎn)生自FEA模擬工具，諸如ABAQUS FEA ——包括球形物體在不同狀態(tài)中的響應(yīng)曲線206。如通過響應(yīng)曲線206 所示，超過大約12%的線性彈性變形是必需的，以提供至少5:1的壓縮 比。沿著響應(yīng)曲線206，最大彈性變形在壓縮過程中不會在物體表面上 均勻出現(xiàn)，但是由于在壓縮過程中的彎曲不穩(wěn)定性其被局部化。
在物體上的局部化應(yīng)變的具體示例示于圖2B中。在圖2B中， 顯示了諸如球形或橢圓形物體的物體210的局部視圖，其受到在該物
22體外部的壓縮壓力。在物體210正在壓縮時其彈性變形受到與覆蓋層 彎曲不穩(wěn)定性相關(guān)的應(yīng)變局部化的控制，應(yīng)變局部化由中間凹下區(qū)域
214表示。覆蓋層彎曲不穩(wěn)定性是中間凹下區(qū)域214的坍塌，原因在于 該結(jié)構(gòu)不能抵抗承載在該區(qū)域上的外部壓力。具體而言，區(qū)域216是 最大的局部化應(yīng)變的位置或區(qū)域，其繪制在圖2A的響應(yīng)曲線206中。 該不穩(wěn)定性的嚴重程度已經(jīng)顯示隨壁厚增加而增加。
基于上述討論，可壓縮物體應(yīng)當(dāng)具有足以處理內(nèi)壓的拉伸強度 以及足夠大以便處理必需變形的可恢復(fù)線性伸長或彈性應(yīng)變。如果球 形或近似球形的可壓縮物體的殼假定是金屬的，則金屬或金屬合金在 其彈性極限內(nèi)應(yīng)當(dāng)具有足夠的拉伸強度，以含有內(nèi)壓以及至少12%的 可恢復(fù)線性伸長。盡管拉伸強度可以被容易地實現(xiàn)，然而很少有金屬 或金屬合金具有超過1%的彈性應(yīng)變極限。如果期望大于1%的可恢復(fù) 線性伸長，通常的材料可能是不足夠的。對該限制的例外是彈性應(yīng)變 極限接近大約2%的一些無定形金屬合金以及形狀記憶合金(例如，NiTi 合金的Nitol家族)，其表現(xiàn)出可高達8%的假彈性應(yīng)變和小于大約0.1% 的永久變形。因此，如果球形結(jié)構(gòu)被用作初始形狀時，那么通常的金 屬或金屬合金不能提供至少12%的可恢復(fù)線性伸長。
為提供必需的可恢復(fù)線性伸長，可壓縮物體可以被設(shè)計為將可 壓縮物體的變形劃分為不同的狀態(tài)。例如，可壓縮物體可以具有三個 不同的狀態(tài)，諸如初始狀態(tài)、膨脹狀態(tài)和壓縮狀態(tài)。在一個實施方式 中，初始狀態(tài)例如可以是縱橫比小于1.0的橢圓形球狀體。圖2C顯示 了具有長軸222和短軸224的橢圓形球狀物體220。如上所述，物體 220的縱橫比在初始狀態(tài)被定義為長軸222與短軸224的比值。在這些 狀態(tài)下，可壓縮物體的必需變形被分成兩階段?？偟谋匦枳冃慰梢栽?膨脹狀態(tài)與壓縮狀態(tài)之間劃分。膨脹階段或第一階段包括可壓縮物體 從初始狀態(tài)膨脹為膨脹狀態(tài)，其可受限于壁材料的拉伸強度和/或可壓 縮物體結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的完全膨脹的可壓縮物體特征的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性和
初始內(nèi)部壓力。具體而言，在圖2D中，初始縱橫比為4:1、壁厚為10微米以 >及膨脹內(nèi)壓為10.9 MPa (百萬帕斯卡)的橢圓形球形物體230經(jīng)受膨脹 橢圓形球形物體230的內(nèi)部壓力。當(dāng)物體230膨脹時其彈性變形的最大值受與赤道壁彎曲相關(guān)的應(yīng)變局部化控制，該應(yīng)變局部化由中間凹
下區(qū)域232和234表示。赤道壁彎曲不穩(wěn)定性是由于與橢圓形球形物 體230膨脹有關(guān)的赤道帶收縮而引起的區(qū)域232和234的塌陷。 一般 而言，己經(jīng)顯示，當(dāng)可壓縮物體的初始縱橫比增加、內(nèi)部壓力增加以 及壁厚減小時，可壓縮物體對赤道彎曲的易感性增加。在該示例中， 膨脹狀態(tài)可以是外壓為一個大氣壓的平衡狀態(tài)，其中可壓縮物體具有 球形或近似球形的形狀(即大約1.0的縱橫比)。第二階段可包括物體從膨脹狀態(tài)返回至初始狀態(tài)的壓縮，在此 過程中，由于初始膨脹引起的變形幾乎完全恢復(fù)并且隨后進一步壓縮 至完全壓縮的狀態(tài)，其再次受限于完全壓縮物體的壁材料的彈性應(yīng)變。 壓縮狀態(tài)例如可以是基于一定的井下深度處施加在可壓縮物體上的靜 水壓縮的平衡壓縮形狀。因此，可以利用這些狀態(tài)來設(shè)計可壓縮物體， 以提供有益于在井筒內(nèi)使用的合適的壓縮比。圖3A-3C是根據(jù)本技術(shù)的方面，處于不同狀態(tài)的可壓縮物體的 示例性實施方式。在圖3A-3C的實施方式中，F(xiàn)EA模擬被用于展示可 壓縮物體的不同狀態(tài)，其在該示例中為橢圓體。這些圖3A-3C中的每 一個是不同狀態(tài)的可壓縮物體的局部視圖。如在圖3A中所示，橢圓形 物體可以處于初始狀態(tài)300，并且具有縱橫比為4:1的長軸302和短軸 304。在圖3B中，橢圓形物體可以處于膨脹狀態(tài)306,并且具有縱橫 比小于(即<)4:1的長軸308和短軸310。在圖3C中，橢圓形物體可以 處于壓縮狀態(tài)312，并且具有長軸314和短軸316以及大于(即》)4:1的 縱橫比。因此，每一個不同狀態(tài)300、 306和312的縱橫比基于橢圓形 物體的膨脹和/或壓縮可以是不同的。具有不同初始縱橫比的可壓縮物 體在圖4中進一步討論。圖4是根據(jù)本技術(shù)的方面，不同初始形狀的可壓縮物體的示例 性圖表。FEA模擬被用于產(chǎn)生壁厚為15微米的不同可壓縮物體的最大 應(yīng)變402對壓縮比404的圖表400。圖表400包括球形物體的第一響應(yīng) 曲線406、縱橫比為2:1的橢圓形物體的第二響應(yīng)曲線407、縱橫比為 3:1的橢圓形物體的第三響應(yīng)曲線408、縱橫比為4:1的橢圓形物體的 第四響應(yīng)曲線409，它們可以是圖3A-3C中的橢圓形物體，以及縱橫 比為5:1的橢圓形物體的第五響應(yīng)曲線410。
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如通過響應(yīng)曲線406-410所示，最大應(yīng)變在不同狀態(tài)之間增加 和減小。對于初始縱橫比小于3:1的物體，壓縮比小于3:1的最大線性 彈性應(yīng)變行為受上述覆蓋層彎曲不穩(wěn)定性的控制。對于初始縱橫比大 于3:1的可壓縮物體，最大應(yīng)變從膨脹狀態(tài)降低至在初始狀態(tài)或初始狀 態(tài)附近的最小值，其是可壓縮物體上的應(yīng)變的全局最小值。然后，最 大應(yīng)變從初始狀態(tài)增加，直至達到完全壓縮的狀態(tài)。照此，可壓縮物 體初始狀態(tài)的最大應(yīng)變接近零，如通過響應(yīng)曲線406-410所示。該方面 清楚地由第四響應(yīng)曲線409顯示。沿著響應(yīng)曲線409，膨脹狀態(tài)位于點 416處，初始狀態(tài)位于點414處，以及壓縮狀態(tài)位于點412處。明顯地， 可壓縮物體的初始狀態(tài)相比膨脹和壓縮狀態(tài)具有最小應(yīng)變。另外，該 可壓縮物體具有大約0.085的最大應(yīng)變，其約為合金的Nitol家族在其 假彈性狀態(tài)從奧氏體到馬氏體相變的最大可恢復(fù)應(yīng)變的值。也就是說， 響應(yīng)曲線409顯示，具有4:1的初始縱橫比的橢圓形物體是提供大于 5:1的規(guī)定壓縮比的合適的結(jié)構(gòu)和壁厚，且其內(nèi)壓用于在國際專利申請 公布號WO 2006/007347中所公開的發(fā)明實踐。其他響應(yīng)曲線406-408 和410中的每一種均超過0.085的最大可恢復(fù)應(yīng)變。高于奧氏體向馬氏 體相變完成應(yīng)變大約8%的應(yīng)變可經(jīng)歷導(dǎo)致在循環(huán)變形中有限的疲勞 壽命的永久變形。根據(jù)該圖表400，可壓縮物體的膨脹以及隨后的壓縮受限于膨 脹階段中的赤道彎曲不穩(wěn)定性和先前所述的壓縮階段的覆蓋物彎曲不 穩(wěn)定性。通過模擬膨脹以及隨后的壓縮，可壓縮物體的初始結(jié)構(gòu)可以 被設(shè)計成最小化針對特定壓縮比的可恢復(fù)伸長。具體而言，對于用自 奧氏體對馬氏體相變溫度在大約Ot:(攝氏度)以下的NiTi形狀記憶合 金制造的具恒定壁厚的可壓縮物體并且目標膨脹內(nèi)壓為1500 psig (磅/ 英寸2規(guī)格)而言，該可壓縮物體的初始縱橫比在膨脹之前可以優(yōu)選在 大約3與4之間且壁厚在大約15與20微米之間，以避免對于可高達 8:1的壓縮比而言在可壓縮物體壁內(nèi)的任何位置超過大約8%的線性伸 長。如上所述，為用于專利申請?zhí)朩O 2006/007347的實踐，合金應(yīng)當(dāng) 處于假彈性狀態(tài)。相變溫度在大約0°C以上的常規(guī)形狀記憶合金不被用
于此應(yīng)用。對奧氏體向馬氏體相變溫度在大約o。c之下的要求承認了，
可壓縮物體在鉆井泥漿中作業(yè)過程中所遇到的整個溫度范圍內(nèi)合金應(yīng)
25當(dāng)保持假彈性?；谏厦嫠懻摰哪M方法，可壓縮物體可以通過一定的材料 而設(shè)計并且具有特定的結(jié)構(gòu)，以提供在現(xiàn)有材料的變形極限內(nèi)的特定 壓縮比。伴隨這些壓縮比，可壓縮物體可以用于某些應(yīng)用中，諸如在 上面描述的鉆井作業(yè)和生產(chǎn)作業(yè)。作為示例，如果可壓縮物體在感興 趣的特定井深間隔下提供大于或等于5倍于膨脹狀態(tài)的可恢復(fù)壓縮比，
則該可壓縮物體是有用的。在可變密度鉆井泥漿中可包括高達40%或 50%的體積分數(shù)的可壓縮物體，以提供代表典型的PPG和/或FG的鉆 井泥漿密度的改變。通過添加高達50%按體積計的小的低密度可壓縮 物體一_其可具有大約1毫米(mm)的直徑一一來改變鉆井泥漿的密
度，井筒內(nèi)的壓力梯度可以基本被控制，以減少在井筒中所利用的套 管柱的數(shù)目。具體而言，對于深水應(yīng)用，在沒有對現(xiàn)有硬件或設(shè)備進 行主要修改的情況下，套管層段的數(shù)目可以被基本減少到利用雙梯度 或多梯度系統(tǒng)可獲得的數(shù)目之下。照此，對于某些應(yīng)用，井成本可以 被降低達30%至50%。因此，可壓縮物體的選擇以及可壓縮物體的制 造在下面圖5中進一步討論。圖5是按照本技術(shù)一些方面，選擇和應(yīng)用用于圖1鉆井系統(tǒng)100 的可變密度鉆井泥漿的示例性流程圖。該流程圖，被稱為參考數(shù)字500， 可以通過同時參考圖l、 3A-3C和4而得到最好的理解。在流程圖500 中，可以選擇可壓縮物體和鉆井液，以配制井的可變密度鉆井泥漿。 這些可壓縮物體可以包括每個均具有封閉內(nèi)部區(qū)域的殼的物體，其中 所述可壓縮物體具有(a)內(nèi)壓，所述內(nèi)壓(i)在大氣壓下為大約200 磅/平方英寸(psi)以上、大氣壓下為500 psi以上、大氣壓下為1500 psi 以上和/或大氣壓下為2000psi以上，并且(ii)針對預(yù)定外壓而選擇， 其中超過內(nèi)壓的外壓減小可壓縮物體的體積；(b)其中，當(dāng)外壓大約等 于內(nèi)壓時，所述殼經(jīng)受的應(yīng)變小于當(dāng)所述外壓高于或低于可壓縮物體 的預(yù)定壓縮層段時的應(yīng)變，或者其中所述殼被設(shè)置為當(dāng)外壓大約等于 內(nèi)壓時所經(jīng)受的應(yīng)變小于外壓大于內(nèi)壓或小于內(nèi)壓時的應(yīng)變；和/或(c) 可壓縮物體具有殼，該殼封閉至少部分填充有泡沬的內(nèi)部區(qū)域。然后， 可變密度鉆井泥漿可被用于提高井的鉆井作業(yè)。該過程可以通過提供 可變密度鉆井泥漿來提高鉆井作業(yè)，所述可變密度鉆井泥漿可以延伸鉆井作業(yè)而進一步限制或減少附加套管柱的安裝。因此，以期望方式 進行的鉆井作業(yè)可降低鉆井作業(yè)中利用附加套管柱的無效率。流程圖始于塊502。在塊504，可以確定井的FG和PPG。例如， 可以通過從鉆井位置接受信息和/或進行計算以估計FG和PPG來獲得 FG禾nPPG。然后，可以選擇可壓縮物體，以提供特定的體積變化，如 在塊506所示?？蓧嚎s物體的選擇可以包括作業(yè)考慮因素，諸如從鉆 井泥槳中移除可壓縮物體以用于在地面再循環(huán)、限制高體積分數(shù)的可 壓縮物體對鉆井泥槳流變學(xué)的潛在有害影響以及促進可壓縮物體經(jīng)過 流動路徑中的泵和孔的流動。照此，可壓縮物體可以被定制大小，以 具有介于0.1毫米(mm)與50mm之間且/或優(yōu)選介于O.lmm與5.0mm 之間的當(dāng)量直徑。當(dāng)量直徑被定義為與大氣壓下完全膨脹的可壓縮物 體體積相同的球的直徑。此外，可壓縮物體的選擇可以包括在井筒的 表面利用不同大小或體積和/或不同形狀的可壓縮物體，以管理鉆井泥 漿的粘度增加?？蓧嚎s物體的選擇在圖6被進一步描述。
在塊508，可以選擇鉆井液。可以選擇可以包括各種加重劑的 鉆井液，以提供可以與可壓縮物體相互作用以維持鉆井泥漿密度在FG 與PPG之間的特定密度，其在下面被進一步討論。在塊510中可壓縮 物體和鉆井液可以結(jié)合?？蓧嚎s物體和鉆井液的結(jié)合可以包括混合或 慘和可壓縮物體和鉆井液，如在2007年2月13日提交的國際專利申 請?zhí)朠CT/US2007/003691中所述。此外，可壓縮物體和鉆井液可以在 運輸至鉆井位置之前被結(jié)合，或者可壓縮物體和鉆井液可以被單獨運 輸且可壓縮物體和鉆井液在鉆井位置處被結(jié)合。應(yīng)當(dāng)注意，可壓縮物 體可以在冷凍交通工具諸如卡車和船中被輸送，以降低與可壓縮物體 內(nèi)的內(nèi)部壓力釋放相關(guān)的危險。在鉆井位置，可壓縮物體和鉆井液——其可以是可變密度鉆井 泥槳118(圖1)——可以被用在鉆井作業(yè)中，如在塊512所示。鉆井作 業(yè)可以包括其中地面流體被用于在井筒內(nèi)實現(xiàn)和保持期望的靜水壓力 的任何過程和/或循環(huán)該流體以從井筒中去除巖屑的過程，以及其他應(yīng) 用。 一旦鉆井，在塊514中烴可以被生產(chǎn)。烴的生產(chǎn)可以包括完成井 筒、沿著生產(chǎn)管柱在井筒內(nèi)安裝設(shè)備、從地層儲層獲得烴、在地面設(shè) 施加工烴和/或其他類似的作業(yè)。然后，該過程在塊516結(jié)束。
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圖6是按照本技術(shù)的一些方面，在圖5的流程圖中討論的可壓 縮物體的選擇和制造的示例性流程圖。該流程圖，其被稱為參考數(shù)字 600，可以通過同時查看圖l、 3A-3C、 4和5而被最佳理解。在該流程 圖600中，描述了選擇可壓縮物體以維持井內(nèi)的鉆井泥漿密度處于PPG 與FG之間的過程。有益地，可壓縮物體在可變密度鉆井泥漿中的應(yīng)用 可以通過減少井筒和套管柱的大小來提高鉆井作業(yè)，并且可以提供到 達更大深度的通道。流程圖始于塊602。在塊604，獲得井的FG和PPG?？梢酝ㄟ^ 從鉆井位置接受信息和/或進行計算以估計FG和PPG來獲得FG和 PPG。然后，選擇每一種可壓縮物體的結(jié)構(gòu)，如在塊606中所示。對可 壓縮物體結(jié)構(gòu)的選擇可以包括利用有限元分析(FEA)方法，以使可壓縮 物體的結(jié)構(gòu)和幾何形狀與可獲得材料的性質(zhì)匹配，如上所述。在塊608， 選擇可壓縮物體的壁材料。壁材料的選擇可以包括通過機械或通過沉 積方法形成的金屬和/或金屬合金薄膜、在聚合物基體中具有或不具有 微觀和/或納米纖維增強的聚合物以實現(xiàn)特定的壁材料性質(zhì)(例如，如通 過物體壓縮的FEA分析所定義的)。另外，壁材料可以包括頁狀剝落無 機礦物質(zhì)以作為在聚合物基體中的增強或者防透氣的屏障；通過沉積 方法在聚合物表面上形成的金屬和/或金屬合金薄膜，其具有或不具有 聚合物表面的化學(xué)改性以形成結(jié)構(gòu)性壁或防透氣的屏障。金屬和/或金 屬合金薄膜可以在形成可壓縮物體之前被沉積在聚合物片上或者可以 被沉積在預(yù)成型的可壓縮聚合物物體上。金屬層可以被形成在可壓縮 物體的內(nèi)部或外部表面上，或者被引入聚合物壁內(nèi)或者相同或不同聚 合物的聚合物層壓制品內(nèi)。在塊610，可以選擇表面處理，用于制造可壓縮物體。表面處 理可以包括物理和/或化學(xué)表面處理，以改善聚合物物體表面上的金屬 和/或金屬合金膜的連續(xù)性和粘合性，或者增強可壓縮物體的聚合物的 或金屬外壁與鉆井液的化學(xué)和/或物理相容性。 —旦選擇，在塊612中制造可壓縮物體?？蓧嚎s物體的制造可 包括各種聚合、沉積、表面處理以及用于形成可壓縮物體的壁結(jié)構(gòu)的 其他制造方法。例如，壁結(jié)構(gòu)的制造可以包括其中聚合物是結(jié)構(gòu)壁的 同軸氣泡吹制法；其中聚合物是用于沉積金屬或金屬合金結(jié)構(gòu)壁的模板的同軸氣泡吹制法；其中聚合物是用于沉積金屬或金屬合金結(jié)構(gòu)壁 的模板的分散聚合法；和/或其中聚合物是用于沉積金屬或金屬合金結(jié) 構(gòu)壁的模板的界面聚合法。制造可以包括在低壓或高壓液體環(huán)境中， 利用電鍍法或無電鍍膜法，連續(xù)的金屬或金屬合金層在可壓縮聚合物 體的表面上沉積；在高壓氣體環(huán)境中，利用紫外線化學(xué)氣相沉積
(UV-CVD)方法，連續(xù)的金屬或金屬合金層在可壓縮聚合物體表面上沉 積；和/或在真空下，利用物理和/或化學(xué)沉積方法，連續(xù)的金屬或金屬 合金層在可壓縮空心物體的表面上沉積。真空沉積法可以包括或不包 括在沉積之前降低可壓縮物體內(nèi)部的內(nèi)壓。這可以通過如下方法來實 現(xiàn)例如優(yōu)選冷卻加壓可壓縮空心物體至一溫度——在該溫度以下可
壓縮空心物體內(nèi)的氣體可冷凝——從而首先降低可壓縮空心物體的內(nèi) 壓。此外，制造可包括將平的金屬化聚合物片或膜澆鑄或形成到部分
的可壓縮物體內(nèi)，并利用機械、化學(xué)和/或熱方法來連接組件；在金屬 化之前將平的聚合物片或膜澆鑄或形成到部分的可壓縮物體內(nèi)，并利 用機械、化學(xué)和/或熱方法來連接組件；在具有或沒有化學(xué)和/或物理預(yù) 處理的情況下，將金屬或金屬合金沉積在聚合物片上，以改進粘合性 和連續(xù)性以及聚合物模板隨后通過物理、化學(xué)和/或熱方法從平的自支 撐金屬或金屬合金片上移除，這導(dǎo)致形成薄的金屬片，其適合機械地 形成到可壓縮物體的組件內(nèi)，并隨后通過機械、熱和/或化學(xué)方法連接 組件；將金屬或金屬合金沉積在預(yù)成型為可壓縮物體的自支撐金屬或 金屬合金組件的模板的聚合物片上，隨后通過化學(xué)、機械和/或熱方法 將聚合物模板從金屬組件中移除，以及隨后通過機械、熱和/或化學(xué)方 法連接組件。在塊614，可以驗證或測試可壓縮物體。驗證和測試可以包括 循環(huán)壓縮測試，以驗證內(nèi)壓以及量化可壓縮物體的疲勞壽命，且如果 存在任何結(jié)構(gòu)壁和連接的話，可伴隨或者不存在對結(jié)構(gòu)壁和連接的微 結(jié)構(gòu)分析。然后，可以貯存可壓縮物體，如在塊616所示?？蓧嚎s物 體的貯存可以包括將可壓縮物體放置在貯存容器中?？蓧嚎s物體可以 被貯存在環(huán)境壓力下或者等于或高于可壓縮物體的內(nèi)壓的壓力下，以 便于可壓縮物體在貯容器中填塞。可選地，可壓縮物體可以被貯存在 冷環(huán)境中以降低可壓縮物體內(nèi)的內(nèi)壓。冷的可壓縮物體然后可以在環(huán)境壓力下或者在升高的壓力下被貯存在容器中，以便于可壓縮物體在 貯存容器中填塞以及將可壓縮物體運輸至另一位置，諸如鉆井位置， 以便貯存或其他類似活動。該過程結(jié)束于塊618。因此，基于上述討論，這些可壓縮物體的選擇和應(yīng)用可以涉及
影響可壓縮物體設(shè)計的不同方面。例如，轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓縮控制的變形 的本質(zhì)取決于殼或壁材料的機械性能以及在反復(fù)壓縮循環(huán)中這些性能 的發(fā)展。照此，空心物體的壓縮導(dǎo)致在由空心物體的初始內(nèi)壓所定義 的深度之上和之下產(chǎn)生泥漿密度梯度差。因為使用具有不同初始內(nèi)壓 的可壓縮物體可以有益于增強或延伸鉆井作業(yè)，因此改變可壓縮物體
的體積分數(shù)和初始壓力分布可以實現(xiàn)將有效的泥漿重量維持在PPG與 FG之間的理想結(jié)果。此外，使用不同的氣體也可以影響可壓縮物體的設(shè)計。例如， 空心物體可以被填充有可冷凝和不可冷凝氣體的混合物。添加可冷凝 氣體允許調(diào)整鉆井泥漿密度隨深度而改變的附加靈活性。在氣/液相邊 界的溫度和壓力下，可冷凝氣體隨著密度增加而液化并且在體積上相 應(yīng)減小?？招奈矬w的內(nèi)部體積的減小導(dǎo)致在對應(yīng)于相變的深度和溫度 下有效泥漿密度的階躍增加。利用含有可冷凝氣體的氣體混合物的另 外的益處是在其已經(jīng)冷凝的深度處由冷凝氣體占據(jù)的有限的內(nèi)部體 積，原因在于冷凝液體的可壓縮性通常低于不可冷凝氣體的可壓縮性。 結(jié)果是，冷凝液體體積可用于設(shè)定由空心物體的壁所經(jīng)歷的變形的上 限。當(dāng)撓性物體在井筒底部與地面之間循環(huán)時，這可以被用于控制柔 性物體的疲勞壽命。此外，作業(yè)應(yīng)用可以影響可壓縮物體的設(shè)計。具體而言，將體 積變化限于被混合進鉆井泥漿中的大量小直徑可壓縮物體可允許調(diào)節(jié) 可壓縮物體的初始大小和/或形狀，以在井筒的垂直泥漿柱內(nèi)獲得穩(wěn)定 復(fù)合的泥漿流體流變學(xué)。為產(chǎn)生可用的可變密度鉆井泥衆(zhòng)，針對給定 可壓縮固體體積分數(shù)選擇液相的初始性質(zhì)，以便在非循環(huán)作業(yè)過程中 使巖屑和可壓縮物體懸浮在井筒環(huán)內(nèi)。另外，復(fù)合泥漿的粘度必須被 設(shè)置為通過泥漿和鉆機泵在可接受的極限內(nèi)被泵入井筒內(nèi)。此外，使 >用不同大小的可壓縮物體可進一步提高作業(yè)應(yīng)用。這些方面和其他將 在下面被進一步討論?？蓧嚎s物體的構(gòu)造為確定可壓縮物體的構(gòu)造，如在圖6的塊606中所述，可以利 用有限元數(shù)值模擬方法。有限元數(shù)值模擬法可以包括隱式方法和/或顯 式方法。在這些方法中，殼壁或元件可以被表示成在感興趣區(qū)域內(nèi)適 合較高分辨率的網(wǎng)格尺寸和形狀，諸如在可壓縮物體結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力和/ 或應(yīng)變區(qū)域內(nèi)。有限元數(shù)值模擬可以被用于模擬整個三維物體或與對 稱的三維物體相關(guān)的物體片段。此外，可壓縮物體的構(gòu)造可以受多種 標準的影響，諸如材料和可壓縮物體的使用，它們將在本申請的該部 分和其他部分被討論。關(guān)于可壓縮物體的使用，應(yīng)當(dāng)注意，可壓縮物體的構(gòu)造可以便 于可壓縮物體從再循環(huán)鉆井泥漿中周期性去除。這可以便于有利地限 制高體積分數(shù)的可壓縮物體對鉆井泥漿流變學(xué)的有害影響并且/或者有 利于可壓縮物體經(jīng)過設(shè)備(諸如泵和流動路徑中孔)的流動。照此， 可壓縮物體可以包括具有大約0.1 mm (毫米)至5.0 mm范圍內(nèi)的當(dāng)量 直徑的結(jié)構(gòu)。當(dāng)量直徑被再次定義為與一個大氣壓的外壓下完全膨脹 的可壓縮物體的體積相同的球的直徑。另外，可壓縮物體的形狀可以 被調(diào)整，以增加充填密度以及降低對流體流動的影響。例如，與枕形 或棒形物體相比，球形或橢圓形物體可以在井筒內(nèi)提供最高的充填密 度和對流體流動的最低影響。構(gòu)造的另一個標準是壁厚。如上所述，在由結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性以及 現(xiàn)有材料的性能所賦予的約束內(nèi)，壁厚應(yīng)當(dāng)盡可能薄，以最大化可壓 縮物體的壓縮極限。然而，壁厚的下限由在地球地面處典型遇到的大 約1大氣壓的外壓下能夠含有期望的內(nèi)部氣體壓力的最小厚度所定義 的壁厚。為確定可壓縮物體的最佳幾何結(jié)構(gòu)，可以利用有限元數(shù)值模擬 的方法。有限元數(shù)值模擬是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的。這些方法可包括 將壁模擬為可壓縮物體的殼元件或者模擬為具有可變網(wǎng)格尺寸和形狀 的網(wǎng)格物體。某些感興趣的區(qū)域(諸如可壓縮物體結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力和/或 應(yīng)變區(qū))，可以被調(diào)整為具有較高分辨率(即較小的網(wǎng)格尺寸)，以在這 些區(qū)域內(nèi)提供更多信息。此外，模型可被用于模擬整個三維(3D)可壓 縮物體、可壓縮物體的片段或者可以與對稱的3D可壓縮物體結(jié)構(gòu)相關(guān)的可壓縮物體的一部分。作為示例， 一種分析和最優(yōu)化可壓縮物體的幾何形狀、可壓縮 物體材料性質(zhì)、內(nèi)部氣體性質(zhì)、內(nèi)壓以及可壓縮物體對外部溫度和/或 壓力變化的響應(yīng)的組合的優(yōu)選方法是構(gòu)建整個可壓縮物體或者部分可 壓縮物體(即，半球，由于對稱)的有限元模型。通過利用軟件諸如
ABAQUSTM或其他任何合適的FEA分析包，可以對可壓縮物體構(gòu)建有 限元數(shù)值模型。在該模型中，顯式方法可被用于監(jiān)測在壓縮期間可壓 縮物體內(nèi)表面之間的接觸。為最小化外壓修改過程中的震動，外壓可 以最初被設(shè)定為等于內(nèi)壓。然后，外壓可以被緩慢降低至環(huán)境壓力， 這可以在足以基本消除模擬中的動態(tài)人為現(xiàn)象的期間內(nèi)完成(例如，0.5 秒)。取決于壁材料的流動行為以及任何彎曲的發(fā)生，外部增壓和減壓 的幅度和速率可以被調(diào)節(jié)以最小化震蕩。 一旦有限元數(shù)值模型已經(jīng)構(gòu) 建，則可以進行其他分析。例如，可壓縮物體可以經(jīng)歷增壓循環(huán)測試。 然后，來自增壓循環(huán)測試的數(shù)據(jù)分析可以被用于了解可壓縮物體幾何 形狀、可壓縮物體大小和/或材料性質(zhì)的作用。另外，如果數(shù)值模型是 利用殼元件構(gòu)建的，則應(yīng)當(dāng)避免網(wǎng)格幾何形狀的突然變化，以降低局 部應(yīng)力計算中異常的可能性。作為具體示例，討論圖3A-3C的可壓縮物體的有限元數(shù)值模型。 在這些實施方式中，可壓縮物體具有扁平橢圓體的形狀。初始縱橫比 可以在1至10的范圍內(nèi)，更優(yōu)選的縱橫比在2至5的范圍內(nèi)。使用初 始縱橫比大于1的內(nèi)部加壓的扁平橢圓體空心可壓縮物體具有如下優(yōu) 勢在外界外部地面壓力下，該橢圓體物體取決于內(nèi)壓和材料性質(zhì)而 膨脹并達到大約1的縱橫比，如圖3B所示。如果該橢圓體物體具有 4:1的初始縱橫比、10微米的均勻的MTi合金壁厚以及1500psig的內(nèi) 壓，那么膨脹狀態(tài)的縱橫比大約為1.22:1。隨著外壓力增加，橢圓體物 體傾向于恢復(fù)至初始狀態(tài)300。在初始狀態(tài)300，該橢圓體物體的縱橫 比是具有很小彈性應(yīng)變的最初設(shè)計的縱橫比，如在圖3A和4所示。然 后，隨著壓力繼續(xù)增加，該橢圓體物體被進一步壓縮成壓縮狀態(tài)312， 如在圖3C中所示。 可壓縮物體的壁材料除構(gòu)造之外，基于上面討論的標準，可壓縮物體的壁可以使用
32各種材料，如在圖6的塊608中所述。具體而言，殼或壁材料可以被 分為兩類商業(yè)可得的材料，其為金屬材料和聚合物材料。金屬材料可 以包括金屬、金屬合金和具有假彈性行為的合金(例如與可逆應(yīng)力誘導(dǎo)
的結(jié)構(gòu)相變有關(guān)的變形)。此外，超薄(即，〈500埃(A))金屬或金屬合金 膜的超彈性行為也可以被用于使金屬和金屬合金(例如，鋁(Al)、銅(Cu)、 鎳鈦(NiTi)等)的范圍更廣，它們與滿足承載壁的機械性能的非金屬承 載壁結(jié)合以適合作為薄滲透屏障應(yīng)用。具體而言，金屬材料可以包括 但不限于二元或近二元NiTi、具有鐵和鉻合金添加物的NiTi的三元 合金、鎂-40銅(Mg-40Cu)合金、|3-鈦-9.8鉬-4鈮-2釩-3鋁 (P-Ti-9.8Mo-4Nb-2V-3Al)合金、金屬玻璃和非晶態(tài)金屬(例如鋯(Zr)、鐵 (Fe)和減鎂(Mg)基合金)等。聚合材料可以包括聚合物以及具有或不具 有增強物(例如，微纖維至納米纖維，納米管，在聚合物壁內(nèi)具有適當(dāng) 定向的頁狀剝落型無機填料等)的共混聚合物。具有適當(dāng)性質(zhì)的聚合物 的示例包括但不限于商業(yè)可得的聚酰亞胺，諸如Ubilex-R和Ubilex-S。
因為這些材料中的每一種均具有特定的性質(zhì)，諸如拉伸強度和 可恢復(fù)伸長，因此在可壓縮物體壁中所用的材料是決定壁厚的因素。 該決定可以基于如上所述的有限元數(shù)值模擬，以評價具有不同材料的 殼或壁的不同厚度。例如，如果承載壁材料是金屬或金屬合金，則應(yīng) 該僅僅選擇具有足夠高的彈性或假彈性行為的金屬和金屬合金，原因 在于與可逆應(yīng)力誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)相變有關(guān)的變形必須是可恢復(fù)的，以便可 壓縮物體的再使用。如上所述，甚至這些選擇的材料必須與可壓縮物 體外殼的幾何形狀的謹慎設(shè)計相結(jié)合，以避免在壓縮和再膨脹過程中 的應(yīng)變局部化。具體而言，幾何形狀和材料可以被用于相對于顆粒尺 寸來最優(yōu)化壁厚；隨可壓縮物體表面上的位置承載壁厚和/或機械性能 的變化；和/或扁平球狀體空心可壓縮物體的縱橫比和大直徑的變化等。 因此，在選擇可壓縮物體的材料時應(yīng)考慮這些不同的因素。
作為改變壁厚的示例，壁材料可以被用于影響可壓縮物體的壓 縮比，諸如上面討論的在圖3A-3C中的橢圓體物體。在圖7中，F(xiàn)EA
計算提供了在由現(xiàn)有材料性質(zhì)定義的極限內(nèi)具有不同壓縮比的不同形 狀。FEA計算可以提供縱橫比在2與5之間、當(dāng)量直徑與壁厚比在20 與200之間或更優(yōu)選在50與100之間的可壓縮物體。如在圖7中所示，
33顯示了壁厚影響的圖表700，其是關(guān)于不同形狀一一其通過曲線
706-711顯示，產(chǎn)生自有限元數(shù)值模擬——的可壓縮物體的最大應(yīng)變 702對當(dāng)量直徑與壁厚比704。對于球形可壓縮物體，曲線706的壓縮 比為3.5，曲線707的壓縮比為3，以及曲線708的壓縮比為2。對于 橢圓形可壓縮物體，曲線709的壓縮比在3.5與2之間，曲線710的壓 縮比在3與2之間，以及曲線711的壓縮比大約為2。從圖表700，清 楚的是，具有大于與在較薄的壁(即，較高的當(dāng)量直徑與壁厚比)的情況 下的縱橫比一致的縱橫比的可壓縮物體是優(yōu)選的，原因在于它們提供 較高壓縮比和相應(yīng)地較低最大應(yīng)變。此外，優(yōu)選的是，維持最大應(yīng)變 在大約0.06的特定值之下，該值是由實現(xiàn)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)壁疲勞壽命的最 大允許應(yīng)變定義的。通常，至少2000至3000周期的最小疲勞壽命是 期望的?；谠撓薅?，縱橫比為2或以上以及當(dāng)量直徑與壁厚比大于 65的橢圓體物體提供了在特定值之下的可壓縮物體，如在曲線711上 所示。除單一材料之外，可壓縮物體的壁可以包括兩個或多個層。例 如，層狀復(fù)合殼可包括承載結(jié)構(gòu)層或壁以及氣體滲透屏障壁。承載壁 可以是相對厚的壁，其厚度在1微米至50微米的范圍內(nèi)，而氣體屏障 壁可以是薄壁，其厚度在小于或等于5微米的范圍內(nèi)。例如，承載聚 合物壁，可以具有空心內(nèi)部或者被沉積在聚合物泡沫模板上，其可以 被用于提供可壓縮物體的結(jié)構(gòu)。氣體屏障壁——可以在承載壁的內(nèi)部 或外部——可以是金屬或金屬合金滲透屏障層，其含有內(nèi)壓并具有500 埃之下的厚度。可選地，可壓縮物體具有薄的(即，<5微米)殼壁—— 其或者是空心的或者沉積在聚合物泡沫上——并具有相對厚(即，1微 米<壁厚<50微米)的金屬或金屬合金層的承載及屏障壁，其提供結(jié)構(gòu)支 撐和對氣體滲透的屏障。 對可壓縮物體表面處理的選擇如在圖6的塊610中所討論，各種表面處理可以被用于可壓縮 物體。表面處理可以被用于改進聚合物層或金屬和/或金屬合金膜在可 壓縮物體(諸如聚合物物體)上的連續(xù)性和粘合性。因此，表面處理 可被用于增強特定性能，諸如與基液的相容性以及維持內(nèi)壓的殼層滲 透性，這在下面進一步討論。
對于內(nèi)部加壓的可壓縮物體，其具有帶有或沒有增強物的聚合 物和/或彈性體的承載壁，表面處理可被用于增強金屬和/或非金屬膜在 聚合物表面上的連續(xù)性以降低承載壁的氣體滲透性。 一般而言，彈性 體、結(jié)晶聚合物和/或共混聚合物具有的氣體滲透性太大以至不能用于 可壓縮物體的制造。因此，除在聚合物壁中引入頁狀剝落型無機填料
之外，可以采用將連續(xù)的薄的(即，< 500埃M氏氣體滲透涂層沉積在壁
表面上或者將其引入層狀壁結(jié)構(gòu)中。例如，該涂層可以是薄金屬、金 屬合金或無機氣體滲透屏障，其可以通過多種物理和/或化學(xué)處理被應(yīng) 用于可壓縮物體的表面壁的外部。具體而言，沉積涂層的厚度可以小
于500 A并包括Al、 NiTi或任何其他合適的材料。增強這些滲透降低
層的均勻性和/或連續(xù)性的表面處理可以包括(1)表面的陰離子官能
化，例如，磺化、羧化(即酸形成)以及由本領(lǐng)域技術(shù)人員使用的其
他陰離子官能化方法和化學(xué)。(2)陽離子季銨化官能化化學(xué)，例如本領(lǐng) 域技術(shù)人員所使用的锍鹽、磷鹽、銨鹽。(3)本領(lǐng)域技術(shù)人員實踐的兩 性離子官能度和兩性官能度。(4)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的馬來化官能化 和相關(guān)反應(yīng)。(5)控制的氧化，例如過氧化物、高溫氧等離子體蝕刻、 臭氧等。(6)化學(xué)氣相沉積方法和相關(guān)的化學(xué)。(7)本領(lǐng)域技術(shù)人員所使 用的進行表面官能化的電暈放電方法。很多種方法可用于沉積金屬和/或無機屏障涂層?？捎绊懗练e方 法選擇的一個因素是可壓縮物體的內(nèi)壓。例如，如果在可壓縮物體內(nèi) 含有少量初始內(nèi)部氣體壓力或無初始內(nèi)部氣體壓力，則低滲透性金屬、 金屬合金或無機涂層可以通過各種低壓物理和化學(xué)沉積方法被用于均 勻地涂敷可壓縮物體的非平面幾何結(jié)構(gòu)。如果可壓縮物體的內(nèi)壓和壁 滲透性使得低壓物理或化學(xué)沉積所需的低壓環(huán)境(即，典型地< lxl(T3 mmHg)是不可維持的，則可以使用與內(nèi)部氣體壓力和相對高的壁氣體 滲透性相容的沉積方法。在該示例中，可壓縮物體可以被維持在高壓 氣體或液體環(huán)境中，以防止在貯存和涂敷期間內(nèi)壓通過可壓縮物體的 壁損失。對于高壓液體環(huán)境，壁表面的涂層可以通過例如利用本領(lǐng)域 技術(shù)人員熟悉的方法進行的電鍍或無電噴鍍來實施。對于高壓氣體環(huán) 境，壁表面的涂層可以通過例如化學(xué)氣相沉積(CVD)或紫外線化學(xué)氣相
沉積(UV-CVD)來實施。
可選地，可壓縮物體內(nèi)的內(nèi)部氣體壓力可以被降低至允許在未加壓物體或聚合物片中應(yīng)用一系列可用的商業(yè)低壓物理和化學(xué)沉積方法的水平。在該示例中，通過降低可壓縮物體的溫度可以被冷凝的氣體可以被用于可壓縮物體的內(nèi)部增壓。例如，如果可壓縮物體內(nèi)部的
氣體是在10 mPa壓力下的氧(O)，隨后在大氣壓下冷卻該可壓縮物體至液氮(LN2)的溫度，可將內(nèi)壓降低至小于或等于1 x 10—VmHg。
關(guān)于空心聚合物承載壁的類似的考慮因素可以被應(yīng)用于內(nèi)部加壓的可壓縮物體，該可壓縮物體具有聚合物和/或彈性體泡沬的承載壁以及金屬和/或非金屬滲透屏障的氣體屏障壁，或者上述考慮因素可以被應(yīng)用于聚合物和/或彈性體超薄空心殼或者被用作承載金屬和/或金屬合金壁沉積模板的聚合物和/或彈性體泡沫，如上所述。在后面的示例中，超薄聚合物殼或聚合物泡沫可被用作沉積相對厚的金屬和/或金屬合金承載壁的模板。在該示例中的金屬或金屬合金承載壁可具有大約5微米至50微米的厚度。超薄聚合物殼或聚合物泡沫可包括任何聚合物和/或彈性體，其具有或者無增強物以及表面處理以提高金屬和/或金屬合金承載壁的均勻性和連續(xù)性。在該示例中，超薄聚合物殼的厚度和/或泡沬的機械強度僅需要在沉積過程中足以維持顆粒的期望形狀。
可壓縮物體的制造如在圖6塊612中所討論， 一旦選擇了可壓縮物體的結(jié)構(gòu)和壁材料，各種制造技術(shù)可被用于產(chǎn)生可壓縮物體。這些制造技術(shù)可以包括各種方法，諸如圖形形成、沉積、熱-機械加工和其他類似的制造工藝。圖形形成工藝是將材料成形為諸如可壓縮物體的另一形態(tài)的工藝，其可以包括化學(xué)蝕刻、機械蝕刻等。蝕刻工藝是從基底材料上去除材料的工藝。沉積工藝是將材料涂敷或轉(zhuǎn)移到另一種材料上的工藝，其可以包括物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、電化學(xué)和/或無電沉積、合金化、濺射、蒸發(fā)、分子束外延等。熱-機械工藝是形成或改變材料形狀和微觀結(jié)構(gòu)的工藝，其包括冷軋、熱軋、型鍛、拉拔、切割、回火、溶液退火等。可壓縮物體的制造可以使用各種技術(shù)，這些技術(shù)被組合以提供期望的可壓縮物體性能，如上所述。可壓縮物體的制造路線可以基于
36可壓縮物體的一些期望性能來確定。例如，低氣體滲透性、物體柔韌性、機械完整性、低成本、物體制造的相對容易性、材料的商業(yè)可得性和/或環(huán)境可接受的材料性能是可以被考慮的一些性質(zhì)。其他性質(zhì)包括期望的可壓縮物體尺寸范圍、尺寸分布和縱橫比、增強聚合物/金屬粘合性的潛在的表面功能化方法、弓l入"過量"發(fā)泡劑(一種或多種)以產(chǎn)生含有高壓氣體內(nèi)部的空心物體的能力(例如，所用的發(fā)泡劑內(nèi)部增壓空心物體，填充高壓氣體等)，以及其他特征。因此，制造工藝可以被設(shè)置為產(chǎn)生這樣的可壓縮物體，其是氣體填充的聚合物物體，包括是空心或者至少部分填充泡沫的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
例如，圖8A-8B是產(chǎn)生具有空心內(nèi)部的可壓縮物體的制造工藝的示例性實施方式。類似地，圖9、 10和11A-11B是產(chǎn)生具有泡沫內(nèi)部或基于泡沫模板的可壓縮物體的制造工藝的實施方式。A.作為空心物體的可壓縮物體的制造下面所述的制造方法涉及作為空心物體被形成的可壓縮物體的制造，該空心物體可以填充氣體或可以不填充氣體。這些制造方法可以被用于形成可壓縮物體，其均具有封閉內(nèi)部區(qū)域的殼，每一個可壓縮物體均具有(a)內(nèi)壓，該內(nèi)壓(i)在大氣壓下為大約200psi以上、大氣壓下為大約500 psi以上、大氣壓下為大約1500 psi以上或大氣壓下為大約2000psi以上，和/或具有封閉內(nèi)部區(qū)域的殼，和該內(nèi)壓(ii)針對預(yù)定外壓而被選擇，其中超過內(nèi)壓的外壓減小可壓縮物體的體積；(b)所述殼被設(shè)置為當(dāng)外壓大約等于內(nèi)壓時所經(jīng)受的應(yīng)變小于外壓大于內(nèi)壓或小于內(nèi)壓時的應(yīng)變，或者當(dāng)外壓大約等于內(nèi)壓時所述殼經(jīng)受的應(yīng)變小于當(dāng)所述外壓高于或低于可壓縮物體的預(yù)定壓縮層段時的應(yīng)變；和/或(c)所述殼至少部分填充有泡沫。盡管描述了很多制造方法，圖8A-8B是產(chǎn)生具有空心內(nèi)部的可壓縮物體的示例性實施方式。
圖8A-8B是按照本技術(shù)的某些方面，在圖6的流程圖中所用制造過程的示例性實施方式。在圖8A中，顯示了按照本技術(shù)產(chǎn)生可壓縮物體的裝置的示例性實施方式。在該實施方式800中，諸如空心聚合物殼或聚合物泡沬結(jié)構(gòu)的可壓縮物體，可以在由加壓室802形成的加壓環(huán)境中制造。為了示例性的目的，可壓縮物體顯示為具有氣體內(nèi)部806的空心聚合物殼804，但是可以包括聚合物泡沫結(jié)構(gòu)和上述其他可
37壓縮物體。在該制造過程示例中，位于中心管810末端的同軸氣泡吹制孔
808被封閉在加壓室802中的同軸管812中。足夠的壓差被獨立地應(yīng)用于在中心管810與同軸管812之間所形成的環(huán)內(nèi)，以及應(yīng)用于孔的中心管810內(nèi)，以使聚合物材料814成型為空心聚合物殼816，其填充有來自中心管810的氣體818。以此種方式，氣體818填充的聚合物泡820得以形成，并且隨后脫離同軸氣泡吹制孔808。加壓室802可以被填充氣體或液體或者它們的組合，并且在泡形成情況下的分離可以通過表面張力、重力、浮力、流體流動或它們的任意組合而促成。 一旦聚合物泡820脫離，聚合物泡820可以落入浴容器824內(nèi)的交聯(lián)浴822中，該交聯(lián)浴822促進聚合物壁的交聯(lián)。交聯(lián)浴的化學(xué)性質(zhì)可以通過針對壁材料所選擇的特定聚合物來確定并且是聚合物合成領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的。在硬化浴之后，具有氣體內(nèi)部806的空心聚合物殼804得以形成，然后可以通過轉(zhuǎn)移至壓力互鎖室(未顯示)中而被移除，在該壓力互鎖室中交聯(lián)流體與加壓的可壓縮物體分離，并且可壓縮物體被轉(zhuǎn)移至貯存容器。此外，在空心聚合物殼804聚合和/或分離過程中或之后，圍繞該空心聚合物殼804的壓力可以被降低以使空心聚合物殼804膨脹成其在膨脹狀態(tài)的最終大小和形狀。在壁冷卻之前、期間或之后，該膨脹狀態(tài)可以由壁厚、材料的機械性能、物體構(gòu)造和內(nèi)壓預(yù)先確定。如果聚合物壁是承載部件，合成之后直徑的膨脹可被用于改變聚合物壁的機械性能。例如，通過聚合物鏈的應(yīng)變再定位和/或空心聚合物殼804聚合物壁中增強物的再定位?；谒玫牟牧峡梢葬槍χ圃爝^程引入特定的調(diào)節(jié)。例如，如果聚合物材料814是具有或不具有增強物的聚合物熔體，則孔808可以被加熱以降低熔體粘度而獲得期望的聚合物熔體流動性能。此外，如果聚合物材料814是具有或不具有增強物以及具有或不具有引發(fā)劑的聚合物單體或單體混合物，則聚合物泡820的壁在與孔808分離之后的聚合可以通過多種方法進行，諸如紫外線聚合、自由基聚合、熱化學(xué)聚合等，這些是聚合物合成領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的。
在圖8B中，顯示了按照本技術(shù)產(chǎn)生可壓縮物體的裝置的另一示
38式830中，例如空心聚合物殼或聚合物 泡沫結(jié)構(gòu)的可壓縮物體可以在由加壓室832形成的加壓環(huán)境中被制造。 該加壓室832被分成具有氣體入口 840的下部室838以及具有流體入 口 844和流體出口 846的上部室842。為了示例性的目的，可壓縮物體 顯示為具有氣體內(nèi)部836的空心聚合物殼834，但是可以包括聚合物泡 沫結(jié)構(gòu)和上述其他可壓縮物體。在該制造過程示例中，合適的聚合物熔體或聚合物前體的薄膜 848在由大量孔或空穴852穿孔的板850上形成?？梢园才趴昭?52 的尺寸和間隔以使氣體填充的泡854連續(xù)形成，該氣體填充的泡854 具有含氣體內(nèi)部836的空心聚合物殼834，并且當(dāng)板850在上部室842 與下部室838之間的期望壓差下從下面被加壓時，這些泡854分離并 浮在板850上，并進入填充上部室842的加壓流體中。應(yīng)當(dāng)注意，很 多可選的空穴幾何性質(zhì)可以被用于從聚合物前體和/或聚合物熔體形成 內(nèi)部加壓的空心可壓縮物體。氣體填充的泡可以通過流體出口 846離 開上部室842，并且可以通過密度差與流體分離并隨后被轉(zhuǎn)移至貯存容
器o作為產(chǎn)生可壓縮物體的可選示例性方法，金屬、金屬合金和/或 聚合物管可以被用于形成可壓縮物體。在該制造方法中，通過將管材 料切割成期望的長度并利用機械、化學(xué)或熱方法將該管材料的端部封 閉，可使壓縮物體由管材料形成。得到的可壓縮物體(其可以以枕形、 球形、扁球面、回轉(zhuǎn)的橢圓體或任何其他期望的形狀形成)的內(nèi)部壓 力可以通過閉合管的切割端部并在控制壓力的環(huán)境中形成期望的形狀 來進行控制。加壓環(huán)境可以是加壓室，其類似于上面所討論的加壓室。 另外，可壓縮物體可以在來自具有或不具有加強物的聚合物和/或彈性 體的管材料的聚合物壁合金化之前或之后形成。作為產(chǎn)生可壓縮物體的另一可選實例方法，預(yù)成型片可以被用 于形成可壓縮物體。在該方法中，預(yù)成型片的機械、熱或化學(xué)連接可 以被用于制造可壓縮物體。預(yù)成型片可以包括層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，其可以 包括兩個實施方式。 一個實施方式可以是相對厚的結(jié)構(gòu)承載聚合物壁 與相對薄的連續(xù)金屬、金屬合金和/或非金屬滲透屏障層相結(jié)合。具體 而言，結(jié)構(gòu)承載聚合物壁可以具有大約5微米與50微米之間的壁厚，盡管連續(xù)的金屬或金屬合金滲透屏障層可以具有小于約500埃的壁厚。 第二實施方式是薄聚合物片作為沉積相對厚的金屬或金屬合金層的模 板，該金屬或金屬合金層用作結(jié)構(gòu)壁和氣體滲透的屏障。例如，薄聚 合物片可以小于大約5微米，而金屬或金屬合金層可以具有大約5微
米與50微米之間的壁厚。聚合物厚度和金屬或金屬合金厚度位于這些
限制內(nèi)的層狀或多重層狀實施方式的任何組合可以用于其他實施方 式。為制造這些可壓縮物體， 一個或多個層狀預(yù)成型片可以被制成 扁平狀，并隨后利用類似于本領(lǐng)域所實踐的那些方法的多種形成聚合 物片和/或成膜方法中的任一種方法被澆鑄成預(yù)成型的物體組件。示例 包括用于食品包裝的合金化聚合物片、用于聚會氣球的合金化聚酯薄 膜(Mylar)片、聚合物膜上的裝飾性金屬涂層和用于航空絕熱層的合 金化聚酰亞胺膜。如果預(yù)成型的物體組件要被連接而形成可壓縮物體， 則預(yù)成型物體組件的連接可以通過類似于聚合物膜連接領(lǐng)域所實踐的 那些方法的多種方法來完成。示例包括但不限于熱粘結(jié)、膠黏劑粘結(jié)、 機械連接等。在該示例性制造方法中，利用上述相同范圍的物理和/或化學(xué)方 法，金屬或金屬合金層可以在可壓縮物體的內(nèi)部或外部上形成，并且 這些方法在金屬、金屬合金和/或非金屬涂層沉積領(lǐng)域是已知的。例如， 金屬或金屬合金層可以被應(yīng)用于外部和/或內(nèi)部表面，其方式類似于關(guān) 于在上述同軸吹制泡或通過分散聚合所形成的泡上進行沉積所述的方 法。所涂敷的聚合物壁然后可以被熱-機械澆鑄成預(yù)成型，以在其內(nèi)表 面、外表面或二者上具有金屬或金屬合金層。在該實施方式中，加強 物、用于改進的連續(xù)性和粘合性的表面處理以及由機械應(yīng)力引起的加 強物和/或聚合物鏈的再定位也可以適用平面預(yù)制片的制造，并且可以 以類似于同軸吹制或分散聚合物的方式被預(yù)成型。
作為另外的制造技術(shù)，上述復(fù)合片制造方法也可以被用于制造 自支撐的相對厚的金屬和金屬合金片，其適合機械形成可壓縮或可折 疊物體或顆粒的組件。當(dāng)薄金屬片難于通過金屬片制造中所用的常規(guī) 熱-機械方法制造時，制造自支撐金屬或金屬合金片的此種方法特別有 用。具體而言，金屬和金屬合金片可以具有大約5微米與50微米之間
40的厚度。為形成自支撐金屬片，在金屬或金屬合金沉積之后，在固化 該沉積薄片所需的任何另外的熱-機械處理之前或之后，聚合物模板可 以從薄金屬片上移除。聚合物模板的移除可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已 知的多種機械、化學(xué)和/或熱方法來完成。可選地，在金屬或金屬合金 薄膜沉積而形成自支撐金屬或金屬合金預(yù)成型物之前，聚合物模板片 可以在可壓縮物體的組件中預(yù)成型。作為另一制造技術(shù)，空心可壓縮物體可以通過熱固性聚合物的 化學(xué)組分的物理和/或化學(xué)氣相沉積(如上所述)而形成到熱解聚空心 聚合物模板或聚合物泡沫上。沉積之后，通過升高溫度而在解聚空心 聚合物殼或聚合物泡沫模板的表面上形成自支撐的熱固性聚合物預(yù)成 型層，從而熱固性聚合物組分可以部分反應(yīng)在一起。在形成自支撐的 熱固性聚合物預(yù)成型層之后，溫度可以被進一步增加以解聚空心和/或 泡沫模板，并且解聚產(chǎn)物通過經(jīng)過熱固性預(yù)成型壁的擴散而從所得到 的空心自支撐物上去除。最后，部分固化的自支撐空心預(yù)成型熱固性 物體可以被放置到高壓容器中，并且借助在該容器內(nèi)建立的高氣體壓 力，空心物體內(nèi)部的壓力通過擴散穿過熱固性預(yù)成型壁得以平衡。隨 后，溫度可以在高壓氣體環(huán)境中被進一步升高，以充分固化熱固性聚 合物，目的是降低壁的透氣性以及獲得最佳的壁材料機械性能。如之 前，充分固化和加壓的空心熱固性聚合物殼的外表面的合金化可以通 過上面關(guān)于同軸吹制的加壓空心聚合物殼所述的方法來完成。此外，作為另一實施方式，可壓縮物體可以在制造過程中進行
機械調(diào)節(jié)，以強化可壓縮物體的結(jié)構(gòu)壁，這通過由機械應(yīng)力引起的微 纖維和/或納米纖維加強物和/或包括壁材料的聚合物鏈的再定位而實 施。這種機械調(diào)節(jié)可以包括但不限于可壓縮物體膨脹成其最終尺寸和 形狀。
B.利用泡沬模板制造可壓縮物體除制造空心物體之外，在可壓縮物體的制造中制造方法可以利 用泡沫模板來產(chǎn)生特定形狀。這些制造方法可以形成可壓縮物體，其 具有封閉內(nèi)部區(qū)域的殼，并且其具有(a)內(nèi)壓，該內(nèi)壓(i)在大氣壓下為 大約200 psi以上、大氣壓下為大約500 psi以上、大氣壓下為大約1500 psi以上或大氣壓下為大約2000 psi以上，和該內(nèi)壓(ii)針對預(yù)定外壓而選擇，其中超過內(nèi)壓的外壓減小可壓縮物體的體積；(b)所述殼至 少部分填充有泡沫；和/或(C)其中所述殼被設(shè)置為當(dāng)外壓大約等于內(nèi)壓 時所經(jīng)受的應(yīng)變小于外壓大于內(nèi)壓或小于內(nèi)壓時的應(yīng)變，或者其中當(dāng) 外壓大約等于內(nèi)壓時所述殼經(jīng)受的應(yīng)變小于當(dāng)所述外壓高于或低于可 壓縮物體的預(yù)定壓縮層段時的應(yīng)變。泡沫模板可以包括均聚物、共混 聚合物、共聚物、互穿網(wǎng)絡(luò)、嵌段共聚物、熱固性材料、熱塑性材料、 非晶態(tài)聚合物、結(jié)晶聚合物、化學(xué)交聯(lián)共聚物、熱塑性彈性體、橡膠、 液晶高分子等。泡沫模板可以被成形為不同的預(yù)定形狀，諸如但不限 于球形、棒形、薄片、扁平或扁長球狀體、回轉(zhuǎn)橢圓體和/或這些幾何 形狀的任意組合。此外，可壓縮物體的制造中所用的泡沫模板(諸如 棒體、薄片等)可被構(gòu)建成內(nèi)部含有寬范圍的孔結(jié)構(gòu)(即閉合的和/或 開放的孔)、孔壁厚和孔密度。這些不同的構(gòu)造可以用于產(chǎn)生涵蓋較 寬范圍機械性能的空心物體?？梢酝ㄟ^模塑方法、切割方法和涂敷方法來生產(chǎn)泡沫預(yù)成型物，
這些方法是涉及利用泡沫來形成絕緣和/或包裝的技術(shù)所熟悉的。切割 方法可包括將板材泡沬切成各種形狀和大小。模塑方法可以包括擠壓、 吹塑、壓縮模塑等，其可以包括將泡沬模塑成期望的復(fù)雜形狀，該形 狀可以降低或消除勞動密集型切割以及從該技術(shù)所產(chǎn)生的廢物。另外， 模塑技術(shù)可以產(chǎn)生具有多重硬度區(qū)以及具有填充加強物的泡沫。先前 所述的涂敷方法也可以被應(yīng)用于泡沫預(yù)成型物的涂敷，這些方法可以 包括電鍍、無電鍍膜法、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、紫外線化學(xué) 氣相沉積等，并且其可以被用于在泡沫模板上形成相對薄的金屬或金 屬合金層。在該實施方式中，金屬或金屬合金層的涂敷被用于增強可 壓縮物體的不滲透性，這可以包括壓力下的氣體(或氣體混合物)。 可選地，聚合物模板可以被用于利用模塑或機械成型的內(nèi)部加壓或未 加壓聚合物泡沫的相對厚的金屬和/或金屬合金承載壁的沉積。金屬承
載壁可以具有大約5微米至50微米的壁厚以及在大氣壓下大約200 psi 或以上的內(nèi)部壓力，這取決于期望的應(yīng)用。作為第一實施方式，起泡劑可以被用于形成可壓縮物體的泡沫 模板。通常，使用物理起泡劑產(chǎn)生閉孔泡沫模板，其可以由各種材料 形成。例如，聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)和聚氯乙烯(PVC)是制造聚合
42物泡沫時所用的材料。通常，PU泡沫由二氧化碳(C02)的原位產(chǎn)生來 制備，而PS和PVC泡沫利用物理起泡劑(像氮(N。和C02)來制備。 利用物理起泡劑減少了任何污染溶劑阻礙該過程。利用C02和N2具有 很多益處，諸如化學(xué)惰性、不可燃性、天然發(fā)生、低成本、易于得到、 環(huán)境可接受性(無臭氧消耗)以及低人類毒性。使用物理起泡劑的每一種聚合物泡沫狀技術(shù)依賴于類似的原 則。這些原則是(l)在高壓下聚合物借助氣態(tài)滲透劑(起泡劑)飽和； (2)通過降低的壓力或增加的溫度，聚合物/氣體混合物淬熄進入過飽和 階段；和(3)遍及聚合物基體分散的氣體泡孔的核化及生長。在聚合物 /氣體混合物淬熄之后，氣體在聚合物模板中的溶解度減小，這導(dǎo)致氣 體分子以晶核形式聚集。隨著氣體擴散進入所形成的泡孔中，聚合物 模板的自由能降低。泡核作用過程控制著聚合物材料的泡孔形態(tài)以及 聚合物材料的性質(zhì)。此外，該過程可以遍及整個材料均勻發(fā)生，或者 在高能區(qū)諸如相界處不均勻發(fā)生。在高能區(qū)，核化穩(wěn)定空隙的自由能 相比均勻成核較小。結(jié)果是，優(yōu)選的空隙成核在界面處發(fā)生。
在半結(jié)晶聚合物中，結(jié)晶域可以作為產(chǎn)生氣泡的異相成核點。 一般而言，泡孔生長(cell growth)受氣體在淬熄之前必須擴散進入泡 孔的時間、制造過程的溫度、過飽和的程度、氣體擴散進入孔泡的速 率、施加于聚合物基體的靜壓或應(yīng)力、界面能以及聚合物/氣體混合物 的粘彈性。聚合物模板的硬度通常由起泡溫度來控制。應(yīng)當(dāng)注意平均 孔泡大小的減小通常增加硬度。膨脹氣體孔泡所需的功必須克服由增 加的硬度所產(chǎn)生的額外應(yīng)力。通過增加飽和壓力，用于形成穩(wěn)定晶核 的自由能屏障被減小，并且由于基體溶脹、空隙容積改變和/或結(jié)晶界 面的形成，形成另外的成核點。這導(dǎo)致泡孔密度增加并因此導(dǎo)致平均 泡孔直徑減小。半結(jié)晶聚合物表現(xiàn)出比非晶態(tài)聚合物更高的泡孔(cell)
密度，這歸因于在非晶態(tài)/結(jié)晶界面區(qū)處的異相成核分布。因為氣體不 溶解在晶體中，因此成核是不均勻的，這使得難于控制半結(jié)晶泡沫的
微孔結(jié)構(gòu)。結(jié)果是，具有低結(jié)晶度的聚合物提供了具有幾乎均勻的結(jié) 構(gòu)的泡沬。隨著聚合物的結(jié)晶度增加，得到具有不規(guī)則泡孔大小的較 不期望的不均勻泡沫。因為利用物理起泡劑的起泡方法是通用的，因此該技術(shù)可以被用于制造可壓縮物體的閉孔聚合物泡沫模板。例如，非晶態(tài)聚合物以 及半結(jié)晶聚合物可以在接近玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)至剛好在材料熔點之 下的溫度之間的范圍內(nèi)進行處理。為了示例性的目的，形成泡沫模板 以及該泡沫模板涂層的制造過程在下面圖9中予以討論。圖9是按照本技術(shù)的一些方面，制造利用泡沫模板的圖6中的 可壓縮物體的示例性流程圖。該流程圖，通過參考數(shù)字900指代，可 以通過同時查看圖1和6而被最佳理解。在該流程圖900中，描述了 用于制造具有泡沫內(nèi)部的可壓縮物體的工藝。流程圖始于塊902。在塊904,可以制造泡沬。泡沫可以由多 種過程而形成，它們在上面被討論。泡沫可以包括聚合物材料，諸如， 具有以及不具有增強物的中度至高度交聯(lián)的彈性體；諸如長纖維、中 纖維至納米纖維、納米管、頁狀剝落型無機填料(例如粘土)；和具 有以及不具有增強物的共混聚合物，諸如長纖維、中纖維至納米纖維、 納米管、頁狀剝落型無機填料(例如粘土)等。在塊906，泡沫可以形 成泡沫模板。泡沫模板可以包括各種形狀，諸如立方形、矩形、棒形、 正方形以及其他規(guī)則或不規(guī)則形狀，這些在上面進行了討論。為形成 泡沫模板，泡沫或聚合物材料通過切割或其他合適的方法可被成形為 不同的幾何形狀和尺寸。然后，在塊90S，所成形的泡沫模板可以用材 料進行涂敷。該材料可以包括降低透氣性的薄金屬或非金屬涂層，其 通過如上所討論的任何合適的沉積技術(shù)來施加。涂層可以包括寬范圍 的組分，包括純金屬、金屬合金和/或單獨的或者與其他非金屬層結(jié)合 的不同金屬或金屬合金的層，以及其他。在塊910，所涂敷的泡沫模板 可以進一步通過表面處理來處理，以增強這些涂層與聚合物泡沫模板 表面的粘合性以及促進這些涂層與聚合物泡沫模板表面的連續(xù)性。這 些表面處理可以類似于上面討論的表面處理。該過程在塊912結(jié)束。
這些不同形狀的泡沫模板的涂層顯示在圖10中。在圖10中顯 示了多種泡沫模板諸如枕形物體1002、橢圓形物體1003和球形物體 1004。這些泡沫模板物體1002-1004如上在塊906中所討論被形成多種 形狀。然后，泡沫模板物體1002-1004可以被涂敷金屬層1006,如在 ,塊908中所討論。具體而言，泡沫模板物體1002-1004可以通過無電鍍 膜技術(shù)被涂敷薄金屬涂層(例如銅)。涂敷之后，泡沫模板物體1002-1004
44可以被表面處理層1008進一步涂敷，如在塊910中所討論。作為該制造過程的具體示例，描述了第一泡沫模板和第二泡沫 模板。所述第一泡沫模板可以是空氣填充的泡沫微膠囊，其具有直徑 為大約1000 (im(微米)至1500 pm泡孔(cell)，而第二泡沫模板可以 是空氣填充的泡沫微膠囊，其具有直徑為大約250 |im至500 pm的泡 孔。這些泡沫模板可以被切割成不同的幾何形狀和尺寸，如上所述。 然后，所成形的泡沫模板可以通過無電鍍膜技術(shù)被進一步涂敷薄金屬 涂層(例如銅)。金屬涂層可以包括寬范圍的組分，其包括純金屬、 金屬摻合物、合金、形狀記憶合金以及其他。此外，應(yīng)當(dāng)注意，表面處理可以針對不同的泡沫模板進行調(diào)整。 例如，如果聚苯乙烯是泡沫模板，其是高度非極性且化學(xué)活性的聚合 物。功能化即磺化的程度可以通過很多參數(shù)來控制，諸如溶劑、硫 酸濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、催化劑和催化劑濃度。照此，應(yīng)當(dāng)注 意，表面功能化化學(xué)以及隨后的過程可以被修改以適應(yīng)材料諸如尼龍、 聚酯、聚氨酯以及其他聚合物材料的表面化學(xué)和結(jié)構(gòu)。表面功能化和 蝕刻可以包括酸處理、堿處理、氧化、硝化、磺化、磷酸化以及其他 化學(xué)處理。參見J. March, "Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure", Third Ed" John Wiley & Sons, New York (1985)，涉及磺化、溫和氧化、酯化、羧化、自由基加成反應(yīng)、自由基 圖案反應(yīng)(free radical graphing reaction)和季銨化以及類似反應(yīng)的章節(jié)。
作為第一具體示例，泡沫模板可以通過諸如化學(xué)鍍銅的方法進 行均勻涂敷以形成棒狀泡沫物體。泡沫模板可以是填充空氣的泡沫微 膠囊，其具有直徑為大約1000 (微米)至1500 的泡孔。如果該泡 沫模板是聚苯乙烯，則制造方法可以包括通過暴露于H2S04的30%溶 液21小時期間而進行的聚苯乙烯棒的功能化。功能化聚合物的表面可 以利用錫-鈀(Sn-Pd)活化工藝——另外被稱為加晶種——進行活化。該 加晶種方法是本領(lǐng)域那些技術(shù)人員熟悉的。該工藝包括將聚苯乙烯棒 連續(xù)浸入酸性氯化錫(SnCl2) (0.01M)中，之后浸入酸性氯化鈀(PdCl2) (0.01M)溶液中，并在兩浴之間用蒸餾水漂洗。在PdCl2之后使用0.01M 氯化氫(HC1)，以從表面去除剩余的Sn化合物。每一種浴都在室溫下 進行。參見B. Ceylan Akis, "Preparation of Pd-Ag/PSS CompositeMembranes for Hydrogen Separations", A Thesis, Worcester Polytechnic Institute, (2004年5月)。功能化的、Pd接種的聚苯乙烯棒可以被放置 在流速為73 cc/min(立方厘米/分鐘)、含有CuS04 *5H20的銅(Cu)電鍍 溶液、二水乙二胺四乙酸二鈉(ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate) 、 NaOH、乙二胺和三乙醇胺的用甲酸活化的浴中。參 見Y. Lin and S. Yen, Applied Surface Science, 178, 116 (2001); W. Lin， H. Chang, Surface and Coatings Technology, 107, 48 (1998); Shu et. al" Ind. Eng. Chem. Res. 36, 1632 (1997); Ha謹et al. Materials Letters, 58， 104 (2003)。 Cu可以在40。C下90分鐘內(nèi)被電鍍到功能化的、Pd接種的聚 苯乙烯棒上，之后用蒸餾水洗滌。大部分表面可以用Cu涂敷，其厚度 在0.3-0.6 pm的范圍內(nèi)?？蛇x地，如果泡沫模板是空氣填充的泡沫微膠囊，該泡沫微膠 囊具有直徑大約250 至500 泡孔以及球形形狀，那么制造方法 可以包括聚苯乙烯球的功能化和Pd加晶種，如上所述。利用同樣的 Cu電鍍?nèi)芤阂约傲魉?，功能化的Pd接種的聚苯乙烯球可以在4(TC被 電鍍10分鐘，之后進行蒸餾水洗滌。結(jié)果是，表面可以涂敷有覆蓋沿 泡沬表面輪廓的0.1-0.2 iim厚的Cu膜。作為另一示例，直徑為1/8英寸的固體尼龍6/6球的制造方法 可以包括如上所述利用0.01M HC1進行功能化過程10分鐘來功能化和 Pd接種該固體球。此外，尼龍球可以在40'C下在流動溶液中反應(yīng)4小 時5分鐘，之后進行蒸餾水洗滌，這可以是上面討論的利用活化劑的 相同的Cu電鍍?nèi)芤?。所得的Cu電鍍膜在尼龍球上可以為10-25 ,厚。
作為另一示例性制造技術(shù)，空心的氣體填充的金屬殼可以利用 用于生產(chǎn)空心金屬物體的Fraunhofer方法來制造，如在圖IIA中所示。 參見例女口 O. Andersen, U. Waag, L. Schneider, G. Stephani, B. Kieback， "Novel Metallic Hollow Sphere Structures", Advanced Engineering Materials 2000， vol 2， (2000年4月)，pp. 192-195。在該實施方式1100 中，泡沫模板1102 (可以是Styrofoam模板或者上述任意聚合物泡沫 模板)可以用金屬材料1104涂敷，該金屬材料1104可以包括金屬或 金屬合金粉以及粘結(jié)劑。泡沫模板1102的金屬材料和粘結(jié)劑1104的 涂層可以在容器1106中通過流化床涂敷方法來完成。涂敷有金屬或金屬合金粉和粘結(jié)劑層1108所得到的聚合物泡沫模板可以經(jīng)歷熔爐 1110進行退火。在該熔爐中，聚合物泡沫模板可以進行熱分解或者反 應(yīng)成揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物，其可以通過擴散經(jīng)過部分燒結(jié)的金屬或金屬合 金壁而被去除。隨后，溫度可以被升高以除去剩余的粘結(jié)劑，并且金 屬材料被燒結(jié)以獲得密集的金屬或金屬合金殼。得到的可壓縮物體 1112可以在冷卻后被用作可變密度鉆井泥漿的一部分?？蛇x的制造方法描述在圖11B中。在圖11B中，規(guī)則或不規(guī)
則成形的金屬或金屬合金空心物體可以通過在泡沫模板上形成金屬或 金屬合金層諸如鎳層來制造，這是通過將氣相沉淀到一次性泡沫模板
上進行的。在該實施方式1120中，提供泡沫模板1122，其可以是閉孔 聚合物泡沫模板。泡沫模板1122被涂敷顏料1124，諸如炭黑或氣體吸 收紅外輻射的其他顏料，形成涂敷的泡沫模板1126。涂敷的泡沫模板 1126然后被放置在充滿氣體1128的容器中，諸如羰基鎳氣體。涂敷的 泡沫模板1126然后經(jīng)歷紅外輻射1130，其加熱涂敷的泡沫模板1126 的涂敷表面。作為紅外輻射1130的結(jié)果，羰基涂層在涂敷的泡沫模板 1126的表面分解，形成金屬涂層1132，諸如在泡沬模板1134上的鎳。 金屬涂敷的泡沫模板1134然后在熔爐1136中在足以使泡沫模板分解 的高溫下被燒結(jié)，并且分解產(chǎn)物通過在燒結(jié)過程中擴散經(jīng)過金屬層被 去除。結(jié)果是，形成具有空心內(nèi)部的可壓縮物體1138。 對可壓縮物體進行改良以解決局部應(yīng)變作為另外的實施方式，可壓縮物體的構(gòu)造可以被修改以分布在 膨脹和壓縮狀態(tài)所經(jīng)歷的局部應(yīng)變。例如，F(xiàn)EA模擬顯示，在上面討 論的回轉(zhuǎn)橢圓體的情況下，覆蓋層彎曲不穩(wěn)定性的嚴重度隨壁厚增加 以及初始縱橫比減小而增加，而赤道彎曲不穩(wěn)定性的嚴重度隨壁厚減 小以及縱橫比增加而增加。為擴大可壓縮物體構(gòu)造的設(shè)計窗口，可壓 縮物體的壁厚可以作如下改變在孔處較薄而在赤道處較厚。壁厚的
調(diào)整可以在每一實施方式中提供支持，以解決可壓縮物體不同區(qū)域中 應(yīng)變的局部化。從孔到赤道(equator)的壁厚變化可以以與上面討論 的一些制造技術(shù)一致的方式進行。可選地， 一個或多個結(jié)構(gòu)部件例如凸緣可以被添加至可壓縮物 體。這些結(jié)構(gòu)部件諸如凸緣可以降低可壓縮物體的殼的局部化應(yīng)變。例如，如果結(jié)構(gòu)部件是凸緣，其可以被增加至可壓縮物體的赤道處，
以支撐對抗不穩(wěn)定的赤道帶(叫uatorialbelt)。該凸緣可以沿著可壓縮
物體的赤道分布分配變形力，以將應(yīng)變從局部化區(qū)域傳開。例如，如
在圖12A-12C中所示，將凸緣1202加至10微米壁厚橢圓形物體的作 用在不同狀態(tài)下被顯示。在該示例中，橢圓形物體可以具有1500 psig 的膨脹內(nèi)壓，并由具有大約0'C的奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的形狀記憶 合金的假彈性材料諸如NiTi合金形成。在圖12A中，可壓縮物體，其 為具有凸緣1202的橢圓形可壓縮物體，其處于初始狀態(tài)1200。該橢圓 形物體以膨脹狀態(tài)1204顯示在圖12B中并且以壓縮狀態(tài)1206顯示在 圖12C中。如在圖12A-12C中所示，凸緣1202分配局部應(yīng)變，以降 低橢圓形物體所經(jīng)歷的最大應(yīng)變。添加凸緣的益處在圖13中進行進一 步的討論。圖13是按照本技術(shù)某些方法，關(guān)于向可壓縮物體添加凸緣的 示例性圖。在圖13中，F(xiàn)EA模擬被用于產(chǎn)生具有凸緣的第一可壓縮物 體和無凸緣的第二可壓縮物體的最大應(yīng)變1302對壓縮比1304的圖 1300。圖1300包括第一可壓縮物體——具有10微米的壁厚和125微 米寬的凸緣，其可以是圖12A-12C的橢圓形物體——的第一響應(yīng)曲線 1306，和第二可壓縮物體——其具有10微米的壁厚，無凸緣——的第 二響應(yīng)曲線1308。在圖1300中，直線1310表示NiTi合金的近似最大 可恢復(fù)應(yīng)變，而直線1312表示實現(xiàn)上面討論的物體的期望疲勞壽命所 需的近似最大允許應(yīng)變。如在圖1300所示，凸緣的添加降低了具有相同結(jié)構(gòu)和壁厚的 橢圓形物體所經(jīng)歷的最大應(yīng)變。因此，赤道凸緣可以被用于擴大可壓 縮物體的設(shè)計窗口，其在永久變形極限之下。赤道凸緣的添加可以以與上面討論的某些制造技術(shù)一致的方 式進行。作為示例，從金屬合金片制造可壓縮物體以及在赤道凸緣處 進行隨后的連接可以通過修改現(xiàn)有制造方法來調(diào)整，以提供具有特定 寬度的凸緣。
利用加重劑和其他流體獲得確定的可變密度鉆井泥漿如上所述，可變密度鉆井泥漿118(圖l)可以包括可壓縮物體以
及鉆井液。鉆井液的選擇可以包括從多種可用流體中選擇主要液相組
48分。這些流體包括水、油或水和油的結(jié)合。在考慮包括成本、與地層 的相容性、環(huán)境影響等之類的幾種因素之后，選擇液相。加入加重劑， 以調(diào)節(jié)鉆井泥漿密度。加入增粘劑，以使加重劑以及所鉆出的巖屑懸 浮。其他添加劑提供過濾控制，以防止液相移動進入地層或者幫助將 自由水乳化進入油相。為補償可壓縮物體，鉆井液可以包括加重劑和其他流體，以管 理井筒內(nèi)的可變密度鉆井泥槳的密度。加重劑可以包括重晶石(硫酸 鋇)、赤鐵礦(氧化鐵)、方鉛礦(硫化鉛)和其他合適的材料，盡管其他摻 合劑可以包括諸如鈉、鉀和銫的甲酸鹽以及其他合適的材料。
加重劑被添加至鉆井液中以使鉆井液密度增加至大于含水 (水)非水(油或合成)基液。例如，加重劑可以包括重晶石(硫酸鋇)、 赤鐵礦(氧化鐵)、方鉛礦(硫化鉛)和其他合適的材料。這些加重劑被用
于實現(xiàn)從地面至目標深度(TD)的期望組成泥漿密度剖面。因為井筒
內(nèi)的壓力通常隨深度增加，諸如可壓縮物體的低密度可壓縮物體在地 面附近處于未壓縮狀態(tài)，而在朝向井筒底部時處于壓縮狀態(tài)。當(dāng)可壓 縮物體處于來自井下壓力的壓縮狀態(tài)時，可變密度鉆井泥漿的成分密 度可以被保持以防止流體從地層流入，并且被限制為不超過地層壓裂 壓力梯度。當(dāng)可壓縮物體在較淺深度處于未壓縮狀態(tài)時，地層可暴露 于可變密度鉆井泥漿，且?guī)r石層不再堅固，并且地層流體壓力通常降 低。因此，可壓縮物體的未壓縮狀態(tài)可以被用于降低可變密度鉆井泥 漿的泥漿密度。因此，不同的加重劑可被用在鉆井液中，以增加井筒 較淺節(jié)段的密度，來補償可壓縮物體的膨脹。例如，重晶石(硫酸鋇)可以被用于增加可變密度鉆井泥漿118 的密度。使用重晶石作為鉆井液中的加重劑的優(yōu)勢是該材料的低成本 和高可得性。重晶石具有最純形式的4.5 g/cc(克/立方厘米)的密度， 鉆井級重晶石為至少4.2 g/cc，以維持美國石油協(xié)會(American Petroleum Institute)品牌。為提供高鉆井泥漿密度，大濃度的重晶石泥 漿可以被懸浮在鉆井液中。例如，密度可高達19ppg (磅/加侖)(2.3 g/cc) 的鉆井液可以含有按體積計近似40%的重晶石。隨著固體的體積百分 比增加，鉆井液的粘度，特別是在高剪切率下，變得非常高，并且經(jīng) 過循環(huán)或井筒系統(tǒng)的摩擦壓降變得非常高。因此，含有重晶石的鉆井
49液可以在地面條件下以按體積計可高達40%與可壓縮物體結(jié)合。該結(jié) 合的結(jié)果提供了較高的粘度，其中可壓縮物體是未壓縮的(在地面和淺 層深度處)。通過使用具有較高密度的材料諸如赤鐵礦(氧化鐵)或方鉛礦 (硫化鉛)，可以獲得具有較低體積百分比(％)加重材料的類似密度的可
變密度鉆井泥漿。赤鐵礦具有5.05 g/cc的最小API密度，并且可以增
加鉆井液密度且總固體濃度比重晶石低。然而，具有赤鐵礦的鉆井液 可比具有重晶石的鉆井液更具研磨性，這可導(dǎo)致對設(shè)備的過早損壞或 磨損，所述設(shè)備例如諸如泥漿泵、地面設(shè)備、鉆柱管道系統(tǒng)和井下工
具(即電動機)、測井和測量設(shè)備。方鉛礦(硫化鉛)具有7.5g/cc的密度， 并且可以被用于獲得高密度且固體體積比重晶石小大約40%。方鉛礦 是相對柔軟的礦物，并且不會過早磨損設(shè)備。在可選的實施方式中，代替加重劑或者除加重劑之外，摻合劑 可以與可壓縮物體一起使用。這些摻合劑可以包括甲酸鹽，諸如鈉、 鉀和銫。例如，甲酸銫的水溶液可以產(chǎn)生大約2.4g/cc的無固體(無加 重劑)密度。甲酸銫溶液的密度幾乎等于典型的巖石或巖屑密度。結(jié) 果是，在此種摻合劑的情況下，巖屑往往不在鉆井液中沉淀。當(dāng)甲酸 銫溶液與可壓縮物體摻合時，可變密度鉆井泥漿可以在高壓下提供高 密度，此時可壓縮物體處于壓縮狀態(tài)(即在井筒深處)。然而，在可壓縮 物體處于膨脹狀態(tài)的較淺深度，可變密度鉆井液的密度被降低。利用 這種流體，膨脹可壓縮物體增加的體積百分比(％)自然增加體積粘度并 有助于巖屑的輸送。通過加入增粘劑諸如天然出現(xiàn)的膨潤土或合成聚合物，可以提 供附加的粘度，以降低巖屑和可壓縮物體由于鉆屑/可壓縮物體與鉆井 液之間的密度差而傾向于沉降的速率。這些類型的增粘劑有助于切屑 輸送，而鉆井液正在循環(huán)并且當(dāng)流動停止時促進鉆井液的膠凝作用， 因此降低切屑沉降速度和可壓縮物體沉降速度。取決于其壓縮狀態(tài)以 及井筒內(nèi)的可壓縮物體密度，可壓縮物體往往趨向于在鉆井液內(nèi)升高 或下降。在小于壓縮物體或顆粒所需的壓力的外部壓力下，可壓縮物 體通常具有比鉆井液低的密度。此處，可壓縮物體傾向于在液內(nèi)上升， 直到粘度足以阻止移動。當(dāng)外部壓力足夠高而提供充分的物體壓縮時，
50可壓縮物體密度可以達到或超過鉆井液的密度。在這種環(huán)境中，可壓 縮物體相對于液可以不移動，或者甚至可以傾向于在液內(nèi)下降，直到 粘度足以阻止移動。盡管本發(fā)明的技術(shù)可以容易地進行修改和可選形式，然而上面 討論的示例性實施方式已經(jīng)通過實例的方式顯示。然而，再次應(yīng)當(dāng)理 解，本發(fā)明部意圖限于在此所公開的具體實施方式
。的確，本發(fā)明的 技術(shù)意欲覆蓋落在如由所附權(quán)利要求書定義的本發(fā)明精神和范圍之內(nèi) 的所有修改、等價物和可選物。
權(quán)利要求
1. 可壓縮物體，其包括封閉內(nèi)部區(qū)域的殼，其中所述可壓縮物體具有(i)在大氣壓下為大約200磅/平方英寸以上并且(ii)針對預(yù)定外壓而選擇的內(nèi)壓，其中超出內(nèi)壓的外壓降低可壓縮物體的體積，其中所述殼被設(shè)計為在所述可壓縮物體的膨脹和壓縮過程中補償該可壓縮物體的局部應(yīng)變。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中當(dāng)所述外壓超過所述內(nèi)壓 時，氣體在所述殼內(nèi)的壓縮控制所述可壓縮物體的壓縮。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中所述可壓縮物體具有在大 氣壓下大約500磅/平方英寸以上的內(nèi)壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中當(dāng)外壓大約等于內(nèi)壓時所 述殼經(jīng)受的應(yīng)變小于當(dāng)所述外壓大于或小于所述內(nèi)壓時的應(yīng)變。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中所述殼具有一個或多個結(jié) 構(gòu)部件以降低局部應(yīng)變。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的可壓縮物體，其中所述一個或多個結(jié)構(gòu)部件 包括凸緣。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中所述殼的壁厚在所述可壓 縮物體的表面上是可變的，以降低局部應(yīng)變。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中所述殼的壁厚在所述可壓 縮物體的赤道處較厚，以降低局部應(yīng)變。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中所述可壓縮物體具有在大 氣壓下大約2000磅/平方英寸以上的內(nèi)壓。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中當(dāng)所述外壓大約等于所述 內(nèi)壓時，所述可壓縮物體是縱橫比在2與5之間的橢圓體物體。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中當(dāng)所述外壓大約等于所述 內(nèi)壓時，所述可壓縮物體是縱橫比在3與4之間的橢圓體物體。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中所述殼具有在從20至200 范圍內(nèi)的當(dāng)量直徑與壁厚比。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中所述殼具有在從50至100 范圍內(nèi)的當(dāng)量直徑與壁厚比。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中所述殼包括在聚合物基體 中的頁狀剝落型無機礦物質(zhì)作為再加強物或者作為對氣體滲透的屏 障。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的可壓縮物體，其中所述殼包括在所述聚合 物基體中的納米纖維加強物，以獲得特定的壁材料性能。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中所述殼包括氣體滲透屏障 層和結(jié)構(gòu)層。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的可壓縮物體，其中所述氣體滲透屏障層包 括金屬或金屬合金層并且所述結(jié)構(gòu)層包括聚合物層。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的可壓縮物體，其中所述氣體滲透屏障層是 在所述結(jié)構(gòu)層的外部形成。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的可壓縮物體，其中所述氣體滲透屏障層是 在所述結(jié)構(gòu)層的內(nèi)部形成。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中當(dāng)所述外壓小于所述內(nèi)壓 時，所述可壓縮物體的當(dāng)量直徑在0.1毫米至50毫米的范圍內(nèi)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮物體，其中當(dāng)所述外壓小于所述內(nèi)壓 時，所述可壓縮物體的當(dāng)量直徑在0.1毫米至5.0毫米的范圍內(nèi)。
22. 鉆井泥漿，其包括-可壓縮物體，其中至少一部分可壓縮物體中的每一種均具有(i) 在大氣壓下為大約200磅/平方英寸以上并且(ii)針對預(yù)定壓力而選擇的內(nèi)壓，其中超過所述內(nèi)壓的外壓減小所述可壓縮物體的體積，并且 其中所述殼被設(shè)計為補償所述可壓縮物體膨脹和壓縮過程中所述可壓 縮物體的局部應(yīng)變；和鉆井液，其中當(dāng)所述鉆井液和所述可壓縮物體朝向井筒表面循環(huán) 時，由于所述可壓縮物體響應(yīng)壓力變化而發(fā)生體積變化，所以所述鉆 井泥漿的密度改變。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中當(dāng)所述外壓超過所述內(nèi)壓時，氣體在所述可壓縮物體內(nèi)的壓縮控制所述可壓縮物體的壓縮。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥衆(zhòng)，其中至少一部分所述可壓縮物 體中的每一個均具有在大氣壓下大約500磅/平方英寸以上的內(nèi)壓。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中所述可壓縮物體包括具有 第一內(nèi)壓的所述可壓縮物體的第一部分，以及具有第二內(nèi)壓的所述可 壓縮物體的第二部分，其中所述第二內(nèi)壓不同于所述第一內(nèi)壓。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的鉆井泥漿，進一步包括具有第三內(nèi)壓的所 述可壓縮物體的第三部分，其中所述第三內(nèi)壓不同于所述第一內(nèi)壓和 所述第二內(nèi)壓。
27. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中所述可壓縮物體的當(dāng)量直 徑在0.1毫米至50毫米之間的范圍內(nèi)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中所述所述可壓縮物體的當(dāng) 量直徑在0.1毫米至5.0毫米之間的范圍內(nèi)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中所述可壓縮物體包括大氣 壓下具有第一體積的所述可壓縮物體的第一部分，以及大氣壓下具有第二體積的所述可壓縮物體的第二部分，其中所述第二體積不同于所 述第一體積。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的鉆井泥漿，進一步包括大氣壓下具有第三 體積的所述可壓縮物體的第三部分，其中所述第三體積不同于所述第 二體積和所述第一體積。
31. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的鉆井泥漿，其中所述可壓縮物體包括具有第一形狀的所述可壓縮物體的第一部分和具有第二形狀的所述可壓縮 物體的第二部分，其中所述第二形狀不同于所述第一形狀。
32. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥槳，其中所述可壓縮物體中的每一 個均具有殼，其中所述殼被設(shè)置為當(dāng)外壓大約等于內(nèi)壓時經(jīng)受的應(yīng)變 小于當(dāng)所述外壓大于內(nèi)壓或小于所述內(nèi)壓時的應(yīng)變。
33. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中所述可壓縮物體中的每一 個均被設(shè)置為補償所述可壓縮物體膨脹和壓縮過程中所述可壓縮物體 的局部應(yīng)變和不穩(wěn)定性。
34. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中所述可壓縮物體中的每一 個均具有一個或多個結(jié)構(gòu)部件以降低局部應(yīng)變。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的鉆井泥槳，其中所述一個或多個結(jié)構(gòu)部件 包括凸緣。
36. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中所述可壓縮物體中的每一 個均具有殼，其中所述殼的壁厚在所述殼的表面上是變化的，以降低 局部應(yīng)變。
37. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中所述可壓縮物體中的每一 個均具有殼，其中所述殼的壁厚在所述可壓縮物體的赤道處較厚，以 降低局部應(yīng)變。
38. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中所述可壓縮物體中的每一 個均具有在大氣壓下大約2000磅/平方英寸以上的內(nèi)壓。
39. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中當(dāng)所述外壓大約等于所述 內(nèi)壓時，所述可壓縮物體是縱橫比在2與5之間的橢圓體物體。
40. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥槳，其中當(dāng)所述外壓大約等于所述 內(nèi)壓時，所述可壓縮物體是縱橫比在3與4之間的橢圓體物體。
41. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中所述可壓縮物體中的每一 個均具有殼，其中所述殼具有在從20至200范圍內(nèi)的當(dāng)量直徑與壁厚 比。
42. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中所述可壓縮物體中的每一 個均具有殼，其中所述殼具有在從50至100范圍內(nèi)的當(dāng)量直徑與壁厚 比。
43. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中所述可壓縮物體中的每一 個均具有殼，其中所述殼包括在聚合物基體中的頁狀剝落型無機礦物 質(zhì)作為再加強物或者作為對氣體滲透的屏障。
44. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的鉆井泥漿，其中所述殼包括在所述聚合物 基體中的納米纖維再加強物，以獲得特定的壁材料性能。
45. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，其中所述可壓縮物體中的每一 個均具有殼，其中所述殼包括氣體滲透屏障層和結(jié)構(gòu)層。
46. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的鉆井泥漿，其中所述氣體滲透屏障層包括 金屬或金屬合金層并且所述結(jié)構(gòu)層包括聚合物層。
47. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的鉆井泥槳，其中所述氣體滲透屏障層是在 所述結(jié)構(gòu)層的外部形成。
48. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的鉆井泥漿，其中所述氣體滲透屏障層是在 所述結(jié)構(gòu)層的內(nèi)部形成。
49. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，進一步包括加重劑，以控制所 述鉆井液以及多數(shù)所述可壓縮物體的密度。
50. 根據(jù)權(quán)利要求49所述的鉆井泥漿，其中所述加重劑包括重晶石、 赤鐵礦、方鉛礦和它們的任意組合之一。
51. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井泥漿，進一步包括甲酸鹽，以控制泥 漿系統(tǒng)中所述鉆井泥漿的密度并減少不溶性加重劑的添加，所述加重 劑傾向于增加所述鉆井液和所述可壓縮物體的粘度。
52. 與鉆井有關(guān)的方法，其包括選擇可壓縮物體，其中至少一部分可壓縮物體中的每一種均具有 (i)在大氣壓下為大約200磅/平方英寸以上并且(ii)針對預(yù)定壓力 而選擇的內(nèi)壓，其中超過所述內(nèi)壓的外壓減小所述可壓縮物體的體積； 選擇鉆井液；向所述鉆井液引入所述可壓縮物體以形成可變密度鉆井泥漿，其 中當(dāng)所述可變密度鉆井泥漿朝向井的表面循環(huán)時，所述可變密度鉆井 泥漿提供位于至少一個井層段的孔隙壓力梯度與破裂壓力梯度之間的 密度；和在井的位置處用所述可變密度鉆井泥漿來鉆井筒。
53. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中所述可壓縮物體具有在大氣壓 下大約500磅/平方英寸以上的內(nèi)壓。
54. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中所述可壓縮物體中的每一個均 具有殼，所述殼被設(shè)置為當(dāng)所述外壓大約等于內(nèi)壓時經(jīng)受的應(yīng)變小于 當(dāng)所述外壓大于所述內(nèi)壓或小于所述內(nèi)壓時的應(yīng)變。
55. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中所述可壓縮物體中的每一個均 具有多個狀態(tài)，所述多個狀態(tài)包括在大氣壓下具有第一體積的第一狀 態(tài)，在井筒內(nèi)具有第二體積的第二狀態(tài)，以及在井筒內(nèi)具有第三體積 的第三狀態(tài)，其中所述第三體積小于所述第一體積并大于所述第二體 積，并且所述內(nèi)壓在所述第三狀態(tài)下在所述可壓縮物體的壁上表現(xiàn)出 的應(yīng)變小于在所述第一狀態(tài)和所述第二狀態(tài)下表現(xiàn)出的應(yīng)變。
56. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，進一步包括將加重劑摻合到所述鉆 井液中，以控制所述鉆井液和所述可壓縮物體的密度。
57. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中所述可壓縮物體具有在大氣壓 下大約1500磅/平方英寸以上的內(nèi)壓。
58. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中所述可壓縮物體中的每一個均 具有一個或多個結(jié)構(gòu)部件以降低局部應(yīng)變。
59. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中所述一個或多個結(jié)構(gòu)部件包括凸緣。
60. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中當(dāng)所述外壓大約等于所述內(nèi)壓時，所述可壓縮物體是縱橫比在2與5之間的橢圓體物體。
61. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中當(dāng)所述外壓大約等于所述內(nèi)壓時，所述可壓縮物體是縱橫比在3與4之間的橢圓體物體。
62. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中所述可壓縮物體中的每一個均具有殼，所述殼具有在從20至200范圍內(nèi)的當(dāng)量直徑與壁厚比。
63. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中所述可壓縮物體中的每一個均具有殼，所述殼具有在從50至100范圍內(nèi)的當(dāng)量直徑與壁厚比。
64. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中所述可壓縮物體中的每一個均具有殼，所述殼包括氣體滲透屏障層和結(jié)構(gòu)層。
65. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法，其中所述氣體滲透屏障層包括金屬或金屬合金層并且所述結(jié)構(gòu)層包括聚合物層。
66. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，進一步包括結(jié)合加重劑與所述鉆井液，其中所述加重劑包括重晶石、赤鐵礦、方鉛礦和它們的任意組合之一。
67. 根據(jù)權(quán)利要求66所述的方法，進一步包括結(jié)合甲酸鹽與所述鉆井液，以控制泥漿系統(tǒng)中所述鉆井液和可壓縮物體的密度并最小化不溶性加重劑的添加，所述加重劑傾向于增加所述鉆井液和所述可壓縮物體的粘度。
68. 與烴生產(chǎn)有關(guān)的方法，其包括選擇可壓縮物體，其中至少一部分可壓縮物體中的每一種均具有(i)在大氣壓下為大約200磅/平方英寸以上并且(ii)針對預(yù)定井壓而選擇的內(nèi)壓，其中超過內(nèi)壓的外壓減小所述可壓縮物體的體積；選擇鉆井液；向所述鉆井液引入所述可壓縮物體以形成可變密度鉆井泥漿，其 中當(dāng)所述可變密度鉆井泥漿朝向井的表面循環(huán)時，所述可變密度鉆井 泥漿提供位于孔隙壓力梯度與破裂壓力梯度之間的密度；用所述可變密度鉆井泥漿來鉆井筒；和從所述井筒生產(chǎn)烴。
69. 用于形成可變密度鉆井泥漿的方法，其包括選擇可壓縮物體，其中至少一部分可壓縮物體中的每一種均具有(i)在大氣壓下為大約200磅/平方英寸以上并且(ii)針對預(yù)定井壓 而選擇的內(nèi)壓，其中超過所述內(nèi)壓的外壓減小所述可壓縮物體的體積； 選擇與所述可壓縮物體結(jié)合的鉆井液；摻合所述可壓縮物體與所述鉆井液以形成可變密度鉆井泥槳，其 中當(dāng)所述可變密度鉆井泥漿朝向井的表面循環(huán)時，所述可變密度鉆井 泥漿保持位于至少一個井層段的孔隙壓力梯度與破裂壓力梯度之間的 密度。
70. 根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中所述可壓縮物體具有在大氣壓 下大約500磅/平方英寸以上的內(nèi)壓。
71. 根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中所述可壓縮物體具有在大氣壓 下大約1500磅/平方英寸以上的內(nèi)壓。
72. 根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中所述可壓縮物體中的每一個均 具有殼，其中所述殼被設(shè)置為當(dāng)所述外壓大約等于內(nèi)壓時經(jīng)受的應(yīng)變 小于當(dāng)所述外壓大于所述內(nèi)壓或小于所述內(nèi)壓時的應(yīng)變。
73. 根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中所述可壓縮物體中的每一個均 具有多個狀態(tài)，所述多個狀態(tài)包括在大氣壓下具有第一體積的第一狀 態(tài)，在井筒內(nèi)具有第二體積的第二狀態(tài)，以及在井筒內(nèi)具有第三體積 的第三狀態(tài)，其中所述第三體積小于所述第一體積并大于所述第二體 積，并且所述內(nèi)壓在所述第三狀態(tài)下在所述可壓縮物體的壁上表現(xiàn)出 的應(yīng)變小于在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)下表現(xiàn)出的應(yīng)變。
74. 根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，進一步包括將加重劑摻合到所述鉆井液中，以控制所述鉆井液和所述可壓縮物體的密度。
75. 根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中所述可壓縮物體中的每一個均具有在大氣壓下大約1500磅/平方英寸以上的內(nèi)壓。
76. 根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中所述可壓縮物體中的每一個均具有一個或多個結(jié)構(gòu)部件以降低局部應(yīng)變。
77. 根據(jù)權(quán)利要求76所述的方法，其中所述一個或多個結(jié)構(gòu)部件包括凸緣。
78. 根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中當(dāng)所述外壓大約等于所述內(nèi)壓時，所述可壓縮物體中的每一個均是縱橫比在2與5之間的橢圓體物體。
79. 根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中當(dāng)所述外壓大約等于所述內(nèi)壓時，所述可壓縮物體中的每一個均是縱橫比在3與4之間的橢圓體物體。
80. 根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中所述可壓縮物體中的每一個均具有殼，所述殼具有在從20至200范圍內(nèi)的當(dāng)量直徑與壁厚比。
81. 根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中所述可壓縮物體中的每一個均具有殼，所述殼具有在從50至100范圍內(nèi)的當(dāng)量直徑與壁厚比。
82. 根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中所述可壓縮物體中的每一個均具有殼，所述殼包括氣體滲透屏障層和結(jié)構(gòu)層。
83. 根據(jù)權(quán)利要求82所述的方法，其中所述氣體滲透屏障層包括金屬或金屬合金層并且所述結(jié)構(gòu)層包括聚合物層。.
84. 根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，進一步包括結(jié)合加重劑與所述鉆井液，其中所述加重劑包括重晶石、赤鐵礦、方鉛礦和它們的任意組合之一。
85. 根據(jù)權(quán)利要求84所述的方法，進一步包括結(jié)合甲酸鹽與所述鉆井液，以控制泥漿系統(tǒng)中所述鉆井液和可壓縮物體的密度并最小化不溶性加重劑的添加，所述加重劑傾向于增加所述鉆井液和所述可壓縮物體的粘度。
86. 與鉆井筒有關(guān)的系統(tǒng)，其包括井筒；布置在所述井筒內(nèi)的可變密度鉆井泥漿，其中所述可變密度鉆井泥漿具有可壓縮物體和鉆井液，其中至少一部分所述可壓縮物體中的每一種均具有(0在大氣壓下為大約200磅/平方英寸以上并且(ii)針對預(yù)定井壓而選擇的內(nèi)壓，其中超過所述內(nèi)壓的外壓減小所述可壓縮物體的體積，并且其中所述殼被設(shè)計為補償所述可壓縮物體膨脹和壓縮過程中補償所述可壓縮物體的局部應(yīng)變；布置在所述井筒內(nèi)的鉆柱；和底部鉆具組合，其與所述鉆柱連接并被布置在所述井筒內(nèi)。
87. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述多個可壓縮物體中的每一個均具有在大氣壓下大約500磅/平方英寸以上的內(nèi)壓。
88. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述可壓縮物體包括具有第一內(nèi)壓的所述可壓縮物體的第一部分，以及具有第二內(nèi)壓的所述可壓縮物體的第二部分，其中所述第二內(nèi)壓不同于所述第一內(nèi)壓。
89. 根據(jù)權(quán)利要求88所述的系統(tǒng)，進一步包括具有第三內(nèi)壓的所述可壓縮物體的第三部分，其中所述第三內(nèi)壓不同于所述第一內(nèi)壓和所述第二內(nèi)壓。
90. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述可壓縮物體包括在所述井筒的表面具有第一體積的所述可壓縮物體的第一部分，以及在所述井筒的表面具有第二體積的所述可壓縮物體的第二部分，其中所述第二體積不同于所述第一體積。
91. 根據(jù)權(quán)利要求90所述的系統(tǒng)，進一步包括在所述井筒的表面具有第三體積的所述可壓縮物體的第三部分，其中所述第三體積不同于所述第二體積和所述第一體積。
92. 根據(jù)權(quán)利要求90所述的系統(tǒng)，其中所述可壓縮物體包括具有第一形狀的所述可壓縮物體的第一部分和具有第二形狀的所述可壓縮物體的第二部分，其中所述第二形狀不同于所述第一形狀。
93. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述可壓縮物體中的每一個均具有殼，其中所述殼被設(shè)置為當(dāng)外壓大約等于內(nèi)壓時經(jīng)受的應(yīng)變小于當(dāng)所述外壓大于內(nèi)壓或小于所述內(nèi)壓時的應(yīng)變。
94. 根據(jù)權(quán)利要求93所述的系統(tǒng)，其中所述可壓縮物體中的每一個均被設(shè)置為補償所述可壓縮物體膨脹和壓縮過程中所述可壓縮物體的局部應(yīng)變和不穩(wěn)定性。
95. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述可壓縮物體中的每一個均具有一個或多個結(jié)構(gòu)部件以降低局部應(yīng)變。
96. 根據(jù)權(quán)利要求95所述的系統(tǒng)，其中所述一個或多個結(jié)構(gòu)部件包括凸緣。
97. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述可壓縮物體中的每一個均具有殼，其中所述殼的壁厚在所述殼的表面上是變化的，以降低局部應(yīng)變。
98. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述可壓縮物體中的每一個均具有殼，其中所述殼的壁厚在所述可壓縮物體的赤道處較厚，以降低局部應(yīng)變。
99. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述可壓縮物體中的每一個均具有大約1500磅/平方英寸以上的內(nèi)壓。
100. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述外壓大約等于所述內(nèi)壓時，所述可壓縮物體中的每一個均是縱橫比在2與5之間的橢圓體物體。
101. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述外壓大約等于所述內(nèi)壓 時，所述可壓縮物體中的每一個均是縱橫比在3與4之間的橢圓體物 體。
102. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述可壓縮物體中的每一個均 具有殼，其中所述殼具有在從20至200范圍內(nèi)的當(dāng)量直徑與壁厚比。
103. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述可壓縮物體中的每一個均 具有殼，其中所述殼具有在從50至100范圍內(nèi)的當(dāng)量直徑與壁厚比。
104. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述可壓縮物體中的每一個均 具有殼，其中所述殼包括在聚合物基體中的頁狀剝落型無機礦物質(zhì)作 為加強物或者作為對氣體滲透的屏障。
105. 根據(jù)權(quán)利要求104所述的系統(tǒng)，其中所述殼包括在所述聚合物基 體中的納米纖維加強物，以獲得特定的壁材料性能。
106. 根據(jù)權(quán)利要求86所述的系統(tǒng)，其中所述可壓縮物體中的每一個均 具有殼，其中所述殼包括氣體滲透屏障層和結(jié)構(gòu)層。
107. 根據(jù)權(quán)利要求106所述的系統(tǒng)，其中所述氣體滲透屏障層包括金 屬或金屬合金層并且所述結(jié)構(gòu)層包括聚合物層。
108. 根據(jù)權(quán)利要求106所述的系統(tǒng)，其中所述氣體滲透屏障層是在所 述結(jié)構(gòu)層的外部形成。
109. 根據(jù)權(quán)利要求106所述的系統(tǒng)，其中所述氣體滲透屏障層是在所 述結(jié)構(gòu)層的內(nèi)部形成。
全文摘要
描述了可壓縮物體，其可以被用在鉆井泥漿中，并且與鉆井系統(tǒng)一起管理鉆井泥漿的密度。該可壓縮物體包括封閉內(nèi)部區(qū)域的殼。而且，該可壓縮物體具有(i)在大氣壓下為大約200磅/平方英寸以上并且(ii)針對預(yù)定外壓而選擇的內(nèi)壓，其中超出內(nèi)壓的外壓會降低可壓縮物體的體積，其中所述殼被設(shè)計為在可壓縮物體的膨脹和壓縮過程中降低該可壓縮物體的局部應(yīng)變。
文檔編號E21B23/02GK101460696SQ200780020972
公開日2009年6月17日 申請日期2007年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月7日
發(fā)明者B·卡斯滕森, D·G·派弗, M·J·盧頓, N·M·波庫特洛維茨, P·M·斯皮克, R·S·佩雷斯, R·古普塔 申請人:埃克森美孚上游研究公司