与钻井液结合以形成可变密度钻井泥浆的具有预定内压的可压缩物体的制作方法

专利名称：与钻井液结合以形成可变密度钻井泥浆的具有预定内压的可压缩物体的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及提高从地下地层的钻井作业和生产作业的方 法。更具体而言，本发明涉及用于选择、制造和利用可压缩物体与钻 井液来形成可变密度钻井泥浆的方法，该可变密度钻井泥浆最小化或 消除在井筒中所用的不同尺寸的套管柱的数目。
背景技术：
本部分意图向读者介绍本领域的各个方面，它们可能与下面所 描述和/或要求保护的本发明的示例性实施方式相关。该讨论被认为是 有助于向读者提供便于更好理解本发明具体技术的信息。因此，应当 理解，这些论述应当以此角度来阅读，而不必认为是对现有技术的承 认。烃例如油和气的生产己经进行多年。为生产这些烃，通常将井 筒钻进具有不同套管柱的层段中，这些套管柱被安装以到达地下地层。 套管柱被安装在井筒中，以防止井筒壁的坍塌，防止钻井液不期望地 流出进入地层中，和/或防止流体从地层流入井筒中。通常，安装套管 柱的过程包括装套管、下套管以及胶结套管柱。因为在不同层段中的 套管柱穿过己经安装的套管柱，因此较低层段的套管柱通常具有较小 的直径。照此方式，套管柱以嵌套结构形成，这些套管柱在每一个随 后的层段中在直径上连续减小。除套管柱之外，钻井泥浆在井筒内循环，以便从井中去除钻屑。 钻井泥浆的重量或密度通常保持在钻井作业的孔隙压力梯度(porepressure gradient, PPG)与破裂压力梯度(fracture pressure gradient, FG)之间。然而，PPG和FG伴随井的真垂直井深(true vertical depth, TVD)—起增加，这对于维持钻井泥浆重量提出了难题。如果钻井泥浆的重量在PPG之下，则井可能发生井涌(take a kick)。井涌是地层流体流入井筒内，其必须被控制以使钻井作业再继续。此外，如果钻井泥浆的重量高于FG，则钻井泥浆可能泄漏到地层中。这些损失的回流导致大量钻井泥浆损失，这必须被取代，以使钻井作业继续进行。因此，套管柱被用于帮助将钻井泥浆的重量保持在PPG和FG内，以便使钻井作业继续至更大的深度。在位于更大深度处的地下地层内，与形成井筒有关的成本和时间增加。例如，伴随着嵌套结构，初始的套管柱必须足够大以便为地下地层附近的工具和其它设备提供特定尺寸的井筒直径。结果是，初始套管柱的直径相对较大，以提供最终可用的井筒直径。这种大直径增加了钻井作业的成本，原因在于与增加的套管柱尺寸、必须进行管理的钻屑的增加的体积以及用于形成井筒的水泥和钻井泥浆增加的体积相关的成本。照此而言，通常钻井作业的成本导致一些地下地层在经济上是不可行的。为降低套管柱的直径，利用了各种工艺。例如，钻井作业可以利用可变密度钻井泥浆以维持钻井泥浆在PPG和FG内。如在Poiizzotti等的国际专利申请公布WO 2006/007347中所述，可压縮物体可包括各种形状或结构的可压縮或可胀縮的空心物体。这些可压縮物体被选择来响应压力和/或温度变化获得有利的压縮。这些可压縮物体可以作为部分可变密度钻井泥浆进行再循环，以提供降低井筒中的中间套管柱层段数目的体积变化。然而，在可变密度钻井泥浆中使用可压縮物体可能具有挑战性。例如，可压縮物体必须被制造成提供一定的压縮量并且是有弹性的。此外，可压縮物体必须被设计为在一定压力下压縮，以便在井筒内的特定层段中提供体积变化。另外，与可压縮物体结合的钻井液可以被选择，并且可以包括一些与该可压縮物体相互作用的添加剂，以增强可变密度钻井泥浆。照此而言，对选择和制造与钻井液一起使用以形成可变密度钻井泥浆的可压縮物体的方法存在需求。
其它有关的材料可以至少发现于美国专利3,174,561;美国专利3,231,030;美国专利4,099,583;美国专利5，881，826;美国专利5,910,467;美国专利6,156,708;美国专利6,422,326;美国专利6,497,289;美国专利6,530,437;美国专利6,588,501 ;美国专利7,108,066;美国专利申请公布2005/0113262;美国专利申请公布2005/0284661;和国际专利申请公布WO 2006/007347中。

发明内容
在一个实施方式中，描述了可压縮物体。该可压缩物体包括封闭内部区域的壳，其中所述可压縮物体具有(i)在大气压下为大约200磅/平方英寸(psi)以上并且(ii)针对预定外压而选择的内压，其中超过内压的外压减小可压缩物体的体积，并且其中所述壳被设计为在可压缩物体的膨胀和压縮过程中补偿该可压縮物体的局部应变。内压也可以是大气压下500磅/平方英寸以上、大气压下1500磅/平方英寸以上，或约大气压下2000磅/平方英寸以上。此外，内压的范围可以是大气压下200 psi至壳材料的拉伸强度、大气压下2000 psi至壳材料的拉伸强度，和/或大气压下1500 psi至3500 psi。在第一可选实施方式中，描述了钻井泥浆。该钻井泥浆包括可压縮物体，其中至少一部分可压缩物体的每一种具有(i)在大气压下为200磅/平方英寸(psi)以上并且(ii)针对预定压力而选择的内压，其中超过内压的外压减小可压縮物体的体积，其中所述壳被设计为在可压縮物体的膨胀和压縮过程中补偿该可压縮物体的局部应变。此外，钻井泥浆包括钻井液，其中当钻井液和可压縮物体朝向井筒表面循环时，由于可压縮物体响应压力变化而发生体积变化，因此钻井泥浆的密度变化。在第二可选实施方式中，描述了与钻井相关的方法。该方法包括选择可压縮物体，其中至少一部分可压縮物体的每一种具有(i)在大气压下为200磅/平方英寸(psi)以上并且(ii)针对预定外压而选择的内压，其中超过内压的外压减小可压缩物体的体积；选择钻井液；向钻井液引入可压縮物体以形成可变密度钻井泥浆，其中当所述可变密度钻井泥浆朝向井的表面循环时，该可变密度钻井泥桨提供位于至
16少一个井层段的孔隙压力梯度与破裂压力梯度之间的密度；和在井的位置处钻含有可变密度钻井泥浆的井筒。此外， 一旦井筒被形成，烃可以从井筒中被生产。在第三可选实施方式中，描述了用于形成可变密度钻井泥浆的
方法。该方法包括选择可压縮物体，其中至少一部分可压縮物体的
每一种具有(i)在大气压下为200磅/平方英寸(psi)以上并且(ii)针
对预定井压而选择的内压，其中超过内压的外压减小可压缩物体的体
积；选择与该可压縮物体结合的钻井液；掺合可压縮物体与钻井液以形成可变密度钻井泥浆，其中当所述可变密度钻井泥浆朝向井的表面循环时，该可变密度钻井泥浆保持位于至少一个井层段的孔隙压力梯度与破裂压力梯度之间的密度。在第四可选实施方式中，描述了与钻井筒相关的系统。该系统包括井筒；布置在该井筒内的可变密度钻井泥浆，其中该可变密度钻井泥浆具有可压縮物体和钻井液，其中至少一部分可压縮物体的每一种具有(i)在大气压下为200磅/平方英寸(psi)以上并且(ii)针对预定井压而选择的内压，其中超过内压的外压减小可压縮物体的体积。该系统进一步包括布置在井筒内的钻柱和连接至该钻柱并布置在井筒内的底部钻具组合。


本技术的上述和其它优势在阅读下面的详细描述以及参考附图后可以变得显而易见，在附图中图1是按照本技术的一些方面的示例性钻井系统的图解；
图2A-2D是按照本技术的方面，可压縮物体的示例性图表和实施方式；图3A-3C是按照本技术的方面，处于不同状态的可压縮物体的示例性实施方式；图4是按照本技术的方面，不同形状的可压縮物体的示例性图表；图5是按照本技术的一些方面，选择和应用用于图1钻井系统的可变密度钻井泥浆的示例性流程17
图6是根据本技术的一些方面，选择和制造用于图5中流程图的可压縮物体的示例性流程图；图7是按照本技术的一些方面，与可压縮物体形状有关的示例性图表；图8A-8B是按照本技术一些方面，在图6流程图中所用的制造工艺的示例性实施方式；图9是按照本技术的一些方面，在具有泡沫样板的可压縮物4本的情况下，在图6流程图中所用的制造工艺的示例性流程图10是按照本技术的一些方面，从图9流程图中制造的可压縮物体的示例性实施方式；图11A-11B是按照本技术的一些方面，在图6流程图中所用的制造工艺的示例性实施方式；图12A-12C是按照本技术的一些方面，具有凸缘的可压縮物体的实施方式；和图13是按照本技术的一些方面，与将凸缘加至可压縮物体有关的示例性图表。
具体实施例方式在下面详细描述和实施例中，本发明将结合其优选实施方式进行描述。然而，就下面的描述特定于具体实施方式
或本发明的具体应用来说，其意图仅仅是示例性的。因此，本发明不限于下面所述的具体实施方式
，相反，本发明包括落在所附权利要求书的真实范围中的所有可选物、修改和等价物。本技术涉及方法、组合物和系统，以用于选择、制造和利用在可变密度钻井泥浆中的可压縮物体。具体而言，可压縮物体可以与钻井液一起使用以形成用于井中钻井作业的可变密度钻井泥浆。可压縮物体和钻井液被选择来保持钻井泥浆重量处于井筒内的孔隙压力梯度(PPG)与破裂压力梯度(FG)之间。具体地，在本技术下，可压縮物体具有大气压下大约200磅/平方英寸以上、大气压下大约500磅/平方英寸以上或者更优选地大气压下大约1500磅/平方英寸以上的内压。可压縮物体可以包括各种形状的可压縮或可胀缩空心物体，诸如球形、立方
18形、锥形、椭圆形或扁长形球状体、圆柱体、枕状物和/或其它形状或 结构，它们可以被选择以获得响应压力和/或温度变化的有利的压縮。 另外，如下所述，可压縮物体可以包括聚合物、聚合物复合材料、金 属、金属合金和/或含有金属或金属合金的聚合物或聚合物复合材料叠 层，其以各种方法被制造。因此，描述了各种方法和系统，以选择和 制造可压縮物体。此外，应当注意，下面的方法和步骤不限于钻井作 业，而是也可以用于完井作业中，或者用于得益于可变密度流体的任 何作业中。现转向附图，开始参考图1，图解了按照本技术一些方面的示
例性钻井系统100。在示例性钻井系统100中，钻机102被用于钻井 104。井104可以穿入地球的地面106到达地下地层108。正如所认识 到的，地下地层108可以包括各种岩石层，它们可能包括或不包括烃 如油和气，并且可以被称为地带或层段。照此而言，井104可以提供 地下地层108与位于地面106处的生产设施(未显示)之间的流体流动路 径。生产设施可以加工烃并将烃输送至消费者。然而，应当注意，钻 井系统100用于示例性的目的而被图解，并且为了任意目的，本技术 可以用于井筒中的任何循环流体，如进行钻井作业或者从地下位置生 产流体。为进入地下地层108，钻机102可包括钻井组件，诸如底部钻 具组合(BHA) 110、钻柱112、套管柱114和115、用于处理可变密度 钻井泥浆118的钻井液处理单元116以及管理井筒钻井和生产作业的 其他系统。这些钻井组件的每一种被用于形成井104的井筒。BHA 110 可包括钻头并且可被用于挖掘地层、水泥或来自井筒的其他物质。套 管柱114和115可以为到达地下地层108提供支撑和稳定性，其可以 包括地面套管柱115和中间或生产套管柱114。生产套管柱114可以向 下延伸至地下地层108附近的深度或者向下延伸穿过地下地层108。钻 井液处理单元116可以包括可被用于管理可变密度钻井液的器材。例 如，钻井液处理单元116可以包括振动筛、分离器、水力旋流器和其 他合适的设备(例如，如在2007年2月13日提交的国际专利申请号 PCT/US2007/003691中所述)。在钻井作业期间，使用可变密度钻井泥浆118作为钻井泥浆允许操作员钻入地面106之下更深处，维持足够的静水压力，防止地层
流体(气体或液体)的流入，以及保持地下地层108可以承载的FG之下。 如在Polizzotti等的专利申请公开号WO 2006/007347中所述，其通过 参考被引入，可压缩物体可优选具有的压縮比适合在特定于钻井应用 的深度层段、之上产生位于孔隙压力梯度(PPG)与破裂压力梯度(FG)之 间的泥浆重量。也就是说，可压縮物体应当具有基本可恢复的承载壁 和针对该压縮物体内的气体的低的渗透性。基本可恢复被定义为是指， 当井被钻至目标深度时，作为可压缩物体在地面与井筒底部之间反复 循环的结果壳壁中的塑性应变的累计在反复循环过程(即两个或多个循 环)中不会引起承载壁的实质故障或者内部气压的重大损失。另外，低 渗透性被定义为可压縮物体的内压在使用过程中在将井筒钻至目标深 度所需的预定时间内保持在可接受极限内。尽管将可压缩物体加至钻井泥浆中以便基于深度控制钻井泥浆 的密度己经在Polizzotti等的专利申请公开号WO 2006/007347中予以 描述，但是为提供此种功能性而进行的可压縮物体的设计以及钻井液 的选择是困难的。具体而言，通过在由现有材料的机械性能所赋予的 约束内再循环可变密度钻井泥浆典型经历的反复压縮循环可能是可压 縮物体的限制因素。照此而言，制造可压縮物体的过程可能必须包括 影响可压縮物体的耐久性和性能的各种因素，如在下面进一步讨论。
在开始之前，应当注意，大的压縮比是必需的，以在极限内实 现钻井液密度随深度的期望变化，该极限是由可压缩物体对流体流变 学的影响所允许的可压縮物体的最大体积分数设定的，如在专利申请 号WO 2006/007347中所述。因此，可压縮物体应当具有一些性能，该 性能适于提供大的压縮比以及在一些压力范围或水平内开始压縮。空 心物体的压縮比——其为可压縮物体的一个实施方式——可受到初始 未压縮体积(即未压缩或膨胀状态)除以由包括壳壁加上用于实现感兴 趣井筒层段中AP的壳内压縮气体的体积的物质所占据的体积之比的
限制。大的压缩比通过薄且柔韧的可压縮物体的壁来提供。因此，可 压縮物体可以优选被设计为使得可压縮物体的压縮和再膨胀可以在没
有显著的永久的壁变形(即，导致可压缩物体的壁早期疲劳破坏的永久 变形)的情况下完成。
20
另外，可压縮物体的预定外压或压縮深度以及预定压縮层段可 适合在井筒内的特定深度处或者附近提供钻井泥浆密度上的变化。通 常，在地面开始的物体压缩具有极限值。在这些应用中，可压縮物体 从地面压縮预定的压縮层段或范围，其向下延伸至特定的深度。结果 是，这些可压縮物体可以被用于一些特定的陆地钻井应用，但是不可 用于深水环境或较深的钻井层段。为了针对特定深度或外压在特定的 预定压力层段之上提供密度变化，预定压力层段——在其之上发生压 缩——的起始深度和深度层段可优选通过可压缩物体来调节。例如， 可压縮物体的起始内压可以基于期望可压縮性转变的深度进行选择。 在压力位于可压縮物体的起始内压之下的泥浆柱中的深度(即井筒内的 钻井液)处，壁材料的杨氏模量以及跨过壁材料的压力差控制可压缩物 体的体积变化。在泥浆柱中的压力高于起始内压的深度处，可压缩物 体的体积变化通过气体的压縮而逐渐占据支配地位。也就是说，预定 的压縮层段是从大约等于可压缩物体的内压的外压至基本压縮可压縮 物体(即，将可压縮物体压縮成压缩态，其在下面进一步讨论)的外压的 压力范围。因此，可压縮物体可以被制造成在特定压力或深度下或其 附近和/或针对特定的预定压力层段开始压縮，以在井筒的特定部分或 层段中提供密度变化。为了在特定深度压缩，可压縮物体的壁可被设计为保持预定的
内压。针对给定钻井泥浆密度的可压缩物体的起始内压由深度决定， 在该深度转变为气体压縮由可压縮物体的体积变化控制。通常，可以
使用在大气压下为大约200 psi (磅/平方英寸)以上、大气压下500 psi 以上、大气压下1500 psi以上或更优选大气压下2000 psi以上的内压。 对于给定的起始内压，可获得物体的压缩比取决于可压縮物体的壁厚 与有效直径之比。尽管壁厚优选尽可能薄，但是壁厚的下限由能够在 大约1个大气压的外压——其通常在地面106处遇到的——可含有期 望内部气体压力的最小厚度定义。因此，通常可以使用拉伸强度在 10,000psi以上的材料，如下面所讨论，以维持可压縮物体的内压。因 此，内压可以在大气压下为200psi至壳材料拉伸强度的范围内、在大 气压下为2000psi至壳材料拉伸强度的范围内和/或在大气压下为1500 psi至3500 psi的范围内。
此外，对于可压缩物体的给定内压和直径，可以使用的最小壁 厚因此通过壁材料的拉伸强度的弹性极限来定义。在这些强度极限内， 期望最小化壁厚，原因在于壁材料的体积与可压縮物体的总体积之比 设定了可获得的可压縮比的大小的上限，如上文所述。因此，尽管可 压縮物体可以包括多种形状，例如，诸如立方形、锥形、椭圆形或扁 长椭圆体、圆柱形、枕形，但是基于与可压缩泥浆流变学的最优化相 关的原因，具有球形或近似球形膨胀几何结构的球形和椭圆物体是有 用的。因此，可压缩物体可以包括椭圆形和/或球形物体，诸如纵横比(即
大直径与小直径之比)在大约1至5之间的加压空心金属球形和椭圆形 物体，以提供可高达5:1或更大的压縮比。可压縮物体的设计可以由于结构不稳定性而被进一步复杂化。 例如，对于给定内压和直径，球形物体可受到该球形物体构造的结构 不稳定特性的限制。结构不稳定性可以包括局部应变，诸如在膨胀阶 段的赤道弯曲不稳定性(equatorial buckling instability)以及在压縮阶 段的覆盖层弯曲不稳定性(cap buckling instability)。照此，可压縮物 体的设计也可以被调整为补偿或减小在可压縮物体的膨胀和压縮过程 中的局部应力和不稳定性。因此，球形物体的有限元分析(FEA)模拟一 —其可以是可压縮物体的一个实施方式——在下面进一步被讨论，如 在图2A-2D中所示。图2A是可压縮物体的示例性图表和实施方式。在图表200中， 可压縮物体是近似球形物体，其具有大约1.0的纵横比和IO微米的壁 厚。物体的纵横比被定义为长轴与短轴之比，其在下面进一步讨论。
在图2A中，显示了弹性球形物体的最大应变202对压縮比204 的图表200。最大应变202是在该状态下在可压縮物体上的任意点处的 最大应变。图表200——产生自FEA模拟工具，诸如ABAQUS FEA ——包括球形物体在不同状态中的响应曲线206。如通过响应曲线206 所示，超过大约12%的线性弹性变形是必需的，以提供至少5:1的压縮 比。沿着响应曲线206，最大弹性变形在压縮过程中不会在物体表面上 均匀出现，但是由于在压縮过程中的弯曲不稳定性其被局部化。
在物体上的局部化应变的具体示例示于图2B中。在图2B中， 显示了诸如球形或椭圆形物体的物体210的局部视图，其受到在该物
22体外部的压縮压力。在物体210正在压縮时其弹性变形受到与覆盖层 弯曲不稳定性相关的应变局部化的控制，应变局部化由中间凹下区域
214表示。覆盖层弯曲不稳定性是中间凹下区域214的坍塌，原因在于 该结构不能抵抗承载在该区域上的外部压力。具体而言，区域216是 最大的局部化应变的位置或区域，其绘制在图2A的响应曲线206中。 该不稳定性的严重程度已经显示随壁厚增加而增加。
基于上述讨论，可压縮物体应当具有足以处理内压的拉伸强度 以及足够大以便处理必需变形的可恢复线性伸长或弹性应变。如果球 形或近似球形的可压縮物体的壳假定是金属的，则金属或金属合金在 其弹性极限内应当具有足够的拉伸强度，以含有内压以及至少12%的 可恢复线性伸长。尽管拉伸强度可以被容易地实现，然而很少有金属 或金属合金具有超过1%的弹性应变极限。如果期望大于1%的可恢复 线性伸长，通常的材料可能是不足够的。对该限制的例外是弹性应变 极限接近大约2%的一些无定形金属合金以及形状记忆合金(例如，NiTi 合金的Nitol家族)，其表现出可高达8%的假弹性应变和小于大约0.1% 的永久变形。因此，如果球形结构被用作初始形状时，那么通常的金 属或金属合金不能提供至少12%的可恢复线性伸长。
为提供必需的可恢复线性伸长，可压縮物体可以被设计为将可 压縮物体的变形划分为不同的状态。例如，可压縮物体可以具有三个 不同的状态，诸如初始状态、膨胀状态和压縮状态。在一个实施方式 中，初始状态例如可以是纵横比小于1.0的椭圆形球状体。图2C显示 了具有长轴222和短轴224的椭圆形球状物体220。如上所述，物体 220的纵横比在初始状态被定义为长轴222与短轴224的比值。在这些 状态下，可压縮物体的必需变形被分成两阶段。总的必需变形可以在 膨胀状态与压縮状态之间划分。膨胀阶段或第一阶段包括可压縮物体 从初始状态膨胀为膨胀状态，其可受限于壁材料的拉伸强度和/或可压 缩物体结构初始状态的完全膨胀的可压縮物体特征的结构不稳定性和
初始内部压力。具体而言，在图2D中，初始纵横比为4:1、壁厚为10微米以 >及膨胀内压为10.9 MPa (百万帕斯卡)的椭圆形球形物体230经受膨胀 椭圆形球形物体230的内部压力。当物体230膨胀时其弹性变形的最大值受与赤道壁弯曲相关的应变局部化控制，该应变局部化由中间凹
下区域232和234表示。赤道壁弯曲不稳定性是由于与椭圆形球形物 体230膨胀有关的赤道带收縮而引起的区域232和234的塌陷。 一般 而言，己经显示，当可压缩物体的初始纵横比增加、内部压力增加以 及壁厚减小时，可压縮物体对赤道弯曲的易感性增加。在该示例中， 膨胀状态可以是外压为一个大气压的平衡状态，其中可压縮物体具有 球形或近似球形的形状(即大约1.0的纵横比)。第二阶段可包括物体从膨胀状态返回至初始状态的压缩，在此 过程中，由于初始膨胀引起的变形几乎完全恢复并且随后进一步压縮 至完全压缩的状态，其再次受限于完全压縮物体的壁材料的弹性应变。 压縮状态例如可以是基于一定的井下深度处施加在可压縮物体上的静 水压縮的平衡压縮形状。因此，可以利用这些状态来设计可压縮物体， 以提供有益于在井筒内使用的合适的压缩比。图3A-3C是根据本技术的方面，处于不同状态的可压缩物体的 示例性实施方式。在图3A-3C的实施方式中，FEA模拟被用于展示可 压縮物体的不同状态，其在该示例中为椭圆体。这些图3A-3C中的每 一个是不同状态的可压縮物体的局部视图。如在图3A中所示，椭圆形 物体可以处于初始状态300，并且具有纵横比为4:1的长轴302和短轴 304。在图3B中，椭圆形物体可以处于膨胀状态306,并且具有纵横 比小于(即<)4:1的长轴308和短轴310。在图3C中，椭圆形物体可以 处于压縮状态312，并且具有长轴314和短轴316以及大于(即》)4:1的 纵横比。因此，每一个不同状态300、 306和312的纵横比基于椭圆形 物体的膨胀和/或压縮可以是不同的。具有不同初始纵横比的可压縮物 体在图4中进一步讨论。图4是根据本技术的方面，不同初始形状的可压縮物体的示例 性图表。FEA模拟被用于产生壁厚为15微米的不同可压縮物体的最大 应变402对压縮比404的图表400。图表400包括球形物体的第一响应 曲线406、纵横比为2:1的椭圆形物体的第二响应曲线407、纵横比为 3:1的椭圆形物体的第三响应曲线408、纵横比为4:1的椭圆形物体的 第四响应曲线409，它们可以是图3A-3C中的椭圆形物体，以及纵横 比为5:1的椭圆形物体的第五响应曲线410。
24
如通过响应曲线406-410所示，最大应变在不同状态之间增加 和减小。对于初始纵横比小于3:1的物体，压縮比小于3:1的最大线性 弹性应变行为受上述覆盖层弯曲不稳定性的控制。对于初始纵横比大 于3:1的可压縮物体，最大应变从膨胀状态降低至在初始状态或初始状 态附近的最小值，其是可压縮物体上的应变的全局最小值。然后，最 大应变从初始状态增加，直至达到完全压縮的状态。照此，可压縮物 体初始状态的最大应变接近零，如通过响应曲线406-410所示。该方面 清楚地由第四响应曲线409显示。沿着响应曲线409，膨胀状态位于点 416处，初始状态位于点414处，以及压縮状态位于点412处。明显地， 可压縮物体的初始状态相比膨胀和压縮状态具有最小应变。另外，该 可压缩物体具有大约0.085的最大应变，其约为合金的Nitol家族在其 假弹性状态从奥氏体到马氏体相变的最大可恢复应变的值。也就是说， 响应曲线409显示，具有4:1的初始纵横比的椭圆形物体是提供大于 5:1的规定压缩比的合适的结构和壁厚，且其内压用于在国际专利申请 公布号WO 2006/007347中所公开的发明实践。其他响应曲线406-408 和410中的每一种均超过0.085的最大可恢复应变。高于奥氏体向马氏 体相变完成应变大约8%的应变可经历导致在循环变形中有限的疲劳 寿命的永久变形。根据该图表400，可压缩物体的膨胀以及随后的压縮受限于膨 胀阶段中的赤道弯曲不稳定性和先前所述的压縮阶段的覆盖物弯曲不 稳定性。通过模拟膨胀以及随后的压縮，可压縮物体的初始结构可以 被设计成最小化针对特定压缩比的可恢复伸长。具体而言，对于用自 奥氏体对马氏体相变温度在大约Ot:(摄氏度)以下的NiTi形状记忆合 金制造的具恒定壁厚的可压縮物体并且目标膨胀内压为1500 psig (磅/ 英寸2规格)而言，该可压縮物体的初始纵横比在膨胀之前可以优选在 大约3与4之间且壁厚在大约15与20微米之间，以避免对于可高达 8:1的压缩比而言在可压縮物体壁内的任何位置超过大约8%的线性伸 长。如上所述，为用于专利申请号WO 2006/007347的实践，合金应当 处于假弹性状态。相变温度在大约0°C以上的常规形状记忆合金不被用
于此应用。对奥氏体向马氏体相变温度在大约o。c之下的要求承认了，
可压縮物体在钻井泥浆中作业过程中所遇到的整个温度范围内合金应
25当保持假弹性。基于上面所讨论的模拟方法，可压缩物体可以通过一定的材料 而设计并且具有特定的结构，以提供在现有材料的变形极限内的特定 压縮比。伴随这些压縮比，可压縮物体可以用于某些应用中，诸如在 上面描述的钻井作业和生产作业。作为示例，如果可压縮物体在感兴 趣的特定井深间隔下提供大于或等于5倍于膨胀状态的可恢复压缩比，
则该可压縮物体是有用的。在可变密度钻井泥浆中可包括高达40%或 50%的体积分数的可压縮物体，以提供代表典型的PPG和/或FG的钻 井泥浆密度的改变。通过添加高达50%按体积计的小的低密度可压縮 物体一_其可具有大约1毫米(mm)的直径一一来改变钻井泥浆的密
度，井筒内的压力梯度可以基本被控制，以减少在井筒中所利用的套 管柱的数目。具体而言，对于深水应用，在没有对现有硬件或设备进 行主要修改的情况下，套管层段的数目可以被基本减少到利用双梯度 或多梯度系统可获得的数目之下。照此，对于某些应用，井成本可以 被降低达30%至50%。因此，可压縮物体的选择以及可压縮物体的制 造在下面图5中进一步讨论。图5是按照本技术一些方面，选择和应用用于图1钻井系统100 的可变密度钻井泥浆的示例性流程图。该流程图，被称为参考数字500， 可以通过同时参考图l、 3A-3C和4而得到最好的理解。在流程图500 中，可以选择可压缩物体和钻井液，以配制井的可变密度钻井泥浆。 这些可压縮物体可以包括每个均具有封闭内部区域的壳的物体，其中 所述可压缩物体具有(a)内压，所述内压(i)在大气压下为大约200 磅/平方英寸(psi)以上、大气压下为500 psi以上、大气压下为1500 psi 以上和/或大气压下为2000psi以上，并且(ii)针对预定外压而选择， 其中超过内压的外压减小可压縮物体的体积；(b)其中，当外压大约等 于内压时，所述壳经受的应变小于当所述外压高于或低于可压縮物体 的预定压縮层段时的应变，或者其中所述壳被设置为当外压大约等于 内压时所经受的应变小于外压大于内压或小于内压时的应变；和/或(c) 可压缩物体具有壳，该壳封闭至少部分填充有泡沬的内部区域。然后， 可变密度钻井泥浆可被用于提高井的钻井作业。该过程可以通过提供 可变密度钻井泥浆来提高钻井作业，所述可变密度钻井泥浆可以延伸钻井作业而进一步限制或减少附加套管柱的安装。因此，以期望方式 进行的钻井作业可降低钻井作业中利用附加套管柱的无效率。流程图始于块502。在块504，可以确定井的FG和PPG。例如， 可以通过从钻井位置接受信息和/或进行计算以估计FG和PPG来获得 FG禾nPPG。然后，可以选择可压縮物体，以提供特定的体积变化，如 在块506所示。可压縮物体的选择可以包括作业考虑因素，诸如从钻 井泥桨中移除可压縮物体以用于在地面再循环、限制高体积分数的可 压縮物体对钻井泥桨流变学的潜在有害影响以及促进可压縮物体经过 流动路径中的泵和孔的流动。照此，可压縮物体可以被定制大小，以 具有介于0.1毫米(mm)与50mm之间且/或优选介于O.lmm与5.0mm 之间的当量直径。当量直径被定义为与大气压下完全膨胀的可压縮物 体体积相同的球的直径。此外，可压縮物体的选择可以包括在井筒的 表面利用不同大小或体积和/或不同形状的可压縮物体，以管理钻井泥 浆的粘度增加。可压缩物体的选择在图6被进一步描述。
在块508，可以选择钻井液。可以选择可以包括各种加重剂的 钻井液，以提供可以与可压縮物体相互作用以维持钻井泥浆密度在FG 与PPG之间的特定密度，其在下面被进一步讨论。在块510中可压缩 物体和钻井液可以结合。可压縮物体和钻井液的结合可以包括混合或 惨和可压縮物体和钻井液，如在2007年2月13日提交的国际专利申 请号PCT/US2007/003691中所述。此外，可压缩物体和钻井液可以在 运输至钻井位置之前被结合，或者可压縮物体和钻井液可以被单独运 输且可压缩物体和钻井液在钻井位置处被结合。应当注意，可压縮物 体可以在冷冻交通工具诸如卡车和船中被输送，以降低与可压縮物体 内的内部压力释放相关的危险。在钻井位置，可压縮物体和钻井液——其可以是可变密度钻井 泥桨118(图1)——可以被用在钻井作业中，如在块512所示。钻井作 业可以包括其中地面流体被用于在井筒内实现和保持期望的静水压力 的任何过程和/或循环该流体以从井筒中去除岩屑的过程，以及其他应 用。 一旦钻井，在块514中烃可以被生产。烃的生产可以包括完成井 筒、沿着生产管柱在井筒内安装设备、从地层储层获得烃、在地面设 施加工烃和/或其他类似的作业。然后，该过程在块516结束。
27
图6是按照本技术的一些方面，在图5的流程图中讨论的可压 缩物体的选择和制造的示例性流程图。该流程图，其被称为参考数字 600，可以通过同时查看图l、 3A-3C、 4和5而被最佳理解。在该流程 图600中，描述了选择可压缩物体以维持井内的钻井泥浆密度处于PPG 与FG之间的过程。有益地，可压縮物体在可变密度钻井泥浆中的应用 可以通过减少井筒和套管柱的大小来提高钻井作业，并且可以提供到 达更大深度的通道。流程图始于块602。在块604，获得井的FG和PPG。可以通过 从钻井位置接受信息和/或进行计算以估计FG和PPG来获得FG和 PPG。然后，选择每一种可压縮物体的结构，如在块606中所示。对可 压縮物体结构的选择可以包括利用有限元分析(FEA)方法，以使可压縮 物体的结构和几何形状与可获得材料的性质匹配，如上所述。在块608， 选择可压縮物体的壁材料。壁材料的选择可以包括通过机械或通过沉 积方法形成的金属和/或金属合金薄膜、在聚合物基体中具有或不具有 微观和/或纳米纤维增强的聚合物以实现特定的壁材料性质(例如，如通 过物体压缩的FEA分析所定义的)。另外，壁材料可以包括页状剥落无 机矿物质以作为在聚合物基体中的增强或者防透气的屏障；通过沉积 方法在聚合物表面上形成的金属和/或金属合金薄膜，其具有或不具有 聚合物表面的化学改性以形成结构性壁或防透气的屏障。金属和/或金 属合金薄膜可以在形成可压縮物体之前被沉积在聚合物片上或者可以 被沉积在预成型的可压縮聚合物物体上。金属层可以被形成在可压縮 物体的内部或外部表面上，或者被引入聚合物壁内或者相同或不同聚 合物的聚合物层压制品内。在块610，可以选择表面处理，用于制造可压縮物体。表面处 理可以包括物理和/或化学表面处理，以改善聚合物物体表面上的金属 和/或金属合金膜的连续性和粘合性，或者增强可压縮物体的聚合物的 或金属外壁与钻井液的化学和/或物理相容性。 —旦选择，在块612中制造可压縮物体。可压縮物体的制造可 包括各种聚合、沉积、表面处理以及用于形成可压縮物体的壁结构的 其他制造方法。例如，壁结构的制造可以包括其中聚合物是结构壁的 同轴气泡吹制法；其中聚合物是用于沉积金属或金属合金结构壁的模板的同轴气泡吹制法；其中聚合物是用于沉积金属或金属合金结构壁 的模板的分散聚合法；和/或其中聚合物是用于沉积金属或金属合金结 构壁的模板的界面聚合法。制造可以包括在低压或高压液体环境中， 利用电镀法或无电镀膜法，连续的金属或金属合金层在可压縮聚合物 体的表面上沉积；在高压气体环境中，利用紫外线化学气相沉积
(UV-CVD)方法，连续的金属或金属合金层在可压縮聚合物体表面上沉 积；和/或在真空下，利用物理和/或化学沉积方法，连续的金属或金属 合金层在可压縮空心物体的表面上沉积。真空沉积法可以包括或不包 括在沉积之前降低可压縮物体内部的内压。这可以通过如下方法来实 现例如优选冷却加压可压縮空心物体至一温度——在该温度以下可
压縮空心物体内的气体可冷凝——从而首先降低可压縮空心物体的内 压。此外，制造可包括将平的金属化聚合物片或膜浇铸或形成到部分
的可压縮物体内，并利用机械、化学和/或热方法来连接组件；在金属 化之前将平的聚合物片或膜浇铸或形成到部分的可压縮物体内，并利 用机械、化学和/或热方法来连接组件；在具有或没有化学和/或物理预 处理的情况下，将金属或金属合金沉积在聚合物片上，以改进粘合性 和连续性以及聚合物模板随后通过物理、化学和/或热方法从平的自支 撑金属或金属合金片上移除，这导致形成薄的金属片，其适合机械地 形成到可压縮物体的组件内，并随后通过机械、热和/或化学方法连接 组件；将金属或金属合金沉积在预成型为可压縮物体的自支撑金属或 金属合金组件的模板的聚合物片上，随后通过化学、机械和/或热方法 将聚合物模板从金属组件中移除，以及随后通过机械、热和/或化学方 法连接组件。在块614，可以验证或测试可压縮物体。验证和测试可以包括 循环压縮测试，以验证内压以及量化可压縮物体的疲劳寿命，且如果 存在任何结构壁和连接的话，可伴随或者不存在对结构壁和连接的微 结构分析。然后，可以贮存可压縮物体，如在块616所示。可压縮物 体的贮存可以包括将可压缩物体放置在贮存容器中。可压缩物体可以 被贮存在环境压力下或者等于或高于可压縮物体的内压的压力下，以 便于可压縮物体在贮容器中填塞。可选地，可压缩物体可以被贮存在 冷环境中以降低可压縮物体内的内压。冷的可压縮物体然后可以在环境压力下或者在升高的压力下被贮存在容器中，以便于可压縮物体在 贮存容器中填塞以及将可压缩物体运输至另一位置，诸如钻井位置， 以便贮存或其他类似活动。该过程结束于块618。因此，基于上述讨论，这些可压縮物体的选择和应用可以涉及
影响可压縮物体设计的不同方面。例如，转变为气体压縮控制的变形 的本质取决于壳或壁材料的机械性能以及在反复压縮循环中这些性能 的发展。照此，空心物体的压縮导致在由空心物体的初始内压所定义 的深度之上和之下产生泥浆密度梯度差。因为使用具有不同初始内压 的可压縮物体可以有益于增强或延伸钻井作业，因此改变可压縮物体
的体积分数和初始压力分布可以实现将有效的泥浆重量维持在PPG与 FG之间的理想结果。此外，使用不同的气体也可以影响可压縮物体的设计。例如， 空心物体可以被填充有可冷凝和不可冷凝气体的混合物。添加可冷凝 气体允许调整钻井泥浆密度随深度而改变的附加灵活性。在气/液相边 界的温度和压力下，可冷凝气体随着密度增加而液化并且在体积上相 应减小。空心物体的内部体积的减小导致在对应于相变的深度和温度 下有效泥浆密度的阶跃增加。利用含有可冷凝气体的气体混合物的另 外的益处是在其已经冷凝的深度处由冷凝气体占据的有限的内部体 积，原因在于冷凝液体的可压縮性通常低于不可冷凝气体的可压縮性。 结果是，冷凝液体体积可用于设定由空心物体的壁所经历的变形的上 限。当挠性物体在井筒底部与地面之间循环时，这可以被用于控制柔 性物体的疲劳寿命。此外，作业应用可以影响可压縮物体的设计。具体而言，将体 积变化限于被混合进钻井泥浆中的大量小直径可压縮物体可允许调节 可压縮物体的初始大小和/或形状，以在井筒的垂直泥浆柱内获得稳定 复合的泥浆流体流变学。为产生可用的可变密度钻井泥衆，针对给定 可压縮固体体积分数选择液相的初始性质，以便在非循环作业过程中 使岩屑和可压縮物体悬浮在井筒环内。另外，复合泥浆的粘度必须被 设置为通过泥浆和钻机泵在可接受的极限内被泵入井筒内。此外，使 >用不同大小的可压縮物体可进一步提高作业应用。这些方面和其他将 在下面被进一步讨论。可压縮物体的构造为确定可压縮物体的构造，如在图6的块606中所述，可以利 用有限元数值模拟方法。有限元数值模拟法可以包括隐式方法和/或显 式方法。在这些方法中，壳壁或元件可以被表示成在感兴趣区域内适 合较高分辨率的网格尺寸和形状，诸如在可压缩物体结构的高应力和/ 或应变区域内。有限元数值模拟可以被用于模拟整个三维物体或与对 称的三维物体相关的物体片段。此外，可压縮物体的构造可以受多种 标准的影响，诸如材料和可压縮物体的使用，它们将在本申请的该部 分和其他部分被讨论。关于可压縮物体的使用，应当注意，可压縮物体的构造可以便 于可压縮物体从再循环钻井泥浆中周期性去除。这可以便于有利地限 制高体积分数的可压缩物体对钻井泥浆流变学的有害影响并且/或者有 利于可压縮物体经过设备(诸如泵和流动路径中孔)的流动。照此， 可压缩物体可以包括具有大约0.1 mm (毫米)至5.0 mm范围内的当量 直径的结构。当量直径被再次定义为与一个大气压的外压下完全膨胀 的可压縮物体的体积相同的球的直径。另外，可压縮物体的形状可以 被调整，以增加充填密度以及降低对流体流动的影响。例如，与枕形 或棒形物体相比，球形或椭圆形物体可以在井筒内提供最高的充填密 度和对流体流动的最低影响。构造的另一个标准是壁厚。如上所述，在由结构不稳定性以及 现有材料的性能所赋予的约束内，壁厚应当尽可能薄，以最大化可压 縮物体的压縮极限。然而，壁厚的下限由在地球地面处典型遇到的大 约1大气压的外压下能够含有期望的内部气体压力的最小厚度所定义 的壁厚。为确定可压縮物体的最佳几何结构，可以利用有限元数值模拟 的方法。有限元数值模拟是本领域技术人员熟知的。这些方法可包括 将壁模拟为可压縮物体的壳元件或者模拟为具有可变网格尺寸和形状 的网格物体。某些感兴趣的区域(诸如可压縮物体结构的高应力和/或 应变区)，可以被调整为具有较高分辨率(即较小的网格尺寸)，以在这 些区域内提供更多信息。此外，模型可被用于模拟整个三维(3D)可压 縮物体、可压缩物体的片段或者可以与对称的3D可压縮物体结构相关的可压缩物体的一部分。作为示例， 一种分析和最优化可压缩物体的几何形状、可压縮 物体材料性质、内部气体性质、内压以及可压縮物体对外部温度和/或 压力变化的响应的组合的优选方法是构建整个可压缩物体或者部分可 压縮物体(即，半球，由于对称)的有限元模型。通过利用软件诸如
ABAQUSTM或其他任何合适的FEA分析包，可以对可压縮物体构建有 限元数值模型。在该模型中，显式方法可被用于监测在压縮期间可压 縮物体内表面之间的接触。为最小化外压修改过程中的震动，外压可 以最初被设定为等于内压。然后，外压可以被缓慢降低至环境压力， 这可以在足以基本消除模拟中的动态人为现象的期间内完成(例如，0.5 秒)。取决于壁材料的流动行为以及任何弯曲的发生，外部增压和减压 的幅度和速率可以被调节以最小化震荡。 一旦有限元数值模型已经构 建，则可以进行其他分析。例如，可压縮物体可以经历增压循环测试。 然后，来自增压循环测试的数据分析可以被用于了解可压縮物体几何 形状、可压縮物体大小和/或材料性质的作用。另外，如果数值模型是 利用壳元件构建的，则应当避免网格几何形状的突然变化，以降低局 部应力计算中异常的可能性。作为具体示例，讨论图3A-3C的可压縮物体的有限元数值模型。 在这些实施方式中，可压縮物体具有扁平椭圆体的形状。初始纵横比 可以在1至10的范围内，更优选的纵横比在2至5的范围内。使用初 始纵横比大于1的内部加压的扁平椭圆体空心可压縮物体具有如下优 势在外界外部地面压力下，该椭圆体物体取决于内压和材料性质而 膨胀并达到大约1的纵横比，如图3B所示。如果该椭圆体物体具有 4:1的初始纵横比、10微米的均匀的MTi合金壁厚以及1500psig的内 压，那么膨胀状态的纵横比大约为1.22:1。随着外压力增加，椭圆体物 体倾向于恢复至初始状态300。在初始状态300，该椭圆体物体的纵横 比是具有很小弹性应变的最初设计的纵横比，如在图3A和4所示。然 后，随着压力继续增加，该椭圆体物体被进一步压缩成压缩状态312， 如在图3C中所示。 可压縮物体的壁材料除构造之外，基于上面讨论的标准，可压缩物体的壁可以使用
32各种材料，如在图6的块608中所述。具体而言，壳或壁材料可以被 分为两类商业可得的材料，其为金属材料和聚合物材料。金属材料可 以包括金属、金属合金和具有假弹性行为的合金(例如与可逆应力诱导
的结构相变有关的变形)。此外，超薄(即，〈500埃(A))金属或金属合金 膜的超弹性行为也可以被用于使金属和金属合金(例如，铝(Al)、铜(Cu)、 镍钛(NiTi)等)的范围更广，它们与满足承载壁的机械性能的非金属承 载壁结合以适合作为薄渗透屏障应用。具体而言，金属材料可以包括 但不限于二元或近二元NiTi、具有铁和铬合金添加物的NiTi的三元 合金、镁-40铜(Mg-40Cu)合金、|3-钛-9.8钼-4铌-2钒-3铝 (P-Ti-9.8Mo-4Nb-2V-3Al)合金、金属玻璃和非晶态金属(例如锆(Zr)、铁 (Fe)和减镁(Mg)基合金)等。聚合材料可以包括聚合物以及具有或不具 有增强物(例如，微纤维至纳米纤维，纳米管，在聚合物壁内具有适当 定向的页状剥落型无机填料等)的共混聚合物。具有适当性质的聚合物 的示例包括但不限于商业可得的聚酰亚胺，诸如Ubilex-R和Ubilex-S。
因为这些材料中的每一种均具有特定的性质，诸如拉伸强度和 可恢复伸长，因此在可压縮物体壁中所用的材料是决定壁厚的因素。 该决定可以基于如上所述的有限元数值模拟，以评价具有不同材料的 壳或壁的不同厚度。例如，如果承载壁材料是金属或金属合金，则应 该仅仅选择具有足够高的弹性或假弹性行为的金属和金属合金，原因 在于与可逆应力诱导的结构相变有关的变形必须是可恢复的，以便可 压縮物体的再使用。如上所述，甚至这些选择的材料必须与可压縮物 体外壳的几何形状的谨慎设计相结合，以避免在压缩和再膨胀过程中 的应变局部化。具体而言，几何形状和材料可以被用于相对于颗粒尺 寸来最优化壁厚；随可压縮物体表面上的位置承载壁厚和/或机械性能 的变化；和/或扁平球状体空心可压縮物体的纵横比和大直径的变化等。 因此，在选择可压縮物体的材料时应考虑这些不同的因素。
作为改变壁厚的示例，壁材料可以被用于影响可压縮物体的压 縮比，诸如上面讨论的在图3A-3C中的椭圆体物体。在图7中，FEA
计算提供了在由现有材料性质定义的极限内具有不同压縮比的不同形 状。FEA计算可以提供纵横比在2与5之间、当量直径与壁厚比在20 与200之间或更优选在50与100之间的可压縮物体。如在图7中所示，
33显示了壁厚影响的图表700，其是关于不同形状一一其通过曲线
706-711显示，产生自有限元数值模拟——的可压縮物体的最大应变 702对当量直径与壁厚比704。对于球形可压缩物体，曲线706的压縮 比为3.5，曲线707的压縮比为3，以及曲线708的压縮比为2。对于 椭圆形可压縮物体，曲线709的压縮比在3.5与2之间，曲线710的压 縮比在3与2之间，以及曲线711的压縮比大约为2。从图表700，清 楚的是，具有大于与在较薄的壁(即，较高的当量直径与壁厚比)的情况 下的纵横比一致的纵横比的可压縮物体是优选的，原因在于它们提供 较高压缩比和相应地较低最大应变。此外，优选的是，维持最大应变 在大约0.06的特定值之下，该值是由实现适当的结构壁疲劳寿命的最 大允许应变定义的。通常，至少2000至3000周期的最小疲劳寿命是 期望的。基于该限定，纵横比为2或以上以及当量直径与壁厚比大于 65的椭圆体物体提供了在特定值之下的可压縮物体，如在曲线711上 所示。除单一材料之外，可压缩物体的壁可以包括两个或多个层。例 如，层状复合壳可包括承载结构层或壁以及气体渗透屏障壁。承载壁 可以是相对厚的壁，其厚度在1微米至50微米的范围内，而气体屏障 壁可以是薄壁，其厚度在小于或等于5微米的范围内。例如，承载聚 合物壁，可以具有空心内部或者被沉积在聚合物泡沫模板上，其可以 被用于提供可压縮物体的结构。气体屏障壁——可以在承载壁的内部 或外部——可以是金属或金属合金渗透屏障层，其含有内压并具有500 埃之下的厚度。可选地，可压縮物体具有薄的(即，<5微米)壳壁—— 其或者是空心的或者沉积在聚合物泡沫上——并具有相对厚(即，1微 米<壁厚<50微米)的金属或金属合金层的承载及屏障壁，其提供结构支 撑和对气体渗透的屏障。 对可压縮物体表面处理的选择如在图6的块610中所讨论，各种表面处理可以被用于可压縮 物体。表面处理可以被用于改进聚合物层或金属和/或金属合金膜在可 压縮物体(诸如聚合物物体)上的连续性和粘合性。因此，表面处理 可被用于增强特定性能，诸如与基液的相容性以及维持内压的壳层渗 透性，这在下面进一步讨论。
对于内部加压的可压縮物体，其具有带有或没有增强物的聚合 物和/或弹性体的承载壁，表面处理可被用于增强金属和/或非金属膜在 聚合物表面上的连续性以降低承载壁的气体渗透性。 一般而言，弹性 体、结晶聚合物和/或共混聚合物具有的气体渗透性太大以至不能用于 可压縮物体的制造。因此，除在聚合物壁中引入页状剥落型无机填料
之外，可以采用将连续的薄的(即，< 500埃M氏气体渗透涂层沉积在壁
表面上或者将其引入层状壁结构中。例如，该涂层可以是薄金属、金 属合金或无机气体渗透屏障，其可以通过多种物理和/或化学处理被应 用于可压縮物体的表面壁的外部。具体而言，沉积涂层的厚度可以小
于500 A并包括Al、 NiTi或任何其他合适的材料。增强这些渗透降低
层的均匀性和/或连续性的表面处理可以包括(1)表面的阴离子官能
化，例如，磺化、羧化(即酸形成)以及由本领域技术人员使用的其
他阴离子官能化方法和化学。(2)阳离子季铵化官能化化学，例如本领 域技术人员所使用的锍盐、磷盐、铵盐。(3)本领域技术人员实践的两 性离子官能度和两性官能度。(4)本领域技术人员已知的马来化官能化 和相关反应。(5)控制的氧化，例如过氧化物、高温氧等离子体蚀刻、 臭氧等。(6)化学气相沉积方法和相关的化学。(7)本领域技术人员所使 用的进行表面官能化的电晕放电方法。很多种方法可用于沉积金属和/或无机屏障涂层。可影响沉积方 法选择的一个因素是可压縮物体的内压。例如，如果在可压缩物体内 含有少量初始内部气体压力或无初始内部气体压力，则低渗透性金属、 金属合金或无机涂层可以通过各种低压物理和化学沉积方法被用于均 匀地涂敷可压缩物体的非平面几何结构。如果可压缩物体的内压和壁 渗透性使得低压物理或化学沉积所需的低压环境(即，典型地< lxl(T3 mmHg)是不可维持的，则可以使用与内部气体压力和相对高的壁气体 渗透性相容的沉积方法。在该示例中，可压縮物体可以被维持在高压 气体或液体环境中，以防止在贮存和涂敷期间内压通过可压缩物体的 壁损失。对于高压液体环境，壁表面的涂层可以通过例如利用本领域 技术人员熟悉的方法进行的电镀或无电喷镀来实施。对于高压气体环 境，壁表面的涂层可以通过例如化学气相沉积(CVD)或紫外线化学气相
沉积(UV-CVD)来实施。
可选地，可压縮物体内的内部气体压力可以被降低至允许在未加压物体或聚合物片中应用一系列可用的商业低压物理和化学沉积方法的水平。在该示例中，通过降低可压縮物体的温度可以被冷凝的气体可以被用于可压縮物体的内部增压。例如，如果可压縮物体内部的
气体是在10 mPa压力下的氧(O)，随后在大气压下冷却该可压縮物体至液氮(LN2)的温度，可将内压降低至小于或等于1 x 10—VmHg。
关于空心聚合物承载壁的类似的考虑因素可以被应用于内部加压的可压缩物体，该可压縮物体具有聚合物和/或弹性体泡沬的承载壁以及金属和/或非金属渗透屏障的气体屏障壁，或者上述考虑因素可以被应用于聚合物和/或弹性体超薄空心壳或者被用作承载金属和/或金属合金壁沉积模板的聚合物和/或弹性体泡沫，如上所述。在后面的示例中，超薄聚合物壳或聚合物泡沫可被用作沉积相对厚的金属和/或金属合金承载壁的模板。在该示例中的金属或金属合金承载壁可具有大约5微米至50微米的厚度。超薄聚合物壳或聚合物泡沫可包括任何聚合物和/或弹性体，其具有或者无增强物以及表面处理以提高金属和/或金属合金承载壁的均匀性和连续性。在该示例中，超薄聚合物壳的厚度和/或泡沬的机械强度仅需要在沉积过程中足以维持颗粒的期望形状。
可压縮物体的制造如在图6块612中所讨论， 一旦选择了可压縮物体的结构和壁材料，各种制造技术可被用于产生可压缩物体。这些制造技术可以包括各种方法，诸如图形形成、沉积、热-机械加工和其他类似的制造工艺。图形形成工艺是将材料成形为诸如可压縮物体的另一形态的工艺，其可以包括化学蚀刻、机械蚀刻等。蚀刻工艺是从基底材料上去除材料的工艺。沉积工艺是将材料涂敷或转移到另一种材料上的工艺，其可以包括物理气相沉积、化学气相沉积、电化学和/或无电沉积、合金化、溅射、蒸发、分子束外延等。热-机械工艺是形成或改变材料形状和微观结构的工艺，其包括冷轧、热轧、型锻、拉拔、切割、回火、溶液退火等。可压縮物体的制造可以使用各种技术，这些技术被组合以提供期望的可压縮物体性能，如上所述。可压缩物体的制造路线可以基于
36可压縮物体的一些期望性能来确定。例如，低气体渗透性、物体柔韧性、机械完整性、低成本、物体制造的相对容易性、材料的商业可得性和/或环境可接受的材料性能是可以被考虑的一些性质。其他性质包括期望的可压縮物体尺寸范围、尺寸分布和纵横比、增强聚合物/金属粘合性的潜在的表面功能化方法、弓l入"过量"发泡剂(一种或多种)以产生含有高压气体内部的空心物体的能力(例如，所用的发泡剂内部增压空心物体，填充高压气体等)，以及其他特征。因此，制造工艺可以被设置为产生这样的可压缩物体，其是气体填充的聚合物物体，包括是空心或者至少部分填充泡沫的内部结构。
例如，图8A-8B是产生具有空心内部的可压缩物体的制造工艺的示例性实施方式。类似地，图9、 10和11A-11B是产生具有泡沫内部或基于泡沫模板的可压缩物体的制造工艺的实施方式。A.作为空心物体的可压縮物体的制造下面所述的制造方法涉及作为空心物体被形成的可压缩物体的制造，该空心物体可以填充气体或可以不填充气体。这些制造方法可以被用于形成可压縮物体，其均具有封闭内部区域的壳，每一个可压缩物体均具有(a)内压，该内压(i)在大气压下为大约200psi以上、大气压下为大约500 psi以上、大气压下为大约1500 psi以上或大气压下为大约2000psi以上，和/或具有封闭内部区域的壳，和该内压(ii)针对预定外压而被选择，其中超过内压的外压减小可压缩物体的体积；(b)所述壳被设置为当外压大约等于内压时所经受的应变小于外压大于内压或小于内压时的应变，或者当外压大约等于内压时所述壳经受的应变小于当所述外压高于或低于可压縮物体的预定压縮层段时的应变；和/或(c)所述壳至少部分填充有泡沫。尽管描述了很多制造方法，图8A-8B是产生具有空心内部的可压縮物体的示例性实施方式。
图8A-8B是按照本技术的某些方面，在图6的流程图中所用制造过程的示例性实施方式。在图8A中，显示了按照本技术产生可压縮物体的装置的示例性实施方式。在该实施方式800中，诸如空心聚合物壳或聚合物泡沬结构的可压缩物体，可以在由加压室802形成的加压环境中制造。为了示例性的目的，可压缩物体显示为具有气体内部806的空心聚合物壳804，但是可以包括聚合物泡沫结构和上述其他可
37压縮物体。在该制造过程示例中，位于中心管810末端的同轴气泡吹制孔
808被封闭在加压室802中的同轴管812中。足够的压差被独立地应用于在中心管810与同轴管812之间所形成的环内，以及应用于孔的中心管810内，以使聚合物材料814成型为空心聚合物壳816，其填充有来自中心管810的气体818。以此种方式，气体818填充的聚合物泡820得以形成，并且随后脱离同轴气泡吹制孔808。加压室802可以被填充气体或液体或者它们的组合，并且在泡形成情况下的分离可以通过表面张力、重力、浮力、流体流动或它们的任意组合而促成。 一旦聚合物泡820脱离，聚合物泡820可以落入浴容器824内的交联浴822中，该交联浴822促进聚合物壁的交联。交联浴的化学性质可以通过针对壁材料所选择的特定聚合物来确定并且是聚合物合成领域技术人员熟知的。在硬化浴之后，具有气体内部806的空心聚合物壳804得以形成，然后可以通过转移至压力互锁室(未显示)中而被移除，在该压力互锁室中交联流体与加压的可压縮物体分离，并且可压縮物体被转移至贮存容器。此外，在空心聚合物壳804聚合和/或分离过程中或之后，围绕该空心聚合物壳804的压力可以被降低以使空心聚合物壳804膨胀成其在膨胀状态的最终大小和形状。在壁冷却之前、期间或之后，该膨胀状态可以由壁厚、材料的机械性能、物体构造和内压预先确定。如果聚合物壁是承载部件，合成之后直径的膨胀可被用于改变聚合物壁的机械性能。例如，通过聚合物链的应变再定位和/或空心聚合物壳804聚合物壁中增强物的再定位。基于所用的材料可以针对制造过程引入特定的调节。例如，如果聚合物材料814是具有或不具有增强物的聚合物熔体，则孔808可以被加热以降低熔体粘度而获得期望的聚合物熔体流动性能。此外，如果聚合物材料814是具有或不具有增强物以及具有或不具有引发剂的聚合物单体或单体混合物，则聚合物泡820的壁在与孔808分离之后的聚合可以通过多种方法进行，诸如紫外线聚合、自由基聚合、热化学聚合等，这些是聚合物合成领域技术人员熟悉的。
在图8B中，显示了按照本技术产生可压縮物体的装置的另一示
38式830中，例如空心聚合物壳或聚合物 泡沫结构的可压缩物体可以在由加压室832形成的加压环境中被制造。 该加压室832被分成具有气体入口 840的下部室838以及具有流体入 口 844和流体出口 846的上部室842。为了示例性的目的，可压縮物体 显示为具有气体内部836的空心聚合物壳834，但是可以包括聚合物泡 沫结构和上述其他可压縮物体。在该制造过程示例中，合适的聚合物熔体或聚合物前体的薄膜 848在由大量孔或空穴852穿孔的板850上形成。可以安排空穴852 的尺寸和间隔以使气体填充的泡854连续形成，该气体填充的泡854 具有含气体内部836的空心聚合物壳834，并且当板850在上部室842 与下部室838之间的期望压差下从下面被加压时，这些泡854分离并 浮在板850上，并进入填充上部室842的加压流体中。应当注意，很 多可选的空穴几何性质可以被用于从聚合物前体和/或聚合物熔体形成 内部加压的空心可压縮物体。气体填充的泡可以通过流体出口 846离 开上部室842，并且可以通过密度差与流体分离并随后被转移至贮存容
器o作为产生可压縮物体的可选示例性方法，金属、金属合金和/或 聚合物管可以被用于形成可压缩物体。在该制造方法中，通过将管材 料切割成期望的长度并利用机械、化学或热方法将该管材料的端部封 闭，可使压縮物体由管材料形成。得到的可压縮物体(其可以以枕形、 球形、扁球面、回转的椭圆体或任何其他期望的形状形成)的内部压 力可以通过闭合管的切割端部并在控制压力的环境中形成期望的形状 来进行控制。加压环境可以是加压室，其类似于上面所讨论的加压室。 另外，可压縮物体可以在来自具有或不具有加强物的聚合物和/或弹性 体的管材料的聚合物壁合金化之前或之后形成。作为产生可压縮物体的另一可选实例方法，预成型片可以被用 于形成可压缩物体。在该方法中，预成型片的机械、热或化学连接可 以被用于制造可压缩物体。预成型片可以包括层状复合结构，其可以 包括两个实施方式。 一个实施方式可以是相对厚的结构承载聚合物壁 与相对薄的连续金属、金属合金和/或非金属渗透屏障层相结合。具体 而言，结构承载聚合物壁可以具有大约5微米与50微米之间的壁厚，尽管连续的金属或金属合金渗透屏障层可以具有小于约500埃的壁厚。 第二实施方式是薄聚合物片作为沉积相对厚的金属或金属合金层的模 板，该金属或金属合金层用作结构壁和气体渗透的屏障。例如，薄聚 合物片可以小于大约5微米，而金属或金属合金层可以具有大约5微
米与50微米之间的壁厚。聚合物厚度和金属或金属合金厚度位于这些
限制内的层状或多重层状实施方式的任何组合可以用于其他实施方 式。为制造这些可压縮物体， 一个或多个层状预成型片可以被制成 扁平状，并随后利用类似于本领域所实践的那些方法的多种形成聚合 物片和/或成膜方法中的任一种方法被浇铸成预成型的物体组件。示例 包括用于食品包装的合金化聚合物片、用于聚会气球的合金化聚酯薄 膜(Mylar)片、聚合物膜上的装饰性金属涂层和用于航空绝热层的合 金化聚酰亚胺膜。如果预成型的物体组件要被连接而形成可压縮物体， 则预成型物体组件的连接可以通过类似于聚合物膜连接领域所实践的 那些方法的多种方法来完成。示例包括但不限于热粘结、胶黏剂粘结、 机械连接等。在该示例性制造方法中，利用上述相同范围的物理和/或化学方 法，金属或金属合金层可以在可压縮物体的内部或外部上形成，并且 这些方法在金属、金属合金和/或非金属涂层沉积领域是已知的。例如， 金属或金属合金层可以被应用于外部和/或内部表面，其方式类似于关 于在上述同轴吹制泡或通过分散聚合所形成的泡上进行沉积所述的方 法。所涂敷的聚合物壁然后可以被热-机械浇铸成预成型，以在其内表 面、外表面或二者上具有金属或金属合金层。在该实施方式中，加强 物、用于改进的连续性和粘合性的表面处理以及由机械应力引起的加 强物和/或聚合物链的再定位也可以适用平面预制片的制造，并且可以 以类似于同轴吹制或分散聚合物的方式被预成型。
作为另外的制造技术，上述复合片制造方法也可以被用于制造 自支撑的相对厚的金属和金属合金片，其适合机械形成可压縮或可折 叠物体或颗粒的组件。当薄金属片难于通过金属片制造中所用的常规 热-机械方法制造时，制造自支撑金属或金属合金片的此种方法特别有 用。具体而言，金属和金属合金片可以具有大约5微米与50微米之间
40的厚度。为形成自支撑金属片，在金属或金属合金沉积之后，在固化 该沉积薄片所需的任何另外的热-机械处理之前或之后，聚合物模板可 以从薄金属片上移除。聚合物模板的移除可以通过本领域技术人员已 知的多种机械、化学和/或热方法来完成。可选地，在金属或金属合金 薄膜沉积而形成自支撑金属或金属合金预成型物之前，聚合物模板片 可以在可压縮物体的组件中预成型。作为另一制造技术，空心可压縮物体可以通过热固性聚合物的 化学组分的物理和/或化学气相沉积(如上所述)而形成到热解聚空心 聚合物模板或聚合物泡沫上。沉积之后，通过升高温度而在解聚空心 聚合物壳或聚合物泡沫模板的表面上形成自支撑的热固性聚合物预成 型层，从而热固性聚合物组分可以部分反应在一起。在形成自支撑的 热固性聚合物预成型层之后，温度可以被进一步增加以解聚空心和/或 泡沫模板，并且解聚产物通过经过热固性预成型壁的扩散而从所得到 的空心自支撑物上去除。最后，部分固化的自支撑空心预成型热固性 物体可以被放置到高压容器中，并且借助在该容器内建立的高气体压 力，空心物体内部的压力通过扩散穿过热固性预成型壁得以平衡。随 后，温度可以在高压气体环境中被进一步升高，以充分固化热固性聚 合物，目的是降低壁的透气性以及获得最佳的壁材料机械性能。如之 前，充分固化和加压的空心热固性聚合物壳的外表面的合金化可以通 过上面关于同轴吹制的加压空心聚合物壳所述的方法来完成。此外，作为另一实施方式，可压縮物体可以在制造过程中进行
机械调节，以强化可压缩物体的结构壁，这通过由机械应力引起的微 纤维和/或纳米纤维加强物和/或包括壁材料的聚合物链的再定位而实 施。这种机械调节可以包括但不限于可压縮物体膨胀成其最终尺寸和 形状。
B.利用泡沬模板制造可压縮物体除制造空心物体之外，在可压縮物体的制造中制造方法可以利 用泡沫模板来产生特定形状。这些制造方法可以形成可压縮物体，其 具有封闭内部区域的壳，并且其具有(a)内压，该内压(i)在大气压下为 大约200 psi以上、大气压下为大约500 psi以上、大气压下为大约1500 psi以上或大气压下为大约2000 psi以上，和该内压(ii)针对预定外压而选择，其中超过内压的外压减小可压缩物体的体积；(b)所述壳至 少部分填充有泡沫；和/或(C)其中所述壳被设置为当外压大约等于内压 时所经受的应变小于外压大于内压或小于内压时的应变，或者其中当 外压大约等于内压时所述壳经受的应变小于当所述外压高于或低于可 压缩物体的预定压縮层段时的应变。泡沫模板可以包括均聚物、共混 聚合物、共聚物、互穿网络、嵌段共聚物、热固性材料、热塑性材料、 非晶态聚合物、结晶聚合物、化学交联共聚物、热塑性弹性体、橡胶、 液晶高分子等。泡沫模板可以被成形为不同的预定形状，诸如但不限 于球形、棒形、薄片、扁平或扁长球状体、回转椭圆体和/或这些几何 形状的任意组合。此外，可压縮物体的制造中所用的泡沫模板(诸如 棒体、薄片等)可被构建成内部含有宽范围的孔结构(即闭合的和/或 开放的孔)、孔壁厚和孔密度。这些不同的构造可以用于产生涵盖较 宽范围机械性能的空心物体。可以通过模塑方法、切割方法和涂敷方法来生产泡沫预成型物，
这些方法是涉及利用泡沫来形成绝缘和/或包装的技术所熟悉的。切割 方法可包括将板材泡沬切成各种形状和大小。模塑方法可以包括挤压、 吹塑、压縮模塑等，其可以包括将泡沬模塑成期望的复杂形状，该形 状可以降低或消除劳动密集型切割以及从该技术所产生的废物。另外， 模塑技术可以产生具有多重硬度区以及具有填充加强物的泡沫。先前 所述的涂敷方法也可以被应用于泡沫预成型物的涂敷，这些方法可以 包括电镀、无电镀膜法、物理气相沉积、化学气相沉积、紫外线化学 气相沉积等，并且其可以被用于在泡沫模板上形成相对薄的金属或金 属合金层。在该实施方式中，金属或金属合金层的涂敷被用于增强可 压縮物体的不渗透性，这可以包括压力下的气体(或气体混合物)。 可选地，聚合物模板可以被用于利用模塑或机械成型的内部加压或未 加压聚合物泡沫的相对厚的金属和/或金属合金承载壁的沉积。金属承
载壁可以具有大约5微米至50微米的壁厚以及在大气压下大约200 psi 或以上的内部压力，这取决于期望的应用。作为第一实施方式，起泡剂可以被用于形成可压缩物体的泡沫 模板。通常，使用物理起泡剂产生闭孔泡沫模板，其可以由各种材料 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物泡沫时所用的材料。通常，PU泡沫由二氧化碳(C02)的原位产生来 制备，而PS和PVC泡沫利用物理起泡剂(像氮(N。和C02)来制备。 利用物理起泡剂减少了任何污染溶剂阻碍该过程。利用C02和N2具有 很多益处，诸如化学惰性、不可燃性、天然发生、低成本、易于得到、 环境可接受性(无臭氧消耗)以及低人类毒性。使用物理起泡剂的每一种聚合物泡沫状技术依赖于类似的原 则。这些原则是(l)在高压下聚合物借助气态渗透剂(起泡剂)饱和； (2)通过降低的压力或增加的温度，聚合物/气体混合物淬熄进入过饱和 阶段；和(3)遍及聚合物基体分散的气体泡孔的核化及生长。在聚合物 /气体混合物淬熄之后，气体在聚合物模板中的溶解度减小，这导致气 体分子以晶核形式聚集。随着气体扩散进入所形成的泡孔中，聚合物 模板的自由能降低。泡核作用过程控制着聚合物材料的泡孔形态以及 聚合物材料的性质。此外，该过程可以遍及整个材料均匀发生，或者 在高能区诸如相界处不均匀发生。在高能区，核化稳定空隙的自由能 相比均匀成核较小。结果是，优选的空隙成核在界面处发生。
在半结晶聚合物中，结晶域可以作为产生气泡的异相成核点。 一般而言，泡孔生长(cell growth)受气体在淬熄之前必须扩散进入泡 孔的时间、制造过程的温度、过饱和的程度、气体扩散进入孔泡的速 率、施加于聚合物基体的静压或应力、界面能以及聚合物/气体混合物 的粘弹性。聚合物模板的硬度通常由起泡温度来控制。应当注意平均 孔泡大小的减小通常增加硬度。膨胀气体孔泡所需的功必须克服由增 加的硬度所产生的额外应力。通过增加饱和压力，用于形成稳定晶核 的自由能屏障被减小，并且由于基体溶胀、空隙容积改变和/或结晶界 面的形成，形成另外的成核点。这导致泡孔密度增加并因此导致平均 泡孔直径减小。半结晶聚合物表现出比非晶态聚合物更高的泡孔(cell)
密度，这归因于在非晶态/结晶界面区处的异相成核分布。因为气体不 溶解在晶体中，因此成核是不均匀的，这使得难于控制半结晶泡沫的
微孔结构。结果是，具有低结晶度的聚合物提供了具有几乎均匀的结 构的泡沬。随着聚合物的结晶度增加，得到具有不规则泡孔大小的较 不期望的不均匀泡沫。因为利用物理起泡剂的起泡方法是通用的，因此该技术可以被用于制造可压缩物体的闭孔聚合物泡沫模板。例如，非晶态聚合物以 及半结晶聚合物可以在接近玻璃化转变温度(Tg)至刚好在材料熔点之 下的温度之间的范围内进行处理。为了示例性的目的，形成泡沫模板 以及该泡沫模板涂层的制造过程在下面图9中予以讨论。图9是按照本技术的一些方面，制造利用泡沫模板的图6中的 可压縮物体的示例性流程图。该流程图，通过参考数字900指代，可 以通过同时查看图1和6而被最佳理解。在该流程图900中，描述了 用于制造具有泡沫内部的可压缩物体的工艺。流程图始于块902。在块904,可以制造泡沬。泡沫可以由多 种过程而形成，它们在上面被讨论。泡沫可以包括聚合物材料，诸如， 具有以及不具有增强物的中度至高度交联的弹性体；诸如长纤维、中 纤维至纳米纤维、纳米管、页状剥落型无机填料(例如粘土)；和具 有以及不具有增强物的共混聚合物，诸如长纤维、中纤维至纳米纤维、 纳米管、页状剥落型无机填料(例如粘土)等。在块906，泡沫可以形 成泡沫模板。泡沫模板可以包括各种形状，诸如立方形、矩形、棒形、 正方形以及其他规则或不规则形状，这些在上面进行了讨论。为形成 泡沫模板，泡沫或聚合物材料通过切割或其他合适的方法可被成形为 不同的几何形状和尺寸。然后，在块90S，所成形的泡沫模板可以用材 料进行涂敷。该材料可以包括降低透气性的薄金属或非金属涂层，其 通过如上所讨论的任何合适的沉积技术来施加。涂层可以包括宽范围 的组分，包括纯金属、金属合金和/或单独的或者与其他非金属层结合 的不同金属或金属合金的层，以及其他。在块910，所涂敷的泡沫模板 可以进一步通过表面处理来处理，以增强这些涂层与聚合物泡沫模板 表面的粘合性以及促进这些涂层与聚合物泡沫模板表面的连续性。这 些表面处理可以类似于上面讨论的表面处理。该过程在块912结束。
这些不同形状的泡沫模板的涂层显示在图10中。在图10中显 示了多种泡沫模板诸如枕形物体1002、椭圆形物体1003和球形物体 1004。这些泡沫模板物体1002-1004如上在块906中所讨论被形成多种 形状。然后，泡沫模板物体1002-1004可以被涂敷金属层1006,如在 ,块908中所讨论。具体而言，泡沫模板物体1002-1004可以通过无电镀 膜技术被涂敷薄金属涂层(例如铜)。涂敷之后，泡沫模板物体1002-1004
44可以被表面处理层1008进一步涂敷，如在块910中所讨论。作为该制造过程的具体示例，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气填充的泡沫微胶囊，其具有直径 为大约1000 (im(微米)至1500 pm泡孔(cell)，而第二泡沫模板可以 是空气填充的泡沫微胶囊，其具有直径为大约250 |im至500 pm的泡 孔。这些泡沫模板可以被切割成不同的几何形状和尺寸，如上所述。 然后，所成形的泡沫模板可以通过无电镀膜技术被进一步涂敷薄金属 涂层(例如铜)。金属涂层可以包括宽范围的组分，其包括纯金属、 金属掺合物、合金、形状记忆合金以及其他。此外，应当注意，表面处理可以针对不同的泡沫模板进行调整。 例如，如果聚苯乙烯是泡沫模板，其是高度非极性且化学活性的聚合 物。功能化即磺化的程度可以通过很多参数来控制，诸如溶剂、硫 酸浓度、反应温度、反应时间、催化剂和催化剂浓度。照此，应当注 意，表面功能化化学以及随后的过程可以被修改以适应材料诸如尼龙、 聚酯、聚氨酯以及其他聚合物材料的表面化学和结构。表面功能化和 蚀刻可以包括酸处理、碱处理、氧化、硝化、磺化、磷酸化以及其他 化学处理。参见J. March, "Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure", Third Ed" John Wiley & Sons, New York (1985)，涉及磺化、温和氧化、酯化、羧化、自由基加成反应、自由基 图案反应(free radical graphing reaction)和季铵化以及类似反应的章节。
作为第一具体示例，泡沫模板可以通过诸如化学镀铜的方法进 行均匀涂敷以形成棒状泡沫物体。泡沫模板可以是填充空气的泡沫微 胶囊，其具有直径为大约1000 (微米)至1500 的泡孔。如果该泡 沫模板是聚苯乙烯，则制造方法可以包括通过暴露于H2S04的30%溶 液21小时期间而进行的聚苯乙烯棒的功能化。功能化聚合物的表面可 以利用锡-钯(Sn-Pd)活化工艺——另外被称为加晶种——进行活化。该 加晶种方法是本领域那些技术人员熟悉的。该工艺包括将聚苯乙烯棒 连续浸入酸性氯化锡(SnCl2) (0.01M)中，之后浸入酸性氯化钯(PdCl2) (0.01M)溶液中，并在两浴之间用蒸馏水漂洗。在PdCl2之后使用0.01M 氯化氢(HC1)，以从表面去除剩余的Sn化合物。每一种浴都在室温下 进行。参见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接种的聚苯乙烯棒可以被放置 在流速为73 cc/min(立方厘米/分钟)、含有CuS04 *5H20的铜(Cu)电镀 溶液、二水乙二胺四乙酸二钠(ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate) 、 NaOH、乙二胺和三乙醇胺的用甲酸活化的浴中。参 见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分钟内被电镀到功能化的、Pd接种的聚 苯乙烯棒上，之后用蒸馏水洗涤。大部分表面可以用Cu涂敷，其厚度 在0.3-0.6 pm的范围内。可选地，如果泡沫模板是空气填充的泡沫微胶囊，该泡沫微胶 囊具有直径大约250 至500 泡孔以及球形形状，那么制造方法 可以包括聚苯乙烯球的功能化和Pd加晶种，如上所述。利用同样的 Cu电镀溶液以及流速，功能化的Pd接种的聚苯乙烯球可以在4(TC被 电镀10分钟，之后进行蒸馏水洗涤。结果是，表面可以涂敷有覆盖沿 泡沬表面轮廓的0.1-0.2 iim厚的Cu膜。作为另一示例，直径为1/8英寸的固体尼龙6/6球的制造方法 可以包括如上所述利用0.01M HC1进行功能化过程10分钟来功能化和 Pd接种该固体球。此外，尼龙球可以在40'C下在流动溶液中反应4小 时5分钟，之后进行蒸馏水洗涤，这可以是上面讨论的利用活化剂的 相同的Cu电镀溶液。所得的Cu电镀膜在尼龙球上可以为10-25 ,厚。
作为另一示例性制造技术，空心的气体填充的金属壳可以利用 用于生产空心金属物体的Fraunhofer方法来制造，如在图IIA中所示。 参见例女口 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。在该实施方式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)可以用金属材料1104涂敷，该金属材料1104可以包括金属或 金属合金粉以及粘结剂。泡沫模板1102的金属材料和粘结剂1104的 涂层可以在容器1106中通过流化床涂敷方法来完成。涂敷有金属或金属合金粉和粘结剂层1108所得到的聚合物泡沫模板可以经历熔炉 1110进行退火。在该熔炉中，聚合物泡沫模板可以进行热分解或者反 应成挥发性反应产物，其可以通过扩散经过部分烧结的金属或金属合 金壁而被去除。随后，温度可以被升高以除去剩余的粘结剂，并且金 属材料被烧结以获得密集的金属或金属合金壳。得到的可压縮物体 1112可以在冷却后被用作可变密度钻井泥浆的一部分。可选的制造方法描述在图11B中。在图11B中，规则或不规
则成形的金属或金属合金空心物体可以通过在泡沫模板上形成金属或 金属合金层诸如镍层来制造，这是通过将气相沉淀到一次性泡沫模板
上进行的。在该实施方式1120中，提供泡沫模板1122，其可以是闭孔 聚合物泡沫模板。泡沫模板1122被涂敷颜料1124，诸如炭黑或气体吸 收红外辐射的其他颜料，形成涂敷的泡沫模板1126。涂敷的泡沫模板 1126然后被放置在充满气体1128的容器中，诸如羰基镍气体。涂敷的 泡沫模板1126然后经历红外辐射1130，其加热涂敷的泡沫模板1126 的涂敷表面。作为红外辐射1130的结果，羰基涂层在涂敷的泡沫模板 1126的表面分解，形成金属涂层1132，诸如在泡沬模板1134上的镍。 金属涂敷的泡沫模板1134然后在熔炉1136中在足以使泡沫模板分解 的高温下被烧结，并且分解产物通过在烧结过程中扩散经过金属层被 去除。结果是，形成具有空心内部的可压縮物体1138。 对可压縮物体进行改良以解决局部应变作为另外的实施方式，可压縮物体的构造可以被修改以分布在 膨胀和压縮状态所经历的局部应变。例如，FEA模拟显示，在上面讨 论的回转椭圆体的情况下，覆盖层弯曲不稳定性的严重度随壁厚增加 以及初始纵横比减小而增加，而赤道弯曲不稳定性的严重度随壁厚减 小以及纵横比增加而增加。为扩大可压縮物体构造的设计窗口，可压 縮物体的壁厚可以作如下改变在孔处较薄而在赤道处较厚。壁厚的
调整可以在每一实施方式中提供支持，以解决可压缩物体不同区域中 应变的局部化。从孔到赤道(equator)的壁厚变化可以以与上面讨论 的一些制造技术一致的方式进行。可选地， 一个或多个结构部件例如凸缘可以被添加至可压縮物 体。这些结构部件诸如凸缘可以降低可压縮物体的壳的局部化应变。例如，如果结构部件是凸缘，其可以被增加至可压縮物体的赤道处，
以支撑对抗不稳定的赤道带(叫uatorialbelt)。该凸缘可以沿着可压縮
物体的赤道分布分配变形力，以将应变从局部化区域传开。例如，如
在图12A-12C中所示，将凸缘1202加至10微米壁厚椭圆形物体的作 用在不同状态下被显示。在该示例中，椭圆形物体可以具有1500 psig 的膨胀内压，并由具有大约0'C的奥氏体-马氏体转变温度的形状记忆 合金的假弹性材料诸如NiTi合金形成。在图12A中，可压縮物体，其 为具有凸缘1202的椭圆形可压縮物体，其处于初始状态1200。该椭圆 形物体以膨胀状态1204显示在图12B中并且以压縮状态1206显示在 图12C中。如在图12A-12C中所示，凸缘1202分配局部应变，以降 低椭圆形物体所经历的最大应变。添加凸缘的益处在图13中进行进一 步的讨论。图13是按照本技术某些方法，关于向可压縮物体添加凸缘的 示例性图。在图13中，FEA模拟被用于产生具有凸缘的第一可压縮物 体和无凸缘的第二可压縮物体的最大应变1302对压縮比1304的图 1300。图1300包括第一可压縮物体——具有10微米的壁厚和125微 米宽的凸缘，其可以是图12A-12C的椭圆形物体——的第一响应曲线 1306，和第二可压縮物体——其具有10微米的壁厚，无凸缘——的第 二响应曲线1308。在图1300中，直线1310表示NiTi合金的近似最大 可恢复应变，而直线1312表示实现上面讨论的物体的期望疲劳寿命所 需的近似最大允许应变。如在图1300所示，凸缘的添加降低了具有相同结构和壁厚的 椭圆形物体所经历的最大应变。因此，赤道凸缘可以被用于扩大可压 縮物体的设计窗口，其在永久变形极限之下。赤道凸缘的添加可以以与上面讨论的某些制造技术一致的方 式进行。作为示例，从金属合金片制造可压縮物体以及在赤道凸缘处 进行随后的连接可以通过修改现有制造方法来调整，以提供具有特定 宽度的凸缘。
利用加重剂和其他流体获得确定的可变密度钻井泥浆如上所述，可变密度钻井泥浆118(图l)可以包括可压縮物体以
及钻井液。钻井液的选择可以包括从多种可用流体中选择主要液相组
48分。这些流体包括水、油或水和油的结合。在考虑包括成本、与地层 的相容性、环境影响等之类的几种因素之后，选择液相。加入加重剂， 以调节钻井泥浆密度。加入增粘剂，以使加重剂以及所钻出的岩屑悬 浮。其他添加剂提供过滤控制，以防止液相移动进入地层或者帮助将 自由水乳化进入油相。为补偿可压縮物体，钻井液可以包括加重剂和其他流体，以管 理井筒内的可变密度钻井泥桨的密度。加重剂可以包括重晶石(硫酸 钡)、赤铁矿(氧化铁)、方铅矿(硫化铅)和其他合适的材料，尽管其他掺 合剂可以包括诸如钠、钾和铯的甲酸盐以及其他合适的材料。
加重剂被添加至钻井液中以使钻井液密度增加至大于含水 (水)非水(油或合成)基液。例如，加重剂可以包括重晶石(硫酸钡)、 赤铁矿(氧化铁)、方铅矿(硫化铅)和其他合适的材料。这些加重剂被用
于实现从地面至目标深度(TD)的期望组成泥浆密度剖面。因为井筒
内的压力通常随深度增加，诸如可压縮物体的低密度可压縮物体在地 面附近处于未压縮状态，而在朝向井筒底部时处于压縮状态。当可压 縮物体处于来自井下压力的压縮状态时，可变密度钻井泥浆的成分密 度可以被保持以防止流体从地层流入，并且被限制为不超过地层压裂 压力梯度。当可压縮物体在较浅深度处于未压縮状态时，地层可暴露 于可变密度钻井泥浆，且岩石层不再坚固，并且地层流体压力通常降 低。因此，可压縮物体的未压縮状态可以被用于降低可变密度钻井泥 浆的泥浆密度。因此，不同的加重剂可被用在钻井液中，以增加井筒 较浅节段的密度，来补偿可压縮物体的膨胀。例如，重晶石(硫酸钡)可以被用于增加可变密度钻井泥浆118 的密度。使用重晶石作为钻井液中的加重剂的优势是该材料的低成本 和高可得性。重晶石具有最纯形式的4.5 g/cc(克/立方厘米)的密度， 钻井级重晶石为至少4.2 g/cc，以维持美国石油协会(American Petroleum Institute)品牌。为提供高钻井泥浆密度，大浓度的重晶石泥 浆可以被悬浮在钻井液中。例如，密度可高达19ppg (磅/加仑)(2.3 g/cc) 的钻井液可以含有按体积计近似40%的重晶石。随着固体的体积百分 比增加，钻井液的粘度，特别是在高剪切率下，变得非常高，并且经 过循环或井筒系统的摩擦压降变得非常高。因此，含有重晶石的钻井
49液可以在地面条件下以按体积计可高达40%与可压縮物体结合。该结 合的结果提供了较高的粘度，其中可压縮物体是未压縮的(在地面和浅 层深度处)。通过使用具有较高密度的材料诸如赤铁矿(氧化铁)或方铅矿 (硫化铅)，可以获得具有较低体积百分比(％)加重材料的类似密度的可
变密度钻井泥浆。赤铁矿具有5.05 g/cc的最小API密度，并且可以增
加钻井液密度且总固体浓度比重晶石低。然而，具有赤铁矿的钻井液 可比具有重晶石的钻井液更具研磨性，这可导致对设备的过早损坏或 磨损，所述设备例如诸如泥浆泵、地面设备、钻柱管道系统和井下工
具(即电动机)、测井和测量设备。方铅矿(硫化铅)具有7.5g/cc的密度， 并且可以被用于获得高密度且固体体积比重晶石小大约40%。方铅矿 是相对柔软的矿物，并且不会过早磨损设备。在可选的实施方式中，代替加重剂或者除加重剂之外，掺合剂 可以与可压缩物体一起使用。这些掺合剂可以包括甲酸盐，诸如钠、 钾和铯。例如，甲酸铯的水溶液可以产生大约2.4g/cc的无固体(无加 重剂)密度。甲酸铯溶液的密度几乎等于典型的岩石或岩屑密度。结 果是，在此种掺合剂的情况下，岩屑往往不在钻井液中沉淀。当甲酸 铯溶液与可压縮物体掺合时，可变密度钻井泥浆可以在高压下提供高 密度，此时可压縮物体处于压縮状态(即在井筒深处)。然而，在可压縮 物体处于膨胀状态的较浅深度，可变密度钻井液的密度被降低。利用 这种流体，膨胀可压縮物体增加的体积百分比(％)自然增加体积粘度并 有助于岩屑的输送。通过加入增粘剂诸如天然出现的膨润土或合成聚合物，可以提 供附加的粘度，以降低岩屑和可压縮物体由于钻屑/可压縮物体与钻井 液之间的密度差而倾向于沉降的速率。这些类型的增粘剂有助于切屑 输送，而钻井液正在循环并且当流动停止时促进钻井液的胶凝作用， 因此降低切屑沉降速度和可压縮物体沉降速度。取决于其压縮状态以 及井筒内的可压縮物体密度，可压縮物体往往趋向于在钻井液内升高 或下降。在小于压縮物体或颗粒所需的压力的外部压力下，可压縮物 体通常具有比钻井液低的密度。此处，可压縮物体倾向于在液内上升， 直到粘度足以阻止移动。当外部压力足够高而提供充分的物体压缩时，
50可压縮物体密度可以达到或超过钻井液的密度。在这种环境中，可压 縮物体相对于液可以不移动，或者甚至可以倾向于在液内下降，直到 粘度足以阻止移动。尽管本发明的技术可以容易地进行修改和可选形式，然而上面 讨论的示例性实施方式已经通过实例的方式显示。然而，再次应当理 解，本发明部意图限于在此所公开的具体实施方式
。的确，本发明的 技术意欲覆盖落在如由所附权利要求书定义的本发明精神和范围之内 的所有修改、等价物和可选物。
权利要求
1. 可压缩物体，其包括封闭内部区域的壳，其中所述可压缩物体具有(i)在大气压下为大约200磅/平方英寸以上并且(ii)针对预定外压而选择的内压，其中超出内压的外压降低可压缩物体的体积，其中所述壳被设计为在所述可压缩物体的膨胀和压缩过程中补偿该可压缩物体的局部应变。
2. 根据权利要求1所述的可压縮物体，其中当所述外压超过所述内压 时，气体在所述壳内的压縮控制所述可压缩物体的压缩。
3. 根据权利要求1所述的可压縮物体，其中所述可压縮物体具有在大 气压下大约500磅/平方英寸以上的内压。
4. 根据权利要求1所述的可压縮物体，其中当外压大约等于内压时所 述壳经受的应变小于当所述外压大于或小于所述内压时的应变。
5. 根据权利要求1所述的可压缩物体，其中所述壳具有一个或多个结 构部件以降低局部应变。
6. 根据权利要求5所述的可压縮物体，其中所述一个或多个结构部件 包括凸缘。
7. 根据权利要求1所述的可压縮物体，其中所述壳的壁厚在所述可压 縮物体的表面上是可变的，以降低局部应变。
8. 根据权利要求1所述的可压縮物体，其中所述壳的壁厚在所述可压 縮物体的赤道处较厚，以降低局部应变。
9. 根据权利要求1所述的可压缩物体，其中所述可压缩物体具有在大 气压下大约2000磅/平方英寸以上的内压。
10. 根据权利要求1所述的可压縮物体，其中当所述外压大约等于所述 内压时，所述可压縮物体是纵横比在2与5之间的椭圆体物体。
11. 根据权利要求1所述的可压縮物体，其中当所述外压大约等于所述 内压时，所述可压縮物体是纵横比在3与4之间的椭圆体物体。
12. 根据权利要求1所述的可压縮物体，其中所述壳具有在从20至200 范围内的当量直径与壁厚比。
13. 根据权利要求1所述的可压縮物体，其中所述壳具有在从50至100 范围内的当量直径与壁厚比。
14. 根据权利要求1所述的可压縮物体，其中所述壳包括在聚合物基体 中的页状剥落型无机矿物质作为再加强物或者作为对气体渗透的屏 障。
15. 根据权利要求14所述的可压縮物体，其中所述壳包括在所述聚合 物基体中的纳米纤维加强物，以获得特定的壁材料性能。
16. 根据权利要求1所述的可压縮物体，其中所述壳包括气体渗透屏障 层和结构层。
17. 根据权利要求16所述的可压縮物体，其中所述气体渗透屏障层包 括金属或金属合金层并且所述结构层包括聚合物层。
18. 根据权利要求16所述的可压縮物体，其中所述气体渗透屏障层是 在所述结构层的外部形成。
19. 根据权利要求16所述的可压缩物体，其中所述气体渗透屏障层是 在所述结构层的内部形成。
20. 根据权利要求1所述的可压縮物体，其中当所述外压小于所述内压 时，所述可压縮物体的当量直径在0.1毫米至50毫米的范围内。
21. 根据权利要求1所述的可压縮物体，其中当所述外压小于所述内压 时，所述可压缩物体的当量直径在0.1毫米至5.0毫米的范围内。
22. 钻井泥浆，其包括-可压縮物体，其中至少一部分可压縮物体中的每一种均具有(i) 在大气压下为大约200磅/平方英寸以上并且(ii)针对预定压力而选择的内压，其中超过所述内压的外压减小所述可压縮物体的体积，并且 其中所述壳被设计为补偿所述可压縮物体膨胀和压縮过程中所述可压 缩物体的局部应变；和钻井液，其中当所述钻井液和所述可压缩物体朝向井筒表面循环 时，由于所述可压縮物体响应压力变化而发生体积变化，所以所述钻 井泥浆的密度改变。
23. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中当所述外压超过所述内压时，气体在所述可压縮物体内的压縮控制所述可压縮物体的压縮。
24. 根据权利要求22所述的钻井泥衆，其中至少一部分所述可压縮物 体中的每一个均具有在大气压下大约500磅/平方英寸以上的内压。
25. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述可压缩物体包括具有 第一内压的所述可压縮物体的第一部分，以及具有第二内压的所述可 压縮物体的第二部分，其中所述第二内压不同于所述第一内压。
26. 根据权利要求25所述的钻井泥浆，进一步包括具有第三内压的所 述可压縮物体的第三部分，其中所述第三内压不同于所述第一内压和 所述第二内压。
27. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述可压縮物体的当量直 径在0.1毫米至50毫米之间的范围内。
28. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述所述可压縮物体的当 量直径在0.1毫米至5.0毫米之间的范围内。
29. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述可压縮物体包括大气 压下具有第一体积的所述可压縮物体的第一部分，以及大气压下具有第二体积的所述可压缩物体的第二部分，其中所述第二体积不同于所 述第一体积。
30. 根据权利要求29所述的钻井泥浆，进一步包括大气压下具有第三 体积的所述可压縮物体的第三部分，其中所述第三体积不同于所述第 二体积和所述第一体积。
31. 根据权利要求29所述的钻井泥浆，其中所述可压縮物体包括具有第一形状的所述可压縮物体的第一部分和具有第二形状的所述可压縮 物体的第二部分，其中所述第二形状不同于所述第一形状。
32. 根据权利要求22所述的钻井泥桨，其中所述可压缩物体中的每一 个均具有壳，其中所述壳被设置为当外压大约等于内压时经受的应变 小于当所述外压大于内压或小于所述内压时的应变。
33. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述可压縮物体中的每一 个均被设置为补偿所述可压缩物体膨胀和压縮过程中所述可压縮物体 的局部应变和不稳定性。
34. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述可压縮物体中的每一 个均具有一个或多个结构部件以降低局部应变。
35. 根据权利要求34所述的钻井泥桨，其中所述一个或多个结构部件 包括凸缘。
36. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述可压縮物体中的每一 个均具有壳，其中所述壳的壁厚在所述壳的表面上是变化的，以降低 局部应变。
37. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述可压縮物体中的每一 个均具有壳，其中所述壳的壁厚在所述可压縮物体的赤道处较厚，以 降低局部应变。
38. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述可压縮物体中的每一 个均具有在大气压下大约2000磅/平方英寸以上的内压。
39. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中当所述外压大约等于所述 内压时，所述可压縮物体是纵横比在2与5之间的椭圆体物体。
40. 根据权利要求22所述的钻井泥桨，其中当所述外压大约等于所述 内压时，所述可压縮物体是纵横比在3与4之间的椭圆体物体。
41. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述可压缩物体中的每一 个均具有壳，其中所述壳具有在从20至200范围内的当量直径与壁厚 比。
42. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述可压缩物体中的每一 个均具有壳，其中所述壳具有在从50至100范围内的当量直径与壁厚 比。
43. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述可压縮物体中的每一 个均具有壳，其中所述壳包括在聚合物基体中的页状剥落型无机矿物 质作为再加强物或者作为对气体渗透的屏障。
44. 根据权利要求43所述的钻井泥浆，其中所述壳包括在所述聚合物 基体中的纳米纤维再加强物，以获得特定的壁材料性能。
45. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述可压縮物体中的每一 个均具有壳，其中所述壳包括气体渗透屏障层和结构层。
46. 根据权利要求45所述的钻井泥浆，其中所述气体渗透屏障层包括 金属或金属合金层并且所述结构层包括聚合物层。
47. 根据权利要求45所述的钻井泥桨，其中所述气体渗透屏障层是在 所述结构层的外部形成。
48. 根据权利要求45所述的钻井泥浆，其中所述气体渗透屏障层是在 所述结构层的内部形成。
49. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，进一步包括加重剂，以控制所 述钻井液以及多数所述可压縮物体的密度。
50. 根据权利要求49所述的钻井泥浆，其中所述加重剂包括重晶石、 赤铁矿、方铅矿和它们的任意组合之一。
51. 根据权利要求22所述的钻井泥浆，进一步包括甲酸盐，以控制泥 浆系统中所述钻井泥浆的密度并减少不溶性加重剂的添加，所述加重 剂倾向于增加所述钻井液和所述可压缩物体的粘度。
52. 与钻井有关的方法，其包括选择可压縮物体，其中至少一部分可压縮物体中的每一种均具有 (i)在大气压下为大约200磅/平方英寸以上并且(ii)针对预定压力 而选择的内压，其中超过所述内压的外压减小所述可压縮物体的体积； 选择钻井液；向所述钻井液引入所述可压縮物体以形成可变密度钻井泥浆，其 中当所述可变密度钻井泥浆朝向井的表面循环时，所述可变密度钻井 泥浆提供位于至少一个井层段的孔隙压力梯度与破裂压力梯度之间的 密度；和在井的位置处用所述可变密度钻井泥浆来钻井筒。
53. 根据权利要求52所述的方法，其中所述可压縮物体具有在大气压 下大约500磅/平方英寸以上的内压。
54. 根据权利要求52所述的方法，其中所述可压縮物体中的每一个均 具有壳，所述壳被设置为当所述外压大约等于内压时经受的应变小于 当所述外压大于所述内压或小于所述内压时的应变。
55. 根据权利要求52所述的方法，其中所述可压縮物体中的每一个均 具有多个状态，所述多个状态包括在大气压下具有第一体积的第一状 态，在井筒内具有第二体积的第二状态，以及在井筒内具有第三体积 的第三状态，其中所述第三体积小于所述第一体积并大于所述第二体 积，并且所述内压在所述第三状态下在所述可压縮物体的壁上表现出 的应变小于在所述第一状态和所述第二状态下表现出的应变。
56. 根据权利要求52所述的方法，进一步包括将加重剂掺合到所述钻 井液中，以控制所述钻井液和所述可压縮物体的密度。
57. 根据权利要求52所述的方法，其中所述可压縮物体具有在大气压 下大约1500磅/平方英寸以上的内压。
58. 根据权利要求52所述的方法，其中所述可压縮物体中的每一个均 具有一个或多个结构部件以降低局部应变。
59. 根据权利要求58所述的方法，其中所述一个或多个结构部件包括凸缘。
60. 根据权利要求52所述的方法，其中当所述外压大约等于所述内压时，所述可压縮物体是纵横比在2与5之间的椭圆体物体。
61. 根据权利要求52所述的方法，其中当所述外压大约等于所述内压时，所述可压縮物体是纵横比在3与4之间的椭圆体物体。
62. 根据权利要求52所述的方法，其中所述可压縮物体中的每一个均具有壳，所述壳具有在从20至200范围内的当量直径与壁厚比。
63. 根据权利要求52所述的方法，其中所述可压縮物体中的每一个均具有壳，所述壳具有在从50至100范围内的当量直径与壁厚比。
64. 根据权利要求52所述的方法，其中所述可压缩物体中的每一个均具有壳，所述壳包括气体渗透屏障层和结构层。
65. 根据权利要求64所述的方法，其中所述气体渗透屏障层包括金属或金属合金层并且所述结构层包括聚合物层。
66. 根据权利要求52所述的方法，进一步包括结合加重剂与所述钻井液，其中所述加重剂包括重晶石、赤铁矿、方铅矿和它们的任意组合之一。
67. 根据权利要求66所述的方法，进一步包括结合甲酸盐与所述钻井液，以控制泥浆系统中所述钻井液和可压缩物体的密度并最小化不溶性加重剂的添加，所述加重剂倾向于增加所述钻井液和所述可压缩物体的粘度。
68. 与烃生产有关的方法，其包括选择可压缩物体，其中至少一部分可压縮物体中的每一种均具有(i)在大气压下为大约200磅/平方英寸以上并且(ii)针对预定井压而选择的内压，其中超过内压的外压减小所述可压缩物体的体积；选择钻井液；向所述钻井液引入所述可压縮物体以形成可变密度钻井泥浆，其 中当所述可变密度钻井泥浆朝向井的表面循环时，所述可变密度钻井 泥浆提供位于孔隙压力梯度与破裂压力梯度之间的密度；用所述可变密度钻井泥浆来钻井筒；和从所述井筒生产烃。
69. 用于形成可变密度钻井泥浆的方法，其包括选择可压縮物体，其中至少一部分可压縮物体中的每一种均具有(i)在大气压下为大约200磅/平方英寸以上并且(ii)针对预定井压 而选择的内压，其中超过所述内压的外压减小所述可压縮物体的体积； 选择与所述可压縮物体结合的钻井液；掺合所述可压缩物体与所述钻井液以形成可变密度钻井泥桨，其 中当所述可变密度钻井泥浆朝向井的表面循环时，所述可变密度钻井 泥浆保持位于至少一个井层段的孔隙压力梯度与破裂压力梯度之间的 密度。
70. 根据权利要求69所述的方法，其中所述可压縮物体具有在大气压 下大约500磅/平方英寸以上的内压。
71. 根据权利要求69所述的方法，其中所述可压縮物体具有在大气压 下大约1500磅/平方英寸以上的内压。
72. 根据权利要求69所述的方法，其中所述可压縮物体中的每一个均 具有壳，其中所述壳被设置为当所述外压大约等于内压时经受的应变 小于当所述外压大于所述内压或小于所述内压时的应变。
73. 根据权利要求69所述的方法，其中所述可压縮物体中的每一个均 具有多个状态，所述多个状态包括在大气压下具有第一体积的第一状 态，在井筒内具有第二体积的第二状态，以及在井筒内具有第三体积 的第三状态，其中所述第三体积小于所述第一体积并大于所述第二体 积，并且所述内压在所述第三状态下在所述可压縮物体的壁上表现出 的应变小于在第一状态和第二状态下表现出的应变。
74. 根据权利要求69所述的方法，进一步包括将加重剂掺合到所述钻井液中，以控制所述钻井液和所述可压縮物体的密度。
75. 根据权利要求69所述的方法，其中所述可压縮物体中的每一个均具有在大气压下大约1500磅/平方英寸以上的内压。
76. 根据权利要求69所述的方法，其中所述可压缩物体中的每一个均具有一个或多个结构部件以降低局部应变。
77. 根据权利要求76所述的方法，其中所述一个或多个结构部件包括凸缘。
78. 根据权利要求69所述的方法，其中当所述外压大约等于所述内压时，所述可压縮物体中的每一个均是纵横比在2与5之间的椭圆体物体。
79. 根据权利要求69所述的方法，其中当所述外压大约等于所述内压时，所述可压縮物体中的每一个均是纵横比在3与4之间的椭圆体物体。
80. 根据权利要求69所述的方法，其中所述可压縮物体中的每一个均具有壳，所述壳具有在从20至200范围内的当量直径与壁厚比。
81. 根据权利要求69所述的方法，其中所述可压縮物体中的每一个均具有壳，所述壳具有在从50至100范围内的当量直径与壁厚比。
82. 根据权利要求69所述的方法，其中所述可压縮物体中的每一个均具有壳，所述壳包括气体渗透屏障层和结构层。
83. 根据权利要求82所述的方法，其中所述气体渗透屏障层包括金属或金属合金层并且所述结构层包括聚合物层。.
84. 根据权利要求69所述的方法，进一步包括结合加重剂与所述钻井液，其中所述加重剂包括重晶石、赤铁矿、方铅矿和它们的任意组合之一。
85. 根据权利要求84所述的方法，进一步包括结合甲酸盐与所述钻井液，以控制泥浆系统中所述钻井液和可压縮物体的密度并最小化不溶性加重剂的添加，所述加重剂倾向于增加所述钻井液和所述可压縮物体的粘度。
86. 与钻井筒有关的系统，其包括井筒；布置在所述井筒内的可变密度钻井泥浆，其中所述可变密度钻井泥浆具有可压縮物体和钻井液，其中至少一部分所述可压縮物体中的每一种均具有(0在大气压下为大约200磅/平方英寸以上并且(ii)针对预定井压而选择的内压，其中超过所述内压的外压减小所述可压縮物体的体积，并且其中所述壳被设计为补偿所述可压縮物体膨胀和压縮过程中补偿所述可压縮物体的局部应变；布置在所述井筒内的钻柱；和底部钻具组合，其与所述钻柱连接并被布置在所述井筒内。
87. 根据权利要求86所述的系统，其中所述多个可压縮物体中的每一个均具有在大气压下大约500磅/平方英寸以上的内压。
88. 根据权利要求86所述的系统，其中所述可压縮物体包括具有第一内压的所述可压缩物体的第一部分，以及具有第二内压的所述可压縮物体的第二部分，其中所述第二内压不同于所述第一内压。
89. 根据权利要求88所述的系统，进一步包括具有第三内压的所述可压縮物体的第三部分，其中所述第三内压不同于所述第一内压和所述第二内压。
90. 根据权利要求86所述的系统，其中所述可压縮物体包括在所述井筒的表面具有第一体积的所述可压縮物体的第一部分，以及在所述井筒的表面具有第二体积的所述可压縮物体的第二部分，其中所述第二体积不同于所述第一体积。
91. 根据权利要求90所述的系统，进一步包括在所述井筒的表面具有第三体积的所述可压缩物体的第三部分，其中所述第三体积不同于所述第二体积和所述第一体积。
92. 根据权利要求90所述的系统，其中所述可压縮物体包括具有第一形状的所述可压缩物体的第一部分和具有第二形状的所述可压缩物体的第二部分，其中所述第二形状不同于所述第一形状。
93. 根据权利要求86所述的系统，其中所述可压縮物体中的每一个均具有壳，其中所述壳被设置为当外压大约等于内压时经受的应变小于当所述外压大于内压或小于所述内压时的应变。
94. 根据权利要求93所述的系统，其中所述可压縮物体中的每一个均被设置为补偿所述可压缩物体膨胀和压缩过程中所述可压縮物体的局部应变和不稳定性。
95. 根据权利要求86所述的系统，其中所述可压縮物体中的每一个均具有一个或多个结构部件以降低局部应变。
96. 根据权利要求95所述的系统，其中所述一个或多个结构部件包括凸缘。
97. 根据权利要求86所述的系统，其中所述可压缩物体中的每一个均具有壳，其中所述壳的壁厚在所述壳的表面上是变化的，以降低局部应变。
98. 根据权利要求86所述的系统，其中所述可压縮物体中的每一个均具有壳，其中所述壳的壁厚在所述可压縮物体的赤道处较厚，以降低局部应变。
99. 根据权利要求86所述的系统，其中所述可压縮物体中的每一个均具有大约1500磅/平方英寸以上的内压。
100. 根据权利要求86所述的系统，其中所述外压大约等于所述内压时，所述可压縮物体中的每一个均是纵横比在2与5之间的椭圆体物体。
101. 根据权利要求86所述的系统，其中所述外压大约等于所述内压 时，所述可压縮物体中的每一个均是纵横比在3与4之间的椭圆体物 体。
102. 根据权利要求86所述的系统，其中所述可压縮物体中的每一个均 具有壳，其中所述壳具有在从20至200范围内的当量直径与壁厚比。
103. 根据权利要求86所述的系统，其中所述可压縮物体中的每一个均 具有壳，其中所述壳具有在从50至100范围内的当量直径与壁厚比。
104. 根据权利要求86所述的系统，其中所述可压縮物体中的每一个均 具有壳，其中所述壳包括在聚合物基体中的页状剥落型无机矿物质作 为加强物或者作为对气体渗透的屏障。
105. 根据权利要求104所述的系统，其中所述壳包括在所述聚合物基 体中的纳米纤维加强物，以获得特定的壁材料性能。
106. 根据权利要求86所述的系统，其中所述可压缩物体中的每一个均 具有壳，其中所述壳包括气体渗透屏障层和结构层。
107. 根据权利要求106所述的系统，其中所述气体渗透屏障层包括金 属或金属合金层并且所述结构层包括聚合物层。
108. 根据权利要求106所述的系统，其中所述气体渗透屏障层是在所 述结构层的外部形成。
109. 根据权利要求106所述的系统，其中所述气体渗透屏障层是在所 述结构层的内部形成。
全文摘要
描述了可压缩物体，其可以被用在钻井泥浆中，并且与钻井系统一起管理钻井泥浆的密度。该可压缩物体包括封闭内部区域的壳。而且，该可压缩物体具有(i)在大气压下为大约200磅/平方英寸以上并且(ii)针对预定外压而选择的内压，其中超出内压的外压会降低可压缩物体的体积，其中所述壳被设计为在可压缩物体的膨胀和压缩过程中降低该可压缩物体的局部应变。
文档编号E21B23/02GK101460696SQ200780020972
公开日2009年6月17日 申请日期2007年5月4日 优先权日2006年6月7日
发明者B·卡斯滕森, D·G·派弗, M·J·卢顿, N·M·波库特洛维茨, P·M·斯皮克, R·S·佩雷斯, R·古普塔 申请人:埃克森美孚上游研究公司