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.pdf

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。

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所述的可压缩物体，其中当所述外压超过所述内压时，气体在所述壳内的压缩控制所述可压缩物体的压缩。

3.  根据权利要求1所述的可压缩物体，其中所述可压缩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所述的可压缩物体，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所述的可压缩物体，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所述的可压缩物体，其中所述壳的壁厚在所述可压缩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所述的可压缩物体，其中所述壳的壁厚在所述可压缩物体的赤道处较厚，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所述的可压缩物体，其中当所述外压大约等于所述内压时，所述可压缩物体是纵横比在2与5之间的椭圆体物体。

11.  根据权利要求1所述的可压缩物体，其中当所述外压大约等于所述内压时，所述可压缩物体是纵横比在3与4之间的椭圆体物体。

12.  根据权利要求1所述的可压缩物体，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所述的可压缩物体，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所述的可压缩物体，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所述的可压缩物体，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所述的可压缩物体，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所述的可压缩物体，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所述的可压缩物体，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所述的可压缩物体，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50毫米的范围内。

21.  根据权利要求1所述的可压缩物体，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：
可压缩物体，其中至少一部分可压缩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缩物体的体积，并且其中所述壳被设计为补偿所述可压缩物体膨胀和压缩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，由于所述可压缩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，气体在所述可压缩物体内的压缩控制所述可压缩物体的压缩。

24.  根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中至少一部分所述可压缩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缩物体的第一部分，以及具有第二内压的所述可压缩物体的第二部分，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缩物体的第三部分，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，其中所述可压缩物体的当量直径在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，其中所述所述可压缩物体的当量直径在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，其中所述可压缩物体包括大气压下具有第一体积的所述可压缩物体的第一部分，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。

31.  根据权利要求29所述的钻井泥浆，其中所述可压缩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。

32.  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，其中所述可压缩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缩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。

35.  根据权利要求34所述的钻井泥浆，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。

37.  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，其中所述壳的壁厚在所述可压缩物体的赤道处较厚，以降低局部应变。

38.  根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中所述可压缩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，所述可压缩物体是纵横比在2与5之间的椭圆体物体。

40.  根据权利要求22所述的钻井泥浆，其中当所述外压大约等于所述内压时，所述可压缩物体是纵横比在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，其中所述可压缩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。

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所述的钻井泥浆，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缩物体的密度。

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：
选择可压缩物体，其中至少一部分可压缩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缩物体的体积；
选择钻井液；
向所述钻井液引入所述可压缩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，其中所述可压缩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，其中所述可压缩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，其中所述可压缩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缩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缩物体的密度。

57.  根据权利要求52所述的方法，其中所述可压缩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。

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，所述可压缩物体是纵横比在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，所述可压缩物体是纵横比在3与4之间的椭圆体物体。

62.  根据权利要求52所述的方法，其中所述可压缩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，其中所述可压缩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缩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缩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：
选择可压缩物体，其中至少一部分可压缩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缩物体的体积；
选择与所述可压缩物体结合的钻井液；
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，其中所述可压缩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，其中所述可压缩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，其中所述可压缩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，其中所述可压缩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缩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缩物体的密度。

75.  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，所述可压缩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，所述可压缩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，其中所述可压缩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，其中所述可压缩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。

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。

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缩物体和钻井液，其中至少一部分所述可压缩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缩物体的体积，并且其中所述壳被设计为补偿所述可压缩物体膨胀和压缩过程中补偿所述可压缩物体的局部应变；
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，其中所述多个可压缩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，其中所述可压缩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缩物体的第二部分，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缩物体的第三部分，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，其中所述可压缩物体包括在所述井筒的表面具有第一体积的所述可压缩物体的第一部分，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。

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，其中所述可压缩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。

94.  根据权利要求93所述的系统，其中所述可压缩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缩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。

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，其中所述可压缩物体中的每一个均具有壳，其中所述壳的壁厚在所述可压缩物体的赤道处较厚，以降低局部应变。

99.  根据权利要求86所述的系统，其中所述可压缩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，所述可压缩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，所述可压缩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。

103.  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，其中所述可压缩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。

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
相关申请的交叉参考
[0001]本申请要求于2006年6月7日提交的美国临时申请号60/811,620的权益。
技术领域
[0002]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
[0003]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。
[0004]烃例如油和气的生产已经进行多年。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已经安装的套管柱，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。
[0005]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)一起增加，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。
[0006]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。
[0007]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Polizzotti等的国际专利申请公布WO 2006/007347中所述，可压缩物体可包括各种形状或结构的可压缩或可胀缩的空心物体。这些可压缩物体被选择来响应压力和/或温度变化获得有利的压缩。这些可压缩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。
[0008]然而，在可变密度钻井泥浆中使用可压缩物体可能具有挑战性。例如，可压缩物体必须被制造成提供一定的压缩量并且是有弹性的。此外，可压缩物体必须被设计为在一定压力下压缩，以便在井筒内的特定层段中提供体积变化。另外，与可压缩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缩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缩物体的方法存在需求。
[0009]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
[0010]在一个实施方式中，描述了可压缩物体。该可压缩物体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(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缩过程中补偿该可压缩物体的局部应变。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200psi至壳材料的拉伸强度、大气压下2000psi至壳材料的拉伸强度，和/或大气压下1500psi至3500psi。
[0011]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缩物体，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补偿该可压缩物体的局部应变。此外，钻井泥浆包括钻井液，其中当钻井液和可压缩物体朝向井筒表面循环时，由于可压缩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。
[0012]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：选择可压缩物体，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；向钻井液引入可压缩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。
[0013]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：选择可压缩物体，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；选择与该可压缩物体结合的钻井液；掺合可压缩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。
[0014]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缩物体和钻井液，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。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。
附图说明
[0015]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：
[0016]图1是按照本技术的一些方面的示例性钻井系统的图解；
[0017]图2A-2D是按照本技术的方面，可压缩物体的示例性图表和实施方式；
[0018]图3A-3C是按照本技术的方面，处于不同状态的可压缩物体的示例性实施方式；
[0019]图4是按照本技术的方面，不同形状的可压缩物体的示例性图表；
[0020]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图；
[0021]图6是根据本技术的一些方面，选择和制造用于图5中流程图的可压缩物体的示例性流程图；
[0022]图7是按照本技术的一些方面，与可压缩物体形状有关的示例性图表；
[0023]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；
[0024]图9是按照本技术的一些方面，在具有泡沫样板的可压缩物体的情况下，在图6流程图中所用的制造工艺的示例性流程图；
[0025]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缩物体的示例性实施方式；
[0026]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；
[0027]图12A-12C是按照本技术的一些方面，具有凸缘的可压缩物体的实施方式；和
[0028]图13是按照本技术的一些方面，与将凸缘加至可压缩物体有关的示例性图表。
具体实施方式
[0029]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。
[0030]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缩物体。具体而言，可压缩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。可压缩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，可压缩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。可压缩物体可以包括各种形状的可压缩或可胀缩空心物体，诸如球形、立方形、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缩。另外，如下所述，可压缩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，以选择和制造可压缩物体。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。
[0031]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。
[0032]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)。
[0033]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缩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，可压缩物体应当具有基本可恢复的承载壁和针对该压缩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缩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。
[0034]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已经在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缩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缩循环可能是可压缩物体的限制因素。照此而言，制造可压缩物体的过程可能必须包括影响可压缩物体的耐久性和性能的各种因素，如在下面进一步讨论。
[0035]在开始之前，应当注意，大的压缩比是必需的，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缩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，可压缩物体应当具有一些性能，该性能适于提供大的压缩比以及在一些压力范围或水平内开始压缩。空心物体的压缩比——其为可压缩物体的一个实施方式——可受到初始未压缩体积(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ΔP的壳内压缩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缩物体的壁来提供。因此，可压缩物体可以优选被设计为使得可压缩物体的压缩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。
[0036]另外，可压缩物体的预定外压或压缩深度以及预定压缩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，可压缩物体从地面压缩预定的压缩层段或范围，其向下延伸至特定的深度。结果是，这些可压缩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，可压缩物体的起始内压可以基于期望可压缩性转变的深度进行选择。在压力位于可压缩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缩而逐渐占据支配地位。也就是说，预定的压缩层段是从大约等于可压缩物体的内压的外压至基本压缩可压缩物体(即，将可压缩物体压缩成压缩态，其在下面进一步讨论)的外压的压力范围。因此，可压缩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缩，以在井筒的特定部分或层段中提供密度变化。
[0037]为了在特定深度压缩，可压缩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缩由可压缩物体的体积变化控制。通常，可以使用在大气压下为大约200psi(磅/平方英寸)以上、大气压下500psi以上、大气压下1500psi以上或更优选大气压下2000psi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缩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，以维持可压缩物体的内压。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1500psi至3500psi的范围内。
[0038]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缩物体的总体积之比设定了可获得的可压缩比的大小的上限，如上文所述。因此，尽管可压缩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或更大的压缩比。
[0039]可压缩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)以及在压缩阶段的覆盖层弯曲不稳定性(cap buckling instability)。照此，可压缩物体的设计也可以被调整为补偿或减小在可压缩物体的膨胀和压缩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——其可以是可压缩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。
[0040]图2A是可压缩物体的示例性图表和实施方式。在图表200中，可压缩物体是近似球形物体，其具有大约1.0的纵横比和10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。
[0041]在图2A中，显示了弹性球形物体的最大应变202对压缩比204的图表200。最大应变202是在该状态下在可压缩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^TM 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的压缩比。沿着响应曲线206，最大弹性变形在压缩过程中不会在物体表面上均匀出现，但是由于在压缩过程中的弯曲不稳定性其被局部化。
[0042]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，其受到在该物体外部的压缩压力。在物体210正在压缩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。
[0043]基于上述讨论，可压缩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缩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。
[0044]为提供必需的可恢复线性伸长，可压缩物体可以被设计为将可压缩物体的变形划分为不同的状态。例如，可压缩物体可以具有三个不同的状态，诸如初始状态、膨胀状态和压缩状态。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，可压缩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缩状态之间划分。膨胀阶段或第一阶段包括可压缩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缩物体特征的结构不稳定性和初始内部压力。
[0045]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10.9MPa(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缩而引起的区域232和234的塌陷。一般而言，已经显示，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，可压缩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，其中可压缩物体具有球形或近似球形的形状(即大约1.0的纵横比)。
[0046]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缩至完全压缩的状态，其再次受限于完全压缩物体的壁材料的弹性应变。压缩状态例如可以是基于一定的井下深度处施加在可压缩物体上的静水压缩的平衡压缩形状。因此，可以利用这些状态来设计可压缩物体，以提供有益于在井筒内使用的合适的压缩比。
[0047]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缩物体的不同状态，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缩物体的局部视图。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缩状态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/或压缩可以是不同的。具有不同初始纵横比的可压缩物体在图4中进一步讨论。
[0048]图4是根据本技术的方面，不同初始形状的可压缩物体的示例性图表。FEA模拟被用于产生壁厚为15微米的不同可压缩物体的最大应变402对压缩比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。
[0049]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，压缩比小于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的可压缩物体，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，其是可压缩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，直至达到完全压缩的状态。照此，可压缩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，以及压缩状态位于点412处。明显地，可压缩物体的初始状态相比膨胀和压缩状态具有最小应变。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。
[0050]根据该图表400，可压缩物体的膨胀以及随后的压缩受限于膨胀阶段中的赤道弯曲不稳定性和先前所述的压缩阶段的覆盖物弯曲不稳定性。通过模拟膨胀以及随后的压缩，可压缩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0℃(摄氏度)以下的NiTi形状记忆合金制造的具恒定壁厚的可压缩物体并且目标膨胀内压为1500psig(磅/英寸²规格)而言，该可压缩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缩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℃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0℃之下的要求承认了，可压缩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当保持假弹性。
[0051]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缩比。伴随这些压缩比，可压缩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，如果可压缩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，则该可压缩物体是有用的。在可变密度钻井泥浆中可包括高达40％或50％的体积分数的可压缩物体，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缩物体——其可具有大约1毫米(mm)的直径——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，可压缩物体的选择以及可压缩物体的制造在下面图5中进一步讨论。
[0052]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1、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。这些可压缩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500psi以上、大气压下为1500psi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缩物体的体积；(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缩物体的预定压缩层段时的应变，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沫的内部区域。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。
[0053]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和PPG。然后，可以选择可压缩物体，以提供特定的体积变化，如在块506所示。可压缩物体的选择可以包括作业考虑因素，诸如从钻井泥浆中移除可压缩物体以用于在地面再循环、限制高体积分数的可压缩物体对钻井泥浆流变学的潜在有害影响以及促进可压缩物体经过流动路径中的泵和孔的流动。照此，可压缩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0.1mm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缩物体体积相同的球的直径。此外，可压缩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/或不同形状的可压缩物体，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。
[0054]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，以提供可以与可压缩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。可压缩物体和钻井液的结合可以包括混合或掺和可压缩物体和钻井液，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，或者可压缩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，可压缩物体可以在冷冻交通工具诸如卡车和船中被输送，以降低与可压缩物体内的内部压力释放相关的危险。
[0055]在钻井位置，可压缩物体和钻井液——其可以是可变密度钻井泥浆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。
[0056]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1、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，可压缩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。
[0057]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，选择每一种可压缩物体的结构，如在块606中所示。对可压缩物体结构的选择可以包括利用有限元分析(FEA)方法，以使可压缩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，选择可压缩物体的壁材料。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缩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缩聚合物物体上。金属层可以被形成在可压缩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。
[0058]在块610，可以选择表面处理，用于制造可压缩物体。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，或者增强可压缩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。
[0059]一旦选择，在块612中制造可压缩物体。可压缩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缩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缩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缩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缩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缩物体内部的内压。这可以通过如下方法来实现：例如优选冷却加压可压缩空心物体至一温度——在该温度以下可压缩空心物体内的气体可冷凝——从而首先降低可压缩空心物体的内压。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缩物体内，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缩物体内，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缩物体的组件内，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缩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。
[0060]在块614，可以验证或测试可压缩物体。验证和测试可以包括循环压缩测试，以验证内压以及量化可压缩物体的疲劳寿命，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，可以贮存可压缩物体，如在块616所示。可压缩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缩物体的内压的压力下，以便于可压缩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缩物体内的内压。冷的可压缩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，以便于可压缩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。
[0061]因此，基于上述讨论，这些可压缩物体的选择和应用可以涉及影响可压缩物体设计的不同方面。例如，转变为气体压缩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缩循环中这些性能的发展。照此，空心物体的压缩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缩物体可以有益于增强或延伸钻井作业，因此改变可压缩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。
[0062]此外，使用不同的气体也可以影响可压缩物体的设计。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缩性通常低于不可冷凝气体的可压缩性。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。
[0063]此外，作业应用可以影响可压缩物体的设计。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缩物体可允许调节可压缩物体的初始大小和/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浆，针对给定可压缩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缩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缩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。
可压缩物体的构造
[0064]为确定可压缩物体的构造，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，可压缩物体的构造可以受多种标准的影响，诸如材料和可压缩物体的使用，它们将在本申请的该部分和其他部分被讨论。
[0065]关于可压缩物体的使用，应当注意，可压缩物体的构造可以便于可压缩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/或者有利于可压缩物体经过设备(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0.1mm(毫米)至5.0mm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缩物体的体积相同的球的直径。另外，可压缩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。
[0066]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，以最大化可压缩物体的压缩极限。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。
[0067]为确定可压缩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缩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(诸如可压缩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)可压缩物体、可压缩物体的片段或者可以与对称的3D可压缩物体结构相关的可压缩物体的一部分。
[0068]作为示例，一种分析和最优化可压缩物体的几何形状、可压缩物体材料性质、内部气体性质、内压以及可压缩物体对外部温度和/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缩物体(即，半球，由于对称)的有限元模型。通过利用软件诸如ABAQUS^TM或其他任何合适的FEA分析包，可以对可压缩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缩期间可压缩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，可压缩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缩物体几何形状、可压缩物体大小和/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。
[0069]作为具体示例，讨论图3A-3C的可压缩物体的有限元数值模型。在这些实施方式中，可压缩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缩物体具有如下优势：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NiTi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。
可压缩物体的壁材料
[0070]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、β-钛-9.8钼-4铌-2钒-3铝(β-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/或镁(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。
[0071]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，因此在可压缩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，以便可压缩物体的再使用。如上所述，甚至这些选择的材料必须与可压缩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；随可压缩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缩物体的纵横比和大直径的变化等。因此，在选择可压缩物体的材料时应考虑这些不同的因素。
[0072]作为改变壁厚的示例，壁材料可以被用于影响可压缩物体的压缩比，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缩比的不同形状。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之间的可压缩物体。如在图7中所示，显示了壁厚影响的图表700，其是关于不同形状——其通过曲线706-711显示，产生自有限元数值模拟——的可压缩物体的最大应变702对当量直径与壁厚比704。对于球形可压缩物体，曲线706的压缩比为3.5，曲线707的压缩比为3，以及曲线708的压缩比为2。对于椭圆形可压缩物体，曲线709的压缩比在3.5与2之间，曲线710的压缩比在3与2之间，以及曲线711的压缩比大约为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缩物体是优选的，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缩物体，如在曲线711上所示。
[0073]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缩物体的结构。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，可压缩物体具有薄的(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。
对可压缩物体表面处理的选择
[0074]如在图6的块610中所讨论，各种表面处理可以被用于可压缩物体。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缩物体(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。
[0075]对于内部加压的可压缩物体，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缩物体的制造。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)低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缩物体的表面壁的外部。具体而言，沉积涂层的厚度可以小于500A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。
[0076]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缩物体的内压。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<1x10^-3mmHg)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，可压缩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。
[0077]可选地，可压缩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，通过降低可压缩物体的温度可以被冷凝的气体可以被用于可压缩物体的内部增压。例如，如果可压缩物体内部的气体是在10mpa压力下的氧(O)，随后在大气压下冷却该可压缩物体至液氮(LN₂)的温度，可将内压降低至小于或等于1 x 10^-3mm Hg。
[0078]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，该可压缩物体具有聚合物和/或弹性体泡沫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/或泡沫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。
可压缩物体的制造
[0079]如在图6块612中所讨论，一旦选择了可压缩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缩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。
[0080]可压缩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缩物体性能，如上所述。可压缩物体的制造路线可以基于可压缩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缩物体尺寸范围、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、引入“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。
[0081]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缩物体的制造
[0082]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缩物体，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500psi以上、大气压下为大约1500psi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缩物体的预定压缩层段时的应变；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缩物体的示例性实施方式。
[0083]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缩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沫结构的可压缩物体，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压缩物体。
[0084]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缩物体分离，并且可压缩物体被转移至贮存容器。
[0085]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。
[0086]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。
[0087]在图8B中，显示了按照本技术产生可压缩物体的装置的另一示例性实施方式830。在该实施方式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，可压缩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缩物体。
[0088]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缩物体。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。
[0089]作为产生可压缩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，可使压缩物体由管材料形成。得到的可压缩物体(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，可压缩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。
[0090]作为产生可压缩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。
[0091]为制造这些可压缩物体，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缩物体，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。
[0092]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缩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。
[0093]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缩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缩物体的组件中预成型。
[0094]作为另一制造技术，空心可压缩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。
[0095]此外，作为另一实施方式，可压缩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缩物体膨胀成其最终尺寸和形状。
B.利用泡沫模板制造可压缩物体
[0096]除制造空心物体之外，在可压缩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缩物体，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200psi以上、大气压下为大约500psi以上、大气压下为大约1500psi以上或大气压下为大约2000psi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缩层段时的应变。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，可压缩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。
[0097]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沫切成各种形状和大小。模塑方法可以包括挤压、吹塑、压缩模塑等，其可以包括将泡沫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缩物体的不渗透性，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200psi或以上的内部压力，这取决于期望的应用。
[0098]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)是制造聚合物泡沫时所用的材料。通常，PU泡沫由二氧化碳(CO₂)的原位产生来制备，而PS和PVC泡沫利用物理起泡剂(像氮(N₂)和CO₂)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CO₂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。
[0099]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(1)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。
[00100]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沫。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。
[00101]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。
[00102]图9是按照本技术的一些方面，制造利用泡沫模板的图6中的可压缩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。
[00103]流程图始于块902。在块904，可以制造泡沫。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908，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。
[00104]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可以被表面处理层1008进一步涂敷，如在块910中所讨论。
[00105]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1000μm(微米)至1500μm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250μm至500μm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。
[00106]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。
[00107]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1000μm(微米)至1500μm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H₂SO₄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(SnCI₂)(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(HCl)，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 PolytechnicInstitute，(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73cc/min(立方厘米/分钟)、含有CuSO₄·5H₂O的铜(Cu)电镀溶液、二水乙二胺四乙酸二钠(ethylenediaminetetraacetic acid disodiumsalt 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)；Hanna et al.Materials Letters，58，104(2003)。Cu可以在40℃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0.3-0.6μm的范围内。
[00108]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250μm至500μm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40℃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沫表面轮廓的0.1-0.2μm厚的Cu膜。
[00109]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 HCl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℃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10-25μm厚。
[00110]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11A中所示。参见例如O.Andersen，U.Waag，L.Schneider，G.Stephani，B.Kieback，＂Novel Metallic Hollow Sphere Structures＂，Advanced EngineeringMaterials 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。得到的可压缩物体1112可以在冷却后被用作可变密度钻井泥浆的一部分。
[00111]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，诸如在泡沫模板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缩物体1138。
对可压缩物体进行改良以解决局部应变
[00112]作为另外的实施方式，可压缩物体的构造可以被修改以分布在膨胀和压缩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。为扩大可压缩物体构造的设计窗口，可压缩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。
[00113]可选地，一个或多个结构部件例如凸缘可以被添加至可压缩物体。这些结构部件诸如凸缘可以降低可压缩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缩物体的赤道处，以支撑对抗不稳定的赤道带(equatorial belt)。该凸缘可以沿着可压缩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1500psig的膨胀内压，并由具有大约0℃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，可压缩物体，其为具有凸缘1202的椭圆形可压缩物体，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中并且以压缩状态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。
[00114]图13是按照本技术某些方法，关于向可压缩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缩物体和无凸缘的第二可压缩物体的最大应变1302对压缩比1304的图1300。图1300包括第一可压缩物体——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，和第二可压缩物体——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。
[00115]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缩物体的设计窗口，其在永久变形极限之下。
[00116]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缩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
[00117]如上所述，可变密度钻井泥浆118(图1)可以包括可压缩物体以及钻井液。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。
[00118]为补偿可压缩物体，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浆的密度。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。
[00119]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，诸如可压缩物体的低密度可压缩物体在地面附近处于未压缩状态，而在朝向井筒底部时处于压缩状态。当可压缩物体处于来自井下压力的压缩状态时，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。当可压缩物体在较浅深度处于未压缩状态时，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，可压缩物体的未压缩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，来补偿可压缩物体的膨胀。
[00120]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4.5g/cc(克/立方厘米)的密度，钻井级重晶石为至少4.2g/cc，以维持美国石油协会(AmericanPetroleum 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)(2.3g/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，含有重晶石的钻井液可以在地面条件下以按体积计可高达40％与可压缩物体结合。该结合的结果提供了较高的粘度，其中可压缩物体是未压缩的(在地面和浅层深度处)。
[00121]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5.05g/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。
[00122]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缩物体掺合时，可变密度钻井泥浆可以在高压下提供高密度，此时可压缩物体处于压缩状态(即在井筒深处)。然而，在可压缩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，膨胀可压缩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。
[00123]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，以降低岩屑和可压缩物体由于钻屑/可压缩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缩物体沉降速度。取决于其压缩状态以及井筒内的可压缩物体密度，可压缩物体往往趋向于在钻井液内升高或下降。在小于压缩物体或颗粒所需的压力的外部压力下，可压缩物体通常具有比钻井液低的密度。此处，可压缩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，可压缩物体密度可以达到或超过钻井液的密度。在这种环境中，可压缩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。
[00124]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。