可分解管状锚固系统及其使用方法.pdf

一种可分解管状锚固系统，其包括：截锥部件；带有至少一个第一表面的套筒，所述至少一个第一表面可响应于截锥部件相对于套筒的纵向运动而径向变化，所述第一表面可与一结构的壁相接合；带有可径向变化的至少一个第二表面的密封件；和具有台肩的支座，所述台肩可与在其上延伸的可移除塞子密封件地接合。所述截锥部件、套筒、密封件和支座都是可分解的，均包括：包括具有金属纳米基体材料的多孔纳米基体的金属复合物；和设置在多孔纳米基体中的金属基体。一种隔离结构的工艺，其包括：在所述结构中设置可分解管状锚固系统；径向改变套筒，以接合所述结构的表面；和径向改变密封件以隔离所述结构。

1.  一种可分解管状锚固系统，其包括：
截锥部件；
接合截锥部件的第一部分的套筒；
接合截锥部件的第二部分的密封件；和
与截锥部件可操作地连通的支座，
其中，所述截锥部件、套筒、密封件和支座都是可分解的并且独立地包括金属复合物，所述金属复合物包括：
包括金属纳米基体材料的多孔纳米基体；和
设置在多孔纳米基体中的金属基体。

2.  如权利要求1所述的可分解管状锚固系统，还包括堵头，所述堵头是可分解的并且独立地包括所述金属复合物。

3.  如权利要求2所述的可分解管状锚固系统，其中，金属基体包括铝、铁、镁、锰、锌、或包括上述物质中的至少一种的组合。

4.  如权利要求2所述的可分解管状锚固系统，其中，基于金属复合物的重量，金属基体的量为大约50wt％到大约95wt％。

5.  如权利要求3所述的可分解管状锚固系统，其中，在截锥部件中，金属基体是合金。

6.  如权利要求5所述的可分解管状锚固系统，其中，在密封件中，金属基体为纯金属。

7.  如权利要求5所述的可分解管状锚固系统，其中，在套筒中，金属基体为纯金属。

8.  如权利要求2所述的密封件，其中，金属纳米基体材料包括铝、钴、铜、铁、镁、镍、硅、钨、锌、上述元素的氧化物、上述元素的氮化物、上述元素的碳化物、上述元素的金属间化合物、上述元素的金属陶瓷、或包括上述物质中的至少一种的组合。

9.  如权利要求2所述的可分解管状锚固系统，其中，基于金属复合物的重量，金属纳米基体材料的量为大约10wt％到大约50wt％。

10.  如权利要求2所述的可分解管状锚固系统，其中，金属复合物还包括分解剂。

11.  如权利要求10所述的可分解管状锚固系统，其中，分解剂包括钴、铜、铁、镍、钨、或包括上述物质中的至少一种的组合。

12.  如权利要求10所述的可分解管状锚固系统，其中，套筒中分解剂的量大于密封件、截锥部件、堵头或包括上述部件中的至少一个的组合中分解剂的量。

13.  如权利要求2所述的可分解管状锚固系统，其中，金属复合物还包括增强剂。

14.  如权利要求13所述的可分解管状锚固系统，其中，增强剂包括陶瓷、聚合物、金属、纳米颗粒、金属陶瓷、或包括上述物质中的至少一种的组合。

15.  如权利要求13所述的可分解管状锚固系统，其中，截锥部件中增强剂的量大于密封件、套筒、或上述部件中的至少一个的组合中增强剂的量。

16.  如权利要求2所述的可分解管状锚固系统，其中，密封件的百分比伸长率为大约25％到大约75％。

17.  如权利要求2所述的可分解管状锚固系统，其中，截锥部件和堵头的抗压强度大于密封件、套筒、或上述部件中的至少一个的组合的抗压强度。

18.  如权利要求2所述的可分解管状锚固系统，其中，密封件的抗压强度为大约30ksi到大约80ksi。

19.  如权利要求2所述的可分解管状锚固系统，其中，可分解管状锚固系统能够响应于与一流体的接触而分解。

20.  如权利要求19所述的可分解管状锚固系统，其中，所述流体包括盐水、无机酸、有机酸、或包括上述物质中的至少一种的组合。

21.  如权利要求2所述的可分解管状锚固系统，其中，套筒的分解速率大于密封件、截锥部件、堵头或包括上述部件中的至少一个的组合的分解速率。

22.  如权利要求2所述的可分解管状锚固系统，其中，可分解管状锚固系统的分解速率为大约1mg/cm²/hr到大约10,000mg/cm²/hr。

23.  如权利要求2所述的可分解管状锚固系统，其中，可分解管状锚固系统为压裂塞子或桥塞。

24.  如权利要求2所述的可分解管状锚固系统，其中，套筒包括第一表面，所述第一表面能够响应于截锥部件相对于套筒的纵向运动而径向变化，所述第一表面能够与一结构的位于该第一表面的径向的壁相接合，以在与所述壁接合时至少保持所述套筒相对于该结构的位置，
密封件包括第二表面，所述第二表面能够响应于截锥部件相对于该密封件的纵向运动而径向变化，和
所述支座包括台肩，所述台肩能够与能抵靠所述台肩延伸的可移除塞子密封地接合，所述台肩能够相对于套筒在由推压抵靠所述台肩的塞子的流体流动的方向限定的上游方向上纵向位移。

25.  如权利要求24所述的可分解管状锚固系统，其中，密封件构造成响应于第二表面的径向变化而形成金属对金属密封。

26.  如权利要求24所述的可分解管状锚固系统，其中，所述套筒包括第一表面上的突起，所述突起能够与所述结构的位于所述第一表面的径向的壁相接合。

27.  如权利要求24所述的可分解管状锚固系统，其中，套筒和截锥部件构造成在套筒和截锥部件之间具有充分的摩擦接合，以防止截锥部件和套筒之间纵向相反的相对运动。

28.  如权利要求24所述的可分解管状锚固系统，其中，密封件的第二表面能够响应于由截锥部件相对于套筒的纵向运动引起的纵向压缩而径向膨胀。

29.  一种隔离结构的工艺，该工艺包括：
在所述结构中设置如权利要求2所述的可分解管状锚固系统；
径向改变套筒，以接合所述结构的表面；和
径向改变密封件以隔离所述结构。

30.  如权利要求29所述的工艺，还包括：接触可分解管状锚固系 统，以使密封件、截锥部件、套筒、堵头或上述部件中的至少一个的组合分解。

可分解管状锚固系统及其使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年5月8日提交的美国申请No.13/466322的优先权，该申请的全部内容在此引入作为参考。
背景技术
包括油和天然气井、CO₂封存井眼等的井下构造通常要利用钻孔部件或工具，由于这些钻孔部件或工具的功能，这些钻孔部件或工具仅需要具有有限的使用寿命，该使用寿命比井的使用寿命小得多。在部件或工具使用功能完成之后，为回复流体路径的初始尺寸以便使用(包括烃生产、CO₂捕集或封存等等)，必须移除或处置所述部件或工具。部件或工具的处置可以通过将部件或工具铣或钻出井眼而实现，这通常耗时而且成本高。工业上一直愿意接受不用从井眼移除部件或工具而没有这样的铣和钻作业的新的系统、材料和方法。
发明内容
在此公开的是一种可分解管状锚固系统，其包括：截锥部件；带有至少一个第一表面的套筒，所述至少一个第一表面能响应于截锥部件相对于套筒的纵向运动而径向变化，所述至少一个第一表面能与位于其径向的一结构的壁相接合，以在与之接合时至少保持所述套筒相对于结构的位置；带有至少一个第二表面的密封件，所述至少一个第二表面能响应于截锥部件相对于密封件的纵向运动而径向变化；和与截锥部件可操作地连通的支座，所述支座包括台肩，所述台肩能够与能抵靠所述台肩延伸的可移除塞子密封地接合，所述台肩能够相对于套筒在由推压抵靠所述台肩的塞子的流体流动的方向限定的上游方向上纵向位移，其中，所述截锥部件、套筒、密封和支座都是可分解的并且独立地包括： 包括具有金属纳米基体材料的多孔纳米基体的金属复合物；和设置在多孔纳米基体中的金属基体。
还公开了一种隔离一结构的工艺，该工艺包括：在所述结构中设置可分解管状锚固系统；径向改变套筒，以接合所述结构的表面；和径向改变密封以隔离所述结构。
附图说明
下面的描述无论如何都不认为是限制。请参阅附图，同样的元件标记相同：
图1描绘了可分解管状锚固系统的截面图；
图2描绘了可分解金属复合物的截面图；
图3是在此公开的可分解金属复合物的示例性实施例的显微照片；
图4描绘了用于制造图2所示的可分解金属复合物的组成的截面图；
图5A是没有多孔纳米基体的纯金属的显微照片；
图5B是带有金属基体和多孔纳米基体的可分解金属复合物的显微照片；
图6是包括多孔纳米基体的各种可分解金属复合物的质量损失随时间变化的曲线图，指示了可选择性地定制的分解速率；
图7A是由纯Mg粉末形成的压块的断裂表面的电子显微照片；
图7B是带有在此所述的多孔纳米基体的可分解金属复合物的示例性实施例的断裂表面的电子显微照片；
图8是带有多孔纳米基体的金属复合物的抗压强度与多孔纳米基体的成分(Al₂O₃)的重量百分比之间关系的曲线图；
图9A描绘了井眼中的可分解管状锚固系统实施例的截面图；
图9B描绘了图9A的系统在安放位置的截面图；
图10描绘了可分解截锥部件的截面图；
图11描绘了可分解堵头的截面图；
图12A、12B和12C分别描绘了可分解套筒的透视图、截面图和俯视图；
图13A和13B分别描绘了可分解密封件的透视图和截面图；
图14描绘了可分解管状锚固系统的另一实施例的截面图；
图15描绘了图14中的可分解管状锚固系统在安放位置的截面图；
图16描绘了可分解管状锚固系统的另一实施例的截面图；
图17描绘了可分解管状锚固系统中的带有弹性体支承环的可分解密封件的另一实施例的截面图；和
图18A和18B分别描绘了可分解密封件的另一实施例的截面图和透视图。
具体实施方式
参照这些图，所披露的设备和方法的一个或多个实施例的详细说明在此借助于范例展示，但不作为限制。
发明人已经发现，高强度、高延展性、但可完全分解的管状锚固系统可以由响应于接触某些井下流体或响应于改变的条件而选择性并可控地分解的材料制成。这种可分解系统包括这样的部件，所述部件能被选择性地腐蚀并且具有可选择性地定制的分解速率和可选择性地定制的材料性质。另外，可分解系统带有具有变化的抗压强度和拉伸强度的部件，所述部件包括密封件(以形成例如贴合的金属-金属密封)、锥形部、可变形套筒(或卡瓦)和堵头。在此所使用的“可分解”是指可消耗的、可腐蚀的、可降解的、可溶解的、可削弱的、或能以其它方式移除的材料或组分。应当明白，在此所使用的术语“使分解”或其任何形式(例如，“分解”)包括所述含义。
可分解管状锚固系统的实施例显示在图1中。可分解管状锚固系统110包括密封件112、截锥部件114、套筒118(在此显示为卡瓦环)和堵头118。该系统110构造成使得截锥部件114相对于套筒116和相对于密封件112的纵向运动导致套筒116和密封件112分别径向改变。虽然在该实施例中径向改变是在径向向外的方向上，但是，在替换实施例中，径向改变可以是在其它方向上，例如径向向内的方向。另外，在对密封件112施加压缩力作用时，密封件112的壁部分的纵向尺寸D1和厚度T1可以被改 变。密封件112、截锥部件114、套筒118和堵头118(即，系统110的部件)可分解并含有金属复合物。金属复合物包括设置在多孔纳米基体中的金属基体和分解剂。
在一实施例中，分解剂设置在金属基体中。在另一个实施例中，分解剂设置在金属基体外。在又一个实施例中，分解剂设置在金属基体中以及金属基体外。金属复合物还包括具有金属纳米基体材料的多孔纳米基体。分解剂可以设置在多孔纳米基体中、金属纳米基体材料之间。用于制造金属复合物的示例性金属复合物和方法公开在美国专利申请序列号12/633,682、12/633,688、13/220,832、13/220,822和13/358,307中，这些专利申请每个的全部公开内容在此引入作为参考。
金属复合物是例如，如图2所示的粉末压块。金属复合物200包括具有纳米基体材料220的多孔纳米基体216和具有散布在多孔纳米基体216中的颗粒芯材料218的金属基体214(例如，多个散布颗粒)。颗粒芯材料218包括纳米结构材料。这种具有多孔纳米基体(该多孔纳米基体中设置有金属基体)的金属复合物被称为受控电解材料。
参照图2和图4，金属基体214可以包括任何适合的金属颗粒芯材料218，所述金属颗粒芯材料218包括在此所述的纳米结构。在一示例性实施例中，金属基体214由颗粒芯14形成(图4)，并且可以包括诸如铝、铁、镁、锰、锌或其组合的元素，如同纳米结构颗粒芯材料218那样。更尤其是，在一示例性实施例中，金属基体214和颗粒芯材料218可以包括各种铝合金或镁合金，如同纳米结构颗粒芯材料218那样，包括各种沉积可硬化铝合金或镁合金。在有些实施例中，颗粒芯材料218包括镁和铝，其中，基于金属基体的重量，铝的量为大约1重量百分比(wt％)到大约15wt％，特别是大约1wt％到大约10wt％，更特别是大约1wt％到大约5wt％，其余重量为镁。
在另外的实施例中，沉积可硬化铝合金或镁合金尤其有用，因为其可以经由引入在此所述的颗粒沉积物而通过纳米结构化和沉积硬化这两者增强金属基体214。金属基体214和颗粒芯材料218还可以包括稀土元素或稀土元素的组合。示例性稀土元素包括Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、或 Er。可以使用包括上述稀土元素中的至少一个的组合。如果存在稀土元素，基于金属复合物的重量，稀土元素的量可以为大约5wt％或更少，特别是大约2wt％或更少。
金属基体214和颗粒芯材料218还可以包括纳米结构材料215。在一示例性实施例中，纳米结构材料215是一种晶粒尺寸(例如，亚晶粒或微晶尺寸)小于大约200纳米(nm)、特别是大约10nm到大约200nm、更特别是平均晶粒尺寸小于大约100nm的材料。金属基体214的纳米结构可以包括通常用于限定晶粒尺寸的陡角边界227，或者可以包括缓角边界229，所述缓角边界229可以作为特定晶粒内的子结构出现，其有时用来限定微晶尺寸，或者可以包括两者的组合。应该明白，多孔纳米基体216和金属基体214的晶粒结构(包括晶粒边界227和229的纳米结构材料215)是金属复合物200的不同特征。尤其是，多孔纳米基体216不是金属基体214的晶体或非晶部分的一部分。
分解剂包含在金属复合物200中，用以控制金属复合物200的分解速率。分解剂可以设置在金属基体214中、多孔纳米基体216中、或两者的组合中。依据一实施例，分解剂包括金属、脂肪酸、陶瓷颗粒、或包括上述中的至少一个的组合，分解剂设置在受控电解材料之间，用以改变受控电解材料的分解速率。在一个实施例中，分解剂设置在金属基体外的多孔纳米基体中。在一非限制性实施例中，分解剂加快了金属复合物200的分解速率。在另一个实施例中，分解剂减慢了金属复合物200的分解速率。分解剂可以是金属，所述金属包括钴、铜、铁、镍、钨、锌或包括上述中的至少一个的组合。在又一实施例中，分解剂为脂肪酸，例如，具有6至40个碳原子的脂肪酸。示例性脂肪酸包括油酸、硬脂酸、月桂酸、羟基硬脂酸、山嵛酸、花生四烯酸、亚油酸、亚麻酸、蓖麻油酸、棕榈酸、褐煤酸、或包括上述中的至少一个的组合。在又一个实施例中，分解剂为陶瓷颗粒，例如氮化硼、碳化钨、碳化钽、碳化钛、碳化铌、碳化锆、碳化硼、碳化铪、碳化硅、铌碳化硼、氮化铝、氮化钛、氮化锆、氮化钽、或包括上述中的至少一个的组合。另外，陶瓷颗粒可以是下述有关增强剂的陶瓷材料之一。陶瓷颗粒的尺寸为5μm或更小，特别 是2μm或更小，更特别是1μm或更小。分解剂可以具有有效地使金属复合物200以所要求的分解速率分解的量，基于金属复合物的重量，特别是大约0.25wt％到大约15wt％，特别是大约0.25wt％到大约10wt％，特别是大约0.25wt％到大约1wt％。
在一示例性实施例中，多孔纳米基体216包括铝、钴、铜、铁、镁、镍、硅、钨、锌、及其氧化物、其氮化物、其碳化物、其金属间化合物、其金属陶瓷、或包括上述中的至少一个的组合。基于密封件的重量，金属基体具有的量可以为大约50wt％到大约95wt％，特别是大约60wt％到大约95wt％，更特别是大约70wt％到大约95wt％。进一步地，基于密封件的重量，金属纳米基体的量为大约10wt％到大约50wt％，特别是大约20wt％到大约50wt％，更特别是大约30wt％到大约50wt％。
在另一个实施例中，金属复合物包括第二颗粒。如图2和图4所示，金属复合物200可以利用涂覆的金属粉末10和另外的或第二粉末30形成，即，两种粉末10和30可以具有基本上相同的颗粒结构，但不具有相同的化合物。另外的粉末30的使用提供了还包括多个散布的第二颗粒234的金属复合物200，正如在此所述的，所述第二颗粒234散布在多孔纳米基体216内，还相对于金属基体214分散。因而，所述散布的第二颗粒234源自于设置在粉末10、30中的第二粉末颗粒32。在一示例性实施例中，所述散布的第二颗粒234包括Ni、Fe、Cu、Co、W、Al、Zn、Mn、Si、及其氧化物、其氮化物、其碳化物、其金属间化合物、其金属陶瓷、或包括上述中的至少一个的组合。
再次参照图2，金属基体214和颗粒芯材料218还可以包括添加剂颗粒222。该添加剂颗粒222为金属基体214提供了散布增强机制，并提供了对金属基体214的各个颗粒内错位运动的阻碍或用以限制金属基体214的各个颗粒内错位运动。另外，添加剂颗粒222可以设置在多孔纳米基体216中以增强金属复合物200。该添加剂颗粒222可以具有任何适合的尺寸，并且，在一示例性实施例中，其平均颗粒尺寸可以为大约10nm到大约1微米，特别是为大约50nm到大约200nm。这里，尺寸是指所述添加剂颗粒的最大线性尺寸。该添加剂颗粒222可以包括任何适合形式的颗粒，包 括嵌入颗粒224、沉积颗粒226或弥散颗粒228。嵌入颗粒224可以包括任何适合的嵌入颗粒，包括各种硬颗粒。嵌入颗粒可以包括各种金属、碳、金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物、金属间化合物、金属陶瓷颗粒、或它们的组合。在一示例性实施例中，硬颗粒可以包括Ni、Fe、Cu、Co、W、Al、Zn、Mn、Si、及其氧化物、其氮化物、其碳化物、其金属间化合物、其金属陶瓷、或包括上述中的至少一个的组合。基于金属复合物的重量，添加剂颗粒具有的量可以为大约0.5wt％到大约25wt％，特别是大约0.5wt％到大约20wt％，更特别是大约0.5wt％到大约10wt％。
在金属复合物200中，散布在整个多孔纳米基体216的金属基体214在基本上连续的多孔纳米基体216中可以具有等轴结构，或者可以大体上沿着一轴线伸长，使得金属基体214的各个颗粒为例如扁圆形或扁长形。在金属基体214具有大体上长形的颗粒的情况下，金属基体214和多孔纳米基体216可以为连续的或不连续的。组成金属基体214的颗粒尺寸可以为大约50nm到大约800μm，特别是大约500nm到大约600μm，更特别是大约1μm到大约500μm。颗粒尺寸可以为单分散的或多分散的，颗粒尺寸分布可以是单峰的或双峰的。这里的尺寸是指颗粒的最大线性尺寸。
参照图3，显示了金属复合物的示例性实施例的显微照片。金属复合物300具有金属基体214，所述金属基体包括具有颗粒芯材料218的颗粒。另外，金属基体214的每个颗粒设置在多孔纳米基体216中。这里，多孔纳米基体216显示为基本上围绕金属基体214的组分颗粒的白色网格。
依据一实施例，金属复合物由例如多种粉末成分的组合形成。如图4所示，粉末10包括粉末颗粒12，粉末颗粒12具有带有芯材料18的颗粒芯14和带有涂覆材料20的金属覆层16。这些粉末成分可以选择和构造成用于压制和烧结，以提供轻质(即，具有较低密度)、高强度、和响应于井眼性质的变化例如通过分解而从井眼可选择地并可控地移除的金属复合物200，包括在适当的井眼流体中可选择地并可控地可分解(例如，通过具有可选择性地定制的分解速率曲线)，所述井眼流体包括在此公开的各种井眼流体。
纳米结构可以通过任何适合的方法形成在用于形成金属基体214的 颗粒芯14中，包括诱导变形的纳米结构，例如可以通过球磨粉末以提供颗粒芯14所提供的，更尤其是通过低温磨(例如，在低温下在球磨介质中球磨或在诸如液氮的低温流体中球磨)粉末以提供用于形成金属基体214的颗粒芯14。颗粒芯14可以通过任何适合的方法形成为纳米结构材料215，例如，通过磨或低温磨在此所述的材料的预合金粉末颗粒。颗粒芯14也可以通过使所要求量的各种合金成分的纯金属粉末机械地成合金而形成。机械地成合金包含球磨(包括低温磨)这些粉末成分以机械包进和混合这些成分而形成颗粒芯14。除上述纳米结构的形成之外，球磨(包括低温磨)有助于颗粒芯14和芯材料18的固溶强化，这种固溶强化又可以有利于金属基体214和颗粒芯材料218的固溶强化。固溶强化可以由机械混合固溶体中比依照特定合金成分相平衡可能的浓度更高的浓度的空隙或替代溶质原子的能力引起，从而提供了对颗粒内错位运动的阻碍或用以限制颗粒内错位运动，这继而又提供了颗粒芯14和金属基体214中的强化机制。颗粒芯14还可以通过下述方法由纳米结构(晶粒边界227、229)形成，所述方法包括：例如，惰性气体凝缩，化学蒸汽凝缩，脉冲电子沉积，等离子合成，非晶固体结晶，电沉积，和严重塑性变形。纳米结构还可以包括高错位密度，例如，在大约10¹⁷m^-2和大约10¹⁸m^-2之间的错位密度，这比利用诸如冷轧的传统方法变形的类似合金材料高两到三个数量级。
通过压制和烧结带有多个粉末颗粒12的多个金属覆层16而由金属覆层16形成基本上连续的多孔纳米基体216(参见图3)和纳米基体材料220，例如，通过冷等静压(CIP)，热等静压(HIP)，或动态锻造。由于与烧结相关的扩散效应的作用，纳米基体材料220的化学组成可能不同于涂覆材料20的化学组成。金属复合物200还包括构成具有颗粒芯材料218的金属基体214的多个颗粒。当金属覆层16烧结在一起以形成多孔纳米基体216时，金属基体214和颗粒芯材料218相当于多个粉末颗粒12的多个颗粒芯14和芯材料18，并由所述多个颗粒芯14和芯材料18形成。由于与烧结相关的扩散效应的作用，颗粒芯材料218的化学组成也可以不同于芯材料18的化学组成。
在此所使用的术语多孔纳米基体216不意味着粉末压块的主要成分，而是指一种或多种次要成分，无论是基于重量或还是基于体积。这不同于基体包括主要成分(基于重量或基于体积)的大多数基体复合材料。使用的术语基本上连续的多孔纳米基体用来描述金属复合物200内纳米基体材料220分布的广泛、规则、连续和互连的性质。在此所使用的“基本上连续”描述的是纳米基体材料220在整个金属复合物200中的范围使得其在基本上所有金属基体214之间延伸并包围基本上所有的金属基体214。基本上连续用来表示多孔纳米基体220在金属基体214的各个颗粒周围的完全连续性和规则次序不是必需的。例如，某些粉末颗粒12上，颗粒芯14上的覆层16的缺陷在烧结金属复合物200期间可能导致颗粒芯14的桥接，从而导致在多孔纳米基体216内形成局部不连续，即使在粉末压块的其它部分中多孔纳米基体216是基本上连续的并呈现在此所述的结构。相反，就金属基体214的基本上长形的颗粒(即，非等轴形状)来说，例如通过挤压形成的那些颗粒，“基本上不连续”用来指金属基体214的每个颗粒周围的纳米基体的不完全连续性和破裂(例如，碎裂或分离)，例如可能在预定挤压方向上出现的。在此所使用的“多孔”用来表示纳米基体限定了包围并且还互连金属基体214的、纳米基体材料220的基本上重复的、互连的隔室或单元的网状物。在此所使用的“纳米基体”用来描述基体的尺寸或规模，尤其是金属基体214的相邻颗粒之间的基体厚度。烧结在一起以形成纳米基体的金属覆层本身是纳米级厚度的覆层。由于在除了金属基体214的多于两个的颗粒的交会处之外的大多数部位，多孔纳米基体216通常包括两个覆层16与具有纳米级厚度的相邻粉末颗粒12的相互扩散和结合，所形成的多孔纳米基体216也具有纳米级厚度(例如，大约为在此所述的覆层厚度的两倍)，因而描述为纳米基体。进一步地，使用的术语金属基体214不意味着金属复合物200的次要成分，而是表示一种或多种主要成分，无论是基于重量或还是基于体积。使用的术语金属基体用来输送金属复合物200内不连续和离散分布的颗粒芯材料218。
嵌入颗粒224可以通过任何适合的方法嵌入，包括例如，通过一起球 磨或低温磨硬颗粒和颗粒芯材料18。沉积颗粒226可以包括可以沉积在金属基体214内的任何颗粒，包括符合相关材料(尤其是金属合金)成分及其相对量的相平衡的沉积颗粒226(例如，沉积可硬化合金)，以及包括可以由于非平衡条件而沉积的那些颗粒，例如在已经以高于其相平衡极限(如在机械地成合金期间已知出现的)的量被迫进入合金的固溶体中的合金成分被充分加热以激活实现沉积的扩散机理的时候出现的。弥散颗粒228可以包括由颗粒芯14的制造(例如与球磨相关的制造)引起的元素的纳米级颗粒或团，包括磨介质(例如，球)或磨流体(例如，液氮)或颗粒芯14本身的表面(例如，金属氧化物或氮化物)的成分。弥散颗粒228可以包括诸如Fe、Ni、Cr、Mn、N、O、C、H等元素。添加剂颗粒222可以结合颗粒芯14和金属基体214设置在任何地方。在一示例性实施例中，添加剂颗粒222可以设置在金属基体214内或金属基体214表面上，如图2所示。在另一个示例性实施例中，多个添加剂颗粒222设置在金属基体214的表面上，也可以设置在多孔纳米基体216中，如图2所示。
同样，散布的第二颗粒234可以由涂覆的或未涂覆的第二粉末颗粒32形成，例如通过将第二粉末颗粒32与粉末颗粒12散布在一起。在一示例性实施例中，涂覆的第二粉末颗粒32可以被涂覆与粉末颗粒12的覆层16相同的覆层36，使得覆层36也有助于纳米基体216。在另一个示例性实施例中，第二粉末颗粒232可以是未被涂覆的，使得散布的第二颗粒234嵌入在纳米基体216内。粉末10和另外的粉末30可以混合以形成散布的颗粒214和散布的第二颗粒234的均匀散布或者形成这些颗粒的非均匀散布。散布的第二颗粒234可由任何适合的另外的粉末30形成，所述另外的粉末30不同于粉末10，或者是由于颗粒芯34中组成的区别，或者由于覆层36，或者两者，并且散布的第二颗粒234可以包括在此公开的用作第二粉末30的任何材料，所述第二粉末30不同于被选择形成粉末压块200的粉末10。
在一实施例中，金属复合物可选择地包括增强剂。增强剂提高了金属复合物的材料强度。示例性增强剂包括陶瓷、聚合物、金属、纳米颗粒、金属陶瓷等等。尤其是，增强剂可以是硅石、玻璃纤维、碳纤维、碳黑、碳纳米管、氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、磷化物、 硫化物、钴、镍、铁、钨、钼、钽、钛、铬、铌、硼、锆、钒、硅、钯、铪、铝、铜、或包括上述中的至少一个的组合。依据一实施例，陶瓷和金属组合以形成金属陶瓷，例如碳化钨，氮化钴等等。示例性增强剂尤其包括镁砂、莫来石、钍土、氧化铍、氧化铀、尖晶石、氧化锆、氧化铋、氧化铝、氧化镁、硅石、钛酸钡、堇青石、氮化硼、碳化钨、碳化钽、碳化钛、碳化铌、碳化锆、碳化硼、碳化铪、碳化硅、碳化铌硼、氮化铝、氮化钛、氮化锆、氮化钽、氮化铪、氮化铌、氮化硼、氮化硅、硼化钛、硼化铬、硼化锆、硼化钽、硼化钼、硼化钨、硫化铈、硫化钛、硫化镁、硫化锆、或包括上述中的至少一个的组合。
在一个实施例，增强剂是尺寸为大约100微米或更小、特别是大约10微米或更小，更特别是500nm或更小的颗粒。在另一个实施例中，纤维增强剂可以与微粒增强剂组合。据信，引入增强剂可以提高金属复合物的强度和断裂韧度。在不希望受理论约束的情况下，更细(即，更小)尺寸的颗粒可以比更大尺寸的颗粒生成更强的金属复合物。此外，增强剂的形状可以变化，并且包括丝、球、杆、管等等。增强剂可以以0.01重量百分比(wt％)到20wt％，特别是0.01wt％到10wt％，更特别是0.01wt％到5wt％的量存在。
在用于制备含有金属复合物的可分解锚固系统的部件(例如，密封件，截锥部件，套筒，堵头等等)的工艺中，所述工艺包括：组合金属基体粉末、分解剂、金属纳米基体材料和可选的增强剂，以形成组分；压制该组分，以形成压制的组分；烧结所述压制的组分；和对烧结的组分施压，以形成可分解系统的部件。该组分的部件可以被混合、磨、掺合等，以形成例如如图4所示的粉末10。应当明白，金属纳米基体材料为设置在金属基体粉末上的涂覆材料，所述金属基体粉末当被压制和烧结时形成多孔纳米基体。压块可以通过在一压力下对所述组分施压(即，压制)以形成生坯而形成。随后，可以对该生坯施压以形成粉末压块，施压的压力为大约15,000psi到大约100,000psi，特别是大约20,000psi到大约80,000psi，更特别是大约30,000psi到大约70,000psi，温度为大约250℃到大约600℃，特别是大约300℃到大约450℃。施压以形成粉末压块可以 包括在模具中压缩。粉末压块可以进一步被机加工，以使粉末压块成型至有用形状。作为替换，粉末压块也可以被加压至有用形状。机加工可以包括使用例如磨机、台锯、车床、刳刨工具、放电加工机等进行切割、锯切、烧蚀、铣磨、表面加工、车床加工、钻孔等等。
金属基体200可以具有任何所要求的形状或尺寸，包括可以被机加工、成型或以其它方式使用以形成有用的制品(包括各种井眼工具和部件)的圆柱形坯段、杆、片、环或其它形式。使用施压以通过用于形成金属复合物200的烧结和施压工序形成可分解锚固系统的部件(例如，密封件，截锥部件，套筒，堵头等等)，所述烧结和施压工序通过使包括颗粒芯14和覆层16的粉末颗粒12变形进行，以提供全密度和所要求的金属复合物200的宏观形状和尺寸及其微结构。颗粒层的金属基体214和多孔纳米基体216的各个颗粒的形态(例如，等轴的或基本长形的)由粉末颗粒12在被压制以及相互扩散并发生变形以填充金属基体214的颗粒间空间时(图2)粉末颗粒12的烧结和形变引起。可选择烧结温度和压力来确保金属复合物200的密度基本上达到完全理论密度。
金属复合物具有在例如井下环境中使用的有益性能。在一实施例中，由金属复合物制成的可分解锚固系统的部件具有可以下入井下的初始形状，就密封件和套筒来说，可以随后在压力下变形。金属复合物是强固的且可延展的，基于可分解锚固系统的部件的原始尺寸，其伸长百分比为大约0.1％到75％，特别是大约0.1％到大约50％，更特别是大约0.1％到大约25％。金属复合物具有大约15千磅每平方英寸(ksi)到大约50ksi、特别是大约15ksi到大约45ksi的屈服强度。金属复合物抗压强度为大约30ksi到大约100ksi，特别是大约40ksi到大约80ksi。可分解锚固系统的部件可以具有相同或不同的材料性质，例如伸长百分比、抗压强度、拉伸强度等等。
不同于弹性体材料，在此包括金属复合物的可分解锚固系统的部件具有高达大约1200℉、特别是高达大约1000℉、更特别是高达大约800℉的额定温度。可分解锚固系统是临时性的，该系统响应于与井下流体的接触或条件改变(例如，pH，温度，压力，时间等等)而选择性地且可 定制地分解。此外，可分解锚固系统的部件可以具有相同或不同的分解速率或相同或不同的与井下流体的反应速率。示例性井下流体包括盐水、无机酸、有机酸、或包括上述中的至少一个的组合。盐水可以是例如海水、采出水、完井盐水、或它们的组合。盐水的性质可取决于盐水的同一性和组分。举例来说，海水含有很多成分，例如硫酸盐、溴和痕量金属，超过典型的含卤盐。另一方面，采出水可以是从地面开采并从生产储层(例如，烃储层)提取的水。采出水也被称为储层盐水，通常含有许多组分，例如钡、锶和重金属。除天然存在的盐水(海水和采出水)之外，完井盐水可以由淡水通过添加诸如KCl、NaCl、ZnCl₂、MgCl₂、或CaCl₂的各种盐以增大盐水的密度而合成，例如10.6磅每加仑的CaCl₂盐水。完井盐水典型地提供了优化的流体静压，以抵抗井下的储层压力。可以改变上述盐水，以包括另外的盐。在一实施例中，包含在盐水中的所述另外的食盐为NaCl、KCl、NaBr、MgCl₂、CaCl₂、CaBr₂、ZnBr₂、NH₄C1、甲酸钠、甲酸铯等等。以基于组分的重量，盐水中存在的盐的量为大约0.5wt.％到大约50wt.％，特别是大约1wt.％到大约40wt.％，更特别是大约1wt.％到大约25wt.％。
在另一个实施例中，井下流体为无机酸，可以包括盐酸、硝酸、磷酸、硫酸、硼酸、氢氟酸、氢溴酸、高氯酸、或包括上述中的至少一个的组合。在又一个实施例中，井下流体为有机酸，可以包括羧酸、磺酸、或包括上述中的至少一个的组合。示例性羧酸包括蚁酸、乙酸、氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、三氟乙酸、丙酸、丁酸、草酸、苯甲酸、苯二甲酸(包括邻-、间-和对位异构体-)等。示例性磺酸包括烷基磺酸或芳基磺酸。烷基磺酸包括例如甲烷磺酸。芳基磺酸包括例如苯磺酸或甲苯磺酸。在一个实施例中，烷基可以是有支链的或无支链的，可以包含1到大约20个碳原子，并且可以是被取代的或未被取代的。芳基可以烷基取代，即，可以是烷基芳基，或可以通过亚烷基(即芳基烷基)附接于磺酸基团。在一实施例中，芳基可以用杂原子取代。芳基可以具有大约3个碳原子到大约20个碳原子，并且包括多环结构。
金属复合物的分解速率(也被称为溶解速率)为大约1毫克每平方厘 米每小时(mg/cm²/hr)到大约10,000mg/cm²/hr，特别是为大约25mg/cm²/hr到大约1000mg/cm²/hr，更特别是为大约50mg/cm²/hr到大约500mg/cm²/hr。分解速率随用于形成这里的金属复合物的组分和加工条件而变化。
在不希望受理论约束的情况下，这里金属复合物的分解速率出乎意料地高的原因是由于金属基体和多孔纳米基体所提供的微结构。如上所述，这种微结构通过使用粉末粉末冶金加工(例如，压制和烧结)涂覆的粉末而提供，其中，涂覆制成了多孔纳米基体，粉末颗粒制成了金属基体的颗粒芯材料。据信，金属复合物中多孔纳米基体与金属基体的颗粒芯材料之间的紧密相邻产生了用于快速、可定制地分解金属基体的电化位。这种电解位在缺乏多孔纳米基体的单金属和合金中是没有的。为便于说明，图5显示了由镁粉形成的压块50。虽然压坯50呈现了由颗粒边界54围绕的颗粒52，但是，颗粒边界构成了基本上相同的材料(颗粒52)之间的物理边界。但是，图5B显示了复合金属56(粉末压坯)的一示例性实施例，所述复合金属56包括具有设置在多孔纳米基体62中的颗粒芯材料60的金属基体58。复合金属56由涂覆氧化铝的镁颗粒形成，其中，在粉末冶金加工时，氧化铝涂覆生成多孔纳米基体62，镁生成具有(镁)颗粒芯材料60的金属基体58。多孔纳米基体62不只是如同图5A中颗粒边界54那样的物理边界，还是介于金属基体58的相邻颗粒芯材料60之间的化学边界。虽然压坯50中的颗粒52和颗粒边界54(图5A)没有电化位，但是，具有颗粒芯材料60的金属基体58结合多孔纳米基体62建立了多个电化位。电化位的反应速率取决于金属基体58和多孔纳米基体62中使用的合成物，如用于金属复合物的金属基体和多孔纳米基体微结构的加工条件的产物。
此外，这里的金属复合物的微结构能够通过选择粉末冶金加工条件以及粉末和涂覆中使用的化学材料而进行控制。所以，如图6中对于各种组分的金属复合物所显示的，分解速率是可选择性地定制的，图6显示了包括多孔纳米基体的各种金属复合物的质量损失随时间变化的曲线图。特别地，图6显示了四种不同的金属复合物的分解速率曲线(金属复合物 A 80，金属复合物B 82，金属复合物C 84和金属复合物D 86)。每条曲线的各段(由图6中的黑点分开)的斜率提供了该曲线的特定段的分解速率。金属复合物A 80具有两个不同的分解速率(802，806)。金属复合物B 82具有三个不同的分解速率(808，812，816)。金属复合物C 84具有两个不同的分解速率(818，822)，金属复合物D 86具有四个不同的分解速率(824，828，832和836)。在点804、810、814、820、826、830和834表示的时间，金属复合物(80，82，84，86)的分解速率由于条件(例如，上述的pH、温度、时间、压力)改变而改变。沿着同一条分解曲线，速率可以增大(例如，从速率818到速率822)或减小(例如，从速率802到速率806)。此外，根据金属复合物的微结构和组分，分解速率曲线可以具有超过两个的速率，超过三个的速率，超过四个的速率等等。这样，分解速率曲线可选择地定制，并与缺乏在此所述的金属复合物的微结构(即，金属基体和多孔纳米基体)的简单金属合金和纯金属区分开。
金属复合物的微结构不仅决定着金属复合物的分解速率行为，而且还影响金属复合物的强度。因此，这里的金属复合物还具有可选择性地定制的材料屈服强度(及其它材料性质)，其中材料屈服强度随着用于制造金属复合物的加工条件和材料而变化。为说明，图7A显示了由纯Mg粉末形成的压坯的断裂表面的电子显微照片，图7B显示了带有在此所述的多孔纳米基体的金属复合物的示例性实施例的断裂表面的电子显微照片。可以被选择以提供增强相材料的、带有金属基体(具有颗粒芯材料)的基本上连续的多孔纳米基体的微结构形态为此处的金属复合物提供了提高的机械性能，包括抗压强度和剪切强度，因为可以操纵所形成的多孔纳米基体/金属基体的形态，以通过类似于传统增强机理的处理，例如晶粒尺寸减小、利用杂质原子的溶液硬化、沉积或时效硬化和应变/加工硬化机理进行增强。多孔纳米基体/金属基体结构趋向于借助于众多颗粒纳米基体交界面以及在此所述的多孔纳米基体材料内的离散层之间的交界面限制错位运动。这已在这些材料的断裂行为中进行了举例说明，如图7A和7B所示。在图7A中，利用未涂覆的纯Mg粉制成、并受到足以引 起失效的剪切应力作用的压坯表现出晶粒间断裂。相反，在图7B中，利用具有用于形成金属基体的纯Mg粉末颗粒芯以及包括用于形成多孔纳米基体的Al的金属覆层的粉末颗粒制成、并受到足以引起失效的剪切应力作用的金属复合物表现出穿晶断裂和这里所述的明显更高的断裂应力。因为这些材料具有高强度特性，所以芯材料和涂覆材料可选择成利用低密度材料或其它低密度材料，例如低密度金属、陶瓷、玻璃或碳，不然低密度材料将不能提供在所需应用(包括井眼工具和部件)中使用所必须的强度特性。
为进一步说明具有多孔纳米基体的金属复合物的可选择性定制的材料性质，图8显示了带有多孔纳米基体的金属复合物的抗压强度与多孔纳米基体的成分(Al₂O₃)的重量百分比的曲线图。图8清楚地显示了改变氧化铝覆层的重量百分比(wt％)即厚度对带有多孔纳米基体的金属复合物的室温抗压强度的影响，其中所述多孔纳米基体由涂覆的粉末颗粒形成，所述涂覆的粉末颗粒包括纯Mg颗粒芯上的多层(Al/Al₂O₃/Al)金属覆层。在该实例中，最佳强度是在4wt％的氧化铝时实现的，其表示与0wt％氧化铝相比，强度增加了21％。
因而，这里的金属复合物可构造成提供从极低腐蚀速率到极高腐蚀速率的大范围的可选择且可控的腐蚀或分解行为，尤其是腐蚀速率比那些不含有多孔纳米基体的粉末压坯更低以及更高，例如由纯Mg粉通过同样的压制和烧结工序形成的压坯，与在这里所述的在各种多孔纳米基体中包括纯Mg散布颗粒所形成的压坯相比。这些金属复合物200也可以构造成提供比由不包含在此所述的纳米级覆层的纯金属(例如，纯Mg)颗粒形成的压坯明显提高的性能。此外，没有多孔纳米基体的金属合金(例如由溶体铸造而成，或者通过冶金加工粉末而形成)也不具有如同这里的金属复合物那样的可选择地定制的材料和化学性能。
如上所述，金属复合物用来制造可作为工具或器具例如在井下环境中使用的产品。在一特定实施例中，产品为密封件、截锥部件、套筒或堵头。在另一个实施例中，产品组合起来一起用作可分解管状锚固系统。
参照图9A和图9B，在此公开的可分解管状锚固系统的实施例用510 示出。密封件系统510包括截锥部件514(也被称为锥形部，单独显示在图10中)，所述截锥部件514具有彼此在相对的纵向方向上渐缩的第一截锥部分516和第二截锥部分520。堵头570(单独显示在图11中)设置在可分解系统510的一端。套筒524(单独显示在图12中)可响应于抵靠在第一截锥部分516上的纵向移动而径向膨胀。同样，密封件528(单独显示在图13A和13B中)可响应于抵靠在第二截锥部分520上的纵向移动而径向膨胀。套筒524和密封件528相对于截锥部分516、520移动的一种方式是用安放工具558纵向压缩整个组件。密封件528包括带有表面536的支座532，在该实施例中，所述表面536渐缩并可接收能够密封件地接合密封件528的表面536的塞子578。
密封件528的支座532还包括位于密封件528与第二截锥部分520之间的套环544。套环544具有壁548，所述壁548的厚度由于其上的径向向内面对的截锥表面552而渐缩。壁548的厚度变化允许较薄部分比较厚部分更容易变形。这是有好处的，至少有如下两个原因。第一，当套环544相对于第二截锥部分520移动时，薄壁部分549可以变形，以便使密封件528径向膨胀成与结构540密封接合。第二，较厚的壁部分550将抵抗由于在处理作业期间压靠承坐于支座532上的塞子(例如，塞子578)时形成在两侧的压差而产生的变形。截锥表面552的锥角可选择为与第二截锥部分520的锥角相匹配，从而允许第二截锥部分520至少在彼此接触的区域提供对套环544的径向支撑。
可分解管状锚固系统510构造成安放(即，锚固)和密封于一结构540，例如地层井眼中的衬套、套管、或密封孔或裸井，正如烃开采和二氧化碳封存应用中可采用的。与结构540的密封和锚固允许对承坐在此的塞子578的压力增大以便处理地层，正如在例如压裂和酸处理期间所进行的那样。另外，支座532定位在密封件528中，使得施加在承坐于支座532上的塞子上的压力朝着套筒524推压密封件528，从而增强密封件528与结构540及截锥部件514的密封件接合以及增强套筒524与结构540的锚固接合。
密封件系统510可以构造成使套筒524在密封件528密封地接合结构 540之前锚固(在位置上固定)到结构540上，或者构造成使密封件528在套筒524锚固到结构540之前与结构540密封地接合。密封件528及套筒524与结构540接合的控制首先可以通过密封件528安放中涉及的部件对比于套筒524安放中涉及的部件之间的材料性能关系(例如，相对抗压强度)或尺寸关系进行。不管是套筒524还是密封件528接合，结构540首先可以响应于安放工具的安放可分解管状锚固系统510的部分的方向而安放。通过减少或消除密封件528与结构540之间在密封件528与结构540接合之后的相对运动，可使对密封件528的损坏减到最低。在该实施例中，通过在套筒524接合结构540之前使密封件528接合结构540，可以实现该目标。
支座532的表面536纵向定位在套筒524的上游(由推压塞子使其抵靠支座532的流体流动限定)。另外，密封件的支座536可以纵向定位在密封件528的套环544的上游。该相对定位允许由施加在坐靠在台肩536上的塞子上的压力而产生的力进一步推动密封件528与结构540密封接合。
无论锥角是否匹配，套环544变形的部分都与第二截锥部分520相一致，足以被其径向支撑。第二截锥部分520的锥角可以为大约1°到大约30°，特别是大约2°到大约20°，以便于套环544的径向膨胀，以及允许套环544和第二截锥部分220之间的摩擦力以在引起其间的运动的纵向力移除之后保持两者之间的位置关系。第一截锥部分516的锥角也可以为大约10°到大约30°，特别是大约14°到大约20°，原因与第二截锥部分520相同。截锥表面552和第二截锥部分520中的任一或两者可以包括超过一个的锥角，正如在此第二截锥部分520上所示的那样，在第二截锥部分520上，鼻部556具有比远离鼻部556的表面520大的锥角。具有多个锥角可以为操作者提供对套环544(和随后密封件528)在套环544和截锥部件514之间每单位纵向运动下的径向膨胀量的更大的控制。除了其它变量之外，锥角还提供了对使套环544相对于截锥部件514运动所需的纵向力的附加控制。这种控制可以允许可分解管状锚固系统510在膨胀和安放套筒224之前膨胀密封件528的套环544以便安放密封件528。
在一实施例中，安放工具558沿着从堵头570到密封件528的系统510的长度设置。安放工具558可以产生导致截锥部件514相对于套筒524运动 所需的载荷。安放工具558可以具有带有止动件562的心轴560，所述止动件562通过诸如多个剪切螺钉的力失效部件566附接于一个端部564。止动件562设置成接触堵头570。一板568设置成接触密封件528，并可沿着心轴560在朝着堵头570上的止动件562的方向上被引导移动(通过这里没有显示的装置)，所述板568可朝着套筒524纵向推动截锥部件514。使力失效部件566失效的载荷可设定成仅在套筒524已经被截锥部件514径向改变一选定量之后出现。在力失效部件566失效之后，止动件562可以与心轴560分开，从而允许例如将心轴560和板568回收到地面。
依据一实施例，套筒524的表面572包括突起574，所述突起574可以被称为齿，并构造成当表面572处于径向改变(即膨胀)构造时与可分解系统510可在其内使用的结构540的壁576咬合。该咬合用以将可分解系统510锚固到结构540上，以防止两者之间相对运动。虽然该实施例中公开的结构540为管材，例如井眼中的衬套或套管，但是，其也可以是地层中的裸井。
图9B显示了当安放工具558在安放可分解系统510之后已从结构540移除后的可分解系统510。这里，套筒524的突起574咬合结构540的壁576，以将可分解系统510锚固于此。另外，由于安放工具558对密封件528的压缩，密封件528已经径向膨胀而接触密封件528的外表面上的结构540的壁576。密封件528发生变形，使得在密封件528在截锥部件514与结构540的壁576之间压缩期间，密封件528的长度随着厚度548的减小而增大。这样，密封件528形成对截锥部件514的金属对金属密封以及对壁576的金属对金属密封。做为选择，密封件528可以发生变形而与壁576的外形特征例如空隙、凹陷、突起等等互补。同样，密封件528的延展性和拉伸强度允许密封件528变形以与截锥部件514的外形特征互补。
在用套筒514的突起574安放可分解系统510之后，塞子578可以设置在支座532的表面536上。一旦塞子578与支座536密封接合，其上游的压力可以增大，以执行诸如压裂地层或致动井下工具的作业，例如，当在烃开采应用中使用时。
在一实施例中，如图9B所示，塞子578，例如球，接合密封件528的 支座532。向塞子578施加压力，例如施加液压，以使密封件528的套环544发生变形。套环544的变形导致壁材料548伸长并密封地接合结构540(例如，井眼套管)，以与截锥部件514的第一截锥部分516形成金属对金属密封并且与结构576形成另一金属对金属密封。这里，金属复合物的延展性允许密封件528填充结构540与截锥部件514之间的空间。这时可进行井下作业，并在作业之后接着移除塞子578。塞子578从支座532的移除可以通过在塞子578两侧建立压差使得塞子578从支座532移开并远离密封件528和截锥部件514运动进行。然后，密封件528、截锥部件514、套筒524或堵头570中的任何部件都可以通过接触井下流体而分解。作为替换，在从支座532移除塞子578之前，井下流体可以接触密封件528并使之分解，然后就可以从可分解系统510的任何其余部件移除塞子578。密封件528、截锥部件514、套筒524或堵头570的分解是有利的，至少部分地因为在不用机械地移除可分解系统510的部件(例如，通过钻孔或铣削)的情况下或在不用将岩屑冲出井眼的情况下恢复了井眼的流路。应当明白，可分解系统510的部件的分解速率如上所述地独立地、可选择地定制，并且密封件528、截锥部件514、套筒524或堵头570具有独立地、可选择地定制的材料性质，例如屈服强度和抗压强度。
依照另一实施例，可分解管状锚固系统510构造成，使通孔580具有由可分解系统510在安放在结构540内时的最大径向尺寸限定的内径向尺寸582和外径向尺寸584。在一实施例中，内径向尺寸582可以足够大以使安放工具558的心轴560装配通过系统510。安放工具558的止动件562可以在安放可分解系统510和移除心轴560之后留在结构540中。在系统510分解之后，止动件562能够被捞出结构540，至少到止动件562可以通过内径向尺寸582的位置。因而，可分解系统510的部件可以是基本上实心的。通过在可分解系统510中引入通孔580，流体可以从结构540的上游方向或下游方向循环通过可分解系统510，以使得部件(例如，套筒)分解。
在另一个实施例中，可分解管状锚固系统510构造成具有比外径向尺寸584大的内径向尺寸582。依照一个实施例，内径向尺寸582可以大于外径向尺寸584的50％，特别是60％，更特别是70％。
密封件、截锥部件、套筒和堵头可以具有用于在例如井下环境中使用的有益性能，或者组合或者单独。这些部件是可分解的，并且可以是此处完整的可分解锚固系统的一部分。进一步地，部件具有在此所述的金属复合物的机械性能和化学性能。这些部件因而有利地响应于与井下流体的接触或条件改变(例如，pH，温度，压力，时间等等)而可选择性地定制地分解。示例性流体包括盐水、无机酸、有机酸、或包括上述中的至少一种流体的组合。
图10显示了截锥部件的实施例的截面图。如上所述，截锥部件514具有第一截锥部分516、第二截锥部分520和鼻部556。截锥部件514的锥角可以沿着外表面584而变化，使得截锥部件514具有各种截面形状，包括所示的截断双锥形状。壁厚度586因而可以沿着截锥部件514的长度而变化，可以根据特定应用选择截锥部件514的内径。截锥部件514可用于各种应用，例如此处的可分解管状锚固系统以及在其中强固的或可分解的截锥形状有用的任何情形。示例性应用包括支承件、扩口式接头、阀杆、密封环等等。
图11显示了堵头的截面图。堵头700具有第一端702、第二端704、可任选的螺纹706、可任选的通孔708、内径710和外径712。在一实施例中，堵头700是工具(例如，可分解系统510)的末端。在另一个实施例中，堵头700设置在管柱的一端。在某些实施例中，堵头700用来将工具附接于管柱。作为替换，堵头700可使用在工具或管柱之间，并且可以是接头或联接器的一部分。堵头700可以与管柱和诸如桥塞、压裂塞子、泥浆马达、封隔器、造斜器等产品一起使用。在一个非限制性实施例中，第一端702提供了与例如截锥部件514和套筒524的接口。第二端704接合安放工具558的止动件562。螺纹706(如果有)可用于将堵头700固定于一产品。在一实施例中，截锥部件514具有与螺纹706配合的螺纹部分。在有些实施例中，没有螺纹706，内径710可以是一直孔，或者可以具有渐缩的部分。通孔708可以传送诸如盐水的流体，以分解堵头700或可分解系统510的其它部件。通孔也可以是用于与安放工具558或类似装置结合使用的力失效部件566的附接点。可以考虑，堵头700可以具有如图11所示 的另一截面形状。示例性形状包括锥形、椭圆形、环形、球形、圆柱形、它们的截头形状、非对称形状，包括上述形状的组合，等等。进一步地，堵头700可以是实心的零件，或者可以具有为外径尺寸的至少10％、特别是至少50％、更特别是至少70％的内径。
图12A、12B和12C分别显示了套筒的透视图、截面图和俯视图。套筒524包括外表面572、设置在外表面572上的突起574、和内表面571。套筒524用作卡瓦环，带有作为卡瓦的突起574，当套筒524响应于内表面571的第一部分573接合配合表面(例如，图10中的第一截锥部分516)而径向膨胀时，所述突起574咬合表面，例如套管或裸井的壁。突起574可以周向围绕整个套筒524。作为替换，突起574可以对称地或不对称地间隔开，如图12C的俯视图所示。套筒524的形状不局限于图12所示的形状。除了作为图9所示的可分解管状锚固系统中的卡瓦环之外，套筒可用于安放众多工具，包括封隔器、桥塞或压裂塞子，或可以设置在可以通过使套筒的突起与一配合表面接合来实现产品的防滑的任何环境中。
参照图13A和图13B，密封件400包括内密封表面402、外密封表面404、支座406和支座406的表面408。表面408构造成(例如，形状)接收一部件(例如，塞子)以在密封件400上提供力作用，以便使密封件变形，这样，内密封表面402和外密封表面404分别与配合表面(在图13A和13B中未显示)形成金属对金属密封。作为替换，也可以通过设置在如图9A中的密封件400的相对两端上的截锥部件和安放工具对密封件400施加压缩力作用。在一实施例中，密封件400作为适形的、可变形的、可高延展的且可分解的密封件用于井下环境是有用的。在一实施例中，密封件400为桥塞、垫圈、挡板阀等等。
除选择性地腐蚀之外，这里的密封件还响应于所施加的安放压力而就地变形以与其所在的空间相一致，所述安放压力足够大以径向膨胀密封件或通过增加密封件的长度而减小密封件的壁厚度。与诸如弹性体密封件的许多密封件不同，这里的密封件被制备成对应于待密封件的配合表面、例如套管的形状或被制备成井下工具的截锥形状。在一实施例中，该密封件为临时密封件，其具有可下入井下并随后在压力下变形以形成 金属对金属密封件的初始形状，所述金属对金属密封件变形而适应密封件接触的表面，并填充配合表面中的空间(例如，空隙)。为实现密封件性能，基于密封件的原始尺寸，密封件的百分数伸长率为大约10％到大约75％，特别是大约15％到大约50％，更特别是大约15％到大约25％。密封件具有大约15千磅每平方英寸(ksi)到大约50ksi、特别是大约15ksi到大约45ksi的屈服强度。密封件的抗压强度为大约30ksi到大约100ksi，特别是大约40ksi到大约80ksi。为了使密封件变形，可以对密封件施加高达大约10,000psi、特别是大约9,000psi的压力。
与弹性体密封件不同，在此包括金属复合物的密封件具有高达大约1200℉、特别是高达大约1000℉、更特别是高达大约800℉的额定温度。密封件是临时性的，该密封件响应于与井下流体的接触或条件改变(例如，pH，温度，压力，时间等等)而选择性且可定制地分解。示例性井下流体包括盐水、无机酸、有机酸、或包括上述流体中的至少一种的组合。
由于密封件与例如此处的可分解管状锚固系统中的其它部件、例如截锥部件、套筒或堵头互相作用，选择每个部件的性能以用于适当的相对选择性且可定制的材料和化学性能。这些性能是用来制造这些产品、即部件的金属复合物的特征和形成所述金属复合物的工艺条件。所以，在一实施例中，一部件的金属复合物将不同于可分解系统的另一部件的金属复合物。这样，部件具有独立地可选择性地定制的机械性能和化学性能。
依据一实施例，套筒和密封件在截锥部件和堵头赋予的力作用下变形。为实现该结果，套筒和密封件具有小于堵头或截锥部件的抗压强度。在另一个实施例中，套筒在密封件变形之前、之后或同时变形。可以考虑，堵头或截锥部件在某些实施例中变形。在一实施例中，一部件具有与另一部件不同量的增强剂，例如，在高强度部件具有比较小强度的部件更大量的增强剂的情况下。在一特定实施例中，截锥部件具有比密封件更大量的增强剂。在另一个实施例中，截锥部件具有比套筒更大量的增强剂。同样，堵头可以具有比密封件或套筒更大量的增强剂。在一特 定实施例中，截锥部件具有比密封件或套筒的抗压强度更大的抗压强度。在又一实施例中，截锥部件具有比密封件或套筒中的任何一个的抗压强度更大的抗压强度。在一个实施例中，截锥部件具有40ksi到100ksi、特别是50ksi到100ksi的抗压强度。在另一个实施例中，堵头具有40ksi到100ksi、特别是50ksi到100ksi的抗压强度。在又一个实施例中，密封件具有30ksi到70ksi、特别是30ksi到60ksi的抗压强度。在又一个实施例中，套筒具有30ksi到80ksi、特别是30ksi到70ksi的抗压强度。因而，在压缩力作用下，密封件或套筒将在堵头或截锥部件变形之前进行变形。
可以影响部件的相对强度的其它因素包括每个部件中的增强剂的类型和尺寸。在一实施例中，截锥部件包括尺寸比密封件或套筒中的任何一个中的增强剂小的增强剂。在又一个实施例中，堵头包括尺寸比密封件或套筒中的任何一个中的增强剂小的增强剂。在一个实施例中，截锥部件包括诸如陶瓷、金属、金属陶瓷或它们的组合的增强剂，其中增强剂的尺寸为从10nm到200μm，特别是从100nm到100μm。
影响部件的相对可选择性定制的材料和化学性能的又一个因素是金属复合物的成分，即多孔纳米基体的金属纳米基体、设置在多孔纳米基体中的金属基体、或分解剂。抗压强度、拉伸强度和分解速率由这些成分的化学同一性和相对量决定。因而，可以通过金属复合物的成分调节这些性能。依据一实施例，一部件(例如，密封件，截锥部件，套筒，或堵头)具有包括纯金属的金属复合物的金属基体，另一部件具有包括合金的金属基体。在另一个实施例中，密封件具有包括纯金属的金属基体，截锥部件具有包括合金的金属基体。在另外的实施例中，套筒具有为纯金属的金属基体。可以考虑，部件可以被在功能上分级，金属复合物的金属基体可以包含纯金属和合金两者，两者具有设置在部件中的金属基体中的纯金属或合金的相对量的梯度。所以，可选择性定制的性能的值关于沿着部件的位置而变化。
在一特定实施例中，一部件(例如，密封件、截锥部件、套筒或堵头)的分解速率的值大于另一部件的分解速率的值。作为替换，各个部件可以具有基本上相同的分解速率。在又一实施例中，套筒具有比另一 部件、例如截锥部件大的分解速率。在另一个实施例中，一部件(例如，密封件、截锥部件、套筒或堵头)中具有的分解剂的量大于另外的部件中的量。在另一个实施例中，套筒中具有的分解剂的量大于另外的部件中的量。在一个实施例中，密封件中分解剂的量大于另外部件的部件中的量。
参照图14和图15，可分解管状锚固系统的替换实施例用1110示出。可分解系统1110包括截锥部件1114、具有表面1122的套筒1118、具有表面1130的密封件1126、和支座1134，其中各个部件均由金属复合物制成，并具有可选择地定制的机械性能和化学性能。系统510(图9)和系统1110之间的主要区别在于密封件和截锥部件的初始相对位置不同。
套筒1118的表面1122经受的径向改变量受截锥部件1114被强制进入套筒1118的远近控制。截锥部件1114上的截锥表面1144可与套筒1118上的截锥表面1148楔入接合。这样，截锥部件1114相对于套筒1118移动得越远，套筒1118的径向改变越大。同样，密封件1126位于截锥表面1144的径向，并相对于套筒1118纵向固定，因此，截锥部件1114相对于套筒1118和密封件1126移动得越远，密封件1126和表面1130的径向改变越大。在系统1110位于结构1150内时，上述结构允许操作者决定表面1122、1130的径向改变量。
可选而非必要地，系统1110可以包括在径向上位于密封件1126和截锥部件1114之间的套环1154，使得套环1154的径向尺寸也响应于上述相对运动由截锥部件1114改变。套环1154可以具有与截锥表面1144互补的截锥表面1158，使得套环1154的大体上整个纵向范围在截锥部件1114运动的同时径向改变。套环1154可以由不同于密封件1126或不同于截锥部件1114的金属复合物制成。因而，即使截锥表面1144稍迟从与截锥表面1158的接合移出，套环1154也可以使密封件1126保持在改变的径向尺寸处，从而使密封件1126保持与该结构1150的壁1162的密封接合。这可以通过选择套环1154的金属复合物使之具有比密封件1126高的抗压强度而实现。
可分解系统1110进一步还包括位于截锥部件1114上的与塞子1138可 密封地接合的台肩1136。可分解系统还包括套筒1118的凹部1166(在壁1058内)，其可接收指状物1174上的肩部1170；一旦安放工具558以与如图9所示的可分解系统510利用安放工具558安放同样的方式压缩可分解系统1110，这些部位就可相互接合在一起。
参照图16，可分解管状锚固系统的另一替换实施例用1310示出。可分解系统1310包括第一截锥部件1314、套筒1318，所述套筒1318定位和构造成响应于与第一截锥部件1314的截锥表面1330抵靠而被施力而径向膨胀成与结构1322锚固接合，所述结构1322在此显示为地层1326中的井眼。套环1334响应于相对于第二截锥部件1338被纵向施力而径向膨胀成与结构1322密封接合，并且其具有支座1342，所述支座1342具有一表面1346，所述表面1346密封地塞子1350(用虚线显示)，所述塞子可抵靠着所述表面1346移动。支座1342从套环1334沿着由推动塞子1350抵靠支座1342的流体所限定的下游方向(图16中向右)位移。通过使插入塞子1350时支座1342两侧的压差引起的套环1334上的径向力最小化，该构造以及表面1346相对于套环1334的位置有助于将套环1334保持在径向膨胀构造(在已膨胀之后)。
甚至是套环1334的纵向延伸范围的一部分的上游方向上(实际上不是)，那么承坐在表面1346上的塞子1350两侧建立的压力将在套环1334的位于表面1346的下游方向上的那部分两侧产生径向压差。该压差将由套环1334的比套环1334的径向向内更大的径向向外的压力限定，从而在套环1334上形成径向向内的力。该径向向内的力如果足够大，将导致套环1334径向向内变形，有可能在该过程中危害套环1334和结构1322之间的密封完整性。该情况特别可通过表面1346相对于套环1334的定位来避免。
可选而非必要地，可分解管状锚固系统1310包括位于套环1334的径向上的密封件1354，所述密封件1354构造成通过在套环1334径向膨胀时被在所述套管1334和所述结构1322之间径向压缩而有利于套环1334密封到结构1322上。密封件1354由抗压强度比第一截锥部件1314低的金属复合物制造，以增强密封件1354对套环1334和结构1322两者的密封件。在 一实施例中，密封件1354具有比套环1334低的抗压强度。
因而在该实施例中，可分解系统1310可以包括第一截锥部件1314、套筒1318和可选而非必要的密封件1354。在不存在密封件1354的情况下，第一截锥部件1314的套环1334可以与套管或衬套形成金属对金属密封件，或与裸眼井表面相一致。在有些实施例中，第一截锥部件1314包含功能分级的金属复合物，使得套环1334的抗压强度值低于第一截锥部件1314的其余部分。在另一个实施例中，套环1334具有比第二截锥部件1338低的抗压强度。在又一个实施例中，第二截锥部件1338具有比密封件1354更大的抗压强度。
这里的部件可以增添各种材料。在一个实施例中，密封件，例如密封件528，可以包括备用密封件，例如如图17所示的弹性体材料602。弹性体可以是，例如设置在密封件528的表面上的压盖604中的O形环。弹性材料包括而不限于，例如：丁二烯橡胶(BR)，丁基橡胶(IIR)，氯磺化聚乙烯(CSM)，环氧氯丙烷橡胶(ECH，ECO)，乙撑丙二烯单体(EPDM)，乙丙橡胶(EPR)，氟橡胶(FKM)，丁腈橡胶(NBR，HNBR，HSN)，全氟化橡胶(FFKM)，聚丙烯酸酯橡胶(ACM)，聚氯丁烯(氯丁橡胶)(CR)，聚异戊二烯(IR)，硫化橡胶(PSR)，Sanifluor，硅橡胶(SiR)，丁苯橡胶(SBR)，或包括上述中的至少一个的组合。
正如在此所述的，部件例如密封件可用于井下环境，例如以提供金属对金属密封件。在一实施例中，用于临时密封井下元件的方法包括：在井下设置部件，和施加压力以使部件变形。部件可以包括密封件、截锥部件、套筒、堵头、或包括上述中的至少一个的组合。该方法还包括：使密封件与空间相符，以形成临时密封；压缩套筒，以接合表面；和接着用井下流体接触部件，以分解该部件。所述部件包括这里的具有金属基体、分解剂、多孔纳米基体和可选而非必要的增强剂的金属复合物。该密封件的金属复合物形成内密封表面和设置在该密封件的内密封表面的径向的外密封表面。
依据一实施例，一种隔离结构的工艺，其包括：在一结构(例如， 管材、管道、管、井眼(封闭或裸眼)等等)中设置可分解管状锚固系统；径向改变套筒，以接合所述结构的表面；和径向改变密封件以隔离所述结构。可分解管状锚固系统可以接触一流体，以使例如密封件、截锥部件、套筒、堵头或上述中的至少一个的组合分解。该工艺还可以包括利用安放工具安放可分解锚固系统。另外，塞子可以设置在密封件上。通过隔离该结构，可以完全地或大体上阻止流体流过该结构。
此外，除了图9和13-16所示的特定配置之外，密封件可以具有各种形状和各种密封表面。在另一个实施例中，参照图18A和18B，在此公开的密封件的实施例用100示出。密封件100包括金属复合物、第一密封表面102和与第一密封表面102相对设置的第二密封表面106。金属复合物包括设置在多孔纳米基体中的金属基体、分解剂、和可选而非必要的增强剂。密封件100可以是任何形状，并且可以在压力作用下就地与表面相符，以形成响应于与流体的接触而可选择性地分解的临时密封件。在该实施例中，密封件100为带有外径106和内径108的环形形状。在有些实施例中，第一表面102、第二表面104、外径106、内径108或包括上述中的至少一个的组合可以是密封表面。
虽然已经描述了可分解管状锚固系统的变形同时包括几个部件，但是，可以想到，各个部件分别地、单独地作为产品而应用。进一步地，可以使用部件的任何组合。此外，部件可用于地面环境或井下环境。
虽然已经显示和描述了一个或多个实施例，但是，在没有背离本发明的精神和范围的情况下，可以对此进行许多修改和替换。因此，应当理解，本发明是通过说明和非限制的方式描述的。这里的实施例可以单独使用，或者可以组合起来。
在此所公开的所有范围都包括端点在内，端点可以相互独立地组合。在此所使用的后缀"(s)"用来包括其限制的术语的单数和复数，从而包括至少一个该术语(例如，着色剂(s)包括至少一个着色剂)。"可选而非必要的"或"可选而非必要地"是指随后所述的事件或环境可能发生，也可能不发生，而且本说明书包括事件发生的情况和事件没有发生的情况。在此所使用的"组合"包括掺合物、混合物、合金、反应产物等等。 所有引用在此引入作为参考。
在描述本发明的上下文中(特别是在下面权利要求书的上下文中)使用的术语"一"、"该"和"所述"以及类似词语应当解释为涵盖单数和复数两者，除非在此另有陈述或者根据上下文明确相反。在此所使用的术语"一"包括至少一个"一"之后的元件，例如，"一装置"包括"至少一个装置"。"或"是指"和/或"。进一步地，还应当注意，这里的术语"第一"、"第二"等等并不表示任何次序、量(这里具有超过一个、两个或超过两个的元件)、或重要程度，而是用来区分不同的元件。与数量结合使用的修饰语"约"包括所述的值，并且具有上下文规定的意思(例如，包括与特定数量的测量相关的误差程度)。