CN106029255B - 溶解速率受控材料的制备 - Google Patents

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Abstract

一种使用含金属的基底金属或基底金属合金的可浇铸、可模塑或可挤出的结构。在所述含金属的基底金属或基底金属合金中加入一种或多种不溶性添加剂从而所述可浇铸的、可模塑的或可挤出的结构的颗粒边界包括组合物和形貌以获得部分或贯穿所述结构或沿着所述结构的颗粒边界的具体的电化学腐蚀率。所述不溶性添加剂可用于增强所述结构的机械性质，例如延展性和/或抗张强度。所述不溶性颗粒通常具有亚微米级粒径。可通过热处理以及变形处理，例如挤出、锻造或轧制来增强最终结构，从而与未增强的结构相比，进一步改善最终结构的强度。

Description

溶解速率受控材料的制备
本发明要求2014年2月21日提交的美国临时申请系列第61/942,879号的优先权，其通过引用纳入本发明。
发明领域
本发明涉及在石油钻探中用作可溶解的结构的新型材料。具体地，本发明涉及在钻井或完井操作中的球形或其它结构，例如在液压操作中固定的结构，其可在使用后溶解掉从而不需要钻探或去除所述结构。首先，以所述球体从所述位置自己移除或可变为在所述系统中自由漂浮所需要的时间测量溶解。其次，以所述球体完全溶解成亚微米颗粒所需要的时间测量溶解。此外，本发明的新型材料可用于其它同样希望能在一段时间后溶解的井结构中。所述材料是可机械加工的并可用于替代在石油和天然气钻探设备(包括但不限于水注射和水力压裂)中已有的金属或塑料结构。
发明背景
控制深井结构在各种溶液中溶解的能力对于非可钻孔的完井工具(completiontools)(例如套筒断裂球(sleeves frack balls)、液压驱动工具(hydraulic actuatingtooling)等)的使用是非常重要的。用于本发明的反应性材料当暴露于酸、盐和/或其它钻井孔条件时发生溶解或腐蚀，其已经提出了一段时间。通常，这些反应性材料由被工程改造成溶解或腐蚀的材料组成。溶解聚合物和一些粉末冶金金属已经被公开，并且它们广泛地用于制药工业以用于药物的控释。
虽然这些系统在减少完成井成本中取得了适度的成功，但它们的相容性和在具体溶液中对于具体控制溶解速率的能力，以及其它缺陷例如限制的强度和不良的可靠性，影响了它们被广泛采用。理想地，通过低成本、可扩展的的方法制备这些结构，并形成受控的腐蚀速率，同时与常规工程合金(例如铝、镁和铁)相比，具有相似的或增加的强度。理想地，可使用常规热处理、变形处理和机械加工技术而不会影响所述结构的溶解速率和可靠性。
发明内容
本发明涉及使用金属或含金属的主要合金的可浇铸的、可模塑的或可挤出的结构。非限制性的金属包括铝、镁、铝和锌。非限制性的金属合金包括铝、镁、铝和锌的合金。在含金属的主要金属或合金中加入一种或多种添加剂以形成新型复合物。选择一种或多种添加剂并以一定量使用，从而所述新型复合物的颗粒边界(grain boundaries)包含所需的组成和形态以在整个复合物中或沿所述复合物的颗粒边界获得特定的电化学腐蚀速率。本发明采用了在常规浇铸实践中通常避免的特征，其中在熔融体固化的过程中将不溶性颗粒放入到颗粒边界中。该特征使得能控制在最终浇铸中颗粒位于何处，以及与粉末冶金或合金的复合物相比，能使用较低的阴极颗粒负荷的表面积比而获得相同的溶解速率。当以亚微米级颗粒加入时，在金属或金属合金中加入不溶性颗粒可用于增强所述复合物的机械性质，例如延展性和/或抗张强度。最终浇铸可任选地通过热处理以及变形处理，例如挤出、锻造或轧制来增强，从而与刚浇铸的材料相比，进一步改善最终复合物的强度。变形处理通过减少金属合金复合物的颗粒尺寸获得增强。如果需要进一步的改善，可任选地使用其它增强，例如常规合金热处理，例如固溶化、老化和冷加工而没有溶解影响。由于电化学腐蚀通过阳极相和阴极相之间的电势以及两个相暴露的表面积共同驱动，腐蚀速率可通过调节阴极颗粒尺寸而不增加或减少添加的体积分数或重量分数来控制，和/或通过改变体积/重量分数而不改变颗粒尺寸来控制。
在本发明一个非限制性的方面，可将浇铸结构制成几何任意形状。在固化过程中，将活性增强相推动到颗粒边界中，所述颗粒边界组合物被改性从而获得所需的溶解速率。可将电化学腐蚀工程改性成仅影响颗粒边界和/或还影响基于组合物的颗粒。与其它方法相比，该特征可用于使高强度轻质合金复合物的快速溶解，且使用显著更少的反应性(阴极)增强相。
在本发明另一个和/或其它非限制性方面，可使用纳米颗粒(如果需要纳米颗粒阴极添加)超声分散和/或电润湿以与少数纳米颗粒添加物一起进一步增强强度和/或延展性。
在本发明另一个和/或其它非限制性方面，通过用在金属或金属合金中以离散颗粒形式存在的至少一个不溶性相浇铸来制备金属浇铸结构。所述离散的不溶性颗粒具有与基底金属或金属合金不同的电流电势。所述离散的不溶性颗粒通常使用例如触变成型、搅拌铸造、机械搅拌、电润湿和超声分散和/或这些方法组合的技术，在基底金属或基底金属合金中均匀地分散；但不要求如此。由于不溶性以及熔融材料和不溶性颗粒中原子结构的不同，不溶性颗粒会在浇铸固化过程中被推动到颗粒边界中。由于不溶性颗粒通常会被推动到颗粒边界中，该特征使得能设计颗粒边界从而控制所述浇铸的溶解速率。该特征也使得通过常规变形处理进一步颗粒增强最终合金，以增加合金系统中的抗张强度、断裂伸长率和其它性质，这些性质在不使用不溶性颗粒添加物的系统中不能获得。由于在颗粒边界中不溶性颗粒的比例通常恒定，并且颗粒边界与颗粒表面积通常始终如一，甚至在复合物的变形处理和热处理后也通常一致，因此所述复合物的腐蚀速率保持非常相近或恒定。
在本发明另一个和/或其它非限制性方面中，根据选择颗粒添加物物落在电流图的何处，可将所述金属浇铸结构设计成在颗粒处、颗粒边界和/或不溶性颗粒添加物处腐蚀。例如，如果需要仅沿颗粒边界促进电化学腐蚀，可选择在操作溶液选项中的一个电流电势处的基底金属或基底金属合金，在所述操作溶液选项中，与基质颗粒(即在浇铸的基底金属或基底金属合金中形成的颗粒)相比，其主要颗粒边界合金组合物会更偏阳极性(moreanodic)，并且随后可选择相比于主要颗粒边界合金组合物更偏阴极性(more cathodic)的不溶性颗粒添加物。该组合会沿颗粒边界腐蚀材料，从而以与暴露于阳极主要颗粒边界合金的阴极颗粒添加物的表面积相称的速率去除更偏阳极性的主要颗粒边界合金组合物。可在所需的温度和压力下通过在溶液中测试阴极到阳极的零电阻电流来计算系统中流动的电流。复合物的腐蚀通常会与系统中最偏阳极性的组分的电流密度(电流/单位面积)相称，直到去除该组分。如果系统中剩余组分之间导电率保持不变，那么接下来要去除系统中第二最偏阳极性的组分。
在本发明另一个和/或其它非限制性方面中，可通过选择固定于操作溶液选项中一个电流电势处的基底金属或基底金属合金促进颗粒中的电化学腐蚀，其中，与基质颗粒(即在浇铸的基底金属或基底金属合金中形成的颗粒)相比，所述操作溶液选项的主要颗粒边界合金组合物会更偏阴极性，并可选择与主要颗粒边界合金组合物和基质颗粒(即在浇铸的基底金属或基底金属合金中形成的颗粒)相比更偏阴极性的不溶性颗粒添加物。该组合会通过以与暴露于阳极主要颗粒边界合金的阴极颗粒添加物的表面积相称的速率去除更偏阳极性的颗粒组合物从而得到通过颗粒的复合材料的腐蚀。可在所需的温度和压力下通过在溶液中测试阴极到阳极的零电阻电流来计算系统中流动的电流。复合物的腐蚀通常与系统中最偏阳极性的组分的电流密度(电流/单位面积)相称，直到去除该组分。如果系统中剩余组分之间导电率保持不变，那么会去除系统中第二最偏阳极性的组分。
在本发明另一个和/或其它非限制性方面中，当需要较慢的腐蚀速率时，可在基底金属或基底金属合金中加入两种或更多种不同不溶性颗粒组合物以沉积在颗粒边界处。如果选择系统从而第二不溶性颗粒组合物是整个系统中最偏阳极性的，那么第二不溶颗粒会被腐蚀，因此通常，根据暴露的表面区域和在第二不溶颗粒和表面区域与最偏阴极性系统组分的电流电势之间的电流电势差保护剩余组分。当将暴露的第二不溶性颗粒组合物的表面区域从系统中去除时，所述系统转变成两个上文所述的前述实施方式，直到暴露更多的第二不溶性颗粒组合物的颗粒。这样的安排形成了用第二不溶性颗粒组合物的少量添加延缓腐蚀速率的机理。
在本发明另一个和/或其它非限制性方面中，整个浇铸系统中的腐蚀速率可通过表面区域控制，并且从而可通过不溶性颗粒添加物的粒径和形态控制。
在本发明另一个和/或其它非限制性方面中，提供了一种金属浇铸结构，其中所述颗粒边界组合物以及不溶性相添加的尺寸和/或形状可用于控制所述复合物的溶解速率。颗粒边界层的组合物可任选地包括两种添加的不溶性颗粒，它们具有不同的组成以及与基底金属或基底金属合金相比更偏阳极性或更偏阴极性的不同的电流电势(galvanicpotential)。所述基底金属或基底金属合金可包括镁、锌、钛、铝、铁或它们的任意组合或合金。所述添加的具有比基底金属或基底金属合金更偏阳极性的电势的不溶性颗粒可任选地包括铍、镁、铝、锌、镉、铁、锡、铜和它们的任意组合和/或它们的合金。所述添加的具有比基底金属或基底金属合金更偏阴极性的电势的不溶性颗粒可任选地包括铁、铜、钛、锌、锡、镉、铅、镍、碳、碳化硼和它们的任意组合和/或它们的合金。所述颗粒边界层可任选地包括与基底金属或基底金属合金相比更偏阴极性的添加组分。颗粒边界层的组合物可任选地包括与颗粒边界组合物的主要组分相比更偏阴极性的添加组分。所述颗粒边界组合物可以是镁、锌、钛、铝、铁或它们的任意组合或它们的任意合金。颗粒边界层的组合物可任选地包括与颗粒边界组合物的主要组分相比更偏阴极性的添加的组分，所述颗粒边界组合物的主要组分可比颗粒组合物更偏阳极性。阴极组分或阳极组分可与基底金属或基底金属合金相容，因为所述基底金属或基底金属合金中阴极组分或阳极组分可具有溶解度极限和/或不形成化合物。所述组分(阳极组分或阴极组分)在基底金属或基底金属合金中的溶解度可任选地小于约5％(例如0.01-4.99％以及它们之间的所有值和范围)，通常小于约1％，更通常小于约0.5％。颗粒边界中的阴极组分或阳极组分的组成可与主要颗粒边界材料相容，因为主要颗粒边界材料中阴极组分或阳极组分有溶解度极限和/或不形成化合物。金属浇铸结构的强度可任选地使用变形处理来增加，以及溶解速率改变少于约20％(例如0.1-19.99％以及它们之间的所有值和范围)，通常少于约10％，更通常少于约5％。金属浇铸结构的延展性可任选地使用纳米颗粒阴极添加来增加。在一个非限制性的具体实施方式中，基底金属或基底金属合金包括镁和/或镁合金，更偏阴极性的颗粒包括碳和/或铁。在另一非限制性具体实施方式中，基底金属或基底金属合金包括铝和/或铝合金，更偏阳极性的电流电势颗粒或化合物包括镁或镁合金，高电流电势阴极颗粒包括碳、铁和/或铁合金。在另一非限制性具体实施方式中，基底金属或基底金属合金包括铝、铝合金、镁和/或镁合金，更偏阳极性的电流电势颗粒包括镁和/或镁合金，更偏阴极性的颗粒包括钛。在另一非限制性具体实施方式中，基底金属或基底金属合金包括铝和/或铝合金，更偏阳极性的电流电势颗粒包括镁或镁合金，高电流电势阴极颗粒包括铁和/或铁合金。在另一非限制性具体实施方式中，基底金属或基底金属合金包括铝和/或铝合金，更偏阳极性的电流电势颗粒包括镁或镁合金，高电流电势阴极颗粒包括钛。在一个非限制性的具体实施方式中，基底金属或基底金属合金包括镁、铝、镁合金和/或镁合金，高电流电势阴极颗粒包括钛。所述金属浇铸结构可任选地包括切碎的纤维。
对于金属浇铸结构的添加可用于改善金属浇铸结构的韧性。金属浇铸结构可由于热处理改善抗张强度和/或伸长率而不会显著影响金属浇铸结构的溶解速率。金属浇铸结构可通过挤出和/或其它用于颗粒精制的变形处理来改善抗张强度和/或伸长率而不会显著影响金属浇铸结构的溶解速率。在所述处理中，溶解速率的改变可少于约10％(例如0-10％以及它们之间的所有值和范围)，通常少于约5％，更通常少于约1％。金属浇铸结构可任选地具有受控的或设计的形态(阴极组分的颗粒形状和尺寸)从而控制金属浇铸结构的溶解速率。金属浇铸结构中的不溶性颗粒可任选地具有0.001-200m2/g的表面积(以及它们之间的所有值和范围)。金属浇铸结构中的不溶性颗粒任选地是或包括非球形颗粒。金属浇铸结构中的不溶性颗粒任选地是或包括纳米管和/或纳米线。所述非球形不溶性颗粒可任选地以相同体积和/或重量分数使用以增加阴极颗粒表面积从而控制腐蚀速率而不改变组合物。金属浇铸结构中的不溶性颗粒任选地是或包括球形颗粒。所述球形颗粒(当使用时)可具有相同或不同的直径。所述颗粒任选地以相同体积和/或重量分数使用以增加阴极颗粒表面积从而控制腐蚀速率而不改变组合物。金属浇铸结构中的颗粒增强可任选地用于改善金属浇铸结构的机械性质和/或作为电偶的部分。复合材料中的不溶性颗粒可任选地用作颗粒精制剂、作为基底金属或基底金属合金的加强相、和/或用于增加金属浇铸结构的强度。复合材料中的不溶性颗粒尺寸上可任选地小于约1μm(例如0.001-0.999μm以及它们之间的所有值和范围)，任选地小于约0.5μm，更通常小于约0.1μm，更通常小于约0.05μm。不溶性颗粒可任选地使用超声方式、不溶性颗粒的电润湿、和/或机械搅拌分散在整个复合金属中。金属浇铸结构可任选地用于形成在用于石油和天然气钻探的水力压裂系统和区域中使用的装置的全部或部分，其中所述装置具有设计的溶解速率。金属浇铸结构可任选地用于形成用于在石油和天然气钻探以及完井系统中的结构支撑或组分隔离的装置的全部或部分，其中所述装置具有设计的溶解速率。
在本发明其它和/或另一非限制性方面中，提供了一种金属浇铸结构，其包括基底金属或基底金属合金以及分散在所述金属浇铸结构中的大量不溶性颗粒，其中所述不溶性颗粒的熔点高于所述基底金属或基底金属合金的熔点，至少50％的所述不溶性颗粒位于所述金属浇铸结构的颗粒边界层中。所述不溶性颗粒可任选的具有选择的尺寸和形状以控制金属浇铸结构的溶解速率。所述不溶性颗粒可任选地具有与基底金属或基底金属合金的电流电势不同的电流电势。所述不溶性颗粒任选地具有比基底金属或基底金属合金的电流电势更偏阳极性的电流电势。所述不溶性颗粒任选地具有比基底金属或基底金属合金的电流电势更偏阴极性的电流电势。所述基底金属或基底金属合金任选地包括一种或多种选自下组的金属：镁、锌、钛、铝和铁。在所述颗粒边界层中的大量所述不溶性颗粒任选地具有比所述基底金属或基底金属合金更大的阳极电势，所述不溶性颗粒包括一种或多种选自下组的材料：铍、镁、铝、锌、镉、铁、锡和铜。在所述颗粒边界层中的大量所述不溶性颗粒任选地具有比所述基底金属或基底金属合金更大的阴极电势(a greater cathodic potential)，所述不溶性颗粒包括一种或多种选自下组的材料：铁、铜、钛、锌、锡、镉、铅、镍、碳和碳化硼。在颗粒边界层中的大量不溶性颗粒任选地具有比颗粒边界层的主要组分更大的阴极电势。所述颗粒边界层的主要组分任选地包括一种或多种选自下组的金属：镁、锌、钛、铝和铁。所述颗粒边界层的主要组分任选地具有与基底金属或基底金属合金不同的组成。在颗粒边界层中的大量不溶性颗粒任选地具有比颗粒边界层的主要组分更大的阳极电势。所述颗粒边界层的主要组分任选地包括一种或多种选自下组的金属：镁、锌、钛、铝和铁。所述颗粒边界层的主要组分任选地具有与基底金属或基底金属合金不同的组成。颗粒边界层任选地包括大量不溶性颗粒，其中所述不溶性颗粒具有比颗粒边界层的主要组分更大的阴极电势，所述颗粒边界层的主要组分具有比颗粒边界层的组合物更大的阳极电势。所述颗粒边界层任选地包括一种或多种选自下组的金属：镁、锌、钛、铝和铁。由于不溶性颗粒在基底金属或基底金属合金中的溶解度，所述不溶性颗粒抗拒与基底金属或基底金属合金形成化合物。基底金属或基底金属合金中不溶性颗粒的溶解度小于5％，通常小于1％，更通常小于0.5％。金属浇铸结构可使用变形处理增加强度，所述变形处理使金属浇铸结构的溶解速率改变少于20％，通常少于10％，更通常少于5％，更通常少于1％，更通常少于0.5％。不溶性颗粒任选地具有小于1μm的粒径。所述不溶性颗粒任选地是纳米颗粒。所述不溶性颗粒任选地a)增加所述金属浇铸结构的延展性，b)改善所述金属浇铸结构的韧性，c)改善所述金属浇铸结构的伸长率，d)作为所述金属浇铸结构的颗粒精制剂，e)作为所述基底金属或基底金属合金的增强相，f)增加所述金属浇铸结构的强度，或a)、b)、c)、d)、e)、f)的组合。所述不溶性颗粒任选地具有约0.001-200m2/g的表面积。所述不溶性颗粒任选地包括纳米管。所述不溶性颗粒任选地包括纳米线。所述不溶性颗粒任选地包括切碎的纤维。所述不溶性颗粒任选地包括非球形颗粒。所述不溶性颗粒任选地包括具有不同直径的球形颗粒。所述不溶性颗粒任选地包括第一颗粒和第二颗粒，其中所述第一颗粒与第二颗粒组成不同。基底金属或基底金属合金任选地包括镁或镁合金，其中所述不溶性颗粒具有比所述基底金属或基底金属合金更大的阴极电势，所述不溶性颗粒包括一种或多种选自碳和铁的材料。所述基底金属或基底金属合金任选地包括铝或铝合金，其中所述不溶性颗粒任选地包括第一颗粒和第二颗粒，所述第一颗粒任选地具有比所述基底金属或基底金属合金更大的阳极电势，其中所述第一颗粒任选地包括一种或多种选自镁和镁合金的材料，所述第二颗粒任选地具有比基底金属或基底金属合金更大的阴极电势，所述第二颗粒任选地包括一种或多种选自下组的材料：碳、铁和铁合金。所述基底金属或基底金属合金任选地包括铝或铝合金、镁或镁合金，其中所述不溶性颗粒任选地包括第一颗粒和第二颗粒，所述第一颗粒任选地具有比所述基底金属或基底金属合金更大的阳极电势，其中所述第一颗粒任选地包括一种或多种选自镁和镁合金的材料，所述第二颗粒任选地具有比所述基底金属或基底金属合金更大的阴极电势，所述第二颗粒任选地包括钛。所述基底金属或基底金属合金任选地包括铝或铝合金，其中所述不溶性颗粒任选地包括第一颗粒和第二颗粒，所述第一颗粒任选地具有比所述基底金属或基底金属合金更大的阳极电势，其中所述第一颗粒任选地包括一种或多种选自镁和镁合金的材料，所述第二颗粒任选地具有比基底金属或基底金属合金更大的阴极电势，所述第二颗粒任选地包括一种或多种选自铁和铁合金的材料。所述基底金属或基底金属合金任选地包括铝或铝合金，其中所述不溶性颗粒任选地包括第一颗粒和第二颗粒，所述第一颗粒任选地具有比所述基底金属或基底金属合金更大的阳极电势，其中所述第一颗粒任选地包括镁，所述第二颗粒任选地具有比所述基底金属或基底金属合金更大的阴极电势，所述第二颗粒任选地包括钛。所述基底金属或基底金属合金任选地包括镁、铝、镁合金或铝合金，其中所述不溶性颗粒任选地具有比所述基底金属或基底金属合金更大的阴极电势，所述不溶性颗粒任选地包括钛。
提供一种形成金属浇铸结构的方法，所述方法包括a)提供一种或多种用于形成基底金属或基底金属合金的金属，b)提供大量当被加入到熔融形式的一种或多种金属中时具有低溶解度的颗粒，所述大量颗粒具有比所述基底金属或基底金属合金熔点高的熔点；c)加热一种或多种颗粒直到熔融；d)将一种或多种熔融金属与大量颗粒混合以形成混合物，并使得大量颗粒分散在所述混合物中；e)冷却所述混合物以形成金属浇铸结构；并且其中大量颗粒分散在金属浇铸结构中，至少50％的大量颗粒位于所述金属浇铸结构的颗粒边界层。所述混合步骤包括使用一种或多种选自下组的方法混合：触变成型、搅拌铸造、机械搅拌、电润湿和超声分散。所述方法任选地包括以下步骤：热处理所述金属浇铸结构以改善所述金属浇铸结构的抗张强度、伸长率或它们的组合而不会显著影响所述金属浇铸结构的溶解速率。所述方法任选地包括以下步骤：挤出或变形所述金属浇铸结构以改善所述金属浇铸结构的抗张强度、伸长率或它们的组合而不会显著影响所述金属浇铸结构的溶解速率。所述方法任选地包括以下步骤：将所述金属浇铸结构成形成装置，以用于a)分隔用于石油和天然气钻探的水力压裂系统和区域，b)在石油和天然气钻探和完井系统中的结构支撑或组分隔离，或a)和b)的组合。提供一种用于形成金属浇铸结构的方法，所述方法包括将熔融形式的基底金属或基底金属合金与不溶性颗粒混合以形成混合物；冷却所述混合物以形成金属浇铸结构。
本发明的一个非限制性目的在于提供一种使用金属或主要金属合金的可浇铸的、可塑的或可挤出的金属浇铸结构，所述金属浇铸结构包括分散在所述金属或主要金属合金中的不溶性颗粒。
本发明其它和/或另一非限制性目的在于选择不溶性颗粒的类型和量从而所述金属浇铸结构的颗粒边界具有所需的组成和/或形态以在整个复合物中和/或沿所述金属浇铸结构的颗粒边界获得特定的电化学腐蚀速率。
本发明的其它和/或另一非限制性目的在于提供形成金属浇铸结构，所述金属浇铸结构具有在固化过程中位于颗粒边界的不溶性颗粒。
本发明的其它和/或另一非限制性目的在于提供形成金属浇铸结构，其中所述不溶性颗粒可受控地位于最终浇铸的金属浇铸结构中，以及提供表面积比，其能使用与粉末冶金或合金的复合物相比更低的阴极颗粒负荷以获得相同的溶解速率。
本发明的另一和/或其它非限制性目的在于提供形成金属浇铸结构，其中所述不溶性颗粒可用于提供所述复合物的机械性质，例如延展性和/或抗张强度。
本发明的另一和/或其它非限制性目的在于提供形成金属浇铸结构，所述金属浇铸结构可通过热处理以及变形处理，例如挤出、锻造或轧制来增强，从而改善最终复合物的强度。
本发明的另一和/或其它非限制性目的在于提供形成金属浇铸结构，可设计所述金属浇铸结构从而可通过调节阴极不溶性颗粒粒径(同时不增加或减少不溶性颗粒的体积或重量分数)和/或改变体积/重量分数(而不改变不溶性颗粒的粒径)来控制腐蚀速率。
本发明的另一和/或其它非限制性目的在于提供形成金属浇铸结构，所述金属浇铸结构可被制备成几乎任意形状。
本发明的另一和/或其它非限制性目的在于提供形成金属浇铸结构，在固化过程中，将反应性增强相推动到颗粒边界中并且将所述颗粒边界组合物改性以获得所需的溶解速率。
本发明的另一和/或其它非限制性目的在于提供形成金属浇铸结构，可设计所述金属浇铸结构从而电化学腐蚀仅影响颗粒边界和/或影响基于组合物的颗粒。
本发明的另一和/或其它非限制性目的在于提供通过触变成型、搅拌铸造、机械搅拌、电润湿和超声分散和/或这些方法的组合在所述金属浇铸结构中分散所述不溶性颗粒。
本发明的另一和/或其它非限制性目的在于提供在金属或金属合金中用至少一种离散颗粒形式的不溶性相制备金属浇铸结构，其中所述离散的不溶性颗粒具有与基底金属或基底金属合金不同的电流电势。
本发明的另一和/或其它非限制性目的在于提供制备金属浇铸结构，其中颗粒边界中不溶性颗粒的比例通常恒定，颗粒边界与颗粒表面积通常一致，即使在所述复合物变形处理和/或热处理之后仍然一致。
本发明的另一和/或其它非限制性目的在于提供根据选择颗粒添加物落在电流图的何处，将金属浇铸结构设计成在颗粒处、颗粒边界处和/或不溶性颗粒添加物处腐蚀。
本发明的另一和/或其它非限制性目的在于提供制备金属浇铸结构，其中颗粒中的电化学腐蚀可通过下述来促进：选择在所选操作溶液中固定在一个电流电势的基底金属或基底金属合金，其中其主要颗粒边界合金组合物会比基质颗粒(即在浇铸的基底金属或基底金属合金中形成的颗粒)更偏阴极性，不溶性颗粒添加物可选择为更偏阴极性的组分。
本发明的另一和/或其它非限制性目的在于提供制备通过将要沉积在颗粒边界的两种或更多种不同不溶性组分加入到基底金属或基底金属合金中而具有较低腐蚀速率的金属浇铸结构，其中所述第二不溶性组分是整个系统中最偏阳极性的。
本发明另一个和/或其它非限制性目的在于提供制备金属浇铸结构，其中整个浇铸系统中的腐蚀速率可通过表面积控制，并且从而可通过不溶性颗粒添加物的不溶性颗粒粒径和形态控制。
本发明另一个和/或其它非限制性目的在于提供制备金属浇铸结构，其中所述颗粒边界组合物，以及不溶性颗粒的尺寸和/或形状可用于控制所述金属浇铸结构的溶解速率。
本发明另一个和/或其它非限制性目的在于提供制备包括两种添加的具有不同电流电势的不溶性组分的金属浇铸结构，与基底金属或基底金属合金相比，所述不溶性组分更偏阳极性的或更偏阴极性的。
本发明另一个和/或其它非限制性目的在于提供制备包括在基底金属或基底金属合金中具有小于约5％的溶解度的不溶性颗粒的金属浇铸结构。
本发明另一个和/或其它非限制性目的在于提供可在使用钻探中用作可溶解的、可降解的和/或反应性结构的金属浇铸结构。例如，本发明的金属浇铸结构可用于形成在钻井或完井操作中的断裂球或其它结构，例如在液压操作中固定的结构，其可在使用后溶解掉从而不需要钻探或去除所述结构。其它类型的结构可包括但不限于套筒、阀、液压驱动工具等。所述非限制性结构或其它非限制性结构在美国专利第8,905,147；8,717,268；8,663,401；8,631,876；8,573,295；8,528,633；8,485,265；8,403,037；8,413,727；8,211,331；7,647,964号；美国专利公开第2013/0199800；2013/0032357；2013/0029886；2007/0181224号；和WO 2013/122712中说明，这些专利通过引用结合入本文。
本发明的这些和其它目的、特征和优势在下文发明详述及其优选实施方式，以及示意性附图的指导下显而易见。
附图的简要说明
图1说明了具有分隔颗粒(1)的颗粒边界(2)的典型浇铸微结构；
图2说明了具体的在两个颗粒(1)之间的颗粒边界(2)，其中在大多数颗粒边界组合物(4)中有一种不溶的颗粒边界添加(3)，其中所述颗粒边界添加、所述颗粒边界组合物和所述颗粒都具有不同的电流电势和不同的暴露的表面积；以及
图3说明了具体的在两个颗粒(1)之间的颗粒边界(2)，其中在大多数颗粒边界组合物(4)中有两种不溶的颗粒边界添加(3和5)，其中所述颗粒边界添加、所述颗粒边界组合物和所述颗粒都具有不同的电流电势和不同的暴露的表面积。
发明详述
现在参考说明了本发明的非限制性实施方式的附图，本发明涉及金属浇铸结构，其包括在所述浇铸金属材料中分散的不溶性颗粒。本发明的金属浇铸结构可在石油钻探中用作可溶解的、可溶解的和/或反应性结构。例如，所述金属浇铸结构可用于形成在钻井或完井操作中的断裂球或其它结构(例如套筒、阀、液压驱动工具等等)。虽然所述金属浇铸结构在钻探或完井操作领域具有有益的应用，但应理解，所述金属浇铸结构可用于任何其它希望形成受控的可溶解的、可降解的和/或反应性的结构的领域。
所述金属浇铸结构包括具有至少一种以离散颗粒形式存在的不溶性相的基底金属或基底金属合金，所述不溶性相分散在所述基底金属或基底金属合金中。所述金属浇铸结构通常通过浇铸制备。所述离散的不溶性颗粒具有与基底金属或基底金属合金不同的电流电势。所述离散的不溶性颗粒通常使用例如但不限于触变成型、搅拌铸造、机械搅拌、电润湿和超声分散和/或它们这些方法组合的技术，在基底金属或基底金属合金中均匀地分散；但不要求如此。在一种非限制性方法中，所述不溶性颗粒使用超声分散均匀地分散在基底金属或基底金属合金中。由于不溶解性以及在熔融的基底金属或基底金属合金与不溶性颗粒中的原子结构的不同，当在浇铸固化过程中不溶性颗粒和熔融的基底金属或基底金属合金的混合物冷却和固化时，所述不溶性颗粒会被推动到所述混合物的颗粒边界中。由于不溶性颗粒通常会被推动到颗粒边界中，该特征使得能设计/定制在金属浇铸结构中的颗粒边界从而控制所述金属浇铸结构的溶解速率。该特征也可被用于通过常规变形处理(例如挤出、回火、热处理等)设计/定制在金属浇铸结构中的颗粒边界以在所述金属浇铸结构中增加抗张强度、断裂伸长率和其它性质，这在不含有不溶性颗粒添加物的浇铸金属结构中是不能获得的。由于金属浇铸结构中在颗粒边界中的不溶性颗粒的量和含量通常恒定，且在金属浇铸结构中即使在任选的金属浇铸结构的变形处理和/或热处理后颗粒边界与颗粒表面积也通常恒定，因此在整个金属浇铸结构腐蚀过程中所述金属浇铸结构的腐蚀速率保持非常相似或恒定。
可将所述金属浇铸结构设计成根据选择不溶性颗粒添加物落在电流图上何处，而在金属浇铸结构的颗粒处、在金属浇铸结构的颗粒边界处、和/或在金属浇铸结构中不溶性颗粒添加物的位置处腐蚀。例如，如果需要如图1-3所示的仅沿颗粒边界(1)促进电化学腐蚀，可选择金属浇铸结构从而在基底金属或基底金属合金中存在一个电流电势，其中与位于主要颗粒边界中的基质颗粒(即在浇铸的基底金属或基底金属合金中形成的颗粒)相比，其主要颗粒边界合金组合物(4)会更偏阳极性，随后会选择不溶性颗粒添加物(3)，其与主要颗粒边界合金组合物相比更偏阴极性。该组合物会使得沿颗粒边界腐蚀材料，从而以与暴露于阳极主要颗粒边界合金(4)的阴极颗粒添加物(3)的表面积相称的速率去除更偏阳极性的主要颗粒边界合金(4)。可在所需的溶液温度和压力下通过在包括金属浇铸结构的溶液中测试阴极到阳极的零电阻电流来计算颗粒边界中流动的电流。金属浇铸结构的腐蚀通常会与颗粒边界和/或颗粒中最偏阳极性的组分的电流密度/单位面积相称，直到去除该组分。如果导电率在颗粒边界中剩余组分之间保持，那么接下来以所需的温度和压力去除颗粒边界和/或颗粒中第二最偏阳极性的组分。
可在金属浇铸结构中通过以下方式促进颗粒(2)中的电化学腐蚀：选择在所选操作溶液(例如破裂溶液、盐水溶液等)中的一个电流电势的基底金属或基底金属合金，其中，与基质颗粒(即在浇铸的基底金属或基底金属合金中形成的颗粒)相比，主要颗粒边界合金组合物(4)更偏阴极性，并且选择与主要颗粒边界合金组合物和基底金属或基底金属合金相比更偏阴极性的不溶性颗粒添加物(3)。该组合会通过以与暴露于阳极主要颗粒边界合金(4)的阴极不溶颗粒添加物(3)的表面积相称的速率去除更偏阳极性的颗粒(2)组合物，从而得到通过颗粒的金属浇铸结构的腐蚀。可在所需的溶液温度和压力下通过在包括金属浇铸结构的溶液中测试阴极到阳极的零电阻电流来计算金属浇铸结构中流动的电流。金属浇铸结构的腐蚀通常会与颗粒边界和/或颗粒中最偏阳极性的组分的电流密度/单位面积相称，直到去除该组分。如果导电率在颗粒边界中剩余组分之间保持，那么接下来以所需的温度和压力去除颗粒边界和/或颗粒中第二最偏阳极性的组分。
如果需要较慢的金属浇铸结构的腐蚀速率，可在所述金属浇铸结构中加入两种或多种不溶性颗粒添加物以沉积在如图3所示的颗粒边界处。如果选择第二不溶性颗粒(5)为所述金属浇铸结构中最偏阳极性的，那么第二不溶性颗粒会第一个被腐蚀，从而通常根据暴露的表面积和第二不溶性颗粒与表面积之间电流电势不同以及最偏阴极性的系统组分的电流电势，保护了所述金属浇铸结构的剩余组分。当将暴露的第二不溶性颗粒(5)的表面积从系统中去除时，所述系统转变成两个上文所述的前述实施方式，直到暴露更多的第二不溶性颗粒(5)的颗粒。这样的安排形成了用第二不溶性颗粒组分的少量添加延缓腐蚀速率的机理。
金属浇铸结构中的腐蚀速率也可通过不溶性颗粒的表面积控制。所述不溶性颗粒的粒径、颗粒形态和颗粒孔隙率可用于影响金属浇铸结构的腐蚀速率。金属浇铸结构中的不溶性颗粒可任选地具有0.001-200m2/g的表面积(以及它们之间的所有值和范围)。金属浇铸结构中的不溶性颗粒任选地是或包括非球形颗粒。金属浇铸结构中的不溶性颗粒任选地是或包括纳米管和/或纳米线。所述非球形不溶性颗粒可任选地以相同体积和/或重量分数使用以增加阴极颗粒表面积从而控制腐蚀速率而不改变组合物。金属浇铸结构中的不溶性颗粒任选地是或包括球形颗粒。所述球形颗粒(当使用时)可具有相同或不同的直径。所述颗粒任选地以相同体积和/或重量分数使用以增加阴极颗粒表面积从而控制腐蚀速率而不改变组合物。
金属浇铸结构的主要颗粒边界组合物可包括镁、锌、钛、铝、铁或它们的任意组合或合金。所述添加的具有比主要颗粒边界组合物更偏阳极性电势的不溶性颗粒组分可包括但不限于铍、镁、铝、锌、镉、铁、锡、铜和它们的任意组合和/或它们的合金。所述添加的具有比主要颗粒边界组合物更偏阴极性电势的不溶性颗粒组分可包括但不限于贴、铜、钛、锌、锡、镉、铅、镍、碳、碳化硼和它们的任意组合和/或它们的合金。所述颗粒边界层可包括与主要颗粒边界组合物相比更偏阴极性的添加的不溶性颗粒组分。颗粒边界层的组合物可任选地包括与颗粒边界组合物的主要组分相比更偏阳极性的添加组分。颗粒边界层的组合物可任选地包括与颗粒边界组合物的主要组分相比更偏阴极性的添加的不溶性颗粒组分，所述颗粒边界组合物的主要组分可比颗粒组合物更偏阳极性。阴极组分或阳极组分可与基底金属或基底金属合金(例如基质材料)相容，在所述基底金属或基底金属合金中阴极组分或阳极组分可具有溶解度极限和/或不形成化合物。
加入到金属浇铸结构中的不溶性颗粒组分(阳极组分或阴极组分)通常在颗粒边界组合物中的溶解度小于约5％(例如0.01-4.99％以及它们之间的所有值和范围)，通常小于约1％，更通常小于约0.5％。颗粒边界中的阴极或阳极不溶性颗粒组分的组成可与主要颗粒边界材料相容，在主要颗粒边界材料中阴极组分或阳极组分可有溶解度极限和/或不形成化合物。
金属浇铸结构的强度可任选地使用变形处理以及改变金属浇铸结构的溶解速率少于约20％(例如0.1-19.99％以及它们之间的所有值和范围)，通常少于约10％，更通常少于约5％来增加。
金属浇铸结构的延展性可任选地使用不溶性纳米颗粒阴极添加物来增加。在一个非限制性的具体实施方式中，所述金属浇铸结构包括镁和/或镁合金作为基底金属或基底金属合金，更偏阴极性的不溶性那么颗粒添加物包括碳和/或铁。在另一非限制性具体实施方式中，金属浇铸结构包括铝和/或铝合金作为基底金属或基底金属合金，更偏阳极性的电流电势不溶性纳米颗粒包括镁或镁合金，高电流电势不溶性纳米颗粒阴极添加包括碳、铁和/或铁合金。在另一非限制性具体实施方式中，所述金属浇铸结构包括铝、铝合金、镁和/或镁合金作为基底金属或基底金属合金，更偏阳极性的电流电势不溶性纳米颗粒包括镁和/或镁合金，更偏阴极性的不溶性纳米颗粒包括钛。在另一非限制性具体实施方式中，金属浇铸结构包括铝和/或铝合金作为基底金属或基底金属合金，更偏阳极性的电流电势不溶性纳米颗粒包括镁和/或镁合金，高电流电势不溶性纳米颗粒阴极添加包括铁和/或铁合金。在另一非限制性具体实施方式中，金属浇铸结构包括铝和/或铝合金作为基底金属或基底金属合金，更偏阳极性的电流电势不溶性纳米颗粒包括镁和/或镁合金，高电流电势不溶性纳米颗粒阴极添加包括钛。在另一非限制性的具体实施方式中，所述金属浇铸结构包括镁、铝、镁合金和/或镁合金作为基底金属或基底金属合金，高电流电势不溶性纳米颗粒阴极添加包括钛。
所述金属浇铸结构可任选地包括切碎的纤维。对于金属浇铸结构的添加可用于改善所述金属浇铸结构的韧性。
金属浇铸结构可由于热处理改善抗张强度和/或伸长率而不会显著影响金属浇铸结构的溶解速率。
金属浇铸结构可通过挤出和/或其它用于颗粒精制的变形处理来改善抗张强度和/或伸长率而不会显著影响金属浇铸结构的溶解速率。在所述处理中，溶解速率的改变可少于约10％(例如0-10％以及它们之间的所有值和范围)，通常少于约5％，更通常少于约1％。
金属浇铸结构中的颗粒增强可任选地用于改善金属浇铸结构的机械性质和/或作为电偶的部分。
金属浇铸结构中的不溶性颗粒可任选地用作颗粒精制剂、作为基底金属或金属合金(例如基质材料)的加强相、和/或用于增加金属浇铸结构的强度。
金属浇铸结构中的不溶性颗粒通常在尺寸上小于约1μm(例如0.00001-0.999μm以及它们之间的所有值和范围)，通常小于约0.5μm，更通常小于约0.1μm，通常小于约0.05μm，更通常小于约0.005μm，更通常不大于0.001μm(纳米颗粒尺寸)。
金属浇铸结构中不溶性颗粒的总含量通常为约0.01-70重量％(以及它们之间的所有值和范围)，通常为约0.05-49.99重量％，更通常为约0.1-40重量％，更通常为约0.1-30重量％，更通常为约0.5-20重量％。当在金属浇铸结构中添加多于一种不溶性颗粒时，不同类型的不溶性颗粒的含量可以相同或不同。当在金属浇铸结构中添加多于一种不溶性颗粒时，不同类型的不溶性颗粒的形状可以相同或不同。当在金属浇铸结构中添加多于一种不溶性颗粒时，不同类型的不溶性颗粒的尺寸可以相同或不同。
不溶性颗粒可任选地使用超声方式、不溶性颗粒的电润湿、和/或机械搅拌分散在整个金属浇铸结构中。
金属浇铸结构可任选地用于形成在用于石油和天然气钻探的水力压裂系统和区域中使用的装置的全部或部分，其中所述装置具有设计的溶解速率。金属浇铸结构可任选地用于形成用于在石油和天然气钻探以及完井系统中的结构支撑或组分隔离的装置的全部或部分，其中所述装置具有设计的溶解速率。
实施例1
将含有9重量％铝、1重量％锌和90重量％镁的AZ91D镁合金熔融至700℃以上。在所述熔融物中加入约16重量％的75um铁颗粒并分散。将所述熔融物浇铸到钢模中。在混合和浇铸过程中所述铁颗粒没有完全熔融。所述浇铸材料具有约26ksi的抗张强度和约3％的伸长率。在20℃下所述浇铸材料以约2.5mg/cm2-分钟的速率在3％KCl溶液中溶解。在65℃下所述浇铸材料以约60mg/cm2-小时的速率在3％KCl溶液中溶解。在90℃下所述浇铸材料以约325mg/cm2-小时的速率在3％KCl溶液中溶解。每个这些测试的金属浇铸结构的溶解速率大致恒定。所述铁颗粒小于1μm，但不是纳米颗粒。不过，所述铁颗粒可以是纳米颗粒，并且这样的添加会改变金属浇铸结构的溶解速率。
实施例2
将含有9重量％铝、1重量％锌和90重量％镁的AZ91D镁合金熔融至700℃以上。在所述熔融物中加入约2重量％的75um铁颗粒并分散。将所述熔融物浇铸到钢模中。在混合和浇铸过程中所述铁颗粒没有完全熔融。所述材料具有26ksi的抗张强度和4％的伸长率。在20℃下所述浇铸材料以0.2mg/cm2-分钟的速率在3％KCl溶液中溶解。在65℃下所述浇铸材料以1mg/cm2-小时的速率在3％KCl溶液中溶解。在90℃下所述浇铸材料以10mg/cm2-小时的速率在3％KCl溶液中溶解。每个这些测试的金属浇铸结构的溶解速率大致恒定。所述铁颗粒小于1μm，但不是纳米颗粒。不过，所述铁颗粒可以是纳米颗粒，并且这样的添加会改变金属浇铸结构的溶解速率。
实施例3
将含有9重量％铝、1重量％锌和90重量％镁的AZ91D镁合金熔融至700℃以上。使用超声混合在所述复合物中加入约2重量％的纳米铁颗粒和约2重量％的纳米石墨颗粒。将所述熔融物浇铸到钢模中。在混合和浇铸过程中所述铁颗粒和石墨颗粒没有完全熔融。在20℃下所述浇铸材料以2mg/cm2-分钟的速率在3％KCl溶液中溶解。在65℃下所述浇铸材料以20mg/cm2-小时的速率在3％KCl溶液中溶解。在90℃下所述浇铸材料以100mg/cm2-小时的速率在3％KCl溶液中溶解。每个这些测试的金属浇铸结构的溶解速率大致恒定。
实施例4
实施例1中的组合物经过挤出具有11:1的减少面积。挤出的金属浇铸结构具有38ksi的抗张强度和12％的断裂伸长率。在20℃下挤出的金属浇铸结构以2mg/cm2-分钟的速率在3％KCl溶液中溶解。在20℃下挤出的金属浇铸结构以301mg/cm2-分钟的速率在3％KCl溶液中溶解。与非挤出的金属浇铸结构相比，挤出的金属浇铸结构具有58％的抗张强度改善和166％的伸长率改善以及小于10％的溶解速率改变。
因此，应理解上述的目的可从由先前描述而明显制得的那些有效得到，并且可对上述的构建进行某些改变而不会偏离本发明的精神和范围，这意味着在上文描述中包含的和附图中显示的所有内容应该被理解为具有说明性的而不是限制性意义。已经结合优选和替代性实施方式对本发明进行了描述。本领域技术人员在阅读并了解本文提供的本发明的发明详述之后将明了修改和变更。本发明意在包含所有所述修改和变更，只要其在本发明范围之内即可。也应理解本发明的权利要求旨在覆盖本文所述的本发明的全部一般特征和特定特征和本发明范围的全部表述，其由于语言的问题而被称为落入其中。已经结合优选实施方式对本发明进行了描述。优选实施方式和本发明的其它实施例的这些和其它修改将由本文的公开内容显而易见，因此上述说明性内容应理解为仅说明本发明而非限制本发明。意在包括所有所述修改和变更，只要其在所附权利要求的范围之内即可。

Claims (51)

1.一种金属浇铸结构，其包括基底金属材料以及分散在所述金属浇铸结构中的大量颗粒，以至少部分形成所述金属浇铸结构中的颗粒边界层，至少50％所述大量颗粒位于所述颗粒边界层中，以得到所述颗粒边界层的组成和形态，沿所述颗粒边界层的电化学腐蚀速率使所述金属浇铸结构获得所需的溶解速率，所述大量颗粒构成了所述金属浇铸结构的0.05-49.99重量％，所述大量颗粒具有与所述基底金属材料不同的电流电势，所述基底金属材料构成了所述金属浇铸结构的至少50重量％，且包括一种或多种选自下组的金属：镁和铝，所述大量颗粒包括一种或多种选自如下组的材料：铁、铜、钛、锌、锡、镉、铅、铍、镍、碳、铁合金、铜合金、钛合金、锌合金、锡合金、镉合金、铅合金、铍合金和镍合金，所述的金属浇铸结构在90℃的3％KCl溶液中具有至少10mg/cm2-小时的溶解速率。
2.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述大量颗粒的熔点高于700℃。
3.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述大量颗粒具有选择的尺寸和形状，从而控制所述金属浇铸结构的溶解速率。
4.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述大量颗粒的电流电势比所述基底金属材料的电流电势更偏阳极性。
5.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述大量颗粒的电流电势比所述基底金属材料的电流电势更偏阴极性。
6.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述基底金属材料为镁。
7.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中在所述颗粒边界层中的所述大量颗粒具有比所述基底金属材料更大的阳极电势，所述大量颗粒包括一种或多种选自下组的材料：铍、锌、镉、铁、锡和铜。
8.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中在所述颗粒边界层中的所述大量颗粒具有比所述基底金属材料更大的阴极电势，所述大量颗粒包括一种或多种选自下组的材料：铁、铜、钛、锌、锡、镉、铅、镍和碳。
9.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中在所述颗粒边界层中的所述大量颗粒具有比所述颗粒边界层的主要组分更大的阴极电势。
10.如权利要求9所述的金属浇铸结构，其中所述颗粒边界层的主要组分包括一种或多种选自下组的金属：锌、钛和铁。
11.如权利要求9所述的金属浇铸结构，其中所述颗粒边界层的主要组分具有与所述基底金属材料不同的组成。
12.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中在所述颗粒边界层中的所述大量颗粒具有比所述颗粒边界层的主要组分更大的阳极电势。
13.如权利要求12所述的金属浇铸结构，其中所述颗粒边界层的主要组分包括一种或多种选自下组的金属：锌、钛和铁。
14.如权利要求12所述的金属浇铸结构，其中所述颗粒边界层的主要组分具有与所述基底金属材料不同的组成。
15.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述颗粒边界层中所述大量颗粒具有比所述颗粒边界层的主要组分更大的阴极电势，或所述颗粒边界层的所述大量颗粒具有比所述颗粒边界层的所述组分更大的阳极电势。
16.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述大量颗粒在所述基底金属材料中的溶解度低于5％。
17.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中使用变形处理来增加所述金属浇铸结构的强度，所述变形处理使所述金属浇铸结构的溶解速率改变小于20％。
18.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述大量颗粒具有小于1μm的平均粒径。
19.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述大量颗粒的表面积为0.001-200m2/g。
20.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述大量颗粒包括纳米管、纳米线、切碎的纤维或它们的组合。
21.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述大量颗粒包括非球形颗粒。
22.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述大量颗粒包括不同直径的球形颗粒。
23.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述大量颗粒包括第一颗粒和第二颗粒，所述第一颗粒具有与所述第二颗粒不同的组成。
24.如权利要求23所述的金属浇铸结构，其中所述大量颗粒的第一颗粒和第二颗粒类型具有不同的电流电势。
25.如权利要求23所述的金属浇铸结构，其中所述大量颗粒的第一颗粒和第二颗粒类型中的至少一种具有比所述颗粒边界层的主要组分更大的阴极电势。
26.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述的金属浇铸结构在65℃的3％KCl溶液中具有至少20mg/cm2-小时的溶解速率。
27.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述的金属浇铸结构在65℃的3％KCl溶液中具有至少1mg/cm2-小时的溶解速率。
28.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述的金属浇铸结构在90℃的3％KCl溶液中具有至少100mg/cm2-小时的溶解速率。
29.如权利要求1所述的金属浇铸结构，其中所述的金属浇铸结构形成钻井或完井操作中的全部或部分球体。
30.用于形成可溶解金属浇铸结构的方法，所述金属浇铸结构包括基底金属材料以及分散在所述金属浇铸结构中大量颗粒的混合物，以获得所述金属浇铸结构所需的溶解速率，所述基底金属材料包括一种或多种选自下组的金属：镁和铝；当被加入到熔融形式的所述基底金属材料中时所述大量颗粒具有低溶解度，所述大量颗粒包括一种或多种选自如下组的材料：铁、铜、钛、锌、锡、镉、铅、铍、镍、碳、铁合金、铜合金、钛合金、锌合金、锡合金、镉合金、铅合金、铍合金和镍合金，所述大量颗粒具有与所述基底金属材料不同的电流电势；
加热所述混合物直到熔融；
冷却所述混合物以形成所述金属浇铸结构，所述大量颗粒在所述冷却步骤中不完全熔融；并且
其中，将所述大量颗粒分散在所述金属浇铸结构中以形成所述金属浇铸结构中的颗粒边界层，至少50％的所述大量颗粒位于所述颗粒边界层中，以得到所述颗粒边界层的组成和形态，沿所述颗粒边界层的电化学腐蚀速率使所述金属浇铸结构具有所需的溶解速率，位于所述颗粒边界层中的所述大量颗粒具有与所述基底金属材料不同的电流电势，所述基底金属材料构成了所述金属浇铸结构的至少50重量％，所述的金属浇铸结构在90℃的3％KCl溶液中具有至少10mg/cm2-小时的溶解速率。
31.如权利要求30所述的方法，其中该方法还包括混合步骤，所述混合步骤包括使用一种或多种选自下组的方法混合：触变成型、搅拌铸造、机械搅拌、电润湿和超声分散。
32.如权利要求30所述的方法，所述方法还包括以下步骤：热处理所述金属浇铸结构以改善所述金属浇铸结构的抗张强度、伸长率或它们的组合而不会影响所述金属浇铸结构的溶解速率。
33.如权利要求30所述的方法，所述方法还包括以下步骤：将所述金属浇铸结构挤出以改善所述金属浇铸结构的抗张强度、伸长率或它们的组合而不会影响所述金属浇铸结构的溶解速率。
34.如权利要求30所述的方法，所述方法还包括以下步骤：将所述金属浇铸结构成形成装置，以用于a)分隔用于石油和天然气钻探的水力压裂系统和区域，b)在石油和天然气钻探和完井系统中的结构支撑或组分隔离，或a)和b)的组合。
35.如权利要求30所述的方法，其中所述大量颗粒的熔点高于700℃。
36.如权利要求30所述的方法，其中所述基底金属材料为镁。
37.如权利要求30所述的方法，其中所述大量颗粒构成了所述金属浇铸结构的0.05-49.99重量％。
38.如权利要求30所述的方法，其中所述大量颗粒的平均粒径小于1μm。
39.如权利要求30所述的方法，其中所述大量颗粒包括第一颗粒和第二颗粒类型，所述第一颗粒具有与所述第二颗粒不同的组成。
40.如权利要求30所述的方法，其中所述大量颗粒具有选择的尺寸和形状，从而控制所述金属浇铸结构的溶解速率。
41.如权利要求30所述的方法，其中所述大量颗粒具有的所述电流电势比所述基底金属材料的所述电流电势更偏阳极性。
42.如权利要求30所述的方法，其中所述大量颗粒具有的所述电流电势比所述基底金属材料的所述电流电势更偏阴极极性。
43.如权利要求30所述的方法，其中所述大量颗粒在所述基底金属材料中的溶解度低于5％。
44.如权利要求30所述的方法，其中所述大量颗粒的表面积为0.001-200m2/g。
45.如权利要求30所述的方法，其中所述大量颗粒包括纳米管、纳米线、切碎的纤维或它们的组合。
46.如权利要求30所述的方法，其中所述大量颗粒包括非球形颗粒。
47.如权利要求30所述的方法，其中所述大量颗粒包括不同直径的球形颗粒。
48.如权利要求30所述的方法，其中所述的金属浇铸结构在65℃的3％KCl溶液中具有至少20mg/cm2-小时的溶解速率。
49.如权利要求30所述的方法，其中所述的金属浇铸结构在65℃的3％KCl溶液中具有至少1mg/cm2-小时的溶解速率。
50.如权利要求30所述的方法，其中所述的金属浇铸结构在90℃的3％KCl溶液中具有至少100mg/cm2-小时的溶解速率。
51.如权利要求30所述的方法，其中所述的金属浇铸结构形成钻井或完井操作中的全部或部分球体。
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