EA016839B1 - Сжимаемые объекты, имеющие заданное внутреннее давление, в комбинации с буровой жидкостью для формирования бурового раствора переменной плотности - Google Patents

Сжимаемые объекты, имеющие заданное внутреннее давление, в комбинации с буровой жидкостью для формирования бурового раствора переменной плотности Download PDF

Info

Publication number
EA016839B1
EA016839B1 EA200870617A EA200870617A EA016839B1 EA 016839 B1 EA016839 B1 EA 016839B1 EA 200870617 A EA200870617 A EA 200870617A EA 200870617 A EA200870617 A EA 200870617A EA 016839 B1 EA016839 B1 EA 016839B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
compressible
polymer
pressure
compressible object
shell
Prior art date
Application number
EA200870617A
Other languages
English (en)
Other versions
EA200870617A1 (ru
Inventor
Ричард С. Полидзотти
Деннис Г. Пейффер
Рамеш Гупта
Норман М. Покутилович
Барбара Карстенсен
Майкл Дж. Лютон
П. Мэттью Шпикер
Original Assignee
Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани filed Critical Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани
Publication of EA200870617A1 publication Critical patent/EA200870617A1/ru
Publication of EA016839B1 publication Critical patent/EA016839B1/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K8/00—Compositions for drilling of boreholes or wells; Compositions for treating boreholes or wells, e.g. for completion or for remedial operations
    • C09K8/02—Well-drilling compositions
    • C09K8/03—Specific additives for general use in well-drilling compositions

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)

Abstract

Предложен сжимаемый объект, который может быть использован в буровом растворе и в бурильных системах для регулирования плотности бурового раствора. Сжимаемый объект включает оболочку, которая заключает внутреннюю область. Сжимаемый объект имеет внутреннее давление, превышающее значение около 200 фунтов на квадратный дюйм при атмосферном давлении и выбранное для заданного наружного давления, в котором наружные давления, превышающие внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта, при этом оболочка спроектирована для снижения местных напряжений в сжимаемом объекте при его расширении и сжатии.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в общем относится к способу интенсифицирования операций бурения и добычи из подземных пластов. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу выбора, изготовления и применения сжимаемых объектов с буровой жидкостью для формирования бурового раствора с переменной плотностью, который сводит к минимуму или исключает число разноразмерных обсадных труб, используемых внутри буровой скважины.
Уровень техники
Данный раздел предназначен для ознакомления читателя с разнообразными аспектами технологии, которые могут быть связаны с примерными вариантами осуществления настоящего изобретения, описанными и/или заявленными ниже. Как представляется, данное обсуждение будет полезным для сообщения читателю информации с целью облегчения понимания конкретных способов согласно настоящему изобретению. Соответственно этому следует понимать, что эти заявления должны читаться в таком ракурсе и необязательно как рассмотрение прототипа.
Добыча углеводородов, таких как нефть и газ, производится на протяжении множества лет. Для добычи этих углеводородов типично пробуривается скважина в интервалах с различными по диаметру обсадными трубами, чтобы достичь подземного пласта. Обсадные трубы опускаются в буровую скважину для предотвращения обрушения стенок скважины, предупреждения нежелательного истечения буровой жидкости в пласт и/или предотвращения поступления жидкости из пласта в скважину. Типично процесс установки обсадных труб включает спускоподъемную операцию, спуск обсадной колонны и цементирование обсадных колонн. Поскольку обсадные трубы в различных интервалах проходят через уже установленные обсадные колонны, нижние интервалы обсадных колонн обычно имеют меньшие диаметры. Этим путем обсадные колонны формируют телескопическую конфигурацию, которая проходит с уменьшением диаметра в каждом из последующих интервалов.
В дополнение к обсадным трубам буровой раствор циркулирует внутри буровой скважины для удаления обломков выбуренной породы из скважины. Вес или плотность бурового раствора типично поддерживается в интервале между градиентом порового давления и градиентом давления гидравлического разрыва пласта для буровых операций. Однако значения градиента порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта возрастают по мере увеличения фактической вертикальной глубины скважины, что составляет проблемы для поддержания веса бурового раствора. Если вес бурового раствора меньше значения градиента порового давления, в скважине может произойти выброс. Выброс представляет собой истечение пластовой жидкости в буровую скважину, которое должно контролироваться для продолжения буровых операций. Кроме того, если вес бурового раствора превышает градиент давления гидравлического разрыва пласта, то буровой раствор может просачиваться в пласт. Эти потери циркуляции бурового раствора имеют результатом потерю больших объемов бурового раствора, который должен пополняться для продолжения буровых операций. Соответственно этому обсадные трубы применяются для того, чтобы способствовать поддержанию веса бурового раствора в пределах диапазона между градиентом порового давления и градиентом давления гидравлического разрыва пласта для продолжения буровых операций до больших глубин.
При расположении подземных пластов на больших глубинах возрастают затраты и время, связанные с формированием скважины. Например, при телескопической конфигурации начальные обсадные колонны должны быть достаточно крупными, чтобы обеспечить диаметр скважины заданной величины для бурового инструмента и прочих устройств вблизи подземного пласта. В результате этого диаметр начальных обсадных труб является относительно большим для обеспечения применимого конечного диаметра скважины.
Большой диаметр повышает расходы на буровые операции, поскольку стоимость связана с увеличенным размером обсадных труб, повышенным объемом обломков выбуренной породы, которые должны быть выведены, и увеличенным объемом цемента и бурового раствора, используемых для формирования буровой скважины. По существу, стоимость типичных буровых операций может привести к экономической невозможности разработки некоторых подземных пластов.
Для уменьшения диаметра обсадных колонн употребляются разнообразные способы. Например, в буровых операциях может быть использован буровой раствор переменной плотности для поддержания бурового раствора в пределах диапазона между градиентом порового давления и градиентом давления гидравлического разрыва пласта. Как отмечено в публикации международной патентной заявки № \¥О 2006/007347, авторы Ροϊίζζοΐίί с1 а1., сжимаемые объекты могут включать сжимаемые или сминающиеся полые объекты разнообразных форм или структур. Эти сжимаемые объекты, которые выбираются для достижения оптимального сжатия в ответ на изменения давления и/или температуры. Эти сжимаемые объекты могут быть вовлечены в рециркуляцию как часть бурового раствора переменной плотности для обеспечения изменений объема, которые сокращают число промежуточных интервалов обсадных труб в буровой скважине.
Однако применение сжимаемых объектов в буровом растворе переменной плотности может быть перспективным. Например, сжимаемые объекты должны быть изготовлены так, чтобы обеспечивать определенную степень сжатия и быть упругими. Далее сжимаемые объекты должны быть рассчитаны на
- 1 016839 сжатие при определенных давлениях для обеспечения изменений объема в конкретных интервалах внутри буровой скважины. В дополнение буровая жидкость, которая комбинируется со сжимаемыми объектами, может быть выбрана с включением определенных добавок для взаимодействия со сжимаемыми объектами для улучшения бурового раствора переменной плотности. По существу, есть потребность в способе выбора и изготовления сжимаемых объектов для применения в буровых жидкостях при приготовлении бурового раствора переменной плотности.
Прочие сведения могут быть найдены, по меньшей мере, в патентах США №№ 3174561, 3231030, 4099583, 5881826, 5910467, 6156708, 6422326, 6497289, 6530437, 6588501, 7108066, публикациях патентных заявок США №№ 2005/0113262, 2005/0284661 и публикации международной патентной заявки № АО 2006/007347.
Сущность изобретения
В одном варианте осуществления изобретения создан сжимаемый объект, включающий оболочку, которая заключает внутреннюю область, в которой сжимаемый объект имеет внутреннее давление большее чем 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении, и выбирается для заданного наружного давления, в котором наружные давления, которые превышают внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта, при этом оболочка предназначена для компенсирования местных напряжений в сжимаемом объекте во время расширения и сжатия сжимаемого объекта. Внутреннее давление также может быть больше чем 500 фунтов на кв.дюйм (3,445 МПа) при атмосферном давлении, больше чем 1500 фунтов на кв.дюйм (10,335 МПа) при атмосферном давлении или больше чем около 2000 фунтов на кв.дюйм (13,780 МПа) при атмосферном давлении. Внутреннее давление может изменяться в диапазоне от 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) вплоть до предела прочности на разрыв материала оболочки при атмосферном давлении в диапазоне от 2000 фунтов на кв.дюйм (13,780 МПа) вплоть до предела прочности на разрыв материала оболочки при атмосферном давлении и/или в диапазоне от 1500 фунтов на кв.дюйм (10,335 МПа) до 3500 фунтов на кв.дюйм (24,115 МПа) при атмосферном давлении.
В некоторых вариантах осуществления сжимаемый объект может включать оболочку, заключающую внутреннюю область и имеющую внутреннее давление. Оболочка может иметь структуру, предназначенную для компенсации местных напряжений на сжимаемом объекте при его расширении и сжатии. Дополнительно или альтернативно сжимаемые объекты могут включать оболочку, заключающую внутреннюю область и имеющую оболочку, которая испытывает меньшую деформацию, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление выше или ниже заданного интервала сжатия. Еще дополнительно или альтернативно оболочка может заключать внутреннюю область, которая, по меньшей мере, частично заполнена вспененным материалом.
Сжимаемые объекты, описанные выше, могут включать или быть приспособленными согласно любой из следующих характеристик или признаков. Например, в некоторых вариантах осуществления сжимаемый объект может иметь следующее: иметь внутреннее давление выше около 500 фунтов на кв.дюйм (3,445 МПа) при атмосферном давлении; оболочку, которая испытывает меньшую деформацию, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление выше или ниже внутреннего давления; оболочку, имеющую один или более структурных элементов для снижения местного напряжения, которые могут включать фланец; толщину стенки оболочки, которая изменяется в пределах поверхности сжимаемого объекта для снижения местного напряжения; толщину стенки оболочки, которая является большей на экваторе сжимаемого объекта для снижения местного напряжения; иметь внутреннее давление выше около 2000 фунтов на кв.дюйм (13,780 МПа) при атмосферном давлении, представлять собой объект формы эллипсоида с соотношением геометрических размеров в диапазоне между 2 и 5, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению; представлять собой объект формы эллипсоида с соотношением геометрических размеров в диапазоне между 3 и 4, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению; иметь оболочку с отношением эквивалентного диаметра к толщине стенки в диапазоне от 20 до 200; иметь оболочку с отношением эквивалентного диаметра к толщине стенки в диапазоне от 50 и 100; иметь оболочку, включающую расслаивающийся неорганический минерал в качестве армирования или в качестве газонепроницаемого барьера в полимерной матрице, иметь оболочку, включающую нановолоконное армирование в полимерной матрице для достижения специфических свойств материала стенки; иметь оболочку, включающую газонепроницаемый барьерный слой и несущий слой; при этом газонепроницаемый барьерный слой может включать слой из металла или металлического сплава, сформированный на внутренней или наружной стороне несущего слоя, и несущий слой может включать полимерный слой; иметь эквивалентный диаметр сжимаемого объекта в диапазоне между 0,1 и 50 мм, когда наружное давление меньше, чем внутреннее давление; иметь эквивалентный диаметр сжимаемого объекта в диапазоне между 0,1 и 5,0 мм, когда наружное давление меньше, чем внутреннее давление; включать вспененный материал во внутренней области, в которой вспененный материал включает один из гомополимеров, полимерных смесей, сополимеров, взаимопроникающих сетчатых структур, блок-сополимеров, термореактивных полимеров, аморфных полимеров, кристаллических полимеров, химически сшитых сополимеров, термопластических эластомеров, каучуков, жидкокристаллических полимеров и любой комбинации таковых и/или иметь структуру с открытыми или закры
- 2 016839 тыми порами.
В первом альтернативном варианте осуществления описывается буровой раствор, включающий сжимаемые объекты, в котором каждый по меньшей мере из части сжимаемых объектов имеет внутреннее давление больше чем 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении и выбрано для заданного давления, в котором наружные давления, которые превышают внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта и в котором оболочка предназначена для компенсирования локальных напряжений в сжимаемом объекте во время расширения и сжатия сжимаемого объекта. Буровой раствор включает буровую жидкость, в которой плотность бурового раствора изменяется благодаря изменению объема сжимаемых объектов в ответ на изменения давления по мере того, как буровая жидкость и сжимаемые объекты циркулируют к поверхности в сторону устья буровой скважины.
В некоторых вариантах осуществления сжимаемый объект может включать оболочку, заключающую внутреннюю область и имеющую внутреннее давление. Оболочка может иметь структуру, предназначенную для компенсирования местных напряжений на сжимаемом объекте при его расширении и сжатии. Дополнительно или альтернативно, сжимаемые объекты могут включать оболочку, заключающую внутреннюю область и способную испытывать меньшую деформацию, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление выше или ниже заданного интервала сжатия. Дополнительно или альтернативно, оболочка может заключать внутреннюю область, которая, по меньшей мере, частично заполнена вспененным материалом.
Буровые растворы в объеме настоящего описания, описанные в предыдущем абзаце, могут обеспечить многообразные признаки и/или характеристики. Примерные варианты могут включать любой один или более таких признаков или характеристик. Например, настоящее описание включает буровые растворы, в которых сжатие газа внутри сжимаемого объекта контролирует сжатие сжимаемого объекта, когда наружное давление превышает внутреннее давление, каждый по меньшей мере из части сжимаемых объектов имеет внутреннее давление выше около 500 фунтов на кв.дюйм (3,445 МПа) при атмосферном давлении, сжимаемые объекты включают первую часть сжимаемых объектов, имеющих первое внутреннее давление, и вторую часть сжимаемых объектов, имеющих второе внутреннее давление, отличное от первого внутреннего давления, и которые могут дополнительно включать третью часть сжимаемых объектов, имеющих третье внутреннее давление, отличное от первого внутреннего давления и второго внутреннего давления, эквивалентный диаметр сжимаемого объекта изменяется в диапазоне между 0,1 и 50 мм, таком как между 0,1 и 5,0 мм, сжимаемые объекты включает первую часть сжимаемых объектов, имеющих первый объем при атмосферном давлении, и вторую часть сжимаемых объектов, имеющих второй объем при атмосферном давлении, отличный от первого объема, и которые могут дополнительно включать третью часть сжимаемых объектов, имеющих третий объем при атмосферном давлении, отличный от второго объема и первого объема, сжимаемые объекты включают первую часть сжимаемых объектов, имеющих первую форму, и вторую часть сжимаемых объектов, имеющих вторую форму, отличную от первой формы; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку, способную испытывать меньшую деформацию, когда наружное давление примерно равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление превышает или меньше, чем внутреннее давление, каждый из сжимаемых объектов способен компенсировать местные напряжения и нестабильности сжимаемого объекта во время расширения и сжатия сжимаемого объекта; каждый из сжимаемых объектов имеет один или более структурных элементов для снижения местного напряжения, которые могут включать фланец; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку, толщина стенки которой изменяется в пределах поверхности оболочки для снижения местного напряжения; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку, толщина стенки которой является большей на экваторе сжимаемого объекта для снижения местного напряжения; каждый из сжимаемых объектов имеет внутреннее давление выше около 2000 фунтов на кв.дюйм (13,780 МПа) при атмосферном давлении; каждый из сжимаемых объектов представляет собой объект формы эллипсоида с соотношением геометрических размеров в диапазоне между около 2 и около 5, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению, предпочтительно между около 3 и около 4, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку с отношением эквивалентного диаметра к толщине стенки в диапазоне от 20 до 200, предпочтительно между 50 и 100; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку, включающую расслаивающийся неорганический минерал в качестве армирования или в качестве газонепроницаемого барьера в полимерной матрице, при этом оболочка может включать нановолоконное армирование в полимерной матрице для достижения специфических свойств материала стенки; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку, включающую газонепроницаемый барьерный слой и несущий слой, при этом газонепроницаемый барьерный слой может быть сформирован на внутренней или наружной стороне несущего слоя и может включать слой из металла или металлического сплава, а несущий слой может включать полимерный слой; буровой раствор дополнительно включает утяжелители для контроля плотности буровой жидкости и множества сжимаемых объектов, каковые утяжелители могут включать один из барита, гематита, галенита и любой комбинации таковых; буровой раствор дополнительно включает формиаты для контроля плотности бурового раствора в системах буровых растворов и уменьшения добавления нерастворимых утяжелителей, способных повышать вязкость буровой жидкости и сжимаемых объектов; сжимаемые
- 3 016839 объекты включают вспененный материал во внутренней области, включающий один из гомополимеров, полимерных смесей, сополимеров, взаимопроникающих сетчатых структур, блок-сополимеров, термореактивных полимеров, аморфных полимеров, кристаллических полимеров, химически сшитых сополимеров, термопластических эластомеров, каучуков, жидкокристаллических полимеров и любой комбинации таковых; сжимаемые объекты имеют структуру с открытыми или закрытыми порами.
Во втором альтернативном варианте осуществления описывается способ бурения скважины, включающий выбор сжимаемых объектов, каждый по меньшей мере из части которых имеет внутреннее давление больше чем 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении, и выбирается для заданного наружного давления, в котором наружные давления, которые превышают внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта; выбор буровой жидкости; введение сжимаемых объектов в буровую жидкость для формирования бурового раствора переменной плотности, обеспечивающего плотность между градиентом порового давления и градиентом давления гидравлического разрыва пласта по меньшей мере для одного интервала скважины по мере того, как буровой раствор переменной плотности циркулирует к поверхности в сторону устья буровой скважины; бурение скважины с буровым раствором переменной плотности в месте скважины. Далее, как только скважина сформирована, из нее могут добываться углеводороды. В некоторых вариантах осуществления сжимаемый объект может включать оболочку, заключающую внутреннюю область и имеющую внутреннее давление. Оболочка может иметь структуру, предназначенную для компенсации местных напряжений на сжимаемом объекте во время расширения и сжатия объекта. Дополнительно или альтернативно, сжимаемые объекты могут включать оболочку, заключающую внутреннюю область и способную испытывать меньшую деформацию, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление выше или ниже заданного интервала сжатия. Дополнительно или альтернативно, оболочка может заключать внутреннюю область, которая, по меньшей мере, частично заполнена вспененным материалом.
Способы в объеме настоящего описания, описанные в предыдущем абзаце, могут обеспечивать множества признаков и/или характеристик. Примерные варианты могут включать любой один или более таких признаков или характеристик. Например, настоящее описание включает способы, имеющие следующие признаки: сжимаемые объекты имеют внутреннее давление выше около 500 фунтов на кв.дюйм (3,445 МПа) при атмосферном давлении; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку, способную испытывать меньшую деформацию, когда наружное давление примерно равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление превышает или меньше внутреннего давления; каждый из сжимаемых объектов включает множество состояний, имеющее первое состояние при атмосферном давлении, имеющее первый объем, второе состояние внутри скважины, имеющее второй объем, и третье состояние внутри скважины, имеющее третий объем, который является меньшим, чем первый объем, и большим, чем второй объем, и внутреннее давление оказывает меньшую нагрузку на стенки сжимаемого объекта в третьем состоянии, чем в первом состоянии и втором состоянии; дополнительное примешивание утяжелителей в буровую жидкость для контроля плотности буровой жидкости и сжимаемых объектов; сжимаемый объект имеет внутреннее давление выше около 1500 фунтов на кв.дюйм (10,335 МПа) при атмосферном давлении; каждый из сжимаемых объектов имеет один или более структурных элементов для снижения местных напряжений, таких как фланец; сжимаемый объект представляет собой объект формы эллипсоида с соотношением геометрических размеров в диапазоне между 2 и 5, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению; сжимаемый объект представляет собой объект формы эллипсоида с соотношением геометрических размеров между 3 и 4, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку с отношением эквивалентного диаметра к толщине стенки в диапазоне от 20 до 200, предпочтительно от 50 и 100; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку, включающую газонепроницаемый барьерный слой и несущий слой, при этом газонепроницаемый барьерный слой может включать слой из металла или металлического сплава, а несущий слой может включать полимерный слой; дополнительное комбинирование утяжелителей с буровой жидкостью, при этом утяжелители включают один из барита, гематита, галенита и любой комбинации таковых; дополнительное комбинирование формиатов с буровой жидкостью для контроля плотности буровой жидкости и сжимаемых объектов в системах буровых растворов и сведения к минимуму добавления нерастворимых утяжелителей, способных повышать вязкость буровой жидкости и сжимаемых объектов; сжимаемые объекты включают вспененный материал во внутренней области, имеющий один из гомополимеров, полимерных смесей, сополимеров, взаимопроникающих сетчатых структур, блок-сополимеров, термореактивных полимеров, аморфных полимеров, кристаллических полимеров, химически сшитых сополимеров, термопластических эластомеров, каучуков, жидкокристаллических полимеров и любой комбинации таковых; сжимаемые объекты имеют структуру с открытыми или закрытыми порами.
В третьем альтернативном варианте осуществления описывается способ получения бурового раствора переменной плотности, включающий выбор сжимаемых объектов, каждый по меньшей мере из части которых имеет внутреннее давление больше чем 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении, и выбирается для заданного давления в скважине, в которой наружные давления, которые превышают внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта; выбор буровой жидкости, комбинируемой со сжимаемыми объектами; смешение сжимаемых объектов с буровой жидкостью
- 4 016839 для формирования бурового раствора переменной плотности, поддерживающего плотность в диапазоне между градиентом порового давления и градиентом давления гидравлического разрыва пласта по меньшей мере для одного интервала скважины по мере того, как буровой раствор переменной плотности циркулирует к поверхности в сторону устья буровой скважины. В некоторых вариантах осуществления сжимаемый объект может включать оболочку, заключающую внутреннюю область и имеющую внутреннее давление. Оболочка может иметь структуру, предназначенную для компенсирования местных напряжений на сжимаемом объекте во время расширения и сжатия объекта. Дополнительно или альтернативно, сжимаемые объекты могут включать оболочку, заключающую внутреннюю область и имеющую оболочку, которая испытывает меньшую деформацию, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление выше или ниже заданного интервала сжатия. Еще дополнительно или альтернативно, оболочка может заключать внутреннюю область, которая, по меньшей мере, частично заполнена вспененным материалом.
Способы в объеме настоящего описания, описанные в предыдущем абзаце, могут обеспечивать множество признаков и/или характеристик. Примерные варианты могут включать любой один или более таких признаков или характеристик. Например, настоящее описание включает способы, характеризуемые следующими признаками: сжимаемые объекты имеют внутреннее давление выше около 500 фунтов на кв.дюйм (3,445 МПа) при атмосферном давлении, такое как выше 1500 фунтов на кв.дюйм (10,335 МПа) при атмосферном давлении; сжимаемый объект имеет оболочку, способную испытывать меньшую деформацию, когда наружное давление примерно равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление превышает или меньше внутреннего давления; каждый из сжимаемых объектов включает множество состояний, включающее первое состояние при атмосферном давлении, имеющее первый объем, второе состояние внутри буровой скважины, имеющее второй объем, и третье состояние внутри буровой скважины, имеющее третий объем, который меньше, чем первый объем, и большим, чем второй объем, и внутреннее давление оказывает меньшую нагрузку на стенки сжимаемого объекта в третьем состоянии, чем в первом состоянии и втором состоянии; дополнительное примешивание утяжелителей в буровую жидкость для контроля плотности буровой жидкости и сжимаемых объектов; каждый из сжимаемых объектов имеет один или более структурных элементов для снижения местного напряжения, которые могут включать фланец; каждый из сжимаемых объектов представляет собой объект формы эллипсоида с соотношением геометрических размеров между 2 и 5, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению предпочтительно между 3 и 4; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку с отношением эквивалентного диаметра к толщине стенки в диапазоне от 20 до 200, такое как в диапазоне от 50 и 100; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку, включающую газонепроницаемый барьерный слой и несущий слой, при этом газонепроницаемый барьерный слой может включать слой из металла или металлического сплава, а несущий слой может включать полимерный слой; дополнительное комбинирование утяжелителей с буровой жидкостью, при этом утяжелители включают один из барита, гематита, галенита и любой комбинации таковых; дополнительное комбинирование формиатов с буровой жидкостью для контроля плотности буровой жидкости и сжимаемых объектов в системах буровых растворов и сведения к минимуму добавления нерастворимых утяжелителей, способных повышать вязкость буровой жидкости и сжимаемых объектов; сжимаемые объекты включают вспененный материал во внутренней области, включающий один из гомополимеров, полимерных смесей, сополимеров, взаимопроникающих сетчатых структур, блок-сополимеров, термореактивных полимеров, аморфных полимеров, кристаллических полимеров, химически сшитых сополимеров, термопластических эластомеров, каучуков, жидкокристаллических полимеров и любой комбинации таковых; сжимаемые объекты имеют структуру с открытыми или закрытыми порами.
В четвертом альтернативном варианте осуществления описывается система бурения буровой скважины, содержащая буровую скважину, буровой раствор переменной плотности, расположенный в буровой скважине и имеющий сжимаемые объекты и буровую жидкость, при этом каждый по меньшей мере из части сжимаемых объектов имеет внутреннее давление, превышающее 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении и выбранное для заданного давления в скважине, причем наружные давления, которые превышают внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта. Система дополнительно включает бурильную колонну, расположенную в скважине, и оборудование низа бурильной колонны, присоединенное к бурильной колонне и размещенное в скважине. В некоторых вариантах осуществления сжимаемый объект может включать оболочку, заключающую внутреннюю область и имеющую внутреннее давление. Оболочка может иметь структуру, предназначенную для компенсации местных напряжений на сжимаемом объекте во время расширения и сжатия объекта. Дополнительно или альтернативно, сжимаемые объекты могут включать оболочку, заключающую внутреннюю область и способную испытывать меньшую деформацию, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление выше или ниже заданного интервала сжатия. Альтернативно, оболочка может заключать внутреннюю область, которая по меньшей мере частично заполнена вспененным материалом.
Системы в объеме настоящего описания, описанные в предыдущем абзаце, могут обеспечить множество признаков и/или характеристик. Примерные варианты могут включать любой один или более
- 5 016839 таких признаков или характеристик. Например, настоящее описание включает системы, характеризующиеся следующими признаками: каждый из множества сжимаемых объектов имеет внутреннее давление выше около 500 фунтов на кв.дюйм (3,445 МПа) при атмосферном давлении, такое как выше 1500 фунтов на кв.дюйм (10,335 МПа) или выше 2000 фунтов на кв.дюйм (13,780 МПа); сжимаемые объекты включают первую часть сжимаемых объектов, имеющих первое внутреннее давление, и вторую часть, имеющих второе внутреннее давление, отличное от первого внутреннего давления, и которые могут дополнительно включать третью часть, имеющих третье внутреннее давление, отличное от первого внутреннего давления и второго внутреннего давления; сжимаемые объекты включают первую часть сжимаемых объектов, имеющих первый объем на поверхности скважины, и вторую часть, имеющую второй объем на поверхности скважины, отличный от первого объема, и которые могут дополнительно включать третью часть, имеющую третий объем на поверхности скважины, отличный от второго объема и первого объема; сжимаемые объекты включают первую часть сжимаемых объектов, имеющих первую форму, и вторую часть, имеющую вторую форму, отличную от первой формы; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку, способную испытывать меньшую деформацию, когда наружное давление примерно равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление превышает или меньше внутреннего давления; каждый из сжимаемых объектов способен компенсировать местные напряжения и нестабильности сжимаемых объектов во время расширения и сжатия сжимаемых объектов; каждый из сжимаемых объектов имеет один или более структурных элементов для снижения местного напряжения, которые могут включать фланец; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку с толщиной, изменяемой в пределах поверхности оболочки для снижения местного напряжения и являющейся наибольшей на экваторе сжимаемого объекта; каждый из сжимаемых объектов представляет собой объект формы эллипсоида с соотношением геометрических размеров в диапазоне между 2 и 5, когда наружное давление почти равно внутреннему давлению, предпочтительно между 3 и 4; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку с отношением эквивалентного диаметра к толщине стенки в диапазоне от 20 до 200, предпочтительно от 50 и 100; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку, включающую расслаивающийся неорганический минерал в качестве армирующего материала или в качестве газонепроницаемого барьера в полимерной матрице; оболочка включает нановолоконное армирование в полимерной матрице для достижения специфических свойств материала стенки; каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку, включающую газонепроницаемый барьерный слой и несущий слой, при этом газонепроницаемый барьерный слой может быть сформирован с наружной или внутренней стороны несущего слоя и может включать слой из металла или металлического сплава, а несущий слой может включать полимерный слой; буровой раствор дополнительно включает утяжелители для контроля плотности буровой жидкости и множества сжимаемых объектов, при этом утяжелители могут включать один из барита, гематита, галенита и любой комбинации таковых; буровой раствор дополнительно включает формиаты для контроля плотности бурового раствора в системах буровых растворов и уменьшения добавления нерастворимых утяжелителей, способных повышать вязкость буровой жидкости и сжимаемых объектов; сжимаемые объекты включают вспененный материал во внутренней области, включающий один из гомополимеров, полимерных смесей, сополимеров, взаимопроникающих сетчатых структур, блок-сополимеров, термореактивных полимеров, аморфных полимеров, кристаллических полимеров, химически сшитых сополимеров, термопластических эластомеров, каучуков, жидкокристаллических полимеров и любой комбинации таковых; сжимаемые объекты имеют структуру с открытыми или закрытыми порами.
Дополнительно описывается способ изготовления сжимаемых объектов, включающий выбор структуры сжимаемого объекта; выбор материала стенки сжимаемого объекта, изготовление сжимаемого объекта с оболочкой, имеющей внутреннюю область и внутреннее давление, большее чем 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении и выбранное для заданного наружного давления, при этом наружные давления, которые превышают внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта. Внутреннее давление может быть в диапазоне от 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) вплоть до предела прочности на разрыв материала оболочки при атмосферном давлении, в диапазоне от 2000 фунтов на кв.дюйм (13,780 МПа) вплоть до предела прочности на разрыв материала оболочки при атмосферном давлении, и/или в диапазоне от 1500 фунтов на кв.дюйм (10,335 МПа) до 3500 фунтов на кв.дюйм (24,115 МПа) при атмосферном давлении.
В некоторых вариантах осуществления способ включает приготовление камеры, имеющей первую трубу, расположенную внутри второй трубы; формирование полимерного пузырька из полимерного материала во второй трубе и газа в первой трубе; подвергание наружной поверхности полимерного пузырька воздействию сшивающей жидкости с образованием сжимаемого объекта; удаление сшивающей жидкости после отверждения сжимаемого объекта, в котором сжимаемый объект имеет внутреннее давление больше чем 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении и выбранное для заданного наружного давления, при этом наружные давления, которые превышают внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта.
Дополнительно или альтернативно, способ включает изготовление устройства, имеющего нижнюю камеру с патрубком для введения газа, и верхнюю камеру с патрубком для впуска жидкости и патрубком для выпуска жидкости, при этом пластина, имеющая перфорации, отделяет патрубок для введения газа
- 6 016839 от патрубков для впуска жидкости и выпуска жидкости; размещение полимерного листа на пластине; создание давления в нижней камере для достижения давления, более высокого, чем в верхней камере; формирование сжимаемых объектов из полимерного листа, в котором каждый из сжимаемых объектов имеет оболочку, формирующую внутреннюю область и внутреннее давление, большее чем около 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении, и выбирается для заданного наружного давления, причем наружные давления, которые превышают внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта.
Дополнительно или альтернативно, способ может включать приготовление вспененных матриц; нанесение на вспененные матрицы покрытия из металлического материала; обжиг покрытых металлом вспененных матриц с образованием сжимаемых объектов. Сжимаемый объект может иметь оболочку, формирующую внутреннюю область и внутреннее давление, большее чем около 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении, и выбранное для заданного наружного давления, при этом наружные давления, которые превышают внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта.
В других вариантах осуществления способ может включать приготовление вспененной матрицы; покрытие вспененной матрицы слоем пигмента, размещение покрытой пигментом вспененной матрицы в реакторе, заполненном газом; облучение покрытой пигментом вспененной матрицы в реакторе с образованием покрытой металлом вспененной матрицы; покрытие обжиг покрытой металлом вспененной матрицы с образованием сжимаемых объектов. В дополнение сжимаемый объект может иметь оболочку, которая заключает внутреннюю область и имеет внутреннее давление, большее чем около 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении и выбранное для заданного наружного давления, при этом наружные давления, которые превышают внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта.
Краткое описание чертежей
Вышеназванные и прочие преимущества настоящего способа могут стать очевидными по прочтении нижеследующего подробного описания и с привлечением чертежей, в которых фиг. 1 представляет собой иллюстрацию примерной бурильной системы в соответствии с определенными аспектами настоящей технологии;
фиг. 2Ά-2Ό - примерные диаграммы и варианты исполнения сжимаемого объекта в соответствии с аспектами настоящей технологии;
фиг. 3А-3С - примерные варианты исполнения сжимаемого объекта в различных состояниях в соответствии с аспектами настоящей технологии;
фиг. 4 - примерную диаграмму различно оформленных сжимаемых объектов в соответствии с аспектами настоящей технологии;
фиг. 5 - примерную блок-схему выбора и применения бурового раствора переменной плотности для бурильной системы из фиг. 1 в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии;
фиг. 6 - примерную блок-схему выбора и изготовления сжимаемых объектов для блок-схемы из фиг. 5 в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии;
фиг. 7 - примерный график, касающийся формы сжимаемых объектов в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии;
фиг. 8Ά-8Β - примерные варианты исполнения процессов изготовления, использованных в блоксхеме на фиг. 6, в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии;
фиг. 9 - примерную блок-схему процесса изготовления, использованного в блок-схеме на фиг. 6, со сжимаемыми объектами, имеющими вспененную матрицу, в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии;
фиг. 10 - примерные варианты исполнения сжимаемых объектов, изготовленных по блок-схеме на фиг. 9, в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии;
фиг. 11Ά-11Β - примерные варианты исполнения процессов изготовления, применяемых в блоксхеме на фиг. 6, в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии;
фиг. 12Ά-12Ο - варианты осуществления сжимаемого объекта, имеющего фланец, в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии;
фиг. 13 - примерный график, касающийся добавления фланца к сжимаемому объекту, в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии.
Подробное описание
В нижеследующем подробном описании изобретение будет описано в связи с его предпочтительными вариантами осуществления. Однако в той степени, в какой это нижеследующее описание формулирует конкретный вариант осуществления или конкретное применение изобретения, это предназначено только для иллюстрации. В соответствии с этим изобретение не ограничивается конкретными вариантами осуществления, описанными ниже, но, скорее, изобретение включает все альтернативы, модификации и эквиваленты, попадающие в пределы реальной области прилагаемых пунктов формулы изобретения.
Настоящее изобретение направлено на способ, композицию и систему выбора, изготовления и применения сжимаемых объектов в буровом растворе переменной плотности. В частности, сжимаемые объекты могут быть использованы с буровой жидкостью с образованием бурового раствора переменной
- 7 016839 плотности для буровых операций в скважине. Сжимаемые объекты и буровая жидкость выбираются для поддержания веса бурового раствора в диапазоне между градиентом порового давления и градиентом давления гидравлического разрыва пласта внутри буровой скважины. Более конкретно, согласно настоящим способам сжимаемые объекты имеют внутреннее давление, большее чем около 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении, большее чем около 500 фунтов на кв.дюйм (3,445 МПа) при атмосферном давлении или более предпочтительно большее чем около 1500 фунтов на кв.дюйм (10,335 МПа) при атмосферном давлении. Сжимаемые объекты могут включать сжимаемые или сминаемые полые объекты с различными формами, такими как сферы, кубики, пирамиды, сплющенные или продолговатые сфероиды, цилиндры, подушечки и/или прочие формы или структуры, которые выбираются для достижения оптимального сжатия в ответ на изменения давления и/или температуры. Кроме того, как обсуждается ниже, сжимаемые объекты могут включать полимеры, полимерные композиты, металлы, металлические сплавы, и/или полимерные или полимерно-композитные многослойные материалы с металлами или металлическими сплавами, которые получаются разнообразными способами. Соответственно этому разнообразные способы и системы описываются для выбора и получения сжимаемых объектов. Далее следует отметить, что нижеприведенные способы и процедуры не ограничиваются бурильными операциями, но могут быть также применены в операциях завершения скважин или любых операциях, для которых предпочтительно использование жидкостей переменной плотности.
На фиг. 1 иллюстрируется примерная бурильная система 100 в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии. В бурильной системе 100 буровая установка 102 применяется для бурения скважины 104. Скважина 104 может проходить в поверхность 106 для достижения подземного пласта 108. Подземный пласт 108 может включать разнообразные слои горной породы, которые могут включать или могут не включать углеводороды, такие как нефть и газ, и могут быть названы как зоны или интервалы. По существу, скважина 104 может создавать жидкостные протоки между подземным пластом 108 и производственным оборудованием (не показано), расположенным на поверхности 106. Производственное оборудование может обрабатывать углеводороды и транспортировать углеводороды потребителям. Однако следует отметить, что бурильная система 100 иллюстрирована для показательных целей и настоящая технология может быть применима для циркулирующих жидкостей в буровой скважине любого назначения, таких как для выполнения буровых операций или добычи жидкостей из подземного месторождения.
Для достижения подземного пласта 108 буровая установка 102 может включать бурильные компоненты, такие как компоновка 110 низа бурильной колонны, бурильные колонны 112, обсадные колонны 114 и 115, технологическая установка 116 для буровой жидкости для обработки бурового раствора переменной плотности и прочие системы для управления 118 бурением буровой скважины и операциями добычи. Каждый из этих бурильных компонентов используется для формирования скважинного ствола скважины 104. Компоновка 110 низа бурильной колонны может включать буровое долото и используется для извлечения породы из пласта, цемента или других материалов из буровой скважины. Обсадные трубы 114 и 115 могут обеспечивать опору и устойчивость при внедрении в подземный пласт 108, которые могут включать поверхностные обсадные трубы 115 и промежуточную или эксплуатационную обсадную колонну 114. Эксплуатационная обсадная колонна 114 может простираться вниз до глубины, близкой к подземному пласту 108, или проходить сквозь него. Технологическая установка 116 для буровой жидкости может включать оборудование, которое может быть использовано для приготовления бурового раствора переменной плотности. Например, технологическая установка 116 может включать вибросмесители, сепараторы, гидроциклоны и другие пригодные устройства (например, как описано в международной патентной заявке № РСТ/ϋδ 2007/003691, поданной 13 февраля 2007 г.).
Во время бурильных операций применение бурового раствора 118 переменной плотности в качестве бурового раствора позволяет оператору произвести забуривание глубже под поверхность 106, поддерживать достаточное гидростатическое давление, предотвращать приток пластовой текучей среды (газа или жидкости) и оставаться на уровне ниже градиента давления гидравлического разрыва пласта (ЕС), каковое может выдерживать подземный пласт 108. Как отмечено в публикации патентной заявки № \¥О 2006/007347, авторы Ροϊίζζοΐίί с1 а1., которая приведена для сведения, сжимаемые объекты предпочтительно могут иметь коэффициент сжатия, который точно приспособлен для создания веса бурового раствора, значение которого находится в диапазоне между градиентом порового давления и градиентом давления гидравлического разрыва пласта на протяжении глубинного интервала, заданного для бурового производства. То есть сжимаемые объекты должны иметь, по существу, восстанавливающиеся стенки, несущие нагрузку, и низкую проницаемость для газа внутри сжимаемых объектов. Определение по существу восстанавливающиеся означает, что накопление пластической деформации в стенке оболочки вследствие повторяющихся циклических нагрузок на сжимаемые объекты между поверхностью и забойной зоной буровой скважины не вызывает существенного повреждения несущей нагрузку стенки или значительной потери внутреннего давления газа во время повторяющихся циклов (то есть двух или более циклов) по мере пробуривания скважины до заданной глубины. Кроме того, определение низкая проницаемость означает, что внутреннее давление в сжимаемых объектах в процессе эксплуатации остается
- 8 016839 внутри допустимых пределов в течение заданного периода времени, требуемого для пробуривания буровой скважины до заданной глубины.
В то время как добавление сжимаемых объектов в буровой раствор для контроля плотности бурового раствора в зависимости от глубины было описано в публикации патентной заявки № \¥О 2006/007347 авторами Ροϊίζζοΐΐί с1 а1., конструирование сжимаемых объектов и выбор буровой жидкости для обеспечения этой функциональности являются затруднительными. В частности, повторяющие циклы сжатия, типично испытываемые рециркулирующим буровым раствором переменной плотности, в пределах ограничений, обусловленных механическими свойствами существующих материалов, могут стать лимитирующими для сжимаемых объектов. По существу, процесс изготовления сжимаемых объектов может потребовать учета разнообразных факторов, которые влияют на долговечность и работоспособность сжимаемых объектов, как далее обсуждается ниже.
Для начала следует отметить, что необходимы большие коэффициенты сжатия для достижения желаемого изменения плотности буровой жидкости с глубиной в пределах, установленных максимальной объемной долей сжимаемых объектов, которые обусловливаются действием сжимаемых объектов на реологические характеристики жидкости, как описано в публикации № \¥О 2006/007347. Соответственно этому сжимаемым объектам должны быть приданы определенные свойства, призванные обеспечить большие коэффициенты сжатия и начало сжатия в пределах определенных диапазонов или уровней давлений. Коэффициент сжатия полого объекта, который представляет собой один вариант исполнения сжимаемых объектов, может быть ограничен величиной первоначального несжатого объема (то есть в несжатом или расширенном состоянии), деленной на объем, занимаемый материалом, включающим стенку оболочки, плюс объем сжатого газа внутри оболочки для перепада давлений ДР для обсуждаемого интервала буровой скважины. Большие коэффициенты сжатия обеспечиваются, если стенки сжимаемых объектов являются тонкими и гибкими. Соответственно этому сжимаемые объекты предпочтительно могут быть сконструированы так, чтобы сжатие и повторное расширение сжимаемых объектов могли происходить без существенной остаточной деформации стенок (то есть остаточной деформации, приводящей к раннему усталостному разрушению стенок сжимаемого объекта).
В дополнение заранее заданное наружное давление или глубина сжатия и заданный интервал сжатия сжимаемых объектов могут быть точно приспособлены для обеспечения изменения плотности бурового раствора на конкретных глубинах или близко к таковым внутри буровой скважины. Как правило, сжатие объекта, которое начинается на поверхности, имеет ограниченное значение. В этих вариантах применения сжимаемые объекты сжимаются от поверхности в заданном интервале сжатия или диапазоне, проходящем вниз до определенной глубины. В результате эти сжимаемые объекты могут быть использованы в некоторых специфических областях применения для наземного бурения, но не могут быть пригодными для глубоководной среды или более глубоких интервалов бурения. Для обеспечения изменения плотности сверх конкретного заданного интервала давления для специфических глубин или наружного давления, стартовая глубина и интервал глубин для заданного интервала давлений, сверх которого может происходить сжатие, предпочтительно регулируется с помощью сжимаемых объектов. Например, начальное внутреннее давление в сжимаемом объекте может быть выбрано в расчете на глубину, на которой желательно скачкообразное изменение сжимаемости. На глубинах в колонне бурового раствора (то есть буровой жидкости внутри буровой скважины), для которых давление является более низким, чем начальное внутреннее давление в сжимаемых объектах, изменение объема сжимаемых объектов обусловливается модулем Юнга материала стенки и разностью давлений по толщине материала стенки. На глубинах, для которых давление в колонне бурового раствора превышает начальное внутреннее давление, изменение объема сжимаемых объектов постепенно начинает контролироваться сжимаемостью газа. То есть заранее заданный интервал сжатия представляет собой диапазон давлений от наружного давления, которое примерно равно внутреннему давлению в сжимаемом объекте, до наружного давления, которое, по существу, сдавливает сжимаемый объект (то есть сжимает сжимаемый объект до сжатого состояния, которое далее обсуждается ниже). По существу, сжимаемые объекты могут быть изготовлены так, чтобы начинать сжиматься при заданном давлении или близком к нему, или на заданной глубине, и/или для конкретного заданного интервала давлений, чтобы обеспечивать изменение плотности в конкретных частях или интервалах буровой скважины.
Для сжатия на определенной глубине стенки сжимаемых объектов могут быть рассчитаны на поддержание заранее заданного внутреннего давления. Начальное внутреннее давление сжимаемых объектов для данной плотности бурового раствора определяется глубиной, на которой переход к сжатию газа контролируется изменением объема сжимаемых объектов. Типично может быть использовано внутреннее давление больше чем около 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении, больше чем 500 фунтов на кв. дюйм (3,445 МПа) при атмосферном давлении, больше чем 1500 фунтов на кв. дюйм (10,335 МПа) при атмосферном давлении или более предпочтительно больше чем 2000 фунтов на кв.дюйм (13,780 МПа) при атмосферном давлении. Для данного начального внутреннего давления достижимый коэффициент сжатия объекта зависит от отношения толщины стенки к эффективному диаметру сжимаемого объекта. В то время как толщина стенки предпочтительно настолько тонка, насколько возможно, нижний предел толщины стенки определяется минимальной толщиной, способной выдержи
- 9 016839 вать внутреннее давление газа при наружном давлении около 1 атм (0,101 МПа), которое типично имеет место на поверхности 106. Соответственно этому типично может быть использован материал с пределом прочности на разрыв, большим чем 10000 фунтов на кв.дюйм (68,900 МПа), как обсуждается ниже, для поддержания внутреннего давления для сжимаемого объекта. По существу, внутреннее давление может варьировать в диапазоне от 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) вплоть до предела прочности на разрыв материала оболочки при атмосферном давлении, в диапазоне от 2000 фунтов на кв.дюйм (13,780 МПа) вплоть до предела прочности на разрыв материала оболочки при атмосферном давлении и/или в диапазоне от 1500 фунтов на кв.дюйм (10,335 МПа) до 3500 фунтов на кв.дюйм (24,115 МПа) при атмосферном давлении.
Далее для данного внутреннего давления и диаметра сжимаемого объекта минимальная толщина стенки, которая может быть применена, поэтому определяется пределом упругости прочности на растяжение материала стенки. Толщину стенки желательно свести к минимуму внутри этих пределов прочности, поскольку отношение объема материала стенки к общему объему сжимаемого объекта настраивается на верхний предел величины достижимого коэффициента сжатия, как отмечено выше. Соответственно этому в то время как сжимаемый объект может включать множество форм, таких как кубики, пирамиды, сплющенные или продолговатые сфероиды, цилиндры, подушечки, например, сферические и эллиптические объекты с шарообразными или близкими к сферическим, раздутые геометрические формы применимы по соображениям, касающимся оптимизации реологических характеристик сжимаемого бурового раствора. Соответственно этому сжимаемые объекты могут включать эллиптические и/или сферические объекты, такие как пустотелые металлические сферические и эллиптические объекты, находящиеся под давлением, с соотношением геометрических размеров (то есть отношением большого диаметра к малому диаметру) в диапазоне между примерно 1 и 5, чтобы обеспечить коэффициенты сжатия до 5:1 или больше.
Конструирование сжимаемого объекта может быть далее осложнено структурными нестабильностями. Например, сферический объект для данного внутреннего давления и диаметра может быть ограничен структурными нестабильностями, характеристическими для самой архитектуры сферического объекта. Структурные нестабильности могут включать местные напряжения, такие как нестабильность экваториального выпячивания во время фазы раздува и нестабильность сминания верхушки во время фазы сжатия. По существу, конструкция сжимаемого объекта также может быть рассчитана на то, чтобы компенсировать или сокращать местные напряжения и нестабильности во время расширения и сжатия сжимаемых объектов. Соответственно этому ниже обсуждается также моделирование сферического объекта в анализе по методу конечных элементов, каковое может быть одним вариантом исполнения сжимаемого объекта, как показано на фиг. 2Ά-2Ό.
Фиг. 2Ά представляет собой примерную диаграмму и варианты осуществления сжимаемого объекта. На диаграмме 200 сжимаемый объект представляет собой почти сферический объект, который имеет соотношение геометрических размеров около 1,0 и толщину стенки 10 мкм. Соотношение геометрических размеров объекта определяется как отношение большой оси к малой оси, которое обсуждается ниже.
На фиг. 2Ά показан график 200 максимальной деформации 202 относительно коэффициента 204 сжатия упругого сферического объекта. Максимальная деформация 202 представляет собой самую большую деформацию в любой точке сжимаемого объекта в этом состоянии. График 200, который составлен с помощью программы для анализа методом конечных элементов, такой как ЛБЛриЗ™ ТЕЛ, включает характеристическую кривую 206 сферического объекта в различных состояниях. Как показывает характеристическая кривая 206, для обеспечения коэффициента сжатия по меньшей мере 5:1 требуется избыточная линейная упругая деформация на уровне около 12%. Вдоль характеристической кривой 206 максимальная упругая деформация не развивается равномерно на поверхности объекта во время сжатия, но локализуется вследствие нестабильностей выпячивания во время сжатия.
Конкретные примеры локализованной деформации на объекте показаны на фиг. 2В, иллюстрирующей частичный вид объекта 210, такого как сферический или эллиптический объект, подвергнутого воздействию сжимающего давления, которое является внешним для объекта. Упругая деформация объекта 210 при сжатии последнего контролируется локализацией напряжения, связанной с нестабильностью сминания верхушки, которая обозначена сплющенной областью 214. Нестабильность сминания верхушки представляет собой вдавливание сплющенной области 214 вследствие неспособности структуры противостоять наружному давлению, приложенному к этой области. В частности, области 216 представляют собой места или зоны самой сильной местной деформации, которые зафиксированы в характеристической кривой 206 на фиг. 2Ά. Как было показано, серьезность этой нестабильности возрастает с увеличением толщины стенки.
На основании вышеприведенного обсуждения сжимаемый объект должен иметь прочность на растяжение, достаточную для выдерживания внутреннего давления, и обратимое линейное удлинение или упругую деформацию, достаточно большие для выдерживания требуемой деформации. Если допустить, что оболочка сферического или почти сферического сжимаемого объекта является металлической, то металл или металлический сплав должен иметь достаточную прочность на растяжение внутри его предела упругости для удержания внутреннего давления и обеспечения по меньшей мере 12%-ного обратимо
- 10 016839 го линейного удлинения. В то время как прочность на растяжение может быть легко достигнута, немногие металлы или металлические сплавы имеют предел упругой деформации, превышающий 1%. Если желательно обратимое линейное удлинение больше чем 1%, типичные материалы могут оказаться недостаточными. Исключения из этого ограничения представляют некоторые аморфные металлические сплавы с пределом упругой деформации, достигающим примерно 2%, и сплавы с памятью формы (например, семейство Νίίοΐ из титано-никелевых (ΝίΤί) сплавов), которые проявляют псевдоупругие деформации до 8% с менее чем около 0,1%-ной остаточной деформацией. Соответственно этому типичные металлы или металлические сплавы не могут обеспечивать по меньшей мере 12%-ного обратимого линейного удлинения, если в качестве начальной формы используется сферическая структура.
Для достижения требуемого обратимого линейного удлинения сжимаемый объект может быть сконструирован так, чтобы подразделять деформацию сжимаемого объекта на различные состояния. Например, сжимаемые объекты могут иметь три различных состояния, такие как начальное состояние, расширенное состояние и сжатое состояние. В одном варианте осуществления начальное состояние может представлять собой, например, сплющенный сфероид с соотношением геометрических размеров, меньшим чем 1,0. Фиг. 2С показывает сплющенный сферический объект 220, имеющий большую ось 222 и малую ось 224. Как отмечено выше, соотношение геометрических размеров объекта 220 в начальном состоянии определяется как отношение большой оси 222 к малой оси 224. При таких состояниях требуемая деформация сжимаемого объекта подразделяется на две фазы. Общая требуемая деформация может быть подразделена на расширенное состояние и сжатое состояние. Раздувание, или первая фаза, включает расширение сжимаемого объекта от начального состояния до расширенного состояния, которое может быть ограничено прочностью на растяжение материала стенки и/или структурными нестабильностями полностью расширенного сжимаемого объекта, характеристического для начального состояния архитектуры сжимаемого объекта и начального внутреннего давления.
В частности, на фиг. 2Ό сплющенный сферический объект 230 с начальным соотношением геометрических размеров 4:1, толщиной стенки 10 мкм и внутренним давлением в раздутом состоянии 10,9 МПа подвергается воздействию внутреннего давления, которое раздувает сплющенный сферический объект 230. Максимум упругой деформации объекта 230 при его расширении контролируется локализацией напряжений, связанных с экваториальным выпячиванием стенки, которое обозначено сплющенными областями 232 и 234. Нестабильность экваториального выпячивания стенки представляет собой сминание областей 232 и 234 вследствие сужения экваториального пояска, связанного с раздуванием сплющенного сферического объекта 230. В общем, было показано, что чувствительность сжимаемого объекта к экваториальному выпячиванию повышается по мере увеличения первоначального соотношения геометрических размеров сжимаемого объекта, роста внутреннего давления и уменьшения толщины стенки. В этом примере расширенное состояние может представлять собой состояние равновесия с наружным давлением в одну атмосферу (0,101 МПа), и где сжимаемый объект имеет сферическую или почти сферическую форму (то есть соотношение геометрических размеров около 1,0).
Вторая фаза может включать сжатие объекта от расширенного состояния обратно до примерно начального состояния в то время, когда деформация вследствие начального расширения почти полностью исчезает, и последующее дальнейшее сжатие до полностью сжатого состояния, которое может быть опять же ограниченным упругой деформацией материала стенки полностью сжатого объекта. Сжатое состояние может быть, например, равновесной сжатой формой, обусловленной гидростатической сжимающей нагрузкой, приложенной к сжимаемому объекту на определенной глубине забойной зоны скважины. Соответственно этому сжимаемые объекты могут быть сконструированы с использованием этих состояний для обеспечения подходящего коэффициента сжатия, каковой является предпочтительным для применения внутри буровой скважины.
Фиг. 3А-3С представляют собой примерные варианты выполнения сжимаемого объекта в различных состояниях в соответствии с аспектами настоящей технологии. В вариантах осуществления, показанных на фиг. 3А-3С, моделирование в рамках анализа методом конечных элементов применяется для демонстрации различных состояний сжимаемого объекта, который в этом примере представляет собой эллипсоид. Каждая из фиг. 3А-3С представляет собой частичное изображение сжимаемого объекта в различных состояниях. Как показано на фиг. 3А, эллиптический объект может быть в начальном состоянии 300 и иметь большую ось 302 и малую ось 304 с соотношением геометрических размеров 4:1. На фиг. 3В эллиптический объект может быть в расширенном состоянии 306 и иметь большую ось 308 и малую ось 310, и соотношение геометрических размеров, меньшее чем 4:1. На фиг. 3С эллиптический объект может быть в сжатом состоянии 312 и иметь большую ось 314 и малую ось 316, и соотношение геометрических размеров гораздо большее чем 4:1. Соответственно этому, соотношение геометрических размеров для каждого из различных состояний 300, 306 и 312 может различаться в зависимости от расширения и/или сжатия эллиптического объекта. Сжимаемые объекты, имеющие различные начальные соотношения геометрических размеров, обсуждаются далее на фиг. 4.
Фиг. 4 представляет собой примерный график сжимаемых объектов с различной начальной формой в соответствии с аспектами настоящей технологии. Для формирования графика 400 зависимости между максимальной деформацией 402 и коэффициентом 404 сжатия для различных сжимаемых объектов,
- 11 016839 имеющих толщину стенки 15 мкм, применено моделирование в рамках анализа методом конечных элементов. График 400 включает первую характеристическую кривую 406 для сферического объекта, вторую характеристическую кривую 407 для эллиптического объекта, имеющего соотношение геометрических размеров 2:1, третью характеристическую кривую 408 для эллиптического объекта, имеющего соотношение геометрических размеров 3:1, четвертую характеристическую кривую 409 для эллиптического объекта, имеющего соотношение геометрических размеров 4:1, который может быть эллиптическим объектом на фиг. 3А-3С, и пятую характеристическую кривую 410 для эллиптического объекта, имеющего соотношение геометрических размеров 5:1.
Как показано характеристическими кривыми 406-410, максимальная деформация нарастает и снижается между различными состояниями. Для объектов с начальным соотношением геометрических размеров 3:1 характеристики максимальной линейной упругой деформации определяются нестабильностями сминания верхушки, описанными выше. Для сжимаемых объектов с начальным соотношением геометрических размеров, гораздо большим чем 3:1, максимальная деформация снижается от расширенного состояния до минимального значения для начального или близкого к таковому состояния, которое представляет собой глобальный минимум для деформации на сжимаемом объекте. Далее максимальная деформация увеличивается от начального состояния вплоть до достижения полностью сжатого состояния. По существу, максимальная деформация в начальном состоянии сжимаемых объектов близка к нулю, как показано характеристическими кривыми 406-410. Этот аспект явственно продемонстрирован четвертой характеристической кривой 409. Вдоль характеристической кривой 409 расширенное состояние локализуется в точке 416, начальное состояние локализуется в точке 414 и сжатое состояние локализуется в точке 412. Очевидно, что начальное состояние сжимаемого объекта имеет наименьшую деформацию по сравнению с расширенным и сжатым состояниями. В дополнение этот сжимаемый объект имеет максимальную деформацию около 0,085, которая примерно представляет собой значение максимальной обратимой деформации для фазового превращения от аустенитной до мартенситной фазы в семействе Νίΐοϊ сплавов с их псевдоупругим состоянием. То есть характеристическая кривая 409 показывает, что эллиптический объект, имеющий начальное соотношение геометрических размеров 4:1, представляет собой пригодную структуру и толщину стенки для обеспечения конкретного коэффициента сжатия более чем 5:1, с внутренним давлением, пригодным для практической реализации изобретения, раскрытого в публикации международной патентной заявки № XVО 2006/007347. Каждая из прочих характеристических кривых 406-408, 410 выходит за пределы максимальной обратимой деформации 0,085. Деформации сверх деформации в стадии завершения фазового перехода от аустенитной фазы к мартенситной на уровне приблизительно 8% могут иметь результатом остаточную деформацию, приводящую к ограничению усталостной долговечности при циклическом нагружении.
Из графика 400 расширение и последующее сжатие сжимаемого объекта сдерживается нестабильностью экваториального выпячивания во время расширения и описанной ранее нестабильностью сминания верхушки во время фазы сжатия. Путем моделирования расширения и последующего сжатия начальная структура сжимаемого объекта может быть спроектирована для сведения к минимуму обратимого удлинения для конкретного коэффициента сжатия. В частности, для сжимаемого объекта с постоянной толщиной стенки, изготовленной из ΝίΤί-сплава с памятью формы, с температурой перехода аустенитной фазы в мартенситную ниже около 0°С и целевым внутренним давлением в расширенном состоянии 1500 фунтов на кв.дюйм, избыточных (10,335 МПа, избыточных), начальное соотношение геометрических размеров сжимаемого объекта перед расширением предпочтительно может составлять между около 3 и 4, с толщиной стенки между около 15 и 20 мкм, во избежание превышения примерно 8%-ного линейного удлинения в любом месте стенки сжимаемого объекта, для коэффициента сжатия до 8:1. Как отмечено выше, чтобы быть применимым для публикации № νθ 2006/007347, сплав должен быть в псевдоупругом состоянии. Ординарные сплавы с памятью формы с температурами фазового перехода около 0°С для этого варианта применения непригодны. Необходимость температуры фазового перехода от аустенитной фазы в мартенситную фазу ниже примерно 0°С предполагает, что сплав должен оставаться псевдоупругим по всему температурному диапазону в целом, имеющему место во время действия сжимаемых объектов в буровом растворе.
На основании обсужденных выше методов моделирования сжимаемые объекты могут быть сконструированы из определенных материалов и иметь специальную структуру для обеспечения заданных коэффициентов сжатия, которые находятся в рамках деформационных ограничений существующих материалов. При этих коэффициентах сжатия сжимаемые объекты могут быть применимыми для определенных областей использования, таких как операции бурения и добычи, которые описаны выше. В качестве примера сжимаемые объекты могут быть применимыми, если они обеспечивают коэффициент обратимого сжатия, больший чем или равный пятикратному расширенному состоянию в конкретном обсуждаемом глубинном интервале. Сжимаемые объекты могут быть включены в буровой раствор переменной плотности с объемной долей вплоть до 40 или 50% для обеспечения изменения плотности бурового раствора, соответствующей типичным значениям градиента порового давления и/или градиента давления гидравлического разрыва пласта. Путем изменения плотности бурового раствора при добавлении до 50 об.% маленьких сжимаемых объектов с низкой плотностью, которые могут иметь диаметр около 1 мм, гради
- 12 016839 ент давления внутри скважины может, по существу, контролироваться для уменьшения числа обсадных труб, используемых внутри скважины. В особенности для глубоководного применения число обсадных интервалов может быть сокращено значительно ниже того, что достижимо с помощью систем бескондукторного бурения или мультиградиентных систем, без существенной модификации существующей техники или оборудования. По существу, стоимость скважины может быть снижена на величину от 30 до 50% для определенных вариантов применения. Соответственно этому выбор сжимаемых объектов и изготовление сжимаемых объектов обсуждаются ниже на фиг. 5.
Фиг. 5 представляет собой примерную блок-схему выбора и применения бурового раствора переменной плотности для бурильной системы 100, показанной на фиг. 1, в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения. Эта блок-схема 500 может быть лучше понята в сочетании с рассмотрением фиг. 1, 3А-3С и 4. В блок-схеме 500 сжимаемые объекты и буровая жидкость могут быть выбраны для составления бурового раствора переменной плотности для скважины. Эти сжимаемые объекты могут включать объекты, каждый из которых имеет оболочку, заключающую внутреннюю область, и в которых сжимаемый объект имеет внутреннее давление больше чем около 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении, 500 фунтов на кв.дюйм (3,445 МПа) при атмосферном давлении, 1500 фунтов на кв.дюйм (10,335 МПа) при атмосферном давлении и/или 2000 фунтов на кв.дюйм (13,780 МПа) при атмосферном давлении и выбирается для заранее заданного наружного давления, в котором наружные давления, которые превышают внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта, при этом оболочка испытывает меньшую деформацию, когда наружное давление примерно равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление составляет значение выше или ниже заранее заданного интервала сжатия сжимаемого объекта, или в котором оболочка сконфигурирована так, чтобы испытывать меньшую деформацию, когда наружное давление примерно равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление является большим, чем внутреннее давление, или меньшим, чем внутреннее давление, и/или сжимаемые объекты имеют оболочку, которая заключает внутреннюю область, по меньшей мере частично заполненную вспененным материалом. Буровой раствор переменной плотности может быть использован для интенсифицирования буровых операций в скважине. Этот способ может интенсифицировать буровые операции путем приготовления бурового раствора переменной плотности, который расширяет буровые операции для следующего предела или сокращает потребность в установке дополнительных обсадных труб. Соответственно этому буровые операции, выполненные в описываемом режиме, могут снизить уровни малопродуктивности применения дополнительных обсадных труб, исключая их из буровых операций.
Блок-схема начинается с начальной стадии 502. На стадии 504 могут быть определены значения градиента давления гидравлического разрыва пласта и градиента порового давления. Например, значения градиента давления гидравлического разрыва пласта и градиента порового давления могут быть определены путем получения информации с места заложения скважины и/или выполнения расчетов для оценки градиента давления гидравлического разрыва пласта и градиента порового давления. Затем сжимаемые объекты могут быть выбраны для обеспечения конкретных объемных изменений на стадии 506. Выбор сжимаемых объектов может включать эксплуатационные соображения, такие как удаление сжимаемых объектов из бурового раствора для рециркуляции на поверхности, ограничение потенциально вредных эффектов высокообъемной доли сжимаемых объектов на реологические характеристики бурового раствора и облегчение течения сжимаемых объектов через насосы и отверстия в жидкостных протоках. По существу, сжимаемые объекты могут быть подобраны по размеру, имеющие эквивалентный диаметр между 0,1 и 50 мм и/или предпочтительно между 0,1 и 5,0 мм. Эквивалентный диаметр определяется как диаметр сферы с объемом, равным таковому, для полностью расширенного сжимаемого объекта при атмосферном давлении. Выбор сжимаемых объектов может включать применение сжимаемых объектов с различающимися размерами или объемами на поверхности буровой скважины и/или с различными формами для регулирования повышений вязкости бурового раствора. Выбор сжимаемых объектов далее описывается на фиг. 6.
На стадии 508 может быть выбрана буровая жидкость. Буровая жидкость, которая может включать разнообразные утяжелители бурового раствора, может быть выбрана для обеспечения конкретной плотности, которая может взаимодействовать со сжимаемыми объектами для поддержания плотности бурового раствора в диапазоне между градиентом давления гидравлического разрыва пласта и градиентом порового давления, что далее обсуждается ниже. Сжимаемые объекты и буровая жидкость могут быть скомбинированы на стадии 510. Комбинирование сжимаемых объектов и буровой жидкости может включать смешение или компаундирование сжимаемых объектов с буровой жидкостью, как описано в международной патентной заявке № РСТ/ϋδ 2007/003691, поданной 13 февраля 2007 г. Далее сжимаемые объекты и буровая жидкость могут быть скомбинированы перед поставкой на место заложения скважины или поставлены по отдельности с комбинированием сжимаемых объектов и буровой жидкости на месте заложения скважины. Следует отметить, что сжимаемые объекты могут быть поставлены в автомобильных рефрижераторах, таких как грузовики, и на судах, чтобы снизить риски, связанные со сбросом внутреннего давления внутри сжимаемых объектов.
На месте заложения скважины сжимаемые объекты и буровая жидкость, которая может представ
- 13 016839 лять собой буровой раствор 118 переменной плотности (фиг. 1), могут быть использованы в буровых операциях на стадии 512. Буровые операции могут включать любые процессы, где жидкости на поверхности применяются для достижения и поддержания желаемого гидростатического давления в буровой скважине, и/или процессы циркуляции этой жидкости, среди прочих вариантов использования, для удаления обломков выбуренной породы из буровой скважины. Как только скважина пробуривается, углеводороды могут добываться на стадии 514. Добыча углеводородов может включать завершение буровой скважины, установку оборудования внутри буровой скважины вдоль эксплуатационной насоснокомпрессорной колонны, получение углеводородов из подземного пластового резервуара, обработку углеводородов в наземной установке нефтяного или газового промысла и/или прочие подобные операции. Затем процесс завершается стадией 516.
Фиг. 6 представляет собой примерную блок-схему выбора и изготовления сжимаемых объектов, обсуждаемых в блок-схеме на фиг. 5, в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии. Эта блок-схема 600 может быть лучше понята в сочетании с рассмотрением фиг. 1, 3А-3С, 4 и 5. В блоксхеме 600 описывается процесс выбора сжимаемых объектов для поддержания плотности бурового раствора внутри скважины в диапазоне между градиентом порового давления и градиентом давления гидравлического разрыва пласта. Преимущественно применение сжимаемых объектов в буровом растворе переменной плотности может интенсифицировать буровые операции путем сокращения размера буровой скважины и обсадных колонн и может обеспечить достижение больших глубин.
Блок-схема начинается со стадии 602. На стадии 604 получают значения градиента давления гидравлического разрыва пласта и градиента порового давления скважины. Значения градиента давления гидравлического разрыва пласта и градиента порового давления могут быть определены путем получения информации с места заложения скважины и/или выполнения расчетов для оценки градиента давления гидравлического разрыва пласта и градиента порового давления. Затем выбирается структура каждого из сжимаемых объектов на стадии 606. Выбор структуры сжимаемых объектов может включать применение анализа методом конечных элементов для приспособления структур и геометрических форм сжимаемых объектов к характеристикам доступных материалов, как описано выше. На стадии 608 выбираются материалы стенки для сжимаемых объектов. Выбор материалов стенки может включать тонкие пленки из металлов и/или металлического сплава, сформированные механическим способом или методами осаждения, полимеры с армированием из микроволокон и/или нановолокон или без такового в полимерной матрице, для достижения специфических свойств материала стенки (например, как определено анализом по методу конечных элементов для сжатия объекта). В дополнение материалы стенки могут включать расслаивающийся неорганический минерал в качестве армирующего средства или в качестве барьера для снижения газопроницаемости в полимерной матрице; тонкие пленки из металлов и/или металлического сплава, сформированные методами осаждения на поверхностях полимерных материалов, с химическим модифицированием поверхности полимера или без такового, для формирования несущей стенки или барьера для газопроницаемости. Тонкие пленки из металлов и/или металлического сплава могут быть осаждены на полимерном листе перед формованием сжимаемого объекта или на предварительтно сформованном сжимаемом полимерном объекте. Металлический слой может быть сформирован на внутренней или наружной поверхности сжимаемых объектов или введен внутрь полимерной стенки или полимерного многослойного материала, состоящего из одного и того же или различных полимеров.
Поверхностные обработки могут быть выбраны для изготовления сжимаемых объектов на стадии 610. Поверхностные обработки могут включать физические и/или химические поверхностные обработки для улучшения целостности и адгезии тонких пленок из металлов и/или металлических сплавов к поверхности полимерных объектов или для повышения химической и/или физической совместимости полимерной или металлической наружной стенки сжимаемых объектов с буровой жидкостью.
Будучи выбранными, сжимаемые объекты изготавливаются на стадии 612. Изготовление сжимаемых объектов может включать разнообразные процессы полимеризации, осаждения, поверхностной обработки и прочие производственные процессы, применяемые для формирования структур стенки сжимаемого объекта. Например, изготовление структур стенки может включать способы коаксиального раздувного формования, где полимер представляет собой несущую стенку, способы коаксиального раздувного формования, где полимер представляет собой матрицу для осаждения металла или металлического сплава в качестве несущей стенки; способы дисперсионной полимеризации, где полимер представляет собой матрицу для осаждения металла или металлического сплава в качестве несущей стенки и/или способы межфазной полимеризации, где полимер представляет собой матрицу для осаждения металла или металлического сплава в качестве несущей стенки. Изготовление может включать осаждение сплошного слоя из металла или металлического сплава на поверхности сжимаемого полимерного объекта в жидких средах как при низком, так и при высоком давлении, с использованием электрических и неэлектрических способов плакирования, осаждение сплошного слоя из металла или металлического сплава на поверхности сжимаемого полимерного объекта из газовых сред при высоком давлении с использованием способов химического осаждения из паровой фазы с активацией ультрафиолетовым излучением и/или осаждение сплошного слоя из металла или металлического сплава на поверхности сжимаемого полого объекта в вакууме с использованием способов физического и/или химического осаждения. Способы вакуумного
- 14 016839 осаждения могут включать или могут не включать понижение внутреннего давления внутри сжимаемого объекта перед осаждением. Это может быть выполнено, например, сначала снижением внутреннего давления в сжимаемом полом объекте путем охлаждения находящегося под давлением сжимаемого полого объекта предпочтительно до температуры, ниже которой газ внутри сжимаемого полого объекта может сжижаться. Процессы изготовления могут включать литье или формование плоского металлизированного полимерного листа или пленки с образованием деталей сжимаемых объектов и соединение компонентов с использованием механических, химических и/или термических способов, формование плоского полимерного листа или пленки с образованием деталей сжимаемого объекта перед металлизацией, и соединение компонентов с использованием механических, химических и/или термических способов, осаждение металла или металлического сплава на полимерном листе с химической и/или физической предварительной обработкой или без таковой, для улучшения адгезии и целостности, и последующее удаление полимерной матрицы из плоского свободного отдельного листа, состоящего из металла или металлического сплава, физическими, химическими и/или термическим способами, приводящее к формированию тонкого металлического листа, пригодного для механического формования в компоненты сжимаемых объектов, и последующее соединение компонентов механическими, термическими и/или химическими способами, осаждение металла или металлического сплава на полимерном листе, предварительно сформованном в матрицу для отдельных компонентов из металла или металлического сплава для сжимаемого объекта, и последующее удаление полимерной матрицы из металлического компонента химическими, механическими и/или термическими способами, и последующее соединение компонентов механическими, термическими и/или химическими способами.
На стадии 614 сжимаемые объекты могут быть проверены или испытаны. Проверка и испытание могут включать тесты на циклическое сжатие для проверки внутреннего давления и для количественной оценки усталостной долговечности сжимаемых объектов с микроструктурным анализом или без такового несущей стенки и соединений, при наличии таковых. Затем сжимаемые объекты могут быть отправлены на хранение на стадии 616. Хранение сжимаемых объектов может включать помещение сжимаемых объектов в бункер-хранилище. Сжимаемые объекты могут храниться при температуре окружающей среды или при давлении, равном или более высоком, чем внутреннее давление в сжимаемых объектах, для облегчения упаковывания сжимаемых объектов в бункер-хранилище. Альтернативно, сжимаемые объекты могут храниться в охлажденной среде для снижения внутреннего давления внутри сжимаемых объектов. Холодные сжимаемые объекты затем могут храниться в бункере при давлении окружающей среды или при повышенном давлении для облегчения упаковывания сжимаемых объектов в бункер-хранилище и отгрузки сжимаемых объектов к другим местам, таким как место заложения скважины, для хранения или прочих подобных действий. Процесс завершается стадией 618.
Соответственно этому, основываясь на вышеприведенном описании, выбор и применение этих сжимаемых объектов может включать различные аспекты, которые определяют конструкцию сжимаемых объектов. Например, природа перехода к деформации, контролируемой сжатием газа, зависит от механических свойств оболочки или материала стенки и процесса изменения таких свойств в повторяющихся циклах сжатия. По существу, сжатие полых объектов приводит к различным градиентам плотности бурового раствора выше и ниже глубины, определяемой начальным внутренним давлением в полых объектах. Поскольку применение сжимаемых объектов, имеющих различные значения внутреннего давления, может быть предпочтительным для интенсифицирования или расширения буровых операций, изменение объемной доли и распределения значений внутреннего давления в сжимаемых объектах может обеспечивать желаемый результат в поддержании эффективного веса бурового раствора в диапазоне между градиентом порового давления и градиентом давления гидравлического разрыва пласта.
Применение различных газов также может обусловливать конструкцию сжимаемых объектов. Например, полый объект может быть заполнен смесью сжижаемых и несжижаемых газов. Добавление сжижаемого газа обеспечивает дополнительную степень свободы в точном приспособлении к вариациям плотности бурового раствора по мере изменения глубины. При температуре и давлении на поверхности раздела газ/жидкость способный к конденсации газ сжижается с повышением плотности и соответствующим уменьшением объема. Уменьшение внутреннего объема полого объекта имеет результатом последовательное повышение эффективной плотности бурового раствора с ростом глубины и температуры соответственно условиям фазового превращения. Дополнительное преимущество применения газовой смеси, содержащей сжижаемый газ, состоит в конечном внутреннем объеме, занимаемом сжиженным газом на глубинах, на которых он перешел в жидкое состояние, поскольку сжимаемость сконденсированной жидкости в общем более низкая, чем таковая несжижаемого газа. В результате объем сконденсированной жидкости может быть использован для регулирования верхнего предела деформации, испытываемой стенкой полого объекта. Это может быть использовано для контроля усталостной долговечности гибких объектов по мере их циркуляции между забойной зоной буровой скважины и поверхностью.
Более того, на конструкцию сжимаемых объектов могут влиять эксплуатационные условия. В частности, ограничение изменения объема огромного числа имеющих маленький диаметр сжимаемых объектов, примешанных к буровому раствору, позволяет точно приспособить начальный размер и/или форму сжимаемых объектов для достижения стабильных реологических характеристик сложной буровой жид
- 15 016839 кости внутри вертикальной колонны бурового раствора в буровой скважине. Для создания применимого бурового раствора переменной плотности начальные свойства жидкой фазы для данной объемной доли сжимаемых твердых объектов подбираются для суспендирования как выбуренных обломков горной породы, так и для сжимаемых объектов в межтрубном пространстве буровой скважины во время проведения операций без циркуляции. В дополнение вязкость композитного бурового раствора должна регулироваться для возможности прокачивания внутри скважины с помощью шламовых и буровых насосов внутри приемлемых пределов. Кроме того, применение сжимаемых объектов с различными размерами может еще более усовершенствовать эксплуатационные возможности. Эти и прочие аспекты далее обсуждаются ниже.
Структура сжимаемых объектов.
Для определения структуры сжимаемых объектов на стадии 606 на фиг. 6 может быть использовано цифровое моделирование методом конечных элементов. Цифровое моделирование методом конечных элементов может включать неявные методы и/или явные методы. В этих методах стенки или элементы оболочки могут быть представлены в виде сетчатых структур с размерами и формами, подогнанными для более высокого разрешения в рассматриваемых областях, таких как области высоких напряжений и/или деформаций для конструкции сжимаемого объекта. Цифровая модель в методе конечных элементов может быть применена для имитирования всего трехмерного объекта или участка объекта, имеющего отношение к трехмерному объекту в силу симметрии. Далее архитектура сжимаемых объектов может обусловливаться разнообразными критериями, такими как материалы и применение сжимаемых объектов, которые обсуждаются в этом и прочих разделах заявки.
В отношении применения сжимаемых объектов следует отметить, что структура сжимаемых объектов может облегчать периодическое удаление сжимаемых объектов из рециркулирующего бурового раствора. Это может упрощать сведение к минимуму потенциально вредных воздействий высокообъемной доли сжимаемых объектов на реологические характеристики бурового раствора и/или облегчать протекание сжимаемых объектов через оборудование, такое как насосы, и отверстия в жидкостных протоках. По существу, сжимаемые объекты могут включать структуры, имеющие эквивалентный диаметр в диапазоне от около 0,1 до 5,0 мм. Эквивалентный диаметр опять же определяется как диаметр сферы с объемом, равным таковому, для полностью расширенного сжимаемого объекта при наружном давлении в 1 атм (0,101 МПа). В дополнение форма сжимаемых объектов может быть подогнана для увеличения плотности упаковки и уменьшения влияния на текучесть жидкости. Например, сферический или эллиптический объект может обеспечивать самую высокую плотность упаковки и наименьшее влияние на течение жидкости внутри скважины по сравнению с объектами с формой подушечки или стержня.
Еще один критерий для структуры объекта представляет толщина стенки. Как отмечено выше, толщина стенки должна быть минимальной, насколько возможно в пределах ограничений, обусловленных структурными нестабильностями и свойствами существующих материалов, чтобы максимизировать предел сжатия сжимаемого объекта. Однако нижний предел толщины стенки определяется минимальной толщиной, способной удерживать желаемое внутреннее давление газа при наружном давлении около 1 атм (0,101 МПа), типично имеющем место на поверхности Земли.
Для определения оптимальной геометрии сжимаемых объектов может быть использовано цифровое моделирование методом конечных элементов. Цифровое моделирование методом конечных элементов хорошо известно квалифицированным специалистам в этой области технологии. Эти методы могут включать моделирование стенок в виде элементов оболочки сжимаемых объектов или в виде сетчатого объекта с переменными размерами и формами сетки. Определенные области, представляющие интерес, такие как области высоких напряжений и/или деформаций для конструкции сжимаемого объекта, могут быть конкретизированы с более высоким разрешением (то есть в виде более мелкой сетки), чтобы получить больше информации об этих областях. Далее модель может быть использована для имитирования всего трехмерного сжимаемого объекта, сегмента сжимаемого объекта или части сжимаемого объекта, которая может иметь отношение к трехмерной структуре сжимаемого объекта в силу симметрии.
В качестве примера один предпочтительный метод анализа и оптимизации комбинаций геометрии сжимаемого объекта, характеристик материала сжимаемого объекта, свойств внутреннего газа, внутреннего давления и реакции сжимаемого объекта на изменения наружной температуры и/или давления предназначен для создания модели по методу конечных элементов либо всего сжимаемого объекта в целом, либо части сжимаемого объекта (то есть полусферы, в силу симметрии). С помощью компьютерной программы, такой как АВАриК™. или любого другого пригодного пакета программ для анализа по методу конечных элементов для сжимаемых объектов может быть сформирована цифровая модель метода конечных элементов. В этой модели явный метод может быть использован для прослеживания контактирования между внутренними поверхностями сжимаемых объектов во время сжатия. Чтобы свести к минимуму колебания функции во время модификации наружного давления, наружное давление может быть первоначально выставлено на значение, равное внутреннему давлению. Затем наружное давление может медленно понижаться до давления окружающей среды, которое может быть выполнено за период времени (например, 0,5 с), достаточный, по существу, для устранения динамических артефактов в моделировании. В зависимости от характеристик течения материала стенки и любых проявлений выпячивания,
- 16 016839 амплитуда и скорость нагружения наружным давлением и сброса давления могут быть скорректированы для сведения колебаний к минимуму. После формирования цифровой модели по методу конечных элементов может быть проведен другой анализ. Например, сжимаемый объект может быть подвергнут испытанию циклическим нагружением давлением. Затем может быть применен анализ данных, полученных из испытания циклическим нагружением давлением, чтобы понять влияние геометрии сжимаемого объекта, размеров сжимаемого объекта и/или характеристик материала. В дополнение, если цифровая модель построена с использованием элементов оболочки, должны быть исключены внезапные изменения геометрии сетки для сокращения потенциальных отклонений в расчетах местных напряжений.
В качестве конкретного примера обсуждается цифровая модель метода конечных элементов на фиг. 3А-3С. В этих вариантах исполнения сжимаемый объект имеет форму сплющенного эллипсоида. Начальное соотношение геометрических размеров может варьировать в диапазоне от 1 до 10, с более предпочтительным соотношением геометрических размеров в диапазоне от 2 до 5. Применение полого сжимаемого объекта в виде сплющенного эллипсоида с внутренним давлением при начальном соотношении геометрических размеров, большим чем 1, имеет то преимущество, что при наружном поверхностном давлении, равным давлению окружающей среды, объект в виде эллипсоида раздувается и достигает соотношения геометрических размеров около 1, в зависимости от внутреннего давления и характеристик материала, как показано на фиг. 3В. Если объект в форме эллипсоида имеет начальное соотношение геометрических размеров 4:1, стенку из ΝίΤί-сплава с однородной толщиной 10 мкм и внутреннее давление 1500 фунтов на кв.дюйм (10,335 МПа), соотношение геометрических размеров в расширенном состоянии составляет около 1,22:1. По мере нарастания наружного давления объект в виде эллипсоида имеет тенденцию к возвращению к начальному состоянию 300. В начальном состоянии 300 соотношение геометрических размеров объекта в виде эллипсоида таково, как для исходной конструкции с малой упругой деформацией, как показано на фиг. 3А и 4. Затем по мере продолжения нарастания давления объект в виде эллипсоида сжимается дальше до сжатого состояния 312, как показано на фиг. 3С.
Материал стенки для сжимаемых объектов.
В дополнение к структуре на основании обсужденных выше критериев для стенки сжимаемых объектов могут быть использованы разнообразные материалы, как отмечено на стадии 608 на фиг. 6. В частности, материалы оболочки или стенки могут быть подразделены на два класса имеющихся в продаже материалов, которые представляют собой металлические материалы и полимерные материалы. Металлические материалы могут включать металлы, металлические сплавы и сплавы с псевдоупругими характеристиками (например, деформации, связанные с обратимым напряжением, вызванным структурными изменениями в результате фазового превращения). Далее суперпластическое поведение ультратонких (например, <500 А (0,05 мкм)) пленок из металла или металлического сплава также может быть использовано для получения широкого многообразия металлов и металлических сплавов (например, алюминий (А1), медь (Си), никель-титан (ΝίΤί) и т.д.), пригодных для употребления в качестве тонкого непроницаемого барьера в сочетании с неметаллической стенкой, несущей нагрузку, который соответствует механическим свойствам несущей нагрузку стенки. Более конкретно, металлические материалы могут включать, но не ограничиваются таковыми, бинарный или близкий к бинарному ΝίΤί-сплав, трехкомпонентные сплавы ΝίΤί с легирующими добавками железа и хрома, сплавы 60% магния и 40% меди (Мд-40Си), сплавы β-Τί-9.8Μο-4ΝΒ-2ν-3Α1), металлические стекла и аморфные металлы (например, сплавы на основе циркония (Ζγ), железа (Ре) и/или магния (Мд)) и т.п. Полимерные материалы могут включать полимеры и смеси полимеров с армирующими материалами или без таковых (например, микроволокно и нановолокно, нанотрубки, расслаивающиеся неорганические наполнители с надлежащей ориентацией внутри полимерной стенки и т.д.). Примеры полимеров с подходящими свойствами включают, но не ограничиваются таковыми, имеющийся в продаже полиимид, такой как ИЬйех-К. и ИЬ11ех-8.
Поскольку каждый из этих материалов имеет специфические свойства, такие как предел прочности на разрыв и обратимое удлинение, материал, используемый для стенок сжимаемых объектов, представляет собой фактор, определяющий толщину стенки. Определение может быть основано на цифровой модели метода конечных элементов, как отмечено выше, для оценки различных значений толщины оболочки или стенки из различных материалов. Например, если материал несущей нагрузку стенки представляет собой металл или металлический сплав, должны выбираться только металлы и металлические сплавы с достаточно высокими упругими или псевдоупругими характеристиками, поскольку деформации, связанные с обратимым напряжением, которое обусловливается структурным изменением вследствие фазового превращения, должны быть обратимыми для повторного использования сжимаемых объектов. Как отмечено выше, даже выбор этих материалов должен проводиться в сочетании с тщательным проектированием геометрии наружной стенки сжимаемого объекта для предотвращения локализации напряжений во время сжатия и повторного расширения. В частности, геометрия и материал могут быть использованы для оптимизации толщины стенки относительно размера частиц, вариации толщины несущей стенки и/или механических свойств с локализацией на поверхности сжимаемых объектов и/или вариации соотношения геометрических размеров и большого диаметра полых сжимаемых объектов в виде сплющенного сфероида и т.д. Соответственно этому эти разнообразные факторы рассматриваются при выборе материала для сжимаемых объектов.
- 17 016839
В качестве примера вариации толщины стенки материал стенки может быть использован как фактор влияния для соотношений геометрических размеров сжимаемого объекта, такого как эллиптический объект, обсуждаемый выше на фиг. 3А-3С. На фиг. 7 расчеты по методу конечных элементов дают разнообразные формы, которые имеют различные соотношения геометрических размеров внутри пределов, определяемых свойствами существующих материалов. Расчеты по методу конечных элементов могут представлять сжимаемые объекты, имеющие соотношение геометрических размеров между 2 и 5, с отношением эквивалентного диаметра к толщине стенки между 20 и 200 или более предпочтительно между 50 и 100. Как показано на фиг. 7, график 700 эффекта толщины стенки показан для максимальной деформации 702 сжимаемых объектов в зависимости от отношения 704 эквивалентного диаметра к толщине стенки для разнообразных форм, которые показаны кривыми 706-711, выведенными в результате цифрового моделирования методом конечных элементов. Для сжимаемых объектов сферической формы кривая 706 соответствует коэффициенту сжатия 3,5, кривая 707 отвечает коэффициенту сжатия 3 и кривая 708 соответствует коэффициенту сжатия 2. Для сжимаемых объектов с эллиптической формой кривая 709 соответствует коэффициенту сжатия между 3,5 и 2, кривая 710 отвечает коэффициенту сжатия между 3 и 2, и кривая 711 соответствует коэффициенту сжатия 2. Из графика 700 ясно, что сжимаемые объекты, имеющие соотношение геометрических размеров, большее чем единица, с более тонкой стенкой (то есть более высокое отношение эквивалентного диаметра к толщине стенки), являются предпочтительными, так как они обеспечивают более высокие коэффициенты сжатия с соответственно более низкой максимальной деформацией. Кроме того, может быть предпочтительным поддержание максимальной деформации ниже заданного значения, около 0,06, как определено максимальной допустимой деформацией, для достижения надлежащей усталостной долговечности несущей стенки. Типично желательна минимальная усталостная долговечность на уровне по меньшей мере от 2000 до 3000 циклов. Исходя из этих ограничений, объект в виде эллипсоида с соотношением геометрических размеров 2 или более и отношением эквивалентного диаметра к толщине стенки, большим чем 65, дает сжимаемый объект, который находится ниже заданного значения, как показано кривой 711.
В дополнение к одиночному материалу стенки сжимаемых объектов могут включать два или более слоев. Например, оболочка из покрытого композита может включать несущий нагрузку слой или несущую стенку и стенку, представляющую собой газонепроницаемый барьер. Стенка, несущая нагрузку, может быть относительно толстой стенкой, имеющей толщину в диапазоне от 1 до 50 мкм, и газобарьерная стенка может быть тонкой стенкой, имеющей толщину в диапазоне значений, меньших чем или равных 5 мкм. Например, полимерная стенка, несущая нагрузку, которая может быть пустотелой внутри или быть осажденной на полимерной вспененной матрице, может быть использована для создания структуры сжимаемого объекта. Г азобарьерная стенка, которая может быть внутренней или наружной относительно несущей нагрузку стенки, может представлять собой непроницаемый барьерный слой из металла или металлического сплава, который удерживает внутреннее давление и имеет толщину менее 500 А (0,05 мкм). Альтернативно, сжимаемые объекты могут иметь тонкую (то есть <5 мкм) стенку оболочки, которая либо полая внутри, либо осаждена на вспененном полимерном материале, с относительно толстой (то есть 1 мкм) < толщина стенки < 50 мкм, несущей нагрузку, и барьерной стенкой из слоя металла или металлического сплава, которая обеспечивает несущую опору и газонепроницаемый барьер.
Выбор поверхностных обработок для сжимаемых объектов.
Как указано на стадии 610 на фиг. 6, для сжимаемых объектов могут быть использованы различные поверхностные обработки. Поверхностные обработки могут быть применены для улучшения целостности и адгезии полимерных слоев или пленок из металла и/или металлического сплава на поверхности сжимаемых объектов, таких как полимерные объекты. Соответственно этому поверхностные обработки могут быть применены для улучшения конкретных характеристик, таких как совместимость с базовой жидкостью и проницаемость слоев оболочки для поддержания внутреннего давления, что обсуждается ниже.
Для сжимаемых объектов с внутренним давлением, имеющих несущую нагрузку стенку из полимера и/или эластомера с армированием или без такового, поверхностная обработка может быть использована для повышения целостности металлической и/или неметаллической пленки, осажденной на поверхности полимера, для уменьшения газопроницаемости стенки, несущей нагрузку. В общем, эластомеры, кристаллические полимеры и/или полимерные смеси имеют параметры газопроницаемости, слишком высокие для того, чтобы быть применимыми для изготовления сжимаемых объектов. Соответственно этому в дополнение к введению расслаивающихся неорганических наполнителей в полимерную стенку может быть применено осаждение сплошного, тонкого (то есть <500 А (0,05 мкм)) покрытия с низкой газопроницаемостью либо на поверхности стенки, либо внедренного в многослойную структуру стенки. Например, покрытие может представлять собой тонкий газонепроницаемый барьер из металла, металлического сплава или неорганического материала, который наносится с помощью разнообразных физических и/или химических способов обработки на внешнюю область поверхности стенки сжимаемого объекта. В частности, осажденное покрытие может иметь толщину менее чем 500 А (0,05 мкм) и включать алюминий (А1), нитинол (ΝίΤί) или любой другой подходящий материал. Поверхностные обработки для
- 18 016839 повышения однородности и/или целостности этих слоев, уменьшающих проницаемость, могут включать следующее:
1) анионную функционализацию поверхности, например сульфирование, карбоксилирование, то есть формирование кислотных фрагментов, а также прочие методологии и химические подходы анионной функционализации, применяемые квалифицированными специалистами в этой области технологии;
2) химические способы катионной функционализации путем кватернизации, например формирование фрагментов сульфониевых солей, фосфониевых солей, аммониевых солей, применяемые квалифицированными специалистами в этой области технологии;
3) введение цвиттерионных, ионных функциональных групп и амфотерных функциональных групп, практикуемое квалифицированными специалистами в этой области технологии;
4) введение функциональных фрагментов малеиновой кислоты реакцией с малеиновым ангидридом и связанные с таковой реакции, известные квалифицированным специалистам в этой области технологии;
5) контролируемое окисление, например пероксидами, высокотемпературным плазменным травлением в атмосфере кислорода, озоном и т.п.;
6) способы химического осаждения из паровой фазы и связанные с этим химические подходы;
7) способы обработки коронным разрядом для функционализации поверхности, используемые квалифицированными специалистами в этой области технологии.
Широкое многообразие способов имеется в распоряжении для осаждения металлических и/или неорганических барьерных покрытий. Один из факторов, который может оказывать влияние на выбор способа осаждения, представляет собой внутреннее давление в сжимаемом объекте. Например, если внутри сжимаемых объектов имеет место малое начальное давление газа или же таковое отсутствует, то малопроницаемое покрытие из металла, металлического сплава или неорганического материала может быть нанесено разнообразными способами физического и химического осаждения при низком давлении для однородного покрытия сжимаемых объектов с непланарной геометрией. Если внутреннее давление в сжимаемых объектах и проницаемость стенки таковы, что среда с низким давлением (то есть типично <1х 10-3 мм рт.ст. (133,32х 10-3 Па)), требуемая для способов физического и химического осаждения при низком давлении, не может быть обеспечена, могут быть применены способы осаждения, совместимые с внутренним давлением газа и относительно высокой газопроницаемостью стенки. В этом примере сжимаемые объекты могут содержаться в газовой или в жидкой среде под высоким давлением для предотвращения потери внутреннего давления через стенку сжимаемого объекта во время хранения и нанесения покрытия. Для жидкой среды под высоким давлением нанесение покрытия на поверхность стенки может быть выполнено, например, с помощью электрического или неэлектрического плакирования с использованием способов, известных квалифицированным специалистам в этой области технологии. Для газовой среды под высоким давлением нанесение покрытия на поверхность стенки может быть выполнено, например, путем осаждения способом химического осаждения из паровой фазы или способом химического осаждения из паровой фазы с активацией ультрафиолетовым излучением.
Альтернативно, внутреннее давление газа внутри сжимаемых объектов может быть понижено до уровня, который позволяет применять ряд промышленных способов физического и химического осаждения при низком давлении, доступных для объекта без давления или полимерного листа. В этом примере газ, который может быть сконденсирован путем понижения температуры сжимаемого объекта, может быть использован для создания внутреннего давления в сжимаемом объекте. Например, если газ, содержащийся внутри сжимаемого объекта, представляет собой кислород (О) при давлении 10 мПа, последующее охлаждение сжимаемых объектов до температуры жидкого азота (ЕИ2) при атмосферном давлении может снизить внутреннее давление до уровня, меньшего чем или равного 1х10-3 мм рт.ст. (133,32х10-3 Па).
Подобные соображения для пустотелой полимерной стенки, несущей нагрузку, могут быть распространены на сжимаемые объекты с внутренним давлением, имеющие несущую нагрузку стенку из полимера и/или эластомерного вспененного материала и газобарьерную стенку из металлического и/или неметаллического непроницаемого барьерного материала, или на полимерную и/или эластомерную ультратонкую полую оболочку или полимерный и/или эластомерный вспененный материал, используемый в качестве матрицы для осаждения несущей нагрузку стенки из металла и/или металлического сплава, как отмечено выше. В последнем примере ультратонкая полимерная оболочка или полимерный вспененный материал могут быть применены в качестве матрицы для осаждения относительно толстой несущей нагрузку стенки из металла и/или металлического сплава. Несущая нагрузку стенка из металла и/или металлического сплава в этом примере может иметь толщину от около 5 до 50 мкм. Ультратонкая полимерная оболочка или полимерный вспененный материал могут включать любой полимер и/или эластомер с армированием или без такового и поверхностные обработки для улучшения однородности и целостности несущей нагрузку стенки из металла и/или металлического сплава. В этом примере требуется только такая толщина ультратонкой полимерной оболочки и/или механическая прочность вспененного материала, чтобы быть достаточными для поддержания желаемой формы частицы во время процесса
- 19 016839 осаждения.
Изготовление сжимаемых объектов.
Как обсуждается на стадии 612 на фиг. 6, как только будут выбраны структура и материалы стенки для сжимаемых объектов, разнообразные способы изготовления могут быть применены для создания сжимаемых объектов. Эти способы изготовления могут включать многообразные процессы, такие как формирование контура, осаждение, термомеханическая обработка и прочие подобные процессы производства. Процессы формирования контура, в которых материалу придается другая форма, такая как сжимаемые объекты, могут включать химическое травление, механическое травление и тому подобные. При осуществлении процессов травления из базового материала удаляется материал. Процессы осаждения, в которых материал наносится в виде покрытия или переносится на другой материал, могут включать физическое осаждение из паровой фазы, химическое осаждение из паровой фазы, электрохимическое и/или неэлектрическое осаждение, металлизацию, напыление, испарение, эпитаксию молекулярным пучком и тому подобные. Термомеханические процессы, которые представляют собой процессы, в которых формируется или изменяется форма и микроструктура материала, могут включать холодную прокатку, горячую прокатку, штампование, вытяжку, обрезку, закалку, термическую обработку на твердый раствор и т.п.
Для изготовления сжимаемых объектов могут быть использованы разнообразные способы, которые комбинируются для придания желаемых свойств сжимаемых объектов, как описано выше. Путь изготовления сжимаемых объектов может определяться на основании конкретных желательных свойств сжимаемых объектов. Например, низкая газопроницаемость, гибкость объекта, механическая целостность, низкая стоимость, относительная простота производства объекта, коммерческая доступность материалов и/или экологически приемлемые характеристики материалов представляют собой некоторые из свойств, которые могут рассматриваться. Другие свойства могут включать, среди прочих параметров, желательный диапазон размеров сжимаемых объектов, гранулометрические составы и соотношения геометрических размеров, потенциальные подходы в функционализации поверхности для повышения адгезии металла к полимеру, возможность внедрения дополнительного(ных) вспенивателя(лей) для получения пустотелого объекта, содержащего газ под высоким внутренним давлением (например, применение вспенивателя для пустотелых объектов с внутренним давлением, заполнение газом под высоким давлением и тому подобные).
Соответственно этому процессы изготовления могут быть скомпонованы для создания сжимаемых объектов, которые представляют собой газонаполненные полимерные объекты, включающие внутренние структуры, которые являются либо пустотелыми, либо, по меньшей мере, частично заполненными вспененным материалом. Например, фиг. 8Ά-8Β представляют примерные варианты исполнения процессов изготовления, в которых создаются сжимаемые объекты, пустотелые внутри. Подобным образом, фиг. 9, 10 и 11Ά-11Β представляют варианты осуществления процессов изготовления, в которых создаются сжимаемые объекты, заполненные вспененным материалом или основанные на вспененных матрицах.
Ά. Изготовление сжимаемых объектов в виде полых объектов.
Описываемые ниже процессы изготовления относятся к производству сжимаемых объектов, которые формируются как пустотелые объекты, каковые могут быть или могут не быть заполнены газом. Эти процессы изготовления могут быть использованы для формирования сжимаемых объектов, каждый из которых имеет оболочку, заключающую внутреннюю область, каждый из сжимаемых объектов имеет внутреннее давление больше чем около 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении, 500 фунтов на кв.дюйм (3,445 МПа) при атмосферном давлении, 1500 фунтов на кв.дюйм (10,335 МПа) при атмосферном давлении или 2000 фунтов на кв.дюйм (13,780 МПа) при атмосферном давлении, и/или имеет оболочку, которая заключает внутреннюю область и выбирается для заранее заданного наружного давления, в котором наружные давления, которые превышают внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта, оболочку, сконфигурированную так, чтобы испытывать меньшую деформацию, когда наружное давление примерно равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление превышает внутреннее давление, или является меньшим, чем внутреннее давление, или оболочку, которая испытывает меньшую деформацию, когда наружное давление примерно равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление больше или меньше заранее заданного диапазона сжатия сжимаемого объекта, и/или оболочку, которая, по меньшей мере, частично заполнена вспененным материалом. В то время как описывается множество процессов изготовления, фиг. 8Ά-8Β представляют собой примерные варианты исполнения процессов изготовления, в которых создаются сжимаемые объекты, имеющие пустотелые внутренние области.
Фиг. 8Ά-8Β представляют собой примерные варианты исполнения процессов, используемых в блоксхеме на фиг. 6, в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии. На фиг. 8Ά показан примерный вариант осуществления установки для создания сжимаемых объектов в соответствии с настоящей технологией. Β этом варианте 800 исполнения сжимаемые объекты, такие как полые полимерные оболочки или полимерные вспененные структуры, могут быть изготовлены в среде под давлением, образованной камерой 802, находящейся под давлением. Β качестве примера сжимаемые объекты показаны как полые полимерные оболочки 804 с заполненной газом внутренней полостью 806, но могут включать полимерные вспененные структуры и прочие сжимаемые объекты, обсуждаемые ниже.
- 20 016839
В этом примере процесса изготовления сопло 808 устройства для коаксиального раздувного формования на конце центральной трубы 810 расположено в коаксиальной трубе 812 в камере 802, находящейся под давлением. Внутри межтрубного кольцевого канала, образованного между центральной трубой 810 и коаксиальной трубой 812, и внутри центральной трубы 810 сопла независимо создается достаточная разность давлений для формования полимерного материала 814 с образованием пустотелых полимерных оболочек 816, которые заполняются газом 818 из центральной трубы 810. В этом варианте действий газ 818, наполняющий полимерный пузырек 820, формирует и затем отделяет последний от сопла 808 для коаксиального раздувного формования. Камера 802 под давлением может быть наполнена газом, или жидкостью, или комбинацией таковых, и отделение в случае формирования пузырька может быть обусловлено поверхностным натяжением, силой тяжести, плавучестью, потоком жидкости или комбинацией таковых. Как только полимерный пузырек 820 отделяется, он может падать в сшивающую ванну 822 внутри резервуара 824 ванны, которая способствует сшиванию полимерной стенки. Химическая природа сшивающей ванны может определяться конкретным полимером, выбранным для материала стенки, и хорошо известна квалифицированным специалистам в этой области технологии полимерного синтеза. После отверждающей ванны пустотелые полимерные оболочки 804 с заполненной газом внутренней полостью 806 являются сформированными и затем могут быть извлечены путем переноса в запирающую камеру под давлением (не показана), где сшивающая жидкость отделяется от сжимаемых объектов, находящихся под давлением, и сжимаемые объекты передаются в контейнер для хранения.
Далее во время или после полимеризации и/или отделения пустотелых полимерных оболочек 804, давление окружающей среды, действующее на пустотелые полимерные оболочки 804, может быть снижено для расширения пустотелых полимерных оболочек 804 до их конечного размера и формы в расширенном состоянии. Это расширенное состояние может быть заранее заданным на основе толщины стенки, механических свойств материала, архитектуры объекта и внутреннего давления до, во время или после охлаждения стенок. Если полимерная стенка представляет собой несущий нагрузку элемент, расширение диаметра после синтеза может быть использовано для изменения механических свойств полимерной стенки. Например, путем деформационной переориентации полимерных цепей и/или переориентации армирующего материала в полимерной стенке пустотелых полимерных оболочек 804.
В зависимости от используемого материала в процесс изготовления могут быть внесены специальные корректировки. Например, если полимерный материал 814 представляет собой полимерный расплав с армированием или без такового, сопло 808 может быть нагрето для снижения вязкости расплава для обеспечения желаемых характеристик течения полимерного расплава. Также, если полимерный материал 814 представляет собой мономерный полимер или смесь мономеров с армированием или без такового, и с инициатором или без такового, полимеризация стенок полимерного пузырька 820 после отделения от сопла 808 может быть выполнена с помощью разнообразных способов, таких как полимеризация с инициированием ультрафиолетовым излучением, свободнорадикальная полимеризация, термохимическая полимеризация и т. д., которые известны квалифицированным специалистам в этой области технологии полимерного синтеза.
На фиг. 8В показан еще один примерный вариант 830 осуществления установки для создания сжимаемых объектов в соответствии с настоящей технологией. В варианте 830 сжимаемые объекты, такие как пустотелые полимерные оболочки или полимерные вспененные структуры, могут быть изготовлены в среде под давлением, образованной в камере 832, находящейся под давлением. Камера 832 под давлением разделена на нижнюю камеру 838, имеющую патрубок 840 для впуска газа, и верхнюю камеру 842, имеющую патрубок 844 для подвода жидкости, и патрубок 846 для выпуска жидкости. В качестве примера сжимаемые объекты показаны как пустотелые полимерные оболочки 834 с заполненной газом внутренней полостью 836, но могут включать полимерные вспененные структуры и прочие сжимаемые объекты, обсуждаемые выше.
В этом примере процесса изготовления тонкая пленка 848 подходящего полимерного расплава или прекурсора полимера может быть сформирована на пластине 850, перфорированной большим числом отверстий или прорезей 852. Размер и расположение отверстий 852 могут быть скомпонованы для обеспечения непрерывного формирования наполненных газом пузырьков 854, которые имеют пустотелую полимерную оболочку 834 и заполненную газом внутреннюю полость 836, которые отделяются и всплывают от пластины 850 и попадают в жидкость, находящуюся под давлением и наполняющую верхнюю камеру 842, когда пластина 850 испытывает давление снизу при желаемой разности давлений между верхней и нижней камерами 838 и 842. Следует отметить, что может быть применено множество альтернативных геометрических форм отверстий, чтобы формировать пустотелые сжимаемые объекты с внутренним давлением из тонкой пленки прекурсора полимера и/или полимерного расплава. Наполненные газом пузырьки могут выходить из верхней камеры 842 через патрубок для выпуска жидкости 846 и могут быть отделены от жидкости по разнице в плотности и затем транспортированы в контейнер для хранения.
В качестве альтернативного варианта способа создания сжимаемых объектов трубки из металла, металлического сплава и/или полимера могут быть использованы для формирования сжимаемых объектов. В этом процессе изготовления сжимаемые объекты формируются из материала трубки путем разре
- 21 016839 зания материала трубки на отрезки желаемой длины и смыкания концов материала трубки с использованием механических, химических или термических способов. Внутреннее давление в полученных сжимаемых объектах, которые могут быть сформированы в форме подушечки, сферы, сплющенного сфероида, эллипсоида вращения или любой другой желаемой формы, может контролироваться путем смыкания концов отрезков трубки и формирования желаемого контура в среде с регулируемым давлением. Среда под давлением может представлять собой камеру, находящуюся под давлением, которая подобна обсужденной выше камере под давлением. В дополнение сжимаемые объекты могут быть сформированы либо до, либо после металлизации полимерной стенки материала трубки из полимерной и/или эластомерной трубки с армированием или без такового.
В качестве еще одного альтернативного варианта способа создания сжимаемых объектов для формирования сжимаемых объектов могут быть использованы предварительно сформованные листы. В этом способе для изготовления сжимаемых объектов может быть применено механическое, термическое или химическое соединение предварительно сформованных листов. Предварительно сформованные листы могут включать слоистые композитные структуры, которые могут включать два варианта исполнения. Один вариант исполнения может представлять собой относительно толстую полимерную стенку, несущую нагрузку, составленную из относительно тонкого сплошного непроницаемого барьерного слоя из металла, металлического сплава и/или неметаллического материала. В частности, несущая нагрузку полимерная стенка может иметь толщину стенки между около 5 и 50 мкм, в то время как сплошной непроницаемый барьерный слой из металла или металлического сплава может иметь толщину стенки, которая составляет меньше чем около 500 А (0,05 мкм). Второй вариант осуществления представляет собой тонкий полимерный лист в качестве матрицы для осаждения относительно толстого слоя из металла или металлического сплава, который служит в качестве как несущей стенки, так и газонепроницаемого барьера. Например, тонкий полимерный слой может иметь толщину менее чем около 5 мкм, тогда как слой из металла или металлического сплава может иметь толщину стенки между около 5 и 50 мкм. Для других вариантов осуществления может быть использована любая комбинация слоистых или многослойных вариантов исполнения с толщиной полимера и толщиной металла или металлического сплава внутри этих пределов.
Для изготовления этих сжимаемых объектов один или более слоистых предварительно сформованных листов могут быть изготовлены плоскими и затем отформованы в предварительно сформованный компонент объекта с использованием любого из множества способов формования полимерного листа и/или пленки, известных квалифицированным специалистам в этой области технологии. Примеры включают металлизированный полимерный лист для упаковки пищевых продуктов, металлизированный лист из майлара для воздушных шариков, декоративные металлические покрытия на полимерных пленках и металлизированную полиимидную пленку для аэрокосмических тепловых экранов. Если предварительно сформованные компоненты объекта должны быть соединены с образованием сжимаемых объектов, соединение предварительно сформованных компонентов может быть выполнено множеством способов, известных квалифицированным специалистам в этой области технологии соединения полимерной пленки. Примеры включают, но не ограничиваются таковыми, термическое соединение, адгезионное соединение, механическое соединение и тому подобные.
В этом варианте способа изготовления слой из металла или металлического сплава может быть сформирован внутри или снаружи сжимаемого объекта с использованием того же ряда физических и/или химических способов, описанных выше и известных в области осаждения покрытий из металлов, металлических сплавов и/или неметаллических материалов. Например, слой из металла или металлического сплава может быть нанесен на наружную и/или внутреннюю поверхность путем, подобным способам, описанным для осаждения на коаксиальные выдутые пузырьки или пузырьки, сформированные с помощью вышеупомянутой дисперсионной полимеризации. Покрытая полимерная стенка затем может быть отформована термомеханическим способом в заготовку, имеющую слой из металла или металлического сплава на внутренней поверхности, наружной поверхности или на обеих таковых. В этом варианте осуществления армирование, поверхностная обработка для улучшения целостности и адгезии и переориентация армирующего материала и/или полимерных цепей с помощью механических напряжений также могут быть применены для изготовления плоских предварительно сформованных листов и могут быть выполнены путем, подобным коаксиальному раздувному формованию или дисперсионной полимеризации.
В качестве дополнительной технологии изготовления также может быть использован способ получения композитного листа, обрисованный выше, для получения отдельного относительно толстого листа из металла и металлического сплава, пригодного для механического формования с образованием компонентов сжимаемых или сминаемых объектов или частиц. Этот подход к изготовлению отдельного листа из металла или металлического сплава в особенности пригоден, когда тонкий металлический лист затруднительно изготовить общеупотребительными термомеханическими способами, применяемыми в производстве металлического листа. В частности, лист из металла и металлического сплава может иметь толщину между около 5 и 50 мкм. Для формирования отдельного металлического листа полимерная матрица может быть удалена с тонкого металлического листа после осаждения металла или металлического
- 22 016839 сплава, до или после любой дополнительной термомеханической обработки, необходимой для уплотнения осажденного тонкого листа. Удаление полимерной матрицы может быть выполнено множеством механических, химических и/или термических способов, известных обыкновенным специалистам в этой области технологии. Альтернативно, лист полимерной матрицы может быть предварительно сформован в компоненты сжимаемых объектов перед осаждением тонкой пленки из металла или металлического сплава с образованием отдельной заготовки из металла или металлического сплава.
В качестве еще одного варианта способа изготовления пустотелые сжимаемые объекты могут быть сформированы с помощью физического и/или химического осаждения из паровой фазы (как описано выше) химических компонентов термореактивного полимера на пустотелую матрицу из способного к термической деполимеризации полимера или полимерного вспененного материала. Вслед за осаждением компоненты термореактивного полимера могут быть вовлечены в частичное взаимодействие между собой путем повышения температуры с образованием самоподдерживающего слоя заготовки из термореактивного полимера на поверхности пустотелой оболочки или вспененной матрицы из способного к деполимеризации полимера. После формирования самоподдерживающего слоя заготовки из термореактивного полимера температура может быть еще больше повышена для деполимеризации пустотелой и/или вспененной матрицы, и продукты деполимеризации удаляются из полученного пустотелого самонесущего объекта путем диффузии через стенку заготовки из термореактивного полимера. Наконец, частично отвержденные самонесущие пустотелые заготовки объектов из термореактивного полимера могут быть помещены в автоклав под высоким давлением, и давление внутри пустотелых объектов путем диффузии через предварительно сформированную стенку из термореактивного полимера приходит в равновесие с высоким давлением газа, созданным внутри автоклава. Затем температура в газовой среде под высоким давлением может быть повышена еще больше для полного отверждения термореактивного полимера, чтобы уменьшить газопроницаемость стенки и достигнуть оптимальных механических характеристик материала стенки. Как выше, металлизация наружной поверхности полностью отвержденной и находящейся под давлением пустотелой оболочки из термореактивного полимера может быть выполнена способами, описанными выше для пустотелых полимерных оболочек под давлением, полученных коаксиальным раздувным формованием.
Далее в качестве еще одного варианта осуществления сжимаемые объекты могут быть кондиционированы механическим путем во время изготовления для упрочнения несущей стенки сжимаемых объектов с помощью переориентации микроволоконного и/или нановолоконного армирования и/или полимерных цепей, содержащихся в материале стенки, с помощью механических напряжений. Это механическое кондиционирование может включать, но не ограничиваться таковым, расширение сжимаемого объекта до его конечных размера и формы.
В. Изготовление сжимаемых объектов с использованием вспененной матрицы.
В дополнение к производству пустотелых объектов в процессах изготовления может быть применена матрица из вспененного материала для создания специфической формы при производстве сжимаемых объектов. В этих процессах изготовления могут быть сформированы сжимаемые объекты, имеющие оболочку, которая заключает внутреннюю область и внутреннее давление больше чем около 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении, 500 фунтов на кв.дюйм (3,445 МПа) при атмосферном давлении, 1500 фунтов на кв.дюйм (10,335 МПа) при атмосферном давлении или 2000 фунтов на кв. дюйм (13,780 МПа) при атмосферном давлении и выбирается для заранее заданного наружного давления, в котором наружные давления, которые превышают внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта, оболочку, по меньшей мере, частично заполненную вспененным материалом и/или оболочку, способную испытывать или подвергаться меньшей деформации, когда наружное давление примерно равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление превышает внутреннее давление, или является меньшим, чем внутреннее давление, или в которой оболочка испытывает меньшую деформацию, когда наружное давление примерно равно внутреннему давлению, чем когда наружное давление больше или меньше заранее заданного диапазона сжатия сжимаемого объекта. Матрица из вспененного материала может включать гомополимеры, полимерные смеси, сополимеры, взаимопроникающие сетчатые структуры, блок-сополимеры, термореактивные полимеры, термопластические полимеры, аморфные полимеры, кристаллические полимеры, химически сшитые сополимеры, термопластические эластомеры, каучуки, жидкокристаллические полимеры и т. п. Матрица из вспененного материала может быть сформирована с различными заданными формами, такими, но не ограничивающимися таковыми, как сфера, стержень, тонкая пластинка, сплющенные или продолговатые сфероиды, эллипсоиды вращения и/или любые комбинации этих геометрических форм. Далее вспененные матрицы, используемые в производстве сжимаемых объектов, таких как стержни, тонкие пластинки и тому подобные, могут быть структурированы так, что содержат внутри широкое многообразие пористой структуры (например, закрытые и/или открытые поры), толщин стенок пор и плотности пор. Эти разнообразные конструкции могут быть полезными для получения пустотелых объектов, охватывающих обширный диапазон механических характеристик.
Вспененные заготовки могут быть получены способами литьевого формования, разрезания и нанесения покрытий, которые могут быть подобными методам, имеющим отношение к применению вспе
- 23 016839 ненных материалов для изготовления изоляции и/или упаковки. Способы разрезания могут включать разрезание пенопластовых блоков на фрагменты с разнообразными формами и размерами. Способы литьевого формования, которые могут включать экструзию, раздувное формование, формование под давлением и тому подобные, могут включать формование вспененного материала с желаемой замысловатой формой, которое может сокращать или устранять трудоемкое разрезание и количество отходов, возникающих при этой технологии. В дополнение методами литьевого формования могут быть произведены вспененные материалы, имеющие многочисленные зоны жесткости и содержащие армирующие наполнители. Описанные ранее методы нанесения покрытий также могут быть применены для покрытия вспененной заготовки, каковые методы могут включать электроплакирование, неэлектрическое плакирование, физическое осаждение из паровой фазы, химическое осаждение из паровой фазы, химическое осаждение из паровой фазы с активацией ультрафиолетовым излучением и т.п., и могут быть использованы для формирования относительно тонкого слоя из металла или металлического сплава на вспененной матрице. Нанесение слоя покрытия из металла или металлического сплава в этом варианте осуществления употребляется для повышения непроницаемости сжимаемых объектов, которые могут включать газ (или смесь газов) под давлением. Альтернативно, полимерная матрица может быть применена для осаждения относительно толстой несущей нагрузку стенки из металла и/или металлического сплава с использованием полученного литьевым формованием или механически оформленного полимерного вспененного материала с внутренним давлением или без давления. Металлическая несущая нагрузку стенка может иметь толщину стенки от около 5 до 50 мкм и внутреннее давление выше около 200 фунтов на кв.дюйм (1,378 МПа) при атмосферном давлении или больше, в зависимости от желаемого варианта применения.
В качестве первого варианта осуществления для формирования вспененной матрицы для сжимаемых объектов могут быть использованы вспениватели. Типично применение физических вспенивателей приводит к вспененной матрице с закрытыми ячейками, которая может быть сформирована из разнообразных материалов. Например, полиуретан, полистирол (Ρ8) и поливинилхлорид представляют собой материалы, употребляемые в производстве полимерных вспененных материалов. Типично вспененные полиуретаны получаются в результате на месте образования диоксида углерода (СО2), тогда как вспененные полистрол и поливинилхлорид получаются с использованием физических вспенивателей типа азота (Ν2) и СО2. Применение физических вспенивателей сокращает количество любых загрязняющих растворителей, способных препятствовать протеканию процесса. Применение СО2 и Ν2 имеет ряд преимуществ, таких как химическая инертность, негорючесть, природное происхождение, низкая стоимость, легкодоступность, экологическая приемлемость (нет вредного воздействия на озоновый слой) и низкая токсичность для человека.
Каждый из способов получения полимерных вспененных материалов, в котором применяются физические вспениватели, основывается на сходных принципах. Эти принципы представляют собой насыщение полимера газообразным пенетрантом (вспенивателем) при высоком давлении, гашение газополимерной смеси в пересыщенном состоянии либо сбросом давления, либо повышением температуры, и зародышеобразование и рост газовых ячеек, рассеянных в объеме полимерной матрицы. При гашении газополимерной смеси растворимость газа в полимерной матрице снижается, что ведет к агрегированию молекул газа в форме зародышей. По мере диффузии газа в образующиеся ячейки свободная энергия полимерной матрицы снижается. Процесс зародышеобразования и формирования ячеек обусловливает морфологию ячеек в полимерном материале и свойства полимерного материала. Кроме того, процесс может происходить однородно во всем объеме материала или гетерогенно в областях с высокой энергией, таких как поверхности раздела фаз. В областях с высокой энергией свободная энергия для нуклеации стабильных пустот является более низкой по сравнению с гомогенной нуклеацией. В результате преимущественное зародышеобразование пустот происходит на поверхности раздела фаз.
В полукристаллических полимерах кристаллические домены могут служить точками гетерогенного зародышеобразования для формирования газовых пузырьков. В общем, рост ячеек контролируется временем, за которое газ должен диффундировать в ячейки перед гашением, температурой процесса изготовления, степенью пересыщения, скоростью диффузии газа в ячейки, гидростатическим давлением или нагрузкой, приложенными к полимерной матрице, энергией межфазного раздела и вязко-упругими свойствами газополимерной смеси. Жесткость полимерной матрицы типично контролируется температурой пенообразования. Следует отметить, что сокращение среднего размера ячеек в общем повышает жесткость. Работа, необходимая для расширения газовой ячейки, должна преодолевать дополнительное напряжение, обусловленное повышенной жесткостью. Путем повышения давления насыщения барьер свободной энергии для формирования стабильных зародышей снижается, и дополнительные точки нуклеации возникают благодаря разбуханию матрицы, изменениям свободного объема и/или образованию кристаллических поверхностей раздела фаз. Это имеет результатом увеличение плотности ячеек и, следовательно, уменьшение среднего диаметра ячеек. Полукристаллические полимеры проявляют существенно более высокие плотности ячеек, чем аморфные полимеры, что обусловливается вкладом гетерогенной нуклеации на поверхностях раздела фаз между аморфными и кристаллическими зонами. Поскольку газ не растворяется в кристаллитах, зародышеобразование является неоднородным, что затрудняет контроль
- 24 016839 ячеистой структуры вспененных полукристаллических полимеров. В результате полимеры с низкой кристалличностью дают пены почти с однородной структурой. По мере увеличения кристалличности полимера наблюдаются менее желательные неоднородные пены с нерегулярными размерами ячеек.
Поскольку способ вспенивания с использованием физических вспенивателей являются универсальным, эта технология может быть использована для изготовления вспененных полимерных матриц с закрытыми ячейками для сжимаемых объектов. Например, аморфные, а также полукристаллические полимеры могут быть обработаны в пределах диапазона температур, близких к температуре стеклования (Тд), вплоть до температур, почти достигающих температуры плавления материала. В качестве примера производственный процесс для получения вспененных матриц и нанесения покрытий на вспененные матрицы обсуждается ниже на фиг. 9.
Фиг. 9 представляет собой примерную блок-схему изготовления сжимаемых объектов на фиг. 6, в котором применяется вспененная матрица в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии. Эта блок-схема 900 может быть лучше понята с одновременным рассмотрением фиг. 1 и 6. В блоксхеме 900 описывается способ изготовления сжимаемых объектов, имеющих вспененную внутреннюю область.
Блок-схема начинается стадией 902. На стадии 904 может быть получен вспененный материал. Вспененный материал может быть сформирован разнообразными способами, которые обсуждаются выше. Вспененный материал может включать полимерные материалы, такие как эластомеры со степенью сшивания от умеренной до высокой, с армированием и без такового, таким как волокна от макромасштаба до промежуточного и наномасштаба, нанотрубки, расслаивающиеся неорганические наполнители (например, глины) и полимерные смеси с армированием и без такового, таким как волокна от макромасштаба до промежуточного и наномасштаба, нанотрубки, расслаивающиеся неорганические наполнители (например, глины) и тому подобные. На стадии 906 вспененный материал может быть сформован во вспененные матрицы. Вспененные матрицы могут включать разнообразные формы, такие как кубики, прямоугольники, стержни, квадраты и прочие регулярные или нерегулярные формы, которые обсуждаются выше. Для формирования вспененных матриц вспененный материал или полимерный материал может быть сформован в виде фрагментов с различными геометрическими очертаниями и размерами путем разрезания или другими подходящими способами. Затем на стадии 908, оформленные вспененные матрицы могут быть покрыты материалом. Материал может включать тонкое металлическое или неметаллическое покрытие для сокращения газопроницаемости, которое наносится любым пригодным способом осаждения, как обсуждается выше. Покрытия могут включать широкое многообразие составов, включая чистые металлы, металлические сплавы и/или слои из различных металлов или металлических сплавов по отдельности либо в комбинации с неметаллическими слоями, среди прочих. На стадии 910 покрытые вспененные матрицы могут быть далее подвергнуты поверхностным обработкам для усиления адгезии с поверхностью полимерной вспененной матрицы и способствования целостности этих покрытий. Эти поверхностные обработки могут быть подобными поверхностным обработкам, обсуждаемым выше. Процесс завершается стадией 912.
Покрытие этих по-разному сформованных вспененных матриц показано на фиг. 10. На фиг. 10 показаны разнообразные вспененные матрицы, такие как объект в виде подушечки 1002, эллиптический объект 1003 и сферический объект 1004. Эти объекты 1002-1004 из вспененной матрицы сформированы с различными формами на стадии 906. Затем объекты 1002-1004 из вспененной матрицы могут быть покрыты металлическим слоем 1006 на стадии 908. В частности, объекты 1002-1004 из вспененной матрицы могут быть покрыты тонким металлическим покрытием (например, медью) способом неэлектрического плакирования. Будучи покрытыми, объекты 1002-1004 из вспененной матрицы могут быть далее покрыты слоем с поверхностной обработкой 1008 на стадии 910.
В качестве конкретного примера заданного способа изготовления описываются первая вспененная матрица и вторая вспененная матрица. Первая вспененная матрица может представлять собой заполненную воздухом вспененную микрокапсулу, имеющую ячейки с размером от около 1000 до 1500 мкм в диаметре, тогда как вторая вспененная матрица может представлять собой заполненную воздухом вспененную микрокапсулу, имеющую ячейки с размером от около 250 до 500 мкм в диаметре. Эти вспененные матрицы могут быть разрезаны на фрагменты с различными геометрическими формами и размерами, как отмечено выше. Затем оформленные вспененные матрицы могут быть последовательно покрыты тонким металлическим покрытием (например, медным) способом неэлектрического плакирования. Металлические покрытия могут включать, среди прочих, широкое многообразие составов, включая металлы, смеси металлов, сплавы, сплавы с памятью формы.
Далее следует отметить, что поверхностные обработки могут быть приспособлены для различных вспененных матриц. Например, если вспененная матрица изготовлена из полистирола, последний представляет собой неполярный и химически реакционноспособный полимер. Степень функционализации, то есть сульфирования, может контролироваться рядом параметров, таких как растворитель, концентрация серной кислоты, реакционная температура, продолжительность реакции, катализатор и концентрация катализатора. По существу, следует отметить, что химическая природа поверхностной функционализации и последующие процедуры могут быть модифицированы для приспособления к химической природе
- 25 016839 поверхности и структуре материала, такого как найлон, сложные полиэфиры, полиуретаны, среди многих других полимерных материалов. Поверхностная функционализация и травление могут включать кислотную обработку, обработку основаниями, окисление, нитрование, сульфирование, фосфонилирование среди многих прочих химических подходов. См. книгу 1. Магсб, Абуаисеб Огдашс Сбет1вбу: Веасбоив, Месбашвтв, апб 8бис!иге, третье издание, издательство Ιοίιη Абеу & 8оив, Нью-Йорк (1985), разделы, касающиеся сульфирования, мягкого окисления, этерификации, карбоксилирования, реакций свободнорадикального присоединения, цепных свободнорадикальных реакций и кватернизации и т. п.
В качестве первого конкретного примера вспененные матрицы могут быть равномерно покрыты таким способом, как неэлектрическое плакирование медью, с образованием стержневидных вспененных объектов. Вспененная матрица может представлять собой заполненную воздухом вспененную микрокапсулу, имеющую ячейки с диаметром от 1000 до 1500 мкм. Если эта вспененная матрица составлена полистиролом, процесс изготовления может включать функционализацию полистирольного стержня действием 30%-ного раствора серной кислоты (Н28О4) в течение 21-часового периода. Поверхность функционализированного полимера может быть активирована с использованием процесса сенсибилизирования соединениями олова и активирования палладием (δη-Рб), иначе известного как затравливание. Этот процесс затравливания знаком квалифицированным специалистам в этой области технологии. Процесс включает последовательные погружения полистирольного стержня в подкисленный раствор хлорида олова (8иС12) (с концентрацией 0,01М), затем в подкисленный раствор хлорида палладия (РбС12) (с концентрацией 0,01М), с промыванием дистиллированной водой между ваннами. После обработки хлоридом палладия (РбС12) применяют 0,01М раствор хлороводорода (НС1) для удаления остатков соединений олова (8и) с поверхности. Обработку в каждой из ванн проводят при комнатной температуре. См. диссертацию В. Сеу1аи Ак1в, Ргерагабои оГ Рб-Лд/Р88 Сотровйе Метбгаиев Гог Нубгодеи 8ерагабоив, А Тбев1в, Аогсев!ег Ро1у!есбшс 1ивб!и!е (май 2004 г.).
Функционализированный, затравленный палладием (Рб) полистирольный стержень может быть помещен в проточную ванну с расходом 73 см3/мин, содержащую раствор для плакирования медью (Си), состоящий из медного купороса (Си8О4х5Н2О), дигидрата динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты, едкого натра (№ЮН). этилендиамина и триэтаноламина, активированный муравьиной кислотой. См. статьи Υ. Ьш и 8. Υеи, Аррбеб 8игГасе 8с1еисе, т. 178, стр. 116 (2001); А. Ыи, Н. Сбаид, 8игГасе аиб Соабидв Тесбио1оду, т. 107, стр. 48 (1998); 81и е! а1., 1иб. Еид. Сбет. Кев., т. 36, стр. 1632 (1997); Наииа е! а1., Ма!епа1в Ьебегв, т. 58, стр. 104 (2003). Медь (Си) может быть осаждена на функционализированный, затравленный палладием (Рб) полистирольный стержень при температуре 40°С в течение 90минутного периода с последующим промыванием дистиллированной водой. Большая часть поверхности может быть покрыта слоем меди (Си), имеющим толщину, которая варьирует от 0,3 до 0,6 мкм.
Альтернативно, если вспененная матрица представляет собой заполненную воздухом вспененную микрокапсулу, имеющую ячейки с диаметром от около 250 до 500 мкм и сферической формой, процесс изготовления может включать функционализацию и затравливание палладием (Рб) полистирольной сферы, как описано выше. С использованием того же раствора для плакирования медью (Си) и расхода функционализированная и затравленная палладием (Рб) полистирольная сфера может быть плакирована при температуре 40°С в течение 10-минутного периода с последующим промыванием дистиллированной водой. В результате поверхность может быть покрыта медной (Си) пленкой толщиной 0,1-0,2 мкм, которая следует контурам поверхности вспененного материала.
В качестве еще одного примера процесс изготовления шарика из Найлона 6/6, имеющего диаметр 1/8 дюйма (3,175 мм), может включать функционализацию и затравливание палладием (Рб) твердого шарика, как описано выше, с использованием 0,01М раствора НС1 в течение 10 мин для процесса функционализации. Кроме того, найлоновый шарик может быть введен в реакцию в проточном растворе при температуре 40°С в течение 4 ч 5 мин с последующим промыванием дистиллированной водой, каковой может представлять собой такой же раствор для плакирования медью, с обсуждаемым выше активатором. Полученная плакированием медная пленка может иметь толщину 10-25 мкм поверх найлонового шарика.
В качестве еще одного примерного способа изготовления пустотелая заполненная газом металлическая оболочка может быть получена с использованием метода Фраунгофера для производства пустотелых металлических объектов, как показано на фиг. 11 А. Например, см. статью О. Аибегвеи, и. Ааад, Ь. 8сЬηе^бе^, 6. 8!ербаш, В. Клебаск, №уе1 Ме!аШс Но11о\у 8рбеге 8бис!игев, Абуаисеб Еидшеепид Ма1епа1в, 2000, т. 2 (апрель 2000 г.), стр. 192-195. В этом варианте 1100 осуществления вспененные матрицы 1102, которые могут представлять собой матрицы из пенополистирола 81угоГоат или любые из вышеописанных полимерных вспененных матриц, могут быть покрыты металлическим материалом 1104, который может включать порошок из металла или металлического сплава и связующее средство. Нанесение покрытия на вспененные матрицы 1102 из металлического материала и связующего средства 1104 может быть выполнено способами нанесения покрытий в псевдоожиженном слое в реакторе 1106. Полученные полимерные вспененные матрицы, покрытые слоем 1108 из металла или металлического сплава и связующего средства, могут быть затем подвергнуты обжигу в печи 1110. В печи полимерная вспененная матрица может быть подвергнута термическому разложению или реакции с образованием летучих реакционных продуктов, которые удаляются путем диффузии через стенку из частично спеченного металла
- 26 016839 или металлического сплава. Затем температура может быть повышена для выведения остаточного связующего средства, и металлический материал подвергается спеканию для получения плотной оболочки из металла или металлического сплава. Полученные сжимаемые объекты 1112 после их охлаждения могут быть использованы как часть бурового раствора переменной плотности.
Альтернативный способ изготовления показан на фиг. 11В. На фиг. 11В пустотелые объекты регулярной либо нерегулярной формы из металла или металлического сплава могут быть изготовлены путем формирования слоя из металла или металлического сплава, такого как слой никеля, на вспененной матрице осаждением из газовой фазы на одноразовую вспененную матрицу. В варианте 1120 осуществления готовят вспененную матрицу 1122, которая может представлять собой полимерную вспененную матрицу с закрытыми ячейками. Вспененную матрицу 1122 покрывают пигментом 1124, таким как углеродная сажа или другие пигменты, которые поглощают инфракрасное излучение, с образованием покрытой вспененной матрицы 1126. Покрытую вспененную матрицу 1126 затем помещают в реактор, который заполнен газом 1128, таким как газообразный карбонил никеля. Покрытую вспененную матрицу 1126 затем подвергают воздействию инфракрасного излучения 1130, которое нагревает покрытую поверхность покрытой вспененной матрицы 1126. В результате воздействия инфракрасного излучения 1130 карбонил разлагается на поверхности покрытой вспененной матрицы 1126 с образованием металлического покрытия 1132, такого как никель на вспененной матрице 1134. Покрытую металлом вспененную матрицу 1134 затем спекают в печи 1136 при температуре, достаточно высокой для разложения вспененной матрицы, и продукты разложения удаляются путем диффузии через металлический слой во время процесса спекания. В результате формируется сжимаемые объекты 1138 с полой внутренней областью.
Модификация сжимаемых объектов для снятия местного напряжения.
В качестве дополнительного варианта исполнения структура сжимаемых объектов может быть модифицирована для распределения местного напряжения, возникающего в расширенном и сжатом состоянии. Например, моделирование методом конечных элементов в случае обсуждаемого выше эллипсоида вращения демонстрирует, что уровень нестабильности сминания верхушки повышается по мере увеличения толщины стенки и уменьшения начального соотношения геометрических размеров, тогда как степень нестабильности экваториального выпячивания возрастает по мере уменьшения толщины стенки и увеличения соотношения геометрических размеров. Для расширения степени свободы в конструировании архитектуры сжимаемого объекта толщина стенки сжимаемого объекта может варьировать с утоньшением стенки на полюсах и утолщением на экваторе. Это корректирование толщины стенки может обеспечить поддержку в каждом из вариантов исполнения для снятия местных напряжений в различных областях сжимаемых объектов. Вариация толщины стенки от полюса к экватору может быть выполнена способом, который совместим с определенными способами изготовления, каковые обсуждаются выше.
Альтернативно, к сжимаемым объектам могут быть добавлены один или более структурных элементов, таких как фланец. Эти структурные элементы, такие как фланец, могут снижать местное напряжение в оболочке сжимаемого объекта. Например, если структурный элемент представляет собой фланец, он может быть добавлен на экваторе сжимаемого объекта для поддержки экваториального пояска против выпячивания. Этот фланец может распределять деформирующую силу вдоль экватора сжимаемого объекта для распространения напряжения из локальной зоны. Например, как показано на фиг. 12А12С, представлен эффект добавления фланца 1202 к эллиптическому объекту с толщиной стенки 10 микрон (10 мкм) в различных состояниях. В этом примере эллиптический объект может иметь расширяющие внутреннее давление 1500 фунтов на кв.дюйм (10,335 МПа, избыточных) в этом примере и сформирован из псевдоупругого материала, такого как сплав с памятью формы, сплав ΝίΤί с температурой фазового перехода от аустенита до мартенсита около 0°С. На фиг. 12А показан сжимаемый объект, который представляет собой эллиптический сжимаемый объект, имеющий фланец 1202 в начальном состоянии 1200. Эллиптический объект показан в расширенном состоянии 1204 на фиг. 12В и в сжатом состоянии 1206 на фиг. 12С. Как показано на фиг. 12А-12С, фланец 1202 распределяет местное напряжение до уровня ниже максимальной деформации, испытываемой эллиптическим объектом. Преимущества от добавления фланца обсуждаются далее на фиг. 13.
Фиг. 13 представляет собой примерный график, касающийся добавления фланца к сжимаемому объекту в соответствии с некоторыми аспектами настоящей технологии. На фиг. 13 моделирование методом конечных элементов использовано для создания графика 1300 максимальной деформации 1302 в зависимости от коэффициента 1304 сжатия для первого сжимаемого объекта, имеющего фланец, и второго сжимаемого объекта без фланца. График 1300 включает первую характеристическую кривую 1306 для первого сжимаемого объекта, имеющего толщину стенки 10 мкм и фланец шириной 125 мкм, каковой может представлять собой эллиптический объект из фиг. 12А-12С, и вторую характеристическую кривую 1308 для второго сжимаемого объекта, имеющего толщину стенки 10 мкм, без фланца. На графике 1300 линия 1310 обозначает приближенное значение максимальной обратимой деформации для ΝίΤίсплава, и линия 1312 показывает приближенное значение максимально допустимой деформации, требуемой для достижения желательной усталостной долговечности объема, которая обсуждается выше.
Как показано на графике 1300, добавление фланца снижает максимальное напряжение, испытываемое эллиптическими объектами, имеющими такую же структуру и толщину стенки. По существу, эква
- 27 016839 ториальный фланец может быть применен для расширения степени свободы в проектировании сжимаемых объектов, которые находятся ниже пределов остаточной деформации.
Добавление экваториального фланца может быть выполнено способом, который совместим с определенными способами изготовления, каковые обсуждаются выше. В качестве примера изготовление сжимаемых объектов из листового металлического сплава и последующее соединение с экваториальным фланцем может быть приспособлено для формирования фланца определенной ширины путем модифицирования существующих процессов производства.
Применение утяжелителей и других жидкостей для получения заданного бурового раствора переменной плотности.
Как отмечено выше, буровой раствор 118 переменной плотности (фиг. 1) может включать сжимаемые объекты вместе с буровой жидкостью. Выбор буровой жидкости может включать подбор первичного компонента жидкой фазы из ряда доступных жидкостей. Эти жидкости включают воду, масло или комбинации воды и масла. Жидкая фаза выбирается после рассмотрения нескольких факторов, включающих стоимость, совместимость с подземными пластами, влияние на окружающую среду и т. п. Утяжелители добавляются для корректирования плотности буровой жидкости. Загустители добавляются для стабилизации суспензии утяжелителей и обломков выбуренной породы. Прочие добавки обеспечивают контроль фильтрации для предотвращения утечки жидкой фазы в пласт или способствуют эмульгированию свободной воды в масляной фазе.
Для балансировки сжимаемых объектов буровые жидкости могут включать утяжелители и другую жидкость для регулирования плотности бурового раствора переменной плотности внутри буровой скважины. Утяжелители могут включать барит (сульфат бария), гематит (оксид трехвалентного железа), галенит (сульфид свинца) и прочие пригодные материалы, в то время как другие примешиваемые средства могут включать формиаты, такие как формиаты натрия, калия и цезия, и другие подходящие материалы.
Утяжелители добавляются к буровым жидкостям для повышения плотности буровой жидкости выше уровня плотности водных (вода) или неводных (масло или синтетические жидкости) базовых жидкостей. Например, утяжелители могут включать барит (сульфат бария), гематит (оксид трехвалентного железа), галенит (сульфид свинца) и прочие пригодные материалы. Эти утяжелители используются для создания желательного профиля плотности составного бурового раствора от поверхности до заданной глубины. Поскольку давление внутри буровой скважины, в общем, нарастает с глубиной, сжимаемые объекты низкой плотности, такие как сжимаемые объекты, в несжатом состоянии находятся вблизи поверхности, и в сжатом состоянии располагаются в стороне забойной зоны буровой скважины. Когда сжимаемые объекты находятся в сжатом состоянии вследствие давлений в забойной зоне, плотность составного бурового раствора переменной плотности может поддерживаться для предотвращения истечений жидкостей из пласта и ограничивается тем, что не должна превышать градиент давления гидравлического разрыва пласта. Когда сжимаемые объекты находятся в несжатом состоянии на небольших глубинах, пласт может подвергаться воздействию бурового раствора переменной плотности в слоях горной породы, которые не являются столь прочными, и давление пластовой жидкости типично является более низким. По существу, несжатое состояние сжимаемых объектов может быть использовано для снижения плотности суспензии бурового раствора переменной плотности. Соответственно этому разнообразные утяжелители могут быть применены в буровой жидкости для повышения плотности на неглубоких секциях буровой скважины для удержания сжимаемых объектов от расширения.
Например, барит (сульфат бария) может быть использован для увеличения плотности бурового раствора 118 переменной плотности. Преимущество применения барита в качестве утяжелителя в буровой жидкости состоит в низкой стоимости и легкой доступности этого материала. Барит в самой чистой форме имеет плотность 4,5 г/см3, и барит в категории для бурения имеет плотность по меньшей мере 4,2 г/см3, чтобы быть отнесенным к стандарту американского нефтяного института. Для достижения высоких значений плотности бурового раствора барит может быть суспендирован в буровой жидкости при высокой концентрации. Например, буровая жидкость с плотностью до 19 фунтов на галлон (2,3 г/см3) может содержать приблизительно 40% барита по объему. По мере возрастания объемной процентной доли твердых веществ вязкость буровой жидкости, в особенности при высоких степенях сдвиговой нагрузки, становится очень высокой, и фрикционное падение давления в системе циркуляции или в скважинном оборудовании становится весьма высоким.
Соответственно этому буровая жидкость с баритом может быть скомбинирована со сжимаемыми объектами вплоть до 40 об.% при поверхностных условиях. Результат этого комбинирования обеспечивает более высокие значения вязкости, где сжимаемые объекты являются несжатыми (на поверхности и небольших глубинах).
Подобные плотности бурового раствора переменной плотности могут быть достигнуты при меньшей доле в объемных процентах утяжелителя с использованием материала с более высокой плотностью, такого как гематит (оксид трехвалентного железа) или галенит (сульфид свинца). Гематит имеет минимальную плотность по показателю Американского нефтяного института на уровне 5,5 г/см3 и может повышать плотность буровой жидкости при более низкой общей концентрации твердых веществ, чем барит. Однако буровые жидкости с гематитом могут быть более абразивными, чем буровые жидкости с
- 28 016839 баритом, что может вести к преждевременному повреждению или износу оборудования, например, такого как насосы для бурового раствора, наземное оборудование буровой установки, трубопроводы буровых колонн и забойный инструмент (то есть двигатели), регистрационное и измерительное оснащение. Галенит (сульфид свинца) имеет плотность 7,5 г/см3 и может быть использован для достижения высокой плотности при содержании твердых веществ, примерно на 40% меньшем, чем барит. Галенит является относительно мягким минералом и не вызывает преждевременного износа оборудования.
В альтернативном варианте осуществления со сжимаемыми объектами могут быть применены компоненты смеси вместо утяжелителей или в дополнение к таковым. Эти компоненты смеси могут включать формиаты, такие как формиаты натрия, калия и цезия. Например, раствор формиата цезия в воде может давать плотность около 2,4 г/см3 без твердых веществ (без утяжелителей). Плотность раствора формиата цезия почти равна таковой для типичной горной породы или обломков горной породы. В результате обломки горной породы не склонны тонуть в буровой жидкости с таким компонентом смеси. Когда раствор формиата цезия смешивают со сжимаемыми объектами, буровой раствор переменной плотности может обеспечивать высокую плотность при высоких давлениях, где сжимаемые объекты находятся в сжатом состоянии (то есть глубоко в буровой скважине). Однако на небольших глубинах, где сжимаемые объекты находятся в расширенном состоянии, плотность буровой жидкости переменной плотности снижается. С такой жидкостью повышение объемной процентной доли расширенных сжимаемых объектов, естественно, увеличивает объемную плотность и способствует выносу обломков горной породы.
Дополнительная вязкость может быть обеспечена путем добавления загустителей, таких как встречающаяся в природе бентонитовая глина или синтетические полимеры, для снижения скорости, с каковой обломки породы и сжимаемые объекты склонны оседать вследствие разницы в плотности между обломками/сжимаемыми объектами и буровой жидкостью. Эти типы загустителей способстуют выносу обломков породы во время циркуляции буровой жидкости и содействуют желатинированию буровой жидкости, когда течение приостанавливается, тем самым снижая скорость оседания обломков породы и скорость оседания сжимаемых объектов. Сжимаемые объекты могут иметь тенденцию всплывать или тонуть внутри буровой жидкости в зависимости от состояния их сжатия и плотности сжимаемых объектов внутри буровой скважины. При наружных давлениях, меньших, чем требуется для сжатия объектов или частиц, сжимаемые объекты в общем имеют меньшую плотность, чем буровая жидкость. Здесь сжимаемые объекты склонны всплывать внутри жидкости, пока вязкость не является достаточной для предотвращения перемещения. Когда наружные давления являются высокими в достаточной мере, чтобы обеспечивать должное сжатие объектов, плотность сжимаемых объектов может достигать плотности буровой жидкости или превышать таковую. В этом варианте исполнения сжимаемые объекты могут не двигаться относительно жидкости или могут даже иметь склонность тонуть внутри жидкости, если только вязкость не является достаточной для предотвращения перемещения.
В то время как настоящая технология согласно изобретению может быть восприимчивой к разнообразным модификациям и альтернативным формам, примерные варианты осуществления, обсужденные выше, были показаны в качестве примера. Однако опять же следует понимать, что изобретение не предполагает быть ограниченным конкретными вариантами осуществления, представленными здесь. Действительно, настоящие способы согласно изобретению должны охватывать все модификации, эквиваленты и альтернативы, попадающие в рамки смысла и области изобретения, как определено нижеследующими прилагаемыми пунктами формулы изобретения.

Claims (66)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Сжимаемый объект для изменения плотности бурового раствора, содержащий оболочку, имеющую внутреннюю область, в которой сжимаемый объект имеет внутреннее давление, при этом оболочка имеет структуру, способную компенсировать местные напряжения в сжимаемом объекте при его расширении и сжатии.
  2. 2. Сжимаемый объект по п.1, в котором внутренняя область, по меньшей мере частично, заполнена вспененным материалом.
  3. 3. Сжимаемый объект по п.1, в котором внутреннее давление превышает значение около 13790 бар (200 фунтов на кв. дюйм) при атмосферном наружном давлении и температуре и выбрано для заранее заданных наружных давлений, при этом наружные давления, превышающие внутреннее давление, сокращают объем сжимаемого объекта.
  4. 4. Сжимаемый объект по пп.1, 2 или 3, в котором оболочка способна испытывать меньшую деформацию при примерном равенстве наружного давления и внутреннего давления, чем когда наружное давление больше или меньше заданного интервала сжатия сжимаемого объекта.
  5. 5. Сжимаемый объект по пп.1, 2 или 3, который имеет внутреннее давление, превышающее значение около 34470 бар (500 фунтов на кв.дюйм) при атмосферном наружном давлении и температуре, более предпочтительно значение около 103400 бар (1500 фунтов на кв.дюйм) при атмосферном наружном давлении и температуре и наиболее предпочтительно значение около 137900 бар (2000 фунтов на
    - 29 016839 кв.дюйм) при атмосферном наружном давлении и температуре.
  6. 6. Сжимаемый объект по пп.1, 2 или 3, в котором оболочка имеет по меньшей мере один структурный элемент для снижения местного напряжения.
  7. 7. Сжимаемый объект по п.6, в котором по меньшей мере один структурный элемент включает фланец.
  8. 8. Сжимаемый объект по пп.1, 2 или 3, в котором толщина стенки оболочки изменяется в пределах поверхности сжимаемого объекта для снижения местного напряжения.
  9. 9. Сжимаемый объект по пп.1, 2 или 3, в котором толщина стенки оболочки является большей на экваторе сжимаемого объекта для снижения местного напряжения.
  10. 10. Сжимаемый объект по пп.1, 2 или 3, который имеет форму эллипсоида с соотношением геометрических размеров в диапазоне между около 2 и около 5 при примерном равенстве наружного и внутреннего давления и более предпочтительно с соотношением геометрических размеров в диапазоне между около 3 и около 4 при примерном равенстве наружного и внутреннего давления.
  11. 11. Сжимаемый объект по пп.1, 2 или 3, в котором оболочка имеет отношение эквивалентного диаметра к толщине стенки в диапазоне от около 20 до около 200 и более предпочтительно в диапазоне от около 50 до около 100.
  12. 12. Сжимаемый объект по пп.1, 2 или 3, в котором оболочка включает в себя расслаивающийся неорганический минерал в качестве армирующего материала или в качестве газонепроницаемого барьера в полимерной матрице.
  13. 13. Сжимаемый объект по пп.1, 2 или 3, в котором оболочка выполнена с нановолоконным армированием в полимерной матрице для достижения специфических свойств материала стенки.
  14. 14. Сжимаемый объект по пп.1, 2 или 3, в котором оболочка включает в себя газонепроницаемый барьерный слой и несущий слой.
  15. 15. Сжимаемый объект по п.14, в котором газонепроницаемый барьерный слой включает в себя слой из металла или металлического сплава и несущий слой включает в себя полимерный слой.
  16. 16. Сжимаемый объект по пп.1, 2 или 3, который имеет эквивалентный диаметр в диапазоне между около 0,1 и около 50 мм и более предпочтительно между около 0,1 и около 5,0 мм, когда наружное давление меньше внутреннего давления.
  17. 17. Сжимаемый объект по пп.1, 2 или 3, в котором внутренняя область содержит по меньшей мере один несжижаемый газ, выбранный для точного приспособления деформационных характеристик сжимаемого объекта в ответ на изменения наружного давления и температур.
  18. 18. Сжимаемый объект по пп.1, 2 или 3, в котором внутренняя область содержит по меньшей мере один сжижаемый газ, выбранный для точного приспособления деформационных характеристик сжимаемого объекта в ответ на изменения наружного давления и температур.
  19. 19. Буровой раствор, содержащий сжимаемые объекты по любому из пп.1-18 и базовую буровую жидкость, в котором плотность бурового раствора изменяется благодаря изменению объема сжимаемых объектов в ответ на изменения давления и температуры по мере перемещения буровой жидкости и сжимаемых объектов к поверхности скважины.
  20. 20. Буровой раствор по п.19, дополнительно включающий утяжелители для регулирования плотности базовой буровой жидкости.
  21. 21. Буровой раствор по п.20, в котором утяжелители включают в себя один из барита, гематита, галенита и любой комбинации таковых.
  22. 22. Буровой раствор по п.19, дополнительно включающий формиаты для регулирования плотности буровой жидкости и сокращения добавления нерастворимых утяжелителей, способных повышать вязкость буровой жидкости и сжимаемых объектов.
  23. 23. Способ бурения скважины, в котором используют буровой раствор по любому из пп.19-22.
  24. 24. Способ изготовления сжимаемого объекта для изменения плотности бурового раствора, имеющего оболочку, включающую в себя внутреннюю область, имеющую внутреннее давление, в котором выбирают структуру сжимаемого объекта, способную компенсировать местные напряжения на сжимаемом объекте при его расширении и сжатии, формируют полимерный объект и формируют слой из металла или металлического сплава на полимерном объекте с образованием указанной оболочки.
  25. 25. Способ по п.24, в котором внутреннее давление, превышающее значение около 13790 бар (200 фунтов на кв.дюйм) при атмосферном давлении, выбирают для заранее заданного наружного давления, при котором начинается сжатие объекта, и выбирают на основе, по меньшей мере, частично одной или нескольких характеристик структур или материала стенки.
  26. 26. Способ по п.24, в котором материал стенки для сжимаемого объекта выбирают таким образом, чтобы он выдерживал местное напряжение в сжимаемом объекте при его расширении и сжатии.
  27. 27. Способ по п.26, в котором структуру сжимаемого объекта и материал стенки сжимаемого объекта выбирают на основе моделирования по анализу методом конечных элементов.
  28. 28. Способ по п.24, в котором охлаждают полимерный объект для снижения внутреннего давления перед осаждением на него слоя металла или металлического сплава.
  29. 29. Способ по пп.24-27, который осуществляют с использованием камеры под давлением.
    - 30 016839
  30. 30. Способ по пп.24-27, в котором в качестве полимерного объекта выбирают плоский полимерный лист, сформированный в виде частей сжимаемого объекта, и после формирования слоя из металла или металлического сплава на указанных частях осуществляют их соединение с использованием по меньшей мере одного из механических, химических и термических способов с образованием сжимаемого объекта.
  31. 31. Способ по пп.24-27, в котором в качестве полимерного объекта выбирают матрицу, на которой формируют слой металла или металлического сплава, и нагревают покрытую указанным слоем матрицу.
  32. 32. Способ по п.31, в котором матрица содержит способный к деполимеризации пустотелый полимер или вспененный полимер.
  33. 33. Способ по п.31, в котором нагрев матрицы осуществляют для ее разложения и диффузии продуктов разложения через оболочку сжимаемого объекта.
  34. 34. Способ по пп.24-27, в котором в качестве полимерного объекта выбирают вспененную матрицу, на которой формируют слой из металла или металлического сплава.
  35. 35. Способ по п.34, в котором слой из металла или металлического сплава формируют на вспененной матрице посредством физического осаждения из паровой фазы, или химического осаждения из паровой фазы, или электрохимического осаждения, или неэлектрического осаждения, или металлизации, или напыления, или испарения, или эпитаксии молекулярным пучком.
  36. 36. Способ по п.34, в котором до формирования слоя из металла или металлического сплава на вспененной матрице ее охлаждают до температуры, ниже которой вспененный материал внутри оболочки конденсируется.
  37. 37. Способ по п.34, в котором слой из металла или металлического сплава на вспененной матрице формируют электроплакированием.
  38. 38. Способ по п.34, в котором слой из металла или металлического сплава формируют на вспененной матрице неэлектрическим плакированием.
  39. 39. Способ по пп.24-27, в котором в качестве полимерного объекта выбирают полимерную матрицу и формируют расслаивающийся неорганический минерал в полимерной матрице.
  40. 40. Способ по п.39, в котором оболочка выполнена с нановолоконным армированием в полимерной матрице для достижения специфических характеристик материала оболочки.
  41. 41. Способ по пп.24-27, в котором полимерный объект формируют в камере, имеющей первую трубу, расположенную внутри второй трубы, при этом формируют полимерный пузырек из полимерного материала во второй трубе и газа в первой трубе, воздействуют на наружную поверхность полимерного пузырька сшивающей жидкостью с образованием полимерного объекта и удаляют сшивающую жидкость после отверждения полимерного объекта.
  42. 42. Способ по п.41, в котором создают достаточную разность давлений в кольцевом пространстве, образованном между первой трубой и второй трубой, для формования полимерного материала в полимерный объект.
  43. 43. Способ по п.41, в котором камера представляет собой камеру под давлением, имеющую внутреннее давление, превышающее атмосферное давление.
  44. 44. Способ по п.43, в котором понижают давление в камере для расширения полимерного пузырька до его расширенного состояния.
  45. 45. Способ по п.41, в котором дополнительно нагревают отверстие первой трубы для уменьшения вязкости расплава для достижения желаемых значений показателей текучести полимерного материала.
  46. 46. Способ по п.41, в котором поверхность полимерного пузырька после отделения от первой трубы и второй трубы полимеризуют с использованием ультрафиолетового излучения, или свободнорадикальной полимеризацией, или термохимической полимеризацией.
  47. 47. Способ по пп.24-27, в котором полимерный объект формируют в установке, имеющей нижнюю камеру с патрубком для введения газа и верхнюю камеру с патрубком для впуска жидкости и патрубком для выпуска жидкости, в которой патрубок для введения газа отделен пластиной с перфорациями от патрубков для впуска жидкости и выпуска жидкости, размещают полимерный лист на пластине, создают в нижней камере давление, превышающее давление в верхней камере, и формируют полимерные объекты из полимерного листа.
  48. 48. Способ по п.47, в котором удаляют полимерный объект из верхней камеры через выпускной патрубок.
  49. 49. Способ по п.47, в котором перфорации пластины выполнены в виде множества альтернативных геометрических контуров для формирования разноразмерных полимерных объектов.
  50. 50. Способ по пп.24-27, в котором в качестве полимерного объекта выбирают вспененную матрицу, на которой формируют слой из металла или металлического сплава, и затем осуществляют обжиг покрытой указанным слоем вспененной матрицы.
  51. 51. Способ по п.50, в котором вспененной матрицей является матрица из пенополистирола.
  52. 52. Способ по п.50, в котором обжиг вспененной матрицы приводит к ее разложению посредством диффузии через оболочку сжимаемого объекта.
  53. 53. Способ по п.50, в котором дополнительно используют связующий материал для связывания слоя металла или металлического сплава со вспененной матрицей.
    - 31 016839
  54. 54. Способ по пп.24-27, в котором в качестве полимерного объекта выбирают вспененную матрицу, осуществляют покрытие вспененной матрицы слоем пигмента, размещают покрытую пигментом вспененную матрицу в реакторе, заполненном газом, облучают ее с образованием слоя из металла и обжигают покрытую металлом вспененную матрицу.
  55. 55. Способ по п.54, в котором вспененная матрица представляет собой объект с нерегулярной формой.
  56. 56. Способ по п.54, в котором вспененная матрица включает в себя вспененный полимерный материал с закрытыми ячейками.
  57. 57. Способ по п.54, в котором слой пигмента включает в себя углеродную сажу.
  58. 58. Способ по п.54, в котором газ представляет собой газообразный карбонил никеля.
  59. 59. Способ по п.54, в котором обжиг вспененной матрицы приводит к ее разложению посредством диффузии через оболочку сжимаемого объекта.
  60. 60. Способ по любому из пп.24-54, в котором сжимаемый объект в расширенном состоянии имеет эквивалентный диаметр в диапазоне между около 0,1 и около 50 мм и более предпочтительно между около 0,1 и около 5,0 мм.
  61. 61. Способ по любому из пп.24-54, в котором сжимаемый объект при атмосферном давлении имеет внутреннее давление, превышающее значение около 103400 бар (1500 фунтов на кв.дюйм) и более предпочтительно значение около 137900 бар (2000 фунтов на кв.дюйм).
  62. 62. Способ по любому из пп.24-54, в котором сжимаемый объект имеет по меньшей мере один структурный элемент для снижения местного напряжения.
  63. 63. Способ по п.57, в котором по меньшей мере один структурный элемент содержит фланец.
  64. 64. Способ по любому из пп.24-54, в котором толщина стенки оболочки сжимаемого объекта изменяется в пределах поверхности сжимаемого объекта для снижения местного напряжения.
  65. 65. Способ по любому из пп.24-54, в котором сжимаемый объект имеет форму эллипсоида с соотношением геометрических размеров в диапазоне между около 2 и около 5 и более предпочтительно между около 3 и около 4 при примерном равенстве наружного и внутреннего давления.
  66. 66. Способ по любому из пп.24-54, в котором оболочка имеет отношение эквивалентного диаметра к толщине стенки в диапазоне от около 20 до около 200 и более предпочтительно в диапазоне от около 50 до около 100.
EA200870617A 2006-06-07 2007-05-04 Сжимаемые объекты, имеющие заданное внутреннее давление, в комбинации с буровой жидкостью для формирования бурового раствора переменной плотности EA016839B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US81162006P 2006-06-07 2006-06-07
PCT/US2007/010905 WO2007145733A1 (en) 2006-06-07 2007-05-04 Compressible objects having a predetermined internal pressure combined with a drilling to form a variable density drilling mud

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA200870617A1 EA200870617A1 (ru) 2009-08-28
EA016839B1 true EA016839B1 (ru) 2012-07-30

Family

ID=37499396

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA200870617A EA016839B1 (ru) 2006-06-07 2007-05-04 Сжимаемые объекты, имеющие заданное внутреннее давление, в комбинации с буровой жидкостью для формирования бурового раствора переменной плотности

Country Status (11)

Country Link
EP (1) EP2032796A1 (ru)
CN (1) CN101460696A (ru)
AU (1) AU2007259389A1 (ru)
BR (1) BRPI0712654A2 (ru)
CA (1) CA2652406A1 (ru)
EA (1) EA016839B1 (ru)
MX (1) MX2008014964A (ru)
MY (1) MY147591A (ru)
NO (1) NO20085101L (ru)
NZ (1) NZ573071A (ru)
WO (1) WO2007145733A1 (ru)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7482309B2 (en) 2003-11-24 2009-01-27 Halliburton Energy Services, Inc. Methods of drilling wellbores using variable density fluids comprising coated elastic particles
RU2560867C2 (ru) * 2012-03-06 2015-08-20 ОАО "Инсолар-Энерго" Термоскважина для извлечения и/или сброса в грунт тепловой энергии
CN103387691B (zh) * 2012-05-08 2015-08-26 中国石油化工股份有限公司 一种空心聚苯乙烯塑料小球及其制备方法和应用
DE102013223084A1 (de) * 2012-11-27 2014-05-28 GM Global Technology Operations, LLC (n.d. Ges. d. Staates Delaware) Hohle superelastische formgedächtnislegierungspartikel
US9410065B2 (en) 2013-01-29 2016-08-09 Halliburton Energy Services, Inc. Precipitated particles and wellbore fluids and methods relating thereto
AU2014269065B2 (en) * 2013-05-21 2016-06-30 Halliburton Energy Services, Inc. Precipitated particles and wellbore fluids and methods relating thereto
WO2015148752A1 (en) * 2014-03-26 2015-10-01 Sabic Global Technologies B.V. Elastically deformable polymer articles and methods of use for absorbing cyclic pressure excursions
CN107132090B (zh) * 2017-05-02 2019-05-21 浙江科技学院（浙江中德科技促进中心） 纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置及成型方法
CN111814353B (zh) * 2020-07-23 2022-08-12 中国工程物理研究院总体工程研究所 给定条件下的闭孔泡沫细观结构构建方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050161262A1 (en) * 2004-01-27 2005-07-28 Jamison Dale E. Variable density treatment fluids and methods of using such fluids in subterranean formations
US20050284641A1 (en) * 2004-06-24 2005-12-29 Baker Hughes Incorporated Controlled variable density fluid for wellbore operations
WO2006007347A2 (en) * 2004-06-17 2006-01-19 Exxonmobil Upstream Research Company Variable density drilling mud

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050161262A1 (en) * 2004-01-27 2005-07-28 Jamison Dale E. Variable density treatment fluids and methods of using such fluids in subterranean formations
WO2006007347A2 (en) * 2004-06-17 2006-01-19 Exxonmobil Upstream Research Company Variable density drilling mud
US20050284641A1 (en) * 2004-06-24 2005-12-29 Baker Hughes Incorporated Controlled variable density fluid for wellbore operations
WO2006012164A1 (en) * 2004-06-24 2006-02-02 Baker Hughes Incorporated Controlled variable density fluid for wellbore operations

Also Published As

Publication number Publication date
EP2032796A1 (en) 2009-03-11
NO20085101L (no) 2009-03-05
CN101460696A (zh) 2009-06-17
EA200870617A1 (ru) 2009-08-28
NZ573071A (en) 2011-09-30
MX2008014964A (es) 2008-12-09
AU2007259389A1 (en) 2007-12-21
BRPI0712654A2 (pt) 2012-11-20
MY147591A (en) 2012-12-31
WO2007145733A1 (en) 2007-12-21
CA2652406A1 (en) 2007-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7972555B2 (en) Method for fabricating compressible objects for a variable density drilling mud
US8088717B2 (en) Compressible objects having partial foam interiors combined with a drilling fluid to form a variable density drilling mud
US8076269B2 (en) Compressible objects combined with a drilling fluid to form a variable density drilling mud
US8088716B2 (en) Compressible objects having a predetermined internal pressure combined with a drilling fluid to form a variable density drilling mud
EA016839B1 (ru) Сжимаемые объекты, имеющие заданное внутреннее давление, в комбинации с буровой жидкостью для формирования бурового раствора переменной плотности
AU2005262591B2 (en) Variable density drilling mud
Taheri et al. Experimental study on degradation of mechanical properties of sandstone under different cyclic loadings
US10131834B2 (en) Self-suspending modified proppant system for carbon dioxide based fracturing fluids
US20050250865A1 (en) Low density polymer beads
AU2009357410B2 (en) Hydraulic fracturing system
US20130068469A1 (en) Pressurized Polymer Beads As Proppants
CA2912164C (en) Improved suspension of proppant particles in hydraulic fracturing fluid
Kazymyrenko et al. Glass microspheres thermo-deformation sintering processes in the technologies of obtaining materials for underwater technical equipment
Li et al. Tailored highly porous, templated polyurethane for sand consolidation
US20230183546A1 (en) Cementing a wellbore using a direct ink printing
Mao The behaviour of three calcareous soils in monotonic and cyclic loading
Stebnovskii Generalized rheological model of cavitating condensed media
Jin et al. Numerical study of the influence of fluid viscosity on wellbore spalling in drained fractured rock

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KG MD TJ TM

MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): KZ RU