選擇性水力壓裂工具及其方法
【專利摘要】一種選擇性的井下工具，包括具有能夠使流體通過的縱向孔的管。管的壁上具有閥門開口。可膨脹球座能在第一尺寸與更大的第二尺寸之間選擇性地移動(dòng)，第一尺寸設(shè)計(jì)成捕獲球以阻止通過管柱的流動(dòng)，所述第二尺寸設(shè)計(jì)成釋放該球通過管柱。閥蓋在管柱內(nèi)縱向地移動(dòng)，閥蓋包括可溶解的插入件。還包括一種操作井下工具的方法。
【專利說明】選擇性水力壓裂工具及其方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年7月28日提交的美國申請N0.13/193，028的優(yōu)先權(quán)，該申請全部內(nèi)容在此引入作為參考。
【背景技術(shù)】
[0003]在鉆井和完井工業(yè)中，通常形成鉆孔以便開采或注入流體。鉆孔用于勘探或提取自然資源，例如烴、油、天然氣、水、和C02封存。為了提高從地下鉆孔的開采率和提取率，可以利用加壓漿體、含支撐劑的壓裂流體或其它處理流體。一旦停止注入壓裂流體，巖層壁中的壓裂就可以通過顆粒而保持打開。
[0004]傳統(tǒng)壓裂系統(tǒng)使加壓壓裂流體流過管柱，所述管柱向井下延伸穿過橫穿待壓裂的區(qū)域的鉆孔。管柱可以包括打開以允許將壓裂流體引向目標(biāo)區(qū)域的閥門。為了從地面遠(yuǎn)程打開這些閥門，一球落入管柱中，著陸在與特定閥門相關(guān)聯(lián)的球座上以阻止流體流過管柱，因而在球的井口方向積聚壓力，所述壓力迫使套筒下向井下，從而打開管柱壁上的孔口。當(dāng)涉及多個(gè)區(qū)域時(shí)，球座具有變化的尺寸，最靠井下的座是最小的，最靠井口的座是最大的，這樣，直徑增加的球順序落入管柱中從而從井下端到井口端順序地打開閥門。因而,通過從壓裂最靠井下的區(qū)域開始并向上朝著最靠井口的區(qū)域作業(yè)，以“自底向上”的方式壓裂鉆孔區(qū)域。
[0005]為避免與采用不同尺寸的球座(最小的球座可能會(huì)過多地限制通過管柱的流動(dòng))和相應(yīng)的不同尺寸的球相關(guān)聯(lián)的不可避免的復(fù)雜性，已經(jīng)提議使用可變形的球和球座，然而，迫使球通過球座的速率引起了額外的復(fù)雜性，包括處理選定材料的不同的變形率，因?yàn)槠湓诰颅h(huán)境不會(huì)像期望的那樣起作用。而且，盡管利用不同尺寸的球提供了某些優(yōu)點(diǎn)，但是，壓裂操作的順序仍然局限于“自底向上”的方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一種選擇性的井下工具，包括:管，所述管具有能夠使流體從中通過的縱向孔并且具有所述管的壁中的閥門開口 ；可膨脹球座，所述可膨脹球座能夠選擇性地在第一尺寸與更大的第二尺寸之間運(yùn)動(dòng)，所述第一尺寸設(shè)計(jì)成捕獲球以阻止通過所述管的流動(dòng)，所述第二尺寸設(shè)計(jì)成釋放該球通過所述管；和閥蓋，所述閥蓋能夠在所述管內(nèi)縱向地運(yùn)動(dòng)，所述閥蓋包括可溶解的插入件。
[0007]—種操作井下工具的方法，該方法包括:將井下工具下入到鉆孔中，該工具包括具有由閥蓋覆蓋的閥門開口的管；縱向移動(dòng)閥蓋，以使閥門開口暴露出來；通過閥門開口進(jìn)行作業(yè)之后，通過閥蓋重新覆蓋閥門開口 ；和溶解閥蓋的一部分，以再次暴露閥門開口。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]不管怎樣，下面的描述都不應(yīng)看作是限制性的。參照附圖，同樣的元件標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記表示:[0009]圖1描繪了處于送入位置的選擇性的水力壓裂工具的示例性實(shí)施例的截面圖；
[0010]圖2A-圖2C描繪了用于圖1的選擇性的水力壓裂工具內(nèi)的球座的示例性實(shí)施例的透視圖和截面圖；
[0011]圖3描繪了用于圖1的選擇性的水力壓裂工具的位置的指示路徑和指示銷的一部分的示例性實(shí)施例的示意圖；
[0012]圖4描繪了圖1的選擇性的水力壓裂工具的截面圖，球落入其中并在其內(nèi)建立了壓力；
[0013]圖5描繪了用于圖4的選擇性的水力壓裂工具的位置的指示路徑和指示銷的一部分的示意圖；
[0014]圖6描繪了圖1的選擇性的水力壓裂工具的截面圖，其中球座膨脹；
[0015]圖7描繪了用于圖6的選擇性的水力壓裂工具的位置的指示路徑和指示銷的一部分的示意圖；
[0016]圖8描繪了圖1的選擇性的水力壓裂工具的橫截面圖，其中球座縮回；
[0017]圖9描繪了用于圖8的選擇性的水力壓裂工具的位置的指示路徑和指示銷的一部分的示意圖；
[0018]圖10描繪了依照現(xiàn)有技術(shù)利用選擇性的水力壓裂工具可實(shí)現(xiàn)的壓裂操作順序的示意圖；
[0019]圖11描繪了利用選擇性的水力壓裂工具可實(shí)現(xiàn)的另一壓裂操作順序的示例性實(shí)施例的示意圖；
[0020]圖12描繪了利用選擇性的水力壓裂工具可實(shí)現(xiàn)的又一壓裂操作順序的示例性實(shí)施例的示意圖；
[0021]圖13是在此公開的已經(jīng)嵌在封裝材料中并分段的粉末310的微觀照片；
[0022]圖14是粉末顆粒312的示例性實(shí)施例的示意圖，就好像圖13的截面5_5所表示的示例性截面圖中顯示的那樣；
[0023]圖15是在此公開的粉末壓塊的示例性實(shí)施例的微觀照片；
[0024]圖16是利用粉末制成的圖15的粉末壓塊的示例性實(shí)施例的示意圖，所述粉末壓塊具有單層粉末顆粒，就好像沿截面7-7剖取的那樣；
[0025]圖17是利用粉末制成的圖15的粉末壓塊的另一示例性實(shí)施例的示意圖，所述粉末壓塊具有多層粉末顆粒，就好像沿截面7-7剖取的那樣；和
[0026]圖18是在此公開的粉末壓塊的屬性作為時(shí)間的函數(shù)的變化和粉末壓塊環(huán)境的狀態(tài)變化的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]參照這些附圖，在此以舉例而不是限制的方式給出了所披露的設(shè)備和方法的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)說明。
[0028]在此公開了一種選擇性的水力壓裂工具100 (如圖1、4、6和圖8所示)及方法，用于以多種配置如圖10-圖12示意性所示地壓裂鉆孔10，所述配置包括“自頂向下”、“自底向上”和“中心蠶食”。雖然上面描述的工具和方法已經(jīng)局限于通過從小直徑球開始并用接連變大的球向井口作業(yè)的如圖10所示的“自底向上”的方式壓裂鉆孔，但是，選擇性的水力壓裂工具100提供了能夠利用其實(shí)現(xiàn)各種壓裂順序的單孔方案。
[0029]圖1中示出了處于用于將工具100下入到鉆孔中的“下入”位置中的選擇性的水力壓裂工具100的示例性實(shí)施例。雖然工具100被描述成壓裂工具，但是工具100也可用于在井眼中執(zhí)行其它作業(yè)和任務(wù)。為便于描述，工具100包括井口端102和井下端104，不過應(yīng)當(dāng)明白，井口端102不一定是工具100的最靠井口端，井下端104不一定是工具100的最靠井下端，因?yàn)榫露?04和/或井口端102可以連接到工具100的包括如圖1所示的用于壓裂另外的區(qū)域的另外的重復(fù)結(jié)構(gòu)的另一段，或者可以連接到油管接頭、油管加長段或其它未顯示的井下工具部分。工具包括管狀本體106,所述管狀本體中在中心定位有軸向延伸通過所述管狀本體的鉆孔108，以用于例如但不限于壓裂流體、開采流體等的流動(dòng)。
[0030]工具包括一可膨脹球座150，所述球座允許操作者對全部區(qū)域使用單一尺寸的球，并因而用于單孔操作，所述單孔操作增加了工具100制造以及操作這二者的簡便性。雖然在這種作業(yè)中通常采用球狀球，術(shù)語球包括能落入孔108中并被捕獲并隨后從球座150被釋放的任何形狀的物體。j_機(jī)構(gòu)指示設(shè)備200為球座150的置入提供可選擇的位置，并允許球穿過球座150，而無需剪切/激活工具100。閥蓋250包括可溶解的材料，所述可溶解的材料允許插入件252封閉被壓裂區(qū)域，然后在沒有干預(yù)的情況下溶解，以在完成鉆孔10之后允許從該區(qū)域開采。
[0031]在可膨脹球座150的示例性實(shí)施例中，包括多個(gè)指狀物154的筒夾152與指示設(shè)備200相接合。球座150本身顯示在圖2A-圖2C中。指狀物154從可一體地附接于指狀物154的固定端158上的基部156縱向延伸。開口 157設(shè)置在指狀物154的固定端158附近從而為指狀物154提供柔性。指狀物154的自由端160可相對于基部156從第一狀態(tài)徑向運(yùn)動(dòng)至第二狀態(tài)，在所述第一狀態(tài)中，指狀物154的自由端160稍微向內(nèi)塌陷以提供如圖1和圖2B所示的減小的第一直徑，在所述第二狀態(tài)中，指狀物154的自由端160被偏壓回未壓縮狀態(tài)以提供如圖6和圖2C所示的增大的第二直徑?？梢岳斫獾氖?，在操作工具100時(shí)，球50與工具100結(jié)合使用，當(dāng)筒夾152處于第一狀態(tài)中時(shí)，球50具有適于被捕獲在球座150中的直徑，當(dāng)筒夾152處于第二狀態(tài)中時(shí)，球50可通過球座150。球座150還包括漏斗狀部分162，所述漏斗狀部分用于將球50引導(dǎo)至球座150中并引向指狀物154的自由端160。漏斗狀部分162可利用諸如O形環(huán)的密封件256相對于閥蓋250的閥門套筒254密封。漏斗狀部分162的井口端164包括與閥門套筒254的臺(tái)肩258鄰接的肩部166。在漏斗狀部分162的井下，指狀物154的自由端160還可以包括傾斜表面168，所述傾斜表面朝著工具100的井口端102向外擴(kuò)張，以便接收筒夾152內(nèi)的球50。當(dāng)一起壓縮時(shí)，指狀物154的傾斜表面168形成漏斗形狀,球50被接收在所述漏斗形狀中。指狀物154的自由端160在第一狀態(tài)中可通過閥門套筒254的傾斜表面260被壓縮在一起。
[0032]雖然筒夾152已經(jīng)被描述成用于形成可膨脹球座150，可膨脹球座的替換性的示例性實(shí)施例可以包括開口環(huán)或“C”形環(huán)，其中，指示設(shè)備200或連接于指示設(shè)備200的結(jié)構(gòu)在本體106與環(huán)之間的運(yùn)動(dòng)將迫使該環(huán)被壓縮，從而減少該環(huán)的內(nèi)徑，從而防止球50通過該環(huán)，直到指示設(shè)備200遠(yuǎn)離該環(huán)的運(yùn)動(dòng)打開該環(huán)，以增大該環(huán)的孔尺寸，從而允許球50通過。
[0033]在j-機(jī)構(gòu)指示設(shè)備200的示例性實(shí)施例中，設(shè)備200包括具有用于流體流動(dòng)的中心縱向孔204的指示套筒202，其中，孔204穿過管狀本體106的孔108。套筒202還包括諸如凹槽的指示路徑206，其形成在套筒202直徑周圍。圖3、5、7和圖9中顯示了指示路徑206的一部分，不過應(yīng)當(dāng)明白，路徑206可以不中斷地圍繞套筒202的周邊形成，以便使指示銷208穿過。路徑206包括:第一段210，所述第一段為延伸的縱向井口部分；第二段212，所述第二段為延伸的縱向井下部分，每個(gè)第一段210對應(yīng)兩個(gè)第二段212 ;和第三段214，所述第三段為介于第一段210之間的稍微突出的縱向井口部分，其中，第三段214連接兩個(gè)相鄰的第二段212。第一段210和第三段214的井口端226、228為停止點(diǎn)，所述停止點(diǎn)偏壓指示銷208以使其保持在其中直到從其中有目的地移除。指示銷208穿過第一、第二和第三段210、212、214，同時(shí)附接于被捕獲在指示套筒202和工具100的外中間本體部分110之間的可動(dòng)管狀區(qū)段216?？梢圆捎枚鄠€(gè)指示銷208來分配本體106周圍的載荷，在這樣的情況下，根據(jù)工具100的級，每個(gè)指示銷208將與其它銷208相對同時(shí)地位于第一、第二或第三段210、212、214上。壓縮彈簧218環(huán)繞指示套筒202并位于指示銷208的井下方以相對于指示套筒202偏壓指示銷208，指示銷208的井口方的彈簧部件220和可動(dòng)管狀區(qū)段216也環(huán)繞指示套筒202。彈簧部件220的井口端222抵接包括傾斜表面170的內(nèi)管柱172。彈簧部件220和壓縮彈簧218可以包括一系列交替的成疊彈簧墊圈。而且，雖然描繪的不同，但是，壓縮彈簧218和彈簧部件220可以為以壓縮狀態(tài)工作的任何形式的彈簧。
[0034]工具100的外中間本體部分110連接于工具100的井下本體部分112。工具100的井下本體部分112包括凹進(jìn)區(qū)段114，所述凹進(jìn)區(qū)段包括接觸壓縮彈簧218的井下端224的井口表面116。井下本體部分112的凹進(jìn)區(qū)段114附接于中間本體部分110的井下端118，其中，中間本體部分凹進(jìn)以與井下本體部分112的凹進(jìn)區(qū)段114匹配和重疊。閥門套筒254的井下端262固定附接于可動(dòng)管狀區(qū)段216，并因此環(huán)繞彈簧部件220、球座150和內(nèi)管柱172。工具100的井口本體部分120環(huán)繞閥門套筒254的井口部分。井口本體部分120的井下端122連接于外中間本體部分110。井口本體部分120包括用于通過允許壓裂流體流過其中而允許進(jìn)行壓裂操作的閥門開口 124。閥門開口 124也可用于使開采流體流過或用于其它井下作業(yè)。井口本體部分120通過剪切銷126連接于閥門套筒254。
[0035]在閥蓋250的示例性實(shí)施例中，閥蓋250包括如上所述經(jīng)由剪切銷126連接于井口本體部分120的閥門套筒254，所述閥門套筒254在其井下端262連接于可動(dòng)管狀區(qū)段216。用于密封件266的凹進(jìn)部264設(shè)置在閥門套筒254的井口端268上，用于密封件272的凹進(jìn)部270設(shè)置在閥門套筒254的中心區(qū)域上。閥蓋250還包括由可溶解材料制成的可溶解插入件252，插入件252位于設(shè)置在閥門套筒254的井口端268上的密封件266的井下方。在下入位置中，如圖1所示，插入件252與閥門開口 124對齊，以防止進(jìn)入任何區(qū)域。密封件266、272進(jìn)一步確保泵送通過孔108的任何流體在有意排出之前都不會(huì)排出工具100?？扇芙獠迦爰?52的外周比閥門開口 124的外周大，并可以具有橢圓形或長方形槽形狀、環(huán)形、矩形或橢圓形、或者被認(rèn)為壓裂作業(yè)或其它井下作業(yè)所必需的任何其它形狀?？扇芙獠迦爰?52和/或閥蓋250可以包括接合結(jié)構(gòu)以將可溶解插入件252保持在閥蓋250內(nèi)的適當(dāng)位置，直到其被溶解。這樣的接合結(jié)構(gòu)可以包括但不限于任意數(shù)量的唇部、舌部和凹槽、臺(tái)肩、嚙合齒周邊等等。也可以采用諸如銷和結(jié)合材料等附加結(jié)構(gòu)。替代性地或者另外，可溶解插入件252的材料可直接模制在閥蓋250的開口內(nèi)，使得可溶解插入件252結(jié)合到閥蓋250，直到可溶解插入件252被溶解。
[0036]美國專利公開N0.2001/0135952 (Xu等)全部內(nèi)容在此結(jié)合作為參考。插入件252的可溶解材料可以包括受控電解金屬材料300，如圖13所示，例如可從貝克休斯公司(Baker Hughes Inc)獲得的CEMTM材料。材料300用作可溶解插入件252，以在壓裂之后封閉一區(qū)域，并允許其它區(qū)域在不泄漏到前面的區(qū)域的情況下壓裂。在所有區(qū)域已被壓裂之后，材料300通過暴露于某些化學(xué)品就可以被溶解掉，在閥門套筒254中留下孔，從而允許從之前壓裂的全部區(qū)域進(jìn)行開采。可溶解插入件252包含至少部分地阻塞或堵塞閥門套筒254中的孔的障礙物、阻擋物、或?qū)有问降目山到獠牧?00。材料300起初至少部分地阻塞/堵塞該孔?；诒┞队谂c之接觸的流體，材料300然后將腐蝕、溶解、降解或以其它方式被移除。一般來說，在此所使用的術(shù)語“可降解”應(yīng)當(dāng)用來指能夠腐蝕、溶解、降解、分散或以其它方式被移除或消除，而“降解”或“降解的”同樣是描述材料腐蝕、溶解、分散或以其它方式被移除或消除。任何其它形式的“降解”也應(yīng)當(dāng)包含這個(gè)意思。流體可以是自然鉆孔流體，例如水，油等等，或者可以是為了降解所述材料300的特定目而被添加到鉆孔中的流體。材料300可以由上面提到的可降解的各種材料構(gòu)成，但是，一個(gè)實(shí)施例特別使用了高可降解的鎂基材料，其具有選擇性定制的降解率和/或屈服強(qiáng)度。在本發(fā)明中，材料本身將在后面詳細(xì)論述。該材料呈現(xiàn)優(yōu)越的強(qiáng)度，同時(shí)完整而又容易地以受控的方式、在選擇的短時(shí)間期限內(nèi)降解。該材料可在水、水基漿體、井下鹽水或酸中降解，例如，根據(jù)要求，以選定的速率(如上所述)降解。另外，可以利用表面不規(guī)則度來增大材料300暴露于降解流體的表面面積，例如凹槽、褶皺、凹陷等等。在材料300降解期間，閥門套筒254中的孔可以被打開、除去堵塞、形成和/或擴(kuò)大。因?yàn)樯厦婀_的材料300可以定制成在約4-10分鐘內(nèi)完全降解材料，所以，該孔可以根據(jù)需要實(shí)質(zhì)上立即被打開、除去堵塞、形成和/或擴(kuò)大。即使初始完全被可降解材料300阻塞，閥門套筒254中的孔也仍然被認(rèn)為并被稱為是孔，這是因?yàn)榭扇芙獠迦爰?52的可降解材料300將會(huì)被移除的。
[0037]在此所述的可溶解插入件252的材料300為輕質(zhì)、高強(qiáng)度金屬材料。這些輕質(zhì)、高強(qiáng)度且能可選擇可控制地降解的材料300包括由被涂覆的粉末材料形成的完全致密的燒結(jié)粉末壓塊，所述被涂覆的粉末材料包括各種輕質(zhì)顆粒芯和具有各種單層和多層納米級覆層的芯材料。這些粉末壓塊由被涂覆的金屬粉末制成，所述被涂覆的金屬粉末包括各種電化學(xué)活性的(例如具有較高的標(biāo)準(zhǔn)氧化電勢)輕質(zhì)、高強(qiáng)度顆粒芯和諸如電化學(xué)活性金屬的芯材料，所述芯材料散布在由金屬涂覆材料的各種納米級金屬覆層形成的多孔納米母體內(nèi)，并且在鉆孔應(yīng)用中尤其有用。這些粉末壓塊提供了機(jī)械強(qiáng)度屬性、低密度和可選擇且可控的腐蝕屬性的獨(dú)特、有利的組合，所述機(jī)械強(qiáng)度屬性例如是壓縮和剪切強(qiáng)度，所述可選擇且可控的腐蝕屬性尤其是在各種鉆孔流體中的快速且受控的溶解。例如，可以選擇這些粉末的顆粒芯和覆層，以提供適于用作高強(qiáng)度工程材料的燒結(jié)粉末壓塊，所述高強(qiáng)度工程材料具有可與包括碳、不銹鋼和合金鋼的各種其它工程材料相比的壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，但是還具有可與各種聚合物、彈性體、低密度多孔陶瓷和復(fù)合材料相比的較低的密度。作為又一示例，這些粉末和粉末壓塊材料可以構(gòu)造成響應(yīng)于環(huán)境條件的改變而提供可選擇且可控制的降解或處理，例如，響應(yīng)于緊鄰由該壓塊形成的可溶解插入件252的鉆孔的屬性或狀態(tài)的改變，包括與粉末壓塊接觸的鉆孔流體的屬性的改變，從非常慢的溶解率轉(zhuǎn)變到非常快的溶解率。所描述的可選擇且可控制的降解或處理特性還允許保持由這些材料制成的可溶解插入件252的尺寸穩(wěn)定性和強(qiáng)度，直到不再需要保持所述尺寸穩(wěn)定性和強(qiáng)度，這時(shí)，可以改變預(yù)定環(huán)境條件而通過快速溶解加速這些材料的移除，所述預(yù)定環(huán)境條件例如是鉆孔條件，包括鉆孔流體溫度、壓力或pH值。這些被涂覆的粉末材料和粉末壓塊、由其形成的工程材料以及它們的制造方法在下面進(jìn)一步描述。
[0038]參照圖13-圖18，可以進(jìn)一步搜集有關(guān)材料300的進(jìn)一步說明。在圖13中，金屬粉末310包括多個(gè)被涂覆的金屬粉末顆粒312。粉末顆粒312可以形成為提供粉末310，包括自由流動(dòng)粉末，粉末310可以澆注或其它方式設(shè)置成具有各種形狀和尺寸的各種形式或模(未顯示)，而且可用來形成在此所述的前體粉末壓塊和粉末壓塊400 (圖15和圖16)，這些粉末壓塊可用作或用于制造各種制品，包括可溶解插入件252。
[0039]粉末310的每個(gè)被涂覆的金屬粉末顆粒312包括顆粒芯314和設(shè)置在顆粒芯314上的金屬覆層316。顆粒芯314包括芯材料318。芯材料318可以包括用于形成顆粒芯314的任何合適的材料，所述顆粒芯提供了粉末顆粒312，所述粉末顆?？梢员粺Y(jié)以形成具有可選擇并可控制的溶解特性的輕質(zhì)、高強(qiáng)度粉末壓塊400。適合的芯材料包括標(biāo)準(zhǔn)氧化電勢大于或等于Zn的標(biāo)準(zhǔn)氧化電勢電化學(xué)活性金屬,包括Mg、Al、Mn、Zn或它們的組合。這些電化學(xué)活性金屬與很多常見的鉆孔流體都能很好地反應(yīng)，所述鉆孔流體包括許多離子流體或高極性流體，例如包含這種氯化物的那些流體。示例包含氯化鉀(KCl)、鹽酸(HCl)、氯化鈣(CaC12)、溴化鈣(CaBr2)或溴化鋅(ZnBr2)的流體。芯材料318還可以包括電化學(xué)活性比Zn、非金屬材料或它們的組合小的其它金屬。適合的非金屬材料包括陶瓷、合成物、玻璃或碳、或它們的組合物。芯材料318可以被選擇為在預(yù)定鉆孔流體中提供高的溶解率，但是，也可以被選擇為提供較低的溶解率，包括零溶解，其中，納米母體材料的溶解導(dǎo)致顆粒芯314快速被破壞，并從與鉆孔流體交界處的顆粒壓塊析出，使得利用這些芯材料318的顆粒芯314制成的顆粒壓塊的有效溶解率高，雖然芯材料318本身的溶解率可能很低，包括在鉆孔流體中可能基本上不能溶解的芯材料318。
[0040]關(guān)于作為芯材料318的電化學(xué)活性金屬，包括Mg、Al、Mn或Zn，這些金屬可作為純金屬使用或者彼此任意組合使用，包括這些材料的各種合金組合，包含這些材料的二元合金、三元合金或四元合金。這些組合也可以包括這些材料的合成物。此外，除了彼此組合之夕卜，Mg、Al、Mn或Zn芯材料318也可以包括其它組分，包括各種合金添加劑，以改變顆粒芯314的一個(gè)或多個(gè)性質(zhì)，例如通過增加芯材料318的強(qiáng)度，降低芯材料的密度或改變芯材料的溶解特性。
[0041]在這些電化學(xué)活性金屬中，由于Mg的密度低、能夠形成高強(qiáng)度合金、以及因其標(biāo)準(zhǔn)氧化電勢比Al、Mn或Zn高而帶來的高度的電化學(xué)活性，所以Mg無論是作為純金屬、合金、還是復(fù)合材料，都特別有用。Mg合金包括Mg作為合金組分的所有合金。組合在此所述的作為合金組分的其它電化學(xué)活性金屬的Mg合金尤其有用，包括二元Mg-ZruMg-Al和Mg-Mn合金，以及三元Mg-Zn-Y和Mg-Al-X合金，其中X包括Zn、Mn、S1、Ca、Y或它們的組合。這些Mg-Al-X合金可以包括按重量計(jì)高大約85%的Mg、高達(dá)約15%的Al以及高達(dá)約5%的X。顆粒芯314和芯材料318，尤其是包括Mg、Al、Mn、Zn或它們的組合的電化學(xué)活性金屬，也可以包括一種稀土元素或多種稀土元素的組合。在此所使用的稀土元素包括Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Er或多種稀土元素的組合。如果有,稀土元素或稀土元素的組合的量按重量計(jì)約為5%或更少。
[0042]顆粒芯314和芯材料318具有熔融溫度(TP)。在此所使用的TP包括芯材料318內(nèi)出現(xiàn)初始熔融或熔解或其它形式的局部熔融時(shí)的最低溫度，無論芯材料318包括純金屬、具有不同熔融溫度的多個(gè)相的合金，或是具有不同熔融溫度的材料的復(fù)合物。
[0043]顆粒芯314可以具有任何合適的顆粒尺寸或顆粒尺寸范圍或顆粒尺寸分布。例如，顆粒芯314可以被選擇成用于提供由如圖13所示的在平均值或均值周圍呈正態(tài)或高斯型單峰分布的所表示的平均顆粒尺寸。在另一個(gè)例子中，顆粒芯314可被選擇或混合成提供顆粒尺寸的多峰分布，包括多個(gè)平均顆粒芯尺寸，例如平均顆粒尺寸的均質(zhì)雙峰分布。顆粒芯尺寸分布的選擇可用來確定例如粉末310的顆粒312的顆粒尺寸和顆粒間距315。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，顆粒芯314可以具有約5 μ m到約300 μ m的單峰分布和平均顆粒直徑，更特別地為約80 μ m到約120 μ m的單峰分布和平均顆粒直徑，甚至更特別地為約100 μ m的單峰分布和平均顆粒直徑。
[0044]顆粒芯314可以具有任何適合的顆粒形狀，包括任何規(guī)則或不規(guī)則的幾何形狀或其組合。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，顆粒芯314為大體上類似球體的電化學(xué)活性金屬顆粒。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，顆粒芯314為大體上不規(guī)則形狀的陶瓷顆粒。在又一個(gè)示例性實(shí)施例中，顆粒芯314為碳或其它納米結(jié)構(gòu)或中空玻璃微珠。
[0045]粉末310的每個(gè)被涂覆的金屬粉末顆粒312還包括設(shè)置在顆粒芯314上的金屬覆層316。金屬覆層316包括金屬覆層材料320。金屬覆層材料320賦予粉末顆粒312和粉末310金屬性質(zhì)。金屬覆層316為納米級覆層。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，金屬覆層316的厚度可以為約25nm到約2500nm。金屬覆層316在顆粒芯314表面上的厚度可以是變化的，但是優(yōu)選具有在顆粒芯314表面上的基本上均勻的厚度。金屬覆層316可以包括單個(gè)層，如圖14所示，或者包括作為多層涂覆結(jié)構(gòu)的多個(gè)層。在單層涂覆中，或者在多層涂覆的每個(gè)層中，金屬覆層316可以包括單組分化學(xué)元素或合成物，或可以包括多個(gè)化學(xué)元素或合成物。在一層包括多個(gè)化學(xué)組分或合成物的情況下，它們可以具有各種均勻或不均勻的分布，包括金相的均勻或不均勻的分布。這可以包括梯度分布，其中，化學(xué)組分或化合物的相對量根據(jù)跨該層厚度的相應(yīng)組分分布而變化。在單層和多層覆層316中，每個(gè)相應(yīng)的層或它們的組合都可以用來為粉末顆粒312或由此形成的燒結(jié)粉末壓塊提供預(yù)定屬性。例如，預(yù)定屬性可以包括在顆粒芯314和涂覆材料320之間的冶金結(jié)合的結(jié)合強(qiáng)度；顆粒芯314和金屬覆層316之間的相互擴(kuò)散特性，包括多層覆層316的層之間的任何相互擴(kuò)散；多層覆層316的各層之間的相互擴(kuò)散特征；一個(gè)粉末顆粒的金屬覆層316與相鄰粉末顆粒312的金屬覆層之間的相互擴(kuò)散特征；相鄰燒結(jié)粉末顆粒312的金屬覆層之間的冶金結(jié)合的結(jié)合強(qiáng)度，包括多層覆層的最外層；和覆層316的電化學(xué)活性。
[0046]金屬覆層316和涂覆材料320具有熔融溫度(TC)。在此所使用的TC包括涂覆材料320內(nèi)出現(xiàn)初始熔融或熔化或其它形式的局部熔融時(shí)的最低溫度，無論涂覆材料320包括純金屬、具有熔融溫度各不相同的多個(gè)相的合金、還是復(fù)合物，其中所述復(fù)合物包括具有熔融溫度不同的多個(gè)涂覆材料層的復(fù)合物。
[0047]金屬涂覆材料320可以包括任何適合的金屬涂覆材料320，所述金屬涂覆材料320提供了可燒結(jié)的外表面321，該外表面321構(gòu)造成燒結(jié)到相鄰的粉末顆粒312，粉末顆粒312也具有金屬覆層316和可燒結(jié)的外表面321。在還包括在此所述的第二或另外的(涂覆或未涂覆)顆粒的粉末310中，金屬覆層316的可燒結(jié)的外表面321也構(gòu)造成燒結(jié)到第二顆粒的可燒結(jié)的外表面321上。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，粉末顆粒312可在預(yù)定燒結(jié)溫度(TS)下燒結(jié)，預(yù)定燒結(jié)溫度是芯材料318和涂覆材料320的函數(shù)，使得粉末壓塊400的燒結(jié)完全在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)，其中TS小于TP和TC。固態(tài)下的燒結(jié)限制了顆粒芯314/金屬覆層316對固態(tài)擴(kuò)散過程和金相遷移現(xiàn)象的相互作用，并限制了它們之間得到的交界面的生長并提供對它們之間獲得的交界面的控制。相反，例如，液相燒結(jié)的引入將用于顆粒芯314/金屬覆層316材料的快速相互擴(kuò)散，并使之難以限制它們之間得到的交界面的生長和提供對它們之間得到的交界面的控制，并由此干擾在此所述的顆粒壓塊400的所希望的微結(jié)構(gòu)的形成。
[0048]在一示例性實(shí)施例中，將選擇芯材料318以提供芯化學(xué)成分，將選擇涂覆材料320以提供涂覆化學(xué)成分，這些化學(xué)成分也將被選擇成彼此不同。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，將選擇芯材料318以提供芯化學(xué)成分，并將選擇涂覆材料320以提供涂覆化學(xué)成分，這些化學(xué)成分也將被選擇成在其交界面處彼此不同。涂覆材料320和芯材料318的化學(xué)成分可以被選擇成不同從而為粉末壓塊400提供不同的溶解率以及可選擇且可控制的溶解，粉末壓塊400包含這些化學(xué)成分，使得粉末壓塊能可選擇且可控制地溶解。這包括響應(yīng)于鉆孔狀態(tài)的改變(包括鉆孔流體中的間接或直接改變)而不同的溶解率。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，由具有制造粉末壓塊400的芯材料318和涂覆材料320的化學(xué)成分的粉末310形成的粉末壓塊400響應(yīng)于鉆孔狀況的改變而能在鉆孔流體中可選擇地溶解，所述鉆孔狀態(tài)的改變包括溫度的改變、壓力的改變、流量的改變、PH的改變、或鉆孔流體化學(xué)成分的改變、或其組合。響應(yīng)于狀態(tài)改變的可選擇的溶解可以由提高不同溶解率的實(shí)際化學(xué)反應(yīng)或過程引起，但也包含與物理反應(yīng)或過程相關(guān)聯(lián)的溶解響應(yīng)上的變化，例如鉆孔流體壓力或流量上的變化。
[0049]如圖13和圖14所示，可以選擇顆粒芯314、芯材料318、金屬覆層316和涂覆材料320以提供構(gòu)造成用于壓實(shí)和燒結(jié)以提供如圖15-圖17所示的粉末壓塊400的粉末顆粒312和粉末310，所述粉末壓塊400輕質(zhì)(即具有較低的密度)、強(qiáng)度高，并且響應(yīng)于鉆孔屬性的變化而可選擇且可控制地從鉆孔移除，包括在適當(dāng)?shù)你@孔流體中可選擇且可控制地溶解，所述鉆孔流體包括在此所公開的各種鉆孔流體。粉末壓塊400包括由納米母體材料420制成的基本上連續(xù)的多孔納米母體416，所述多孔納米母體416具有散布在整個(gè)多孔納米母體416的多個(gè)分散顆粒414?；旧线B續(xù)的多孔納米母體416和由燒結(jié)金屬覆層316形成的納米母體材料420通過壓實(shí)和燒結(jié)多個(gè)粉末顆粒312的多個(gè)金屬覆層316而形成。由于擴(kuò)散效應(yīng)與在此所述的燒結(jié)相關(guān)聯(lián)，所以納米母體材料420的化學(xué)成分可不同于涂覆材料320。粉末金屬壓塊400還包括多個(gè)分散顆粒414，分散顆粒414包括顆粒芯材料418。當(dāng)金屬覆層316燒結(jié)在一起以形成納米母體416時(shí)，分散顆粒芯414和芯材料418對應(yīng)于并由多個(gè)粉末顆粒312的多個(gè)顆粒芯314和芯材料318形成。由于擴(kuò)散效應(yīng)與在此所述的燒結(jié)相關(guān)聯(lián)，所以芯材料418的化學(xué)成分可不同于芯材料318。
[0050]在此所使用的術(shù)語基本上連續(xù)的多孔納米母體416不意味著粉末壓塊的主要組分，而是指無論按重量計(jì)還是按體積計(jì)的一種或多種次要組分。這不同于母體包括按重量計(jì)或按體積計(jì)的主要組分的大多數(shù)母體復(fù)合材料。使用的術(shù)語基本上連續(xù)的多孔納米母體用來表示納米母體材料420在粉末壓塊400內(nèi)的分布的廣泛、規(guī)則、連續(xù)和互連的性質(zhì)。在此所使用的“基本上連續(xù)”表示納米母體材料在整個(gè)粉末壓塊400中的延伸，使得所述納米母體材料在分散顆粒414之間延伸，并包圍基本上所有的分散顆粒414?；旧线B續(xù)用來表示每個(gè)分散顆粒414周圍的納米母體的完全連續(xù)且規(guī)則次序不是必須的。例如，某些粉末顆粒312上的顆粒芯314上的覆層316中的缺陷可能導(dǎo)致顆粒芯214在粉末壓塊400燒結(jié)過程中橋接，從而導(dǎo)致多孔納米母體416內(nèi)產(chǎn)生局部不連續(xù)，雖然粉末壓塊的其它部分中納米母體基本上是連續(xù)的并且呈現(xiàn)在此所述的結(jié)構(gòu)。在此所使用的“多孔”用來表示納米母體限定了包圍分散顆粒414并且還使所述分散顆粒414互連的納米母體材料420的基本上重復(fù)、互連的隔室或單元的網(wǎng)絡(luò)。在此所使用的“納米母體”用來表示母體的尺寸或尺度，尤其是相鄰分散顆粒414之間的母體厚度。燒結(jié)在一起而形成納米母體的金屬覆層本身也是納米級厚度的覆層。因?yàn)槌硕嘤趦蓚€(gè)分散顆粒414的相交處之外的大部分部位的納米母體通常包括具有納米級厚度的相鄰粉末顆粒312與兩個(gè)覆層316的相互擴(kuò)散和結(jié)合，所以，所形成的母體也具有納米級厚度(例如，近似于在此所述的覆層厚度的兩倍)，并因而描述為納米母體。進(jìn)一步地，所使用的術(shù)語分散顆粒414不意味著粉末壓塊400的次要組分，而是指無論按重量計(jì)還是按體積計(jì)的主要組分。所使用的術(shù)語分散顆粒用來在粉末壓塊400內(nèi)輸送不連續(xù)、離散分布的顆粒芯材料418。
[0051]粉末壓塊400可以具有任何期望的形狀或尺寸，包括可以機(jī)加工或以其它方式用于形成包括可溶解插入件252的有用制品的圓柱形坯件或桿。用于形成前體粉末壓塊的壓制以及用于形成粉末壓塊400并使包括顆粒芯314和覆層316的粉末顆粒312變形的燒結(jié)和壓制工序提供了粉末壓塊400的完全致密度和所期望的宏觀形狀和尺寸及其微觀結(jié)構(gòu)。粉末壓塊400的微觀結(jié)構(gòu)包括散布在燒結(jié)覆層的整個(gè)基本上連續(xù)的多孔納米母體416上并嵌入所述多孔納米母體內(nèi)的分散顆粒414的等軸配置。該微觀結(jié)構(gòu)有點(diǎn)類似于帶有連續(xù)晶界相的等軸晶微觀結(jié)構(gòu)，不同的是，其不需要使用具有能夠生成這種結(jié)構(gòu)的熱動(dòng)力相平衡屬性的合金組分。相反，該等軸分散顆粒結(jié)構(gòu)和燒結(jié)金屬覆層316的多孔納米母體416可以利用熱動(dòng)力相平衡狀態(tài)不會(huì)生成等軸結(jié)構(gòu)的組分生成。分散顆粒414和顆粒層的多孔網(wǎng)絡(luò)416的等軸形態(tài)是由粉末顆粒312在被壓實(shí)、相互擴(kuò)散和變形而填充顆粒間空間315時(shí)的燒結(jié)和變形引起的(圖13)?？梢赃x擇燒結(jié)溫度和壓力，以保證粉末壓塊400的密度實(shí)現(xiàn)基本上完全理論密度。
[0052]在如圖16和圖17所示的示例性實(shí)施例中，分散顆粒414由散布在燒結(jié)金屬覆層316的多孔納米母體416中的顆粒芯314形成，納米母體416包括固態(tài)冶金結(jié)合部417或結(jié)合層419，所述固態(tài)冶金結(jié)合部417或結(jié)合層419在整個(gè)多孔納米母體416上的分散顆粒414之間延伸，所述多孔納米母體416在燒結(jié)溫度(TS)下形成，其中TS小于TC和TP。如圖所示，固態(tài)冶金結(jié)合部417通過相鄰粉末顆粒312的覆層316之間的固態(tài)相互擴(kuò)散形成為固態(tài)，所述覆層在用于形成粉末壓塊400的壓實(shí)和燒結(jié)工序過程中被壓縮成接觸，正如在此所述的。由此，多孔納米母體416的燒結(jié)覆層316包括固態(tài)結(jié)合層419，所述固態(tài)結(jié)合層419的厚度(t)由覆層316的涂覆材料320的相互擴(kuò)散的程度限定，而涂覆材料320相互擴(kuò)散的程度又由覆層316的性質(zhì)限定，包括:覆層是單層覆層還是多層覆層，覆層被選定為促進(jìn)這樣的相互擴(kuò)散還是限制這樣的相互擴(kuò)散以及其它因素，正如在此所述的，以及燒結(jié)和壓實(shí)狀態(tài)，包括用于形成粉末壓塊400的燒結(jié)時(shí)間、溫度和壓力。
[0053]當(dāng)形成納米母體416時(shí)，包括結(jié)合部417和結(jié)合層419，可以改變金屬覆層316的化學(xué)成分或相分布或者兩者都改變。納米母體416也具有熔融溫度(TM)。在此所使用的TM包括納米母體416內(nèi)出現(xiàn)初始熔融或熔化或其它形式的局部熔融時(shí)的最低溫度，無論納米母體材料420包括純金屬、具有熔融溫度各不相同的多個(gè)相的合金、復(fù)合物(包括具有熔融溫度不同的多層各種涂覆材料的復(fù)合物)、它們的組合、或是其它。由于分散顆粒414和顆粒芯材料418是與納米母體416 —起形成的，所以，金屬覆層316的組分也可以擴(kuò)散到顆粒芯314中，這會(huì)導(dǎo)致顆粒芯314化學(xué)成分或相分布或者這兩者的變化。因而，分散顆粒414和顆粒芯材料418的熔融溫度(TDP)不同于TP。在此所使用的TDP包括分散顆粒414內(nèi)出現(xiàn)初始熔融或熔化或其它形式的局部熔融時(shí)的最低溫度，無論顆粒芯材料418包括純金屬、具有熔融溫度各不相同的多個(gè)相的合金、復(fù)合物、或是其它。粉末壓塊400在燒結(jié)溫度(TS)下形成，其中TS小于TC, TP, TM和TDP。
[0054]分散顆粒414可以包括在此所述的用于顆粒芯314的任何材料，即使分散顆粒414的化學(xué)成分可能由于在此所述的擴(kuò)散效應(yīng)而不同。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，分散顆粒414由包括標(biāo)準(zhǔn)氧化電勢大于或等于Zn的材料的顆粒芯314形成,包括Mg、Al、Zn、Mn或它們的組合，可以包括與顆粒芯314 —起的各種二元、三元和四元合金或在此所公開的這些成分的其它組合。這些材料中，具有包括Mg的分散顆粒414的材料和由在此所述的金屬涂覆材料316形成的納米母體416材料尤其有用。由Mg、Al、Zn、Mn或它們的組合制成的分散顆粒414和顆粒芯材料418還可以包括稀土元素、或在此公開的稀土元素與顆粒芯314的組合。
[0055]在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，分散顆粒414由顆粒芯314形成，所述顆粒芯314包括電化學(xué)活性比Zn小的金屬材料或非金屬材料。適合的非金屬材料包括陶瓷、玻璃(空心玻璃微珠)或碳、或它們的組合物，正如在此所述的。
[0056]粉末壓塊400的分散顆粒414可以具有任何適合的顆粒尺寸，包括在此所述的用于顆粒芯414的平均顆粒尺寸。
[0057]根據(jù)為顆粒芯314和粉末顆粒312選定的形狀以及用于燒結(jié)和壓實(shí)粉末310的方法，分散顆粒314可以具有任何適合的形狀。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，粉末顆粒312可以為類似球體或基本上類似球體，分散顆粒414可以包括在此所述的等軸顆粒配置。
[0058]分散顆粒414的散布性質(zhì)受所選定的用于制造顆粒壓塊400的一種或多種粉末310的影響。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，可以選擇具有單峰分布的粉末顆粒312尺寸的粉末310來形成粉末壓塊400，并在多孔納米母體416內(nèi)生成分散顆粒414的顆粒尺寸的基本上均質(zhì)單峰散布，如圖15所示。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，如在此描述的，可以選擇并均勻地混合多個(gè)粉末310，以提供具有粉末顆粒312尺寸均質(zhì)多峰分布的粉末310，所述多個(gè)粉末310具有帶有顆粒芯314的多個(gè)粉末顆粒，所述顆粒芯314具有相同的芯材料318、不同的芯尺寸和相同的涂覆材料320，并且可用來形成在多孔納米母體416內(nèi)具有分散顆粒414顆粒尺寸的均質(zhì)多峰散布的粉末壓塊400。同樣，在又一個(gè)示例性實(shí)施例中，可以選擇并以非均勻的方式分布多個(gè)粉末310，以提供粉末顆粒尺寸的非均質(zhì)多峰分布，所述多個(gè)粉末310具有多個(gè)顆粒芯314，所述顆粒芯314可具有相同的芯材料318、不同的芯大小和相同的涂覆材料320，并且可用來形成在多孔納米母體416內(nèi)具有分散顆粒414顆粒尺寸的非均質(zhì)多峰散布的粉末壓塊400。顆粒芯尺寸分布的選擇可用來確定例如由粉末310制成的粉末壓塊400的多孔納米母體416內(nèi)的分散顆粒414的顆粒尺寸和顆粒間距。
[0059]納米母體416為燒結(jié)到彼此的基本上連續(xù)的多孔網(wǎng)絡(luò)金屬覆層316。納米母體416的厚度取決于用來形成粉末壓塊400的一種或多種粉末310的性質(zhì)以及任何第二粉末的引入，尤其是與這些顆粒相關(guān)的覆層的厚度。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，納米母體416的厚度在粉末壓塊400的整個(gè)微結(jié)構(gòu)上基本上都是均勻的，并且包括大約2倍于粉末顆粒312的覆層316的厚度。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，多孔網(wǎng)絡(luò)416在分散顆粒414之間具有大約50nm到大約5000nm的基本上均勻的平均厚度。
[0060]如在此所述，借助通過相互擴(kuò)散和形成結(jié)合層419將相鄰顆粒的金屬覆層316燒結(jié)到彼此，而形成納米母體416。金屬覆層316可以是單層或多層結(jié)構(gòu)，并且金屬覆層可以選定成促進(jìn)和/或抑制金屬覆層316的層內(nèi)或金屬覆層316的層之間、或金屬覆層316與顆粒芯314之間、或金屬覆層316和相鄰粉末顆粒的金屬覆層316之間的擴(kuò)散，燒結(jié)過程中金屬覆層316的相互擴(kuò)散的程度取決于涂覆厚度、所選定的一種或多種涂覆材料、燒結(jié)條件及其它因素可受到限制或廣泛。盡管組分的相互擴(kuò)散和相互作用具有潛在復(fù)雜性，但是，對所獲得的納米母體416和納米母體材料420的化學(xué)成分的描述可以簡單地理解為覆層316的組分的組合，該組合還可以包括分散顆粒414的一個(gè)或多個(gè)組分，這取決于分散顆粒414與納米母體416之間發(fā)生的相互擴(kuò)散(如果有)的程度。同樣，分散顆粒414和顆粒芯材料418的化學(xué)成分可以簡單地理解為顆粒芯314的組分的組合，該組合還可以包括納米母體416和納米母體材料420的一個(gè)或多個(gè)組分，這取決于分散顆粒414與納米母體416之間發(fā)生的相互擴(kuò)散(如果有)的程度。
[0061]在一示例性實(shí)施例中，納米母體材料420具有化學(xué)成分，顆粒芯材料418的化學(xué)成分與納米母體材料420的化學(xué)成分不同，化學(xué)成分的不同可以配置成提供可選擇且可控制的溶解率，包括，響應(yīng)于緊鄰壓塊400的鉆孔的屬性或狀態(tài)的受控改變(包括與粉末壓塊400接觸的鉆孔流體的屬性的改變)，從非常慢的溶解率可選擇地轉(zhuǎn)變到非常快的溶解率，正如在此所述的。納米母體416可以由具有單層和多層覆層316的粉末顆粒312形成。這種設(shè)計(jì)靈活性尤其是在多層覆層316的情況中提供了大量的材料組合，通過控制給定層內(nèi)以及覆層316和與該覆層相關(guān)聯(lián)的顆粒芯314或相鄰粉末顆粒312的覆層316之間的覆層組分的相互作用，這些材料組合可用于定制多孔納米母體416和納米母體材料420的成分。下面提供了表明該靈活性的幾個(gè)示例性實(shí)施例。
[0062]如圖16所示，在一個(gè)示例性實(shí)施例中，粉末壓塊400由其中覆層316包括單個(gè)層的粉末顆粒312形成，由此在多個(gè)分散顆粒414中的相鄰分散顆粒之間形成的納米母體416包括一個(gè)粉末顆粒312的單個(gè)金屬覆層316、結(jié)合層419以及另一個(gè)相鄰粉末顆粒312的單個(gè)覆層316。結(jié)合層419的厚度(t)由單個(gè)金屬覆層316之間相互擴(kuò)散的程度確定，并且可以包圍納米母體416的整個(gè)厚度或納米母體416的僅僅一部分。在利用單層粉末310形成的粉末壓塊400的一個(gè)示例性實(shí)施例中，粉末壓塊400可以具有包含在此所述的Mg、Al、Zn、Mn或它們的組合的分散顆粒414，納米母體316可以包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re、或N1、或其氧化物、碳化物或氮化物、或者任意上述材料的組合，包括這樣的組合，其中包括結(jié)合層419的多孔納米母體416的納米母體材料420具有化學(xué)成分，分散顆粒414的芯材料418的化學(xué)成分與多孔納米母體416的化學(xué)成分不同。納米母體材料420和芯材料418的化學(xué)成分上的不同可用來響應(yīng)于在此所述的鉆孔屬性的改變(包括鉆孔流體屬性的改變)而提供可選擇且可控制的溶解。在由具有單個(gè)覆層配置的粉末310形成的粉末壓塊400的又一示例性實(shí)施例中，分散顆粒414包括Mg、Al、Zn、Mn或它們的組合，多孔納米母體416包括Al、Ni或它們的組合。
[0063]在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，粉末壓塊400由其中的覆層316包括具有多個(gè)覆層的多層覆層316的粉末顆粒312形成，由此在多個(gè)分散顆粒414中的相鄰分散顆粒之間形成的納米母體416包括包含一個(gè)顆粒312的覆層316的多個(gè)層(t)、結(jié)合層419以及具有另一個(gè)粉末顆粒312的覆層316的多個(gè)層。在圖16中，示出的是雙層金屬覆層316，但是應(yīng)當(dāng)明白，多個(gè)層的多層金屬覆層316可以包括任何所希望的數(shù)量的層。結(jié)合層419的厚度(t)也由相應(yīng)覆層316的多個(gè)層之間相互擴(kuò)散的程度確定，并且可以包圍納米母體416的整個(gè)厚度或納米母體416的僅僅一部分。在該實(shí)施例中，包括各覆層316的多個(gè)層可用來控制結(jié)合層419的相互擴(kuò)散、形成和厚度(t)。
[0064]如在此所述的具有包括Mg的分散顆粒414和包括各種納米母體材料的納米母體416的燒結(jié)和鍛造的粉末壓塊400已經(jīng)展示了機(jī)械強(qiáng)度和低密度的極好組合，這例示了在此所公開的輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料。例如，粉末壓塊400具有純Mg分散顆粒414和由粉末310形成的各種納米母體416，所述粉末310具有純Mg顆粒芯314以及各種單層和多層金屬覆層316，所述覆層316包括Al、N1、W或A1203或它們的組合。這些粉末壓塊400已經(jīng)受各種機(jī)械及其它測試，包括密度測試，并且它們的溶解性和機(jī)械屬性退化行為也已經(jīng)被表征，正如在此所公開的。結(jié)果表明，這些材料可以構(gòu)造成提供更大范圍的可選擇且可控制的腐蝕或溶解特性，從非常低的腐蝕速率到非常高的腐蝕速率，尤其是比沒有引入多孔納米母體的粉末壓塊(例如由純Mg粉末通過與在此處所述的各種多孔納米母體中包括純Mg分散顆粒相同的壓制和燒結(jié)過程形成的壓塊)低和高的腐蝕速率。這些粉末壓塊400也可以構(gòu)造成與由不包括在此所述的納米級涂覆的純Mg顆粒形成的粉末壓塊相比提供明顯提高的屬性。具有包括Mg的分散顆粒414和包括在此所述的各種納米母體材料420的納米母體416的粉末壓塊400已經(jīng)展示了至少約37ksi的室溫壓縮強(qiáng)度，并且進(jìn)一步展示了超過約50ksi的室溫壓縮強(qiáng)度，無論是干式還是浸于200 °?的3%KC1溶液中都是如此。相反，由純Mg粉末形成的粉末壓塊的壓縮強(qiáng)度為約20ksi或更小?？梢酝ㄟ^優(yōu)化粉末310進(jìn)一步提高納米母體金屬粉末壓塊400的強(qiáng)度，尤其是用來形成多孔納米母體416的納米級金屬覆層316的重量百分比?？梢酝ㄟ^優(yōu)化粉末310進(jìn)一步提高納米母體金屬粉末壓塊400的強(qiáng)度，尤其是用來形成多孔納米母體416的納米級金屬覆層316的重量百分比。例如，與0被％礬土相比，改變由被涂覆的粉末顆粒312形成的多孔納米母體416內(nèi)的礬土覆層的重量百分比(wt.%)即厚度，可提供21%的增加，所述粉末顆粒312包括在純Mg顆粒芯314上的多層(A1/A1203/A1)金屬覆層 316。
[0065] 具有包括Mg的分散顆粒414和包括在此所述的各種納米母體材料的納米母體416的粉末壓塊400還展示了至少約20ksi的室溫剪切強(qiáng)度。這與由純Mg粉末形成的粉末壓塊形成對比，由純Mg粉末形成的粉末壓塊的室溫剪切強(qiáng)度為約8ksi。
[0066]在此所公開的類型的粉末壓塊400能夠?qū)崿F(xiàn)的實(shí)際密度基本上等于基于粉末310的成分的壓塊材料的預(yù)定理論密度，包括顆粒芯314和金屬覆層316的組分的相對量，在此也描述為完全致密粉末壓塊。具有包括Mg的分散顆粒414和包括在此所述的各種納米母體材料的納米母體416的粉末壓塊400已經(jīng)展示了約1.738g/cm3到約2.50g/cm3的實(shí)際密度，這基本上等于預(yù)定理論密度，與預(yù)定理論密度相差最多4%。
[0067]在此所公開的粉末壓塊400可配置成響應(yīng)于鉆孔內(nèi)的狀態(tài)改變而在鉆孔流體內(nèi)可選擇且可控制地溶解。可用來提供可選擇且可控制的溶解度的狀態(tài)改變的例子包括溫度變化、壓力變化、流量變化、PH變化、鉆孔流體的化學(xué)成分變化或它們的組合。包括溫度變化的狀態(tài)改變的例子包括鉆孔流體溫度變化。例如，具有包括Mg的分散顆粒414和包括在此所述的各種納米母體材料的多孔納米母體416的粉末壓塊400在室溫3%KC1溶液中具有范圍從約O到約llmg/cm2/hr的較慢腐蝕速率,與之相比,在200 °?下具有范圍從約I到約246mg/cm2/hr的較高的腐蝕速率,這取決于不同的納米級覆層216。包括化學(xué)成分變化的狀態(tài)改變的例子包括鉆孔流體氯離子濃度或PH值或兩者的變化。例如，具有包括Mg的分散顆粒414和包括在此所述的各種納米級覆層的納米母體416的粉末壓塊400在15%HC1中展示了范圍從約4750mg/cm2/hr到約7432mg/cm2/hr的腐蝕速率。因而，響應(yīng)于鉆孔狀態(tài)改變、即鉆孔流體化學(xué)成分從KCl到HCl的變化的可選擇且可控制的溶解度可用來實(shí)現(xiàn)如圖18所圖示的特性響應(yīng)，圖18示出了在選定的預(yù)定臨界服務(wù)時(shí)間(CST)，在粉末壓塊應(yīng)用于給定應(yīng)用(例如鉆孔環(huán)境)時(shí)，可對粉末壓塊400施加狀態(tài)上的改變，這導(dǎo)致粉末壓塊400響應(yīng)于其所應(yīng)用于的環(huán)境的狀態(tài)改變而在屬性上發(fā)生可控制的改變。例如，在預(yù)定CSTJf與粉末壓塊400接觸的鉆孔流體從第一流體(例如KCl)改變到第二鉆孔流體(例如HCl )，第一流體提供了作為時(shí)間函數(shù)的第一腐蝕速率和相關(guān)的重量損失或強(qiáng)度，第二鉆孔流體提供了作為時(shí)間函數(shù)的第二腐蝕速率和相關(guān)的重量損失或強(qiáng)度，其中與第一流體相關(guān)的腐蝕速率比第二流體相關(guān)的腐蝕速率小得多。這種對鉆孔流體狀態(tài)改變的特性響應(yīng)可用來例如將臨界服務(wù)時(shí)間與尺寸損失極限或特定應(yīng)用所需的最小強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)，使得當(dāng)由在此所公開的粉末壓塊400形成的鉆孔工具或部件不再需要在鉆孔中使用時(shí)(例如CST)，鉆孔中的狀態(tài)(例如鉆孔流體的氯離子濃度)可改變成使得粉末壓塊400快速溶解而從鉆孔移除。在如上所述的例子中，粉末壓塊400以從約O到約7000mg/cm2/hr范圍的速率可選擇地溶解。該響應(yīng)范圍提供了例如通過改變鉆孔流體在I小時(shí)不到的時(shí)間內(nèi)從鉆孔移除由該材料形成的3英寸直徑球的能力。上述的可選擇且可控制的可溶解行為連同在此所述的優(yōu)異的強(qiáng)度和低密度屬性限定了新的工程分散顆粒-納米母體材料，其配置成用于接觸流體，并配置成隨著與流體接觸的時(shí)間提供下列之一可選擇且可控制的轉(zhuǎn)變:從第一強(qiáng)度狀態(tài)到低于功能性強(qiáng)度閾值的第二強(qiáng)度狀態(tài)；或從第一重量損失量到大于重量損失極限的第二重量損失量。分散顆粒-納米母體復(fù)合物是在此所述的粉末壓塊400的特征，所述分散顆粒-納米母體復(fù)合物包括納米母體材料420制成的多孔納米母體416和多個(gè)分散顆粒414，所述多個(gè)分散顆粒包括散布在母體內(nèi)的顆粒芯材料418。納米母體416的特征在于固態(tài)結(jié)合層419，所述固態(tài)結(jié)合層419在整個(gè)納米母體上延伸。與上面描述的與流體接觸的時(shí)間可以包括如上所述的CST。CST可以包括溶解與所述流體接觸的粉末壓塊400預(yù)定部分所希望或所需要的預(yù)定時(shí)間。CST也可以包括對應(yīng)于工程材料或流體或其組合的屬性改變的時(shí)間。在工程材料的屬性改變的情況下，這種改變可以包括工程材料溫度的改變。在流體的屬性改變的情況下，這種改變可以包括流體溫`度、壓力、流量、化學(xué)成分、PH或其組合的改變?？梢远ㄖ乒こ滩牧霞肮こ滩牧蠈傩缘母淖冞@兩者、或流體、或其組合，以提供所希望的CST響應(yīng)特性，包括特定屬性(例如重量損失、強(qiáng)度損失)在CST之前(例如，階段I)和CST之后(例如，階段2)的改變率，如圖18所示。
[0068]不受理論限制，粉末壓塊400由被涂覆的粉末顆粒312形成，所述粉末顆粒312包括顆粒芯314和相關(guān)的芯材料318以及金屬覆層316和相關(guān)的金屬涂覆材料320，以形成基本上連續(xù)的三維多孔納米母體416，所述多孔納米母體416包括通過燒結(jié)并相關(guān)聯(lián)地?cái)U(kuò)散結(jié)合相應(yīng)覆層316而形成的納米母體材料420，所述覆層316包括由顆粒芯材料418制成的多個(gè)分散顆粒414。這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)可以包括材料的亞穩(wěn)定組合，而這種亞穩(wěn)定組合很難或不可能通過由具有相同相對量的組成材料的熔融物固化形成?？梢赃x擇覆層和相關(guān)聯(lián)的涂覆材料，以在預(yù)定的流體環(huán)境(例如鉆孔環(huán)境)中提供可選擇且可控制的溶解，其中預(yù)定流體可以是或者注入到鉆孔內(nèi)的或者從鉆孔提取出的常用鉆孔流體。從這里的描述可進(jìn)一步明白，納米母體的受控溶解使芯材料的分散顆粒暴露出來。也可以選擇顆粒芯材料從而在鉆孔流體中也提供可選擇且可控制的溶解。作為替代，它們也可以被選擇成為粉末壓塊400提供特定的機(jī)械屬性，例如壓縮強(qiáng)度或剪切強(qiáng)度，而不必提供芯材料本身的可選擇且可控制的溶解，這是因?yàn)閲@這些顆粒的納米母體材料的可選擇且可控制的溶解將必定會(huì)釋放這些顆粒以便使之由鉆孔流體帶走?？杀贿x擇以提供強(qiáng)化相材料的基本上連續(xù)的多孔納米母體416的顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)與可被選擇以提供等軸分散顆粒414的分散顆粒414，提供了機(jī)械屬性(包括壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度)增強(qiáng)的這些粉末壓塊，這是因?yàn)榭梢钥刂朴纱诵纬傻募{米母體/分散顆粒的形態(tài)以通過類似于傳統(tǒng)強(qiáng)化機(jī)制(例如晶粒尺寸減小、通過利用雜質(zhì)原子、沉淀或經(jīng)時(shí)硬化而進(jìn)行溶液硬化)和強(qiáng)度/加工硬化機(jī)制的工序提供強(qiáng)化。納米母體/分散顆粒結(jié)構(gòu)趨向于借助于眾多的顆粒納米母體交界面以及在此所述的納米母體材料內(nèi)離散層之間的交界面限制錯(cuò)位移動(dòng)。這在這些材料的壓裂行為中給予了說明。利用未被涂覆的純Mg粉末制成并承受足以導(dǎo)致故障的剪切應(yīng)力的粉末壓塊400證實(shí)了晶間壓裂。相反，利用具有純Mg粉末顆粒芯314以形成分散顆粒414的粉末顆粒312和包括Al以形成納米母體416的金屬覆層316制成并承受足以導(dǎo)致故障的剪切應(yīng)力的粉末壓塊400證實(shí)了晶間壓裂和明顯更高的壓裂應(yīng)力，如此處所述。因?yàn)檫@些材料具有高強(qiáng)度特性，芯材料和涂覆材料可選擇成使用低密度材料或其它低密度材料，例如低密度金屬、陶瓷、玻璃或碳，否則將不會(huì)提供供所希望的應(yīng)用(包括鉆孔工具和部件)之用的必要的強(qiáng)度特性。
[0069]圖1顯示了處于下入位置中的工具100，閥蓋250處于使得可溶解插入件252與井口本體部分120的閥門開口 124對齊的位置，以防止任何流體通過閥門開口 124流入孔108或從孔108流出。閥蓋250的閥門套筒254通過閥門開口 124附近的剪切銷126附接于井口本體部分120。在下入位置中，剪切銷126和閥門開口 124之間的井口本體部分120上的臺(tái)肩128與閥門套筒254上的肩部274相抵接。也是在下入位置中，閥門套筒254的傾斜表面260向內(nèi)壓縮球座150的筒夾152的指狀物154，以使球座150處于球捕捉位置，準(zhǔn)備接收球50。指示銷208設(shè)置在指示路徑206的第二段212內(nèi)，如圖3所示。
[0070]圖4顯示了球座150內(nèi)接收球50時(shí)的工具100。由于球50完全地或至少大體上阻塞流體流過孔108，所以，球50的井口方向建立壓力，所述壓力迫使球50伴隨著球座150下向井下方向。由于球座150的基部156附接于抵接指示設(shè)備200的內(nèi)管柱172，指示設(shè)備200也朝井下方向運(yùn)動(dòng)，這使得指示銷208如圖5所示定位在作為壓裂/轉(zhuǎn)換位置的指示路徑206的第三段214內(nèi)。因?yàn)殚y門套筒254通過剪切銷126固定地附接于井口本體部分120，所以，球座150和指示設(shè)備200在剪切銷126被剪切之前不能沿井下方向進(jìn)一步移動(dòng)。如果壓力在達(dá)到剪切值之前卸載，球座150將回到下入位置，指示銷208將位于指示路徑206的第二位置212處。如果壓力增大超過剪切值，剪切銷126將剪切，閥蓋250、球座150和指示設(shè)備200將沿井下方向移動(dòng)并壓縮壓縮彈簧218，并由此使閥門開口 124暴露在井口本體部分120中。通過閥門開口 124，可以壓裂該區(qū)域，或者可以進(jìn)行其它井下作業(yè)。在此階段，球座150由于指示設(shè)備200的作用而被鎖定就位，如圖5所示，所述指示設(shè)備200使指示銷208保持在第三段214的井口端228，并且在壓力被釋放前不會(huì)從該井口端移動(dòng)。球座150的筒夾152仍然處于直徑受限的狀態(tài)，以將球50保持在其中。只要筒夾152位于傾斜表面260的井口方向，筒夾152就會(huì)保持在直徑受限的狀態(tài)。
[0071]圖6顯示了處于適當(dāng)位置的工具100，例如在特定區(qū)域上的壓裂作業(yè)完成之后，其中泵壓力從工具100的孔108釋放，使得壓力從球座150釋放。由于球50和球座150被允許朝著井口位置返回，閥門套筒254回到如圖1所示的位置，在該位置，插入件252再次阻塞閥門開口 124。壓縮彈簧218的彈簧力將閥門套筒254帶回該位置，所述彈簧力推在閥門套筒254所連接的可動(dòng)管狀部分216上。閥門套筒254的肩部274抵接井口本體部分120的臺(tái)肩128，使得插入件252與閥門開口 124適當(dāng)對齊。指示銷208指示到如圖4和6所示的位置之間的第二段212。當(dāng)壓力再次施加到球座150上的球50時(shí)，指示套筒202指示為使得指示銷208與相當(dāng)于“通過”段的第一段210對齊。在指示銷208 —直處在第一段210的延伸的縱向部分上的情況下，彈簧元件220變得被壓縮，內(nèi)管柱172被向井下拉，使得所連接的筒夾152也被向井下拉。因而，球座150的漏斗狀部分162不與閥門套筒254上的臺(tái)肩258抵接，內(nèi)管柱172的傾斜表面170不與閥門套筒254的傾斜表面260抵接，使得指狀物154的自由端160不再一起被壓縮，因而它們呈現(xiàn)筒夾152的內(nèi)徑足夠大以允許球50通過筒夾至下部區(qū)域或更井下區(qū)域的狀態(tài)。
[0072]參照圖8和圖9，球50通過后，彈簧部件220使得指示套筒202回到路徑206的第二段212，球座150回到下入位置期間的如圖1所示的直徑減小的狀態(tài)。但是，不同于圖1，圖1中的可溶解插入件252在圖8中顯示為，材料在操作者認(rèn)為適當(dāng)?shù)倪x定時(shí)間溶解，通常在全部區(qū)域已經(jīng)被壓裂之后。一旦可溶解插入件252被溶解，就提供了閥蓋250中的孔253，該孔可選擇性地與管狀本體106中的閥門開口 124對齊。
[0073]如圖10所示，當(dāng)前通過傳統(tǒng)裝備實(shí)現(xiàn)的以及通過選擇性的水力壓裂工具實(shí)現(xiàn)的壓裂操作順序?yàn)椤白缘紫蛏稀狈绞健ｃ@孔10的示意圖包括最靠近地表部位的井口端12和最遠(yuǎn)離地表部位的井下端14，其中地表部位是井底工具的進(jìn)入位置。所示的鉆孔10帶有七個(gè)作為壓裂作業(yè)目標(biāo)的區(qū)域，包括區(qū)域16、18、20、22、24、26和28，不過可以將不同數(shù)量的區(qū)域作為目標(biāo)。在“自底向上”的方式中，第一壓裂作業(yè)I在區(qū)域28進(jìn)行，第二壓裂作業(yè)2在區(qū)域26進(jìn)行，第三壓裂作業(yè)3在區(qū)域24進(jìn)行，第四壓裂作業(yè)4在區(qū)域22進(jìn)行，第五壓裂作業(yè)5在區(qū)域20進(jìn)行，第六壓裂作業(yè)6在區(qū)域18進(jìn)行，第七壓裂作業(yè)7在區(qū)域16進(jìn)行。因而，以“自底向上”的順序，最下方/最遠(yuǎn)處的區(qū)域28首先被壓裂，然后沿著鉆孔向上，通過壓裂各個(gè)接續(xù)區(qū)域而完成壓裂作業(yè)。在傳統(tǒng)壓裂工具中，初始壓裂可通過將小直徑球落入工具中實(shí)現(xiàn)，然后將更大尺寸的球接連落入，同時(shí)拓展(working up)井眼。在所有區(qū)域被壓裂之后，球流回地表，以便開采。
[0074]圖11和圖12分別顯示了通過在此所述的選擇性的水力壓裂工具、而不是通過傳統(tǒng)井下工具實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)替代性的壓裂作業(yè)順序。圖11顯示了與圖10所示的“自底向上”方式相反的“自頂向下”方式。換句話說，第一壓裂作業(yè)I在區(qū)域16進(jìn)行，第二壓裂作業(yè)2在區(qū)域18進(jìn)行，第三壓裂作業(yè)3在區(qū)域20進(jìn)行，第四壓裂作業(yè)4在區(qū)域22進(jìn)行，第五壓裂作業(yè)5在區(qū)域24進(jìn)行，第六壓裂作業(yè)6在區(qū)域26進(jìn)行，第七壓裂作業(yè)7在區(qū)域28進(jìn)行。以該“自頂向下”順序，最高處的區(qū)域16首先被壓裂，然后沿著鉆孔向下作業(yè)，通過壓裂各個(gè)接續(xù)區(qū)域而完成壓裂。該順序利用傳統(tǒng)壓裂工具是不可能的，因?yàn)樽系那驎?huì)防止操作者形成下方的區(qū)域，并且即使能夠從座上移除球，剛剛壓裂的區(qū)域也會(huì)保持開口，因此當(dāng)試圖在下部區(qū)域進(jìn)行壓裂時(shí)，所有的泵送都不能到達(dá)上部區(qū)域。但是，在選擇性的壓裂工具中，在壓裂上部區(qū)域之后，球必須通過可膨脹的球座以壓裂任何下部的區(qū)域，使用單個(gè)球就可以壓裂所有區(qū)域。
[0075]圖12顯示了“中心蠶食”壓裂作業(yè)順序，其中，第一壓裂作業(yè)I在區(qū)域28進(jìn)行，第二壓裂作業(yè)2在區(qū)域16進(jìn)行，第三壓裂作業(yè)3在區(qū)域26進(jìn)行，第四壓裂作業(yè)4在區(qū)域18進(jìn)行，第五壓裂作業(yè)5在區(qū)域24進(jìn)行，第六壓裂作業(yè)6在區(qū)域20進(jìn)行，第七壓裂作業(yè)7在區(qū)域22進(jìn)行。因而，在“中心蠶食”壓裂作業(yè)中，從最低區(qū)域到最高區(qū)域以交替的方式壓裂這些區(qū)域，直到到達(dá)中心區(qū)域。在壓裂上部區(qū)域之后，球必須通過可膨脹的球座以壓裂任何下部區(qū)域。壓裂上部區(qū)域之后，利用該球壓裂相應(yīng)的下部區(qū)域。在所示的實(shí)施例中，區(qū)域16球然后將通過區(qū)域26，然后壓裂該區(qū)域。
[0076]雖然已經(jīng)描述了兩個(gè)另外的壓裂作業(yè)順序，但是，應(yīng)當(dāng)明白，可以利用該選擇性的水力壓裂工具以操作者認(rèn)為合適的任何順序或者適合于鉆孔狀態(tài)的任何順序?qū)︺@孔的區(qū)域進(jìn)行壓裂。
[0077]雖然本發(fā)明是參照示例性實(shí)施例進(jìn)行描述的，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，在沒有背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改變，也可以利用等效物來代替其元件。另外，在沒有脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍的情況下，可以進(jìn)行許多改進(jìn)，以使具體情形或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)。所以，本發(fā)明不局限于作為執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式的所公開的特定實(shí)施例，而是，本發(fā)明包括落入權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)的所有實(shí)施例。而且，在附圖和說明書中披露的都是本發(fā)明的示例性實(shí)施例，雖然可能采用了特定術(shù)語，但是，除非另有說明，這些特定術(shù)語僅用于一般和描述性意義，而不是用于限制目的，本發(fā)明的范圍不由此限定。此外，術(shù)語第一、第二等的使用不表示任何次序或重要程度，而是用來將一個(gè)元件與另一個(gè)元件相互區(qū)分開。此外，術(shù)語“一”等的使用不表示數(shù)量的限制，而是表示存在至少一個(gè)所引用的對象。
【權(quán)利要求】
1.一種選擇性的井下工具，包括: 管，所述管具有能夠使流體從中通過的縱向孔并且具有位于所述管的壁中的閥門開Π ； 可膨脹球座，所述可膨脹球座能夠選擇性地在第一尺寸與更大的第二尺寸之間運(yùn)動(dòng)，所述第一尺寸設(shè)計(jì)成捕獲球以阻止通過所述管的流動(dòng)，所述第二尺寸設(shè)計(jì)成釋放該球通過所述管；和 閥蓋，所述閥蓋能夠在所述管內(nèi)縱向地運(yùn)動(dòng)，所述閥蓋包括可溶解的插入件。
2.如權(quán)利要求1所述的選擇性的井下工具，其中，閥蓋與球座配合，并能夠響應(yīng)于管內(nèi)的壓力變化而與球座一起縱向移動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1所述的選擇性的井下工具，其中，插入件在第一狀態(tài)中覆蓋所述閥門開口，并能夠在管內(nèi)縱向運(yùn)動(dòng)以在弟二狀態(tài)中暴露閥門開口。
4.如權(quán)利要求3所述的選擇性的井下工具，其中，插入件在第三狀態(tài)中重新覆蓋所述閥門開口，其中，球座在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)中具有第一尺寸，在第三狀態(tài)中具有第二尺寸。
5.如權(quán)利要求4所述的選擇性的井下工具，其中，插入件在第四狀態(tài)中被溶解。
6.如權(quán)利要求1所述的選擇性的井下工具，其中，可膨脹的球座包括具有多個(gè)指狀物的筒夾，指狀物的自由端從所述第一尺寸運(yùn)動(dòng)到所述第二尺寸，一基部連接到指狀物的固定端。
7.如權(quán)利要求1所述的選擇性的井下工具，還包括能與可膨脹的球座相接合的指示設(shè)備，所述指示設(shè)備能夠?qū)⒖膳蛎浀那蜃i定在第一尺寸和第二尺寸之一。
8.如權(quán)利要求7所述的選擇性的井下工具,其中，指示設(shè)備包括具有指示路徑的指示套筒、能相對于指示套筒運(yùn)動(dòng)的指示銷和作用在指示銷上的至少一個(gè)彈簧偏壓部件。
9.如權(quán)利要求8所述的選擇性的井下工具，其中，所述至少一個(gè)彈簧偏壓部件包括位于指示銷一側(cè)上的壓縮彈簧和位于指示銷相反一側(cè)上的壓縮彈簧。
10.如權(quán)利要求8所述的選擇性的井下工具，其中，指示路徑包括用于將球座鎖定在所述第二尺寸的向井口延伸的第一段、允許指示銷運(yùn)動(dòng)的向井下延伸的第二段、和用于將球座鎖定在所述第一尺寸的向井口延伸的比第一段短的第三段。
11.如權(quán)利要求10所述的選擇性的井下工具，其中，指示路徑為圍繞指示套筒的直徑的連續(xù)路徑，所述指示路徑包括介于每個(gè)第一段和第三段之間的第二段。
12.如權(quán)利要求1所述的選擇性的井下工具，還包括在工具下入狀態(tài)下將閥蓋固定地連接于所述管的剪切銷。
13.如權(quán)利要求1所述的選擇性的井下工具，其中，可溶解的插入件包括能選擇性降解的材料，所述能選擇性降解的材料具有由電化學(xué)活性金屬形成的燒結(jié)粉末壓塊。
14.一種操作井下工具的方法，該方法包括: 將井下工具下入到鉆孔中，該井下工具包括管，所述管具有由閥蓋覆蓋的閥門開口； 縱向移動(dòng)閥蓋，以使閥門開口暴露出來； 在通過閥門開口進(jìn)行作業(yè)之后，通過閥蓋重新覆蓋閥門開口；和 溶解閥蓋的一部分，以再次暴露閥門開口。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括:對于多個(gè)閥門開口和相應(yīng)的閥蓋重復(fù)地進(jìn)行暴露閥門開口、通過閥門開口進(jìn)行作業(yè)和重新覆蓋閥門開口，隨后溶解這些閥蓋上的一部分以暴露這些閥門開口。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述作業(yè)是在鉆孔的多個(gè)區(qū)域上進(jìn)行的壓裂作業(yè)，所述方法還包括:在溶解閥蓋上的一部分之后，允許開采流體通過閥門開口進(jìn)入。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，通過閥門開口進(jìn)行的作業(yè)順序是自頂向下的順序，其中，通過最靠井口的閥門開口進(jìn)行首先的作業(yè)，通過最靠井下的閥門開口進(jìn)行最后的作業(yè)。
18.如權(quán)利要求15所 述的方法，其中，通過閥門開口進(jìn)行的作業(yè)順序是中心蠶食順序，其中，通過靠近中心閥門開口的井下閥門開口和井口閥門開口，交替進(jìn)行連續(xù)作業(yè)。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括: 使球落入管中可膨脹的球座中； 將球捕獲在球座內(nèi)； 在管內(nèi)建立壓力，并向井下方向?qū)η蚝颓蜃┝Γ缓停? 排放泵送壓力； 其中，閥蓋隨著管內(nèi)壓力的建立而進(jìn)行縱向運(yùn)動(dòng)，并且閥門開口隨著泵送壓力的排放而被閥蓋重新覆蓋。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，在將井下工具下入到鉆孔內(nèi)的同時(shí)，將閥蓋通過剪切螺紋件固定地附接到管上，所述方法還包括:在閥門開口與鉆孔內(nèi)的目標(biāo)區(qū)域?qū)R之后，剪切掉該剪切螺紋件。
【文檔編號】E21B21/10GK103688014SQ201280036266
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月28日
【發(fā)明者】M·麥科伊, M·索爾夫羅克 申請人:貝克休斯公司