利用有限元分析设计防喷器密封件的方法

专利名称：利用有限元分析设计防喷器密封件的方法
技术领域：
本申请披露的实施方案总体上涉及用于油气工业的防喷器(blowout preventer)。具体地，所选择的实施方案涉及设计和制造防喷器密封件的方 法，其中密封件可包括弹性体和刚性材料。
背景技术：
井控是油气勘探的重要方面。例如，在钻井时，必须将安全装置放置 于合适的位置，以避免伴随钻井作业发生的意外情况对人员造成伤害以及 对设备造成破坏。
钻井包括穿透各种地下地质构造或"层"。有时，井筒将穿透地层压力 明显高于井筒中压力的层。在出现这种情况时称井已溢流。伴随溢流出现 的压力升高通常是由地层流体(可以是液体、气体或它们的组合)流入井筒所 引起。压力较高的溢流往往从进入井筒的位置向井口蔓延(从高压区域向低 压区域)。如果允许溢流到达地面，则可能将钻井液、钻具和其它钻井结构 件从井筒中喷出。这种"井喷"可造成钻井设备(包括例如钻机)的严重破坏和 钻机操作人员的重大伤亡。
鉴于井喷的风险，将称为防喷器的装置安装在位于地表的井头上方或 者在深水钻井布置中安装于海底，以有效地密封井筒，直至可采取积极的 措施控制溢流。可起动防喷器，以使溢流得到充分地控制并"循环"离开 系统。防喷器有数种，其中最常见的为套筒式环空防喷器(annular blowoutpreventer)(包4舌球形防喷器)和闸才反式防喷器(ramblowoutpreventer)。将对这 些类型的防喷器进行更为详细地讨论。
套筒式环空防喷器通常使用具有金属插入物的大型环形橡胶或弹性密 封件，将该密封件称为"密封胶芯(packingunits)"。可起动防喷器内的密封胶 芯，以包围钻杆和钻具，从而完全密封钻杆或钻具与井筒之间的"环空"。在 密封胶芯的孔内没有钻杆或钻具的情况下，可压缩密封胶芯以使密封胶芯 的孔完全闭合。因而，套筒式环空防喷器的完全闭合的密封胶芯所起的作 用类似于截止阀。通常，密封胶芯密封钻杆周围，其中可手动或借助机械 快速压缩密封胶芯，以作用于其周围的密封件，来防止井压造成井喷。
授予Knox并转让予本发明的受让人的美国专利No. 2,609,836中披露 了具有密封胶芯的套筒式环空防喷器的实例，在此引入其全文作为参考。 Knox的密封胶芯包括多个嵌于弹性体中的金属插入物，其中金属插入物与 弹性体完全结合。金属插入物在从密封胶芯中轴延伸至井筒的径向平面内 以大致为环形的方式隔开。当径向压缩密封胶芯进行密封来抵御井压时， 插入物为弹性体提供结构支撑。在围绕钻杆压缩密封胶芯或压缩密封胶芯 本身时，径向向内挤压弹性体，使得金属插入物也径向向内移动。
现参考图1，示出了包括外壳102的套筒式环空防喷器101。套筒式环 空防喷器101具有从其中穿过与井筒103相称的孔120。然后'围绕孔120和 井筒103将密封胶芯105设置于套筒式环空防喷器101内。密封胶芯105 包括弹性环形体107和多个金属插入物109。金属插入物109设置在密封胶 芯105的弹性环形体107内，所述金属插入物109以大致为环形的方式分 布并在从井筒103延伸的径向平面内隔开。此外，密封胶芯105包括与防 喷器101的孔120同心的孔111。
通过泵入活塞腔112的开口 113的流体，起动套筒式环空防喷器101。 流体对活塞117施加压力，由此使活塞117向上运动。随着活塞117向上运 动，活塞117经由楔形面118将力传递给密封胶芯105。从楔形面118传递 给密封胶芯105的力向上朝向套筒式环空防喷器101的可拆卸顶盖119并 向内朝向井筒103和套筒式环空防喷器101的中轴。由于密封胶芯105抵 靠套筒式环空防喷器101的可拆卸顶盖119，因而密封胶芯105没有因为活 塞117传递给它的力而向上移动。然而，密封胶芯105由于所传递的力而 向内移动，由此将密封胶芯105压向套筒式环空防喷器101的井筒103的中轴。当钻杆处于孔120内时，在充分的径向压缩下，密封胶芯105密封
钻杆周围，进入"闭合位置"。图5示出了闭合位置。当没有钻杆存在时， 在充分的径向压缩下，密封胶芯105完全封闭孔111。
当流体泵入活塞腔112的开口 115而不是开口 113时，套筒式环空防 喷器101进行类似的反向运动。流体将力向下传递给活塞117,从而活塞117 的楔形面118允许密封胶芯105径向张开至"开放位置"。图4示出了开放 位置。此外，套筒式环空防喷器101的可拆卸顶盖119使得能够触及密封 胶芯105,从而可在需要的情况下维护或更换密封胶芯105。
现同时参考图2、 3A和3B，更详细地示出了用于套筒式环空防喷器 101的密封胶芯105和金属插入物109。在图2中，密封胶芯105包括弹性 环形体107和多个金属插入物109。金属插入物109以大致为环形的方式分 布并在密封胶芯105的弹性环形体107内于径向平面中隔开。图3A和3B 示出了金属插入物109的实例，所述金属插入物109可设置并嵌于密封胶 芯105的弹性环形体107内。通常，金属插入物109嵌入弹性环形体107 并与弹性环形体107完全结合，从而为密封胶芯105提供结构支撑。环形 体107和金属插入物109之间的结合限制了环形体107和插入物109之间 的相对运动，可知所述运动导致弹性环形体107内的弹性体失效。对密封 胶芯内弹性体和金属插入物之间结合的更多讨论可参见授予Simons并转让 予本发明的受让人的美国专利No. 5,851,013,在此引入其全部内容作为参 考。
现参考图4和图5,示出了处于开放位置(图4)和处于闭合位置(图5) 的密封胶芯105的实例。当处于开放位置时，密封胶芯105松开，没有受 压而密封钻杆151周围，使得在密封胶芯105和钻杆151之间形成间隙， 从而允许流体通过环空。如图5所示，当处于闭合位置时，密封胶芯105 受压而密封钻杆周围151，从而不允许流体通过环空。因而，防喷器可闭合 密封胶芯105进行密封，来抵御下方发生井喷所造成的井筒压力。
类似地，球形防喷器使用具有金属插入物的大型半球形弹性密封件作 为密封胶芯。参考图6，示出了围绕井筒轴103设置的球形防喷器301的实 例。图6选自美国专利No. 3,667,721(授予Vujasinovic，引入其全文作为参 考)。因而，球形防喷器301包括通过多个螺栓311可拆卸地固定在一起的 下部外壳303和上部外壳304,其中外壳构件303、 304可具有曲面球形内表面。密封胶芯305设置于球形防喷器301内，且通常包括相应于外壳构 件303、 304的曲面球形内表面的曲面弹性环形体307和多个曲面金属插入 物309。因此，金属插入物309以大致为环形的方式设置在环形体307内并 在从井筒103的中轴延伸的径向平面内隔开。
另外，闸板式防喷器也可包括具有金属插入物的弹性密封件。大型密 封件通常设置于防喷器闸板之上或设置于防喷器闸板的前缘之上以提供其 间的密封。现参考图7,示出了包括外壳703、防喷器闸板705和顶部密封 件711的闸板式防喷器701。对于图7,仅示出了一个防喷器闸板705，然 而通常将两个相应的防喷器闸板705设置于井筒103彼此相对的两侧(示于 图8)。闸板式防喷器701包括从其中穿过的孔720、固定于外壳703的阀盖 707和活塞驱动杆709,且围绕井筒103的中轴设置。杆709连接在防喷器 闸板705上，可驱动杆709朝向井筒103向内移动。防喷器闸板705可为 钻才干闸才反(pipe ram)或变径闸4反(variable bore ram)、剪切闸斧反(shear ram)或全 封闭闸板。起动时，管状和变径闸板移动，从而接合并包围钻杆和/或钻具， 以密封井筒。与之相对，剪切闸板接合并物理剪切井筒103中的任意测井 电缆、钻杆和/或钻具，而全封闭闸板在不存在障碍物的情况下封闭井筒103 。 对闸板式防喷器的更多讨论可参见授予Berckenhoff并转让于本发明的受让 人的美国专利6,554,247，在此引入其全部内容作为参考。
现参考图8，更详细地示出了用于闸板式防喷器701的防喷器闸板 705A、 705B和顶部密封件711A、 711B。如图所示，顶部密封件711A、 711B 分别设置在防喷器闸板705A、 705B的凹槽713内，并密封防喷器闸板705 顶部和外壳703之间(示于图7)。如图所示，防喷器闸板705A为具有顶部 密封件711A的上剪切防喷器闸板，防喷器闸板705B为具有顶部密封件 711B的下剪切防喷器闸板。起动时，防喷器闸板705A、 705B移动，从而 接合，其中剪切件(shear)715A接合在剪切件715B的上方，以物理剪切钻杆 151。当防喷器闸板705A、 705B移动时，顶部密封件711A、 711B密封外 壳703,以避免外壳703和防喷器闸板705A、 705B之间的任何泄压或泄流。
现参考图9A和9B，更详细地示出了顶部密封件711A、 711B。具体如 图9A所示，顶部密封件711A、 711B包括弹性带751、连接于弹性带751 各端的弹性部分(elastomeric segment)753、设置在各弹性部分753内的金属 插入物755。防喷器闸板705A(即上剪切防喷器闸板)的顶部密封件711A还可包括连接于弹性部分753之间的支撑结构件757。如图9B中的截面图所 示，设置在弹性部分753内的金属插入物755具有H形截面。金属插入物 755的H形截面为弹性部分753提供支撑和最佳的刚度。此外，应当理解 的是，顶部密封件711A、 711B可与钻杆闸板、全封闭闸板或剪切闸板(示 于图8)—同使用。
现参考图10,示出了用于闸板式防喷器(例如图7的701)的具有顶部密 封件和闸板封隔器(rampacker)717A的防喷器闸板705A。图IO选自美国公 布No. US 2004/0066003 Al(授予Griffen等，在此引入其全文作为参考)。取 代剪切闸板(示于图7和图8)，图10示出了具有变径闸板封隔器717A的钻 杆闸板组件，该变径闸板封隔器717A包括弹性体和金属。如图所示，变径 闸板封隔器717A包括半椭圆形弹性体761，金属封隔器插入物763模制于 该弹性体761中。金属封隔器插入物763布置在弹性体761的孔765的周 围。如以上针对钻杆闸板或变径闸板所述，起动时，闸板封隔器717A(和与 闸板封隔器717A相对设置的相应闸板封隔器一起)移动，从而接合并包围 设置于孔765中的钻杆和/或钻具，以密封井筒。
对于防喷器中包括弹性体和金属的任意密封机构(例如环形和球形防 喷器中的密封胶芯以及闸板式防喷器中的顶部密封件和闸板封隔器)，可施 加负载以承受防喷器各部件之间的压力。例如，对于图1所示的套筒式环 空防喷器，当流体压力从活塞117和楔形面118传递给密封胶芯105而朝向 井筒103的中轴闭合密封胶芯105时，流体压力在密封胶芯105内接触密 封表面(例如楔形面117和钻杆151)的面和体处引起应力和应变，从而密封 以抵御来自下方的井筒压力。密封胶芯105中出现的应力与传递给密封胶 芯105的流体压力近似成正比。
由于防喷器密封件经受应力，因而密封件材料将产生应变以适应应力 并提供密封接合。密封件材料中出现的应变量取决于材料的弹性模量。弹 性模量是应力和应变之比的量度并可描述为向材料施加压力时材料的变形 趋势。例如，对于任意给定的应力，弹性模量高的材料产生的应变少于弹 性模量低的材料。对于用于防喷器密封件的材料，金属插入物的弹性模量 明显大于弹性部分的弹性模量。例如，钢的弹性模量(通常为约30,000,000 psi; 200 GPa)近似为大多数弹性体的弹性模量(通常为约1,500 psi; 0.01 GPa) 的20，000-30，000倍。按照常规，在检验、设计和制造防喷器密封件例如防喷器用密封胶芯 时，密封件内出现应力和/或应变(即应力集中、应变集中)的位置和量最重 要、最受关注且进行地分析最多。在密封件经受负载时(例如套筒式环空防 喷器的密封胶芯围绕钻杆或围绕其自身反复周期性闭合)，评价密封件中出 现的应力和应变的大小和方向，以确定密封件的性能。用于进行这种评价
的常用方法为有限元分析("FEA")。具体地，FEA可用于模拟和评价给定的 位移状态下密封件中出现的应力和/或应变集中。
通常，通过FEA,利用有限元将防喷器密封件模型化，以确定不同位 移状态下密封件的性能。例如，可通过FEA模型化，模拟处于如下位移状 态的套筒式环空防喷器用密封胶芯移至围绕钻杆的闭合位置，在该位移 状态下密封胶芯压在套筒式环空防喷器的活塞和可拆卸顶盖与钻杆之间。 可利用FEA模型生成密封件(在该实例中为密封胶芯)的应变曲线图，以显 示在特定位移状态下密封件内的应变集中。
然而，这种应变集中的评价可能不能够提供防喷器密封件性能的最准 确预测和表达。通常，防喷器密封件由于可能经受的应力而承受极大的应 变量。例如，在将密封胶芯压入闭合位置而密封一段钻杆周围时，密封胶 芯的弹性体在应变集中区域可能承受超过300。/。的应变。此外，在没有钻杆 存在的情况下，密封胶芯在密封其自身周围时可能开始承受约400-450%的 应变。这种高应变，特别是反复地、周期性地作用于密封件时，通常导致 密封件最终失效。
此外，如上所述，防喷器密封件中的金属和弹性体通常具有明显不同 的弹性模量。由于这种弹性模量之间的差异，当结合在一起时，在防喷器 中受压的情况下，在密封件中金属往往控制弹性体的"流动"和变形。在 大量应变，特别是反复周期性位移造成的应变下，加之密封件材料的弹性 模量之间存在明显差异，FEA评价应变集中可能不能够准确地表现密封件 的性能。
在FEA应用中，由多个有限元(即离散域)构成的几何相似图像 (geometrically similar representation)(通常称为网格)可代表包括刚性材料和 弹性体的密封件。有限元相互作用以模拟密封件并提供不同位移状态的模 拟数据和结果。然而，材料的弹性模量具有明显差异的高应力和/或应变(即 应力和/或应变集中)区域内的有限元可能非正常地变形。可能出现的有限元的常见非正常变形包括单元自身坍塌，不受束縛的变形或蒙受应力、应变 和/或能量的损失。除有限元的其它非正常变形以外，这些非正常变形可产 生模型中出现的应力和应变的不准确结果。
按照常规，在FEA产生错误结果时，增加网格的有限元数量，以至少
在一些选定位置(例如高应力或应变集中的区域)获得较好的分辨率。因而，
在通过FEA进行模型化时，与其它区域相比，应力和/或应变集中的区域常 常受到更集中的"关注"。然而，这种过程可允许这种分析主要集中于密封 件模型的应力和/或应变集中区域，,人而4寻出可能受限和/或不准确的解。例 如，FEA常常增加密封件模型中这些集中区域的有限元数量(因而进一步复 杂化)，来提高集中区域内模拟应力和应变的准确性。还可对密封件模型的 应变集中区域采取同样的做法。然而，应当理解的是，增加有限元数量或 减小网格尺寸可增加求解时间和所需幂次的计算量。这可能导致解停止(由 于计算误差)和/或得出不准确的结果。
现参考图11,示出了 FEA中应变(y轴)与迭代次数(x轴)的关系曲线。 具体地，示于y轴的模拟应变可以是模拟处于给定位移状态的密封件模型 有限元时沿特定方向出现的主应变的大小。例如，本领域技术人员应当理 解的是，该图的y轴可显示模拟处于一定位移状态(例如围绕钻杆闭合密封 胶芯)的密封件模型时有限元中出现的主应变(例如沿z轴方向出现的应变， y轴和z轴平面中出现的剪切应变)的大小。此外，示于x轴的迭代次数表 示模型化密封件时所进行的FEA模拟量。因而，每次"迭代"表示执行一 次FEA过程，来模拟防喷器密封件的位移，从而确定密封件模型有限元的 应变大小。
在这种逼近过程中，网格(密封件模型)中有限元的分辨率随着每次迭代 而提高。具体地，如上所述，常采取的做法是提高承受大量应力和/或应变 的区域中的网格有限元的分辨率。然而，由于金属增强弹性体密封件的特 性，这种局域化分析可能产生与实验观察到的解不相关的FEA应力和/或应 变输出。此外，FEA应力和/或应变输出可能由于复杂性而根本不能够收敛 于解。
如图所示，在图ll的y轴上，确定并示出了处于一定位移状态的防喷 器密封件沿模拟主应变方向出现的有限元理论应变。随着FEA模型的迭代 次数增加，得出的模拟应变解(即通过FEA形成的每次迭代得出的应变点的趋势线)可能不符合并收敛于可比位移状态下的理论应变。示出了理论应变
的±约1%的公差带，来表示可接受的模拟应变解收敛范围。FEA应力和/或
应变输出收敛的概念可理解为，当模拟应力/应变解达到落在公差带内的解 时，随着解的进一步迭代继续进行，模拟应力/应变解继续保持落在公差带 内。
因而，如图所示，当设计和制造包括刚性插入物的高应变弹性密封件
时，通过FEA预测的理论应力和应变与实际应力和应变之间可能存在明显 的偏差。因此，目前模型化以及分析防喷器密封件的方法不能够提供足够 的信息来改善防喷器密封件的设计和制造。

发明内容
一方面，本申请披露的实施方案涉及制造防喷器密封件的方法。该方 法包括选择密封件设计，根据所选择的密封件设计生成第一有限元分析 密封件模型，平滑化第一有限元分析密封件模型，基于位移状态分析平滑 化第 一有限元分析密封件模型的应变曲线图，以及制造密封件。
另一方面，本申请披露的实施方案涉及检验防喷器密封件的方法。该 方法包括生成第一有限元分析密封件模型，平滑化第一有限元分析密封 件模型，基于位移状态分析平滑化第一有限元分析密封件模型的应变曲线 图，以及将平滑化第 一有限元分析密封件模型的应变曲线图与至少 一个特 定标准进行比较。
此外，另一方面，本申请披露的实施方案涉及优化防喷器密封件的方 法。该方法包括平滑化第一有限元分析密封件模型，基于位移状态分析 平滑化第 一有限元分析密封件模型的应变曲线图，基于所分析的平滑化第 一有限元分析密封件模型的应变曲线图生成第二有限元分析密封件模型， 平滑化第二有限元分析密封件模型，基于位移状态分析第二平滑有限元分
析密封件模型的应变曲线图，重复分析和生成平滑有限元分析密封件模型， 直至获得优化密封模型。
通过以下说明和所附权利要求，本申请披露的实施方案的其它方面和 优势将显而易见。


图l是套筒式环空防喷器的截面图。
图2是套筒式环空防喷器用密封胶芯的截面图。
图3A是套筒式环空防喷器用密封胶芯的金属插入物的透视图。
图3B是套筒式环空防喷器用密封胶芯的替换性金属插入物的侧视图。
图4是处于松开位置的现有套筒式环空防喷器用密封胶芯的截面图。
图5是处于闭合位置的套筒式环空防喷器用密封胶芯的截面图。
图6是球形防喷器的截面图。
图7是闸板式防喷器的截面图。
图8是闸板式防喷器的闸板剪切件的透视图。
图9A是闸板式防喷器的防喷器闸板的顶部密封件的透视图。
图9B是闸板式防喷器的防喷器闸板的顶部密封件的截面图。
图10是闸板式防喷器的防喷器闸板的变径闸板封隔器的透视图。
图11是应变与FEA迭代次数的关系图。
图12是根据本申请披露的实施方案制造防喷器密封件的方法的流程图。
图13是根据本申请披露的实施方案二维曲线图(利用x轴和z轴)形式
的环形密封胶芯截面轴向轮廓图。
图14是根据本申请披露的实施方案二维曲线图(利用x轴和y轴)形式
的环形密封胶芯截面径向轮廓图。
图15是根据本申请披露的实施方案三维曲线图(利用x、 y和z轴)形式
的环形密封胶芯的密封件模型的 一部分。
图16是根据本申请披露的实施方案三维曲线图(利用x、 y和z轴)形式
的环形密封胶芯的密封件网格的 一部分。
图17A是套筒式环空防喷器用密封胶芯的金属插入物的端视图。
图17B是根据本申请披露的实施方案套筒式环空防喷器用密封胶芯的
金属插入物的端视图。
图18A是套筒式环空防喷器用密封胶芯的金属插入物的顶视图。 图18B是套筒式环空防喷器用密封胶芯的金属插入物的顶视图。 图19A是根据本申请披露的实施方案环形密封胶芯的密封件模型的应
变曲线图。图19B是根据本申请披露的实施方案环形密封胶芯的密封件模型的应 变曲线图。
图20A是根据本申请披露的实施方案环形密封胶芯的密封件模型的应 变曲线图。
图20B是根据本申请披露的实施方案环形密封胶芯的密封件模型的应 变曲线图。
图21A是根据本申请披露的实施方案环形密封胶芯的密封件模型的应 变曲线图。
图21B是根据本申请披露的实施方案环形密封胶芯的密封件模型的应 变曲线图。
图22是根据本申请披露的实施方案应变与FEA迭代次数的关系图。
图23A是根据本申请披露的实施方案选择性分离的环形密封胶芯的密 封件模型的应变曲线图。
图23B是根据本申请披露的实施方案选择性分离的环形密封胶芯的密 封件模型的应变曲线图。
图24A是根据本申请披露的实施方案选择性分离的环形密封胶芯的密 封模型的应变曲线图。
图24B是根据本申请披露的实施方案选择性分离的环形密封胶芯的密 封件模型的应变曲线图。
图25A是根据本申请披露的实施方案选择性分离的环形密封胶芯的密 封件模型的应变曲线图。
图25B是根据本申请披露的实施方案选择性分离的环形密封胶芯的密 封件模型的应变曲线图。
图26示出根据本申请披露的实施方案设计防喷器密封件所使用的计算 机系统。
图27A是根据本申请披露的实施方案环形密封胶芯的密封件模型的应 变曲线图。
图27B是根据本申请披露的实施方案环形密封胶芯的密封件模型的应 变曲线图。
图28是根据本申请披露的实施方案环形密封胶芯的密封件模型。
具体实施例方式
一方面，本申请披露的实施方案涉及防喷器密封件的制造方法。另一 方面，本申请披露的实施方案涉及优化防喷器密封件的方法，在该方法中 结合使用应变曲线图。另一方面，本申请披露的实施方案涉及在相应于一
定的位移状态对模型进行平滑化和体积分析之后利用FEA生成应变曲线图
来检验防喷器密封件模型的方法。
如本申请所用，"刚性材料"是指可为防喷器的密封件提供结构支撑的 任意材料，包括金属和非金属。刚性材料的实例可包括但不限于钢、青铜 和高强度复合材料(例如碳复合材料、环氧复合材料、热塑性材料)。此外， 如本申请所用，"密封件，，是指能够隔离高压区和低压区的装置。防喷器密 封件的实例包括但不限于环形密封胶芯、顶部密封件和变径闸板。
如上所述，通常用于设计和制造防喷器密封件(具有弹性体和刚性材料) 的方法和模型可能不能够提供准确的信息来改善密封件设计的性能。因而， 在根据本申请披露的实施方案设计、制造和检验防喷器密封件时，可采用
包括体积应变和生成应变曲线图的FEA的方法，以得出给定位移状态下更 准确的收敛结果。除了生成和改进密封件模型的一些方法之外，该FEA方 法可更准确地计算密封件中的应变，这是因为FEA方法适于防喷器密封件 经受的大量应力和应变。进行这种FEA的合适软件包括但不限于 ABAQUS(可获自ABAQUS, Inc.) 、 MARC(可获自MSC软件公司)和 ANSYS(可获自ANSYS， Inc.)。
具体地，本申请披露的实施方案和方法可有利地提供下述方法通过 FEA生成和分析密封件模型，来确定在特征在于大量应变的位移状态下密 封件的反应。本申请披露的方法可采用筒化的密封件设计和/或密封件模型， 以有助于密封件的分析。例如，本申请披露的方法可通过"平滑化"所述 设计来避免分析复杂密封件设计的应力和应变集中。
如本申请所用，术语"平滑化"是指简化密封件设计的复杂几何结构 以用于FEA的各种方法。这些方法可允许平滑模型(即由平滑设计构造的 FEA模型)的分析与实验观察到的状态相关联并收敛于确定的结果(对未经 平滑化的模型进行分析时不可能)。因而，可通过FEA分析由平滑化设计构 造的模型，来确定整体或"体积"应变状态。通过分析这种体积(即非定域) 应变，可更准确地预测各种位移状态下密封件的性能和/或可能的失效。在对平滑模型的体积应变状态进行分析之后，可将由此获得的信息引入将制 造的(未经平滑化的)密封件设计。
现参考图12，示出了包括弹性体和刚性材料的密封件的制造方法的流 程图。作为第一步1210,确定密封件材料(例如弹性体和刚性材料)的性能。 可通过实验测试确定材料性能，或根据可商购的材料性能数据提供材料性
能。随后，生成密封件的三维密封件模型(即网格)1220。因而，生成密封件 模型1220还可包括输入密封件设计1221并随后平滑化所输入的密封件设 计1222以简化FEA分析。
接着，使用平滑密封件模型1230,通过FEA模拟位移状态。优选地， 这些模拟位移状态反应密封件在使用时预期可能经受的力、负载状态或应 变。此外，在模拟位移状态之后，生成并分析显示密封件模型中出现的应 变和变形的应变曲线图1240。理想地，应变曲线图示出了相应于模拟位移 状态密封件模型中出现应变的位置和量。可分析和评价1240应变曲线图， 来确定密封件模型的性能特征。如果密封件模型需要改进，则该方法可循 环返回1210,来确定另一种密封件材料的材料性能，或者可循环返回1220, 来生成和分析另一密封件模型。这种循环允许通过FEA进一步模拟密封件 模型，以确定在进一步改进或模拟之后密封件模型的性能。另外，如果认 为密封件模型可以接受且满足特定标准，则可使用该密封件模型制造防喷 器密封件1250。
在初始步骤1210中，确定密封件材料的性能。在这些材料中，弹性材 料的弹性模量低于刚性材料的弹性模量。因而，当密封件经受大量应力时， 与刚性材料部分相比，密封件的弹性部分产生的应变更多。例如，在将套 筒式环空防喷器中的密封胶芯压入闭合位置时，与金属插入物相比，密封 胶芯的弹性体产生的应变明显更多。由于对于任意给定的应力输入弹性体 的应变明显多于刚性材料，因而确定用于密封件的弹性体的材料性能，特 别是弹性体内应力和应变之间的关系可能尤为重要。
在恒定的应力下，在粘弹性材料中，应变可随时间增加(即蠕变)。相反， 在恒定的应变量下，粘弹性材料内的应力随时间下降(即弛豫)。此外，较高 的应变量和较低的温度可导致粘弹性材料的弹性模量增大。材料的伸长率 是指材料长度的百分率变化。将失效之前材料可经受或伸长达到的最大拉 伸应变称为断裂伸长率。材料可具有高的弹性模量或低的弹性模量，但可表现出低的断裂伸长率，使得材料在没有经历明显应变的情况下失效。此 外，材料的抗拉强度是材料在失效之前可经受的最大应力(以拉力计)。当应 力作用于材料时，材料产生应变以适应应力。 一旦应力对于材料而言过大 时，材料将不再能够产生应变，材料失效。材料的失效点称为极限抗拉强度。
此外，如果弹性材料经历周期性位移，则可能出现滞后(位相滞后)，导 致弹性材料内的机械能耗散。当存在应力引起的软化时可能出现滞后。可 将这描述为材料的瞬时不可逆软化，当所经历的位移增大超过任意先前的 最大值时发生所述瞬时不可逆软化，导致材料的应力-应变曲线偏移。认为
的微断裂。这使得弹性材料在初始变形过程中弱化，从而使得材料在随后 的材料变形中更弱。
因而，在本发明的一种实施方案中，如上所述，可采用弹性体试验， 来确定防喷器密封件的弹性体的至少一种材料性能。具体地，可进行试验 来确定弹性材料的性能。可进行的试验的实例包括但不限于单轴抗拉试验、
单轴抗压试验、搭接剪切试验(lap shear test)和双轴抗拉试验。单轴抗拉试验 沿一个方向向材料施加拉应力并测量材料中产生的相应应变。单轴抗压试 验沿一个方向向材料施加压应力并测量材料中产生的相应应变。搭接剪切 试验向材料施加剪切应力并测量材料的相应剪切应变。此外，双轴抗拉试 验沿两个方向向材料施加拉应力并测量材料的相应应变。除本领域公知的 其它试验以外，这些试验的采用可有助于分析和确定弹性体的材料性能。 此外，本领域技术人员应当理解的是，由于大多数材料的材料性能因温度 而改变，因而，在不同温度下进行多次试验来确定某种材料性能可能较为 适宜。
在步骤1220中，生成密封件的模型(即网格)。在生成密封件模型时， 选择密封件的设计特征并将该设计特征应用于模型。例如，对于套筒式环 空防喷器用密封胶芯，在生成密封件模型时，可选择插入物的用量、刚性 材料插入物的宽度和用于刚性材料插入物的具体材料。可在计算机辅助设 计("CAD")程序包(例如可购自 Autodesk, Inc.的AutoCAD和可购自 Parametric Technology Corporation的Pro/Engineer)中，建立密封件才莫型，并 将该密封件模型输入FEA程序包，或者，在替换方案中，可通过FEA程序包(例如ABAQUS和PATRAN)本身生成密封件模型。
现参考图13-16,示出了根据本申请披露的实施方案生成密封件模型的 方法。具体地，如图所示，可由使用CAD软件作出的密封件设计生成套筒 式环空防喷器用密封胶芯105的模型。如图13所示，可以二维曲线图形式 (使用x轴和z轴)生成环形密封胶芯105的密封件设计的截面轴向轮廓图 1301。密封胶芯105包括弹性体107和具有孔111的刚性(例如金属)材料插 入物109。可生成多幅径向和轴向截面轮廓图以呈现密封件的不同部分。例 如，可生成密封胶芯105具有金属插入物109的部分或没有金属插入物109 的部分的轮廓图。
接着，如图14所示，除生成截面轴向4仑廓图1301以外，可生成密封 件设计的截面径向轮廓图1401，从而以二维曲线图形式(使用x轴和y轴) 呈现密封件的不同径向部分。由于密封胶芯105的对称性，因而如图所示 仅需生成截面径向轮廓图1401的径向部分。因而，如图15所示，通过组 合轴向和径向轮廓图1301、 1401，可生成三维密封件设计1501,从而以三 维曲线图形式(使用图13和图14中的相应x、y和z)呈现密封胶芯105的至 少一部分。在三维密封件设计1501中，以能够相互作用的独立体的形式， 生成金属插入物109和弹性体107。根据密封件(即在此情况下为密封胶芯) 设计的复杂性，可生成更多的密封件轮廓图1301、 1401，以呈现密封件设 计1501的更多细节。
此外，如图所示，密封件设计1501和模型或网格1601(随后讨论)可仅 呈现密封胶芯105的径向部分。然而，可利用密封胶芯105的对称几何结 构，容易地生成密封胶芯105的其余部分。本领域技术人员应当理解的是， 对于径向对称模型，可利用并复制对称部分和轮廓图，来简化模型的生成。
现参考图16,可将使用CAD软件作出的密封件设计1501输入FEA软 件，以生成大量有限元1603构成的模型或网格1601。当施加应力和压力时， 网格1601的有限元1603 —同作用来模拟密封件和密封胶芯。密封胶芯105 的弹性体107的有限元1603相应于弹性材料的材料性能模拟并响应应力和 压力(即表现出应变)。
类似地，密封胶芯105的金属插入物109的有限元1603相应于金属插 入物的材^K生能模拟并响应应力和压力。因而，有限元1603变形并产生应 变，以根据密封件的不同材料(例如弹性体和刚性材料)的材料性能模拟它们的响应。尽管将有限元1603示为八节点单元(即砖状单元(brick dement)), 但可使用本领域已知的任意形状的有限元。此外，在生成密封件模型1220的同时，可将多种平滑化方法应用于密 封件设计1222。在许多情况下，如上所述，当模拟大量应力和应变时，利 用FEA分析密封件的实际制造几何结构可能导致复杂化。具体地，金属密 封部件的制造几何结构包括圓角和其它降低应力集中的特征，从而使应力 在其所作用的部件内更均匀地分布。然而，发现这些方法可能对FEA中的 FEA模型造成增加模型复杂性的不利影响并可能阻碍FEA产生准确结果。 因而，由平滑化设计生成的密封件模型可包括消除制造应力集中的特征， 以改善FEA的结果。在一种实施方案中，可改进(即平滑化)密封件设计的刚性材料以降低其 复杂性。现参考图17A,示出了金属插入物1701的端视图，该金属插入物 1701包括由梁腹(web) 1705连接的梁(flange) 1703。金属插入物1701通常包 括圆内角1707和方外角1709。然而，在平滑化设计的一种实施方案中，可 改进金属插入物的角。例如，现参考图17B,示出了根据本申请披露的实施 方案的金属插入物1711设计的端视图，该金属插入物1711设计包括由梁腹 1715连接的梁1713。在平滑化该设计时，可改进内角1717来尝试减小或 消除其半径(如图所示)，以简化随后构建的模型。此外，在平滑密封件设计 时，可改进外角1719来尝试增加或增大其半径(如图所示)，以简化随后构 建的模型。可分析以这种方式构建的密封件模型的体积应变，从而与采用 前述更"局域化，，的方法可能获得的结果相比，FEA可产生更准确和确定 的结果。此外，在另一实施方案中，平滑化可包括改进刚性材料插入物的形状 和其在弹性体内的位置，而不是通过改进刚性材料插入物的内角和外角来平滑化设计。现参考图18A,示出了金属插入物1801的顶视图，该金属插 入物1801设置在环形密封胶芯的弹性体1802的一部分内。所示金属插入 物1801的梁1803和梁腹1805(轮廓所示)具有矩形轮廓，其中梁1803的梁 端部1804A、 1804B和梁腹1805的梁腹端部1806A、 1806B由直边限定。 端部1804A、 1806A比端部1804B、 1806B在径向上更接近中轴103。然而，参考图18B，可平滑化金属插入物的形状和取向以进行体积应 变分析。在图18B中，示出了金属插入物1811的顶视图，该金属插入物1811设置在根据本申请披露的实施方案的环形密封胶芯的弹性体1802的一部分内。如图所示，金属插入物1811的梁1813和梁腹1815(轮廓所示)具有弧形 端部，来限定以中轴103为中心的径向轮廓。具体地，梁1813的侧边1814C、 1814D可沿从中轴103径向伸出的径向线1817。梁腹1815的侧边1816C、 1816D可同样沿径向线(未示出)。因而，如图所示，在这种情况下，位于梁 侧边1814C、 1814D之间的梁端部1814A、 1814B和位于梁腹侧边1816C、 1816D之间的梁腹端部1816A、 1816B可沿弧形轨迹而具有弧度。优选地， 弧形端部1814A、 1814B、 1816A、 1816B沿围绕中轴103限定的径向轨迹 1818。因而，如图所示，梁1813和梁腹1815的宽度沿其侧边1814C、 1814D、 1816C、 1816D从端部1814A、 1816A至端部1814B、 1816B增大。因而， 以这种方式构建的密封件模型在FEA过程中可能能够更准确地模拟应变， 从而产生更准确和确定的结果。此外，还可平滑密封件设计的弹性体。再次参考图15,弹性体107包 括相应于活塞(图1中的117)的楔形面118的受压面108。当起动活塞117 时，楔形面118接触并压动密封胶芯105以将井密封。在一种方法中，可 如下平滑密封件设计改进受压面，以具有与活塞的楔形面近似相同的角 度。或者，可改进楔形面和受压面，以增加两者之间的接触区域。通过改 进受压面或楔形面或者同时改变两者，由此构建的密封件模型在FEA过程 中可能能够更准确地纟莫拟应变曲线图的应变。由于弹性体的受压面另外具 有与活塞楔形面不同的角度，因而可简化FEA的输出，从而在位移时产生 更准确或确定的结果。本领域技术人员应当理解的是，除了所述平滑化和改进方法之外，还 可采用其它方法。例如，在另一实施方案中，可改进刚性材料插入物的梁 腹，例如使插入物的梁腹中空，只要在任意以及所有位移状态下刚性材料 插入物为密封件提供充分的结构支撑以承受施加于其上的压力。优选地，在步骤1220中生成密封件模型时，特别是平滑密封件模型的 密封件设计1222时，密封件模型的弹性体和刚性材料插入物的体积基本保 持不变。如果体积没有保持恒定，则从通过FEA作出的应变曲线图上获得 的结果和模拟应变可能不准确或不一致。例如，在向单元施加压力时，作 用于该单元的压力使单元受到应力，致使单元产生应变以适应应力。作用因而，如果作用于单元的压力增大和/或单元的体积减小，则单元中的应力 相应增大。利用这种构思，弹性体和刚性材料插入物各自的体积优选基本保持不 变，以产生精确的结果。例如，如果整个密封件模型的体积与实际密封件 明显不同，则密封件模型的应变曲线图可显示在相应的位移状态下弹性体 内的应变增大。此外，如果应用于密封件模型的密封件设计的平滑方法使 密封件模型的体积改变，例如在平滑过程中增大密封件模型的弹性体的体 积，则平滑模型的应变曲线图可显示在相应的位移状态下模拟应变减小。 因而，如果密封件模型的弹性体和刚性材料插入物的体积增大或减小，则 模型内的模拟应变固有地改变，而不依赖于是否为获得任何改善而对密封 件模型进行了改进。此外，如果密封件的总体积对于未平滑模型和平滑模 型保持一致，而弹性体和刚性插入物的相对体积改变，则可类似地调和应 变曲线图。现继续步骤1230,使用所生成的密封件模型通过FEA模拟防喷器密封 件的位移状态。优选地，模拟位移状态为密封件在工作过程中预期可能经 受的负载和应变。例如，套筒式环空防喷器的密封胶芯模型可要求与压入 闭合位置以密封一段钻杆周围相关的模拟位移状态。此外，如果不存在钻 杆，则模型可经历与受压封闭其自身周围以密封孔相关的模拟位移状态。在步骤1240中，可分析和评价应变曲线图以确定模型化密封件的性能， 该应变曲线图显示相应于位移状态在密封件模型中出现的应变和变形。现 参考图19-21，示出了根据本申请披露的实施方案的密封件模型的截面应变 曲线图。具体地，密封件模型为套筒式环空防喷器的密封胶芯的模型，其 中在封闭钻杆151周围的位移状态下，开始模拟密封胶芯模型。然后，示 出了模拟处于该位移状态下的密封胶芯之前处于初始状态的密封胶芯，但 将模拟位移状态引发的应变叠加在未位移的密封胶芯上。该方法可如下进 行计算位移状态下密封件模型各单元的应变，并示出处于初始状态的密 封件模型的各相应单元的应变。这能够允许将模拟位移状态下密封胶芯中 出现的应变反向"映射"到其在密封胶芯中的初始位置。现参考图19A，密封胶芯模型的应变曲线图示出了在密封胶芯封闭钻 杆151周围的模拟位移状态下密封件模型中出现的最大主对数应变 (maximum principal log strain)。在图19B中，密封件模型的应变曲线图示出了对图19A中的密封件模型模拟位移状态之前初始的密封胶芯，但将图19A 的最大主对数应变曲线图叠加在未变形密封件模型上。具体地，将图19A 中处于位移状态的密封件模型中各单元的应变叠加在图19B中未变形密封 件模型的各单元上。这使得应变曲线图能够显示出未位移状态下应变集中 的位置。类似地，参考图20A，密封胶芯模型的应变曲线图示出了在密封胶芯 封闭钻杆151周围的模拟位移状态下密封件模型中出现的轴向对数应变。 在图20B中，密封件模型的应变曲线图示出了对图20A中的密封件模型模 拟位移状态之前初始的密封胶芯，但将图20A的轴向对数应变曲线图叠加在未变形密封件模型上。类似地，参考图21A,密封胶芯模型的应变曲线图示出了在密封胶芯 封闭钻杆151周围的模拟位移状态下密封件模型中出现的剪切对数应变。 在图21B中，密封件模型的应变曲线图示出了对图21A中的密封件模型模 拟位移状态之前初始的密封胶芯，但将图21A的剪切对数应变曲线图叠加在未变形密封件模型上。如图19-21所示，密封胶芯经受大量应变以适应利用密封件模型模拟 的闭合位置模拟位移状态。由于这些大的应变，模型或网格的有限元可能 不能够适当地变形而收敛于准确或确定的结果。然而，通过在步骤1240中 分析平滑模型的体积应变曲线图，可获得确定结果。可利用评价体积应变 的FEA,来产生更准确的结果。现参考图22,示出了 FEA中应变(y轴)与迭代次数(x轴)的关系图。y 轴上的模拟应变是给定位移状态下对密封件模型的有限元进行模拟得到的 沿特定方向的主应变的大小。此外，x轴上的迭代次数是指模型化密封件时 所采用的FEA模拟数量。然而，与图11的FEA迭代(其中迭代使得模型更 局域化)(即复杂)相对，图22的每次迭代可使所分析的模型逐渐平滑(同时保 持体积不变)，从而使这种分析本质上复杂性降低。因而，随着分析从较局 域化的应变分析(即x轴的左侧)进行到体积应变分析(即x轴的右侧部分)， 解收敛并包含在约±1%的公差带内。具体地，由图11可知FEA的解收敛， 这是因为当模拟应变解达到公差带内的解时，即使继续进行多次迭代解仍 继续处于公差带内。所期望的是，密封件模型的模拟应变可收敛在理论应 变的至少约0.5%的公差内。因而，与本领域技术人员直觉相信的情况相反，与较复杂的细化模型 相比，简化的平滑模型可产生更收敛且准确的FEA解。如本实施方案所示，利用FEA产生的模拟应变与实验观察到的解相关，并收敛于接近理论应变且落在公差带极限内的确定和正确的结果。随着迭代次数的增加(以及随着模型的进一步平滑)，通过FEA得到的模拟应变解相当于通过试验得出的密 封件中的应变。利用这些结果，体积应变FEA可为防喷器密封件的模拟提 供有用的结果，以进一步改善密封件的设计。例如，现参考图27A、 27B和28,在位移状态下进行模拟时密封件模 型将承受的应变可显示在仍处于未位移状态时的应变曲线图上。该方法使 得能够确定密封件模型的仍处于未位移状态的区域和单元内的应变。在图 27A中，密封胶芯模型的应变曲线图的放大图示出了在密封胶芯封闭钻杆 151周围的模拟位移状态下密封件模型中出现的最大主对数应变。标记并确 定在闭合位移状态下进行模拟时经受应变的三个有限元2711、 2713、 2715。 在图27B中，密封件模型的应变曲线图的放大图示出了对图27A中的密封 件模型模拟位移状态之前初始的密封胶芯，但将图27A中位移状态下密封 件模型中出现的最大主对数应变叠加在密封件模型上。由于在图27A中标 记了处于位移状态时的单元2711、 2713、 2715，因而在图27B中可追踪单 元2711、 2713、 2715,以确定所述单元在密封件;漠型中的初始位置，从而 图示出所述单元经受的应变的大小和方向。图28根据图27A、 27B示出了 具有单元2711、 2713、 2715的密封胶芯密封件模型和网格。采用这种以及 类似的方法，可更容易地确定密封件模型的应力集中区域，从而根据需要 进一 步改善密封件模型的设计。此外，在步骤1240中分析应变曲线图时，可利用应变曲线图检验防喷 器密封件模型。具体地，可使应变曲线图与一种或多种特定标准相比，以 确定密封件模型的性能是否满足必要的要求。特定标准例如可包括密封件 的性能要求、客户要求或工业要求。此外，可使这些标准与所分析的密封 件模型的应变曲线图相比，以确定按照模型制造的密封件是否符合这些要 求。例如，客户可能要求套筒式环空防喷器的密封胶芯能够经受超过300% 的应变。从而，可使处于闭合位置位移状态的密封胶芯的密封件模型的应 变曲线图与特定标准相比，以确定该密封件模型是否能够满足这些要求。再例如，工业要求如API 16A/ISO 13533:2001可用作比较和检验密封件模型的特定标准。特别是，API 16A, Section 5.7.2涉及闸板式防喷器的"闭 合试验"，API 16A, Section 5.7.3涉及套筒式环空防喷器的闭合试验。依据 API 16A/ISO 13533:2001，可要求密封胶芯围绕钻杆进^f亍六次闭合，并且在 第七次闭合时能够有效地密封以抵御约200-300 psi (1.4-2.1 MPa)的压力。因 而，可结合模拟采用依据工业要求的位移状态，以确定密封件是否能够满 足这些要求。可采用本申请披露的方法和实施方案，通过使密封件模型的 应变曲线图与这些特定标准相比，来检验密封件模型。
如果步骤1220中生成以及在步骤1240中分析的密封件模型可进一步 改进(例如如果模型不满足特定标准)，则该方法可循环返回步骤1210以确 定另一种密封件材料的材料性能，或者该方法可循环返回步骤1220以根据 需要重新生成或改进密封件模型。这种生成密封件模型1220和分析密封件 模型1240的循环可重复数次，直至获得"优化"密封件模型。
在一种实施方案中，当循环返回并重新生成密封件模型1220时，密封 胶芯的弹性体的选定部分可与刚性材料插入物选择性分离，以减小应变并 减少应变位置。如以上针对现有技术所讨论的，通常密封胶芯的弹性体与 金属插入物完全结合以保持最大的刚度。然而，在通过FEA模型化密封胶 芯而示出应力图时，如果弹性体的选定部分没有与刚性材料插入物结合， 则可能减,J、密封胶芯的弹性体中的应变。
现参考图23-25,示出了存在这种选择性分离的平滑密封件模型的应变 曲线图。具体地，该密封件模型为套筒式环空防喷器用密封胶芯的模型， 其中在封闭钻杆151周围的位移状态下开始模拟密封胶芯模型。然后，示 出了在位移状态下模拟密封胶芯之前处于初始状态的密封胶芯，但将模拟 位移状态下的应变叠加在密封胶芯上。该方法类似于以上图19-21。然而， 在图23-25中密封件模型的弹性体额外选择性地与金属插入物109的顶端 109A后面的底面109B分离。
现参考图23A，具有选择性分离弹性体的密封胶芯模型的应变曲线图 示出了在密封胶芯封闭钻杆151周围的模拟位移状态下密封件模型中出现 的最大主对数应变。在图23B中，密封件模型的应变曲线图示出了对图23A 中的密封件模型模拟位移状态之前初始的选择性分离密封胶芯模型，但将 图23A的最大主对数应变曲线图叠加在未变形密封件模型上。这使得应变 曲线图能够示出未位移状态下应力集中的位置。类似地，参考图24A，具有选择性分离弹性体的密封胶芯模型的应变
曲线图示出了在密封胶芯封闭钻杆151周围的模拟位移状态下密封件模型 中出现的轴向对数应变。在图24B中，密封件模型的应变曲线图示出了对 图24A中的密封件模型模拟位移状态之前初始的选择性分离密封胶芯模 型，但将图24A的轴向对数应变曲线图叠加在未变形密封件模型上。
类似地，参考图25A，具有选择性分离弹性体的密封胶芯模型的应变 曲线图示出了在密封胶芯封闭钻杆151周围的模拟位移状态下密封件模型 中出现的剪切对数应变。在图25B中，密封件模型的应变曲线图示出了对 图25A中的密封件模型模拟位移状态之前初始的选择性分离密封胶芯模 型，但将图25A的剪切对数应变曲线图叠加在未变形密封件模型上。
具有选择性分离弹性体的密封件模型的各应变曲线图(即图23-25)表明 应变少于没有选择性分离弹性体的密封胶芯模型的应变曲线图(即图 19-21)。具体地，邻近刚性材料插入物顶端底面的弹性体的体积表明，当弹 性体与刚性材料插入物选择性分离时，密封件模型的应变曲线图中应变较 少。因而，如图所示，对于选择性分离密封胶芯，可改进并重新生成密封 件模型，以形成优化的密封件模型，从而减少密封件模型中出现应变的位 置和数量。
类似于以上在步骤1220中生成密封件模型，在对密封件模型模拟位移 状态1230时，密封件模型及其组元的体积优选基本保持不变。如果体积没 有保持恒定，则FEA中应变曲线图和模拟应变的结果可能与实验观察到的 结果没有关联或者FEA中应变曲线图和模拟应变的结果相互之间可能没有 关联，从而产生不准确的结果。例如，如果图19-21的应变曲线图中所示的 密封胶芯的密封件模型的体积与图23-25的应变曲线图中所示的密封胶芯 的密封件模型的体积不同，则由于增加体积变化因素而难以对应变曲线图 进行比较。当密封胶芯的密封件模型的体积增大或减小时，密封胶芯中的 模拟应变固有地改变，而不依赖于是否为获得任何改善而对密封件模型进 行了改变。
在步骤1250中，在生成、分析和可能的重新生成(如有必要)之后，密 封件模型可用于制造防喷器1250的密封件。具体地，可采用本领域已知的 方法，制造基于三维密封件模型的防喷器密封件，例如套筒式环空防喷器 的密封胶芯或者闸板式防喷器的顶部密封件或变径闸板封隔器。例如，可制造如上所述以及图23-25所示具有选择性分离弹性体的套筒式环空防喷 器用密封胶芯的密封件模型，以用于工业。与图19-21中所示的密封胶芯相 比，通过FEA生成的选择性分离密封胶芯减少了处于闭合位置时密封胶芯 中的应力集中。由于这种选择性分离密封件模型具有FEA所示超越其它密 封胶芯的改善性能，因而可制造该选择性分离密封件模型以用于防喷器或 在防喷器中进行测试。
可通过任意类型的计算机(与使用的平台无关)实现本申请披露的实施 方案的方面，例如利用FEA生成和分析防喷器密封件的密封件^^型。例如， 如图26所示，根据本申请披露的实施方案可使用的联网计算机系统3060 包括处理器3062、相关存储器3064、存储装置3066以及现今计算机通常 所具有的大量其它部件和功能。联网计算机3060还可包括输入装置如键盘 3068和鼠标3070,以及输出装置如监视器3072。联网计算机系统3060经 由网络接口 (未示出)与局域网(LAN)或宽域网(例如互联网)(未示出)连接。本 领域技术人员应当理解的是这些输入和输出装置可采取多种其它形式。另 外，计算机系统可不与互联网连接。此外，本领域技术人员应当理解的是 前述计算机3060的一个或多个部件可处于远程位置并通过互联网与其它部 件连接。
有利的是，在采用FEA时本申请披露的方法和实施方案可提供改善的 且更准确的结果。本申请披露的方法和实施方案利用通过FEA得出的应变 确定模拟位移状态下防喷器密封件的性能特征。这使得密封件模型内的有 限元在适应大量应变时能够位移。
此外，本申请披露的方法和实施方案可提供用于FEA的密封件模型的 分析、平滑化、简化和改进方法。使用这些方法，可提高利用FEA作出的 应变曲线图的结果的准确性。另外，使用这些方法，可改进密封件模型， 以减少模拟应变曲线图上密封件模型中出现应变(例如应变集中)的数量和 位置。
此外，本申请披露的方法和实施方案可赋予防喷器密封件提高的工作 寿命。例如，可模拟处于反复闭合的模拟位移状态下的密封胶芯(即密封件 反复封闭钻杆或其自身)，以确定可延长密封胶芯工作寿命(即闭合次数)的 设计特征。
尽管针对有限数量的实施方案对本发明进行了描述，但受益于本文的本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本文披露的本发明范围的情况下 可设计其它实施方案。因而，本发明的范围应仅受限于所附权利要求。
权利要求
1.一种制造防喷器密封件的方法，该方法包括选择密封件设计；根据所选择的密封件设计生成第一有限元分析密封件模型；平滑化所述第一有限元分析密封件模型；基于位移状态分析所述平滑第一有限元分析密封件模型的应变曲线图；和制造密封件。
2. 权利要求1的方法，还包括依据至少一个特定标准检验所述第一有限元分析密封件模型。
3. 权利要求1的方法，其中所述平滑化包括改进所述第一有限元分析 密封件模型的刚性材料插入物的内角。
4. 权利要求1的方法，其中所述平滑化包括改进所述第一有限元分析 密封件模型的刚性材料插入物的外角。
5. 权利要求1的方法，其中所述平滑化包括改进所述第一有限元分析 密封件模型的弹性体的受压面。
6. 权利要求1的方法，其中所述平滑化包括改进所述第一有限元分析 密封件模型的刚性材料插入物的梁的端部。
7. 权利要求1的方法，其中所述平滑化包括改进所述第一有限元分析 密封件模型的刚性材料插入物的梁腹的端部。
8. 权利要求1的方法，其中所述平滑化包括改进所述第一有限元分析 密封件模型的刚性材料插入物的梁的侧边。
9. 权利要求1的方法，其中所述平滑化包括改进所述第一有限元分析 密封件模型的刚性材料插入物的梁腹的侧边。
10. 权利要求1的方法，还包括基于所分析的所述平滑第 一有限元分析密封件模型的应变曲线图，生 成第二有限元分析密封件模型；和基于位移状态分析所述第二有限元分析密封件模型的应变曲线图。
11. 权利要求10的方法，其中所述第二有限元分析密封件模型比所述 第 一有限元分析密封件模型更平滑。
12. 权利要求10的方法，其中所述第一有限元分析密封件模型和所述 第二有限元分析密封件模型中的至少一个收敛落在约1%的公差以内。
13. 权利要求10的方法，其中所述第一有限元分析密封件模型和所述 第二有限元分析密封件模型中的至少一个收敛落在约0.5%的公差以内。
14. 权利要求10的方法，其中所述第二有限元分析密封件模型的弹性 体的体积与所述平滑有限元分析密封件模型的体积基本保持一致。
15. 权利要求1的方法，其中所述第一有限元分析密封件模型的弹性体 的体积在平滑化过程中基本保持不变。
16. 权利要求l的方法，其中所述密封件包括弹性体和刚性材料。
17. 权利要求16的方法，其中所述刚性材料包括钢、青铜和复合材料 中的一种。
18. 权利要求1的方法，其中所述防喷器密封件为闸板式防喷器的顶部 密封件。
19. 权利要求1的方法，其中所述防喷器密封件为闸板式防喷器的变径 闸板封隔器。
20. 权利要求1的方法，其中所述防喷器密封件为套筒式环空防喷器的 密封胶芯。
21. 权利要求l的方法，其中所述位移状态包括至少约300%的应变。
22. 权利要求l的方法，其中所述位移状态包括至少约450%的应变。
23. 权利要求1的方法，其中所述应变曲线图包括最大主应变、轴向应 变和剪切应变中的一种。
24. 权利要求1的方法，其中所述应变曲线图包括第一有限元分析密封 件模型的截面图。
25. —种检验防喷器密封件的方法，该方法包括 生成第 一有限元分析密封件模型； 平滑化所述第一有限元分析密封件模型；基于位移状态分析所述平滑第 一 有限元分析密封件模型的应变曲线 图；和将所述平滑第 一有限元分析密封件模型的应变曲线图与至少 一种特定 才示〉,才目t匕。
26. 权利要求25的方法，还包括基于所分析的应变曲线图生成第二有限元分析密封件模型； 基于位移状态分析所述第二有限元分析密封件模型的应变曲线图；和 将所述第二有限元分析密封件模型的应变曲线图与至少一种特定标准 相比。
27. 权利要求26的方法，还包括平滑化所述第二有限元分析密封件模型。
28. 权利要求25的方法，其中所述密封件包括弹性体和刚性材料。
29. 权利要求25的方法，其中所述至少一种特定标准基于对密封件的 性能要求、客户要求和工业要求中的一种。
30. 权利要求29的方法，其中所述工业要求包括API 16A/ISO 13533:2001。
31. —种优化防喷器密封件的方法，该方法包括 平滑化第 一有限元分析密封件;漠型；基于位移状态分析所述平滑第 一有限元分析密封件模型的应变曲线图；基于所分析的平滑第一有限元分析密封件模型的应变曲线图，生成第 二有限元分析密封件模型；平滑化所述第二有限元分析密封件模型；基于位移状态分析所述第二平滑有限元分析密封件模型的应变曲线 图；和重复分析和生成平滑有限元分析密封件模型，直至获得优化的密封件 模型。
32. 权利要求31的方法，其中所述密封件包括弹性体和刚性材料。
33. 权利要求31的方法，其中所述第一有限元分析密封件模型的体积 和所述第二有限元分析密封件模型的体积基本相同。
34. 权利要求31的方法，其中将所述优化密封件模型与至少一种特定 才目t匕。
全文摘要
一种制造、检验和优化防喷器密封件的方法。该方法包括生成有限元分析密封件模型，平滑有限元分析密封件模型，基于位移状态分析平滑有限元分析密封件模型的应变曲线图。
文档编号E21B33/06GK101517193SQ200780035901
公开日2009年8月26日 申请日期2007年7月30日 优先权日2006年7月28日
发明者谢菲克·卡恩多克 申请人:海德里尔美国制造有限责任公司