CN101517284B - 选择性分离的防喷器用密封件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种选择性分离的防喷器用密封件和制造防喷器用密封件的方法。密封件包括设置在弹性体内的刚性材料插入物，刚性材料插入物的至少一部分与弹性体选择性分离。

Description

选择性分离的防喷器用密封件
相关申请的交叉引用
本申请依据35U.S.C.119(e)要求下述临时申请的权益：2006年7月28日提交的美国专利申请系列No.60/820,723；2006年9月28日提交的美国专利申请系列No.60/847,760；2006年10月20日提交的美国专利申请系列No.60/862,392；以及2007年4月19日提交的美国专利申请系列No.60/912,809，在此引入它们的全部内容作为参考。
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(blowoutpreventer)。具体地，所选择的实施方案涉及改进的防喷器用密封件，该密封件包括弹性体和刚性材料，其中弹性体与刚性材料选择性分离。
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由地层流体(可以是液体、气体或它们的组合)流入井筒引起。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体从井筒中喷出。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。
由于井喷的风险，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)(包括球形防喷器)和闸板式防喷器(ram blowout preventer)。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(packing units)”。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和井筒的中轴延伸的径向平面内以大致为环形的方式间隔开。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。在密封胶芯围绕钻杆或其本身压缩时，弹性体被径向向内挤压，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相对应的孔120。然后围绕孔120和井筒103将密封胶芯105设置在套筒式环空防喷器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，压力使活塞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，所述力将密封胶芯105压向套筒式环空防喷器101的井筒103的中轴。当钻秆处于孔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径向扩张至“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使得能够接近密封胶芯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.5,8519,013，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设置在球形防喷器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的机罩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，并可被驱动而朝向井筒103向内移动。防喷器闸板705可为管状闸板(pipe ram)或变径闸板(variable bore ram)、剪切闸板(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可封闭井筒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各端的弹性节段(elastomeric segment)753、设置在各弹性节段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节段753之间的支撑结构体757。如图9B中的截面图所示，设置在弹性节段753内的金属插入物755具有H形截面。金属插入物755的H形截面为弹性节段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可与管状闸板、全封闭闸板或剪切闸板(示于图8)一同使用。
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(ram packer)717A的防喷器闸板705A。图10选自美国公布No.US 2004/0066003A1(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的管状闸板组件，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。如以上针对管状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30,000,000psi；200GPa)近似为大多数弹性体的弹性模量(通常为约1,500psi；0.01GPa)的20,000-30,000倍。
按照常规，在检验、设计和制造防喷器用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一般方法为有限元分析(“FEA”)。具体地，FEA可用于模拟和评价给定的位移条件下密封件中出现的应力和/或应变集中。
通常，通过FEA，利用有限元对防喷器用密封件建模，以确定不同位移条件下密封件的性能。例如，可通过FEA建模，模拟处于如下位移条件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，在该位移条件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，以显示在特定位移条件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用密封件性能的最准确预测和表达。通常，防喷器用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，防喷器用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，在防喷器中受压时，在密封件中金属往往控制弹性体的“流动”和变形。在大量应变的情况下，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条件的模拟数据和结果。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，不受束缚的变形或蒙受应力、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进行建模时，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，从而得出可能受限和/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。这可能导致求解停止(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条件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条件(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，来模拟防喷器用密封件的位移，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11的y轴上，对处于一定位移条件的防喷器用密封件确定并示出了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模拟状态下的理论应变。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，目前建模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防喷器用密封件。该密封件包括设置在弹性体内的至少一个刚性材料插入物。此外，所述至少一个刚性材料插入物的至少一部分与弹性体选择性分离。
另一方面，本申请披露的实施方案涉及防喷器用密封件的制造方法。该方法包括：生成有限元分析密封件模型；基于位移条件分析有限元分析密封件模型的应变曲线图；确定有限元分析密封件模型中与弹性体选择性分离的至少一个刚性材料插入物的至少一部分。该方法还包括制造密封件，该密封件具有确定的与弹性体选择性分离的至少一个刚性材料插入物的至少一部分。
此外，另一方面，本申请披露的实施方案涉及套筒式环空防喷器。该套筒式环空防喷器包括外壳、形成在外壳中的活塞腔、设置在活塞腔内的活塞和邻近活塞设置的密封胶芯。密封胶芯包括弹性体和设置在弹性体内的至少一个刚性材料插入物的至少一部分。所述至少一个刚性材料插入物的至少一部分与弹性体选择性分离。
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。
附图说明
图1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用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用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。
具体实施方式
一方面，本申请披露的实施方案涉及防喷器用密封件的制造方法。另一方面，本申请披露的实施方案涉及最优化防喷器用密封件的方法，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条件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用密封件模型的方法。
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用密封件(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的设计。因而，在根据本申请披露的实施方案设计、制造和检验防喷器用密封件时，可采用包括体积应变和生成应变曲线图的FEA的方法，以得出给定位移条件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条件下密封件的反应。本申请披露的方法可采用简化的密封件设计和/或密封件模型，从而有助于密封件的分析。例如，本申请披露的方法通过“平滑化”所述设计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化模型(即由平滑化设计构造的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条件下密封件的性能和/或可能的失效。在对平滑化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还可包括导入密封件设计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，使用平滑化密封件模型1230，在FEA中模拟位移条件。优选地，这些模拟位移条件反映密封件在使用时预期可能经受的力、负载状态或应变。此外，在模拟位移条件之后，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，应变曲线图示出了响应于模拟位移条件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。这种循环允许在FEA中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用密封件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，在恒定的应变速率下，粘弹性材料内的应力随时间下降(即弛豫)。此外，较高的应变速率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。当存在应力和应变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。认为这样引起的软化(还可称为马林斯效应)至少部分地归因于弹性材料中键(link)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，来确定防喷器用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，可选择所使用的插入物的数量、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，建立密封件模型，并将该密封件模型导入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，除生成截面轴向轮廓图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导入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1603一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料性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 element))，但可使用本领域已知的任意形状的有限元。
此外，尽管生成密封件模型1220，但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圆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去除制造产生的应力集中的特征，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，在平滑化密封件设计时，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，根据本申请披露的实施方案，该金属插入物1811设置在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)。由而，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形、碗形或弯曲形。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，还可平滑化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，可如下平滑化密封件设计：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模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条件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，特别是平滑化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。作用于单元的应力与作用于单元的压力成正比并与单元的面积或体积成反比。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，以提供精确的结果。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条件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，则平滑化模型的应变曲线图可显示在相应的位移条件下模拟应变减小。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化模型和平滑化模型保持一致，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模拟防喷器用密封件的位移条件。优选地，模拟位移条件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能需要与压入闭合位置以密封一段钻杆周围相关的模拟位移条件。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条件。
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条件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周围的位移条件下，开始模拟密封胶芯模型。然后，示出了在该位移条件下模拟密封胶芯之前的处于初始状态的密封胶芯，但将模拟位移条件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：计算位移条件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条件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周围的模拟位移条件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条件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中处于位移条件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条件下应变集中的位置。
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周围的模拟位移条件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条件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周围的模拟位移条件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条件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条件。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中分析平滑化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条件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)相反，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，简化的平滑化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得到的模拟应变解对应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可为防喷器用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，在位移条件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条件时的应变曲线图上。该方法使得能够确定密封件模型的仍处于未位移条件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周围的模拟位移条件下密封件模型中出现的最大主对数应变。标记并识别在闭合位移条件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条件之前初始的密封胶芯，但将图27A中位移条件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中标记了处于位移条件时的单元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模型中的初始位置，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用密封件模型。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条件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。
在另一例子中，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行六次闭合，并且在第七次闭合时能够有效地密封以抵御约200-300psi(1.4-2.1MPa)的压力。因而，可结合模拟采用依据工业要求的位移条件，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“最优化”的密封件模型。
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，可识别弹性体的特定部位使之与刚性材料插入物选择性分离，以减小密封胶芯的弹性体中的应变。
如本申请所用，“选择性分离”不仅仅指刚性材料插入物的具体或选定部位与弹性体分离，还指刚性材料插入物与弹性体分离(部分分离)的程度。例如，在一种实施方案中，可能期望刚性材料插入物的一些部分与弹性体完全分离，以减小密封件内的应变。然而，在另一实施方案中，可能期望改变刚性材料插入物和弹性体之间结合的程度以形成部分分离，从而减小密封件内的应变。在部分分离的情况下，可选择性地弱化刚性材料插入物和弹性体之间的结合部分，从而具有介于最大强度结合和完全分离之间的结合强度。本领域技术人员应当理解的是，这些选择性分离的实施方案还可组合使用，其中使刚性材料插入物的一些部分与密封件的弹性体完全分离，并使刚性材料插入物的其它部分部分分离。此外，在一些实施方案中，选择性分离可表示从未与弹性体结合的刚性材料插入物的一部分开始与弹性体结合。在该实施方案中，刚性体的选定部分可与密封件的弹性体结合，而刚性插入物的其余部分不与密封件的弹性体结合。
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周围的位移条件下开始模拟密封胶芯模型。然后，示出了在位移条件下模拟密封胶芯之前处于初始状态的密封胶芯，但将模拟位移条件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在金属插入物109的顶端109A后面的后表面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周围的模拟位移条件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条件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条件下应力集中的位置。
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周围的模拟位移条件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条件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。
仍类似地，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周围的模拟位移条件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条件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，当弹性体与刚性材料插入物选择性分离时，在密封件模型的应变曲线图中邻近刚性材料插入物顶端后表面的弹性体的体积表现出较少应变。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，以形成最优化的密封件模型，从而减少密封件模型中出现应变的位置和数量。
此外，本领域技术人员应当理解的是本申请披露的选择性分离实施方案不限于所示位于密封件的刚性材料插入物和弹性体之间的分离的具体部分、位置或数量。例如，在一种实施方案中，密封胶芯中金属插入物的梁腹的一部分可与弹性体选择性分离。此外，再例如，变径闸板封隔器的金属插入物的一部分可与弹性体选择性分离。
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条件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。由于密封胶芯的密封件模型的体积增大或减小，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用密封件，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所示具有与弹性体选择性分离的刚性材料插入物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超越所示通过FEA得到的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。
本领域技术人员应当理解的是在制造选择性分离密封件时可采用多种方法。例如，在一种实施方案中，可在刚性材料插入物的将与弹性体结合的所有部分上施涂底漆，而刚性材料插入物的将与弹性体选择性分离的部分上没有施涂或施涂极少的底漆。因而，可简单地通过不向刚性材料插入物的一些部分施涂底漆，来制造选择性分离密封件。此外，在另一实施方案中，可在刚性材料插入物的将与密封件弹性体选择性分离的部分上施涂脱模剂。脱模剂可有助于防止插入物的刚性材料至少部分地(如果不是全部的话)与弹性体结合。本领域已知的典型脱模剂为硅基脱模剂。本领域技术人员应当理解的是，除其它方法以外，这些方法可组合使用，以改变制造密封件过程中密封件的选择性分离部分的程度和位置。
可通过任意类型的计算机(与使用的平台无关)实现本中请披露的实施方案的各个方面，例如利用FEA生成和分析防喷器用密封件的密封件模型。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条件下防喷器用密封件的性能特征。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。利用这些方法，可提高利用FEA作出的应变曲线图的结果的准确性。另外，利用这些方法，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用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条件下的密封胶芯(即密封件反复封闭钻杆周围或其自身)，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。

Claims (16)

1.一种防喷器的密封件，包括：
设置在弹性体内的至少一个刚性材料插入物；
其中所述至少一个刚性材料插入物的至少一部分与所述弹性体选择性分离。
2.如权利要求1所述的密封件，还包括施加于所述至少一个刚性材料插入物的至少一部分的脱模剂。
3.如权利要求2所述的密封件，其中所述脱模剂包括硅。
4.如权利要求1所述的密封件，还包括施加于所述至少一个刚性材料插入物的结合部分的底漆。
5.如权利要求1所述的密封件，其中所述密封件包括套筒式环空防喷器的密封胶芯。
6.如权利要求5所述的密封件，其中所述至少一部分包括位于所述至少一个刚性材料插入物的顶端后面的后表面。
7.如权利要求1所述的密封件，其中所述密封件包括闸板式防喷器的顶部密封件。
8.如权利要求1所述的密封件，其中所述密封件包括闸板式防喷器的变径闸板封隔器。
9.一种制造防喷器的密封件的方法，所述方法包括：
生成有限元分析密封件模型；
基于位移条件分析所述有限元分析密封件模型的应变曲线图；
在所述有限元分析密封件模型中识别要与弹性体选择性分离的至少一个刚性材料插入物的至少一部分；和
制造密封件，所述密封件具有所识别的要与所述弹性体选择性分离的至少一个刚性材料插入物的至少一部分。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述制造步骤包括：
施加脱模剂以使所述至少一个刚性材料插入物的至少一部分与所制造的密封件的弹性体选择性分离。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述制造包括：
将底漆施加于所制造的密封件的至少一个刚性材料插入物的结合部分。
12.一种套筒式环空防喷器，包括：
外壳；
形成在外壳中的活塞腔；
设置在所述活塞腔内的活塞；和
邻近所述活塞设置的密封胶芯，所述密封胶芯包括：
弹性体；和
设置在所述弹性体内的至少一个刚性材料插入物；
其中所述至少一个刚性材料插入物的至少一部分与所述弹性体选择性分离。
13.如权利要求12所述的套筒式环空防喷器，其中所述至少一个刚性材料插入物的至少一部分还包括位于所述至少一个刚性材料插入物顶端后面的后表面。
14.如权利要求12所述的套筒式环空防喷器，还包括施加于所述至少一个刚性材料插入物的至少一部分的脱模剂。
15.如权利要求14所述的套筒式环空防喷器，其中所述脱模剂包括硅。
16.如权利要求12所述的套筒式环空防喷器，还包括施加于所述至少一个刚性材料插入物的结合部分的底漆。 
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