当今油气开采工艺中,分段分层开采、压裂、注水、堵水等几乎所有涉及到井下作业工艺的管串中,封隔器是一个必不可少的关键性井下工具。压缩式封隔器是其中一种密封压差能力大、原理简单、适用性广的封隔器结构,但由于其密封关键部件——胶筒,具有材料、几何和变形非线性等因素,其设计理论尤其是密封压差能力的设计目前主要依靠经验公式,缺乏相对准确的计算方法及配套理论与实验依据。基于此,本文在综合调研现有压缩式封隔器结构、使用工况和常用橡胶材料的基础上,采用理论和数值仿真模拟的方法建立了计算压缩式封隔器密封压差能力的模型,并结合相同工况下的室内台架实验数据,验证了理论和数值仿真方法所建模型的符合率,并对影响计算模型精度的因素进行了优化,进一步提高了计算模型的精确度,论文的研究成果为压缩式封隔器胶筒密封压差能力的预测提供了合理的计算模型。论文主要研究内容和成果如下:(1)开展了三种不同配方的氢化丁腈橡胶封隔器胶筒材料力学性能实验,得到相应的弹性模量、泊松比、应力-应变参数等描述胶筒橡胶材料力学物理特性的重要参数,利用应力-应变实验数据拟合出高精度超弹性本构模型。开展了橡胶材料和有机玻璃材料、金属材料间摩擦系数测试实验,开展的力学性能实验和摩擦实验为胶筒密封压差计算提供可靠的数据支撑。(2)运用空间轴对称研究方法,建立了压缩式封隔器胶筒轴对称受力计算模型,推理出坐封阶段和密封压差阶段,封隔器胶筒压缩距、密封压差值与坐封载荷之间的数学关系方程,在此基础上开展了三种氢化丁腈橡胶材料在不同坐封载荷下密封压差能力的分析,研究表明密封相同的压差时,氢化丁腈橡胶材料HG-01所需坐封载荷最少,氢化丁腈橡胶材料HG-02其次,氢化丁腈橡胶材料HG-03最大。(3)基于流体压力渗透理论,建立了预测压缩式封隔器胶筒密封压差数值仿真计算模型,开展了坐封阶段和密封压差阶段胶筒压缩距和密封压差能力随坐封载荷变化规律的研究,数值仿真结果表明:封隔器坐封时,胶筒中部及中部偏未受载荷端最先与套管接触形成密封面;密封压差阶段,超弹性数值仿真计算模型更贴合橡胶材料大变形非线性特征,综合密封压差和破坏难易程度考虑,建议使用氢化丁腈橡胶材料HG-02作为压缩式封隔器胶筒制备材料。(4)完成了压缩式封隔器坐封、密封、失效过程行为的可视化实验方案设计和实验台架制造,开展了三种胶筒材料合计六十种工况下,压缩式封隔器胶筒的坐封和密封压差能力模拟实验,实验结果表明:随着坐封载荷的增加,胶筒压缩距呈抛物线增长趋势,而密封压差值呈线性后非线性增长趋势,同等梯度的增加轴向坐封载荷,胶筒压缩距增长速率会降低;胶筒坐封载荷为最小坐封载荷两倍及以上时,小幅增加坐封载荷就能显著提高密封压差能力。(5)可视化实验数据验证理论计算、数值仿真计算压缩距和密封压差能力结果表明:三种计算模型所得的压缩距与实验测量值相比较,其符合率达到90%以上;超弹性数值仿真计算密封压差能力所得结果误差在15%-20%之间,是三种计算模型中误差最小的;通过对氢化丁腈橡胶材料HG-02网格类型的优选,得到杂交公式-减缩积分四边形网格密封压差能力误差降到8%,所以当压缩式封隔器胶筒采用氢化丁腈橡胶材料HG-02时,压缩距、密封压差能力预测采用超弹性压力渗透数值仿真模型,同时胶筒采用杂交公式-减缩积分四边形网格。综上所述,本文摒弃了胶筒接触压力作为压缩式封隔器密封能力的评判标准,建立了研究压缩式封隔器密封能力的理论计算、弹性和超弹性数值仿真计算模型,通过设计的可视化实验验证了三种计算模型的准确性,优选出超弹性数值仿真模型,对优选出的模型进行相应的优化,以此进一步提高超弹性数值仿真模型的计算精度。论文研究成果为压缩式封隔器结构设计、胶筒压缩距及密封压差能力预测提供研究方法。