封隔器胶筒肩部的力学分析
高性能封隔器胶筒研制 石油大学毕业论文
高性能封隔器胶筒研制石油大学毕业论文摘要本论文主要针对石油钻井过程中的封隔器与钻头之间的配合问题，提出了一种高性能封隔器胶筒设计方案。
通过对市场上常见的胶筒产品与封隔器配合状况进行分析和常规实验测试，发现存在疲劳寿命短、耐高温性能差等问题。
本文通过优化橡胶材料配方、改进胶筒结构等手段，最终研制出了一款优秀的高性能封隔器胶筒。
实验结果表明，在高温、高压下仍能保持压力稳定，具有较长的使用寿命和良好的配合性能，满足了石油钻井过程中的工况需求。
关键词：封隔器；钻井；胶筒；橡胶材料；高温高压AbstractThis paper mainly proposes a high-performance sealant liner design scheme for the matching problem between the sealant and the drill bit in the petroleum drilling process. Through the analysis of the common products in the market and theconventional experimental tests, it is found that there are problems such as short fatigue life and poor high temperature resistance. In this paper, through optimizing the rubber material formula, improving the structure of the sealant liner, etc., we finally developed an excellent high-performance sealant liner. The experimental results have shown that under high temperature and high pressure, it can still maintain pressure stability, has a long service life and good matching performance, and meets the working conditions in the petroleum drilling process.Keywords: sealant, drilling, liner, rubber material, high temperature and high pressure1. 研究背景封隔器是石油钻井过程中不可或缺的工业密封件，其作用是在井下高温、高压的环境下，保证钻井液和油气等不同介质或混合物在井内不相互干扰，保障钻井的正常进行，同时也避免环境污染和资源浪费。
基于有限元的封隔器密封性能影响因素分析
密封 的 可靠性 降低 。通过试 验得 到 坐封力 与压 缩距 的关 系， 验证 了有 限元模 型 的正确性 。
关 键 词 ： 筒 ； 限元 ； 构模 型 ； 封 胶 有 本 密 中图分类 号 ： ９１２ １ ＴＥ ３ ． ０ 文献标识 码 ： Ａ
Ｆｉ ｉｅ Ｅｌｍ ｅ ｎ ｌｓｓ ｏ ｅ ｌｎ ｂ ｅ ｆＰａ ｋ ｒ ＳＰｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｆ ｃ ｃｏ ｓ ｎ ｔ ｅ ｎｔＡ ａ ｙ ｉ ｎ Ｓ ａ ｉ ｇ Ｒｕ ｂ ｒ ｏ ｃ ｅ ’ ｒ ｏ ｍ ｎ ｅ Ｅｆｅ ｔＦａ ｔ ｒ Ｈ ＡＮ ｏ ｙ ｕ ， ＩＮａ ＬＩＱｉｎ ＤＵ ｕ ｈ ａ Ｇｕ — ｏ Ｌ ｎ ， ａ ｇ ， Ｘｉ— ｕ
筒 压 缩 距 、 部 “突 出” 及 接 触 应 力 随 坐 封 载 荷 的 增 加 而 增 加 ； 筒 肩 部 “ 出” 最 大接 触 应 力 的 肩 以 胶 突 使
作 用 区域 变 小， 由胶 筒 中部 逐 渐转移 到加 载端 ， 成胶 筒 与套 管 的接 触 应 力分 布 不均 匀， 胶 筒 且 造 使
２ Ｃｏｌｇ ｆ Ｍｅｈ ｎ ｃ ｌ＆ Ｅｌｃｒｃ ｌＥｎ ｎ ｅ ｉｇ， ｑｈ ｒＵｎｖ ｒｉ Ｑｉｉａ ６ ０ ６， ｈ ｎ ） ． ｌｅ ｅｏ ｃ ａ ｉａ ｅｔｉａ ｇｉｅｒｎ Ｑｉｉａ ｉ ｅｓｔ ｙ， ｑ ｈ ｒ１ １ ０ Ｃ ｉａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ａ ｒ ｃ ｏ ｅ ｈｅ Ｙｅ ｓ ｒ ｃ ： ｅ ｐ ｐｅ ｈ ｏｓ ｓ ｔ ｏｈ ｍｏｄ ｌｗｈｉｈ ｃ ｎ ｒ ａ ｏｎ ｂｌ ｅ ｃ ｉ ｈｅ ｄ ｓ ｏｒｉ ｎ ｏ ｈｅ ｅ ｃ ａ ｅ ｓ ａ ｙ ｄ ｓ ｒｂｅ ｔ ｉｔ ｔｏ ｆｔ Ｓｅ ｌｎｇ Ｒｕ ｅ ｆｔ ｃ ｒ ａ ｄ ｍ ｅ ｓ ｒ ｈ ｅ ａ ｉ ｎｓ ｐ ｂｅ ｗｅ ｎ ｓ ｒ ｓ ｎｄ ｓ ｒ ｉ ｔ ｅ ｔ ａ ｉ ｂｂ ｒｏ ｈｅ Ｐａ ｋｅ ， ｎ ａ ｕ ｅ ｔ ｅ ｒ ｌｔｏ ｈｉ ｔ ｅ ｔ ｅ ｓａ ｔａ ｎ ｄａ ａ ｂｙ ｔ ｓ ， ａ ｄ ｃ ｌ ｕｌｔ ｆＹｅ ｈ ｍｏｄ ｌｗｉｈ Ｍ ＡＴＬＡＢ．Ｂｙ ｆｎｉｅ ｅ ｅ ｎ ｎａｙ ｉ ｇ ｔ ｅ Ｓｅ ｌｎｇ ｎ ａｃ ａ ｅ ｏ ｏ ｅ ｔ ｉ ｔ — ｌ ｍｅ ｔ ａ ｌ ｚ ｎ ｈ ａ ｉ Ｒｕｂ ｒ ｏ ｂｅ ｆ ｔ ｃ ｒ，ｈｅ ｒ ｌ ｔｏｎ ｈ ｐ ｂｅ ｗｅ ｎ ｓｔ ｌ ａ ｎ ｈｅ ｐ ｃ ｒ ｒ ｂｂｅ ， ｘｔ ｕ ｈｅ ｓ ｕｌ ｅ ｎ ｈｅ Ｐａ ｋｅ ｔ ｅ ａ ｉ ｓ ｉ ｔ ｅ ｉ ｏ ｄ ａ ｄ ｔ ａ ｋｅ ｕ ｒ ｅ ｒ ｄｅ ｏｎ ｔ ｈｏ ｄ ｒ ａ ｄ ｔ ｏ ａ ｔｓ ｒ ｓ ｒ ｂｔ ｉ ｄ， ｎ ｈｅ ｅ ｔ ｕｄ ｎ ｔ ｈｏｕ ｄ ｒ ｏ ａ ｋ ｒｒ ｂｂ ｒｗｅ ｅ ａ ａ ｙ ｅ ｈｅ ｃ ｎｔ ｃ ｔ ｅ ｓ ｗｅ ｅ ｏ ａｎｅ ａ ｄ ｔ ｘ ｒ ｅ ｏ ｈｅ ｓ ｌ ｅ ｆｐ ｃ ｅ ｕ ｅ ｒ ｎ ｌ ｚ ｄ
封隔器性能信封曲线
择很 重要 ， 如果 对 材 料 的特 性 及 应 用 条 件 不 了解 可
能会导致封 隔器毁 坏性失效或缩短 该井 的开采时 间， 图３ 所示改变封隔器芯轴制造材料后的结果 。
—． ～
１ １ ０ ０ ０ ０ ｐ ｓ ｉ
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ＭＹＳ
塾 堕 堡 垦 兰 垫 圭 壁 垦 塑
用 于现场 。
不会立刻造成很严重的故障。通过对失效模式的分 析与研究 ， 可使人们更进一步 了解造成各 种失效 的
因素 ， 并进 一 步 改 善 封 隔 器 特 性 ， 预 防 各 类 失 效 的 措施 。
例如 ： 某 口井 即将进 行 完井作 业 ， 在下 完井 管柱 之前 进行 了管 柱力 学 等 分 析 ， 确 定 压 裂施 工 时作 用
器在 承 受 ３ ７ ｔ 拉应力 的情况下 ， 封 隔 器 只 能 承 受
下卡 瓦
６ ０ ０ ０ ｐ ｓ ｉ 的压差 。所以必须要求提供有效 的封隔器 信息 ， 便于指导现场施工。
１ ． ３ 封 隔器 失效模 式
导 向接 头 与 封 隔 器本 体连 接处
封 隔器 在正 常 工 作 时承 受 来 自上 、 下 部 连 接 油 管 的力 和来 自上 、 下 部 的压差 ， 压差 最终 将转 化 为力 作 用在 封 隔器 上 ， 表１ 是 封 隔器承 受 的载荷 矩 阵 ， 共
下导 向接 头
图２ 封隔器７ 种失效模式
１ ． ４ 影 响封 隔器 信封 的 因素
四种组合 ， 提供轴向载荷和封隔器压差 的共 同作用 ，
来评估模拟封隔器失效 的受力分析。另外 ， 井下温
度、 流体 成 份 、 封隔 器组 成材 料等 因素 也会 影响 封 隔
封隔器胶筒接触应力的数值模拟分析
之 间产 生 接 触 压 力 ， 此 封 隔 环 空 ， 绝 产 层 ， 控 藉 隔 以 制 产 （ ） ， 护套 管 。 因此 ， 究 胶 筒 与 套 管 内壁 注 液 保 研
Ｊ ｏ ｇ ｍｉｇ ， ＨＯＵ Ｘｉｎｊ ｎ ， ＩＧ ｎ — ｎ ‘ Ｚ ａ —ｕ ＹＵＮ Ｐｎ —ｉ ｉｇｌ
（ ． ｉ Ｅ ｔ ｃｉｎ Ｔｃ ｎ ｌ ｙＲｅｅｒｈ ， １ Ｏ ｌ ｘｒ ｔ ｅｈ ｏｏ ｓａｃ ｍｍ ｅ，Ｓ ｅ ｇｉＯｉ Ｆｌｄ Ｃ ｒｏａｉｎ， ｎ ｙｎ ５ ０ ０， ｈｎ ａ ｏ ｇ ｈ ｎ ｌ ｌ ｉ ｏｐ ｒｔ ｅ ｏ Ｄｏｇ ｉｇ ２ ７ ０ Ｃ ｉａ；
之 间接 触 压 力 ， 对 研 究 封 隔 器 胶 筒 的 密封 机 理 ， 这 研 究轴 向载荷 、 密封 压 力 与 接 触 压 力 之 间 的关 系 ， 化 优
季 公 明 ，周 先 军 。负 平 利
（ ． 利 油 田 有 限 公 司 采 油 工 艺 研 究 院 ，山 东 东 营 ２７ ０ ； 石 油 大 学 （ 东 ）机 电 工 程 学 院 ， 山 东 东 营 ２ ７６ ） １胜 ５ ００ ２． 华 ５ ０ １
摘 要 ：利 用 Ａ Ｓ Ｓ 件 对封 隔 器胶 筒的接 触应 力进 行 了数 值 模拟 计 算 ， 过 计 算分 析得 到 了接 触 应 力 沿胶 筒 轴 ＮＹ 软 通
Байду номын сангаас
中 图 分 类 号 ：Ｔ ９１２３ Ｅ３． ０
文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｎｕｍ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｅ ｎ ｌ ｓｓ ｏ ｈ ｏ ａｃ ｔ ｅ ｓ ｏ ｔ ｅ ｌ ｕｂ ｒ ｏ ｈｅ ｐ ｃ ｒ ｒｃ ｌ ｓｍ ｌ ｔ ｄ ａ ａ ｙ ｉ ｆ ｔ ｅ ｃ ｎｔ ｔｓ ｒ ｓ ｎ ｈｅ ｓ ａ ｉ ｎｇ ｒ ｂｅ ｆ ｔ ａ ｋｅ
非线性有限元混合法分析油井封隔器胶筒
非线性有限元混合法分析油井封隔器胶筒
范家齐;曲宪刚;杨晓翔
【期刊名称】《石油学报》
【年(卷),期】1991(12)1
【摘要】油井封隔器胶筒是由橡胶类材料制成的。
橡胶类材料构件的几何形态和材料性能都是非线性的,材料的非线性关系一般用三个变形张量不变量表述。
本文基于势能驻值原理,采用整体Lagrange法,建立适用于橡胶类材料的大位移和大应变的增量形式的非线性有限元混合法的计算列式。
用四结点四边形等参数环元,对受均匀内压无限大厚壁圆筒进行计算,其结果与精确解符合很好,表明这种方法是有效和可靠的。
油井封隔器胶筒的位移、应力和接触压力的计算结果表明:(1)胶筒外壁的上角部位有被挤上翘的趋势,(2)胶筒内的应力基本上是受压的,(3)胶筒的内外壁都有一定的接触压力,计算方法为合理设计封隔器胶筒提供了理论基础。
【总页数】10页(P129-138)
【关键词】油井封隔器;橡胶材料;载荷计算
【作者】范家齐;曲宪刚;杨晓翔
【作者单位】大庆石油学院
【正文语种】中文
【中图分类】TE931.2
【相关文献】
1.封隔器胶筒坐封有限元分析和比较 [J], 贾建华;王彦福;徐斯塬;
2.封隔器胶筒结构改进及有限元分析 [J], 蔡风涛;刘迪;赵帅;滕强
3.基于有限元的三胶筒封隔器密封性能分析 [J], 李卫东;邓涛
4.跨隔测试封隔器胶筒及胶筒骨架失效原因分析 [J], 万志国; 张辉; 窦益华; 孟琪; 关元
5.Y211型封隔器胶筒及卡瓦的有限元分析 [J], 孙金绢; 田建辉; 瞿金秀; 陈龙因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
封隔器管柱受力分析
P上 P内
封隔器
※管柱自重拉伸：
ΔL1=1.7×10-7L2=1.53 （ m）
P下
一、管柱的四种效应
2、管柱的四种效应—螺旋弯曲效应
支撑式或卡瓦式封隔器的座封是靠上
部油管的自重载荷来压缩封隔器胶筒而保 持密封的。在封隔器上部的一部分油管在 压缩力作用下呈螺旋弯曲状态，称螺旋弯 曲效应。
一、管柱的四种效应
2、管柱的四种效应—螺旋弯曲效应
（1）、螺旋弯曲引起的管柱长度的缩距：
L2
或
2 2 r F0 4 1.2746453 10
kqEJ
（1-12a）
L2
64
2 r kqL2 0 1.2258313
EJ
（1-12b）
Байду номын сангаасJ
(D d )
4 4
D r rT 2
3
2
T
2 2 3 d 2 P 1 d T D 10
P内
封隔器
（1-14a）
活塞效应引起的管柱变形量计算（用式1-12a）：
L2
2 2 r F1 1.2746453 104
（1-14b）
下层
kqEJ
P下
空球座
式中：F1—活塞效应产生的轴向载荷，KN；
ΔP3—封隔器下部压力，MPa； ΔP1—封隔器上部环空压力，MPa； dT—套管内径，mm。
一、管柱的四种效应
2、管柱的四种效应—压力效应
（2）、鼓胀效应与反鼓胀效应引起管柱长度变化：
2 P 2 d P1 D L3 L 2 2 E D d
2 2
油气田井下封隔器胶筒橡胶研究进展
油气田井下封隔器胶筒橡胶研究进展摘要：本文简单对油气田井下封隔器胶筒橡胶进行了探究，探究的内容具有多样性，如该橡胶周围的各种变化、使用过程出现的各种状况，根据橡胶类型的不同、不一样的原理构造提出了对应的解决方案，对橡胶的各种功能在总结之后进行评定和全面分析，以便对未来的胶筒橡胶提出新的研究要求。
关键词：油气田；井下；封隔器；胶筒橡胶对于油田的开采而言，中国的油田所呈现的特色是不匀称、油层不少的特色。
伴随在石油采掘的过程中，石油总量的发现以及进一步落实在面对持续严重的自然环境，怎样科学、行之有效地进行复杂油田的开发，提升总的生产绩效，长期以来受到世界的重点重视。
现阶段，对复合油层进行开发最为一般的策略是采取一管联通、多管齐下的挖掘策略，如果管子的主体穿越了不一样工作环境的石油层时，需要使用的是封隔器来对不同层次的石油进行划分，为了避免划分过程中的互相排斥，所以封隔器的作用是非常明显的，而却对于开采作业而言，其使用的范围也是很广的。
而胶筒橡胶对于封隔器而言，所起到的作用绝非简单，那么，作为主要构成部分，它品质的高低直接影响封隔器在此过程中的作用以及使用时长，而且还能影响到的是挖掘石油过程中的科学性、合理性。
一、胶筒橡胶的使用过程勘探石油过程的条件是非常苛刻的，实际勘探温度和压强都比地面要高，勘探设施所需要承受的条件比一般设施要更具承受力。
试验的过程中，仿照实际环境所监测的监测压差大约是40-70Mpa，实际挖掘温是100-210度。
对于在进行试验的过程里，橡胶需要接受的等压差是9Mpa-34Mpa之间。
于胶筒橡胶而言，其应用于井下的实际环境条件要求种类繁多，其中一项是温度，温度异常会致使橡胶的老化，老化又会导致使用的使用时长会受到限制。
能够适应温度异常的是新型封隔器胶筒橡胶，无论温度产生怎样的改变，其适应性都非常好。
对于地层的有关监测来说，周围温度太高就会产生一定的化学现象，对于含有各种化学物质（比如二氧化碳、二氧化硫）的深井之中，一些空气的产生容易对橡胶产生不利作用致使它的不工作。
皮碗封隔器胶筒实验
皮碗封胶筒实验山东大东联石油设备公司皮碗封隔器胶筒优化试验一、实验目的：优选皮碗封隔器胶筒材料，提高胶筒耐磨、承压性能。
二、实验思路：根据皮碗封隔器现场应用效果，优选胶筒材料和硬度，通过胶筒磨损实验、胶筒强度实验，优选胶筒。
三、试验工具Z331型皮碗式封隔器（一）特点及用途Z331型皮碗式封隔器是一种靠皮碗与套管的过盈和井内压差密封油套环空的自封式封隔器，坐封时不需动管柱或打压，皮碗可对装（保持来自两个方向的压力），也可同向（向上或向下）安装。
适用于试油、采油、找水、酸化、防砂、洗井等工艺。
（二）结构Z331型皮碗式封隔器由上接头、皮碗、中心管等组成，（三）工作原理采用自封型式密封。
（四）技术参数Z331型皮碗式封隔器主要技术参数见表。
Z331型皮碗式封隔器主要技术参数（本试验选用Z331-150型皮碗式封隔器）四、皮碗封隔器胶筒优化方案（一）胶筒优化设计根据2008年、2009年现场应用效果及材料性能对比分析，胶筒材料选择了常规胶筒材料丁腈橡胶（井内温度≤120℃）和耐高温材料氢化丁腈橡胶（井内温度≥120℃）两类。
1. 丁睛橡胶特性分析：丁腈橡胶的结构：CH 2CH 2CH 2CH 2CH 2CHCHCH CH CH CNxzy 结构式1．丙烯腈含量与丁腈橡胶的极性：丙烯腈的典型含量为34%。
随着ACN 含量的增加，大分子极性增加，带来一系列性能的变化：内聚能密度增加、溶解度参数增加、极性增加，耐低温性差，耐油性增加。
2．丁腈橡胶的聚集态结构：丁腈橡胶的两种结构单元是无规共聚的，其中丁二烯以反1,4-结构聚合，是非结晶的无定形高聚物，玻璃化转变温度随ACN 的增加而线性提高。
丁腈橡胶的性能（与极性和不饱和性有关）1．强度低NBR 为非结晶性橡胶。
纯胶硫化胶强度为3~4.5MPa ，炭黑补强后拉伸强度为25~30MPa 。
2．优秀的耐油、耐非极性溶剂性能。
（与ACN 含量有关）3．耐热性、耐臭氧性比NR 、SBR 好，但比EPM 、IIR 、CR 差。
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封隔器胶筒肩部的力学分析徐小晨;张公社【摘要】为了适应老油田精细分层注水需求,应加强现有封隔器结构设计的合理性。
针对扩张式封隔器的胶筒长度比较长,扩张时各部分扩张不均匀,肩部容易破坏的问题进行了研究。
根据扩张式注水封隔器坐封原理,采用了有限元的方法,以业内具有较高认可度ANSYS Workbench15.0有限元软件,对一种具有10 mm补偿结构的K334-112封隔器进行了力学分析。
对输出结果分析表明,胶筒在各个部分的受力情况和位移状态都是不均匀的,应力集中始终出现在胶筒肩部,在设计胶筒时如果能改善应力集中部分的性能,将使得封隔器的设计更加合理。
这样运用有限元的方法分析优化封隔器的结构与传统的使用实验的方法相比,更能适应现在高速发展的机械结构研究邻域,使得封隔器制造商能有更高的行业竞争力。
【期刊名称】《能源与环保》【年(卷),期】2017(039)009【总页数】5页(P150-153,159)【关键词】精细分层注水扩张式封隔器长胶筒 ANSYS Workbench15.0 应力应变【作者】徐小晨;张公社【作者单位】长江大学石油工程学院,湖北武汉430100【正文语种】中文【中图分类】TE931Abstract:In order to meet the needs of the fine oil injection in the old oilfield，it was necessary to strengthen the rationality of the existing packer structure design．The length of the drum was longer for the expansion packer，and the expansion was uneven and the shoulder was easy to destroy．According to the principle of the expansion of the water injection packer，the finite element method was adopted，and the K334-112 packer with 10 mm compensation structure was carried out with ANSYS Workbench15．0 finite element software to carry on mechanical analysis．The analysis of the results of the output showed that the force and displacement states of the plastic cylinders were uneven in all parts，and the stress was always concentrated on the shoulder of the cylinder．If the performance of the stress concentration part can be improved when the cylinder is designed，the design of the packer was more reasonable．This method of using finite element method to optimize the structure of the packer compared with the traditional method of using the experiment will be more adaptable to the now high-speed development of the mechanical structure of the neighborhood，to make the packer manufacturers have a higher industry competition force．Keywords:fine layered water injection;expansion packer;long plastic tube;ANSYS Workbench15．0;stress-strain为了提高封隔器结构设计和参数优化的工作效率和减少相应的设计成本，国内外研究人员已经把有限元分析法当成一种主要手段，M．S．M．Al-Kharusi等［1］通过ABAQUS建立了封隔器在坐封后胶筒两端存在液力压力的有限元模型，郭志平等［2］通过ANSYS软件析对封隔器胶筒和外层套管内壁之间的接触情况进行分析发现，接触应力的大小直接影响到封隔器的密封效果，程心平［3］为了研制出适合海上大排量反洗井的要求，通过ANSYS软件分析得到封隔器胶筒橡胶的应力—应变关系呈非线性。
随着温度的升高，橡胶材料强度会变弱，在温度为65℃时橡胶材料强度达到最低，继续升高温度，橡胶材料强度又会增加。
张阳波等［4］通过ANSYS软件建立了封隔器有限元优化数学模型，采用函数逼近的优化方法对胶筒长度为720 mm的封隔器进行结构优化分析并得到了最优设计。
参照该封隔器的结构图纸完成对此封隔器几何模型的建立，然后将封隔器的几何模型导入Ansys workbench15．0中，按照封隔器各部分的实际情况进行网格划分、接触分析、边界条件的设定，最终完成对工况的模拟。
原有的分层注水工艺很大程度上已经无法满足层内薄差油层精细分层注水需求，其原因主要是原分层注水封隔器胶筒长度过小，一般小于0．3 m［5］，当厚度较大的油层内夹着厚度为0．5～1．0 m的薄油层的时候，由于管柱伸长量、磁定位误差的影响，封隔器胶筒对油层进行有效的分层卡封，最终导致此较大厚层内2个分层发生窜层［6-8］，为了解决这个问题部分老油田开始使用长胶筒封隔器，本次主要就是研究长胶筒的封隔器。
为了较准确使用有限元软件对封隔器进行研究，需要精析封隔器的结构和理解其工作原理。
本文主要对现在油田后期开发中使用较为广泛的K344-112型扩张式封隔器进行其胶筒的应力、应变分析研究，此次所研究封隔器胶筒长度的为720 mm。
由于胶筒长度过长，则胶筒在加工时需要预留10 mm的补偿，封隔器的基本结构如图1所示。
坐封时，流体通过中心管上面的传液孔进入胶筒与中心管间的环形密封腔，当油套压差大于0.5 MPa时，胶筒开始坐封;此过程中下挡碗受到流体的压力推动胶筒上移。
解封时，当油套压力平衡时，封隔器即可解封。
本次采用的封隔器在坐封过程中简化为承受3个方面的作用力:胶筒与中心管的环空压力Pc、胶筒下端受到挡碗的作用力Pc、胶筒与套管的环空静液柱压力P1。
其中胶筒下端的作用力是由于封隔器补偿结构的原因，当油管内流体由传压孔进入环形密封腔同时作用于挡碗结构，推动挡碗向上移动，作用力大小等于油管内压力，因为本次研究的重点在于胶筒的部分，为了减少最终软件对于有限元模型的求解时间，对胶筒的受力分析进行简化(图2)。
研究所用的封隔器是K344-112，查找结构说明和材料说明发现该封隔器主要由2种材料组成，胶筒用到的是氢化丁腈橡胶，属于超弹性体几乎不可压缩(只有少量的体积变化)［9］，其余的部件用到是泊松比为0.2、弹性模量为2.01×105MPa的新钢材。
通过调研材料本构模型的相关文献［10-14］，发现其中的Mooney-Rivlin和Yeoh两种模型在封隔器胶筒有限元分析领域有着较为广泛的应用。
黄建龙等［15-17］人在研究同一种橡胶材料时分别采用Mooney-Rivlin和Yeoh两种模型进行了有限元分析研究，得到的橡胶材料在两种模型下的应力、位移云图，对比分析后发现了Mooney-Rivlin模型适用于对橡胶中小变形情况，Yeoh模型则是适用于分析大变形行为。
而此次研究的长胶筒属于中小变形情况，因此封隔器胶筒橡胶材料的本构方程决定选用Mooney-Rivlin 模型［18］，根据经验式(1)、式(3)计算出本构方程关键参数C01和C10。
式中，Hr为邵氏硬度;E为杨氏模量;C10、C01为关键参数;胶筒采用氢化丁腈橡胶，邵氏硬度90，杨氏模量17.33。
通过计算得出C10=1.925 56，C01=0.962 78。
在Workbench15.0中的Engineering Date中对材料参数进行设置，C10=1.925 56，C01=0.962 78，由于此次模拟的氢化丁腈橡胶属于超弹性体，几乎不可压缩，所以将Incompressbility Parameter D1设置为0，然后得到了如图3所示封隔器橡胶材料的应力—应变曲线。
此次研究用K344-122扩张式封隔器，如图4所示，在CAD中建立几何模型并导入Workbench15.0的Geometry中，使用有限元对工况进行模拟的时候，因为模型的结构较为复杂，接触问题变得较难分析，而本次研究的是橡胶材料，它属于接触问题中的材料非线性问题，这就增加了模拟的难度。
为了解决这些问题，查找文献书籍发现，对几何模型进行合理的网格划分，在一定程度上能够改善计算的收敛性，使计算结果更加精确［19-21］。
MESH中对胶筒网格划分结果如图5所示，由于实际生产中胶筒的肩部受力集中，要进行此处网格的加密，设定肩部边的网格尺寸为0.002 m，胶筒中部也与外面的套管接触，将会产生接触应力，设定胶筒中部网格尺寸为0.003 m，胶筒其他部分采用网格自动划分;坐封过程中会使得挡碗内表面与胶筒发生接触，设定挡碗内表面网格尺寸为0.003 m，挡碗的其他部分可以采用网格自动划分;由于套管在本次研究中并不考虑其受力分析，设定套管的网格尺寸为0.005 m。
坐封压差为0.9 MPa时内外两层胶筒的应力场分布情况如图6所示，由图6可知，各层胶筒中间段中间较大部分的应力分布比较均匀，主要在两层的胶筒肩部较小区域出现应力梯度较大的情况。
如图7所示，坐封压差为0.5 MPa时胶筒的位移形变主要集中在胶筒的下端肩部，最大的位移形变为11.079 mm，胶筒上部位移形变很少，并没有完全的坐封。
当坐封压差达到0.9 MPa时，胶筒上下肩部及中筒的位移形变都超过了14 mm，封隔器完全坐封，由于此次研究并没有考虑胶筒和套管的接触胶筒肩部在达到位移形变14 mm的最大实际位移后仍会继续位移，最大位移达到15.525 mm，这些都说明胶筒的应力集中出现在胶筒的肩部。
对比胶筒各个部分的位移量不难发现，如果没有套管的遮挡胶筒最终在各部分胀开程度并不均匀。