封隔器是油田开发中常用的工具,其质量的优劣及可靠性将直接影响油田的开发成本。封隔器分掰式卡瓦是封隔器重要部件之一,其工作性能直接影响封隔器的性能,因此,对封隔器卡瓦进行力学理论分析与实验研究,降低其生产成本,提高其工作效率及可靠性,已经成为世界各国油田公司竞相研究的热点。随着我国主力油田已陆续进入中、高含水阶段以及深井、超深井油气田的发现,油气田开发活动对封隔器及其配套工具的性能和技术指标提出了新的、更高的要求。即耐温、耐压、下入深度等性能需要相应的提高。而在实际应用过程中,经常出现坐封不稳、卡瓦易损坏及套管受损等问题。这些问题发生的主要原因是卡瓦的结构设计不尽合理,因此迫切需要对封隔器卡瓦进行力学分析及结构优化设计,研究封隔器卡瓦和套管的应力分布规律,并优化出封隔器卡瓦的最佳结构。本文将基础理论研究、实验研究和应用技术研究有机地结合起来,建立了一种封隔器卡瓦优化设计的新方法,这对提高封隔器的设计水平、促进相关学科发展具有一定的理论意义。本文涉及到弹性力学、塑性力学、实验力学、光弹理论、相似理论及非线性有限元分析,同时还需研究金属的本构关系等多种学科,是材料非线性、接触非线性和瞬态动力学多重耦合的问题。本文通过力学分析,建立了封隔器卡瓦的力学模型及有限元模型。运用动量定理和动力学原理建立了封隔器卡瓦在有限变形范围内的守恒方程和瞬态动力学平衡方程。根据封隔器卡瓦的结构参数和运动条件推导了接触界面不可侵彻度量方程,并根据变分原理和完全的Lagrange格式推导了平衡方程的弱形式。采用增广Lagrange乘子法建立封隔器卡瓦与套管的界面动量方程。采用有限元方法,运用载荷增量法、增广Lagrange乘子法、Newmark法计算封隔器卡瓦在多重耦合情况下的受力和变形状态。通过受力分析和实验研究,明确了卡瓦与套管的受力状况及咬合力分布规律,为卡瓦的优化设计奠定了基础。在卡瓦的优化设计中,首先确定了卡瓦每个相关结构参数变化时,计算结果的变化规律。然后比较每个结构参数所对应结果,如卡瓦和套管的当量摩擦系数、最大Von Miese应力、接触径向压力等,找出每个结构参数最佳值。最后将需要优化结构参数通过正交设计方法进行组合,确定出卡瓦的最优结构参数组合。这为优化封隔器及类似的工具提供了新的思路、新的方法。虽然数值计算方法的功能越来越强,计算结果的精度对于工程解也是可靠的,但是对于模型的建立以及边界条件的确定,单靠数值计算是不够的,还需要通过实验应力分析技术来进行必要的验证。为了检验计算结果的正确性,本文采用光弹性实验模拟封隔器构件模型。将实验结果与计算结果相对比后,两模型中卡瓦和套管的应力分布规律比较一致,且在计算模型中,若卡瓦与套管的摩擦系数等于0.28时,两组结果符合的相对好。本文所提出的优化方法对油田目前出现的新问题具有较强的针对性,所得出的结果为封隔器的设计提供了理论基础。为保证封隔器的正常作业、延长作业周期、提高原油产量和降低生产成本提供了保证,对提高油田经济效益具有一定的现实意义和实用价值。