随着石油天然气的开发不断向深层、深海推进,高温高压的井底环境对井下工具不断提出新的挑战。封隔器作为关键的井下分层封隔工具,其密封元件胶筒橡胶材料在封隔器坐封和承压过程中容易发生“肩部突出”、应力松弛等问题导致封隔器密封失效,造成井下作业失败、生产井停产修井等进而带来巨大的经济损失。基于此,本文以高温高压Y445-115封隔器为研究对象,基于橡胶材料的超粘弹特性通过胶筒坐封和承压阶段的仿真分析,在材料、结构设计、施工参数等方面提出了高温高压下预防胶筒密封失效的措施。主要研究工作包括如下几个方面:(1)为准确描述橡胶材料的力学行为,在调研分析橡胶材料超弹和粘弹力学特性及本构模型的基础上,结合封隔器胶筒功能的要求,开展了三种Y445-115封隔器常用橡胶材料的单轴拉伸、单轴压缩和压缩应力松弛实验,根据所得到的橡胶应力-应变、应力-时间实验数据拟合得到了三种橡胶材料在不同温度下对应的超弹和粘弹本构方程,并通过橡胶试件数值仿真数据与实验数据的对比,验证了本构参数的合理性,为后续胶筒密封性能仿真分析奠定了理论基础。(2)在接触应力、接触长度、Mises应力的基础上增加了法向接触力作为评价指标,为更全面准确地评价封隔器胶筒密封性和可靠性提供了评价方法。(3)基于橡胶材料的超弹特性,针对坐封阶段封隔器单胶筒的密封结构,开展了套管壁厚、胶筒几何参数、防突机构位置和大小、温度等对胶筒密封性能的影响规律研究;针对坐封阶段封隔器三胶筒的密封结构,开展了胶筒硬度组合方式、温度、载荷施加方式对三胶筒密封性能的影响规律研究。为胶筒和防突机构的优化设计、施工方式的选择提供了指导依据。(4)基于橡胶材料的粘弹特性,通过将压力载荷等效转换为位移载荷,开展了承压阶段封隔器胶筒硬度、温度、载荷对封隔器胶筒应力松弛的影响规律研究。为避免胶筒密封失效提出了改进措施。本文通过开展胶筒橡胶材料在不同温度下的超粘弹力学性能的实验,利用ABAQUS有限元软件研究了封隔器胶筒在坐封和承压阶段的密封性能。研究成果为封隔器胶筒的设计优化和密封失效的预防提供了理论和方法,对改善封隔器的工作性能具有重要的意义。