随着油气资源勘探开发的不断深入和发展,我国高温高压深井/超深井、含硫化氢井及高含硫化氢井等复杂工况油气井等相继开发,为保护油、套管,延长井筒开采寿命或实现分层开采,避免层间干扰,提高单井利用率,永久式封隔器完井技术已成为高温高压高含硫油气井开采的一项重要技术。胶筒作为永久式封隔器的核心部件,其力学性能直接决定了封隔器的坐封效果、密封性能。为系统、深入研究复杂工况下永久式封隔器密封性能,本文采用理论分析、有限元仿真和室内实验相结合的研究方法,对永久式封隔器胶筒在温度、压力、介质及时间共同作用下的力学行为、密封性能进行了分析、研究。本文的主要研究内容如下:(1)橡胶材料超黏弹性本构实验及模型。基于非接触式测量方法,开展了橡胶材料单轴拉伸、平面拉伸和等双轴拉伸实验;基于热力学统计理论,引入管道模型对八链网络模型进行修正,建立一种新的混合超弹性本构模型,并通过上述三种本构实验数据对该本构模型的可靠性和适用性进行了验证;开展了橡胶材料的应力松弛实验,并基于最小二乘法对广义Maxwell模型的Prony级数相关参数进行了拟合。(2)封隔器胶筒密封性能实验研究。基于VIC-3D非接触全场应变测量系统,设计、搭建了封隔器胶筒密封性能可视化实验台架,并对不同硬度、不同高度的氢化丁腈橡胶胶筒在不同轴向载荷下的变形及密封承压能力进行了实验研究,系统揭示了胶筒在不同阶段的变形情况;基于有限元理论,建立与台架实验相对应的有限元仿真模型,通过台架实验结果数据对有限元仿真结果进行验证,并基于致效后的有限元仿真模型对胶筒在不同阶段的受力、变形情况进行分析;基于台架实验和有限元仿真结果建立了封隔器胶筒密封性能评价方法。(3)高温油浴老化对封隔器胶筒密封性能影响研究。利用热老化实验箱,开展了两种不同硬度的氢化丁腈橡胶在9种不同老化时间下的高温油浴老化实验,并基于单轴拉伸实验和应力松弛实验数据,分析了高温油浴老化对橡胶材料物理力学性能参数的影响;基于混合超弹性本构模型和广义Maxwell模型,通过有限元仿真方法分析了永久式封隔器胶筒在高温油浴环境中的密封性能变化。(4)高温高压高含硫腐蚀环境对封隔器胶筒密封性能影响研究。通过高温高压反应釜,对两种不同硬度的氢化丁腈橡胶开展了6种不同腐蚀时间下的气相、液相高温高压硫化氢腐蚀实验,并通过单轴拉伸实验和应力松弛实验,研究了高温高压硫化氢气、液相环境中橡胶材料力学性能的影响;并基于橡胶超黏弹性本构理论及有限元方法建立了永久式封隔器胶筒有限元模型,分析了胶筒在高温高压高含硫环境中密封性能的变化。(5)封隔器胶筒密封性能多目标优化设计。基于正交实验法确定了永久式封隔器胶筒的设计变量及取值范围,并利用响应面法理论建立了胶筒密封性能与结构参数的二阶多项式回归方程;利用基于Pareto非支配排序优化的果蝇算法对胶筒密封性能进行多目标优化。本文研究工作系统阐述了永久式封隔器胶筒在高温高压高含硫复杂工况下的密封性能,研究成果可为封隔器胶筒的材料选择、硫化工艺优化等提供实验支撑,同时可为永久式封隔器失效机理研究和寿命预测奠定基础,为研制出长寿命、高可靠性的永久式封隔器胶筒提供理论指导与实验支撑,研究工作对推动永久式封隔器完井技术的发展具有重要的理论价值和工程实际意义。