2

考虑工作温度的封隔器橡胶密封性和

可靠性评价

杨春雷1，2

李斌2郑旭

2张东阳

3

（1．油气藏地质及开发工程国家重点实验室 西南石油大学 610050 成都；2．西南石油大学 机电工程学院 610050 成都；3．安

徽省天然气开发股份有限公司 230051 合肥）

摘要：封隔器核心部件是密封元件，常用密封材料是橡胶，国内外大量学者对封隔器常温下的

密封性能进行了研究。但针对井下工作温度，封隔器橡胶密封性和可靠性评价方法尚不完善。

以 Y344-142 裸眼压裂封隔器为例，在 120℃工作温度环境下，通过单轴拉伸试验、平面拉伸试

验和等双轴拉伸实验，测定橡胶不同受力状态的应力-应变曲线，确定 Mooney-Rivilin 橡胶本

构模型与材料参数。利用有限元方法，建立封隔器密封结构分析模型，获得了 Y344-142 裸眼压

裂封隔器在坐封力 82KN 时胶筒的应力状态。提出了用压缩率、密封性系数、线压和面压评价封

隔器胶筒密封性和可靠性的方法，该评价方法在油田现场上取得了良好的成效，在优化封隔器

胶筒、判断失效形式上有推广意义。

关键字：封隔器胶筒；工作温度；密封性能；评价方法；

中图分类号：TE931.1 文献标识码：A

0前言

封隔器作为石油勘探开发的主要井下

工具之一，广泛地运用于石油开采技术的各

个领域，其工作性能的好坏直接影响石油生

产成本和企业的经济效益。封隔器胶筒是封

隔器的密封元件，也是封隔器最核心的部分[1]。国内外学者[2-8]已经研究了封隔器的结

构，橡胶材料种类，材料力学性能和抗化学

性能等方面对封隔器密封性能影响，并取得

了巨大的成果。基于有限元方法的封隔器工

作情况仿真分析是研究封隔器密封性能常

用的分析方法,对现场运用具有预测性和检

验性。陈爱平[9]根据井下高温高压的工作环

境，确定了封隔器橡胶材料的选择依据，伍

开松[10]等人提出了根据实验数据拟合合理

选择封隔器橡胶本构模型的思路。研究人员[11-16]通过有限元软件，建立封隔器计算模

型，分析了封隔器密封性能的影响因素，并

进行了优化处理。目前，针对封隔器胶筒密

封性能研究主要存在以下三个不足：(1)简单

地依赖单轴拉伸试验描述封隔器胶筒橡胶

材料的所有力学性能[17]；(2)未体现温度对橡

胶材料力学性能的显著影响，试验大部分在

室温下进行，而封隔器主要的工作温度范围

为 120℃~150℃[18]；(3)胶筒密封性能的评价

方法单一，仅以接触应力和 Mises 应力作为

评价方法并不全面。为解决上述问题，以

Y344-142 裸眼压裂封隔器为例，在 120℃的

工作温度下，通过单轴拉伸、等双轴拉伸和

平面拉伸试验测定橡胶在纯拉伸、纯压缩和

纯剪切状态下的应力-应变曲线，利用数学

拟合方法确定橡胶本构模型和材料参数，分

析了在坐封力 82KN 时胶筒的应力状态，建

立了用压缩率、密封性系数、线压和面压评

价封隔器密封性和可靠性的方法。

1材料力学性能试验与本构模型

1.1 橡胶力学性能试验与本构模型

与金属材料相比，封隔器胶筒变形属于

4

大变形理论范畴，力学行为具有明显的非线

性特征，受温度和应变水平影响较大，仅用

一个简单的弹性模量已经不能说明问题。橡

胶本构模型很多，不同的本构模型适用于不

同的橡胶材料和使用工况。因此，开展封隔

器胶筒密封性能研究，需要开展橡胶力学性

能测试试验，确定合适的橡胶本构模型与材

料参数。

在 120℃工作温度条件下，通过单轴拉

伸试验、等双轴拉伸试验和平面拉伸试验测

试 Y344-142 裸眼压裂封隔器用橡胶在纯拉

伸、纯压缩和纯剪切受力状态下的应力-应

变关系，如图 1、图 2 和图 3 所示。

图 1 橡胶单轴拉伸试验（120℃）

Fig1. Uniaxial tensile test of rubber(120℃)

图 1-2 橡胶等双轴拉伸试验（120℃）

Fig.2 Biaxial tensile test of rubber(120℃)

图 1-3 橡胶平面拉伸试验（120℃）

Fig.3 Planar tensile test of rubber(120℃)

将试验结果与Mooney-Rivlin和 Yoeh橡

胶本构模型拟合比较，如图 4 至 6 所示。

Y344-142 裸眼压裂封隔器胶筒的使用井径

为 152.4mm，胶筒应变水平为 0.243。从对

比分析结果可知，Mooney-Rivlin 和 Yoeh 橡

胶本构模型均表现出较好的稳定性，研究中

采用Mooney-Rivlin橡胶本构模型，C10=0.89，

C01=0.42。

图 4 单轴拉伸试验曲线与本构模型拟合曲线对比

Fig.4 The curve comparison between uniaxial tensile test and

constitutive model

图 5 等双轴拉伸试验曲线与本构模型拟合曲线对比

Fig.5 The curve comparison between biaxial tensile test and

constitutive model

图 6 平面拉伸试验曲线与本构模型拟合曲线对比

Fig.6 The curve comparison between planar tensile test and

constitutive model

1.2 金属部件材料力学性能试验

Y344-142 裸眼压裂封隔器胶筒密封性

能分析中涉及的金属材料包括 35CrMo 和

Cu。按照 GB/T228-2010《金属材料室温拉伸

试验方法》规定，在 WDW-100 型电子万能

试验机进行金属材料力学性能测试，试验材

料为三根直径为 10mm，长度为 50mm的铜

件和钢件（35CrMo），测试结果取均值后

如表 1 所示。

表 1 金属材料力学参数

Tab.1 mechanics parameters of metal materials

材料类

型

(materia

l types)

弹性模量

（Young’s

modulus）

/ MPa

泊松比

(Passion’s

ratio )

屈服强度

（yield

strength）

/ MPa

抗拉强度

（tensile

strength）

/MPa

35CrMo 215600 0.29 783 906

Cu 97625 0.35 297 311

铜为较软的材料，在封隔器坐封过程

中，会发生塑性变形，根据试验结果，获得

铜的塑性应力-应变关系，如图 7 所示。

图 7 Cu 塑性段应力-应变关系图

Fig.7 Stress-strain curve of the plastic stage

2封隔器胶筒有限元模型建立

Y344-142 裸眼压裂封隔器的最大外径

142mm，最大内径 84mm，总长 1540mm，

井径 152.2mm，工作压差为 10MPa 左右，

本文主要研究封隔器在工作温度下胶筒的

密封性和可靠性，因此进行了如下处理：

1.Y344-142 裸眼压裂封隔器属于轴对称

图形，其密封性能的研究主要为径向和轴向

方向，因而可以将计算模型简化为二维轴对

称模型。裸眼井壁材料硬度和塑性远大于橡

胶，因而可以简化为弹性材料；

2.封隔器井下工作过程中，各零部件存

在摩擦系数，假设胶筒与各金属部件之间的

摩擦系数相同，金属与金属之间的摩擦系数

相同；

3.由于胶筒是研究的重点，因此计算模

型中仅考虑影响封隔器密封性能的部件，即

胶筒压帽、胶筒护帽、端部胶筒、胶筒隔环、

胶筒、中心管和裸眼井壁。

2.1 有限元分析几何模型建立

Y344-142 裸眼压裂封隔器的核心部件

是胶筒，胶筒性能是决定封隔器性能的关键

因素。胶筒护帽、端部胶筒、和胶筒隔环主

要起辅助作用，具有防止胶筒肩部突出等功

能。胶筒压帽起传递载荷的作用，将压力载

荷传递给胶筒护帽，然后压缩端部胶筒，最

后压缩胶筒，密封井壁环空。有限元分析几

何模型如图 8 和图 9 所示。

图 8 Y344-142 裸眼压裂封隔器几何模型图

Fig.8 The geometric model of Y344-142 open-hole

fracturing packer

1——压帽(pressing cap)；2——护帽(protecting cap)；3——

端部胶筒(packing rubber)；4——胶筒(rubber)；5——隔环

(supporting ring)；6——中心管(tubing)

图 9 Y344-142 裸眼压裂封隔器部件模型放大图

Fig.9 Partial enlargement of model components of

Y344-142 open-hole fracturing packer

2.2 载荷与边界条件

为了避免边界效应，中心管长度为

1.5m，裸眼井壁长度为 1.5m、壁厚为 0.2m，

中心管两端施加固定约束，裸眼井壁外侧施

加固定约束。根据实际工况，在中心管内表

面施加 8MPa 的压差载荷，封隔器坐封压力

为 82KN。根据 Y344-142 裸眼压裂封隔器工

作原理，为了保证计算具有较好的收敛性，

采用两个分析步施加位移载荷，等效为施加

相应的坐封压力，分析步 1：上、下胶筒压

帽分别施加向下和向上的 5mm 位移载荷，

分析步 2：位移载荷增大到 60mm，如图 10

所示。

图 10 载荷与边界条件

Fig.10 Load and boundary conditions

3封隔器胶筒计算结果分析

在仿真计算分析过程中，胶筒压帽端部

坐封压力载荷加载曲线如图 11 所示，压帽

6

端部最大坐封压力为 82KN，转化为坐封压

强为 14MPa。下面的计算结果为坐封压强为

14MPa 条件下，Y344-142 裸眼压裂封隔器关

键部件的应力-应变状态。

图 11 胶筒压帽端部（坐封）压力载荷加载过程

Fig.11 Pressure (setting force) process of press cap of

rubber

通过计算分析获得胶筒变形、剪应力、

压应力和接触应力分布状态，如图 12、图

13 和 14 所示。

图 12 封隔器胶筒变形状态

Fig.12 Deformation state of packer rubber

图 13 剪应力和压应力分布情况（胶筒 1）

Fig.13 Distribution of shearing stress and compressing

stress (rubber 1)

图 14 接触应力分布情况（胶筒 1）

Fig.14 Distribution of contact stress (rubber 1)

从图 13 中可以看出，在 14MPa 的压力

载荷下，胶筒 1 剪应力最大值为 6.68MPa，

位于胶筒的两端，即胶筒与胶筒隔环接触的

肩部处，说明了在封隔器坐封过程中，胶筒

两端处最易发生撕裂破坏。从压应力分布状

态不难看出，胶筒只有很小区域承受拉应

力，且其值很小，大部分区域承受压应力，

最大压应力为 19.38MPa，位于胶筒外侧两

端。在 14MPa 压力载荷作用下，胶筒两端

被挤压到了胶筒隔环与中心管之间的缝隙

当中，且该部位的压应力较大。

图 14 为胶筒 1 接触应力状态，包括胶

筒与中心管之间、胶筒与裸眼井壁之间、胶

筒两端与胶筒隔环之间的接触应力。从图中

可以看出胶筒最大接触应力为 18.9MPa，位

于胶筒与胶筒隔环接触的两端部，胶筒 1 与

井壁之间最大接触应力为 4.64MPa。

图 15 为胶筒 2 的剪切应力和压应力分

布状态，胶筒受到的最大剪应力为 5.45MPa，

最大压缩应力为 18.43MPa，其最大值均位

于胶筒两端处，胶筒 2 剪应力、压应力分布

状态与胶筒 1 规律基本相同，但应力大小有

所下降，最大剪应力降低了 18.4%，最大压

应力降低了 4.9%。

图 16 为个胶筒 2 的接触应力状态，最

大接触应力为 17.53MPa，位于胶筒两端处，

胶筒 2 与井壁的最大接触应力为 3.67MPa，

分布规律与胶筒 1 相同，但应力均有降低。.

胶筒 3 和胶筒 4 分别与胶筒 2 和胶筒 1

应力状态一致，这里不再累述。

图 15 剪应力和压应力分布状态（胶筒 2）

Fig.15 Distribution of shearing stress and compressing

stress (rubber 2)

图 16 接触应力分布状态（胶筒 2）

Fig.16 Distribution of contact stress (rubber 2)

4封隔器密封性能评价

封隔器的密封性能直接决定封隔器工

作性能的优劣，胶筒与井壁接触压强较小，

胶筒未完全和井壁接触或者接触面过小，导

致液体渗透是封隔器常见的密封问题，目前

为止，仅以接触应力和 Mises 应力评价封隔

器密封性能不够全面。因此，提出了用压缩

率、密封性系数、线压和面压综合评价封隔

器胶筒密封性和可靠性的方法。

1.压缩率 N

设定压缩率 N，定义 N 为封隔器胶筒在

正常工作状态条件下，轴向压缩量与压缩前

轴向长度之比。

%100)(

0

10

L

LLN

式中

L0——胶筒压缩前轴向长度，mm；

L1——胶筒压缩后轴向长度，mm。

N——压缩率，%。

当压缩率 N 值越大，则接触应力越大，

密封性越好；反之，则胶筒接触应力越小，

密封性越差。封隔器胶筒压缩率如表 17 所

示。

表 2 胶筒压缩率

Tab.2 Compression ratio of rubber

部件

(component

)

压缩前长度

(length

before

compressio

n)/mm

压缩后长度

(length after

compressio

n)/mm

压缩率

(compressio

n ratio)/%

胶筒 1

(rubber1)

84 62.92 25.10

胶筒 2

(rubber2)

84 63.12 24.86

胶筒 3

(rubber3)

84 63.11 24.87

胶筒 4

(rubber4)

84 62.94 25.07

2.密封性系数 K

设定密封性系数 K，定义 K 为封隔器胶

筒在正常工作状态条件下，胶筒与井壁接触

应力 Cp和胶筒与井壁接触长度 CL之积。

K=Cp×CL

式中

Cp——胶筒与井壁接触应力，MPa；

CL——胶筒与井壁接触长度，mm；

K——密封性系数，MPa·mm。

密封性能系数 K 值越大，胶筒的密封可

靠性越高，封隔器零部件设计越合理，通过

K 值的大小，可以判定封隔器结构设计的合

理性。

图 17 和图 18 分别是胶筒 1、胶筒 2 与

井壁接触应力随接触路径的变化曲线。从图

中不难看出，胶筒 1 和胶筒 2 接触应力随接

触路径的变化曲线规律相似，都成马鞍形

状。但胶筒 1 对井壁的接触应力和接触面积

均比胶筒 2 大。胶筒 4 和胶筒 3 接触应力随

接触路径的变化曲线与胶筒 1 和胶筒 2 类

似，在此不再累述。

图 17 接触应力随接触路径的变化（胶筒 1）

Fig.17 The variation of contact stress with contact path

(rubber 1)

图 18 接触应力随接触路径的变化（胶筒 2）

Fig.18 The variation of contact stress with contact path

(rubber 2)

通过上面获得的接触应力随接触路径

的变化曲线，可以求出曲线与横轴围成的封

闭面积，即密封性系数 K。封隔器胶筒密封

性系数 K，如表 3 所示。

表 3 胶筒密封性系数

Tab.3 �䤐屈ϵኄ performance o䤐m䤐rr� �R r晦䁗䁗䤐rs

8

部件

(component)

密封性系数 K

(sealing performance

parameter)/MPa·mm

胶筒 1

(rubber1)

193.48

胶筒 2

(rubber2)

149.00

胶筒 3

(rubber3)

149.19

胶筒 4

(rubber4)

192.92

根据封隔器几何模型和载荷边界的对

称性原理，胶筒 1应该与胶筒 4的 K值接近，

胶筒 2 与胶筒 3 的 K 值接近。从表 3 中，也

可以得出同样的结论。另外，从表 3 中可以

获得，胶筒 1 对裸眼的密封可靠性优于胶筒

2，胶筒 4 对裸眼的密封可靠性优于胶筒 3。

3.线压与面压

将封隔器胶筒与裸眼井壁密封面沿轴

向离散成有限条封闭圆环状曲线，其中任意

一条封闭曲线都表示封隔器胶筒与井壁的

密封状态，称封闭曲线上的接触应力为线

压。定义由若干上述封闭曲线形成的封闭曲

面上的接触应力为面压。

当线压存在时，能够保证封隔器处于密

封状态，线压越大胶筒密封性越好；而面压

越大，则封隔器密封可靠性越高。

在二维轴对称模型中，线压则为接触区

域上的点接触应力。面压则为接触区域上的

线接触应力，利用有效接触应力与有效接触

长度定义面压，即在相同有效接触应力条件

下，有效接触长度越大则密封可靠性越高。

封隔器胶筒线压与面压，如表 4 所示

表 4 胶筒线压与面压

Tab.4 The liner pressure and face pressure of

rubbers

部件

(compon

ents)

线压

(liner

pressure)

/MPa

面压(face pressure)

有效接触应力

(effective

contact

stress)/MPa

有效接触长度

/(effective

contact

lenght)/mm

胶筒 1

(rubber1)4.64

≥4MPa 37.79

≥3MPa 45.05

胶筒 2 3.67 ≥4MPa 0

(rubber2) ≥3MPa 39.63

5现场应用案例

樊 154 块位于大芦湖油田的东部，在该

块采用长井段裸眼水平井分段压裂、弹性开

发的模式，通过优化水平井完井、压裂、投

产方式等设计，以提高产能，为下步产能建

设做准备。根据油藏条件，初步设计水平段

长度为 1200 米，分 12 段进行压裂改造，采

用裸眼封隔器通过打压座封，其等级可以达

到：120℃和 70MPa,如图 19 和图 20 所示。

图 19 完井管柱示意图

Fig.19 The principle diagram of string of well completion

图 20 裸眼封隔器

Fig.20 Open-hole packer

该井共使用 12个 Y344-142裸眼压裂封

隔器，在完井前使用上述第 4 节的密封性和

可靠性评价方法对 12 个封隔器进行了分

析，分析结果显示 12 个封隔器密封性能良

好，相互之间误差不超过 15%，如表 5 所示

为樊 154 块 12 个封隔器胶筒 1 的压缩率和

密封系数 K。完井数据显示 12 个封隔器均

成功使用，成功率达 100%，预测结果与现

场使用结果一致。

表5 樊154块封隔器胶筒1的压缩率和密封系

数 K

Tab.5 Compression ratio and sealing

performance o䤐m䤐rr� of packer rubber1 of

fan154

封隔器编号

（number of

packer）

压缩率

(compression

ratio)/%

密封系数K(sealing

performance

parameter)/MPa·

mm

1(one) 24.72 188.56

2(two) 25.44 189.25

3(three) 26.76 202.17

4(four) 24.54 190.65

5(five) 26.39 199.64

6(six) 26.33 200.14

7(seven) 25.17 205.34

8(eight) 24.85 187.36

9(nine) 24.78 186.55

10(ten) 26.61 202.75

11(eleven) 25.94 201.17

12(twelve) 26.23 200.35

6结论

本文以 Y344-142裸眼压裂封隔器为例，

开展了橡胶与金属材料力学性能试验，建立

了封隔器橡胶二维轴对称有限元分析模型，

提出了封隔器橡胶密封性和可靠性评价方

法，主要结论如下：

1.在工作温度 120℃下开展橡胶单轴拉

伸、等双轴拉伸和平面拉伸试验，获得了在

纯拉伸、纯剪切和纯压缩受力状态下橡胶的

应力-应变状态，确定了 Mooney-Rivilin 橡胶

本构模型与材料参数；

2.建立了封隔器密封性能二维轴对称有

限元分析方法，获得了 Y344-142 裸眼压裂

封隔器的应力状态。通过仿真分析发现，当

坐封力为 82KN 时，胶筒端部受剪应力最大，

胶筒的两端处容易撕裂破坏；

3.提出了用压缩率、密封性系数、线压

和面压评价封隔器橡胶密封性与可靠性的

方法，其中密封性系数和面压主要用于评价

封隔器橡胶密封可靠性。证明胶筒 1 和胶筒

4的密封性与可靠性均好于胶筒 2和胶筒 3。

通过现场应用实例验证了评价方法的有效

性。

参 考 文 献(references)

[1] 朱晓荣，吴雷泽，代理震. 封隔器设计基础[M].北京:中国

石化出版社，2012.

[2] J Tusek. Analysis and comparison of joints between rubber and

metal and between rubber and rubber[J]. Kautschuk Gummi

Kunststoffe, 2002,5：227-231.

[3] Yadira Vega-Cantú, Robert Hauge ， Lewis Norman, et al.

Enhancement of the chemical resistance of nitrile rubber by

direct fluorination[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2003,

89(4):971-979.

[4] 郑亮. 油井采出液对封隔器丁腈橡胶密封件性能的影响

[J]. 橡 胶 工 业 ,2012,59:494-498.(Zheng Liang. Effect of

Oil-well Produced Water on Properties of NBR Packer

Element[J]. China Rubber Industry, 2012, 59:494-498. (In

Chinese))

[5] 许蝉蝉，余金陵，徐鑫.遇水自膨胀封隔器专用橡胶的合

成与性能分析 [J].石油钻探技术 ,2012,40(3):38-42.(Xu

Chanchan, Yu Jinling, Xu Xin. Manufacture and Pro-perties

Analysis of Rubber for Water Swelling Packer[J]. Petroleum

Drilling Techniques, 2012,40(3):38-42.(In Chinese))

[6] S Z Qamar, T Pervez, M Akhtar, et al. Design and Manufacture

of Swell Packers: Influence of Material Behavior [J].

Materials and Manufacturing Processes,

2012, 27:721-726.

[7] 陈星.压缩式封隔器密封机构的设计与分析[D].北京：中国

地 质 大 学 ,2015.(Cheng Xing. Design and Research on

Structure of the Compressed Sealing Rubber of the

Packer[D].Beijing: China University of Geosciences,2015.)

[8] 陈爱平 . 压缩式封隔器胶筒耐温耐压浅析 [J].石油机

械 ,1999,27(3)： 45-48. (Cheng Aiping. Analysis of Resistance

Ability to Temperature and Pressure of Compression Packer

Rubber[J]. China Petroleum Machinery，1999,27(3)：45-48(In

Chinese))

[9] 伍开松，袁新生，张元等.合理选择丁睛橡胶胶筒本构模

型探讨 [J].西南石油大学学报 ,2007,29(5):141-145.( WU

Kaisong, Yuan Xinsheng, ZhangYuan, et al. Reasonable

Selection of Packer Elements Constitutive Mo-del For

Acrylonitrile-butadiene Rubbers[J].Journnal of Southwest

Petroleum University, 2007,29(5):141-145.(In Chinese))

[10] Shan Qi Zeng, Zhi Jie Zhang. The Analysis of Compound

Packer Rubber [J]. Applied Mechanics and Mat-erials, 2012,

271-272:1160-1163.

[11] Yuan Wang, Quan Jie Gao, Fei Long Zheng. Contact Analysis

between Packer Slips and Casing Based on Abaqus[J].

Advanced Materials Research, 2013, 850-851:262-265

[12] Wang Jianning, Wu Gang, Xie Weiyi, et al. Analysis of Packer

Rubber Mechanics Properties[J]. Advanced Materials

10

Research, 2014, 971-973:380-389.

[13] Zun Ce Wang, Feng Xia Lu, Meng Yu Cao, et al. Research

on Experimental Method for the Working For-ce between

Packer Rubber and Casing Tube[J]. Applied Mechanics

and Materials,2014,518:138-143.

[14] Weiguo Ma; Baolong Qu; Feng Guan. Effect of the friction

coefficient for contact pressure of packer rubber[J]. Proc

IMechE Part C:J Mechanical Engineering Science,2014, Vol.

228(16) 2881–2887.

[15] 窦益华，杨浩，李明飞等.水力扩张式封隔器胶筒力学

性能有限元分析 [J].油气井测试 ,2016,25(2):6-9.(Dou

Yihua,Yang Hao, Li Mingfei, et al. Mechanical

Characteristics Analysis of Hydraulic Expandable Packer

Rubber with Finite Element Method[J]. Well Testing, 2016,

25(2):6-9.(In Chinese))

[16] 何霞，李明，王国荣等.封隔器胶筒表面形貌对密封性

影响研究[J].应用力学学报，2016,33(3):454-458.(He Xia,

Li Ming, Wang Guorong, et al. Study On Surface

Mor-phology of Packer for The Effect of Sealing

Performan-ce[J].Chinese Journal of Applied Mechanics,

2016,33(3):454-458.(In Chinese))

[17] 卜继玲，黄友剑.轨道车辆橡胶弹性元件设计计算方法

[M].北京：中国铁道出版社,2010.

[18] 王宝珍，胡时胜，周相荣.不同温度下橡胶的动态力学

性 能 及 本 构 模 型 研 究 [J]. 实 验 力 学 ，

2007,22(1):1-6.(Wang Baozhen, Hu Shisheng, Zhou

Xiangrong. Research of Dynamic Mechanical Behavior

and Constitutive Model of Rubber under Different

Temperatures[J]. Journal of Experimental Mechanics,

2007, 22(1):1-6. (In Chinese))

The Evaluation of Sealing and Reliability of

Packer Rubber Based on Temperature

YANG Chunlei1, 2, LI Bing1, ZHENG Xu1, ZHANG Dongyang2

(1. Southwest Petroleum University, State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,

Sichuan 610500; 2.School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University, Sichuan 610500; 3.Anhui

Province Natural Gas Development Company Limited, Anhui 230051)

Abstract: Sealing component which always used rubbers as sealing materials were key component of packers,

and sealing performance of packers at room temperature was studied by a large number of researchers from all

the world. However, the evaluation methods of the sealing and reliability of the rubber of packers at working

temperature weren’t perfect yet. uniaxial tensile test, planar tensile test and biaxial tensile test were adopted to

obtain the stress-strain plots of the rubbers of Y344-142 open-hole fracturing packer on deferent strained

condition at 120℃ , and then Mooney-Rivilin constitutive model was selected and material parameters was

calculated. The analysis model of seal structure of packer was established by the finite methods, and obtained the

stress state of Y344-142 open-hole fracturing packer while setting force was 82KN. Compression rate, sealing ratio,

line pressure and face pressure were putted forward to evaluate the sealing and reliability, and the evaluation

methods had remarkable effectiveness in oil filed test. It had great popularizing significance for structural

optimization and failure of the rubbers.

Key words：Packer Rubber；Working Temperature; Sealing Performance; Evaluation Methods

第一作者简介：杨春雷，男，1979 年生，博士研究生，西南石油大学，研究方向——井下工具。

通讯作者：郑旭，E-mail：swpu1958@126.com