作者：刘清友,王国荣,湛精华
出版社：石油工业出版社
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井下封隔器工作行为仿真试读：
前言
封隔器是石油勘探和开发中经常使用的一种工具，其应用范围包括钻井、试油、生产、测试、注入、增产作业等，其工作可靠性和产品性能是影响作业成败的一个至关重要的因素，向来为各类专家所重视。
由于封隔器本身结构中含有橡胶非线性材料，且在井下的工况复杂多变，在这种情况下采用传统的力学分析手段局限性太大，同时也无法对封隔器在井下的工作过程进行真实再现。有限元方法的发展，弥补了传统力学分析手段的不足，它已成为分析连续体的强有力工具，尤其是随着计算机技术的飞速发展，有限元方法在各个领域得到了越来越广泛的应用，已经成为结构和工况复杂条件下机械设备力学分析的一个重要手段。目前，虽然各种学术期刊上涉及封隔器的相关论文较多，但是致力于深入系统地介绍封隔器力学分析方法、工作行为仿真，尤其是将现代设计理论应用到封隔器设计当中的专著，在国内还未见到。这在一定程度上给国内从事封隔器相关工作的研究学者和工程人员增加了一定的工作难度，使得我国封隔器以及相关井下工具的设计与分析中采用的现代设计理论与方法较少。
近些年来，笔者与江汉石油管理局采油工艺研究院就封隔器的相关领域开展了广泛深入的合作，取得了一些可喜的研究成果。尤其是通过多年的合作研究，将现代设计理念融入到封隔器等井下工具的研究领域当中，从系统的角度出发，综合应用弹塑性力学、接触有限元理论、数值分析方法、计算机仿真技术等多学科知识，在国内率先建立了考虑胶筒非线性、大变形特征的封隔器系统工作行为仿真模型，通过实验建立了封隔器胶筒材料在井底实际工况下的本构关系模型，运用混合编程思想开发了具有自主知识产权的封隔器系统工作行为仿真软件，并在自行设计的封隔器试验台架上完成了Y341-148型封隔器台架试验，验证了所建立数学模型和所开发仿真软件的正确性，为封隔器及井下工具的设计、改进和新产品开发提供了一种新的理论方法和技术手段。
结合近几年的研究成果，笔者经过总结与提炼，写成本书。它在内容上对有限元方法和计算机仿真技术在封隔器中的应用进行了阐述，内容包括如何建立封隔器各零部件以及整体的接触有限元模型，在研究过程中的考虑要点，材料本构关系的不同处理方法，采用计算机进行仿真求解的策略和思路，以及工作行为的仿真等，对各方面内容都进行了深入的讨论。
本书注重理论和实际的紧密结合，内容丰富、翔实，实用性和可操作性强，不仅能够为从事封隔器研制工作的相关研究人员提供借鉴和指导，其研究思路和方法同时也可以延伸到相关井下工具的研制领域，具有一定的参考价值。
本书中的部分内容来源于笔者与中国石化江汉油田分公司采油工艺研究院合作项目中的研究内容。在项目的进行当中，中国石化江汉油田分公司采油工艺研究院的各位领导和专家都给予了极大的帮助和支持，提出了不少宝贵意见，在此表示衷心的感谢。
本书虽然几易其稿，但限于笔者学识有限，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评指正。
笔者
2010年3月
第1章 概述
随着世界范围内对石油、天然气需求的加剧，对石油和天然气生产的重视及石油工程技术的发展，已经形成了针对各种类型油气田的生产开发体系和完整的工艺技术。而随着越来越多的油气田投入大规模的开发，其难度也越来越大，从而又推动了石油工程技术的迅速发展，使之成为一门高度综合的工程技术。
众所周知，石油和天然气大都是深埋于地下几百米、几千米甚至更深的液体、气体矿物资源，具有较强的隐蔽性，它不像普通固体矿物那样可以由人工直接采掘。所以要成功地开发油气资源，首先要制定合理的开发方案，然后采用科学的钻井方法和先进的钻进工艺技术，建立起一条开采油气的永久性通道，满足油田长期生产的要求。
当油气流的通道建成以后，再采用科学先进的采油工艺技术和方法，以最小的代价、合理的速度将油气开采到地面，并要随时了解和掌握地下油气水运动的状态和规模，随时对油气田的开采动态进行监测和分析，调整、完善开采技术和措施，保持长期稳产、高产，从而实现开发方案中的各项指标和较高的经济效益。
§1.1 采油工艺及增产措施简介
采油工艺技术是油田开发的重要技术条件，没有先进适用的采油工艺技术，油田开发将不可能实现高水平、高效益。现对采油工艺及增产措施作如下简单介绍：（1）自喷采油。当油藏压力高于井内流体柱的压力时，油藏中的石油通过油管和采油树能自行举升至井外的采油方法。石油中大量的伴生天然气能降低井内流体的密度，降低流体柱压力，使油井更易自喷。油层压力和气油比是油井自喷能力的两个主要指标。
油、气同时在井内沿油管向上流动，其能量主要消耗于重力和摩擦力。在一定的油层压力和气油比的条件下，每口井中的油管尺寸和深度不变时，有一个充分利用能量的最优流速范围，即最优日产量范围。必须选用合理的油管尺寸，调节井口节流器（常称油嘴）的大小，使自喷井的产量与油层的供油能力相匹配，以保证自喷井在最优产量范围内生产。（2）机械采油。机械采油包括气举采油和抽油泵采油。
气举采油是利用空气压缩机把空气或天然气压入油井内，将原油从井底举升到地面来的采油方法。实际中多用天然气作为气源。其工作原理为：当空气或天然气通过压缩机压缩，提高压力后压入油管，迫使油管中的液面下降，油管中的油液便通过油管底部进入油管、套管环形空间。当油管中的波面降低至油管鞋处时，被压入的气体便进入油管、套管环形空间，使环形空间的油液发生气化，密度变小，液面高度增加。不断从油管压入气体，油管、套管环形空间的油液就不断地被汽化，其环形空间的液面高度也就不断地增加至井口，直到气液混合物从套管出口喷出地面。
按是否使用抽油杆来传递动力，一般又将抽油泵采油分为无杆泵采油和有杆泵采油两类。有杆泵地面动力设备带动抽油机，并通过抽油杆带动深井泵。无杆泵是不借助抽油杆来传递动力的抽油设备。目前无杆泵的种类很多，如水力活塞泵、电动潜油离心泵、射流泵、振动泵、螺杆泵等。目前应用最广泛的还是游梁式抽油机深井泵装置，此装置结构合理、经久耐用、管理方便、适用范围广。（3）注水。利用注水井把水注入油层，以补充和保持油层压力的措施称为注水。油田投入开发后，随着开采时间的增长，油层本身能量将不断地被消耗，致使油层压力不断地下降，地下原油大量脱气，黏度增加，油井产量大大减少，甚至会停喷停产，造成地下残留大量死油采不出来。为了弥补原油采出后所造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现油田高产稳产，并获得较高的采收率，必须对油田进行注水。注水方式即注采系统，是指注水井在油藏所处的部位和注水井与生产井之间的排列关系，可根据油田特点选择以下注水方式：①边缘注水，分为缘外注水、缘上注水和边内注水3种；②切割注水；③面积注水，可分五点法注水、七点法注水、歪七点法注水、四点法注水及九点法注水等。（4）压裂。压裂是人为地使地层产生裂缝，改善油在地下的流动环境，使油井产量增加。压裂的方法分水力压裂和高能气体压裂两大类。
水力压裂是靠地面高压泵车车组将流体高速注入井中，借助井底憋起的高压，使油层岩石破裂产生裂缝。为防止泵车停止工作后，压力下降，裂缝又自行合拢，在地层破裂后的注入液体中，混入比地层砂大数倍的沙子，同流体一并进入裂缝，并永久停留在裂缝中，支撑裂缝处于开启状态，使油流环境长期得以改善。
高能气体压裂是用火药弹与液体火药合用，预先置于井筒内的油层位置，点燃火药，靠燃烧产生的高温高压气体，以数倍于水力压裂的速度施加于地层上。由于施压速度极快，地层产生的裂缝，既不是单一的也无固定的方向，一般成辐射状的多条裂缝。长度没有水力压裂造出的缝那么长，一般只有10多米，裂缝也无需沙子支撑，只是依靠裂缝的条数多，从而改善油流环境。另外，燃烧产生的高温达1000℃以上，可提高油层温度，使地下油变稀，油更容易产出。由于该工艺产生的裂缝较短，一般用于解除油层近井地带的堵塞。（5）酸化。酸化是利用地面高压泵把酸液通过井筒挤入油气层，酸液与油气层的孔隙发生化学溶蚀作用，扩大油气的通道，提高油气层的渗透率；或者依靠酸液溶解井壁附近的堵塞物，如泥浆、泥饼及其他沉淀物质，以提高油气井的产量。
根据酸液在地层中的作用，酸化一般可分为两类：一类是注酸压力低于油气层破裂压力的常规酸化（也叫一般酸化），这时，酸液主要发挥化学溶蚀作用，扩大与其接触岩石的孔隙、裂缝、溶洞；另一类是注酸压力高于油气层破裂压力的酸化压裂（简称酸压），这时酸液将同时发挥化学作用和水力作用，以扩大孔洞和压开新的裂缝，形成通畅的油气渗流通道。
一般来说，对于砂岩油气藏，通常采用常规酸化；而对裂缝性灰岩油气藏，采用酸化压裂。
同时，油井出砂、结蜡和出水是油田生产过程中经常遇到的问题，它直接影响到油井是否能正常生产。这不仅给采油工艺带来许多复杂问题，而且将影响油层采油速度及采收率的提高。因此，要确保油田高产稳产和较高的最终采收率，也要采取各种技术措施来解决所遇到的这些问题。
§1.2 封隔器在措施管柱中的封隔作用概述
措施管柱中包括封隔器、配水器、筛管、导向丝堵、卡瓦、阀类、水力锚等各种设备。在不同情况下组成了形式多样的管柱，完成相应的功能。比如，采油管柱、注水管柱、压裂管柱、酸化管柱、化堵管柱、防砂管柱、机泵管柱等。但是它们大多数都离不开一个重要设备——封隔器。
所谓封隔器，系指具有弹性密封元件，并借此封隔环形空间，隔绝产层，以控制产（注）液，保护套管的井下工具。也就是说，封隔器所具备的种种功能，主要依靠弹性密封元件的密封作用来实现。这种密封作用，根据密封部位的不同，可分为两种：一种是油管与套管（或裸眼井壁）之间的密封，谓之“外密封”；另一种是油管或油管密封短节（也称密封段）与封隔器内腔（或密封腔容座）之间的密封，谓之“内密封”。前者问世很早，使用相当普遍；后者兴起较晚，但在深井完井中日益显示其优越性。
封隔器使用范围广泛，几乎遍及勘探和开发的各个生产过程。之所以应用封隔器，除了可满足生产中的各种工艺要求外，也有经济上和操作上的考虑，因为借助封隔器进行井下作业，比之其他井下工具更为合算、方便。封隔器一旦在井下有效工作，就可以达到以下目的：（1）隔绝井液和压力，保护套管，从而改善套管工作条件；（2）封隔产层或施工目的层，防止层间流体和压力互相干扰，以适应各种分层技术措施的需要，或便于进行堵漏、封窜等修井作业；（3）保存并充分利用地层能量（包括溶解气能量），以提高油井生产效率，延长其工作时间；（4）使井的控制仅限于地面油管，以确保安全和最大限度地控制地层；（5）满足机械采油工艺（如为气举和水力活塞泵抽油提供必要的生产通道，或将套管分割为吸入和排出两部分，以利无管泵进行抽油）；（6）用在气井中（尾管下至射孔段以下），可以缓和气井液面过早上升；（7）注水；（8）压裂酸化；（9）洗井；（10）卡堵水。
由于封隔器独特的密封作用，为油气水井的正常生产和各种井下工艺措施的顺利进行提供了有效的机械手段，因此，封隔器被认为是实现油气田合理开采的战略性武器。
下面以酸化压裂施工为例简单说明封隔器在油田增产措施施工中如何实现封隔作用。
油层酸化压裂是开发低渗透油藏较为有效的措施。根据压裂井井况选择压裂封隔器和配套压裂管柱是压裂施工中的关键工作，因为压裂封隔器能够在井下要求的位置顺利坐封并达到油层压裂所要求的密封性能，是整个压裂施工能够顺利进行的前提条件。压裂井井况多种多样，需要多种压裂管柱与之适应。
1.2.1 无卡瓦锚定液压坐封的压裂管柱
如图1.1（a）所示，无卡瓦锚定液压坐封的压裂管柱由节流阀、K344型封隔器和水力锚组成或者由集节流阀、K344型封隔器、水力锚三者功能于一体的Y531型封隔器组成。图1.1 三种锚定压裂管柱示意图
该管柱中的K344型封隔器无卡瓦，只有活塞和胶筒。节流阀在一定压力下才能开启。应用时，给油管内加压，节流阀的作用使油管内可达到一定压力，该压力推动K344型封隔器活塞挤压胶筒，密封油管、套管环形空间，同时，液压力推动水力锚锚爪卡紧套管内壁，实现管柱锚定。继续加压到节流阀开启，管柱内液体可进入地层，实现油层压裂。将管柱压力泄掉后，水力锚锚爪和封隔器胶筒自动缩回，实现解封。
该管柱的特点是：（1）节流阀的存在会损耗部分工作压力；（2）管柱内加1次压，封隔器胶筒胀缩1次，封隔器易在使用过程中失效；（3）封隔器无法进行确定的验封；（4）在其他压裂管柱中，一旦发现水力锚被卡住，可从套管反加压使水力锚锚爪缩回，而该压裂管柱不具有该项功能。
1.2.2 有卡瓦锚定机械坐封的压裂管柱
如图1.1（b）所示，有卡瓦锚定机械坐封的压裂管柱工具由Y211型和Y111型封隔器、水力锚及洗井阀组成。
使用时，将Y211型封隔器、Y111型封隔器、水力锚和洗井阀依次连接，按设计要求下到井下某一深度。上提管柱，使Y211型封隔器摩擦块上的换向销钉转换到长轨道，然后下放管柱，封隔器的摩擦块将卡瓦牙推出撑到套管内壁上，实现Y211型封隔器卡瓦锚定。继续下放管柱，管柱的重力会逐渐加到Y211型封隔器卡瓦上，位于卡瓦上部的Y211型封隔器胶筒和Y111型封隔器胶筒都会受到管柱重力的挤压，胶筒挤压后在径向膨胀，从而贴紧套管内壁，实现密封。胶筒受压的程度可以由坐封时上提管柱的高度来控制。在压裂施工时，油管、套管环形空间的压差使水力锚卡住套管内壁，防止压裂施工时管柱蠕动而影响封隔器密封。压裂完成后可给套管加压打开洗井阀进行反洗井。
该管柱的特点是：（1）封隔器坐封操作简单，封隔器下到位置后，不需要给油管加压，只需上提和下放管柱就能实现封隔器坐封。（2）封隔器坐封力的大小可以人为控制，现场操作人员可以通过控制上提管柱高度来控制加在封隔器胶筒上的力，以保证足够的坐封力加在封隔器胶筒上。（3）封隔器坐封后，可以进行正加压验封和反加压验封，在压裂施工进一步实施前可以确定封隔器的密封性能。（4）双级封隔器的密封性能可靠，成功率高。（5）封隔器解封操作简单，解封力小，只需上提管柱至上提力达到其自重时，便能实现封隔器解封。（6）套管加压有利于水力锚锚爪缩回，减小水力锚卡住的概率。
该压裂管柱适用于直井和小斜度井。现场试验表明，井斜超过30°时，Y211型封隔器坐封困难。另外，在大斜度井中，管柱重力会分散加到斜井段的套管壁，不利于封隔器坐封。
1.2.3 有卡瓦锚定液压坐封的压裂管柱
如图1.1（c）所示，液压坐封压裂管柱工具由加压球座、Y241型封隔器、Y111型封隔器、水力锚和洗井阀组成。
使用时，将压裂工具依次连接，按设计要求下到井下某一深度。油管正加压，Y241型封隔器在液压力作用下实现卡瓦锚定和胶筒密封。油管压力卸掉后下放管柱，Y241型封隔器卡瓦形成支撑，管柱重力会逐渐加到Y111型封隔器上，挤压胶筒，实现坐封。水力锚可实现管柱锚定，防止压裂施工管柱窜动而影响封隔器密封。压裂施工完成后，给套管加压可打开洗井阀进行反洗井。
该管柱的特点是：（1）坐封封隔器时需要油管正加压，Y241型封隔器依靠液压力坐封，Y111型封隔器依靠管柱重力压缩胶筒坐封。（2）封隔器坐封后，可进行正加压验封和反加压验封，在压裂施工进一步实施前可以确定封隔器的密封性能。（3）使用双级封隔器密封，密封性能可靠，成功率高。（4）封隔器解封时需要上提管柱，上提力将Y241型封隔器解封剪钉剪断使封隔器解封。（5）可给套管加压帮助水力锚锚爪缩回，减小水力锚卡住的概率。
该管柱的特点是：（1）该管柱不仅工作压力高，可以大排量正反替液，也可以对任意需要压裂改造的油层进行压裂施工；（2）该管柱还可以用于任意层酸化作业施工；（3）该管柱设计有反洗井通道，可以很方便地进行反洗井冲砂或排酸。
1.2.4 任意层酸化压裂管柱
目前有很多油田的大部分油井均进行过酸化压裂改造，甚至进行过多次改造，因此其中的部分油层已得到过酸化压裂改造，为了让未得到改造的油层发挥作用，就需要有针对性地进行酸化压裂，即处理其中某一油层，而其他层位不受影响。为了解决这个问题，研制了一种任意层酸化压裂工艺管柱。
任意层酸化压裂管柱由水力锚、Y341系列酸化压裂封隔器、定压喷砂器、平衡阀、坐封球座等组成（图1.2）。图1.2 任意层酸化压裂管柱1，5—水力锚；2，4—Y341封隔器；3—定压喷砂器；6—平衡阀；7—坐封球座
按设计要求配好管柱；连接管线，循环泵、替液（该管柱正反顶替均可）；先投球（≤38mm）至坐封球座处，油管内憋压15MPa坐封封隔器，继续憋压至20MPa左右打开定压喷砂器；然后按照酸化压裂设计要求进行选定层位的酸化压裂施工。施工完成以后，可由套管泵入洗井液进行反洗井快速排酸或冲砂，然后投入专用撞击杆打开下部平衡阀，使管柱的内外均连通平衡，便于上提管柱解封封隔器，起出施工管柱。
该管柱不仅工作压力高，可以大排量正反替液，也可以对任意需要压裂改造的油层进行压裂施工，该管柱还可以用于任意层酸化作业施工，而且该管柱设计有反洗井通道，可以很方便地进行反洗井冲砂或排酸。
1.2.5 不动管柱分层酸化压裂工艺管柱
有很多油田的油层厚度薄而多，常规的酸化压裂只能处理其中的一个油层，因此酸化压裂后通常只有一个油层开采，在需要酸化压裂多个油层时就需要进行多次施工，施工复杂，周期长，难度大。为了解决这个问题，江汉油田分公司采油工艺研究院研制出了一套不动管柱压裂3层的压裂工艺管柱。
不动管柱压裂3层的压裂工艺管柱由水力锚、Y341压裂封隔器、滑套喷砂器、坐封球座及割缝喷砂器等组成（图1.3）。图1.3 不动管柱分层酸化压裂工艺管柱1，7—水力锚；2，4，6—Y341封隔器；3，5—滑套喷砂器；8—坐封球座；9—割缝喷砂器
按设计要求配好管柱；连接管线，循环泵、替液（正反顶替均可）；先投球（35mm）至坐封球座处，油管内憋压15MPa坐封封隔器，继续憋压至20MPa并打掉球座心子下落至割缝喷砂器底部挡球孔板处，然后按照下层压裂（酸化）设计要求进行下层压裂（酸化）施工；压裂中层时，再投球（38mm）至滑套喷砂器处，油管内憋压15～20MPa，将滑套喷砂器的心管和球压到底部坐封球座处，密封下层，再按照压裂（酸化）设计要求进行第二层压裂（酸化）施工；压裂上层时，再投球（45mm）至上部滑套喷砂器处，油管内憋压15～20MPa将滑套喷砂器的心管和球压到中间滑套喷砂器处，密封下面两层，再按压裂（酸化）设计要求进行第三层压裂（酸化）施工；压裂（酸化）施工完成以后，从套管泵入洗井液进行反洗井快速排酸或冲砂，然后上提管柱解封封隔器，起出施工管柱。
该管柱的特点是：（1）该管柱可以不动管柱进行2层或3层分层压裂施工，在施工前可以大排量正反替液；（2）该管柱还可以用于2层或3层分层酸化作业施工；（3）管柱设计有反洗井通道，可以很方便地进行反洗井冲砂或排酸作业，施工简单方便，施工成本低。
1.2.6 分层酸化工艺管柱
分层酸化工艺管柱主要由安全装置、水力锚、液压可洗井封隔器、节流器、压温器、密封套及单流阀等组成，分层酸化工艺管柱如图1.4所示。
按照施工设计要求，将管柱配接好，并下至设计井深。连接地面管线后，从油管加液压15MPa坐封液压封隔器，继续增压至20MPa左右，将下部节流器开启，此时可按照酸化要求处理下部油水层2。待油水层2处理完毕，停泵并从井口投入一定直径的钢球，待钢球落入上部节流器心轴的球座上后，继续从油管憋压，当压力达一定值后突降，表明上部节流器开启（此时投入的钢球随上部节流器心轴的球座下行，当到达密封套时，自动起到密封油管的作用）。此时可按照油水层1的酸化要求进行酸化处理；待油水层1处理完毕，停泵；从油管、套管环形空间泵入洗井液，洗井液经油管、套管环形空间和液压可洗井封隔器的洗井通道，进入该工艺管柱的最下方单流阀，最终将多余酸液从井筒中替出。在排酸过程结束后，整体上提或下放管柱，将封隔器解封，继续上提管柱，直至下井工具全部起出。将压温器上的压力温度测试仪器取下，连接计算机读取压力温度数值，根据压力温度可对此次施工的有效率做分析评价。图1.4 分层酸化工艺管柱1—安全装置；2，7—水力锚；3，6—液压可洗井封隔器；4，9—节流器；5，10—压温器；8—密封套；11—单流阀
第2章 封隔器工作原理及国内外发展现状
§2.1 封隔器概述
石油工业的兴起和发展伴随着封隔器的问世和演变。据记载，世界上最早使用的封隔器是美国的“种子袋”封隔器，由早期的油田经营者J.Ruffners兄弟等人开始应用，此时的封隔器结构简单，用途单一，性能低下。美国Bryson于1868年发明了裸眼封隔器；1880年，美国Stewart发明了一种开有油管压力、套管压力连通孔的单胶筒封隔器，其胶筒是在锥形体楔入作用下膨胀的。随后，封隔器的研究工作在美国得到了高度重视。苏联封隔器的研究工作始于20世纪30年代初，阿塞拜疆油田首先开始采用正反扣螺栓式封隔器。1936年，阿塞拜疆矿机研究所研制了比较完善的尾管式封隔器，但下入深度只有300～650m，有效工作压差也较小。为了合理地开发多油层非均质油层，避免层间干扰和确保各层有效生产，30年代末，美国和苏联相继开始了分层开采工艺的研究和其他分层工艺技术的试验，这就导致了适应分层开采工艺技术的各种封隔器的发展。1942年，第一次双层完井使用了美国贝克工具制造公司制造的封隔器。1951年，用于多管完井作业用的双管封隔器问世。
近几十年来，随着钻采工艺不断向高温、高压和复杂深部地层方面的发展，对封隔器性能提出了种种更高的要求，因而促使封隔器研制工作趋向专业化，研制的产品日益丰富。目前，美国参与封隔器研制、销售的厂商非常多，封隔器产品达几百种。近几年来，先后研制出了满足不同工艺要求的新型封隔器。
由于人类对石油后备储量勘探的需要，不得不在越来越恶劣的环境——极端高温、极端高压、极端复杂的条件下进行钻井和完井。为了这种需要，从20世纪60年代起，密封腔容座完井法应运而生，用作苛刻条件下的密封材料相继问世，因而突破了封隔器只限于外密封的旧概念，开拓了封隔器实现内密封的新途径。新型高压完井工具——可取式下放短节，可以代替永久式封隔器下在密封腔容座的底部，使密封腔容座完井具有更大的灵活性和更好的控制性，从而导致油气井完井工艺的重大改革。
随着石油后备储量勘探开发面临越来越恶劣的自然环境，石油开采作业的工况条件也越来越复杂，作为采油关键工具的封隔器将朝着高性能、多用途、适应多种工况、寿命长、设计简单、大通径、密封材料具有更好弹性回收性的方向发展。国外研究人员利用先进的化学和机械切割技术发展了可移动式封隔器，以代替可取式封隔器和永久式封隔器。在封隔器设计上，Pro/Engineer、Ansys现代机械设计及自动化分析软件正越来越普遍的得到应用。计算机仿真技术的应用降低了封隔器的研制成本，缩短了开发周期，提高了产品的可靠性和综合性能。
§2.2 封隔器基本结构、分类及其工作原理
目前，尽管国内外研制的封隔器种类繁多，但基本结构大致相同，主要包括密封、锚定、扶正、坐封、锁紧、解封六大部分，而每一部分又各自包含若干零、部件。当然，由于使用目的和工艺要求的不同，不同类型的封隔器各部分结构不同。其中，密封部分有胶筒、钢碗；锚定部分有摩擦弹簧、螺钉、导向头；坐封部分有中心管；锁紧部分有锁闩；解封部分有外套等。下面简要介绍各部分的基本功能及主要零部件。
2.2.1 封隔器的基本结构
2.2.1.1 密封部分
密封部分是在外力（机械力或液压力）的作用下，发生动作而密封环行间隙，防止流体通过的部件。它是封隔器的关键部件，主要由弹性密封元件、安装密封元件的钢碗、隔环和防止各种密封元件“肩部突出”的“防突”元件构成。其中，密封元件是至关重要的核心部件，制作成圆筒状，也称胶筒，如图2.1所示。近年来为实现油管与封隔器之间的内密封，密封元件也制成各种形状（如“V”形）的密封圈。图2.1 封隔器胶筒结构示意图
自封隔器问世以来，人们花了大量的力气，对密封元件（尤其是实现外密封的胶筒）进行了多方面的深入研究，进而带动了整个封隔器的研究工作，因此，封隔器密封元件的研究是一个重点。
2.2.1.2 锚定部分
锚定部分也称“支撑部分”，其作用是支撑在套管壁上，防止封隔器由于纵向移动而影响密封性能，或引起封隔器过早解封，主要包括水力锚和卡瓦等。水力锚使用比较广泛，它通常由许多卡瓦牙或者锯齿形锚爪构成，它既可以与封隔器设计成一体和卡瓦配合使用，也可以单独接在封隔器上。卡瓦也是一种常用的起锚定作用的机构，在美国使用最多。早期的封隔器由于下入深度浅或承压能力低，一般无需带卡瓦，或只在胶筒上部用单卡瓦。1934年才开始在胶筒下部采用下卡瓦。20世纪70年代，美国格伯森公司研制成功了能承受双向压差的整体卡瓦。有时，为了使力分布均匀，在胶筒两端使用两个整体卡瓦。为了防止封隔器的纵向移动，特别在深井和高压作业中，往往采用正、反多级卡瓦，或附加上水力锚，即使是支撑井底的支柱式封隔器，由于怕压坏尾管，也往往如此。
2.2.1.3 扶正部分
扶正部分主要是起扶正密封元件的作用，尤其是在井深质量不好的井中，同时也起初卡作用，便于封隔器坐封。这种作用，通常由一些扶正弹簧片和状如灯笼的扶正器承担。在转动管柱坐封封隔器时，扶正弹簧片借助对套管壁的足够摩擦力，防止封隔器壳体随管柱转动。扶正器一般由扶正弹簧罩、弹簧座和弹簧构成，其作用靠外端呈圆柱面的扶正块来实现。
2.2.1.4 坐封部分
坐封部分是使封隔器坐于目的层段后保持密封状态，即工作状态的机构。通常，它包括坐封活塞、中心管、上下接头和滑环套等。
坐封部分动作时，主要有两个作用：（1）推动锥体，使卡瓦张开（对于带卡瓦的封隔器来说），并贴在套管壁上。（2）压缩弹性密封元件，使之膨胀密封。
2.2.1.5 锁紧部分
锁紧部分是封隔器一旦坐封后，使之固定于坐封状态的机构。由于封隔器锁紧机构及动作方式在很大程度上影响封隔器的可取性，因而是设计可取式封隔器应予重视的结构部分。它通常由外中心管、销钉和各种内锁紧机构（如锥环、锁环、锁扣或锁指扣以及棘轮机构）构成。
2.2.1.6 解封部分
解封部分是使油压、套压连通，进而使卡瓦收回，胶筒恢复原状以利于起封的机构。对于丢手式封隔器，则需要另行配备专用的坐封和解封工具。它通常由平衡活塞、平衡阀（循环阀）、连通孔、缸套或解封套、解封销钉构成。
2.2.2 封隔器的类型
封隔器种类繁多，其基本类型主要有以下9种：（1）永久式。该种封隔器其坐封方式有机械、水力和气压3种，无法解封。使用场合：主要使用在高压或油管负荷变化大，要求长期可靠密封的井中；油管长度变化大的深井以及生产条件复杂，坐封准确位置比较恶劣的井中。（2）水力膨胀式。该种封隔器采用油管憋压的坐封方式，转动或上提油管解封。使用场合：用于井壁不规则的裸眼井或套管损坏的井以及选择性措施和测试、分层采油、注水等场合。（3）水力自封式。该封隔器一般不要求坐封动作，解封时硬拔。使用场合：用于压差小的浅井；压力可平衡或油管可锚定的井。（4）支柱式。采油下放压重坐封，上提油管解封。使用场合：作为上封隔器堵漏；预计没有高压的井；油管无需保持张力的井。（5）张力式。反转上提坐封，正转下放解封。使用场合：1500m以内的浅井注水和增产措施，张力补偿上压，卡瓦和坐封机械要求避开腐蚀性流体。（6）机械压缩式。下放油管，施加压重坐封，上提油管，释放压重解封。使用场合：不带水力锚，用于只有上压的井；带水力锚，用于增产措施、抽吸采油和封堵；多管完井中用作上封隔器。（7）水力压缩式。油管憋压坐封，上提或转动解封。使用场合：只要求承受下压（带水力锚可承受双向压差）的井；最好不动管柱的深井和斜井；要求多次坐封多个封隔器的多层完井。（8）机械张压式。张力加压重坐封，正转上提解封。使用场合：油管可处于张力、压缩力或中和状态的井；可能有上压、下压的井；代替永久可钻式封隔器。（9）水力张压式。油管憋压坐封，转动上提解封。使用场合：油管可处于张力、压缩力或中和状态的井；油管可取出，封隔器能丢手；有双向压差的井；不动管柱就能坐封的井。
2.2.3 封隔器工作机理
以Y341-148型注水封隔器为例，说明封隔器的工作机理。Y 341-148封隔器结构如图2.2所示。图2.2 Y341-148型封隔器结构示意图1—上接头；2—销钉；3—上外套；4—锁簧座；5—锁扣指；6—锁指套；7—锁环；8—卡爪套；9—内中心管；10—外中心管；11—上胶筒座；12—胶筒；13—隔环；14—下胶筒座；15—上活塞套；16—上活塞；17—下中心管；18—下活塞套；19—下活塞；20—下接头；21—剪钉；22—剪钉座；23—防撞环
坐封过程：当封隔器下至设计井深后，从油管内憋压，来液经过内中心管孔眼和下中心管孔眼分别作用在上、下活塞上，推动上活塞及上活塞套上行。当油压达到一定值时，剪钉被剪断，下活塞上行，从而推动上活塞及下胶筒座上行压缩胶筒，外中心管也推动卡爪套上行，到达一定距离时，卡爪套的锯齿扣和锁簧的锯齿扣相啮合，卸压后，锥体将锁簧撑开，锁簧与卡爪套互相锁紧，完成坐封动作。
密封过程：封隔器密封承受上压差时，封隔器上部液体直接进入上平衡活塞腔，形成向上的作用力，平衡封隔器的上压差。当承受下压差时，封隔器下部液体进入平衡活塞腔，形成向下的作用力，同时，坐封活塞推动下胶筒座直接压缩胶筒，保证封隔器始终处于完好的密封状态。
解封过程：当封隔器上接头起吊，外套剪钉被剪断，锁扣松弛，胶筒回弹，完成解封过程。
§2.3 国内外封隔器研究与发展现状
封隔器按大类分主要有永久式封隔器和可取式封隔器两种。针对油井产层的分布和生产工艺的不同需要，对封隔器的结构和性能也有不同的要求。目前国内外针对封隔器的研究工作主要集中在封隔器系统受力分析、新产品开发、结构改进、密封胶筒元件的井下工作性能分析、胶筒及封隔器室内试验研究等几个方面。
2.3.1 封隔器性能参数及其计算方法
封隔器的主要性能参数包括适用套管规格、管柱最大外径、通径、总长、坐封压力、工作压差、工作温度、解封负荷以及两端的连接螺纹等。目前大多数学者就封隔器的性能参数及其计算方法研究主要集中在坐封和解封力，注水封隔器移动的计算和防止，封隔器封隔时套管应力的测试与计算，以及胶筒变形量等方面。
Y511、Y211、Y221等靠压重坐封的封隔器，在使用中常因上提高度不合适而达不到坐封载荷值，造成坐封失败。针对这一问题，考虑虎克定律效应、螺旋弯曲效应、压力效应和温度效应等因素的影响，靠压重坐封封隔器上提高度的计算方法如下：
式中 H——封隔器防坐活动行程，m；1
S——胶筒压缩距离，m。
由虎克定律效应产生油管柱拉伸或压缩的变形量：
由螺旋弯曲效应所引起的油管柱长度的压缩变形量：
鼓胀效应与反鼓胀效应使管柱长度变化的计算公式为：
当管柱伸长受到限制时，温度变化在管柱内产生一个轴向载荷，
这种现象称为温度效应。温度效应使管柱产生变形的计算公式为：
以上各式中 L——油管柱长度，m；
q——油管柱在空气中的线密度，kg/m；
E——钢材弹性模量，MPa；
D，d——油管柱外直径、内直径，mm；
L——油管柱中和点到封隔器位置或支撑点位置的长度，m；0
r——套管内半径，mm；T
R，r——油管外半径、内半径，mm；——油管柱外、内压力变化的平均值，MPa；
μ——钢材的泊松比；
ΔT——井筒内温度的变化值，℃；3
ρ——管柱中液体密度，g/cm。
部分注水封隔器（如Y341-115型封隔器）工作时的移动严重影响分注的成功率，移动的原因主要是封隔器上下的压差所至。深井高压分注封隔器的移动问题应当引起人们的重视，而解决封隔器移动问题的最佳方式是锚定工艺管柱，能提高深井分注成功率，延长分注有效期。
2.3.2 密封元件井下工作性能分析和室内试验研究
密封部分是封隔器的核心，自封隔器问世以来，封隔器的密封问题一直是人们所关注的重点。但由于密封的主要元件胶筒属非线性材料，在工作中由胶筒座的挤压产生大变形而起到密封的作用，其理论研究较难，目前密封元件的研究主要集中在封隔器的井下工作性能分析和室内试验方面，如胶筒的耐温耐压以及胶筒对套管接触应力模拟试验研究等。
吐哈油田钻采工艺研究院曾进行了胶筒接触应力的模拟试验研究，模拟试验装置如图2.3所示，通过在套管壁周围分布应力传感器，测得胶筒在封隔时接触应力的大小及分布情况，如图2.4所示。图2.3 封隔器胶筒模拟加载试验装置示意图
从图2.4上可以看出，随着受压元件轴向力的加大，封隔胶筒对套管的接触应力也逐渐加大，封隔器封隔时胶筒对套管的接触应力主要集中在15-21、25-31、36-39共18个点上，沿套管轴线方向应力值差别较大，沿套管径向分布较均匀，这说明封隔器在油井实际工况下工作时每节胶筒中间带主要起着密封作用，接触最良好，两端则较差。试验结果对封隔器设计和现场使用提供了重要的理论依据，具有十分重要的意义。
有文献利用所研制的高温封隔器测试装置，应用高温电阻应变测试技术与有限元相结合的方法，研究了油井高温封隔器胶筒与石油套管内壁接触压力大小和分布规律，为优化高温封隔器的设计提供了参考数据。国内也有学者根据胶筒的设计原理、受力状态及力学特征，结合室内试验数据，分析了压缩式胶筒的工作温度和工作压差对其工作性能的影响，指出胶筒的耐温性能与材质密切相关，且胶筒的耐压性能除受材质本身的影响外，还受胶筒结构尺寸、胶筒座外径和“防突”装置等的影响，提出了采用扩大胶筒座和胶筒外径及加防突结构的方法来提高胶筒耐压性能的建议。图2.4 胶皮筒接触应力的大小及分布曲线1—轴向力==21.7kN；2—轴向力=47.7kN；3—轴向力=60.6kN；4—轴向力=82.1kN；5—轴向力=101.3kN
此外，在新型胶筒研制方面国内许多学者也做了很多工作。在不改变橡胶配方的情况下，对胶筒的骨架结构进行改进，得出新胶筒的整体强度高，能在较长时间内承受高压的结论；研制的新型胶筒在150℃、100MPa油压下密封性能良好；研制的小直径封隔器胶筒物理性能、密封性能和耐压差性能好，结构合理，用途广，经济和社会效益显著。这些新型胶筒的研制大大改善了封隔器的性能。
2.3.3 封隔器系统受力分析与计算机仿真
在封隔器系统的受力分析和仿真方面，目前国内外的研究主要集中在封隔器胶筒与井壁间的剪应力以及井下工具零件的应力分析，与之相应的一些计算分析软件已开发成功，并逐步得到广泛应用。
在大部分的研究中，为了简化模型将封隔器封隔元件的剪应力看作均匀分布于胶筒表面，而这种应力状态与实际有较大差距。为此，有学者按轴向应力线性分布和非线性分布两种情况，对封隔元件在压差作用下胶筒与井壁间的剪应力进行了理论分析，得出了胶筒周边剪应力分布受胶筒内轴向应力分布影响的结论。考虑到油管的螺旋屈曲对封隔器有严重的影响，还有学者将管柱分为在封隔器附近的空间梁柱段和与约束管壁连续接触的屈曲构形段，通过分析求解管柱屈曲所满足的四阶非线性常微分方程，考虑管柱的固支端部边界条件和连续条件，得到屈曲管柱变形的解析解，进而得到管柱在封隔器附近的内力，所得解析结果与Sorenson的数值结果一致。针对井下工具零件结构复杂，且多为非标准件和非通用件，利用现行手册和常规分析方法难以进行应力分析的情况，依照这类工具零件的力学特征将其分为七大类进行应力分析，并编制了应力分析软件。
胜利油田采油工艺研究院利用ANSYS软件对封隔器胶筒的接触应力进行了数值模拟计算，通过计算分析得到了接触应力沿胶筒轴向的分布情况。为了保证封隔器性能和工作质量，有关方面研制了封隔器工作状态模拟系统，通过模拟井模拟封隔器在井下的工作状态，进行模拟试验，以获取必要的压力、流量等参数。该系统实现了封隔器坐封时释放销钉切断时压力的测量，反洗井上下压差、压力及流量的测量，可以对多种规格封隔器进行试验。
2.3.4 封隔器在工作过程中存在的问题及解决方法
目前封隔器工作过程中常见问题、原因及解决方案主要表现在以下6个方面：（1）中途坐封。主要是由于下井过程中工具与套管壁摩擦碰撞或是管柱底端受到井液水击作用，导致产生的瞬时压差达到封隔器的启动坐封压差，从而产生坐封。目前解决的方案主要有：严格控制管柱的瞬时最大下放速度和制动时间；小活塞上行启动机构；下井过程避开套管接箍，做好套管内径刮削工作；下端防撞环。（2）坐封后自行解封。主要是封隔器（中心管与下接头分离设计）尾管悬重和液压坐封力（即液压坐封时活塞效应产生的拉伸管柱的力，锚定后，这个力恢复到解封剪钉上）的合力大于封隔器解封力造成。目前解决的方案有：控制下部管柱重量；增加液压平衡机构。（3）串封（漏泄）。主要是由于封隔器旁通打开或是密封元件密封不到位，使其所封隔的区域发生压力或流体的泄漏。目前解决的方案有：适当提高坐封压力；加水力锚，防止管柱移动。（4）蠕动。主要是由于正常注水或停注，注水系统压力和温度等因素的波动产生受力的不平衡引起，可造成封隔器胶筒微小移动，使密封失效，甚至使封隔器解封。目前解决的方案主要有：双向锚定结构、封隔器蠕动消除器、加水力锚、封隔器下端加水力卡瓦。（5）密封失效。原因很多，主要有胶筒损坏、坐封压力太低、锁紧不到位等。解决的方法要具体分析，从结构设计和操作规范两方面考虑。（6）错封。主要是下井前定位井深不准确或了解井下地况工作不够。采用磁定位等先进手段可以达到要求。
2.3.5 新产品开发及应用
近几年国内外为了满足生产需要开发了多种新型封隔器，主要有高效膨胀式封隔器、跨隔封隔器、磁性黏弹体封隔器、双压差逐级解封封隔器、双向锚定封隔器以及可钻可取式注水封隔器等。
可钻可取式注水封隔器是主要针对高压、腐蚀严重的深井而研制的一种既可采用上提或投球憋压方式解封取出，又可快速钻磨取出的卡瓦式注水封隔器。解决了锚定机构中脆性卡瓦防断回收解卡、钻磨防转、防解封平衡保护、中心管控制脱接等关键技术。经室内常温试验井试验、模拟高温高压工况的油浸试验罐试验和12井次现场试验，结果表明可钻可取式封隔器坐封性能稳定，成功率高，密封性能可靠，解封和反洗井性能良好，能适用于工作压力36MPa的高压注水。
跨隔封隔器是针对剪销封隔器造成测试成功率低的问题所设计的一种新型封隔器。它采用下接头上设有数个弹性爪，心轴下部设一台阶，台阶支撑在弹性爪上。当遇阻压力或坐封压力形成的向外张力大于弹性爪张力时，弹性爪向外张开，心轴下行，压缩胶筒坐封。上提管柱，心轴上行，台阶又支撑在弹性爪上，胶筒收缩。实践证明，该跨隔封隔器测试一次成功率高，不怕遇阻坐封或开井，性能稳定可靠，是目前较为理想的地层测试工艺装置。
磁性黏弹体封隔器的主要密封件是被永磁体吸附在油管、套管环形空间的磁性黏弹物质，能可靠地封隔套管腐蚀变形井的油管、套管环形空间。室内实验结果表明，这种封隔器坐封合格率和解封合格率均为100%，性能完全达到了设计要求。
除此之外，封隔器结构设计大多在原有的基础上进行改进，以适应不同的油层地质条件和不同的工艺，此类产品的改进在封隔器产品开发中占据了相当大的比重。有关文献介绍了近年来封隔器的改进设计及其在油田生产中的应用。表2.1是部分新型封隔器的结构特点。封隔器新产品的开发和改进在石油开采领域发挥了举足轻重的作用。表2.1 封隔器新产品结构特点表2.1 封隔器新产品结构特点（续）-1
§2.4 封隔器有关专利技术
目前，国内封隔器的相关专利大约有300余项，其中实用新型专利居多。这些专利大致可分为下述3大类。
2.4.1 整体结构改进
该类封隔器主要针对原有封隔器在坐封、解封中存在的一些问题，以及容易出现擦伤、撑裂套管，寿命短，不能洗井，封隔器下井后不能扶正，密封性能差，不能自动解封而遇卡，不能在不动管柱和井口的情况下实现正反循环洗井，不能承受较高的压差等问题，这类专利从多种不同角度来分析研究解决问题的方法。下面是几个有代表性的专利：（1）机械式热采封隔器（专利号87210515）。一种用于向地层注蒸汽的热采井、热循环采油井和高温、高压地层热能利用井封隔油管与套管环形空间的装置。该实用新型的封隔器由于设置了压力锚装置和全部零件采用耐高温的金属材料，使其克服了旧式封隔器不能一次实现坐封、有时不能解封、工作量大、效率低等问题，具有能在高温高压情况下封隔油管和套管环形空间，可以与隔热管一起一次下到井里，借助升力实现解封和防止气顶自动解封的特点。（2）扶正式可洗井封隔器（专利号89216875.7）。一种用于油田注水井分层注水时分隔油层的井下工具。其特征是：它具有强制扶正部件，封隔器在套管内居中，使封隔件工作处于最佳位置，可延长封隔器的使用寿命；该封隔器具有反洗井通道，可反洗井，洗井部件中有储能腔，洗井后使阀在井底压力作用下，可自动关闭。它适用于油田分层注水；因它有扶正部件，所以也可用于斜井，在斜井中封隔件仍能保持良好的密封性能。（3）高压自封压裂封隔器（专利号91222690.0）。该实用新型的高压自封压裂封隔器能用于油田分层压裂、保护套管压裂、投暂堵球选择性压裂等多种工艺过程。该封隔器采用了组合式的封隔件，由压力平衡阀、水力锚、密封部分、密封总成锁定装置四部分形成一个自封式高压密封系统。该封隔器具有使用范围广的优点，不仅适用浅井、深井，还能适用于斜井，使用方便安全，坐封和解封的过程简单可靠，它能在50～60MPa的高压差下正常工作。（4）井下电动压缩式封隔器（专利号94226736.2）。一种油井井下封隔油层的电动封隔装置，特别适于油田应用。它由供电部分、控制部分、驱动部分、减速部分、涨封部分、接封部分、解封部分等组成。封隔器中部装有内通管，涨封部分具有传动轴，外部装有外套管，外套管与轴之间装有活动销，胶筒装在外套管外部，胶筒上部装有上压板，下部装有下座，传动轴与减速部分的减速机构相连；解封部分由弹簧、弹簧座、压紧螺母及功能头构成。（5）可正反循环洗井的井下封隔器（专利号92225013.8）。一种可正反循环洗井的井下封隔器。低渗透油气层的工业性开发离不开增产措施，在压裂酸化过程中，根据需要进行正反循环洗井，以顶替管柱中液体，保持地层不受污染，解除砂堵等工作。但目前采用的封隔器不能在不动管柱和井口情况下实现正反循环洗井，因而给作业带来许多不便并延误时间。（6）防卡封隔器（专利号91207926.6）。在油田压裂酸化等施工中，往往由于压裂砂或其他物质充填封隔器的内腔，使封隔器不能自动解封而遇卡，该专利产品是为解决这一问题而设计的防卡封隔器。它包括胶筒、中心管、胶筒座、接头等部件。在井下作业施工中，当封隔器遇卡后，可上提管柱，依靠管柱与胶筒的摩擦力，使封隔器胶筒下滑，胶筒外径相对缩小，从而自行解卡。防卡封隔器具有结构简单、工作可靠的特点。（7）油田井下用双向卡瓦轨迹式封隔器（专利号92231207.9）。一种油田用封隔器，主要解决现有封隔器在结构上存在的某些缺陷，如擦伤、撑裂套管、寿命短等问题。该设计在封隔器中设双向锥体、双向不带牙的两组卡瓦，每组卡瓦设6片卡瓦片，卡瓦片上可设8道刮板槽，卡瓦与锥体采用燕尾结构连接，卡瓦座设有两个对称的剪断销钉。灵活好用，使用可靠，克服了损坏套管的缺点，可广泛用于找水、堵水、试油、采油及注水等分层作业，可取得极大的经济效益。
2.4.2 封隔器相关部件的改进
这类专利主要针对封隔器的主要部件进行相应的改进。如井下封隔器反循环洗井阀（专利号01264894.9）是一种石油工业使用的井下封隔器反循环洗井阀，适用于各种使用封隔器作业的油水井，该装置由上接头和中心管等组成，上接头与中心管连接，在中心管的外面安装滑套，具有制造简单，成本低廉，使用可靠等优点。当出现砂卡、砂埋封隔器的情况时，该装置为封隔器建立了洗井通道，让洗井液将沙子带回地面，解除对封隔器的砂卡、砂埋，帮助封隔器顺利解封，从而降低生产成本和工人的劳动强度。
2.4.3 封隔器使用方法及相关工艺的改进
这类专利主要针对封隔器在使用过程中出现的一些问题采取相应的改进措施。如专利“油井封隔器及其固定在油井内的方法”（专利号01801870.X），主要通过增强原油流入量来提高油井的生产能力，用于油井的检修，以及用于封堵钻井过程中含水地层的渗漏。该专利主要描述的是一种封隔器，它包括一个具有可沿径向膨胀并配备有驱动密封杯的主体。密封杯在其初始聚合状态具有最小体积，工作时管柱内的工作介质（管柱内液体）在压力作用下进入密封杯，使得密封杯体积膨胀，推动外部胶筒变形，实现坐封。
第3章 有限元分析基本原理
在某种意义上，封隔器可以看作是一个轴对称的研究对象。理论上，其在工作过程中所受的载荷与约束都是以封隔器的中心轴对称的，因此分析时可以取其轴对称截面研究，简化为平面问题进行求解。本章首先讨论一下平面问题的有限元法。
§3.1 有限元法概述
3.1.1 有限元法概述
对Y341-148型井下封隔器的仿真研究主要采用了有限元计算的方法，其中涉及接触区一般有限元分析以及接触区非线性有限元分析等内容，为了更好地建立封隔器系统的有限元模型，我们首先对这些方法作一简要的介绍。
有限单元法是适应使用电子计算机而发展起来的一种比较新颖和有效的数值方法。这个方法在20世纪50年代起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析。结构矩阵分析认为，整体结构可以看做是有限个力学小单元互相连接而组成的集合体，每个单元的力学特性可以比喻做建筑物中的砖瓦，装备在一起就能提供整体结构的力学特性。这种处理问题的思路，在1960年被推广用来求解弹性力学的平面应力问题，并开始采用“有限单元法”这个术语。有限单元法实质上就是把具有无限个自由度的连续体理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。因此，只要确定了单元的力学特性，就可按结构分析的方法来求解，使得分析过程大为简化。但是，随着物体单元的细分，需要处理的数据量十分庞大，必须借助于计算机进行求解。
有限元法和经典的解析方法不用，在经典的解析法中，通常都是从研究连续体中微元体的性质着手，在分析中允许微元体的数目无限多而它的大小趋近于零，从而得到描述弹性体性质的偏微分方程，求解微分方程可以得到一个解析解。这种解是一个数学表达式，它给出物体内每一点上所要求的未知量的值。然而，对于大多数工程实际问题，由于物体几何形状的不规则，材料的非线性或不均匀等原因，要得到问题的解析解，往往十分困难。有限单元法则是从研究有限大小的单元力学特性着手，最后得到一组以结点位移为未知量的代数方程组。应用现成的计算方法，总是可以得到在结点处需求未知量的近似值。
有限元法的特点主要的有以下几个方面：（1）概念清楚，容易掌握，可以在不同的水平上建立起对该法的理解。我们可以通过非常直观的物理途径来学习和应用这一方法，也可以为该方法建立严格的数学解释。（2）该法有很强的适用性，应用范围极其广泛。它不仅能成功地处理如应力分析中的非均质材料、各向异性材料、非线性应力应变关系以及复杂边界条件等难题，而且随着其理论基础和方法的逐步改进和完善，还成功地用来求解如热传导、流体力学以及电磁场领域的许多问题。现在，它几乎适用于求解所有的连续介质和场问题。（3）该法采用矩阵形式的表达，便于编制计算机程序，可以充分利用高速数字计算机的优势。由于有限元法计算过程的规范化，目前在国内外有许多通用程序，可以直接套用，非常方便。著名的有SAP系列、ADINA、ANSYS、ASKA、NASTRAN、MARK及ABAQUS等。（4）有限元法的主要缺点是解决工程问题必须首先编制计算机程序，必须运用计算机求解。另外，有限元计算前的数据准备、计算结果的数据整理工作量相当大。然而，在计算机日益普及的今天，使用计算机已经不再困难。对于后一缺点，可通过用计算机进行有限元分析的前、后处理来部分或全部地解决。
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