为了保障储气库井和高压天然气井油套管的密封性,特殊螺纹接头在储气库井和高压天然气井的入井管柱中应用越来越广泛,气密封检测技术也正逐渐推广。油套管气密封检测技术,是根据被检测井的运行压力和油套管承压等级,确定检测压力,在入井前对入井管柱的接箍进行逐根检测,保证管柱整体的密封性,保障井的使用寿命和安全运行。油套管气密封检测工具是进行气密封检测技术的关键设备,其性能将直接影响气密封检测的检测效果和施工周期。油套管气密封检测工具的密封效果、承压能力和寿命是其国产化面临的关键问题和技术难题。通过有限元分析优化改善产品的性能是相关领域学者的常用方法,但对于气密封检测工具的性能优化研究却少有相关的文献和报道。本文采用理论计算、仿真优化和实验相结合的方法,分析不同材料和不同参数下气密封检测工具胶筒的受力变形规律,对比优选最佳的胶筒材料和结构尺寸参数,获得具有较好的密封效果、承压能力和使用寿命的产品。本文的主要研究工作如下:(1)采用理论计算的方法,借鉴成熟的压缩式封隔器设计原理,对气密封检测工具的关键尺寸参数进行了设计计算,根据计算结果确定各参数的优化取值范围,以此范围作为有限元仿真的模型参数设置依据。(2)在查阅文献研究成果的基础上,根据现有单元实验条件和本构模型的模拟效果,选择Yeoh模型可以得到相对精确的行为描述。完成了单轴拉伸和单轴压缩单元实验,通过数据分析得到了国产普通橡胶材料A和进口氢化丁腈橡胶材料B的材料参数。同时选择了相关文献中的参考对比橡胶材料C。(3)以3-1/2in油管气密封检测工具胶筒为研究对象,结合数值仿真的结果描述胶筒工作过程中的变形规律。选择了三种不同橡胶材料,五组胶筒高度,六组胶筒厚度,四组胶筒与油套管内壁单边间隙值,进行有限元仿真。通过有限元仿真分析发现,采用材料B的结构参数内径Rji = 20mm,外径Rj0= 35mm,高度H = 90mm,间隙值δ = 3mm时,胶筒具有较好的密封效果、承压能力以及较长的使用寿命。(4)设计了气密封检测工具承压性能实验台架和实验方法,搭建了实验台架,并完成了优化后3-1/2in气密封检测工具胶筒在七种工况下的实验测试。实验研究表明,本文优化设计的气密封检测工具,在设定中心管压力Pz=20MPa时,气密封检测工具上下胶筒坐封与钢管形成的环空可以封住最大Ph=35MPa的压力差。密封极限压差能够承受的压力比轴向载荷高约1.5倍,且在这样的压差条件下密封效果良好,最大压降百分比小于5%,压降符合要求,承压性能优异。验证了有限元分析和优化设计的正确性。(5)在计算机仿真分析和实验研究的基础上,设计并试制了 3-1/2in油管气密封检测工具。整机实验结果表明,整体密封效果良好未发生渗漏,胶筒解封回弹迅速,胶筒、保护套等易损件疲劳寿命大于100次,均达到气密封检测技术的各项性能要求。通过本文的研究,得到了性能优异的3-1/2in油管气密封检测工具;文中的分析结果、实验数据可作为设计依据,对其他系列产品方案设计具有借鉴意义,采用的设计思路、方法和实验台架均可通用于其他规格的气密封检测工具。气密封检测工具性能的提高打破了国外产品的垄断,提高了国内在气密封检测工具上的设计和研究能力,为气密封检测工艺的实施提供了工具支撑。此外,产品的国产化也降低了生产成本,具有一定的经济意义。