模块密封(model seal)作为油气田分层开采的重要工具,其工作可靠性和稳定性对井下安全高效生产至关重要,模块密封在井下依靠橡胶件与密封筒内壁相配合形成轴向密封,起到隔绝产层、分层开采的作用。针对国内油气田大多使用进口的模块密封、国内模块密封研究较少的状况,本文设计并研究了四种结构的模块密封,研究其结构参数对模块密封性能的影响,提高了模块密封的性能。首先,通过调研国内外模块密封现状,设计了四种不同结构的模块密封。通过有限元软件ANSYS对四种结构的模块密封进行研究,研究发现四种结构的模块密封在橡胶件两侧与密封筒内壁处出现接触应力峰值和最大变形,此处的橡胶件因为工作压力被挤入模块密封与密封筒内壁的间隙处,四种模块密封的接触应力均大于工作压差,表明四种模块密封的密封性能均满足要求,能够满足45 MPa工作压差的密封要求;通过对模块密封的摩擦力进行分析给出了合理的参考值,其中四道型模块密封的摩擦力最小;设计并加工了专门的模块密封试验装置,对四种模块密封进行常温和高温两种条件下的8组试验,试验表明四种模块密封在常温和高温下均能密封住45 MPa的工作压力,性能满足要求,其中四道型模块密封因过盈量最小相应的摩擦力最小,综合试验研究与模拟分析,优选出四道型模块密封为最优结构。然后,对四道型模块密封进行单因素影响分析与四因素三水平正交优化设计,从橡胶件硬度、橡胶件间隙、橡胶件间隙和过盈量四个方面对四道型模块密封进行模拟研究和因素分析,得到了橡胶件硬度、橡胶件间隙、橡胶件间隙和过盈量与模块密封性能规律之间的关系,通过正交优化,确定橡胶件硬度为邵氏A 95、橡胶件间隙为1.3mm、橡胶件宽度为4.3mm和过盈量为0.2mm时四道型模块密封的性能最优,在满足密封要求的前提下,正交优化后模块密封的接触应力提高了4.9%,同时摩擦力为9.96 kN,与优化前相比,模块密封的性能得到提高。