大庆油田进入特高含水期开发后,储采失衡的矛盾日益突出。由于所开采的薄差油层渗透率低,降低了油田采收率,要有效动用此类储层的储量,压裂改造是最有效的手段之一。针对薄差层油层分散且层间跨距大的特点,桥塞压裂技术已经成为应用十分普遍的技术。但国外一般应用在大于5寸半套管中,而大庆油田应用在5寸半套管中,由于需要压裂多层,且空间有限,所以桥塞的结构性能要高于国外的同类产品。大庆油田在应用桥塞压裂过程中,存在桥塞坐封不稳、卡瓦锚爪易损坏及套管受损严重等问题。这些问题发生的主要原因是卡瓦锚爪的结构设计不尽合理,又随着开采深度的不断增加,桥塞的耐温、耐压等性能需要相应的提高,那么对卡瓦锚爪的性能也提出了更高的要求。因此迫切需要对可取桥塞卡瓦锚爪进行力学分析及优化设计,研究可取桥塞卡瓦锚爪和套管的应力分布规律,并优化出可取桥塞的最佳结构。本文将基础理论研究、实验研究和应用技术研究有机地结合起来,建立了一种优化可取桥塞的新设计方法,这对完善可取桥塞的设计水平、促进相关学科发展具有一定的理论意义。本文涉及采油机械、固体力学、计算力学等多种学科,是材料非线性、接触非线性和瞬态动力学多重耦合的问题。本文通过力学分析,建立了可取桥塞的力学模型及有限元模型。运用动量定理和动力学原理建立了可取桥塞在有限变形范围内的守恒方程和瞬态动力学平衡方程。并且以应变增量为基础建立了弹塑性的应变增量—应力关系。根据可取桥塞的结构参数和运动条件推导了接触界面不可侵彻度量方程,并根据变分原理和完全的Lagrange格式推导了平衡方程的弱形式。采用增广Lagrange乘子法建立可取桥塞卡瓦与套管的界面动量方程。采用有限元方法,运用载荷增量法、增广Lagrange乘子法、Newmark法计算可取桥塞设备在多重耦合情况下的受力和变形状态。通过实验研究和力学分析,研究了卡瓦与套管的受力状况及咬合力分布规律,为卡瓦锚爪的优化设计奠定了基础。在卡瓦锚爪的优化设计中,首先确定了卡瓦锚爪每个相关结构参数变化时,目标参量的变化规律;然后比较每个结构参数对应目标参量,如卡瓦和套管的当量摩擦系数、最大Von Mises应力、接触径向压力等,找出每个结构参数较好的水平;最后把较好水平进行组合,确定出卡瓦锚爪的最优结构参数组合。这为优化可取桥塞及类似的设备提供了新的思路、新的方法。虽然数值计算方法的功能越来越强,计算结果的精度对于工程解也是可靠的,但是对于模型的建立以及边界条件的确定,单靠数值计算是不够的,还需要实验应力分析技术来进行必要的验证。为了提高计算结果的可靠性,本文采用光弹性实验模拟桥塞构件模型。将实验结果与计算结果相对比后,两模型中卡瓦和套管的应力分布规律比较一致,说明有限元计算方法和边界条件是正确的。本文所提出的优化方法对油田目前出现的新问题具有较强的针对性,所得出的结果为可取桥塞的设计提供了理论基础。为保证可取桥塞的正常作业、延长作业周期、提高原油产量和降低生产成本提供了保证,对提高油田经济效益具有一定的现实意义和实用价值。