在油气勘探开发的过程中,存在大量的深井、超深井和具有复杂地层的特殊井,下入套管的层次随着井深的增加而不断增加,导致井眼直径不断缩小,后续作业空间不足;为了有效降低井眼缩小带来的损失,为后续作业提供较大的空间,便产生了膨胀套管技术,其原理是通过膨胀锥对膨胀套管在井下以冷挤扩张的方式进行径向膨胀,达到扩大井眼的目的,使其直径扩大到满足工程需求的尺寸;该技术的缺点是膨胀套管螺纹在膨胀过程中经常发生严重的变形,导致螺纹的连接强度降低和密封性能破坏。当膨胀套管螺纹连接遭到破坏后,会带来或加重腐蚀,使油气井作业产生不可估量的损失,由此可见,膨胀套管螺纹连接是膨胀套管技术的重中之重,提高膨胀套管螺纹膨胀后的连接强度和密封性能是目前膨胀套管技术中亟待解决的问题。本文将针对该问题对膨胀套管螺纹的力学性能进行深入研究,从腐蚀工况下材料模型的建立、膨胀率对螺纹的影响等方面进行分析,设计出能提高螺纹连接强度和密封性能的特殊膨胀套管螺纹。具体研究内容有:(1)对膨胀套管螺纹进行力学性能参数实验研究。对现场腐蚀失效的套管进行宏观和微观分析,从宏观上观察获得套管的主要腐蚀形态,对腐蚀严重的部分进行微观分析;通过扫描电镜观察腐蚀范围、腐蚀坑等,通过能谱分析得到腐蚀的主要产物,分析套管腐蚀发生的主要因素,并通过室内试验配比腐蚀液;最后利用高温高压釜对套管材料进行腐蚀实验,将腐蚀前后的试样作拉伸实验,获得失重率与材料屈服强度和抗拉强度之间的关系。(2)基于材料不同失重率下的力学性能参数,建立膨胀套管整体的腐蚀性材料模型。将实验所得的膨胀套管非螺纹和螺纹部分力学参数输入膨胀套管腐蚀性模型,利用腐蚀性材料模型对膨胀套管以及螺纹进行膨胀前的极限安全评定,验证腐蚀性材料模型的合理性与适用性。(3)从理论上推导膨胀套管螺纹的残余接触压力公式,研究膨胀套管的膨胀准则。从膨胀套管公母螺纹的接触出发,基于弹塑性力学理论,分析膨胀套管螺纹在膨胀后公母螺纹之间的接触压力;以腐蚀性材料模型为基础,对套管的膨胀作业进行力学行为研究,提出腐蚀工况下套管膨胀作业的三级膨胀指标。(4)研究膨胀套管防腐和膨胀套管螺纹保护措施。选取膨胀套管的最佳防腐材料,基于防腐和抗压的双重要求,对双金属膨胀套管的成型力学行为进行研究,分析双金属膨胀套管外层的材料参数范围,以及在进行复合作业时内外层之间应设置的初始间隙;借鉴双金属膨胀套管的成型理论,设计膨胀套管螺纹保护装置自身的最优尺寸,以及螺纹保护装置与套管的最佳配合尺寸。(5)针对膨胀套管膨胀后螺纹连接强度和密封性能降低的问题,设计膨胀套管的三级特殊螺纹。首先针对螺纹膨胀后连接强度降低的问题设计变距螺纹;然后针对密封性能降低的问题设计间隙螺纹;最后综合考虑膨胀作业工况,设计满足膨胀套管需求的三级特殊螺纹,既能提高膨胀后螺纹的连接强度,又能保证膨胀后螺纹的密封性能,并在膨胀套管膨胀前后均可满足使用要求;对设计的三级特殊螺纹齿形进行优化,研究膨胀套管的最佳三级特殊螺纹型号。本文腐蚀性材料模型的建立方式,也适用于腐蚀性工况下的其它井下管柱,对腐蚀工况下管柱的力学分析具有较强的理论指导意义;提出的三级膨胀指标,对现场的膨胀作业具有指导性意义;设计的特殊螺纹中,变距螺纹不但可以运用于套管,还可以运用于油管、钻杆等,对井下管柱的螺纹设计具有较好的工程应用价值。