在钻井和采油过程中,套管起着保护井眼、加固井壁、隔绝井中的油、气、水层及封固各种复杂地层的作用。套管是油井的重要组成部分,一旦损坏,将造成很大的经济损失。但是随着生产时间的不断延长,开发方案的不断调整和实施,以及不同的地质、工程和管理条件,大量的油水井套管发生了损坏,严重影响了油田的稳产和高产。据油田生产数据统计,平均一口套损井每年影响产油500吨。套损是指油水井套管在开发生产过程发生损坏,影响油水井生产甚至使油水井报废的现象。套管损坏的形态是多样的。一般以套管变形为主,但近年来,严重错断、大段弯曲和多处损坏等复杂套损形态逐年增多。据中国石油有关部门统计,该公司每年发生套损的油水井达2万多口。在油田开采初期阶段,油水井一旦发生套损,要么投入巨资实施侧钻等修复措施,要么报废。本文通过力学分析,建立了膨胀套管的力学模型及有限元模型。运用套管膨胀的非线性理论,提出了膨胀力的理论计算公式,给出了理想状态下的膨胀套管的弹性膨胀解和弹塑性膨胀解。采用有限元方法,运用载荷增量法,Newton-Raphson法来计算膨胀套管在多重耦合情况下的受力和变形状态。同时,对膨胀锥和膨胀套管之间的接触问题进行了分析,以及给出了接触非线性问题的计算方法。通过理论研究和力学分析,研究了套管膨胀过程时应力分布规律,为膨胀套管的优化设计奠定了基础。在膨胀套管技术的优化设计中,首先确定了膨胀过程中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:膨胀锥锥角越大,膨胀套管的液体压力减小,同时两者之间的膨胀压力增大;膨胀锥和膨胀套管的摩擦系数越大,膨胀套管的液体压力、轴向变形、壁厚减少量都会增加;同时分析了套管膨胀后抗挤压强度降低的原因;在膨胀套管联接螺纹的分析中,首先分析了传统螺纹不适合膨胀套管的联接方式,同时提出了偏梯形螺纹的膨胀套管联接方式适合套管膨胀作业,并对其进行了大量的分析;同时也对套管膨胀工艺进行了优化设计。这为优化膨胀套管及类似的设备提供了新思路和新方法。因此,对套管膨胀过程进行应力分析,研究套管膨胀过程的受力情况,对于套管膨胀技术的优化设计具有重要的指导意义。