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随着石油资源的日益匮乏,深井、超深井成为石油开采的主战场。等井径膨胀套管钻井技术可以实现内径无损失钻井,是钻井技术发展的终极目标。作为该技术中的关键环节,螺纹接头在膨胀成形过程中易发生断裂和泄漏,是制约该技术发展的主要难点。本文以等井径膨胀套管螺纹接头为研究对象,通过数值分析与试验相结合的方法,重点关注成形过程中的力学性能以及成形后的残余应力和密封性能等问题,为等井径套管螺纹接头的选材和结构设计提供参考。论文的主要研究工作和相关结论如下:(1)以J55钢螺纹接头为研究对象,利用ABAQUS建立二维轴对称模型,对10%膨胀率下螺纹接头成形过程进行模拟。结果表明,膨胀锥移动过程中轴向拉应力较大,外壁轴向应力由拉应力变为压应力。对于环向应力,与螺纹接头内壁接触处为较大的拉应力,而螺纹区域以压应力为主。螺纹接头根部存在应力集中,为薄弱区域。锥角为9°或10°,定径段长度为65 mm时为此膨胀率下膨胀锥的最优选结构。(2)以J55钢套管螺纹接头为研究对象,进行10%膨胀率下的膨胀成形试验。结果表明,螺纹接头成形过程中,膨胀力有小幅波动。螺纹接头成形后,壁厚减薄,长度缩短。套管在塑性变形后,显微硬度、屈服强度和抗拉强度增加,沿轴向方向的延伸率无明显变化。J55套管的微观组织主要由铁素体和珠光体构成,膨胀后晶粒更加紧凑。(3)通过有限元模拟研究了四种不同材料螺纹接头在23%膨胀率下膨胀成形过程。结果表明,所需膨胀力最小的材料是奥氏体不锈钢S30408,其次是TWIP钢、J55钢和N80钢。膨胀力随着材料屈服强度的增加而增大。四种材料中,只有TWIP钢和S30408能顺利完成膨胀成形过程。综合分析力学性能和性价比,建议选择TWIP钢作为等井径膨胀套管螺纹接头材料。(4)通过有限元模拟研究了TWIP钢螺纹接头膨胀率为23%时在不同温度下的膨胀成形过程。结果表明,随着温度的增加,膨胀力逐渐减小。不同温度下应力演化规律相同,且随着温度的增加应力值逐渐降低。螺纹接头成形过程中径向应力和轴向应力以压应力为主,环向应力以拉应力为主。随着温度增加,螺纹接头越容易发生失效,螺纹接头成形后的密封性能小幅降低。