膨胀管技术是石油钻井行业中迅速崛起的一项新技术,可明显降低钻井及完井成本。该技术的最终目的是实现单一井径钻井完井,制约膨胀管技术发展及应用的关键是膨胀管材料的选择和处理工艺的优化。目前国内外对膨胀管材料的选择局限在已有的API套管中,还未能解决具有低成本、大尺寸和大膨胀率等高性能膨胀管用钢铁材料的生产制备问题。相关研究者多追求新材料的研制,忽略了对现有钢材进行热处理改性来制备膨胀管的方法。本文以低碳钢A、低碳钢B和低碳钢C钢为研究对象,在现有国内外研究成果的基础上,以实物实验和计算机有限元仿真模拟为研究手段。首先,根据三种材料的临界温度,制定亚温淬火工艺,对低碳钢C钢又进行了退火和调质等热处理工艺,通过OM、SEM和TEM分析得到了不同材料不同处理工艺下的组织特点。然后通过单向静拉伸实验得到了三种材料在不同热处理工艺下的力学性能指标,得到了亚温淬火后的材料具有低的屈服强度、连续屈服特性、高的加工硬化性能和高的应变速率敏感性等变形特性,其中测出了低碳钢C在770℃空冷的应变速率敏感指数(m值)为最高的0.0160。最后,通过膨胀实验测定热处理后的材料在不同膨胀率下的膨胀性能,并利用有限元分析模拟得到不同膨胀率、应变强化系数K值、加工硬化指数n值和套管与膨胀锥间的摩擦系数对膨胀性能的影响规律,建立了管材的组织、力学性能指标与膨胀变形间的关系,并预测了经800℃水冷后低碳钢A发生15%膨胀变形的膨胀力为较低的20.8MPa。本文基本实现了低成本、大膨胀率和高性能的目标。