本文属CNPC石油科技中青年创新基金项目“膨胀套管固井—完井新技术研究”和国家自然科学基金项目(编号：50074025)“基于数值模拟的复杂地层套管破坏机理研究”的部分内容。 膨胀套管技术在国外已成功地用于商业应用，并取得了令世人瞩目的成绩。在国内，膨胀套管技术的研究还仅限于机理研究和实验阶段。本文在前人研究的基础上，对膨胀套管的结构设计和技术机理进行了研究。具体研究了膨胀芯头的结构设计；摩擦系数对膨胀作业的影响；膨胀过程中膨胀套管的金属流动规律；可膨胀联接的结构设计等。 本文以计算机有限元模拟为研究手段，以弹塑性力学为理论基础，对膨胀套管的结构设计进行大量的模拟分析研究，将模拟结果与国外的实际膨胀作业和国内的实验结果进行对比、验证，得出了一系列重要结论：(1)、在膨胀芯头的结构设计中，单级膨胀芯头比多级膨胀芯头更有利于膨胀套管的膨胀；膨胀芯头的最佳锥度角α的大小随膨胀套管的膨胀幅度变化而变化，并得出了几种膨胀幅度下的最佳锥度取值。(2)、膨胀套管在膨胀时的金属流动情况与磨擦系数和膨胀幅度密切相关。(3)、传统的套管接头不能满足连接与密封要求，并设计出了一种新型的膨胀连接螺纹结构。 本文的研究结果，为膨胀套管的结构设计提供了理论依据，对膨胀套管技术的研究与开发具有重要的指导意义。