膨胀管技术被誉为将对石油钻井工程产生革命性影响的重大新技术。膨胀管的连接技术是膨胀管的核心技术之一,要求膨胀管的连接接头在经历10%到30%的扩径膨胀过程中及膨胀后保持结构及密封完整性。当前在油田应用的膨胀管主要采用弹性密封圈密封,其密封性能与可靠性无法满足油田要求。将用于普通油套管的金属密封技术引入膨胀管技术是一条值得探索的路径,金属密封结构在膨胀后的变形规律及性能在很大程度上会受到膨胀工具结构的影响,研究膨胀工具结构对金属密封结构密封性能的影响,从而优化工具结构,有助于认识和提升膨胀管金属密封结构的密封性能,国内外在此方面的相关研究刚刚起步。论文以分析探讨膨胀工具结构对膨胀管接头金属密封性能的影响规律为目的,主要依据弹塑性力学非线性有限元理论,考虑膨胀工具与膨胀管、以及膨胀管内外螺纹接头之间的接触问题,利用有限元软件对膨胀管接头膨胀过程的大塑性变形力学问题进行了数值模拟分析。论文着眼于油田广泛使用的刚性锥膨胀工具,考虑了工具的锥角、定径区长度等主要结构参数以及膨胀工具与膨胀管之间的摩擦系数的不同取值,设计了多变量正交实验方案,分析了不同膨胀率下的接头金属密封结构的膨胀过程。得到了膨胀管接头膨胀后的结构完整性数据,以及金属密封面之间的接触应力、密封结构的位移与变形数据,并通过密封指数考查了金属密封结构膨胀后的密封性能。给出了有利于提升膨胀管接头金属密封性能的膨胀工具结构参数范围及最优组合,以及工具结构参数变化对金属密封性能的影响规律。论文认识到:（1）通过优化膨胀工具的结构参数可以有效提升膨胀管金属密封结构的密封效果;（2）对于刚性锥膨胀工具来说,通过润滑涂层控制工具与膨胀管间的摩擦系数为0.05,此时能得到最有利于接头金属密封性能的最佳工具结构,对应的工具锥角为4°、定径区长度为60mm;（3）膨胀工具锥角对金属密封面密封指数的极差值大约是定径区长度的9倍,表明锥角对膨胀管金属密封结构的密封性能影响远大于定径区长度;（4）在同一膨胀率下,金属密封结构的密封指数随着工具锥角的增大而减小,为提升套管接头的密封性,工具锥角应选择4°～7°为宜;（5）膨胀管膨胀率为20%左右时,定径区长度对套管接头金属密封性能影响不大,对于其它膨胀率,定径区长度在120～150mm范围内有利于接头密封效果;（6）膨胀管膨胀率低于20%,当膨胀工具与膨胀管间的摩擦系数在0.05～0.11常见范围内取值时,摩擦系数变化对密封指数的影响不大,不同摩擦系数对应的密封指数的差值在2.6%左右。当膨胀管膨胀率高于20%时,为提升接头密封性能,建议通过润滑措施将摩擦系数控制在0.05～0.07范围内;（7）固定其它参数为最优值,当膨胀管膨胀率在10%～20%范围内增加时,接头密封结构的密封指数增大,当膨胀率在20%～30%范围内增加时,密封指数逐渐降低。