针对套损井已补贴段下方无法进行多次补贴的问题,设计了一种可变径膨胀锥,以实现膨胀工具小直径入井、大直径膨胀,从而达到对套损井多次补贴的目的。在设计可变径膨胀锥结构的基础上,建立了膨胀锥闭合过程中的力学计算模型和运动计算模型,得到了膨胀力与推力、楔形角、摩擦系数的函数关系及推力与约束力、摩擦系数的函数关系。计算结果表明,可变径膨胀锥的膨胀力是推力的1.53倍,端面摩擦系数由0.1增大至0.4过程中推力增大8.8kN,由0.5增大至0.8过程中推力增大19.0kN,膨胀锥最大应力454MPa。样机室内试验结果表明,该工具结构设计合理,启动压力3~5 MPa,完全闭合压力52 MPa,膨胀锥最大外径由188.0 mm增大至220.0mm,与常规膨胀锥尺寸相同,膨胀率达17.02%。研究结果表明,可变径膨胀锥的膨胀力随推力增大而线性增大,能够实现膨胀工具小直径入井、大直径膨胀,进一步降低闭合压力后具有广阔的应用前景。