稠油油藏的开采方法主要有蒸汽吞吐、蒸汽驱及火烧油层等,其中提高采收率效果最好、运用最为广泛的是注蒸汽开采。然而,注蒸汽开采中高温蒸汽会导致套管发生蠕变、产生附加热应力,套管材料性能也会因此而下降。随着开采年限的增加及地应力变化等,地层渗透率、孔隙度等会变化,作用在套管上的载荷会逐渐增加。在复杂载荷的循环作用下,套管实际使用寿命随着注采次数的而增加不断降低,增加了套管失效的风险。除此外,稠油油藏热采过程中还会出现出砂导致完井筛管破坏、注汽管柱失稳破坏等问题。因此,开展热采条件下井筒管柱的温度场、应力场以及安全保护及安全评价研究具有重要的理论研究意义和工程应用价值。本论文针对稠油热采井管柱安全保护开展了比较系统的研究,论文研究得到的主要结论如下:(1)对管柱材料高温力学性能进行了室内测试,研究了材料属性随温度的变化关系,得到了高温条件下材料的应力应变曲线。随着温度的增加,材料的弹性模量、屈服强度、强度极限均降低,而材料延伸率、材料断面收缩率却增大;温度越高,相同应变下所需应力降低。对HSTG80SH和TP90H套管气密封热采井套管井口接头的焊接性能和焊接质量进行了试验评价和对比,结果表明HSTG80SH和TP90H套管与35CrMo上接头之间均有良好的可焊性。(2)建立了地层热量传导理论模型和井筒热量传导理论模型,研究了不同隔热管视导热系数对井筒系统以及套管温度场的影响规律。并对不同井深的温度场以及隔热管接头区域温度场进行了研究,得到了隔热管柱参数变化对隔热效果的影响规律。对复杂约束条件下的热采管柱受力进行了分析研究,结果表明:套管、水泥环及附近地层的温度与隔热管视导热系数成正比,隔热管接头区的温度要明显高于管体其他部位的温度,注汽温度是影响套管Mises应力大小的主要控制因素。对套管采取预应力措施有助于降低热采井套管Mises应力。(3)对热采井完井筛管建立了三维有限元模型并进行了受力分析。对均匀载荷作用下的热采水平井完井筛管的应力分布及抗挤强度进行了系统研究,并对热采过程中筛管参数对套管稳定性的影响进行了分析。结果表明:在一定条件范围内孔密或相位角一定时,孔径越大,筛管抗挤强度越低;相位角固定时,孔密越大,抗挤强度越低;孔径固定时,可采用小相位角(小于等于60°)高孔密套管完井;孔眼面积相同的情况下可以用增加孔密和壁厚,适当减小孔径的方法来提高开孔套管的整体稳定性。为了综合考虑安全与经济的平衡,在开孔套管的设计中,建议使用小相位、高孔密、大孔径的设计准则。(4)推导了油藏压降过程中孔隙度和渗透率与地层压力之间的计算公式,并研究油藏压降时套管的受力及变形规律。利用ANSYS软件分析不同井底压力与油藏压力对套管、水泥环与射孔附近区域应力分布的影响规律。探讨了油层出砂预测方法,考虑套管初始弯曲的因素研究了油藏出砂对套管受力和变形的影响。通过分别考虑和不考虑套管自身蠕变时套管受力情况的对比研究,结果表明:井底流压和油藏压力越小,套管和水泥环Mises应力越大,射孔段套管或水泥环应力要高于未射孔段,并且在套管射孔段内壁Mises应力最大。(5)油层段出砂导致对应的套管和水泥环的Mises应力值明显增加。随着油层出砂量的增加,套管Mises应力和轴向应力值剧增,并且在套管射孔处应力值变化最为显著。地层弹性模量越小,套管射孔处Mises应力越大,而内压变化对轴向应力的影响并不明显。(6)热采井基于应变设计的套管柱应充分考虑套管蠕变的影响;热采套管总应变和Mises应力随着温度和时间的增加而不断增加,并且在造斜段会出现突变。当地层渗透率和井底排液速同时取最小值时,井筒Mises应力最大,管柱处在最不安全状态,会首先在套管射孔段内壁发生失效。(7)基于三维数值模拟方法研究了热采井注汽焖井过程套管评价模型,以不同注汽周期对应的套管残余应力为基础,结合相应的套管失效判据,提出了一种注汽吞吐全周期内套管安全评价方法。(8)基于试验结果及井筒三维应力分析方法,开发了“基于应变的油气井管柱设计软件O/G Casing Strain based V1.0”,热采井计算应用的主要模块有:热采井管柱应变设计模块、ANSYS软件调用模块和近井区地应力计算模块等。并对多口工程实际热采井井筒管柱进行了力学计算及安全评价分析。