火烧油层是开发稠油油藏的热力开采技术，与常规热采方法相比，具有避免井筒热损失、适用范围广、驱替效率高等优点。为了成功地在现场应用火烧油层技术，必须深入认识火烧油层的燃烧特性和快速准确预测火烧油层生产动态与燃烧前缘的传播。然而，目前对燃烧特性的研究还很缺乏，预测方面也存在诸多不足。为了深入研究火烧油层的燃烧特性、对燃烧前缘传播及生产动态预测作出快速准确的预测，在室内实验和油藏数值模拟研究的基础上引入多种数学方法，利用分形理论和小波分解技术分析火烧油层燃烧特性：运用奇异摄动法得到火烧油层前缘动态的渐近解；提出了火烧油层现场生产动态预测的灰色组合模型和支持向量机模型，并验证了模型的可行性。在研究火烧油层燃烧特性时，将火烧油层室内实验所测得的温度时间序列进行多尺度分解，并结合分形关联维和R／S指数分析，得到了火烧油层的燃烧特性：火烧油层传热方式主要以导热和相间热交换为主，对流作用很少；火烧油层的传热速度较常规的湍流火焰慢，其燃烧剖面更具规律性，温度场具有一定的稳定性；微尺度下的气相和单液滴作用的动力学较为简单、单一；介尺度作用下的乳化相动力学存在多种过程的耦合，因而更为复杂；气液两相流的复杂性主要是由于液相更随机的运动和团聚造成的。在研究火烧油层燃烧前缘问题时，基于充分大而有限的燃烧反应活化能假设，引用流动坐标系，建立分区域火烧油层燃烧前缘传播的物理模型，并应用奇异摄动法，求出火烧油层燃烧问题的摄动解，在岩心尺度上火烧油层燃烧前缘的摄动解与数值有限差分解十分接近，说明奇异摄动法在求解火烧油层燃烧前缘动态问题时可以替代有限差分法，从而克服油田尺度模拟火烧油层时网格尺寸相对于真实燃烧前缘过大的矛盾。为了准确快速的预测火烧油层的生产动态，建立了基于系统分析方法、时间序列分析方法的灰色组合模型和基于统计学习理论的支持向量机预测模型，并对胜利油田郑408块火烧油层生产动态进行预测，结果表明两种方法均可以用于火烧油层生产动态的预测，预测精度均较高。与油藏数值模拟结果相比，支持向量机方法预测精度最高，灰色理论建模最简便。