北极、亚北极等低温地区广泛分布着大面积的永久冻土,这些区域油气资源丰富、极具开发价值。井口及表层导管是油气开采的第一道关口,其安装和开发过程中的稳定性关乎作业的成败。冻土地区油气开采过程中关键难题是在钻井及后续开发过程中由于井筒和地层间的热交换,造成冻土层融化,地层承载力大幅下降,导致井口及表层导管失稳,严重威胁作业安全。针对这一难题,基于冻土力学及桩基承载力理论,分析了冻土层探井及生产井的井身结构及井口力学特征,针对钻井及生产两种作业工况,研究了冻土层井口失稳机理,分别建立了冻土层井口横向及纵向稳定性力学分析模型。利用有限元方法,建立了冻土层热力耦合控制方程,分别计算了钻井工况及生产工况下不同初始含水率的冻土层井口温度场分布和土体融沉位移,数值模拟研究结果表明:冻土层钻井过程中的井口失稳主要为纵向失稳,由于温度升高导致表层导管和冻土层之间的冻结强度大幅降低,如果井口载荷超过地层所能提供的极限承载力,则可能导致井口的纵向下沉;而在生产过程中,井口失稳的主要风险是由于油气流体进入井筒后,井眼升温带来周围的冻土层融化导致地表出现大幅沉降,损坏周围的管汇及设备。利用自主研发的低温冻土层钻井循环室内模拟实验装置,开展了冻土层高温流体循环及冻土层承载力随温度变化模拟实验,分析了土质参数、循环流体温度等因素对冻土承载力的影响规律,揭示了冻土层钻井及生产过程中的承载力随温度变化规律,实验研究表明:冻土层钻井导管承载力的变化分为初始阶段、加速下降阶段和稳定阶段:钻井开始后井口周围地层温度的逐渐升高,当温度升高至冻土层中的孔隙冰开始融化后,冻土层承载力进入加速下降阶段,地层的含水率和孔隙压力增加,有效应力降低,土体的初始颗粒骨架被破坏,地层的粘聚力和强度大幅下降,当孔隙冰几乎完全融化后,地层中的超孔隙压力开始逐渐消散,周围土体重新回填,地层和井口开始逐渐产生沉降。冻土承载力随温度的下降和冻土层土体参数和未冻水含量有关,-4℃～0℃温度范围内,24.5%初始含水率的粘性冻土极限承载力下降幅度达65%,砂性冻土下降则为22%。综合理论分析、数值模拟和实验研究,提出了基于冻土层融化后剩余承载力的冻土层钻井表层导管下入深度设计方法和计算模型,该方法能够为冻土层油气井井身结构设计及钻井安全评估提供理论依据。