在西部浅层稠油蒸汽吞吐热采井中,虽然逐步完善的套管柱强度设计理论使套损得到一定遏制,但随吞吐轮次的增加,套损最终发生,而且使西部油田套损率不断增加。此外,无热采工况下套管适用性技术,也是套损率增加的另一主因。因此,改善套管柱设计和选材水平,增强管柱安全适用性,避免套损,提高吞吐作业轮次,增加生产效益,对于这种低效稠油开发是至关重要的。本文采用材料试验评价、全尺寸工况模拟试验、理论分析与数值模拟计算等方法相结合,研究了热采井套管适用性技术、时域性变形规律、预应力固井技术的适用性以及套管应变设计方法等问题,给出了相应技术指标、适用性评价方法和应变设计理论方法,并形成中华人民共和国石油天然气行业标准,为稠油热采井套管柱设计和安全适用性提供了技术依据,并在现场8口蒸汽吞吐热采井中获得成功应用,证实本文即有理论先进性,又有工程实用性。具体研究工作和得到结论如下:(1)建立了高温下套管强度模型和套管蠕变本构模型,并给出高温下套管强度性能变化的推荐值和最低限蠕变速率变化曲线。热采套管管体和接箍必须采用高匹配设计,管体允许在均匀变形范围内塑性变形,接箍不允许塑性变形。管体在室温下的均匀延伸率,对80ksi钢级最低为8%,对90ksi钢级最低为7%。提出了热采套管需要综合考虑材料强度、形变能力来适应热采工况,明确API标准N80套管不适用于稠油热采。(2)考虑“地层-水泥环-套管”热力耦合模型进行数值计算,发现随蒸汽吞吐轮次的增加,套管柱所受应力基本不变,但套管柱的变形不断增加,说明热采井套管柱变形具有随时间同步递增的规律。与试验结果对比,进一步证实稠油热采井套管柱强度均在安全应力范围内,但管柱实际变形量却不断累积,直至超出允许的变形范围,发生套管损坏。这种时域性变形规律,正是稠油热采井套管套损大量发生的根本原因。因此,在稠油热采井套管柱设计中,仅考虑管柱强度满足要求是不够的,必须考虑套管柱高温蠕变带来的应变累积,即综合考虑应力强度和应变变形进行稠油热采井套管柱设计。(3)套管预应力模拟试验说明套管在长期高温下会出现应力松弛现象,即在稠油热采井中所施加的预应力,经过一定时间后会降低,且API标准N80套管比热采80H套管应力降低更小,最终预应力失效。施加预应力虽会使套管所受Mises应力和Mises应变都降低,对套管起到了一定的保护作用,但这种保护会随时间的延长而消失,最长35天后消失。这也正说明了稠油注蒸汽热采井套损多发生在注蒸汽2轮之后的原因。故建议在浅层稠油热采井中不采用提拉预应力固井技术。(4)结合油田作业工况,利用全尺寸实物加载试验设备,建立了稠油蒸汽热采井套管柱适用性评价技术,即首先通过上卸扣试验确定套管抗粘扣性能,后通过恒位移试验测定套管柱热应力,确定气密封试验的拉伸/压缩循环载荷,然后结合吞吐轮次进行10或更多周次的拉伸/压缩循环气密封试验,或考虑弯曲载荷的多周次拉伸/压缩循环气密封试验,确定套管柱密封完整性,最后进行拉伸至失效试验测定套管柱结构强度,确定套管接箍是否高匹配。并建议在稠油蒸汽热采定向井或水平井中,在直井段推荐选用偏梯形+内平设计螺纹套管,其余井段选用气密封螺纹套管,既保证套管柱的结构和密封完整性,又可降低套管成本。同时,基于试验数据拟合修正了ISO/TR10400标准中的KT计算公式,使其更适用于高钢级套管。(5)结合试验结果,利用弹塑性力学理论,建立了套管柱应变设计模型,并通过套管材料应变与结构应变对比给出了应变安全系数最小取值,明确应变设计的判据,最终形成套管柱应变设计方法。同时,明确提出了套管柱应变设计是在套管柱强度设计的基础上进行的,即套管柱设计应首先进行强度设计,强度设计合格后,再进行应变设计。应变设计方法在西部油田8口稠油热采井中获得成功应用。