稠油作为大储量的非常规油气资源,需要特殊的开采工艺来提高采收率,目前蒸汽吞吐开采技术应用最为广泛。多数蒸汽吞吐井相关资料显示,随着多轮次高温蒸汽的注入,区块内汽窜井的数量直线上升,汽窜路径大面积覆盖邻井,导致关井时间长,严重影响采收率及井筒寿命。环空封固系统是井筒的薄弱环节,水泥环具有强度低、脆性大的特点,易发生破坏。因此,明确蒸汽吞吐井在高温循环工况下环空封固系统失效过程及条件,在此基础上提出水泥石力学性能及相应施工参数的优化方法,对于保持环空封固系统完整性、保证生产安全和延长油井生命周期有着重要的学术价值和工程意义。本文以蒸汽吞吐井环空封固系统为研究对象,通过建立水泥环细观损伤模型,研究了高温循环条件下水泥环细观裂缝发育及力学性能劣化规律;通过建立水泥环热循环塑性损伤应变计算模型,研究了高温循环对水泥环塑性区扩展及固井一界面微环隙尺寸的影响;基于各失效方式及条件分别提出了满足蒸汽吞吐井环空封固系统完整性的水泥环力学参数及施工参数优化指标。主要研究内容如下:（1）以三种蒸汽吞吐井常用体系水泥石为研究对象,开展了X射线衍射、SEM扫描电镜、X-CT扫描等室内实验,分析了不同体系水泥石在高温循环后的物相组成、微观结构、细观裂缝分布等特征的变化规律,结合高温循环后的水泥石力学性能实验结果,研究了水泥水化产物及内部细观结构的变化对水泥石宏观力学性能的影响。水泥石抗压强度先升高后降低,强度升高是由于温度从70℃升至350℃后改善了加砂水泥石的物相组成及微观结构;强度降低一方面是由于持续高温引起了水泥石微观结构弱化,另一方面是由于循环热应力使水泥石出现细观及宏观裂缝。水泥石强度劣化过程与其细观结构损伤过程呈现出较好的一致性。（2）考虑水泥石在高温循环条件下的细观损伤形成过程,建立了水泥环细观损伤离散元模型,通过建立二维环向剪切模型还原了高温循环条件下水泥环所受的热-机械应力,模拟了水泥环细观裂缝的萌生与扩展,在此基础上提出了关于微裂缝数量及微裂缝长度的细观损伤变量,所描述的损伤规律能够完整地吻合水泥环宏观强度劣化过程。分析了不同力学参数对水泥环强度劣化的影响:随着升温速度、水泥环弹性模量、泊松比、热膨胀系数的升高,水泥环强度劣化速度加快,微裂缝由内壁集中萌生并向外壁扩展。升温速度主要影响微裂缝扩展的长度;水泥环弹性模量主要影响微裂缝的数量,在超过10GPa后水泥环损伤趋势明显增加;泊松比与热膨胀系数对水泥环细观损伤影响较小;具有热收缩性质的水泥环产生的裂缝短且少,非均匀遍布水泥环本体,损伤程度较低且随热收缩系数变化不明显。（3）考虑到升温阶段形成塑性区是固井界面密封失效的主要原因,建立了单次升-降温水泥环塑性区扩展有限元模型及循环高温固井一界面弹-塑性损伤模型,提出的塑性损伤应变能够细化水泥环内壁由弹性向塑性的转变过程,准确判断热应力循环过程中界面接触情况并计算相应的微环隙尺寸,分析了不同参数对固井一界面完整性的影响:随着注汽温度、水泥环弹性模量的升高,降温时界面拉应力逐渐增大,所产生的微环隙尺寸及其增幅逐渐增大;泊松比与热膨胀系数对固井一界面完整性影响较小,当水泥环具有热收缩性质时,降温阶段界面微环隙尺寸均超过40μm,且无法通过调节其他参数来弥补热收缩性质的影响。对比水泥环本体及一界面完整性失效程度,应控制水泥环具有适当的热膨胀性能。（4）基于高温循环水泥环本体强度衰退规律以及一界面微环隙形成条件,结合其常规宏观力学失效条件,提出了蒸汽吞吐井环空封固系统完整性的评价流程:基于细观损伤机理的水泥石抗高温循环性能优化;基于水泥环本体失效机理的参数匹配优化;基于一界面失效机理的参数匹配优化。最后以一口案例井作为实例分析,提出了适用于实际稠油热采工况的水泥浆体系,为保证蒸汽吞吐井环空封固系统完整性提供了理论依据及优化方法参考。