蒸汽吞吐是稠油油藏开发的有效手段之一。但基于单管注饱和蒸汽的传统蒸汽吞吐开发方式受到热载体驱油效率低和蒸汽汽窜等因素的制约,采收率较低。近年来,常采用多元热流体或过热蒸汽等新式热载体来提高稠油水热裂解效率和储层渗透率;另一方面,采用同心双管等注汽方式对水平段井筒跟端和趾端进行交替注汽或同时注汽,以期提高稠油油藏的动用效率。本文以稠油油藏过热蒸汽吞吐为核心研究内容,开展以下四部分研究工作。首先,考虑摩擦热再分配的影响,推导了井筒内过热蒸汽能量守恒方程。并通过耦合过热蒸汽热物性参数计算模型,建立了地面输汽管线及垂直段井筒内过热蒸汽管流数学模型。再与空气导热模型、地层内非稳态导热模型和海水扰流导热模型进行耦合,综合建立了适用于不同注汽环境条件下的复杂注汽管柱结构注过热蒸汽井筒-地层传热数学模型。此外,通过引入混合气体实际状态方程,该模型还可对过热型多元热流体（过热蒸汽与非凝结气的混合汽/气）的管流过程进行模拟。由于过热蒸汽在流动过程中可能发生相态变化,因此,该模型还耦合了饱和蒸汽两相流动模型。利用该模型分析了注汽参数、海水流速和非凝结气含量等参数对非生产段井筒内过热蒸汽流动的影响。此外,利用该模型成功解释了高速注汽条件下井筒内过热蒸汽温度小幅降低的物理机制（Joule-Thomson效应）。其次,以水平段井筒跟端/趾端注过热蒸汽为研究对象,考虑井筒内部导热对过热蒸汽温度分布及相变位置点的影响,并综合考虑摩擦热的再分配和过热蒸汽在长油管及环形空间中流动方向的差异性,建立了跟端/趾端注过热蒸汽管流数学模型。在此基础上,以均匀注汽为研究对象,考虑长油管和环形空间中过热蒸汽流动方向的差异性,分别建立了长油管、封隔器两侧环形空间中的能量守恒方程和动量守恒方程。再结合封隔器两侧环形空间中的质量守恒方程,以及长油管中的质量守恒方程,建立了均匀注汽水平段井筒过热蒸汽管流数学模型。在此基础上,通过与油层吸汽模型和油层瞬态导热模型进行耦合,建立了水平段井筒注过热蒸汽井筒-油层传热传质数学模型。该模型通过耦合混合汽/气实际气体状态方程,还可分析非凝结气对水平段井筒中过热蒸汽流动的影响。最后,利用该模型揭示了非均匀吸汽现象的物理机制,并提出了注汽参数优化方法。在此基础上,考虑过热蒸汽在全井段中的耦合流动特征以及过热蒸汽相态变化的影响机制,建立了非生产段井筒与水平段井筒耦合数学模型。考虑过热蒸汽注入油层后温度分布特征,沿井筒径向将油层划分为过热蒸汽区、饱和蒸汽区、热水区和冷区。考虑过热蒸汽区温度递减特征,提出“过热蒸汽区前沿温度”的概念。通过假设过热蒸汽区温度为线性递减,建立了过热蒸汽注入油层后的能量守恒方程,并利用拉氏变换及其逆变换推导得到过热蒸汽区半径解析解。利用该模型可有效提升过热蒸汽吞吐产能历史拟合精度。在此基础上,分析了注汽参数和油层参数等对过热蒸汽井筒内流动特征以及油层内过热蒸汽区加热半径的影响。最后,利用数值模拟方法分析了稠油油藏注过热蒸汽过程中的油层动态特征。最后,通过开展不同温度和剪切速率条件下的稠油地面流变性物理模拟实验以及不同温度和渗透率组合条件下的稠油非牛顿流体渗流特征物理模拟实验,分析了稠油样品的非牛顿流体流变学特征及非牛顿渗流特征。在此基础上,明确了过热蒸汽吞吐非牛顿流体区和牛顿流体区的物理边界存在于热水区中,并提出了非牛顿流体区向牛顿流体区转化的“过渡区”概念,进而有效表征了启动压力梯度的变化特征。再通过考虑泄油区内稠油粘度变化以及非牛顿流体渗流特征,改进了过热蒸汽吞吐产能预测模型。利用该模型揭示了不同生产制度条件下的过热蒸汽吞吐油层生产动态规律。最后,利用数值模拟软件评价了稠油油藏注过热蒸汽开发的技术优势以及过热蒸汽吞吐转驱过程中的油层动态变化规律。