随着“冰上丝绸之路”战略的实施和《中国的北极政策》白皮书的发布,我国对北极多年冻土区能源和北极航道的开发需求与日俱增,此举对于保障我国能源供应多样性与安全意义重大,并且我国祁连山和青藏高原羌塘盆地等多年冻土地区石油天然气资源潜力巨大,羌塘地区甚至被视为我国塔里木盆地后的第二个石油资源战略接替区。国内外对多年冻土区油井周围深厚多年冻土因热扰动融沉而引发工程问题的研究较少,对于多年冻土融化与油井受力机理认识尚不足。因此,研究环北极多年冻土区油井病害问题,既利于我国北极合作开发和能源保障,更助于我国多年冻土区能源勘探开发研究。鉴于此,本文针对环北极多年冻土热力特性与采油井热融沉陷机制,通过室内试验与理论分析、数值计算相结合的手段,着眼采油井热扰动作用,研究多年冻土的热学参数、力学特性与主要影响因素,在此基础上,构建多年冻土热传递温度场模型,诠释采油井热扰动下多年冻土融沉力学机理等,主要研究内容与取得的成果如下。(1)针对原状多年冻土相变条件下热学参数,采用电容法检测了油井周围冻土的未冻水含量,据此研究了负温对电容传感器电学响应与水、冰、土颗粒的相对介电常数的影响,基于未冻水含量评估了正、负温下土体的比热容,并将正温下的热容估计值同瞬时线形热源法实测值进行了对比分析,总结提出了适用于原状土冻、融状态下的热传导系数计算模型。(2)针对原状多年冻土升温中弹性特性,采用弯曲元(BE)与压缩盘(BD)技术测试了冻土的剪切波速、压缩波速,据此得到了小应变下冻土的弹性模量、泊松比随温度的变化规律,剖析了围压对冻土的压缩波波速和小应变杨氏模量的影响,并提出了通过性质指标评估原状多年冻土融化后的杨氏模量的经验模型,同时研究了原状多年冻土在-10~+20℃之间的小应变剪切模量及其各向异性,进而揭示了土的小应变剪切模量各向异性温度相关性的原因。(3)针对原状多年冻土融化后的力学特性,对融化的粘土、粉土、砂土,分别进行了不同含水量与围压下的三轴压缩试验,获得了不同融土的应力-应变关系与力学参数,分析了含水率与围压对融土的破坏应力、割线弹性模量及其对应轴向应变、初始切线弹性模量的影响规律,确定了适用的拟合回归方程,对比分析了预测值与试验值。计算得到了土试样的抗剪强度指标,并分析了深度的影响。(4)针对多年冻土区油井与场地温度场演变,研究了多年冻土区采油井典型构造与井筒保温措施等,据此构建了井筒传热几何模型,并结合油管内流体温度、流速、井筒材料热物理参数与多年冻土层初始地温分布、热物理参数等,建立了多年冻土区采油井及其周围冻土场地的传热温度场分析的数值模型与计算方法,基于此,分析了采油井运行多年之后管道周围场地温度场变化、多年冻土热扰动的融化程度,揭示了各土层融化程度差异的原因。(5)针对多年冻土融沉过程中的受力机理,基于获得的多年冻土热学参数、油井传热参数、油井与周围多年冻土场地温度场分布、原状多年冻土与融土的力学特性,建立了多年冻土融沉下单油井受力机理分析的数值模型与计算方法,据此研究了井壁周围多年冻土融沉过程中的应力重分布、融土与井壁之间相互作用,发现了融土中的拱效应,提出了确定油井壁受压屈曲破坏位置的分析方法。