维持稳定的欠压值是欠平衡钻井的核心,气层中采用欠平衡钻进时由于地层气体的侵入,井底欠压值会急剧增大不利于井壁稳定,甚至引起井涌井喷等严重事故,通过加重钻井液密度或井口加回压处理气侵问题时又容易造成井底过平衡,不能达到欠平衡钻井的目的。因此,气层中欠平衡钻进时准确的计算气体侵入量以及气泡在环空中的运移规律是设计并维持安全合理欠压值的关键。本文考虑了地层条件和钻井参数对气体侵入规律的影响,建立了不同地层中的气泡形成尺寸计算模型,根据气泡动力学理论分析了环空中气泡的运移形态及运移规律,从而为气侵过程中合理欠压值的设计及调整提供准确的依据。首先,根据气体在地层中的不稳定渗流机理,考虑了地层条件和机械钻速对气体侵入的影响,建立了欠平衡随钻气侵量计算模型,分析了复合钻速对随钻气侵量的影响,为气泡形成尺寸计算以及运移规律研究提供了必要的参数。其次,通过对气泡形成过程进行受力分析,将气泡形成分为膨胀和脱离两个阶段,建立环空气泡形成模型。针对瞬时气侵量对气泡形成的影响,根据孔口气泡聚并的条件建立临界气侵量计算模型,考虑地层条件和钻井参数等多因素建立气泡形成尺寸计算模型,确定了不同孔隙半径下气泡的脱离频率,根据环空内不同流体的流动规律,考虑了气泡尺寸的影响建立环空中气泡上升速度模型,得出气泡上升速度与气泡生成直径之间的关系,从而为气侵条件下井底欠压值的计算打下基础。再次,应用湍流计算模型以及欧拉多相流计算模型,对单个气泡在环空流场中的变形规律进行了计算分析了钻井液特性对气泡变形的影响。同时,从气泡动力学的角度分析气泡融合的机理,给出了环空气泡融合的条件以及融合速度,从而真实的反映气泡在环空中运移时的形态,为环空气侵钻井液的流型划分提供依据。最后,考虑了不同机械钻速下的岩屑含量以及气侵钻井液的流动规律建立了井底压力计算模型。根据建立的随钻气侵量计算模型、环空气泡生成直径计算模型、气泡融合速度计算模型以及气侵过程中井底压力计算模型,对大庆地区某井欠平衡钻进过程进行了实例计算。采用本文模型所得到的气侵量及井口回压变化规律与实际吻合较好,说明本研究所建立的随钻气侵模型以及气泡形成运移变形模型可以为欠平衡气侵阶段欠压值的合理设计与维持提供必要的依据,具有重要的理论意义和应用价值。