石油天然气是保障国民经济持续发展、社会生活稳定和国家安全的重要能源和战略资源。随着我国国民经济的高速发展,国家对油气资源的需求急剧增加,供需矛盾日益严峻,已成为制约我国未来发展的瓶颈。随着我国油气资源勘探开发的不断深入,今后我国油气资源勘探开发的重点将是各类“难动用”油气资源和深部地层、深海油气资源的勘探开发。然而,深部地层油气钻探和深海油气钻探开发都面临着诸多挑战,尤以钻井的安全保障成为诸多挑战中的关键。深部地层油气钻探中钻遇压力敏感型油气机率越来越高,在钻井安全高度重视的前提下,甚至采取一系列以牺牲钻进效率来保证钻井安全的措施,依然不能避免井喷失控事故的发生。如在我国四川元坝气田的钻探过程中,因为该地层裂缝发育,漏喷同层,泥浆密度窗口窄,导致井控风险大大增加,甚至发生井喷失控事故。传统的井控工艺和井控装备偶尔较难适应在钻遇敏感性地层时对钻井安全的要求。因此,研究一套新型的适应敏感性地层钻井安全的井控工艺、井控装备及快速可靠的井下通讯技术成为目前井控研究的一个发展方向。井下防喷系统是一种较传统井控工艺和装备能“早发现、早控制、快速方便的压井作业”的井控系统。随着近几年敏感性地层钻井的不断增多,井下防喷系统逐渐成为了井控研究的一个热点。本文在充分调研了国内外现有井控工艺、装备和井下通讯技术的基础上,归纳总结了各种井控装备和井控工艺以及井下通讯技术的优缺点,结合井下防喷系统的功能要求和系统组成,提出了现有技术背景条件下可实施的井下防喷系统组成方案,并对方案中运用钻柱冲击振动作为信息载体的通讯方式进行了机理研究及基于地面实验基础上的有限元仿真分析,设计了方案中的部分装备和工艺流程,并进行了关键装备的室内实验研究。本论文主要开展了以下几方面的研究工作：(1)充分调研了现有井控工艺、井控装备及井下通讯技术的国内外研究现状,总结了现有井控工艺及装备已经不能适应敏感性地层钻井安全的要求,新的井控工艺和井控装备的研究成为井控研究的热点；(2)详细分析了井下防喷系统的功能要求,并将井下防喷系统分成四个功能模块,即封隔模块、溢流监测和快速预警模块、井下通讯模块、封隔后的压井模块,并对各功能模块的工作内容和工作机理做了深入研究,在对比总结实现各功能模块现有技术优缺点的基础上,结合井下防喷系统的功能要求,提出了现有工业背景下具有可实施性的井下防喷系统方案,摒弃了传统的井下双向通讯思维,溢流预警信号上传采用一种通信方式,而防喷器动作命令的下传采用另一种通信方式,即采用井底压力监测诊断并预报溢流信息,运用井底钻柱爆炸产生的冲击振动向上传递溢流预警信号,地面监测到钻柱振动信号并解码为溢流信号后,停钻并通过下放和上提钻柱的方式进行井下环空防喷器的封隔和解封；(3)在总结前人已有研究基础上,分析了钻柱结构与振动类型的规律,建立了钻柱纵向振动、扭转振动、横向振动传播方程,并对钻柱纵向振动的多次波效应和衰减原因进行了分析；(4)运用有限元分析方法,结合钻柱自由振动状态下的室外实验,确定了钻柱自由振动状态下动力学分析的阻尼因子,即取α=0且β=0.0085作为瑞利阻尼参数时,仿真结果与实验测试结果相差较小,误差在7%以内。并将此阻尼参数应用到钻井工况下钻柱冲击振动仿真研究中,得出了不同钻柱点位的加速度输出波形和声压曲线,以及间隔一定时间的两次冲击振动在钻柱不同点位产生的声压曲线,根据各声压曲线所特有的“波形指纹”可以解码出不同的井底溢流信息,为钻柱冲击振动传递信息的应用提供了一定的参考依据,也为更长尺寸的钻柱的仿真分析提供了基于声压曲线轮廓特征的研究方法；(5)对井下环空防喷器和井下压力监测与振动信号激发装置进行了详细设计,绘制了加工图,并运用三维建模进行了装配和干涉分析,进行了基于三维建模状态下井下环空防喷器的功能实现,设计了井下压力监测诊断流程和井口信号接收装置的工艺流程；(6)开展了井下环空防喷器的室内实验研究,装配了井下环空防喷器并进行了基本的挤压胶筒功能试验,开展了钻柱室外冲击振动传输实验,为钻柱的仿真模拟提供了原始数据。