深水油气资源的勘探开发成为油气资源开发的重要趋势之一,我国深水油气储层存在高温高压高含硫且缝隙复杂等特点,在深水领域,气体侵入到钻井环空中引发溢流是井喷产生的重要原因。随着勘探开发水深的不断增加,气体进入隔水管底部海底井口位置处附近由于环空面积增加等因素导致体积缩小,溢流量减少,很难进行监测。在隔水管底部泥线附近安装声波气侵监测装置是进行早期气侵监测一种有效方式。在气体进入到隔水管底部海底井口位置处段后,对气体与声波响应特征进行实时定量的研究并对其进行高精度准确描述处理对于气侵监测至关重要。早期气侵监测信号高精度处理有利于钻井工作人员及时发现气侵并做出相应的应对措施。同时,在监测到气侵信号后,需要对其气侵程度进行评估。针对深水钻井复杂地层条件和部分井存在井斜角的问题,建立了深水钻井气侵发生后气体上升速度模型,对斜井中因井斜角对气体流型划分原则及气体滑脱速度产生的影响进行修正,考虑了钻孔处钻头的温度变化、斜井曲率、弯曲度、变岩性和多个地热梯度对井筒循环温度场影响和对井筒循环压力场的影响,结合复杂深水钻井气侵后井筒气液流动规律,实现了气侵发生后气体到达海底井口时间的实时计算。针对海底泥线附近特殊温度场、压力场导致的含气率在海底泥线附近产生较大波动而难以监测的问题,本文采用希尔伯特-黄谱分析方法,实现了对于监测截面是否有气泡、气泡的多和少的定性评估;通过对超声波各响应特征值的拟合分析则实现了对截面含气率的定量计算分析,使得该位置处的超声波监测信号能够实现对监测截面的含气率的实时定量表征。同时,建立了井筒各截面含气率的表征方程,并验证了海底温度、井身结构等条件对海底井口声波监测位置处截面含气率的影响规律,通过对监测截面含气率及气侵总量实时定量关系的建立,实现了海底井口位置处监测信号与气侵总量以及井筒各截面含气率的定量表征。针对气侵程度难以进行划分的问题,提出一种新型的气侵程度划分标准,并建立了一套配套的早期气侵监测方法。将气侵程度分为如下几类:微小气侵、易控气侵、难控气侵和高风险气侵四类,针对深水钻井钻遇地层复杂,风险因素多,且不同位置处压力达到峰值所对应的井筒内压力状态并不相同,薄弱地层越深,到达其压力峰值的时间越快的特点,将压井过程中所有薄弱地层的压力峰值与破裂压力进行比较,提出了一种动态的气侵程度的评价方法,从而实现更全面的气侵程度的评价。针对实际钻井过程中钻井参数很难估计甚至部分缺失的问题,基于隐马尔可夫模型基本原理,建立了井筒内部状态与状态转换概率关系的系统模型,实现了在钻井参数不确定的情况下,通过气侵监测信号的实时监测,对井筒内部气侵程度的实时动态评估与预测。研究内容能够对气侵监测预警限确定、井控方案设计以及井控安全性评价提供技术手段和理论指导。