欠平衡钻井是指在钻井过程中液柱压力和循环回压等低于地层的孔隙压力；在钻井过程中,允许产层流体流入井眼内,产层流体会跟随钻井液返回到地面,地面控制系统以钻井返回液为依据,解释产层并控制整个钻井过程,这一钻井流程称为欠平衡钻井。欠平衡钻井基本循环流程包括体内循环系统流程和体外循环系统流程。本文设计模拟体外循环系统流程,当正常循环不能实施时,关闭旋转防喷器旁通法兰连接的液动阀,改由体外循环,其基本流程为：供给系统—地面高压管汇—立管—钻具内—钻头—环空—封井器四通出口—节流管汇—液气分离器—体外振动筛—油液分离器—供给系统,此时利用节流管汇,控制井口一定压力和井底负压,使井内油气有控制地进入井眼,经体外循环系统有效分离后,保持入口钻井液一定的密度,重新泵入井内,实现连续钻进。欠平衡钻井仿真系统实验装置是充分考虑欠平衡钻井过程中井下的各种情况,结合现场实际和室内研究的需求开发出的一种在室内研究欠平衡钻井过程的实验装置。该装置通过一段水平模拟井筒和一段垂直模拟井筒来模拟欠平衡钻井过程中的双井筒结构注气工艺过程。模拟的井筒和钻具依据实际使用的井筒和钻具按比例缩小制作而成,模拟井筒上设置有透明观察窗,可以利用高速摄像机来记录流体在井筒中的流动情况,同时井筒上安装有在线密度检测计,可以实时检测井筒内的流体密度变化,最终结合流体流型和地层渗透率的变化来预测合理的地层欠压值和地层及地层流体的变化情况。本文的研究重点是仿真控制系统的开发。仿真控制系统分为两部分,即功能控制下位机部分和计算机功能软件部分。功能控制下位机部分首先负责采集各个压力传感器、在线密度计的数据并发送到计算机系统上显示数据信息,为了实验的安全性及数据的可靠性,采集的数据信息可以与各选配仪器自带的数据显示作对比；其次,功能控制下位机部分根据计算机系统下发的命令控制各电动阀门的开度,已达到控制系统压力的目的。计算机功能软件部分首先可以形象的显示整个仿真系统的流程,参数显示及设计,重要数据的显示；其次,计算机功能软件部分可以控制气体流量计、液体流量计、围压泵、平流泵等的运行。总而言之,该欠平衡钻井仿真控制系统具有自动控制功能、过程控制功能、智能表监测功能、计算机监控功能。系统采用了多功能、集成化设计,可以作为多功能钻井工程参数监控平台,具有钻井数据采集、显示、传输、记录；欠平衡钻井压力监测及控制；油气井井控操作：钻井参数超限报警等功能。本论文分为5个章节,第1个章节从欠平衡钻井技术简介,欠平衡钻井现状,钻平衡钻井技术对当代石油工业的意义,欠平衡钻井技术的优缺点以及本文的研究重点及意义五个方面论述欠平衡钻井技术及其仿真系统的重要作用,说明欠平衡钻井仿真系统对当代钻井技术发展的重要意义。第2个章节首先简要介绍了欠平衡钻井技术的概念,以及欠平衡钻井技术在实际生产过程中的优缺点；其次介绍了在实际欠平衡钻井生产过程中主要用到的各种系统,只有了解了这个,才能合理的设计仿真系统；最后介绍了欠平衡钻井过程中主要的井控问题,主要介绍欠平衡状态的产生条件及方法,欠平衡钻井过程中井底压力的控制方法,以及欠平衡钻井仿真系统可行性实验。第3个章节详细介绍欠平衡钻井仿真系统整体方案设计,该欠平衡钻井仿真系统主要由注液系统,注气系统,气液混合装置,仿真实验模型,驱替系统,返出液储集系统,高速摄像系统等几个部分组成。第4个章节详细介绍欠平衡钻井仿真控制系统设计,本文把该控制系统分为功能控制下位机部分和计算机功能软件部分,功能控制下位机部分主要负责将压力监视系统,温度模拟系统,密度检测系统等需要上传的信息采集处理并上传到计算机系统；其次,功能控制下位机部分根据计算机系统发送的命令控制各种阀门的开度。计算机功能软件主要负责将功能控制下位机部分上传的数据进行处理,分析,存储,并做成判断,将控制命令发送到功能控制下位机部分,由功能控制下位机部分执行控制命令,主要是控制各个电动阀的开度以达到控制压力的目的；其次,计算机功能软件部分对采集到的压力、流量、图像信息进行分析处理,得出在不同欠压条件下,井筒内的压力变化情况、流体的流型流态变化情况及储层渗透率的变化情况。第5个章节,详细介绍该欠平衡钻井系统的运行情况及结论。