气藏钻井中常常遭遇气侵溢流情况,给钻井安全带来严重危害。负压差下气侵发生的机理已经众所周知,然而,时有井下气侵发生在井筒流体处于正压差条件下,即在井筒流体压力大于气层流体压力时也会发生气侵,这是目前认识较少且未见实验证明和理论充分研究的气侵状况,亟需研究解决之。本文研究了裂缝内发生气液置换的机理及其影响因素,提出了通过对含气裂缝通道进行主动封堵,变窄安全钻井液密度窗口为较宽钻井液密度窗口的封缝防气侵钻井液技术。本文通过理论研究,首先发现在微过平衡条件下,深部地层垂直裂缝发生气液置换型气侵的机理,即钻井液在正压差作用下漏失进入裂缝通道,占据裂缝下部空间,向上压缩裂缝内气体,导致气体压力逐步增大,直到气体压力在某一点上超过井筒内钻井液压力时,即刻发生气液置换型气侵。该气侵为脉动式气侵,与裂缝几何尺寸、钻井液性能、地层原始压力及井筒液柱压力与地层压力差值有着密切关系。为验证理论研究的正确性,基于可视化理念,本文研制了具有数据自动采集及压力自动恢复功能、裂缝面板可拆卸及裂缝宽度(高度)可调的垂直裂缝气液置换及封缝堵气防气侵实验测试装置。基于此,对裂缝性地层气液置换型气侵进行了深入研究。研究了微过平衡条件下气液置换型气侵的发生与发展过程,明确了气液置换型气侵产生的原因以及气侵的方式,分析了垂直裂缝气液置换气侵的影响因素,探明了裂缝宽度越宽、钻井液表观粘度越低、密度越高、地层原始压力越高等,均容易发生气液置换气侵的关系。利用FLUENT数值仿真软件,对垂直裂缝地层气液置换现象进行数值模拟,对发生气液置换的机理和影响因素进行了验证,结果与实验研究相似。基于气液置换型气侵机理及影响因素分析,本文提出了钻井中采用主动封堵裂缝通道的技术防止地层气体侵入井筒,即封缝防气侵技术思路,据此,利用垂直裂缝气液置换及封缝堵气防气侵实验装置对缝宽小于1mm的裂缝开展了一系列的封堵实验。研究了裂缝的楔形度、封堵压差、裂缝壁面粗糙程度、刚性碳酸钙颗粒级配和浓度及其与其他封堵材料协同作用对封堵效果的影响,以封堵位置、漏失量和封堵层对气体的反向承压能力等指标作为防气侵封堵效果的评价参数。研究结果表明,具有相同入口宽度的裂缝,其楔形度越大,相同配方的封堵材料封堵位置越靠近缝的入口部位；封堵压差越大,具有相同配方的封堵材料封堵位置越靠近缝的出口部位,且漏失量越小,反向承压能力越高；裂缝壁面越粗糙,具有相同配方的封堵材料封堵位置也越靠近缝的入口部位；封堵效果并不受封堵材料颗粒粒度特征值D(50)和D(90)单一因素影响,而是受两者协同效应影响；封堵材料浓度越高,堵层形成的越快,封堵位置也越靠近缝的入口,但是过高,也不利于封堵材料对裂缝的有效封堵；刚性碳酸钙颗粒与纸纤维协同作用,封堵裂缝的效果最好。依据致密封堵的桥塞、填充理论,利用高温高压滤失仪,以滤纸模拟微孔隙,对几种具有在一定温度压力条件下能够变软变形的材料进行了实验研究,结果表明,一种热塑性树脂FTJ-1对微孔隙的封堵效果最好。将一定粒度级配的刚性碳酸钙颗粒、短纤维及树脂按一定比例优化组合后构成了封缝防气侵封堵材料(代号TYFC-1),并由此构建起阻止垂直裂缝气层发生气液置换气侵的钻井液防气侵封堵技术。本文所研究的封缝防气侵材料及钻井液技术在塔里木油田的塔中气田两口水平井上进行了现场试验,试验结果表明,所研究构建的针对垂直裂缝地层气液置换气侵的钻井液防气侵封堵技术见到良好效果,为保障窄安全密度窗口气藏安全钻井提供了一种新的钻井液技术支持。