气体钻水平井将气体钻井保护储层与水平井扩大渗流面积的优点相结合,是解决低压、低渗、低丰度致密气藏高效开发的重要技术手段。但是,伴随气体钻水平井的一个难题是水平井段的井眼净化问题,其直接影响钻井效率、钻井成本、井身质量、钻井安全等重要问题。与常规钻井技术相比,气体的携岩能力较弱,水平井段岩屑颗粒的受力与直井段不同,使气体钻水平井中的岩屑运移本质发生了变化。因此,深入研究气体钻水平井过程中井眼净化规律对于气体钻水平井技术的推广及应用有重要意义。本文在空气动力学、气固两相流体力学的基础上,利用计算流体力学软件仿真模拟、模型计算及地面可视化实验等相结合的方法,针对气体钻水平井过程中的井眼净化规律展开研究,深入分析水平环空气体流场分布情况,以此为基础对水平井段岩屑颗粒运移规律、岩屑床的动态运移规律进行研究。通过大量工作取得的研究成果如下:(1)利用室内钻头实验架钻取岩样,获得岩屑,进行筛分实验,得出气体钻井条件下牙轮钻头破岩后岩屑颗粒的粒径分布,为岩屑运移机理研究提供了基础,为可视化实验研究提供了依据;(2)开展水平井环空流场分析。利用CFD软件模拟扩径、变径、偏心等不同工况下的水平环空流场,分析得出水平环空流场的分布规律;(3)结合水平井岩屑运移特征,分析岩屑颗粒受力,建立单颗粒岩屑运动模型,进行岩屑运移特性分析,得出粒径、注气量、偏心度、钻杆旋转等因素对单颗粒岩屑运移规律和岩屑颗粒群运移规律的影响;(4)建立岩屑床颗粒的起动模型和岩屑床高度计算模型,分析了粒径、注气量、偏心度、钻杆旋转等因素对岩屑床高度的影响;开展水平环空岩屑运移可视化实验,通过观察现象和数据分析,验证了岩屑床颗粒起动的特征和岩屑床动态运移的影响因素。(5)提出一种气体钻水平井井眼净化短节设计方案,该短节可以实现改变流场、重复破岩和物理举升岩屑三种功能。利用CFD软件分析了短节静止和短节旋转的情况下环空流场的变化规律。结果表明,气体流经短节可以形成螺旋流场,对水平环空的清岩工作有利;短节旋转对环空流场的影响更大,作用距离更远。本文研究成果可有效指导制定水平井井眼净化方案以及气体钻水平井施工参数的优化设计,这对保证水平井安全钻进以及有效延伸水平井眼均有积极意义。