随着社会经济的不断发展,目前易开采地区的油气产量已不能满足人们对油气资源越来越大的需求。而在加大对油气勘探开发力度的过程中,深部、复杂地区的钻井作业日益增多,在勘探开发这些深部、复杂地层时,常常面临“安全压力窗口”狭窄的难题,导致非生产作业时间显著增加,极易发生井涌、漏失失返并引起严重的井喷事故。井底恒压法控压钻井作为一种较先进的钻井技术,能有效解决“窄安全压力窗口”的难题,气侵的预防和气侵的控制是控压钻井的核心问题。起下钻过程产生的波动压力已经成为导致井筒气侵的的一大重要因素,建立精确的起下钻波动压力预测模型,为“窄安全压力窗口”地层的最大的安全起下钻速度确定提供科学依据,这对积极预防溢流,最大程度降低溢流发生的概率都具有重要意义。精确的井筒水力学模型和压力计算是实现井筒压力精确控制的前提,是实现安全高效钻进的核心科学问题。控压钻井井筒压力控制的重点和难点主要集中在起下钻过程稳态和瞬态波动压力的准确计算,气侵之后井筒参数演变规律,以及井口回压的精细控制等方面,为此,本文针对这些问题展开详细研究。首先,本文以同心环空流体微元为研究对象,建立了动量方程,根据赫巴流体本构关系和流量相等关系,求解得到了环空流速分布和稳态波动压力梯度表达式。针对各种环空内外径比和偏心度,提出了一种以有限体积法为基础的偏心环空稳态波动压力预测模型,采用双极坐标系,将偏心环空不规则计算域共形映射到规则的矩形计算域,有效地克服了窄槽近似模型必须在内外径比率大于0.4才适用的缺陷,前人试验数据验证了模型的准确性。分析了影响环空速度和稳态波动压力的大小的各种因素,得出了结论:稳态波动压力随着钻具运动速度、环空内外径比率的增加而增大,与钻井液的屈服值和稠度系数成近似线性关系,与流性指数成指数关系。偏心度影响环空流量和速度分布的均匀性,较大偏心度可能出现滞留区域。以瞬变流方程为基础,考虑了附加动态摩阻项的影响,建立了新的瞬态波动压力预测模型方程,并采用Roe算法对方程组进行了求解。利用前人的现场测量数据,对预测模型进行了验证。分析了井筒几何参数、钻井液流变参数、钻具运动参数对瞬态波动压力峰值的影响规律,得出了结论:钻井液密度、井筒综合弹性模量、钻具运动的加速度的对瞬态波动压力的影响较小,钻具运动速度对瞬态波动压力的影响较大。偏心度对瞬态波动压力的影响程度小于稳态波动压力。基于环空微元体的连续性方程和动量方程,建立了气侵井筒多相流动方程,推导得到双流体模型方程和漂移流模型方程,比较了两种模型的差异,指出了各种的适用范围。基于双流体模型,考虑了虚拟质量力的影响,得到了压力波在气液两相流中的传播速度方程,得出了结论:压力波波速随钻井液密度,含气率及虚拟质量力系数的增加都呈现出减小的趋势,先急剧减小,后变化极其缓慢。基于漂移流模型,采用了有限体积法和Roe算法构建数值通量,按照Roe平均化法则求得了系数矩阵的线性化近似雅可比矩阵,得到了漂移流模型的Roe数值算法迭代格式。Roe算法由于没有迭代逼近运算,所有离散项运算均为普通线性方程,即使较大时间步和空间步也能很好满足守恒性,计算精度高,稳定性强,可有效避免迭代过程可能出现的发散现象。以实例井为基础,模拟了从气侵发生到气体顶部刚上升到井口整个过程,分析了不同初始井口回压对井筒参数的影响,得出了初始井口回压越小,井筒气侵程度越严重的结论。将井底恒压法控压钻井的井筒气侵过程分为气侵检测阶段和气侵控制阶段,分析了在气侵检测阶段初始井口回压、气层渗透率、气层孔隙度、气层压力、机械钻速对井筒参数的影响规律,得出气层孔隙度的影响较小,其它参数影响较大的结论。分析了井底恒压法控压钻井针对气侵的四种不同的井控方案,增大井口回压,能迅速停止气侵,能保持井底恒压,返出钻井液流量和出口气体流量都较小,所受的限制因素少,适用性较强。增大泥浆泵排量,不能维持井底恒压,只能处理非常轻微程度的气侵,在循环排气过程中容易发生二次气侵,延长了井控时间,增加了井控复杂性。增大泥浆泵排量的同时也增大井口回压,能维持井底恒压,但出口的气体流量大,应考虑气液分离器的处理能力。关井后再开泵循环方案,井筒进气多,井控时间长,出口的气体流量大,必须考虑气液分离器的处理能力。节流阀是井口回压的压力来源,井口回压是钻井液通过节流阀时在阀门前后两端的形成的压力差。找出了钻井液通过楔形节流阀的最小过流面积所在位置,并计算了最小面积,推导得了到阀芯行程与阀门两端节流压降的关系式。控压钻井楔形节流阀的有效调节区间约为0.49,在此区间,阀门关度与节流压降函数呈现指数关系,压降调节范围0.29~14.71MPa。