随着我国国民经济的快速发展,油气资源需求量急剧增加,深水油气勘探开发是确保我国能源安全的重要举措。深水油气开发,受水深和海洋环境的影响,面临诸多技术难题,同时也给深水钻井安全带来极大的挑战。海上油田开发面临的主要钻井风险是安全钻井问题,特别是井控风险。海上油田一旦出现井喷,将会给平台工作人员及海洋环境带来不可弥补的损害。为给溢流控制提供足够的预警时间,迫切需要开发深水钻井早期溢流监测装置。海底泥线下浅表层存在浅层气和浅层流,也给深水浅层钻井带来安全风险。对于深水隔水管钻井,需要建立地层—井筒—地面控制设备之间的压力传递关系模型,研究深水钻井溢流发生、发展的全过程。在出现较大溢流的情况下,能够提出合理且可行的深水溢流控制方法,保证深水钻井过程中溢流始终处于设备和人力可以控制的范围内。因此,深水钻井早期溢流监测装置的开发及安全高效的溢流控制工艺技术对确保深水钻井安全具有重要的理论及实践意义。本文在广泛调研国内外早期溢流监测方法的基础上,研究了超声波在含有大量固相颗粒的液体中的衰减规律,优化了超声波传感器的频率;为提高测量精度,采用多普勒测速原理,根据环空几何形状,优化了超声波传感器的布置方案;设计了超声波发射和接收电路、DSP(数字信号处理)处理电路;研制了非侵入式钻井液环空流速测量装置,在室内测试了钻井液密度、排量及注气量对环空流速的影响。测试结果表明,研制的环空流速测量装置可以准确测量含气量小于10%流体的环空流速和流量,流速测量的相对误差小于10%。针对浅层气及浅层流问题,提出了变排量、变密度控制方法,基于多相流理论,推导了不同时刻环空钻井液密度、环空压耗和环空压力计算模型,计算了动态压井钻井混合舱出口密度随时间的变化,研究了不同排量组合情况下井底压力和环空压力随时间的变化规律,优化了 DKD钻井参数,并通过对墨西哥湾3 口深水实例井动态压井钻井过程的模拟和分析,验证了该模型的合理性。DKD钻井过程中环空压耗可以忽略不计,可以通过调整加重钻井液排量和海水排量的配比来控制环空压力分布。考虑钻井液、套管一地层、隔水管一海水之间的热交换,建立了深水钻井过程中瞬态温度计算模型,模拟计算了水基钻井液和油基钻井液循环过程中井筒循环温度分布,为准确计算环空压力提供了基础参数。采用多相流理论,建立了地层—井筒—隔水管—钻台压力控制设备之间压力传递数学模型,利用我国南海油田深水钻井实钻数据,在深水钻井发生溢流的情况下,计算了地层出气量对混合物流速、持液率及环空压力的影响,模拟了井底压力、地层出气量及环空压力分布随时间的变化。在有气侵的情况下,钻井船甲板以下300m钻杆与隔水管环空内的流速会迅速增加,井控风险较大。考虑节流管汇的影响,建立了深水司钻法及深水工程师法压井参数计算模型,模拟了压井过程中立管压力、节流阀压力随时间的变化。深水井控作业过程中,节流管线内的沿程压力损失不可忽略。相对于司钻法而言,工程师法压井的节流阀压力较低,如果钻井平台具备快速配浆能力,深水压井首选工程师法。反演了南海及西非两口深水井溢流控制过程。反演结果表明,所研究的井控理论模型满足深水钻井井控的需要。通过上述研究,形成了一整套包括早期预防和溢流处理的深水钻井井控安全理论与控制技术,其中非侵入式的溢流监测方法、变密度变排量动态压井钻井控制模型及深水压井过程中立管压力和阻流阀压力计算模型具有创新性。论文的研究成果为深水钻井早期溢流监测及井控方案的制定提供了重要的理论基础及技术支持。