深层海相碳酸盐岩地层裂缝较为发育且裂缝沟通能力强,在钻井过程中极易发生钻井液漏失、地层流体溢流和重力置换等多种复杂情况,影响到油气资源的勘探开发进程。本文主要基于裂缝空间内流体重力置换机理和井筒多相流理论,通过室内实验、仿真模拟和理论模型研究了碳酸盐岩钻井井筒-裂缝耦合流动特征,为碳酸盐岩钻井井控和钻井安全控制提供理论基础。本文的主要研究成果如下:(1)通过非接触性测量系统进行数据收集及后期数据处理、建模,研制了以真实裂缝为基础的井筒-裂缝可视化耦合流动实验装置。(2)通过井筒-裂缝耦合流动实验装置进行了不同工况下重力置换实验研究,总结了不同工况下置换现象的差异,通过实验数据分析了裂缝内流体在不同工况下重力置换与井筒钻井液压力和地层压力的关系,真实地还原井下裂缝发生重力置换时的流体流动规律。(3)通过实验数据及结论,提出了重力置换机理,并进行了仿真模拟验证,进一步揭示了不同工况下裂缝内流体发生重力置换的机理。(4)在重力置换机理的基础上,建立了定压工况下裂缝内流体重力置换数学模型,分析了裂缝内流体重力置换的影响因素。(5)分析了地层流体侵入钻井液后在不同温度和压力下钻井液的流变模式,建立了井筒气-液两相和液-液两相流动数学模型。(6)结合定压重力置换数学模型和井筒多相流数学模型,建立了井筒-裂缝耦合流动模型,该模型可通过井口压力和地层压力对裂缝重力置换过程钻井液漏失量和地层流体溢流量进行计算,并对环空压力进行监测。