在深水钻井过程中,浅层地质灾害(包括浅层气、浅水流和水合物,统称为“三浅”)是钻井安全的重大隐患。其中浅层气引起的井涌和井喷问题最为严重,超过20%的井喷是由浅层气造成的。此外,海底水合物分解产生的气体也可视为浅层气的来源之一。本论文运用油气藏工程、渗流力学和油藏模拟等方法,结合浅层气地层的地质特性,建立不同类型浅层气地质模型和气体流动模型,定量分析钻遇浅层气时的气流动态及其对钻井安全的影响,明确其超压释放机理,对浅层气存在状态和危害进行分级,评价不同因素对浅层气侵入动态的敏感性,提出针对南海深水浅层气的系统控制方法。基于深水浅层水合物层基本特征,建立了钻井过程中水合物分解模型及局部超压演变模型,模拟钻进中水合物分解引起井筒气侵和固井后套管周围超压气体的形成过程。研究结果表明,由于深水钻井中钻井液密度窗口较窄,浅层气的存在将严重影响深水钻井安全,钻遇高压气囊状浅层气比低压层状浅层气更具危害,理论气体喷出速率可达几十万立方米/时。根据模拟结果,可将钻井过程中浅层气危害分为四级,包括轻微流(轻微气侵)、泡状流(早期井涌)、段塞流(井涌)和环流(井喷)。浅层气地层超压系数和规模是影响气体喷出速率的主控因素,采用比重1.05的钻井液,钻穿超压系数为1.22的中等规模(1000×1000×10m)的浅层气囊时(井底压差1.53MPa),气侵总量为160×10~4m~3,气侵速率可达90×10~4m~3/h,可能产生较为严重的井喷事故。提高钻进速度可降低气体喷出速率,但对气体喷出总量没有影响。水合物分解和气侵模拟结果表明,钻遇到水合物层时,气体喷出属于轻微流等级,水喷出属于中等流级别。浅层固井后水合物分解模拟结果显示,高温钻井液连续循环可导致近井筒周围的水合物分解,在套管周围形成超过2.4MPa的超压气体聚集区,影响水泥环和上部地层的稳定性,气体或沿套管和水泥环外壁上窜至海底井口,在隔水管壁上重新形成水合物,影响井口设施和隔水管的安全运作。