深水油气资源极为丰富,是我国能源的重要接替区。但是,深水钻井普遍面临着地层窄安全密度窗口问题,直接影响深水钻井的作业安全和成功率。近年来,有学者提出了一种基于井下分离的变梯度控压钻井新方法,其有效结合了控压钻井和多梯度钻井的双重优势,有望成为解决深水窄安全密度窗口钻井难题的新方式。该技术通过在钻柱上安装旋流分离器来实现钻柱内钻井液中掺杂的空心球的分离,并将分离出的空心球排入环空,从而在环空内形成两个或多个压力梯度。因此,与传统控压钻井技术相比,变梯度控压钻井井筒流体流动更加复杂、井筒压力控制方法更加多样,常规的井筒压力预测模型和控制方法不再适用。为此,本论文开展了深水变梯度控压钻井井筒压力预测和优化控制研究,主要成果如下:1、基于井筒水力学和传热学理论,综合考虑分离器位置处流体变质量流动传热与传质、空心球流入/流出对混合流体热物性参数的影响,建立了正常循环工况下深水变梯度控压钻井井筒温度与压力预测模型,应用双循环迭代法对模型进行了求解。开展了井筒温度与压力分布规律和敏感性参数分析,结果表明:相比于常规钻井,变梯度控压钻井环空温度与压力分布曲线上均存在一个明显拐点,拐点位置与分离器位置一致。井筒压力剖面可由分离器位置、分离效率、空心球注入体积分数等参数灵活控制,既能实现全井筒压力剖面调节,又能实现井筒压力剖面分段调节,可以更好地适应深水窄安全密度窗口地层的钻井作业。2、考虑井筒内不同密度的钻井液沿井深分布状态,提出了正常钻进工况下变梯度控压钻井动态井筒压力计算方法。建立了以最大钻进深度为目标的动态井筒压力控制参数(包括分离器位置、分离效率等)优化模型,利用序列二次规划方法对优化模型进行了求解。开展了回压恒定和回压实时调节条件下控制参数优化设计,结果表明:优化分离器位置、分离效率等关键控制参数,可改善井筒压力剖面,有利于实现更大的钻进深度;优化后的井底压差远小于常规钻井井底压差,有利于提高机械钻速,减小储层伤害。优化井口回压后,可进一步改善井筒压力剖面,使之能更好地适应窄安全密度窗口,可实现更大的钻进深度。3、基于井筒多相流理论,针对变梯度控压钻井井筒流体分布特征,建立了气侵工况下井筒多相变质量流动模型,利用有限差分方法进行了求解。对比分析了气侵工况下变梯度控压钻井与常规钻井在环空出口流量变化规律上的差异性,结果表明:当气体前沿到达分离器位置时,由于受到液相密度突变的影响,变梯度控压钻井的环空出口流量发生二次突增现象,说明环空出口流量的可监测性较强,而常规钻井不具备此特征。4、基于环空出口流量二次突增现象,提出了适用于变梯度控压钻井的早期气侵监测新方法,分析了其相较于隔水管底端含气率法和泥浆池增量法的优势,探究了变梯度控压钻井井控过程中关键参数变化规律。结果表明:相比于隔水管底端含气率法,当分离器位于泥线以下时,环空出口流量的突增时间要早于隔水管底端见气时间,使用新方法可以更早的发现气侵。相比于泥浆池增量法,当气侵量较小时,使用新方法时所需的气侵识别时间和气体排出井筒时间要更短,可以更早地发现气侵并将侵入气体排出井筒。受截面含气率沿井筒分布情况的影响,井口回压达到最大值的时间要滞后于气体前沿到达井口的时间。在气体前沿到达分离器位置至气体后沿经过分离器位置的时间段内,泥浆池增量的增加速度较快。本论文针对基于井下分离的变梯度控压钻井新方法,开展了正常和气侵工况下的井筒压力预测模型与优化控制研究,研究成果对于推动变梯度控压钻井技术的发展,实现深水窄安全密度窗口地层安全高效钻井具有重要的工程意义。