煤层气是非常规天然气,具有清洁、无污染的特性。我国的煤层气储量丰富,且煤层气在我国的能源结构改革中起着重要作用。由于煤储层具有机械强度低、空隙率低、易坍塌、易污染的特点,充气欠平衡钻进技术越来越多的被应用到煤层气的开采中,以提高煤层气的采收率。但是我国的煤层气开采技术还不很成熟,如欠平衡钻井过程中的最优注气量、注气压力等工艺参数的确定以及岩屑运移规律等还有待不断探索和研究。本文的研究对象是晋城沁水盆地的郑1-平3井,该井采用洞穴直井注气,为了对该井进行钻井工艺参数优化,本论文主要做了以下工作:(1)一维井筒模型的理论研究和计算:首先,假设固相均匀地分布在液相中;其次,在均匀流动模型的基础上,推导了带有偏心度的井筒压降计算公式、密度计算公式、气相体积分数和气相表观速度的计算公式;然后,在Excel中使用VBA编写程序,计算了不同注气量、注液量和钻柱偏心度下的井筒环空内的密度、压力、气体体积分数以及气相的表观速度;(2)实际井筒三维模型的CFD模拟以及钻柱内钻井液流动的CFD模拟:首先,分别建立了钻柱同心和钻柱偏心度为0.8时的井筒环空流动域模型,以及钻柱内钻井液流动域模型,划分网格后,导入CFX,井筒内多相流选用漂移模型、钻柱内钻井液选用一般的单相湍流模型,设置边界条件后,在不同的工况下使用CFX求解计算;然后,研究了井筒内的多相流流动特性(相分布、压力分布、密度分布、速度分布),并将其计算结果与一维模型的计算结果进行对比,指出了一维模型存在的不足以及CFD模拟的必要性;接着,研究了注气量、注液量对压力、密度的影响,研究了井筒内的岩屑运移规律,包括岩屑表观速度、岩屑浓度随注气量、注液量的变化规律;而后,进行了其他工艺参数的研究,包括注气压力、注液压力随着注气量、注液量和钻进速度的变化规律,以及钻柱偏心的影响;最后,得到了一组不同注液量下的,注气量、注气压力、注液压力的参数优化组合;(3)现场实验验证:将部分CFD模拟计算值与现场实验数据进行对比,在误差允许范围内,验证了CFD模拟的正确性。