随着对油气资源需求的不断增长,深海区域已成为全球油气资源的重要接替区,然而,深水钻井却存在安全密度窗口窄、压力控制难度大等诸多的问题和挑战。可控泥浆液面(Controlled Mud Level,简称CML)双梯度钻井技术通过控制隔水管内泥浆液面的深度,进而精确控制井筒压力。该方法结合了控压钻井和双梯度钻井的优点,可有效地解决深水钻井的压力控制难题。对于这项新的钻井技术,国外已开始应用,而国内的研究刚刚起步。有效的井筒压力控制是保证安全快速钻进的关键,而井筒流动规律是井筒压力预测与控制的基础。因此,有必要对CML双梯度钻井井筒流动规律和井控技术进行研究,保障深水CML双梯度钻井的顺利进行,为有效开发我国南海丰富的油气资源提供可靠的技术支持。井筒内温度场、压力场与泥浆密度、泥浆流变性能相互影响,本研究综合考虑了泥浆密度、流变性能与温度压力场的耦合,结合深水CML双梯度钻井的特殊工艺,建立了CML双梯度钻井井筒传热与流动耦合模型,分析了CML钻井井筒温度场和压力场分布规律。针对CML双梯度钻井过程中隔水管内泥浆液面连续变化的问题,基于气液两相漂移流动模型,建立了深水CML双梯度钻井井筒流体瞬态流动模型,确立了井筒与地层耦合流动边界条件。采用对流迎风分裂模型混合(AUSMV)格式对模型进行求解。针对一阶AUSMV格式易耗散且没有考虑温度的缺陷,结合经典保单调的MUSCL方法和两步Runge-Kutta方法,优选了Vanleer斜率限制器,获得了二阶精度的AUSMV格式,提高了该格式的多相间断捕捉能力和计算精度。模型中考虑了温度对密度和粘度的影响,改进了AUSMV格式,并给出了边界条件的数学处理方法,形成了一套适用于深水CML双梯度钻井液面连续变化的井筒多相流体瞬态流动计算模型以及求解方法。针对深水CML双梯度钻井系统未使用或钻杆阀失效情况下,停泵后发生U型管效应的问题,本文基于可形变控制体雷诺输运定理,建立了CML双梯度钻井U型管效应数学模型,并与试验数据进行了对比,证实了本模型的准确性。本模型可以模拟停泵后钻井液的流动状态和井底压力的变化规律。针对双梯度钻井停泵后不能及时监测溢漏的问题,给出了一种U型管效应过程中及时判断溢流和漏失的方法,有利于保障CML双梯度钻井作业的安全。本文结合井控理论与方法,探讨了常规井控方法在CML双梯度钻井中的适用性。针对目前井控方法的不足,根据CML双梯度钻井系统特殊的工艺特点和装备,给出了一套适用于CML双梯度钻井的井控新方法,可为CML双梯度钻井井控作业提供理论指导。通过本文研究,准确描述了CML双梯度钻井井筒多相流体流动规律,建立了一套适用于CML双梯度钻井的井控方法。研究结果对于CML双梯度钻井精确地控制井筒压力,实现在深水窄密度窗口中的安全钻进具有实际工程意义。