随着我国对油气资源需求的持续高涨,石油勘探与开发不断向深部复杂地区发展,窄密度窗口地层安全钻井问题也越来越突出,特别是在起下钻施工作业中,一旦井底压力超出设计的安全范围,极易出现油气侵入、井喷井漏、H2S泄漏等复杂事故。控压钻井作为一种改进的钻井工艺,在起下钻作业中,可以较为精确的控制整个井筒环空压力剖面,使井底压力保持在一定的安全范围内,有效避免地层流体侵入井筒,减少井涌和井漏的发生。目前国外控制压力钻井技术已经趋于成熟,得到了广泛的应用,而国内多是引进国外的技术,起步较晚,还处于发展阶段,尤其是控压钻井起下钻所应用的压力监测系统和控制技术还不成熟,仍有较大的局限性。因此,本文基于控压钻井安全起下钻工艺技术及现场配套装备的研究,设计开发了一套控压钻井安全起下钻压力监测系统;基于配套回压控制装备的研究,建立了井口回压控制模型,并针对该模型研究设计了一种自适应能力强的回压控制算法。本文取得了如下研究成果:1.设计与开发了一套适用于窄密度窗口高压地层的控制压力钻井安全起下钻压力实时监测系统,实现了实时数据的采集,井底压力、井口回压和波动压力的实时监测以及起钻溢流事故的实时报警,有效地保证了起下钻施工的安全性;2.通过对井筒压力剖面控制原则和井筒流动水力学模型的研究,确定了井底压力监测参数,根据所选监测参数,提出了起下钻井底压力监测方法,同时分析出井口回压为最易实时有效控制井底压力的控制参数;3.基于控压钻井起下钻工艺,确定了起钻溢流监测模型,并结合流体热膨胀效应原理,对起钻溢流监测模型进行了修正,提高了起钻溢流监测精度;4.基于现场配套仪表的选型,完成了配套数据采集系统的设计与开发,为起下钻压力实时监测系统提供数据支持;5.结合已确定的起下钻压力监测方法和溢流监测模型,完成了对控压钻井安全起下钻压力监测系统的总体架构设计及软件系统的开发,通过对现场两口井的应用测试表明:系统运行稳定,溢流监测结果准确,能够达到现场应用的需求,具有较好的现场应用前景;6.通过对现场装备配套的研究,建立了井口回压控制模型,并针对该模型设计了模糊免疫PID自适应控制算法,形成了回压控制系统,通过MATLAB/Simulink软件对控制系统进行的仿真研究与对比分析结果表明,采用模糊免疫PID控制算法,在节流阀数学模型参数变化情况下,动态响应快、无超调、无静差,有很强的自适应性,满足控压钻井安全起下钻井口回压控制要求。现场应用表明,本文设计开发的控压钻井安全起下钻压力监测系统能够实时准确的对井底压力、起钻溢流进行监测报警,有效地减小或避免井下复杂事故的发生,提高控压钻井起下钻施工作业的安全性,具有实用推广价值。本文设计的井口回压控制系统能够实现回压的实时精确控制,且自适应能力强,对我国控压钻井压力控制精细化具有重要的指导意义。