天然气水合物是甲烷等烃类气体与水在低温、高压条件下形成的白色结晶状笼形化合物,1m3水合物在标况下可以分解为0.8m3水和164m3的甲烷气,俗称“可燃冰”。该资源主要分布在陆地冻土带和沿海大陆架300～3000m的深海区,其中约80.2%储存于埋深300m以内浅层区域,我国资源总量为80.1万亿方(其中南海64.2万亿方)。面对如此巨大的资源量,加快天然气水合物藏安全、高效开发对缓解能源供需矛盾、保障国家能源安全具有重要的战略意义。在海洋天然气水合层钻水平井过程中,水合物-岩屑颗粒在井底水平段内随钻井液一起从环空往上流动,由于在水平段内运动时温度和压力变化不大,所以水合物-岩屑颗粒在水平段内分解量很小。井眼净化不畅所造成钻具摩阻扭矩的增大严重制约着水平井眼的延伸能力,而由于水合物层井壁稳定性差和储层胶结性差的特点,可能会出现井眼扩径的现象,水平段内若发生井眼扩径后,在扩径段内发生岩屑堆积,形成岩屑床,最终将会使水平井延伸困难、井壁稳定性差、钻具摩阻扭矩增大等问题。为此,本文根据海洋天然气水合物层钻水平井开展了如下工作:一、建立了水平段岩屑滚动和跃移时钻井液临界返速模型;二、从水平段和垂直段进行出发,建立水平段和垂直段直角扩径、45°斜角扩径和圆弧扩径三种扩径方式实体模型;三、通过耦合仿真研究水平段三种扩径方式下携岩所需临界流速;四、通过仿真研究垂直段在该临界流速下流场流动变化规律;五、通过海洋天然气水合物钻水平井实验模拟水平段和垂直段携岩。结果表明:水平段三种扩径方式下圆弧扩径携岩最容易,45°斜角扩径次之,直角扩径携岩最难;在水平段和垂直段内随着水合物丰度的增加,携岩所需临界流速越小;随着机械钻速的增大,在扩径段内固相含量增大,液相含量减少。通过对水平段无扩径时携岩所需临界流速进行实验,实验结果最终与数值模拟进行耦合验证,其验证结果在误差允许范围内。最后通过海洋天然气水合物某水平井为例进行工艺参数优化,从优化结果来看,为现场实际钻水平井提供理论指导。研究所得到的钻水平井流场流动规律认识对于优化钻井施工参数以及降低钻井安全风险均有着积极意义。通过本文研究,为海洋天然气水合物层钻水平井进行高效开发奠定了理论基础,也为利用钻水平井技术开发海洋天然气水合物井下风险评价提供了依据,提高了在开发海洋天然气水合物条件下,钻水平井高效、安全发展。