我国南海深水低温高压环境、复杂地质条件、台风频发等,使得深水钻井井涌、井喷的预防和控制成为深水油气资源开采亟待解决的重大难题。针对深水钻井特点,从气侵的特征出发,揭示气体侵入井筒机理、气泡在井筒内生长与运移的动态发展机制,得到关井条件下的井筒压力预测方法,对预防和控制井涌、井喷具有重要意义。地层类型决定气体侵入井眼的方式。针对垂直裂缝性地层,提出了重力置换气侵平板型裂缝物理模型,揭示了重力置换气侵的基本原理,得到了重力置换气侵的压力窗口,建立了裂缝内气相和液相控制方程及求解方法,从裂缝内气液界面分布、气体压力分布、气相速度和液相速度分布三个角度揭示了重力置换气侵的规律,并分析了井底压力、裂缝尺寸、表面张力等因素对重力置换气侵的影响。针对渗透性地层,考虑扩散气侵和负压差气侵的协同作用,考虑气体在滤液区、内滤饼区和外滤饼区上的质量传递,建立了渗流-扩散机制下的综合气侵量计算模型及求解方法。引入“渗流-扩散比”因子,探讨了渗流-扩散机制下的气侵规律,只有当渗流-扩散比很小时,扩散气侵对井筒气侵总量的贡献才会比较明显;算例条件下,当渗流-扩散比小于1%左右时,扩散气侵的贡献大于渗流气侵。基于实验模拟方法研究了深水关井井筒中气泡生长和运移机制,结果表明:气泡生长过程中,相同条件下,随着压力增大,气泡脱离体积减小、脱离频率降低;气泡上升过程中,相同条件下,随着压力增大,气泡变形程度和变形周期减小、气泡由线性运动向螺旋运动的转化加快、气泡加速上升的时间减小,因此压力增大有利于气泡上升的稳定性;综合分析气泡在生长和上升过程中的力学特征,基于实验数据分析,提出了气泡的初始当量直径预测方法和基于曳力系数的上升速度关联式,为准确预测气体在深水井筒非牛顿流体中上升速度提供支撑。气泡在深水低温高压条件下会相变为水合物,形成被覆水合物膜气泡。通过实验模拟方法揭示了被覆水合物膜气泡的动力学行为。水合物膜在静止气泡表面上生长具有轴对称性,且会发生“缩泡效应”,而在上升气泡表面上生长呈非对称性;与相同条件的纯气泡相比,被覆水合物膜气泡在上升过程中摆动幅度、摆动频率及上升速度均降低;基于实验数据分析,提出了被覆水合物膜气泡的纵横比关联式,得到了被覆水合物膜气泡的膜生长厚度预测方法,建立了基于曳力系数的被覆水合物膜气泡上升速度关联式,解决了现有模型不能直接应用于被覆水合物膜气泡的问题。针对深水钻井关井工况,考虑气体膨胀性、钻井液压缩性、井筒弹性及钻井液滤失等因素,基于不同气侵类型的气侵量计算模型和考虑水合物相变的气体运移模型,建立了关井条件下负压差气侵和重力置换气侵井筒压力预测模型及求解方法,分析了地层压力、储层打开厚度、地层渗透率、滤饼渗透率等对井底压力变化规律的影响。在此基础上,揭示了深水关井井筒中气体的运移规律,发现水合物相变对气体上升速度具有明显的抑制作用,并得到了不同地层孔隙直径、不同钻井液密度和粘度下的深水钻井避台风期间安全作业周期图版,为深水开井作业安全设计提供指导。结果显示,地层孔隙直径越大、钻井液密度越大、粘度越小、井深越小,安全作业周期越小;现场施工人员可根据避台风时间,通过图版判断风暴阀处是否存在圈闭气体。