深水油气资源储量丰富,是我国油气勘探开发的重要接替区。但是,深水地层安全密度窗口窄,井筒压力控制难度大,导致钻井过程中易发生溢流、漏失、溢漏同存等井下复杂,给深水安全、高效钻井带来了挑战。深水变梯度控压钻井方法是近年来提出的一种针对上述钻井难题的新技术,能够很好地适应深水地层的窄安全密度窗口,具有广阔的应用前景。这种新技术利用旋流分离器实现钻柱内空心球的分离,从而在环空中形成多个压力梯度。因此,该技术的井筒流体流动规律和井筒压力控制方法与传统控压钻井技术有很大的不同,采用传统的井筒压力计算模型和控制方法在深水变梯度控压钻井中会产生较大的误差;此外,尽管深水变梯度控压钻井方法在原理上是可行的,但其可行性还缺乏室内实验或现场试验的验证。为此,本论文以深水变梯度控压钻井的井筒压力为主线开展了以下研究:一、基于深水钻井环空密度分段控制原理,建立了一套变梯度控压钻井室内物理模拟实验系统。分别开展了空心球滑移速率、旋流分离器分离效率和井筒压力变化实验研究,探究了钻井液物性参数、空心球性能参数和工程参数对空心球滑移速率、旋流分离器分离效率和井筒压力变化的影响规律。实验结果表明:在钻井液中合理选择直径较小的空心球,能够完全避免由空心球滑移所导致的钻井风险;旋流分离器可以对钻柱内的空心球进行有效分离,进而实现环空压力梯度的变化与控制,从而验证了变梯度控压钻井的可行性。二、基于钻井液和空心球的质量、动量和能量守恒方程,考虑了空心球由钻柱内进入环空时引起的传热与传质、钻井时旋流分离器和井底的移动边界动态变化等条件,建立了深水变梯度控压钻井单相流条件下的瞬态井筒温度压力耦合场模型。使用有限体积法和动态分层法对模型进行了求解,分析了深水变梯度控压钻井过程中的井筒热传递行为和井筒压力变化规律。结果表明:空心球降低了井筒流体与钻柱和地层之间的传热速率;变梯度控压钻井的井筒压力整体上近似呈“折线形”分布,能够更好地适应深水地层的窄安全密度窗口;将空心球浓度、旋流分离器位置和分离效率相结合,能够灵活地调整井筒内的压力分布。三、基于气泡界面传质理论,考虑变梯度参数引起的环空变质量流动、井筒多相流与钻柱和地层间的传热,建立了深水变梯度控压钻井气侵条件下的全瞬态非等温气液两相流新模型。利用该模型分析了深水变梯度控压钻井气侵过程中井筒内的热力学行为、相间传质速率和气液两相流动规律。结果表明:气侵过程中近井底环空温度逐渐升高,可以作为检测气侵的响应特征;流体流态、传热和气泡间作用对气液相间传质速率有显著的影响;变梯度参数、气液相间传质、系统传热不仅会改变自由气体积分数和溶解度剖面,而且能够影响气侵演变规律。四、基于井筒压力预测模型,以安全密度窗口和钻头预期寿命为约束条件,建立了深水变梯度控压钻井井筒压力关键控制参数动态优化模型。模型以每次调整控制参数后的单趟最大钻进深度和同一开次的最大钻进深度为优化目标,对旋流分离器位置、钻井液密度、空心球浓度和井口回压进行了优化设计。利用粒子群优化算法对优化模型进行了求解。结果表明:同一开次钻至最大井深时需要多次调整变梯度参数;钻头预期寿命对起下钻次数有较大的影响,变梯度参数和钻头设计应协调统一,尽可能避免起下钻浪费时间;变梯度控压钻井可以有效地简化井身结构。五、基于快速施加井口回压的策略建立了变梯度控压钻井气侵条件下的井筒压力动态控制方法,并利用多相流条件下的井筒温度压力耦合模型分析了动态控制过程中水力学参数的演变规律。结果表明:空心球转移引起的变质量流动和泥线处井眼直径的突变,导致气侵处理过程中井口回压的变化较复杂。此外,基于无迹卡尔曼滤波理论和简化漂移流模型,建立了气侵过程中地层参数的反演方法。计算结果表明:利用气侵过程中测量的出入口流量差和井口回压数据能够对地层压力和气侵参数进行准确反演,可为气侵条件下井筒压力动态控制中准确确定井口回压提供参考依据。本论文以深水变梯度控压钻井的实验验证为前提、以单相和多相流条件下的井筒压力预测为基础、以正常和气侵工况下井筒压力的控制为目标,研究了深水变梯度控压钻井井筒压力分布规律和控制方法,对使用该方法来解决深水地层窄安全密度窗口的钻井难题具有重要的理论和工程意义。