碳酸盐岩油气开发在我国油气开采领域占据重要地位。然而碳酸盐岩非均质性强,裂缝溶洞发育,钻井过程中常出现重力置换气侵现象,与欠平衡气侵特征相似,难以及时准确识别,容易导致复杂钻井事故,对碳酸盐岩储层的高效开发造成了严重影响。控压钻井是减少碳酸盐岩储层井下复杂的有效方式,但气侵发生与井筒压力关系尚未明确,研究该问题对于减少井下复杂,提高钻井安全性具有重要意义。本文通过研究稳态条件下裂缝内气液流动情况,建立了碳酸盐岩裂缝-溶洞模型,计算得到临界裂缝高度值,当碳酸盐岩裂缝高度小于此值时,存在安全密度窗口,否则为重力置换窗口;对重力置换气侵影响因素进行了敏感性分析,研究表明提高钻井液粘度可有效抑制重力置换现象的发生。本文基于VOF和气液两相流动模型,建立了碳酸盐岩地层重力置换气侵和井筒气液两相流动模型,进行耦合求解。然后对重力置换气侵和欠平衡气侵进行了模拟对比,结果表明两种方式气侵发生时,井底压力均迅速上升然后逐渐下降,但重力置换气侵初始气侵量较大,井底压力变化剧烈,且气侵量受井底压力影响小,基本保持恒定;而欠平衡气侵量则随井底压力增大而减小。本文基于井底压力、泥浆池增量等参数,结合控压钻井工艺,建立了碳酸盐岩地层气侵判别准则,可及时发现气侵并判别气侵类型。基于井筒变质量流动模型,进行了两种方式气侵下的井控模拟,结果表明:常规控压钻井对抑制欠平衡气侵效果明显,但难以控制重力置换气侵;而泥浆帽钻井技术能够有效控制由重力置换气侵导致的复杂钻井情况。本文研究成果可为碳酸盐岩地层安全高效钻井提供理论指导。