空气钻井作为欠平衡钻井技术的重要分支,该技术以气体为循环介质,其循环系统的压力分布、钻井参数的优化设计及井筒流体流动特性等都与传统钻井方式有着很大的区别,目前尚缺乏系统的理论保障和实验研究。鉴于此,本文以理论研究和实验验证相结合的方法,对空气钻井流体力学参数设计和计算进行了研究,以期对空气钻井的进一步发展及应用提供一定的技术支持。论文在分析空气钻井技术原理的前提下,基于Angel混合流体理论,建立了垂直段、弯曲段和稳斜段三段井筒压力计算模型,并对空气钻井环空及钻柱内的压力、气相密度及流速分布特征进行了分析。根据颗粒沉降末速公式和基于颗粒位置随机性的床面颗粒起动临界返速公式分别建立了垂直井段和水平井段内的最小气量标准。以相似理论和单位压降转换法研制了多功能环空携岩设备,利用不同粒径范围的沙样进行了水平环空空气携岩实验研究,观测岩屑床运移与破坏模式,记录并计算得到相应的环空临界返速,并与理论预测值进行了对比,二者吻合较好。最后,利用Visual Basic程序语言编制了空气钻井流体力学参数设计软件,并进行了算例分析。研究结果在很大程度上完善了空气钻井基础理论,对于促进空气钻井技术的拓展应用提供了一定的理论支撑和技术支持。