天然气水合物的不稳定物性和深水钻井作业安全窗口窄的技术难点使得水合物储层钻井作业的风险远远大于常规油气藏钻采过程。本文以预防深水钻井过程天然气水合物事故,提高钻井作业动态安全为目标,以南海陵水气田开发为背景,对天然气水合物风险演化机理,井筒环空水合物生成预测,气侵溢流预警等天然气水合物钻井安全热点问题,开展了以下四个方面的研究:(1)基于对水合物储层特性和深水钻井技术的广泛调研,采用事故树法分析水合物层钻井事故的原因事件及事件间的逻辑关系,通过事故演化关键节点将井壁失稳、固井失败、溢流、环空堵塞和井控失效五类事故致灾路径相连,构建了水合物层钻井多事故演化综合模型。(2)针对事故树法难以量化评估风险演化动态过程,引入变结构动态贝叶斯网络,基于事故演化模型及制定的映射规则,构建了井筒外水合物分解动态风险评估模型,预测钻进、循环、下套管和注水泥四个作业阶段井壁失稳和固井失败事故的概率分布变化趋势,实现了给定的观测证据下风险演化的更新和事故原因的推断。(3)为了预防水合物生成堵塞井筒环空,结合陵水工况建立了井筒环空水合物形成预测的数值模拟方法。应用PVTsim软件计算天然气水合物相平衡条件,结果输入OLGA软件预测多工况下井筒环空水合物生成情况。基于模拟结果计算表征水合物生成情况的过冷度密度,水合物生成井段长度、生成总量和生成峰值速率四个特征量,量化分析不同工况下井筒水合物生成风险水平,并分析气侵压力,钻井液温度、密度和排量四个钻井参数的敏感性。(4)提出了一种基于参数变化趋势模式识别的气侵溢流预警方法。该方法解决了深水钻井工况复杂,录井参数随钻井层位变化大而难以使用同一优化阈值报警的问题。案例分析中将该方法应用在南海乐东LD10-1井的四开钻井过程。结果表明该方法对渐进型事故具有良好的自适应性和时间延续性。通过改变模式提取过程的滤波参数,可以调整该预警方法的灵敏度。