井筒多相流流动规律研究是实现井筒压力精确控制的前提,是实现安全高效钻进的核心科学问题。超临界流体进入井筒环空后,随着温度压力的降低,超临界流体相态会发生改变,从而导致其热物理性质急剧变化,进而引起井筒液柱压力严重失衡,容易发生井涌、井喷事故,造成钻井设备的损坏、人员伤亡和环境污染。因此,亟需通过对超临界流体侵入井筒环空多相流动规律的研究,来精准获得超临界流体侵入后井筒环空压力分布状况,避免安全事故的再次发生。然而,目前关于超临界流体侵入井筒环空多相流方面的研究还不是很多,且部分研究的主要介质是单一的超临界二氧化碳,未能全面考虑实际天然气的复合组分,没能真实地反映井筒环空多相流动规律,存在一定局限。本文从超临界流体的特殊物理性质出发,采用理论研究、数值模拟以及室内实验相结合的手段对超临界流体侵入井筒环空多相流动规律展开研究。本文具体研究工作如下:(1)首先在分析纯组分超临界二氧化碳相态特征和热物理性质的基础上,对含二氧化碳天然气相态和物理特性进行了研究。然后在分析总结现有物理特性参数优缺点及适用情况基础上,优选出适合含二氧化碳天然气物性参数计算模型,最后用所选模型进行计算,得到含二氧化碳天然气偏差系数、密度和粘度等热物性参数随温度、压力的变化规律。(2)基于经典流体力学理论,建立了超临界流体侵入井筒环空后的流型转变判别公式、流体特性参数的计算公式。开展了超临界流体侵入井筒流动室内实验,模拟研究了超临界流体侵入后不同流型下摩阻压降的变化规律,同时也对所建模型进行了验证。结果表明:在相同流型下气液流量的增大,都会使井筒内的摩擦压降增加。本文所建模型计算结果与实验结果吻合较好,可以满足实际钻井施工的需要。(3)开展了超临界流体侵入井筒环空多相流对流传热室内实验,模拟研究了不同流型下的传热规律。结果表明:在相同流型下,气体或液体流量的增加都会使对流传热系数增大,但是不同流型下对流传热系数增加的幅度有明显差别。基于实验数据,建立新的对流传热系数计算模型,计算结果表明本文所建立的对流传热系数计算模型能够真实地反映不同流型下的对流传热特征。(4)考虑井筒环空与地层之间的传热传质基本原理,在热力学理论和流体力学理论基础上,建立了超临界流体侵入井筒环空温度场计算模型,并结合所选的超临界流体物理特性参数方程和已建立的对流传热系数模型对超临界流体侵入井筒环空温度场模型进行求解,并对超临界流体侵入井筒环空后的温度场分布规律及影响因素进行分析。结果表明:影响井筒环空温度的主要因素为气体侵入速度、地热梯度和循环时间,其中地热梯度对井筒温度的影响要大于其他因素,气体侵入速度、循环时间主要影响下井段环空温度分布。(5)基于质量守恒、动量守恒原理,考虑相变因素的影响,推导出了超临界流体侵入井筒环空后的连续性方程和动量方程,结合前文所建立的超临界流体侵入井筒环空温度场预测模型、超临界流体物理特性模型、钻井液物性参数计算方程、两相管流压降模型、相应的初始条件、边界条件,采用有限差分法对模型进行求解。通过计算得到了超临界流体侵入井筒环空后的多相流动规律。计算结果表明:二氧化碳含量越高,井底压力下降的就越慢,泥浆池增量就越小,井口附近气体体积分数就越大。钻井液密越大,井底压力下降的就越慢,泥浆池增量就越小,井口附近气体体积分数就越小。气侵速度越大,井底压力下降的越快,泥浆池增量就越大,井口附近气体体积分数就越大。论文以含二氧化碳天然气为研究对象,从超临界二氧化碳的特殊相态特征入手,分析含二氧化碳天然气的物理特性以及相变行为,并创新性的将超临界流体相变因素考虑到井筒环空多相流动规律的研究之中,推导了能够反映超临界流体侵入井筒环空多相流动规律的计算模型,以达到对超临界流体侵入环空后易造成井喷原因有更加清晰的认识目的。本论文的研究成果为酸性气田开发提供重要的理论基础,同时对丰富多相流研究内容、完善多相流理论具有十分重要的理论价值。