井喷是钻井过程中最为严重的事故之一,处理不当极易造成严重的后果,及时有效的井控措施是避免危害和损失的重要保障。由于地质条件和现场工况的复杂性,常规压井方法难以应对钻头不在井底、井口失效、着火等复杂条件下的井喷。顶部压井法是在处理上述复杂条件下井喷过程中逐渐形成的一种有效的压井方法。然而,该方法在压井过程中的井筒流动机制尚未明确,压井参数的确定主要依靠经验,致使顶部压井法成功率低。因此,本文通过顶部压井实验与模拟,探究压井临界泵排量变化规律,揭示井筒多相流流型转化准则和气体运移机制,建立顶部压井法临界排量计算方法,并编制相关软件,最终得到了顶部压井成功临界泵排量,为现场顶部压井作业提供了重要的理论依据和技术支持。基于顶部压井工艺特点,自主设计建造了顶部压井法室内模拟实验平台,探究了气体喷出速度、压井液密度、钻杆下入深度等参数对顶部压井法压井水力参数的影响规律。实验结果表明,气体喷出速度增大,压井成功所需最小泵排量先增加后趋于稳定;压井液密度增加和钻杆下入深度增大,压井成功所需最小泵排量将逐渐降低。实验发现,顶部压井作业过程中,压井排量大于或等于最小泵排量时,井筒内依次出现四种气液两相逆流流型:环雾流、搅拌流、段塞流、泡状流。其中,泡状流出现后,实验井筒压力显著上升,气侵速率减小,井喷得到有效控制。随后,应用零净液流理论推导了段塞流-泡状流流型转化准则。同时,基于井筒气液两相流理论和地层渗流理论,采用FLUENT软件对顶部压井法的压井过程进行数值模拟。结果表明,顶部压井初期,压井液主要以液滴的形式下落。此外,应用数值模拟结果对已建立的泡状流段塞流流型转化准则进行了检验,检验结果表明已建立的流型转化模型误差在5%以内。考虑井筒和地层流动耦合,建立了最小压井排量的计算方法,开发了压井水力参数优化设计与计算软件。通过实验和现场数据验证,本文建立的顶部压井法水力参数设计方法计算误差在15%以内。