欠平衡钻井和水平井钻井技术的结合是石油钻井工程的重要发展方向。本文旨在利用国内现有设备和测量仪器，提出一系列使用气基流体欠平衡钻水平井的注气技术，并对各种注气方式的流体参数设计方法进行了研究，设计参数包括钻井流体当量密度、气-液注入流量和钻井流体水力参数。论文的部分研究成果在钻井实践中得以实施和验证。主要研究成果总结如下： 欠平衡钻水平井的注气方式可分为钻柱注气和环空注气两种类型。分别详细研究了这两种注气技术的实现途径、适用范围和关键技术。对于钻柱注气技术，提出了利用常规随钻测量技术进行欠平衡钻水平井的工程方案。对于环空注气技术，研究了利用常规管具和测量仪器的两类环空注气技术，即：附加套管方式和两井连通方式。结合现场经验，设计出两种新型注气套管头，并绘制出环空注气点深度的设计图版。 钻井流体当量密度的设计前提是确定井底压力安全窗口，即井底负压的合理范围。根据岩石力学理论，分析了井壁失稳和储层应力敏感损害的力学机理。通过模拟实际有效应力的渗透率实验，推导出岩石渗透率与井底压力间的数学回归模型。从而建立了欠平衡钻井避免井壁坍塌和应力损害的最大负压模型。 基于气液两相流理论和国内外相关试验结果，总结出各种流型间相互转换的力学判别准则，并推导一套综合的欠平衡钻水平井井筒两相流稳态水力模型，包括气液两相管流稳态模型、气液两相流钻头水力模型、稳定泡沫稳态流动模型。最后，利用数值解法进行求解。在对井底安全压力窗口设计的基础上，提出了欠平衡钻井气一液流量组合窗口的设计新方法。该方法设计出的优化流量窗口图版可用来合理地配置地面设备和调整现场作业参数。 通过对两口试验井的实例研究，分别验证了两类欠平衡钻水平井注气方案的可行性。牛102井泡沫钻水平井段421m，平均钻速7.6m/hr，采用常规随钻测斜仪、旁通接头和同步下钻的轨迹测量方法。DNP02煤层气井由1水平主井(13分支井)和1直井组成，两井在储层段连通后形成环空注气通道，水平分支井段实施欠平衡钻井进尺约8019m。将两口试验井的水力参数设计值与商业软件(HIBS1.0)模拟结果和井底压力实测值进行对比，相对误差均小于7％，充分论证了本文研究成果的准确性和可靠性。