随着全球石油勘探开发战略重心逐渐向海洋转移,越来越多的钻井作业开始向深水进军。在深水环境中,由于海水密度较大,因此地层孔隙压力较大,而泥线以上为海水,泥线以下的地层压实程度较低,导致地层破裂压力低,而地层坍塌压力高。因此在深水钻井作业中普遍存在安全密度窗口窄的问题,且水越深,该问题越突出。双梯度钻井技术,即通过向隔水管底部注入低密度轻质介质,在环空中形成双梯度,在一定程度上解决了深水钻井密度窗口窄的问题。但随着海洋钻井作业水深越来越大,双梯度钻井技术也不能完全地解决深水钻井窄密度窗口问题。因此,需要研究适应窄密度窗口能力更强的多梯度钻井技术。多梯度钻井技术通过增加井下分离注入装置,能更精确地对井筒压力进行控制,可以使井筒压力更好地匹配地层窄密度窗口。基于已有设计,本文对多梯度钻井关键设备分离注入装置进行了优化设计,对其主要结构进行了改进,引入了导流管和文氏管的设计,提高了分离效率。通过数值模拟,对其分离效果进行分析,进而优化分离注入装置结构尺寸。为今后装置加工制造、室内试验奠定基础。结合井筒内钻井液循环压力剖面和地层压力窗口,确定井筒压力高于地层破裂压力的临界点,为科学地安放分离注入装置提供依据。建立多梯度钻井井筒温度压力计算模型,分析了多梯度钻井井筒温度和压力分布规律。本文所研究的分离注入装置、深水多梯度井钻井筒温度压力计算模型等对今后多梯度钻井技术的发展具有一定的积极意义。