泥岩井壁失稳问题一直是钻井工程中的世界性难题。井壁泥岩是多物理场作用下的热力学开放体系。在钻井液作用下,井壁泥岩微观存在复杂的物理化学作用,会对泥岩的力学性质及井壁应力状态产生决定性的影响。国内外学者一直致力于研究建立两者之间的定量关系,已提出了多种化学-力学耦合理论模型。但由于钻井液与泥岩间相互作用的复杂性,已有的简单理论模型存在片面性,而多场耦合模型参数的确定存在困难,难以实际应用。围绕学术前沿,理论分析结合实验研究,揭示泥岩水化的动态过程及泥岩水化抑制剂作用机理,有助于深刻理解水化作用对井壁泥岩力学性质及应力状态的影响;探索建立多场耦合模型及综合分析泥岩井壁防塌机理,并实现理论模型参数求取及模型的实际应用,是一项复杂且意义重大的世界性难题。本论文研究取得的创新性研究成果如下:首先实验分析了泥岩水化抑制剂KCl、NH₄Cl及新型聚胺（PA）的水化抑制作用机理。研究表明,聚胺抑制蒙脱石水化的作用效果最突出,也可减少伊利石对水的吸附,但会增加高岭对水的吸附。基于以Helmholtz自由能平衡方程及热力学第一和第二定律为基础的化学-力学耦合模型,得到了物理-化学-力学-渗流多场耦合井壁稳定分析模型。借助模型分析证明,除了减少井壁泥岩强度的降低,抑制其正应力降低,也是水基钻井液协同防塌的重要机理。通过对理论模型进行分析,建立了泥岩多场模拟实验装置,测试了泥岩及钻井液封堵层内的流体渗流和溶质扩散规律,以及泥岩水化抑制剂试液中的泥岩膨胀规律。运用有限元软件Comsol Multiphysics,依据最小二乘准则,使用蒙特卡洛随机搜索方法,得到了泥岩及钻井液封堵层的流体渗流和溶质扩散模型参数,以及泥岩与水化抑制剂试液作用下的膨胀系数。结果表明,数值计算结果与实验结果吻合程度较高,验证了泥岩多场耦合模型及其参数测试方法的可靠性。基于建立的分析模型及关键参数测试方法,定量分析了在钻井液作用下井壁泥岩正应力的降低程度。分析结果表明,进行钻井液作用下的泥岩井壁稳定力学分析时,应同时考虑水化膨胀压力引起的正应力降低与钻井液封堵作用抑制正应力降低的协同效果。