随着世界石油工业的发展,石油勘探开发的领域也逐步走向深海。我国南海海域蕴藏着丰富的油气资源,前景十分广阔。由于地质及海洋环境的特殊性,深水钻井面临着许多不同于陆地及浅海区钻井的钻井难题,钻井液密度窗口狭窄就是其中一个突出的问题。因此准确预测深水区地层三个压力剖面,正确设计安全钻井液密度窗口,确保井壁稳定,减少由井漏、井塌而引起的井下事故,对促进水深勘探开发有着重要意义。本文采用理论分析与室内实验相结合的研究方法。首先,在总结前人关于异常地层压力成因机制和泥页岩沉积压实机理的基础上,研制了泥页岩沉积模拟实验装置,实验模拟了蒙脱石粘土沉积压实过程和异常地层孔隙压力的形成过程,研究了泥质沉积物加载、卸载过程中波速与有效应力间的相互关系以及压实过程中孔隙度、密度的变化。在实验的基础上,修正了Bowers预测模型,并采用速度-密度交会图判断泥岩卸载。实验表明,新模型不仅可以预测泥岩欠压实引起的异常高压,还可以预测孔隙流体膨胀因素引起的异常地层压力。与传统方法相比,新方法考虑因素更全面,预测结果也更准确和科学。其次,从大位移井井壁稳定的岩石力学机理出发,分析了大位移井井壁围岩的应力状态,考虑海水液柱压力对地应力的影响,建立了海洋大位移井井壁稳定的各向同性线弹性力学模型,并根据Coulomb-Mohr强度准则和最大拉应力破裂准则给出了海洋常规钻井和双梯度钻井模式下大位移井井壁坍塌压力和破裂压力当量钻井液密度的计算式。最后,基于Visual Basic 6.0编程语言,编写了深水钻井安全钻井液密度窗口计算软件,利用该软件分析了不同钻井模式和地应力组合下,水深对地层三个压力剖面的影响规律以及井眼轨迹和地应力状态对深水大位移井井壁稳定性的影响。研究表明,深水大位移井井壁稳定性不仅与地层岩石强度特性、井壁围岩的应力状态有关,还受到井眼轨迹(井斜角、井斜方位角)、海水深度、地应力方位等因素的直接影响;深水海水重量会改变上覆岩层压力和水平地应力,进而影响地层破裂压力,使得地层破裂压力和地层孔隙压力之间的压力差变窄,而双梯度钻井井眼液柱压力能很好地匹配孔隙压力和破裂压力梯度窗口,可解决常规单梯度钻井模式在深水区钻井的困难,利用DGD可减少套管层次,优化井身结构。