近年来,全球能源供求危机日益增大,作为一种重要的新型油气藏,页岩气和致密油等非常规油气资源的开发越来越引起人们的关注。为了有效开发非常规油气藏,需要在泥页岩地层中长水平钻进,易发生坍塌、掉块等井壁失稳问题,严重制约着工程进度和质量,因此,有必要开展泥页岩地层井壁坍塌周期数值模拟研究,对钻井液体系和密度进行优化,确定泥页岩地层坍塌周期,防止井壁失稳。本研究以泥页岩地层钻探为工程背景,采用理论分析和数值计算相结合的方法,利用岩石力学、渗流力学、热力学、物理化学等理论,建立考虑地质力学因素、钻井液化学因素、钻井液温度因素和岩石强度弱化因素的泥页岩地层井壁坍塌周期非等温多场耦合数学模型,并探讨其数值求解方法及软件开发;利用该软件系统的研究了钻井过程中泥页岩地层的物理、化学响应,揭示了泥页岩地层井壁坍塌周期影响因素间相互作用的内在机理,构建了完整的泥页岩地层井壁坍塌周期多场耦合数值模拟研究理论体系,为泥页岩地层安全钻井和优化设计提供科学依据。首先,本文基于自由能平衡原理及热力学第一、第二定律和唯象方程,推导建立了泥页岩地层等温非平衡热力学渗流模型,全面分析了力化耦合作用下的地层孔隙流体和溶质的运移规律。分析结果表明,钻井液侵入导致的溶质扩散显著影响地层孔隙压力的分布,溶质扩散速度越慢、膜效率越大、孔隙度越小、解离系数越多,地层孔隙流体产生的化学势差越大,地层孔隙压力变化幅度越大。其次,在等温非平衡热力学渗流模型基础上,考虑了温度效应,推导建立了泥页岩地层力化热多场耦合渗流模型;利用该模型系统分析了不同温差条件下的地层孔隙压力分布规律及其影响因素的敏感性,其中钻井液同地层之间的温度差、地层的热扩散率和流体的热渗透系数对地层孔隙压力分布具有较大影响,钻井液的温度越高、地层热扩散率越小、地层流体的热渗透系数越大,地层孔隙压力增长越大。再次,在等温非平衡热力学渗流模型和多孔弹性流固耦合模型基础上,综合考虑钻井液与地层间热交换、岩石骨架变形、地层含水量扩散、地层强度性质变化等因素,建立了泥页岩地层井壁坍塌周期多场耦合数学模型;该数学模型由描述各物理过程的子模型组成,其中渗流模型含有体现温度和化学势影响的项,变形场模型含有渗流和温度影响的项,同时强度参数模型又受到温度、化学和孔隙压力的共同作用,这些都体现了泥页岩地层井壁坍塌周期问题受到多因素耦合作用影响。之后,对泥页岩地层井壁坍塌周期数学模型进行有限元求解方法研究,在空间域上利用伽辽金方法对数学模型进行有限元离散,在时间域上进行全隐式差分离散,得到控制方程有限元求解的弱积分形式;在此基础上,利用FEPG有限元软件开发平台自主开发了泥页岩地层井壁坍塌周期分析数值模拟软件,并进行了模块验证和零平衡校验,精度可靠。最后,利用本研究开发的软件对泥页岩地层井壁坍塌周期影响因素进行了数值模拟研究,结果表明:钻井液温度、活度和密度对泥页岩地层井壁坍塌周期有显著影响,钻井液温度越高,井壁坍塌越严重,井壁坍塌周期越短;钻井液的活度越高,井壁坍塌周期越短;钻井液密度越大,井壁越稳定,井壁坍塌周期越长。同时,利用该软件开展了现场应用:使用细分散聚合物钻井液体系和复合盐钻井液体系打水平段时,钻井液密度1.2gc/cm3、井眼扩大率控制在14%,井眼坍塌周期分别为2.5天和8天;而使用油基钻井液体系打水平段时,钻井液密度1.2g/cm3,10天井眼扩大率仅为9%,坍塌周期在10天以上,使用油基钻井液体系效果最好。