泥页岩地层中实施钻井技术经常遇到井壁失稳问题,严重制约着工程进度和质量。为探究井壁失稳的内在原因,寻找可行的解决方案,通过对沙河街组地层泥页岩进行一系列的研究分析,探讨了泥页岩井壁的失稳机理,总体可概括为:一,深层岩石往往处于复杂的应力环境之下,开挖扰动将会打破原有的应力平衡状态,使之进入一个更加复杂的应力状态;二,泥页岩虽然密实,但岩石内部发育着众多的微裂缝、微孔洞,降低岩石强度的同时,还为地下水的侵入提供了渗流通道,钻井液的浸泡,产生了弱化泥页岩强度的水化效应;三,开挖扰动产生较多的次生微裂缝、微孔洞加剧了泥页岩的水化效应。利用岩石力学、物理化学等理论以及有限元计算软件,采用理论分析和数值计算相结合的方法,系统地构建了泥页岩地层井壁坍塌周期多场耦合研究理论体系,为泥页岩地层的安全钻井以及钻井液的优选提供了科学依据。本文的研究思路概括为以下三点:一、分析了泥页岩的应变软化以及渗透性演化规律,建立了考虑泥页岩应变软化以及渗透性演化规律的数学模型,并且基于有限元软件ABAQUS,利用子程序接口USDFLD进行二次开发,实现模型的应变软化以及渗透性演化。将所建立的数学模型应用于钻井工程中,分析讨论应变软化以及渗透性演化对井壁稳定的影响,分析结果表明:应变软化效应对井壁破坏影响较大,而渗透性演化效应对井壁破坏影响较小,基本可以忽略,若同时考虑二者的耦合效应,其对井壁稳定的影响介于上述两种工况之间,更加符合现场条件。二、通过对硬脆性泥页岩理化性能、微观结构以及力学特性进行分析,解释了其失稳机理,在综合考虑钻井过程中岩石的实际卸载过程、强度弱化以及塑性变形之间相互耦合效应的基础上,建立起了泥页岩井眼渐进破坏耦合模型,并将所建立的模型应用于钻井工程当中,探讨是否考虑水化效应对井壁破坏的影响规律,从机理上提高了保持硬脆性泥页岩井壁稳定的认识,为钻井液的优选提供了参考依据。三、以W号构造为研究背景,通过数值模拟,分析了过平衡以及欠平衡钻井方式下的井壁稳定问题,分析结果表明:不同地层深度的岩石具有不同的力学性质,所呈现出的井眼破坏规律也不一样。讨论了欠平衡钻井方式下的参数敏感性问题,就参数敏感性而言,吸水扩散系数以及钻井液活度对于井壁破坏影响较大,膜效率的影响次之,而泥页岩渗透率的影响最小。对两种钻井方式下的井壁失稳内在原因进行了分析,提出了针对不同钻井方式下的井壁稳定对策,对钻井工程中泥页岩井壁稳定问题的研究提供了科学的依据。