页岩气是一种以游离或吸附状态存在于页岩层或泥岩层中的非常规天然气,存在于几乎所有的盆地中,由于埋藏深度、含气饱和度等差异较大,分别具有不同的工业价值。受北美页岩气成功开发的影响,我国也正在采取有效措施,加快包括页岩气在内的非常规天然气资源勘探开发。页岩气高效开发的关键技术主要是水平井钻井技术和分段压裂改造技术,而井眼坍塌失稳是钻井工程中经常遇到的复杂问题之一,国内外对此开展了大量深入的研究,井眼稳定控制技术也取得了较大的进步,井壁失稳现象大为减少,但是,以不稳定的硬脆性页岩气储层作为目的层钻长段水平井,对钻井工程是一种全新的挑战,水平井钻井过程中的井壁失稳问题更加突出,容易导致卡钻、埋钻等井下复杂事故,严重时甚至导致井眼报废,造成巨大的经济损失,严重影响了钻井周期、钻井成本、完井固井质量和压裂施工效果,直接影响页岩气开发成效。可见,页岩气储层水平井井眼坍塌失稳是制约页岩气长水平段钻井的主要技术瓶颈,也是页岩气高效开发的关键科学问题之一。为此,亟需结合我国页岩气储层实际情况,针对页岩气储层水平井井眼坍塌失稳问题,开展水平井井眼坍塌失稳机理研究,进而指导现场合理工艺技术措施的制定,可为安全、优质、高效的水平井钻井提供基础理论支撑。通过本文的研究取得如下成果和认识:(1)开展了页岩气储层地质特征及微观失稳机理研究。分析了四川盆地CN-WY页岩气示范区地质特征,采用地质力学方法分析页岩露头、井下取样岩芯、成像测井资料,明确了页岩中发育的弱结构面类型、成因及其发育特征,揭示了宏观结构对井眼失稳的影响机制;测试了页岩矿物组成和理化性能,采用铸体薄片、电镜扫描、CT扫描技术等方法分析了页岩浸泡前后的微观结构特征,首次建立了基于CT扫描技术的页岩水化细观损伤特性定量评价方法,明确了页岩微观结构对井眼失稳的影响机制。(2)开展了页岩气储层岩石力学试验研究。基于页岩单轴抗压试验和常规三轴力学试验,明确了页岩的抗压强度、压缩变形、典型破坏模式、弹性模量及强度的各向异性特征;基于页岩直接剪切试验,明确了页岩的抗剪强度、剪切变形、剪切破坏模式及强度各向异性特性;为页岩各向异性描述方法、本构模型及强度准则的建立奠定了基础。(3)建立了页岩气储层井眼稳定力学评价新方法。针对硬脆性非水敏性页岩油基钴井液下的井眼稳定问题,基于Bradley井周应力分布弹性解,通过引入真三轴强度准则(Mogi-Coulomb、Hoek-Brown)和崩落宽度模型,建立了允许一定垮塌情况下的井眼稳定力学评价方法,并基于井眼稳定性分析对井眼轨迹进行了优化,还分析了5类典型断层机制下的井眼稳定性规律及最佳井眼轨迹。(4)建立了页岩气储层井周压力传递模型。分析了水在页岩中的传输机理,构建了层理发育页岩渗透、扩散各向异性特征描述方法,并基于非平衡热动力学理论建立了各向异性页岩井周压力传递模型;采用新型压力传递实验方案开展了各向异性页岩压力传递实验,基于压力传递实验和有限差分方法建立了实验数据反演分析方法,并得到了不同取样方向上页岩的离子扩散系数、水力扩散系数和膜效率系数,通过对比理论模型和实测数据,验证了压力传递模型的正确性。(5)建立了页岩气储层井眼稳定力学-化学耦合模型和评价方法。阐明了井眼稳定力学-化学耦合作用机制,梳理了横观各向同性页岩弹性参数表征方法,基于CT扫描实验和损伤力学理论拟合出了页岩水化损伤变量演化方程,并建立了横观各向同性页岩水化损伤本构模型,以此建立了页岩井周应力分布控制方程,采用复变函数理论和叠加原理求解得到了力学-化学耦合作用下的井周有效应力分布模型;采用单组弱面强度理论描述页岩各向异性强度特征,并引入了含多组弱面页岩的强度理论和计算方法,同时结合页岩强度参数的非线性弱化规律研究,建立了井眼稳定性判别准则;从而建立了力学-化学耦合模型的求解流程和方法,形成了页岩储层井眼稳定力学-化学耦合评价方法。(6)采用井眼稳定力学-化学耦合评价方法研究了页岩气储层水平井井眼失稳规律。分析了井周页岩地层失稳的3类典型模式,包括本体剪切破坏失稳、弱面剪切滑移破坏失稳和复合破坏失稳,通过与国内外典型的室内试验、矿场试验、井下成像测井资料对比,证实了本文分析结果的正确性;系统分析和研究了油基和水基钻井液钻井情况下的井周压力传递规律、井周应力分布规律、井周地层失稳区域分布、井眼稳定性及演化特征,从而揭示了页岩气储层水平井井眼坍塌失稳的机理,为指导现场合理工艺技术措施的制定提供了科学依据。(7)结合现场工程实际验证了井眼稳定力学评价方法和力学-化学耦合评价方法的合理性和准确性。通过四川盆地、塔里木盆地及鄂尔多斯盆地的4个实例井检验了井眼稳定力学评价方法的正确性,结果表明该方法中引入真三轴强度准则和崩落宽度模型后能够更好的符合现场实际情况;以四川盆地CN-WY示范区龙马溪组页岩气储层某水平井井眼坍塌失稳事故为例,证实了井眼稳定力学-化学耦合评价方法计算结果的正确性。本文研究成果深化了对页岩井眼坍塌失稳机理的认识,建立了井眼稳定力学评价方法和井眼稳定力学-化学耦合评价方法,为页岩气水平井钻井过程中制定合理技术措施维持井眼稳定提供了理论依据,推动了页岩水平井井眼稳定理论研究与应用的进步。