天然气水合物早在1810年就被汉弗莱.戴维爵士所发现，但直到1934年其被证实在油气管道中形成并堵塞管路才引起科学界、工业界和政府的浓厚研究兴趣。近年来，随着科学技术的进步和研究的不断深入，水合物相关知识发生了爆炸式的增长，其研究领域已从最初的防止油气管道堵塞的流动保障扩展到能源资源潜力、钻井安全、地质灾害、碳循环与气候变化乃至外星球水合物等。而美国能源部国家能源技术实验室(NETL)在水合物持续快速形成技术所取得的突破，也使得水合物技术在储氢等能源气体储运、CO2温室气体捕获与地质埋藏、工业废气分离、储冷及海水淡化等方面都显示出了诱人的应用前景。作为储量巨大的非常规气藏，天然气水合物诱人的能源潜力更是被世界很多国家所重视，甚至将其勘探开发正式提上了议事日程，相关研究水平也已在某种程度上反应了一个国家的综合科技实力和可持续发展潜力。　　 由于自然界中天然气水合物主要存在于低温和高压条件下的海底陆架沉积物和极地永冻层下，因此勘探开发地质环境条件恶劣。特别是海域含水合物地层压实固结程度较差，当钻井钻遇到此类地层时，钻具摩擦生热、钻井液中盐分以及井内压力的变化等因素将导致地层中水合物发生分解.如果固态水合物起胶结或骨架支撑作用时，分解本身就会使井壁坍塌，此外分解产生的水、气增加了孔隙压力，使井周围岩有效应力降低，同时水还会导致地层含水量增加，使颗粒间的联系减弱，对井壁稳定也不利.因此，在含水合物地层钻进时井眼失稳是天然气水合物勘探开发钻井所面临的主要风险之一。　　 本论文正是基于上述背景选题，从影响井壁稳定的关键因素—水合物地层力学性质入手，选取钻井液作用下水合物地层井壁力学稳定性为分析对象，试图掌握水合物地层尤其是海洋含水合物地层井壁稳定的核心影响因素，从而为今后水合物地层钻井规程设计提供参考依据和节约勘探开发成本。由于当前实验条件有限，因而在阅读整理大量相关文献资料，分析并归纳了纯水合物及其沉积物力学特性的基础上，主要采用数值模拟方法对钻井过程中井壁稳定性进行了分析和评价。首先采用TOUGH+HYDRATE水合物藏模拟软件对钻井液作用下井周地层中水合物分解导致的地层物理特性变化进行了模拟研究，随后根据井周物性变化规律，在对模型简化和条件假设基础上，将TOUGH+HYDRATE模拟结果作为FLAC3D输入条件对钻井液作用下的水合物地层井壁稳定性进行初步分析和探讨。　　 全文共分6章，主要内容概括如下:　　 第一章:首先对天然气水合物基本知识，研究领域，研究现状进行了归纳介绍。随后重点对天然气水合物所具有的能源潜力和环境效应进行了阐述，通过对能源潜力研究中的勘探开发钻井归纳总结，提出了本文研究内容和研究和研究技术路线;　　 第二章:井壁稳定性研究的基础是地层力学特性的研究，与常规油气地层所不同的是水合物地层中有固态水合物的存在。而当水合物在沉积地层中起骨架支撑作用时，其自身力学特性就会对井壁稳定性起关键作用。因而首先对纯水合物力学性质进行了分析和归纳。从间接的弹性参数和直接的力学强度测试这两个方面分析了纯水合物力学性质及其与冰力学性质之间的异同和存在差异的主要原因。然后指出当前关于纯水合物力学性质研究中所存在的不足，结合当前科技发展水平提出了利用分子动力学模拟并结合改进的宏观实验和微观实验三位一体的思路来突破纯水合物力学研究困境;　　 第三章:在分析纯水合物力学特性的基础上，对含水合物沉积物的力学性质研究方法做了归纳介绍，主要包括实验和理论模拟计算两种。并对当前水合物沉积物力学性质的研究成果进行了归类对比，发现室内合成水合物和野外地层中水合物沉积物，以及冻土区水合物沉积物和海底水合物沉积物的力学性质都存在着差异。差异的原因在于水合物沉积物力学性质受诸多因素的影响，其中水合物饱和度对沉积物力学性质的影响较为特殊，存在一个临界饱和度值，由此为后续研究提出了一个创新研究点;　　 第四章:钻井过程中，钻井液与井壁地层直接接触，当钻井液与井壁地层存在温度和压力差值时，就有可能导致井周地层中水合物分解而改变地层原位水合物饱和度和含水/气量、渗透性等物性参数。利用劳伦斯伯克利国家实验室开发的TOUGH+HYDRATE软件对钻井液作用下井周地层物性动态变化过程进行了模拟研究，分析了钻井过程中钻井液温度、盐度、压力因素对水合物分解的影响。结果表明，过压钻井条件下，当钻井液温度高于原位地层水合物相平衡温度时，井周存在着钻井液的侵入和水合物分解及再形成的这些动态过程。井周水合物地层物性对钻井液作用的响应程度主要受钻井液温度、压力、盐度以及地层中本身水合物饱和度的影响。　　 第五章:利用FLAC3D软件结合TOUGH+HYDRATE模拟得出的钻井液作用下井周地层物性响应结果，对钻井液温度、盐度和压力引起水合物分解后近井壁处井壁稳定性进行了初步模拟研究。分析结果表明二次水合物形成对井壁稳定存在“双重作用”效果，水合物地层钻井过程中应科学设计钻井液体系和有关性能参数。此外，地层水合物饱和度越高，从能源开发潜力来说越适合开采，但从安全钻井的角度出发井壁失稳风险越高。　　 第六章:对论文研究所取得的初步结论进行了归纳总结，指出了研究过程中存在的不足和不妥之处，提出了今后应当加强的工作和继续研究的方向。