超临界二氧化碳因其独特的物理性质,在非常规油气资源方面展现了巨大的潜力,超临界二氧化碳钻井是高效开发非常规油气资源的一个手段,井壁稳定是超临界二氧化碳钻井技术发展的基础问题之一。本文以页岩为例,试验探索和模拟分析了超临界二氧化碳对井壁围岩的影响作用机制,系统研究了超临界二氧化碳钻井时的井壁稳定性、波动压力与水平延伸极限等关键问题。首先,实验分析了页岩在超临界二氧化碳浸泡条件下,温度、压力和时间等因素对岩石抗压强度、弹性模量和泊松比的变化。结果表明,相比于氮气,钻井液和清水介质,页岩受超临界二氧化碳浸泡后的力学性质变化幅度最大。这是因为低分子直径、低粘度和低表面张力的超临界二氧化碳更容易流入页岩内部,扩展微孔隙裂缝,降低粘土的胶结能力,对页岩造成破坏。基于试验研究结果,建立了岩石损伤模型,为超临界二氧化碳与井壁围岩的耦合求解奠定了基础。其次,依据超临界二氧化碳的可压缩性与传热传质作用,考虑超临界二氧化碳、连续管与井壁之间的交流换热,并计入受浸泡时间影响的井壁围岩力学变化等因素,获得了由超临界二氧化碳物性、岩石物性、弱面层理、钻井参数等多因素控制的热力耦合井壁稳定模型,进而分析了垂直井与水平井的井壁稳定性。研究发现,坍塌压力随着时间的增长逐渐增加至稳定值,略高于常规钻井,但是一直小于井筒压力,钻水平井时属于安全欠平衡钻井,说明超临界二氧化碳用于钻垂直井与水平井是可行的;进一步的研究,则表明页岩层理的存在对坍塌压力影响较大;随着方位角的增加,坍塌压力呈现周期性变化;适当的提高入口质量流量或者出口回压有利于保持井壁稳定。然后,基于井壁稳定模型与流体流动控制方程组,建立了超临界二氧化碳钻井的瞬态波动压力模型。以连续管钻井为例开展的研究表明,相比于开泵条件,在关泵条件下井底产生的波动压力更大,波动压力随着连续管起下钻的加速度或者速度的增大而增大;本文条件下,超临界二氧化碳钻井产生的最大抽汲压力只有清水钻井的70%左右,最大激动压力只有58%左右,因此,超临界二氧化碳钻井有利于采用更大的起下钻速度,提高钻井时效;当地面入口温度增大时,波动压力降低;当地面出口压力增大时,波动压力升高。最后,采用所建立的井壁稳定模型,研究了超临界二氧化碳钻水平井的延伸极限距离。分析结果显示,随着方位角的增加,延伸极限呈现周期性变化,选择合适的钻进方向有利于水平段的延长;超临界二氧化碳由于密度低、压耗低而拥有更强的极限延伸能力;入口质量流量或出口回压减小,极限距离增大;入口质量流量与出口回压过小时,井壁坍塌。本文系统研究了超临界二氧化碳与井壁围岩相互作用机制,研究结果丰富完善了超临界二氧化碳钻井的基础理论,为实践应用提供了理论依据。