随着页岩气资源开发的持续进行,层理性地层的井壁稳定性问题日益突出,原有的基于各向同性假设的均质模型无法真实反映层理性地层的井壁稳定性问题。为揭示层状页岩井壁岩石垮塌失稳诱因,探索井壁垮塌主要控制因素,将层状页岩简化为横观各向同性材料,应用室内力学实验测试方法,采用龙马溪组井下岩心开展直接剪切和三轴实验。基于实验数据,通过考虑井下环境中页岩横观各向同性特征、力学强度各向异性,并考虑了层状地层各向异性的渗流特征,建立了层理性页岩井周应力分布模型,计算了地层井壁坍塌压力,结合实际钻井情况,分析了不同层理条件对井壁岩石垮塌失稳及井壁崩落的影响规律。主要研究工作有:(1)开展了岩石力学室内实验,实验结果表明,龙马溪页岩岩体平行层理极为发育,层理面间力学强度弱,沿层理走向的页岩剪切强度远低于垂直层理走向;页岩具有较强的力学参数各向异性,页岩的力学参数变化与取心方向密切相关,当取心方向与层理法向夹角β满足β=O0和β=900时,页岩力学强度较高,β=60°时,页岩力学强度较低。该研究成功解释了龙马溪组页岩水平钻井井壁岩石垮塌失稳的力学主控因素。(2)研究了层状地层的各向异性渗流特征,并揭示层理产状对水平井井周渗流应力的影响规律,综合分析了不考虑渗流,考虑渗流各向同性,渗流各向异性的井周渗流能力的分布规律。(3)研究了横观各向同性条件下,弹性参数、层理产状对水平井井周应力的影响规律,并研究了层状地层层理产状与水平井井周主应力的角度变化关系,建立了考虑最大主应力和中间主应力的水平井坍塌压力计算模型,揭示了最大主应力和中间主应力对坍塌压力的影响。结果表明,本文模型计算的坍塌压力随着井斜角先增加后减小,且与实际情况吻合。(4)分析了层状地层条件下考虑各向异性渗流的井壁失稳问题,基于此建立了考虑中间主应力的Mohr-Coulomb准则和弱面准则的井壁坍塌压力计算模型,研究了不同的弱面特征下,井壁坍塌压力的分布规律。发现:当同时考虑弱面和渗流时,坍塌压力高于只考虑一种因素时的坍塌压力。(5)基于井壁坍塌压力计算结果,建立了层状地层井壁崩落模型,研究了当井壁发生垮塌失稳时,不同层理条件下井壁失稳的方向及井壁崩落特征,发现了不同层理产状对井壁崩落形态的影响规律。本文研究成果为层理性地层水平钻井井身结构及工程参数优化设计奠定基础,具有较高的现场应用价值。