随着石油天然气需求的增长及常规油气资源的衰竭,页岩气资源已经成为全球非常规油气资源勘探开发的新亮点。我国页岩气资源量巨大,具有广阔的勘探开发前景。但钻井完井过程中的井漏问题妨碍了页岩气资源勘探开发进程,并给储层保护、环境保护、钻井成本控制等带来了严重的负面影响。因此,研究页岩地层封堵带承压稳定机理对页岩气资源勘探开发具有十分重要的意义。论文以页岩地层钻井完井液漏失为研究对象,将岩体、岩石-封堵带接触面、封堵带三者看作一个封堵系统,通过分析三者对该系统结构稳定性的影响,明确封堵系统失稳破坏机理。首先,基于现场漏失资料分析了诱发页岩地层封堵系统失稳主控因素。其次,从岩体结构破坏角度出发,深入探索高pH值钻井完井液侵蚀页岩对封堵系统失稳破坏的影响机制。并针对封堵系统摩擦系数变化开展实验研究,为封堵系统模型构建提供基础参数。最后,以诱发封堵系统失稳破坏因素为基础,通过引入系统科学中的突变理论,构建了岩体裂封堵材料缝宽度预测模型、岩石-封堵带摩擦滑动模型、封堵系统失稳突变模型。并通过实验测试和典型案例分析,验证所建模型的可靠性。通过开展上述研究,取得了以下主要研究成果及认识：揭示了诱发页岩地层封堵系统失稳主控因素。从页岩地层工程地质特征入手,分析了油基钻井完井液漏失特征及封堵材料使用情况,并将诱发页岩地层封堵系统失稳主控因素分为物理因素和化学因素两大类。物理因素主要包括裂缝发育、裂缝面摩擦系数降低、堵漏材料“沉砂”效应和封堵带承压能力低,本文主要针对其中的裂缝面摩擦系数开展研究；化学因素主要为高pH值钻井完井液对页岩的侵蚀作用。结合现场资料,综合分析了这些因素对页岩地层封堵系统失稳的影响机制。明确了高pH值钻井完井液侵蚀页岩诱发封堵系统失稳机理。基于化学反应动力学原理测试了pH值为9-14、温度为40～90℃条件下的碱液侵蚀页岩反应动力学参数,并构建了对应的动力学模型。研究表明,反应速率与碱液浓度、温度二者均呈正相关关系,分别符合幂函数和指数函数关系。反应速率常数随温度增加呈指数函数增大趋势,反应级数随温度增大呈线性函数增大趋势；频率因子随碱液浓度增大呈幂函数增大趋势,活化能随碱液浓度增大呈对数函数增大趋势。页岩无机矿物与有机质均能与碱液发生反应,反应生成物组分以硅酸盐为主,其次为溶出的有机质,并含有少量的碳酸盐与氢氧化物。碱液侵蚀导致的岩体结构破坏会使得页岩地层裂缝宽度增大、裂缝面形态发生改变及岩石强度弱化,这些负面影响均会诱发页岩地层封堵系统失稳。明确了页岩地层封堵系统摩擦系数变化特征及影响因素。基于摩擦学理论,利用自行研制的摩擦系数实验仪器测试了不同润滑条件下的封堵材料与页岩、封堵材料间摩擦系数。结果表明,干燥条件下的封堵材料-页岩摩擦系数最大,流体润滑能降低其摩擦系数,其中,3%KCl盐水和pH=11碱液润滑时摩擦系数降低幅度较小,且降低幅度基本相同,而白油润滑时摩擦系数降低幅度最大。相同润滑条件下,封堵材料间摩擦系数与封堵材料-页岩摩擦系数变化特征相似。分析认为,表面粗糙度、界面润湿性、流体性质、法向压力、浸泡时间等均会对封堵系统摩擦系数产生影响。摩擦理论的引入为定量化表征封堵系统摩擦阻力提供了关键参数,也为采用系统科学解决封堵系统失稳问题奠定了理论基础。构建了页岩地层封堵系统承压失稳突变模型。将岩体、岩石-封堵带接触面、封堵带三者看作一个系统,通过考虑诱发封堵系统失稳物理因素和化学因素,并从系统破坏演化特征入手分析了封堵带失稳破坏模式及其演化特征。通过引入系统科学中的突变理论,分别构建了页岩地层钻井诱导和碱液侵蚀缝宽增量预测模型、封堵带变形本构模型,在此基础上,基于系统能量守恒原理构建了描述封堵系统失稳破坏尖点突变模型。结合封堵系统失稳充要条件,通过求解突变模型分叉集得到了封堵系统承压能力预测模型。基于封堵系统突变失稳模型,明确了岩石强度、碱液侵蚀、封堵系统摩擦系数、封堵带强度等参数对封堵系统承压失稳的影响机制。实验验证结果表明封堵系统承压失稳突变模型承压能力预测误差小于5%,另外,现场案例分析表明该模型预测封堵带承压能力具有良好的可靠性。研究成果不仅为解决页岩地层封堵系统失稳问题提供了理论依据,还可应用于致密砂岩、碳酸盐岩等裂缝性地层的钻井完井漏失防控。本文研究进一步丰富了钻井完井液漏失控制理论体系,为现场防漏堵漏工艺设计提供了基础参数,为封堵材料优选提供了理论依据,进一步提高了封堵系统承压能力预测精度。