孔壁失稳问题是地质钻探中长期存在的世界难题,其中最突出的就是关于泥页岩的孔壁稳定性问题。泥页岩物理特性复杂,钻探过程中约有86%的孔壁失稳问题发生于泥页岩地层中。钻开地层之后,泥浆和泥页岩接触后发生力-化耦合作用,导致岩石强度降低,造成孔壁坍塌或缩径。国内外学者长期围绕大口径石油钻井井壁稳定性研究,从力学、化学、力-化耦合等方面建立了诸多孔壁稳定性模型,取得了丰富的研究成果。但是,针对于地质勘探中小口径钻孔的泥页岩孔壁问题相关研究却很少。因此,本文在总结前人的研究成果基础上,针对小口径钻孔的泥页岩孔壁稳定问题,通过大量室内实验研究,构建数学模型和数值模拟等方法,综合研究了影响小口径钻孔泥页岩孔壁稳定的力-化耦合因素。该论文的研究工作及主要结论如下:(1)以罗平煤系泥页岩作为基本研究对象,通过X-衍射、SEM电镜扫描方法,分析了煤系泥页岩微观组构特征,研究了泥页岩水化作用特点。X-衍射实验表明:罗平煤系泥页岩中粘土矿物总量超过50%,其中伊蒙混层又占较大比例,粘土矿物中的蒙脱石是造成泥页岩吸水膨胀的微观原因,而含量较高的伊蒙混层因为离子键强键较少,非均质水化,岩石膨胀程度不均匀,降低了泥页岩整体的结构强度。通过SEM电镜扫描观察到岩样表面有较多微裂缝和微孔,裂缝间有胶质破坏胶结不完整现象。充填片状伊利石和褶皱片状蒙脱石间层,局部孔隙较发育,孔隙中存在易溶残余物。岩样中细粒粘土与片状粘土混杂,成鳞片状或带状分布特征。这种结构特征增大了粘土颗粒与水之间真正接触相互作用的有效面,扩大岩石水化面积,水化作用削弱了泥页岩分子之间的氢键和范德华力,并润滑了裂缝,进一步降低了岩体强度。(2)根据泥页岩浸泡和泥页岩力学实验,探索了泥页岩强度受水化影响的时效规律。浸泡后可见岩心表观出现裂缝,液体沿裂缝侵入泥页岩,在毛细管力的作用下深入裂缝,削弱了岩体分子力,同时对裂缝产生润滑作用,引起岩体内聚力和内摩擦力的降低。浸泡液对泥页岩裂缝弱面的胶质溶蚀和冲刷,贯通了内部微裂缝和主裂缝,液体的侵入使得孔壁结构弱面的围岩强度降低,造成钻孔中的孔壁垮塌。单轴抗压实验中含裂缝的泥页岩容易沿着其中一组最不利的裂缝发生破坏,较少发生整体式劈裂或剪切破坏。岩心存在多组裂缝时,由贯通程度大的一组裂缝控制岩心的破坏模式。随着浸泡时间的延长,岩石抗压强度、弹性模量都相继降低,岩石抗压强度受浸泡时间影响尤为明显。(3)研究了力-化耦合孔壁稳定计算模型,给出了模型参数的实验方法,并基于此设计出了适用于泥页岩孔壁稳定的泥浆体系:1.针对该区较完整地层设计的一种具有广谱特点和一定防塌效果的聚丙烯胺体系;2.提高泥浆对地层的物理封堵性,通过物理填充,封堵孔壁缝隙,最大限度阻止泥浆渗入的聚磺体系;3.基于力-化耦合理论为指导思想的复杂地层钾石灰防塌泥浆体系。(4)根据力-化耦合理论设计了一套关于泥页岩孔壁稳定性泥浆的室内评价方法。包括力-化耦合强度试验,岩样回收率试验,抑制膨胀性试验等防塌评价以及测试其实验密度(ρ)、漏斗粘度(FV)、塑性粘度(PV)、初切力(G1)、终切力(G10)、动切力(YP)、失水量(FL)、滤饼(K)、酸碱度(pH)等泥浆常规性能。实验证明了在力-化耦合防塌思想的指导下设计的泥浆体系能够有效达到防塌所需要的性能参数。(5)通过FLAC3D软件对力-化耦合作用下的泥页岩孔壁稳定性评价进行数值模拟。结果表明:模型中运用在力-化耦合防塌思想的指导下设计的泥浆体系参数能够起到有效的稳定孔壁的作用。(6)基于力-化耦合理论的泥页岩孔壁稳定性评价方法所配制的泥浆体系应用到罗平某矿区地质钻探中,取得了良好的生产效果。年总进尺达到9000m,最大孔深1200m。1#聚丙烯胺泥浆体系具有成本低、工艺简单等特点,更适用于在稳定地层钻进时使用;2#聚磺泥浆体系主要具有物理封堵孔壁微裂缝或节理作用,适用于因微裂隙发育但水敏性不强的坍塌地层;3#钾石灰泥浆体系降低了泥浆和泥页岩地层孔隙流体之间水力势差、化学势和电势差,改善了泥页岩与地层流体相互作用,保护了孔壁的稳定。