随着钻探事业的不断发展,钻探技术也不断发展并获得了新的突破。但在钻探工程中,孔壁稳定性的研究是一个长期而又未得到根本性解决的问题,例如:破碎地层的孔壁坍塌,塑性流变岩层的钻孔缩径,高地应力区钻孔垮塌、地层涌水、漂石、漏失等。这些复杂因素还可能同时出现,这样就增加了钻探的难度,严重影响了孔壁稳定。目前研究钻井液对孔壁稳定的影响多为理论研究、实验室试验测试分析、新型钻井液研发,以及钻井液性能改进等。由于钻探工程的复杂性和隐蔽性,现场试验研究需耗费大量人力物力,且只能看到最终效果,不能直观、有效的对钻孔内各个因素进行测定和调整。为了直观和经济的研究在复杂情况下孔壁与钻井液相互作用的综合结果,需借助模拟试验装置。模拟试验装置是通过尽可能的模拟在钻进状态下孔内的各个量,借助计算机手段对模拟状态下试验量的发展变化进行研究。本文通过研究钻孔孔壁稳定因素和孔壁稳定实验室评价方法,分析了现有评价方法存在的不足之处,提出了通过模拟试验装置进行模拟试验从而完成孔壁稳定评价。通过对国内外钻探模拟试验装置的构成和工作原理,结合钻孔孔壁的受力特点,设计出了钻孔孔壁稳定模拟试验装置。该装置可以模拟一定大小的上覆压力、钻杆在孔内的回转运动状态、在不同间隙下钻井液在孔内的循环状态,钻井液液柱压力,以及不同组分的地层情况。通过对各个物理量的模拟,实现在钻井液循环状态下对模拟孔壁应力——应变发展的测试,为孔壁稳定评价提供模拟试验依据。文章从前到后的结构为:首先是孔壁不稳定的研究现状和国内外的模拟试验装置的研究现状,然后通过介绍钻孔孔壁稳定影响因素和实验室评价方法的研究,接着结合国内外钻探模拟试验装置对模拟装置进行整体设计,分述各个系统或部件的设计,最后完成装置的制作对其进行硬件和软件的调试。具体内容如下:第一章概述了孔壁不稳定带来的危害以及孔壁稳定的研究现状,介绍了其他模拟试验装置的研究现状和发展趋势。阐述了对于钻孔孔壁稳定模拟试验装置的研究内容、装置研制路线图和主要成果。第二章分析了孔壁稳定影响因素,介绍一些孔壁稳定实验室评价方法。通过将几种实验方法存在的不足进行分析,得出需借助模拟试验装置进行模拟试验的结论。第三章在研究了国内外模拟试验装置的基础上提出了钻孔孔壁稳定模拟试验装置设计目的、设计应遵循的总体原则、提出了设计思路并绘制了模拟试验装置的设计主体图。第四章介绍了钻孔孔壁稳定模拟试验装置各个系统的设计。测试模拟系统是集多种模拟因素于一体的一个测试模拟系统,实现模拟孔壁的测试、孔底流场可视化、环空流态可视化和钻杆在钻孔内旋转状态的模拟。通过测试模拟系统可将各个系统模拟状态或作用效果联系到模拟孔壁上,为整个装置的核心系统;介绍了上覆压力模拟系统工作原理,详细阐述了试验主筒的设计,包括形状设计,材料选择,及其校核;介绍了钻井液循环系统的液柱压力控制工艺流程、调速阀工作压力、流量计算和钻杆旋转连接器;对计算机数据采集系统的工作原理做了阐述,将三种信号测试分析系统做了对比优选。第五章对已研制成型的钻孔孔壁稳定模拟试验装置做了硬件调试和软件调试。硬件调试介绍了各个系统和部件的单独调试和联合调试,对存在问题的地方进行了改进。软件调试完成了整套测试装置的联通性,并完成了对土压力传感器的标定工作。本文在分析了孔壁稳定实验室评价方法的不足和研究国内外钻探模拟试验装置的基础上,完成了钻孔孔壁稳定模拟试验装置的设计、制作和组装。对装置硬件调试和软件调试,可以看出该试验装置能够进行整体的正常运行和模拟参数给定,已初步达到了设计要求。对于特定组分地层在钻井液等多种因素作用下孔壁应力——应变发展规律的研究,仍需进行进一步试验。