油基钻井液稳定井壁效果突出,但因其成本高、钻屑处理困难和对环境影响大等缺点,现场应用受限。钻井过程中遇到的沉积岩绝大部分是以泥页岩为主,泥页岩具有低孔低渗易水化的特点,当水基钻井液与泥页岩接触后,在钻井压差、毛管力和化学势差等因素的共同作用下,钻井液会侵入到泥页岩地层中,使近井壁地带的孔隙压力和岩石的受力状态发生改变,由此引发泥页岩地层井壁失稳,从而导致井下复杂情况。在现有研究中,主要研究了单因素作用下的钻井液侵入地层规律及其对井壁稳定性的影响,鲜有考虑多因素综合作用下的钻井液侵入规律及水化-渗流耦合作用下的井壁失稳研究,未能完全揭示泥页岩地层的失稳规律。因此,开展多因素作用下的水基钻井液侵入泥页岩地层规律研究意义重大,能够为泥页岩地层的井壁失稳机理和制定泥页岩地层稳定工程技术对策提供理论依据。本文在国家自然科学基金面上项目(编号:51574202)的支持下,通过理论研究和数值分析开展了多因素综合影响下的泥页岩地层钻井液侵入规律及其对井壁稳定性的影响研究,完成的主要工作和取得的主要成果有:(1)根据泥页岩的形成过程,结合泥页岩的物理化学性质,明确了自由水进入泥页岩后发生膨胀的作用机理。(2)结合流体动力学原理,在低孔低渗泥页岩地层中,形成泥饼所需压差超过实际液柱压差,井壁泥饼不易形成;基于该假设,以渗流力学为基础,建立了泥页岩水层在压差和化学势作用及泥页岩油层在压差和毛管力作用下的钻井液侵入模型,分析结果表明:钻井液溶质浓度高于地层溶质浓度时,近井带地层溶质浓度随钻井时间的增大而增加,地层孔隙压力随径向距离的增大呈先减小后增大的变化趋势。(3)建立了考虑渗流和水化共同作用下的泥页岩地层井周应力预测理论模型,并采用隐式差分法对模型进行求解,得到了不同条件下的井周应力的变化规律,结果表明:考虑水化作用后近井壁地层径向应力增加,周向应力先降低后增加;随着钻井时间的增加,水化半径变大。(4)以Mohr-Coulomb准则为井壁垮塌失效判断依据,建立了考虑渗流和水化共同作用下的泥页岩井壁坍塌压力预测模型,模型分析结果表明:当同时考虑水化和渗流作用时,泥页岩井壁坍塌压力存在坍塌周期;当钻井时间较短且考虑水化时,井壁稳定性好;当钻井时间较长时,考虑水化作用坍塌压力高于不考虑水化时的坍塌压力。通过本文的理论研究,明确了泥页水层和油层的水基钻井液侵入规律及其对井壁稳定性的作用原理,研究成果能够为页岩油气的安全经济钻探提供理论依据。