井壁失稳是指钻、究井过程中发生的井壁坍塌、井径变化、地层破裂等各种问题,其作为常遇到的井内复杂情况之一,严重影响地质资料的录取,钻井的速度、质量和成本,而且还会污染储层,从而影响试油和油气开发；部分新探区因井壁不稳定而无法钻达目的层,延误油气资源勘探和开发的速度,这均会造成很大的经济损失。据保守估计,井壁失稳每年约给全球石油行业带来高达10亿美元的损失,处理事故的时间约占钻井时间的5%-6%。此外,井壁失稳引起和诱发的各种井内事故还有可能造成现场人员伤亡。钻井过程中所遇到的地层,如砂质或粉砂质泥岩、砂岩、泥质砂岩或粉砂岩、砾岩、煤岩、碳酸盐岩、泥页岩等均可能发生井壁不稳定,但由于钻井过程中所钻遇地层近75%均为泥页岩,且其引起的井壁失稳的概率超过90%。因此,目前对井壁稳定性问题的研究主要围绕泥页岩井壁失稳进行展开,其研究进展有助于保持泥页岩井壁稳定、保护油气层、缩短建井周期并减少钻井成本、提高我国钻井技术的核心竞争力。本论文的目的是通过模拟钻井液在井内的实际工况,评价其对泥页岩井壁稳定性的影响,从而为钻井过程中井壁稳定做出一定贡献。通过分析可知在钻进过程中钻头完成碎岩作用后通过钻井液循环作用将岩屑携带至地面,同时钻井液会对井壁形成一定的冲刷作用,该作用随着环空返速的增大而加剧。对于一些易水化、成岩强度低、胶结性差的地层,会在冲刷过程中大量吸水膨胀而造成井径缩小；若为了及时冲刷掉缩径的岩石,使井径不小于钻头直径以防止缩径卡钻,可采用提高环空返速的办法,但是一旦该状态下的钻井液对井壁的冲刷力超过了钻井液浸泡后的岩石强度,则会造成井壁坍塌。此外对于泥页岩井壁而言,当其接触到性质与孔隙流体不同的钻井液后,还会与之发生一系列的物化作用,从而改变泥页岩的强度和应力状态,影响泥页岩的稳定性。该过程主要分为两个阶段：(1)钻井液滤液在水力压差和化学势差下发生扩散作用进入泥页岩中；(2)滤液进入到泥页岩后与其中的粘土矿物发生各种物化作用。其中,水力压差产生于井内液柱压力和地层孔隙压力间的压力差,化学势差则源于钻井液与孔隙水间存在的离子浓度差。为评价钻井液对泥页岩井壁失稳的影响,可利用获取的泥页岩的组分和理化性能资料压制人工井壁,继而模拟井内压力、温度和钻井液的动态循环状态,以真实地形成钻井液对井壁的冲刷损害。同时将具有相同矿物组分和理化性能的岩心置于井内压力、温度条件下,分别在岩心两端建立不同的水力压力和离子浓度,从而模拟水力压差和化学势差,评价钻井液滤液在扩散过程中对井壁失稳的影响。根据这一分析和国内泥页岩井壁稳定室内评价装置的发展现状,本论文结合泥页岩本身的组分特征和理化性能,利用超声波成像技术、水力压力传递与化学渗透作用机理,研制了高温高压泥页岩井壁稳定评价装置,并制订了相应的评价方法,为评价泥页岩井壁稳定性提供了一种新方法。该评价装置包括人工井壁模拟装置、高温高压三轴压力室、温度、压力和围压控制系统、钻井液动态循环系统以及数据采集与处理系统。利用该实验装置可实现以下功能：(1)模拟井内温度、压力和钻井液动态循环状态,以更真实地还原井内环境；(2)具有模拟人工井壁受钻井液冲刷损害、并进行数据记录、井壁成像、人工井壁滤失速率测试的功能；(3)根据压力传递和化学渗透实验模型,可定量测定泥页岩低渗透率和泥页岩膜效率的实验功能；(4)采用的数据采集和操作系统可实现数据记录、实时显示、存盘、回放等功能,能实时记录人工井壁模拟成像,具备根据实验数据计算泥页岩化学渗透压、膜效率和渗透率等的功能；(5)可综合评价各种入井流体(如钻井液、完井液)对井壁稳定性的影响,为其优选提供指导依据,以保持井壁稳定性。利用高温高压泥页岩井壁稳定评价装置完成了人工井壁冲刷实验、水力压力传递实验和化学渗透实验,实验结果证明该装置和实验方案还有待改进。评价装置的改进点主要包括减小人工井壁厚度、实现超声波测距的自动化、改善精密平流泵恒压功能的稳定性、完善软件的可操作性等方面；实验方案的改进点主要指增加单因素实验,通过实验结果分析井内环境、岩心组成、钻井液滤液组成、钻井液返速等因素对井壁稳定性的影响。通过压力传递实验证明,水力压差和钻井液与地层水之间的化学势差是流体侵入井壁地层的驱动力,要控制泥页岩压力传递和阻止钻井液滤液进入晶层,需增加钻井液的抑制、封堵、成膜等作用,从而达到保持泥页岩井壁稳定性的目的。此外,根据水力压力传递作用测定泥页岩渗透率的原理,该评价装置还可用于测定特低和超低渗岩心的渗透率,并通过水力压力传递时间的长短评价入井流体对岩心渗透率的影响,钻井液处理剂的封堵效果等。因此,该评价装置不仅可从多方面考虑了钻井液对井壁失稳的影响,还可用于评价钻井液处理剂的性能,测定低渗、特低渗岩心的渗透率,评价入井流体对储层的伤害,具有相当广阔的应用前景。