页岩气作为重要的非常规天然气之一,储量丰富。页岩是典型的低渗透性沉积岩,其井壁稳定问题始终是国内外页岩气（油）勘探开发中的难点和热点,页岩气钻井过程中所钻遇75%以上的地层是页岩地层,而由它引起的井眼失稳问题超过90%。抑制页岩水化和封堵页岩纳米孔隙,是页岩气水平井能否稳定以及页岩气能否高效持续开采的基础。基于环保和经济成本压力,如果钻井液和页岩之间相互作用可以被最小化,水基钻井液比油基钻井液将更具应用前景,而使用水基钻井液同时不污染环境的最优措施为盐水基钻井液。因此盐溶液对页岩渗透率、膜效率和润湿性的影响规律需要明确。纳米颗粒可以封堵页岩裂缝和裂隙已经得到了学界和工业界的认可,然而,纳米颗粒在页岩孔隙中的运动规律尚未被认识。哪些参数可以提升纳米颗粒在微纳米尺度上的封堵效果也并不明确。因此,本文采用实验测试、微观观测、理论分析和数值模拟结合的方式,利用页岩压力传递实验仪等设备研究盐溶液在压差作用下对页岩物理-化学渗流性能以及表面性能的影响,评价工程实际条件下盐水基溶液对页岩渗透率、膜效率和润湿性的影响,为设计维持页岩气水平井井壁稳定性的盐水基钻井液提供基础。进一步地,提供一种数值模拟模型,编程重构颗粒在纳米孔隙中的力学模型,模拟颗粒粒径、浓度、速度、颗粒比、重力、旋转、密度、形状、粗糙度和孔道曲折度等因素对页岩孔隙封堵效率的影响,与理论推导结果及第三方实验结果对比验证模型可靠性。同时,结合扫描电子显微镜（SEM）观测颗粒封堵前后页岩微观变化,为纳米颗粒封堵页岩孔隙防止页岩水化提供实验和理论基础。全文共分为五个章节,具体结构如下。第一章:介绍页岩开发现状、页岩气水平井钻井、纳米颗粒堆积模拟等内容,引出研究目的和意义。总结页岩气水平井基本信息、矿物成分、钻遇地层所遇问题,同时掌握目前国内外页岩气水平井所应用的钻井液配方,为后期钻井液配方的研制提供依据和参考。第二章:现场采集重庆秀山、石柱和彭水页岩,分析页岩矿物组成成分及其形貌特征。依据实验筛选的纳米材料,进行纳米材料封堵实验,从压力传递过程及其微观结构分析等方面,研究纳米材料封堵页岩孔隙机理。同时研究不同温度下纳米材料的类型、存在状态、粒径大小和浓度等因素对盐水基钻井液性能的影响规律,了解盐水和纳米材料复配对于页岩井壁稳定性的影响。第三章:对不同浓度和不同类型的盐溶液（共5种类型×3种浓度）进行压力传递实验。然后对比不同盐溶液对龙马溪组页岩渗透率、膜效率和润湿性的影响规律,获得最优的维持页岩井壁稳定性的盐类及其浓度。第四章:模拟颗粒粒径、浓度、速度、颗粒比、重力、旋转、密度、形状、粗糙度、孔道曲折度等因素对页岩孔隙封堵效率的影响,同时与第三方实验结果对比验证模型可靠性。第五章:通过室内实验,提出由纳米材料、盐类、降滤失剂、润滑剂和增粘剂等组成的页岩气水平井盐水基钻井液的优化配方,使其在高温下流变性能和滤失性能保持稳定。同时,保证钻井液体系抑制页岩水化,通过高标准的环保性测试。通过上述研究工作,主要得到以下结论和认识:（1）对相同浓度的盐溶液阻滞龙马溪组页岩孔隙压力传递性能进行分类。5wt%盐溶液规律:HCOONa>KCl>NaCl>CaCl₂>HCOOK。10 wt%盐溶液规律:HCOONa>HCOOK>NaCl>KCl>CaCl₂。20 wt%盐溶液规律:HCOONa>KCl>HCOOK>NaCl>CaCl₂。（2）具有更好阻滞孔隙压力传递能力的五种盐溶液是20 wt%HCOONa,5 wt%HCOONa,20 wt%KCl,20 wt%HCOOK和5 wt%NaCl。HCOONa比其他盐类具有更好的阻滞压力传递性能。具有较高膜效率的前三种盐溶液是5 wt%NaCl（σ=0.014）,10 wt%KCl（σ=0.012）和20 wt%HCOONa（σ=0.01）或20 wt%NaCl（σ=0.01）。（3）龙马溪组页岩膜效率与NaCl,KCl和CaCl₂溶液的水活度呈正相关,而与HCOONa和HCOOK溶液的水活度呈负相关。NaCl,KCl,CaCl₂和HCOONa的膜效率和水活度曲线拟合度高（R²=0.6969-1）,更具参考价值。水溶液PTT后页岩接触角变小,相反,盐溶液PTT后页岩接触角比原始样品的接触角更大。此外,页岩在一定压力下,经过不同浓度相同类型盐溶液完全渗透后,接触角规律为5 wt%>10 wt%>20 wt%。（4）采用CFD和DEM方法在微观尺度上模拟颗粒悬浮液封堵页岩孔隙。纳米颗粒的运动规律和最终封堵效果可通过CFD后处理获得。粒子轨迹和封堵效率可通过离散粒子模型获得。由于颗粒为微纳米颗粒,其所受拖拽力与常规尺寸下所受拖拽力不同,为确保模拟结果合理性,编写UDF程序,整理球体拖拽力的实验数据及经验公式,修改标准拖拽曲线。同时,模拟结果（颗粒大小和浓度）通过理论公式推导验证和第三方实验验证,增加模型可信度和适用性。（5）颗粒大小和浓度是影响封堵效率的主要因素,在颗粒尺寸不超过出口尺寸条件下,当颗粒浓度为5 wt%时,颗粒尺寸增加33%和60%,颗粒堆积效果增加13%和23%。就颗粒浓度而言,与1 wt%颗粒浓度相比,11 wt%和5 wt%的颗粒浓度使封堵效率提高75%和50%。粒子速度、孔隙粗糙度和孔隙曲折度对封堵效果影响较大。然而,由于颗粒本身为微纳米尺寸,颗粒比、重力、旋转、密度、颗粒形状和颗粒粗糙度对封堵效率几乎没有影响。（6）结合盐溶液对页岩化学抑制的影响规律,以及纳米颗粒流动对页岩孔隙物理封堵的影响规律,提出了一套可用于页岩气水平井的盐水基钻井液体系。其具有良好的流变性能,表观粘度为46mPa·s,动应力维持在14Pa,动塑比在不同温度维持在0.43 Pa/mPa·s,滤失量存在一定的变化,常温滤失量为4mL,在120℃时滤失量达到最大值7.5mL,滤液pH值维持在7或8,基本不变。摩擦系数在室温条件下维持在0.2左右,波动范围较窄。对于需要良好润滑性能的页岩地层,可以添加5 wt%聚乙二醇（PEG）以将摩擦系数降低至0.13。水活度在0.889-0.897之间,体系具有良好的耐高温性能。（7）钻井液体系的最佳流变模型为赫-巴模型。膨胀量测试和滚动回收测试结果表明,钻井液体系具有优异的抑制页岩水化膨胀性能。同时,通过细菌生物毒性实验和重金属含量分析实验,结果表明盐水基钻井液体系具有环保特性。压力传递实验表明盐水基钻井液可增强页岩井壁稳定性。论文主要创新点如下:（1）系统探究了不同类型和不同浓度盐溶液对龙马溪组页岩渗流过程的影响规律,为配制维持页岩气水平井井壁稳定性的盐水基钻井液提供基础;（2）掌握盐溶液水活度与龙马溪组页岩膜效率之间的关系曲线,掌握页岩表面润湿性在盐溶液和压力下的变化规律。（3）建立了一种数值模拟模型,编程重构颗粒在纳米孔隙中流动中的力学模型,模拟颗粒粒径、浓度、速度、颗粒比、重力、旋转、密度、形状、粗糙度、孔道曲折度对页岩孔隙封堵效率的影响,同时与理论结果和第三方实验结果对比验证模型可靠性。为纳米颗粒封堵页岩孔隙防止页岩水化提供理论基础。