我国页岩气的探明量及产量逐年增长,但采收率仍较低,且明显低于北美。突破页岩气开发中的水平钻井及水力压裂技术核心,确保页岩气井井壁稳定,增强页岩储层渗透性,实现页岩气产量的稳步提升,是优化我国能源结构及缓解能源供需矛盾亟待解决的关键课题。钻井及水力压裂过程中,井壁围岩受到钻井液的长时间浸泡,且钻井液的反复抽排过程中,井壁围岩将经受循环加卸载作用,页岩的物性参数、力学特征及渗透特性呈现非线性变化,严重影响着页岩气开发中的井壁稳定性及后续的压裂效果。以储层页岩为研究对象,分析页岩的物性特征,进行不同时间的浸水处理,通过页岩三轴力学试验、循环加卸载渗流试验分析不同水化时间的页岩力学弱化特征及其渗透特性,进一步基于案例研究揭示了水化页岩的水力学演化机制。论文的主要研究如下:(1)对现场采集的龙马溪组页岩进行物性特征分析,基于XRD衍射图谱获得脆性矿物及粘性矿物的含量。开展不同水化天数的层理页岩力学试验研究,分析不同应力下的页岩力学特性,其结果表明:不同层理页岩的应力-应变曲线相似,表现为硬脆性,峰值应力随着水化天数的增大显著降低,应力-应变曲线斜率减小;垂直层理页岩的抗压强度大于平行层理的抗压强度,考虑不同水化天数时,层理页岩的抗压强度减小,其物理力学参数如弹性模量、内摩擦角和黏聚力减小,泊松比稍有增大;且随着水化天数的增大,垂直层理页岩的破坏形态基本不变,以剪切破坏为主,而平行层理页岩破坏形成的裂缝网络越来越复杂。(2)开展水化页岩在一次加载过程中的渗透试验,获得不同水化天数的页岩渗透率演化曲线。其结果表明:页岩初始渗透率随水化时间的增大而逐渐增大,主要在于水化作用改变岩样内部的微孔隙和微裂隙,其渗流通道逐渐增多;屈服阶段以前渗透率变化不明显,屈服阶段之后,渗透率逐渐增加;基于渗流-损伤理论分析全应力-应变过程中的页岩渗透特性变化规律,建立损伤变量表达的页岩渗透率演化模型,揭示荷载诱发水化页岩损伤的渗透性演化机理。(3)基于单一加载下的水化页岩渗透特性分析,进一步开展水化页岩在循环加卸载过程中的渗透性试验,分析加卸载过程中的页岩渗透率损伤及恢复特性。其结果表明:初始加载渗透率随围压增大呈指数函数减小,再次加载时的渗透率与围压呈幂函数关系,而卸载渗透率随围压的减小呈幂函数增大;水化天数越多,页岩渗透率在加载阶段的损伤率越大,在卸载阶段的恢复率越小;循环加卸载过程中,渗透率随着加卸载次数的增多而逐渐减小,同一荷载下的加载渗透率大于卸载渗透率。(4)基于如上的试验及理论分析,进行层理页岩储层钻进过程中的井壁稳定性评价。在初始应力场作用下井壁围岩应力发生重分布,导致层理开度发生变化,井壁上下两侧层理开度增大,中间层理开度减小。水化作用使围岩力学强度降低和渗透性增大,井壁上下两侧层理面附近的岩石首先发生变形破坏,随着水化时间的增加,井壁左右两侧的围岩都将发生塑性破坏,上下两侧层理面发生剪切破坏,造成井壁失稳。