页岩气地层层理、微裂缝、基质纳米孔隙十分发育,水敏性较强,富含干酪根等有机质,水平井钻井过中井壁失稳现象频发,同时长水平井段摩阻、井眼清洁等问题突出,严重制约了页岩气钻探开发进程。目前,油基钻井液仍是页岩气地层水平井钻井的首选体系,但油基钻井液存在配制成本高、环保性能差等问题,在裂缝发育地层,油基钻井液的漏失往往造成较大的经济损失,且处理困难。可取代油基钻井液的高性能水基钻井液是页岩气高效钻探开发的关键技术,也是目前国内外面临的重大工程技术难题。通过对四川盆地目标区块龙马溪组页岩气地层矿物组成及有机质特征、微观结构、理化性能、渗吸规律、润湿特性、岩石力学特性等综合分析,主要探讨了物理化学因素对页岩井壁稳定性的影响规律,揭示了页岩气地层井壁失稳机理。裂缝性页岩的井壁失稳与其自身的矿物组成及微观结构特征密切相关,伊利石等黏土矿物的表面水化及微纳米尺度层理、裂缝较发育是导致页岩气地层井壁失稳的主要内在因素,同时干酪根等有机质的存在对页岩井壁稳定性具有重要影响。通过热重分析、吸附等温线测试、光谱学表征等实验方法,揭示了页岩水化行为特征及微观机制;研究了页岩水化抑制剂在伊利石等黏土矿物表面的吸附特性,揭示了其微观抑制作用机理。水化初期伊利石的水合能力远超蒙脱石,强结合水在伊利石表面定向排列,降低了体系的总势能,明显削弱了其对弱结合水的束缚能力。聚胺、K⁺、NH₄⁺在黏土矿物表面的吸附更符合Langmuir吸附模型,为单层吸附,聚胺主要通过阳离子交换和氢键作用在黏土矿物表面产生吸附,静电引力和氢键协同作用使其吸附强度明显高于K⁺和NH₄⁺。水分子在抑制剂-黏土矿物表面的吸附更符合Freundlich吸附模型,页岩抑制剂的吸附可显著降低黏土矿物表面的水合能力,其中聚胺的抑制作用效果最突出。另外,聚胺可通过表面疏水作用和质子化胺基的中和作用进一步减弱黏土矿物的水化效应。通过对纳米SiO₂的表面改性及接枝聚合反应,制备了一种温度敏感型智能纳米封堵剂,该封堵剂温度响应行为灵敏;当超过最低共溶温度(LCST)时,可同时产生物理封堵和化学抑制双重作用,显著阻缓页岩压力传递和滤液侵入。另外,采用改进的Hummers方法制备了单层率较高的氧化石墨烯薄片,通过原位聚合制备了一种可在页岩表面吸附成膜的氧化石墨烯/聚合物超低渗透成膜剂,能显著阻缓页岩压力传递,降低页岩自吸能力。新研制的超低渗透成膜剂与纳米封堵剂协同作用,可阻隔了页岩压力传递,使页岩渗透率下降两个数量级,有助于提高页岩的稳定性。基于微纳米尺度页岩井壁失稳机理分析,结合“多元协同”页岩井壁稳定基本理论,提出了页岩气地层水基防塌钻井液的设计思路。利用新研制的纳米封堵剂、超低渗透成膜剂,结合新型聚胺强抑制剂,研制出综合性能优良的页岩气地层水基防塌钻井液体系,可有效封堵页岩微纳米尺度孔隙和裂缝,显著抑制页岩水化效应,且抗污染能力强,环保性能好,成本较低。