天然气是目前世界上最具潜力、使用最广泛的清洁能源之一,中国是油气资源生产与消费大国,我国已将油气资源的开发和利用摆到国家能源发展的战略位置,致密砂岩气,已是我国天然气快速发展的重要资源之一。钻井工程是油气资源勘探与开采过程中的重要一环,随着油气工程的快速发展,钻井工程逐渐向地层深部发展,钻井井壁失稳垮塌及卡钻现象成为工程中常遇到的问题。因此,开展砂岩储层钻井井壁失稳破坏问题的研究,具有重要意义。钻井工程面临高地应力、高渗透压等复杂地质环境,已有大量研究人员开展了对井壁失稳破坏机理的研究,但仍有许多问题尚未解决,尤其是对水力耦合作用下的井壁失稳破坏机理的研究还不够深入,为了保证钻井工程的安全稳定,亟需开展对水力耦合作用下钻井孔径直径、地应力分布、钻井液重度、围岩节理裂隙等因素对钻井井壁失稳影响的研究。本文将通过室内试验和离散元数值模拟方法开展对上述问题的研究,主要研究内容如下:(1)通过室内试验获得产自四川自贡的红砂岩物理力学参数。开展了达西渗流试验,发现了红砂岩渗透率与围压大小成负指数关系;随着轴压不断增加,红砂岩渗透率在前期出现了小幅降低,待试件开始出现破坏后,红砂岩渗透率大幅提高;随渗透压增高,红砂岩渗透率提高。(2)开展了静水压力下不同孔径红砂岩厚壁圆筒试件的钻孔崩落试验,随着钻孔孔径的减小,临界静水压力大幅提高,剪切破坏所占比例逐渐增大。钻孔崩落从试样轴向中心位置开始,向两端延伸,最终演化成为纺锤状,钻孔孔周出现层状破坏,层状薄板连续剥落最终出现“V”字型破坏。(3)推导了考虑渗流作用的井眼围岩应力分布公式,并基于Mohr-Coulomb(M-C)准则及张拉破坏准则,得到钻井液安全重度窗口。(4)使用PFC2D程序,对管网流动算法进行了改进,建立了应力场、颗粒接触状态与管道开度间的定量化关系,真实地反映了应力场与渗流场的相互影响,对比达西渗流试验的模拟结果与室内试验结果,验证了改进的管网流动算法的可靠性,并进一步用于水力耦合作用下钻井井壁稳定性的分析研究。(5)建立了钻井井壁失稳离散元模型,进行了微观参数标定及模型可靠性验证,随后开展了不同工况下钻井井壁失稳破坏演化过程研究。根据模拟结果,系统地分析了井眼直径、远场地应力分布、钻井液重度、单节理裂隙等因素对钻井井壁失稳破坏形态和临界应力的影响。