井壁失稳问题是石油钻井行业中普遍性的难题,几乎世界上所有的油气田都会存在井壁失稳问题。钻井过程中,井壁失稳会引起阻卡、卡钻、井漏等一系列复杂事故,严重时甚至导致井眼报废,每年井壁失稳都会造成巨大的经济损失,严重制约了油气勘探行业的发展。中国西北部某油田区块白垩系巴什基奇克组致密砂岩储层探明气储量丰富,地层压力高,产能稳定,该区块是我国重要的致密砂岩气产区之一。但在致密砂岩储层钻井过程中的井壁失稳问题严重制约了致密砂岩气勘探开发进程,其中主要问题包括:地层异常高压系数难确定,井壁稳定分析缺少关键参数;基于静态孔隙弹性力学的传统井壁稳定理论没有考虑固体、流体的惯性,无法从本质上解释动态井筒载荷条件下井壁失稳现象,造成坍塌压力预测不准确;对油基钻井液条件下致密砂岩地层强度弱化机制缺乏研究,对致密砂岩储层井壁围岩破坏相关的油基钻井液关键参数不明确,缺少针对致密砂岩储层的油基钻井液性能优化方法的研究。本文针对以上问题,在理论和室内试验的基础上,主要完成了以下主要工作:(1)基于岩石纵波速度方程的致密砂岩地层孔隙压力预测模型基于Man的应力条件下线弹性理论,结合Biot孔隙弹性理论,推导出了受应力条件下多孔介质纵波速度方程。在理论上解释了岩石纵波速度对声波传播方向所受应力最为敏感。在纵波速度方程基础上建立了三轴压缩条件下岩石纵波速度与应力的关系模型,并利用岩石力学实验室GCTS等设备开展相关试验研究,对岩石纵波速度模型进行了验证。测试了岩石纵波速度随轴压、围压和孔压的变化规律,分析岩石纵波速度的响应特征。建立了基于纵波速度方程的孔隙压力预测模型,对研究井区异常高压地层的孔隙压力系数进行预测。(2)致密砂岩储层井壁失稳的动态孔隙弹性机理基于Biot孔隙弹性动力学理论,考虑固体、流体的压缩性、惯性及黏滞耦合作用,建立了表征非均匀应力场地层中动态井筒载荷条件下井壁围岩动力响应的孔隙弹性动力学模型,通过模型分解,拉普拉斯变换、位移变换等方法,得到非轴对称井周应力的解析解,分析了动态井筒载荷下井周应力场的波动现象,揭示了井壁岩石孔隙弹性动力学响应机制,重点研究了井壁围岩的潜在剪切破坏区域。详细研究了孔隙弹性参数,地应力和周期性载荷参数等因素对井壁围岩剪切破坏响应的影响规律,研究结果为动态井筒载荷条件下井壁稳定分析提供了理论基础。(3)维持致密砂岩地层岩石强度的油基钻井液性能优化基于断裂力学理论,分析了岩石微裂缝的复合扩展机理,从润湿性角度研究了油基钻井液条件下导致岩石强度下降的关键因素,揭示了油基钻井液条件下井壁围岩弱化的机制。通过开展润湿性实验,研究了油基钻井液条件下润湿性的影响规律,重点研究了油基钻井液参数油水比和破乳电压的影响,提出了岩石润湿性的表征模型。建立了基于润湿性的维持井壁围岩强度的油基钻井液性能优化方法,对研究区块目标地层对油基钻井液性能进行了优化评价。