泥页岩是指以粘土矿物为主(其含量大于50%)的固结程度较高的沉积岩,所以具有亲水和渗透率极低等特性。据统计,在钻井过程中钻遇泥页岩地层的比例占据75%以上,其中70%的井壁失稳都与页岩失稳有关。20世纪70年代初Chenevert等人首先提出了油包水乳化钻井液的稳定井壁机理—活度平衡防塌原理,以防止泥页岩水化坍塌的目的。但是实际钻井过程中,由于油基钻井液成本高与污染环境等缺点限制了它在油田的广泛应用,所以更多地使用水基钻井液。然而水基钻井液与泥页岩的相互作用和钻井液的抑制性低是井壁失稳的根源,即泥页岩与水基钻井液接触时,容易吸水导致页岩松散垮塌、掉块和缩径等井下复杂情况。泥页岩的渗透率极低(10-6~10-12um2),而渗透率主要取决于其孔喉大小及分布规律。泥页岩的孔喉总体上是以纳米级的为主,我国页岩气储层的孔隙范围为5~300nm,主体为80~200nm,北美地区页岩气储层纳米级孔隙孔径主体为8~100nm。所以目前广泛使用的降滤失剂不能在纳米孔发育的泥页岩层孔喉处架桥继而形成薄而致密的泥饼,所以只有纳米颗粒(0~100nm)才有封堵孔喉的可能性。在此,我们提出将纳米架桥材料应用于泥页岩钻进过程中,通过纳米颗粒封堵泥页岩孔喉(尤其是页岩)形成渗透率极低的屏蔽环以阻止水分侵蚀页岩,同时研究纳米二氧化硅分散液对钻井液的影响机理,研究含纳米材料钻井液与页岩相互作用的机理,研究成果可为泥页岩钻进或页岩气水平井的钻井液工艺优化提供重要的理论和技术基础。论文分为六章,各章主要内容如下:第一章简要的介绍了当前国内外的页岩气水平井钻井液技术以及泥页岩钻进问题的提出,介绍了论文的选题背景和选题意义,并简述了当前纳米材料在钻井液中的应用成果,提出了需解决的关键技术以及整篇论文的技术路线。第二章归纳总结了纳米材料的特点以及制备方法,分析泥页岩井壁稳定的力学与化学机理,指出泥页岩井壁失稳最主要的问题是泥页岩与钻井液相互作用过程中的力学性能降低,分析了泥页岩钻进对钻井液的要求,为纳米材料在钻井液中的应用提供理论支持,系统的介绍了本文的实验材料与方法。第三章分析了纳米二氧化硅对基浆的影响规律及其作用机理,结果表明:纳米二氧化硅可以有效提高淡水基浆(FWM与BM)的热稳定性并且改善降滤失性能,而对LSM效果一般;纳米二氧化硅可提高盐水基浆(SWM)的粘度和动切力,而就滤失量而言,在高温作用下纳米二氧化硅在盐水钻井液中会出现不稳定现象;纳米二氧化硅可以提高泡沫的稳定性,并且有一个最优的加量范围,对于泡沫稳定性较差的基浆基本上无改善效果。第四章使用压力传递实验系统分析页岩与钻井液的相互作用规律,并将纳米二氧化硅材料添加到钻井液中评价其与页岩的相互作用情况,结果发现添加了纳米二氧化硅的钻井液明显减缓了页岩孔隙压力的传递,分析表明纳米二氧化可以有效封堵页岩纳米级孔喉,降低页岩渗透率(页岩渗透率降低率最高达99.33%)以减缓水分对页岩的侵蚀。计算表明单向渗流模型的具有较好适用性。使用FLAC3D技术模拟钻井液侵入的泥页岩井壁稳定性动态过程,其计算规律与压力传递实验结果一致,随着钻井液的侵入,对泥页岩井壁围岩的孔隙压力与应力的影响程度越来越明显,纳米二氧化硅通过封堵泥页岩孔隙以减弱钻井液对井壁围岩力学强度的影响,减小了井壁围岩剪切塑性屈服区的范围。第五章分别研发三套基于纳米二氧化硅材料的淡水钻井液体系、盐水钻井液体系及微泡沫钻井液体系,并针对页岩气水平井对钻井液的要求,对钻井液的润滑性、抑制性、流变性和滤失性能进行了评价。基于纳米二氧化硅的淡水钻井液可抗温到120℃、润滑性能良好(润滑系数0.21)、抑制性强、室温下滤失量小于6ml,可适用于低孔低渗的泥页岩地层或硬脆性的页岩地层钻进。基于纳米二氧化硅的盐水钻井液可抗温到180℃、润滑系数0.2、水活度0.92、抑制性强、室温下滤失量小于5ml,适用于低孔低渗的水敏性极强的泥页岩地层或者低孔低渗盐矿含量高的泥页岩地层。基于纳米二氧化硅的微泡沫钻井液密度(0.7~1g/cm3)与粘度可控,具有低密度性与较强稳定性,从而能抑制泥页岩吸水膨胀,可实现以近平衡或欠平衡的方式钻进,适用于缺水地区的低孔泥页岩地层或者低孔低压的泥页岩地层(低孔低压的页岩地层)。该研发成果可为基于纳米二氧化硅材料的抑制性钻井液实施方案提供参考。第六章对全文进行了总结,提出了论文的主要创新点和需要进一步完善的思路。本文的主要创新点有三个:(1)研究了纳米二氧化硅分散液在高温条件下对淡水基浆与盐水基浆的影响机理,研究了纳米二氧化硅分散液在常温条件下对泡沫钻井液的影响机理;(2)使用压力传递实验手段、数学模型求解与数值模拟等方法,研究基于纳米二氧化硅的钻井液与页岩相互作用的机理;(3)分别研发三套基于纳米二氧化硅材料的淡水钻井液体系、盐水钻井液体系及微泡沫钻井液体系。