传统的低胶质油基钻井液体系使用有机土作为流型调节剂,由于有机土加量小,存在切力低、动塑比低等缺点,一定程度上影响井眼清洁效果,甚至会导致岩屑床的形成。油基钻井液中含有的有机土、氧化沥青和有机褐煤等胶质类材料对钻速有负面影响,不利于快速钻进。此外,如果胶质材料加量过大,势必严重影响钻速。针对以上问题,本文研发了一种不含有机土和其他胶质材料的抗高温高性能无土相油基钻井液体系。室内性能评价与现场应用效果均证明,研发的无土相油基钻井液体系比传统的油基钻井液体系具有更加优异的性能。本文研发的高性能无土相油基钻井液体系包括四种核心技术:可以代替有机土并在钻井液中提供弱凝胶结构的提切剂,无土条件下可以控制滤失量的聚合物降滤失剂,提供高温乳化稳定性的抗高温主/辅乳化剂,以及用于页岩纳米孔喉封堵的纳米封堵剂。第一,本文结合超分子化学原理,合成了一种可以在油基钻井液中代替有机土的小分子提切剂。通过超分子自组装原理,提切剂可以在油包水乳液中建立三维网架结构,从而提供弱凝胶结构。实验结果表明:与传统的有机土油基钻井液相比,加入提切剂的无土相油基钻井液具有更高的切力及电稳定性。第二,针对在无有机土的环境中,高温高压滤失量难以控制的难题,研制了一种苯乙烯/丙烯酸丁酯/丙烯酸三元共聚物作为降滤失剂,其碳碳单键的主链结构使之具有优良的抗温性能。实验表明,该材料对钻井液流变性的影响很小,通过改善泥饼质量可以大大降低油基钻井液的常温常压和高温高压滤失量。对比实验表明该材料在稳定乳液、降滤失、封堵和抗温性能方面均优于最常用的油基钻井液降滤失剂氧化沥青。第三,针对页岩纳米级孔隙的封堵难题,研制了一种具有核壳结构的“丙烯酸树脂/二氧化硅”纳米复合材料来提高油基钻井液的封堵能力。该材料抗温能力可达250℃之上。膜效率实验表明该复合材料可以显著提高封堵效率,防止钻井液滤液入侵。第四,研发了耐高温的改性脂肪酸型主乳化剂和脂肪酸酰胺型辅乳化剂,钻井液体系经220℃老化16h,破乳电压仍大于400V。最后,使用研发的关键处理剂,配套形成了不同密度的抗温可达220℃的抗高温高性能无土相油基钻井液。与传统油基钻井液相比,其具有非常优异的流变结构和储层保护性能。现场试验证明,研发的无土相油基钻井液体系性能稳定,易于维护。与临井对比可知,使用无土相油基钻井液体系后,钻井周期有大幅度的降低,平均降低了33%。