海洋深水钻井工程中常用的合成基钻井液面临窄安全密度窗口地层漏失严重、低温-高温大温差下乳液不稳定及低温流变性调控等技术难题,严重制约我国深海油气资源的钻探开发进程。为此,本文针对深水合成基钻井液技术难题,重点研究了深水井筒温度条件下油包水乳状液稳定性及乳化剂和有机土的显著影响,提出深水合成基钻井液恒流变特性调控机理与方法,研制出深水合成基钻井液用有机土和恒流变流变性调节剂,优化得到了高效乳化剂等关键处理剂,构建了深水恒流变合成基钻井液。基于深水井筒温度场分析模型与新建立的合成基钻井液循环当量密度(ECD)计算方法,实现了深水合成基钻井液ECD精细控制,现场应用成功解决了深水窄安全密度窗口地层严重井漏技术难题。基于分子动力学模拟及实验研究,揭示了合成基钻井液乳化剂的作用机制。乳化剂的乳化效能与在油水界面的吸附量、分子形态及非键相互作用等密切相关。阐明了油包水乳状液恒流变性质与乳液滴形貌和分布状态、固体颗粒分散状态和在油水界面上的吸附特性以及相互作用的关系,发现借助乳化剂合理调控油包水乳液滴的形貌、分布及相互作用力,是实现合成基钻井液恒流变性能控制的关键技术措施。分子动力学模拟结合实验,优化得到了恒流变合成基钻井液使用的高效乳化剂。基于有机土高温的吸附-脱附、低温分散特性的实验研究,建立了有机土高温吸附-脱附模型,提出了合成基钻井液“恒流变”特性调控新方法,即通过调控乳化剂和有机土在油水界面上的吸附量及吸附形态,可减弱低温时乳液滴及钻井液组分间的非键相互作用,并结合流变性调节剂调控内部抗高温交联结构,即可配制成粒度均匀、性能稳定的恒流变合成基钻井液。乳化剂结构特性控制合成基钻井液恒流变性能的形成基础,有机土的抗温能力决定了实现“恒流变”性能的最高温度。基于能量守恒、动量守恒和热传导等基础理论,给出了预测井周温度场数学模型,得到井口至井底管柱内和环空随井深的井筒温度分布规律;利用PVT实验得出了温度和压力对合成基钻井液密度的影响规律,建立了预测井筒内钻井液静态密度的数学模型;通过合成基钻井液高温高压流变实验,得出了温度和压力对钻井液流变性的影响规律。最终给出了深水恒流变合成基钻井液ECD计算数学模型及调控方法。构建了深水恒流变合成基钻井液,具有优良的乳化稳定性、低温流变性、页岩抑制性及良好的水合物抑制性,在2-150℃范围内保持较稳定的动切力、静切力和Φ6值,可有效降低钻井液的循环当量密度。新研制的合成基钻井液已在中国南海5口超深水井中成功进行了现场试验应用,其中现场试验井创亚太地区最大水深记录—2619米。现场实测数据表明该钻井液ECD附加值仅为0.03-0.04 g/cm³,优于国外公司同类钻井液的先进技术指标(0.06 g/cm³),解决了深水大温差下钻井液流变性难以调控引起的井漏等技术难题,形成了我国自主知识产权的深水合成基钻井液关键技术。