在欠平衡钻井过程中,冻胶阀技术因其作业成本低,对油气无污染等优势而得到广泛应用,但对于高压地层,用作冻胶阀的常规复合凝胶的机械强度不足,易破碎,无法实现密封效果。为了克服此缺点,本文将丙烯酰胺/甲基丙烯酸羟乙酯(AM/HEMA)共聚纳米微球、含有碳碳双键的可聚合微球及纳米纤维素(NCC、CNF)添加于常规的聚丙烯酰胺及丙烯酰胺凝胶体系中以增强冻胶阀的机械强度,通过质构仪和流变仪研究了不同纳米粒子对复合凝胶的拉伸性能、压缩性能及粘弹特性的影响,并利用扫描电镜(SEM)、傅里叶变化红外光谱(FTIR)以及固体核磁探究了纳米粒子增强复合凝胶的机理。结果表明,对于聚丙烯酰胺/AM/HEMA微球凝胶,微球的加入能够有效地增强凝胶的机械强度。与未添加微球凝胶相比,10wt%微球含量的复合凝胶的拉伸应力增大了约20倍,压缩应力增大了3倍左右。对于丙烯酰胺/AM/HEMA微球复合凝胶,当丙烯酰胺与微球含量比为6:2时,复合凝胶的拉伸应力最大,拉伸比较大,说明其具备良好的韧性。当丙烯酰胺与微球含量比为7:1时,复合凝胶的压缩应力及弹性模量均为最大,压缩后能够基本恢复原状,仅发生极小的环切状破碎,而未添加微球凝胶则发生大面积的断裂,这表明其弹性良好。复合凝胶的网络结构呈现凝胶包裹球形颗粒的状态,这在一定程度上增大了凝胶的孔壁厚度,且微球自身具备良好的弹性,明显地改善了复合凝胶的机械性能。对于丙烯酰胺/可聚合微球复合凝胶,当丙烯酰胺与可聚合微球含量比为6:2时,复合凝胶的机械性能达到最佳,在压缩过程中,复合凝胶完全恢复原状,未发生破损。复合凝胶呈现出独特的以微球为“交联点”的蜂窝状网络结构,红外及核磁证明可聚合微球表面的碳碳双键与丙烯酰胺单体发生反应而形成这种独特的网络结构。对于丙烯酰胺/纤维素复合凝胶,当丙烯酰胺与纳米纤维素NCC及CNF含量比为5:3时,复合凝胶的机械性能达到最佳。NCC复合凝胶的韧性增强效果较为明显;而CNF复合凝胶的强度增强效果更显著,其拉伸应力较常规凝胶提高近6倍。