钻井液技术的发展常由处理剂的革新带动,处理剂的革新又基于研发时所依托的化学理论基础。分子自组装为系统中的分子在不受人类外力之介入下自行聚集、组织成规则结构的现象,与诸多学科交叉相融,是21世纪产生新概念、新领域和技术革新的重要源头。分子自组装与钻井液技术之间具备诸多结合点,可成为钻井液处理剂研发、钻井液功能性实现、钻井液技术创新的理论依据和技术手段。本文通过将分子自组装与钻井液技术相结合,研制了三类具有自组装特性的处理剂,并分别作为核心应用于三种热点的钻井液中。反相乳液具有强非极性,难以在其中形成空间网状结构,导致油基钻井液的流变性差。针对这一难题,研制了一种多羟基Gemini型两亲分子（SGA）。SGA能够在低加量下显著改善纯乳液的低剪切速率黏度、剪切稀释性、触变性、结构恢复性能,并与有机土之间具有协同作用。通过流变性、界面性质、稳定性、形貌观察等分析手段研究了SGA的自组装行为与流变性调节作用机理。由于聚电解质效应,常规聚合物处理剂难以适应高浓度盐环境。针对这一难题,将研发思路由“抵抗盐”转变为“适应盐”,研制了两种盐响应型聚合物。研究表明,盐响应型聚合物能够与盐组装形成热力学稳定的分散体系,在饱和盐浓度范围内表现出绝对的反聚电解质效应。通过流变性、浊度、本征黏度、核磁共振氢谱等分析手段研究了盐响应机理。在饱和盐膨润土基浆中的性能评价结果表明,盐响应型聚合物具有优良的调节流变性与降滤失的作用。高分子量聚电解质能够在低加量下形成黏弹性水溶胶,同时具有良好的抑制、包被、破胶性能,能够作为悬浮介质应用于无固相煤层气钻井液中,但抗盐、抗温性差。针对这一难题,通过向高分子量聚阴离子（APE）水溶胶中引入超支化聚阳离子（CPE）,研制了异电荷聚电解质自组装水溶胶。APE-CPE溶胶与盐在本质上相容,抗温性能良好。通过流变性、相行为、形貌观察等分析手段研究了APE与CPE的自组装行为。以三类处理剂为核心,配伍必要处理剂,分别形成了密度、抗温上限同时达2.60 g/cm3、220℃的抗高温高密度无黏土油基钻井液,密度、抗温上限同时达2.00g/cm3、150℃、热稳定性强、抗膨润土、泥页岩屑均达30%的饱和盐水钻井液,以及流变性与抑制性良好、残渣率低的无固相煤层气钻井液。在威远页岩气区块与新疆油田分别对前两类处理剂与钻井液体系进行了现场试验,取得了良好的应用效果。