世界能源格局发生重大转变,但当下石油天然气资源仍是能源消费的主力军。油气勘探开发逐渐向“深、低、海、非”方向发展,深井、超深井数量增加,地质条件日趋复杂,油气井固井难度显著增加。固井是油气开采的重要组成部分,固井外加剂具有举足轻重的作用。深井、超深井带来的高温、超高温技术难题给固井水泥浆技术和固井材料开发、应用提出更高的要求。目前,国内聚合物缓凝剂普遍存在高温调凝效果差、分散性强、大温差下力学性能发展缓慢以及引起水泥浆异常胶凝等缺陷,降失水剂存在耐高温抗盐能力差、高温稀释性强等问题。本文利用分子设计原理,依据纳米改性技术,制备出聚合物/纳米SiO₂复合材料,用作超高温油井水泥缓凝剂和降失水剂,解决了上述聚合物外加剂存在的问题。本文对聚羧酸类添加剂易引起水泥浆在120℃附近发生异常胶凝的原因进行深入探究,并从分子结构角度提出相应解决或缓解措施。以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、二甲基二烯丙基氯化铵、N,N-二甲基丙烯酰胺（NNDMA）、衣康酸、二甲基十八烷基烯丙基氯化铵（ODAAC）和改性纳米SiO₂（VN）为原料通过原位聚合方法制备了高温缓凝剂ADNIOS。通过相关技术手段对其结构进行了表征,结果表明合成的聚合物基纳米SiO₂复合型缓凝剂达到预期设计目标。应用性能表明,ADNIOS适用温度范围广（90²10℃）、高温缓凝效果好、加量和温度敏感性弱、高温分散性弱且大温差下强度发展较快。本论文对缓凝剂分子作用机制和缓凝作用机理进行了研究,并详细分析了其在水泥颗粒表面的吸附动力学和水泥水化动力学。以AMPS、NNDMA、马来酸酐、ODAAC和VN为主要单体通过原位自由基聚合方法制备了高温降失水剂HAPSF。结构表征结果表明,合成的聚合物基纳米SiO₂降失水剂为预期设计目标产物。HAPSF具有控滤失效果好、加量少、抗盐能力强、适用温度范围广（30²40℃）、高温分散性弱及对抗压强度发展有利等特点。此外,对HAPSF增强作用机制和降失水作用机理进行了研究,认为其具有一定火山灰效应,可提高水泥石致密性、促进水泥水化产物生成,从而加快水泥石力学性能发展;其主要通过堵塞/“架桥”作用、吸附作用等改善水泥滤饼质量,提高滤饼结构致密性,从而达到降失水目的。缓凝剂ADNIOS和降失水剂HAPSF可适用于低密度、常规密度和高密度水泥浆体系,耐温可达210℃,且水泥浆综合性能良好,能够满足固井工程要求,在深井、超深井、高温高压气井和长封固段等复杂井固井中有良好的应用前景。