泥页岩储层含有蒙脱石、伊蒙混层等粘土矿物,遇水基钻井液易发生掉块、垮塌事故,所以水基钻井液的固壁防塌性能尤为重要。本论文以聚合物分子进入粘土晶层以及吸附在粘土表面从而改善钻井液固壁防塌性能为技术路线,研制出了一种阳离子聚合物型固壁剂,评价了其性能,研究了其作用机理,并以反应所得固壁剂为核心钻井液处理剂,形成一套高性能环保水基钻井液体系。为了达到井壁稳定效果,本文选择了二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）、乙酸乙烯酯（VAc）、丙烯酸（AA）以及丙烯酰胺基（AM）四种聚合单体。通过优化,确定了固壁剂最优反应条件为:单体总质量占体系总质量22.5%,单体间浓度比例为DMDAAC:AM:AA:VAc=6:5:4.5:4.25,引发剂质量占体系总质量0.06%,反应温度为69℃,反应时间为3h。对固壁剂井壁稳定性能、抑制性能、工程应用性能以及环保性能进行了室内评价。结果表明,固壁剂溶液中浸泡的岩心点载荷强度达0.22N,经72h浸泡仍不开裂;页岩岩屑滚动回收率达86.25%,线性膨胀高度仅为1.9mm,可抗20%膨润土侵;其抗温可达150℃,加入到4%基浆中,基浆热滚后滤失仅为13.6m L;EC₅₀为26470mg,生物降解速率(BOD/COD_Cr)为20.1%,属于环境友好型处理剂。运用扫描电镜、激光粒度、X-射线以及Zeta电位等微观实验方法对固壁剂的作用机理进行分析,发现固壁剂作用机理主要由以下三方面组成:1)固壁剂分子能够进入粘土晶层中,置换出层间金属阳离子,减弱水分子进入晶层内部趋势。2)固壁剂分子中五元环状阳离子,可以通过静电作用吸附在带负电的粘土颗粒表面,中和表面负电荷,减弱颗粒间静电排斥力和表面水化膜斥力,使得粘土颗粒能够更好地聚集。3)固壁剂分子内含有多个极性基团,可以与粘土颗粒表面的烷氧基形成氢键,从而阻止水分子和黏土表面烷氧基形成氢键,减弱黏土表面水化作用。以固壁剂为基础,优选了配套钻井液处理剂,形成了高性能环保水基钻井液,并对其性能进行了室内评价。结果表明,所研发的钻井液体系流变和滤失性能满足设计指标;可抵抗30%Na Cl,0.5%Ca Cl₂以及10%膨润土污染;EC₅₀为31800mg,生物降解速率(BOD/COD_Cr)为19.2%,属于环境友好型钻井液体系。