非常规能源——天然气水合物是重要的潜在高效清洁能源,是当前学术界、政府及企业研究和关注的热点,更是未来全球能源发展的战略制高点。勘探开发水合物离不开钻井与钻井液,但钻井液的侵入可能会影响含水合物地层的井壁稳定以及测井识别与评价,因此可在钻井液中添加适量纳米颗粒以提高体系裂隙封堵能力,这是弱化钻井液侵入储层的有效方法之一。此外,已有研究发现一定浓度的亲水纳米颗粒可以抑制水合物的形成。但目前关于纳米颗粒对水合物形成和聚集的影响规律和机制、纳米颗粒与水合物抑制剂复配对水合物的形成和聚集影响规律以及纳米颗粒对钻井液性能的影响评价的研究较少,尤其是水合物钻井液与储层之间的相互影响规律仍需进一步探究。为此,针对上述研究不足,本文在课题组前期研究亲水和疏水纳米颗粒对水合物形成宏观动力学影响的基础上,进一步利用多种实验方法,全面地揭示了亲水和疏水纳米颗粒对水合物形成的内在影响机理;探究了油水体系中纳米颗粒对水合物形成和聚集的影响规律;研究了不同体系中纳米颗粒与水合物抑制剂复配后对水合物形成和聚集的影响规律;最后设计并评价了水合物地层新型水基纳米钻井液的性能,进而提出了相应的储层保护方案。这将对深水油气和水合物钻井液体系设计、水合物储层测井准确识别与评价、水合物储层保护和井壁稳定评估以及多相混输（油气、水合物浆液）管线的设计与安全运行具有重要的理论意义和应用价值,为钻井安全和后续高效可持续开采提供一定的技术支持。主要取得创新性成果和认识如下:（1）水相中纳米颗粒对水合物形成影响机理。纳米CaCO3表面所带有的羟基（-OH）使得固相颗粒具有亲水的特性,而其疏水性由一定量的甲基（-CH3）和亚甲基（-CH2）决定。亲疏水纳米颗粒对传质都有一定的影响,亲水纳米颗粒略微增大了甲烷的扩散系数和甲烷在水中的溶解度,但对水合物相平衡条件影响不明显,反而会增大气相-水溶液界面和水合物-水溶液界面的甲烷浓度差,有利于甲烷从气相输送至水合物界面处。此外,亲疏水纳米颗粒对水分子的状态（活度）和水分子氢键网络结构有明显的影响,但影响程度不同。因此亲水纳米颗粒抑制水合物的主要原因是亲水性表面对水分子状态的改变（由游离水向束缚水的转变）,破坏了水分子氢键网络结构,从而影响水合物的本征动力学,不利于水合物的成核和生长。（2）水合物对油水界面稳定性影响及防聚剂对水合物形成影响。当水合物在油水界面附近快速成核和生长时,油水界面会发生破坏,这主要是由甲烷的浓度梯度和Marangoni效应引起的。升温使水合物分解时,体系重新达到平衡并出现了一个新的稳定的油水界面。由水合物形成和分解过程中的化学势梯度引起的甲烷扩散行为会影响乳液的稳定性。因此针对不同类型的油水乳液,提出了一个新的水合物诱导失稳模型。此外,研究发现在纯水（100%）和高含水率（95%）油水体系中,防聚剂会促进水合物的形成。而在相对较低含水率（20%和60%）油水体系中,防聚剂会减缓甚至完全抑制水合物的成核和生长,这可能主要是由于防聚剂的传质位阻效应。（3）油水体系中纳米颗粒对水合物形成的影响规律。不添加纳米CaCO3颗粒的情况下,无论是高含水率还是低含水率油水体系,水合物都极易形成和聚集,这会对流动保障和实际生产产生不利影响。而当油水体系添加不同浓度的亲水纳米CaCO3颗粒时,多数情况下抑制了水合物的形成,甚至在一些情况（如40%OW+1.0 wt%）完全抑制了水合物的形成。且发现亲水纳米CaCO3颗粒在含水率较高时抑制效果较好;同样,疏水纳米CaCO3颗粒也会在一定条件下起到抑制水合物形成的作用,且在含水率较低时抑制效果较好。浓度对实验结果有一定的影响,但整体来说规律性不强。因此可以根据实际情况（含水率高低）来选择适当的纳米颗粒,抑制水合物的形成和聚集。（4）纳米颗粒与水合物抑制剂复配对水合物形成的影响规律。经过对比分析,本文选择聚乙烯己内酰胺（PVCap）、Na Cl和椰油酰胺丙基二甲胺（PKO）作为与纳米颗粒进一步复配研究的对象。不同粒径的亲水纳米CaCO3与热力学抑制剂（3.5 wt%Na Cl）和动力学抑制剂（0.5 wt%PVCap）复配后与纳米CaCO3水溶液相比均抑制了水合物的成核和生长,与动力学抑制剂的复配更是完全抑制了水合物的形成;但与盐的复配并没有出现协同抑制效果,两者复配后抑制效果反不如单独添加盐的情形。而纳米CaCO3与防聚剂（0.5 wt%PKO）的复配削弱了纳米CaCO3自身的抑制效果,表现为拮抗作用。另外,40%油水体系中亲疏水纳米CaCO3颗粒和Span80复配在本实验条件下完全抑制了水合物的形成。且Span80的加入,使得体系甲烷的溶解度降低,这有利于预防水合物的形成和聚集。（5）纳米颗粒对水合物聚集的影响规律。纳米颗粒的加入对THF水合物形态有一定的影响,纯THF水合物表面较为光滑,而纳米颗粒的加入使得水合物表面变得粗糙,疏水颗粒更加明显,THF水合物+疏水20 nm CaCO3样品表面出现许多圆形聚集体。与THF纯水合物样品相比,亲水纳米颗粒的加入会降低样品的粘附力,而疏水纳米颗粒的加入会增加样品的粘附力。结果同样表明亲水纳米CaCO3比疏水纳米CaCO3颗粒更适合作为水合物钻井液的添加剂。（6）新型纳米水合物钻井液的性能评价。所设计的纳米水合物钻井液性体系胶体率都在97%以上;密度在1.08-1.10 g/cm~3之间,符合水合物地层窄密度窗口要求;表观粘度在36-79.5 m Pa·s之间,塑性粘度在27-42 m Pa·s之间,动切力在8.176-38.325 Pa之间,均比较符合设计值,具有较好的流变性能。另外,纳米颗粒浓度对流变性影响明显,因此可根据实际钻井要求来调整纳米颗粒的添加量;p H值均在7左右,可通过添加碱性物质来调节p H以适应实际钻井需要。此外,随着纳米颗粒浓度的增加,钻井液的滤失量逐渐降低,大大改善了钻井液的滤失性能和封堵性能,这将弱化钻井液对储层的侵入,从而保护储层。该钻井液体系适用于海洋水合物地层的钻进。