非开挖技术是指在不开挖地表的情况下,利用岩土钻掘等技术手段,铺设、修复或更换各种地下管道管线的一种高科技实用新技术。非开挖技术按施工工艺主要分为：水平定向钻进铺管技术、遁地穿梭矛铺管技术、微型隧道法、夯管法、水平螺旋钻进法、顶管铺管技术。它广泛用于不允许开挖或不具备开挖条件下的各类管线铺设,穿越高速公路、铁路、建筑物、河流、湖泊,以及在市区、古迹保护区、农作物或植被保护区等进行污水、自来水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等地下管道管线的施工。此外,非开挖技术还可用于降水工程、隧道工程、基础工程以及环境治理工程等。具有不污染环境,不影响交通,对底层结构破坏小,施工安全可靠、周期短、成本低、社会效益与经济效益显著等优点,具体表现在以下几个方面。1.避免了传统开挖施工对人们日常生活和工作的干扰,减少了对交通,周边建筑物基础的破坏和不良影响。2.使用非开挖技术可以准确地控制管道管线铺设方向、深埋,同时可让要铺设的管线绕过或避开地下障碍物(如巨石和地下建筑物等)及原有地下管线。3.在传统的开挖路面的施工方法无法施工或不允许施工的区域,(如穿越河流、铁路、高速公路、广场、机场跑道、古迹保护区等)可用非开挖技术从其下方穿越铺设,并可将管道管线设计在工程量最少的、位置最佳的路线穿越。4.具有良好的经济效益,在相同的客观条件下,采用非开挖技术进行管道铺设的综合成本要明显低于传统开挖施工法,从城市发展角度来看,现代城市的地下管线和管道已经很密集和拥挤,城市要再铺设新管道管线就只能加大埋深,而开挖施工的成本随着深埋的加大而激增,这时采用非开挖技术进行施工将更为经济和省时。通过很多实际工程实践可以得知,在大多数情况下,尤其是在管线密集的闹市区或管线埋设较深地段,非开挖施工是传统开挖施工的极好代替方法。在特殊情况下,非开挖施工更是一种唯一可行又经济的施工方法。而水平定向钻进技术是目前国内外非开挖技术所采用的主要技术方法之一,水平定向钻施工对施工现场的周边环境没有影响、容易调整和改变铺设管线的方向和埋深、管线弧形段铺设距离长、并且可使管线绕过地下的障碍物、施工场地可以灵活调整、占地少、施工速度快、周期短、工程造价低。国内外很多非开挖钻进铺管工程都是用此方法进行施工其基本原理是：钻机事先安装在入土点的一侧,从入土点开始沿着设计好的线路,按照预先设定的地下穿越铺管轨迹钻导向孔,并形成一条从入土点到出土点的穿越曲线,作为预扩孔和回拖管道管线的引导曲线,然后在导向孔出口端的钻杆前端安装不同直径的扩孔器再进行回拉扩孔,当扩孔达到预先设计的尺寸要求后,在扩孔器的后端连接旋转接头、拉管头和管线,回拉铺设地下管线。但在水平定向钻进施工过程中却会遇到一些比较难解决的问题,其中冒浆就是主要的常见难题之一。尤其是在大口径、长距离的非开挖水平定向钻进铺管工程中,地面冒浆一直是一个很突出又很难解决的问题。地面冒浆大多发生在导向孔钻进过程中,地面发生冒浆、孔口不返浆会导致孔内钻渣无法排出、钻进进尺困难,影响施工进度,严重的还会导致整个非开挖水平定向钻进工程无法进行,同时还会严重污染环境,给施工方造成很大的经济损失,所以防冒浆成为非开挖水平定向钻进施工的一个十分重要问题,由于导致地层冒浆的因素有很多(包括钻遇地层条件、现场施工参数、钻井液配方等),情况也十分复杂,目前在国内外还没有形成一个系统的、有效的防冒浆技术体系,因此,研究出一套有效的防冒浆技术体系具有十分重要的意义。本文利用高等土力学、弹塑性力学、流体力学等理论知识,对水平定向钻防冒浆技术开展了较为深入的研究,并通过室内实验和实际工程对所得的该技术进行了验证。本文一共分为七章：第一章介绍国内外对防冒浆技术的研究现状,深入认识前人已做的研究工作和所得成果,从前人研究成果基础上对防冒浆技术开展新的研究。第二章首先介绍了不同钻遇地层的冒浆破坏机理,根据土力学,断裂力学和流体力学理论重点分析了粘性密闭地层、渗漏地层和裂隙地层的冒浆破坏机理。接着自行设计和加工了地层冒浆模拟实验仪,并进行冒浆模拟实验,得出不同土体、不同厚度对应的冒浆压力,通过冒浆模拟实验,可以更直观地观察各种不同的土层的冒浆过程。通过以上的地层冒浆破坏机理分析和冒浆模拟实验,为建立地层冒浆临界压力计算模型打下基础。第三章首先介绍了钻井液在水平定向钻进铺管工程中的重要性,并对钻井液的流变性、流体和流型进行了简单阐述。接着在前人研究成果的基础上,建立钻井液压力计算模型,推导出几种不同流型钻井液压力的计算公式,然后对建立的钻井液压力计算模型进行了部分修正,提出了扩孔分流新模型,并初步研究了钻屑对钻井液压力的影响。通过室内试验和实际工程对以上模型进行了初步验证,提出了模型的不足之处以及需要改进的地方。运用高等土力学,弹塑性力学等理论知识,通过数学解析方法建立地层冒浆临界压力计算模型,并用工程实测数据对模型进行验证。最后,结合钻井液压力计算模型和地层冒浆临界压力计算模型,形成地层冒浆预判技术,并通过现场工程对该技术进行验证。第四章首先对防冒浆钻井液的作用机理进行了分析,接着通过室内试验对多种钻井液配方进行了高剪稀释实验,得到加入不同处理剂的钻井液对应的流变曲线和性能参数。接着又进行了堵漏钻井液配方的优选,通过室内实验,优选出堵漏钻井液配方。最后,以高剪稀释为主要性能指标,同时兼有强降滤失、强抑制性、强润滑、有效排渣等性能,优选出一套针对不同钻遇地层防冒浆钻井液配方体系。第五章是防冒浆技术的优化设计,包括穿越曲线优化设计、钻进孔径级配优化设计和施工参数优化设计,从这三方面进行优化,为防止施工时地面冒浆提供有利条件。第一对穿越曲线优化设计,主要从地层的选择、导向孔轨迹参数优化(包括入土角、出土角、钻孔深度和穿越曲线长度的优化)。第二,根据对各种施工经验的总结,提出了合理扩孔级数和终孔直径的确定方法。并通过建立数学模型,提出了全新的扩孔直径级配设计的优化方法,即利用等扭矩原理的扩孔级配优化设计方法,通过工程实例的验证,也初步验证了本文提出的扩孔级配优化模型的合理性。第三,在考虑不同钻屑含量影响下,建立了泵量与钻速相匹配的计算模型,计算出施工时的最优泵量与钻速,优化施工参数,减少环空泥浆压力,防止地层冒浆,最后通过现场工程对该计算模型进行了验证。第六章是防冒浆钻井液技术的现场应用,通过把防冒浆钻井液配方应用到两个穿越工程现场中,都取得了很好的效果。通过施工现场的验证,该防冒浆钻井液技术能有效减少钻孔环空泥浆压力,并有效防止地层发生冒浆,保证了工程的顺利进行和完成。第七章是对全文的结论与创新点进行了概括,并提出论文的不足之处和进一步研究思路。本文所得到的一些成果如下：1.分析得到不同钻遇地层的冒浆破坏机理。2.建立钻杆内和钻孔环空钻井液压力计算模型。3.建立地层冒浆临界压力计算模型。4.结合钻孔环空钻井液压力计算模型和地层冒浆临界压力计算模型,得出穿越铺管地层冒浆预判技术。5.通过大量的室内实验,优选出适合不同钻遇地层特点的水平定向钻进防冒浆钻井液配方若干套。6.通过室内试验优选出堵漏钻井液配方。7.推导出扩孔孔径级配设计计算模型。8.推导出泥浆泵泵量与钻速相匹配的计算模型。9.以Visual C++为软件平台,结合以上结论和研究成果,开发出一套水平定向钻进防冒浆设计计算软件。本文的创新之处体现在以下几个方面：1.结合钻孔环空钻井液压力计算模型和地层冒浆临界压力计算模型,得出地层冒浆预判技术。2.考虑钻屑含量的影响,推导出水平定向钻进施工时泥浆泵泵量与钻速相匹配的计算公式。3.通过针对性的室内实验,优选出适合不同钻遇地层特点的水平定向钻进钻井液配方若干套。