随着非开挖技术在铺管工程中的应用越来越广泛,穿越工程迎来了飞速的发展。然而,现如今该技术在穿越工程中仍存在一些复杂的科学难题,其中极为典型的技术难点便是软弱土层的孔壁稳定性与穿越轨迹控制问题。一旦处理不当会发生一系列工程事故如:（1）在施工水平段和造斜段中,出现导向困难,需要多次撤回钻杆重新导向;（2）行进轨迹偏离设计轨迹,甚至钻破其他已有的地下管道,且与原设计轨迹偏离越大;（3）泥浆配比不合理,回扩时出现埋钻事故和塌孔现象。由于软弱土层属于结构性较差的非均质散状赋存类型,具体表现为结构性差、胶结性差、遇水泥化崩解、强度低、自稳能力差等特性。同时,由于钻具、钻井液与软弱土层变形相互影响,倘若岩土体受力较大,则势必会引起软弱土层变形过大甚至破坏,造成孔壁失稳坍塌,进而影响穿越轨迹的准确性。然而,目前传统上关于定向钻进穿越防偏技术大都集中在钻机、钻具的研究上,而忽视了在软弱土层穿越施工中,钻井液在保障孔壁稳定的同时,对于轨迹防偏所起到的重要作用。在钻进过程中,钻井液不可避免地渗透到地层中,轻则引起软弱土体物理力学性质发生改变,使得钻具造斜强度发生改变,造成钻孔轨迹偏斜;重则引起孔壁失稳坍塌,导致发生埋钻事故,造成无法按既定设计轨迹进行穿越的后果。因此,亟待研究软弱土层穿越的防偏稳壁钻井液技术以解决孔壁稳定性与穿越轨迹控制问题,对钻遇软弱土层的定向穿越工程具有重要的工程意义。论文以上海川沙地区软弱土层为研究对象,在分析其物理力学特征的基础上,研究软弱土层孔壁失稳与钻孔致偏的机理,探析钻井液侵入软弱地层失稳破坏特征,分析了封堵技术遏制土层孔壁渗漏的作用机理,并对颗粒状状、片状、纤维状堵漏材料以及纳米封堵材料进行优选和效果评价。探析了抑制土层水敏软化的作用机理,并对常规抑制剂以及表面活性剂进行优选和效果评价。对优选出的稳壁防偏水基钻井液体系进行综合性能指标评价,并通过穿越工程实例对优选钻井液体系开展现场应用以验证该钻井液技术的防偏稳壁效果。全文共分为六个章节,具体结构如下。第一章:介绍软弱土层穿越遇到的问题,引出研究目的和意义。总结穿越轨迹控制技术发展现状和封堵及抑制型钻井液研究现状,为后期稳壁防偏钻井液配方的研制提供依据和参考。第二章:基于软弱土层空隙率高,压缩性强,粘土矿物丰富,亲水性较强,浸水发生软化膨胀降低地层孔壁强度及稳定性的工程特点。研究软弱土层物质组成和力学特性,探析一维固结和三轴剪切蠕变条件下的强度和变形机制,为探究增强软弱土层穿越的稳壁防偏钻井液技术奠定基础。第三章:通过分析软弱土层定向穿越孔壁失稳和钻孔偏斜的地质、技术、工艺和钻井液等因素,探析钻井液侵入软弱蠕变密闭地层、渗透地层和裂隙漏失地层的失稳破坏特征;建立钻孔造斜强度解析模型,该模型可以指导非开挖水平定向钻进施工时的方向控制,验证钻井液能够通过影响造斜强度继而引起钻孔轨迹偏斜这一理论。第四章:对封堵技术的作用机理进行分析,对封堵材料的评价方法进行总结,并对颗粒状、片状、纤维状堵漏材料以及纳米封堵材料进行优选和效果评价,优选出复合封堵剂配方。第五章:对粘土矿物水化膨胀机理进行分析、对抑制材料的评价方法进行总结,并对常规抑制剂以及表面活性剂进行优选和效果评价,优选出复合抑制剂配方。第六章:对水基钻井液的造浆粘土和降滤失剂进行优配,建立软弱地层穿越的稳壁防偏钻井液体系。对稳壁防偏钻井液体系进行室内评价,测试其基本性能,评价其抑制性、抗污染能力及抗温性能等,并对该钻井液体系进行现场应用评价,验证优选的钻井液体系是否能达到稳壁防偏的效果。通过上述研究工作,主要得到以下结论和认识:（1）软土的矿物成分以石英（51.1%）、长石（16.6%）、绿泥石（12.7%）为主,夹部分蒙脱石（5.3%）、伊利石（2.4%）和高岭石矿物（2.6%）;软土的化学成分以Si O2、Al2O3为主,二者含量占比的74.45%,远远高于其他化学成分Fe O、K2O、Ca O、Mn O、Na2O等。软弱土层含水率属于37～68%范围内,随着取样深度的增加,软弱地层的含水率不断下降。ωP范围在22%～36%之间;ωL实测值分布范围在50%～62%之间,主要集中在57%左右;IP在23～30之间,IL在0.25～1.11范围内。（2）原状软土的最大轴向应变为11.5%～14.5%范围内,重塑软土的最大轴向应变为13.5%～15.0%范围内,重塑软土峰值应变向后移动。原状软土的峰值轴向应力为21.6k Pa,重塑软土峰值轴向应力只有11.8k Pa,下降了45.4%。一维固结条件下,当软弱土层的应变在4.5%范围内时,应力呈现出近似直线上升的趋势。当应变超过4.5%,应力应变曲线的斜率表现为越来越大,应力值开始出现较大的差异性,非线性增强,应力-应变曲线呈现出发散式的倾斜直线趋势。三轴剪切蠕变条件下,孔压随时间变化趋势与应力时间变化趋势相似,都是在前期达到最大值,随后保持为一条近似平行于时间轴的直线,孔压趋向于一个稳定值,试样变形逐渐稳定,发生衰减蠕变。孔压随时间不断增加,但孔压的变化速率随着时间不断减小。（3）颗粒状堵漏材料封堵性能:3%QS-2>2%QS-1>2%OCX-1,泥饼渗透率降低率依次是38.75%、36.31%、31.99%;3种片状堵漏材料封堵性能:2%NTS-TP>1.5%NTS-M>1.5%NTS-S,泥饼渗透率降低率依次是23.58%、27.77%、29.54%;纤维状堵漏材料封堵性能:1.5%XFD-2>2.0%XFD-1>2.0%Asb-Ⅰ,泥饼渗透率降低率依次是32.52%、31.98%、17.34%。进一步通过纳米材料封堵软弱地层微纳米级孔缝,优选出遏制土层孔壁渗漏的封堵配方:3%QS-2+2%NTS-TP+1.5%XFD-2+1.0%纳米乳液+1.5%亲水型纳米Si O2+1.0%纳米Ca CO3,评价其堵漏效果良好,常压下、0.7MPa下的漏失分别仅为25ml和38ml,漏失率仅为4.58%。（4）随着抑制剂含量的增加,抑制效果增强。聚胺的含量回收率在23.67%～32.18%范围内,优选加量为0.6%;KHm回收率范围在23.52%～27.18%,优选加量为2%;PLUS回收率在32.78%～52.28%范围内,优选加量为0.6%;KPAM回收率范围在32.32%～45.58%,优选加量为0.3%;KCl回收率在25.32%～33.56%范围内,优选加量为0.6%。对优选的复配钻井液进行评价,表明双抑制剂复配条件下的滚动回收率保持在60.68%～68.95%;三抑制剂复配状态下的滚动回收率保持在75.25%～81.32%。并且说明复配的抑制剂（0.6%KCl+0.3%KPAM+0.6%PLUS）起到了良好的抑制土层水敏膨胀效果。（5）随着表面活性剂浓度的增加,土层接触角的变化基本都是先减小后增大再减小。其中接触角增大最明显的是浓度为0.01%的氟碳类表面活性剂SDBS和浓度为0.08%的氟碳类表面活性剂CTAB,其次是浓度为0.01%的阴离子表面活性剂AS-1。优选的复合表面活性剂为:0.01%氟碳类表面活性剂SDBS+0.08%CTAB+0.005%阴离子表面活性剂AS-1,降低亲水性效果最佳。（6）对优选出的稳壁防偏水基钻井液体系:6%膨润土+0.2%Na2CO3+3%QS-2+2%NTS-TP+1.5%XFD-2+1.0%纳米乳液+1.5%亲水型纳米Si O2+1.0%纳米Ca CO3+0.6%KCl+0.3%KPAM+0.6%PLUS+0.01%SDBS+0.08%CTAB+0.005%AS-1+0.4%HV-CMC+2.5%SMP-1,对其综合性能指标进行评价,测试其基本性能（密度、粘度、切力、滤失量等）,结果表明优选出的钻井液体系抑制性、抗盐抗钙能力、水活度、润滑性、抗污染以及温度稳定性效果良好。通过穿越工程案例对优选钻井液体系进行现场应用,验证了优选钻井液体系能起到稳壁防偏的作用。论文主要创新点如下:（1）系统研究了软弱土层在一维固结和三轴剪切条件下强度与变形特性,掌握多种状态下应力-应变、应变-时间以及孔压-时间的变化规律。（2）传统技术只考虑利用钻机或者钻具对穿越轨迹进行控制,本文提出了一种新型的穿越轨迹防偏钻井液方法,能够较好实现对穿越轨迹的精准控制效果。（3）在钻井液进行各种封堵和抑制等性能测试及评价的研究基础上,基于造浆粘土、颗粒状/片状/纤维状封堵材料、抑制剂、纳米材料、表面活性剂和降滤失剂优选,提出了一套适合软弱土层穿越的稳壁防偏水基钻井液体系,可为软弱地层水平定向钻进奠定技术基础。