復(fù)雜地質(zhì)條件下彈性孔網(wǎng)材料堵漏性能研究

［關(guān)鍵詞］復(fù)雜地質(zhì)條件；彈性；孔網(wǎng)材料；堵漏性能；裂縫；抗拉強(qiáng)度；壓縮回彈性

在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，各類地質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)育與滲漏都存在不均勻性，如防滲墻深度不足或處理質(zhì)量不佳，會(huì)造成周圍施工區(qū)域內(nèi)滲漏，嚴(yán)重影響施工質(zhì)量，甚至可能威脅人身安全[1]。在鉆井作業(yè)當(dāng)中，井漏現(xiàn)象是十分常見的，是一種由復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境引發(fā)的作業(yè)安全事故，一旦在鉆井的過程中出現(xiàn)井漏現(xiàn)象，則不僅會(huì)延誤鉆井的工期，還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)前針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下產(chǎn)生的井漏現(xiàn)象，主要采取的堵漏技術(shù)是灌漿，但在應(yīng)用中，這種堵漏方法存在耗漿量大、耗時(shí)長(zhǎng)、灌漿質(zhì)量難控制等問題，很難實(shí)現(xiàn)有效堵漏[2]。近幾年來，隨著現(xiàn)代工藝技術(shù)的發(fā)展，一種全新的彈性孔網(wǎng)材料出現(xiàn)，操作簡(jiǎn)單，針對(duì)一般地質(zhì)條件區(qū)域可以達(dá)到堵漏效果，容易控制。但目前彈性孔網(wǎng)材料在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用較少，針對(duì)該材料在復(fù)雜地質(zhì)條件下的堵漏效果評(píng)價(jià)研究更少。因此，需要全面分析彈性孔網(wǎng)材料的堵漏性能。

1. 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

復(fù)雜地質(zhì)條件具有承壓能力差，在壓力作用下容易受到誘導(dǎo)產(chǎn)生開啟或閉合的特點(diǎn)，針對(duì)這一特殊地質(zhì)條件及其封堵技術(shù)難點(diǎn)，探究彈性孔網(wǎng)材料堵漏性能，選擇具有可壓縮性、高回彈性以及耐高溫特點(diǎn)的架橋堵漏彈性孔網(wǎng)材料作為本文實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象[3]。架橋堵漏彈性孔網(wǎng)材料以聚氨酯泡沫為主，堆積密度通常小于0.015g/cm3，開孔的泡孔結(jié)構(gòu)具有更好的彈性。考慮到在復(fù)雜地質(zhì)條件下對(duì)其進(jìn)行探究，選擇不同材料以及不同泡孔規(guī)模的架橋堵漏彈性孔網(wǎng)材料，如表1所示。

選擇將上述#01～#06不同彈性孔網(wǎng)材料作為樣本，分別針對(duì)堵漏性能進(jìn)行探究。為了得到其堵漏性能，選擇對(duì)上述六個(gè)樣本的壓縮回彈性和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

為探究上述選擇的實(shí)驗(yàn)樣本在應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件中的壓縮回彈性，選擇型號(hào)為JX-6540壓縮回彈性測(cè)試儀對(duì)上述編號(hào)#01～#06不同彈性孔網(wǎng)材料壓縮永久變形進(jìn)行測(cè)量，并利用該測(cè)試儀當(dāng)中的智能芯片，將顯示屏上顯示的壓縮永久變形率進(jìn)行記錄[4]。該型號(hào)壓縮回彈性測(cè)試儀符合標(biāo)準(zhǔn)，容量可達(dá)450kg。

同時(shí)，為探究實(shí)驗(yàn)樣本的抗拉強(qiáng)度，選擇利用抗拉強(qiáng)度測(cè)試儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)試儀的測(cè)試速度為500±30mm/min，最大測(cè)試力可達(dá)到150kN，具有高性價(jià)比和高穩(wěn)定性應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠針對(duì)各類金屬和非金屬材料的拉伸、壓縮、剪切、撕裂等進(jìn)行測(cè)試[5]。表2為抗拉強(qiáng)度測(cè)試儀技術(shù)指標(biāo)參數(shù)對(duì)照表。

表2中測(cè)試儀的測(cè)量精度和準(zhǔn)確度均能夠滿足本文實(shí)驗(yàn)的精確度要求，通過該測(cè)試儀得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有更高的可靠性。利用該測(cè)試儀的軟件部分可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果的顯示，并做到實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，在實(shí)驗(yàn)過程中可根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要，對(duì)其控制方式和速度進(jìn)行靈活組合。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

首先，在對(duì)本文選擇的編號(hào)#01～#06不同彈性孔網(wǎng)材料的壓縮永久變形進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將分別受到25%、50%和70%的壓縮作用力的實(shí)驗(yàn)樣本利用JX-6540型號(hào)壓縮回彈性測(cè)試儀對(duì)其壓縮回彈性進(jìn)行測(cè)量，將樣本放置在試盤當(dāng)中，并利用兩側(cè)夾板加緊，在60min后將夾板打開，并釋放樣本，直到冷卻，測(cè)量樣本中心位置的厚度，并代入壓縮永久變形率計(jì)算公式，對(duì)樣本壓縮回彈率進(jìn)行計(jì)算。

其次，在對(duì)本文選擇的編號(hào)#01～#06不同彈性孔網(wǎng)材料的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將樣本寬度設(shè)置為15mm，將取樣長(zhǎng)度設(shè)置為不小于125mm，并確保標(biāo)距始終保持100mm，抗拉強(qiáng)度測(cè)試儀對(duì)樣本的變形率進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式將測(cè)試儀得出的結(jié)果輸出。

2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

彈性孔網(wǎng)材料堵漏的作用機(jī)理可概括為以下幾個(gè)方面：首先，通過彈性形變，將被充分壓縮的彈性孔網(wǎng)材擠入需要進(jìn)行堵漏的裂縫，材料受到底層壓力的作用會(huì)發(fā)生明顯的壓縮形變，進(jìn)而針對(duì)不同開裂程度的裂縫產(chǎn)生更強(qiáng)的自適應(yīng)性。其次，擠入裂縫的材料會(huì)在裂縫內(nèi)部形成一個(gè)過濾網(wǎng)，并將裂縫結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭拙W(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過對(duì)其他各類堵漏材料的捕獲形成更加立體的封堵隔墻，進(jìn)一步提高了堵漏材料在裂縫當(dāng)中的滯留程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)堵漏成功概率的不斷提升。最后，在裂縫當(dāng)中添加的各類填充材料會(huì)在過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)當(dāng)中不斷累積，若被封堵的區(qū)域足夠大，則會(huì)有更多彈性孔網(wǎng)材料累積，與封堵隔墻形成相互協(xié)同作用，并達(dá)到對(duì)外界載荷的承擔(dān)，提高裂縫封堵層的致密承壓能力，達(dá)到堵漏效果。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法，將分別完成壓縮回彈性測(cè)試和抗拉強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄，為了方便分析，將測(cè)試數(shù)據(jù)繪制成實(shí)驗(yàn)結(jié)果，六種彈性孔網(wǎng)材料樣本壓縮變形測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，#06的25%、50%和75%壓縮作用力下永久變形率最高，分別為17.25%、18.25%和18.50%，其次為#05，而#01的25%、50%和75%壓縮永久變形率最低，分別為43.75%、4.28%和5.00%。25%、50%和75%壓縮作用力對(duì)比，六種彈性孔網(wǎng)材料樣本壓縮變形測(cè)試中，75%壓縮力變形最高，50%壓縮力居中，25%壓縮力最低。

六種彈性孔網(wǎng)材料樣本抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，在25%、50%和75%壓縮作用力下，#01的抗拉強(qiáng)度最高，為152.35kPa，其次為#02，#04的抗拉強(qiáng)度最低，為102.44kPa。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

彈性孔網(wǎng)材料的壓縮回彈性能越好，說明對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下產(chǎn)生的壓差作用越能發(fā)揮自轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)各類不同開度裂縫的自適應(yīng)堵漏，達(dá)到堵漏效果，反之同理。從上述實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果可以看出，在六種彈性孔網(wǎng)材料中，除了編號(hào)#03樣本，兩種彈性孔網(wǎng)類型相比，明顯阻燃型彈性孔網(wǎng)的25%、50%和75%壓縮永久變形率更低，說明泡孔規(guī)格為10目和8目的阻燃型彈性孔網(wǎng)具有良好的壓縮回彈性，而過濾型彈性孔網(wǎng)材料的壓縮回彈性較差。同時(shí)，通過對(duì)各自類型彈性孔網(wǎng)材料的不同泡孔規(guī)格進(jìn)行比較可以看出，隨著泡孔數(shù)量的減少，兩種彈性孔網(wǎng)材料的25%、50%和75%壓縮永久變形率均呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。因此，可以得出，在應(yīng)用彈性孔網(wǎng)材料對(duì)裂縫進(jìn)行堵漏時(shí)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)條件因素和材料性能因素，應(yīng)當(dāng)選擇采用10目和8目的阻燃型彈性孔網(wǎng)，選擇8目過濾型彈性孔網(wǎng)性能優(yōu)于6目阻燃型彈性孔網(wǎng)。

大部分彈性孔網(wǎng)材料具有良好的抗拉強(qiáng)度，更加有利于在復(fù)雜地質(zhì)條件下承受來自不同區(qū)域的應(yīng)力作用，進(jìn)而能夠形成強(qiáng)度更高的致密承壓封堵層，增加封堵層結(jié)構(gòu)的剪力強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的堵漏。通過上述實(shí)驗(yàn)及得到的六種彈性孔網(wǎng)材料樣本抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可以看出，與兩種彈性孔網(wǎng)材料相比，明顯阻燃型彈性孔網(wǎng)的抗拉性能更好。而分別對(duì)兩種彈性孔網(wǎng)材料的不同泡孔規(guī)格下的抗拉強(qiáng)度對(duì)比可以看出，阻燃型彈性孔網(wǎng)隨著泡孔數(shù)目的減少，其抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯降低的趨勢(shì)，而過濾型彈性孔網(wǎng)材料#05樣本的抗拉強(qiáng)度明顯高于#04和#06樣本，其泡孔的規(guī)格變化與其抗拉強(qiáng)度并不存在比例關(guān)系。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)條件因素和材料性能因素，在應(yīng)用孔網(wǎng)材料對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行堵漏時(shí)，在類型選擇上，應(yīng)當(dāng)選擇阻燃型彈性孔網(wǎng)，在泡孔規(guī)格上應(yīng)當(dāng)選擇10目或8目。因此，綜合上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果得出，堵漏性能最佳的彈性孔網(wǎng)材料為10目阻燃型彈性孔網(wǎng)，其次為8目阻燃型彈性孔網(wǎng)。

4. 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性孔網(wǎng)材料在復(fù)雜地質(zhì)條件下應(yīng)用的堵漏性能研究，開展上述實(shí)驗(yàn)，并通過兩種性能測(cè)試的方法，綜合證明了不同類型彈性孔網(wǎng)材料的壓縮回彈性和抗拉強(qiáng)度特性。綜合實(shí)驗(yàn)及得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在利用彈性孔網(wǎng)材料在復(fù)雜地質(zhì)條件下對(duì)裂縫進(jìn)行堵漏時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能選擇阻燃型彈性孔網(wǎng)，并盡可能選擇泡孔規(guī)格更多的材料。