復雜地質(zhì)條件下彈性孔網(wǎng)材料堵漏性能研究

［關鍵詞］復雜地質(zhì)條件；彈性；孔網(wǎng)材料；堵漏性能；裂縫；抗拉強度；壓縮回彈性

在復雜的地質(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，會造成周圍施工區(qū)域內(nèi)滲漏，嚴重影響施工質(zhì)量，甚至可能威脅人身安全[1]。在鉆井作業(yè)當中，井漏現(xiàn)象是十分常見的，是一種由復雜地質(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，則不僅會延誤鉆井的工期，還會造成巨大的經(jīng)濟損失。當前針對復雜地質(zhì)條件下產(chǎn)生的井漏現(xiàn)象，主要采取的堵漏技術是灌漿，但在應用中，這種堵漏方法存在耗漿量大、耗時長、灌漿質(zhì)量難控制等問題，很難實現(xiàn)有效堵漏[2]。近幾年來，隨著現(xiàn)代工藝技術的發(fā)展，一種全新的彈性孔網(wǎng)材料出現(xiàn)，操作簡單，針對一般地質(zhì)條件區(qū)域可以達到堵漏效果，容易控制。但目前彈性孔網(wǎng)材料在復雜地質(zhì)條件下的應用較少，針對該材料在復雜地質(zhì)條件下的堵漏效果評價研究更少。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 實驗對象

復雜地質(zhì)條件具有承壓能力差，在壓力作用下容易受到誘導產(chǎn)生開啟或閉合的特點，針對這一特殊地質(zhì)條件及其封堵技術難點，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的架橋堵漏彈性孔網(wǎng)材料作為本文實驗研究對象[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。考慮到在復雜地質(zhì)條件下對其進行探究，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，分別針對堵漏性能進行探究。為了得到其堵漏性能，選擇對上述六個樣本的壓縮回彈性和抗拉強度進行評價。

1.2 實驗材料與設備

為探究上述選擇的實驗樣本在應用于復雜地質(zhì)條件中的壓縮回彈性，選擇型號為JX-6540壓縮回彈性測試儀對上述編號#01～#06不同彈性孔網(wǎng)材料壓縮永久變形進行測量，并利用該測試儀當中的智能芯片，將顯示屏上顯示的壓縮永久變形率進行記錄[4]。該型號壓縮回彈性測試儀符合標準，容量可達450kg。

同時，為探究實驗樣本的抗拉強度，選擇利用抗拉強度測試儀對其進行測量。該測試儀的測試速度為500±30mm/min，最大測試力可達到150kN，具有高性價比和高穩(wěn)定性應用優(yōu)勢，能夠針對各類金屬和非金屬材料的拉伸、壓縮、剪切、撕裂等進行測試[5]。表2為抗拉強度測試儀技術指標參數(shù)對照表。

表2中測試儀的測量精度和準確度均能夠滿足本文實驗的精確度要求，通過該測試儀得出的實驗結(jié)果具有更高的可靠性。利用該測試儀的軟件部分可實現(xiàn)對實時測量結(jié)果的顯示，并做到實時控制和數(shù)據(jù)處理，在實驗過程中可根據(jù)本文實驗設計需要，對其控制方式和速度進行靈活組合。

1.3實驗方法

首先，在對本文選擇的編號#01～#06不同彈性孔網(wǎng)材料的壓縮永久變形進行測量時，將分別受到25%、50%和70%的壓縮作用力的實驗樣本利用JX-6540型號壓縮回彈性測試儀對其壓縮回彈性進行測量，將樣本放置在試盤當中，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，測量樣本中心位置的厚度，并代入壓縮永久變形率計算公式，對樣本壓縮回彈率進行計算。

其次，在對本文選擇的編號#01～#06不同彈性孔網(wǎng)材料的抗拉強度進行測量時，將樣本寬度設置為15mm，將取樣長度設置為不小于125mm，并確保標距始終保持100mm，抗拉強度測試儀對樣本的變形率進行測量，結(jié)合抗拉強度計算公式將測試儀得出的結(jié)果輸出。

2. 實驗結(jié)果分析

彈性孔網(wǎng)材料堵漏的作用機理可概括為以下幾個方面：首先，通過彈性形變，將被充分壓縮的彈性孔網(wǎng)材擠入需要進行堵漏的裂縫，材料受到底層壓力的作用會發(fā)生明顯的壓縮形變，進而針對不同開裂程度的裂縫產(chǎn)生更強的自適應性。其次，擠入裂縫的材料會在裂縫內(nèi)部形成一個過濾網(wǎng)，并將裂縫結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭拙W(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過對其他各類堵漏材料的捕獲形成更加立體的封堵隔墻，進一步提高了堵漏材料在裂縫當中的滯留程度，實現(xiàn)對堵漏成功概率的不斷提升。最后，在裂縫當中添加的各類填充材料會在過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)當中不斷累積，若被封堵的區(qū)域足夠大，則會有更多彈性孔網(wǎng)材料累積，與封堵隔墻形成相互協(xié)同作用，并達到對外界載荷的承擔，提高裂縫封堵層的致密承壓能力，達到堵漏效果。

根據(jù)上述實驗方法，將分別完成壓縮回彈性測試和抗拉強度測試實驗結(jié)果記錄，為了方便分析，將測試數(shù)據(jù)繪制成實驗結(jié)果，六種彈性孔網(wǎng)材料樣本壓縮變形測試結(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%壓縮作用力對比，六種彈性孔網(wǎng)材料樣本壓縮變形測試中，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)材料樣本抗拉強度測試結(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的抗拉強度最高，為152.35kPa，其次為#02，#04的抗拉強度最低，為102.44kPa。

3. 實驗結(jié)果討論

彈性孔網(wǎng)材料的壓縮回彈性能越好，說明對于復雜地質(zhì)條件下產(chǎn)生的壓差作用越能發(fā)揮自轉(zhuǎn)向的特點，進而實現(xiàn)對各類不同開度裂縫的自適應堵漏，達到堵漏效果，反之同理。從上述實驗得出的結(jié)果可以看出，在六種彈性孔網(wǎng)材料中，除了編號#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，通過對各自類型彈性孔網(wǎng)材料的不同泡孔規(guī)格進行比較可以看出，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。因此，可以得出，在應用彈性孔網(wǎng)材料對裂縫進行堵漏時，綜合考慮經(jīng)濟條件因素和材料性能因素，應當選擇采用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度，更加有利于在復雜地質(zhì)條件下承受來自不同區(qū)域的應力作用，進而能夠形成強度更高的致密承壓封堵層，增加封堵層結(jié)構(gòu)的剪力強度，實現(xiàn)對裂縫的堵漏。通過上述實驗及得到的六種彈性孔網(wǎng)材料樣本抗拉強度測試結(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。而分別對兩種彈性孔網(wǎng)材料的不同泡孔規(guī)格下的抗拉強度對比可以看出，阻燃型彈性孔網(wǎng)隨著泡孔數(shù)目的減少，其抗拉強度出現(xiàn)了明顯降低的趨勢，而過濾型彈性孔網(wǎng)材料#05樣本的抗拉強度明顯高于#04和#06樣本，其泡孔的規(guī)格變化與其抗拉強度并不存在比例關系。因此，綜合考慮經(jīng)濟條件因素和材料性能因素，在應用孔網(wǎng)材料對復雜地質(zhì)條件下產(chǎn)生的裂縫進行堵漏時，在類型選擇上，應當選擇阻燃型彈性孔網(wǎng)，在泡孔規(guī)格上應當選擇10目或8目。因此，綜合上述兩個實驗測試結(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

為實現(xiàn)對彈性孔網(wǎng)材料在復雜地質(zhì)條件下應用的堵漏性能研究，開展上述實驗，并通過兩種性能測試的方法，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度特性。綜合實驗及得出的實驗結(jié)果，在利用彈性孔網(wǎng)材料在復雜地質(zhì)條件下對裂縫進行堵漏時，應當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。