基于遇水膨脹橡膠的分層抽水管外止水新方法及其優化

鄭向華，袁 偉，羅運祥，成 聰

基于遇水膨脹橡膠的分層抽水管外止水新方法及其優化

鄭向華1，袁 偉2，羅運祥2，成 聰3

(1. 成都工業學院 智能制造學院，四川 成都 611730；2. 四川省地質工程勘察院集團有限公司，四川 成都 610032；3. 西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

分層抽水試驗是水文地質勘探的重要技術內容。針對傳統分層抽水管外止水方法效率低、可靠性及可控性差等難題，利用聚丙烯酸鈉樹脂的高吸水特性，開發了遇水膨脹橡膠，提出一種基于遇水膨脹橡膠的管外止水新方法，并采用響應面法對該新方法進行了優化研究。以吸水膨脹率為響應指標，通過Box-Behnken試驗設計構建代理模型，探究不同工藝、工況參數及其交互作用對橡膠吸水膨脹性能的影響，達到優化工藝、預測工況的雙重目的。結果表明：遇水膨脹橡膠的最佳工況和工藝參數組合為水溶液pH值7.0、吸水時間136 h、聚丙烯酸鈉添加量61份、改性芳綸短纖維添加量4.5份。最后，研制了基于遇水膨脹橡膠的管外止水裝置，經試驗驗證了所提方法的可行性，對地下水資源勘探利用具有工程應用價值。

分層抽水；管外止水；遇水膨脹橡膠；吸水膨脹率；響應面法；代理模型

在水文地質勘探工作中，地下分層抽水試驗至關重要，是有效獲取地下水的化學場、動力場、溫度場等數據的技術途徑。通過對地下水資源進行精準勘測，科學描述地下空間水資源分布情況，這對于地下水資源的合理開發與可持續利用具有重要工程意義。而在地下井孔內開展分層抽水試驗時，要求地質結構保持一定的穩定性，防止抽水井孔坍塌導致測試失效。因此，在地下水井孔成型以后，需下放套管對孔壁進行支撐。而套管與孔壁間通常會預留一定的間隙保證套管順利下放，但同時也引起多個含水層之間發生水交換，嚴重影響了對不同含水層的有效勘測[1]。

基于此，需要對隔水層段的套管外間隙進行封堵止水。近年來，眾多學者圍繞解決管外止水問題開展了有益的探索。張建良[2]、張云峰等[3]利用海帶的遇水膨脹特性，當下放管道時，在分層目的段的管道外纏繞厚海帶，達到管外止水效果。在套管外全間隙孔段回填介質材料永久止水也是一種常用的隔水方法。根據取樣水位不同，王海波[4]、萬億[5]等以水泥漿液作為止水材料，李學良[6]、趙宗昌[7]、郝國利[8]等以礫、黏土球為止水材料，待介質凝固或填充充分后進行第一層水質取樣，封口后再次鉆擴孔，重復上述流程進行下一含水層止水取樣。綜上所述，現有的管外分層止水方法多采用海帶止水或雙封隔器灌注水泥的方式實現，存在諸多不足。如采用海帶止水法時，由于死海帶在水中長時間浸泡，會逐漸全部軟化成為液體而失去應有的止水效果，可靠性較差；如采用雙封隔器灌注水泥的方式分層止水時，需要進行深井填料工序[9]。由于套管與孔壁之間的間隙較小，加之套管下放后可能存在部分孔壁坍塌現象，導致濾料回填不密實、不充分。即便進行預先洗井操作，也不能讓水泥漿濾料介質完全填滿，無法在預期的目的段實現有效封堵，人為可控性較差，且施工周期超長。

遇水膨脹橡膠作為一種新型的止水材料，具有優異的止水堵漏功能，既能適應結構形變，起彈性密封作用，又具有吸水膨脹，遇水止水的特殊功效[9]，廣泛應用于城市地鐵、高鐵隧道、地下室/車庫、地下變電站、油田和大壩等各種地下工程的防水密封[10]。為了克服現有地下水分層抽水試驗管外分層止水方法的不足，本文利用聚丙烯酸鈉樹脂的高吸水特性，開發了基于聚丙烯酸鈉樹脂的遇水膨脹橡膠，研究其膨脹變形特性，研發基于遇水膨脹橡膠的管外止水裝置和管外止水方法，以期為水文地質勘探工程領域高效能、高可靠度、高可控性管外止水的實現提供新策略。

1 分層抽水管外止水新方法

圖1為本文所建立的分層抽水管外止水技術原理，止水工作的實現主要依靠高吸水樹脂膨脹筒裝置(簡稱膨脹筒裝置)，即管外止水裝置而實現。膨脹筒裝置由膨脹筒及用于防止膨脹筒錯位或脫落的固定卡環構成，兩兩為一組，嵌套固定在套管外壁(局部設有透水通孔)，依靠緊定螺釘實現軸向及周向定位。膨脹筒的材料為遇水膨脹橡膠，基于聚丙烯酸鈉樹脂制得。利用聚丙烯酸鈉樹脂的高吸水特性，當膨脹筒(成型的遇水膨脹橡膠)與水接觸時，水分子不斷地通過擴散、毛細及表面吸附等物理作用進入遇水膨脹橡膠內，與橡膠中的親水性基團形成極強的親和力，使橡膠發生膨脹形變，從而封閉限定指定深度地下水分層目的區。

圖1 遇水膨脹橡膠的分層抽水管外止水原理

為了滿足分層抽水試驗不同水文孔施工周期要求，調整膨脹筒制備過程中聚丙烯酸鈉(膨化劑)與改性芳綸短纖維(補強劑)原料的配比，一定程度實現吸水時間及膨脹率可控，其具體原理如下：

(1) 以丁腈橡膠(NBR)為基體原料(100質量份)、聚丙烯酸鈉添加量40～80份、改性芳綸短纖維添加量0～8份、炭黑添加量20份、白炭黑添加量20份，采用物理機械共混法制備混煉膠，再經硫化成型制得遇水膨脹橡膠。其中，遇水膨脹橡膠成型時為便于包覆試驗套管外的筒狀，成型的膨脹筒其外徑應小于試驗水文孔的直徑。

(2) 根據地下分層抽水試驗深度，在試驗套管預計下放深度位置嵌套固定若干膨脹筒裝置。其中，每2個膨脹筒裝置為一組，封閉限定一個地下水分層目標區。并且，膨脹筒的長度設計隨下放深度的增加而增加，以形成用于抵抗相應水深壓力的摩擦阻力，即滿足：

(3) 將嵌套有膨脹筒裝置的試驗套管下放至抽水井孔中指定試驗深度位置后，靜置一段時間。靜置時間的選擇根據步驟①中加入膨化劑、補強劑的比例而不同，可視具體工況調整。

(4)膨脹筒在試驗套管與抽水井壁的間隙中遇水膨脹，封閉間隙，并產生相當的擠壓應力，阻斷套管外試驗深度區間內潛水層與承壓層之間的水流動，達到管外止水的目的。

(5) 在試驗套管內下放內封隔器(用于管內止水)和潛水泵至試驗分層位置，從而完成地下水分層抽水試驗。

2 遇水膨脹橡膠的吸水膨脹性能研究

吸水膨脹率是反映橡膠止水性能的重要指標，其測定方法[12-14]如下：將硫化后的橡膠制成尺寸大小為2 cm×2 cm×0.2 cm的試樣，稱重，記錄，數據精確至0.001 g；將上述橡膠試樣置于盛有蒸餾水的燒杯中，浸泡一段時間后取出，用濾紙迅速吸去其表面多余水分后，稱重并記錄，數據精確至0.001 g；按下式計算其吸水膨脹率。

式中：為橡膠試樣的吸水膨脹率，%；1、2分別為橡膠試樣吸水前后的質量，g。

2.1 響應面試驗設計與預測建模

遇水膨脹橡膠在工作過程中的吸水膨脹表現受到工藝參數和工況參數等多重影響。為探索多因素耦合作用下遇水膨脹橡膠的吸水膨脹規律，采用響應面法(Response Surface Methodology，RSM)構建不同影響因子與吸水膨脹率關系的代理模型[15-18]。基于Box-Behnken(BBD)試驗設計[19-20]，選取吸水膨脹率的4個關鍵影響因素：水溶液pH值、吸水時間、聚丙烯酸鈉添加量、改性芳綸短纖維添加量進行四因素三水平的響應面試驗，共計29個采樣點。這里，為提高模型的適用性，考慮不同地區地下水pH值條件差異，水溶液pH值的水平區間選1～14；考慮不同原料配比的遇水膨脹橡膠在不同酸堿度水質條件下的吸水性能差異，為保證橡膠充分吸水作用，吸水時間保守估計以12～168 h為例進行研究；聚丙烯酸鈉添加量和改性芳綸短纖維添加量水平區間的選擇是在單因素預實驗的基礎上，優選具有代表性的特征區間，即分別以40～80份、0～8份為例探究其對膨脹變形特性的交互影響。試驗設計方案及結果見表1。

應用Design Expert軟件對上述樣本數據進行統計分析，采用最小二乘法擬合因素與響應值之間的函數關系，建立吸水膨脹率的數學預測模型[18]：

表1 響應面試驗設計方案及結果

各因子對吸水膨脹率的影響程度可通過值檢驗得知。值越大，則相應因子對響應量的貢獻越大，即影響程度越高，由表2可知，單因素對吸水膨脹率的影響由大到小順序為：吸水時間、聚丙烯酸鈉添加量、水溶液pH值、改性芳綸短纖維添加量。

2.2 響應面分析

圖4給出了不同因素及其交互作用對遇水膨脹橡膠吸水膨脹率的影響分布。

如圖4a所示，在吸水時間方向曲面出現較大幅度波動，表明吸水時間在交互作用中貢獻較大，對吸水膨脹率的影響較水溶液pH值影響顯著。當吸水時間一定時，吸水膨脹率隨水溶液pH值的增加呈現先增后減的變化規律，最適pH水平近中性。而強酸強堿環境會明顯抑制止水橡膠吸水膨脹性能，這是因為強酸堿會腐蝕橡膠制品，加速其老化失效，失去橡膠制品的固有力學特性；當水溶液pH值一定時，隨著吸水時間的增加，吸水膨脹率呈現先增加后趨于平緩的趨勢，在90～168 h范圍內出現極大值，這是因為吸水初期過程，橡膠材料內、外存在明顯的水分子濃度梯度，水分子自由擴散加速了橡膠材料的溶脹。當吸水達到飽和狀態，水分子的內外擴散處于動態平衡，橡膠膨脹率趨于穩定。

表2 吸水膨脹率回歸方程的方差分析結果

注： **表示差異極顯著，<0.01；*表示差異顯著，<0.05；N表示無顯著性差異，0.05。

圖2 殘差圖

圖3 吸水膨脹率實際值與預測值的關系

如圖4b所示，水溶液pH值–聚丙烯酸鈉添加量交互作用曲面呈現上凸拋物曲面狀，吸水膨脹率隨水溶液pH值和聚丙烯酸鈉添加量的增加均呈先升后降趨勢變化。適量的聚丙烯酸鈉的添加可促進吸水膨脹率的提升，這是因為聚丙烯酸鈉親水基團具有極強的吸濕性，同時可改善橡膠材料分子的凝聚性和黏彈性。隨著聚丙烯酸鈉用量的增加，吸水膨脹率不斷高升，橡膠基體與吸水樹脂聚丙烯酸鈉界面間隙不斷增大而致使其析出，同時導致聚丙烯酸鈉在橡膠基體內分布不均，影響橡膠的物理機械性能。由此，過量的聚丙烯酸鈉可能導致橡膠的吸水膨脹性能顯著下降[21-22]。取適中水平：水溶液pH值7.5、聚丙烯酸鈉添加量60份時，有利于提高橡膠的吸水膨脹表現。

圖4 不同因素交互效應對吸水膨脹率的影響

如圖4c所示，吸水膨脹率隨水溶液pH值和改性芳綸短纖維添加量的增加均呈先增后減變化，相較而言，水溶液pH值方向曲面變化幅度較大，表明水溶液pH值較改性芳綸短纖維添加量的影響更大。改性芳綸短纖維添加量作為增強填料，主要通過影響橡膠材料的剛度和強度來影響吸水膨脹性能[21]。當改性芳綸短纖維添加量少于4份時，吸水膨脹橡膠的硬度增大、拉伸強度提高，橡膠吸水過程中的質量損失率減小，此時吸水膨脹率與該因子呈正相關關系；當其添加量繼續增加至過量，過高的橡膠硬度限制其形變能力，降低吸水膨脹率，二者相關關系發生轉折，改性芳綸短纖維添加量的最適水平約為4份。

如圖4d所示，吸水時間–聚丙烯酸鈉添加量交互作用曲面縱向跨度較大，表明二者交互作用對吸水膨脹率影響顯著。僅考慮二者交互作用下的優化工藝集中于吸水時間90～168 h、聚丙烯酸鈉添加量50～70份水平。

如圖4e所示，吸水膨脹率隨改性芳綸短纖維添加量的增加呈先增后減變化規律。當改性芳綸短纖維添加量處于最適水平4份時，吸水膨脹率隨吸水時間增加先大幅增加，至129 h附近時出現最大值，而后趨于不變或小幅下降。

如圖4f所示，聚丙烯酸鈉添加量–改性芳綸短纖維添加量交互作用曲面對稱性相對較好，表明二因素對吸水膨脹率程度相當。當聚丙烯酸鈉添加量小于60份時，吸水膨脹率與該因素呈正相關關系；當聚丙烯酸鈉添加量大于60份時，二者相關關系發生轉折。可見，聚丙烯酸鈉添加量的最優水平約為60份，同理，改性芳綸短纖維添加量的最佳參數為4份。

2.3 工況及工藝參數優化

為進一步確定全局最優解，以吸水膨脹率最高為優化目標，對所構建的代理模型式(3)進行迭代求解，得到多因素耦合作用下的吸水膨脹率優化結果：最適工況參數為水溶液pH值 6.937、吸水時間 136.253 h，最佳制備工藝參數為聚丙烯酸鈉添加量 61.058份、改性芳綸短纖維添加量 4.470份，在此條件下模型預測的吸水膨脹率最高可達494.394%。

3 試驗驗證

3.1 優化結果驗證

根據2.3節中響應面代理模型預測結果，結合實際因素水平設置的可行性，進行3次平行試驗，見表3，試驗測得遇水膨脹橡膠的吸水膨脹率為(488.51±6.65)%，與上述模型預測結果相近，相對誤差為1.19%，表明基于響應面代理模型分析優化膨脹橡膠吸水膨脹率的方法有效可行。

表3 吸水膨脹性能平行試驗結果

3.2 應用實例驗證

基于本文研究開發了一種基于遇水膨脹橡膠的分層抽水管外止水裝置，如圖5所示。其中，按3.1節中的工藝參數優化解進行膨脹筒材料制備，即聚丙烯酸鈉添加量61份、改性芳綸短纖維添加量4.5份，尺寸規格為168 mm×200 mm×250 mm(內徑×外徑×長度)。在某市地下空間水資源勘察工程中，應用該裝置開展一孔多含水層分層抽水試驗，并對所建立的響應面代理模型及基于遇水膨脹橡膠的管外止水技術效果進行驗證。

圖5 管外止水裝置

該地區揭露的地層由上至下巖性特征及含水層賦存情況如下：

①耕植土層，深度0～0.9 m；

②含礫粗砂及砂卵礫石層，深度0.9～30 m，含水層段厚度合計約8 m；

③粉質黏土層，深度30～42 m，為隔水層；

④砂卵石層，深度42～63 m，含水層段厚度合計約20 m；

⑤含土砂礫卵石及砂土層，深度63～100 m，含水層段厚度總計約5.5 m。

試驗井(孔)結構按單孔同孔徑設計，鉆孔為?220 mm，井深100 m。據表4中不同含水層內管外止水裝置的吸水測試結果顯示，所構建的響應面代理模型對遇水膨脹橡膠吸水時長具有良好的預測效果，潛水層和承壓水層環境下的相對誤差分別為5.78%和3.89%。進一步，采用抽水試驗檢驗管外止水效果，具體內容如下：管外止水裝置將多含水層分隔為上、中、下3部分，對中間含水層段開展抽水試驗，達到最大降深值后穩定30 min。通過水位壓力傳感器分別對上、中、下含水層的不間斷測量發現，水位波動幅度均不超過1%，表明基于遇水膨脹橡膠的管外止水方法行之有效。

表4 代理模型預測精度驗證

4 結論

a.針對水文地質勘探工作中分層抽水管外止水技術難題，提出一種基于遇水膨脹橡膠的分層抽水管外止水新方法，利用聚丙烯酸鈉樹脂的高吸水特性制得遇水膨脹橡膠，遇水膨脹橡膠通過吸水膨脹產生結構變形，不僅能夠填滿套管與鉆孔壁間的不規則間隙，且能夠產生較大的膨脹接觸壓力，有效防止滲漏，具有可靠的分層封閉止水效果和更長效、便于控制的技術效果。

b. 采用響應面法，構建了遇水膨脹橡膠工藝及工況參數與其吸水膨脹率關系的代理模型，揭示了不同因素及其交互作用對橡膠吸水膨脹性能的影響規律，實現優化工藝，改善橡膠止水性能；預測工況，提高方法的可控性。優化結果表明：遇水膨脹橡膠的最佳工況–工藝組合為水溶液pH值7.0、吸水時間136 h、聚丙烯酸鈉添加量61份、改性芳綸短纖維添加量4.5份。

c. 試驗結果表明，本文所建立的響應面代理模型具有較高的預測精度，對遇水膨脹橡膠吸水膨脹率的預測誤差為1.19%，對某潛水層和承壓水層環境下吸水時長的預測誤差分別為5.78%和3.89%；所提出的基于遇水膨脹橡膠的分層抽水管外止水方法具備可行性，一定程度上可為水文地質勘探孔分層抽水試驗的順利實施提供科學指導。

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New method and optimization research on water sealing outside casing based on water-swelling rubber for stratified pumping

ZHENG Xianghua1, YUAN Wei2, LUO Yunxiang2, CHENG Cong3

(1. School of Intelligent Manufacturing, Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China; 2. Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation Group Co., Ltd, Chengdu 610032, China; 3. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Stratified pumping test is a key technique for hydrogeological exploration. To solve the problems of low efficiency and poor reliability and controllability of the traditional water-sealing methods outside casing for stratified pumping, a water-swelling rubber was developed based on high water absorption of the sodium polyacrylate resin, and a new approach based on water-swelling rubber was proposed and optimized by the response surface methodology in this paper. With the water swelling ratio of the rubber as response index, a surrogate model was constructed by the Box-Behnken experimental design to study the influence of different process parameters, working condition parameters, and their interaction on the water-swelling performance. Furthermore, the preparation process of water-swelling rubber was optimized and its working condition was predicted. Optimization results indicate that theoptimum combination of working conditions and preparation process parameters of water-swelling rubber includes aqueous solution at pH 7.0, water absorption time of 136 h, sodium polyacrylate 61 phr, andmodified aramid short fiber 4.5 phr. Finally, thewater-sealing device outside casing was developed, and the feasibility of the proposed method was verified through experiments, which has engineering value for the exploration and utilization of groundwater resources.

stratified pumping; water sealing outside casing; water-swelling rubber; water swelling ratio; response surface methodology; surrogate model

語音講解

TD12

A

1001-1986(2021)06-0151-09

2021-06-07；

2021-08-23

中國地質調查局地質調查項目(DD20190128)；成都工業學院校級科研項目(理工科重點)(2019ZR011)

鄭向華，1977年生，女，黑龍江嫩江人，碩士，副教授，從事工程裝備設計研究工作.E-mail：zhengxh2021@163.com

鄭向華，袁偉，羅運祥，等. 基于遇水膨脹橡膠的分層抽水管外止水新方法及其優化[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(6)：151–159. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.018

ZHENG Xianghua，YUAN Wei，LUO Yunxiang，et al. New method and optimization research on water sealing outside casing based on water-swelling rubber for stratified pumping[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：151–159. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.018

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(責任編輯 周建軍)