復雜地質條件下彈性孔網材料堵漏性能研究

［關鍵詞］復雜地質條件；彈性；孔網材料；堵漏性能；裂縫；抗拉強度；壓縮回彈性

在復雜的地質條件下，各類地質結構的發育與滲漏都存在不均勻性，如防滲墻深度不足或處理質量不佳，會造成周圍施工區域內滲漏，嚴重影響施工質量，甚至可能威脅人身安全[1]。在鉆井作業當中，井漏現象是十分常見的，是一種由復雜地質環境引發的作業安全事故，一旦在鉆井的過程中出現井漏現象，則不僅會延誤鉆井的工期，還會造成巨大的經濟損失。當前針對復雜地質條件下產生的井漏現象，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、灌漿質量難控制等問題，很難實現有效堵漏[2]。近幾年來，隨著現代工藝技術的發展，一種全新的彈性孔網材料出現，操作簡單，針對一般地質條件區域可以達到堵漏效果，容易控制。但目前彈性孔網材料在復雜地質條件下的應用較少，針對該材料在復雜地質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材料的堵漏性能。

1. 材料與方法

1.1 實驗對象

復雜地質條件具有承壓能力差，在壓力作用下容易受到誘導產生開啟或閉合的特點，針對這一特殊地質條件及其封堵技術難點，探究彈性孔網材料堵漏性能，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材料作為本文實驗研究對象[3]。架橋堵漏彈性孔網材料以聚氨酯泡沫為主，堆積密度通常小于0.015g/cm3，開孔的泡孔結構具有更好的彈性。考慮到在復雜地質條件下對其進行探究，選擇不同材料以及不同泡孔規模的架橋堵漏彈性孔網材料，如表1所示。

選擇將上述#01～#06不同彈性孔網材料作為樣本，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定性應用優勢，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果具有更高的可靠性。利用該測試儀的軟件部分可實現對實時測量結果的顯示，并做到實時控制和數據處理，在實驗過程中可根據本文實驗設計需要，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，結合抗拉強度計算公式將測試儀得出的結果輸出。

2. 實驗結果分析

彈性孔網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生明顯的壓縮形變，進而針對不同開裂程度的裂縫產生更強的自適應性。其次，擠入裂縫的材料會在裂縫內部形成一個過濾網，并將裂縫結構轉變為孔網結構，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結構當中不斷累積，若被封堵的區域足夠大，則會有更多彈性孔網材料累積，與封堵隔墻形成相互協同作用，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果記錄，為了方便分析，將測試數據繪制成實驗結果，六種彈性孔網材料樣本壓縮變形測試結果如圖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。

六種彈性孔網材料樣本抗拉強度測試結果如圖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. 實驗結果討論

彈性孔網材料的壓縮回彈性能越好，說明對于復雜地質條件下產生的壓差作用越能發揮自轉向的特點，進而實現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果可以看出，在六種彈性孔網材料中，除了編號#03樣本，兩種彈性孔網類型相比，明顯阻燃型彈性孔網的25%、50%和75%壓縮永久變形率更低，說明泡孔規格為10目和8目的阻燃型彈性孔網具有良好的壓縮回彈性，而過濾型彈性孔網材料的壓縮回彈性較差。同時，通過對各自類型彈性孔網材料的不同泡孔規格進行比較可以看出，隨著泡孔數量的減少，兩種彈性孔網材料的25%、50%和75%壓縮永久變形率均呈現出明顯的上升趨勢。因此，可以得出，在應用彈性孔網材料對裂縫進行堵漏時，綜合考慮經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，選擇8目過濾型彈性孔網性能優于6目阻燃型彈性孔網。

大部分彈性孔網材料具有良好的抗拉強度，更加有利于在復雜地質條件下承受來自不同區域的應力作用，進而能夠形成強度更高的致密承壓封堵層，增加封堵層結構的剪力強度，實現對裂縫的堵漏。通過上述實驗及得到的六種彈性孔網材料樣本抗拉強度測試結果可以看出，與兩種彈性孔網材料相比，明顯阻燃型彈性孔網的抗拉性能更好。而分別對兩種彈性孔網材料的不同泡孔規格下的抗拉強度對比可以看出，阻燃型彈性孔網隨著泡孔數目的減少，其抗拉強度出現了明顯降低的趨勢，而過濾型彈性孔網材料#05樣本的抗拉強度明顯高于#04和#06樣本，其泡孔的規格變化與其抗拉強度并不存在比例關系。因此，綜合考慮經濟條件因素和材料性能因素，在應用孔網材料對復雜地質條件下產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，在泡孔規格上應當選擇10目或8目。因此，綜合上述兩個實驗測試結果得出，堵漏性能最佳的彈性孔網材料為10目阻燃型彈性孔網，其次為8目阻燃型彈性孔網。

4. 結束語

為實現對彈性孔網材料在復雜地質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果，在利用彈性孔網材料在復雜地質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，并盡可能選擇泡孔規格更多的材料。