一种用于堵漏施工的速凝抗冲复合灌浆材料研究

2022-07-08王晓飞

四川水利 2022年3期

王晓飞

(中国水电基础局有限公司三公司，成都，610213)

灌浆工程中需要面对的地质条件比较复杂，传统膏浆[1]主要在素水泥浆中添加膨润土、粉煤灰和一定量的减水剂，作为常规施工尚可，但无法在大渗漏量、高压力大流量涌水的复杂地层中形成有效帷幕。为了解决此类问题，需要一种速凝、有良好抗水流稀释、冲击特性，可以根据灌浆需要调整和控制凝结时间，浆液在水中凝结后有一定强度的高性能灌浆材料。基于上述问题及需求，本文开展速凝抗冲复合灌浆材料研究。

1 研究目的及方法

1.1 研究目的

通过在水泥浆中添加外加剂来调节水泥浆液的性能，以有机高分子化合物取代传统膏浆中的膨润土、粉煤灰等添加剂，大幅改善浆液性能，增强浆液抵抗动水冲刷能力，有效减少浆液凝结时间，施工简便、环保。

1.2 研究方法

以硫铝酸盐水泥材料为基材，应用桥接堵漏技术[2]研发一种速凝抗冲复合材料，该材料的研究以施工简单、速凝、抗冲、固化强度高为指导思想。优选无机胶凝材料、填充剂、外掺料、缓凝剂等材料配制可固化复合灌浆材料，利用各组成物之间发生的一系列复杂的物理、化学变化，使其在水流的剪切作用下具有良好的抗冲性，进入通道后，其快速固结能力与可控的延展性使通道胶结为一体，根据现场灌浆的实际情况，可通过调节配料比例以调节浆液的密度、流变性、触变性以及凝结时间、固化强度。

2 外掺料的选择

2.1 微硅粉

2.1.1 微硅粉对灌浆剂性能的影响

微硅粉是冶炼铁合金过程中得到的副产品。在建筑、水电、冶金等部门应用已有多年历史。微硅的主要成分是非晶态二氧化硅，密度为2.69g/cm3；粒径远小于水泥，粒径分布为0.02μm～0.5μm，比表面积则远大于水泥，用氮吸附法(BET法)测定的比表面积高达15m2/g～25m2/g。

微硅粉能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体。它主要用作水泥的掺料可提高水泥石的抗渗性能，提高水泥浆的稳定性。

2.1.2 微硅掺量对强度的影响

表1、图1是微硅掺量对强度的影响情况，从表1、图1可以看出，随着微硅掺量的增加，水泥浆的密度、强度呈现下降趋势，但是基本能够满足灌浆时30℃、4h强度≥4MPa的要求。由于后期还会添加纤维等外掺料，水泥浆的密度、强度会进一步地下降，因此，微硅的掺量确定在2%，以确保灌浆剂浆体的密度保持在1.60g/cm3左右，30℃、4h强度≥4MPa，同时保持水泥浆体的稳定性。

表1 微硅掺量对强度的影响

图1 微硅掺量对无机胶凝材料的影响

2.1.3 微硅对浆体稳定性的影响

稳定性是油气井工作液的基本性能之一，工作液稳定性达不到要求，则会发生沉降现象，在现场应用中会出现严重的安全事故，故必须选择高效的悬浮稳定剂满足浆体的稳定性要求。

该试验在30℃温度条件下，通过掺加不同掺量的微硅粉，考察灌浆浆体的上下密度差，结果见表2、图2。

表2 不同微硅掺量30℃水泥浆体密度差

图2 不同微硅掺量密度差对比

由表2、图2可以看出，微硅掺量从0～6%，浆体密度差不断减小，基本上在掺量为2%时趋于稳定，考虑微硅掺量对强度的影响，选择2%为最佳掺量。

2.2 片状材料

2.2.1 片状材料的微观结构分析

灌浆剂中选用稻壳粉作为片状桥接剂，从ESEM图片(见图3)上来看，稻壳粉基本上呈现片状结构，表面有凹凸不平，与水泥浆混配时可以增加水泥浆体的流动阻力，使水泥浆具有良好的强驻留作用。

图3 稻壳粉微硅ESEM

2.2.2 基本物理性能

从表3中看出，随着稻壳粉掺量的增加，相同水灰比情况下，水泥浆密度不断下降，抗压强度也不断下降。由于灌浆浆体不仅需要表面凹凸不平，增加强驻留作用，还需要一定的抗压强度，因此，通过抗压强度试验，选择2%为稻壳粉最佳掺量，密度强度均能满足要求。

表3 不同掺量稻壳粉对灌浆剂浆体强度的影响

2.2.3 硫铝酸盐水泥与片状材料微观结构

通过ESEM图片(见图4)可知，稻壳粉在灌浆剂浆体中起到了填塞作用，使整个浆体表面凹凸不平，增加了水泥浆的流动阻力，使水泥浆到达漏层时有强驻留的作用。

图4 稻壳粉加入灌浆浆体ESEM

2.3 纤维状材料

2.3.1 纤维状材料微观结构

纤维状材料微观结构ESEM图见图5。

图5 纤维材料ESEM

2.3.2 纤维状材料对灌浆浆体物理性能的影响

表4、图6是纤维状材料对灌浆浆体物理性能的影响情况。由表4、图6可知，纤维加量为0.2%时固化体的抗压强度有所下降；随着加量增大到0.8%，固化体的抗压强度趋于降低，分析主要原因是由于纤维中少量的木质素、聚木糖等物质对灌浆装具有一定的缓凝作用，纤维加入后降低了浆体的活性，尤其是低温下的固化剂的活性，导致灌浆液在低温下的凝结时间延长，所以纤维加量较少时使灌浆液在低温下的抗压强度降低比较明显；随着纤维材料加量的增加，当纤维加量增加到1.0%时，固化灌浆液的抗压强度得到了一定的提高，但相比不加纤维的强度略低。可能是因为在灌浆浆中加入足够的纤维时，纤维与固化浆进入漏层能够形成“滤网结构”，增加灌浆浆体的流动阻力，借助于无机胶凝材料的水化胶凝作用和未水化固相颗粒的填充作用，提高了灌浆浆体的抗压强度。

表4 纤维水泥石物理性能

图6 不同掺量纤维状材料对物理性能影响

加入纤维后虽然灌浆浆体的抗压强度降低，但是仍然满足灌浆固化强度要求。为了达到泵送的要求，纤维加量越大流动度越小，综合考虑流动度与抗压强度的影响，选择纤维状材料的最佳掺量为1.5%。

2.3.3 纤维状材料加入水泥石微观形态

经过分散处理后纤维状材料由纤维束变成单根(见图7)且杂乱分散于水泥石中，他们在灌浆浆液中起悬浮作用，在形成的堵塞中他们纵横交错，相互拉扯，由此又被称为“悬浮拉筋剂”。左图7(a)是纤维在水泥石中拔出，图7(b)是纤维在水泥石中桥接拉筋。当裂纹扩展到纤维处时，由于纤维具有较高的力学强度，承受了外界载荷并在水泥基体裂纹相对的两边之间进行桥接，如果裂纹要扩展就需要消耗更多的功。由于纤维与水泥石具有不同的力学性质以及二者存在结合界面，当作用于纤维上的剪切应力大于水泥基体与纤维的界面结合强度时，纤维会被拔出(见图7(a)中A点)，这时纤维与水泥基体结合界面会产生剥离和摩擦作用，使水泥基体阻止裂纹扩展。当裂纹发展到纤维的区域时(见图7(b)B点)，裂纹原来的扩展方向被限制，由于纤维-水泥界面比较薄弱，裂纹将沿着界面进行扩展，由于裂纹扩展路径大大增加，破坏水泥的能量被消耗，使水泥石强度和韧性得到提高。

(a)纤维拉筋

纤维水泥浆[3]灌浆主要是运用纤维在缝孔处的桥接、摩擦、阻挂和滞留作用，此为灌浆提供滞留平台。

2.4 颗粒状材料

2.4.1 颗粒状物质ESEM

颗粒状物质，在该试验当中选择20目核桃壳作为架桥剂，而且核桃壳在水的浸泡下有一定的膨胀作用，在水泥浆中添加核桃壳有利于灌浆效果。

选用的核桃壳平均粒径小于1mm，属于细粒级颗粒，从图8中可以看出，选用的核桃壳外形细而不圆，锋边明显，几何形状各异，以能起到挂阻作用。

图8 核桃壳ESEM

2.4.2 掺入颗粒状物质微观结构

图9中核桃壳镶嵌在水泥石表面，棱角分明，在微观结构图中并不能明显地看出核桃壳添加在水泥中的灌浆效果，后续试验增加抗压强度的影响。

图9 核桃壳水泥石ESEM

2.4.3 基本物理性能

表5为核桃壳对水泥石物理性能的影响情况，由表5可以看出，硫铝酸盐水泥中加入颗粒状物质之后，灌浆液浆体的密度、强度下降较多，通过对微观结构及强度的考察，在复掺桥接灌浆剂时不考虑颗粒材料。

表5 核桃壳对水泥石物理性能影响

以上均是在硫铝酸盐水泥+2%的微硅粉中单掺桥接灌浆材料的试验，下面的试验将考虑复掺桥接剂的情况。

3 复掺试验

3.1 复掺材料选择及配比

纤维材料、片状材料按照一定的比例(2∶1.5)进行复配，制得复合桥塞灌浆外掺料DL-1，复合外掺料按照不同的比例掺入胶凝材料与微硅体系中，具体性能见表6。

表6 复合外掺料对灌浆剂性能的影响

从表6可以看出，在加入复合灌浆外掺料之后，流动度与强度均呈现下降趋势。考虑到施工泵送对流动度的要求，且要求30℃条件下密度为1.60g/cm3，选择DL-1的掺量为2.5%。

3.2 灌浆水泥石微观结构

复掺料灌浆水泥石微观结构见图10。

图10 灌浆水泥石ESEM

4 缓凝剂的优选

4.1 缓凝剂种类

确定复合灌浆材料的配方为无机胶凝材料A+2%微硅+DL-12.5%，由于复合灌浆材料的适用温度范围为30℃～60℃，且在60℃的条件下需要满足稠化时间≥150min，因此,在该温度下需要使用缓凝剂调节灌浆液的稠化时间。为满足稠化时间的要求，采用了掺加柠檬酸、酒石酸、硼砂、葡萄糖酸钠做对比试验，测定凝结时间。试验及结果见表7。