水损害机理（精选7篇）
水损害机理 篇1
沥青路面面层类型以沥青混凝土、热 (冷) 拌沥青碎石、沥青贯入式、沥青表面处治为主。无论哪种类型或级配表面层, 水损坏都是沥青路面常见的病害之一。水进入沥青面层后, 在大量高速、重型车辆的作用下, 使得沥青与集料脱离, 路面出现松散、剥落、坑洞等病害, 水对沥青路面的冲刷导致唧浆, 加速路面不规则裂缝, 严重危害道路的使用性能。水破坏速度快, 危害大, 已经成为公路路基、路面的“天敌”。因此, 如何通过设计、施工较好地控制地表水进入路面, 并通过良好的养护保证沥青路面的使用寿命, 是深值广大公路工程技术人员探讨的问题。
(一) 沥青路面水损害的特征及机理分析
1. 沥青路面水损害的特征
(1) 水损害破坏主要发生在雨季或梅雨季节; (2) 多发生在主行车道行上, 且与重车超载交通有关; (3) 路面破坏之初, 一般都先有小块的网裂、唧浆, 然后出现面积较大的龟裂、松散、翻浆并形成坑槽; (4) 发生水损害的路段一般是沥青混合料不均匀、密实, 透水较严重且排水不畅的部位。
2. 沥青路面水损害的机理
沥青路面在水的条件下, 经受交通荷载和温度胀缩的反复作用, 一方面水分逐步浸入到沥青与集料的界面上, 引起沥青和石料界面粘附性降低;另一方面由于水分的浸泡或动水压力等的作用, 沥青膜渐渐从集料表面剥离, 并导致集料之间的粘结力损失而发生路面破坏。沥青路面的强度来自沥青本身的粘结力、集料间的嵌锁作用、内摩擦力以及沥青与集料的粘附作用, 而粘附作用是保证前两个因素发挥强度作用的条件。沥青路面水损害, 一般认为与两种作用过程有关:一是粘附性不足, 由于集料对水分的吸引力比沥青大, 水分可进入沥青与集料之间, 令沥青与集料表面的接触角减小, 粘结力降低, 从而导致沥青薄膜剥落, 使集料裸露而破坏;二是沥青与集料的粘附力减弱, 由于水分侵入路面, 使沥青变软, 粘度降低, 导致沥青路面的整体强度减小。重载超载车辆的作用, 大大加剧了沥青路面水损害的发生。沥青路面水损害破坏与车轮荷载的作用有关 (轮载和交通量) 。通常认为, 汽车轮胎对路面的挤压搓揉作用以及轮胎与路面间的真空吸附作用加速了沥青膜从集料颗粒表面剥离的进程, 并使自由沥青迁移到路表面, 引起路表面泛油和推移变形。从上述沥青路面水损害机理分析可知:水的存在是沥青路面水损害的内因和先决条件, 特别是降水频率高、降水量大、降水时间长更为严重, 而交通量、交通组成及行车速度 (尤其是大型载重车高速行驶) 是其损害的外部条件。在工程实践中, 沥青路面产生水损害的原因可以从设计、施工、管理三个方面来分析。
(1) 设计方面。 (1) 路面层的结构组合不够合理, 形式单一, 路面面层厚度偏薄。 (2) 沥青混合料配合比设计与规范和实际存在差距, 即沥青混凝土的实际状况和使用情况难以达到规范的要求或预期的效果。一些指标也存在差异和矛盾之处。 (3) 排水设计不完善, 设计横坡偏小, 使得路面水得不到及时排出, 路面水排出速度缓慢, 渗水增加造成水害增多。
(2) 施工方面。 (1) 施工管理控制不严, 集料过于潮湿、混合料拌和不均匀以及材料中杂质尘土过多都会严重影响沥青与石料的粘结。 (2) 沥青面层的矿料质量、施工配合比用油造成局部空隙率过大而出现透水。 (3) 施工中不均匀超挖, 回填土石混合料压实度很难达到均匀整体强度, 成为薄弱环节。另外开山段路基的岩层泉眼, 地下水比较丰富, 如未采取有效的引水措施, 将给沥青路面带来隐患。 (4) 在实际施工中, 存在轻视排水设施的施工质量, 导致雨水渗入路面结构层内引起水害。 (5) 由于施工单位在施工过程中存在施工条件和投入不足, 施工工艺不佳, 或压缩工期, 养护不能满足要求, 甚至偷工减料等问题, 使得基层的施工质量未得到真正的保证。
(3) 路面管养方面。 (1) 发生沥青路面水损害后, 如不及时采取有效的处治措施, 将加快路面损害速度和范围, 因此, 对沥青路面的功能性破坏必须及时修复。 (2) 对当前普遍存在的超载重载现象没能采取合理的限制措施, 无疑也会加速沥青路面水损害。
3. 沥青路面水损害的危害
(1) 地面水的下渗会使路面结构层产生各种病害和破坏, 地面水下渗后, 若不及时排除, 一部分会沉积在面层的空隙中, 在荷载反复作用下, 就会由下而上渗入混合料内部, 破坏沥青与集料的粘结, 一部分会通过面层下渗至基层, 造成基层的软化, 其结果是导致路面面层出现裂缝、断裂、剥离、松散、变形、唧浆、坑槽等多种病害。 (2) 沥青路面遭遇水损坏后, 若不及时处理, 就会由一般的功能性破坏转变成结构性破坏, 不能依靠修整、养护恢复, 需要进行大面积的翻修。 (3) 地面水会直接影响车辆的安全行驶。由于降水, 路面变形形成积水, 若不能及时排除, 行车时在车轮与路面之间形成水膜, 使车辆产生液面滑移, 影响行车安全。同时车辆高速行驶时, 还会在车尾形成水雾, 驾驶员的视线受影响, 较难躲避路面坑槽, 极易引发交通事故。
(二) 沥青路面水损害的防治措施
沥青路面水损害是当前道路界的一项技术难题, 其产生的原因复杂多样, 无法通过单一的技术途径而轻易解决。必须做好病害前“防”和病害发生后的“治”, 从各个方面采取综合治理措施, 将病害发生的可能降低到最小程度。总结多年来国内外设计和施工中的成功经验, 结合广西沿海地区的实际情况, 可采取下述几种措施:
1. 路面结构设计和材料选择方面
(1) 选择好沥青混合料的配合比。研究表明, 密级配比开级配水稳性好, 空隙率小的沥青混合料比空隙率大的水稳定性好。为了密水, 往往使沥青用量多些, 并适当增加2.5 mm以下的细集料用量。选用空隙率为4%左右的密级配沥青混合料, 当路面实际空隙率为8%~15%时, 水容易进入混合料内部并在荷载作用下易产生较大的毛细压力而成为沥水, 易造成沥青混合料的水损害破坏。
(2) 采用合理的集料粒径和适宜的沥青面层厚度。以往一般认为, 沥青面层仅起到功能作用, 这种“强基薄面”的设计指导思想, 在普通公路建设中被普遍采用, 一般面层设计厚度为4~5cm。研究表明, 设计沥青面层厚度一般不应小于工程最大粒径的3倍, 中、下面层不宜小于2.6倍。例如表面层厚4 cm宜采用AC-13型沥青混凝土, 采用AC-16型沥青混凝土的面层厚度应不小于4.5cm。
(3) 完善路面排水设计: (1) 采用适宜的路面横坡设计。 (2) 完善路面外部排水设计。 (3) 路面结构层内设排水层或放水层路面排水除了考虑路基范围内的路面表面以外的水的排除外, 还应注重对路面结构层内部的水排除。要注意考虑混合料内部层间水和缝隙水的排水问题, 保证渗入路面内部的水能排出路外。挖方路段的排水是薄弱环节, 要特别注意边沟的深度使路面内部的水能排入边沟。
(4) 改善集料品种
集料的品种无疑是影响沥青混合料抗水损害能力的最重要因素, 容易造成剥落的集料品种是Si O含量高的酸性石料, 它比碱性石料剥落更为严重, 因此, 减少酸性石料从而减少剥落破坏。建议沥青面层石料均采用优质玄武岩 (碱性岩) , 以增加沥青路面抗水损害性能。
(5) 提高沥青与集料的粘结力
沥青与集料之间的粘附性主要取决于沥青本身的粘度, 粘度越大, 粘附性越好。在选择沥青稠度时, 在施工和易性满足要求的前提下, 应选用针入度小的沥青, 以增大粘度, 增加抗水损害的性能。另外, 通过掺加抗剥离剂来提高沥青与集料的粘结力。目前常用的抗剥离剂有消石灰或有机高分子材料。
2. 施工质量方面
(1) 确保使用清洁、干燥的集料。用潮湿集料时, 必须提高加热温度, 减少进料速度, 延长拌和时间。
(2) 减少离析, 保持拌和均匀一致。沥青混合料粗细料分布不均匀, 不仅影响面层的外观, 而且粗集料集中的地方面层空隙率较大, 通车初期渗水较多, 引起该处沥青混合料粘结力较低, 极易发生早期水损害。为此应注意以下几个方面: (1) 严格控制沥青混合料的矿料级配。尤其是4.75mm和2.36mm的通过质量的百分率, 应接近级配范围的中值, 这两种粒径含量过少将影响面层的均匀性, 过多则会造成面层摊铺压实困难。另外在中粒式面层混合料中适当减少一号料含量, 对避免离析也有较好作用。 (2) 严格控制沥青混合料的拌和温度与拌合时间。在生产中, 应视矿料含水量的变化, 随时调整。既要保证烘干集料, 又不能过火。同时, 必须随时观察出料的外观, 保证粗细颗粒不出现粘团现象。注意矿粉含水量及级配情况对拌和料的影响, 如矿粉含水量大 (易结团) , 小于0.074颗粒含量少, 便很难均匀附着在骨料表面, 导致自由沥青不能全部转化为结构沥青, 这样不仅引起稳定度降低, 还将严重影响拌和料的均匀性, 引起离析。 (3) 防止沥青混合料在装卸、运输中发生离析。对于中粒式以上的混合料应尤为注意。在装料时, 运料车应前后移动, 即分几次卸装混合料, 避免一次装卸造成混合料在车厢内形成一个大锥体, 导致粗细颗粒分离。 (4) 优化摊铺工艺。注意将摊铺机调整到最佳状态, 保证摊铺机各块熨平板的激振力一致, 并保持挡料板前的混合料在全宽范围内均匀分布, 避免出现条带状离析。同时, 对铺层出现的缺陷要及时修补, 必要时调整设备状态。
(3) 加强压实, 减小路面孔隙率, 增加路面稳定性。沥青混合料的密实程度对路面的稳定性、抗疲劳强度、抗车辙能力和耐久性都有很大影响, 目前, 施工中追求平整度和构造深度使压实受到一些影响。也有些工程不按规范要求检测压实度, 或随意调整标准密度, 致使压实不足是一个比较突出的问题。为尽量提高沥青路面面层的不透水性, 必需提高沥青面层的压实度。建议表面层的压实度不小于98%, 中面层和 (或) 底面层的压实度不小于97%。并建议表面层的现场孔隙率不超过6%, 中面层或底面层的现场孔隙率不超过7%。
(4) 做好路基路面临时排水和封水。水是路面损害之源, 因此, 要特别做好雨季施工的临时排水, 通过排除、减少、堵截疏导等措施, 防止水浸。建立完整的排水系统, 保证路表排水顺畅。
3. 管理与养护方面
(1) 沥青路面完工后, 养护部门应加强路面养护管理, 路面出现水损害时, 应及时采取有效的养护处治措施。主要应做到:贯彻“预防为主, 防治结合”的方针, 提高公路的抗水能力, 预防公路水毁发生;调查排水系统, 是否设置或堵塞, 及时清疏路面积水和修复排水系统;出现病害及时处理, 防止病害进一步扩大;取路面试样检验, 进行必要的现场和室内试验, 包括渗透性试验, 在试验基础上, 分析水损害的原因, 确定水损害类型、范围及可能原因。 (2) 加大路政管理力度, 对超重车辆严格予以限制。
(三) 结语
水是导致沥青路面结构破坏的主要原因。雨水长时间滞留在路面结构内部, 在汽车轮胎作用下直接破坏沥青路面;雨水渗入基层和路基, 通过软化基层和路基, 使路面整体强度下降而造成路面破坏;路面破坏后渗水更加严重, 造成恶性循环, 从而加速路面破坏。要有效防止沥青路面渗水病害, 除保证沥青混凝土品质外, 必须和“封、排”相结合, 做好下封层和中央分隔带防水层, 防止水的下渗;做好路面排水设计和施工, 让雨水尽快排出路面外, 以减少水在沥青路面的滞留时间。
参考文献
[1]JTJ032-94, 公路沥青路面施工技术规范[S].北京:人民交通出版社, 1994.
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[3]韩立新.沥青路面早期破坏原因浅探[J].山西建筑, 2004.
[4]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京:人民交通出版社, 1998.
海拉尔油田储层损害机理研究 篇2
海拉尔—塔木察格同属一个盆地,总面积79 610 km2。具有22个凹陷,其地层岩性复杂、储层横向变化快、轻质油、重质油均有分布,勘探对象较为复杂。经过近30多年的勘探,目前已发现断块、潜山和岩性三种油藏,累计探明石油地质储量数亿吨,是大庆外围近年发现的又一较大油田。海塔盆地属典型“三低”油田的特点决定了其单井产量低、井距小、井网密,钻井工作量非常巨大[1,2]。而海塔盆地上部地层水敏性强,钻井过程中易发生储层损害,既延长了钻井周期,又增加了钻井成本。从提高勘探开发和钻井效益的角度出发,深入研究海拉尔油田储层保护技术具有非常重要的意义。
1储层物性调研
1.1储层渗透特征
通过对该地区180多口井的录井完井报告、黏土矿物分析、孔渗分析报告等资料的调研分析得出,海拉尔盆地主力油层大磨拐河组属于中低孔中低渗储层,南屯组属于中低孔低渗储层,铜钵庙组属于低孔低渗储层;塔木察格盆地主力油层大磨拐河组、南屯组属于中低孔中低渗储层,铜钵庙组属于中低孔低渗储层[3,4]。
1.2储层黏土含量
海塔盆地主力油层砂岩中黏土矿物绝对含量平均在5.24%～19.75%,主要在10%以上。黏土矿物组成中以伊利石、伊蒙混层和绿泥石为主,个别井段含有高岭石,蒙脱石主要分布在大磨拐河组。
1.3储层胶结特征
储层中碎屑含量高,泥质、方解石和硅质充填于孔隙间,泥质具重结晶呈薄膜状、团块状分布,胶结类型有孔隙型、薄膜型、薄膜-孔隙型、接触-薄膜型等。大量的胶结物充填在孔隙中,对岩石的储集性非常不利。
1.4储层孔喉特征
从海拉尔盆地储集岩的孔隙结构来看,储层平均孔喉半径小,分选系数大,说明孔隙分布不均匀,孔隙分布的峰位集中在小吼道上,孔隙结构复杂,流体在孔隙中渗流迂回程度高,渗流能力很差。
1.5地层水矿化度
地层水总矿化度海拉尔盆地大磨拐河组在3 270～11 200 mg/L,pH值7.5～9.07之间,南屯组在1 840～43 250 mg/L,pH值7.1～9.03之间,铜钵庙组在5 046～6 752.4 mg/L,pH值7.0～8.75之间;塔木察格盆地南屯组在3 500.5～7 654.5 mg/L,pH值7.0～8.7之间,铜钵庙组在1 807.5～14 200 mg/L,pH值6.0～8.8之间。海塔盆地主力油层平均地温梯度为3.58 ℃/100 m。海塔盆地主力油层平均地层孔隙压力梯度为0.98 MPa/100 m。
2储层潜在的损害因素分析
从海塔盆地储层物性统计情况来看,海塔盆地主力油层主要为中低孔、中低和低渗储层,岩性细,物性差,碎屑和黏土矿物含量高。黏土矿物中主要有伊利石、伊蒙混层、绿泥石和少量的高岭石、蒙脱石,这些黏土矿物呈颗粒套膜、孔隙衬里或充填于孔隙中。储层平均孔喉半径小,分选系数大,歪度小,说明孔隙分布不均匀,孔隙分布的峰位集中在小孔道上;结构系数大,孔隙结构复杂,表明流体在孔隙中渗流迂回程度高。这些因素构成了海拉尔-塔木察格储层易受到外来流体损害,在外来流体作用下,砂岩中的黏土矿物可能发生膨胀、冲散或碎断成微粒,潜在发生水敏和水锁损害,而且一经损害,很难恢复。
3储层损害室内评价方法及损害机理研究
常用的油气层损害的室内评价主要包括油气层敏感性评价和工作液对油气层的损害评价。按照标准实验程序,选用海拉尔盆地南屯组和塔木察格盆地铜钵庙组岩心对海塔盆地储层进行了水敏和水锁损害研究,评价结果如表1和表2所示。
由表1中数据看出,贝尔凹陷内伊-蒙混层普遍存在,而且黏粒总量较高,储层渗透率较低,因此贝尔凹陷呈现较强的水敏性;乌尔逊凹陷储层伊/蒙混层含量较低,储层黏粒含量也较低,并且储层渗透性要好于贝尔凹陷,因此呈现较弱的水敏性。塔木察格盆地塔19区块储层黏粒含量高于塔21区块,水敏性要稍强于后者,但总体以中等偏弱水敏为主。
从表2中数据看出,贝尔凹陷储层水锁损害以中等偏弱损害为主;乌尔逊凹陷储层水锁损害以弱损害为主。油相渗透率小于0.9×10-3 μm2的塔木察格盆地储层,水锁损害严重,同等渗透率条件下,塔19区块的水锁损害比塔21区块严重。实验数据也表明,使流体流动所需要的突破压力很高,是原始流动压力的3.9～10倍,说明克服水锁损害需要更高的驱动力[5]。
4保护海塔地区储层钻井液体系
海拉尔油田属于中低孔低渗储层,室内损害评价实验表明,主要损害方式以钻井液滤液引起的水敏和水锁损害为主。储层潜在的水敏损害以中等偏弱损害为主,水锁损害以中偏弱和弱水锁为主。目前所使用的钻井液体系对泥页岩岩屑回收率较高,膨胀降低率中等,有一定的抑制泥页岩水化分散能力,但二次回收率不是很高;滤液表面张力在64.6～80.2 mN/m,对减轻水敏和水锁损害效果不明显。另外,目前使用的钻井液体系HTHP失水较大,在12.0～35 mL,主要在15 mL以上。因此,优选了减轻水锁损害的表活剂KZ和抑制水敏损害的胺基聚醇处理剂,并确定了其合理加量分别在0.4%～0.5%和0.3%～0.4%。
评价实验数据看出,优选的钻井液体系对于渗透率≥1×10-3 μm2的储层,透率恢复值在80.5%～95.6%,线性膨胀降低率为62.3%,塑性黏度20 mPa·s,动切力8 Pa,初切3.0 Pa,终切5.5 Pa,API失水1.8 mL,高温高压失水(120 ℃×3.5 MPa)13 mL。各项指标达到了项目开题要求,钻井液性能满足现场试验条件[6]。
2011年5月4日～8月6日,优选的保护海塔盆地储层的钻井液体系在海拉尔盆地贝尔凹陷贝60井进行了现场试验。该井设计井深2 670 m,实际完钻井深2 770 m,共进行了8次取芯。钻进过程中,钻井液性能稳定,钻井液的黏度控制在50～70 s之间,180～1 020 m层段密度在1.05～1.10 g/cm3之间,1 020～2 770 m层段密度在1.10～1.15 g/cm3之间,失水≤4 mL,含砂控制在0.4%以下,携岩能力强,钻井液的各项性能达到了预期的技术指标,顺利完成了现场试验,取得了较好效果。
5结论
(1)海塔盆地主力油层主要为中低孔、中低和低渗储层,碎屑和黏土矿物含量高。黏土矿物中主要有伊利石、伊蒙混层、绿泥石。储层平均孔喉半径小,孔隙分布不均匀且结构复杂。这些因素导致了海拉尔—塔木察格储层易受到外来流体侵入发生水敏和水锁损害,而且一经损害,很难恢复。
(2)海塔盆地储层进行了水敏和水锁损害研究,研究表明,海拉尔油田总体以中等偏弱水敏为主,并且具有较严重的水锁损害。
(3)优选了有效防止水敏损害的表活剂KZ和防止水锁损害的胺基聚醇AP—1,加入了这两种处理剂的钻井液的各项性能都达到了预期的技术指标,现场试验效果良好。
参考文献
[1]杨新斌,宋瑞宏.大庆海拉尔油田钻井液技术.钻井液与完井液,2001;18(4):15—16
[2]王行信,周书欣.砂岩储层黏土矿物与油层保护.北京:地质出版社,1992
[3]孙玉学,王铁军.储层损害及保护技术.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1993;22—24
[4]朱建华.核磁测井在海塔盆地储层分类中的应用.大庆石油地质与开发.2008;27(3):136—138
[5]向俊华,王新海,王玮,等.油气层保护效果评价方法在L10井的应用.石油天然气学报(江汉石油学院学报),2008;30(6):288—289
低压低渗气藏储层损害机理研究 篇3
1 气层潜在损害因素分析
进行气层损害机理分析的第一步是对气层岩样的固有特性进行实验分析, 找出导致气层损害的潜在因素。
1.1 储层岩石的矿物分析
岩样的全岩矿物测试数据如表1所示。
由表1可以看出, 储层岩石是凝灰质火山岩, 主要成分为石英和斜长石, 但粘土矿物含量平均为20%~30%, 尤其凝灰岩储层粘土矿物含量高达46.8%。
进一步的粘土矿物成分分析表明:粘土矿物主要成分为伊蒙间层矿物, 高达59~81%, 说明水敏损害是低压低渗气藏的主要损害因素。
1.2 储层岩石的膨胀性测试分析
为了进一步测试岩样的水化膨胀性能, 室内将岩样研磨至100目以上, 取10g岩样粉置于岩心筒中, 在4MPa压力下压制5min得到高度约为13.3mm的人造岩心, 然后测试压制岩心在不同组分的流体介质中的线性膨胀量, 实验结果如表2所示。
由表2可以看出, 由于岩样中膨胀性粘土矿物含量较高, 岩样遇水膨胀性较强, 线性膨胀率高达30%, 验证此低压低渗气藏中粘土矿物的水化膨胀不容忽视。
1.3 储层岩石的分散性测试分析
将岩样破碎至6-10目, 进行分散回收率实验, 结果如表3所示。
由表3可以看出, 岩样的分散回收率非常高, 即使在蒸馏水中, 其三次岩屑回收率仍然高于95%, 说明此气藏中岩石水化分散性弱。
1.4 储层岩石的润湿性
将岩样表面磨平, 利用接触角法测量岩样的润湿性。将水滴滴在岩样表面, 水滴迅速铺展, 接触角为0, 表现为完全亲水状态。在欠平衡钻井过程中, 气藏岩样的亲水性可能会导致水的反向自吸, 造成水锁损害。
1.5 储层岩石的压汞曲线分析
选取目标井1-4岩样进行压汞实验测试, 由测试数据可知, 该储层最大孔喉半径只有0.227μm, 孔喉半径均值为0.053μm, 主要为微孔喉;退汞效率低, 均值系数小, 反映储层孔隙连通性差、孔喉大小不均匀。
因此该储层属于低孔特低渗气藏, 其孔隙尺寸比中、高渗储层要小得多, 所以形成的毛细管阻力更大, 在多相流体共存时, 这种微孔喉为主的孔隙结构可能会产生明显的贾敏效应, 使气体流动受阻。同时低压低渗气藏储层压力低, 地层能量小, 不易克服毛细管阻力, 使得水锁损害、固相损害更加严重。
2 储层保护措施分析
根据以上潜在损伤因素分析, 对于低压低渗气藏储层可以采取以下相应的保护措施。
2.1 强化封堵和强化抑制
在钻井完井过程中, 通过钻井液的正压差作用在井壁上快速形成无渗透的强力封堵隔离膜, 将井筒中的钻井液与储层井壁割离开来, 阻止钻井液液相和固相侵入储层岩石裂缝或孔隙中, 从而有效阻止液相 (水敏、水锁) 、固相对储层的伤害。该隔离膜承压能力达到30MPa以上不破裂, 从而显著提高井壁稳定性、平衡钻井液和固井液的密度变化、防止漏失、最小或无损害储层。
但在钻井液接触储层的瞬间, 难免会有钻井液液相侵入储层, 因此, 强化液相抑制是不可缺少的一项辅助措施, 这是对首要措施的必要补充。
实验选取蒸馏水、10%K Cl、0.5%M DJ A-1进行抑制膨胀性测试, 从1 h的膨胀性数据分析得到, 1%MDJA-1高于0.5%MDJA-1, 0.5%MDJA-1明显高于10%KCl;从8h的膨胀性数据可以看出, 1%MDJA-1高于0.5%MDJA-1, 0.5%MDJA-1稍好于10%KCl, 因此在实际应用中MDJA-1的浓度可以定为0.5%-1.0%。
2.2 防水锁效应
根据弯曲界面产生的毛细管阻力公式, 防水锁剂的优选原则有两个, 一个是能够显著降低气液界面张力 (高效) , 一个是能够通过界面吸附作用, 改变气藏岩石表面的接触角, 使之保持在90º左右 (中性润湿) 。
气液界面张力测定:选取AS、ABS、OP-10、平平加、CTAB、油酸钠、Tween-80、咪唑啉、SDCX-905、MDYB-1、ABSN、十种表面活性剂进行气液界面张力测定, 当浓度均为0.4%时只有咪唑啉、MDYB-1降低到30mN/m以下。当将浓度增大到0.5%, MDYB-1可降低至23.75mN/m, 再进一步增加浓度, 降低幅度不大。所以, 可以选择MDYB-1和咪唑啉作为高效表面活性剂, 使用浓度0.4%~0.6%即可。
润湿角的测定:实验结果表明油酸钠润湿反转能力过强, 使用不当特别容易造成润湿反转损害;AS和MDYB-1能够维持玻璃板表面为中性润湿状态, 但AS容易引起气泡, 所以MDYB-1为最佳中性润湿剂, 且在0.5%~1.0%浓度范围内能将玻璃板表面维持在中性润湿状态。
综合以上两方面因素实验结果, 选择MDYB-1为防水锁剂。
对于低渗透岩样发生水锁伤害后, 可以用防水锁剂进行解除, 随着防水锁剂浓度增加, 渗透率回复率升高, 当防水锁剂浓度达到1%后, 渗透率回复率达到90%以上。
2.3 防贾敏效应和乳化堵塞
对于低压低孔特低渗裂缝性气藏, 在钻井完井过程中防止贾敏效应和乳化堵塞损害的根本措施就是不使用乳化工作液。但在目前技术形式下, 由于普遍使用水包油乳化钻井液, 贾敏效应和乳化堵塞效应不可避免。因此, 有效降低两者的损害是必要的。从贾敏效应和乳化堵塞效应作用机理来看, 可以采取降低表面张力方法或将岩石孔隙和裂缝表面调整到中性润湿状态的方法加以解决。
3 结论
(1) 从渗透率实验、压汞实验可知, 目标井储层具有低孔、特低渗特点;水敏性伤害不可忽略, 水锁损害是钻井液滤液损害的一个重要因素;固相损害是裂缝储层的主要损害形式。
(2) 在钻井完井过程中使用乳化钻井液, 贾敏效应和乳化堵塞将成为钻井储层伤害的又一个重要因素。
(3) 针对该储层损害机理, 需要采取强封堵、强抑制、防水锁, 防贾敏效应和乳化堵塞的保护储层措施。
参考文献
[1]舒萍, 丁日新, 纪学雁.徐深气田火山岩储层储集空间特征及渗流机理.天然气工业, 2009, 29 (8) :82-85
[2]徐同台, 熊友明, 康毅力, 等.保护油气层技术.北京:石油工业出版社, 2010
[3]Helio Santos and Jesus Olaya.No-Damage Drilling:how to achieve this challenging goal?SPE77189
[4]Helio Sabtos, Petrobras&Roberto Perei.What have we been doing wrong in wellbore stability?SPE69493
水损害机理 篇4
1.1 实验室试验程序整体设计
不同的油藏的储层特征不同, 所以在对实验室试验程序的设计上需要针对不同的储层特征进行拟定, 对于油藏储层技术研究来讲, 实验到试验是保持其技术的重要组成部分。
1.2 储层伤害的四种“常见病”
(1) 敏感病:储层的渗透性降低即称之为“敏感病”。油藏储层中粘土占很大一部分, 同时易吸水的粘性矿物也占很大的比例, 这些粘性物质构成的储层在外来流体和滤液的侵入下很容易膨胀, 从而使原始渗透率降低, 这就是所谓的“敏感病”。
(3) 不配伍病:在对油藏储层的工作过程中, 会引起储层的温度、压力发生变化, 在这种变化下会引起一系列的化学反应从而形成沉淀物或是油水乳化物, 这些物质的生成, 使油藏储层的原始渗透性降低, 称之为“不配伍病”。
(4) 工程病:工程病即是由于作业施工不当所引起的事故对油藏储层所造成的损害。特别是在储层位置发生井漏时, 对其进行堵漏处理, 及井喷井涌事故时所进行的压井作业, 对储层的损伤更为严重。
1.3 储层伤害的内因和外因
储层的伤害分为内因和外因二种, 内因是指由于储层内部结构发生改变而发生的潜在伤害的可能性, 外因则是造成储层受到伤害的主要原因, 外因主要是对储层进行施工作业时对储层结构所进行的改变, 再加之作业时对储层所产生的多种因素的影响下, 使储层的原始渗透率降低, 在一系列外因作用下, 潜在的伤害可能性就会变成实质性的伤害。
2 修井液损伤原因分析
2.1 机械堵塞
固相入侵是指在修井作业中, 在管柱等其它物体掉入到井内后, 一般的会通过磨铣套铣的方式将其磨成铁屑后取出, 磨铣产物在修井液的携带作用下部分会伤害储层渗滤面, 对作业后油井产能造成了一定不好的影响。在修井液进入井筒和地层的过程中, 随着环境压力、温度的改变, 以及与地层水混合可能会产生结垢。有机垢主要包括原油中的沥青质的沉淀以及蜡质析出。修井液的基础液通常为过滤海水, 未经杀菌灭藻处的理。入井后海水中的细菌可能会发生繁殖, 细菌的代谢产物以及腐败物可对储层造成一定程度的伤害。
2.2 毛细管阻力
水锁伤害是指:储层中的孔隙由于能看作是无数个形状各异、彼此曲折、大小不等的毛细管。由于储层属于水湿储层, 当作业的外来水相流体渗入进油气层孔道后, 会将储层中的油气推向储层深部, 在油气-水界面形成一个凹向油相的弯液面, 并且由于界面张力的作用, 会在弯液面产生一个附加压力, 这样就产生了毛管阻力, 大小由任意曲界面拉普拉斯方程确定。若想使油气相驱动水相流向井筒, 必须克服毛管阻力。若产层能量不足以克服上述阻力, 就不能把水段塞驱动产生“水锁损害”。水锁效应是油田注水开发中普遍存在的问题, 通常表现在修井、完井等作业中, 油层可能被“憋死”, 或被管外窜漏进入油层的水以及产出的地层水“憋死”, 有时也有产液良好的油井在作业后产量大幅度降低甚至不产液。
2.3 储层敏感性伤害
敏感性伤害是造成油藏伤害的一大重要原因, 其中包括水敏, 盐敏性, 碱敏, 酸敏性等, 这些敏感性都是造成原始渗透率降低的原因。
2.4 储层结构破坏
当油层出砂时证明储层结构已受到了破坏, 这是因为油井在生产过程中, 流体渗流对井壁的岩石产生较大的冲刷力, 使岩石的受到外部的压力结构发生改变, 导致储层疏松的地方出砂。
3 保护储层的修井液技术
在对油井进行修理的过程中所注入的修井液均称之为流体, 流体大致可以分为:清洁盐水体系、有固相盐水体系、气基修井液体系以及油基修井液体系。
海水可以做为修井液基液, 但并不是直接用海水做修井液基液, 这样会升高矿化度所造成的敏感伤害, 同时也会降低原始渗透性。选取海水做为修井液基液需要对海水进行过滤, 同时还要配合与产层配伍的粘土稳定剂, 这样就能有效的减轻粘土矿物的膨胀和分散, 同时也能很好的控制矿物的敏感性。
缓蚀剂的筛选, 在模拟井温条件下, 考察标准挂片在液体配方中的腐蚀情况。此外JN-15钙镁离子掩蔽剂的选用如下:在修井液中采用酸性螯合剂方盒子钙镁离子的沉淀, 但是这又牺牲了修井液的防腐性能;但是开发研制的弱碱环境下使用的JN-15该镁离子掩蔽剂, 既能防止钙镁离子的沉淀也能保证修井液的优良防腐性能。此种掩蔽剂对沉淀起到很好的作用, 同时可以有效的增强钙镁离子的稳定性, 与钙镁离子的配伍性较好, 同时这种掩蔽剂在修井液中的使用较为方便, 所以其在修井液中已得到广泛的应用。
对于修井液施工工艺, 首先确定修井液密度, 盐水密度随温度上升而下降, 密度越高的盐水受温度影响也越严重;对油井来讲, 修井液密度的附加值为5%-10%, 对于常压油藏可以考虑选择附加值的底限, 对于高压油层选用附加值的上限。其次修井液的施工工艺, 大排量用海水清洗井眼, 直至NTU小至30;替入射孔液, 根据射孔段长度而定, 但至少应替至射孔段顶部100米;射孔反涌后, 替入压井液压井, 注意测定油气上返速度。
结语
现在随着不断的对油层的施工作业, 大量的石油被开采出来, 油层所含油量逐渐减少, 这时对更应注意对油层伤害问题的原因分析, 以便更好的采取预防措施。因为对油层造成的伤害, 就是投入大量的资金对其进行恢复也无法恢复到油层最初的状态, 因此在对油藏储层进行作业过程中, 首先要提高作业人员的技术水平, 同时还要优化生产工艺, 在作业过程中严格遵守相关的规章制度, 这样才能在最大限度内降低对油层造成伤害。为了保护资源的可持续性, 我们应加大研究力度, 提高修井液储层防护技术。
摘要：随着全球资源紧缺现象的加剧, 资源危机呈越演越烈的趋势, 如何更好的保护有限的资源, 是社会得以持续和发展的基础。石油是不可再生资源, 所以其存贮量是有一定数量的, 所以针对油藏储层损害机理及修井液保护技术的分析是十分有意义的。本文通过分析油藏储层损害的机理及修井液损伤的原因, 提出了保护储层的修井液技术, 对油田修井作业的进展有一定借鉴价值。
关键词：油藏储层,损害机理,修井液
参考文献
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[2]鞠斌山, 伍增贵, 邱晓凤, 栾志安.油层伤害问题的研究概况与进展[J].2001.
水损害机理 篇5
关键词：开采沉陷,失稳破坏,演化机理,地质灾害
冯家塔井田处于陕北黄土高原北部, 地表被第四系松散的沉积物所覆盖。该地区地形支离破碎、沟壑纵横, 地表相对高差大, 浅表岩石风化破坏严重, 节理裂隙发育[1]。近年来, 由于冯家塔煤矿对地下煤层的开采, 导致地表出现了严重的开采沉陷灾害[2]:地表裂缝分布密集, 山沟两侧出现严重的崩塌、坍塌灾害。这种开采引起的沟道塌冒和大裂缝破坏等沉陷灾害, 严重威胁着矿井井下的安全[3]。因此, 研究冯家塔矿区地表沉陷灾害机理, 对防治地表沉陷灾害和保护井下的安全生产具有重要意义[4]。本文以冯家塔煤矿一采区1201工作面为例, 研究冯家塔矿区高陡坡体采动损害机理, 为采取有效措施预防和减少采动损害奠定基础。
1 地质概况
冯家塔煤矿一采区首采面为1201工作面, 地表有一南北走向的冲沟 (西沟) , 位于工作面中部, 其长度达7.92 km, 暴雨期山洪时常发生, 极易给当地造成泥石流灾害, 带来极大的安全隐患。1201工作面开采4 m厚的2号煤层, 煤层倾角2°~5°, 属于近水平煤层, 埋深为14~210 m, 平均埋深125 m, 距离开切眼690~710 m的西沟位置处埋深仅有十几米;顶板稳定性较好, 但西沟沟道岩层受强风化作用以及沟道边坡两侧地形陡峭, 节理裂隙发育, 稳定性较差。
2 灾害情况分析
在冯家塔煤矿这种特殊的地质、地形条件下, 煤层开采引起的地面破坏不仅局限于常规的开采沉陷与变形, 还将引起地表塌陷, 以及产生非常严重的裂缝破坏, 进而会引发一系列地质灾害。对于高陡坡体, 由于地形陡峻, 阶坎遍布, 岩石风化强烈, 危岩林立, 坡体稳定性差, 受到开采沉陷剧烈移动变形的影响, 造成边坡失稳, 形成严重的崩塌、坍塌灾害, 并伴随有陡坡位置的大裂缝出现[5]。随着时间的延续, 这种崩塌、坍塌灾害规模会进一步扩大;对于坡度较缓的坡体, 由于开采引起覆岩的断裂破坏发展与风化严重的岩层节理裂隙沟通, 形成与地表沟通的裂缝。这种裂缝在重力作用下, 形成平行于边坡走向的条状块体向下滑动, 进而引起坡体裂缝逐渐扩大, 在土层重力作用下沿拉伸裂隙弱面整体下沉, 形成台阶式裂缝[6]。这些灾害严重威胁矿井安全生产, 并且对区域生态环境影响严重, 如损毁耕地、植被, 加剧水土流失等[7]。
3 采动损害演化机理分析
结合冯家塔矿区的地形地质条件, 采取物理相似模拟实验和数值模拟手段相结合的方式, 重点进行冯家塔矿区高陡坡体发生坍塌灾害机理的研究。
3.1 相似材料模拟实验
实验以冯家塔煤矿一采区1201工作面为背景, 依据工作面与沟道的相对位置, 取一典型位置进行模拟。该断面与工作面推进方向垂直, 横跨西沟, 工作面上方边坡角度达到80°, 工作面从沟道一侧向另一侧推进。工作面倾向长度270 m, 采用一次采全高的综采采煤法, 全垮落法控制顶板。煤层直接顶为厚度1.0~3.0 m的粉砂岩、粉砂质泥岩;基本顶岩性以粗砂岩、中砂岩为主, 局部为厚度3.0~30.0 m的细砂岩。顶板稳定性较好, 但在冲沟沟道岩层节理裂隙发育, 整体性较差。岩层岩性从下到上依次为泥质粉砂岩、煤层、粗粒砂岩、细粒砂岩、泥质粉砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩和表土, 各岩层结构及力学特性经过实验室取样进行测定, 得到的数据见表1, 按照相似原则进行模型中的各岩层配比铺装。
应用相似材料模拟, 通过实验数据, 分析工作面推进位置与边坡发生一系列灾害的关系及其灾害演化过程。
在实验中, 当工作面开采至距沟底90 m时, 沟道边坡开始出现裂缝, 并且随着继续推进, 裂缝不断增多变宽;当工作面开采至距沟底60 m时, 裂缝变得非常发育;当工作面开采至距沟底30 m时, 坡体演变为被裂缝切割为岩块的形态;当工作面继续向前推进, 直到开采完沟道底部煤层时, 坡脚失去支撑而下卧, 不稳定岩体在开采扰动下出现大面积滑塌、崩塌灾害, 并充填沟道, 造成沟道堵塞, 陡立边坡危岩遍布, 这些岩体处于极不稳定状态, 随着时间的延续, 这种崩塌、坍塌灾害规模会进一步扩大。当工作面完全推过沟道后, 因为沟道底部煤层埋藏浅, 沟道地表产生与采空区直接相通的塌陷坑和裂缝破坏;随着时间的推移, 陡立边坡上极不稳定的危岩又发生了崩塌现象, 边坡上的大块岩石滑落到沟道, 以致堵塞沟道。通过模拟实验过程及结果可以看出:
(1) 地下煤层开采不断往沟道方向推进, 开采活动逐渐影响到沟道高陡边坡, 边坡岩体裂缝逐渐发育, 随着开采的继续进行, 边坡裂缝宽度、深度逐渐变宽、变深, 最终, 裂缝最大可见深度达40多米。
(2) 当工作面推进到坡脚下方时, 坡体的自重使得裂缝呈反向倾斜移动, 导致边坡上部分岩体脱离边坡而失稳, 坡脚下卧, 坡顶边缘岩块在开采扰动下出现崩塌现象。
(3) 工作面通过沟道后, 由于沟道底部煤层埋藏深度非常浅, 沟道底部出现与采空区相通的塌陷坑、裂缝, 但裂缝由于受到坡体挤压作用, 宽度较小, 一般只有2~4 mm。
(4) 已发生过崩塌的坡体, 由于被大量裂缝切割, 危岩遍布, 随着时间的延续, 有再次发生崩塌、坍塌的危险, 并且规模将进一步增大。
3.2 数值模拟分析
应用FLAC3D有限差分软件, 能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的三维力学行为, 特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形问题[8]。但对于黄土沟壑地区, 黄土层内部垂直裂隙非常发育, FLAC3D软件不适合模拟存在大量裂隙的情况下地下煤层开采对边坡的影响, 为了揭示上覆岩层的破坏形态及开采裂缝等不连续面对边坡的影响, 采用UDEC离散单元法模拟软件更为合适。所以, 文中采用FLAC3D软件模拟煤层开采时边坡发生渐进破坏的力学行为和变形情况, 采用UDEC软件模拟存在大量裂隙及开采裂缝情况下边坡的破坏形态。
计算模型沿Y方向取100 m, X方向取500 m, 模型四周设为单向约束边界, 底部设为固定约束边界, 坡面设为自由边界, 计算均采用弹塑性模型, 莫尔—库仑屈服准则, 计算时只考虑自重力的作用。覆岩结构及力学特性见表1, 模拟结果如图1—图4所示。
(1) 从FLAC3D软件的模拟过程及图1、图2可以看出:地下开采打破了覆岩和地表斜坡原始应力平衡状态, 随着工作面不断推进, 上覆岩层出现弯曲、断裂垮落向采空区方向移动, 随之覆岩中塑性破坏区不断扩大。在工作面推过之后, 坡体已完全进入了塑性变形阶段。竖向位移云图表明, 工作面开采过后, 高陡边坡中下部岩土体位移明显更大, 从而脱离边坡发生崩塌灾害。
(2) 从UDEC软件的模拟过程及图3、图4可以看出:随着地下开采的不断推进, 上覆岩层不断垮落, 顶板裂缝逐渐往上部发展, 最终与地表黄土层内部的裂缝沟通, 导致地表出现裂缝并逐渐扩大, 当工作面推进到坡脚部位时, 边坡裂缝非常发育, 开采沉陷使坡体失去支撑下卧, 高陡边坡在重力作用下形成崩塌、滑落灾害。
(3) 工作面推过沟道之后, 边坡出现崩塌、滑落灾害, 使得边坡上危岩遍布, 随着时间的延续, 高陡边坡顶部的危岩将继续产生崩塌、坍塌灾害, 且规模将进一步增大。
3.3 灾害演化机理分析
从模拟实验、数值模拟计算及塌陷特征分析可以看出, 导致灾害发生的主要原因是该地区的沟壑纵横切割地表特征, 再加上地下煤层的开采扰动上覆岩层移动变形所致。由于受强风化作用, 岩层节理裂隙非常发育, 坡体稳定性差, 在地下煤层的采动作用下, 势必引起一系列地质灾害的发生。
受煤层开采的影响, 上覆岩层不断垮落, 破坏了覆岩内部原始应力的平衡状态, 上覆岩层垮落形成的裂缝逐步向上发展, 最终与地表黄土层内部的裂缝沟通, 导致地表出现裂缝, 并逐渐变宽变长, 当采动作用影响到边坡时, 边坡的裂缝数量不断增多并逐渐变宽, 从而导致岩层开裂, 削弱了边坡的整体稳定性。边坡岩体在采动作用下发生这些灾害后, 边坡危岩遍布, 边坡上的岩石极不稳定, 随着时间的延续, 还将发生崩塌、坍塌灾害, 且规模将进一步扩大。
4 结论
(1) 结合冯家塔煤矿地形地质条件, 分析出了高陡坡体采动损害特征:受到地形地质条件的影响, 高陡边坡在开采沉陷剧烈移动变形的影响下, 发生崩塌、坍塌等灾害, 随着时间的延续, 这些灾害规模会进一步扩大。
(2) 运用了FLAC3D软件模拟煤层开采时边坡发生渐进破坏的力学行为和变形情况, 采用UDEC软件模拟存在大量裂隙及开采裂缝情况下边坡的破坏形态, 通过数值计算和模拟实验分析, 在模拟过程及结果上相吻合。同时揭示了高陡坡体在受到地下煤层开采影响下的采动损害演化机理:高陡边坡受深裂缝切割, 坡体的整体性遭受严重破坏, 在这种条件下, 又受到地下煤层开采的影响, 导致上覆岩层垮落, 使得坡体受到裂缝切割, 破坏了覆岩内部原始应力的平衡状态, 失去整体稳定性, 开采至边坡30 m处边坡岩体被切割为不连续的块体;继续往前开采, 坡体岩石块体在开采扰动下将沿着边坡下滑;开采至坡脚时, 边坡由于失去支撑而整体下沉, 边坡岩体随着下沉而失稳, 继而引发坡体滑塌、崩塌等一系列灾害。
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浅谈沥青路面水损害现象 篇6
1.1 坑洞
坑洞是典型的水破坏现象。当自由水侵入并滞留在沥青混凝土的空隙中, 不管是普通沥青混凝土还是改性沥青或者是加抗剥落剂的SMA, 在行车作用下, 特别是在降雨过程中和雨后行车道上的局部网裂就会逐渐松散, 松散的石料被车轮甩出而形成坑洞。由于沥青混凝土的不均匀性, 坑洞总是首先在局部混凝土空隙率较大出产生, 因此, 它是随机分布的一个个孤立的坑洞。
1.2 唧浆、网裂
水透过沥青面层滞留在半刚性基层顶面, 在大量高速行车作用下, 自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表面的细料, 形成灰白色浆。灰浆又被行车压唧, 通过各种形状不一和宽窄不一样的裂逢 (横缝、纵缝、斜缝、网裂) 进入路面, 灰浆还可能通过水渗入沥青混凝土的局部小面积或个别通道被压唧到路表面, 使路面产生网裂和变形。
1.3 辙槽
自由水浸放沥青面层后, 使沥青与碎石的粘结力减弱。在行车荷载作用下, 滞留在面层下部的水使矿料、特别是粗粒碎石表面裹覆的沥青膜逐渐剥落, 使沥青混凝土的强度逐渐减小, 直至完全松散。在行车轮迹下向两侧 (特别是向外侧) 挤出, 使轮迹带下陷, 同进使其两侧鼓起, 形成严重的辙槽。
2 沥青路面水损坏的影响因素
2.1 造成水损害的外在因素
2.1.1 降水量, 降水次数多和降水量大, 特
别是降水延续时间长, 自由水可能进入沥青面层的机会就多, 自由水渗透进沥青面层的量就可能大, 在进入路面结构层的水不能及时排出的情况下, 就会产生水破坏。水破坏的数量和速度与公路沿线的降雨量大小有密切关系。
2.1.2 交通量大小及重载车的比重。
在车辆通过, 而面层沥青混凝土的孔隙中或面层与基层交界面上滞留有自由水时都会产生相当大的水压力和抽吸力, 轮下的压力将轮下结构层中的水压挤, 而同时车轮驶离时又产生相当大的抽吸力, 这两种力的瞬时先后作用能将滞留在基层顶面的浆水唧出表面, 并促使较大颗粒剥落, 逐渐使沥青混凝土强度大幅下降, 直至路面局部松散并形成坑洞。
2.1.3 路面设计与施工方面的因素。
如沥青混凝土是密实式 (I型) 或是半开式 (II型) 及其孔隙率的大小, 沥青和碎石粘结力或有无抗剥落剂、材料本身的特性及质量、设计中有无防水层等都是当前影响水破坏的路面因素, 其孔隙率太大是主要原因。现有路面的设计孔隙率容许范围太大 (最大达6%) , 再加上必然会存在的施工误差及试验误差, 致使路面各结构混合料的实际孔隙率过大或很不均匀而造成路面水损坏。
2.1.4 施工碾压的影响。
在沥青路面施工过程中, 施工工艺对混合料的水稳定影响集中体现在压实上, 没有得到很好压实的混合料, 空隙隙率加大对各种使用性能都有影响, 开放交通后的行车碾压会造成混合料的压实变形而形成不正常的车辙, 更严重的是水进入空隙成为水损害的祸根。
2.1.5 路面排水的影响, 现在的路面排水往
往只重视路基范围内的路面以外水的排除, 而对路面结构层内部的排水则很不重视, 或者根要没有考虑, 而排水不良是造成路面水损害的重要原因之一。
2.2 造成水损害的内在因素
2.2.1 集料性质的影响
2.2.2 沥青性质的影响。
粘性大的沥青对于抵抗水的转换要比粘性小的沥青好, 此外, 沥青的组成对沥青混合料水稳定性的影响也是很重要的。
2.2.3 混合料类型的影响。
认真选择沥青天层矿料级配非常重要。最主要的指标是混合料的设计空隙率和路面实际的空隙率。
2.2.4 集料粒径及压实厚度的影响。
现在沥青表面的集料料径普遍粗, 与其相匹配的压实厚度偏薄, 不利于压实。另外, 集料粒径大造成沥青混合料离析也是是普遍存在的问题。
3 减少水破坏的措施
3.1 完善路面排水设计
早期修建的高速公路排水设计不够完善, 较为突出的是中央分隔带没有设计相应的防排水设施, 致使雨通过中央分隔带渗入路面结构层内而导致路面水破坏的增加, 在挖方路段, 由于路基路面的排水设计不够完善, 造成路面破损状况较为普遍。因此, 在高速公路路面设计时, 应进一步完善路面防、排水设计, 在沥青面层结构组合设计中, 至少两层按密级配沥青混凝土设计或设置必要的隔水层, 以减少面层渗水。基层顶面设置封层, 以利层间粘结和防水, 在中央分隔带处设置防水建材和纵横向排水渗沟, 在土路肩处采用等粒径碎石填料进行填筑, 在挖方路段应根据现场实际情况有针对性地进行排水设计, 以减少路面水破坏。
3.2 提高压实标准
压实度不足是早期水损害最普遍的原因。沥青混凝土的压实度对其物理力学性质有关至关重要的影响。我国现行JTJ032公路沥青路面施工技术规范中对沥青混合料的压实际标准建立于20世纪80年代。近年来, 我国高速公路施工所用的压路机品种、吨位和技术性能都发生了显著变化, 客观上具备了提高压实标准的条件, 为了尽可能提高沥青面层的压力实度, 表面层的压实度应不小于98%, 中面层或底面层的压实度应不小于97%。
3.3 提高路面材料的防水性
根据沥青路面设计规范, 沥青面层除应满足车辆的使用要求外, 还应满足雨水不渗等要求, 宜选用粒径较小、空隙也小的级配混合料, 尽量采用小粒径沥青混凝土, 以提高沥青路面面层的防渗性对于选用中粗粒混凝土或开级配或半开级配沥青碎石的沥青路面, 必须在沥青面层下设下封层, 防止雨水渗水。
3.4 灌缝
实践证明已经竣工通车的高速公路路面裂缝相当一部分是由基层引起的反射裂缝, 路面开裂后如不及时灌缝, 雨水进入面层中就会产生水破坏。所以基层的结构设计和配合比设计就显得较为重要。通常情况下, 采用提高基层抗拉强度, 在面层与基层结合部位铺设土工布等以缓减半刚性基层材料的收缩应力。但基层的结合料如水泥, 剂量太大易干缩开裂。建议采取规则切缝, 缝内灌填沥青等适宜材料, 缝上铺土工材料, 然后再洒布透层油或做下封层。如果投资容许的话, 鼓励发展柔性基层和组合基层路面结构。
综上可知, 沥青路面水损害, 不仅仅与气侯、交通量设计、施工等路面形成前的环节有关, 而且与路面形成后的使用、养护和管理联系紧密。因此, 要消灭沥青路面水损害这一质量通病, 延长沥青路面的使用周期, 提高投资效益, 需要设计、施工、养护管理各方主体各负其责, 分头把头, 按照行业规范标准, 结合工程实际, 严格履行各自职能, 相信这一顽疾一定会得到根治。
浅析沥青路面水损害及其防治措施 篇7
针对水损害这个技术性难题, 国内外道路科研工作者对其形成机理、影响因素, 评价水损害的试验方法、指标以及对水损害现象的控制、防治等各个方面都进行过系统研究。
1 水损害现象的类型及其作用机理
1.1 松散类
沥青混合料在孔隙水压力的反复作用下, 使沥青膜从集料表面剥落, 混合料中的集料相互之间丧失粘结力而逐渐变软直至松垮, 导致路面出现麻面、松散现象;在局部松散处, 松散的集料颗粒逐渐掉粒流失, 进而形成大小不一的坑洞。
1.2 裂缝类
从路表连通孔隙及裂缝处渗下的水与半刚性基层顶面结合料混合, 在行车荷载的反复作用下, 产生的高速动水压力冲刷基层顶面形成灰浆, 并从面层裂缝中被挤压而出形成了唧浆现象;随着基层顶面结合料的逐渐流失, 面层也随着底部脱空现象而产生沉陷、网裂现象, 进而发展成坑洞病害。
1.3 变形类
在行车荷载作用下, 滞留在面层沥青混合料内的水对集料特别是粗集料表面进行不断冲刷, 造成裹覆的沥青膜逐渐剥落, 沥青混合料强度不断损失直至完全松散。行车轮迹带下不仅出现了压缩变形现象, 而且产生了严重的剪切破坏现象, 轮下松散的沥青混合料向两侧挤出并鼓起, 在轮迹带下形成车辙。辙槽内有时还伴随着唧浆和网裂现象。
1.4 冻融循环破坏
在冰冻地区或季节性冰冻地区, 由于在沥青混合料内部存在的水凝聚结冰时体积增大, 在沥青混合料内部会产生很大的膨胀力, 致使混合料内部粘结力下降;而当其融化时, 又滞留于路面面层内, 在行车荷载作用下加速沥青膜的剥落。在路表, 冰雪融水进入沥青混合料内部, 在行车荷载和冻融循环的反复作用下产生破坏。而在下面层, 当基础有较多的细粒土和孔隙时, 冬季特有的毛细水使水分逐渐积聚在基层顶面, 春融期过饱和的水进入下面层孔隙, 在荷载反复作用下产生剥落现象和基顶冲刷也会造成水损害。
总的来说, 发生水损害的根本原因在于水的作用致使沥青对集料的粘附性能丧失, 沥青膜从矿料表面脱落, 而造成这种结果的两个关键性因素是水和外力的作用。
2 水损坏产生的原因及影响沥青路面水稳定性的因素
导致沥青膜剥落产生水损害的原因可从以下几方面进行分析:
2.1 沥青与集料的粘附性能
沥青与集料的粘附性主要受自身性质的影响。如沥青与矿料的化学成分之间的作用, 沥青与矿料表面的表面张力, 沥青的粘性, 矿料的空隙率, 矿料的含水量和含泥量等。研究资料表明, 若沥青与矿料的粘附性不足4级以上时, 沥青膜容易脱离, 造成路面水损害。
2.2 沥青路面施工时的孔隙率
高等级沥青路面施工时普遍存在以下问题:现场孔隙率普遍偏大, 多分布在8%～15%的范围内;路面压实不足, 孔隙率加大;施工过程中造成的沥青混合料离析导致路面局部压实不均匀, 细集料集中的部位往往沥青含量偏多, 孔隙率过小, 而粗集料集中的部位则孔隙率过大, 这都为水的渗入提供了条件。
2.3 沥青路面结构层内部排水
在道路工程中, 人们比较重视路基和路界地表范围内的排水, 采取的措施也很多。但是对于路面结构层内部的排水则重视不够, 甚至基本没有考虑。我国高等级公路普遍采用半刚性基层, 路面设计时一般不考虑路面结构层内部排水, 普遍设计了埋置式路缘石、砌筑式路肩、浆砌挡墙等, 这些都妨碍了由各种途径侵入路面结构内部的水分排出。
2.4 其它方面的原因
路面开裂老化会加速水损害的发生, 并形成恶性循环;道路交通超载严重;温度变化时产生的冻融循环作用;酸雨、车辆渗油对路面的腐蚀;在冬季、雨季气候条件下施工等等方面都会对路面造成水损害。
从以上分析可看出, 影响沥青路面水稳定性的因素有:
(1) 沥青混合料的性质:包括集料性质与沥青性质。
(2) 沥青混合料类型:密级配沥青混合料结构密实、空隙率小, 矿粉及沥青用量较大, 沥青膜较厚, 一般水损害较小。断级配和开级配沥青混合料粗颗粒较多, 沥青用量较少, 容易遭受水损害。
(3) 施工条件:沥青混凝土路面在施工时, 如天气寒冷潮湿, 建成的路面就易发生水损害;另外如压实不充分或压实不及时, 成型的路面内部存在较多的孔隙, 水分易浸入沥青路面结构而导致水损害。
(4) 施工后的环境条件:施工后的环境条件包括气候及交通荷载情况, 温度、降雨量、冻融及干湿循环等, 都将影响影响路面层遭受水损害的程度;其它条件相同时, 交通荷载繁重可加速水损害的发生和发展。
(5) 路面下的排水情况:路面下排水状况不良, 进入路面的水不能及时排除, 也将加速路面水损害的发生和发展。
3 预防沥青路面水损害的技术措施
3.1 路面结构层均采用水稳定性好的密实型沥青混凝土
实践证明, 沥青路面结构层中仅有一层是密实型 (I型) 的沥青混凝土或仅设一层沥青砂来防止水损害远不能满足要求。一旦水通过各种途径进入到空隙率较大的结构层中, 便会滞留于其中, 使强度显著降低, 并随着交通量的增加, 出现水损害现象。
3.2 改善沥青与矿料之间的粘附性
为了减轻沥青路面的水损害, 改善与提高沥青混合料的水稳定性与耐久性, 需要增加沥青与矿料之间的粘附性。经验证明, 我国目前所使用的表面层石料与沥青的粘附性都比较差, 不能满足技术要求, 必须采取抗剥落措施, 以改善矿料与沥青之间的粘附性。目前我国常用的抗剥离措施主要是添加抗剥落剂。
3.3 提高沥青混凝土压实度标准, 增加现场空隙率测定指标
国内外大量研究表明, 7%的现场空隙率是沥青路面是否产生早期水损害的分水岭, 美国SHRP研究成果也提出4%的设计空隙率是最佳的选择。若仍按常规96%的压实度予以控制, 其现场空隙率将达到8%, 无法满足水稳定性的要求, 应提高压实度标准;而且在提高压实度标准的同时, 增设现场空隙率测定作为施工的控制指标。
3.4 设置路面结构内部排水系统
设置良好的路面结构内部排水系统, 迅速排除渗入路面结构内的水分, 避免自由水在路面结构层中积滞的时间过长, 从而改善路面的使用性能, 从根本上解决沥青路面的水损害问题。
参考文献
[1]JTG F80/1-2004, 公路工程质量检验评定标准[S].北京:人民交通出版社, 2004.
[2]JTG E42-2005, 公路工程集料试验规程[S].北京:人民交通出版社, 2005.