腐蚀环境下聚乙烯丙纶复合材料抗渗性能退化研究

韩雷凯，薛 强，万民科，陈 健

(1.西南油气田分公司安全环保与技术监督研究院， 四川 成都 610500；2.西南油气田分公司川西北气矿， 四川 绵阳 621700)

油气田钻井过程产生的废液废渣具有强烈的腐蚀性，不可直接排放，因此要求油气田钻井开采之初，必须设置具备足够的抗渗能力以及腐蚀环境下长期服役的有效耐久性能的专门的导废储料结构[1-2]。目前，国内外钻前工程积废池的抗渗耐久性能一般由自身结构与其表覆防渗材料叠合来保障[3]。但长期腐蚀介质侵蚀下，积废池的抗渗体系会出现不同程度的退化，尤其是防渗材料[4-5]，其抗渗能力大多数在服役3 a～5 a后丧失殆尽，这对钻前工程抗渗结构设计的有效性造成了严重影响。

聚乙烯丙纶复合卷材由于具有柔度高、耐弯折、施工便捷、抗渗透压强以及成本廉价等优点，已被广泛应用于钻前工程的防渗结构体系中[6-9]。然而，大量工程实例表明，聚乙烯丙纶在腐蚀介质长期作用下，会发生不同程度的老化，造成防渗性能降低，从而对防渗结构的整体抗渗能力造成影响[10]。相关研究表明[11-13]，防渗体系失效造成的环境污染问题危害巨大，不可忽视。但是目前针对钻前工程防渗体系中聚乙烯丙纶复合卷材在腐蚀介质侵蚀下的抗渗性能退化研究还处于空白阶段。基于此，本文以钻前工程防渗结构体系为研究对象，围绕钻前工程防渗卷材的耐久性问题，开展环境侵蚀后聚乙烯丙纶卷材抗渗性能试验研究，分析其在腐蚀环境下抗渗性能的变化规律，揭示其抗渗性能退化机理，以期为油气田开发领域防渗结构设计的优化提供技术支持。

1 试验研究

1.1 试件加工

实际工程中，防水卷材多以表铺为主，考虑防水卷材搭接部位为整个卷材防水体系的薄弱区，本试验将着重考虑防水卷材的搭接部位在腐蚀环境作用下的抗渗性能退化问题。因此，针对腐蚀试验的试件以搭接试件为主，搭接材料采用水泥胶粘结。按照《建筑防水卷材施工标准》[14]，聚乙烯丙纶复合卷材搭接长度为100 mm，试件详细尺寸及实物示意见图1、图2。

图1聚乙烯丙纶卷材水泥胶黏粘搭接试件

为分析搭接对试件在腐蚀环境下的抗渗性能影响，本研究同样设置了单片为搭接试件，其尺寸为200 mm×200 mm。所有试件均按照相同纤维方向剪裁制作。

图2聚乙烯丙纶搭接试件加工示意图

1.2 腐蚀实验

采用YMX/Q-020型气流式室内加速腐蚀试验箱开展人工模拟钻前工程腐蚀环境的加速腐蚀试验，腐蚀试验相关参数参考《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》[15](GB/T 10125—2012)相关规定设为：腐蚀喷液体为稀硝酸，体积浓度为15%，溶液NaCl 2.0 wt%，试验箱内相对湿度 (70±10) %RH，腐蚀溶液初始温度控制在(50±5)℃，腐蚀箱内温度设置为35℃。一个循环周期 60 min，其中浸润时间 (12±1.5) min，加速腐蚀与常规腐蚀液侵蚀比约48 h∶1 a。为增加腐蚀效果的显著性，参照试验标准对试件进行叠合，腐蚀过程见图3。

图3聚乙烯丙纶复合卷材试件人工加速腐蚀试验

腐蚀龄期分别设置1 d、4 d、8 d、16 d、32 d，按照本课题设计腐蚀试验加速比例，以上五个龄期分别对应结构实际服役年限0.5 a、2 a、4 a、8 a以及16 a。腐蚀前后试样对比结果如图4所示。

由图4可见，聚乙烯丙纶卷材试件腐蚀后，其表面宏观纹理粗糙化，搭接区域出现大面积材料老化，粘结层发生剥蚀现象。另外，非搭接区域基底有机成分也发生不同程度溶解消蚀。由此可见，腐蚀环境对聚乙烯丙纶复合卷材的材性退化影响较大，尤其是搭接试件的粘结部位，材性退化十分显著。

图4单片及搭接试件腐蚀前后对比结果

1.3 渗透实验

本研究渗透试验在HP-40全自动渗透仪上进行，渗透压按0.1 MPa梯度从0.1 MPa逐级提升至1.2 MPa，每个压力梯度记录液面水位值[16]。当同批试件中2个以上端面由压力水渗出时，记为该压力梯度值下试件的渗透压力值。同时，按液面差计算各梯度渗透率，计算方法如下所示：

(1)

式中:q为混凝土渗透速率，cm/s；V为相邻梯度渗透压下的液差体积，ml；S为混凝土渗透端表面积，mm2；t为该渗透压梯度的施压时间，s，本次测试施压时间均为8 h。

不同腐蚀程度聚乙烯丙纶复合卷材渗透试验过程及试件漏点情况如图5所示。

2 分析讨论

通过对聚乙烯丙纶复合卷材试件腐蚀前后的渗透性能测试，获得其在12个压力梯度下的渗透速率如图6所示。

由图6(a)可见，当单片试片经过1个腐蚀龄期后，聚乙烯丙纶复合卷材单片试件的渗透现象出现在加压过程后期。当腐蚀龄期增加，单片试件抗渗透能力呈逐渐退化趋势；腐蚀时间达到第三龄期后，单片试片在高渗透压水平下，其渗透速率呈增加趋势。由此可见，不含搭接薄弱区段的同种材料单片，当腐蚀龄期逐渐增加，材料抗渗透能力随之呈非线性降低，且腐蚀时间越长，降低幅度越大，但降低速率越小。

由图6(b)可见，与单片试件相比，相同腐蚀龄期下，腐蚀环境对搭接试件抗渗性能的影响要显著得多。虽然聚乙烯丙纶复合卷材采用的搭接粘结胶在性能上经过改良，含有抗腐蚀成分，但长期遭受酸盐复合环境侵蚀，其抗渗耐久性也会发生较明显的退化。尤其是当腐蚀时间达到第四龄期时，其在中高渗透压条件下的渗透速率随渗透压呈指数形式上升，即此时试件表面已出现宏观透水通道，且该通道会形成孔蚀涌道，水压效应累积至一定程度，损伤处发生穿孔贯通，发生大体积渗水。

图5聚乙烯丙纶复合卷材试件渗透试验

图6各腐蚀龄期聚乙烯丙纶复合卷材试片渗透试验结果

腐蚀前后单片试件的抗渗等级分别如表1所示。

表1 聚乙烯丙纶复合卷材腐蚀前后单片试件渗透试验结果

结合《地下工程防水技术规范》[17](GB 50108—2008)要求，钻前工程常用池体规格以及相关环保要求，蓄污池类防水等级不应低于P6，因此对于丙纶材料的搭接防渗体系，腐蚀环境下服役前三龄期(自然条件4 a)后，其抗渗耐久性降低不满足使用要求。

考虑单纯面层防渗的局限性，实际工程中多结合水泥晶防水涂层作为高标准耐渗结构的补强措施。基于此，本文在前文设计基础上，对搭接试件下部增补水泥晶防水涂层。按照《防水混凝土工程细部防水施工工艺标准》[18](GY 006—2010)相关要求，进行试件表面处理和防水涂层涂刷。采用同种加速腐蚀试验和渗透试验，分析遭受腐蚀侵蚀后聚乙烯丙纶复合卷材经水泥晶防水补强后的抗渗提升能力。

补强后聚乙烯丙纶复合卷材搭接试件在不同静水压下的渗透速率如图7所示。

由图7可见，双层搭接丙纶在下部涂刷水泥晶防水涂料后各渗透压条件下的抗渗能力明显提升，对应渗透速率明显减小。当腐蚀时间达到第一龄期后，试件表面才出现局部微观损伤，导致微小渗漏现象，相比未涂刷水泥晶防水试件，该措施对腐蚀环境下结构抗渗耐久性有良好的提升作用。

图7各龄期丙纶搭接底部刷水泥晶防水试片渗透

速率与渗透压关系

结合《地下工程防水技术规范》[17](GB 50108—2008)要求，钻前工程常用池体规格以及相关环保要求，蓄污池类防水等级不应低于P6，采用水泥晶防水补强措施后，其抗渗等级满足规范要求。相比于未补强试件，其渗透率和渗透速率均下降了40%以上。

综上所述，聚乙烯丙纶复合卷材单片试件的抗渗性最好，模拟钻前工程积废结构腐蚀环境，其抗渗耐久性均可达到服役要求标准；但在防渗卷材接缝处，按照现行标准规范要求的搭接施工工法，其抗渗耐久性不超过等效自然腐蚀4 a时间，与对应使用功能要求不符；经水泥晶防水层补强后，搭接部位抗渗耐久性得到明显提升，抗渗耐久能力至少提高一个腐蚀龄期，达到了钻前工程抗渗结构腐蚀环境服役的抗渗耐久性服役年限的要求。

3 结 论

本文针对钻前工程防渗结构体系在其服役环境中遭受腐蚀液、重油、高浓重金属离子以及有机溶剂等环境侵蚀，利用室内加速模拟腐蚀手段，对防渗聚乙烯丙纶卷材的单片试件、搭接试件以及搭接补强试件进行加速腐蚀老化，获得其不同腐蚀程度的老化试件。然后通过理论分析、试验研究以及两者结合的方法，分析了其在不同腐蚀龄期下的抗渗耐久性，以及抗渗补强的有效性，主要研究结论如下：

(1) 强氧化腐蚀环境对聚乙烯丙纶复合卷材单片和搭接试件的抗渗耐久性均有影响，随着腐蚀龄期逐渐增加，各种试件抗渗透能力呈非线性逐渐降低，下降速率逐渐减小。

(2) 搭接试件由于粘结构造薄弱，腐蚀损伤累积至一定程度后(第四龄期)，其在中高渗透压条件下的渗透速率随渗透压持续呈指数形式上升。

(3) 水泥晶防水补强措施对粘结构造的抗渗耐久性提升具有显著作用。当腐蚀时间达到第一龄期后，试件表面产生的局部微观损伤，导致该部位微小渗透现象，相比未涂刷水泥晶防水试件，该措施有效提升了腐蚀环境下结构防渗的耐久性能。

(4) 未经水泥晶防水补强搭接试件，其抗渗耐久性不满足钻前工程积废池功能要求。经补强后，其渗透速率和渗透速率均可下降40%以上，抗渗等级得到明显提升，满足了钻前工程抗渗结构功能要求。