摘要
原位修复已成为污染场地治理的主流方法，但原位注入修复技术容易产生返浆，造成土体二次污染。针对上述问题，本文设计了一种污染场地原位注入修复机具随钻封隔器，该封隔器采用液压膨胀、弹性收缩的原理，既满足旋喷注入工艺需求，又实现了封隔器的回收使用。采用FLAC3D建立了封隔器作用机理模型，从微观层面分析了不同输入压力下土层的径向应力和位移响应。仿真结果表明，封隔器可以使1.5 m范围内的土中径向应力一定程度增大，即对粘性土层的影响半径为 1.5 m左右。本研究为污染场地原位修复技术的优化提供了合理性的参考。
目前，随着中国工业的迅速发展，土壤污染问题愈加严峻。土壤污染已经成为制约我国社会经济可持续发展的重要因素之一。我国土壤、地下水污染呈现出由点状污染向带状、面状污染发展的趋
在原位修复技术中，注入修复药剂/修复材料是关键，搅拌与注入/注射是目前常用的两种原位修复材料/修复药剂投加模
封隔器是一类被广泛应用于采油作业过程中的井下专用工具，是保障油、气、水层分离的关键部件之
封隔器在随钻进入井下预定位置后，通过径向通道逐渐向中心管与胶筒间的环空注入液体，借助液压迫使胶筒产生垂直钻杆方向的膨胀，直至与井壁接触并挤压土体，使土体自身的力学性质与渗透率等发生改变，以达到封隔的作用。由此可见，胶筒是扩张式封隔器中最为核心的部件之
国外很多学者已经建立了包括Gent-Thomas模型、Yeoh-Fleming模型、Mooney-Rivlin模型等诸多针对橡胶元件应力-应变与蠕变特性的成熟方
目前，封隔器的研制多针对石油钻井，研究偏重于受力计算和部件改良，对土壤地层用封隔器研究较少。本文设计了一种污染场地原位注入修复机具随钻封隔器，采用FLAC3D建立了封隔器作用机理模型，研究了封隔器对粘性土层的影响范围。本研究为污染场地随钻注入修复封隔器在污染场地的修复效果和可利用性提供了一定程度的参考。
封隔器的性能主要是由有弹性和密封作用的胶筒构造决定，胶筒材质以橡胶为主。在井下作业过程中，由于地层流体压力不断变化而导致封隔失效的现象时有发生，因此研究一种能够满足复杂条件下工作要求的新型胶筒具备较高的科研价值。鉴于此，本文结合数学模型计算结果，对该封隔器进行了各种工况的有限元分析。根据管柱系统参数，结合现场实际工况，完成封隔器的三维建模和加工制作。
污染场地随钻注入修复封隔器的主要工作部件为胶筒，由内层和外层的双层结构组成。在封隔器运行过程中，胶筒在流体作用下向外扩张，其橡胶材料的品质将直接影响封隔器的使用周期。目前，国内常用的封隔器存在密封可靠性差、寿命短等问题，无法完全满足现场需要。为了使橡胶密封可靠和延长寿命，在其内部设置有一个与活塞相连通的中心管。因土壤具有被挤压后释放回弹作用，使得封隔器胶筒中心部件的流体回流释压，导致封隔器的胶筒因橡胶弹性而回至初始状态，以实现胶筒的多次循环使用。另外，由于其密封效果良好，能够有效防止流体漏失，因而该类型的封隔器可应用于地层压力低、井底温度高等复杂工况条件。另外，由于封隔器处于腐蚀性土壤环境中，极易受到破坏，因此胶筒采用耐腐蚀性材料结构。
当前封隔器中的胶筒材质多数采用含丙烯氰的材质、氢化丁腈橡胶等等，具体表现形式如
| 胶筒材质 | 优势 | 弊端 |
|---|---|---|
| 丁腈材料 | 良好的耐油、耐热、耐腐蚀、耐臭氧、抗压缩、高强度 | 熔点低，受热性能不佳 |
| 氟材料 | 良好的热塑性 | 低温条件下可塑性差 |
| 氢化丁腈材料 | 良好的抗压、高耐磨性等 | 经济成本高，回收性差 |
该封隔器的设计形式出自扩张式封隔器，在一定程度上参考了其工艺要求，结合现场实际情况，并作了相应的简化与革新，其创新之处主要有：（1）封隔器的中心管与胶筒之间采用非联动结构，在中心管转动的过程中，胶筒并没有随之旋转；（2）胶筒下端的组件可滑动，使封隔器径向膨胀幅度增大；（3）自动复位机构安装在封隔器胶筒内部，在胶筒内安装有受压钢骨结构，撤去液压的胶筒能自行复位。
图1 土层裸眼封隔器结构示意
1—螺纹扣;2—固定块;3—外筒体1;4—橡胶体;5—外筒体2;6—滑移套件;7—内筒体;8—钢环;①—轴承;②—铆钉;③—密闭胶环;④—可滑动胶环
土壤封隔器的作用机理，是在随钻进入井下预定位置后，通过径向通道逐渐向中心管与胶筒间的环空注入液体，借助液压迫使胶筒产生垂直钻杆方向的膨胀，在
封隔器对土层产生作用的方式是封隔器通过挤压井壁土体，改变土体内的应力应变分布情况，同时增大土体位移，使土体更密实，达到封隔的目的。为了对封隔器作用机理进行研究，建立钻孔施工模型，使用FLAC3D进行模拟，研究封隔器作用下土体参数的响应。
扩张式封隔器的胶筒主要由2个部件组成，分别为胶筒和骨架层。由于目前国内没有相应的标准来评价这种新型工具的力学性能，因此需要通过实验方法来验证。本文通过建立数学模型来模拟该封隔器胶筒体受到不同方向载荷后的变形状态。该扩张式封隔器在胶筒外表面上与井壁有空隙，封隔器受液压而膨胀，所述胶筒下端可在一定范围内产生向上滑动，使胶筒与井壁充分接触，起到液压封隔土体作用。
胶筒与井壁接触后，胶筒因液体压力膨胀，从而产生作用于土体的力，此时，井壁会对胶筒产生反作用力，这对相互作用的力为接触应力。接触应力越大，意味着胶筒与井壁之间的缝隙越小，土体位移越大，密封效果越好。具体受力如
图5 封隔器作用机理原理
在施工过程中，矿物颗粒之间也存在着摩擦现象。同时，当胶筒摊开后，会产生与外界压力之差ΔP，使胶筒不能沿轴向伸
| （1） |
| （2） |
| （3） |
| （4） |
| （5） |
式中：——液压产生的轴向力，N；——井壁与胶筒间的摩擦力，N；——胶筒密封与外界产生的坐封压差，N；——坐封后胶筒内半径，mm；——环形孔腔内半径，mm；——输入液体压强，MPa；——井壁半径，mm；——胶筒与井壁接触长度，mm；——接触应力，MPa；——胶筒与井壁之间的摩擦系数，取0.2；——水的密度，取1 g/c
可得胶筒与井壁的接触应力：
| （6） |
由
确定模型的尺寸大小和网格划分疏密的程度，通常情况下，会在容易产生位移处细化网络，对于位移不显著的部位，按相邻网格比大于1来划分。由于土力学研究对象本身具有较大的空间尺度和几何形状特征，在有限元分析中需要考虑到不同深度处土体的变形特征以及土体内各参数间的相互作用。建立的模型为直径8 m、高25 m的圆柱形地层，共22880个单元、23373个节点。
根据现场施工情况，地层模型中开挖160 mm的空腔，用以模拟钻孔直径。此外，除地表为自由边界条件之外，其余皆为法向约束面，约束其法向位移。在施工开始之前，使用软件保证土体达到地应力平衡状
粘土材料参数如
| 重度γ/（kN· | 体积模量K/MPa | 剪切模量G/MPa | 粘聚力c/kPa | 摩擦角/(°) | 浮重度γ’/（kN· |
|---|---|---|---|---|---|
| 18.5 | 30 | 10 | 30 | 15 | 9.8 |
为了研究封隔器扩张后对井壁周围土体应力的影响，以注入压力为变量得到土体应力分布。注入压力变化范围为1~3 MPa，即接触压力为470~940 kPa。在距钻孔中心0.08、0.28、0.48、0.68、0.98、1.28、1.58 m的位置处布置了7个应力监测点，用于监测不同半径处土体中应力变化。
钻孔施加受力后的土体最大主应力云图和土中应力拟合曲线图分布如图
图6 注入压力1 MPa下土体主应力和径向应力拟合曲线
图7 注入压力2 MPa下土体主应力和径向
应力拟合曲线图
图8 注入压力3 MPa下土体主应力和径向应力拟合曲线
针对现有污染场地原位修复技术存在的无钻柱与井壁封隔机构，容易产生返浆，造成土体二次污染的问题，设计了一种污染场地原位注入修复机具随钻封隔器，开展了封隔器作用机理研究。得出以下主要结论：
（1）研制了污染场地随钻注入修复封隔器，该封隔器既实现旋喷工艺，又可依靠胶筒骨架和胶囊实现封隔器的回收使用。
（2）建立了封隔器坐封稳定判别条件模型，得出了注入压力与井壁接触应力的关系，通过理论分析可知，与接触应力有关的因素有注入液体压强、封隔器的深度和静水位埋深。封隔器膨胀时，胶筒接触井壁时，注入液体的压力不断增加，胶筒对井壁土体具有挤压作用，对土层的应力分布有影响。
（3）开展了FLAC3D有限元软件数值模拟封隔器作用机理研究，通过分析不同注入压力下土体的径向应力变化范围为0.15~0.45 MPa，而径向位移的最大值为21.2 mm。此外，封隔器可以使1.5 m范围内的土中径向应力一定程度增大，即对粘性土层的影响半径为1.5 m左右。
综上所述，研制的污染场地随钻注入修复封隔器满足污染场地原位修复技术的要求，可促进原位修复技术在我国的推广使用，对原位修复技术的优化具有较好的参考价值。
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