一种基于微观形貌图像分析的泥岩重塑方法

1.本发明涉及岩石力学试验领域，具体是一种基于微观形貌图像分析的泥岩重塑方法。


背景技术：

2.泥岩分布广泛，且具有遇水易软化崩解、失水干裂的特性。在对泥岩进行相关试验研究时，很难获得符合试验规范要求的标准原状样，因此对于重塑泥岩的研究很有必要。
3.传统的泥岩重塑方法多以膨润土、石英、水泥等为重塑材料，改变了泥岩的物质组成；或简单的向泥岩碎屑中加水至手可捏成团后一次压制成样，制得的重塑岩样密度不均匀且含水率不可控；此外，传统重塑方法，采用击实锤人工击实，并未考虑上覆地层压力且分层制样时需实时用刻度尺判断试样高度，操作繁杂。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于微观形貌图像分析的泥岩重塑方法，该方法综合考虑了原状泥岩颗粒级配特征、矿物组分、胶结类型和成分、密度、含水率及上覆地层压力作用，采用泥岩碎屑物制样，使得所制得的试样更加贴近原状泥岩，可更好的模拟原状泥岩的力学特性；此外本发明所采用装置压力锤上可施加稳定固结压力，设有刻度可随时观察试样的高度变化，获得的重塑岩样更接近真实岩样，从而解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种基于微观形貌图像分析的泥岩重塑方法，包括以下步骤：
7.s1、获取现场原状泥岩，开展基本物理力学试验，获得原状泥岩的密度、含水率、强度(σc、c、)及变形参数(e、ν)；
8.s2、开展x射线衍射分析测试，获得原状泥岩的组成成分及其含量信息；
9.s3、利用偏光显微镜获取原状泥岩微观形貌图像，处理分析得到原状泥岩的颗粒级配特征并确定其胶结类型；
10.s4、依据原状泥岩的胶结物成分及物质组成成分选择掺加的胶凝材料，并设计一组胶凝材料掺加比例，
11.s5、获取现场泥岩碎屑物，烘干、破碎后进行筛分试验；
12.s6、计算原状泥岩的上覆地层压力以确定制样时施加的压力大小；
13.s7、配置各粒径范围内的泥岩颗粒、水、胶凝材料的混合物；
14.s8、进行重塑泥岩的制备，在上覆地层压力下固结；
15.s9、利用偏光显微镜获取重塑泥岩得微观形貌图像，分析并确定其胶结类型；
16.s10、选取胶结类型与原状泥岩一致的重塑泥岩，开展重塑泥岩原始室内三轴压缩及单轴抗压强度试验，获得重塑泥岩的强度指标(σc、c、)及变形参数(e、ν)，并与原状泥岩的参数进行比较；开展重塑泥岩室内三轴压缩及单轴抗压试验，获得重塑泥岩的强度指标(σc、c、)及变形参数(e、ν)，并与原状泥岩的参数进行比较；
17.s11、若s10中重塑泥岩与原状泥岩的相关参数相差较大，则重复上述s4至s10的操作，直至选出一组σc、c、e、ν与原状泥岩的σc、c、e、ν相近的一组重塑泥岩为止，并以该组重塑泥岩胶凝材料的掺加比例为重塑泥岩掺比。
18.作为本发明的进一步技术方案，所述s3中开展偏光显微镜切片的制作为：制作多组平行样，采集多个倍数下的原状泥岩形貌图像，由于颗粒为不规则形状，以颗粒最大长度进行粒径区分，通过图像处理分析，得到原状泥岩的颗粒级配。
19.作为本发明的更进一步技术方案，所述s3中颗粒级配特征的获取为：所述s3中颗粒级配特征的获取为：先求出每个倍数下的各个粒径范围内颗粒的含量，再以颗粒百分含量为纵坐标，以放大倍数为横坐标，绘制散点图并进行拟合，选取各条在纵坐标上的截距为对应粒径范围的泥岩颗粒在重塑泥岩时采用的百分含量。
20.作为本发明的再进一步技术方案，所述s4中胶凝材料的确定为：胶凝材料依据原状泥岩的物质组成成分及其胶结类型确定，不改变泥岩原有的物质组分。
21.作为本发明的再进一步技术方案，所述s8中重塑泥岩制备采用可固结装置，所述可固结装置包括支架、压力装置、模具、工作台和控制器，重塑泥岩制备时，先组装模具，在弧形模板内测涂抹凡士林，再将弧形模板装在底座上，套上箍圈；将组装完的模具通过模具底座用底部螺栓固定于工作台上；打开控制电源，利用压力控制器设定与原状泥岩上覆地层压力相等的固结压力，通过安装在支架顶板与盖板间的与千斤顶相连的带刻度标尺的压力锤给模具内的泥岩混合物施加固结压力至刻度到达/处完成第一层的制样，将试样表面打毛，重复上述操作，最后一次添加泥岩混合物前将加高套筒套在模具上方后施加压力完成制样过程。
22.作为本发明的再进一步技术方案，所述可固结装置的压力锤上设有可直接读出试样高度的刻度标尺。
23.作为本发明的再进一步技术方案，所述s1至s9中需综合考虑原状泥岩的颗粒级配特征、矿物组分、胶结类型和成分、密度、含水率及上覆地层压力作用。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：综合考虑了原状泥岩颗粒级配特征、矿物组分、胶结类型和成分、密度、含水率及上覆地层压力作用，采用泥岩碎屑物制样，使得所制得的试样更加贴近原状泥岩，可更好的模拟原状泥岩的力学特性；此外本发明所采用装置压力锤上可施加稳定固结压力，设有刻度可随时观察试样的高度变化，获得的重塑岩样更接近真实岩样。
附图说明
25.图1为本发明中可固结装置的结构示意图；
26.图2为本发明中可固结装置的剖视图；
27.图3为本发明中三轴试样模具的结构示意图；
28.图4为本发明的流程图；
29.图5为本发明的颗粒百分含量图。
30.图中：1-支架、2-压力装置、3-模具、4-工作台、5-控制器、6-千斤顶、7-压力锤、8-刻度标尺、9-盖板、10-顶板、11-固定螺栓、12-加高圆筒、13-弧形模板、14-箍圈、15-底座、16-底部螺栓、17-压力显示器、18-控制电源、19-支撑杆。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
32.本发明实施例是这样实现的，如图1至图5所示的基于微观形貌图像分析的泥岩重塑方法，包括以下步骤:
33.s1：获取现场原状泥岩，开展基本物理力学试验，获得原状泥岩的密度、含水率、强度(σc、c、)及变形参数(e、ν)；
34.s2：开展x射线衍射分析测试，获得原状泥岩的组成成分及其含量信息；
35.s3：利用偏光显微镜获取原状泥岩微观形貌图像，处理分析得到岩石颗粒级配特征并确定其胶结类型：首先获取多组不同放大倍速下的泥岩微观形貌图像，如40倍、100倍、200倍、500倍；其次将图像导入pacs软件经二值化分割、孔隙裂隙修复得到图像的几何信息；然后将几何信息导入excel求出各个粒径范围内的所有颗粒的面积，除以图像的总面积乘以100％即得对应粒径范围内的颗粒的百分含量；最后参见图5，以颗粒的百分含量为纵坐标，以放大倍数为横坐标，绘制散点图并拟合，制样采用拟合线在纵坐标上的截距点的百分含量(即真实值，由于放大倍数越小所观察到的样本点越多，结果就更贴近实际情况，而截距点代表其真实大小，即此时对应的颗粒百分含量为真实值)；
36.s4：依据原状泥岩的胶结物成分及其物质组成成分选择掺加的胶凝材料，并设计一组胶凝材料掺加比例，如钙质胶结，掺加石灰，掺加比为2％，4％，6％等；
37.s5：获取现场泥岩碎屑物，烘干、破碎后进行筛分试验；
38.s6：计算原状泥岩的上覆地层压力以确定制样时施加的压力大小；
39.s7：根据胶凝材料掺加比例和原状泥岩的密度、含水率、颗粒级配特征，确定重塑一个泥岩试样所需胶凝材料的质量和每个粒径范围(如小于0.075mm)的泥岩质量、需水量，称取需求的各个物质，将其置于容器内混合并搅拌均匀，然后用保鲜膜将容器密封住，静置2小时，让水分充分扩散；
40.s8：将三块弧形模板13插入底座15的凹槽内，并将箍圈14套在组装好的三块弧形模板13上完成模具3的组装，再将模具3放到工作台4上，并通过底部螺栓16固定底座15，从而固定模具3，取配置好的泥岩混合物分五次加入模具3，通过安装在支架1顶部的压力装置2施加固结压力进行制样，制样完成后，带模密封养护1天时间，拆模密封养护7天，拆模即可获得重塑泥岩；
41.s9：利用偏光显微镜获取重塑泥岩的微观形貌图像，分析并确定其胶结类型；
42.s10：选取胶结类型与原状泥岩相近的重塑泥岩，开展重塑泥岩室内三轴压缩及单轴抗压强度试验，获得重塑泥岩的强度(σc、c、)及变形参数(e、ν)，并与原状岩样的参数进行比较；
43.s11：若s10中重塑泥岩与原状泥岩相关参数相差较大，则重复上述s4至s10的操作，直至选出一组σc、c、e、ν与原状岩样的σc、c、e、ν相近的一组重塑泥岩为止，并以该组重塑泥岩胶凝材料及其掺加比例进行后续的试验。
44.参见图1和图3，s8中重塑泥岩制备采用可固结装置，所述可固结装置包括支架1、压力装置2、模具3、工作台4、控制器5五大部分；支架1由盖板9、顶板10、支撑杆19构成；压力装置2由千斤顶6、压力锤7、刻度标尺8构成；模具3由弧形模板13、箍圈14、底座15和加高圆
筒12构成；控制器5由控制电源18和压力显示器17构成。
45.参见图2和图3，千斤顶6由固定螺栓11固定于支架1顶板10和盖板9之间；带有刻度标尺8的压力锤7与千斤顶6相连接；模具3通过底部螺栓16固定于工作台4上，弧形模板13装在底座15上，用箍圈14固定；加高圆筒12底部有凹槽插入组装好的弧形模板13上方的凹槽内即可；其中工作台4和顶板10分别与四个支撑杆19焊接。
46.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
47.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。