模拟深部原位地应力的样品制备方法、装置及其使用方法

文档序号:31053457发布日期:2022-08-06 09:22阅读:93来源:国知局
模拟深部原位地应力的样品制备方法、装置及其使用方法

1.本发明涉及岩石力学实验技术领域,尤其涉及模拟深部原位地应力的样品制备方法、装置及其使用方法。


背景技术:

2.近年在岩石工程建设中,随着开挖深度的不断增加,直接在现场取心具备较大难度,并且采集回来的岩样因离开原位环境而发生性质改变。所以,现实中越来越青睐于采用相似模型进行模拟,同时也利于进行岩石的力学试验研究。
3.目前在制备类岩石材料时,往往只考虑了真实岩石的弹性模量、峰值强度等基础力学性质和变形特性,往往不会考虑地应力作用下岩石的内应力特征,导致制备的类岩石材料缺少关键力学属性,借助其进行的力学试验也不能反映真实岩石的力学行为。


技术实现要素:

4.本技术为了解决上述技术问题提供模拟深部原位地应力的样品制备方法、装置及其使用方法。
5.本技术通过下述技术方案实现:
6.模拟深部原位地应力的样品制备方法,包括以下步骤:
7.获取目标岩石的弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、内摩擦角、粘聚力、内应力值;
8.制备类岩石材料,包括:将研究区域地层岩石制备岩相薄片,通过二值化方法获取岩石粒径分布,按照一定级配调配骨料,将骨料与浆体混合;将混合后的骨料和浆体导入容器中,给混合后的骨料和浆体施力,使其压缩;对压缩后的骨料和浆体进行养护,养护一段时间后取出混合体,获得类岩石材料;
9.获取所述类岩石材料的弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、内摩擦角和粘聚力,并与目标岩石的指标比较;当六项指标与目标岩石指标之差的绝对值不超过预设值,则制备的类岩石材料力学性质、变形特性与目标岩石相近;若所述六项指标与目标岩石指标之差的绝对值大于预设值,改变混合体各成分占比,重新制备类岩石材料,直至类岩石材料的所述六项指标与目标岩石之差的绝对值不超过预设值;
10.计算制备的类岩石材料的内应力数值,并与目标岩石的内应力值进行对比;当二者的内应力数值之差的绝对值不超过预设值,则制备的类岩石材料的内应力数值与目标岩石相近;若二者的内应力数值之差的绝对值大于预设值,则重新制备类岩石材料;若类岩石材料与目标岩石的内应力值之差大于预设值,则制备类岩石材料的过程中减小施加力;若类岩石材料与目标岩石的内应力值之差小于负预设值,则制备类岩石材料的过程中增大施加力;直至内应力数值之差的绝对值不超过预设值;
11.当制备的类岩石材料的力学性质、变形特性、内应力数值均与目标岩石相近,则获得原位内应力样品。
12.值得说明的是,所述预设值根据需要设置。
13.其中,可通过单、三轴压缩试验以及巴西劈裂试验,获取弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、内摩擦角和粘聚力;通过x射线衍射试验计算内应力数值。
14.可选的,制备类岩石材料时采用了模拟深部原位地应力的样品制备装置,所述装置包括高刚度容器、压力板、压力杆和压力监测装置,高刚度容器有浆体入口和浆体出口,浆体出口高于浆体入口,压力板置于高刚度容器内用于从上往下压骨料;
15.制备类岩石材料时,将混合后的骨料和浆体从浆体入口导入高刚度容器中,当混合后的骨料和浆体稳定从浆体出口流出时将浆体入口和浆体出口封堵,随后通过压力杆对压力板施加力,通过压力杆与压力板之间的压力监测装置监测所施加的压力;当压力达到目标值时,稳定压力值且压力板不再下降,进行后续养护。
16.与现有技术相比,本技术具有以下有益效果:
17.本技术考虑了岩石原位内应力特征,使得制备出的类岩石材料更加接近深部原位真实岩石的力学性质和变形特性,能够取代地层深部岩石开始试验测试,减小能耗和成本,提供数据的准确性。
附图说明
18.此处所说明的附图用来提供对本技术实施方式的进一步理解,构成本技术的一部分,并不构成对本发明实施方式的限定。
19.图1是实施例中制备模拟深部原位地应力的样品的流程图;
20.图2是实施例中各衍射角度关系图;
21.图3是实施例中模拟深部原位地应力的样品制备装置的正视图;
22.图4是实施例中模拟深部原位地应力的样品制备装置的右视图。
具体实施方式
23.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施方式是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
24.因此,以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
25.需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是,本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
26.在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和
简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
27.在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.实施例一
29.如图1所示,本实施例公开的模拟深部原位地应力的样品制备方法,包括以下步骤:
30.s1,获取目标岩石的弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、内摩擦角、粘聚力、内应力值。
31.通过单、三轴压缩试验以及巴西劈裂试验,获取弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、内摩擦角和粘聚力,这是本领域的常规技术,此处不再赘述。
32.岩石内应力数值的计算可采用现有方法。不过本技术公开了另一种计算岩石内应力数值的方法,具体包括以下步骤:
33.制备岩心:选取研究区域地层,沿层理方向取出岩心,将岩心加工成与x射线衍射仪样品台形状、大小、厚度相匹配的样品,将待测面进一步打磨抛光,使其平面平整,消除表面应变层。
34.将样品放置在x射线衍射仪样品台处,在θ-θ扫描方式下开展步进扫描工作,采样步长为0.005-0.01
°
,每步停留时间:0.1-0.3s,衍射角10
°‑
158
°
;将检测结果导入jade软件中,获取目标岩石的衍射图谱,选定峰形明显的衍射峰作为衍射特征峰,并且以该衍射特征峰为中心的5
°‑
10
°
衍射角范围内的衍射图谱作为重点研究对象,特征峰对应的衍射角为θ0,通过矿物pdf卡片确定衍射峰代表的矿物组分,结合目标岩石的岩相薄片验证衍射图谱正确性。岩相薄片可以获取岩石的矿物组成,可以验证衍射图谱正确性。当衍射图谱中没有出现岩相薄片显示的矿物,表明x射线衍射试验可能出现差错,应重新开展x射线衍射试验,直至衍射图谱中出现岩相薄片显示的矿物。
35.移动样品板改变x射线的入射角度,以4
°‑5°
为等间距,开展不同入射角度的x射线衍射试验,获取不同入射角度下岩石的x射线衍射图谱,选取特定衍射角范围的衍射图谱进行比较,获取不同入射角度衍射峰对应的衍射角θi(i=1,2,3

),根据衍射测量角度关系,明确晶面法线与试件表面法线的夹角ψ、入射线与试样表面的夹角α和入射线与晶面的夹角θ的关系,各角关系如图2所示,各夹角关系式为:
[0036][0037]
通过上式计算得到不同入射角度下岩石特征峰的ψi(i=0,1,2, 3

)值,进一步计算sin2ψi(i=0,1,2,3

)的值。以2θ作为y 轴,sin2ψ为x轴,在origin中做线性拟合,获得线性拟合曲线斜率m。
[0038]
根据特征峰对应矿物的弹性模量e和泊松比μ,根据如下公式计算内应力系数k:
[0039][0040]
式中,k为内应力系数,e为矿物晶面的弹性模量,μ为矿物晶面的泊松比;θ0为无应力时的衍射角,θ0取x射线衍射仪在θ-θ扫描方式下衍射特征峰对应的衍射角。
[0041]
最后,采用下式计算岩石内应力数值σ
int

[0042]
σ
int
=km
[0043]
上式中,k为内应力系数k,m为线性拟合曲线的斜率。
[0044]
其中,步骤s2中类岩石材料的内应力数值计算也可采用上述方法计算。
[0045]
s2,制备类岩石材料:将研究区域地层岩石制备岩相薄片,通过二值化方法获取岩石粒径分布,按照一定级配调配骨料,骨料以石英砂为主,将调配好的骨料与浆体混合;随后将混合后的骨料和浆体导入容器中,给混合后的骨料和浆体施力,使其压缩。在施力过程中对所施力度进行监测,可以实时调节至目标值,当压力达到施力目标值时,保持力恒定;最后对骨料和浆体的混合体进行养护,养护一段时间后取出混合体,得到类岩石材料。
[0046]
在一些实施例中,浆体主要成分是水泥、石膏和水,按照一定比例调配而成。参考已有研究成果,将与目标岩石的弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、内摩擦角、粘聚力这六项指标接近的比例确定为试验的标定比例。
[0047]
在一些实施例中,养护时间为28天。
[0048]
在一些实施例中,在给骨料施力时,施力目标值可首先设定为岩石内应力值。
[0049]
s3,将s2制备的混合体加工成ф50mm
×
100mm的标准圆柱体试样,并进行单、三轴压缩试验以及巴西劈裂试验,获取类岩石材料的弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、内摩擦角、粘聚力这六项指标,并与目标岩石的对应指标比较。当6项指标与目标岩石的对应指标相差5%以内,即可认定制备的类岩石材料力学性质与目标岩石相近。当各项指标与目标岩石相差5%以外,则利用控制变量法,定量改变混合体各成分占比,确定其余试验比例,然后采用正交试验原理,通过对各个试验比例下配置并养护好的混合体加工成ф50mm
×
100mm的标准圆柱体试样,并进行单、三轴压缩试验以及巴西劈裂试验,获取类岩石材料的弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、内摩擦角、粘聚力,将这六项指标与目标岩石的对应指标比较,利用极差分析手段调整试验比例,直至类岩石材料各项指标与目标岩石的对应指标之差的绝对值在5%以内,即可认定制备的类岩石材料力学性质、变形特性与目标岩石相近。
[0050]
将类岩石材料进行x射线衍射试验,计算类岩石材料的内应力数值,与目标岩石进行对比。当内应力数值之差的绝对值在5%以内,即可认定研制类岩石材料的内应力数值与目标岩石相近。当内应力数值与目标岩石压力值之差大于5%时,则需要减小施加力,当内应力数值与目标岩石压力值小于负5%时,则需要增大施加力,再进行内应力类岩石材料制备以及x射线衍射试验,直至内应力数值相差在 5%以内,可确定施加压力的合理数值,并记录。
[0051]
由此,制备出模拟深部原位地应力的样品。
[0052]
值得说明的是,5%这个比例可以根据需要合理减小或增加,并不进行唯一限定。
[0053]
值得说明的是,单轴压缩试验、三轴压缩试验、巴西劈裂试验、 x射线衍射试验的试样数量最好大于两个,然后求平均,用平均值与目标岩石比较。在一些实施例中,单轴压
缩试验、三轴压缩试验、巴西劈裂试验、x射线衍射试验的试样数量均为三个。
[0054]
实施例二
[0055]
为便于制备模拟深部原位地应力的样品,本实施例公开模拟深部原位地应力的样品制备装置,如图3、图4所示,其包括高刚度容器 1、压力板2、压力杆3和压力监测装置4,高刚度容器1有浆体入口 11和浆体出口12。浆体出口12高于浆体入口11。可选的,浆体出口12与浆体入口11位于高刚度容器1的相对侧。压力板2置于高刚度容器1内用于压骨料。通常来说压力板2的外边缘与高刚度容器1 的内壁适形设计。
[0056]
压力杆3的下端伸进高刚度容器1内,压力杆3用于从上往下给压力板2施力,从而间接给骨料施力。
[0057]
压力监测装置4设于压力杆3下端与压力板2之间,用于监测压力,压力监测装置4连接有数据线41用于传输数据。
[0058]
在一些实施例中,压力监测装置4为压力传感器、光纤传感器或压力盒。
[0059]
模拟深部原位地应力的样品制备装置的使用方法:
[0060]
将研究区域地层岩石制备岩相薄片,通过二值化方法获取岩石粒径分布,按照一定级配调配骨料,骨料以石英砂为主,将调配好的骨料和浆体混合后得混合流体5,将混合流体5经浆体入口11导入高刚度容器1中,当混合流体5稳定从浆体出口12流出时,将浆体入口11和浆体出口12封堵。
[0061]
随后通过压力杆3对压力板2施加力,力的数值可通过压力杆3 与压力板2之间的压力传感器或压力盒监测,并通过数据线41传输出来,可以实时调节至选定的目标值。
[0062]
当压力达到目标值时,稳定压力值至数值显示稳定且压力板2不再下降;将骨料和浆体养护28天,取出混合体,获得类岩石材料。
[0063]
其中,当混合流体5以连续、恒定、中等的速率进行流出,可以通过肉眼观察得到使,表示混合流体5稳定流出。中等指的是混合流体5不会迅猛的喷出或者不会以小细流形式流出。
[0064]
值得说明的是,压力值不要超过高刚度容器1所能承受的强度。
[0065]
当制备的类岩石材料与目标岩石相比较,内应力数值与目标岩石压力值之差大于5%时,则需要减小压力杆3对压力板2的施加力;内应力数值与较目标岩石压力值之差小于负5%时,则需要增大压力杆3对压力板2的施加力,以此再进行内应力类岩石材料制备以及x 射线衍射试验,直至内应力数值相差在5%以内,可确定压力杆3施加压力的合理数值,并记录。
[0066]
在一些实施例中,还包括验证制备类岩石材料的装置可行性的步骤。
[0067]
以上的具体实施方式,对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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