[發明專利]一種巖石微米尺度彈性模量及屈服強度獲取方法

有效

• 申請號: 201811099088.1
• 申請日: 2018-09-20
• 公開（公告）號: CN109060539B
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 宋睿;鄭立傅;汪堯;崔夢夢;彭珈筠;鄭玲靜
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種微尺度巖石彈性模量及屈服強度參數的獲取方法。所述方法包括：采用微米級壓頭開展巖石微米壓痕實驗，獲取加載過程中的載荷—位移曲線，結合壓痕實驗公式可獲取不同位移條件下巖石彈性模量；對巖石試樣開展微CT掃描，建立壓痕區域巖石骨架的有限元網格模型；以微米壓痕實驗得到的彈性模量作為輸入參數模擬巖石單軸壓縮過程，獲得模型整體彈性模量并與巖芯單軸壓縮實驗對比，確定有效表征巖石微米彈性模量的壓入深度RVE；然后，開展不同屈服強度條件下的巖樣壓痕實驗數值模擬，并將模擬得到的加卸載載荷—位移曲線與壓痕實驗進行對比驗證，從而確定巖石微米級的屈服強度。

技術領域

本發明涉及巖土工程領域，特別涉及一種巖石微尺度力學參數的獲取方法。

背景技術

巖石作為一種非均質多孔介質材料，其宏觀力學性質與孔隙結構特征、礦物組分密切相關。大量理論、實驗表明，巖石的變形及破裂源于微觀。微尺度的巖石變形及破裂研究需要相應尺度的力學參數。然而，傳統單軸、三軸壓縮等試驗的巖樣尺寸均在厘米級以上，得到的巖石力學參數只能滿足宏觀巖石力學性質的研究，這些實驗在巖樣的制取、精度測量根本無法應用到微米級別巖石的參數的研究。對于微米尺度的材料力學性能測試也面臨著眾多難題，例如樣品尺寸測量、應變—位移的測定以及樣品的制備等。

針對目前巖石微米尺度力學參數難以獲取的缺陷，本發明公開一種巖石微米尺度彈性模量及屈服強度參數的實驗及數值模擬方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可用于巖石微尺度彈性模量及屈服強度的獲取方法，通過綜合運用巖石微米壓痕實驗及數字巖心模擬技術，解決目前實驗手段難以獲取巖石微尺度力學參數的缺陷。

為了達到上述目的，本發明是這樣實現的：

(一)將原始巖心制成厚度為5mm的切片，并進行拋光處理，確保切片上下兩個底面平行、光滑。利用制備的巖樣切片開展壓痕實驗，獲取儀器壓頭壓入樣品過程中的載荷—位移曲線，利用壓痕實驗公式得出不同壓入深度條件下的巖石彈性模量；對切片后巖樣開展單軸壓縮試驗，獲得宏觀尺度下巖石彈性模量數據。

(二)對壓痕實驗中切片的壓痕部分制樣并開展微觀CT掃描，獲得巖石微觀結構圖像；基于數字巖心重建技術，建立巖石骨架的有限元網格模型；

(三)以巖石微米壓痕實驗得到的巖石彈性模量作為輸入參數，開展單軸壓縮數值模擬，并將模型整體表現出的彈性模量與單軸壓縮實驗結果進行對比驗證，以確定可表征該巖樣微米級彈性模量的壓入深度RVE。

(四)基于數字巖心重建技術，建立巖石骨架及壓頭的有限元網格模型；假設巖石為理想Von-Mises各向同性強化彈塑性材料，壓頭和測試樣品為剛—柔接觸方式，遵循基本庫侖—摩擦接觸模型，計算過程考慮幾何大變形；開展壓痕實驗過程的數值模擬，通過模擬不同屈服強度條件下的加卸載曲線并與壓痕實驗進行比對，從而確定該巖樣微米尺度的屈服強度參數。

與傳統技術相比，本發明的有益效果在于：

解決了傳統技術在實驗設備、方法、樣品制取和測量精度等方面均無法應用至微觀尺度的缺陷，為巖石微米級力學參數獲取提供了新的研究方法。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明方法的技術方案，下面結合附圖和具體實施方式對本申請實施例作進一步說明。

圖1為本發明實施例所述的巖石微米級彈性模量及屈服強度獲取方法流程圖。

圖2為本發明實施例提供的一個巖樣切片及實驗壓痕分布圖。

圖3為本發明實施例提供的一個巖樣壓痕實驗的加卸載過程位移—載荷分布曲線。

圖4為本發明實施例提供的一個巖樣切片壓痕區的微CT圖像及其骨架數字巖心模型。

圖5為本發明實施例提供的巖樣單軸壓縮數值模擬得到的巖樣應力及應變分布云圖。