3D打印巖石力學特性及孔隙結(jié)構(gòu)表征研究獲進展

來源：中國科學報

流體在巖石孔隙中的運移規(guī)律及其流固耦合效應是地下油氣儲備與開發(fā)的核心科學問題，也是導致不同工程災害或工程難題的重要因素。精確表征巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)，探尋微觀孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀物理性質(zhì)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)巖石宏觀物理參數(shù)的精確計算，是開展深部巖體相關(guān)工程研究的基礎(chǔ)。

中國科學院武漢巖土力學研究所油氣地下儲備與開發(fā)研究中心科研人員聯(lián)合沙特阿卜杜拉國王科技大學、加拿大阿爾伯塔大學、澳大利亞莫納什大學、西南科技大學相關(guān)研究人員，在3D打印巖石力學特性及孔隙結(jié)構(gòu)表征研究方面取得進展。

武漢巖土所相關(guān)團隊介紹，科研人員在重建巖石微觀CT圖像的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地引入3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了巖土復雜多孔介質(zhì)模型的精確、快速制備。采用不同的尺度升級打印方案、打印工藝與打印材料，制備了7類共20樣次的巖石3D打印孔隙結(jié)構(gòu)模型。結(jié)合氦孔隙度和高壓壓汞測試獲取了3D打印模型的微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，通過與數(shù)字模型、以及文獻結(jié)果的對比分析，表明制備的3D打印孔隙結(jié)構(gòu)模型能夠較好的再現(xiàn)天然巖石的微觀結(jié)構(gòu)特征。研究進一步指出了3D打印技術(shù)在多孔介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)特征研究中存在的不足，為巖石3D打印模型的優(yōu)化研究奠定了理論基礎(chǔ)。

同時，針對采用聚合物材料的3D打印巖石難以模擬天然巖石強度和變形特征、以及顆粒表面物化特性的缺陷，科研人員采用三類不同的天然顆粒材料為基材制作了3D打印巖石模擬物。通過室內(nèi)單軸——三軸壓縮、高精度CT掃描、掃描電鏡（SEM）和能譜分析（EDS）等多種實驗測試手段的聯(lián)合表征，系統(tǒng)性地研究了3D打印巖石模擬物的孔隙類型、孔隙尺寸、膠結(jié)劑分布和顆粒接觸類型等微觀孔隙結(jié)構(gòu)、強度及變形特征、裂紋擴展及破壞演化過程、潤濕性和滲透特性。通過與天然巖石的對比，驗證了3D打印巖石模擬物在替代天然樣品開展流動測試分析和巖石力學研究中的可行性。

相關(guān)研究成果近期分別發(fā)表在Rock Mechanics and Rock Engineering和Journal of Petroleum Science and Engineering上。研究工作獲得國家自然科學基金（51909225）、阿卜杜拉國王科技大學科研基金（BAS/1/1351-1301）和國家留學基金委的共同資助。

相關(guān)論文信息：

https://link.springer.com/article/10.1007/s00603-020-02239-4

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0920410521004885