武漢巖土所等在3D打印巖石力學(xué)特性及孔隙結(jié)構(gòu)表征研究中取得進展

來源： 武漢巖土力學(xué)研究所

流體在巖石孔隙中的運移規(guī)律及其流固耦合效應(yīng)是地下油氣儲備與開發(fā)的核心科學(xué)問題，也是導(dǎo)致不同工程災(zāi)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(xué)院武漢巖土力學(xué)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(xué)、加拿大阿爾伯塔大學(xué)、澳大利亞莫納什大學(xué)、西南科技大學(xué)相關(guān)研究人員，在3D打印巖石力學(xué)特性及孔隙結(jié)構(gòu)表征研究方面取得進展。

在重建巖石微觀CT圖像的基礎(chǔ)上，科研人員創(chuàng)新地引入3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了巖土復(fù)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，制備出7類共20樣次的巖石3D打印孔隙結(jié)構(gòu)模型（圖1）；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)模型能夠較好地再現(xiàn)天然巖石的微觀結(jié)構(gòu)特征。研究進一步指出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)。

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（Scanning Electron Microscope, SEM）和能譜分析（Energy Dispersive Spectrometer, 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打印巖石模擬物的微觀孔隙結(jié)構(gòu)（孔隙類型、孔隙尺寸、膠結(jié)劑分布和顆粒接觸類型）（圖2）、強度及變形特征、裂紋擴展及破壞演化過程（圖3）、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(xué)研究中的可行性。

相關(guān)研究成果以A comprehensive experimental study on mechanical behavior, microstructure and transport properties of 3D-printed rock analogs和Characterization and microfabrication of natural porous rocks: from micro-CT imaging and digital rock modelling to micro-3D-printed rock analogs為題，分別發(fā)表在Rock Mechanics and Rock Engineering和Journal of Petroleum Science and Engineering上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、阿卜杜拉國王科技大學(xué)科研基金和國家留學(xué)基金管理委員會的共同資助。

圖1.3D打印模型孔隙結(jié)構(gòu)特征細節(jié)對比

圖2.不同3D打印巖石中典型孔隙類型（不規(guī)則粒間孔-規(guī)則粒間孔-“蜂窩狀”孔）

圖3.壓縮破壞樣品的SEM圖像（a）（b）（c）（d）為SS樣品微觀破壞模式圖；（e）（f）（g）為CSB樣品微觀破壞模式圖；（h）（i）（j）為GP樣品微觀破壞模式圖；（k）為石膏樣品的宏觀壓縮破壞形式