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中国新一代岩石力学试验机可“透视”岩石破裂

2018-10-23 09:36来源:科学网 www.sciencenet.cn

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  10月中旬,中科院地质与地球物理研究所研究员李晓带领的科研团队收到了一份新的岩芯样品。他们穿过CT室厚厚的、曲折的迷宫门,将这个不同寻常的大尺度岩石试样放置好后,回到位于另一个房间的中控台前。

  强烈的轰鸣声中,岩石试样在试验机的高压中进行高精度旋转,接受6MeV的高能电子“透视”。很快,一张张布满裂纹的黑白照片传送到中控台的电脑屏幕上。

  “这是世界第一台高能加速器CT可旋转式岩石力学刚性伺服试验机。”站在这台占用一个房间的CT机面前,李晓告诉《中国科学报》记者。在国家自然科学基金委员会(以下简称自然科学基金委)国家重大科研仪器研制项目“高能加速器CT多场耦合岩石力学试验系统”支持下,李晓带领来自中科院地质与地球物理所、高能物理研究所、北京交通大学等单位的科研团队历时五年时间成功研制了这台试验机,从此岩石破裂过程不再是秘密。

  获得“峰后力学特性”

  岩石力学试验旨在测试岩石在各种环境力场作用下的物理力学性状及响应,以揭示岩石变形破裂机理。上世纪七十年代之前,第一代岩石力学试验机沿用普通材料试验机测定岩石破坏前的力学特性。随后,作为第二代岩石力学试验机的伺服控制试验机让科学家获得了岩石破裂后的“峰后力学特性”,但岩石从初始完整状态到完全破裂状态如何演化的,人们不得而知。

  2000年以来,迅速发展的计算机X射线断层扫描(CT)技术开启了第三代“带CT实时扫描的伺服刚性试验机”的研制。打开岩石力学试验的黑箱,使岩石内部像玻璃一样透明可见的梦想变成了可能。

  不过,第三代试验机由于系统刚度小,不能获得岩石全应力应变曲线,难以获得岩石的“峰后特征曲线”。而地质和工程学家发现,岩石破坏后依然具有支撑能力。

  作为一名工程地质力学专家,李晓越来越多地感受到工程实践对岩石力学试验机获得峰后破裂力学特性的新需求。“我们迫切需要一个能进行CT实时扫描的岩石力学试验系统,解决岩石压裂裂缝形成机制与空间展布规律这一关键科学问题,指导和优化储层压裂工程设计。”李晓强调。

  为加强系统刚度,科研人员设计了刚性四立柱作为反力装置,实现了高达200吨的压力,可施加万米深度的地壳应力,远超目前国际领先的70吨压力。这一设计为揭示深部岩石力学特性奠定了基础,实现了岩石损伤破裂全过程的试验目标。

  “压力山大”的两次失败

  “压力是真大!”回顾该试验机的研制历程,李晓感受最深的是两次失败的经历。

  高精度旋转,是该试验机的核心技术之一。“项目启动之初,世界上所有岩石力学试验机均是静止固定、不能转动的,还没有一台可旋转式岩石力学试验机。”在没有任何类似设备可供借鉴的“零基础”上,中国科学家们出发了。

  为实现“高精度”,他们首先采用了“双排滚柱轴承旋转”方案。在理论计算和数值仿真表明方案可行的情况下,第一次试验却让研究人员大失所望。“高精度实现了,但轴承摩擦阻力大导致旋转阻力大,只好放弃。”李晓说。

  第二个方案围绕如何降低试验机在200吨高压下旋转的摩擦阻力,研究人员采用了“双油缸油膜液浮支承旋转”方案,试图用油膜降低摩擦阻力。历经八、九个月后的研制,该方案最终由于高压下油膜压缩、垂直定位精度不够放弃。

  连续遭遇两次失败,项目组经反复的实验室小试、样机中试,最终设计了“限位油缸静压支承旋转方案”,成功研制了高精度旋转式的伺服控制岩石力学刚性试验机,首次实现了大尺度试样、模拟深部地层环境、观测岩石损伤破裂动态过程的试验目标,突破了岩石破裂演化与气液运移试验的技术瓶颈。

  突破“卡脖子”技术

  该试验机的另一个重要子系统是高能量的“电子直线加速器CT”设备,其核心部件为加速管。目前,这一设备国外对我国禁运,是不折不扣的“卡脖子”设备。

  为此,项目参研单位中科院高能物理所的科研人员采用“边耦合驻波电子直线加速技术”,研制成功了具有完全知识产权的6MeV电子直线加速器。“这套系统从物理设计、机械设计、加工制造、整管焊接、微波调配、性能测试等整套工艺全部由项目组自主完成。”李晓介绍。

  据记者了解,该研制项目共突破包括静压支承降阻控制技术、调心推力限位油缸垂直定位技术、高精度旋转伺服控制技术、高压高低温旋转密封与供液技术、6MeV边耦合驻波加速管、宽动态范围CT线阵探测器、动态原位高精度探测成像等七项关键核心技术。

  科学家们期待,未来,上述关键技术的突破面向军工、航天、材料、机械、无损检测等等更广阔的领域和场景。

  自去年10月起,该试验机陆续开展岩石力学试验。根据试验结果以及建立的理论模型,科学家们研发了页岩气开采压裂渗流产能预测软件,对我国页岩气开发的压裂设计提供了技术支撑。此外,在干热岩地热能开发、天然气水合物开采、高放射性核废料地质处置、深地科学钻探及深部地质工程等方面,该试验机也具有广阔的应用前景。

[责编:毕孝斌]

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