【银河国际点击登录】打开破裂演进,中国新一代岩石力学试验机可

中国新一代岩石力学试验机可“透视”岩石破裂

给岩石做个CT 打开破裂演进“黑匣子”

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。

打开岩石力学试验的黑箱,让岩石内部像玻璃一样清晰可见,获知岩石内部的破裂演进和流体运移规律,是科学家们长期追寻的梦想。

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。

最近在西藏自治区林芝市米林县发生的山体滑坡,导致雅鲁藏布江河道堵塞形成堰塞湖。如果我们能知晓山体的破裂演化过程,就可根据裂缝的发展程度采取相应的预报甚至干预措施。

“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。

近日,在国家自然科学基金委员会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”的支持下,由中科院地质与地球物理研究所李晓研究员领衔,中科院高能物理研究所和北京交通大学等单位研究人员组成的科研团队,历时五年研制成功世界上首台高能加速器CT可旋转式岩石力学刚性伺服试验机,将为深部资源能源开发、天然气水合物开采、核废料地质处置、重大工程建设、地质灾害防治等领域提供新的科学实验平台。

获得“峰后力学特性”

两次失败三台样机 首次实现加载中高精度旋转

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。

岩石力学试验是地球科学和地质工程中必须进行的试验工作。为了使岩石内部像玻璃一样透明可见,人们研发出许多试验技术来探测岩石破裂演化过程。进入21世纪,国内外学者直接利用医用或工业CT以及同步辐射光源,进行CT扫描岩石力学试验,取得了一些重要研究成果。

2000年以来,迅速发展的计算机X射线断层扫描技术开启了第三代“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。

“这些试验难以进行应力、温度、流体等多场耦合试验,不能获取岩石重要的全应力应变特性,也无法满足深地科学与工程的需求。”李晓直言,近年来兴起的以水力压裂为核心技术的页岩油气、致密油气、干热岩地热、天然气水合物等非常规能源开发,迫切需要一个能进行CT实时扫描的标准岩石力学试验系统,以解决岩石压裂裂缝形成机制与空间分布规律这一关键科学问题。

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。

要实现CT实时扫描和三维成像,就必须攻克试验机在加载过程中高精度旋转等技术难题,然而,世界上还没有一台可旋转式岩石力学试验机。

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。

“很多外国专家来参观时都会问一个问题,你们是怎么做到岩石力学试验机的高精度旋转的?”李晓笑着说,这也是当时面临的难题,研究团队尝试多种方案、历经两次失败,先后研制三台样机后终获成功。

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。

“我们首先设计了双排滚柱轴承旋转方案,研制的第一台实验样机,优点是旋转定位精度高,但轴承摩擦阻力大,导致旋转阻力大。”李晓回忆说,项目组重新设计了双油缸油膜液浮支承旋转方案,研制出第二台实验样机,旋转摩阻确实降低了。但在岩石高压加载试验中,样机的系统刚度小,整个系统的垂直精度也不够,指标无法达到最佳,只能从头再来。

“压力山大”的两次失败

科学就是在不断的失败中寻找成功的微光。李晓带领团队顶着压力,不断优化方案、积累技术经验,高精度旋转式的伺服控制岩石力学刚性试验机最终研制成功。

“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。

就在今年7月,国家自然科学基金委员会组织专家对研制设备进行测试和验收,验收专家认为,该项目突破了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七项关键技术。

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。

增加重要功能 可进行流体压裂等多种试验

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。

“高射线能量的电子直线加速器,国外对我国禁运,是卡脖子设备。研制机另外一个重要子系统——‘电子直线加速器CT’设备,是由中科院高能物理所研究人员自主研制。”李晓说,这不仅打破了国外对我国高能加速器射线源禁运的技术封锁,也破解了动态原位加载与快速CT层析同步成像的技术难题,实现了动态原位高精度探测成像。

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。

李晓现场展示了一张PPT,列出了项目组研制机与美国最先进CT扫描岩石力学试验装置的技术性能对比。由于研究团队采用了与国外完全不同的设计原理、机械结构和控制系统,项目研制机主要性能指标比国外同类设备提高了1—2个数量级,尤其是新增了许多岩石力学试验的重要功能。

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。

“国外CT岩石力学试验装置刚度很低,属于柔性试验机,不能获得岩石全应力应变曲线,因此不能研究岩石的渐进破坏过程这一重要特性。”李晓解释说,国外设备只是一个可以放置在CT机上进行扫描的简单加载装置,还不能称之为岩石力学试验机。而且,在CT扫描试验中不能安设引伸仪,这导致在试验中很难获得岩石精确的轴向和径向变形。

突破“卡脖子”技术

此外,项目研制设备在全程试验中有三套独立闭环电液伺服控制系统,可进行蠕变、松弛、变加载速率、不同波形加载、流体压裂等多种工况试验,而国外设备均无这些功能。

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。

不到一年间,已有多位国内外知名专家学者前来参观和学术交流,对该试验系统给予了高度评价。

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。

发展潜力凸显 为深地能源开发提供支撑

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。

利用高能加速器CT多场耦合岩石力学试验系统,可以获得岩石、土体、混凝土、陶瓷等地质类材料在应力、温度、流体等多种环境力场作用下的损伤破裂演化过程,揭示地质类材料变形破坏宏观力学行为的细观动因,突破多相多场耦合基础理论,建立科学合理的本构模型,具有重要的科学意义。

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。

值得一提的是,该试验系统还可广泛应用于油气、矿山、水利、交通、土木、环保等国家重大工程建设中。例如,对于矿山突发水灾害预测、滑坡地质灾害发生机制、隧道塌方冒顶事故防治、二氧化碳地下封存等亟待解决的重大工程技术问题,具有重要的试验与理论指导作用。

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。

中科院地质与地球物理所赫建明副研究员介绍,基于该试验系统获得的岩石损伤破裂规律,项目组还研发了页岩气开采压裂渗流产能预测软件,有力支撑了中科院战略性科技先导页岩气专项与国家油气重大专项的实施,并对我国页岩气开发的压裂设计提供了技术支撑。

“山体滑坡看来是突然发生的,其实也有自己的演化过程,裂缝渐进发展到一定程度完全贯通就会造成滑坡。假如我们了解裂缝的演化过程,就可以进行及时预测、预报、干预,并根据裂缝的发展程度和规律及时采取相应措施。”李晓强调,裂缝的发展过程就是岩石的破裂过程,科学家洞悉这一过程后,可及时对灾害进行早期识别、中途干预;利用该研制设备进行滑坡物理模拟试验,可揭示滑带的渐进破裂过程及关键物理量的变化规律。

“利用该试验平台,我们正在开展试验研究工作。比如,在干热岩地热能开发方面,该试验系统可模拟热储层中压裂裂缝的形成发展、剪切错位与空间构型,用于中深层地热能资源开采设计;借助该试验系统,可研究不同温度压力条件下储库围岩裂隙扩展渗流的多场耦合机制与过程,为高放射性核废料地下处置库设计提供试验依据。”中科院页岩气与地质工程重点实验室副主任李守定研究员说,利用该试验系统的低温装置,还可进行天然气水合物钻采的模拟试验研究等。

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