中國新一代巖石力學(xué)試驗機可“透視”巖石破裂

時間:2018-10-23來1源:科學(xué)網(wǎng) 作者:佚名

10月中旬，中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員李曉帶領(lǐng)的科研團隊收到了一份新的巖芯樣品。他們穿過CT室厚厚的、曲折的迷宮門，將這個不同尋常的大尺度巖石試樣放置好后，回到位于另一個房間的中控臺前。

強烈的轟鳴聲中，巖石試樣在試驗機的高壓中進行高精度旋轉(zhuǎn)，接受6MeV的高能電子“透視”。很快，一張張布滿裂紋的黑白照片傳送到中控臺的電腦屏幕上。

“這是世界第一臺高能加速器CT可旋轉(zhuǎn)式巖石力學(xué)剛性伺服試驗機。”站在這臺占用一個房間的CT機面前，李曉告訴《中國科學(xué)報》記者。在國家自然科學(xué)基金委員會（以下簡稱自然科學(xué)基金委）國家重大科研儀器研制項目“高能加速器CT多場耦合巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)”支持下，李曉帶領(lǐng)來自中科院地質(zhì)與地球物理所、高能物理研究所、北京交通大學(xué)等單位的科研團隊歷時五年時間成功研制了這臺試驗機，從此巖石破裂過程不再是秘密。

獲得“峰后力學(xué)特性”

巖石力學(xué)試驗旨在測試巖石在各種環(huán)境力場作用下的物理力學(xué)性狀及響應(yīng)，以揭示巖石變形破裂機理。上世紀七十年代之前，第一代巖石力學(xué)試驗機沿用普通材料試驗機測定巖石破壞前的力學(xué)特性。隨后，作為第二代巖石力學(xué)試驗機的伺服控制試驗機讓科學(xué)家獲得了巖石破裂后的“峰后力學(xué)特性”，但巖石從初始完整狀態(tài)到完全破裂狀態(tài)如何演化的，人們不得而知。

2000年以來，迅速發(fā)展的計算機X射線斷層掃描（CT）技術(shù)開啟了第三代“帶CT實時掃描的伺服剛性試驗機”的研制。打開巖石力學(xué)試驗的黑箱，使巖石內(nèi)部像玻璃一樣透明可見的夢想變成了可能。

不過，第三代試驗機由于系統(tǒng)剛度小，不能獲得巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線，難以獲得巖石的“峰后特征曲線”。而地質(zhì)和工程學(xué)家發(fā)現(xiàn)，巖石破壞后依然具有支撐能力。

作為一名工程地質(zhì)力學(xué)專家，李曉越來越多地感受到工程實踐對巖石力學(xué)試驗機獲得峰后破裂力學(xué)特性的新需求。“我們迫切需要一個能進行CT實時掃描的巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)，解決巖石壓裂裂縫形成機制與空間展布規(guī)律這一關(guān)鍵科學(xué)問題，指導(dǎo)和優(yōu)化儲層壓裂工程設(shè)計。”李曉強調(diào)。

為加強系統(tǒng)剛度，科研人員設(shè)計了剛性四立柱作為反力裝置，實現(xiàn)了高達200噸的壓力，可施加萬米深度的地殼應(yīng)力，遠超目前國際領(lǐng)先的70噸壓力。這一設(shè)計為揭示深部巖石力學(xué)特性奠定了基礎(chǔ)，實現(xiàn)了巖石損傷破裂全過程的試驗?zāi)繕恕?/div>

“壓力山大”的兩次失敗

“壓力是真大！”回顧該試驗機的研制歷程，李曉感受最深的是兩次失敗的經(jīng)歷。

高精度旋轉(zhuǎn)，是該試驗機的核心技術(shù)之一。“項目啟動之初，世界上所有巖石力學(xué)試驗機均是靜止固定、不能轉(zhuǎn)動的，還沒有一臺可旋轉(zhuǎn)式巖石力學(xué)試驗機。”在沒有任何類似設(shè)備可供借鑒的“零基礎(chǔ)”上，中國科學(xué)家們出發(fā)了。

為實現(xiàn)“高精度”，他們首先采用了“雙排滾柱軸承旋轉(zhuǎn)”方案。在理論計算和數(shù)值仿真表明方案可行的情況下，第一次試驗卻讓研究人員大失所望。“高精度實現(xiàn)了，但軸承摩擦阻力大導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)阻力大，只好放棄。”李曉說。

第二個方案圍繞如何降低試驗機在200噸高壓下旋轉(zhuǎn)的摩擦阻力，研究人員采用了“雙油缸油膜液浮支承旋轉(zhuǎn)”方案，試圖用油膜降低摩擦阻力。歷經(jīng)八、九個月后的研制，該方案最終由于高壓下油膜壓縮、垂直定位精度不夠放棄。

連續(xù)遭遇兩次失敗，項目組經(jīng)反復(fù)的實驗室小試、樣機中試，最終設(shè)計了“限位油缸靜壓支承旋轉(zhuǎn)方案”，成功研制了高精度旋轉(zhuǎn)式的伺服控制巖石力學(xué)剛性試驗機，首次實現(xiàn)了大尺度試樣、模擬深部地層環(huán)境、觀測巖石損傷破裂動態(tài)過程的試驗?zāi)繕�，突破了巖石破裂演化與氣液運移試驗的技術(shù)瓶頸。

突破“卡脖子”技術(shù)

該試驗機的另一個重要子系統(tǒng)是高能量的“電子直線加速器CT”設(shè)備，其核心部件為加速管。目前，這一設(shè)備國外對我國禁運，是不折不扣的“卡脖子”設(shè)備。

為此，項目參研單位中科院高能物理所的科研人員采用“邊耦合駐波電子直線加速技術(shù)”，研制成功了具有完全知識產(chǎn)權(quán)的6MeV電子直線加速器。“這套系統(tǒng)從物理設(shè)計、機械設(shè)計、加工制造、整管焊接、微波調(diào)配、性能測試等整套工藝全部由項目組自主完成。”李曉介紹。

據(jù)記者了解，該研制項目共突破包括靜壓支承降阻控制技術(shù)、調(diào)心推力限位油缸垂直定位技術(shù)、高精度旋轉(zhuǎn)伺服控制技術(shù)、高壓高低溫旋轉(zhuǎn)密封與供液技術(shù)、6MeV邊耦合駐波加速管、寬動態(tài)范圍CT線陣探測器、動態(tài)原位高精度探測成像等七項關(guān)鍵核心技術(shù)。

科學(xué)家們期待，未來，上述關(guān)鍵技術(shù)的突破面向軍工、航天、材料、機械、無損檢測等等更廣闊的領(lǐng)域和場景。

自去年10月起，該試驗機陸續(xù)開展巖石力學(xué)試驗。根據(jù)試驗結(jié)果以及建立的理論模型，科學(xué)家們研發(fā)了頁巖氣開采壓裂滲流產(chǎn)能預(yù)測軟件，對我國頁巖氣開發(fā)的壓裂設(shè)計提供了技術(shù)支撐。此外，在干熱巖地熱能開發(fā)、天然氣水合物開采、高放射性核廢料地質(zhì)處置、深地科學(xué)鉆探及深部地質(zhì)工程等方面，該試驗機也具有廣闊的應(yīng)用前景。

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