武漢巖土所等在3D打印巖石力學特性及孔隙結構表征研究中取得進展

來源： 武漢巖土力學研究所

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構，探尋微觀孔隙結構與宏觀物理性質的內在關聯，實現巖石宏觀物理參數的精確計算，是開展深部巖體相關工程研究的基礎。

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、西南科技大學相關研究人員，在3D打印巖石力學特性及孔隙結構表征研究方面取得進展。

在重建巖石微觀CT圖像的基礎上，科研人員創(chuàng)新地引入3D打印技術，實現了巖土復雜多孔介質模型的精確、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打印孔隙結構模型（圖1）；結合氦孔隙度和高壓壓汞測試獲取了3D打印模型的微觀結構特征參數，通過與數字模型、以及文獻結果的對比分析，表明制備的3D打印孔隙結構模型能夠較好地再現天然巖石的微觀結構特征。研究進一步指出3D打印技術在多孔介質微觀結構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。

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構（孔隙類型、孔隙尺寸、膠結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研究中的可行性。

相關研究成果以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基金、阿卜杜拉國王科技大學科研基金和國家留學基金管理委員會的共同資助。

圖1.3D打印模型孔隙結構特征細節(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