3D打印巖石力學(xué)特性及孔隙結(jié)構(gòu)表征研究獲進(jìn)展

來源：中國科學(xué)報(bào)

流體在巖石孔隙中的運(yùn)移規(guī)律及其流固耦合效應(yīng)是地下油氣儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)巖石宏觀物理參數(shù)的精確計(jì)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(chǔ)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(jìn)展。

武漢巖土所相關(guān)團(tuán)隊(duì)介紹，科研人員在重建巖石微觀CT圖像的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地引入3D打印技術(shù)，實(shí)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(jí)打印方案、打印工藝與打印材料，制備了7類共20樣次的巖石3D打印孔隙結(jié)構(gòu)模型。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(xiàn)結(jié)果的對(duì)比分析，表明制備的3D打印孔隙結(jié)構(gòu)模型能夠較好的再現(xiàn)天然巖石的微觀結(jié)構(gòu)特征。研究進(jìn)一步指出了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)。

同時(shí)，針對(duì)采用聚合物材料的3D打印巖石難以模擬天然巖石強(qiáng)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（SEM）和能譜分析（EDS）等多種實(shí)驗(yàn)測試手段的聯(lián)合表征，系統(tǒng)性地研究了3D打印巖石模擬物的孔隙類型、孔隙尺寸、膠結(jié)劑分布和顆粒接觸類型等微觀孔隙結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及變形特征、裂紋擴(kuò)展及破壞演化過程、潤濕性和滲透特性。通過與天然巖石的對(duì)比，驗(yàn)證了3D打印巖石模擬物在替代天然樣品開展流動(dòng)測試分析和巖石力學(xué)研究中的可行性。

相關(guān)研究成果近期分別發(fā)表在Rock Mechanics and Rock Engineering和Journal of Petroleum Science and Engineering上。研究工作獲得國家自然科學(xué)基金（51909225）、阿卜杜拉國王科技大學(xué)科研基金（BAS/1/1351-1301）和國家留學(xué)基金委的共同資助。

相關(guān)論文信息：

https://link.springer.com/article/10.1007/s00603-020-02239-4

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0920410521004885