CT成像一体式岩石力学试验机检测系统研制及标定

发布时间：2020-03-24 14:51

【摘要】：岩石力学试验机是研究岩石破裂特性的重要手段,在页岩气开采、核废料处置和地震预测等领域具有重大应用意义。精密检测与控制技术的发展,使研究人员可以获得岩石破裂后的全应力应变曲线,但尚不能获知岩石裂纹发生发展的过程。本论文研制的试验机可以在模拟地下环境对岩样加载的同时,利用CT对岩石试样进行360°扫描,通过图像三维重构技术获得岩石破裂过程的实时图像。本论文在分析试验机系统刚度的基础上,设计了不降低试验机刚度的一体式岩石力学试验机力学检测系统和位移检测系统,对位移检测系统、力检测系统完成了标定,提出了无遮挡成像的检测与试验方法。论文主要完成以下工作:完成了一体式岩石力学试验机的总体刚度分析。分析了影响试验机刚度的因素,将压力室兼作试验机的反力架,在CT成像的同时保证试验机的刚度和转台旋转精度。设计了一种新型的岩样变形量测量方法,可以实现CT无遮挡成像。将三个高精度LVDT位移传感器置于压力室内部和活塞杆尾部,在多次试验得到大量数据基础上,分别用最小二乘法和神经网络建立了试验机变形量和轴向力的关系模型,由此得到岩样变形量,此方法实现了本试验机不同岩样位移检测的通用化。提出了一种不会降低试验机整机刚度的轴向力检测方法。力传感器作为弹性元件,会影响试验机整机刚度。本论文通过测量伺服缸上下腔的压力与围压压力,间接计算岩石试样受力;设计加工了专用装置,通过实验测定伺服缸摩擦力,由二者关系得到较为精确的岩石所受轴向力。完成了岩样加热和温度检测系统设计。论文中对岩样选择底座加热的方式,设计了以热电偶为温度检测元件、温控器为控制元件的检测系统,使岩样温度最高可以稳定在200℃,温度跳动最大为0.415℃。标定后的位移传感器非线性误差最大为0.31%。对岩样变形量测量实验得到的校准数据采用神经网络辨识后的均方差为8.25×10-6,比最小二乘法的均方差小了一个数量级。证明神经网络辨识的模型精度要比最小二乘法进行曲线拟合的结果更好。伺服缸摩擦力测定试验测得伺服缸在匀速下压时的摩擦力为689.8N,标准差为5.9N。
【图文】：

根据我国页岩气储气层埋藏较深、地质构造活跃、规律复杂的地质特点，水逦、逡逑平钻井技术和水力压裂技术成为了影响页岩气开发的关键技术，如图１－１所示。这逡逑些技术的发展直接决定了页岩气开采的进展和产量［６］。逡逑ｉ逦．邋Ｉ逡逑图１－１水平钻井技术和水力压裂技术逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋ｄｒｉｌｌｉｎｇ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋ａｎｄ邋ｈｙｄｒａｕｌｉｃ邋ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ逡逑页岩气开采技术的发展离不开对岩石压裂过程的探讨。从我国页岩气分布地逡逑和地质情况来看，我国的页岩气一般都储藏于地下２０００多米深度以上，而且地质逡逑构造较为活跃，这样的地质特点决定了无论机器或人都无法直接进入，为岩石开逡逑采技术的突破带来了很大的困难。因此，探索岩石破裂和气液运移规律的主要途逡逑径就是设计一台可以模拟地下高温高压环境进行试验的岩石力学设备。逡逑经过中国科学院地质与地球物理研宄为首的科研团队的努力，成功地申请了逦一逡逑国家自然基金重大仪器专项一一高能加速器ＣＴ多场耦合岩石力学实验系统，实验逡逑系统如图１－２所示，本课题主要负责试验机主体部分的研制。逡逑图１－２高能加速器ＣＴ多场耦合岩石力学实验系统逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｍｕｌｔｉ邋ｆｉｅｌｄ邋

根据我国页岩气储气层埋藏较深、地质构造活跃、规律复杂的地质特点，水逦、逡逑平钻井技术和水力压裂技术成为了影响页岩气开发的关键技术，如图１－１所示。这逡逑些技术的发展直接决定了页岩气开采的进展和产量［６］。逡逑ｉ逦．邋Ｉ逡逑图１－１水平钻井技术和水力压裂技术逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋ｄｒｉｌｌｉｎｇ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋ａｎｄ邋ｈｙｄｒａｕｌｉｃ邋ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ逡逑页岩气开采技术的发展离不开对岩石压裂过程的探讨。从我国页岩气分布地逡逑和地质情况来看，我国的页岩气一般都储藏于地下２０００多米深度以上，而且地质逡逑构造较为活跃，这样的地质特点决定了无论机器或人都无法直接进入，为岩石开逡逑采技术的突破带来了很大的困难。因此，探索岩石破裂和气液运移规律的主要途逡逑径就是设计一台可以模拟地下高温高压环境进行试验的岩石力学设备。逡逑经过中国科学院地质与地球物理研宄为首的科研团队的努力，，成功地申请了逦一逡逑国家自然基金重大仪器专项一一高能加速器ＣＴ多场耦合岩石力学实验系统，实验逡逑系统如图１－２所示，本课题主要负责试验机主体部分的研制。逡逑图１－２高能加速器ＣＴ多场耦合岩石力学实验系统逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｍｕｌｔｉ邋ｆｉｅｌｄ邋
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH873

【参考文献】

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本文编号：2598482