岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (4): 1089-1099.doi: 10.16285/j.rsm.2022.0742

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于毫米压痕测试获取致密砂岩弹性模量的研究

罗宇杰1, 2，张杨3，刘容妃1，胡大伟1, 2，周辉1, 2，肖海斌4   

  1. 1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；2. 中国科学院大学，北京 100049； 3. 中国石油集团工程技术研究院有限公司井下作业研究所，北京 102206；4. 华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明 650000
  • 收稿日期:2022-05-18 接受日期:2022-09-09 出版日期:2023-04-18 发布日期:2023-04-29
  • 通讯作者: 胡大伟，男，1981年生，博士，研究员，博士生导师，主要从事地下工程多场耦合方面的研究工作。E-mail: dwhu@whrsm.ac.cn E-mail:286275850@qq.com
  • 作者简介:罗宇杰，男，1993年生，博士研究生，主要从事多尺度岩石力学方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金（No.52179114）；中国科学院前沿科学重点研究计划（No.ZDBS-LY-DQC022）；华能集团科技项目（No.HNKJ19-H14）。

Study of obtaining elastic modulus of tight sandstone based on mm-indentation test

LUO Yu-jie1, 2, ZHANG Yang3, LIU Rong-fei1, HU Da-wei1, 2, ZHOU Hui1, 2, XIAO Hai-bin4   

  1. 1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Downhole Operation Research Department, CNPC Engineering Technology R&D Company Limited, Beijing 102206, China; 4. Huaneng Lancang River Hydropower Inc., Kunming, Yunnan 650000, China
  • Received:2022-05-18 Accepted:2022-09-09 Online:2023-04-18 Published:2023-04-29
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (52179114), the Key Research Program of Frontier Sciences, CAS (ZDBS-LY-DQC022) and the China Huaneng Group Technology Project (HNKJ19-H14).

PDF (Chinese)

206

摘要： 深部岩石工程安全高效开发的前提是精确获取深部的岩石力学参数。针对钻井取芯困难、成本高，室内力学试验数据少，离散性大的问题，提出了一种基于毫米压痕测试精确获取致密砂岩弹性模量的方法。采用5种常用的硬度计压头，控制最大载荷和加/卸载速率作为试验变量，对塔里木油田致密砂岩进行了大量毫米压痕测试。结果表明，采用布氏球形压头，基于Oliver-Pharr理论可以精确获取致密砂岩的弹性模量。进而，分析了布氏球形压头直径、加/卸载速率和最大载荷等试验条件对测试结果的影响规律，明确了最优试验条件；并通过有限元计算分析了受力区域应力分布规律，讨论了不同试验条件下代表性体积单元与Oliver-Pharr理论的适用性。与传统的微/纳米压痕测试相比，该方法具有测试速度快、制样方便和成本低等优点，可应用于钻井现场返排的岩屑以及难以制作标准试样的岩芯样品，为深部资源的高效开发和深部岩石工程的安全建设提供有力支撑。

关键词: 毫米压痕测试, 致密砂岩, 弹性模量, 布氏压头, Oliver-Pharr理论

Abstract: The precise acquisition of deep rock mechanical parameters is required for the safe and efficient development of deep rock engineering. In response to the problems of difficult and costly coring, little data from laboratory tests and large discreteness, a method based on mm-indentation tests is developed to accurately obtain the elastic modulus of tight sandstone. In this paper, five indenters commonly used in mm-indentation test are used. A large number of mm-indentation tests on tight sandstone in the Tarim oilfield are performed by controlling the maximal load and loading/unloading rate as test variables. The results show that Brinell spherical indenters can accurately measure the elastic modulus of tight sandstone based on the Oliver-Pharr theory. In addition, the influence of test conditions such as Brinell indenter diameter, loading/unloading rate, and maximal load on test results is analyzed, and the optimal test conditions are clarified. The stress distribution in the stressed area is analyzed using FEM software, and the applicabilities of representative volume element and Oliver Pharr theory under various test conditions is discussed. Compared with the traditional micro/nanoindentation test, the proposed method has the advantages of rapid testing speed, simple sample preparation, and low cost, and it can be applied to a large number of drill cuttings returned from drilling sites as well as core samples with fracture development that are difficult to make standard samples, providing strong support for the efficient development of deep resources and the safe construction of deep rock engineering.

Key words: mm-indentation test, tight sandstone, elastic modulus, Brinell indenter, Oliver-Pharr theory

中图分类号: 

  • TU452
[1] 刘汉香, 别鹏飞, 李欣, 魏应松, 王铭萱, . 三轴多级循环加卸载下千枚岩的力学特性及 能量耗散特征研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(S2): 265-274.
[2] 张超, 杨楚卿, 白允. 岩石类脆性材料损伤演化分析及其模型方法研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(9): 2344-2354.
[3] 庄心善, 周睦凯, 陶高梁, 周 荣, 彭承鸿, 林万锋. 循环荷载下发泡聚苯乙烯改良膨胀土动弹性 模量与阻尼比试验研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(9): 2427-2436.
[4] 刘杰, 张瀚, 王瑞红, 王芳, 何卓文, . 冻融循环作用下砂岩层进式损伤劣化规律研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(5): 1381-1394.
[5] 平琦, 苏海鹏, 马冬冬, 张号, 张传亮, . 不同高温作用后石灰岩物理与动力特性试验研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(4): 932-942.
[6] 雷华阳, 许英刚, 缪姜燕, 刘旭. 动渗耦合作用下软黏土动力特性试验研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(3): 601-610.
[7] 吴再海, 纪洪广, 姜海强, 齐兆军, 寇云鹏, . 尾砂胶结含盐冻结充填体力学特性研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(6): 1874-1880.
[8] 赵军, 郭广涛, 徐鼎平, 黄翔, 胡偲, 夏跃林, 张頔. 三轴及循环加卸载应力路径下深埋 硬岩变形破坏特征试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(5): 1521-1530.
[9] 丁长栋, 张杨, 杨向同, 胡大伟, 周辉, 卢景景, . 致密砂岩高围压和高孔隙水压下渗透率 演化规律及微观机制[J]. 岩土力学, 2019, 40(9): 3300-3308.
[10] 赵波, 张广清, 唐梅荣, 庄建满, 林灿坤, . 长期注水对致密砂岩油藏岩石力学 性质影响机制研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(9): 3344-3350.
[11] 马秋峰, 秦跃平, 周天白, 杨小彬. 多孔隙岩石加卸载力学特性及本构模型研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2673-2685.
[12] 顾晓强, 杨朔成, . 基于离散元数值方法的砂土小应变弹性特性探讨[J]. 岩土力学, 2019, 40(2): 785-791.
[13] 庄心善, 王俊翔, 王 康, 李 凯, 胡 智. 风化砂改良膨胀土的动力特性研究[J]. 岩土力学, 2018, 39(S2): 149-156.
[14] 李深圳, 沙 鹏, 伍法权, 伍 劼. 层状结构岩体变形的各向异性特征分析[J]. 岩土力学, 2018, 39(S2): 366-373.
[15] 陈瑞锋，田高源，米栋云，董晓强,. 赤泥改性黄土的基本工程性质研究[J]. , 2018, 39(S1): 89-97.
Viewed
Full text


Abstract

Cited
  Shared   
  Discussed   
[1] 乾增珍，鲁先龙，丁士君. 风积沙地基斜柱基础上拔水平力组合荷载试验[J]. , 2009, 30(1): 257 -260 .
[2] 李新平，代翼飞，刘金焕，曾 明，刘立胜，张开广. 钢管爆炸破坏的数值模拟分析与试验研究[J]. , 2009, 30(S1): 5 -9 .
[3] 曹文贵，赵 衡，张永杰，张 玲. 考虑体积变化影响的岩石应变软硬化损伤本构模型及参数确定方法[J]. , 2011, 32(3): 647 -654 .
[4] 王应铭，李肖伦. 郑西客专陕西段路基湿陷性黄土地基处理简介[J]. , 2009, 30(S2): 283 -286 .
[5] 黄小兰 ，杨春和 ，陈 锋 ，李银平 ，李应芳. 潜江地区层状盐岩天然气储库密闭性评价研究[J]. , 2011, 32(5): 1473 -1478 .
[6] 许福乐 ，王恩元 ，宋大钊 ，宋晓艳 ，魏明尧. 煤岩破坏声发射强度长程相关性和多重分形分布研究[J]. , 2011, 32(7): 2111 -2116 .
[7] 牛 雷，姚仰平，崔文杰，万 征. 超固结非饱和土本构关系的三维化方法[J]. , 2011, 32(8): 2341 -2345 .
[8] 刘奉银 ，张 昭 ，周 冬 ，赵旭光 ，朱 良. 密度和干湿循环对黄土土-水特征曲线的影响[J]. , 2011, 32(S2): 132 -136 .
[9] 张先伟 ，王常明 ，李军霞　. 软土固结蠕变特性及机制研究[J]. , 2011, 32(12): 3584 -3590 .
[10] 吴贤振 ，刘祥鑫 ，梁正召 ，游 勋 ，余 敏 . 不同岩石破裂全过程的声发射序列分形特征试验研究[J]. , 2012, 33(12): 3561 -3569 .
版权所有 © 《岩土力学》编辑部
地址：湖北武汉武昌小洪山中国科学院武汉岩土力学研究所(430071)　邮编：200042　电话：027-87198484, 87199252, 87199253, 87198752　E-mail: ytlx@whrsm.ac.cn
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发