巖石硬度及塑性系數(shù)測定

中國石油大學巖石硬度及塑性系數(shù)測定實驗報告實驗日期：2023年10月8日成績：班級：學號：姓名：教師：同組者：巖石硬度及塑性系數(shù)測定巖石是鉆井的主要工作對象。在鉆成井眼的過程中，一方面要提高破碎巖石的效率，另一方面要保證井壁巖層穩(wěn)定，這些都取決于對巖石的工程力學性質(zhì)的了解和認識。巖石的工程力學性質(zhì)包括巖石的機械性質(zhì)、巖石的研磨性、巖石的可鉆性等。巖石的機械性質(zhì)包括巖石的彈性、強度、脆性與塑性、硬度等。本實驗旨在了解巖石的機械性質(zhì)，掌握巖石壓入硬度及塑性系數(shù)的測量方法。一、實驗目的1、直觀了解巖石的物理機械性質(zhì)2、掌握巖石硬度及塑性系數(shù)的測量方法二、實驗原理1、實驗設備實驗中使用巖石硬度儀來測量巖石的壓入硬度及塑性系數(shù)，如圖1所示。該設備主要由手搖泵，液壓罐，壓模，載荷傳感器，位移傳感器，下板，支柱，上板和函數(shù)記錄儀等構(gòu)成。圖1巖石硬度儀實物圖壓模主要由基體和硬質(zhì)合金壓頭兩局部構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3所示，其中d=1.5~2.5mm。圖2壓模結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖2．測量原理利用手搖油泵將液壓油壓入液壓罐，推動液壓罐的活塞上升，使位移傳感器與巖心托盤側(cè)面伸出的鐵片接觸、巖樣與壓模接觸，隨著壓力的增加，壓模將逐漸壓入巖樣，壓入的深度由位移傳感器測出，壓力由載荷傳感器測出，測出的數(shù)據(jù)自動存入函數(shù)記錄儀，具體參見動畫“巖石硬度及塑性系數(shù)的測定〞。將函數(shù)記錄儀中的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)存入U盤，在計算機上利用專用軟件提取“位移〞和“載荷〞數(shù)據(jù)，作巖石的變形曲線，如圖3所示。其中，a為脆性巖石，其特點是OD段為彈性變形階段，到達D點后即發(fā)生脆性破碎；b為塑脆性巖石，其OA段為彈性變形階段，AB段為塑性變形區(qū)，到達B點時產(chǎn)生脆性破碎；c為塑性巖石，施加不大的載荷即產(chǎn)生塑性變形，其后變形隨變形時間的延長而增加，無明顯的脆性破壞現(xiàn)象。脆性巖石塑脆性巖石塑性巖石圖3壓模壓入巖石時的變形曲線硬度：塑性系數(shù)：式中：PY——巖石的硬度，MPa；P——巖石產(chǎn)生脆性破壞時的載荷，N；S——壓模壓頭的底面積，mm2P0——巖石產(chǎn)生屈服時的載荷，N；Kp——巖石塑性系數(shù)三、實驗步驟1．巖樣制備將被測巖石切割成正方〔或圓柱〕體，邊長〔或高度〕不小于50mm，被測量端面應加以研磨，使端面平滑且相互平行〔直徑50mm的巖樣兩端面不平行度不超過0.5mm〕，將切磨好的巖樣置于100℃的烘箱中烘干2~2.5小時，然后放在枯燥器內(nèi)備用?！沧ⅲ罕緦嶒炛袔r樣已制備好，直接使用即可?！?．測量壓模壓頭直徑利用讀數(shù)顯微鏡或游標卡尺測量壓模壓頭直徑。〔注：本實驗中壓模壓頭直徑統(tǒng)一為2mm。〕3．翻開巖石硬度儀，放置巖樣，調(diào)整位移傳感器位置接通巖石硬度儀電源，翻開函數(shù)記錄儀開關，記錄儀面板會顯示當前位移傳感器和載荷傳感器的初始數(shù)據(jù)，初始數(shù)據(jù)值一般都不為零。逆時針操作手搖泵手柄，液壓罐活塞和巖心托盤慢慢下降，直至巖心托盤和壓模壓頭之間的距離能夠放入巖樣。〔注意：逆時針旋轉(zhuǎn)到手搖泵的活塞與絲杠壓帽接觸時，再繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)會松開絲杠壓帽，要防止松開絲杠壓帽?！硨r樣放于巖心托盤上，通過位移傳感器上的兩個螺絲調(diào)整位移傳感器的位置，使“位移傳感器與巖心托盤側(cè)面伸出鐵片的距離〞小于“巖樣與壓模壓頭的距離〞，確保載荷傳感器數(shù)據(jù)開始變化之前位移傳感器已經(jīng)在記錄巖石上升的位移數(shù)據(jù)?！沧⒁猓何灰苽鞲衅髁砍虨?0mm，防止超量程損壞傳感器?！?．緩慢加載壓入巖石外表順時針操作手搖泵，使液壓罐活塞推動巖心托盤和巖樣慢慢上升，當函數(shù)記錄儀顯示載荷數(shù)據(jù)有變化時，說明巖樣與壓頭已接觸上。用手搖泵慢速均勻加載，直到巖石外表破碎〔破碎時載荷數(shù)據(jù)突然下降，操作手柄的阻力突然減小〕，停止加載，逆時針緩慢卸載。該點測試完畢?！沧⒁猓狠d荷傳感器量程為2000kg，防止超量程損壞傳感器?！?．測量巖石外表不同點的硬度移動巖樣，使第一點的破碎坑與第二點相距大于10mm，按以上方法測試第二點，每塊巖樣做2-3次。6．導出數(shù)據(jù)按函數(shù)記錄儀面板上的“設置〞鍵兩次，出現(xiàn)報警界面，再按“V〞鍵4次，根據(jù)提示插入U盤，導出數(shù)據(jù)文件〔文件為“.dat〞數(shù)據(jù)文件，包含位移和載荷數(shù)據(jù)〕，完畢后按“菜單〞鍵返回，拔出U盤。7．提取測量數(shù)據(jù)使用與巖石硬度儀配套的專用軟件JLFX100來提取“位移〞和“載荷〞數(shù)據(jù)。雙擊計算機桌面上的JLFX100圖標可進入軟件界面并進行提取，如下列圖6所示。將提取出的“位移〞和“載荷〞數(shù)據(jù)拷貝入Excel中，作“位移-載荷〞關系曲線。四、實驗數(shù)據(jù)將函數(shù)記錄儀中的實驗數(shù)據(jù)用與巖石硬度儀配套的專用軟件JLFX100來提取“位移〞和“載荷〞數(shù)據(jù)〔表1〕，并作“位移-載荷〞關系曲線〔圖4〕。位移/mm載荷/kg位移/mm載荷/kg-1.909-1-1.767128-1.853-1-1.764134-1.8450-1.754166-1.8431-1.746186-1.8422-1.741198-1.844-1.737208-1.8376-1.733222-1.8358-1.729234-1.8339-1.723254-1.83311-1.718264-1.83112-1.714275-1.8314-1.71287-1.82717-1.703310-1.82519-1.697322-1.82322-1.69342-1.82223-1.684361-1.8225-1.678368-1.81927-1.673385-1.81630-1.664401-1.81337-1.653435-1.80941-1.628476-1.80647-1.608511-1.80253-1.59534-1.79864-1.575556-1.79567-1.56560-1.79372-1.362284-1.79176-1.35269-1.78980-1.387172-1.78886-1.45241-1.78390-1.519-1.78196-1.5262-1.779101-1.532-1.774114表1“位移-載荷〞數(shù)據(jù)圖4“位移-載荷〞關系曲線五、數(shù)據(jù)處理〔需列出詳細計算過程〕根據(jù)實驗中測得的“位移-載荷〞關系曲線，結(jié)合實驗原理中巖石硬度、塑性系數(shù)和屈服極限等參數(shù)的計算方法，計算這些參數(shù)并將結(jié)果填入表2中。其中，巖石按硬度和塑性系數(shù)的分類分別參考表3和表4。〔注：要求列出計算過程?！秤嬎忝娣e壓膜d=2mmS=〔d/2〕2=*12mm2=mm22、巖石硬度由圖知破碎壓力P=560Kg表2巖石按硬度的分類巖石總共分為12級，屬于6級中硬硬度3、塑性系數(shù)由圖象知，Kp=0.95≈1表3巖石按塑性系數(shù)的分類按塑性系數(shù)分類，屬于脆性4、求屈服極限由圖象可知P=560Kg將以上數(shù)據(jù)聚集如下：巖石名稱塑性系數(shù)Kp屈服極限硬度級別塑性級別灰?guī)r1746．881560Kg61六、考前須知1．實驗過程中巖樣可能會發(fā)生破碎，防止破碎巖樣跌落砸傷。2．位移傳感器最大量程為10mm，載荷傳感器為2000kg，防止超量程損壞儀器。七、思考題1.測量的巖石變形曲線不規(guī)那么是什么原因，分析與操作的關系？答：主要是人為操作手搖泵的速度不均勻，時快時慢，所以，實驗室一定要緩慢搖動手搖泵，保證速度的均勻、數(shù)據(jù)的準確。此外還有錯誤的操作步驟。2.測量過程中巖石可能發(fā)生大塊破碎，此時計算的結(jié)果是否準確？答：準確，大塊破碎發(fā)生在測量的后期，之前的實驗數(shù)據(jù)已采集好，結(jié)果分析用的是破碎那一刻之前的那局部數(shù)據(jù)，所以不影響。3.調(diào)研并簡要介紹巖石硬度、塑性系數(shù)、可鉆性和研磨性等性質(zhì)是如何應用于工程實踐？思考這些性質(zhì)