巖石硬度及塑性系數(shù)測定

中國石油大學(xué)巖石硬度及塑性系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)日期：2014年10月8日成績：班級：學(xué)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(xué)性質(zhì)的了解和認(rèn)識。巖石的工程力學(xué)性質(zhì)包括巖石的機(jī)械性質(zhì)、巖石的研磨性、巖石的可鉆性等。巖石的機(jī)械性質(zhì)包括巖石的彈性、強(qiáng)度、脆性與塑性、硬度等。本實(shí)驗(yàn)旨在了解巖石的機(jī)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(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 直觀了解巖石的物理機(jī)械性質(zhì)2、 掌握巖石硬度及塑性系數(shù)的測量方法二、實(shí)驗(yàn)原理1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)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(shè)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(shí)物圖壓模主要由基體和硬質(zhì)合金壓頭兩部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3所示，其中d=1.5~2.5mm。b￡ C吃入深度(r)/mm吃入深度b￡ C吃入深度(r)/mm吃入深度(r)/mina脆性巖石塑脆性巖石塑性巖石圖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(dòng)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(dòng)存入函數(shù)記錄儀，具體參見動(dòng)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。盤，在計(jì)算機(jī)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(diǎn)是OD段為彈性變形階段，達(dá)到D點(diǎn)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(dá)B點(diǎn)時(shí)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(shí)間的延長而增加，無明顯的脆性破壞現(xiàn)象。4吃入深度(f)/mm圖3壓模壓入巖石時(shí)的變形曲線硬度:七=%（脆性、塑脆性巖石）硬度:七=%（脆性、塑脆性巖石）七差（塑性巖石）塑性系數(shù):塑性系數(shù):K="oABC（塑脆性巖石）pAODE式中：PY——巖石的硬度，MPa；P——巖石產(chǎn)生脆性破壞時(shí)的載荷，N；S壓模壓頭的底面積，mm2P0——巖石產(chǎn)生屈服時(shí)的載荷，N；Kp——巖石塑性系數(shù)三、實(shí)驗(yàn)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(yīng)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°C的烘箱中烘干2?2.5小時(shí)，然后放在干燥器內(nèi)備用。（注：本實(shí)驗(yàn)中巖樣已制備好，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(biāo)卡尺測量壓模壓頭直徑。（注：本實(shí)驗(yàn)中壓模壓頭直徑統(tǒng)一為2mm。）打開巖石硬度儀，放置巖樣，調(diào)整位移傳感器位置接通巖石硬度儀電源，打開函數(shù)記錄儀開關(guān)，記錄儀面板會(huì)顯示當(dāng)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(shí)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(shí)針旋轉(zhuǎn)到手搖泵的活塞與絲杠壓帽接觸時(shí)，再繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)會(huì)松開絲杠壓帽，要防止松開絲杠壓帽。）將巖樣放于巖心托盤上，通過位移傳感器上的兩個(gè)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)。（注意：位移傳感器量程為10mm，防止超量程損壞傳感器。）緩慢加載壓入巖石表面順時(shí)針操作手搖泵，使液壓罐活塞推動(dòng)巖心托盤和巖樣慢慢上升，當(dāng)函數(shù)記錄儀顯示載荷數(shù)據(jù)有變化時(shí)，說明巖樣與壓頭已接觸上。用手搖泵慢速均勻加載，直到巖石表面破碎（破碎時(shí)載荷數(shù)據(jù)突然下降，操作手柄的阻力突然減?。?，停止加載，逆時(shí)針緩慢卸載。該點(diǎn)測試完畢。（注意：載荷傳感器量程為2000kg，防止超量程損壞傳感器。）測量巖石表面不同點(diǎn)的硬度移動(dòng)巖樣，使第一點(diǎn)的破碎坑與第二點(diǎn)相距大于10mm，按以上方法測試第二點(diǎn)，每塊巖樣做2-3次。導(dǎo)出數(shù)據(jù)按函數(shù)記錄儀面板上的“設(shè)置”鍵兩次，出現(xiàn)報(bào)警界面，再按V”鍵4次，根據(jù)提示插入。盤，導(dǎo)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。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(jì)算機(jī)桌面上的JLFX100圖標(biāo)可進(jìn)入軟件界面并進(jìn)行提取，如下圖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(guān)系曲線。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將函數(shù)記錄儀中的實(shí)驗(yàn)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(guān)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)

kgmmkgmm圖4“位移-載荷”關(guān)系曲線五、數(shù)據(jù)處理（需列出詳細(xì)計(jì)算過程）根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測得的“位移-載荷”關(guān)系曲線，結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理中巖石硬度、塑性系數(shù)和屈服極限等參數(shù)的計(jì)算方法，計(jì)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(jì)算過程。）1、 計(jì)算面積已知壓膜d=2mmS=兀（d/2）2=兀*12mm2=兀mm22、 巖石硬度由圖知破碎壓力P=560KgP=L=56L=178.2535（Kg/mm2）=1746.88MPa類別軟中軟中硬硬堅(jiān)硬極硬級別123456S9101112100MPa<11-2,52.5?55?101。?1515—2020—3030—4040—5050—GO60—70>70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)KpSKpOABCSODE由圖象知，Kp=0.95^1別能性塑脆性塑性低塑性 高塑性綴刑123456塑性系數(shù)尺P1>172?34?6>6?8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)匯集如下:巖石名稱PY/MPa塑性系數(shù)Kp屈服極限硬度級別塑性級別灰?guī)r1746.881560Kg61六、 注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)過程中巖樣可能會(huì)發(fā)生破碎，防止破碎巖樣跌落砸傷。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、 思考題測量的巖石變形曲線不規(guī)則是什么原因，分析與操作的關(guān)系？答：主要是人為操作手搖泵的速度不均勻，時(shí)快時(shí)慢，所以，實(shí)驗(yàn)室一定要緩慢搖動(dòng)手搖泵，保證速度的均勻、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。此外還有錯(cuò)誤的操作步驟。測量過程中巖石可能發(fā)生大塊破碎，此時(shí)計(jì)算的結(jié)果是否準(zhǔn)確？答：準(zhǔn)確，大塊破碎發(fā)生在測量的后期，之前的實(shí)驗(yàn)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部分?jǐn)?shù)據(jù)，所以不影響。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(yīng)