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    我国成功研制出世界第一台高能加速器CT多场耦合岩石力学试验系统

    日期 2018-11-01   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    第5期
    (总494期)

    本文提要:在国家自然科学基金委员会国家重大科研仪器研制项目高能加速器CT多场耦合岩石力学试验系统支持下,由中国科学院地质与地球物理研究所李晓研究员领衔,中国科学院高能物理研究所和北京交通大学等单位研究人员共同组成的科研团队,历时五年突破七项核心技术,研制成功世界第一台高能加速器CT可旋转式岩石力学刚性伺服试验机,首次实现了大尺度试样、模拟深部地层温压环境、可透视岩石损伤破裂全过程的试验目标,突破了岩石破裂演化与气液运移试验的技术瓶颈,揭示了岩石内部裂缝形成发展、渐进破坏、空间展布的机理与规律,为深部资源能源开发、天然气水合物开采、核废料地质处置、重大工程建设、地质灾害防治等领域提供了新的科学实验平台。

      岩石力学试验是地球科学和地质工程中必须进行的试验工作,目的是测试岩石在各种环境力场作用下物理力学性状及响应,以揭示岩石变形破裂机理,获取岩石力学参数,用于地质工程设计。打开岩石力学试验的黑箱,使岩石内部像玻璃一样透明可见是岩石力学领域一直追求的科学目标。科研团队经过五年艰辛攻关,成功研制出世界第一台配备有电子直线加速器的可旋转式岩石力学刚性伺服控制试验机---高能加速器CT多场耦合岩石力学试验系统,可对岩石进行CT实时扫描和三维成像,使直接反映岩石内部破裂过程成为可能。

      一、突破七项核心技术,成功研制出高能CT可旋转式岩石力学试验机

      目前国内外所有岩石力学试验机均是静止固定、不能转动的,但为实施CT扫描和三维成像,需要试验机在高压力下实现高精度旋转,并且解决试验机旋转过程中的加压加温管线与测控线路缠绕、控制信号无线传输,以及高温高压旋转密封等核心技术难题。由于国内外没有类似设备可供借鉴,科研团队尝试多种方案,先后研制三台样机,历经两次失败,最终设计出“限位油缸静压支承旋转方案”,突破了在200吨高压下试验机的高精度旋转与控制、高温高压旋转供液供气技术等难题,自主研制的高能边耦合驻波电子直线加速器,打破国外对我国高能加速器射线源禁运的技术封锁,解决了动态原位加载与快速CT扫描同步成像的技术难题,实现了动态原位高精度探测成像,在世界上首次实现了三维压力室高精度旋转,成功研制出了高精度旋转式的伺服控制岩石力学刚性试验系统,首次实现了大尺度试样、模拟深部地层环境、观测岩石损伤破裂动态过程的试验目标。应用该试验系统为岩石损伤破裂过程做CT,可以揭示岩石在地应力、温度、流体压力作用下的破裂形成演化和气液运移规律。

      该系统突破了七项关键核心技术:

      一是静压支承降阻控制技术,运用超低摩擦高密度特殊流体支承试验机施加的压力及自适应调节流体压力策略,降低试验机旋转时的摩擦阻力。

      二是调心推力限位油缸垂直定位技术,设计斜面调心推力轴承,轴承在200吨压力下刚性接触,不会产生垂直变形,起到轴向定位作用,既能准确定位,又不增加旋转阻力。

      三是运用高精度旋转伺服控制技术,采用自适应比例积分微分与微变形补偿控制方法,在变载荷高压作用下,旋转定位精度达到±10角秒(0.003°)。

      四是高压、高低温旋转密封与供液技术,在密封方面,选择耐高温高压、摩擦系数极低的特殊材料,设计成具有内支撑功能的密封结构,使其耐温范围达到-200℃至300℃,耐高压而摩擦力和启动力很小;在供液方面,设计了多通道旋转滑环等特殊结构,实现旋转供液供气供电,解决了管线缠绕问题。

      五是高分辨CT线阵探测器技术,用钨酸镉闪烁体阵列及新型硅光电倍增管耦合技术,研发出1024通道高分辨CT线阵列探测器,结合专用多通道高精度模数转换电子学方法,实现高动态范围下的高分辨率成像。

      六是动态原位高精度探测成像技术,采用原位加载与快速连续扫描同步成像模式,配合扫描时序优化策略、冗余数据剔除方法、伪影校正及成像几何参数的高精度测量算法,实现不同成像模式下的综合扫描功能,获得岩石在应力、温度、渗流多物理场作用下内部破裂的动态过程图像。

      七是采用6MeV边耦合驻波加速管,获得了小焦斑、高稳定束流的高能射线束,实现了大尺寸样品的高质量清晰成像。高能量射线源电子直线加速器,国外对我国禁运,是卡脖子设备,其核心部件为加速管。科研团队研制的加速管,物理设计、机械设计、加工制造、整管焊接、微波调配、性能测试等整套工艺均自主完成。研制的具有完全知识产权的6MeV电子直线加速器,不仅有力支撑了本项目的完成,而且在军工、航天、材料、机械、无损检测等领域具有广阔的应用前景。

      二、研制的试验系统性能指标超过国外设备并增加重要功能

      近几年,美国、德国、法国、加拿大、日本等国家也相继研制了具有CT扫描功能的岩石力学试验装置。科研团队采用了与国外完全不同的设计原理、机械结构和控制系统,研制的试验系统主要性能指标比国外同类设备提高了1-2个数量级(见表1)。如:可施加的压力是国外设备的30余倍,可模拟万米深度的地壳应力;可测试的试样尺寸比国外设备大4倍,能充分反映岩石的非均匀性和各向异性。特别是新增了气体渗流、变形测量、伺服控制、刚性试验、获得应力应变全程特性等五项功能,使CT扫描岩石力学试验的研究深度和应用领域大大扩展。

    表1. 研制机的主要指标与国际领先水平对比

    指标名称

    国际领先水平(2018)

    研制的试验系统

    岩样直径(mm)

    25

    100

    轴向压力(kN)

    70

    2200

    围压(MPa)

    7

    60

    流体渗透压力(MPa)

    7

    60

    高低温度(℃)

    -20~160

    -45~220

    射线源能量

    300kV

    6MeV

    裂缝分辨率(mm)

    0.05

    0.05

    研制机新增功能

    气体渗流压力(MPa)

    55

    轴向和径向引伸仪

    精度0.1μm

    独立闭环电液伺服控制

    精度±0.1%FS

    试验机刚度(GN/m)

    56

    岩石应力应变全程特性

    不能获得

    可以获得

      该设备刚刚研制成功之后,就引起国内外同行极大关注。英国帝国理工学院深部采矿科学首席科学家SevketDurucan教授认为该设备是世界第一台旋转式岩石力学试验机。澳大利亚莫纳什大学、加拿大自然科学和技术研究委员会、多伦多大学、加拿大阿尔伯塔大学、美国亚利桑那大学等单位专家学者都给予高度评价,并商议建立联合试验中心开展合作研究。设备的主要完成人李晓研究员受国际岩石力学学会邀请拟出席在巴西召开的四年一届的国际岩石力学大会,并代表亚洲区就研制的试验系统及其试验成果做大会特邀报告。

      三、积极推进试验系统应用,为深地能源开发提供技术支撑

      利用高能加速器CT多场耦合岩石力学试验系统,可以获得岩石、土体、混凝土、陶瓷等地质类材料在应力、温度、流体等多种环境力场作用下的损伤破裂演化过程,揭示地质类材料宏观变形破坏的细观机制,突破多相多场耦合基础理论,建立科学合理的本构模型,具有重大科学研究价值和广阔应用前景。

      岩石水力压裂是页岩气开采的核心技术之一,科研团队利用研制的试验系统,完成了大量的大尺度试样CT扫描水力和二氧化碳压裂试验,获得了页岩、致密砂岩、花岗岩等不同岩石种类在流体压裂过程中的裂缝形成过程、缝网三维分布、压裂液与支撑剂在缝网中的运移规律。根据试验结果,建立了复杂缝网固流耦合非线性力学模型,研发了页岩气开采压裂渗流产能预测软件,有力支撑了中科院战略性科技先导专项与国家油气重大专项的实施,为我国页岩气开发的压裂设计提供了技术支撑。受中国岩石力学与工程学会委托,科研团队牵头编制了国内外首部《岩石流体压裂试验方法标准》,以指导水力压裂领域的试验标准化。

      在干热岩地热能开发方面,研制的试验系统可以模拟热储层中压裂裂缝的形成发展、剪切错位与空间构型,用于中深层地热能资源开采设计。在天然气水合物开采方面,利用该试验系统的低温装置可以模拟水合物储层钻孔卸压与压裂效果。在高放射性核废料地质处置方面,通过该试验系统可以研究不同温压条件下储库围岩裂隙扩展渗流的多场耦合机制与过程,为核废料地下处置库设计提供试验依据。在深地科学钻探方面,该试验系统可以模拟深部高应力高温环境下的钻头破岩机理、钻井液效能以及钻孔变形塌落模式。此外,研制的试验系统还可应用于油气、矿山、水利、交通、土木、环保等国家重大工程建设中。如:对于矿山突水预测、山体滑坡发生机制、隧道塌方事故防治、二氧化碳地下封存、混凝土建筑材料与沥青混凝土路面损伤破裂机制等亟需解决的重大工程技术问题等都具有重要的实验支撑作用。除了应用于地学领域,该试验系统还可应用于军工、航天、材料、机械、无损检测等领域。

      开发新型清洁能源是国家的重大战略需求。我国页岩气、可燃冰、地热能储量巨大,但开采难度大,其共性难题聚焦于岩石压裂原理与技术。科研团队目前正集中力量攻关,运用研制的试验系统对页岩、水合物、花岗岩等岩土材料进行水和超临界二氧化碳压裂试验,以期获得不同材料在不同温度压力环境下,采用不同压裂液时的造缝效率及其控制参数,为储层压裂改造工程设计提供技术支撑。