武汉岩土所等在3D打印岩石力学特性及孔隙结构表征研究中取得进展

来源： 武汉岩土力学研究所

流体在岩石孔隙中的运移规律及其流固耦合效应是地下油气储备与开发的核心科学问题，也是导致不同工程灾害或工程难题的重要因素。精确表征岩石微观孔隙结构，探寻微观孔隙结构与宏观物理性质的内在关联，实现岩石宏观物理参数的精确计算，是开展深部岩体相关工程研究的基础。

中国科学院武汉岩土力学研究所油气地下储备与开发研究中心科研人员联合沙特阿卜杜拉国王科技大学、加拿大阿尔伯塔大学、澳大利亚莫纳什大学、西南科技大学相关研究人员，在3D打印岩石力学特性及孔隙结构表征研究方面取得进展。

在重建岩石微观CT图像的基础上，科研人员创新地引入3D打印技术，实现了岩土复杂多孔介质模型的精确、快速制备。采用不同的尺度升级打印方案、打印工艺与打印材料，制备出7类共20样次的岩石3D打印孔隙结构模型（图1）；结合氦孔隙度和高压压汞测试获取了3D打印模型的微观结构特征参数，通过与数字模型、以及文献结果的对比分析，表明制备的3D打印孔隙结构模型能够较好地再现天然岩石的微观结构特征。研究进一步指出3D打印技术在多孔介质微观结构特征研究中存在的不足，为岩石3D打印模型的优化研究奠定了理论基础。

针对采用聚合物材料的3D打印岩石难以模拟天然岩石强度和变形特征、以及颗粒表面物化特性的缺陷，科研人员采用三类不同的天然颗粒材料为基材制作了3D打印岩石模拟物。通过室内单轴——三轴压缩、高精度CT扫描、扫描电镜（Scanning Electron Microscope, SEM）和能谱分析（Energy Dispersive Spectrometer, EDS）等多种实验测试手段的联合表征，系统性地研究了3D打印岩石模拟物的微观孔隙结构（孔隙类型、孔隙尺寸、胶结剂分布和颗粒接触类型）（图2）、强度及变形特征、裂纹扩展及破坏演化过程（图3）、润湿性和渗透特性；通过与天然岩石的对比，验证了3D打印岩石模拟物在替代天然样品开展流动测试分析和岩石力学研究中的可行性。

相关研究成果以A comprehensive experimental study on mechanical behavior, microstructure and transport properties of 3D-printed rock analogs和Characterization and microfabrication of natural porous rocks: from micro-CT imaging and digital rock modelling to micro-3D-printed rock analogs为题，分别发表在Rock Mechanics and Rock Engineering和Journal of Petroleum Science and Engineering上。研究工作得到国家自然科学基金、阿卜杜拉国王科技大学科研基金和国家留学基金管理委员会的共同资助。

图1.3D打印模型孔隙结构特征细节对比

图2.不同3D打印岩石中典型孔隙类型（不规则粒间孔-规则粒间孔-“蜂窝状”孔）

图3.压缩破坏样品的SEM图像（a）（b）（c）（d）为SS样品微观破坏模式图；（e）（f）（g）为CSB样品微观破坏模式图；（h）（i）（j）为GP样品微观破坏模式图；（k）为石膏样品的宏观压缩破坏形式