岩石硬度及塑性系数测定

中国石油大学岩石硬度及塑性系数测定实验报告班级：同组者:实验日期：2014年10月8日班级：同组者:岩石硬度及塑性系数测定岩石是钻井的主要工作对象。在钻成井眼的过程中，一方面要提高破碎岩石的效率，另一方面要保证井壁岩层稳定，这些都取决于对岩石的工程力学性质的了解和认识。岩石的工程力学性质包括岩石的机械性质、岩石的研磨性、岩石的可钻性等。岩石的机械性质包括岩石的弹性、强度、脆性与塑性、硬度等。本实验旨在了解岩石的机械性质，掌握岩石压入硬度及塑性系数的测量方法。一、 实验目的1、直观了解岩石的物理机械性质2、掌握岩石硬度及塑性系数的测量方法二、 实验原理1、实验设备实验中使用岩石硬度仪来测量岩石的压入硬度及塑性系数，如图1所示。该设备主要由手摇泵，液压罐，压模，载荷传感器，位移传感器，下板，支柱，上板和函数记录仪等构成。上载荷传感器

上载荷传感器图1岩石硬度仪实物图压模主要由基体和硬质合金压头两部分构成，其结构及尺寸如图3所示，其中d=1.5〜2.5mm。图2压模结构及尺寸示意图2.测量原理利用手摇油泵将液压油压入液压罐，推动液压罐的活塞上升，使位移传感器与岩心托盘侧面伸出的铁片接触、岩样与压模接触，随着压力的增加，压模将逐渐压入岩样，压入的深度由位移传感器测出，压力由载荷传感器测出，测出的数据自动存入函数记录仪，具体参见动画“岩石硬度及塑性系数的测定”。将函数记录仪中的数据文件转存入U盘，在计算机上利用专用软件提取“位移”和“载荷”数据，作岩石的变形曲线，如图3所示。其中，a为脆性岩石，其特点是0D段为弹性变形阶段，达到D点后即发生脆性破碎；b为塑脆性岩石,其0A段为弹性变形阶段,AB段为塑性变形区，到达B点时产生脆性破碎;c为塑性岩石，施加不大的载荷即产生塑性变形，其后变形随变形时间的延长而增加,无明显的脆性破坏现象。上吃入深度a上吃入深度a硬度：Py=硬度：Py=S（脆性、塑脆性岩石）PY=殳（塑性岩石）塑性系数：AK=―OABC（塑脆性岩石）pAODE式中：PY——岩石的硬度，MPa；P 岩石产生脆性破坏时的载荷，N；S——压模压头的底面积，mm2P0——岩石产生屈服时的载荷，N；Kp 岩石塑性系数三、实验步骤1．岩样制备将被测岩石切割成正方（或圆柱）体，边长（或高度）不小于50mm，被测量端面应加以研磨，使端面平滑且相互平行（直径50mm的岩样两端面不平行度不超过0.5mm），将切磨好的岩样置于100°C的烘箱中烘干2〜2.5小时，然后放在干燥器内备用。（注：本实验中岩样已制备好，直接使用即可。）2．测量压模压头直径利用读数显微镜或游标卡尺测量压模压头直径。（注：本实验中压模压头直径统一为2mm。）3．打开岩石硬度仪，放置岩样，调整位移传感器位置接通岩石硬度仪电源，打开函数记录仪开关，记录仪面板会显示当前位移传感器和载荷传感器的初始数据，初始数据值一般都不为零。逆时针操作手摇泵手柄，液压罐活塞和岩心托盘慢慢下降，直至岩心托盘和压模压头之间的距离能够放入岩样。（注意：逆时针旋转到手摇泵的活塞与丝杠压帽接触时，再继续逆时针旋转会松开丝杠压帽，要防止松开丝杠压帽。）将岩样放于岩心托盘上，通过位移传感器上的两个螺丝调整位移传感器的位置，使“位移传感器与岩心托盘侧面伸出铁片的距离”小于“岩样与压模压头的距离”，确保载荷传感器数据开始变化之前位移传感器已经在记录岩石上升的位移数据。（注意：位移传感器量程为1Omm，防止超量程损坏传感器。）4．缓慢加载压入岩石表面顺时针操作手摇泵，使液压罐活塞推动岩心托盘和岩样慢慢上升，当函数记录仪显示载荷数据有变化时，说明岩样与压头已接触上。用手摇泵慢速均匀加载，直到岩石表面破碎（破碎时载荷数据突然下降，操作手柄的阻力突然减小），停止加载，逆时针缓慢卸载。该点测试完毕。（注意：载荷传感器量程为2000kg,防止超量程损坏传感器。）5．测量岩石表面不同点的硬度移动岩样，使第一点的破碎坑与第二点相距大于10mm，按以上方法测试第二点，每块岩样做2-3次。6．导出数据按函数记录仪面板上的“设置”键两次，出现报警界面，再按V”键4次，根据提示插入U盘，导出数据文件（文件为“.dat”数据文件，包含位移和载荷数据），完毕后按“菜单”键返回，拔出U盘。7．提取测量数据使用与岩石硬度仪配套的专用软件JLFX100来提取“位移”和“载荷”数据。双击计算机桌面上的JLFX100图标可进入软件界面并进行提取，如下图6所示。将提取出的“位移”和“载荷”数据拷贝入Excel中，作“位移-载荷”关系曲线。四、实验数据将函数记录仪中的实验数据用与岩石硬度仪配套的专用软件JLFX100来提

取“位移”和“载荷”数据（表1），并作“位移-载荷”关系曲线（图4）。位移/mm载荷/kg位移/mm载荷/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-载荷”数据

载荷/700-600Un500/\400/\300 200/100 1__•」 1 1 1 0_2.5-2—1・5 -1 —0.5—1040“位移-载荷”关系曲线位移/图4“位移-载荷”关系曲线五、数据处理(需列出详细计算过程)根据实验中测得的“位移-载荷”关系曲线，结合实验原理中岩石硬度、塑

性系数和屈服极限等参数的计算方法，计算这些参数并将结果填入表2中。其中，

岩石按硬度和塑性系数的分类分别参考表3和表4。(注：要求列出计算过程。)1、计算面积已知压膜d=2mmS=兀(d/2)2二兀*12mm2=兀mm22、岩石硬度由图知破碎压力P=560KgP=匕=56L=178.2535(Kg/mm2)=1746.88MPays兀类别屮软中砒硬坚便极砒级别123456S9101112100MPa€11-2,52+5〜55—1010—1515—2020—3030—4040—5050—GO60—70>70表2岩石按硬度的分类岩石总共分为12级，属于6级中硬硬度

3、塑性系数KpSKpOABCSODE由图象知，Kp=0.95ODE由图象知，Kp=0.95~l表3岩石按塑性系数的分类按塑性系数分类，属于脆性4、求屈服极限由图象可知P=560Kg将以上数据汇集如下：岩石名称PY/MPa塑性系数Kp屈服极限硬度级别塑性级别灰岩1746.881560Kg61六、注意事项1．实验过程中岩样可能会发生破碎，防止破碎岩样跌落砸伤。位移传感器最大量程为10mm，载荷传感器为2000kg，防止超量程损坏仪器。七、思考题测量的岩石变形曲线不规则是什么原因，分析与操作的关系？答：主要是人为操作手摇泵的速度不均匀，时快时慢，所以，实验室一定要缓慢摇动手摇泵，保证速度的均匀、数据的准确。此外还有错误的操作步骤。测量过程中岩石可能发生大块破碎，此时计算的结果是否准确？答：准确，大块破碎发生在测量的后期，之前的实验数据已采集好，结果分析用的是破碎那一刻之前的那部分数据，所以不影响。调研并简要介绍岩石硬度、塑性系数、可钻性和研磨性等性质是