中國石油大學巖石硬度及塑性系數測定實驗報告班級：同組者:實驗日期：2014年10月8日班級：同組者:巖石硬度及塑性系數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定，這些都取決于對巖石的工程力學性質的了解和認識。巖石的工程力學性質包括巖石的機械性質、巖石的研磨性、巖石的可鉆性等。巖石的機械性質包括巖石的彈性、強度、脆性與塑性、硬度等。本實驗旨在了解巖石的機械性質，掌握巖石壓入硬度及塑性系數的測量方法。一、 實驗目的1、直觀了解巖石的物理機械性質2、掌握巖石硬度及塑性系數的測量方法二、 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，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，上板和函數記錄儀等構成。上載荷傳感器

上載荷傳感器圖1巖石硬度儀實物圖壓模主要由基體和硬質合金壓頭兩部分構成，其結構及尺寸如圖3所示，其中d=1.5?2.5mm。圖2壓模結構及尺寸示意圖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，測出的數據自動存入函數記錄儀，具體參見動畫“巖石硬度及塑性系數的測定”。將函數記錄儀中的數據文件轉存入U盤，在計算機上利用專用軟件提取“位移”和“載荷”數據，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0D段為彈性變形階段，達到D點后即發生脆性破碎；b為塑脆性巖石,其0A段為彈性變形階段,AB段為塑性變形區，到達B點時產生脆性破碎;c為塑性巖石，施加不大的載荷即產生塑性變形，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、塑脆性巖石）PY=殳（塑性巖石）塑性系數：AK=―OABC（塑脆性巖石）pAODE式中：PY——巖石的硬度，MPa；P 巖石產生脆性破壞時的載荷，N；S——壓模壓頭的底面積，mm2P0——巖石產生屈服時的載荷，N；Kp 巖石塑性系數三、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°C的烘箱中烘干2?2.5小時，然后放在干燥器內備用。（注：本實驗中巖樣已制備好，直接使用即可。）2．測量壓模壓頭直徑利用讀數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一為2mm。）3．打開巖石硬度儀，放置巖樣，調整位移傳感器位置接通巖石硬度儀電源，打開函數記錄儀開關，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據，初始數據值一般都不為零。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：逆時針旋轉到手搖泵的活塞與絲杠壓帽接觸時，再繼續逆時針旋轉會松開絲杠壓帽，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螺絲調整位移傳感器的位置，使“位移傳感器與巖心托盤側面伸出鐵片的距離”小于“巖樣與壓模壓頭的距離”，確保載荷傳感器數據開始變化之前位移傳感器已經在記錄巖石上升的位移數據。（注意：位移傳感器量程為1Omm，防止超量程損壞傳感器。）4．緩慢加載壓入巖石表面順時針操作手搖泵，使液壓罐活塞推動巖心托盤和巖樣慢慢上升，當函數記錄儀顯示載荷數據有變化時，說明巖樣與壓頭已接觸上。用手搖泵慢速均勻加載，直到巖石表面破碎（破碎時載荷數據突然下降，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。（注意：載荷傳感器量程為2000kg,防止超量程損壞傳感器。）5．測量巖石表面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．導出數據按函數記錄儀面板上的“設置”鍵兩次，出現報警界面，再按V”鍵4次，根據提示插入U盤，導出數據文件（文件為“.dat”數據文件，包含位移和載荷數據），完畢后按“菜單”鍵返回，拔出U盤。7．提取測量數據使用與巖石硬度儀配套的專用軟件JLFX100來提取“位移”和“載荷”數據。雙擊計算機桌面上的JLFX100圖標可進入軟件界面并進行提取，如下圖6所示。將提取出的“位移”和“載荷”數據拷貝入Excel中，作“位移-載荷”關系曲線。四、實驗數據將函數記錄儀中的實驗數據用與巖石硬度儀配套的專用軟件JLFX100來提

取“位移”和“載荷”數據（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”數據

載荷/700-600Un500/\400/\300 200/100 1__?」 1 1 1 0_2.5-2—1?5 -1 —0.5—1040“位移-載荷”關系曲線位移/圖4“位移-載荷”關系曲線五、數據處理(需列出詳細計算過程)根據實驗中測得的“位移-載荷”關系曲線，結合實驗原理中巖石硬度、塑

性系數和屈服極限等參數的計算方法，計算這些參數并將結果填入表2中。其中，

巖石按硬度和塑性系數的分類分別參考表3和表4。(注：要求列出計算過程。)1、計算面積已知壓膜d=2mmS=兀(d/2)2二兀*12mm2=兀mm22、巖石硬度由圖知破碎壓力P=560KgP=匕=56L=178.2535(Kg/mm2)=1746.88MPays兀類別屮軟中砒硬堅便極砒級別123456S9101112100MPa€11-2,52+5?55—1010—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KpSKpOABCSODE由圖象知，Kp=0.95ODE由圖象知，Kp=0.95~l表3巖石按塑性系數的分類按塑性系數分類，屬于脆性4、求屈服極限由圖象可知P=560Kg將以上數據匯集如下：巖石名稱PY/MPa塑性系數Kp屈服極限硬度級別塑性級別灰巖1746.881560Kg61六、注意事項1．實驗過程中巖樣可能會發生破碎，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則是什么原因，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、數據的準確。此外還有錯誤的操作步驟。測量過程中巖石可能發生大塊破碎，此時計算的結果是否準確？答：準確，大塊破碎發生在測量的后期，之前的實驗數據已采集好，結果分析用的是破碎那一刻之前的那部分數據，所以不影響。調研并簡要介紹巖石硬度、塑性系數、可鉆性和研磨性等性質是