給岩石做個CT 打開破裂演進「黑匣子」

打開岩石力學試驗的黑箱，讓岩石內部像玻璃一樣清晰可見，獲知岩石內部的破裂演進和流體運移規律，是科學家們長期追尋的夢想。

最近在西藏自治區林芝市米林縣發生的山體滑坡，導致雅魯藏布江河道堵塞形成堰塞湖。如果我們能知曉山體的破裂演化過程，就可根據裂縫的發展程度採取相應的預報甚至干預措施。

近日，在國家自然科學基金委員會國家重大科研儀器研製項目「高能加速器CT多場耦合岩石力學試驗系統」的支持下，由中科院地質與地球物理研究所李曉研究員領銜，中科院高能物理研究所和北京交通大學等單位研究人員組成的科研團隊，歷時五年研製成功世界上首台高能加速器CT可旋轉式岩石力學剛性伺服試驗機，將為深部資源能源開發、天然氣水合物開採、核廢料地質處置、重大工程建設、地質災害防治等領域提供新的科學實驗平台。

兩次失敗三台樣機 首次實現載入中高精度旋轉

岩石力學試驗是地球科學和地質工程中必須進行的試驗工作。為了使岩石內部像玻璃一樣透明可見，人們研發出許多試驗技術來探測岩石破裂演化過程。進入21世紀，國內外學者直接利用醫用或工業CT以及同步輻射光源，進行CT掃描岩石力學試驗，取得了一些重要研究成果。

「這些試驗難以進行應力、溫度、流體等多場耦合試驗，不能獲取岩石重要的全應力應變特性，也無法滿足深地科學與工程的需求。」李曉直言，近年來興起的以水力壓裂為核心技術的頁岩油氣、緻密油氣、乾熱岩地熱、天然氣水合物等非常規能源開發，迫切需要一個能進行CT實時掃描的標準岩石力學試驗系統，以解決岩石壓裂裂縫形成機制與空間分布規律這一關鍵科學問題。

要實現CT實時掃描和三維成像，就必須攻克試驗機在載入過程中高精度旋轉等技術難題，然而，世界上還沒有一台可旋轉式岩石力學試驗機。

「很多外國專家來參觀時都會問一個問題，你們是怎麼做到岩石力學試驗機的高精度旋轉的？」李曉笑著說，這也是當時面臨的難題，研究團隊嘗試多種方案、歷經兩次失敗，先後研製三台樣機後終獲成功。

「我們首先設計了雙排滾柱軸承旋轉方案，研製的第一台實驗樣機，優點是旋轉定位精度高，但軸承摩擦阻力大，導致旋轉阻力大。」李曉回憶說，項目組重新設計了雙油缸油膜液浮支承旋轉方案，研製出第二台實驗樣機，旋轉摩阻確實降低了。但在岩石高壓載入試驗中，樣機的系統剛度小，整個系統的垂直精度也不夠，指標無法達到最佳，只能從頭再來。

科學就是在不斷的失敗中尋找成功的微光。李曉帶領團隊頂著壓力，不斷優化方案、積累技術經驗，高精度旋轉式的伺服控制岩石力學剛性試驗機最終研製成功。

就在今年7月，國家自然科學基金委員會組織專家對研製設備進行測試和驗收，驗收專家認為，該項目突破了靜壓支承降阻控制技術、調心推力限位油缸垂直定位技術、高精度旋轉伺服控制技術、高壓高低溫旋轉密封與供液技術、6MeV邊耦合駐波加速管、寬動態範圍CT線陣探測器、動態原位高精度探測成像七項關鍵技術。

增加重要功能 可進行流體壓裂等多種試驗

「高射線能量的電子直線加速器，國外對我國禁運，是卡脖子設備。研製機另外一個重要子系統——『電子直線加速器CT』設備，是由中科院高能物理所研究人員自主研製。」李曉說，這不僅打破了國外對我國高能加速器射線源禁運的技術封鎖，也破解了動態原位載入與快速CT層析同步成像的技術難題，實現了動態原位高精度探測成像。

李曉現場展示了一張PPT，列出了項目組研製機與美國最先進CT掃描岩石力學試驗裝置的技術性能對比。由於研究團隊採用了與國外完全不同的設計原理、機械結構和控制系統，項目研製機主要性能指標比國外同類設備提高了1—2個數量級，尤其是新增了許多岩石力學試驗的重要功能。

「國外CT岩石力學試驗裝置剛度很低，屬於柔性試驗機，不能獲得岩石全應力應變曲線，因此不能研究岩石的漸進破壞過程這一重要特性。」李曉解釋說，國外設備只是一個可以放置在CT機上進行掃描的簡單載入裝置，還不能稱之為岩石力學試驗機。而且，在CT掃描試驗中不能安設引伸儀，這導致在試驗中很難獲得岩石精確的軸向和徑向變形。

此外，項目研製設備在全程試驗中有三套獨立閉環電液伺服控制系統，可進行蠕變、鬆弛、變載入速率、不同波形載入、流體壓裂等多種工況試驗，而國外設備均無這些功能。

不到一年間，已有多位國內外知名專家學者前來參觀和學術交流，對該試驗系統給予了高度評價。

發展潛力凸顯 為深地能源開發提供支撐

利用高能加速器CT多場耦合岩石力學試驗系統，可以獲得岩石、土體、混凝土、陶瓷等地質類材料在應力、溫度、流體等多種環境力場作用下的損傷破裂演化過程，揭示地質類材料變形破壞宏觀力學行為的細觀動因，突破多相多場耦合基礎理論，建立科學合理的本構模型，具有重要的科學意義。

值得一提的是，該試驗系統還可廣泛應用於油氣、礦山、水利、交通、土木、環保等國家重大工程建設中。例如，對於礦山突發水災害預測、滑坡地質災害發生機制、隧道塌方冒頂事故防治、二氧化碳地下封存等亟待解決的重大工程技術問題，具有重要的試驗與理論指導作用。

中科院地質與地球物理所赫建明副研究員介紹，基於該試驗系統獲得的岩石損傷破裂規律，項目組還研發了頁岩氣開採壓裂滲流產能預測軟體，有力支撐了中科院戰略性科技先導頁岩氣專項與國家油氣重大專項的實施，並對我國頁岩氣開發的壓裂設計提供了技術支撐。

「山體滑坡看來是突然發生的，其實也有自己的演化過程，裂縫漸進發展到一定程度完全貫通就會造成滑坡。假如我們了解裂縫的演化過程，就可以進行及時預測、預報、干預，並根據裂縫的發展程度和規律及時採取相應措施。」李曉強調，裂縫的發展過程就是岩石的破裂過程，科學家洞悉這一過程後，可及時對災害進行早期識別、中途干預；利用該研製設備進行滑坡物理模擬試驗，可揭示滑帶的漸進破裂過程及關鍵物理量的變化規律。

「利用該試驗平台，我們正在開展試驗研究工作。比如，在乾熱岩地熱能開發方面，該試驗系統可模擬熱儲層中壓裂裂縫的形成發展、剪切錯位與空間構型，用於中深層地熱能資源開採設計；藉助該試驗系統，可研究不同溫度壓力條件下儲庫圍岩裂隙擴展滲流的多場耦合機制與過程，為高放射性核廢料地下處置庫設計提供試驗依據。」中科院頁岩氣與地質工程重點實驗室副主任李守定研究員說，利用該試驗系統的低溫裝置，還可進行天然氣水合物鑽採的模擬試驗研究等。

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