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1、中国石油大学岩石硬度及塑性系数测定实验报告实验日期：2014 年 10 月 8 日 成绩： 班级： 学号： 姓名： 教师： 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
2、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。 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=1.52.5mm。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
3、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OD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OA 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。脆性岩石 塑脆性岩石 塑性岩石图3 压模压入岩石时的变形曲线硬度：塑性系数：式中： P Y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；K p岩石塑性系数
4、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的烘箱中烘干22.5 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Y (pS脆 性
5、、 塑 脆 性 岩 石 )oY ()pS塑 性 岩 石OABCpDE ()K塑 脆 性 岩 石泵手柄，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10mm，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
6、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
7、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 -1.767 128-1.853 -1 -1.764 134-1.845 0 -1.754 166-1.843
8、1 -1.746 186-1.842 2 -1.741 198-1.84 4 -1.737 208-1.837 6 -1.733 222-1.835 8 -1.729 234-1.833 9 -1.723 254-1.833 11 -1.718 264-1.831 12 -1.714 275-1.83 14 -1.71 287-1.827 17 -1.703 310-1.825 19 -1.697 322-1.823 22 -1.69 342-1.822 23 -1.684 361-1.82 25 -1.678 368-1.819 27 -1.673 385-1.816 30 -1.664 4
9、01-1.813 37 -1.653 435-1.809 41 -1.628 476-1.806 47 -1.608 511-1.802 53 -1.59 534-1.798 64 -1.575 556-1.795 67 -1.56 560-1.793 72 -1.362 284-1.791 76 -1.35 269-1.789 80 -1.387 172-1.788 86 -1.452 41-1.783 90 -1.51 9-1.781 96 -1.526 2-1.779 101 -1.53 2-1.774 114表 1 “位移-载荷”数据“位 移 -载 荷 ”关 系 曲 线-1000100
10、200300400500600700-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0位 移 /mm载 荷 /kg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 = （d/2） 2 = *12 mm2 = mm22、岩石硬度由图知 破碎压力 P=560 Kg 1746.8MPa)/g178.2535602y mKspP（ 表 2 岩石按硬
11、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ODEABCSKp由图象知，Kp=0.951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 MPaY/塑性系数 Kp 屈服极限 硬度级别 塑性级别灰岩 174688 1 560Kg 6 1六、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。2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1.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
12、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。2.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。3.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如何应用于工程实践？思考这些性质的其它应用？答：可根据岩石硬度、塑性系数、可钻性和研磨性等性质选用合适的钻头，进而提高钻井速度，减少成本。 还可用于防塌、酸化压裂等过程中。八、实验总结通过本次试验对岩石进行了进一步的了解，学会了岩石硬度及塑性系数的测量方法，了解岩石的物理机械性质，对钻井理论知识进行了实践学习，对以后的学习生活有很大的帮助。最后，谢谢老师的指导！
