一種仿制天然裂縫巖樣的人造實驗樣品制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土力學實驗技術，尤其涉及一種仿制天然裂縫巖樣的人造實驗樣品制作方法。
【背景技術】
[0002]天然巖體通常會經受復雜的地質運動而在其內部產生許多形貌各異的裂縫。巖體大多沿著裂縫面發(fā)生破壞，而裂縫面內的流體流動能力也遠大于巖石基質，因此裂縫對巖體的變形性質和水力學特性有著重要的影響。在地面和地表開展的各類巖體工程，如隧道、邊坡、洞室中，裂縫影響著各類工程的穩(wěn)定性和安全性。在開發(fā)深部地層的油氣資源時，巖體中的裂縫又影響著鉆井效率和油氣藏開發(fā)效果。同時眾多學者的研究均表明，裂縫的具體形貌進一步決定了其對巖體性質的影響，因此研究裂縫形貌對巖體性質的影響意義重大。
[0003]目前針對裂縫形貌對巖體性質的研究，主要是天然裂縫巖樣在不同的應力、溫度、流體條件下的裂縫法向閉合實驗研究和裂縫切向剪切實驗研究兩種。由于工程需要預測不同條件下同樣一個裂縫對巖體性質的影響，通常需要針對同一天然裂縫巖樣進行多次不同實驗條件下的實驗。
[0004]由于自然界中不可能有表現形貌完全相同的裂縫面，因此工程中常常直接使用同一裂縫巖樣進行多次不同實驗條件下的實驗。但大多數裂縫巖樣在經歷了第一次、第二次實驗后，其裂縫表面會被磨損，形貌發(fā)生改變，所得到的實驗數據并不能真實反映原始裂縫對巖體性質的影響。此外，地面和地表巖體工程可采取原位實驗和室內實驗，取樣較為方便。而深部巖體則僅能通過成本高昂的鉆井取芯來獲取進行室內實驗的實驗樣品。因此許多學者和工程師都采用力學性質和巖石相似的混凝土、水泥砂漿等材料澆筑成許多具有相同裂縫形貌的邊長在50毫米到300毫米之間的長方體形人造實驗樣品來進行實驗。這樣可以保證每次實驗中的人造實驗樣品的材料性能基本相同、裂縫的形貌基本一致，實驗結果也更加真實可靠。這種澆筑人造實驗樣品的方法被廣泛采用，促進了裂縫巖體性質的室內實驗研究的發(fā)展，得出了許多寶貴的結論，但也存在一定的不足之處。
[0005]目前澆筑制備人造實驗樣品的方法可細分為以下三種。
[0006](I)直接澆筑方法。在現場獲得含一對裂縫面的巖體樣品后，對其進行切割加工，獲得兩塊僅一個面為裂縫面，其他五個面為平面的長方體巖樣。將這兩塊巖樣都按照帶有裂縫面的一面朝上放置，并在四周用特定尺寸的平板圍起來組成澆筑盒，以提供澆筑的空間。在配置好水泥砂漿等澆筑材料后，直接在天然裂縫巖樣的裂縫表面上進行澆筑。如果天然裂縫巖樣的兩個裂縫面耦合度較好，澆筑所得到兩塊澆筑體即可作為人造實驗樣品進行實驗。而如果天然裂縫巖樣的兩個裂縫面耦合度較差，則需要將澆筑所得到的兩塊澆筑體作為中間件，以中間件為模具再進行一次類似澆筑才能得到實驗所需的人造實驗樣品。
[0007](2)間接澆筑方法。間接澆筑方法是對直接澆筑方法的改進。不同于直接澆筑方法需要先制作中間件，間接澆筑方法先使用硅膠或者樹脂等材料對裂縫面進行翻模。在翻模前無需對天然裂縫巖樣進行切割，而是將翻模得到的硅膠樹脂等材料切割成規(guī)則外形后進行澆筑來得到人造實驗樣品。
[0008](3)基于裂縫表面輪廓線測量的制作方法(發(fā)明專利申請?zhí)?0141083577.0)。該方法首先利用三維(3D)激光掃描方法對5到10米的大尺寸裂縫面的表面輪廓線和傾向、傾角、走向進行測量。在對測量數據進行諸如去噪，縮放等處理后，得到了小尺寸的裂縫面模型。將其導入電火花切割控制機加工出帶有相應輪廓線形狀和傾向、傾角、走向的鋼塊便可澆筑出人造實驗樣品。該方法被用于研究裂縫充填物物理性質對裂縫巖體的強度和變形特性的影響。
[0009]對于直接澆筑方法，其缺點是制作過程中需對天然裂縫巖樣進行切割和翻動，有可能會對裂縫面造成破壞。同時需要額外的一次翻模，這使得澆筑材料消耗較多，制作成本較高。而每次翻模倒模的候凝成型時間都在I天左右，制作周期也較長。而間接澆筑方法無需切割天然裂縫巖樣也較省澆筑材料，但受硅膠和樹脂等材料自身流動能力的影響，可能在翻模時由于天然裂縫巖樣裂縫表面上的氣泡難以排除而不能完整地拓印裂縫形貌。同時由于硅膠材質較軟易破損，在澆筑時不能使用鋼絲等硬物進行振搗來排除氣泡。這都將造成人造實驗樣品的裂縫形貌與天然裂縫巖樣存在差異。另外需要特別指出的是，由于對深部地層的鉆井取芯成本很高，通常需要充分利用每一塊巖心來進行各種實驗，如滲透率、孔隙度的測量，巖心的計算機斷層掃面重建等。而直接使用水泥砂漿進行翻模的過程中的液相可能會滲入天然裂縫巖樣內部而造成污染，硅膠和樹脂翻模也可能會污染天然裂縫巖樣表面。這將導致天然裂縫巖樣不能再進行其他實驗，無疑進一步提高了人造實驗樣品的制作成本。而基于裂縫面測量的制作方法則很好的避免了這些問題，在整個制作過程中由于采用了激光進行非接觸式的原位測量，并不會對天然裂縫巖樣產生污染。但其針對5到10米的大尺寸裂縫面，僅測量裂縫面的表面輪廓線和傾向、傾角、走向，而忽略了裂縫面的具體形貌。因而由此獲得的人造實驗樣品也僅包含了裂縫面的表面輪廓線和傾向、傾角、走向信息，忽略了裂縫面的具體形貌細節(jié)。如果直接使用由其制作的人造實驗樣品來進行研究將不能很好地反映裂縫表面的具體形貌對巖體性質的影響。同時基于裂縫面測量的制作方法采用電火花切割加工鋼塊的方式制作澆筑模具，其加工時間和加工成本也較高。
[0010]而采用目前較為成熟的3D掃描技術和3D打印技術，可以非接觸式地、快速、精確而又完整地獲取整個裂縫面形貌的幾何數據。在對掃描數據進行處理后便可采用3D打印技術快速、成批量地制作出澆筑用的模具來澆筑人造實驗樣品。這樣便能達到高品質、低成本、快速地制作人造實驗樣品的目的。

【發(fā)明內容】

[0011]本發(fā)明的目的是克服現有的裂縫巖體研究中人造實驗樣品的制備方法會對作為仿制對象的天然裂縫巖樣造成破壞和污染，且制作成本較高，制作周期較長的不足，提出的一種仿制天然裂縫巖樣的人造實驗樣品制作方法。該方法采用3D掃描技術對天然裂縫巖樣的完整裂縫形貌幾何參數進行精確測量，掃描數據經過軟件處理后采用3D打印技術快速批量制造澆筑模具以縮短人造實驗樣品的制作周期。
[0012]為實現上述目的，本發(fā)明是通過以下技術方案實現的:
[0013]—種仿制天然裂縫巖樣的人造實驗樣品制作方法，包括如下步驟:
[0014](I)測量天然裂縫巖樣的裂縫面的大致尺寸，并根據實驗要求和3D打印機的最大打印尺寸共同確定用于制作澆筑模具和人造實驗樣品的裂縫面的長度和寬度。
[0015](2)按照上一步確定的裂縫面的長度和寬度，選定3D掃描儀的單次掃描區(qū)域大小并對3D掃描儀進行校準。然后使用3D掃描儀對天然裂縫巖樣的裂縫面形貌幾何參數進行精確測量，通過一次掃描或多次掃描后拼接獲取完整裂縫形貌的點云數據。
[0016](3)在與3D掃描儀配套的操作軟件中進行“點云數據全局優(yōu)化”和“去除重疊點云”操作并保存。
[0017](4)將經過上一步處理的點云導出保存，然后導入Geomatic Stud1逆向工程軟件中。由于實驗通常使用一個面為裂縫面的長方體人造實驗樣品，因此在Geomatic Stud1中按照實驗所需的裂縫面尺寸裁剪掉多余的點云，然后將點云封裝成三角形面片以STL文件格式保存。此時便得到一個邊界為長方形的裂縫面。
[0018](5)將上一步獲得的STL模型文件導入Pro/Engineer建模軟件中，在裂縫面的四周補充平面，在裂縫面的底部也補充一個平面。這使得