武漢岩石土壌工学研究所などは、3Dプリントされた岩石の機械的特性と細孔構造の特性評価の研究で進歩を遂げた。

武漢岩石土壌工学研究所などは、3Dプリントされた岩石の機械的特性と細孔構造の特性評価の研究で進歩を遂げた。
出典:武漢岩石土力学研究所

岩石の細孔内の流体の移動法則とその流体と固体の結合効果は、地下の石油とガスの貯蔵と開発における中核的な科学的問題であり、さまざまな工学的災害や工学的問題につながる重要な要因でもあります。岩石の微細孔構造を正確に特徴付け、微細孔構造と巨視的物理的特性との間の本質的な関係を探り、岩石の微細孔構造の物理的パラメータを正確に計算することは、深部岩盤に関する工学研究を行うための基礎となります。

中国科学院武漢岩土力学研究所石油天然ガス地下埋蔵量及び開発研究センターの研究者らは、サウジアラビアのキング・アブドラ科学技術大学、カナダのアルバータ大学、オーストラリアのモナッシュ大学、西南科学技術大学の関連研究者らと協力し、3Dプリントされた岩石の機械的特性と細孔構造の特性評価に関する研究で進歩を遂げた。

研究者らは、岩石の顕微鏡CT画像の再構築に基づいて、革新的な3Dプリント技術を導入し、岩石と土壌の複雑な多孔質媒体モデルの正確かつ迅速な作成を実現しました。異なるスケールアップ印刷方式、印刷プロセス、印刷材料を採用することで、合計20個のサンプルを含む7種類の岩石3Dプリント細孔構造モデルが作成されました(図1)。3Dプリントモデルの微細構造特性パラメータは、ヘリウム多孔度テストと高圧水銀注入テストを組み合わせて取得されました。デジタルモデルと文献結果との比較分析を通じて、作成された3Dプリント細孔構造モデルは、天然岩石の微細構造特性をよりよく再現できることが示されています。この研究ではさらに、多孔質媒体の微細構造特性の研究における3Dプリント技術の欠点を指摘し、岩石3Dプリントモデルの最適化研究の理論的基礎を築きました。

ポリマー材料を使用した3Dプリント岩石では、天然岩石の強度や変形特性、粒子表面の物理的・化学的特性をシミュレートすることが難しいという事実を考慮して、研究者らは3種類の異なる天然粒状材料をベース材料として使用し、3Dプリント岩石模造品を製造しました。室内一軸・三軸圧縮、高精度CTスキャン、走査型電子顕微鏡(SEM)、エネルギー分散型分光計(EDS)などのさまざまな実験試験方法の共同特性評価を通じて、3Dプリントされた岩石模擬物の微細孔構造(孔タイプ、孔サイズ、バインダー分布、粒子接触タイプ)(図2)、強度と変形特性、亀裂伝播と破壊進展プロセス(図3)、濡れ性と浸透性の特性を体系的に研究し、天然岩石との比較により、流動試験分析と岩石力学研究のための天然サンプルの代替としての3Dプリントされた岩石模擬物の実現可能性を検証しました。

関連する研究結果は、「3Dプリントされた岩石類似体の機械的挙動、微細構造、輸送特性に関する包括的な実験研究」および「天然多孔質岩石の特性評価と微細加工:マイクロCTイメージングとデジタル岩石モデリングからマイクロ3Dプリントされた岩石類似体まで」というタイトルで、「Rock Mechanics and Rock Engineering」および「Journal of Petroleum Science and Engineering」に掲載されました。この研究は、中国国家自然科学基金、キング・アブドラ科学技術大学研究基金、中国奨学金評議会が共同で資金提供した。
図 1. 3D プリント モデルの細孔構造特性の比較 図 2. さまざまな 3D プリント 岩石の一般的な細孔タイプ (不規則な粒界細孔 - 規則的な粒界細孔 - 「ハニカム」細孔)
図3. 圧縮破壊サンプルのSEM画像(a)、(b)、(c)、(d)はSSサンプルの微視的破壊モード、(e)、(f)、(g)はCSBサンプルの微視的破壊モード、(h)、(i)、(j)はGPサンプルの微視的破壊モード、(k)は石膏サンプルの巨視的圧縮破壊形態
岩石研究

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