实验一岩石硬度及塑性系数的测定1实验目的（1）通过实验了解岩石的物理机械性质。（2）通过实验学习掌握岩石硬度、塑性系数的测定方法。2实验仪器、设备岩石硬度仪示意图见图1，由函数纪录仪、载荷传感器、位移传感器和其主体组成。岩石硬度仪主体由手摇泵、液压罐、支柱、上板、下板、压模组成，并可固定载荷传感器、位移传感器及岩样，位移传感器的转换器固定在函数纪录仪的外罩上。载荷传感器位移传感器上板压模支柱夜压罐函数记录仪手摇泵下板图1岩石硬度仪示意图（1）手摇泵：手摇泵容积为100mL，最大压强为20MPa，主要由泵桶、丝杠、丝杠压帽、活塞、堵头、堵头压帽、手轮、手柄组成。（2）液压罐：液压罐的目的是将手摇泵施加的压力通过液缸内的液体推动活塞，带动岩心托盘上的岩样与压模接触、压裂，进而实现实验目的。液压罐主要由液缸、压帽、活塞、活塞压盘、垫块、岩心托盘组成
实验一 岩石硬度及塑性系数的测定 1 实验目的 （1）通过实验了解岩石的物理机械性质。 （2）通过实验学习掌握岩石硬度、塑性系数的测定方法。 2 实验仪器、设备 岩石硬度仪示意图见图 1，由函数纪录仪、载荷传感器、位移传感器和其主体 组成。岩石硬度仪主体由手摇泵、液压罐、支柱、上板、下板、压模组成，并可 固定载荷传感器、位移传感器及岩样，位移传感器的转换器固定在函数纪录仪的 外罩上。 图 1 岩石硬度仪示意图 （1）手摇泵：手摇泵容积为 100mL，最大压强为 20MPa，主要由泵桶、丝杠、 丝杠压帽、活塞、堵头、堵头压帽、手轮、手柄组成。 （2）液压罐：液压罐的目的是将手摇泵施加的压力通过液缸内的液体推动活 塞，带动岩心托盘上的岩样与压模接触、压裂，进而实现实验目的。液压罐主要 由液缸、压帽、活塞、活塞压盘、垫块、岩心托盘组成 液压罐 压模 位移传感器 载荷传感器 上板 支柱 手摇泵 函数记录仪 下板
（3）压模：压模是由高强度钢制成胚体后镶入硬质合金压头，将硬质合金锥磨成柱体，压头直径d=2mm。硬质合金图2平底圆柱压头（4）支柱与上下板：支柱与上下板都有高强度钢制成，支柱的直径和上下板的厚度具有足够的强度满足实验的需求。（5）位移传感器、载荷传感器：载荷传感器固定在上板上。位移传感器固定在左支柱上，可上下移动。位移传感器用来测定压模压入岩样的深度，载荷传感器用来测定压模压碎岩样所用的力。（6）函数记录仪：采用多通道液晶数显仪，可实时观看图形显示或数字显示，并具有记忆功能，可将实验的数据记录下来，用U盘导入计算机进行编辑。3实验原理利用手摇泵加压，压力传递给压模（硬质合金压头），岩样与压头和位移传感器接触后，用手摇泵慢速均匀加载，压头吃入岩样直至破碎，函数记录仪记录整个过程的载荷与位移值，通过载荷与位移的关系曲线计算岩石硬度和塑性系数。4实验步骤（1）岩样制备：将岩石切割成正方（圆柱）体，其高度不小于50mm，被测量断面应加以研磨，使岩样平滑且互相平行（直径50mm的岩样两端面不平行度不应超过5mm），岩样制备后应在低于100℃的烘箱中烘干2-2.5小时，然后放在干燥箱内备用。（2）用读数显微镜测出压模压头的直径并记录
（3）压模：压模是由高强度钢制成胚体后镶入硬质合金压头，将硬质合金锥 磨成柱体，压头直径 d=2mm。 图 2 平底圆柱压头 （4）支柱与上下板：支柱与上下板都有高强度钢制成，支柱的直径和上下板 的厚度具有足够的强度满足实验的需求。 （5）位移传感器、载荷传感器：载荷传感器固定在上板上。位移传感器固定 在左支柱上，可上下移动。位移传感器用来测定压模压入岩样的深度，载荷传感 器用来测定压模压碎岩样所用的力。 （6）函数记录仪：采用多通道液晶数显仪，可实时观看图形显示或数字显示， 并具有记忆功能，可将实验的数据记录下来，用 U 盘导入计算机进行编辑。 3 实验原理 利用手摇泵加压，压力传递给压模（硬质合金压头），岩样与压头和位移传 感器接触后，用手摇泵慢速均匀加载，压头吃入岩样直至破碎，函数记录仪记录 整个过程的载荷与位移值，通过载荷与位移的关系曲线计算岩石硬度和塑性系数。 4 实验步骤 （1）岩样制备：将岩石切割成正方（圆柱）体，其高度不小于 50mm，被测 量断面应加以研磨，使岩样平滑且互相平行（直径 50mm 的岩样两端面不平行度 不应超过 5mm），岩样制备后应在低于 100℃的烘箱中烘干 2-2.5 小时，然后放在 干燥箱内备用。 （2）用读数显微镜测出压模压头的直径并记录
（3）打开记录仪开关，调整零点：按菜单，选择输入，按设置，输入密码选择零点修正。（4）将岩样置于硬度仪的岩心托盘上，摇动手摇泵，活塞慢慢上升，移动位移传感器，使岩样先与位移传感器接触，当记录仪显示压力有变化时，说明岩样与压头已接触上，停止摇动手摇泵，此时记录下位移值和压力值，作为零点。（5）用手摇泵慢速均匀加载，直到岩石破碎（有响声），则该点测试完毕，卸压。（6）按设置键两次，出现报警界面，再按V键，根据提示插入U盘，导出数据（两个数据文件存入U盘，第一路数据是位移，第二路数据是载荷）按菜单键返回，拔除U盘。（7）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。岩样制备压头直径测量压头、位移传感器与岩样接触均匀加载直至岩样破碎数据处理实验报告记录仪中读取数图3实验步骤5数据处理（1）在计算机上进行数据编辑U盘上的数据可通过专用软件打开，具体操作如下：①将U盘上的数据分系软件打开，选择setup.exe安装数据处理系统（按提示进行安装），安装完毕后，双击桌面上的“JLFX100”图标。②点击“文件》打开”，选择所需的文件即可进入“曲线分析”窗口；横轴为时间，纵轴为位移传感器（或载荷传感器）数据。③点击“数据报表”弹出一窗体，输入“开始时间”和“结束时间”“取样间隔”点击“开始生成报表（按准确时间）
（3）打开记录仪开关，调整零点：按菜单，选择输入，按设置，输入密码， 选择零点修正。 （4）将岩样置于硬度仪的岩心托盘上，摇动手摇泵，活塞慢慢上升，移动位 移传感器，使岩样先与位移传感器接触，当记录仪显示压力有变化时，说明岩样 与压头已接触上，停止摇动手摇泵，此时记录下位移值和压力值，作为零点。 （5）用手摇泵慢速均匀加载，直到岩石破碎（有响声），则该点测试完毕， 卸压。 （6）按设置键两次，出现报警界面，再按 V 键，根据提示插入 U 盘，导出 数据（两个数据文件存入 U 盘，第一路数据是位移，第二路数据是载荷）按菜单 键返回，拔除 U 盘。 （7）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。 图 3 实验步骤 5 数据处理 （1）在计算机上进行数据编辑 U 盘上的数据可通过专用软件打开，具体操作如下： ①将 U 盘上的数据分系软件打开，选择 setup.exe 安装数据处理系统（按提 示进行安装），安装完毕后，双击桌面上的“JLFX100”图标。 ②点击“文件〉打开”，选择所需的文件即可进入“曲线分析”窗口；横轴为 时间,纵轴为位移传感器（或载荷传感器）数据。 ③点击“数据报表”弹出一窗体，输入“开始时间”和 “结束时间”,“取样间 隔”点击“开始生成报表（按准确时间）” 岩样制备 压头直径测量 压头、位移传感器与岩样接触 均匀加载直至岩样破碎 记录仪中读取数 实验报告 据 数据处理
④把生成的数据拷贝到Excel进行处理，在Excel文档中进行编辑时，先逐个选中通道1数据中的序列号，在编辑栏将序列号和时间删除，只留下数据，同样将通道2中的数据进行处理，处理后的数据只剩下位移和载荷，通道1记录的是位移数据，如果载荷数据开始变化时，相应位移数据不在零点，需减去该值。（2）用Excel画出位移一一载荷曲线选中数据，点击图表向导，在图表向导图框选XY散点图，在子图表类型中选择平滑线散点图，然后按提示做下去，出现如下所示曲线：ABPsPo(N)吃入深度（mm）0Dc图4平底圆柱压头压入岩石时的典型变形曲线（3）根据每点所做出的曲线求出硬度PyPP,=s式中，P一所加载荷（查表），kg：S一压模面积，mm2。（4）求塑性系数KK=4F_面积OABCAE面积OED式中，AF一岩石破碎前耗费的总功，面积OABC：AE一一弹性变形功，相当于面积OED；P——屈服极限，kg；OC——压入岩样深度，mm。（5）求屈服极限PoyP.-
④把生成的数据拷贝到 Excel 进行处理，在 Excel 文档中进行编辑时，先逐个 选中通道 1 数据中的序列号，在编辑栏将序列号和时间删除，只留下数据，同样 将通道 2 中的数据进行处理，处理后的数据只剩下位移和载荷，通道 1 记录的是 位移数据，如果载荷数据开始变化时，相应位移数据不在零点，需减去该值。 （2）用 Excel 画出位移——载荷曲线 选中数据，点击图表向导，在图表向导图框选 XY 散点图，在子图表类型中 选择平滑线散点图，然后按提示做下去，出现如下所示曲线： 图 4 平底圆柱压头压入岩石时的典型变形曲线 （3）根据每点所做出的曲线求出硬度 Py S P Py 式中， P —所加载荷（查表），kg； S —压模面积，mm2 。 （4）求塑性系数 K OED OABC AE AF K 面积 面积 式中， AF —岩石破碎前耗费的总功，面积 OABC； AE ——弹性变形功，相 当于面积 OED； P0 ——屈服极限，kg；OC ——压入岩样深度，mm。 （5）求屈服极限 P0 y S P P y 0 0
（6）将各实验结果的P,、Po,及K值进行平均得出该岩样的硬度及塑性系数。6实验报告（一）实验目的（二）实验仪器（三）实验原理（四）实验结果硬度P,屈服极限P。岩石名称塑性系数K硬度级别塑性级别7思考题（1）为什么要求被测岩样两端必须平行？（2）画出的曲线有不规则的现象是何原因？（3）在塑性岩石中，它没有破碎点，如何求它的硬度？
（6）将各实验结果的 Py 、P0 y 及 K 值进行平均得出该岩样的硬度及塑性系数。 6 实验报告 （一）实验目的 （二）实验仪器 （三）实验原理 （四）实验结果 岩石名称 硬度 Py 屈服极限 P0 塑性系数 K 硬度级别 塑性级别 7 思考题 （1）为什么要求被测岩样两端必须平行？ （2）画出的曲线有不规则的现象是何原因？ （3）在塑性岩石中，它没有破碎点，如何求它的硬度？
Experiment1:Determinationofrockhardnessandplasticcoefficient1Experimental objectives(1) To learn about the physical properties and mechanical properties of rock.(2)To learn and master the determination of rock hardness and plasticcoefficient.2Experimental apparatus(1)Handpump(2) Pressure die (d=1.2~2.5mm)(3)Displacement sensor、load sensor（4）Hydraulic container（5）Function recorder3Experimental principleTo pressure the die use of hand pump, after the rock sample contacts with thepressure die and displacement sensor, load slow uniform pressure to the rock sample,until therock crushes.Inthewholeprocessofoperation,load anddisplacement arerecorded by function recorder, then rock hardness and plastic are calculated throughthe relation curve between load and displacement.4Experimental stepsrocksamplediameterrrocksamplecontactswiththesurementpreparationofpressurediepressure die and displacement sensordata Processingload slowuniformpressurereadingexperimentaldatauntiltherockcrushesreport writing
Experiment 1: Determination of rock hardness and plastic coefficient 1 Experimental objectives （1）To learn about the physical properties and mechanical properties of rock. （2） To learn and master the determination of rock hardness and plastic coefficient. 2 Experimental apparatus （1） Hand pump （2）Pressure die（d=1.2~2.5mm） （3）Displacement sensor、load sensor （4）Hydraulic container （5）Function recorder 3 Experimental principle To pressure the die use of hand pump, after the rock sample contacts with the pressure die and displacement sensor, load slow uniform pressure to the rock sample, until the rock crushes. In the whole process of operation, load and displacement are recorded by function recorder, then rock hardness and plastic are calculated through the relation curve between load and displacement. 4 Experimental steps rock sample preparation diameter measurement of pressure die rock sample contacts with the pressure die and displacement sensor load slow uniform pressure until the rock crushes experimental report writing reading data data Processing
PxPo(N)peot0DCdepthofthediepenetration(mm)5DataProcessing(1)Calculating hardness using the experimental curvePP,"s-Here, PThe load, kg, SDie area, mm?(2)Calculatingplasticcoefficient KAF_area OABCK=3AEarea OEDHere,AFTotalworkbeforecrushing,areaOABCAEElasticdeformation work, area OED, PYield limit, kg, OC-depth of the diepenetration,mm.(3) Calculation ofthe average of P, and the average of K 。6Experimentalreport(1)Experimentalobjectives(2) Experimental apparatus(3)Experimental principle(4)Experimental resultsHardnessYield limitplasticPlasticHardnessRocknamePPolevellevelcoefficient K
5 Data Processing （1）Calculating hardness using the experimental curve S P Py Here, P —The load, kg; S —Die area, mm2 . （2）Calculating plastic coefficient K OED OABC AE AF K area area Here, AF —Total work before crushing, area OABC; AE —Elastic deformation work, area OED; P0 —Yield limit, kg; OC —depth of the die penetration, mm. （3） Calculation of the average of Py and the average of K 。 6 Experimental report （1）Experimental objectives （2）Experimental apparatus （3）Experimental principle （4）Experimental results Rock name Hardness Py Yield limit P0 plastic coefficient K Hardness level Plastic level
7Questions(1) Why the both ends of rock samples must be parallel?(2)Whytheexperimental curvemaybeirregular?(3) How to calculate the hardness of plastic rocks without breaking point?
7 Questions （1）Why the both ends of rock samples must be parallel? （2）Why the experimental curve may be irregular? （3）How to calculate the hardness of plastic rocks without breaking point?
实验二：油井水泥浆性能实验1实验自的（1）通过实验掌握油井水泥浆的基本配制方法，掌握水泥浆密度、流变性能的测定方法，掌握有关仪器的使用方法，对油井水泥浆基本性能的指标范围有一定的认识。（3）通过实验掌握油井水泥浆稠化时间的测量方法及常压稠化仪的操作方法，了解常用油并水泥的稠化性能与有关标准，充分认识水泥浆稠化时间对固井作业的重要性。2实验仪器、设备（1）电子天平（2）恒速搅拌器（3）钻井液密度计（4）六速旋转粘度计（5）常压稠化仪3实验原理（略）4实验步骤4.1水泥浆制备在电子天平上称一定质量的水（352g）倒入搅拌杯中，搅拌器以低速（4000转/分）转动，并在15秒内加完水泥（800g），盖上搅拌杯盖子，在高速（12000转/分）下继续搅拌35秒即制备得到水泥浆（即仪器“标准1”程序）。4.2水泥浆密度测试实验前先用自来水对密度计进行校正，然后将配好的水泥浆注入密度计浆杯内（轻捣约25次除掉水泥浆中气泡），将杯盖慢慢向下旋转让多余的水泥浆从流孔溢出，再用拇指堵住流孔，清洗浆杯外部并擦干，然后放置在支架上，移动游码使支架内气泡居中，游码所标示数值即为水泥浆密度。4.3水泥浆流变性能测试将制备好的水泥浆倒入常压稠度仪样品筒中，于所测试温度下先稠化20分钟，然后浆水泥浆倒入粘度计样品筒中，先在300转/分下旋转60秒后读数，然后按
实验二 油井水泥浆性能实验 1 实验目的 （1）通过实验掌握油井水泥浆的基本配制方法，掌握水泥浆密度、流变性能 的测定方法，掌握有关仪器的使用方法，对油井水泥浆基本性能的指标范围有一 定的认识。 （3）通过实验掌握油井水泥浆稠化时间的测量方法及常压稠化仪的操作方 法，了解常用油井水泥的稠化性能与有关标准，充分认识水泥浆稠化时间对固井 作业的重要性。 2 实验仪器、设备 （1）电子天平 （2）恒速搅拌器 （3）钻井液密度计 （4）六速旋转粘度计 （5）常压稠化仪 3 实验原理（略） 4 实验步骤 4.1 水泥浆制备 在电子天平上称一定质量的水（352g）倒入搅拌杯中，搅拌器以低速（4000 转/分）转动，并在 15 秒内加完水泥（800g），盖上搅拌杯盖子，在高速（12000 转/分）下继续搅拌 35 秒即制备得到水泥浆（即仪器“标准 1”程序）。 4.2 水泥浆密度测试 实验前先用自来水对密度计进行校正，然后将配好的水泥浆注入密度计浆杯 内（轻捣约 25 次除掉水泥浆中气泡），将杯盖慢慢向下旋转让多余的水泥浆从流 孔溢出，再用拇指堵住流孔，清洗浆杯外部并擦干，然后放置在支架上，移动游 码使支架内气泡居中，游码所标示数值即为水泥浆密度。 4.3 水泥浆流变性能测试 将制备好的水泥浆倒入常压稠度仪样品筒中，于所测试温度下先稠化 20 分钟， 然后浆水泥浆倒入粘度计样品筒中，先在 300 转/分下旋转 60 秒后读数，然后按
20秒间隔依次由高速到低速：200、100、6、3转/分连续测量，依次测其读数，并用这些数据，计算出水泥浆的流变参数。表1粘度计读数3转速 (r/min)3002001006读数/格4.4水泥浆稠化时间测试（1）标定常压稠化仪电位计，并准备好稠化仪：（2）水泥浆制备：（3）将制备好的水泥浆倒入稠化仪样品筒中，并安装好稠化浆叶和电位计，然后放入稠化仪水浴中，启动电机进行稠化：（4）稠化温度设定：参照稠化仪说明书。（5）记录水泥浆稠度达到100Bc时所需要的时间，即称为水泥浆稠化时间。Table2水泥浆稠度记录表时间/min150520253035404550555860稠度/Bc5流变参数计算5.1流变模式判别F =(0200 -0100)/(0300 -0100)式中，F一流变模式判别系数，无量纲；9300一转速300r/min时的仪器读数；020一转速200r/min时的仪器读数；Qjo0一转速100r/min时的仪器读数。当F=0.5±0.03时选用宾汉模式，否则选用幂律模式。5.2宾汉模式n,=0.0015(0300-6100)[t。=0.5110300511np式中，n，一塑性粘度，Pa·s；t一动切应力，Pa；2300一300r/min时读数。5.3幂律模式( 0300n=2.0921g(0100K- 0.5110511"式中，n一流性指数，无量纲；K一稠度系数，Pa·s
20 秒间隔依次由高速到低速：200、100、6、3 转/分连续测量，依次测其读数，并 用这些数据，计算出水泥浆的流变参数。 表 1 粘度计读数 转速 (r/min) 300 200 100 6 3 读数/格 4.4 水泥浆稠化时间测试 （1）标定常压稠化仪电位计，并准备好稠化仪；（2）水泥浆制备；（3）将 制备好的水泥浆倒入稠化仪样品筒中，并安装好稠化浆叶和电位计，然后放入稠 化仪水浴中，启动电机进行稠化；（4）稠化温度设定：参照稠化仪说明书。（5） 记录水泥浆稠度达到 100 Bc 时所需要的时间，即称为水泥浆稠化时间。 Table 2 水泥浆稠度记录表 时间 /min 0 5 15 20 25 30 35 40 45 50 55 58 60 稠度/ Bc 5 流变参数计算 5.1 流变模式判别 ( )/( ) F 200 100 300 100 式中， F —流变模式判别系数，无量纲； 300—转速 300r/min 时的仪器读数； 200 —转速 200r/min 时的仪器读数；100 —转速 100r/min 时的仪器读数。 当 F 0.5 0.03时选用宾汉模式，否则选用幂律模式。 5.2 宾汉模式 o p p 0.511 511 0.0015( ) 300 300 100 式中， p —塑性粘度，Pa s ； —动切应力，Pa ；300 —300r/min 时读数。 5.3 幂律模式 n K n 511 0.511 2.092lg 300 100 300 式中，n —流性指数，无量纲； K —稠度系数， n Pa s