摘要
地球浅部资源开采逐渐趋于枯竭，向地球深部进军已成为国际能源开采的重大科技战略。然而相对于浅部资源开采，深部资源开发面临着高地温、高地应力、高渗透压和强扰动等极端工程因素，严重制约着深部资源高效安全地勘探开发。当前国际上地质勘探、矿产开发、油气开采等相关基础理论，基本仍源于材料力学、弹性力学等经典理论，对不同深度、不同原位环境条件下岩石的力学行为差异，难以有效描述甚至出现空白，必须突破传统的理论框架，创新深部原位环境岩体力学的科学理论。目前的岩石力学体系主要基于“普通”标准岩芯、经典实时加载路径、弹塑性本构关系的经典岩石力学理论和实验方法，但“普通”标准岩芯试样几乎都已失去原位应力与赋存环境，无法真实重现其原始状态。因此创新深部原位岩体力学，其核心与关键是如何获取深部环境条件下的原位岩芯，而如何获取深部“原质原位”的保真岩芯，已成为当前国际上亟需突破的技术难题。 为此，谢和平院士团队率先提出“五保”（保压、保温、保质、保湿、保光）取芯理念，创新研发针对“五保”取芯的深部岩石原位保真取芯技术，以实现对深部岩石样本赋存环境的原位保持，为创新深部原位环境岩体力学的科学理论提供技术支撑。该创新技术获批国家自然科学基金委重大科研仪器项目“深部岩石原位保真取芯与保真测试分析系统”（项目编号51827901），项目针对三大系统（深部原位保真取芯、深部原位保真移位和深部原位保真测试三大系统）、六个子系统（深部原位保压取芯、深部原位保温取芯、深部原位保质保湿保光取芯、“五保”能力率定平台、原位环境重构与移位、原位保真环境试件制备与保真测试系统）进行重点攻关。保压取芯是保真取芯的核心功能模块之一，围绕深地钻探高温、高压、强扰动、小空间等极端作业环境，开展针对保压功能核心组件的深入研究，创新提出一种基于自紧式密封原理、具有复合密封功能的保压控制器组件，以确保深地极端工况下进行保真取芯作业的密封稳定性及可靠性。主要研究工作如下： （1）基于深部原位保真取芯系统的工作机理分析，提出了保压控制器复合密封设计思路及密封界面表征方法。创新设计了具有空间相贯几何特征与自紧式复合密封原理的保压控制器，并构建了密封界面空间几何运动模型，以消除保压控制器工作过程的几何干涉风险；通过二维数字滤波算法对密封界面进行数值重构，并采用二次插值法对其进行拟合以获取平滑的数值表面；基于粗糙表面统计学参数的误差分析，验证了拟合表面模型的参数准确性。 （2）以接触面积比、接触载荷等为评价参数，研究了密封界面接触过程中的表面随机性、接触形态、表面纹理等因素对微观接触特性及表面形貌变化规律的影响。研究表明，粗糙表面的随机特性对数值仿真的结果影响较小，相同统计学参数条件下可任选一组粗糙表面进行计算分析；弹性变形条件下，各向同性表面与各向异性表面的接触分析结果相比，其接触特性总体变化规律基本一致，且数值上相差较小，但其表面形貌差异较大，对金属密封的形成有重要影响；考虑材料塑性参数，各向同性表面与各向异性表面在所选粗糙度范围内，达到临界密封条件时，同种材料在不同粗糙度、表面纹理特性下对应的接触载荷相差不大；当密封界面采用各向异性表面的加工工艺时，将液压介质流动方向与纹理方向垂直分布可获得较优密封性能。 （3）结合数值计算与室内试验，研究了初始构型保压控制器的密封形态演化规律，揭示了其无法实现复合密封的根本原因。针对具体构型参数的保压控制器开展运动特性试验，测试了保压控制器在狭小空间形成复合密封的运动稳定性；基于自紧式复合密封设计原理及高压容器设计手册，分别提出了形成初始橡胶密封与金属密封的临界评价标准；通过数值仿真计算与室内试验，验证了当前构型保压控制器的密封能力，分析了其复合密封失效的原因并提出优化方向。 （4）创新设计了单接触复合密封及抗弯构型复合密封保压控制器，提出了基于非均匀接触的微倾角平面接触问题近似求解方法。针对初始设计保压控制器无法实现复合密封的关键问题，提出了单接触复合密封的密封界面设计思路，通过界面参数优化，实现了金属密封区域的连续接触；针对单接触密封界面接触形态，结合接触力学理论对微倾角平面接触问题进行了近似求解；基于单接触密封失效致因分析，创新设计了抗弯构型保压控制器，并通过计算分析对优化前后复合密封特性进行对比，从理论上验证了密封可行性。 （5）通过室内试验测试了抗弯构型保压控制器复合密封的有效性，揭示了密封界面在承载过程中的形貌变化规律。基于对制备过程的工艺分析及控制，完成了保压控制器样机加工，通过形貌测量及静水试验，测试了其尺寸加工精度及密封界面配合精度；对保压控制器完成了室内 100MPa 的密封性能及压力稳定试验，证明了其复合密封的可靠性；通过对密封界面微观形貌、阀盖宏观构型尺寸在试验前后的变化对比，揭示了其复合密封的形成机制及在深部高压环境下的工作安全性。
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