一種天然氣水合物儲(chǔ)層-結(jié)構(gòu)物相互作用的計(jì)算預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于天然氣水合物安全開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種海底天然氣水合物安全開(kāi) 采風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)測(cè)的分析計(jì)算預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣水合物作為一種能量密度高的潔凈能源，在全世界具有極大的資源量。 2009年以來(lái)在我國(guó)青藏高原地區(qū)、南海北部神狐海域、廣東沿海珠江口盆地東部海域相繼 發(fā)現(xiàn)了儲(chǔ)量巨大的天然氣水合物礦藏資源。這些資源的發(fā)現(xiàn)展示出了我國(guó)天然氣水合物巨 大的資源前景，有望改善我國(guó)的清潔能源結(jié)構(gòu)和比重，更為重要的是能夠在一定程度上解 決能源依靠進(jìn)口的國(guó)家能源安全問(wèn)題。
[0003] 天然氣水合物在開(kāi)采過(guò)程中會(huì)發(fā)生分解，不可避免的對(duì)天然氣水合物沉積層的結(jié) 構(gòu)和強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，從而影響海底結(jié)構(gòu)物的工程安全性，甚至有可能造成海底地質(zhì)災(zāi) 害。因此對(duì)海底天然氣水合物安全開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估顯的尤為重要。然而目前我國(guó)天然氣 水合物資源開(kāi)采安全評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)研究仍處于起步階段。突破相關(guān)技術(shù)瓶頸，形成具有我 國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天然氣水合物高效、安全開(kāi)采評(píng)估預(yù)測(cè)，是我國(guó)未來(lái)天然 氣水合物資源安全高效利用面臨的重大課題及挑戰(zhàn)。
[0004] 天然氣水合物儲(chǔ)層與結(jié)構(gòu)物相互作用的計(jì)算預(yù)測(cè)方法是開(kāi)采安全評(píng)估中的關(guān)鍵 技術(shù)。由于水合物沉積物的力學(xué)性質(zhì)尤其是本構(gòu)模型方面的研究成果比較匱乏，對(duì)于水合 物開(kāi)采工程中天然氣水合物儲(chǔ)層與結(jié)構(gòu)物相互作用計(jì)算比較少。已有的計(jì)算多采用強(qiáng)度折 減法，通過(guò)改變安全系數(shù)調(diào)整強(qiáng)度、模量等參數(shù)值，并分別進(jìn)行計(jì)算，得出不同安全系數(shù)下 應(yīng)力、變形等，從而確定極限平衡狀態(tài)下的安全系數(shù)及相應(yīng)的變形，應(yīng)力等。使用這種算法 進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要不斷調(diào)整參數(shù)，耗費(fèi)大量精力，并且不能得出天然氣水合物儲(chǔ)層及結(jié)構(gòu)物 的應(yīng)力、變形等隨水合物分解的變化過(guò)程。因此需要提出一種新的算法，可以通過(guò)一套參數(shù) 完成計(jì)算，得到水合物儲(chǔ)層及結(jié)構(gòu)物在水合物開(kāi)采過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)目前天然氣水合物儲(chǔ)層與結(jié)構(gòu)物相互作用計(jì)算 方法上存在的不足，提供一種了高效、準(zhǔn)確的天然氣水合物儲(chǔ)層和結(jié)構(gòu)物相互作用的計(jì)算 預(yù)測(cè)方法。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種天然氣水合物儲(chǔ)層-結(jié)構(gòu)物相互作用的計(jì)算預(yù)測(cè)方法，該計(jì)算預(yù)測(cè)方法包含 三個(gè)模塊：水合物參數(shù)標(biāo)定模塊、可視化前處理后處理模塊和計(jì)算模塊，通過(guò)調(diào)用三個(gè)模塊 相互配合，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)水合物儲(chǔ)與結(jié)構(gòu)物相互作用的目的。水合物參數(shù)標(biāo)定模塊又細(xì)分為本 構(gòu)模型模塊、輸入輸出模塊、圖形顯示模塊和優(yōu)化與標(biāo)定模塊，它的功能主要是根據(jù)水合物 三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定和優(yōu)化非線性本構(gòu)模型參數(shù)；可視化前后處理模塊的功能是讀入并顯示 有限元網(wǎng)格，修改單元屬性，設(shè)置材料應(yīng)力模型和材料參數(shù)，施加和修改約束條件，輸出應(yīng) 力、變形；求解模塊的功能是對(duì)建立好的有限元計(jì)算模型求解，得出水合物與結(jié)構(gòu)物的相互 作用規(guī)律。
[0008] 計(jì)算中根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)調(diào)用各個(gè)模塊，具體步驟下：
[0009]a、在參數(shù)標(biāo)定與優(yōu)化模塊中選取合理的本構(gòu)模型，再將水合物沉積物三軸試驗(yàn)獲 取不同分解時(shí)間下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分別輸入到水合物參數(shù)標(biāo)定模塊中，自動(dòng)擬合得到不同 分解時(shí)間下的本構(gòu)參數(shù)值。根據(jù)不同分解時(shí)間本構(gòu)參數(shù)值獲取隨時(shí)間變化的本構(gòu)參數(shù)曲 線，進(jìn)而建立參數(shù)隨時(shí)間變化的本構(gòu)模型；
[0010] b、根據(jù)實(shí)際工程中水合物沉積物層、土層以及結(jié)構(gòu)物范圍在可視化前處理模塊中 建立并劃分有限元網(wǎng)格，添加接觸面，施加邊界約束，設(shè)置材料應(yīng)力模型并設(shè)置材料參數(shù)， 其中水合物選取的是步驟a中確定的變參數(shù)本構(gòu)模型，從而建立了完整的有限元計(jì)算模 型；
[0011] C、利用求解模塊計(jì)算在水合物不發(fā)生分解的條件下水合物儲(chǔ)層及結(jié)構(gòu)物在自重 作用下的初始應(yīng)力、應(yīng)變，進(jìn)而計(jì)算水合物物儲(chǔ)層與結(jié)構(gòu)物在受外荷載條件下的應(yīng)力、應(yīng) 變；
[0012] d、在水合物沉積物選用隨時(shí)間變化參數(shù)的本構(gòu)模型基礎(chǔ)上，在求解模塊中利用應(yīng) 力釋放法，計(jì)算在水合物分解條件下水合物儲(chǔ)層與結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力、變形等反應(yīng)。
[0013] 步驟a中所述的水合物本構(gòu)模型目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間變化參數(shù)的Mohr-Coulomb 模型，該模型考慮分解過(guò)程中材料屬性的變化，其參數(shù)（包括密度、剪切模量、體積模量、泊 松比、摩擦角和凝聚力）均定義了一條隨時(shí)間變化的曲線，程序在進(jìn)行計(jì)算時(shí)可根據(jù)時(shí)間 步進(jìn)行插值。為了更好的描述水合物沉積物的力學(xué)性質(zhì)其他隨時(shí)間變參數(shù)的本構(gòu)模型也在 開(kāi)發(fā)當(dāng)中，例如適用于水合物的鄧肯E-B模型。
[0014] 步驟b中所述的接觸面，施加于結(jié)構(gòu)物與水合物儲(chǔ)層之間，施加接觸面后模型計(jì) 算的結(jié)果能合理的反映水合物儲(chǔ)層與結(jié)構(gòu)物之間的相對(duì)變形。接觸面模型采用的是海洋地 基與結(jié)構(gòu)物廣義塑性接觸面模型，該模型可以描述接觸面的剪脹與剪縮，模擬接觸面的滑 動(dòng)、張開(kāi)和閉合，模擬單調(diào)和循環(huán)荷載，從而利用一套參數(shù)就可以完成靜、動(dòng)力分析全過(guò)程。 海洋地基與結(jié)構(gòu)物廣義塑性接觸面模型表示為：
[0019]式中，T為剪應(yīng)力，〇n為法向應(yīng)力，!^是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，e為當(dāng)前孔隙比，e。為初始孔 隙比，H為塑性模量，Dn(]、Ds。為彈性參數(shù)，Hpfh為塑性模量參數(shù)，c。為很小的常數(shù)取0. 0001， Dn為法向剛度，Ds為剪切剛度，力為剪脹角，M。為臨界狀態(tài)參數(shù)，a、y ^kni為塑性流動(dòng)方 向參數(shù)，P為反彎點(diǎn)到當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)的距離，Pp為峰值應(yīng)力邊界面上映射點(diǎn)到當(dāng)前應(yīng)力狀 態(tài)的距離，Pnlax為最大應(yīng)力歷史邊界面上映射點(diǎn)到當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)的距離，dg為剪脹比。
[0020] 步驟c所述的應(yīng)力釋放法是指同時(shí)輸入分解前和分解后的材料參數(shù)，運(yùn)用分解前 的材料參數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系求出各單元的初始狀態(tài)（應(yīng)力oA、應(yīng)變eA)，然后對(duì)單元進(jìn)行 約束，固定其應(yīng)變，再根據(jù)分解后的材料參數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系重新計(jì)算單元應(yīng)力。這樣，必 然會(huì)產(chǎn)生不平衡力。把不平衡力F加到土體上，按分解后的材料參數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，則可 以求出分解產(chǎn)生的附加應(yīng)力和變形。開(kāi)發(fā)了應(yīng)力釋放荷載類來(lái)控制隨時(shí)間變化的應(yīng)力釋放 計(jì)算。這樣通過(guò)特殊的本構(gòu)模型和荷載組合實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力釋放法。其中，不平衡力F用下面 的式子表不：
[0021] F= /VBT [ 0 A- 0B (eA) ]dV
[0022] 其中，B為應(yīng)變一位移矩陣；〇 &為分解前的應(yīng)力；〇B是與分解前應(yīng)變eA對(duì)應(yīng)的 按分解后應(yīng)力~應(yīng)變關(guān)系計(jì)算得到的應(yīng)力。
[0023] 所述的水合物儲(chǔ)層-結(jié)構(gòu)物相互作用計(jì)算模型采用二維或三維模型，采用的計(jì)算 原則包括，
[0024] A、邊界條件設(shè)定為外邊界水平方向固定，豎直方向自由，底邊界X、Y、Z方向固定， 上部邊界水平。
[0025]B、計(jì)算模型的初始應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)由水合物儲(chǔ)層在重力作用下的自平衡得到，將 位移值置零，在此基礎(chǔ)上計(jì)算結(jié)構(gòu)物在荷載作用下與水合物作用的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)，進(jìn)而計(jì) 算在水合物分解時(shí)結(jié)構(gòu)物以及儲(chǔ)層的相應(yīng)應(yīng)力與變形。
[0026] 本發(fā)明通過(guò)建立隨時(shí)間變參數(shù)的水合物本構(gòu)模型，水合物三軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān) 系，標(biāo)定出不同分解時(shí)間的本構(gòu)參數(shù)值，利用結(jié)合應(yīng)力釋放法輸入不同分解時(shí)間的本構(gòu)參 數(shù)值，求得不平衡力，再將不平衡力施加于模型，實(shí)現(xiàn)了水合物分解條件下水合物儲(chǔ)層與結(jié) 構(gòu)物的相互作用計(jì)算。水合物儲(chǔ)層與結(jié)構(gòu)物的接觸采用了海洋地基與結(jié)構(gòu)物廣義塑性接觸 面模型，該模型可以描述接觸面的剪脹與剪縮，模擬接觸面的滑動(dòng)、張開(kāi)和閉合，模擬單調(diào) 和循環(huán)荷載，從而利用一套參數(shù)就可以完成靜、動(dòng)力分析全過(guò)程。利用本發(fā)明可以高效、準(zhǔn) 確的計(jì)算二維以及三維情況下水合物儲(chǔ)層及結(jié)構(gòu)物隨水合物分解的應(yīng)力和變形。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是本發(fā)明的計(jì)算預(yù)測(cè)方法的模塊結(jié)構(gòu)圖。
[0028] 圖2是本發(fā)明的計(jì)算預(yù)測(cè)方法的數(shù)據(jù)流程圖。
[0029] 圖3是水本發(fā)明的計(jì)算預(yù)測(cè)方法中應(yīng)力釋放法示意圖。
[0030]圖4是本發(fā)明的計(jì)算預(yù)測(cè)方法中海洋地基廣義接觸面模型示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 本實(shí)施例針對(duì)水合物特有力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)三軸試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定出變參數(shù)水合物 本構(gòu)模型的參數(shù)曲線，利用自主開(kāi)發(fā)的大型動(dòng)力、靜力有限元軟件GE0DYNA實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力釋 放法，從而實(shí)現(xiàn)了水合物儲(chǔ)層-結(jié)構(gòu)物相互作用的預(yù)測(cè)計(jì)算。方法包含三個(gè)模塊，通過(guò)調(diào)用 三個(gè)模塊相互配合，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)水合物儲(chǔ)與結(jié)構(gòu)物相互作用的目的；三個(gè)模塊包含：水合物 參數(shù)標(biāo)定模塊、可視化前處理后處理模塊和計(jì)算模塊。
[0032] 水合物參數(shù)標(biāo)定模塊又細(xì)分為本構(gòu)模型模塊、輸入輸出模塊、圖形顯示模塊和優(yōu) 化與標(biāo)定模塊，它的功能主要是根據(jù)水合物三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定和優(yōu)化非線性本構(gòu)模型參 數(shù)；
[0033] 可視化前后處理模塊的功能是讀入并顯示有限元網(wǎng)格，修改單元屬性，設(shè)置材料 應(yīng)力模型和材料參數(shù)，施加和修改約束條件，輸出應(yīng)力、變形；
[0034]求解模塊的功能是對(duì)建立好的有限元計(jì)算模型求解，得出水合物與結(jié)構(gòu)物的相互 作用規(guī)律；
[0035] 計(jì)算中根據(jù)實(shí)際工況調(diào)用各個(gè)模塊，具體步驟下：
[0036]a、在參數(shù)標(biāo)定與優(yōu)化模塊中選取隨時(shí)間變化參數(shù)的Mohr-Columb本構(gòu)模型，再將 水合物沉積物三軸試驗(yàn)獲取的分解時(shí)間為12h、24h、36h、48h下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分別輸入 到水合物參數(shù)標(biāo)定模塊中，模塊擬合得到各分解時(shí)間下彈性模量E、粘聚力c、內(nèi)摩擦角(P、 水合物密度P、泊松比V、剪脹角it的值。根據(jù)各分解時(shí)間本構(gòu)參數(shù)值獲取隨時(shí)間變化的 本構(gòu)參數(shù)曲線，各分解時(shí)間段內(nèi)參數(shù)值按線性內(nèi)插取值，進(jìn)而建立參數(shù)隨時(shí)間變化的本構(gòu) 豐旲型；
[0037]b、根據(jù)實(shí)際工程中水合物沉積物層、土層以及結(jié)構(gòu)物范圍在可視化前處理模塊中 建立并劃分有限元網(wǎng)格，添加接觸面并選用廣義塑性接觸面模型，施加邊界約束，外邊界水 平方向固定，豎直方向自由，底邊界X、Y、Z方向固定，上部邊界自由，選用Mohr-Columb本構(gòu) 模型并輸入步驟a中獲取參數(shù)曲線，至此建立了完整的有限元計(jì)算模型；
[0038] 所述海洋地基與結(jié)構(gòu)物廣義塑性接觸面模型表示為：
[0043] 式中，T為剪應(yīng)力，〇n為法向應(yīng)力，!^是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，e為當(dāng)前孔隙比，e。為初始孔 隙比，H為塑性模量，Dn(]、Ds。為彈性參數(shù)，Hpfh為塑性模量參數(shù)，c。為很小的常數(shù)取0. 0001， Dn為法向剛度，Ds為剪切剛度，力為剪脹角，M。為臨界狀態(tài)參數(shù)，a、