一种水合物开采过程中海底滑坡风险的评估方法技术

本发明专利技术公开了一种水合物开采过程中海底滑坡风险的评估方法，首先基于力学模型及其与热

【技术实现步骤摘要】
一种水合物开采过程中海底滑坡风险的评估方法


[0001]本专利技术属于天然气水合物资源开发工程领域，特别涉及一种水合物开采过程中海底滑坡风险的评估方法。

技术介绍

[0002]随着工业化的发展，能源的需求量急剧升高，导致了传统化石能源的短缺以及一系列的环境污染问题，可替代能源的开发利用势在必行。天然气水合物是由水分子与轻烃类气体分子(主要为甲烷气体)在高压低温的环境下形成的笼状结晶化合物，在自然界中主要分布于陆地多年冻土和深海沉积物中。
[0003]随着全球清洁能源需求的不断增长，储量巨大，清洁无污染等优势使天然气水合物作为一种潜在的未来能源的吸引力正在增加。现有技术中，多为在实验室尺度下，通过实验装置模拟分析天然气水合物分解过程中储层沉降情况。但是从场地尺度对于天然气水合物开采过程中海底滑坡的相关监测与分析技术较少。
[0004]在我国南海水合物藏开采过程中，由于海水深度大、储层条件复杂、现场作业困难等原因，无法对试采过程中地层沉降进行有效监测，导致难以充分了解天然气水合物开采过程中地层沉降的响应特性，而地层沉降造成的海底滑坡问题已成为影响水合物长期安全高效开采的主要问题之一。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种水合物开采过程中海底滑坡风险的评估方法，揭示了力学模型及其与热
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流
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相变耦合模型之间的耦合关系，建立场地尺度水合物开采多物理场耦合数值模拟平台，能够实现生产过程中潜在海底滑坡区域的定量分析和预测，有效监测天然气水合物试采过程中地层沉降情况，充分了解天然气水合物开采过程中地层沉降的响应特性，克服了现有技术的缺陷。
[0006]本专利技术提出的一种水合物开采过程中海底滑坡风险的评估方法，能够基于场地尺度水合物开采多物理场耦合数值模拟平台实时观测场地试采过程中含水合物储层的地层沉降演化特征并为应力监测区域的选取提供了依据；同时能够根据监测区域应力演化曲线结合摩尔
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库伦失效曲线定量评估开采过程中海底滑坡风险。
[0007]本专利技术的技术方案为：
[0008]一种水合物开采过程中海底滑坡风险的评估方法，包括步骤如下：
[0009]步骤1，搭建力学模型及其与热
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流
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相变耦合模型之间的耦合关系，建立热
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流
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力
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相变耦合模型，并构建场地尺度水合物开采多物理场耦合数值模拟平台，具体包括以下子步骤：
[0010]步骤1.1，建立力学模型及其与热
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流
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相变耦合模型之间的耦合关系；
[0011]首先根据非饱和土的有效应力原理描述地层有效应力与孔隙压力之间的耦合关系；然后根据土体的弹塑性本构方程描述应力
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应变之间的耦合关系；最后通过有效应力引
起的孔隙度和渗透率的动态变化建立力学模型与热
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流
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相变耦合模型的耦合关系，获得热
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流
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力
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相变耦合模型；
[0012]步骤1.2，根据所述热
‑
流
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力
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相变耦合模型，构建场地尺度水合物开采多物理场耦合数值模拟平台；
[0013]步骤2，对目标区域地层沉降行为进行定量分析并选取应力监测区域，随后根据应力演化曲线结合摩尔
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库伦失效曲线定量评估开采过程中海底滑坡风险，具体包括如下子步骤：
[0014]步骤2.1，基于试采区域地质工况与开采工况，绘图建立目标区域天然气水合物藏储层模型；
[0015]步骤2.2，设置模型的初始条件与边界条件：包括温度、压力、饱和度以及应力，对所述目标区域天然气水合物藏储层模型进行网格划分；
[0016]步骤2.3，将所述网格划分后储层模型的储层主要物性参数输入至所述场地尺度水合物开采多物理场耦合数值模拟平台中进行计算求解，得到不同模拟时刻含水合物沉积物地层沉降演化特征，依据计算结果定量分析地层沉降行为并选取应力监测区域，随后根据监测区域应力演化曲线结合摩尔
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库伦失效曲线定量评估开采过程中海底滑坡风险。
[0017]进一步地，步骤1.1中构建热
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流
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力
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相变耦合模型的具体过程如下：
[0018]步骤1.1.1，建立含水合物地层的力平衡方程，表示有效应力与孔隙压力之间的耦合关系，如公式(1)所示：
[0019][0020]其中，δ为单位矩阵；δ
′
为有效应力，单位为MPa；a
B
为Biot系数；n
a
为各相体积比；ρ
a
为各相密度，单位为kg/(m3)；g为重力加速度，单位为m/(s2)；P
p
为孔隙压力；
[0021]孔隙压力P
p
的计算如公式(2)所示：
[0022][0023]其中，S
G
和S
W
分别为气、水饱和度；P
G
和P
W
分别为气、水压力，单位为MPa；
[0024]步骤1.1.2，建立应力
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应变之间的耦合关系：
[0025]由几何方程定义位移量与应变之间的关系，其张量形式如公式(3)所示：
[0026][0027]其中ε
ij
是应变张量；u是位移，单位为m；
[0028]在水合物沉积物开采过程中，储层骨架会出现明显的弹塑性变形，其增量形式dδ
ij
如公式(4)所示：
[0029]dδ
ij
＝D
ep
dε
kl (4)
[0030]其中，D
ep
为弹塑性系数矩阵张量，dε
kl
是应变张量的增量；
[0031]弹塑性矩阵[D
ep
]的计算如公式(5)所示：
[0032][D
ep
]＝[D
e
]‑
[D
p
] (5)
[0033]其中，[D
e
]为岩石的弹性矩阵；[D
p
]是塑性矩阵；
[0034]根据弹塑性关联流动规律得到塑性矩阵，如公式(6)所示：
[0035][0036]式中f为屈服函数；
[0037]采用Drucker
‑
Prager准则，将材料参数与Mohr
‑
Coulomb准则进行匹配，当应力达到如公式(7)所示的条件时，材料将进入屈服状态：
[0038][0039]其中C为内聚力，单位为MPa；θ为内摩擦角，单位为
°
；I1是应力张量的第一不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水合物开采过程中海底滑坡风险的评估方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤1，搭建力学模型及其与热
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流
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相变耦合模型之间的耦合关系，建立热
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流
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力
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相变耦合模型，并构建场地尺度水合物开采多物理场耦合数值模拟平台，具体包括以下子步骤：步骤1.1，建立力学模型及其与热
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流
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相变耦合模型之间的耦合关系；首先根据非饱和土的有效应力原理描述地层有效应力与孔隙压力之间的耦合关系；然后根据土体的弹塑性本构方程描述应力
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应变之间的耦合关系；最后通过有效应力引起的孔隙度和渗透率的动态变化建立力学模型与热
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流
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相变耦合模型的耦合关系，获得热
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流
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力
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相变耦合模型；步骤1.2，根据所述热
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流
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力
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相变耦合模型，搭建场地尺度水合物开采多物理场耦合数值模拟平台；步骤2，对目标区域地层沉降行为进行定量分析并选取应力监测区域，随后根据应力演化曲线结合摩尔
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库伦失效曲线定量评估开采过程中海底滑坡风险，具体包括如下子步骤：步骤2.1，基于试采区域地质工况与开采工况，绘图建立目标区域天然气水合物藏储层模型；步骤2.2，设置模型的初始条件与边界条件：包括温度、压力、饱和度以及应力，对所述目标区域天然气水合物藏储层模型进行网格划分；步骤2.3，将所述网格划分后储层模型的储层主要物性参数输入至所述场地尺度水合物开采多物理场耦合数值模拟平台中进行计算求解，依据计算结果定量分析地层沉降行为并选取应力监测区域，随后根据监测区域应力演化曲线结合摩尔
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库伦失效曲线定量评估开采过程中海底滑坡风险。2.根据权利要求1所述一种水合物开采过程中海底滑坡风险的评估方法，其特征在于，步骤1.1中构建热
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流
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力
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相变耦合模型的具体过程如下：步骤1.1.1，建立含水合物地层的力平衡方程，表示有效应力与孔隙压力之间的耦合关系：其中，δ为单位矩阵；δ
′
为有效应力，单位为MPa；a
B
为Biot系数；n
a
为各相体积比；ρ
a
为各相密度，单位为kg/(m3)；g为重力加速度，单位为m/(s2)；P
p
为孔隙压力；孔隙压力P
p
的计算公式为：其中，S
G
和S
W
分别为气、水...

【专利技术属性】
技术研发人员：王大勇，李朋，王勇祺，赵良，宋永臣，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：