本发明专利技术涉及一种基于颗粒流模拟含可燃冰沉积物可燃冰分解过程的计算方法，基于离散单元法，对线性平行胶结模型(PB)进行改进，建立考虑可燃冰胶结复合失效模式、可燃冰赋存几何形态及胶结残余约束的改进线性平行胶结模型(I‑PB)，创新性地提出了基于可燃冰胶结宽度连续衰减的含可燃冰土分解效应计算方法，通过C++编写包装为独立的计算模块，集成入所建立的I‑PB接触模型中，通过与PFC2D软件实现接口，进行迭代求解，通过参数标定建立胶结半径乘子与可燃冰分解度的对应关系，通过采用柔性膜颗粒边界替换竖向墙体，以模拟室内试验中采用液体介质通过橡胶模对含可燃冰土试样施加围压，使离散元模拟所得的数值试样变形特性与剪切带发展特征与室内试验相近，考虑不同饱和度及不同围压条件，实现含可燃冰土双轴剪切试验。本发明专利技术能够很好地对含可燃冰土分解进行模拟,能考虑到线性平行胶结接触模型由于压缩引起的胶结破坏以及破坏后可燃冰对土体颗粒的残余约束,并能大大提高模拟的计算效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于岩土工程,具体涉及一种基于颗粒流模拟含可燃冰沉积物可燃冰分解过程的计算方法。
技术介绍
1、可燃冰(methane hydrate,mh)是一种在低温、高压环境下甲烷分子与水分子形成的一种笼型结晶化合物,受相平衡条件(低温高压)的影响,可燃冰主要广泛分布于深海沉积物中和永久冻土区域。深海中可燃冰土与土体骨架混合形成含可燃冰沉积物,即深海能源土。据调查显示,深海能源土中可燃冰含碳量为现有煤、石油及天然气含碳量总和的2倍。且因其燃烧产物为二氧化碳,同时有较大的能量密度,被认为是未来理想的、潜在的、非常规的、具有开发前景的新型清洁能源,许多国家如美国、日本、加拿大等已将如何大规模开采可燃冰列入国家长远发展计划。当今我国能源结构中清洁类能源占比较低,可燃冰作为潜在的具有开发前景的非常规接替清洁能源,已成为能源勘探、开发的新增重点研究目标。
2、可燃冰开采常用升温降压等手段改变含可燃冰储层的温压状态,使其达到可燃冰相平衡曲线后分解,收集从土体中解离的甲烷气体。可燃冰在沉积物骨架中具有胶结或骨架支撑作用,开采过程引起可燃冰分解,改变土体力学性质,降低储层强度与刚度,储层承载能力降低。同时大量甲烷气和孔隙水积聚,可燃冰储层孔隙压力增大,有效应力降低,进而可能引发一系列如井口坍塌、出砂堵塞、海底滑坡、地基沉陷、管道等生命线工程失稳破坏等工程地质问题,甚至可能出现由于甲烷气体的泄露而导致的环境问题,造成巨大的经济损失。因此,探明分解条件下含可燃冰土的宏观变形特性及细观演化机制对可燃冰的安全高效开采具有重要意义。
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p>3、现有含可燃冰土分解计算模拟方法常利用颗粒流软件(pfc),通过改变线性平行胶结接触模型(pb)中的胶结半径乘子这一参数来等效不同分解度的含可燃冰土,此方法仅简单地假定了胶结强度参数随可燃冰饱和度下降而线性降低,也没有考虑到线性平行胶结接触模型由于压缩引起的胶结破坏以及破坏后可燃冰对土体颗粒的残余约束,无法准确模拟可燃冰在高压应力状态下的胶结破坏。4、本专利技术以此为背景,首先提出了考虑可燃冰复合破坏模式,几何赋存形态及可燃冰残余约束的改进细观胶结模型,探究不同饱和度及不同围压条件下含可燃冰土宏细观力学机制。在该模型基础上,提出了可燃冰胶结宽度衰减的连续分解计算方法,探究分解条件下含可燃冰土细观破坏演化机制及其与宏观变形特性的关系。本专利技术的研究成果完善了可燃冰细观接触响应特性,同时为含可燃冰土宏细观分解特性研究提供了新方法。
技术实现思路
1、针对现有含可燃冰土分解计算模拟方法难以较为清晰的模拟含可燃冰土的分解对储层影响的技术问题,本专利技术提出了一种对线性平行胶结模型(pb)进行改进,建立考虑可燃冰胶结复合失效模式、可燃冰赋存几何形态及胶结残余约束的改进线性平行胶结模型(i-pb),并在该模型基础上引入了基于胶结宽度衰减的含可燃冰土分解效应计算方法,由此实现研究分解条件下不同外部环境对含可燃冰土分解特性的影响。
2、为了达到上述目的,本专利技术的技术方案是这样实现的:
3、一种基于颗粒流模拟含可燃冰沉积物可燃冰分解过程的计算方法，包括以下步骤:
4、1)采用在pfc2d6.0版本软件中的可由用户自行编辑的项目模板(projecttemplate),在指定的配置环境里(qt5.12+msvs2017)通过c++语言编写插件(plugins)建立由平行胶结部分和反映土颗粒接触特性的滚动阻力部分组成的i-pb接触模型,编写的c++插件由项目模板编译为动态链接库(dynamic link library,dll)文件,与pfc实现接口进行计算；
5、2)在所建立的i-pb模型中,引入了可燃冰赋存几何形态的参数化计算方法,其中胶结宽度为决定可燃冰细观赋存形态的重要参数,同时直接决定土颗粒骨架间可燃冰胶结的刚度及强度。因此,本方法以胶结宽度的持续衰减过程等效模拟土颗粒骨架间可燃冰持续分解过程。为定量描述胶结宽度的衰减,引入胶结宽度乘子λb,可燃冰分解过程可视为λb所控制的的持续衰减过程。在离散元计算过程中,λb随时间t的增加不断减小,相应的,胶结宽度持续减小:
6、
7、式中,λb,per为胶结宽度乘子衰减速率,s-1；为胶结形成时的可燃冰初始胶结宽度,m；dt为模拟计算时间步,s；t0为分解开始的时间,s；
8、将所提出的可燃冰分解等效计算方法通过c++编写包装为独立的计算模块,并集成入所建立的i-pb接触模型中,通过与pfc2d软件实现接口,进行迭代求解；
9、3)基于i-pb接触模型建立柔性边界含可燃冰土离散元数值试样:
10、3.1)在由墙体单元(wall)组成的的容器中生成指定颗粒密度与初始孔隙率的土颗粒,土颗粒与土颗粒间和土颗粒与墙体单元间均设置为线性接触模型,计算至平衡后,通过伺服机制对数值试样施加初始固结压力；
11、3.2)用竖向柔性膜颗粒边界替换竖向墙体,为保证分解过程中柔性膜边界不发生破坏,设置膜颗粒间的胶结强度。柔性膜颗粒边界替换完成后,保持围压值不变并计算至平衡；
12、3.3)基于指定可燃冰饱和度,设置土颗粒间的i-pb接触模型(包含可燃冰分解计算模块),土颗粒与膜颗粒/墙体单元间仍为线性接触模型,保持围压值不变计算值平衡；
13、4)基于不同分解度的细观参数标定:
14、4.1)对分解度为100％的含可燃冰土试样(纯土试样)反复开展双轴剪切试验进行参数标定。由于在完全分解的试样中不存在可燃冰,这时接触模型仅为i-pb模型中的线性滚动阻力部分。值得注意的是,这一步中获得的线性滚动阻力部分参数,也同样为剩余不同分解度含可燃冰土试样颗粒间线性滚动阻力的接触参数；
15、4.2)对未分解(分解度0％)的含可燃冰土(由于可燃未分解,胶结宽度乘子λb为1)反复开展双轴剪切试验,标定i-pb模型中胶结部分细观接触参数；
16、4.3)根据步骤4.1)和4.2)所得到的细观接触参数,通过逐步减小λb,分别对不同分解度的含可燃冰土进行标,反复开展双轴剪切试验,获得不同分解度所对应的λb；
17、5)含可燃冰土双轴分解试验流程:
18、5.1)通过上下墙体以及竖向柔性膜颗粒边界对试样施加目标围压进行各向同性固结并计算至平衡；
19、5.2)围压施加完成后,使上部墙体以一定的轴向应变率向下移动,对试样进行准静态的轴向剪切以施加偏压,同时监测偏压值,当偏压值达到目标大小时,停止加载,偏压施加全程通过柔性膜颗粒边界持续施加恒定的围压；
20、5.3)启动i-pb接触模型中的可燃冰分解计算模块,进行含可燃冰土双轴分解试验。
21、进一步地,基于上述制备的含可燃冰土数值试样及细观参数标定结果,开展一系列含可燃冰土双轴分解试验,得到不同偏压及不同围压条件对分解条件下含可燃冰土宏细观力学特性的影响。
22、本专利技术的有益效果为:提出一种针对可燃冰胶结本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于颗粒流模拟含可燃冰沉积物可燃冰分解过程的计算方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于颗粒流模拟含可燃冰沉积物可燃冰分解过程的计算方法，其特征在于，所述步骤4)和5)的含可燃冰土数值试样及细观参数标定结果，开展一系列含可燃冰土双轴分解试验，得到不同偏压及不同围压条件对分解条件下含可燃冰土宏细观力学特性的影响。
【技术特征摘要】
1.一种基于颗粒流模拟含可燃冰沉积物可燃冰分解过程的计算方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于颗粒流模拟含可燃冰沉积物可燃冰分解过程的计算...
【专利技术属性】
技术研发人员：张玉，崔光磊，刘造保，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：
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