[發(fā)明專利]一種考慮水合物分解的沉積物多場(chǎng)耦合模型的建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710416098.2
• 申請(qǐng)日: 2017-06-06
• 公開（公告）號(hào): CN107122571B
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋永臣;李洋輝;孫翔;劉衛(wèi)國(guó);楊明軍;趙佳飛;劉瑜;張毅;王大勇;趙越超;蔣蘭蘭;凌錚;羅昊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

本發(fā)明屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種考慮水合物分解的沉積物多場(chǎng)耦合模型的建模方法。本發(fā)明基于孔隙介質(zhì)力學(xué)基本理論，結(jié)合水合物沉積物的力學(xué)特性、流動(dòng)特性以及傳熱特性，給出了描述水合物沉積物物理力學(xué)行為的控制方程和本構(gòu)方程。利用COMSOL Multiphysics軟件中的PDE模塊實(shí)現(xiàn)溫度、壓力以及飽和度的控制方程離散，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊中的外部材料接口，嵌入了基于熱力學(xué)方法的水合物沉積物臨界狀態(tài)本構(gòu)模型。同時(shí)，采用向后歐拉積分形式的返回映射算法，利用C++語(yǔ)言編寫模型程序，實(shí)現(xiàn)考慮水合物分解過(guò)程的沉積物力學(xué)行為數(shù)值模擬與分析。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于巖土工程領(lǐng)域，具體涉及一種考慮水合物分解的沉積物多場(chǎng)耦合模型的建模方法。

背景技術(shù)

天然氣水合物全球儲(chǔ)量巨大，分布廣泛，作為潛在的可替代能源，受到了世界各國(guó)政府的高度關(guān)注。然而，天然氣水合物大多賦存在永久凍土區(qū)和大陸邊緣，開采難度大，其開采過(guò)程會(huì)引起沉積層變形，不合理的開采將導(dǎo)致地層沉降和海底滑坡，并可能誘發(fā)海嘯、溫室效應(yīng)等次生災(zāi)害。因此，天然氣水合物沉積層的物理力學(xué)特性研究顯得尤為重要。然而，水合物分解過(guò)程復(fù)雜，涉及多相多孔介質(zhì)內(nèi)含相變多場(chǎng)耦合問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外缺少能夠精確描述水合物分解過(guò)程沉積層力學(xué)特性的多場(chǎng)耦合模型。

Kimoto等首次嘗試將巖土力學(xué)與滲流、傳熱耦合，考慮了應(yīng)變率對(duì)變形計(jì)算的貢獻(xiàn)，分析了水合物分解過(guò)程對(duì)土體蠕變和強(qiáng)度衰減的影響，但是該模型極其復(fù)雜，參數(shù)眾多，且不能分析水合物賦存結(jié)構(gòu)變化引起的應(yīng)變軟化。Rutqvist等基于TOUGH+HYDRATE程序，利用FLAC商業(yè)軟件，進(jìn)行了滲流-力學(xué)半耦合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了巖土力學(xué)與水合物分解模擬的結(jié)合。該模型通過(guò)建立水合物飽和度與模量、強(qiáng)度的關(guān)系式，能夠模擬水合物分解對(duì)力學(xué)行為的影響，但不能模擬水合物分解引起的應(yīng)力松弛以及沉積層變形對(duì)傳熱和滲流的影響。Klar等基于FLAC開發(fā)了一套耦合傳熱、滲流和力學(xué)的程序，可以分析應(yīng)力松弛現(xiàn)象，但沒(méi)有考慮應(yīng)變軟化。國(guó)內(nèi)吳二林等、程遠(yuǎn)方等針對(duì)水合物降壓分解引起的工程問(wèn)題提出了相應(yīng)的多場(chǎng)耦合模型，但模型中都采用了相對(duì)簡(jiǎn)單的本構(gòu)關(guān)系，不能描述復(fù)雜力學(xué)行為。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有模型的不足之處，提高對(duì)水合物分解過(guò)程沉積物力學(xué)特性的描述精度，提供一種考慮水合物分解的沉積物多場(chǎng)耦合模型及建模方法。本發(fā)明基于孔隙介質(zhì)力學(xué)基本理論，考慮了不同相物質(zhì)間的相互影響。從質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒出發(fā)，結(jié)合相關(guān)輔助方程，推導(dǎo)描述水合物分解過(guò)程沉積物物理力學(xué)行為變化的主要控制方程。利用COMSOL Multiphysics商用軟件的PDE模塊以及結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊中的外部材料接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)值建模。其中，利用PDE模塊分別建立液體連續(xù)性方程、氣體連續(xù)性方程、水合物分解控制方程以及能量守恒方程，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊中的外部材料接口，嵌入基于熱力學(xué)方法的水合物沉積物臨界狀態(tài)本構(gòu)模型。該模型參數(shù)皆可通過(guò)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)獲得，便于實(shí)際應(yīng)用。

本發(fā)明的技術(shù)方案，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：

(1)基于孔隙介質(zhì)力學(xué)推導(dǎo)多場(chǎng)耦合控制方程；

(2)利用COMSOL Multiphysics PDE模塊建模；

(3)采用基于熱力學(xué)方法的水合物沉積物臨界狀態(tài)本構(gòu)模型與返回映射算法；(4)將本構(gòu)模型嵌入到COMSOL Multiphysics中實(shí)現(xiàn)水合物分解過(guò)程沉積物變形預(yù)測(cè)。