[发明专利]一种天然气水合物储层-结构物相互作用的计算预测方法

权利要求书

1.一种天然气水合物储层-结构物相互作用的计算预测方法，其特征在于：

该计算预测方法包含三个模块：水合物参数标定模块、可视化前处理后处理模块和计算模块；

水合物参数标定模块分为本构模型模块、输入输出模块、图形显示模块和优化与标定模块，其根据水合物三轴试验数据标定和优化非线性本构模型参数；

可视化前后处理模块：读入并显示有限元网格，修改单元属性，设置材料应力模型和材料参数，施加和修改约束条件，输出应力、变形；

求解模块：对建立好的有限元计算模型求解，得出水合物与结构物的相互作用规律；

具体步骤如下：

a、在参数标定与优化模块中选取合理的本构模型，再将水合物沉积物三轴试验获取不同分解时间下的应力应变关系分别输入到水合物参数标定模块中，自动拟合得到不同分解时间下的本构参数值；根据不同分解时间本构参数值获取随时间变化的本构参数曲线，进而建立参数随时间变化的本构模型；

b、根据实际工程中水合物沉积物层、土层以及结构物范围在可视化前处理模块中建立并划分有限元网格，添加接触面，施加边界约束，设置材料应力模型并设置材料参数，其中水合物选取的是步骤a中确定的变参数本构模型，从而建立了完整的有限元计算模型；

c、利用求解模块计算在水合物不发生分解的条件下水合物储层及结构物在自重作用下的初始应力、应变，进而计算水合物物储层与结构物在受外荷载条件下的应力、应变；

d、在水合物沉积物选用随时间变化参数的本构模型基础上，在求解模块中利用应力释放法,计算在水合物分解条件下水合物储层与结构物的应力、变形。

2.根据权利要求1所述的一种天然气储层-结构物相互作用的计算预测方法，其特征在于：步骤a中所述的水合物本构模型随时间变化参数的Mohr-Coulomb模型，该模型考虑分解过程中材料属性的变化，其参数均定义了一条随时间变化的曲线，进行计算时根据时间步进行插值。

3.根据权利要求2所述的一种天然气储层-结构物相互作用的计算预测方法，其特征在于：步骤b中所述的接触面，施加于结构物与水合物储层之间，施加接触面后模型计算的结果能合理的反映水合物储层与结构物之间的相对变形；接触面模型采用的是海洋地基与结构物广义塑性接触面模型，该模型描述接触面的剪胀与剪缩，模拟接触面的滑动、张开和闭合，模拟单调和循环荷载，从而利用一套参数完成静、动力分析全过程；海洋地基与结构物广义塑性接触面模型表示为：

式中，τ为剪应力，σ_n为法向应力，p_a是标准大气压，e为当前孔隙比，e₀为初始孔隙比，H为塑性模量，D_n0、D_s0为弹性参数，H₀、f_h为塑性模量参数，c₀为很小的常数取0.0001，D_n为法向刚度，D_s为剪切刚度，ψ为剪胀角，M_c为临界状态参数，α、γ_d、k_m为塑性流动方向参数，ρ为反弯点到当前应力状态的距离，ρ_p为峰值应力边界面上映射点到当前应力状态的距离，ρ_max为最大应力历史边界面上映射点到当前应力状态的距离，d_g为剪胀比。

4.根据权利要求3所述的一种天然气储层-结构物相互作用的计算预测方法，其特征在于：步骤c所述的应力释放法是指同时输入分解前和分解后的材料参数，运用分解前的材料参数和应力应变关系求出各单元的初始状态，然后对单元进行约束，固定其应变，再根据分解后的材料参数和应力应变关系重新计算单元应力；把产生的不平衡力F加到土体上，按分解后的材料参数和应力应变关系，求出分解产生的附加应力和变形；不平衡力F用下面的式子表示：

F＝∫_VB^T[σ_A-σ_B(ε_A)]dV

其中，B为应变－位移矩阵；σ_A为分解前的应力；σ_B是与分解前应变ε_A对应的按分解后应力～应变关系计算得到的应力。