[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

说明书

技术领域

本发明属于天然气水合物安全开采技术领域，涉及一种海底天然气水合物安全开采风险评估预测的分析计算预测方法。

背景技术

天然气水合物作为一种能量密度高的洁净能源，在全世界具有极大的资源量。2009年以来在我国青藏高原地区、南海北部神狐海域、广东沿海珠江口盆地东部海域相继发现了储量巨大的天然气水合物矿藏资源。这些资源的发现展示出了我国天然气水合物巨大的资源前景，有望改善我国的清洁能源结构和比重，更为重要的是能够在一定程度上解决能源依靠进口的国家能源安全问题。

天然气水合物在开采过程中会发生分解，不可避免的对天然气水合物沉积层的结构和强度产生不利影响，从而影响海底结构物的工程安全性，甚至有可能造成海底地质灾害。因此对海底天然气水合物安全开采风险进行评估显的尤为重要。然而目前我国天然气水合物资源开采安全评估关键技术研究仍处于起步阶段。突破相关技术瓶颈，形成具有我国自主知识产权的关键技术，实现天然气水合物高效、安全开采评估预测，是我国未来天然气水合物资源安全高效利用面临的重大课题及挑战。

天然气水合物储层与结构物相互作用的计算预测方法是开采安全评估中的关键技术。由于水合物沉积物的力学性质尤其是本构模型方面的研究成果比较匮乏，对于水合物开采工程中天然气水合物储层与结构物相互作用计算比较少。已有的计算多采用强度折减法，通过改变安全系数调整强度、模量等参数值，并分别进行计算，得出不同安全系数下应力、变形等，从而确定极限平衡状态下的安全系数及相应的变形，应力等。使用这种算法进行计算时需要不断调整参数，耗费大量精力，并且不能得出天然气水合物储层及结构物的应力、变形等随水合物分解的变化过程。因此需要提出一种新的算法，可以通过一套参数完成计算，得到水合物储层及结构物在水合物开采过程中的力学响应。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对目前天然气水合物储层与结构物相互作用计算方法上存在的不足，提供一种了高效、准确的天然气水合物储层和结构物相互作用的计算预测方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种天然气水合物储层-结构物相互作用的计算预测方法，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，通过调用三个模块相互配合，实现预测水合物储与结构物相互作用的目的。水合物参数标定模块又细分为本构模型模块、输入输出模块、图形显示模块和优化与标定模块，它的功能主要是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的功能是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；求解模块的功能是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。

计算中根据实际数据调用各个模块，具体步骤下：

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、变形等反应。

步骤a中所述的水合物本构模型目前已经实现随时间变化参数的Mohr-Coulomb模型，该模型考虑分解过程中材料属性的变化，其参数(包括密度、剪切模量、体积模量、泊松比、摩擦角和凝聚力)均定义了一条随时间变化的曲线，程序在进行计算时可根据时间步进行插值。为了更好的描述水合物沉积物的力学性质其他随时间变参数的本构模型也在开发当中，例如适用于水合物的邓肯E-B模型。