CN105138731B - 一种水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价系统及方法，其特征在于：它包括前处理模块、核心计算模块和后处理模块；前处理模块包括几何模型模块、材料模型模块、力学模型模块、物理网格模型模块和水合物分解量模块；几何模型模块建立海底斜坡的几何模型发送到物理网格模型模块和核心计算模块；材料模型模块建立海底斜坡的材料模型发送到物理网格模型模块和水合物分解量模块；力学模型模块建立海底斜坡的力学模型发送到核心计算模块和水合物分解量模块；物理网格模型模块建立物理网格模型发送到核心计算模块；水合物分解量模块计算得到水合物分解量并发送到核心计算模块；核心计算模块求解海底斜坡的稳定性数据发送到后处理模块进行显示。本发明可以广泛应用于海底斜坡稳定性评价中。

Description

一种水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价系统及方法

技术领域

本发明涉及海底不稳定成因机制和稳定性评价领域，特别是关于一种天然气水合物分解引起的海底斜坡不稳定性评价系统及评价方法。

背景技术

天然气水合物的分解被认为是引起世界上多处大陆边缘带海底滑塌的原因之一。理论分析表明，天然气水合物分解使得沉积物孔隙中的含气量增加，产生过高的孔隙压力，降低沉积物的胶结强度。如果含水合物的沉积物层坡度较大，并且水合物分解比较显著，会导致沉积层的抗剪强度和承载能力降低，造成海底斜坡滑动等不稳定性。目前对水合物分解引起海底不稳定性的研究主要以讨论影响因素和定性研究为主，缺少定量的评判方法。对于天然气水合物分解与海底斜坡失稳之间如何影响，水合物分解诱因与其他因素之间如何制约等问题目前仍不清楚。

目前，海底斜坡不稳定性的评价方法大致可分为极限平衡分析法和数值分析法。极限平衡分析法的理论基础是极限平衡理论，其要点是当坡体的抗剪强度降低后，坡体内存在一个达到极限平衡状态的滑动面，使滑体处于临界失稳状态，处于极限平衡状态的滑动面必定满足摩尔-库伦强度准则。极限平衡分析法的模型简单，用的最为普遍，但是该方法很大程度上依赖于对潜在滑坡的形状和土体性质的了解程度，不能解决超孔隙水压力、边坡变形、动力反应及复杂地形等诸多因素的影响，也无法模拟斜坡的失稳过程，应用上存在局限性。数值分析法是以描述滑坡体内部应力、应变特征的本构模型为基础来分析给定海底斜坡的变形和稳定性问题。数值分析法通常包括有限差分法、有限元法和边界元法等。这类方法的优点是能够得出斜坡各点、各部位的稳定状态，能描述应变-应力的发展过程，便于解释斜坡失稳的机制，有助于提高海底斜坡稳定性评价水平，但该方法的计算精度取决于本构模型和单元体的选取。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种应用性强、可靠性高、效率高的水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价系统及方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价系统，其特征在于：它包括前处理模块、核心计算模块和后处理模块；所述前处理模块根据海底斜坡的相关数据构建海底斜坡的地质力学模型，所述核心计算模块以地质力学模型为基础对海底斜坡的稳定性进行数值计算，计算结果由所述后处理模块进行输出和显示；所述前处理模块包括几何模型模块、材料模型模块、力学模型 模块、物理网格模型模块和水合物分解量模块；所述几何模型模块根据地形地貌分析、滑坡范围圈定、滑坡内部结构和水合物带范围数据，建立海底斜坡的几何模型并发送到所述物理网格模型模块和核心计算模块；所述材料模型模块根据精细地层划分、物性参数反演、沉积物类型和沉积物物性数据，建立海底斜坡的材料模型并发送到所述物理网格模型模块和水合物分解量模块；所述力学模型模块根据力学参数和结构强度数据建立海底斜坡的力学模型，并发送到所述核心计算模块和水合物分解量模块；所述物理网格模型模块根据建立的力学模型和材料模型建立物理网格模型，并发送到所述核心计算模块；所述水合物分解量模块以材料模型和力学模型为基础，根据水合物饱和度、孔隙度、压力和温度数据，计算得到水合物分解量并发送到所述核心计算模块；所述核心计算模块根据由所述几何模型模块得到的水合物带厚度、海底水深和由所述水合物分解量模块得到的水合物分解量，将物理网格模型和力学模型转换为数值计算模型，对海底斜坡的应力应变和稳定性系数进行求解。

一种水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价系统的评价方法，包括以下步骤：1)根据海底斜坡赋存的地质环境条件、海底斜坡失稳的基本条件以及天然气水合物的分解模式及其分解效应，遴选出影响海底斜坡稳定性的关键性地质因素和诱发因素，进而构建海底斜坡稳定性影响因子指标体系；2)通过对步骤1)中得到的海底斜坡稳定性影响因子指标体系的概化，将实际的海底斜坡地质力学模型概化为数值计算模型；3)根据建立的海底斜坡的数值计算模型，采用改进的有限元强度折减法对海底斜坡稳定性进行数值计算；4)根据计算得到的海底斜坡稳定性相关参数，对海底斜坡的稳定性进行评价：当稳定性系数大于1时，海底斜坡稳定；当稳定性系数小于1时，海底斜坡不稳定。

所述步骤2)中，将实际的海底斜坡地质力学模型概化为数值计算模型包括以下步骤：①首先根据多波束资料、钻井/测井资料、2D/3D地震分析资料以及样品测试分析资料得到与构建海底斜坡地质力学模型相关的资料信息，包括地形地貌分析、滑坡范围圈定、滑坡内部结构、水合物带范围、精细地层划分、物性参数反演、沉积物类型和沉积物物性、力学参数、结构强度、水合物饱和度、孔隙度、压力和温度数据；②根据地形地貌分析、滑坡范围圈定、滑坡内部结构以及水合物带范围数据，采用交互式的建模方法建立海底斜坡的几何模型；③根据精细地层划分、物性参数反演、沉积物类型和沉积物物性数据，建立海底斜坡的材料模型；④根据力学参数和结构强度数据，建立海底斜坡的力学模型；⑤将建立的几何模型、材料模型转化为物理网格模型；⑥根据水合物带厚度、海底水深和水合物分解量，将物理网格模型和力学模型转化为数值计算模型，从而将实际的海底斜坡地质力学模型概化为数值计算模型。

所述步骤3)中，采用改进的有限元强度折减法对海底斜坡稳定性数值进行计算时，包括以下步骤：①基于建立的海底斜坡的数值计算模型，定义本构关系、海底斜坡沉积物的性质、定义边界条件和初始条件，并确定强度折减系数F_s的计算精度和上下限，对海底斜坡的应力应变和稳定性系数进行计算；根据计算得到海底斜坡的位移场、应力场、应变场、塑性区和稳定性系数，初步分析海底斜坡的变形和应力，并记录海底斜坡的最大变形和塑性应变发展情况；②若步骤①中得到的计算结果不收敛，则说明海底斜坡本身就不稳定，此时应逐步减小强度折减系数F_s，将折减后的抗剪强度参数重新赋给数值计算模型进行计算，直到计算结果收敛海底斜坡重新稳定时，记录计算收敛后海底斜坡的最大变形和塑性应变发展情况；③若步骤①中得到的计算结果收敛，则逐步增大强度折减系数F_s，降低海底斜坡沉积物的抗剪强度参数，将折减后的抗剪强度参数赋给数值计算模型，重新计算，并记录计算收敛后的海底斜坡最大变形和塑性应变发展情况；直至数值计算模型不收敛时，则认为海底斜坡发生失稳破坏。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于针对天然气水合物分解诱发海底斜坡稳定性的影响因素及成因机制进行分析，采用海底斜坡地质力学模型与有限元计算分析相结合的方法，求解海底斜坡失稳变形演化过程，进行海底斜坡不稳定计算和定量评价，使得本发明对天然气水合物开采过程中的海底稳定性问题具有重要的科学指导意义及实用价值。2、本发明由于将极限平衡分析法和有限元数值分析方法相结合对海底斜坡的失稳过程进行与数值计算，结合了两种方法的长处，不但适用性强、处理宏观空间问题上比较简单；而且可以准确处理空间变形问题，适于模拟海底斜坡的变形过程。本发明具有数据准备简单、人机交互性强、简单明了、操作方面等特点，可以广泛应用于海底斜坡不稳定性评价中。

附图说明

图1是本发明水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价系统结构图

图2是本发明水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价系统方法流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价系统包括前处理模块1、核心计算模块2和后处理模块3。前处理模块1根据海底斜坡的相关数据构建海底斜坡的地质力学模型，核心计算模块2以地质力学模型为基础对海底斜坡的稳定性进行数值计算，计算结果由后处理模块3进行输出和显示。

前处理模块1包括几何模型模块11、材料模型模块12、力学模型模块13、物理 网格模型模块14和水合物分解量模块15。几何模型模块11根据地形地貌分析、滑坡范围圈定、滑坡内部结构和水合物带范围数据，建立海底斜坡的几何模型并发送到物理网格模型模块14和核心计算模块2。材料模型模块12根据精细地层划分、物性参数反演、沉积物类型和沉积物物性数据，建立海底斜坡的材料模型并发送到物理网格模型模块14和水合物分解量模块15。力学模型模块13根据力学参数和结构强度数据建立海底斜坡的力学模型，并发送到核心计算模块2和水合物分解量模块15。物理网格模型模块14根据建立的力学模型和材料模型建立物理网格模型，并发送到核心计算模块2。水合物分解量模块15以材料模型和力学模型为基础，根据水合物饱和度、孔隙度、压力和温度数据，计算得到水合物分解量并发送到核心计算模块2。

核心计算模块2根据由几何模型模块11得到的水合物带厚度、海底水深和由水合物分解量模块15得到的水合物分解量，将物理网格模型和力学模型转换为数值计算模型，对海底斜坡的应力应变和稳定性系数进行求解。其中，应力应变求解计算得到海底斜坡的速度矢量、位移场、应力场、应变场以及塑性区数据。稳定性系数求解计算得到海底斜坡的稳定性系数和滑移面数据。

如图2所示，基于上述水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价系统，本发明还提供一种水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价方法，包括以下步骤：

1)根据海底斜坡赋存的地质环境条件、海底斜坡失稳的基本条件以及天然气水合物的分解模式及其分解效应，遴选出影响海底斜坡稳定性的关键性地质因素和诱发因素，进而构建海底斜坡稳定性影响因子指标体系。

通过海底斜坡地质环境影响效应以及水合物分解影响效应分析可知：从海底斜坡的几何特征上看，斜坡几何形态(斜坡角度)、沉积物层与水合物带厚度以及水合物带几何形态等因素对海底斜坡具有一定的影响性；从海底斜坡的材料特性上，沉积物层的类型以及水合物带的物理力学性质对海底斜坡具有一定的影响性；从海底斜坡的受力模式上看，在不考虑构造作用、地震、沉积物快速堆积作用等因素对海底斜坡影响的情况下，施加在海底斜坡滑动面上的作用力主要包括海水产生的静水压力和孔隙水压力、沉积物自重应力和水合物分解产生的超孔隙压力，上述四种力的作用对海底斜坡的稳定性具有最直接的影响。

2)通过对步骤1)中得到的海底斜坡稳定性影响因子指标体系的概化，将实际的海底斜坡地质力学模型概化为数值计算模型。

由于影响海底斜坡稳定性的因素较多，且部分因素无法定量化，为概化海底斜坡的地质力学模型，做了如下5点假设：不考虑构造作用、海底工程等的影响作用；假定水合物分解产生的超孔隙压力作用于水合物带的顶面；假定水合物分解后的水合物 带(含水合物沉积物层)为一等效介质，即不考虑水合物带的介质分化效应；不考虑沉积物层内部的渗流作用；假定沉积层与水合物带遵循摩尔-库仑强度准则。

因此，将实际的海底斜坡地质力学模型概化为数值计算模型包括以下步骤：

①首先根据多波束资料、钻井/测井资料、2D/3D地震分析资料以及样品测试分析资料得到与构建海底斜坡地质力学模型相关的资料信息，包括地形地貌分析、滑坡范围圈定、滑坡内部结构、水合物带范围、精细地层划分、物性参数反演、沉积物类型和沉积物物性、力学参数、结构强度、水合物饱和度、孔隙度、压力和温度数据。

②根据地形地貌分析、滑坡范围圈定、滑坡内部结构以及水合物带范围数据，采用交互式的建模方法建立海底斜坡的几何模型，即沉积物层以及水合物带关键点坐标。

③根据精细地层划分、物性参数反演、沉积物类型和沉积物物性数据，建立海底斜坡的材料模型。

④根据力学参数和结构强度数据，建立海底斜坡的力学模型。

首先根据由几何模型得到的水合物带厚度和海底水深信息，计算得到海水产生的静水压力和孔隙水压力以及水合物分解产生的超孔隙压力等力学参数，并通过设置的静水压力和超孔隙压力边界条件，即可建立海底斜坡的力学模型。

⑤通过ANSYS软件内嵌的APDL语言将上述建立的几何模型、材料模型转化为物理网格模型。

⑥根据水合物带厚度、海底水深和水合物分解量，通过FLAC^3D内嵌的FISH语言将物理网格模型和力学模型转化为可用于数值模拟计算的数值计算模型，从而将实际的海底斜坡地质力学模型概化为数值计算模型。其中，水合物带厚度和海底水深是通过几何模型得到；水合物分解量是通过构建的材料模型、力学模型以及水合物饱和度、孔隙度、压力和温度数据计算得到。

3)根据建立的海底斜坡的数值计算模型，采用改进的有限元强度折减法对海底斜坡稳定性进行数值计算。

海底斜坡稳定性的有限元强度折减法，其实质就是求解强度折减系数。强度折减系数指的是在外荷载保持不变的情况下，斜坡内岩土体所发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。外荷载所产生的实际剪应力应与抵御外荷载所发挥的最低抗剪强度即按照实际强度指标折减后所确定的、实际中得以发挥的抗剪强度相等。当假定边坡内所有土体抗剪强度的发挥程度相同时，这种强度折减系数定义为边坡的整体稳定安全系数，由此所确定的整体稳定安全系数可以认为是强度储备安全系数。实际中得以发挥的抗剪强度相当于折减后抗剪强度的指标，其计算公式如下：

式中：F_s为强度折减系数；c和分别表示材料实际的粘聚力和内摩擦角；c′和分别表示材料折减后的粘聚力和内摩擦角。

采用改进的有限元强度折减法对海底斜坡稳定性数值进行计算时，包括以下步骤：

①基于建立的海底斜坡的数值计算模型，定义本构关系、海底斜坡沉积物的性质、定义边界条件和初始条件，并确定强度折减系数F_s的计算精度和上下限，对海底斜坡的应力应变和稳定性系数进行计算。根据得到海底斜坡的位移场、应力场、应变场、塑性区和稳定性系数，初步分析海底斜坡的变形和应力，并记录海底斜坡的最大变形和塑性应变发展情况。

②若步骤①中得到的计算结果不收敛，则说明海底斜坡本身就不稳定，此时应逐步减小强度折减系数F_s，将折减后的抗剪强度参数，也即粘聚力和内摩擦角，重新赋给数值计算模型进行计算，直到计算结果收敛海底斜坡重新稳定时，记录计算收敛后的海底斜坡最大变形和塑性应变发展情况。

为提高计算效率，收敛条件的设定原则为：在计算过程中将每次循环的计算时步设置为30000步，不平衡率上限值设置为10^-5，以此来减少人为因素带来的误差。以每次计算循环后的不平衡率值是否小于10^-5作为收敛条件。

③若步骤①中得到的计算结果收敛，则逐步增大强度折减系数F_s，降低海底斜坡沉积物的抗剪强度参数，将折减后的抗剪强度参数赋给数值计算模型，重新计算，并记录计算收敛后的海底斜坡最大变形和塑性应变发展情况。直至计算模型不收敛时，则认为海底斜坡发生失稳破坏。

4)根据计算得到的海底斜坡稳定性相关参数，对海底斜坡的稳定性进行评价：当稳定性系数大于1时，海底斜坡稳定；当稳定性系数小于1时，海底斜坡不稳定。

上述各实施案例仅用于说明本发明，其中公式中的变化量名称、符号及单位等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价系统，其特征在于：它包括前处理模块、核心计算模块和后处理模块；所述前处理模块根据海底斜坡的相关数据构建海底斜坡的地质力学模型，所述核心计算模块以地质力学模型为基础对海底斜坡的稳定性进行数值计算，计算结果由所述后处理模块进行输出和显示；

所述前处理模块包括几何模型模块、材料模型模块、力学模型模块、物理网格模型模块和水合物分解量模块；所述几何模型模块根据地形地貌分析、滑坡范围圈定、滑坡内部结构和水合物带范围数据，建立海底斜坡的几何模型并发送到所述物理网格模型模块和核心计算模块；所述材料模型模块根据精细地层划分、物性参数反演、沉积物类型和沉积物物性数据，建立海底斜坡的材料模型并发送到所述物理网格模型模块和水合物分解量模块；所述力学模型模块根据力学参数和结构强度数据建立海底斜坡的力学模型，并发送到所述核心计算模块和水合物分解量模块；所述物理网格模型模块根据建立的力学模型和材料模型建立物理网格模型，并发送到所述核心计算模块；所述水合物分解量模块以材料模型和力学模型为基础，根据水合物饱和度、孔隙度、压力和温度数据，计算得到水合物分解量并发送到所述核心计算模块；

所述核心计算模块根据由所述几何模型模块得到的水合物带厚度、海底水深和由所述水合物分解量模块得到的水合物分解量，将物理网格模型和力学模型转换为数值计算模型，对海底斜坡的应力应变和稳定性系数进行求解。

2.一种如权利要求1所述的水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价系统的评价方法，包括以下步骤：

1)根据海底斜坡赋存的地质环境条件、海底斜坡失稳的基本条件以及天然气水合物的分解模式及其分解效应，遴选出影响海底斜坡稳定性的关键性地质因素和诱发因素，进而构建海底斜坡稳定性影响因子指标体系；

2)通过对步骤1)中得到的海底斜坡稳定性影响因子指标体系的概化，将实际的海底斜坡地质力学模型概化为数值计算模型；

将实际的海底斜坡地质力学模型概化为数值计算模型包括以下步骤：

①首先根据多波束资料、钻井/测井资料、2D/3D地震分析资料以及样品测试分析资料得到与构建海底斜坡地质力学模型相关的资料信息，包括地形地貌分析、滑坡范围圈定、滑坡内部结构、水合物带范围、精细地层划分、物性参数反演、沉积物类型和沉积物物性、力学参数、结构强度、水合物饱和度、孔隙度、压力和温度数据；

②根据地形地貌分析、滑坡范围圈定、滑坡内部结构以及水合物带范围数据，采用交互式的建模方法建立海底斜坡的几何模型；

③根据精细地层划分、物性参数反演、沉积物类型和沉积物物性数据，建立海底斜坡的材料模型；

④根据力学参数和结构强度数据，建立海底斜坡的力学模型；

⑤将建立的几何模型、材料模型转化为物理网格模型；

⑥根据水合物带厚度、海底水深和水合物分解量，将物理网格模型和力学模型转化为数值计算模型，从而将实际的海底斜坡地质力学模型概化为数值计算模型；

3)根据建立的海底斜坡的数值计算模型，采用改进的有限元强度折减法对海底斜坡稳定性进行数值计算；

采用改进的有限元强度折减法对海底斜坡稳定性数值进行计算时，包括以下步骤：

①基于建立的海底斜坡的数值计算模型，定义本构关系、海底斜坡沉积物的性质、定义边界条件和初始条件，并确定强度折减系数F_s的计算精度和上下限，对海底斜坡的应力应变和稳定性系数进行计算；根据计算得到海底斜坡的位移场、应力场、应变场、塑性区和稳定性系数，初步分析海底斜坡的变形和应力，并记录海底斜坡的最大变形和塑性应变发展情况；

②若步骤①中得到的计算结果不收敛，则说明海底斜坡本身就不稳定，此时应逐步减小强度折减系数F_s，将折减后的抗剪强度参数重新赋给数值计算模型进行计算，直到计算结果收敛海底斜坡重新稳定时，记录计算收敛后海底斜坡的最大变形和塑性应变发展情况；

③若步骤①中得到的计算结果收敛，则逐步增大强度折减系数F_s，降低海底斜坡沉积物的抗剪强度参数，将折减后的抗剪强度参数赋给数值计算模型，重新计算，并记录计算收敛后的海底斜坡最大变形和塑性应变发展情况；直至数值计算模型不收敛时，则认为海底斜坡发生失稳破坏；

4)根据计算得到的海底斜坡稳定性相关参数，对海底斜坡的稳定性进行评价：当稳定性系数大于1时，海底斜坡稳定；当稳定性系数小于1时，海底斜坡不稳定。