CN107808030B - 一种分层伸展的离散元模拟方法 - Google Patents

一种分层伸展的离散元模拟方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107808030B
CN107808030B CN201710851567.3A CN201710851567A CN107808030B CN 107808030 B CN107808030 B CN 107808030B CN 201710851567 A CN201710851567 A CN 201710851567A CN 107808030 B CN107808030 B CN 107808030B
Authority
CN
China
Prior art keywords
formation
simulation
extension
discrete element
simulated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710851567.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107808030A (zh
Inventor
于福生
周易
冯志佳
王丹丹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Petroleum Beijing
Original Assignee
China University of Petroleum Beijing
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Petroleum Beijing filed Critical China University of Petroleum Beijing
Priority to CN201710851567.3A priority Critical patent/CN107808030B/zh
Publication of CN107808030A publication Critical patent/CN107808030A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107808030B publication Critical patent/CN107808030B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/06—Power analysis or power optimisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

本发明提供的一种分层伸展的离散元模拟方法，包括：基于实际地层的地层岩石力学属性与基底断层位置，构建离散元数值模拟地层，所述离散元数值模拟地层包括模拟地层，所述模拟地层具有中间韧性层的分层伸展叠加变形构造；所述模拟地层通过对充填材料属性、构造和/或结构的调整以准确模拟所述实际地层的岩石力学属性。本发明的分层伸展的离散元模拟方法，模型构建方式简单，模拟方式易于实现，模拟结果准确性好。

Description

一种分层伸展的离散元模拟方法
技术领域
本发明涉及物理模拟技术，更具体地，涉及一种分层伸展的离散元模拟方法。
背景技术
两期裂陷沉积建造之间存在泥岩层、超高压页岩层、膏岩层等韧性岩层，会促使形成垂向上不同产状断层以中间韧性岩层为界面分隔叠置的现象，即地震剖面上所见到的上下两套不同样式的伸展断层被中间韧性滑脱层分隔的现象，可称之谓分层伸展叠加变形作用。
由于不同的地质条件以及变化状态，均会影响断层的发育样式。目前，通过建立模型以模拟实际地质条件及其变化，是断层的形成机理研究中采用的主要手段之一。而离散元方法作为一种基于分子动力学的数值模拟方法，利用中心差分法进行动态松弛求解，计算简便快捷，是可以从细、微观角度研究介质力学特征和运动特征的工具，基于离散颗粒自由运动的特点使其在非连续介质破裂问题、大变形问题领域具有特别优势，已广泛应用于构造地质研究。
对分层伸展的模拟研究，目前仍然主要体现在对不同力学属性的地层中断层发育状况的分析的阶段。例如，Morley等人对泰国彭世洛府盆地韧性地层对断层发育的影响作用做了定性分析；Roche等人对法国南东盆地灰岩夹泥岩地层中断层产状发育的差异性做了定量分析。
但是，目前在对分层伸展的建模及分析过程中，关于分层伸展的演化过程的主要控制因素及其间的相互关系没有具体的分析方法，关于分层伸展叠加变形的成因机制需要更深入的研究。并且，在构建模拟模型时，构建过程通常较复杂，模拟模型难以准确反映实际地质条件的岩石力学属性，使得理论分析结果与实际情况的匹配度难以得到准确的判断。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的分层伸展的离散元模拟方法，以解决模拟模型难以准确反映实际地质条件的岩石力学属性、理论分析结果与实际情况的匹配度不高的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种分层伸展的离散元模拟方法，包括：基于实际地层的地层岩石力学属性与基底断层位置，构建包括模拟地层的离散元数值模拟模型，所述模拟地层具有中间韧性层的分层伸展叠加变形构造；
基于所述模拟地层，通过对充填材料属性、构造和/或结构的调整，模拟所述实际地层的岩石力学属性。
进一步地，还包括：获取所述离散元数值模拟模型的模拟结果，基于所述模拟结果，分析分层伸展叠加变形的成因机制。
进一步地，所述模拟地层包括模拟所述实际地层的模拟盖层、模拟基底和侧向边界，所述模拟盖层位于所述模拟基底和侧向边界之内，且所述模拟盖层与所述侧向边界具有符合岩石力学性质的接触关系。
进一步地，所述模拟盖层由不同颗粒粒径的数量符合高斯分布的离散元颗粒构成，所述颗粒粒径为0.225-0.375m；且所述模拟盖层的充填密度为2550-2650kg/m3，所述模拟盖层的孔隙度为14-18％。
进一步地，所述模拟基底的上侧铺设模拟盖层；所述模拟盖层包括由下而上依次铺设的第一脆性地层、中间韧性层和第二脆性地层；且所述第一脆性地层/第二脆性地层的离散元颗粒的弹性模量与所述中间韧性层的离散元颗粒的弹性模量之比为900:1-1100:1。
进一步地，所述第一脆性地层/第二脆性地层的离散元颗粒的弹性模量为2×109-4×109pa，所述中间韧性层的离散元颗粒的弹性模量为2×106-4×106pa。
进一步地，所述第一脆性地层的厚度与所述第二脆性地层的厚度之和大于中间韧性地层的厚度；且所述中间韧性地层的厚度大于所述模拟盖层的厚度的30％。
进一步地，所述模拟盖层的厚度为20-40m；所述第一脆性地层、中间韧性地层与所述第二脆性地层的厚度比为3:4:3。
进一步地，获取所述离散元数值模拟模型的模拟结果进一步包括：
步骤S1、构建对比模拟地层；在模拟基底上侧铺设与所述第一脆性地层具有相同结构的第一对比脆性地层，在所述第一对此脆性地层上侧铺设与所述第二脆性地层具有相同结构的第二对比脆性地层；
步骤S2、通过调整所述模拟地层/对比模拟地层的过程参数，直至形成分层伸展叠加变形的构造，分析所述过程参数对所述分层伸展叠加变形的影响。
进一步地，所述过程参数包括：模拟过程的伸展方式、伸展量、伸展速度、盖层的总厚度、上下脆性地层与中间韧性地层的厚度比例、基底与边界力学参数，或脆性地层与韧性地层的力学参数。
本发明的有益效果主要如下：
(1)模拟地层具有中间韧性层的分层伸展叠加变形构造，并通过对充填材料属性、构造和/或结构的调整，使得模拟地层的岩石力学属性能够更准确地反映实际地层的岩石力学属性，以提高模拟地层对实际地层的分层伸展叠加变形的模拟准确度；
(2)由模拟地层的断层发育形态与实际地层的断层发育形态的对应关系，能够准确分析分层伸展叠加变形的成因机制；
(3)由形成模拟盖层的颗粒粒径分布、充填密度、孔隙度、弹性模量，以及不同地层间的弹性模量比、充填厚度等方面调整模拟地层的岩石力学属性，以更准确反映实际地层的岩石力学属性，增加模拟实验的准确性；
(4)针对模拟盖层的属性，相应地改变模拟盖层的模拟过程参数，进一步提高模拟实验的准确性。
附图说明
图1为根据本发明实施例中一种分层伸展的离散元模拟方法的模拟地层的示意图；
图2为根据本发明实施例中一种分层伸展的离散元模拟方法的对比模拟地层的示意图；
图3为根据本发明实施例中一种分层伸展的离散元模拟方法的实验1的模拟结果的剖面切片图；
图4为根据本发明实施例中一种分层伸展的离散元模拟方法的实验1-实验3的模拟结果的剖面切片图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种分层伸展的离散元模拟方法，包括：基于实际地层的地层岩石力学属性与基底断层位置，构建包括模拟地层的离散元数值模拟地层，所述模拟地层具有中间韧性层的分层伸展叠加变形构造；基于所述模拟地层，通过对充填材料属性、构造和/或结构的调整，模拟所述实际地层的岩石力学属性。
具体地，根据需要研究的地带的实际地质条件，能够建立离散元数值模拟模型。该离散元数值模拟模型包括模拟地层，该模拟地层能够很好的反映实际地层的岩石力学属性与断层位置。
具体地，通过改变组成模拟地层的材料的材质、模拟地层的结构或构造等方面的因素，从而调整模拟地层的属性，以更好地反映实际地层的岩石力学属性。采用更接近于实际地层的模型进行模拟实验时，能够有效提高模拟的准确性。
在另一个具体的实施例中，获取所述离散元数值模拟模型的模拟结果，基于所述模拟结果，分析分层伸展叠加变形的成因机制。构建离散元数值模拟模型后，利用该模型进行模拟实验，通过模拟地层的变形规律，分析分层伸展叠加变形的成因机制。
具体地，由于模拟地层能够很好地反映实际地层的分层伸展叠加变形过程，在模拟过程中，模拟地层的变形能够很好的反映实际地层的变形过程。因此，通过模拟条件与模拟地层的变形的对应关系，能够用以分析实际地质条件的变化与所形成的分层伸展叠加变形样式间的对应关系。
通过准确的构建模拟地层，使模拟地层在模拟实验中对实际地层变形能够准确反映，以更好地分析实际地层中断层的成因机制，尤其是分层伸展叠加变形的成因机制。
在另一个具体的实施例中，所述模拟地层包括模拟所述实际地层的模拟盖层、模拟基底和侧向边界，所述模拟盖层位于所述模拟基底和侧向边界之内，且所述模拟盖层与所述侧向边界具有复合岩石力学性质的接触关系。
具体地，保持地层岩石力学属性与基底断层位置不变，将基底长度、基底活动断层长度以及侧向边界高度按照比例尺缩小至合适的范围，得到所需模拟基底断层长度和模拟侧向边界高度。例如按照1:100000的比例尺缩小尺寸。
基于实际地层的基底长度、基底活动断层长度、基底活动断层断点位置和侧向边界高度等参数，构建模拟地层的边界。所构建的模拟地层的边界具有可向一侧活动的模拟基底与侧向边界，以便于后需的模拟实验。
具体地，为适应不同模拟基底断层的结构，实际地层的基底活动断层的断点位置可自由定义，基底活动断层可延伸至任一侧向边界，并与侧向边界一同做同向运动，基底上的覆盖层可随基底活动断层一同运动，并发生断裂变形。
由该实际地层的基底断点位置以及岩石力学属性，其构造的模拟盖层与侧向边界具有符合岩石力学性质的接触关系，能够提高模拟实验过程中模拟盖层的变形对实际地层变形的准确反映程度，以对实际地层的分层伸展叠加变形成因机制进行准确分析。
在另一个具体的实施例中，所述模拟盖层由不同颗粒粒径的数量符合高斯分布的颗粒构成，所述颗粒粒径为0.225-0.375m；且所述模拟盖层的充填密度为2550-2650kg/m3，所述模拟盖层的孔隙度为14-18％。
具体地，颗粒物可采用石英砂或硅胶颗粒。采用该粒径范围的颗粒，并采用相应地充填密度以形成模拟盖层，使模拟盖层的岩石力学属性更接近于实际地层。在模拟实验过程中，当对模拟盖层进行拉伸时，使模拟盖层具有一定的抗剪强度，在遵从库仑剪破裂准则的基础上，形成一系列符合构造认识的断层组合形式。
在另一个具体的实施例中，所述模拟基底的上侧铺设模拟盖层；所述模拟盖层包括由下而上依次铺设的第一脆性地层、中间韧性地层和第二脆性地层；且所述第一脆性地层/第二脆性地层的离散元颗粒的弹性模量与所述中间韧性地层的离散元颗粒的弹性模量之比为900:1-1100:1。
具体地，模拟盖层水平铺设于模拟基底的上侧，模拟盖层由颗粒物紧密充填而成。为适应不同条件的模拟盖层，模拟盖层的总厚度、模拟盖层内部不同模拟层位的厚度、不同模拟层位内的地层岩石力学属性，不同模拟层位间的接触关系均可按需自由定义。
具体地，模拟地层的岩层结构参考所需模拟的实际地层的岩层结构设置。由地层岩石力学属性与基底断层位置，建立中间韧性地层与第一脆性地层/第二脆性地层之间差异化的岩石力学参数设定，使模拟地层的岩石力学属性更接近于实际地层。特别是，在模拟实验过程中，模拟地层的断层活动属性更接近实际地层，以更准确的反映各影响因素对地层活动的影响。
第一脆性地层和第二脆性地层以砂岩地层为参考，中间韧性地层以高温高压下具有韧性变形能力的泥岩地层为参考，模拟基底设定具有中间断点的活动断层，同时具有单向或多向伸展性质。
具体地，第一脆性地层和第二脆性地层可以是由多层具有相同/不同结构的模拟脆性地层相互平行展布得到；中间韧性地层也可以是由多层具有相同结构/不同结构的模拟韧性地层相互展布得到。
即由地层岩石力学属性与基底断层位置两类地质参数得到理论上基底活动断层断点所在位置与模拟岩石地层所需设定的力学参数参考对象，用以构建离散元数值模拟模型。
具体地，构成第一脆性地层/第二脆性地层的颗粒物的弹性模量与构成中间韧性地层的颗粒物的弹性模量之比保持在900:1-1100:1。在模拟实验过程中，使模拟盖层的层间力学属性能够满足模拟实际地层活动的要求，以更准确反映实际地层中不同盖层之间的作用和影响。
在另一个具体的实施例中，所述第一脆性地层/第二脆性地层的离散元颗粒的弹性模量为2×109-4×109pa，所述中间韧性层的离散元颗粒的弹性模量为2×106-4×106pa。
具体地，由于离散元原理及PFC软件的特性，模拟地层的参数均为对颗粒及颗粒间接触关系的属性设定，与模拟地层宏观的属性有所差异，如颗粒的弹性模量会小于宏观的弹性模量、颗粒间的摩擦系数会大于宏观的摩擦系数，而正向与切向粘结强度则一定程度上反映模拟地层的抗张强度与抗剪强度。
基于相应的模型设定方法及宏、微观参数对应关系测定，结合物理砂箱实验材料含泥石英砂、硅胶等材料的力学属性，在一定范围内按一定间隔对弹性模量、摩擦系数、粘结强度等做连续取值实验并观察模型变形状况。因此，可以理解的是，根据所需模拟的实际地层的岩石力学属性的不同，构成模拟盖层内部各层的颗粒物的力学属性设定可以按照需求进行调整。进一步地，对于分层伸展叠加变形的模拟，根据中间韧性地层刚度小易变性的特点进行确定，以准确构建分层伸展叠加变形的构造并反映其变化过程。
进一步地，为了更好地模拟伸展作用下岩石在剪切力作用下发生剪破裂形成断层，地层颗粒间属性均设定为1.1-0.9的摩擦系数和3×105-4×105pa的法向与切向粘结强度。例如，地层颗粒间属性均设定为1.0的摩擦系数(相当于模型整体摩擦系数0.57，即内摩擦角30°)和3.6×105pa的法向与切向粘结强度。
在另一个具体的实施例中，所述第一脆性地层的厚度与所述第二脆性地层的厚度之和大于中间韧性地层的厚度；且所述中间韧性地层的厚度大于所述模拟盖层的厚度的30％。
具体地，中间韧性地层的厚度占比过小，会导致在较大剪切应力作用下韧性地层被断穿，其韧性变形作用对第一脆性地层/第二脆性地层的变形影响较小，无法实现分层伸展叠加变形效果，与实际地质现象不符。
相应地，长期慢速应力应变条件下砂岩与泥岩地层力学性质表现完全不同于当前岩石采样所测的力学参数，模拟盖层的离散元颗粒力学参数设定应参考已被大量实验验证的物理实验选材的力学参数进行设定，即脆性地层力学参数设定参考物理实验材料松散石英砂，韧性地层力学参数设定参考物理实验材料硅胶。
在另一个具体的实施例中，所述模拟盖层的总厚度为20-40m；所述第一脆性地层、中间韧性地层与所述第二脆性地层的厚度比为3:4:3。
在另一个具体的实施例中，获取所述离散元数值模拟模型的模拟结果进一步包括：
步骤S1、构建对比模拟地层；在模拟基底上侧铺设与所述第一脆性地层具有相同结构的第一对比脆性地层，在所述第一对此脆性地层上侧铺设与所述第二脆性地层具有相同结构的第二对比脆性地层；
步骤S2、通过调整所述模拟地层/对比模拟地层的过程参数，直至形成分层伸展叠加变形的构造，分析所述过程参数对所述分层伸展叠加变形的影响。
具体地，模拟地层可以采用具有多层相同结构的模拟脆性地层分别组成第一脆性地层和第二脆性地层，在第一脆性地层与第二脆性地层之间铺设由多层具有相同结构的模拟韧性地层构成的中间韧性地层。构建模拟地层后，按照模拟地层的结构构建与模拟地层形成对比的对比模拟地层，以开展模拟实验。
具体地，中间韧性地层采用对应于硅胶力学参数的离散元颗粒，第一脆性地层/第二脆性地层采用对应于松散石英砂力学参数的离散元颗粒加以模拟。所有颗粒填充完毕后，静置颗粒直至所有颗粒达到接触稳定，以相同或不同厚度划分整套模拟盖层，且必须包含韧性地层与脆性地层的地层分界线，不同地层以不同颜色标记加以区分。当模拟盖层发生结构变化时，由该颜色标记能够清晰的反映结构变化的轨迹。
例如，第一脆性地层由三层具有相同结构的模拟脆性地层构成，第二脆性地层也由三层具有相同结构的模拟脆性地层构成，各模拟脆性地层均用不同的颜色标记。中间韧性地层由四层具有相同结构的模拟韧性地层构成，各模拟韧性地层采用不同的颜色标记。并且，模拟脆性地层与模拟韧性地层具有相同的厚度，相互平行铺设。
在模拟地层和对比模拟地层构建完毕后，改变模拟地层/对比模拟地层的不同的过程参数，以改变模拟地层分层伸展叠加变形的构造及断层发育形态。通过模拟盖层岩石力学参数与模拟基底活动断点位置的变动，使模拟地层中发育不同的断裂变形样式。通过调整模拟地层的岩石力学参数，以使模拟地层中发育断层的样式趋向于理论预期效果，在该模拟过程中得到的模拟数据用于与实际地质变动参数相比较分析。
在另一个具体的实施例中，所述过程参数包括：模拟过程的伸展方式、伸展量、伸展速度、盖层的总厚度、上下脆性地层与中间韧性地层的厚度比例、基底与边界力学参数，或脆性地层与韧性地层的力学参数。
具体地，改变模拟过程的伸展方式即是通过对模拟基底活动断层与侧向边界施加不同大小与方向的速度完成。当确定模拟基底断层的参数后，通过改变模拟地层的岩石力学参数，从而使模拟地层属性发生变化，而形成相应的模拟断层样式。
当模拟地层建立完毕后，对模拟基底及与其相接的一侧边界施加一个固定速度，使其向一侧做匀速运动。相应地，在摩擦力作用下，模拟基底与一侧边界带动其控制范围内的模拟盖层一同运动，而另一侧静置的模拟基底与边界所辖范围内模拟盖层则保持相对静置。随着伸展量的增大，模拟盖层发生破裂变形，不同岩石力学属性的模拟盖层发育不同样式的构造变形。
具体地，由于离散元数值模拟方法将力学属性施加于微观离散元颗粒与颗粒间，与实际材料在实验条件下所测得的宏观力学参数有一定差异，但差异在一定范围内。因此，采用以宏观实验测定参数为基准，在一定有效范围内对第一脆性地层/第二脆性地层与中间韧性地层的摩擦系数、弹性模量、正向和切向粘结强度做间隔取值，直至获得符合实际材料破裂变形特征的力学参数。同时，适度调整中间韧性地层相对厚度，直至最终形成符合要求的分层伸展叠加变形样式。
以南堡凹陷分层伸展叠加变形构造为例。由南堡凹陷分层伸展叠加变形构造的基底活动断层位置与地层岩性为基本参考，建立理论模型。该实验模型着重研究具有中间韧性滑脱层的大套脆性地层在单一方向伸展时的分层伸展叠加变形过程，设置快、慢两种伸展速度及无中间韧性滑脱层对照，共三组实验模型。以离散元颗粒模拟主体地层，赋予不同微观接触属性模拟脆性与韧性地层，两侧及底部以刚性的墙体作为边界，通过底部活动墙体实现对模拟基底活动断层的模型过程。
参见图1所示，第一组实验，即实验1所构建的第一模拟地层；第二组实验，即实验2所构建的第二模拟地层，第一模拟地层与第二模拟地层具有相同的构造。参见图2所示，第三组实验，即实验3所构建的是对比模拟地层。
参见图3所示，三组实验模型均设定为长120m高30m的模拟盖层，以16％孔隙度、2600kg/m3密度随机充填粒径0.225m～0.375m的二维圆盘颗粒，不同粒径颗粒数量服从高斯分布。实验模型均分为10层，每层厚度3m，以不同颜色加以区分，方便观测断层发育状况。模拟基底可设定为底板，该底板包括自右侧墙体向左具有一定长度的活动底板a1，与右侧墙体一起向右侧单向拉伸。例如，活动底板可设置为自右侧墙体向左70m长，当伸展距离12m时，其伸展率10％。
参见图1所示，第一模拟地层/第二模拟地层的中间韧性地层a3为中间的第4、5、6、7层模拟韧性地层，其弹性模量为3×106pa、摩擦系数1.0、法向和切向粘结强度均为3.6×105pa；其余为脆性地层，即第1、2、3层模拟脆性地层为第一脆性地层a2，第8、9、10层模拟脆性地层为第二脆性地层a4，弹性模量为3×109pa、摩擦系数1.0、法向和切向粘结强度均为3.6×105pa。第一脆性地层、中间韧性地层与第二脆性地层的厚度比为3:4:3。参见图2所示，对比模拟地层采用10层模拟脆性地层a5。
实验1的伸展速度设定为0.01m/s，实验2的伸展速度设定0.008m/s。对比研究伸展速度对伸展变形的影响。无中间韧性地层的实验3为全套脆性地层，伸展速度0.01m/s，与实验1作对照。实验模型除关键研究属性差异外，其余参数及边界条件均保持一致，以排除不相关因素影响。
以分层伸展实验1为例，参见图3所示，图3中F1-F19分别表示在模拟过程中出现的断层位置。参见图3中a图所示，该实验结果表明，模型构建的初始阶段。模拟盖层呈水平状态展布，模拟基底与右侧边界共同以0.01m/s速度自左向右匀速运动，带动该侧模拟基底以上的模拟盖层做单向伸展，产生相应形变。
以分层伸展实验1为例，参见图3中b图所示，在伸展量达到2％的早期伸展变形阶段。随着模拟基底向右侧位移，带动上部模拟盖层同步右移，与左侧被动盘地层之间逐渐拉开可容空间，由于上部地层可容空间增长较快，且缺乏侧向沉积物的及时补充，地层迅速发生断裂形成断陷，F1、F2边界断层相继形成，F5、F6随即形成，协调F1、F2断层的伸展量。而深部脆性地层可容空间增长较慢，且受到中间韧性地层韧性变形的影响，以地层减薄的拗陷为主，发育F3、F4边界断层，两者断距均较小，断点不易识别。以中间韧性地层为界，浅部脆性地层中的断裂系统横向展布明显宽于底部脆性层，上下两套断裂系统差异化发育的态势初步显现。
以分层伸展实验1为例，参见图3中c图所示，在伸展量达到5％的中期伸展变形阶段。上部断裂系统断层数量增多，F5与F8形成“v”字形组合断层，F10与F9、F1与F6构成“y”字形组合断层。下部断裂系统仍以边界断层F3、F4的发育为主，断距逐渐扩大，断点向浅层延伸。其中，F3断层受滑脱基底以上地层较强的活动性的影响，断距显著大于被动地层一侧的F4边界断层，且向上已断穿中间韧性层。同时，断陷内出现分支断层，但断距小，主要起到调节下部地层伸展量的作用。
以分层伸展实验1为例，参见图3中d图所示，最终伸展量达到10％。上部断裂系统继续扩大，新生断层向断陷中央展布。并且，由于在持续伸展作用下可容空间的不断加大，地层和断面发生自边界向中央的转动，形成断陷两侧倾向相背的两套“多米诺式”断层组合。下部断裂系统主要以边界断层的持续发育为主，与上部断裂系统不同，可容空间的增大主要反映在两条边界断层断距增大，而非分支断层的持续增加。边界断层自下而上断至浅部脆性地层也进一步促成了上部断裂系统向中央下陷区域发育，及地层与断层旋转组合的形成。
参见图4所示，通过精细绘制三组实验最终伸展状态形成的构造图，可以看出，在经历了10％单向伸展量后，具有中间韧性地层的实验1与实验2均发育了以中间韧性层为界上下两套伸展断裂系统，具备了分层伸展叠加变形特征。但实验1的次级断层数量更多，具有“多米诺式”断层组合，两侧差异大，中间地层整体具有向右倾斜特征，断层发育表现为右侧断距大、断层相对少，而左侧断层多、断距均不大，两侧次级断层倾向相背的特点。实验2断层发育相对少，两侧断层与地层发育更具对称性，两侧次级断层部分相向发育。
相较而言，实验3去掉了中间韧性地层a3，改为全套脆性地层的伸展变形实验。最终变形结果显示，边界断层贯穿整套地层，次级断层在纵向上无明显分区分带现象，模型最终只发育一套完整的断裂系统，则反之证明中间韧性地层的存在是形成分层伸展叠加变形的关键。同时，实验2与实验1的对比证明了减慢伸展速度对模型横向变形具有显著影响，但对垂向上的变形差异影响较小。因而，也反向证明了韧性地层才是分层伸展叠加变形的主控因素。
具体地，该模拟结果很好的重现了南堡凹陷地区的地质结构，使分层伸展叠加变形的产生与引发该构造现象的因素相关联。此种模拟方式能够用于分析当前的地质条件对断层发育样式的影响，从而为地震资料解释以及油气勘探提供理论指导依据。
本发明的一种分层伸展的离散元模拟方法，通过调整形成模拟盖层的颗粒物尺寸、充填密度、孔隙度、弹性模量等因素的调整，使所构建的离散元数值模拟模型能够更好的模拟实际地层的岩石力学属性；同时，通过对离散元数值模拟模型中模拟地层的地层厚度、拉伸量及伸展方式等因素的调整，以构建与实际地层的断层发育形态相似的模拟过程，以对分层伸展叠加变形的成因机制进行准确的分析，为地震资料解释以及油气勘探提供理论指导依据。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分层伸展的离散元模拟方法，其特征在于，包括：
基于实际地层的地层岩石力学属性与基底断层位置，构建包括模拟地层的离散元数值模拟模型，所述模拟地层具有中间韧性层的分层伸展叠加变形构造；其中，所述模拟地层包括模拟所述实际地层的模拟盖层、模拟基底和侧向边界，所述模拟盖层位于所述模拟基底和侧向边界之内，且所述模拟盖层与所述侧向边界具有符合岩石力学性质的接触关系；所述模拟基底的上侧铺设模拟盖层；所述模拟盖层包括由下而上依次铺设的第一脆性地层、中间韧性层和第二脆性地层；
基于所述模拟地层，通过对充填材料属性、构造和/或结构的调整，模拟所述实际地层的岩石力学属性；
其中，获取所述离散元数值模拟模型的模拟结果，基于所述模拟结果，分析分层伸展叠加变形的成因机制：步骤S1、构建对比模拟地层；在模拟基底上侧铺设与所述第一脆性地层具有相同结构的第一对比脆性地层，在所述第一对比脆性地层上侧铺设与所述第二脆性地层具有相同结构的第二对比脆性地层；
步骤S2、通过调整所述模拟地层/对比模拟地层的过程参数，直至形成分层伸展叠加变形的构造，分析所述过程参数对所述分层伸展叠加变形的影响。
2.如权利要求1所述的一种分层伸展的离散元模拟方法，其特征在于，所述模拟盖层由不同颗粒粒径的数量符合高斯分布的离散元颗粒构成，所述颗粒粒径为0.225-0.375m；且所述模拟盖层的充填密度为2550-2650kg/m3，所述模拟盖层的孔隙度为14-18％。
3.如权利要求2所述的一种分层伸展的离散元模拟方法，其特征在于，所述第一脆性地层/第二脆性地层的离散元颗粒的弹性模量与所述中间韧性层的离散元颗粒的弹性模量之比为900:1-1100:1。
4.如权利要求3所述的一种分层伸展的离散元模拟方法，其特征在于，所述第一脆性地层/第二脆性地层的离散元颗粒的弹性模量为2×109-4×109pa，所述中间韧性层的离散元颗粒的弹性模量为2×106-4×106pa。
5.如权利要求3或4所述的一种分层伸展的离散元模拟方法，其特征在于，所述第一脆性地层的厚度与所述第二脆性地层的厚度之和大于中间韧性地层的厚度；且所述中间韧性地层的厚度大于所述模拟盖层的厚度的30％。
6.如权利要求3或4所述的一种分层伸展的离散元模拟方法，其特征在于，所述模拟盖层的厚度为20-40m；所述第一脆性地层、中间韧性地层与所述第二脆性地层的厚度比为3:4:3。
7.如权利要求1所述的一种分层伸展的离散元模拟方法，其特征在于，所述过程参数包括：模拟过程的伸展方式、伸展量、伸展速度、盖层的总厚度、上下脆性地层与中间韧性地层的厚度比例、基底与边界力学参数，或脆性地层与韧性地层的力学参数。
CN201710851567.3A 2017-09-19 2017-09-19 一种分层伸展的离散元模拟方法 Active CN107808030B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710851567.3A CN107808030B (zh) 2017-09-19 2017-09-19 一种分层伸展的离散元模拟方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710851567.3A CN107808030B (zh) 2017-09-19 2017-09-19 一种分层伸展的离散元模拟方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107808030A CN107808030A (zh) 2018-03-16
CN107808030B true CN107808030B (zh) 2019-05-28

Family

ID=61591637

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710851567.3A Active CN107808030B (zh) 2017-09-19 2017-09-19 一种分层伸展的离散元模拟方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107808030B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109064865B (zh) * 2018-09-19 2020-11-06 中国石油大学(北京) 地质断层的模拟形成装置和模拟形成方法
CN109870358A (zh) * 2019-03-12 2019-06-11 东北石油大学 多刚性块体多期多方位伸-缩变形物理模拟实验方法
CN110032788B (zh) * 2019-04-04 2021-03-30 中国石油大学(北京) 一种板块俯冲变形过程的离散元模拟方法、设备以及系统
CN110502825B (zh) * 2019-08-19 2023-04-07 青岛理工大学 一种提取三维破裂面的方法
CN111008472B (zh) * 2019-12-02 2023-11-21 东华理工大学 一种基于离散元的裂谷盆地伸展过程模拟方法
CN111209680B (zh) * 2020-01-13 2022-05-17 中国石油大学(北京) 韧性基底均匀伸展的模拟方法、装置和设备
CN113192372B (zh) * 2020-01-14 2023-06-23 中国石油大学(北京) 一种走向与边界相交的倾斜地层物理模型及物理模拟方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101303414A (zh) * 2008-05-22 2008-11-12 北京航空航天大学 一种基于水平集的地层面及地质体生成方法
CN103115820A (zh) * 2013-03-07 2013-05-22 北京科技大学 一种节理岩体各向异性的确定方法
CN103377306A (zh) * 2012-04-27 2013-10-30 利弗莫尔软件技术公司 在计算机辅助工程分析中提供颗粒连接模型的系统和方法
CN103513281A (zh) * 2013-10-23 2014-01-15 中国矿业大学 固体充填采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法
CN103940666A (zh) * 2014-03-18 2014-07-23 中国矿业大学 一种模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法
CN106501856A (zh) * 2016-10-20 2017-03-15 东北石油大学 亚地震断层定量预测方法
CN107066739A (zh) * 2017-04-17 2017-08-18 安徽理工大学 一种基于flac3d数值模拟的断层注浆加固效果评价方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8386226B2 (en) * 2009-11-25 2013-02-26 Halliburton Energy Services, Inc. Probabilistic simulation of subterranean fracture propagation

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101303414A (zh) * 2008-05-22 2008-11-12 北京航空航天大学 一种基于水平集的地层面及地质体生成方法
CN103377306A (zh) * 2012-04-27 2013-10-30 利弗莫尔软件技术公司 在计算机辅助工程分析中提供颗粒连接模型的系统和方法
CN103115820A (zh) * 2013-03-07 2013-05-22 北京科技大学 一种节理岩体各向异性的确定方法
CN103513281A (zh) * 2013-10-23 2014-01-15 中国矿业大学 固体充填采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法
CN103940666A (zh) * 2014-03-18 2014-07-23 中国矿业大学 一种模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法
CN106501856A (zh) * 2016-10-20 2017-03-15 东北石油大学 亚地震断层定量预测方法
CN107066739A (zh) * 2017-04-17 2017-08-18 安徽理工大学 一种基于flac3d数值模拟的断层注浆加固效果评价方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Dietmar P F Möller 等.Geological disposal analysis in salt leaching rock through modeling and simulation.《Proceedings of the 2010 Conference on Grand Challenges in Modeling & Simulation》.2010,第173-180页.
南堡凹陷高柳构造带新近系馆陶组沉积相研究;梁昌国 等;《沉积与特提斯地质》;20080630;第28卷(第2期);第76-82页

Also Published As

Publication number Publication date
CN107808030A (zh) 2018-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107808030B (zh) 一种分层伸展的离散元模拟方法
Lamarche et al. Relationships between fracture patterns, geodynamics and mechanical stratigraphy in Carbonates (South-East Basin, France)
CN108680952B (zh) 一种走滑断层构造演化解析方法
Sun et al. The mechanism of post-rift fault activities in Baiyun sag, Pearl River Mouth basin
Bada et al. Role of topography‐induced gravitational stresses in basin inversion: The case study of the Pannonian basin
McClay The geometries and kinematics of inverted fault systems: a review of analogue model studies
Eisenstadt et al. Estimating inversion: results from clay models
Richard et al. Experimental models of strike-slip tectonics
Albaric et al. Crustal rheology and depth distribution of earthquakes: Insights from the central and southern East African Rift System
Tong et al. The effect of multiple pre-existing weaknesses on formation and evolution of faults in extended sandbox models
Wang et al. Analogue modelling and mechanism of tectonic inversion of the Xihu Sag, East China Sea Shelf Basin
Higgins et al. The effect of cover composition on extensional faulting above re-activated basement faults: results from analogue modelling
Marín-Lechado et al. Active faults, seismicity and stresses in an internal boundary of a tectonic arc (Campo de Dalías and Níjar, southeastern Betic Cordilleras, Spain)
CN105866855B (zh) 一种地质构造演化和变形过程的分析方法
De Paola et al. The influence of lithology and pre-existing structures on reservoir-scale faulting patterns in transtensional rift zones
Hung et al. Reverse fault slip through soft rock and sand strata by centrifuge modeling tests
CN111209680B (zh) 韧性基底均匀伸展的模拟方法、装置和设备
Petersen et al. The subduction dichotomy of strong plates and weak slabs
Stéphanou et al. A mathematical model for the dynamics of large membrane deformations of isolated fibroblasts
Butler et al. Thrust systems and contractional tectonics
Gutiérrez et al. Normal faulting and landsliding in morpho-structural domes related to buried salt stocks, Zagros Mountains, Iran. Insights into salt breakout
CN109064560A (zh) 一种地铁隧道施工过程中地质条件模型化方法
Dooley et al. Evaluating controls on deformation patterns and styles in the salt-detached Sureste Basin, southern gulf of Mexico: Insights from physical models
Eslamirezaei et al. Understanding the role of décollement thickness on the evolution of décollement folds: insights from discrete element models
Horsman et al. Rheological implications of heterogeneous deformation at multiple scales in the Late Cretaceous Sierra Nevada, California

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant