CN111353237B - 一种基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法，包括如下步骤：(1)在颗粒流软件中建立岩石颗粒模型；(2)根据实际岩石矿物成分确定模型需满足的不同矿物占比；(3)使用占比最大的矿物定义整个模型，然后在模型中随机布设其余矿物的颗粒；(4)将模型中除占比最大矿物外其余各矿物的颗粒横向发育，直至各矿物满足指定占比；(5)旋转步骤(4)所得模型；(6)对旋转后的模型进行切割；(7)对切割后模型中的不同矿物进行参数赋值。该方法考虑了岩石中矿物晶粒定向发育对岩石各向异性的影响，从微观角度对岩石各向异性的特点进行了表征，使建立的各向异性岩石模型能准确刻画矿物晶粒定向发育的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种各向异性岩石建模方法，特别涉及一种基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法，属于岩体力学领域。
背景技术
长期构造应力作用下矿物晶粒出现定向发育，使岩石大多表现出各向异性的特点。研究岩石的各向异性，揭示其物理力学性质的变化规律，不仅是岩石力学研究的需要，也是岩石工程的重要参考。
在颗粒流软件中建立准确反映岩石各向异性的数值模型是确保研究结果准确的重要基础。目前在颗粒流软件中建立各向异性岩石的方法主要有三种：
(1)通过组建各种形状的刚性簇，并将其添加到所建立的模型中，利用刚性簇的各向异性引起整个模型的各向异性；该方法中由于刚性簇内的接触无法断裂，使岩石中的裂隙表现为绕晶扩展的特点，难以模拟出穿晶破坏情况。
(2)使用具有各向异性的Vorionoi图形对颗粒进行分组，并使晶粒间的接触具有一定的方向性，然后弱化晶粒间接触的强度构造岩石的各向异性；该种方法所构造的矿物晶粒较规整，与实际岩石中矿物晶粒的聚集形式差别较大。
(3)使用不同倾角的条形节理对岩石模型进行切割，利用节理处粘结强度的改变，使岩石中裂隙的扩展偏向节理方向；但这种方法通过节理的各向异性引起岩石的各向异性，忽略了岩石中的矿物晶粒，无法刻画由于矿物晶粒定向发育而导致岩石各向异性的现象。
上述三种方法虽然各有特点但均无法准确刻画岩石中矿物晶粒定向发育的情况。如何在颗粒流软件中建立能够准确反映矿物晶粒定向发育的各向异性岩石模型，成为决定颗粒流方法计算结果准确性的关键。
发明内容
发明目的：针对现有各向异性岩石建模方法存在的问题，本发明提供一种基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法。
技术方案：本发明所述的一种基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法，包括如下步骤：
(1)在颗粒流软件中建立岩石颗粒模型；
(2)根据实际岩石矿物成分确定模型需满足的不同矿物占比；
(3)使用占比最大的矿物定义整个模型，然后在模型中随机布设其余矿物的颗粒；
(4)将模型中除占比最大矿物外其余各矿物的颗粒横向发育，直至各矿物满足指定占比；
(5)根据所需的晶粒倾角对步骤(4)所得模型进行旋转；
(6)对旋转后的模型进行切割；
(7)对切割后模型中的不同矿物进行参数赋值，得到基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石模型。
上述步骤(3)中，在模型中随机布设其余矿物颗粒的方法为：
(3.1)确定除占比最大矿物外其余各矿物对应的随机数区间，其中每种矿物对应的随机数区间长度不大于该矿物指定占比的十分之一；
(3.2)对模型中所有颗粒进行遍历，在遍历颗粒的同时，每个颗粒生成一个随机数，当某一颗粒的随机数在某种矿物的随机数区间内且该种矿物占比与指定占比的差值小于容差时，将该颗粒定义为该种矿物的颗粒。
步骤(4)中，将其余各矿物颗粒横向发育的方法为：
(4.1)依次遍历模型中除占比最大矿物外其余各矿物的颗粒，当遍历到某一颗粒A，且该颗粒所属矿物的占比与指定占比的差值小于容差时，依次获得与其相连的所有颗粒；
(4.2)当某一相连颗粒B属于占比最大的矿物，且颗粒A和B圆心的连线与X轴夹角的正切值在设定范围时，将该相连颗粒B转化为颗粒A所在矿物，并更新该矿物的占比；
(4.3)循环执行(4.1)和(4.2)直至模型内各矿物占比与指定占比的差值小于容差或各矿物的占比不再变化。
当步骤(4.3)中所得模型内矿物占比不再变化，但各矿物占比与指定占比的差值大于容差时，执行下述步骤继续进行颗粒的横向发育：
(4.4)在已有模型的基础上参照步骤(3)的方法补充布设除占比最大矿物外其余矿物的颗粒，然后转至(4.1)继续执行。
上述步骤(4.2)中，颗粒A及与其相连颗粒B两者的圆心连线与X轴夹角的正切值为颗粒A和相连颗粒B的纵坐标差与横坐标差的比值；设定范围为设定角度区间的正切值范围，该设定角度区间满足如下条件：角度区间左右端点值之和为0°。
优选的，步骤(5)中，对模型进行旋转变换的方法可为：根据所需的岩石晶粒倾角
将模型中颗粒的坐标与旋转矩阵相乘获得新的坐标，并用新坐标对颗粒的坐标进行更新；旋转矩阵如下式：
进一步的，步骤(5)中，对旋转后的模型进行切割的方法可为：建立所需模型形状的Geometry，通过颗粒法线与其接触的个数确定颗粒与Geometry的位置关系，然后将Geometry外的颗粒删除。
上述步骤(7)中，根据实际岩石中各矿物的性质对切割后模型中的不同矿物进行赋参。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：本方法首先使用占比最大的矿物定义模型，然后在模型中随机布设除最大占比矿物外其余矿物的颗粒，随后根据矿物成分将各矿物颗粒横向发育至指定占比，接着通过旋转以及切割获得所需晶粒倾角的岩石模型，最后对不同矿物成分赋参完成模型的建立；该方法考虑了岩石中矿物晶粒定向发育对岩石各向异性的影响，从微观角度对岩石各向异性的特点进行了表征，使建立的各向异性岩石模型能准确刻画矿物晶粒定向发育的特点。
附图说明
图1为本发明的一种基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法流程图；
图2为实施例中生成除最大矿物外少量其余矿物颗粒后的模型；
图3为实施例中各矿物到达指定占比后矿物晶粒倾角为0°的初始模型；
图4为实施例中旋转后的初始模型及切割使用的Geometry；
图5为实施例中切割后的模型；
图6为实施例中不同晶粒倾角的岩石模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1，本发明的一种基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法，包括如下步骤：
(1)在颗粒流软件中建立岩石颗粒模型，并确定颗粒的总面积；
(2)根据实际岩石矿物成分确定模型需满足的不同矿物占比；
(3)使用占比最大的矿物定义整个模型，然后在模型中随机布设其余矿物的颗粒；
即先将模型建立时生成的颗粒定义为占比最大矿物，然后根据下述方法布设其余矿物的颗粒：
(3.1)确定除占比最大矿物外其余各矿物对应的随机数区间，其中每种矿物对应的随机数区间长度不大于该矿物指定占比的十分之一；
(3.2)对模型中所有颗粒进行遍历，在遍历颗粒的同时，每个颗粒生成一个随机数，当某一颗粒的随机数在某种矿物的随机数区间内且该种矿物占比与指定占比的差值小于容差时，将该颗粒定义为该种矿物的颗粒。
(4)将模型中除占比最大矿物外其余各矿物的颗粒横向发育，直至各矿物满足指定占比；
除占比最大矿物外其余各矿物的颗粒横向发育的具体方法如下：
(4.1)依次遍历模型中除占比最大矿物外其余各矿物的颗粒，当遍历到某一颗粒A，且该颗粒所属矿物的占比与指定占比的差值小于容差时，依次获得与其相连的所有颗粒；
(4.2)当某一相连颗粒B属于占比最大的矿物，且颗粒A和B圆心的连线与X轴夹角的正切值在设定范围时，将该相连颗粒B转化为颗粒A所在矿物，并更新该矿物的占比；
判断两颗粒圆心的连线与X轴夹角的正切值是否在设定范围的方法具体为：设定一个角度区间，角度区间左右端点值之和为0°，计算该区间的正切值范围；使用两颗粒的纵坐标差除以横坐标差的方法计算两者圆心连线与X轴夹角的正切值，随后判断该正切值是否在上述设定范围内。
(4.3)循环执行(4.1)和(4.2)直至模型内各矿物占比与指定占比的差值小于容差或各矿物的占比不再变化。
当模型内矿物占比不再变化，但各矿物占比与指定占比的差值大于容差时，执行下述步骤继续进行颗粒的横向发育：
(4.4)在已有模型的基础上参照步骤(3)的方法补充布设除占比最大矿物外其余矿物的颗粒，然后转至(4.1)继续执行。
(5)根据所需的晶粒倾角对模型进行旋转；
根据所需的岩石晶粒倾角
将模型中颗粒的坐标与旋转矩阵相乘获得新的坐标，并用新坐标对颗粒的坐标进行更新；所述旋转矩阵如下式：
(6)对旋转后的模型进行切割；
切割方法为：建立所需模型形状的Geometry，通过颗粒法线与其接触的个数确定颗粒与Geometry的位置关系，然后将Geometry外的颗粒删除。
(7)对切割后模型中的不同矿物进行参数赋值，得到基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石模型。
实施例
以建立3种矿物分别占比为10％、40％和50％的各向异性岩石模型为例，对本发明的一种基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法进行应用。
1、建立15cm×15cm的岩石模型，颗粒半径在0.02cm～0.04cm之间。
2、将模型中全部颗粒划分为占比50％矿物的所在组别，并对该模型中的颗粒进行遍历，在遍历过程中将少量颗粒划分为占比10％和40％矿物的颗粒。划分方法为：在遍历颗粒的过程中，每个颗粒生成一个随机数，当颗粒的随机数小于0.01且该种矿物的占比与指定占比的差值小于容差时，将该颗粒划分为占比10％矿物的颗粒，当颗粒的随机数大于0.96且该种矿物的占比与指定占比的差值小于容差时，将该颗粒划分为占比40％矿物的颗粒。生成除最大矿物外少量其余矿物颗粒后的模型如图2。
3、分别对各矿物的矿物颗粒进行遍历，在遍历过程中，根据同该矿物颗粒相连的颗粒种类及矿物颗粒-相连颗粒的位置关系将各矿物晶体横向发育至指定占比。本例中，以角度区间-20°至20°为判据对矿物颗粒和相连颗粒的位置关系进行判断，该角度区间端点值之和为0°，因此模型中矿物晶粒发育的平均倾角为0°。当与矿物颗粒相连的颗粒属于占比最大的矿物且两者圆心连线与X轴夹角的正切值在设定范围时，将该颗粒转化为该矿物颗粒所在矿物的分组。循环执行这一过程直至各矿物到达指定占比或各矿物占比保持不变。
4、当模型内矿物占比不再变化但各矿物占比与指定占比的差值大于容差时，在已有模型的基础上补充布设少量除最大占比矿物外其余矿物的颗粒，然后再次进行矿物晶粒的横向发育，直至各矿物到达指定占比。已达到指定占比的模型如图3。
5、对各矿物已经达到指定占比的模型进行旋转变换。将模型中颗粒的坐标与旋转矩阵相乘获得新的坐标，并对颗粒的原坐标进行更新。本例中使用的旋转角度为45°，使用的变换矩阵如下式所示，旋转后的图形如图4。
6、建立切割用的矩形Geometry，尺寸为5cm×10cm，利用该Geometry对旋转后的模型进行切割，建立的矩形Geometry如图4中部浅色矩形框线所示，切割后的模型如图5。
7、在晶粒倾角为0°的模型基础上，分别设定不同旋转角度，利用上述建立的矩形Geometry对各模型进行切割，获得不同晶粒倾角的岩石模型，如图6。
Claims (8)
1.一种基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在颗粒流软件中建立岩石颗粒模型；
(2)根据实际岩石矿物成分确定模型需满足的不同矿物占比；
(3)使用占比最大的矿物定义整个模型，然后在模型中随机布设其余矿物的颗粒；
(4)将模型中除占比最大矿物外其余各矿物的颗粒横向发育，直至各矿物满足指定占比；
(5)根据所需的晶粒倾角对步骤(4)所得模型进行旋转；
(6)对旋转后的模型进行切割；
(7)对切割后模型中的不同矿物进行参数赋值，得到基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石模型。
2.根据权利要求1所述的基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法，其特征在于，步骤(3)中，所述在模型中随机布设其余矿物颗粒的方法为：
(3.1)确定除占比最大矿物外其余各矿物对应的随机数区间，其中每种矿物对应的随机数区间长度不大于该矿物指定占比的十分之一；
(3.2)对模型中所有颗粒进行遍历，在遍历颗粒的同时，每个颗粒生成一个随机数，当某一颗粒的随机数在某种矿物的随机数区间内且该种矿物占比与指定占比的差值小于容差时，将该颗粒定义为该种矿物的颗粒。
3.根据权利要求1所述的基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法，其特征在于，步骤(4)中，将所述其余各矿物颗粒横向发育的方法为：
(4.1)依次遍历模型中除占比最大矿物外其余各矿物的颗粒，当遍历到某一颗粒A，且该颗粒所属矿物的占比与指定占比的差值小于容差时，依次获得与其相连的所有颗粒；
(4.2)当某一相连颗粒B属于占比最大的矿物，且颗粒A和B圆心的连线与X轴夹角的正切值在设定范围时，将该相连颗粒B转化为颗粒A所在矿物，并更新该矿物的占比；
(4.3)循环执行(4.1)和(4.2)直至模型内各矿物占比与指定占比的差值小于容差或各矿物的占比不再变化。
4.根据权利要求3所述的基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法，其特征在于，当步骤(4.3)中所得模型内矿物占比不再变化，但各矿物占比与指定占比的差值大于容差时，执行下述步骤继续进行颗粒的横向发育：
(4.4)在已有模型的基础上参照步骤(3)的方法补充布设除占比最大矿物外其余矿物的颗粒，然后转至(4.1)继续执行。
5.根据权利要求3所述的基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法，其特征在于，步骤(4.2)中，所述颗粒A及与其相连颗粒B两者的圆心连线与X轴夹角的正切值为颗粒A和相连颗粒B的纵坐标差与横坐标差的比值；所述设定范围为设定角度区间的正切值范围，该设定角度区间满足如下条件：角度区间左右端点值之和为0°。
6.根据权利要求1所述的基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法，其特征在于，步骤(5)中，对模型进行旋转变换的方法为：根据所需的岩石晶粒倾角
将模型中颗粒的坐标与旋转矩阵相乘获得新的坐标，并用新坐标对颗粒的坐标进行更新；所述旋转矩阵如下式：
7.根据权利要求1所述的基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法，其特征在于，步骤(6)中，所述对旋转后的模型进行切割的方法为：建立所需模型形状的Geometry，通过颗粒法线与其接触的个数确定颗粒与Geometry的位置关系，然后将Geometry外的颗粒删除。
8.根据权利要求1所述的基于矿物晶粒定向发育的各向异性岩石建模方法，其特征在于，步骤(7)中，根据实际岩石中各矿物的性质对切割后模型中的不同矿物进行赋参。
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