CN111428359B - 一种考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法，包括如下步骤：(1)在块体离散元软件中建立并导出晶粒水平发育的Voronoi Geometry文件；(2)在颗粒流软件中建立由可重叠颗粒组成的岩石数值模型；(3)导入Voronoi Geometry文件，依次使用每个晶粒的Voronoi Geometry对颗粒进行分组；(4)对数值模型中的颗粒进行初始平衡，使模型密实；(5)对模型进行晶粒随机扩张；(6)旋转模型；(7)切割；(8)分别设置晶粒间以及晶粒内的参数，得到考虑晶粒咬合作用的各向异性岩石模型。该方法基于水平发育的Voronoi图形，通过对晶粒的随机扩张实现晶粒间的交错咬合现象，最终建立的模型能够准确反映岩石中的晶粒发育情况，模型的计算结果更接近岩石的实际强度特点。

Description

一种考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法
技术领域
本发明涉及一种各向异性岩石建模方法，特别涉及一种考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法，属于岩体力学领域。
背景技术
岩石作为矿物晶粒的集合体，由于矿物晶粒在长期构造应力作用下的定向发育，使岩石表现出各向异性的特点。矿物晶粒形状不一，各晶粒集合之间存在交错咬合现象，导致晶粒边界存在较大互锁摩擦，使岩石有较高的压拉比。
目前多使用Voronoi图形描述岩石的晶粒结构，但该方法建立的晶粒结构模型未考虑晶粒间的交错咬合作用，导致数值计算获得的岩石压拉比明显小于物理实验中所获得的。
如何考虑晶粒间的交错咬合作用，建立能够准确反映矿物晶粒交错咬合特点的岩石模型，成为准确模拟晶粒结构岩石力学性质的关键。
发明内容
发明目的：针对现有方法建立的模型难以体现晶粒间的交错咬合现象，计算结果与真实岩石力学性质偏差较大的问题，本发明在Voronoi图形的基础上，结合晶粒间的交错咬合现象，提供一种考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法。
技术方案：本发明所述的一种考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法，包括如下步骤：
(1)在块体离散元软件中建立并导出晶粒水平发育的Voronoi Geometry文件；
(2)在颗粒流软件中建立由可重叠颗粒组成的岩石数值模型；
(3)导入Voronoi Geometry文件，依次使用每个晶粒的Voronoi Geometry对颗粒进行分组；
(4)对数值模型中的颗粒进行初始平衡，使模型密实；
(5)对密实后的数值模型进行晶粒随机扩张；
(6)对扩张后的数值模型进行旋转；
(7)将旋转后的模型切割为所需大小；
(8)分别设置晶粒间以及晶粒内的参数，得到考虑晶粒咬合作用的各向异性岩石模型。
具体的，步骤(1)中，导出晶粒水平发育的Voronoi Geometry文件的方法为：
(1.1)建立晶粒水平发育的Voronoi Block并进行分组，分组名称从1开始递增；
(1.2)对每个Voronoi Block进行迭代，依次获得每个Voronoi Block的顶点坐标，并将获得的坐标按照Geometry命令的格式导出到文件中。
较优的，步骤(1.2)中，在将各个Voronoi Block的顶点坐标导出为VoronoiGeometry文件时，每个Voronoi Geometry占据一个Geometry集合，集合名称与VoronoiBlock的分组名称相同。
上述步骤(3)中，依次使用每个晶粒Voronoi Geometry对颗粒进行分组的方法为：
在Voronoi Geometry文件导入颗粒流软件后，依次遍历各个晶粒的VoronoiGeometry集合，根据颗粒流模型中颗粒的位置与各Voronoi Geometry的关系，将颗粒划分为与晶粒所在Voronoi Geometry集合名称相同的组别。
步骤(4)中，初始平衡的方法可为：在颗粒流软件的数值模型边界建立固定的wall，使用弹性本构模型对接触进行赋参，然后进行初始平衡，使模型中的颗粒相互弹开并扩散密实。
步骤(5)中，可通过下述步骤进行晶粒随机扩张：
(5.1)设定颗粒组别转化的随机数区间，依次遍历模型中的所有颗粒，遍历过程中每个颗粒生成一个随机数；
(5.2)当遍历到某一颗粒A时，依次获得与其相接触的所有颗粒，判断每个接触颗粒所在组别；
(5.3)当某一接触颗粒B不属于颗粒A所在组别，且该颗粒B对应的随机数在颗粒组别转化的随机数区间内时，将颗粒B转化为颗粒A所在组别。
较优的，步骤(6)中，对扩张后的模型进行旋转的方法为：获取扩张后模型中各颗粒的坐标，使用各个颗粒的坐标乘以旋转矩阵并对颗粒的原坐标进行更新，其中旋转矩阵的表达式如下：
Figure BDA0002421123810000021
式中，
Figure BDA0002421123810000031
为旋转角度。
上述步骤(7)中，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是否在Geometry内部，并将Geometry外的颗粒删除。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：本发明的建模方法基于水平发育的Voronoi图形，通过对晶粒的随机扩张实现晶粒间的交错咬合现象，最终建立的模型能够准确反映岩石中的晶粒发育情况，模型的计算结果更接近岩石的实际强度特点；同时，通过旋转切割的方法建立不同晶粒倾角的岩石模型能够准确控制不同模型间的变量，使各模型间力学性质的变化规律更有对比性。
附图说明
图1为本发明的一种考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法流程图；
图2为实施例中分组所使用的Voronoi Geometry；
图3为实施例中使用可重叠颗粒建立的岩石数值模型；
图4为实施例中颗粒分组、初始平衡以及晶粒扩张的变化过程；
图5为实施例中建立的晶粒水平发育的岩石模型；
图6为实施例中考虑与未考虑晶粒咬合作用的岩石模型对比；
图7为实施例中旋转45°后的岩石模型；
图8为实施例中切割后的岩石模型；
图9为实施例中最终建立的考虑晶粒咬合作用的不同晶粒方向的岩石模型。
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，本发明的一种考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法，包括如下步骤：
(1)在块体离散元软件中建立并导出晶粒水平发育的Voronoi Geometry文件；
先建立晶粒水平发育的Voronoi Block并进行分组，分组名称从1开始递增；然后对每个Voronoi Block进行迭代，依次获得每个Voronoi Block的顶点坐标，并将获得的坐标按照Geometry命令的格式导出到文件中。在将各个Voronoi Block的顶点坐标导出为Voronoi Geometry文件时，每个Voronoi Geometry占据一个Geometry集合，集合名称与Voronoi Block的分组名称相同。
(2)在颗粒流软件中建立由可重叠颗粒组成的岩石数值模型；
(3)导入Voronoi Geometry文件，依次使用每个晶粒的Voronoi Geometry对颗粒进行分组；分组方法具体为：
在Voronoi Geometry文件导入颗粒流软件后，依次遍历各个晶粒的VoronoiGeometry集合，根据颗粒流模型中颗粒的位置与各Voronoi Geometry的关系，将颗粒划分为与晶粒所在Voronoi Geometry集合名称相同的组别。
(4)对数值模型中的颗粒进行初始平衡，使模型密实；
可在颗粒流软件的模型边界建立固定的wall，使用弹性本构模型对接触进行赋参，然后进行初始平衡，使模型中的颗粒相互弹开并扩散密实。
(5)对密实后的数值模型进行晶粒随机扩张；
先设定颗粒组别转化的随机数区间，然后依次遍历模型中的所有颗粒，遍历过程中每个颗粒生成一个随机数；当遍历到某一颗粒A时，依次获得与其相接触的所有颗粒，判断每个接触颗粒所在组别；当某一接触颗粒B不属于颗粒A所在组别，且该颗粒B对应的随机数在颗粒组别转化的随机数区间内时，将颗粒B转化为颗粒A所在组别。
(6)对扩张后的数值模型进行旋转；
对模型进行旋转的方法具体为：获取扩张后模型中各颗粒的坐标，使用各个颗粒的坐标乘以旋转矩阵并对颗粒的原坐标进行更新，其中旋转矩阵的表达式如下：
Figure BDA0002421123810000041
式中，
Figure BDA0002421123810000042
为旋转角度。
(7)将旋转后的模型切割为所需大小；
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是否在Geometry内部，并将Geometry外的颗粒删除。
(8)分别设置晶粒间以及晶粒内的参数，完成考虑晶粒咬合作用的各向异性岩石模型的建立。
实施例
以建立晶粒发育方向为45°的各向异性岩石模型为例，对本发明的一种考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法进行详细说明。
1、在块体离散元软件中建立晶粒水平发育的Voronoi Block，然后根据下述步骤(1.1)～(1.2)将各个Voronoi Block的顶点坐标按照Geometry命令的格式写入到文件中用以对颗粒模型进行分组：
(1.1)对模型中的每个Voronoi Block进行分组，分组名称从1开始递增；
(1.2)对每个Voronoi Block进行迭代，依次获得每个Voronoi Block的顶点坐标；分别将各个Voronoi Block的顶点坐标按照“Geometry Polygon Create By-positions”的格式导出到文件中；在将各个Voronoi Block的顶点坐标导出为Voronoi Geometry文件时，每个Voronoi Geometry占据一个Geometry集合，集合名称与Voronoi Block的分组名称相同。导出的Voronoi Geometry如图2所示。
2、生成指定大小和孔隙率的可重叠颗粒，使用可重叠的颗粒建立15cm×15cm的岩石数值模型，如图3。
3、导入图2所示的Voronoi Geometry，依次使用每个晶粒的Voronoi Geometry的空间位置对颗粒进行分组，分组名称与Voronoi Geometry所在集合的名称相同。随后使用弹性接触模型对模型赋参并进行初始平衡；最后对晶粒进行随机扩张，本例中，设置的转化区间为[0，0.5]。颗粒的分组、初始平衡以及晶粒扩张过程如图4，建立的晶粒水平发育并考虑咬合作用的岩石数值模型如图5；与未考虑晶粒咬合作用模型(未进行随机扩张)的对比，如图6，可以明显看出，随机扩张后，晶粒之间产生了明显的交错咬合现象。
4、将考虑咬合作用的岩石数值模型中各颗粒的坐标以及分组提取到坐标文件中，编写坐标旋转程序读取坐标文件并对各颗粒的坐标进行旋转，然后对颗粒的原坐标进行更新，保持各个颗粒的分组情况不变。
坐标旋转程序对颗粒坐标进行旋转的方法为：使用各个颗粒的坐标乘以旋转矩阵，本例中使用的旋转角度为45°，旋转变换矩阵如下式，旋转后的图形如图7。
Figure BDA0002421123810000051
5、建立切割用的矩形Geometry，利用该Geometry对旋转后的模型进行切割，建立的矩形Geometry如图7中框线部分所示，切割后的模型如图8。
在晶粒水平发育模型的基础上，分别设定不同的旋转角度并进行切割，获得不同晶粒发育方向的各向异性岩石模型，如图9，旋转角度分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°。
6、分别设置晶粒间以及晶粒内的参数，完成考虑晶粒咬合作用的各向异性岩石模型的建立。

Claims (8)

1.一种考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在块体离散元软件中建立并导出晶粒水平发育的Voronoi Geometry文件；
(2)在颗粒流软件中建立由可重叠颗粒组成的岩石数值模型；
(3)导入Voronoi Geometry文件，依次使用每个晶粒的Voronoi Geometry对颗粒进行分组；
(4)对数值模型中的颗粒进行初始平衡，使模型密实；
(5)对密实后的数值模型进行晶粒随机扩张；
(6)对扩张后的数值模型进行旋转；
(7)将旋转后的模型切割为所需大小；
(8)分别设置晶粒间以及晶粒内的参数，得到考虑晶粒咬合作用的各向异性岩石模型。
2.根据权利要求1所述的一种考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法，其特征在于，步骤(1)中，建立并导出晶粒水平发育的Voronoi Geometry文件的方法为：
(1.1)建立晶粒水平发育的Voronoi Block并进行分组，分组名称从1开始递增；
(1.2)对每个Voronoi Block进行迭代，依次获得每个Voronoi Block的顶点坐标，并将获得的坐标按照Geometry命令的格式导出到文件中。
3.根据权利要求2所述的一种考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法，其特征在于，步骤(1.2)中，在将各个Voronoi Block的顶点坐标导出为Voronoi Geometry文件时，每个Voronoi Geometry占据一个Geometry集合，集合名称与Voronoi Block的分组名称相同。
4.根据权利要求1所述的考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法，其特征在于，步骤(3)中，所述依次使用每个晶粒的Voronoi Geometry对颗粒进行分组的方法为：
在Voronoi Geometry文件导入颗粒流软件后，依次遍历各个Voronoi Geometry，根据颗粒流模型中颗粒的位置与各Voronoi Geometry的关系，将颗粒划分为与VoronoiGeometry所在Geometry集合名称相同的组别。
5.根据权利要求1所述的考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法，其特征在于，步骤(4)中，所述初始平衡的方法为：在颗粒流软件的数值模型边界建立固定的wall，使用弹性本构模型对接触进行赋参，然后进行初始平衡，使模型中的颗粒相互弹开并扩散密实。
6.根据权利要求1所述的考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法，其特征在于，步骤(5)中，所述晶粒随机扩张的方法为：
(5.1)设定颗粒组别转化的随机数区间，依次遍历模型中的所有颗粒，遍历过程中每个颗粒生成一个随机数；
(5.2)当遍历到某一颗粒A时，依次获得与其相接触的所有颗粒，判断每个接触颗粒所在组别；
(5.3)当某一接触颗粒B不属于颗粒A所在组别，且该颗粒B对应的随机数在颗粒组别转化的随机数区间内时，将颗粒B转化为颗粒A所在组别。
7.根据权利要求1所述的考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法，其特征在于，步骤(6)中，对扩张后的模型进行旋转的方法为：获取扩张后模型中各颗粒的坐标，使用各个颗粒的坐标乘以旋转矩阵并对颗粒的原坐标进行更新，其中旋转矩阵的表达式如下：
Figure FDA0003434689310000021
式中，
Figure FDA0003434689310000022
为旋转角度。
8.根据权利要求1所述的考虑晶粒咬合的各向异性岩石建模方法，其特征在于，步骤(7)中，所述切割的方法为：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是否在Geometry内部，并将Geometry外的颗粒删除。
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