CN115983154B - 基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于沉积模拟领域，尤其是一种基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法，利用研究区地质资料完成多轮次、多级次的物理模拟和数值模拟实验，过程中通过不断对实验数据进行分析并矫正，完成不同比例尺下不同尺度的高精度正演实验，最终得到的符合研究区地质条件的实验结果。本发明的实验研究方法通过物理模拟实现沉积现象可视化；通过数值模拟实现定量参数可视化，二者结合相辅相成，实验结果较为多样化，研究区范围更加具有完整性，能对砂体展布分析及砂体叠置样式进行预测。
Description
技术领域
本发明涉及沉积模拟技术领域，尤其涉及一种基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法。
背景技术
沉积模拟是沉积学发展的重要手段。在沉积岩与沉积相研究中，我们所接触到的大都是经过漫长沉积过程而形成的沉积岩，解释各种砂体的形成过程多是用反演的思维，造成对沉积过程信息的缺失，影响了对沉积演化的判断。因此，对于沉积过程的研究，主要是通过现代沉积考察与沉积模拟两种方法。其中沉积模拟包括物理模拟与数值模拟两大类别，物理沉积模拟在实验室内完成，可以在较小的空间、较短的时间内完成沉积砂体的过程观察及内部解剖；数值沉积模拟主要利用计算机软件(如PaCMod、Delft 3D等)完成大地域范围、大时间跨度的沉积过程模拟，并完成半定量-定量化研究；
沉积数值模拟技术是随着计算机技术兴起而诞生的一种比较新的沉积模拟技术，不同于传统的概念化模型它可以与流体力学成果对接，使用数值方法在计算机中对流体力学的控制方程进行求解，从而预测流场的流动，这类模型就是所谓的机制模型，建立在对水体动力、沉积与剥蚀等物理过程的详细描述之F，综合考虑水动力-泥沙运输-地貌变化-完整的物理过程，这类模型可以完整地处理水体对地貌的改造以及地貌改变对水体的动态反馈过程；
现有技术中，多采用Delft 3D沉积数值模拟技术和沉积物理模拟技术，通过收集整理钱塘江河口的水文数据,对现代潮控河口湾进行沉积数值模拟。获得砂坝发育最优的水动力条件、底床坡度和沉积物供给组合，以该最优参数为基础，采用相似性理论，设计沉积物理模拟实验方案，进行沉积物理模拟，以进一步揭示砂坝成因和分布。
物理模拟的优势如下：选材真实自然，可以根据实验需求，结合研究区在源汇系统中的发育位置来选择合适的泥、沙、砾石等碎屑物质来进行试验，极大还原自然沉积过程；观察直观，可以直接观测或者拍摄完整的沉积过程，具有真实性，更加细致(平面、剖面)；具有随机性，自然界沉积过程具有随机性，物理沉积模拟可以通过增加试验数量来体现各式各样的随机性事件，而数值模拟的模拟过程较为固定，不具备随机性；人工参与度高，实验过程中对不满于实验需求的部分可以快速人工干预，并可实现同沉积变化及自然环境变化改变(如波浪、温度、湿度、含沙量、风场)。存在的劣势如下：实验范围小，受场地限制，根据研究区实际情况，实验区按比例缩小至实验室可容纳的规模，致使实验现象及实验结果也按比例大大削减，导致在整个源汇体系中，沉积现象并没有自然界那么丰富，较短的沉积距离限制了很多沉积砂体的发育规模和过程；时间短，物理模拟将自然界上千年至数万年的沉积过程在数天甚至数小时的实验过程中完成，丢失了较多的沉积过程发育细节，影响了砂体的内部构型；由于实验过程只能由人眼或摄像头观察，无法快速暂停和回溯实验过程，不利于电脑分析，缺乏定量处理；由于自然沙体缺乏长时间的沉降及压实过程，粒度和河道规模不匹配，造成实验的不真实性；随机性过大，还原自然过程的同时带来的是沉积过程更多的可能性，可能经历很多次实验也很难完成单一变量的实验过程，无法进行对比；无法展现完整的水动力过程，由于实验范围和实验耗材的限制，流水作用驱动的河道形态较自然界有一定的限制，且无法展现全流域各个位置的发育特征，无法将完整的“渠”的发育过程模拟出来。
数值模拟的优势如下：范围跨度大，可以模拟出几十、上百公里的沉积过程，方便完成源汇系统中水体对地貌的改造及地貌改造后对水体动态反馈，记录了较大范围的沉积过程；时间跨度相对物理模拟大，利用软件可以模拟出较长时间的沉积过程，并可按照时间线逐一观测；实验人员少，利用电脑的实验过程不需要较多的人员配置；可控制单一变量，可以用软件改变试验参数来控制单一变量的变化，有利于进行对比实验；可变参数多，较于物理模拟的自然选择，数值模拟可通过改变参数来加大限度的还原自然界的沉积环境；可定量研究，不需人工测量便可利用软件对实验结果进行测量及内部解剖研究，定量分析；可实现河流下切，尽可能还原真实的河流改道、迁移等过程，对物理模拟的设计有指导作用，从而能获得砂体的展布及形态恢复具有积极作用，同时在剖面上可识别出清晰地河道位置，为沉积体的发育过程研究提供了依据。存在的劣势如下：缺乏自然性、随机性，由于在实验之前参数设定为固定值，实验过程中缺乏突然事件导致的参数改变；对沉积地貌不能做过多的设计，不具机动性，造成实验结果受地貌影响较小，结果过于单一；缺乏微观特征，数值模拟无法展现砂体形态的差异，无法从平面上观察出沉积颗粒的粒序变化及卸载情况，无法从剖面上识别出较为清晰的沉积构造，影响对砂体构型的分析。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，发挥物理模拟、数值模拟的优势，来弥补二者的不足，而提出的基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法，包括以下步骤：
S1：首先对研究区地质资料进行收集，对研究区的古地貌特征进行还原，将收集到的研究区资料进行汇总分析，并根据空间相似、几何相似、动力相似等准则挑选物理模拟实验所需的物料，并设计实验底形，对各个设备进行检查和备料，在物理模拟实验装备内放入选好的物料，等待进行物理模拟实验；
S2：利用设计好的实验底形和挑选好的实验物料进行多次物理沉积模拟实验，并通过观测和记录每次物理沉积模拟实验，判断每次物理沉积模拟实验是否符合研究区地质条件，若不符合研究区地质条件的，则对不符合条件的实验设计数据进行调整和修改后再次实验，直到得到多个符合研究区地质条件的结果，将所有符合研究区地质条件的模拟环境模型的实验设计数据进行记录和备份；
S3：对研究区地质资料以及S2最终得到的符合研究区地质条件的实验数据进行分析并矫正，对矫正数据进行网格化模型构建，构建后的网格化模型进行数值模拟实验的参数设置，参数设置完成后对研究区内某一流域有针对性的进行数值沉积模拟实验，判断数值沉积模拟实验结果是否符合限定条件，若数值沉积模拟实验结果不符合限定条件，则将数值沉积模拟实验的参数数据再次进行分析和矫正，将符合限定条件的实验结果进行记录和备份；
S4：将S3符合限定条件的实验结果中某一部分区域有针对性的再次准备物理模拟，分析研究区内某一单河道分流、下切、摆动、侵蚀、决口以及改道的过程，结合流体力学特征值对实验进行设计，并进行单河道物理沉积模拟实验，判断单河道物理沉积模拟实验结果是否符合S3数值模拟结果，若不符合数值模拟结果则将单河道物理沉积模拟实验数值进行重新模拟设计，若符合数值模拟结果则将单河道物理沉积模拟实验的数据进行保留和储存，同时对单河道物理沉积模拟所得砂体进行切片分析；
S5：分析S4物理模拟实验中河道内某点的水动力特征，并进行数值沉积模拟实验，针对数值沉积模拟结果预测砂体展布，发现可能发生沉积物卸载的有利区；
S6：对S5数值沉积实验砂体中锚定的有利位置，并在S4物理模拟实验砂体中识别出对应点位进行针对性的切片分析，同时进行更小尺度的物理沉积模拟实验，观察沉积构造或砂体内部构型，由多组实验结果共同拼合出完整的研究区范围，完成区域内砂体展布分析及砂体叠置样式预测。
具体的，所述S1中，研究区地质资料包括研究区范围资料、古地貌条件资料、探井测井资料以及录井资料。
具体的，所述S3中，网格化模型构建包括河道走势、湖岸线位置、边界条件、水动力初始条件和沉积物参数。
具体的，所述水动力初始条件包括水体盐度、水体温度以及水体流量。
具体的，所述沉积物参数包括沉积物性质、沉积物密度、沉积物粒度和沉积物厚度。
具体的，所述S4中，流体力学特征值中单位质量力公式如下：
均匀流动公式如下：
R为水力半径，水力半径/>为过流断面面积，x为过流断面上流体与固体接触的周界。
具体的，所述S3中，数值沉积模拟实验的泥沙沉降速度公式如下：
其中Csoil为参考密度；/>为特定沉降速度下基本沉积比例；为不同沉积组分的总沉积质量，其中s是单词sediment的缩写，tot是单词total的缩写，soil为粘土。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法，在进行物理模拟阶段可以对沉积现象进行可视化的优化和布局，其模拟实验的数值也能进行定量设置，且参数也能进行可视化。
(2)本发明的基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法，发挥物理模拟可以恢复自然界自然选择和沉积变化的过程，在实验过程中随时可以人为干预实验的优势，同时发挥数值模拟高范围跨度、高时间跨度的特征，二者相互发挥优势、弥补不足，可以进行高自然还原度的定量实验研究。
(3)本发明的基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法，进行物理模拟和沉积数值模拟时实验结果较为多样化，研究区范围更加具有完整性，能对砂体展布分析及砂体叠置样式进行预测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整。
图1为本发明提出的基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法的流程示意图；
图2为S1中的研究区地质图；
图3为图2中框选区域的S2物理模拟实验结果图；
图4为图3中框选区域的S3数值模拟初始模型图；
图5为图3中框选区域的S3数值模拟模拟结果图；
图6为图5中框选区域的S4物理模拟实验结果图；
图7为图6中框选区域的S5物理模拟数值模拟实验图；
图8为S6小尺度物理模拟实验图；
图9为图6中A-A’的切片结果图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-9，基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法，包括以下步骤：
S1：首先对研究区地质资料进行收集，对研究区的古地貌特征进行还原，将收集到的研究区资料进行汇总分析，并根据空间相似、几何相似、动力相似等准则挑选物理模拟实验所需的物料，并设计实验底形，对各个设备进行检查和备料，在物理模拟实验装备内放入选好的物料，等待进行物理模拟实验；
S2：利用设计好的实验底形和挑选好的实验物料进行多次物理沉积模拟实验，并通过观测和记录每次物理沉积模拟实验，判断每次物理沉积模拟实验是否符合研究区地质条件，若不符合研究区地质条件的，则对不符合条件的实验设计数据进行调整和修改后再次实验，直到得到多个符合研究区地质条件的结果，将所有符合研究区地质条件的模拟环境模型的实验设计数据进行记录和备份，对物理沉积模拟实验过程中模拟数值进行记录后得到数据，详细数据见表1；
表1
物理沉积模拟实验数值
S3：对研究区地质资料以及S2最终得到的符合研究区地质条件的实验数据进行分析并矫正，对矫正数据进行网格化模型构建，构建后的网格化模型进行数值模拟实验的参数设置，参数设置完成后对研究区内某一流域有针对性的进行数值沉积模拟实验，判断数值沉积模拟实验结果是否符合限定条件，若数值沉积模拟实验结果不符合限定条件，则将数值沉积模拟实验的参数数据再次进行分析和矫正，将符合限定条件的实验结果进行记录和备份；
S4：将S3符合限定条件的实验结果中某一部分区域有针对性的再次准备物理模拟，分析研究区内某一单河道分流、下切、摆动、侵蚀、决口以及改道的过程，结合流体力学特征值对实验进行设计，并进行单河道物理沉积模拟实验，判断单河道物理沉积模拟实验结果是否符合S3数值模拟结果，若不符合数值模拟结果则将单河道物理沉积模拟实验数值进行重新模拟设计，若符合数值模拟结果则将单河道物理沉积模拟实验的数据进行保留和储存，同时对单河道物理沉积模拟所得砂体进行切片分析；
S5：分析S4物理模拟实验中河道内某点的水动力特征，并进行数值沉积模拟实验，针对数值沉积模拟结果预测砂体展布，发现可能发生沉积物卸载的有利区；
S6：对S5数值沉积实验砂体中锚定的有利位置，并在S4物理模拟实验砂体中识别出对应点位进行针对性的切片分析，同时进行更小尺度的物理沉积模拟实验，观察沉积构造或砂体内部构型，由多组实验结果共同拼合出完整的研究区范围，完成区域内砂体展布分析及砂体叠置样式预测。
本实施例中，S4中，流体力学特征值中单位质量力公式如下：
均匀流动公式如下：
R为水力半径，水力半径/>为过流断面面积，x为过流断面上流体与固体接触的周界。
本实施例中，S3中，数值沉积模拟实验的泥沙沉降速度公式如下：
例；为不同沉积组分的总沉积质量，其中s是单词sediment的缩写，tot是单词total的缩写，soil为粘土。
本发明相对现有技术获得的技术进步是：物理模拟实验可以根据实验需求(冲积扇、三角洲、河流等)，结合其在源汇系统中的发育位置来选择合适的泥、沙、砾石等碎屑物质来进行试验，极大还原自然沉积过程，可以直接观测或者拍摄完整的沉积过程，具有真实性，更加细致(平面、剖面)，可以通过增加试验数量来体现各式各样的随机性事件可以在实验过程中对不满于实验需求的部分可以快速人工干预，并可实现同沉积变化及自然环境变化改变(如波浪、温度、湿度、含沙量、风场)；
本发明的实验研究方法中物理模拟实验可以模拟出几十、上百公里的沉积过程，方便完成源汇系统中水体对地貌的改造及地貌改造后对水体动态反馈，记录较大范围的沉积过程，可以利用软件模拟出较长时间的沉积过程，并可按照时间线逐一观测，可以减少人员配置，可以控制单一变量，用软件改变试验参数来控制单一变量的变化，有利于进行对比实验，可通过改变参数来加大限度的还原自然界的沉积环境，可定量研究、定量分析，可实现河流下切，尽可能还原真实的河流改道、迁移等过程，对物理模拟的设计有指导作用，从而能获得砂体的展布及形态恢复具有积极作用，同时在剖面上可识别出清晰地河道位置，为沉积体的发育过程研究提供了依据；
本发明的实验研究方法可以发挥物理模拟可以恢复自然界自然选择和沉积变化的过程，及实验过程中随时可以人为干预实验的优势；同时发挥数值模拟高范围跨度、高时间跨度的特征，来进行高自然还原度的定量实验研究，物理实现沉积现象可视化；数值实现定量参数可视化。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (5)
1.基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：首先对研究区地质资料进行收集，对研究区的古地貌特征进行还原，将收集到的研究区资料进行汇总分析，并根据空间相似、几何相似、动力相似等准则挑选物理模拟实验所需的物料，并设计实验底形，对各个设备进行检查和备料，在物理模拟实验装备内放入选好的物料，等待进行物理模拟实验；
S2：利用设计好的实验底形和挑选好的实验物料进行多次物理沉积模拟实验，并通过观测和记录每次物理沉积模拟实验，判断每次物理沉积模拟实验是否符合研究区地质条件，若不符合研究区地质条件的，则对不符合条件的实验设计数据进行调整和修改后再次实验，直到得到多个符合研究区地质条件的结果，将所有符合研究区地质条件的模拟环境模型的实验设计数据进行记录和备份；
S3：对研究区地质资料以及S2最终得到的符合研究区地质条件的实验数据进行分析并矫正，对矫正数据进行网格化模型构建，构建后的网格化模型进行数值模拟实验的参数设置，参数设置完成后对研究区内某一流域有针对性的进行数值沉积模拟实验，判断数值沉积模拟实验结果是否符合限定条件，若数值沉积模拟实验结果不符合限定条件，则将数值沉积模拟实验的参数数据再次进行分析和矫正，将符合限定条件的实验结果进行记录和备份；
S4：将S3符合限定条件的实验结果中某一部分区域有针对性的再次准备物理模拟，分析研究区内某一单河道分流、下切、摆动、侵蚀、决口以及改道的过程，结合流体力学特征值对实验进行设计，并进行单河道物理沉积模拟实验，判断单河道物理沉积模拟实验结果是否符合S3数值模拟结果，若不符合数值模拟结果则将单河道物理沉积模拟实验数值进行重新模拟设计，若符合数值模拟结果则将单河道物理沉积模拟实验的数据进行保留和储存，同时对单河道物理沉积模拟所得砂体进行切片分析；
S5：分析S4物理模拟实验中河道内某点的水动力特征，并进行数值沉积模拟实验，针对数值沉积模拟结果预测砂体展布，发现可能发生沉积物卸载的有利区；
S6：对S5数值沉积实验砂体中锚定的有利位置，并在S4物理模拟实验砂体中识别出对应点位进行针对性的切片分析，同时进行更小尺度的物理沉积模拟实验，观察沉积构造或砂体内部构型，由多组实验结果共同拼合出完整的研究区范围，完成区域内砂体展布分析及砂体叠置样式预测。
2.根据权利要求1所述的基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法，其特征在于，所述S1中，研究区地质资料包括研究区范围资料、古地貌条件资料、探井测井资料以及录井资料。
3.根据权利要求1所述的基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法，其特征在于，所述S3中，网格化模型构建包括河道走势、湖岸线位置、边界条件、水动力初始条件和沉积物参数。
4.根据权利要求3所述的基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法，其特征在于，所述水动力初始条件包括水体盐度、水体温度以及水体流量。
5.根据权利要求3所述的基于源汇系统的物理模拟和沉积数值模拟一体化的实验研究方法，其特征在于，所述沉积物参数包括沉积物性质、沉积物密度、沉积物粒度和沉积物厚度。
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| CN104729445A (zh) * | 2015-03-11 | 2015-06-24 | 长江大学 | 河口坝几何形态测量方法 |
| 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 |
| WO2022257930A1 (zh) * | 2021-06-07 | 2022-12-15 | 中国地质大学（北京） | 成矿研究区的成矿模拟方法及装置 |
| CN115563746A (zh) * | 2022-08-29 | 2023-01-03 | 昆明理工大学 | 一种非均质三维水文地质模型的动态构建方法 |
-
2023
- 2023-01-05 CN CN202310012792.3A patent/CN115983154B/zh active Active
- 2023-02-01 ZA ZA2023/01290A patent/ZA202301290B/en unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104729445A (zh) * | 2015-03-11 | 2015-06-24 | 长江大学 | 河口坝几何形态测量方法 |
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|---|
| 李勇.中国博士学位论文全文数据库.(12),全文. * |
| 杜威 ; 纪友亮 ; 李其海 ; 王子涵 ; 席家辉 ; 唐林 ; 高星星 ; .不同沉积过程尺度下正演数值模拟研究进展及油气地质意义.油气地质与采收率.(02),66-75. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115983154A (zh) | 2023-04-18 |
| ZA202301290B (en) | 2023-05-31 |
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