本發(fā)明屬于天然氣水合物沉積物的力學(xué)研究領(lǐng)域，具體涉及一種基于實(shí)驗(yàn)的含水合物沉積物離散元模型力學(xué)參數(shù)標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

1、天然氣水合物是一種由水和天然氣在高壓、低溫條件下形成的冰狀結(jié)晶化合物，通常以含水合物沉積物的形式存在于大陸架永久凍土和海洋沉積物中。由于其豐富的儲量、高能量密度和較低的環(huán)境影響，天然氣水合物被視為未來潛在的清潔替代能源，吸引了多個國家開展現(xiàn)場試采。然而，水合物在開采過程中分解，破壞了其與沉積物之間的相平衡，可能引發(fā)儲層的地質(zhì)力學(xué)問題。我國南海神狐海域的水合物儲層典型為泥質(zhì)粉砂型，具有未成巖、弱膠結(jié)的特點(diǎn)，使得沉積物的力學(xué)性質(zhì)更為復(fù)雜，進(jìn)而在開采過程中面臨更加突出的地質(zhì)力學(xué)挑戰(zhàn)。因此，深入研究泥質(zhì)粉砂含水合物沉積物的力學(xué)性質(zhì)對解決開采問題至關(guān)重要。然而，由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行水合物樣品力學(xué)測試的成本高、難度大，數(shù)值模擬方法在含水合物沉積物力學(xué)研究中的應(yīng)用日益重要。

2、離散元法作為一種有效分析顆粒材料力學(xué)行為的數(shù)值模擬工具，能夠深入揭示宏觀力學(xué)特性的微觀機(jī)理，已廣泛應(yīng)用于含水合物沉積物的力學(xué)分析。然而，離散元模型的準(zhǔn)確性和可靠性高度依賴于微觀力學(xué)參數(shù)的精確標(biāo)定?，F(xiàn)有的標(biāo)定方法多依賴經(jīng)驗(yàn)取值或基于樣品整體力學(xué)表現(xiàn)擬合，但在處理多相、多組分的復(fù)雜顆粒體系時存在局限性。含水合物沉積物是一種多相材料，主要由沉積物相和水合物相構(gòu)成，而水合物相在反應(yīng)過程中含量和分布均會發(fā)生變化，導(dǎo)致含水合物沉積物整體力學(xué)性質(zhì)的變化。泥質(zhì)粉砂含水合物沉積物中，黏土、砂和水合物三者的力學(xué)行為較為復(fù)雜，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)性標(biāo)定方法往往忽視了這些組分之間的力學(xué)差異，離散元模型將難以有效捕捉各組分之間的真實(shí)力學(xué)行為，這不僅會導(dǎo)致宏觀力學(xué)特性的模擬結(jié)果偏離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還可能因組分之間的力學(xué)差異被簡化或忽視，導(dǎo)致整體計算結(jié)果失真。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了有效提高含水合物沉積物離散元模型的準(zhǔn)確性，本申請?zhí)峁┝艘环N含水合物沉積物離散元模型力學(xué)參數(shù)標(biāo)定方法，以提升離散元模型對含水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)預(yù)測的可靠性和精確度，其采用如下技術(shù)方案：含水合物沉積物離散元模型力學(xué)參數(shù)標(biāo)定方法，包括：

2、s1、樣品制備及三軸剪切測試；

3、制備砂質(zhì)沉積物、砂質(zhì)含水合物沉積物、泥質(zhì)粉砂沉積物及泥質(zhì)粉砂含水合物樣品，對所有沉積物樣品進(jìn)行分階段三軸剪切測試；

4、s2、對步驟s1中所述四種沉積物樣品分別構(gòu)建離散元模型；

5、s3、針對不同組分沉積物力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分階段標(biāo)定；

6、第一階段為砂質(zhì)沉積物單一組分的參數(shù)標(biāo)定，第二階段為砂質(zhì)含水合物沉積物兩種組分的參數(shù)標(biāo)定，第三階段為泥質(zhì)粉砂沉積物兩種組分的參數(shù)標(biāo)定；第四階段為泥質(zhì)粉砂含水合物沉積物多組分的參數(shù)標(biāo)定；

7、s4、離散元模型結(jié)果輸出。

8、進(jìn)一步地，所述步驟s3中：第一階段砂質(zhì)沉積物單一組分的參數(shù)標(biāo)定過程，采用抗?jié)L

9、動接觸模型來模擬砂-砂組分的力學(xué)行為，所述標(biāo)定過程如下：

10、s310、調(diào)整彈性模量e并通過公式來確定法向接觸剛度kn，其中v為泊松比；通過擬合實(shí)驗(yàn)初期的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，確保模型中顆粒接觸的彈性變形與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；

11、s311、調(diào)整剛度比α，以控制切向接觸剛度ks和法向剛度kn的關(guān)系ks＝α·kn，確保顆粒的滑動和剪切行為與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符；

12、s312、調(diào)整摩擦系數(shù)μ，基于庫侖摩擦定律f＝μ·n，其中f為摩擦力，n為正向力，通過擬合實(shí)驗(yàn)中的臨界剪切強(qiáng)度，確保模型的剪切強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；

13、s313、調(diào)整抗?jié)L動系數(shù)ηr，通過抗?jié)L動力矩公式mr＝ηr·fn·d控制顆粒旋轉(zhuǎn)時的阻力，確保模型在高應(yīng)變階段的應(yīng)變硬化或軟化現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

14、進(jìn)一步地，所述步驟s3中：第二階段砂質(zhì)含水合物沉積物兩種組分的參數(shù)標(biāo)定過程，采用平行粘結(jié)接觸模型對砂-水合物組分、水合物-水合物組分的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦值，砂-砂組分的力學(xué)參數(shù)采用第一階段標(biāo)定結(jié)果，第二階段標(biāo)定過程如下：

15、s320、調(diào)整彈性模量e，通過公式來確定法向接觸剛度kn，確保模型的初始剛度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致；

16、s321、密度ρ，直接使用實(shí)際數(shù)據(jù)；

17、s322、調(diào)整摩擦系數(shù)μ，其計算公式為τ＝σn·μ，通過與實(shí)驗(yàn)中的剪切強(qiáng)度對比，逐步調(diào)整摩擦系數(shù)，通過逐步優(yōu)化摩擦系數(shù)，減少模型中的剪切力偏差，確保與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；

18、s323、平行粘結(jié)抗拉強(qiáng)度σt和抗剪強(qiáng)度τs，通過公式和進(jìn)行標(biāo)定，確保顆粒間的拉伸和剪切破裂行為與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符；

19、s324、調(diào)整內(nèi)摩擦角φ，確保剪切強(qiáng)度和滑移特性與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。

20、進(jìn)一步地，所述步驟s3中：第三階段泥質(zhì)粉砂沉積物兩種組分的參數(shù)標(biāo)定過程，采用線性粘結(jié)接觸模型對黏土-黏土組分，黏土-砂組分和黏土-水合物組分進(jìn)行力學(xué)參數(shù)賦值，砂-砂組分、砂-水合物組分、水合物-水合物組分采用第二階段標(biāo)定結(jié)果，第三階段標(biāo)定過程如下：

21、s330、調(diào)整彈性模量e，通過公式fn＝kn·δn計算法向力fn，其中δn是法向位移，逐步調(diào)整kn，使顆粒的拉伸破裂行為與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符；

22、s331、調(diào)整切向剛度ks，控制顆粒在剪切條件下的破裂行為，公式為fs＝ks·δs，其中δs為切向位移，逐步調(diào)整ks，確保剪切力學(xué)響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致；

23、s332、調(diào)整線性粘結(jié)抗拉強(qiáng)度σc和抗剪強(qiáng)度τc，確保顆粒在拉伸和剪切實(shí)驗(yàn)中的破壞行為與實(shí)際數(shù)據(jù)匹配，通過這些參數(shù)調(diào)整，模型能夠高效且精準(zhǔn)地反映泥質(zhì)粉砂在拉伸和剪切條件下的力學(xué)特性。

24、進(jìn)一步地，所述步驟s4中：第四階段泥質(zhì)粉砂含水合物沉積物多組分的參數(shù)標(biāo)定過程，砂-砂組分、砂-水合物組分、水合物-水合物、黏土-黏土組分、黏土-砂組分采用階段三標(biāo)定結(jié)果，第四階段標(biāo)定過程如下：

25、s340、調(diào)整法向剛度fn來控制樣品在拉伸條件下的破裂行為，通過公式fn＝kn·δn逐步擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確保顆粒間的拉伸破裂行為與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；

26、s341、調(diào)整切向剛度ks，通過公式fs＝ks·δs，逐步擬合剪切實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確保剪切破壞與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合；

27、s342、調(diào)整線性粘結(jié)抗拉強(qiáng)度σc和線性粘結(jié)抗剪強(qiáng)度τc，通過實(shí)驗(yàn)擬合，確保模型中黏土-水合物組分在拉伸和剪切條件下的破裂行為與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果如下：

29、本發(fā)明針對泥質(zhì)粉砂含水合物沉積物，制備了砂質(zhì)沉積物、砂質(zhì)含水合物沉積物、泥質(zhì)粉砂沉積物及泥質(zhì)粉砂含水合物四種樣品，根據(jù)各樣品不同組分力學(xué)特性，采用不同的接觸模型，通過分階段標(biāo)定，從單一組分到多組分逐步增加模型復(fù)雜度，確保每一組分的力學(xué)行為都能準(zhǔn)確反映實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對泥質(zhì)粉砂含水合物沉積物離散元模型微觀力學(xué)參數(shù)的精確標(biāo)定，提高了離散元模型的準(zhǔn)確性。

技術(shù)特征：

1.一種含水合物沉積物離散元模型力學(xué)參數(shù)標(biāo)定方法，其特征在于包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含水合物沉積物離散元模型力學(xué)參數(shù)標(biāo)定方法，其特征在于，所述步驟s3中：第一階段砂質(zhì)沉積物單一組分的參數(shù)標(biāo)定過程，采用抗?jié)L動接觸模型來模擬砂-砂組分的力學(xué)行為，所述標(biāo)定過程如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含水合物沉積物離散元模型力學(xué)參數(shù)標(biāo)定方法，其特征在于，所述步驟s3中：第二階段砂質(zhì)含水合物沉積物兩種組分的參數(shù)標(biāo)定過程，采用平行粘結(jié)接觸模型對砂-水合物組分、水合物-水合物組分的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦值，砂-砂組分的力學(xué)參數(shù)采用第一階段標(biāo)定結(jié)果，第二階段標(biāo)定過程如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含水合物沉積物離散元模型力學(xué)參數(shù)標(biāo)定方法，其特征在于，所述步驟s3中：第三階段泥質(zhì)粉砂沉積物兩種組分的參數(shù)標(biāo)定過程，采用線性粘結(jié)接觸模型對黏土-黏土組分，黏土-砂組分和黏土-水合物組分進(jìn)行力學(xué)參數(shù)賦值，砂-砂組分、砂-水合物組分、水合物-水合物組分采用第二階段標(biāo)定結(jié)果，第三階段標(biāo)定過程如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含水合物沉積物離散元模型力學(xué)參數(shù)標(biāo)定方法，其特征在于，所述步驟s4中：第四階段泥質(zhì)粉砂含水合物沉積物多組分的參數(shù)標(biāo)定過程，砂-砂組分、砂-水合物組分、水合物-水合物、黏土-黏土組分、黏土-砂組分采用階段三標(biāo)定結(jié)果，第四階段標(biāo)定過程如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于天然氣水合物沉積物的力學(xué)研究領(lǐng)域，提出一種含水合物沉積物離散元模型力學(xué)參數(shù)標(biāo)定方法，包括S1、樣品制備及三軸剪切測試；S2、對步驟S1中所述四種沉積物樣品分別構(gòu)建離散元模型；S3、針對不同組分沉積物力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分階段標(biāo)定；S4、離散元模型結(jié)果輸出。本發(fā)明針對泥質(zhì)粉砂含水合物沉積物，制備了四種樣品，根據(jù)各樣品不同組分力學(xué)特性，采用不同的接觸模型，通過分階段標(biāo)定，從單一組分到多組分逐步增加模型復(fù)雜度，確保每一組分的力學(xué)行為都能準(zhǔn)確反映實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對泥質(zhì)粉砂含水合物沉積物離散元模型微觀力學(xué)參數(shù)的精確標(biāo)定，提高了離散元模型的準(zhǔn)確性。

技術(shù)研發(fā)人員：張家偉,張永超,李蒞臨,李彥龍,申凱翔,紀(jì)云開,李承峰,劉昌嶺
受保護(hù)的技術(shù)使用者：青島海洋地質(zhì)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9