[发明专利]一种考虑水合物分解的沉积物多场耦合模型的建模方法

说明书

本发明属于岩土工程技术领域，提供了一种考虑水合物分解的沉积物多场耦合模型的建模方法。本发明基于孔隙介质力学基本理论，结合水合物沉积物的力学特性、流动特性以及传热特性，给出了描述水合物沉积物物理力学行为的控制方程和本构方程。利用COMSOL Multiphysics软件中的PDE模块实现温度、压力以及饱和度的控制方程离散，采用结构力学模块中的外部材料接口，嵌入了基于热力学方法的水合物沉积物临界状态本构模型。同时，采用向后欧拉积分形式的返回映射算法，利用C++语言编写模型程序，实现考虑水合物分解过程的沉积物力学行为数值模拟与分析。

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种考虑水合物分解的沉积物多场耦合模型的建模方法。

背景技术

天然气水合物全球储量巨大，分布广泛，作为潜在的可替代能源，受到了世界各国政府的高度关注。然而，天然气水合物大多赋存在永久冻土区和大陆边缘，开采难度大，其开采过程会引起沉积层变形，不合理的开采将导致地层沉降和海底滑坡，并可能诱发海啸、温室效应等次生灾害。因此，天然气水合物沉积层的物理力学特性研究显得尤为重要。然而，水合物分解过程复杂，涉及多相多孔介质内含相变多场耦合问题，目前国内外缺少能够精确描述水合物分解过程沉积层力学特性的多场耦合模型。

Kimoto等首次尝试将岩土力学与渗流、传热耦合，考虑了应变率对变形计算的贡献，分析了水合物分解过程对土体蠕变和强度衰减的影响，但是该模型极其复杂，参数众多，且不能分析水合物赋存结构变化引起的应变软化。Rutqvist等基于TOUGH+HYDRATE程序，利用FLAC商业软件，进行了渗流-力学半耦合计算，实现了岩土力学与水合物分解模拟的结合。该模型通过建立水合物饱和度与模量、强度的关系式，能够模拟水合物分解对力学行为的影响，但不能模拟水合物分解引起的应力松弛以及沉积层变形对传热和渗流的影响。Klar等基于FLAC开发了一套耦合传热、渗流和力学的程序，可以分析应力松弛现象，但没有考虑应变软化。国内吴二林等、程远方等针对水合物降压分解引起的工程问题提出了相应的多场耦合模型，但模型中都采用了相对简单的本构关系，不能描述复杂力学行为。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有模型的不足之处，提高对水合物分解过程沉积物力学特性的描述精度，提供一种考虑水合物分解的沉积物多场耦合模型及建模方法。本发明基于孔隙介质力学基本理论，考虑了不同相物质间的相互影响。从质量守恒、动量守恒和能量守恒出发，结合相关辅助方程，推导描述水合物分解过程沉积物物理力学行为变化的主要控制方程。利用COMSOL Multiphysics商用软件的PDE模块以及结构力学模块中的外部材料接口，实现数值建模。其中，利用PDE模块分别建立液体连续性方程、气体连续性方程、水合物分解控制方程以及能量守恒方程，利用结构力学模块中的外部材料接口，嵌入基于热力学方法的水合物沉积物临界状态本构模型。该模型参数皆可通过相应实验获得，便于实际应用。

本发明的技术方案，通过以下步骤实现：

(1)基于孔隙介质力学推导多场耦合控制方程；

(2)利用COMSOL Multiphysics PDE模块建模；

(3)采用基于热力学方法的水合物沉积物临界状态本构模型与返回映射算法；(4)将本构模型嵌入到COMSOL Multiphysics中实现水合物分解过程沉积物变形预测。