[发明专利]一种可燃冰开采环境安全虚拟仿真评估系统及方法

权利要求书

1.一种可燃冰开采环境安全虚拟仿真评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过对底层数据的访问读写，分别模拟产生大气、海水、海床及井下各个监测点的数据，并存储到数据库中；

(2)采用三维建模软件，完成海洋环境、开采装备、监测系统及装备的三维建模；

(3)根据开采工艺流程及监测设备的工作周期进行动作设计及脚本编写，完成可燃冰开采环境安全虚拟现实软件包；

(4)基于虚拟现实软件包，利用图形生成与立体投影显示技术实现可燃冰开采环境虚拟仿真场景；

(5)基于定量及定性环境风险评估方法，将风险情况的主要监测成分数据值设置为正常、异常、报警三个等级，根据实时数据的所属范围评估风险是否存在；

(6)在应用门户层上，实现环境风险事件的切换和报警的输出；

所述三维建模的具体方法如下：

还原实际开采装备及监测装备，展示其三维模型；

大气环境模拟根据大气中布置的甲烷传感器获取的数值，判断是否有甲烷泄露到大气中，计算甲烷的泄露量及泄露速率，实时模拟甲烷泄露曲线，建立温室气体体积分数变化模型，分析温室气体的温室效应饱和度，并对未来地表温升的变化趋势进行预测，采用计算流体动力学模型基于FLACS软件模拟甲烷自井下和地层泄露进入大气的情况，根据气体动力学方程、湍流方程共同描述气云的扩散过程，利用有限元法、有限差分法或有限体积法对方程进行求解；

海床环境模拟根据海床上布置的传感器获得的数据，计算甲烷泄露速度、数量和海底沉降的程度，实时模拟甲烷泄露和海底沉降的曲线，采用有限差分方法模型，应用Mohr-Coulomb土体的本构模型，基于FLAC3D软件模拟甲烷泄露引起的地层沉降的情况；

井底环境模拟采用有限元方法模型，应用井筒结构弹塑性材料模型，基于ANSYS软件模拟井筒变形情况，有限元分析方法将复杂的求解域简化成由有限单元体共同构成的体系，每一个有限单元体均赋一合理的近似解，然后通过有限单元体相互协调共同推导出满足复杂求解条件的解答，通过监测及模拟可燃冰层不稳定的变化数据，运用组合体圆筒理论，通过建立包括可燃冰地层井筒孔隙压力场和井筒液温度场耦合作用的数值计算模型，开展井筒变形安全性风险评估；

根据井筒尺寸，利用ANSYS有限元建立其几何模型，建立含可燃冰地层套管-水泥环-地层组合体力学模型，输入包括井筒系统、压力场和温度场分析需要的计算条件，边界条件和约束方式，井筒材料特性根据管材的实际特性确定，最后根据井筒截面的径厚比情况选取合适的单元类型。

2.一种用于执行如权利要求1所述的可燃冰开采环境安全虚拟仿真评估方法的系统，其特征在于，包括：

基础设施层，用于对底层数据的读写访问及设备间访问，包括数据访问接口和设备访问接口；

数据资源及处理层，用于可燃冰开采环境的数据生成，包括大气环境数据、海水环境数据、海床环境数据和井下环境数据；

可视化服务层，用于为系统提供各种服务模块，包括数据导入模块、实时监测数据采集模块、数据组织与管理模块、生产管理模块、风险评估模块；

应用门户层，用于场景的漫游展示、风险情景展示、风险评估展示。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述大气环境数据包括大气的温度、压力、风速、风向参数，甲烷、二氧化碳含量，海洋表面浪高、风级参数。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述海水环境数据包括海水中溶解的甲烷、二氧化碳、温度、盐度、压力、溶解氧、pH值、浊度、叶绿素、海水流速、流向参数、多普勒声学海流信息。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述海床环境数据包括海底地形的形变，海床各点的温度、压力，海床表面海水甲烷、二氧化碳含量。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述井下环境数据包括井口及井筒周围的温度、压力参数。