用于模拟岩溶地区地层的相似试验装置及其制作的方法

1.本发明属于模拟岩溶地区地层技术领域，尤其涉及一种用于模拟岩溶地区地层的相似试验装置及其制作的方法方法。


背景技术：

2.地层结构(stratigraphic texture)是地层序列内岩层的叠覆与堆积型式。通常所说的旋回性、韵律性、加积型、退积型、进积型沉积等，都属于地层结构的概念范畴。地层结构主要是用于研究和描述相当于或略小于一个体系域的地层间隔内岩层的纵、横向总体(或优势)堆积方式，并可根据其成因或形态，将总体退积、加积、进积，或超覆、叠覆、退覆堆积的地层，分别称为退积、加积、进积,或超覆、叠覆、退覆结构的地层。对于地层分析、预测来说，地层结构概念是非常重要的。然而，现有用于模拟岩溶地区地层的相似试验装置及其制作的方法在对低信噪比数据时的地层倾角进行检测时，会出现检测结果不准确的问题；同时，不能对岩溶地面塌陷进行评价。
3.综上所述，现有技术存在的问题是：现有用于模拟岩溶地区地层的相似试验装置及其制作的方法在对低信噪比数据时的地层倾角进行检测时，会出现检测结果不准确的问题；同时，不能对岩溶地面塌陷进行评价。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于模拟岩溶地区地层的相似试验装置及其制作的方法。
5.本发明是这样实现的，一种用于模拟岩溶地区地层的相似试验装置包括：
6.地层倾角检测模块、岩溶地层参数采集模块、参数导入模块、模型构建模块、相似实验模拟模块、塌陷评价模块；
7.地层倾角检测模块，与岩溶地层参数采集模块连接，用于检测岩溶地区地层倾角；
8.岩溶地层参数采集模块，与地层倾角检测模块、参数导入模块连接，用于采集岩溶地区地层物理参数、力学参数；
9.参数导入模块，与岩溶地层参数采集模块、模型构建模块连接，用于将采集的岩溶地层参数导入到模型构建模块；
10.模型构建模块，与参数导入模块、相似实验模拟模块连接，用于通过模型构建程序根据导入的参数构建岩溶地层模型；
11.相似实验模拟模块，与模型构建模块、塌陷评价模块连接，用于通过模拟程序对模拟岩溶地区地层的相似试验进行模拟；
12.所述模拟方法包括：
13.选择岩溶发育且演变资料上bsr特征明显的演变剖面；
14.确定演变剖面上岩溶地区地层底部界面的双程走时t
sb
、观测bsr的双程走时t
bsr
和岩溶地区地层顶部边界的双程走时t
salt
；
15.根据分析区天然气岩溶的气体组分信息，选择合适的岩溶相平衡曲线；
16.演变剖面上bsr发育深度处的强度值为静水强度；
17.bsr的深度值通过下面公式求得：
18.h
bsr
＝v
sw
×
t
bsr
/2
19.式中，v
sw
为海水速度，为1500m/s；t
bsr
为bsr位置的双程走时，单位是s，通过演变剖面读取；
20.确定演变剖面上岩溶地区地层底部各点的裂变值t；
21.通过二维稳态热传导方程，计算演变剖面的裂变场分布：
[0022][0023]
将岩溶稳定底界移向低的裂变条件；
[0024]
通过设置不同的裂变梯度，模拟对应的bsr深度，将模拟的bsr位置与演变剖面上的观测bsr进行对比。
[0025]
进一步，纯岩溶的相平衡公式如下：
[0026]
in(p)＝a+bt+ct2+dt3+ft4+gt5[0027]
式中，p和t分别为岩溶的稳定强度条件和稳定裂变条件，a、b、c、d、f、g为经验常数，分别为a＝-1.94138504464560
×
105,b＝3.31018213397926
×
103,c＝-2.25540264493806
×
101,d＝7.67559117787059
×
10-2
,f＝-1.30465829788791
×
10-4
,g＝8.8606531668757
×
10-8
。
[0028]
进一步，静水强度通过以下公式求取：
[0029]
p
bsr
＝ρ
sw g h
bsr
[0030]
式中，ρ
sw
为海水密度，为1028kg/m3，g是重力加速度，为9.81m/s2，h
bsr
是bsr的深度值。
[0031]
进一步，计算演变剖面的裂变场分布：
[0032][0033]
式中，t为裂变℃，x为横向距离km，z为垂向距离km，k
x
为横向导热率w m-1
k-1
，kz为垂向导热率w m-1
k-1
；一般认为沉积物各向同性且均质性较强，因此k
x
＝kz，但沉积物和盐的热导率差别较大，分别设置为2.5w m-1
k-1
和5.9w m-1
k-1
。
[0034]
进一步，岩溶稳定底界移向低的裂变条件：
[0035][0036]
式中，m为裂变对岩溶稳定条件的影响参数，计算公式如下：
[0037][0038]
式中，sw为裂变值。
[0039]
本发明的另一目的在于提供一种用于模拟岩溶地区地层的相似试验装置的制作的方法包括以下步骤：
[0040]
步骤一，通过地层倾角检测模块检测岩溶地区地层倾角；通过岩溶地层参数采集
模块采集岩溶地区地层物理参数、力学参数；
[0041]
步骤二，通过参数导入模块将采集的岩溶地层参数导入到模型构建模块；通过模型构建模块利用模型构建程序根据导入的参数构建岩溶地层模型；
[0042]
步骤三，通过相似实验模拟模块利用模拟程序对模拟岩溶地区地层的相似试验进行模拟；
[0043]
步骤四，通过塌陷评价模块利用评价程序对岩溶塌陷进行评价。
[0044]
进一步，所述地层倾角检测模块检测方法如下：
[0045]
1)通过检测设备根据当前道分析点和各个预设扫描倾角，确定对应于所述各个预设扫描倾角的临近道分析点，根据所述当前道分析点和临近道分析点，分别获取当前道的演变波形数据和对应于所述各个预设扫描倾角的临近道的演变波形数据；
[0046]
2)沿层位获得演变波形数据，并采用基于线性变换的ssdr算法为演变波形数据降维；利用演变波形数据中的标签数据训练一个距离衡量矩阵；采用半监督kmeans分类算法对演变波形数据进行分类，生成演变相图；
[0047]
3)根据所述当前道的演变波形数据、演变相图和对应于所述各个预设扫描倾角的临近道的演变波形数据，确定所述各个预设扫描倾角的相似能量谱；
[0048]
4)从各个相似能量谱中提取最大相似能量谱，从各个相似能量谱中提取与所述最大相似能量谱临近的若干相似能量谱，根据所述最大相似能量谱和所述若干临近的能量谱确定地层倾角插值曲线，并根据所述地层倾角插值曲线确定地层倾角；
[0049]
其中，从各个相似能量谱中提取与所述最大相似能量谱相邻的两个相似能量谱；计算所述地层倾角插值曲线的一阶导数；将所述一阶导数等于零时所对应的倾角作为地层倾角；
[0050]
根据如下公式计算所述地层倾角：
[0051][0052]
其中，x表示地层倾角，y1表示最大相似能量谱，x1表示最大相似能量谱对应的预设扫描倾角，y0和y2表示与所述最大相似能量谱相邻的两个相似能量谱。
[0053]
进一步，在当前道中，获取以所述当前道分析点为中心的预设深度窗口的演变波形数据，作为所述当前道的演变波形数据；在各个临近道中，获取以相应临近道分析点为中心的预设深度窗口的演变波形数据，作为所述临近道的演变波形数据。
[0054]
进一步，所述塌陷评价模块评价方法如下：
[0055]
(1)通过探地雷达法、瞬变电磁法、跨孔高密度电法和地表高密度电法岩溶进行探测；获取岩溶基本数据以及岩溶换算数据；
[0056]
(2)建立沙漏型溶洞-地层三维数值模型，引入所获取的数据模拟计算岩溶上覆砂土漏失塌陷过程；
[0057]
(3)提取岩溶塌陷后的底层沉降剖面图，根据熔岩塌陷对周围底层及建筑构筑物的影响确定岩溶沉降等级。
[0058]
本发明的优点及积极效果为：本发明通过地层倾角检测模块利用预设窗口长度的深度窗口来其他区相应的演变波形数据，这样相较于现有的地层倾角检测方法，能够明显
减少同相轴稀疏性的影响，能够得到更为稳定、精度更高的倾角剖面；同时，通过塌陷评价模块紧密结合沙漏型岩溶塌陷机理，能够更好地模拟出沙漏型岩溶塌陷后地层及周边重要建(构)筑物的变形特性；通过该理论能够对在岩溶发育地区进行城市地下建设过程中遇到沙漏型岩溶塌陷的问题进行计算，对岩溶上覆砂层塌陷的严重性等级进行判定，在实际工程的施工有很强的指导作用，也为类似岩溶环境提供了计算参考。
[0059]
本发明所述模拟方法模拟效果真实逼真。选择岩溶发育且演变资料上bsr特征明显的演变剖面；
[0060]
确定演变剖面上岩溶地区地层底部界面的双程走时t
sb
、观测bsr的双程走时t
bsr
和岩溶地区地层顶部边界的双程走时t
salt
；
[0061]
根据分析区天然气岩溶的气体组分信息，选择合适的岩溶相平衡曲线；
[0062]
演变剖面上bsr发育深度处的强度值为静水强度；实现了获取真实数据的依据。
附图说明
[0063]
图1是本发明实施例提供的用于模拟岩溶地区地层的相似试验装置的制作的方法流程图。
[0064]
图2是本发明实施例提供的用于模拟岩溶地区地层的相似试验装置结构框图。
[0065]
图3是本发明实施例提供的地层倾角检测模块检测方法流程图。
[0066]
图4是本发明实施例提供的塌陷评价模块评价方法流程图。
[0067]
图2中：1、地层倾角检测模块；2、岩溶地层参数采集模块；3、参数导入模块；4、模型构建模块；5、相似实验模拟模块；6、塌陷评价模块。
具体实施方式
[0068]
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
[0069]
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
[0070]
如图1所示，本发明提供的用于模拟岩溶地区地层的相似试验装置的制作的方法包括以下步骤：
[0071]
s101，通过地层倾角检测模块检测岩溶地区地层倾角；通过岩溶地层参数采集模块采集岩溶地区地层物理参数、力学参数；
[0072]
s102，通过参数导入模块将采集的岩溶地层参数导入到模型构建模块；通过模型构建模块利用模型构建程序根据导入的参数构建岩溶地层模型；
[0073]
s103，通过相似实验模拟模块利用模拟程序对模拟岩溶地区地层的相似试验进行模拟；
[0074]
s104，通过塌陷评价模块利用评价程序对岩溶塌陷进行评价。
[0075]
如图2所示，本发明实施例提供的用于模拟岩溶地区地层的相似试验装置包括：地层倾角检测模块1、岩溶地层参数采集模块2、参数导入模块3、模型构建模块4、相似实验模拟模块5、塌陷评价模块6。
[0076]
地层倾角检测模块1，与岩溶地层参数采集模块2连接，用于检测岩溶地区地层倾角；
[0077]
岩溶地层参数采集模块2，与地层倾角检测模块1、参数导入模块3连接，用于采集岩溶地区地层物理参数、力学参数；
[0078]
参数导入模块3，与岩溶地层参数采集模块2、模型构建模块4连接，用于将采集的岩溶地层参数导入到模型构建模块4；
[0079]
模型构建模块4，与参数导入模块3、相似实验模拟模块5连接，用于通过模型构建程序根据导入的参数构建岩溶地层模型；
[0080]
相似实验模拟模块5，与模型构建模块4、塌陷评价模块6连接，用于通过模拟程序对模拟岩溶地区地层的相似试验进行模拟；
[0081]
所述模拟方法包括：
[0082]
选择岩溶发育且演变资料上bsr特征明显的演变剖面；
[0083]
确定演变剖面上岩溶地区地层底部界面的双程走时t
sb
、观测bsr的双程走时t
bsr
和岩溶地区地层顶部边界的双程走时t
salt
；
[0084]
根据分析区天然气岩溶的气体组分信息，选择合适的岩溶相平衡曲线；
[0085]
演变剖面上bsr发育深度处的强度值为静水强度；
[0086]
bsr的深度值通过下面公式求得：
[0087]hbsr
＝v
sw
×
t
bsr
/2
[0088]
式中，v
sw
为海水速度，为1500m/s；t
bsr
为bsr位置的双程走时，单位是s，通过演变剖面读取；
[0089]
确定演变剖面上岩溶地区地层底部各点的裂变值t；
[0090]
通过二维稳态热传导方程，计算演变剖面的裂变场分布：
[0091][0092]
将岩溶稳定底界移向低的裂变条件；
[0093]
通过设置不同的裂变梯度，模拟对应的bsr深度，将模拟的bsr位置与演变剖面上的观测bsr进行对比。
[0094]
在本发明中，纯岩溶的相平衡公式如下：
[0095]
in(p)＝a+bt+ct2+dt3+ft4+gt5[0096]
式中，p和t分别为岩溶的稳定强度条件和稳定裂变条件，a、b、c、d、f、g为经验常数，分别为a＝-1.94138504464560
×
105,b＝3.31018213397926
×
103,c＝-2.25540264493806
×
101,d＝7.67559117787059
×
10-2
,f＝-1.30465829788791
×
10-4
,g＝8.8606531668757
×
10-8
。
[0097]
在本发明中，静水强度通过以下公式求取：
[0098]
p
bsr
＝ρ
sw g h
bsr
[0099]
式中，ρ
sw
为海水密度，为1028kg/m3，g是重力加速度，为9.81m/s2，h
bsr
是bsr的深度值。
[0100]
在本发明中，计算演变剖面的裂变场分布：
[0101][0102]
式中，t为裂变℃，x为横向距离km，z为垂向距离km，k
x
为横向导热率w m-1
k-1
，kz为
垂向导热率w m-1
k-1
；一般认为沉积物各向同性且均质性较强，因此k
x
＝kz，但沉积物和盐的热导率差别较大，分别设置为2.5w m-1
k-1
和5.9w m-1
k-1
。
[0103]
在本发明中，岩溶稳定底界移向低的裂变条件：
[0104][0105]
式中，m为裂变对岩溶稳定条件的影响参数，计算公式如下：
[0106][0107]
式中，sw为裂变值。
[0108]
塌陷评价模块6，与相似实验模拟模块5连接，用于通过评价程序对岩溶塌陷进行评价。
[0109]
如图3所示，本发明提供的地层倾角检测模块1检测方法如下：
[0110]
s201，通过检测设备根据当前道分析点和各个预设扫描倾角，确定对应于所述各个预设扫描倾角的临近道分析点，根据所述当前道分析点和临近道分析点，分别获取当前道的演变波形数据和对应于所述各个预设扫描倾角的临近道的演变波形数据；
[0111]
s202，沿层位获得演变波形数据，并采用基于线性变换的ssdr算法为演变波形数据降维；利用演变波形数据中的标签数据训练一个距离衡量矩阵；采用半监督kmeans分类算法对演变波形数据进行分类，生成演变相图；
[0112]
s203，根据所述当前道的演变波形数据、演变相图和对应于所述各个预设扫描倾角的临近道的演变波形数据，确定所述各个预设扫描倾角的相似能量谱；
[0113]
s204，从各个相似能量谱中提取最大相似能量谱，从各个相似能量谱中提取与所述最大相似能量谱临近的若干相似能量谱，根据所述最大相似能量谱和所述若干临近的能量谱确定地层倾角插值曲线，并根据所述地层倾角插值曲线确定地层倾角；
[0114]
其中，从各个相似能量谱中提取与所述最大相似能量谱相邻的两个相似能量谱；计算所述地层倾角插值曲线的一阶导数；将所述一阶导数等于零时所对应的倾角作为地层倾角；
[0115]
根据如下公式计算所述地层倾角：
[0116][0117]
其中，x表示地层倾角，y1表示最大相似能量谱，x1表示最大相似能量谱对应的预设扫描倾角，y0和y2表示与所述最大相似能量谱相邻的两个相似能量谱。
[0118]
本发明提供的在当前道中，获取以所述当前道分析点为中心的预设深度窗口的演变波形数据，作为所述当前道的演变波形数据；在各个临近道中，获取以相应临近道分析点为中心的预设深度窗口的演变波形数据，作为所述临近道的演变波形数据。
[0119]
如图4所示，本发明提供的塌陷评价模块6评价方法如下：
[0120]
s301，通过探地雷达法、瞬变电磁法、跨孔高密度电法和地表高密度电法岩溶进行探测；获取岩溶基本数据以及岩溶换算数据；
[0121]
s302，建立沙漏型溶洞-地层三维数值模型，引入所获取的数据模拟计算岩溶上覆
砂土漏失塌陷过程；
[0122]
s303，提取岩溶塌陷后的底层沉降剖面图，根据熔岩塌陷对周围底层及建筑构筑物的影响确定岩溶沉降等级。
[0123]
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。