一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法

本发明涉及土木工程领域，尤其是涉及一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法。

背景技术：

1、目前我国二氧化碳地质封存主要通过将二氧化碳注入到深部咸水层、油气田或不可采煤层的密闭地质构造中形成长时间或永久性的封存。深部能源开采也主要通过向深部油气储层注入高压水形成压裂缝网达到增产和开发地下资源的目的。储层埋深一般大于800m，储层赋存环境复杂，通常含有大量断层及天然裂缝。大量流体注入地下硐室可能会增强断层内孔隙流体压力，引起断层表面的有效应力降低并弱化断层力学性质，从而诱发断层活化并高概率触发地震。

2、工程场地尺度上的施工扰动诱发断层活化主要通过数值模拟手段进行研究，断层一般简化为接触平面或弱化带，通过指定断层面摩擦滑移本构模型计算断层滑移位移。然而，二氧化碳封存以及能源开采是一个多物理场耦合过程，如温度场、渗流场、化学场和应力场，缺乏多场耦合实时作用下的断层本构模型将影响数值计算结果的准确性。实验室尺度上的断层摩擦滑移试验可以用来获得断层泥的摩擦滑动特性，但难以表征复杂地质状况下储层断层活化真实过程。因此，本发明提供一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法，将数值模拟与模型试验进行实时数物耦联。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数物耦联方法，获取近断层工程扰动过程多场耦合边界条件实时变化作用下的断层摩擦本构模型，实现近断层工程扰动诱发地震的精确评估。

4、本发明公开了一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法，包括下列步骤：

5、步骤s1：在数值子模型中建立含断层的工程场地计算模型；

6、步骤s2：设置所述工程场地计算模型的参数，扰动所述工程场地计算模型，模拟诱发断层滑移的全过程；

7、步骤s3：在数值子模型中，选取断层最易滑动失稳成核区域，将其作为试验子模型的制作模版；

8、步骤s4：获取所述断层最易滑动失稳成核区域的多场耦合边界条件；

9、步骤s5：在试验子模型中，根据所述断层最易滑动失稳成核区域，制备断层泥岩样；

10、步骤s6：将所述多场耦合边界条件转化为等效加载指令，并将所述等效加载指令传送至所述断层泥岩样，并同步更新所述断层泥岩样的加载边界条件；

11、步骤s7：对所述断层泥岩样进行摩擦滑移试验，获得断层泥岩样在所述等效加载指令下的应力-应变关系，基于所述应力-应变关系，得到更新的断层特征参数及断层泥岩样边界处的应力值，并实时调整断层本构模型；

12、步骤s8：将更新的断层特征参数及断层泥岩样边界处的应力值通过交互模块传递至数值子模型中，并更新数值子模型中的刚度矩阵。

13、进一步地，通过圣维南原理将多场耦合边界条件转化为等效加载指令。

14、进一步地，所述等效加载指令包括荷载、温度及流体压力。

15、进一步地，所述制备断层泥岩样包括采用锯切手段将岩样加工成与断层倾角一致的含贯通结构面的岩样，并在结构面中填充材料模拟断层泥。

16、进一步地，根据断层泥岩样和断层基本力学性质，制备根据测试需求尺寸的储层岩样。

17、进一步地，采用显式求解方法独立求解数值子模型中的各物理场。

18、进一步地，更新数值子模型中的刚度矩阵包括通过试验子模型中获得的应力-应变关系重新组装数值子模型中的刚度矩阵。

19、进一步地，所述数值子模型中的刚度矩阵采用如下公式表示：

20、

21、其中，knm为刚度矩阵的刚度，krve1、krve2为断层中最易滑动失稳成核区域刚度，un为断层面的位移，urve1、urve2为断层中最易滑动失稳成核区域的位移，fn为边界外力，frve1、frve2为断层中最易滑动失稳成核区域的边界外力。

22、进一步地，所述断层本构模型在高斯点更新。

23、进一步地，通过数值子模型获得断层的滑移速度，模拟地震的产生。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、(1)本发明提供的数物耦联方法，根据试验子模型中实测获得的数据对断层滑移本构进行实时更新，能够获得多场耦合边界条件实时变化作用下的断层摩擦本构模型。

26、(2)本发明的近断层工程扰动诱发地震的数物耦联系统及方法，突破了传统数值模型对断层模拟简化假设的局限，将数值模拟与模型试验进行实时数物耦联，可以表征断层在多场耦合施工扰动过程中的真实力学响应。

27、(3)本发明将数值模拟方法和试验方法相结合，通过数据交互充分发挥两种方法的优势，能够准确表征复杂地质状况下储层断层活化真实过程。

技术特征：

1.一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法，其特征在于，通过圣维南原理将多场耦合边界条件转化为等效加载指令。

3.根据权利要求2所述的一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法，其特征在于，所述等效加载指令包括荷载、温度及流体压力。

4.根据权利要求1所述的一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法，其特征在于，所述制备断层泥岩样包括采用锯切手段将岩样加工成与断层倾角一致的含贯通结构面的岩样，并在结构面中填充材料模拟断层泥。

5.根据权利要求4所述的一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法，其特征在于，根据所述断层泥岩样和断层基本力学性质，制备根据测试需求尺寸的储层岩样。

6.根据权利要求1所述的一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法，其特征在于，采用显式求解方法独立求解数值子模型中的各物理场。

7.根据权利要求1所述的一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法，其特征在于，更新数值子模型中的刚度矩阵包括将试验子模型中获得的应力-应变关系组装到数值子模型中的刚度矩阵。

8.根据权利要求7所述的一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法，其特征在于，所述数值子模型中的刚度矩阵采用如下公式表示：

9.根据权利要求1所述的一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法，其特征在于，所述断层本构模型在数值子模型网格单元的高斯点上进行更新。

10.根据权利要求1所述的一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法，其特征在于，通过数值子模型获得断层的滑移速度，模拟地震的产生。

技术总结
本发明涉及一种面向近断层工程扰动诱发地震的数物耦联方法，该方法包括以下步骤：在数值子模型中建立含断层的工程场地计算模型；模拟诱发断层滑移的全过程；选取断层最易滑动失稳成核区域；获取多场耦合边界条件；在试验子模型中，制备断层泥岩样；将所述多场耦合边界条件转化为等效加载指令，将所述等效加载指令传送至所述断层泥岩样；对所述断层泥岩样进行摩擦滑移试验，获得应力‑应变关系，得到更新的断层特征参数及断层泥岩样边界处的应力值，并实时调整断层本构模型；将更新的断层特征参数及应力值通过交互模块传递至数值子模型中，并更新数值子模型中的刚度矩阵。与现有技术相比，本发明具有将数值模拟与模型试验进行实时数物耦联等优点。

技术研发人员：闫晓,禹海涛,李衍熹,胡晓锟
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31