CN111008472A - 一种基于离散元的裂谷盆地伸展过程模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离散元的裂谷盆地伸展过程模拟方法，充分考虑地质历史时期地层的地质特征，给出韧性基底构建方法，建立接近裂谷盆地伸展过程的离散元模型。在模拟过程中，可以增加沉积或剥蚀过程，研究这种普遍的地质现象对该区域构造变形的影响。本发明不需要设置先存断层，使模型具有和真实岩体相似的颗粒结构。采用离散元模拟能补充并替换部分实验，而且该基于离散元模拟的构造演化过程与构造变形机制研究方法可以得到实验不容易测得的数据，进而改进现有理论解决实际问题，为裂谷盆地的油气勘探工作提供理论支持。
Description
技术领域
本发明属于地质构造变形模拟研究技术领域，具体是一种基于离散元的裂谷盆地伸展过程模拟方法。
背景技术
裂谷盆地是在张性应力动力学背景下形成的，前人对裂谷盆地的形成演化动力学模型进行了大量研究，是当前国内外油气勘探的热点。通过实验模拟的方法，探究不同地质条件下裂谷盆地断层形成演化过程是十分必要的。并且，已有研究表明基底岩性控制了裂谷盆地内构造发育样式。构造物理模拟中，一般采用帆布模拟刚性基底，橡皮布传递伸展应力来模拟韧性基底。
之前的裂谷盆地模拟多采用刚性基底，但自然界中，裂谷盆地中存在韧性基底，其构造样式明显不同与刚性基底的裂谷盆地。对于裂谷盆地中的韧性基底，目前缺乏模拟研究。
离散元方法将地质体视为离散的单元，允许颗粒间较大相对位移，可以更好地模拟高度形变，适用于模拟沉积地层中出现的断层及断层相关褶皱等脆性变形的非连续力学行为的研究，是研究构造变形过程与变形机制的重要方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于离散元的裂谷盆地伸展过程模拟方法，该模拟方法实现韧性基底裂谷盆地伸展过程的离散元模拟，可以用来模拟不同基底中，裂谷盆地断裂演化过程。
为实现上述发明目的，本申请采用以下技术方案：
一种基于离散元的裂谷盆地伸展过程模拟方法，包括以下步骤：
1）通过观测待分析区域的地质并解析该地区地震资料，提取出待分析区域的地层信息，反演构造演化过程。对解析得到的地震解析图进行反演分析得到裂谷盆地开始伸展前历史地层分布图，最终得到待分析区域历史地层分布情况。
2）根据步骤1）得到的地层分布情况，构建离散元初始模型：设定第一颗粒半径为60m，第二颗粒半径为80m，第一颗粒和第二颗粒按照一定的比例随机充填到给定大小的矩形盒状模型中，使颗粒在重力作用下堆积于该矩形盒状模型底部，生成第一离散元模型。
3）通过一系列双轴压缩实验测试，得到离散元初始模型中各个地层的颗粒材料的细观参数。
4）根据步骤1）得到的地层分布情况及步骤3）得到的各个地层的颗粒材料的微观性质，通过给定各个地层的颗粒材料属性，建立反映待分析区域地质特征的第二离散元模型。所述第二离散元模型包括基底，所述基底分为三个部分：两侧的第一刚性基底和第二刚性基底以及位于中间的韧性基底。对所述刚性基底限制颗粒位移和转动，而对所述韧性基底则只限制颗粒竖直方向的位移和转动，使韧性基底的颗粒可以在水平方向自由移动。所述韧性基底与刚性基底间产生粘结，抗拉强度和剪切强度取1e100 Pa，避免基底粘结断开。
所述韧性基底由相互叠合的颗粒组成，定义初始叠合率cratio=|AO|/(rA+rO),即圆心距离(|AO|)与平衡距离(rA+rO)的比值。当cratio≤0.5时，颗粒A跨越颗粒O与颗粒B产生粘结，为了避免出现跨颗粒粘结的情况，定义临时半径缩放系数rext=rtmp/rold。当生成粘结时，将颗粒半径临时改变为rtmp=rold·rext。当cratio=0.4，rext=0.4时，采用临时缩放半径后，颗粒A刚好与颗粒O产生粘结，避免了颗粒A和颗粒B产生粘结。
5）对步骤4）建立的第二离散元模型，采用离散元的计算方法进行迭代运算，完成待分析区域盆地伸展构造演化过程模拟：基于步骤4）中得到的反映待分析区域地质特征的离散元模型，设置边界条件，固定两侧边界及基底，使两侧边界和刚性基底匀速分离，即给定位移边界条件，模拟现实中的水平伸展作用；加入同构造沉积，模拟真实地质事件。
进一步的，所述颗粒材料的细观参数包括以下参数：颗粒的半径、颗粒的密度、颗粒的剪切模量、颗粒的泊松比、颗粒的摩擦系数、颗粒间的粘结参数、局部阻尼系数。
更进一步，设置颗粒间的粘结参数如下：剪切模量杨氏模量取2.0e8 Pa，剪切模量2.0e8 Pa，抗拉强度0.0~4.0e7 Pa，剪切强度0.0~8.0e7 Pa。粘结产生的条件为|AO|-(rA+rO)≤tolerate，这里tolerate取1e-6。
进一步的，所述颗粒材料的接触模型采用Hertz-Mindlin模型，颗粒的半径取60m和80m，颗粒的密度为2500 km/m3，颗粒的剪切模量为2.9e9 Pa，泊松比为0.2，局部阻尼系数为0.4。沉积阶段，颗粒摩擦系数设为0.0，伸展阶段颗粒摩擦系数设为0.3。
本发明公开的一种基于离散元的裂谷盆地伸展过程模拟方法，充分考虑地质历史时期地层原来的地质特征，给出韧性基底构建方法，建立接近地质历史时期的离散元模型；采用大小不同的颗粒随机分布的方式建立初始的离散元模型；模拟某个阶段，可以增加沉积及剥蚀事件，研究这中普遍的地质现象对该区域构造变形的影响；本发明不需要设置先存断层，采用离散颗粒来构建模型，使模型具有和真实岩体相似的颗粒结构；较大规模构造物理模拟实验往往费钱、费时，采用离散元模拟能补充并替换部分实验，而且该基于离散元模拟的构造演化过程与构造变形机制研究方法可以得到实验不容易测得的数据，进而改进现有理论解决实际问题，如构造演化过程与构造变形机制、应力应变分布及其对储层性质的影响等，为裂谷盆地的油气勘探工作提供理论支持。
附图说明
图1是本发明中初始叠合率示意图；
图2是本发明临时半径缩放系数定义示意图；
图3是本发明一个实施例中基底生成过程示意图；
图4是本发明一个实施例中颗粒随机充填到给定大小的矩形盒子示意图；
图5是本发明一个实施例中离散元模型在伸展过程中两期同构造沉积层示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种基于离散元的裂谷盆地伸展过程模拟方法进行详细说明。在本发明描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
一种基于离散元的裂谷盆地伸展过程模拟方法，包括以下步骤：
1）通过观测待分析区域的地质并解析该地区地震资料，提取出待分析区域的地层信息，反演构造演化过程。对解析得到的地震解析图进行反演分析得到裂谷盆地开始伸展前历史地层分布图，最终得到待分析区域历史地层分布情况。
2）根据步骤1）得到的地层分布情况，构建离散元初始模型：设定第一颗粒半径为60m，第二颗粒半径为80m，第一颗粒和第二颗粒按照一定的比例随机充填到给定大小的矩形盒状模型中，该比例可以根据实际观测需要设定为1：1、2：1、3：1等比例，如图4所示，在重力作用下堆积于该矩形盒状模型底部，生成第一离散元模型。
3）通过一系列双轴压缩实验测试，得到离散元初始模型中各个地层的颗粒材料的细观参数，模拟实际地层的岩石变形。颗粒材料的细观参数包括以下参数：颗粒的半径、颗粒的密度、颗粒剪切模量、颗粒的泊松比、颗粒的摩擦系数、颗粒间粘参数结等。
设置颗粒间的粘结参数如下：剪切模量杨氏模量取2.0e8 Pa，剪切模量2.0e8 Pa，抗拉强度0.0~4.0e7 Pa，剪切强度0.0~8.0e7 Pa。粘结产生的条件为|AO|-(rA+rO)≤tolerate，这里tolerate取1e-6。
颗粒材料的接触模型采用Hertz-Mindlin模型，颗粒的半径取60m和80m，颗粒的密度为2500 km/m3，颗粒的弹性模量为2.9e9 Pa，泊松比为0.2，局部阻尼系数为0.4。沉积阶段，颗粒摩擦系数设为0.0，伸展阶段颗粒摩擦系数设为0.3。
4）根据步骤1）得到的地层分布情况及步骤3）得到的各个地层的颗粒材料的微观性质，通过给定各个地层的颗粒材料属性，建立反映待分析区域地质特征的第二离散元模型。如图3所示，第二离散元模型包括基底，基底两边分别为左墙和右墙，基底分为三个部分：两侧的左侧刚性基底和右侧刚性基底以及位于中间的韧性基底。对刚性基底限制颗粒位移和转动，而对韧性基底则只限制颗粒竖直方向的位移和转动，使韧性基底的颗粒可以在水平方向自由移动。韧性基底与刚性基底间产生粘结，抗拉强度和剪切强度取1e100 Pa，避免基底粘结断开。在本实施例中，韧性基底由相互叠合的颗粒组成，定义初始叠合率cratio=|AO|/(rA+rO),即圆心距离(|AO|)与平衡距离(rA+rO)的比值。一般的初始叠合率范围设置为0.0~1.0，半径缩放系数与初始叠合率取值相同。如图1所示，当cratio≤0.5时，颗粒A跨越颗粒O与颗粒B产生粘结，如图2所示，为了避免出现跨颗粒粘结的情况，定义临时半径缩放系数rext=rtmp/rold。当生成粘结时，将颗粒半径临时改变为rtmp=rold·rext。当cratio=0.4，rext=0.4时，采用临时缩放半径后，颗粒A刚好与颗粒O产生粘结，避免了颗粒A和颗粒B产生粘结。
5）对步骤4）建立的第二离散元模型，采用离散元的计算方法进行迭代运算，完成待分析区域盆地伸展构造演化过程模拟：基于步骤4）中得到的反映待分析区域地质特征的离散元模型，设置边界条件，固定两侧边界及基底，使两侧边界和刚性基底匀速分离，即给定位移边界条件，模拟现实中的水平伸展作用；加入同构造沉积，模拟真实地质事件，如图5所示。典型的模拟过程见附图5。具体来说，给左侧和右侧刚性基底及左右边墙施加一个水平速度，左墙及左侧刚性基底取-2.0 m/s，右墙及右侧刚性基底取2.0 m/s。
基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。
Claims (4)
1.一种基于离散元的裂谷盆地伸展过程模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）通过观测待分析区域的地质并解析该地区地震资料，提取出待分析区域的地层信息，反演构造演化过程；对解析得到的地震解析图进行反演分析得到裂谷盆地开始伸展前历史地层分布图，最终得到待分析区域伸展前历史地层分布情况；
2）根据步骤1）得到的地层分布情况，构建离散元初始模型：设定第一种颗粒半径为60m，第二种颗粒半径为80m，第一种颗粒和第二种颗粒按照一定的比例随机充填到给定大小的矩形盒状模型中，在重力作用下堆积于该矩形盒状模型中，生成第一离散元模型；
3）通过一系列双轴压缩实验测试，标定离散元初始模型中各个地层的颗粒材料的细观参数；
4）根据步骤1）得到的地层分布情况及步骤3）得到的各个地层的颗粒材料的微观性质，通过给定各个地层的颗粒材料属性，建立反映待分析区域地质特征的第二离散元模型；所述第二离散元模型包括基底，所述基底分为三个部分：两侧的第一刚性基底和第二刚性基底以及位于中间的韧性基底；对所述刚性基底限制颗粒位移和角速度，而对所述韧性基底则只限制颗粒竖直方向的位移，使韧性基底的颗粒可以在水平方向自由移动；所述韧性基底与刚性基底间产生粘结；
所述韧性基底由相互叠合的颗粒组成，定义初始叠合率cratio=|AO|/(rA+rO),即圆心距离(|AO|)与平衡距离(rA+rO)的比值；当cratio≤0.5时，颗粒A跨越颗粒O与颗粒B产生粘结，为了避免出现跨颗粒粘结的情况，定义临时半径缩放系数rext=rtmp/rold；当生成粘结时，将颗粒半径临时改变为rtmp=rold·rext；当cratio=0.4，rext=0.4时，采用临时缩放半径后，颗粒A刚好与颗粒O产生粘结，避免了颗粒A和颗粒B产生粘结；
5）对步骤4）建立的第二离散元模型，采用离散元的计算方法进行迭代运算，完成待分析区域盆地伸展构造演化过程模拟：基于步骤4）中得到的反映待分析区域地质特征的离散元模型，设置边界条件，固定两侧边界及基底，使两侧边界和刚性基底匀速分离，即给定位移边界条件，模拟现实中的水平伸展作用；加入同构造沉积，模拟真实地质事件。
2.根据权利要求1所述的基于离散元的裂谷盆地伸展过程模拟方法，其特征在于，所述颗粒材料的微观性质包括以下参数：颗粒的半径、颗粒的密度、颗粒的剪切模量、颗粒的泊松比、颗粒的摩擦系数、颗粒间的粘结参数、局部阻尼系数。
3.根据权利要求2所述的基于离散元的裂谷盆地伸展过程模拟方法，其特征在于，设置颗粒间的粘结参数度如下：剪切模量杨氏模量取2.0e8 Pa，剪切模量2.0e8 Pa，抗拉强度0.0~4.0e7 Pa，剪切强度0.0~8.0e7 Pa；粘结产生的条件为|AO|-(rA+rO)≤tolerate，这里tolerate取1e-6。
4.根据权利要求2所述的基于离散元的裂谷盆地伸展过程模拟方法，其特征在于，所述颗粒材料的接触模型采用Hertz-Mindlin模型，颗粒的密度为2500 km/m3，颗粒的剪切模量为2.9e9 Pa，泊松比为0.2，局部阻尼系数为0.4；沉积阶段，颗粒摩擦系数设为0.0，伸展阶段颗粒摩擦系数设为0.3。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |