地质体建模（通用8篇）
地质体建模 篇1
0引言
在工程地质研究中, 数值模拟通过正确描述工程研究对象, 来预测和解决工程实际问题, 同时, 在分析过程中深化对研究对象及其地质模型的认识。数值分析结果的合理性在很大程度上取决于模型建立的正确性和输入参数的可靠性。随着我国经济的持续发展和西部大开发战略的实施, 水利水电事业呈现出勃勃生机, 一大批巨大型水利水电工程相继得到开发, 如三峡、溪洛渡、锦屏等, 这些工程多处于高山峡谷, 所处地区地质构造复杂, 地质信息众多。因此, 在工程地质数值分析中, 如何正确地将地质信息在模型中得到更全面的反映是数值模拟至关重要的一步。
FLAC3D是由美国Itasca公司开发的三维有限差分软件, 用于模拟三维土体、岩体或其他材料力学特性, 尤其是达到屈服极限时的塑性流变。软件自被推出以后, 在岩土工程和水利水电工程中得到了广泛的运用[1,2,3], 已成为目前岩土力学计算中重要的数值方法之一。然而, FLAC3D软件的前处理功能很薄弱, 不能直接进行图形处理, 建模难度更大, 对于复杂的工程岩土体 (或地质体) 而言很难直接实现相应的建模操作, 即使采用其强大的FISH内置语言有时也是无能为力, 这严重阻碍了其在相关领域中的应用。因此, 为解决FLAC3D软件建模的不足, 本文试图利用已有的前处理功能强大的ANSYS软件对复杂工程地质体建立相应数值模型 (包括网格划分) , 再通过ANSYS-TO-FLAC3D接口程序实现FLAC3D模型的建立。
1FLAC3D模型的构建
自从FLAC3D软件被工程应用, 关于它的前处理阶段的复杂三维地质建模方法也相继出现。如胡斌等[4]运用FORTRAN语言编写了FLAC3D的前处理程序, 实现了对于岩层和地质结构较单一的地质体快速建模;廖秋林等[5]采用Visual Basic语言、李根等[6]采用Visual C++语言编写了FLAC3D-ANSYS之间的接口程序, 借助有限元软件ANSYS相对便捷的前处理实现了在FLAC3D中复杂三维地质模型的建立, 但没有很好的模拟地表形态;崔芳鹏等[7]基于Surfer, 将数据转化为FLAC3D能够调用的*.dat文件从而建立复杂三维地质模型, 但调用*.dat文件生成模型所耗的时间长。综上所述, 本文将结合这两种软件各自的优点, 实现更精确、更快速地建立FLAC3D复杂三维实体模型的目的。
一般工程而言, 地形地质图和相关平、切面图 (AutoCAD) 包含了各种地质信息:地表面起伏、等高线、地层界面以及断层构造、岩溶等。根据工程研究的需要每间隔某一定距离切取地形剖面线, 得到剖面线与等高线和地层界面等的交点, 再将这些交点的三维坐标信息提取出来 (工具→查询→列表显示) , 导入Excel作预处理后再输入Surfer软件进行插值, 得到储存了地形表面信息的*.grid文件, 此后将这些经过插值的*.grid文件另存为*.dat文件, 即生成地形表面控制点三维坐标, 结合钻孔资料和切面图上的信息运用同样的方法得到地层界面和断层面控制点三维坐标, 然后将所有的*.dat再导入Excel作处理, 形成ANSYS建立关键点的格式并保存为**.dat文件。ANSYS调用**.dat文件, 生成所有关键点, 然后再由点→面→体自底向上形成实体模型, 再运用布尔运算和网格剖分功能对实体模型进行离散后调用前处理命令, 输出各单元节点坐标及单元信息NODE.DAT和ELE.DAT文件。最后, 用ANSYS-TO-FLAC3D接口程序即可生成复杂三维地质体FLAC3D数值模型 (见图1) 。
2ANSYS单元类型向FLAC3D单元类型转换
ANSYS软件内部单元编码按照一定的规则进行, 同样, FLAC3D内部单元编码也按一定的规则进行, 但这两者软件系统其各自的编码规则有一定差异。不过, ANSYS和FLAC3D单元形状是大体一致的。通过分析各自的编码规则, 找出其相应的规律, 就可以顺利地建立其对应的转换关系, 从而实现两者之间的网格模型转换。表1显示了ANSYS和FLAC3D的四种单元类型节点对应关系。任何复杂的模型均可以通过这4种单元类型中的一种或几种单元类型间的组合进行完美的剖分。
根据表1中对ANSYS和FLAC3D单元数据关系的分析, 作者本文利用FORTRAN语言编写了ANSYS-TO-FLAC3D接口程序。该程序能自动判断其每一单元的形状 (也考虑了退化单元的转换) , 形成FLAC3D单元, 还将ANSYS定义的不同实体遗传到FLAC3D中, 并形成相应的Group, 方便了计算参数的赋值。其主要内容包括:
1) 在ANSYS软件中, 将模型剖分网格后, 调用自编的ANSYS前处理命令流文件ANSYS-PRE.DAT, 产生各单元节点坐标及单元信息NODE.DAT和ELE.DAT文件, 单元节点的主要格式为:1, 5 168.812 25, 7 950.475 14, 0, 第一个数字为节点号, 后面三个分别为该节点号的X, Y, Z坐标;单元的主要格式为:1, 1 041, 1 042, 1 043, 1 044, 1 046, 1 061, 1 056, 1 051, 13, 第一个数字为单元号, 接下来的8个数字为属于该单元的节点号, 最后一个数字是给单元属性, 可以根据这个数字在FLAC3D中, 将不同单元划分成不同的组 (group) , 方便了后期的计算参数的赋值。
2) 将NODE.DAT和ELE.DAT文件和ANSYS-TO-FLAC3D接口程序放到一个目录下, 执行接口程序, 生成FLAC3D支持的*.flac3d 文件, 文件内容如下:
3工程应用实例
某电站的引水隧洞工程区范围大, 山势雄厚, 地表起伏大, 高差悬殊, 断层、褶皱和节理比较发育, 还发育有岩溶管道, 使得建模的难度增加。根据本文提出的方法模拟引水隧洞工程区的实体模型, 进行网格剖分, 共生成98 100个单元、106 880个节点。然后用接口程序ANSYS-TO-FLAC3D生成FLAC3D的数值模型, 共得到16个组 (见图2) , 成功地实现了复杂模型在FLAC3D中的建立。图2中仅展示了表层涉及的部分岩性, 由于部分岩体存在于结构内部, 因此表层无法完全展示。
4结语
1) 采用Surfer软件对地形线数据进行插值, 使得地表形态更精确的模拟。
2) 直接在ANSYS中自底向上建立实体模型, 避免因接口导入模型而产生的小体被忽略等错误。
3) 根据ANSYS和FLAC3D单元数据关系, 编写了ANSYS-TO-FLAC3D接口程序, 快速、便利地建立三维复杂地质体模型, 大大减少了建模所需的时间、精力, 提高了数值模拟的精度, 扩大了FLAC3D在地质工程和岩土工程领域应用范围。
4) 建模实例表明, 该方法建立的数值模型能充分表现工程完全真实的地形、地貌和地质构造条件, 使模拟计算的精确度、可靠度得以大大提高, 从而证实了该建模方法的有效性和可行性。
参考文献
[1]寇晓东, 周维垣, 杨若琼.FLAC3D进行三峡船闸高边坡稳定分析[J].岩石力学与工程学报, 2001 (1) :66-67.
[2]卢书强, 许模, 巨能攀.澜沧江某电站左岸地下洞室群围岩稳定性的FLAC3D分析[J].工程地质学报, 2006 (3) :32-33.
[3]陈新泽, 唐辉明, 杨有成, 等.基于FLAC3D强度折减法滑坡三维稳定性研究——以三峡库区白果树大滑坡群为例[J].水文地质工程地质, 2008 (2) :80-81.
[4]胡斌, 张倬元, 黄润秋.FLAC3D前处理程序的开发及仿真效果检验[J].岩石力学与工程学报, 2002 (9) :57-58.
[5]廖秋林, 曾钱帮, 刘彤, 等.基于ANSYS平台复杂地质体FLAC3D模型的自动生成[J].岩石力学与工程学报, 2005 (6) :22-23.
[6]李根, 赵娜.以ANSYS为平台的复杂模型到FLAC3D导入技术[J].辽宁工程科技大学学报 (自然科学版) , 2008 (10) :17-18.
[7]崔芳鹏, 胡瑞林, 刘照连.基于Surfer平台的FLAC3D复杂三维地质建模研究[J].工程地质学报, 2008 (5) :41-42.
地质体建模 篇2
雅砻江上游室—胡秋爽
摘 要:针对水电地质工程的复杂性,提出了基于GOCAD 的三维可视化建模技术。根据实际生产情况构建了三维地质可视化模型,并进行相关的三维可视化分析。最后应用到牙根一级水电站工程的料场储量计算中,其结果对工程设计和勘察有指导意义。
1.概述
水电工程传统的料场储量计算方法主要有平均厚度法、平行断面法和三角形法。这几种方法各有优点，但在计算精度上还是存在一定的欠缺，且不如三维模型具有直观性。
在成勘院地质处的不断摸索和努力下，采用Gocad进行三维地质建模的技术已经基本成熟，本文以牙根一级水电站为例，简单阐述采用三维地质模型计算牙根一级水电站白姑村骨料场储量的过程及其中的心得体会。
牙根一级水电站位于四川省甘孜州雅江县境内，坝区出露地层为上三叠统两河口组浅变质岩系的中、上段（T3lh2、T3lh3），两河口组中段分为六个小层，上段分为三个小层，奇数层为板岩，偶数层为变质砂岩。其中位于白姑村下游的两河口组中段第二层（T3lh2（2））变质砂岩为坝区的人工骨料料场。料场分布高程2600～2900m，顺河长约170m，垂河宽约303m，呈条带状分布，面积约6万m2，岩层产状EW/S∠65°，料场开采底高程按2620m控制，后缘及上、下游边坡开挖坡角按70°考虑，无用层为弱上风化岩体。
2.三维地质建模
本次建模所采用地形面为预可行性研究阶段牙根一级水电站三维地质模型中的1：:2000地形面，精度满足设计要求。1）.框架搭建的思路
该模型以高程为2620的平面作为开采底面，由于该段河流流向S22°W，岩层产状为EW/S∠65°，与河流近垂直，故T3lh2（1）和T3lh2（2）层的岩性分界线就作为料场上游边界，相应的开采坡角为65°；料场的下游边界则从T3lh2（2）和T3lh2（3）层岩性分界与高程2620m的交线开始，以70°坡角向上延伸至地表；后缘边界从地表2900开始以70°坡角向下延伸，待与2620高程平面相交所得到的面即为后缘边界面。这样，由地形面、底面、上下游边界面及后缘边界面所组成的五面体即为所需要的料场开采范围。
2）.三维地质模型的建立
首先，在料场范围内创建一个高程为2620的底面，面积要足够包括住料场范围，然后将T3lh2（2）层的上、下游岩性分界面导入到Gocad，提取出来两个岩性分界面与底面的交线作为料场底面的上、下游边界线。（图1）
图1.2620高程底面及变质砂岩上、下游边界
接下来利用这两条交线分别作出上、下游边界面。根据已有资料可知，该上游边界面的产状为EW/S∠65°，下游边界面的产状为EW/N∠70°。利用地质处二次开发的插件，一个点和一个产状就可以做一个地质界面，采用交线上的一个节点和边界面的产状即可以很方便的作出。（见图2）
图2.料场上、下游边界面
这里需要说明的就是边界面要做的足够大，至少要超出料场范围，这样才能保证后面切割后料场能够封闭。
根据产状关系，后缘边界面的产状应该为SN/E∠70°。同样在地形面料场范围内高程约2900m选一个点，然后根据产状和坐标点作出后缘边界面。（见图3）
图3.料场后缘边界面
同样，面要做的足够大，与其它面都要完全相交。
最后，将地形面、底面、上下游边界面及后缘边界面全部打开，再全部互相切割，将边缘以外的删掉，就得到了一个五面体，即我们需要的料场三维空间范围。（见图
4、图
5、图6）
图4.切割前的各个边界面交切关系
图5.切割后提取的料场各个边界面
图6.白姑村人工骨料场的空间位置
3）.计算结果
将这个得到的五面体合并，再将所有孔洞全部充填满，所有边界全部删除，就得到了一个闭合的空间范围。采用Gocad里面的“计算—获取体积”菜单就可以很方便的得到了料场的体积。其有用层的建模与体积计算方法和总体积的一样，只是将地形面替换成弱上风化面即可。
3.心得体会
三维地质建模在水电工程地质上的应用极大的提高了工作效率和工作精度，地质处二次开发的插件也是不断的简化软件入手的难度，进一步提高了效率。通过此次建模，我个人也总结了一点技巧： 1）.在创建2620底面的时候，可以先在该区域范围内画两条平行直线，将两个直线端点移动至2620高程，然后利用两条线就可以做出一个高程为2620m的平面了；
2）.做各个边界面的时候，要对面进行适当的撕分，使各个面的三角网大小都相近，这样相互切割后所产生的边界更贴合，不会有零碎的边界产生导致局部出现缺口，否则我们得到的地质体就不会100%闭合，得到的体积也就会不准确；
3）.切割完毕得到各个边界面后，要按照命名—合并—删除边界—填充孔洞—删除边界的操作顺序，以得到一个完整的、封闭的空间区域；
4）.最后计算体积之前，要看下该五面体的属性，只有其属性中的子集数为1，边界数为0的时候得到的计算结果才是准确的。
4.结语
地质体建模 篇3
1、地质建模数据数字化方法
地质建模数据在计算机中主要通过图形数据和属性数据来进行表达, 因此地质建模数据的数字化主要体现为属性数据录入、地质图件的数字化和地质遥感影像数据的提取三个方面。
地质遥感数据是结合现代遥感技术来分析地质规律, 从而获取地质数据。从遥感影像中提取有用的数据, 传统方法可以通过计算机数据处理、人工目视判读和两者结合来实现, 伴随人工智能和一些准则的确立, 运用正向、反向、精确或不精确的推理方式进行解析从而做出决策, 使得自动判译遥感图像的专家系统成为可能, 因此专家系统的使用将成为实现提取矿山遥感数据的重要方法之一。地质图件在计算机中有矢量和栅格两种存储方式, 由于矢量结构比栅格结构更具有数据存储量少、数据严密、精度高、易于表达拓扑关系和输出图形美观等特点, 所以对纸质的二维地质图件往往要经过数字化后将其存储在计算机中。对数据量较小且精度较高的图形, 也可以采用键盘的输入方式, 将数据存储到一定格式的文件中, 然后采用Arcgis、CAD等软件或编程的方式将其转化为图形;对数据量较大的图形, 可选用手扶跟踪数字化仪或扫描的方法来进行矢量化, 但由于手扶跟踪数字化方法带来的工作量非常繁重, 因此矿山的二维纸质图件一般采用扫描矢量化的方法进行数字化。
2、地质建模数据的来源
三维地质建模流程依赖于对大量有价值地质资料的收集, 资料的充分是搭建地质模型的重要条件。经过对矿区现有电子资料和纸质资料的搜集和整理, 不难发现, 此矿区自五十年代以来, 有许多地质单位相继在本区开展过地质勘查工作, 搜集的纸介质和电子资料具体分为: (1) 普查地质报告; (2) 详查地质报告; (3) 储量核实报告; (4) 潜力评价报告; (5) 勘查地质报告; (6) 生产探矿资料; (7) 涉及物探、化探、区域及外围等报告等。
由于无法直接观测地质体, 往往获取的样本数据是不充分、零星和随机的;加上地质形态的复杂性导致构建准确的地质建模难度很大。为确保三维地质模型的准确性, 本次着重利用地质图件来提取多源地质数据, 从而更多的原始数据充实三维地质建模。
在三维地质建模中, 地质图件是非常重要的成果资源, 它反映了地质人员对一个地区地质条件和地质历史发展的认识, 通过对这些地质图件数据的提取, 可获取三维空间地质数据, 从而为三维地质建模准备更多的原始数据。
本工作主要采用三种地质图件:1) 平面地质图, 平面地质图是充分反映矿区地貌特征、地理位置和交通情况等图件, 是进行矿产开采的重要的参考资料。通过对平面地质图的数据提取 (如X坐标、Y坐标和Z坐标等) , 可将二维图像中的点坐标转化为三维坐标, 进而进行坡度、坡向和高程等分析, 因此可为地面工程的布置、矿井下的设计和矿产预测等提供依据。2) 地质剖面图, 地质剖面图是对地质对象 (地层、岩体和断层等) 在垂直方向进行描述的图件, 也是研究地质对象走向重要图件之一。将地质剖面图和反映地质对象在水平方向变化的图件 (如平面地质图和中段地质平面图等) 配合使用, 可获得地质对象在三维空间的分布情况。3) 中段地质平面图, 中段地质平面图是将同一中段标高上的研究对象 (地质、矿产现象) , 结合一定算法投影到平面上而编制的地质图件。将不同标高处的研究对象分别制作中段地质平面图, 可为研究垂直及水平方向的地质体变化情况提供资料依据, 因此中段地质平面图是进行深部找矿的重要图件。
3、勘探工程资料的数字化
三维地质建模数据主要来源于勘探工程数据、勘探线数据 (虚拟探槽数据) 和地面高程数据。
勘探工程数据是通过勘探线位置数据表进行绘制;地质勘探工程资料进行数字化, 包括了提取样品化验数据、孔测斜数据、地质编录数据和开孔数据等数据, 按照相关纸介质或电子表格数字化可直接获得数据;地表建模主要通过提取地形地质图所获得, 对数据提取的传统方法包括自动矢量化和手工矢量化, 一方面地形地质图往往无法满足自动矢量化要求清晰度高、二值化等特点, 由此导致矢量化后的线条连续性差、光滑度不够;另一方面由于地形地质图面积较大, 传统手工矢量化无法达到高效率的标准, 因而这两种方法都达不到本工作的要求。为有效提高了数字化效率, 进行了基于Auto CAD的二次开发实现地质图矢量化功能, 这种方法不仅可将矢量化后的文件以.DXF进行存储, 而这种格式符合大多数GIS软件图形数据转化功能的要求, 而且这种方法能够生成符合要求的矿图图例符号。为进一步提高矢量化的速度, 本阶段在满足了工作精度要求的前提, 在Auto CAD2006基础上进行二次开发, 并将提取的数据保存到相应的文件中。
(1) 三维地质建模数据库。 (2) 三维地质建模数据模型, 利用对矿床资料的收集, 对主要地质对象分别建模, 包括:断层模型、地层模型、地质界面模型和矿体模型等。这些模型的构成数据都可以用二维表格进行表示, 断层建模数据二维表包括X坐标、Y坐标、Z坐标和点名称 (W_Name) 等;地层建模数据包括点关系表和三角网关系表, 其中点关系表包括X坐标、Y坐标、Z坐标和点名称 (W_Name) 等, 三角网关系表包括三角形三顶点ID (PID1、PID2和PID3) 、颜色属性 (COLOUR) 等;由于地质界面模型和矿体模型的数据模型构成方式和断层建模数据类似, 就不再进行描述。 (3) 三维地质建模数据库的建立, 矿床三维地质建模对象主要包括地层、矿体、地质界面、断层和块体, 由于所要求的存储空间不大, 考虑课题进展的便捷性, 本课题采用的数据库平台为Access2007。由于地质建模资料表格的数据结构是线性的, 它们可一对一地直接转换为Access2007中关系模型的逻辑结构即二维关系表来表示 (称为数据表) ;也可直接在软件中 (如Datamine、Vulcan等) 对地质对象圈定建模, 然后将数据导入Access2007中。
参考文献
多条件约束油藏地质建模技术 篇4
在进行油藏地质模型构建过程中首先要实现静态模型建立, 其次实现动态模型建立。动态模型建立又称为驱替模型, 以实验室为依托进行模型构建。本文主要侧重静态模型构建, 对油藏地质模型的建立, 即实现构造模型、储集层模型与流体模型。
多条件约束建模, 主要是指在在二维空间或三维空间实现地质属性模型建立, 要充分结合属性数据之间的关联性, 并对相关属性数据进行数据处理, 是一种针对复杂地质建模的有效技术。多条件约束建模技术主要包括:属性空间约束, 作为约束条件的属性数据所在的公共空间是该属性建模的范围;属性转换约束, 作为约束条件的属性数据可根据其自身与该建模属性的最佳相关关系转换为该属性建模的一组基本数据;属性校正约束, 作为约束条件的属性数据可根据实际要求共同校正已经建好的属性模型。
2 多条件约束油藏地质建模的关键技术分析
关键技术当中主要包括了断层封挡、多边界以及单砂体为构造技术等。这当中多边界技术属于在进行油藏地质建模过程中的一项普通技术类型, 断层封挡技术以及具有标志层约束条件之下的单砂体为构造技术基本多应用在多油藏构造建设方面。此外, 随机建模技术主要是一种应用在储集层建模的一种过程。在对复杂油气藏当中的流体进行分布设计时, 主要会通过借助于流体分布完成建模。同时, 本文当中也重点分析了断层封挡、多边界技术等三种关键技术类型。
2.1 断层封挡
通过借助于断层封挡实现网格化建设, 将断层放置在三维或者是二维的构造数据当中, 依据断层以及离散点形成的位置关系, 并可以有效控制所有网格点构造过程中的数值技术。理论技术如下图当中所示:
2.2 多边界技术
多边界技术主要是指在针对储集层性能相对较差且非均质性较为严重情况下的油藏建模时, 通过借助于认为方式, 可以进行有效性范畴的划分, 并规定一部分属性可以根据规律完成。通过借助于多边界技术能够有效处理掉复杂地质建模当中的问题。
通过上述理论简图分析得到, 图中D1、D2、D3以及D4等主要是根据某种要求以及规律划定的多个边界。现在对这个事件进行假设, 其中m点属于在某个区域当中的一个事件, 因此, 需要通过m点完成垂线, 并确保其中y值不会发生改变, x值也会在这个过程中增加。剪掉的无穷小dx就能够获得m1与m2, 并通过两个点, 再作出垂线。其中有两个点能够满足D2 区域当中的交叉条件, 就能够完成对m点的认定。
2.3 标志层约束条件当中的单砂体构造技术分析
这项技术主要应用的是同一环境当中大部分相邻沉积体构成形态相似的原理, 并能够对构造信息量巨大却精准性较高的构造约束层提供了帮助, 可以完成对小层单井顶部构造资料作为已知离散点数据。并能够获得工区当中不同小组的顶部构造长, 最终形成地质模型。
3 结语
综上所述, 多条件约束条件下形成的技术需要应用在储集层建模当中, 且上述技术也应适用在火山岩以及相关岩层储集层当中。这项技术当中因为拥有创新技术, 在解决多种类型的复杂问题方面具有明显优势。建模对象主要是指新油田以及老油田, 通过对建模对象方面相关数据内容进行搜集, 并对上述中建模所需的原始材料等进行添加, 通过建模软件, 可以形成信效度较高的油藏地质模型, 这也是当前技术条件下建模技术的关键。
参考文献
[1]郑应钊, 刘国利, 马彩琴, 李绪涛.多条件约束地质建模技术在青西油田裂缝性油藏中的应用[J].油气地质与采收率, 2011, 03:77-80+93+116.
地质体建模 篇5
关键词：粉末冶金,喷射成形,PLC控制,系统建模
引言
喷射成形是上世纪60年代提出的学术思想, 该技术是从传统的快速凝固粉末冶金 (RS/PM) 工艺基础上发展起来的快速凝固近终成形材料制造技术。它是一项涉及粉末冶金、液态金属雾化、快速冷却和非平衡凝固等多领域的新型材料制备技术。其基本工作原理是利用惰性气体将合金熔体雾化成不同尺寸的熔滴, 然后沉积到接收基体上, 凝固成结合良好的接近完全致密的坯件;通过调整沉积体的形状和控制沉积体相对于喷嘴的移动, 可以制成不同形状的沉积坯件。喷射成形技术相对于传统的粉末冶金工艺, 制备的材料晶粒更加细小, 组织更为均匀, 且能够抑制高合金化材料中的宏观和微观偏析, 材料的力学性能几乎没有各向异性, 致密度高。此外, 由于喷射成形制成的合金含氧量低, 耐磨性和耐腐蚀性也大大提高, 被广泛应用于航空航天等军事领域。但喷射成形技术的难点在于复现性差, 不易于找到统一的控制模式, 本文旨在从实际应用之角度对长轴面沉积体的喷射成形作业进行控制方案的分析、设计, 寻找一些规律和技巧, 以达到生产出高质量产品的效果。
1 系统总体控制方案设计
不同生产条件下, 喷射成形原理上没有多大差别, 但生产装置和控制方法等方面是解决该技术的关键。江苏共昌轧辊股份有限公司 (以下简称“江苏共昌”) 通过对国家“十二五”科技支撑计划项目的组织实施, 成功研发出适合喷射成形轧辊的成套设备, 如图1所示, 包括熔炼系统、保温系统、雾化沉积系统、真空系统、除尘系统、沉积体精确运动控制系统、监测系统、冷却水循环系统, 及PLC上位机控制系统、雾化沉积监控系统等。
真空熔炼感应炉置于中间包上方, 熔炼钢水经除渣、脱氧后直接倾倒至中间包坩埚, 以减少由于运输造成的热量损失。中间包坩埚采用感应加热进行钢水恒温处理, 主要采用钨铼热电偶进行测温和信号反馈, 闭环控制中频电源输出功率, 保证了钢水的浇铸过程温度一致。对中间包坩埚进行了特殊设计, 采用双室坩埚, 一方面隔墙底部开孔的连通器可以保证钢水的纯净度, 另一方面让水口位保持一定的压强, 有效地防止了堵嘴及喷射不均等异常情况的发生。
设备的传动系统包括熔炼坩埚的倾倒、沉积体装载小车的进出、沉积体的升降及自转、沉积体U型加热器的定位与加热控制、喷射舱的闭锁和密封、雾化气的控制等。其中沉积体的升降及自转需要精确的变频调速控制, 选用Micro Master440系列变频器, MM420变频器由微处理器控制, 采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件, 具有很高的运行可靠性及功能的多样性。MM420变频器的控制方式有多种, 可以通过数字量加模拟量实现简单控制, 也可以通过USS或PROFIBUS的方式与其他控制单元通信连接。在变频调速控制上我们采用PLC输出模拟量控制变频器输出频率和开关量控制启停来实现。设计的喷射成型控制系统 (如图2所示) 主要由可编程序控制器PLC、工业控制计算机、上位组态控制软件 (WINCC) 、现场传感变送器、执行器 (如电动机等) 、阀门机构等组成。
下位机选用的是西门子S7-300系列PLC, 包括CPU模块、信号采集模块、电源模块等。选用SIMATIC工控机作为上位监控系统, 以及西门子组态软件WINCC。工控机上安装有CP5611通讯卡, 上、下位机之间采用MPI方式进行通讯连接。WINCC组态软件可以实现人机交互界面, 可以对喷射过程进行方便直观的监视、控制及数据的归档和报警信息的处理;PLC和现场具体设备相连, PLC程序实现对设备整体工作流程的具体控制实现;PLC通过协议与WINCC实时交换数据。
2 上位监控系统WINCC软件设计
2.1 设计方案
WINCC组态软件是一个集成的人机界面HMI和监控管理系统, WINCC中提供了ANSI-C和VBS语言脚本, 具有标准的应用程序接口, 通过ODBC和SQL能访问WINCC所集成的数据库归档数据。WINCC主要由控制中心、系统控制器和数据管理器等模块组成, 其中控制中心组合了系统操作所需的全部数据, 并确保按等级数据进行存储, 系统控制器进行通讯管理, 而数据管理器主要是用于处理变量值。在设计控制软件时之所以选用WINCC组态软件, 除了因为其功能强大之外, 还兼顾考虑到其本身提供有下位机S7-300PLC的驱动程序, 可以嵌入编程工具STEP的管理器, 使得上位机程序和下位机PLC程序可以被统一管理, 二者链接非常容易实现。监控主画面 (如图3所示) 根据实际生产需要主要对喷射过程进行动态管理与监控, 有工艺参数设置部分、沉积体负载小车4个方向及自转控制部分、沉积小车模拟运行动态画面、各电机转速及位移随动显示部分、报警单元、沉积体加热器及安全门联锁运动控制部分等, 其中一些子画面由按钮调用。
画面中左侧中上部显示模拟的各部件单元的运动状态, 左下部分分别显示了X, Y, Z轴的运动速度曲线的实时监控, 画面右侧分别是喷射成形工艺参数设置、喷射沉积体的手动定位, 启停控制, 下方为子画面调用按钮。
2.2 控制程序
2.2.1 工艺参数的设置与修改
点击“设置参数”会自动进入参数设置画面, 如图4所示。在获取参数修改权限后可以对控制工艺参数进行修改。主要的参数分为三块内容:1) X轴、Y轴的单圈移动距离及Y轴的提升速度控制;2) X, Y, Z轴的减速机的减速比;3) 运行参数设置的极限值, 防止超出安全控制的参数范围。而对于复现性的产品生产, 也可以从预先存入的数据库中直接进行参数调用 (如图5所示) , 为数据管理及工艺改进提供方便。
2.2.2 启动或停止作业
在参数修改或调用程序结束后, 需要手动定位沉积体的起始点, 通过点击主画面右侧的“手动定位”按钮获取权限, 通过调节四个方向将雾化喷嘴定位在沉积体左侧的起点位置。定位结束后, 沉积体进行预热, 红外测温仪检测预热温度并自动反馈至中频装置, 达到预设温度后, 中频装置关闭, 沉积体装载小车运行至起喷点位置, 铁水雾化气压 (40MP) 正常、中间包坩埚内铁水温度满足后, 点击“启动按钮”, 铁水泄流闸阀打开, 沉积体自转同时沉积体装载小车按预设方向开始移动, 喷射成形作业按设定的工艺路线开始运行。喷射作业直到沉积体直径达到目标直径时自动终止。
在喷射成形加工过程中, 暂停按钮可以随时终止喷射作业, 再次点击暂停按钮, 将按照原先的加工进度上继续执行喷射作业。急停按钮用于在系统出现紧急情况下切断伺服电机电源之用。报警子画面列出了故障信息, 如图6所示。
画面上显示出X, Y, Z轴伺服电机及电源模块的工作状态, 当出现故障报警时, 可以查看相应的报警代码。同时, 也可以通过操作相对应的复位按钮将报警进行复位。
2.2.3 动态监控
曲线画面主要用于喷射过程中对X, Y, Z轴伺服电机运行转速的动态实时监控, 如图7所示。
3 控制系统建模方案
轧辊长轴喷射成形要兼顾多种条件因素, 要在铁水雾化喷射扫描速度、往返运行速度、基轴变速下降、雾化气体压力的调节等方面达到和谐的统一, 才能在保证较高的沉积收得率的前提下喷射出致密的冶金结合良好的产品。轧辊基材在真空喷射仓内用U型中频感应加热器预热到1200℃, 真空环境预防了基材氧化, 高温预热保证了冶金结合。
3.1 建模相关参数的定义与设定
3.2 喷射成形工作状态的运动控制和算法
3.2.1 堆积厚度 (D)
D= (铁水流量*沉积率) / (7.85×线速度×带宽) = (A×H) / (7.85×B×C) 。
3.2.2 工件起始速度 (F)
F=工件线速度/ (起始直径×∏) =B/ (Y×∏) 。
3.2.3 工件旋转的速度控制
工件线速度/ (工件直径×∏) =B/ (Y+2×D) ×∏=B/[Y+2×A×7.85/ (B×C) ]×∏。
3.2.4 工件横向行走速度
起始横向速度*起始直径/ (起始直径+2×堆积厚度) =E×Y/ (Y+2D) 。
3.2.5 工件横向运动的次数N (以改变运动方向计数)
N= (工件目标直径-工件起始直径) / (2×堆积厚度) = (Z-Y) / (2×D) 。
3.2.6 下降位移控制 (以每个横向运动行程结束时下降一次)
每次下降的距离=堆积厚度=D。
3.3 关键控制点—起喷点的设置方案
1) 设置原则:从一端向另一端进行铁水喷射扫描堆积, 起喷点改变了传统的以中心点为基准向两侧扫描的方式, 实际证明, 设计为端点定位的控制方式更加合理;
2) 喷射起喷位设置有接近开关, 当沉积体工件装载小车到达此位置时, 信号反馈至主程序, 主画面有到位信号指示灯, 而喷射过程中该信号将直接控制沉积体装载小车横向位移的反向动作。
通过将以上的建模方案定义至S7-300, 对应的PLC程序设计将异常简便。
4 结束语
喷射成形设备结构形式复杂多样, 比如有单喷嘴、双喷嘴和多喷嘴等;有沉积体工件水平方向和竖直方向移动, 或沉积体固定而喷嘴移动等方式;设备配置不同其控制方案也相差迥异。本文仅就江苏共昌沉积体工件水平移动方式 (包括随着沉积厚度的增加为保证铁水喷射雾化距离而进行的本体下降运动) 做出了控制方案设计说明, 对关键的结构件如U型中频感应加热器、恒压双室保温中间包坩埚、雾化喷嘴系统等进行了自主开发设计, 部分申报了国家专利。PLC控制系统设计先进, 运行可靠, 保证了喷射成形工艺执行过程中的零误差。系统可维护性好, 提高了项目的自动化作业率和工作效率, 铁水雾化沉积率在80%以上, 在行业中有比较好的借鉴意义。
参考文献
[1]张济山, 熊柏青, 崔华.喷射成形快速凝固技术——原理与应用[M].北京:科学出版社, 2008.
如何识别各种地质构造体 篇6
关键词：新能源技术,地质结构,油气勘探,济阳坳陷
1 概述
地质构造有不同的级次, 全球性的、大区域的级别最高, 称作大地构造。大地构造学就是专门研究这些大型构造的形态特征, 发生、发展过程, 组合规律, 演化模式, 分析产生这些大型构造的地壳运动方式及动力机制。
大地构造学理论对地质学各个分支的研究方向有着深远的影响, 因此, 在地质学领域有着十分重要的地位。
油气勘探、开发研究的主要是与油气密切相关的盆地及盆地内的次级构造, 属于小型的区域性局部构造。但小型区域构造是受大地构造背景控制的, 因此, 我们在研究区域构造之前必须对大地构造的主要观点有所了解。
大地构造学有多种学派, 他们都试图客观准确地揭示、解释全球大地构造的现象和本质。目前主流学派有三种:
(1) 地槽-地台说:该学说认为地壳以垂直运动为主, 且有相对的活动期和稳定期。处于活动期的地壳称为地槽, 处于相对稳定期的地壳称为地台。
(2) 地质力学说:地质力学说是我国地质学家李四光先生创立的, 他认为引起地壳变动的动力来自地球自转速度的变更, 运动方向以径向和纬向的水平运动为主, 而垂直运动是由水平运动派生的, 不是主要的。
(3) 板块构造说:板块构造说是在大地漂移说和海底扩张说的基础上建立起来的一种新的全球性大地构造学说。它认为地球的表层是由为数不多 (10-25块) 、大小不等的岩石圈块体拼合起来的。这些块体厚度很大, 一般既包括大陆地壳、也包括大洋地壳。由于地幔热对流 (放射性物质释放的热量积聚) , 引起海底扩张, 推动板块缓慢分离、会合或平错。
目前板块说收集到的有力证据有三点:
(1) 大西洋两岸的大陆地层、构造遥相对应, 可以拼接。两岸古生物及古气候在古生代末和中生代初很相似。
(2) 地球上同一地质时代形成的岩石古地磁指向应该是相同的, 但实测结果, 现今同一时代, 不同板块岩石的古地磁指向不相同, 显然是古块体位置发生了大的漂移。
(3) 现今为止, 发现洋壳地层最老的是三叠、侏罗系, 未发现前中生界地层。显然是地壳板块不断离散、俯冲进入地幔, 老地层已被消融、同化而消失。
2 地质构造体的分类及济阳坳陷分析
地质构造是岩层在地质作用下发生的弯曲变形和断裂, 由地球内力的地质作用形成的构造在分布范围、规模及数量方面都占绝对优势, 是构造地质学的主要研究对象。本节根据油气勘探现场工作的需要, 主要介绍与含油气盆地密切相关的中小型构造, 内容包括褶皱、断裂和面理。
2.1 褶皱构造
褶皱构造是地壳中常见的构造形态, 是岩层受力变形产生的连续弯曲, 岩层的连续完整性没有遭到破坏, 它是岩层塑性变形的表现。褶皱中的单个弯曲称为褶曲, 其基本形态有两种, 向上弯曲叫背斜, 向下弯曲叫向斜。
2.2 断裂构造
当应力达到岩石的破裂强度时, 岩石将发生破裂变形, 形成所谓断裂构造。断裂构造有两类, 即节理 (裂缝) 和断层。节理 (裂缝) 是指断裂面两侧的岩石无明显相对位移的断裂构造。断层则是断面两侧岩石沿断裂面发生了显著位移的断裂构造。断裂构造广泛分布于地壳中, 它可以成为油气运移通道, 也可以作为油气的储集空间。
2.3 面理构造
面理主要指地质体变形、变质过程中形成的次生“透入性”面状构造。劈理是面理的主要类型, 它是在区域压应力作用下, 岩石的矿物组分机械旋转、定向结晶、压溶分异或岩中在垂直压应力方向的缩短等所表现出来的一种面状构造。在变形岩石中, 绝大多数劈理与褶皱同期发育, 劈理大致平行褶皱轴面。在强岩石 (如砂岩) 和弱岩石 (如板岩) 组成的褶皱中, 强岩石中劈理常成向背斜核部收敛的扇形, 弱岩石中的劈理则成向背斜转折端收敛的反扇形。紧闭褶皱中 (两翼几乎平行的褶皱) , 劈理与轴面几乎一致, 与褶皱两翼近乎平行, 仅在转折端处, 劈理与层理面大角度相交或近于垂直, 这充分说明劈理垂直于最大压应力方向。劈理在区域变质岩区常见, 认真观察, 描述劈理构造的特征, 判断其成因类型是进行区域应变分析的重要手段。
坳陷是由于褶皱、断裂和面理综合作用形成的一种地质结构, 是盆地内相对下降占优势的负向构造单元, 它往往是复向斜或地堑, 是一定地质时期的沉降, 沉积中心。我们以济阳坳陷为例说明它与油气勘探的关系。
济阳坳陷是中生代末燕山构造活动期形成的基底单面山式新生代陆相盆地, 面积约25000km2。受鲁西隆起的影响, 坳陷内部又被次一级的基底断裂分割成几个相互间隔的凹陷和凸起, 由南而北依次是东营凹陷、青城――滨县――陈家庄凸起、惠民――沾化凹陷、无棣――义和庄凸起、车镇凹陷。盆地四周被南部的广饶凸起、东部的垦东青坨子凸起, 北部的埕子口凸起和西北的无棣――宁津凸起所包围。
次级凹陷都是北断南超式的箕状盆地, 北侧被巨大的基底同生断层所切割, 巨厚的新生界沉积通过断层直接与基底老地层接触, 南侧为平缓的斜坡, 新生界地层向上倾方向减薄、尖灭、超覆、退覆。
东营凹陷是济阳坳陷中最大的一个凹陷盆地, 面积约5700k m2, 自北而南分布着七个二级构造带, 即滨县――陈家庄潜山构造带、北部断裂带, 坨胜永逆牵引背斜带、中央隆起带, 梁――牛――六凹陷带, 草桥――八面河断鼻带, 南部斜坡带。
总的来说, 济阳坳陷主要形成于裂陷环境, 区内伸展构造样式占绝对优势。按几何学和成因学特征, 可将其划分为翘倾断块式、滑动断阶式、潜山披覆式、重力背形式、底辟等5种次级构造样式。不同构造样式对油气的运移和富集都有一定影像。其中, 翘倾断块、滑动断阶、潜山披覆、重力背形、底辟等构造不仅控制盆区的沉积作用, 而且有利于油气的成藏和聚集, 是研究区油气地质研究和勘探的重要对象。
3 结语
本文从地质结构的形成学说入手, 简要介绍了三种地质构造学说的特点和理论依据, 然后就油气勘探常用地质结构进行了分类:褶皱、断裂和面理, 其中坳陷属于形成复合式油田的一种重要地质结构, 认真分析济阳坳陷的成因和地理分布, 以及其对应的油气勘探的关系, 对于我们提高传统能源的发现和利用是有重要意义的, 但文章还难免存在一些疏漏之处, 希望有关同行提出宝贵意见批评指正。
参考文献
[1]陆克政, 漆家福.渤海湾新生代含油气盆地构造模式.北京:地质出版社, 2005[1]陆克政, 漆家福.渤海湾新生代含油气盆地构造模式.北京:地质出版社, 2005
地质体建模 篇7
1 目的和任务随勘察阶段的不同而改变
在重要建筑工程的施工场地上, 工程地质勘察的目的应是检验前期所得的工程地质资料以及修正施工图和施工设计。在完成上述这些勘察任务时, 进行工程地质测试工作, 其目的和任务随勘察阶段的不同而改变。
在岩土试验过程中, 通过动、静触探, 贯入测井和快速试验法 (单轴压缩, 微型贯入, 核物理方法等) 获取岩土性质的资料。这些资料从强度和可压缩性特征方面补充有关岩土成分和性质的资料, 并有助于客观地选择最佳方案。能表示一级单一岩性地质体特征的分类指标的估计值应以幅值的形式给出。贯入指标、极限抗压强度、极限抗剪强度以及与之类似的指标, 在校核了统计资料的一致性之后, 以平均值的形式给出。岩土性质资料的置信概率为0.7~0.9。该置信概率可用下述形式表示:a.直接在图上 (一级单一岩性地质体的界限范围以内) 标出用野外现场方法所得的分类指标的幅值和指标的估计值;b.在划分一级单一岩性地质体的边界上, 用连续性未遭中断的指标回归平面表示。
2 工程地质单元指标值的计算
计算单元。系指由一种或数种矿物成分的不同岩土组成的工程地质体, 按计算条件, 容许综合反映该地质体中各工程地质要素的指标值, 或是采用其中的一个工程地质单元指标值进行计算。
指标值的综合最常用的办法是将用于计算工程地质作用的指标值进行加权平均 (沿厚度) 。通常, 如果这是由于计算 (例如建筑物的稳定性计算) 的要求, 作为表征整个计算单元的指标可选用其最为不利的数值, 即某一工程地质单元的平均值。计算单元是在内业条件下, 由工程地质单元编制而成。
工程地质单元。由一种岩性组成的工程地质体, 在每一具体情况下, 根据计算要求, 所选定的某指标值在统计上是齐性的。工程地质单元的大小和形状, 应根据地质环境特征的资料, 以及建筑工程的类型和技术特点确定。在内业条件下, 工程地质单元是根据岩土性质资料的统计整理结果而划分出来的 (利用统计检验法校核分布规律和抽样的齐性, 统计计算) 。
3 利用测试结果划分工程地质单元及其特征
利用测试结果划分工程地质单元及其特征。这种测试是根据有序系统在建筑场地范围内最重型建筑物影响范围的深度内 (最简单的情况是在有效影响带深度以内) 进行的。设计工程师需要校核建筑工程配置的各种方案, 因此他应该掌握建筑场地任何地段的地质资料, 以便计算每一被设计的构筑物的地基。在工程地质测试过程中, 采取扰动土样以确定分类指标。根据对这些指标的评价以及建筑标准和规范, 选取初步计算用的岩土性质指标的标准值。在重要建筑物的最佳配置地段, 采取原状试样以测定岩土的强度和可压缩性。有关岩土性质的资料是在野外现场试验 (触探、压缩试验、载荷试验等) 过程中获得的。
在具体建筑物分布的位置选定之后, 进行地基的最终计算, 并编制施工实施设计。为此, 需要提供有关拟建建筑物影响范围内地质环境特征 (地质结构、水文地质条件、岩土性质) 的工程地质资料。这种资料是在上述指定范围内所进行的详细工程地质勘察过程中取得的。在勘察工作中, 除勘探、钻探和岩土野外现场试验外, 尚包括工程地质测试工作。在详细工程地质勘察范围内, 测试工作的任务有:a.将影响范围内计算断面上的岩土划分为三级单一岩性的地质体;b.取得岩土性质指标的统计资料, 以保证能够运用统计齐性检验, 在相互影响范围内划分工程地质单元;c.用规定的置信概率估计平均值的方法评定所划分出的地质体和工程地质体。
4 地质勘察的资料应满足建立计算图式的需要
详细工程地质勘察所得到的资料, 应满足建立计算图式的需要。如前所述, 计算图式是相互影响区垂直断面的模型, 岩土测试的目的是取得影响区计算断面岩土性质的资料。建筑物的建造位置、规模及其在平面上的轮廓, 以及建筑物荷重的分布等, 在勘察之前都是已知的。因此, 一切勘探、钻探工程, 岩土现场试验点, 均应沿建筑物轴线 (周边线) 和预定影响带的垂直断面 (计算断面) 布置。这样布置的勘探工程和现场试验点, 可保证取得工程地质断面图, 并在此基础上建立计算图式。
所有勘探工程均应揭露至建筑物影响范围的下界。从钻孔 (试坑) 里采取原状样, 除岩土的其它性质指标外, 尚需用其测定强度和可压缩性指标。测试工作量应足以获取置信概率为0.85~0.95的平均值。对独特的建筑物, 置信概率提高至0.99。在矿物成分和粒度组成均一的土层范围内, 测试断面的间距按建筑标准和规范的规定计算。
结束语
工程地质勘察是为查明影响工程建筑物的地质因素而进行的地质调查研究工作。所需勘察的地质因素包括地质结构或地质构造:地貌、水文地质条件、土和岩石的物理力学性质, 自然 (物理) 地质现象和天然建筑材料等。这些通常称为工程地质条件。查明工程地质条件后, 需根据设计建筑物的结构和运行特点, 预测工程建筑物与地质环境相互作用 (即工程地质作用) 的方式、特点和规模, 并作出正确的评价, 为确定保证建筑物稳定与正常使用的防护措施提供依据。
参考文献
[1]中华人民共和国建设部, 岩土工程勘察规范[M].北京:中国建筑工业出版社, 2002, 2.
[2]王大纯, 张大权, 史毅虹等.地质勘查学基础[M].北京:地质出版社, 1995.
地质体建模 篇8
1 透镜体
1.1 简介
透镜体主要成分为粘土矿物, 颗粒较小, 不同的环境形成的透镜体有很大的差异, 透镜体按成因分为沿海沉积类和内陆沉积类。
(1) 沿海沉积类。
(1) 滨海相沉积:此类土层常夹粉砂薄层或透镜体。特别是年代较新的土, 工程性质差。 (2) 三角洲相沉积:海相与陆相的的交替沉积, 多交错斜层理或不规则的透镜体夹层。
(2) 内陆沉积类。
(1) 湖相沉积:往往含有不等的泥炭夹层或透镜体。 (2) 河漫滩相沉积:河流的中下游河谷常有此类沉积相。软弱土常夹于上层粘土层之中, 常为透镜体状, 大小、成分、性质变化大。 (3) 牛轭湖相沉积:土层性质类似湖相沉积, 但分布范围窄, 呈透镜体埋于冲积层下 (如图1) 。
2 布尔方法简介
2.1 基本原理
设U为坐标随机变量, Xk是表征第k类几何物体几何特征 (形状、大小、方向) 的参数随机变量;则第k类几何物体中心点的分布构成过程U, 它可以用形状随机过程Xk和表示第k类几何物体出现与否的指标随机过程Ik来表示。两者的联合分布“示性”, 从而构成一示点过程;坐标位置点过程U的产生方法视具体情况而定。在认为示性点位置完全随机的前提下, 当目标位置相互独立、目标密度为常数时, 可以认为目标中点位置符合平稳泊松点过程。当目标位置既相互独立, 又相互联系 (如重叠) 时, 相应的点过程称为吉布斯点过程。以泊松点过程为基础的模拟方法适合模拟砂土背景上存在小尺度透镜体隔层这类现象;而以吉布斯点过程为基础的模拟方法适合于以河道砂层带内各河道透镜体相互镶嵌的现象, 如模拟河流或河流三角洲河道及相关地区。
(a) 条件数据; (b) 条件数据首先满足; (c) 随机产生井间透镜体, 若与条件数据冲突则调整; (d) 目标函数达到预定的阙值则结束 (如图2)
2.2 计算方法
透镜体很少是一种简单的形状, 也很少按确定的随机分布规律随机地分布于地层之内。即使很密集的3—D露头采样所取得的数据也很难确定{Xk (u) , Ik (u;k) (k=1, 2, 3…k, u∈定义域) }的复杂联合分布。因此, 布尔离散模型的确定主要是一个“逐步逼近过程”;即用各种参数分布和相互作用的多种组合进行迭代, 直至最终得到令人满意的随机图像为止;具体地讲, 就是根据具体问题设计一个目标函数, 并确定一个目标函数阈值;用随机抽样的方法, 通过从已知样本中抽样产生示性点过程随机变量, 计算目标函数值, 直至达到函数阈值为止。
(1) 随机抽样产生透镜体中心位置 (xc, yc) 。
(2) 从经验累积概率分布函数中随机抽取透镜体厚度。
(3) 由已确定的厚度-长度关系确定透镜体长度。
(4) 计算目标函数值 (Fs) :
(5) 重复上述过程产生另一个透镜体, 计算sF值, 直至达到给定Fs为止。
2.3 值计算公式推导
假定钻井数足够大。如图3所示, 设∆h为剖面宽度, L为剖面长度, nz为均匀细分剖面小段的个数, ∆hz为一个细分小段尺寸, hi为细分小段内截取的透镜体厚度平均值 (图3) 。又设pi为第i细分小段内透镜体钻遇率, 即:
其中ni为第i细分小段内砂土钻遇透镜体井数, n为钻井总数。
其中, Lsi为第i细分小段内截取的透镜体累计长度。第i细分小段内截取的透镜体累计面积:
当∆hz足够小时, ∆hz=hi, 第i细分小段内截取的透镜体面积百分数:
因此, 所有细分小段内截取的透镜体面积百分数累计为:
2.4 随机建模步骤
2.4.1 布尔模拟前期数据处理
(1) 确定各砂层组的透镜体体长/厚比。按照各砂层组的沉积特征, 参照附表确定透镜体宽/厚比分别。
(2) 确定透镜体/剖面面积比。透镜体/剖面面积比由式 (1) 定义。在钻井数量很少的情况下, 由于井间透镜体的分布情况是未知的, 直接确定Fs值是很困难的, 甚至是不可能的。因此, 必须寻求其它途径求取sF值。本文采用的方法是: (1) 将剖面细分成nx个小段, 使得每一细分小段厚度 (出) 远远小于透镜体成因单元厚度; (2) 统计每一小段内的砂岩钻遇率 (ip) ; (3) 计算∑pi/nx:即Fs。
(3) 统计砂层组透镜体成因单元厚度分布。
(4) 确定单透镜体在纵向上的分布概率。
(5) 采用前述算法进行随机模拟。
2.4.2 布尔模拟实现步骤
布尔模拟实现的一般步骤为: (1) 把已知井位处的透镜体条件化, 得到条件数据 (见图2a) , 砂体中心位置可以是随机的; (2) 随机抽样产生预测砂体中心位置 (x, z) (见图2b) ; (3) 检查该砂体与已知井位处的数据是否发生冲突, 若是, 调整该砂体 (见图2c) , 否则进行下一步; (4) 从经验累积概率分布函数中随机抽取该砂体厚度; (5) 由已确定的厚度、宽度关系确定砂体宽度; (6) 计算目标函数sF (砂体剖面面积创面总面积) 的值; (7) 转到步骤 (2) 产生另一透镜体, 计算sF值, 直至达到给定阙值为止 (见图2d) 。
3 透镜体随机生成
3.1 透镜体随机生成的实施步骤
用电子计算机随机生成透镜体进行相关数值模拟之前, 首先需要确定生成区域, 透镜体的形状以椭圆进行模拟, 然后根据统计数据, 分别建立三个分布函数, 透镜体中心点分布函数F1 (x) 、长短轴分布函数F2 (x) 和倾角分布函数F3 (x) , 可以是均匀分布, 正态分布或者对数正态分布。根据其分布形式采用蒙特卡罗法产生相应分布的随机数, 在该区域中随机生成透镜体的中心位置 (x, y) , 长轴R1、短轴R2和倾角α, 用计算机模拟产生透镜体的透镜体单元, 一般步骤为以下几点。
(1) 根据F1 (x) 的分布形式产生随机数确定第个颗粒的中心位置。
(2) 根据F2 (x) 和F3 (x) 的分布形式产生两个随机数, 确定该颗粒的长短轴比Ri和长轴a并求得短轴.这样一个透镜体的初步位置得以确定。
(3) 检验该透镜体是否合适, 即保证新产生的椭圆要在允许的边界之内, 如果考虑透镜体不能与已产生的发生重叠, 必要时对新产生的透镜体的参数进行微小的调整再进行试算。
3.2 椭圆重叠的判断
在整体坐标系中, 两个椭圆的重叠判断可用数学公式推导求得, 但相对较复杂。本文改将其中一椭圆形颗粒 (颗粒i) 的边界点以有限点逼近, 另一椭圆形颗粒 (颗粒j) 以其长轴 (短轴亦可) 为映射基准轴, 将颗粒j映像成圆形颗粒, 而颗粒i的有限点亦同时随之以同样方式映像, 最后以映射后的颗粒i的有限点与颗粒j映射后所产生的圆形颗粒进行重叠判断。椭圆重叠判断可根据下式进行判断 (如图3) :
α为椭圆j的主轴与水平的夹角, (xj, yj) 为颗粒j外部点坐标, 为点与椭圆形颗粒j中心点连线方向与水平方向的夹角, 为椭圆j的长短轴半径。
若存在任一有限点在映射后所产生的圆形颗粒内, 即∆>0, 则可判断此二颗粒重叠;若映射后仅有一有限点位于映射后所产生的圆形颗粒圆周上, 即∆=0, 则此二颗粒接触但无重叠;若映射后没有任何一有限点点位位于映射后所产生之圆形颗粒内或圆周上时, 即∆<0则此二颗粒未接触且无重迭。
两个透镜体相交, 需要调整对透镜体的中心做修正调整。修正后的颗粒继续与其它颗粒判断和修正, 若超过予先允许的修正次数, 仍找不到合适位置, 则退出判断, 需产生新的随机数, 重新开始检验。
4 结语
模拟结果表明, 布尔建模方法可以揭示透镜体的分布以及在横向、纵向上的变化规律, 很好的再现透镜体的空间分布, 有利于更真实的反映实际的工程地质条件。
在井资料很少的情况下, 使用布尔方法建立的透镜体连续性模型, 使得建模参数更合理、可信, 布尔方法简单、使用灵活。具体应用时可以容易也将地质资料加入到模型中, 模拟结果比较贴近地质概念。
摘要：在工程勘察或基础设计方面, 通常的做法是假设土层水平, 将透镜体或尖灭不见的软弱夹层的工程效应略去不计, 此等简化颇可商榷。事实上透镜体夹层由于其高压缩性和高孔隙比, 很容易引发差异沉降, 而差异沉降相对于均匀沉降而言危害更为严重, 这必然对地基沉降有相当程度的影响。针对此种情况, 本文采用布尔随机建模技术, 对土层中的透镜体, 以类似椭圆的几何形状进行随机模拟, 可根据钻孔资料, 揭示透镜体的分布以及在横向、纵向上的变化规律。模拟结果表明布尔建模方法可以很好的再现透镜体的空间分布, 有利于更真实的反映实际的工程地质条件。
关键词：随机模拟,透镜体,布尔建模,钻孔
参考文献
[1]胡向阳, 熊琦华, 吴胜和.储层建模方法研究进展[J].石油大学学报, 2001, 25 (1) :107～112.
[2]吕晓光, 王德发, 姜洪福.储层地质模型与随机建模技术[J].大庆石油地质与发, 2000, 19 (1) :10～13.
[3]李夕兵, 蒋卫东.尾矿堆积坝透镜体分布形态研究[J].岩土力学, 2004, 25 (6) :947～949.
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