一种地震同震孔隙流体扩散模拟方法

本发明涉及数据模拟，特别涉及一种地震同震孔隙流体扩散模拟方法。

背景技术：

1、孔弹性理论用于描述饱和多孔介质中固体骨架变形与孔隙流体压力之间的耦合关系，在地震孕震、断层滑移、水力压裂、地热开采、地下储能、采矿扰动及地层沉降等场景中具有广泛应用。在地震同震研究中，针对孔隙流体扩散问题进行二维孔弹性有限元分析，通常需要完成一系列环节：围绕问题区域建立合适的二维网格，尤其是在断层附近、局部扰动区或应力与压力梯度较大的区域进行网格加密以保证计算精度；组装并求解孔弹性控制方程，获得位移、应力与孔压随时间的演化过程；对断层位移不连续、边界条件以及材料分区参数等进行建模；以及对计算结果进行可视化展示与导出。然而，实现上述完整分析流程通常需要网格生成工具、数值求解程序和结果后处理软件等多个独立工具的协同配合。

2、现有技术中，二维孔弹性分析方案通常呈现几类特点。一类是以传统fortran或批处理式程序为代表的数值求解方案，其计算流程通常由网格文件、参数文件及结果文件构成，通过批处理脚本调用可执行程序完成计算，但其网格生成、数值求解与结果处理往往分散在不同环节，文件格式转换频繁，操作割裂且易出错，对用户的使用门槛较高。另一类是单独的后处理可视化工具，此类工具虽然能够读取已有结果文件并对位移、应力、孔压等进行绘图展示，但通常仅局限于结果展示功能，不具备完整的本地计算能力，且对输入文件格式要求较高，兼容性较弱。此外，通用有限元平台虽然具备较强的分析能力，但针对断层结构、分区材料以及特定遗留数据格式的适配通常不够直接，操作流程较为复杂，难以快速搭建面向特定断层孔弹性场景的工作流。

3、从实际应用需求来看，现有技术方案还存在以下几方面的不足：在断层建模方面，对于断层位移不连续、断层带材料分区以及断层两侧不同力学响应的建模，传统工具往往缺乏自动化支持，通常依赖人工划分或额外脚本处理，灵活性和可重复性较差；在网格生成方面，对于断层附近、局部扰动区或重点观测区的分级加密设置不够直观，难以在统一参数界面中同时实现中心加密、局部矩形加密及过渡层控制；在数据兼容方面，旧版fortran程序遗留的特定格式结果文件与新计算结果往往采用不同格式，导致历史数据读取、新旧结果对比及统一管理不够便利。因此，亟需一种将网格生成、断层建模、暂态求解、结果可视化等功能集成为一体的分析工具，能够在统一界面内完成上述全部环节，并兼容现有遗留数据格式，从而实现对传统分散式工作流的平滑替代或有效补充。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的是提供一种地震同震孔隙流体扩散模拟方法，通过将网格生成与标记、断层位移不连续场构建、事件步触发及暂态孔弹性求解集成为统一流程，提高了断层孔弹性分析的建模效率和流程自动化程度，解决了现有技术中多个独立工具协同导致的流程割裂与操作复杂问题。

2、为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种地震同震孔隙流体扩散模拟方法，包括：

3、s1：获取用于构建二维孔弹性有限元模型的模型参数，所述模型参数至少包括网格控制参数和断层几何参数；

4、s2：基于所述模型参数生成或加载二维三角形网格，并对所述二维三角形网格中的单元进行材料分区与断层标记，所述材料分区与断层标记用于识别并标记出断层带材料区、断层左侧材料区和断层右侧材料区；

5、s3：接收预先设定的材料物理参数、边界条件与加载条件，所述加载条件包括用于触发断层同震滑移的事件步参数；

6、s4：根据所述断层几何参数和所述加载条件构建断层位移不连续场，并在达到所述事件步参数所设定的事件步时，将所述断层位移不连续场对应的等效力、与所述材料分区与断层标记相应的所述材料物理参数、以及所述边界条件施加至所述二维孔弹性有限元模型，执行暂态孔弹性求解，得到模拟结果，所述模拟结果包括随时间演化的位移场和孔压场。

7、进一步地，步骤s2中所述生成二维三角形网格，包括：

8、s211：在矩形边界内生成基础均匀节点；

9、s212：根据所述网格控制参数中的中心加密参数，在模型中心区域叠加加密节点；

10、s213：根据所述网格控制参数中的局部加密参数，在指定矩形区域内叠加加密节点；

11、s214：根据所述网格控制参数中的过渡层参数，在加密区与普通网格区之间生成过渡区域节点，以平滑网格尺寸变化；

12、s215：对全部节点进行去重后，执行delaunay三角剖分，得到所述二维三角形网格。

13、进一步地，步骤s214中所述根据网格控制参数中的过渡层参数，在加密区与普通网格区之间生成过渡区域节点，包括：

14、所述中心加密参数、局部加密参数和过渡层参数共同构成分级加密控制参数集；

15、根据所述过渡层参数中的过渡宽度和过渡层数，在加密区边界与普通网格区之间划分若干同心层，并对每一层内的节点间距进行线性插值，使节点密度从加密区向普通网格区逐层平滑递减，以提高数值计算稳定性。

16、进一步地，所述过渡层参数包括过渡宽度和过渡层数；所述过渡宽度用于控制加密区边界与普通网格区之间的空间距离，所述过渡层数用于控制所述空间距离内的节点密度渐变级数，二者协同调节网格尺寸变化的平滑程度。

17、进一步地，步骤s2中所述对二维三角形网格中的单元进行材料分区与断层标记，包括：

18、s221：接收用户预设的断层带半宽参数；

19、s222：根据所述断层几何参数中的断层起点和断层终点构造有向断层线；

20、s223：计算每个单元重心到所述有向断层线的法向距离；

21、s224：当所述法向距离小于等于所述断层带半宽时，将该单元标记为断层带材料区；

22、s225：当所述法向距离大于所述断层带半宽时，计算单元重心相对于所述有向断层线的叉积，根据叉积符号的正负，将该单元标记为断层左侧材料区或断层右侧材料区。

23、进一步地，步骤s222中所述构造有向断层线，包括：

24、以所述断层起点指向所述断层终点的方向为正向，建立有向线段；

25、其中，所述有向线段同时作为所述法向距离计算和所述叉积计算的统一空间基准，使所述材料分区与断层标记具有空间唯一性。

26、进一步地，步骤s4中所述构建断层位移不连续场，包括：

27、s41：根据所述断层几何参数中的断层起点、断层终点以及预设的滑移峰值，沿断层长度方向构造滑移分布函数；所述滑移分布函数采用半正弦分布d(l) = dmax· sin(π· l / l)，其中dmax为滑移峰值，l为沿断层长度方向的距离，l为断层总长度，使断层端点滑移为零、中部达到峰值；

28、s42：根据步骤s2中获得的所述材料分区与断层标记的结果，识别并调用断层右侧材料区所包含的节点集，并对所述节点集的指定位移分量进行反向，以与断层左侧形成符号相反的位移跳跃，从而实现跨断层的位移不连续建模。

29、进一步地，步骤s4中所述将断层位移不连续场对应的等效力施加至所述二维孔弹性有限元模型，包括：

30、所述事件步参数包括事件步起始步和事件步结束步，用于定义一个时间窗口；

31、仅在当前时间步进入所述时间窗口时，才将所述断层位移不连续场对应的等效节点力施加至全局载荷向量，以模拟同震滑移触发、持续和停止的完整时序过程。

32、进一步地，所述方法还包括对遗留数据的兼容处理：

33、步骤s2中所述加载二维三角形网格，包括：直接读取遗留格式的节点坐标文件coor.dat和单元连接文件element.dat；

34、步骤s4中所述执行暂态孔弹性求解之后，还包括：读取遗留格式的位移结果文件unod.*、应力结果文件unodb.*和孔压结果文件unodc.*，并将其转换为所述模拟结果，其中*表示时间步编号；

35、所述对遗留数据的兼容处理使新计算生成的结果与历史遗留结果能够在统一框架下进行可视化显示与对比分析。

36、进一步地，步骤s4中所述执行暂态孔弹性求解，得到模拟结果之后，还包括：

37、s51：根据所述位移场计算每个单元的应变与应力，并将单元应力平均映射至节点，得到节点应力场；

38、s52：根据所述节点应力场中的剪应力τs、正应力σn以及所述孔压p，计算节点库仑应力场τc= τs- μ · (σn- p)，其中μ为预设的摩擦系数；

39、s53：在图形界面中提供切换控件，用于在同一视图区域内切换显示所述位移场、所述孔压场、所述节点应力场和所述节点库仑应力场，实现对断层响应在多物理场维度下的可视化显示。

40、相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述地震同震孔隙流体扩散模拟方法。

41、相应地，本发明实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现上述地震同震孔隙流体扩散模拟方法。

42、本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

43、1. 通过将网格生成、材料分区与断层标记、暂态孔弹性求解及多物理场可视化集成于统一界面内，使原本需要多个独立工具协同完成的分散式工作流转化为单一工具的连贯操作，显著减少了文件格式转换和人工干预环节，提高了地震同震孔隙流体扩散分析的建模与计算效率，解决了传统方案中因工具割裂导致的流程繁琐与易出错问题；

44、2. 通过在网格生成过程中引入中心加密、局部矩形加密和过渡层分级加密的协同控制机制，使得网格密度能够根据断层位置和重点观测区域的需求灵活调节，同时通过过渡层的逐层平滑插值有效避免了网格尺寸突变引起的数值误差，从而在保证计算精度的前提下控制了整体单元规模，解决了现有网格工具对复杂断层场景下局部精细化建模支持不足的问题；

45、3. 通过构建沿断层长度方向呈半正弦或二次型分布的滑移场，并结合基于事件步参数定义的时间窗口触发机制，使得断层同震滑移的加载能够模拟从触发、持续到停止的完整时序过程，同时基于材料分区结果自动对断层两侧节点进行差异化位移处理以形成跨断层位移跳跃，从而更真实地再现了有限长度断层在孔隙流体扩散过程中的力学扰动特征，解决了传统方法对断层位移不连续及同震事件时序特征建模能力不足的问题。