Шмидта Российской Академии Наук (ифз ран) по адресу; Москва 123995, ул. Большая Грузинская, д. 10. Сдиссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения ран институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта ран автореферат

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Содержание работы U, ускорения свободного падения g

Подобный материал:

• Российской Академии Наук по адресу: 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, д. 4 Сдиссертацией, 670.13kb.
• Тепло-электродинамические механизмы макроскопического формирования сверхпроводящих, 2637.04kb.
• Правительстве Российской Федерации по адресу: 117218, г. Москва, ул. Большая Черемушкинская,, 389.57kb.
• Аппаратная инфраструктура измерительных и управляющих систем плазменных установок ияф, 734.94kb.
• Российской Медицинской Академии последипломного образования по адресу: 123995, г. Москва,, 527.38kb.
• Кузнечные изделия населения северо-западной сибири во II-XVII веках, 271.12kb.
• Молекулярно-генетическая характеристика индивидуального района интеркалярного гетерохроматина, 399.53kb.
• Учреждения Российской Академии наук Института философии ран автореферат, 486.97kb.
• Президента Российской Федерации (по адресу: 103875, Москва, ул. Воздвиженка, д ) Сдиссертацией, 601.79kb.
• Российская дипломатия и корея (1876-1898), 662.43kb.

УЧРЕЖДЕНИЕ РАН ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им.О.Ю.ШМИДТА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК


Суетнова Елена Ивановна


Математическое моделирование эволюции тепломассопереноса в процессе формирования осадочного чехла.


Специальность 25.00.10 - «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых»


Автореферат


Диссертации на соискание ученой степени

Доктора физико-математических наук


Москва

2008

Работа выполнена в Учреждении РАН Институте физики Земли им.О.Ю.Шмидта РАН


Научный консультант

Доктор физ.-мат. наук, академик РАН, профессор Глико А.О.


Официальные оппоненты:

Доктор физ.-мат. наук, член-корр. РАН Лобковский Л.И.

Доктор физ.-мат. наук Ребецкий Ю.Л.

Доктор геол.-мин. наук Хуторской М.Д.


Ведущая организация: Институт геофизики УРО РАН


Защита диссертации состоится 26 ноября 2008г. в 11-00 час. на заседании Диссертационного Совета Д 002.001.01 Учреждения РАН Института физики Земли

им. О.Ю. Шмидта Российской Академии Наук (ИФЗ РАН) по адресу; Москва 123995, ул. Большая Грузинская, д.10.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения РАН Институте физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН.


Автореферат разослан 2008г.


Ученый секретарь Диссертационного Совета Д 002.001.01

Канд. физ.-мат. наук Пилипенко О.В.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность проблемы


Построение математических моделей геофизических процессов, протекающих в недрах Земли, позволяет изучить различные сценарии эволюции геофизических полей и выделить физически обоснованные варианты интерпретации данных наблюдений и сформировать критерии выявления различных глубинных процессов по данным наблюдений. Значительные регионы земной коры фактически представляют собой не сплошную твердую породу, а являются мультикомпонентной средой, содержащей переменное количество флюида (обычно жидкость) рассеянного в трещинах, порах или межзеренном пространстве твердой породы. Наиболее важными примерами таких регионов представляются рифтовые зоны и зоны интенсивного осадконакопления, такие, как осадочные бассейны, континентальные окраины, и глубоководные желоба, в которых поровый флюид участвует в процессах формирования структуры верхней коры. Насыщающий флюид определяет специфику процессов тепломассопереноса в этих зонах и изучение проблем связи движения флюида и деформации породы и роли коровых флюидов в тепломассопереносе, происходящем в процессе эволюции коры этих зон, является очень важным. Взаимодействие механических, тепловых и гидродинамических процессов в течение геологической истории формирования и эволюции верхней коры этих регионов создает условия для образования рудных и нефтегазовых месторождений. Изучение фундаментальных вопросов эволюции процессов тепломассопереноса в флюидонасыщенных областях земной коры и особенно в осадочных толщах в процессе их формирования становится все более актуальным в области геофизических исследований так как продвижение в теоретическом изучении механизмов тепломассопереноса при формировании верхних слоев земной коры представляет интерес для широкого круга геологов и геофизиков, работающих в различных направлениях, таких как геотермия, седиментология и гидрогеология, изучение физических свойств и метаморфизма, механизмов генерации и миграции углеводородов, интерпретации данных сейсморазведки и электроразведки и т.д. Однако существующие модели базовых процессов тепломассопереноса, происходящих в течении геологической истории формирования флюидонасыщенных осадочных толщ, то есть взаимосвязанных процессов уплотнения и прогрева осадков и движения насыщающих флюидов при осадконакоплении, далеко не всегда адекватно описывают эти процессы и их течение во времени и выявляют причины, приводящие к наблюдаемым распределениям температуры, флюидонасыщенности и давления флюида в осадочных структурах. Исследования проводились в упрощенной постановке и не уделялось достаточно внимания сложной реологии двухкомпонентной среды осадков, влиянию физических и гидродинамических свойств и роли скорости и времени формирования осадочной толщи. При этом могли неадекватно оцениваться как распределения давлений насыщающего флюида и характер фильтрации насыщающего флюида, так и их эволюция во времени, что могло внести искажения в реконструкции процессов проходящих в осадках в течении их геологической истории.

Использование совокупности экспериментальных данных и разработка математических моделей эволюции процессов тепломассопереноса в флюидонасыщенных областях земной коры на основании современных представлений о вязкоупругой реологии двухкомпонентной среды осадков позволяет углубить понимание строения коры, возможных путей ее формирования и процессов, приводящих к современной картине физических полей, чему и посвящена настоящая работа.


Цель работы.


Исследование с помощью математического и численного моделирования термомеханических процессов, протекающих в флюидонасыщенных двухкомпонентных областях земной коры в процессе их формирования на масштабах геологического времени, включая:

создание построение математических моделей взаимосвязанных процессов уплотнения и фильтрации насыщающего флюида, протекающих в течении наращивания мощности осадочного слоя, основанных на современных представлениях о вязкоупругой реологии осадков; построение аналитических и численных решений нестационарных краевых задач, описывающих процесс эволюции тепломассопереноса в двухкомпонентных растущих средах вязкоупругой реологии в диапазоне репрезентативных значений геофизических и гидродинамических параметров для выявления основных характеристических свойств поведения решений и условий возникновения возможных особенностей исследуемых процессов на масштабах геологического времени; исследование сравнительного влияния физических и гидродинамических свойств осадков и скорости их аккумуляции на характер течения процесса уплотнения; выявление, с помощью математического моделирования, механизмов образования аномально высоких градиентов давления насыщающего осадки флюида и глубинных гидродинамических барьеров в процессе наращивания флюидосодержащего осадочного слоя земной коры, наблюдаемых при исследовании осадочных структур; выявление закономерностей влияния таких факторов как неоднородность проницаемости, вариаций физических свойств накапливающихся осадков и наличия осаждающихся примесей в насыщающем флюиде на взаимосвязанные процессы фильтрации флюида и уплотнения матрицы среды осадков в процессе наращивания их мощности.

Задачи, которые последовательно решались в процессе исследования:

1. Разработка математической модели, физико-математическая постановка задач термомеханической эволюции пористой насыщенной уплотняющейся среды вязко-упругой реологии в растущей области с движущейся границей.

2. Создание алгоритма численного решения сформулированной математической задачи и его программной реализации;

3. построение численных моделей различных режимов уплотнения флюидосодержащих осадков в рамках репрезентативных значений определяющих геофизических параметров для выявления основных характеристических свойств поведения решений и возможных сценариев процессов термомеханической эволюции, приводящих к наблюдаемым геофизическими методами распределениям пористости и порового давления в осадках.

4. математический анализ и выявление основных критериев подобия, определяющих характер течения процесса вязкоупругого уплотнения накапливающихся осадков, и сравнительный анализ влияния их значений на режим эволюции пористости, порового давления и скорости движения порового флюида в течении геологической истории формирования осадочного слоя.

5.Изучение закономерностей влияния физических и гидродинамических свойств осадков и скорости их накопления на процессы вязкоупругого уплотнения, и на эволюцию во времени распределения пористости и скорости фильтрации глубинного флюида и закономерности образования надгидростатического градиента давления насыщающего флюида (АВПД). Исследование механизма образования на различных глубинах осадков резкого перехода к литостатическому давлению насыщающего флюида.

6. построение аналитического решения задачи уплотнения пористой насыщенной среды в наращиваемой области методом построения асимптотического решения, справедливого на временах формирования осадочного слоя. Получение, с помощью аналитического решения, безразмерного критерия подобия задачи, являющегося нелинейной комбинацией физических, гидродинамических свойств осадков и скорости наращивания их мощности, величина которого определяет давление флюида, возникающее в флюидонасыщенном слое при наращивании его мощности.

7. построение аналитической и численных моделей теплового режима уплотняющейся осадочной толщи растущей мощности. Анализ комплексного влияния процессов уплотнения осадков и обусловленной уплотнением фильтрации насыщающих флюидов на эволюцию поля температур в осадках при росте их мощности в репрезентативном диапазоне физических параметров процесса.

8. построение модели процесса уплотнения при накоплении слоев осадков с различными реологическими и гидродинамическими свойствами и решение соответствующей математической задачи. Сравнительный анализ характера развивающихся неоднородностей. Построение численных моделей и анализ закономерностей образования глубинных гидродинамических барьеров и зон немонотонных градиентов давления флюида и градиентов падения пористости с глубиной, наблюдаемых при экспериментальных геофизических исследованиях осадочных структур.

9. построение математической модели комплексного процесса вязкоупругого уплотнения накапливающихся осадков и осаждения из насыщающего флюида примесей на примере формирования газгидратов из растворенного в насыщающем флюиде газа в пористой среде накапливающихся осадков. Выявление критериев подобия в математической модели, определяющих скорость заполнения пор гидратами и финальную гидратонасыщенность в зоне PT стабильности газгидратов в пористой среде накапливающихся осадков в рамках репрезентативных значений геофизических параметров.

10. Анализ взаимовлияния процессов заполнения пор гидратами и процесса уплотнения осадков (на основании анализа результатов моделирования).


Методика исследования и личный вклад автора.


Основные результаты, полученные в работе, базируются на аналитическом и численном моделировании, описывающем эволюцию теплового, гидродинамического и механического режима флюидонасыщенной пористой среды вязкоупругой реологии в течении геологического времени роста ее мощности. Сформулирована замкнутая система уравнений в частных производных с краевыми условиями, описывающая эволюцию основных, взаимосвязанных характеристик теплового и гидродинамического режима и процесса уплотнения в рамках вязкоупругой реологии осадков. С помощью методов анализа размерностей и теории подобия были выявлены безразмерные нелинейные комплексы входящих физических параметров модельной задачи, представляющие из себя нетривиальные параметры подобия. Были вычислены значения параметров подобия и описаны основные характеристики поведения решения сформулированных модельных задач в зависимости от значений входящих физических параметров. Аналитические решения сформулированных задач, пригодные в диапазоне времени характерном для формирования наблюдаемых осадочных толщ, были получены методом построения решения в виде асимптотического разложения по найденному малому параметру управляющей нелинейной системы дифференциальных уравнений в частных производных. Для получения численных решений сформулированной системы нелинейных уравнений в частных производных были созданы оригинальные программы для персонального компьютера, написанные на Фортране. Автором разработаны программы расчетов эволюции во времени температур, скоростей, пористости и давлений в вязко-упругой деформируемой среде с движущейся границей и с учетом возможного неоднородного распределения основных физических параметров среды и аккумуляции осажденных примесей в порах. Для интегрирования в растущей области краевой тепловой задачи с членами, описывающими фильтрацию флюидов и уплотнение осадков, частично использовались средства програмного пакета MAPLE .

Математическая постановка задач, выбор объектов исследования, численное моделирование выполнены автором. Интерпретация результатов по моделированию вязкоупругой краевой задачи для однородного осадконакопления выполнена совместно с Г. Васером (Университет Монпелье, Монпелье, Франция). Асимптотическое решение для скоростей уплотнения в краевой задаче для вязкой среды построено совместно с Чернявским В.М. (МГУ, Москва).


Основные защищаемые научные положения


На защиту вынесены следующие основные результаты работы:

Механико-математические модели процессов тепломассопереноса при росте мощности осадочного чехла, позволяющие с единых позиций объяснять закономерности и особенности эволюции во времени процесса уплотнения осадков, то есть распределения пористости, температуры и скорости и давления насыщающего флюида по глубине осадков, по механизму вязко-упругого уплотнения, включая:

1. Выявленные, на основе численных экспериментов и асимптотических решений системы дифференциальных уравнений в частных производных, описывающей процесс вязкоупругого уплотнения в рамках репрезентативных значений физических свойств и скоростей накопления осадков, механизмы образования и эволюции надгидростатических градиентов давления насыщающего флюида и закономерности изменения температуры и скорости падения пористости с глубиной, дающие основу для интерпретации результатов экспериментальных наблюдений с позиций нестационарных моделей. .

2. Выявленную зависимость режима уплотнения осадков и формирования распределения пористости по глубине и областей повышенного давления насыщающих флюидов от значений параметра подобия ˝время˝ и двух нетривиальных критериев подобия, флюидодинамического и реологического, которые представляют собой: 1) отношение скорости роста мощности осадков к гидродинамическому масштабу скорости, характеризующему процесс фильтрации и 2) отношение времени релаксации Максвелла к масштабу времени процесса уплотнения.

3. Выявленные механизмы и особенности формирования, локализации и эволюции слоев аномально повышенного и аномально пониженного порового давления и вариаций градиента падения пористости в осадочной колонке при последовательном накоплении слоев осадков с различными физическими свойствами.

4. Установленные закономерности взаимовлияния процессов уплотнения осадков и процесса осаждения примесей из насыщающего флюида на примере аккумуляции газгидратов из растворенного в флюиде газа в зоне РТ стабильности газгидратов в субаквальных условиях и сравнительные оценки возможной гидронасыщенности среды в зависимости от условий формирования осадочного слоя.


Научная новизна.

В диссертации представлены теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в области изучения, с помощью математического моделирования, процессов, происходящих при формировании осадочных слоев земной коры: Разработана комплексная математическая модель, с единых позиций описывающая механические и тепловые процессы, происходящие при уплотнении двухкомпонентной среды осадков при прогрессивном наращивании их мощности, основанная на современных представлениях о вязкоупругой реологии геологической среды, обобщающая и развивающая подходы, основанные на рассмотрении либо вязкой либо упругой реологии двухкомпонентной среды осадков. Модель дает теоретическое обоснование для зависимости характера течения процесса уплотнения от физических, реологических и гидродинамических свойств среды осадков и скорости наращивания ее мощности. Впервые выявлены закономерности и особенности режима процесса уплотнения в зависимости от величины сформулированных безразмерных критериев подобия, являющихся нелинейными комбинациями физических, реологических и гидродинамических свойств осадков и режима наращивания их мощности.

В результате моделирования выявлен механизм образования резкого перехода к литостатическому давлению насыщающего флюида на различных глубинах осадков.

Выявлены флюидодинамический и реологический критерии, определяющие закономерности формирования аномально высокого давления флюида в осадках и скорости падения пористости по глубине осадков в процессе их накопления.

Впервые количественно исследовано влияние накопления слоев осадков с различными гидродинамическими и реологическими свойствами на процесс уплотнения и фильтрации флюидов к поверхности и проведено моделирование образования гидродинамических барьеров, ловушек (зон относительно повышенной пористости и относительно пониженного давления флюида) и локальных неоднородностей давления флюида и показана эволюция этих особенностей во времени.

Впервые получено аналитическое решение задачи о течении свободного флюида в вязкодеформируемой пористой наращиваемой среде методом построения асимптотического ряда по выявленному малому параметру системы определяющей системы уравнений, пригодное на всем диапазоне времени исследуемого процесса.

Впервые аналитическими методами получен характеристический безразмерный критерий, являющийся нелинейной комбинацией физических и гидродинамических свойств осадков и скорости их накопления, от величины которого зависит развитие аномально высокого (надгидростатического) градиента давления насыщающего осадки флюида.

Впервые сформулирована математическая модель и проведен количественный анализ закономерностей взаимовлияния режима осадконакопления и уплотнения осадков и процесса осаждения примесей из насыщающего флюида на примере аккумуляции газгидратов из растворенного в флюиде газа в зоне РТ стабильности газгидратов в субаквальных условиях. Выявлены комплексные характеристики процесса осадконакопления, определяющие интенсивность аккумуляции газгидратов в зоне их стабильности, проведен анализ влияния их вариаций на процесс гидратообразования. Впервые на основе результатов численного моделирования показано влияние гидратообразования на флюидный режим уплотнения. Результаты работы дают теоретическую основу для интерпретации данных экспериментальных наблюдений с позиций нестационарных моделей вязкоупругого уплотнения.


Научное и практическое значение.


Разработанная модель тепломассопереноса в насыщенной вязкоупругой среде растущей мощности позволила с единых позиций подойти к изучению как общих закономерностей, так и особенностей динамики тепломассопереноса, эволюции пористости, распределения скоростей течения флюида, порового давления и теплового режима в наращивающихся осадочных толщах в течении геологической истории. Предлагаемый подход основан на современных представлениях о реологии осадочных пород и дает возможность моделировать эволюцию во времени пористости, температуры и скорости и давления насыщающего осадки флюида, что является базовым моментом при исследованиях истории формирования осадочных пород и полезных ископаемых в осадочных структурах Земной коры. Фундаментальную значимость имеет вывод, что характер течения процесса уплотнения определяется значениями флюидодинамического и реологического критериев, Этот результат вносит большой вклад в продвижение в понимании механизмов формирования АВПД в осадках, и может использоваться интерпретации распределения давления и скоростей насыщающего флюида. Результаты работы могут быть использованы для оценки полей скоростей, эффективных давлений, давлений насыщающего флюида, пористости и распределения температуры в осадочных толщах растущей мощности в течение истории их формирования, что имеет большое значение в прикладном аспекте оценки возможности реализации в них условий, благоприятных для образования залежей углеводородов и условий их миграции. Результаты моделирования формирования газгидратов в осадках в зависимости от условий осадконакопления потенциально могут быть использованы для сравнительных оценок возможных проявлений гидратонасыщенности в субаквальных осадках.

.

Апробация работы и публикации.


Основные результаты работы изложены в научных отчетах, по теме диссертации опубликованы 40 работ, из них 13 в изданиях входящих в рекомендованный ВАК список. Основные результаты работ по теме диссертации докладывались автором на Международном совещании “Новые достижения в области геотермических исследований в скважинах” (Клейн-Корис, Германия, 1993), на Генеральной Ассамблее Американского Геофизического Союза (AGU), 1994, на Генеральных Ассамблеях EGS Вена, Австрия, 1997; Ницца, Франция, 1998, 2001, , 2002), Международных конференциях “Тепловое поле Земли и методы его изучения” (Москва, 2000, 2002), на Третьей международной конференции " Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле", Москва, 2001, секции “Тепловое поле Земли и методы его изучения” VI, VII, VIII Международных конференциях “Новые идеи в науках о Земле” (Москва, 2003, 2005, 2007), Объединенной Ассамблее EGS-AGU-EUG (Ницца, Франция, 2004), на международной конференции “Structures in the continental crust and geothermal resources” (Сиена, Италия, 2003), ХХ1Х Генеральной Ассамблее Европейской Сейсмологической Комиссии, Потсдам, 2004, V Международной научно практической конференции “Наука и новейшие технологии при поисках разведке и разработке месторождений полезных ископаемых” РГГРУ Москва, 2006, 6, 7, 8, 9 и 10 Чтениях им. Федынского, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 г., на конференции «Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности» 2007 и других.


Структура и объем работы.


Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы; содержит 243 страницы текста, 25 рисунков, 1 таблицу. Работа выполнена в лаборатории теоретической геофизики Института физики Земли РАН.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научному консультанту работы, академику РАН, профессору А.О. Глико за постоянное внимание и поддержку, которые помогли в работе над рукописью. Работа по теме диссертации поддержана грантами РФФИ 00-05-65392 03-05-65001, 06-05-652604. Автор выражает искреннюю благодарность соавторам. Автор считает своим долгом вспомнить с благодарностью профессора Е.А. Любимову, под руководством которой автор начинала свою работу в области геофизических исследований.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во Введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследований. Сформулированы защищаемые научные положения и научная новизна исследований.