Математическое моделирование эволюции тепломассопереноса в процессе формирования осадочного чехла

t_i = t, y_i = y/t, m=е?m_i, v=е?v_i, p=p_i/t (3.22)

которым соответствует преобразование

?/?y = 1/t₁??/?y₁, ?/?t = ?/?t₁ -y₁/t₁??/?y₁^. (3.23)

Подставив (3.22-3.23), в уравнения (3.14 - 3.16 ), получим систему

 (3.24 )

(3.25 )

(3.26 )

которая имеет решение, записываемое в неявном виде

y₁ = 2m₁ + f(m₁)/t₁

v₁ = -m₁² (3.27 )

p₁= -?Ln(m₁)/?t₁

Здесь f(m_i) - неизвестная функция, которая должна быть определена из сращивания с внешним решением. Процедура сращивания внешнего (при большой пористости) и внутреннего (в окрестности нижней границы при малой пористости) решений состоит в определении функции f(m_i), обеспечивающей удовлетворение решением граничных условий, что, опуская промежуточные выкладки, дает

f(m_i) = - д, где д= Ln ^1/2(4/е²) (3.28 ).

Теперь внутреннее решение можно разрешить в явном виде относительно m_i

m₁ = 1/2 + (y-t+д)/2t (3.29)

Срощенное выражение для пористости получаем складывая (3.29) с (3.20 ) и вычитая промежуточный предел и подставляя m_i из (3.22) . Давление и скорости матрицы и флюида определяются, соответственно, из соотношений (3.16), (3.14 ) с условием (3.17 , 3.8 ), так что

m = exp(-0.5(y-t)² ) + е/2?(y-t+д)/t

p = ((t-y)exp(-0.5(y-t) ²)+ е/2?(y+д)/t²)) /m

v = -exp(-0.5(y-t)² ) - е/4?(y²+2дy)/t² + exp(-0.5t² ) (3.30 )

v_f = -v/m

Выражения (3.30) получены в нулевом приближении по е и решения для пористости и скоростей являются равномерно пригодными по времени. Поэтому в этом приближении их можно упростить, опустив слагаемое с коэффициентом е и окончательно решение записывается как :

m = exp(-0.5(y-t)²)

p = ((t-y)exp(-0.5(y-t)²) + е/2?(y+д)/t²)) / (exp(-0.5(y-t)² ) + е/2?(y-t+д)/t)

v = -exp(-0.5(y-t)²) + exp(-0.5t²) (3.31)

v_f = -v/m

Из выражений для скоростей флюида и матрицы видно, что толщина слоя ненулевой (порядка 1) пористости примыкает к верхней границе области течения, и ее мощность составляет величину порядка д= ?n ^1/2(4/е²) . Таким образом, получены аналитические равномерно пригодные асимптотические решения задачи вязкого уплотнения пористой среды растущей мощности. На рисунках 3.1-3.2 приводятся результаты асимптотического и численного решений для трех вариантов исходных значений параметров и соответствующих им характерных величин в единицах СИ, собранных в таблице 1. Здесь же приведены безразмерные значения времени t и параметра е.



Рис. 3.1. Численное (штриховые кривые) и аналитическое (сплошные кривые) решения для пористости и эффективного давления q(z) при t=3,2; 4,8; 7,2 (кривые 1-3) и е=0,0086(q=p?H/L)

гидродинамический глубинный давление барьер

Рис. 3.2. Пористость (пунктирная кривая), скорость матрицы (штриховая кривая) и эффективное давление (сплошная кривая) при t= 4,8; и е =0,868; 0,0868; 0,00868 (1-3)

Таблица 1

Все единицы указаны в системе СИ

Сравнение результатов, полученных асимптотическими методами, с результатами численного решения показывает удовлетворительное совпадение результатов для умеренных значений времени и хорошее - для больших, для типичных значений параметров осадконакопления. Асимптотическое решение позволяет уверенно определить закономерность увеличения развивающегося в порах давления при увеличении значения параметра е=мU/(k₀(с-с_f)gM). Действительно, при увеличении значения е знаменатель в выражении для эффективного давления (3.30,3.31) растет быстрее, чем числитель, и следовательно эффективное давление уменьшается (рис.3.3), что, в силу определения эффективного давления, означает увеличение давления флюида. Чем больше е, тем меньше мощность приповерхностного погранслоя в котором осуществляется основное, значимое падение пористости и тем больше градиент порового давления в приповерхностном погранслое.

Параметр е интерпретируется как отношение скорости роста мощности осадочного слоя к гидродинамическому масштабу задачи, характеризующему комплекс управляющих гидродинамических параметров процесса фильтрации. Следует отметить, что параметры V и е отличаются множителем М², что связано с различным выбором шкал скорости и различными принятыми зависимостями проницаемости от пористости, но закономерность увеличения значения градиента давления флюида с ростом V или е прослеживается достоверно аналитически и численно.

Таким образом, аналитическими и численными методами исследования показано, что значение формирующегося в осадках порового давления зависит от значения безразмерного параметра подобия, являющегося определенной нелинейной комбинацией физических и гидродинамических свойств осадков и скорости их накопления. Полученные результаты исследования дают возможность рассчитывать предполагаемые сценарии формирования аномально высоких давлений флюида в осадках, предсказание которых представляет теоретическую и практическую проблемы при изучении осадочных бассейнов [ Аникеев, 1971; Gretener, Feng, 1985; Фертль, 1980].

Глава 4. Исследование влияния уплотнения осадков и фильтрации поровых флюидов на тепловой режим осадконакопления.

Изучение теплового режима осадочных структур в процессе их формирования имеет большое научное и практическое значение, так как температура является одним из главных параметров определяющих физико-химические процессы, протекающие в осадочных бассейнах. При формировании осадочного заполнения бассейна происходит одновременно несколько взаимосвязанных процессов: погружение основания бассейна и накопление осадков, их прогрев, уплотнение и фильтрация к поверхности поровых флюидов. Однако, вклад происходящего при накоплении осадков процесса уплотнения и связанного с ним процесса фильтрации к поверхности поровых флюидов в эволюцию температурного поля осадков был недостаточно изучен. В работах [Hutchison, 1985; Bethke, 1985; Wangen, 1992] проводилось моделирование теплового режима осадочных бассейнов с учетом вклада фильтрации к поверхности порового флюида, однако закон фильтрации следовал из принятой модели уплотнения Ати [Athy,1930.], с заданной априори кривой убывания пористости по глубине и без рассмотрения скорости процесса уплотнения. В настоящей работе для моделирования и анализа влияния процесса уплотнения осадков и фильтрации порового флюида на тепловой режим осадочного бассейна используется представленный в предыдущей главе подход, который дает возможность анализа влияния взаимообусловленных процессов уплотнения и фильтрации порового флюида на эволюцию во времени распределения температур в процессе формирования осадочной толщи. Исследуется уравнение теплопроводности (2.1.5), с зависящей от времени и глубины скоростью массопереноса, в слое растущей толщины.

Пользуясь идеями построения равномерно пригодных асимптотических решений дифференциальных уравнений [Коул, 1972; Найфе, 1976] в предыдущей главе было получено выражение для асимптотического решения задачи (3.1-3.7 ), которое дает выражение для пористости, скорости фильтрации и скорости осадков в виде:

; ; .

Асимптотическое решение задачи уплотнения накапливающихся осадков при реалистических параметрах модели удовлетворительно совпадает с численным для умеренных времен и хорошо - для больших [Суетнова, Чернявский 2001]. Это дает возможность использовать его для анализа и решения уравнения теплопроводности (2.1.5). Характерные времена конвективного и кондуктивного переноса тепла сильно различаются, так как характерное время прогрева слоя осадков толщины d определяемое как d ²/K² много меньше характерного времени накопления такого слоя при формировании бассейна d./U [Суетнова. 1989]. Поэтому, в нулевом приближении решение уравнения (2.1.5) удовлетворяет стационарному уравнению [Суетнова. 1989] и параметрически зависит от медленного времени t задачи (3.1-3.7). С учетом этого обстоятельства и формулы (3.8), уравнение теплопроводности (2.1.5) в безразмерных переменных и системе координат задачи (3.1-3.7 ) имеет вид:

(4.1)

A= (-A₁ +A ₂)?М; =K?T/L² ; =f/F; F=273⁰.

Краевое условие на нижней границе определяется заданным потоком тепла, а верхняя поверхность при y=t, поддерживается при нулевой температуре.

(4.2)

H= B?L/F

Решая (4.1) относительно и с использованием (4.2) и выражения для скорости из (3.33) находим решение для температуры в виде:

(4.3 )

Для представления полученных аналитических решений в численном виде брались типичные тепловые характеристики, использовавшиеся в исследованиях теплового режима осадочных бассейнов [Hutchison, 1985; Turcotte and Schubert, 1982], так что для приведенных ниже графиков расчеты проводились для значений А=0.46; К=0.4, F=273⁰K. На рисунках 4.1-4.2 приведены результаты вычислений безразмерных температуры и градиента температуры при различных значениях механических параметров задачи, соответствующих реалистическим сценариям осадконакопления. На каждом рисунке распределение соответствующей величины по глубине показано для трех моментов безразмерного времени задачи, что дает возможность проследить эволюцию распределения температуры и ее градиента в процессе роста толщины слоя осадков. На Рис.4.1. показаны распределения по глубине в различные моменты времени температуры; рассчитанные для L=3953 и T=0.79? 10¹³ , что соответствует значению вязкости =5? 10²⁰ Па с и скорости роста мощности осадков U=5? 10 -¹⁰ м./с.

.

Рис.4.1 Штрих-пунктирная линия соответствует значению времени t=0.5, пунктирная линия соответствует значению времени t=1, сплошная линия соответствует значению времени t=1.5.

Из рисунка видно, как фильтрация порового флюида и уплотнение осадков влияет на распределение температуры по глубине.

Следующий рисунок (Рис.4.2 ) показывает как изменяется распределение температуры и ее градиента при большей вязкости осадков но при меньшей скорости накопления осадков, U=5? 10-¹¹ м/с, и тех же остальных параметрах задачи, что приводит к следующим значениям безразмерных величин L=3953; T=0.79 ?10¹⁴ .



Рис.4.2 Обозначения как на рис.4.1.

Распределение температуры и ее градиента демонстрируют незначительное отклонение от линейного распределения. Расчеты наглядно показали, что уменьшение вязкости накапливающихся осадков и увеличение скорости их накопления приводит к росту нелинейности профиля температуры за счет влияния скорости накопления, уплотнения и фильтрации поровых флюидов к поверхности, вызываемой уплотнением.

Результаты моделирования теплового режима накапливающихся осадков при учете их уплотнения и обусловленной уплотнением фильтрации порового флюида к поверхности в диапазоне репрезентативных значений параметров осадконакопления показали, что влияние этих процессов на тепловой режим осадков незначительно и тем меньше, чем меньше скорость накопления осадков.

Глава 5. Моделирование процесса уплотнения осадочного слоя, история формирования которого включает периоды накопления различного осадочного материала.

В предыдущих главах были выявлены фундаментальные закономерности уплотнения накапливающихся осадков вязкоупругой реологии для реалистических значений физических условий их накопления. Эти закономерности были выявлены на основании моделирования процесса накопления и уплотнения однородных осадков. В истории накопления осадков в различных регионах (по данным геофизических исследований и по данным бурения) можно увидеть, что в течении геологической истории менялись виды осадков, как например, преимущественно песчаные осадки сменялись преимущественно глинистыми, что сильно меняет гидродинамические свойства осадков [Файф, Прайс, Томпсон, 1981, и др.]. Моделирование процесса уплотнения осадочного слоя, история формирования которого включает периоды накопления различного осадочного материала, представляет интерес как для фундаментальной, так и для прикладной геофизики. Математическая модель (глава 2) позволяет провести численные эксперименты, которые позволяют выявить характер влияния изменения физических характеристик поступающих осадков на процесс их уплотнения в течении осадконакопления. На рисунке 5.1 показаны результаты расчетов эволюции распределения пористости и порового давления для случая накопления, в определенный период времени формирования бассейна, осадочного слоя с вязкостью, меньшей, чем вязкость прилегающих слоев.

Слой с меньшей вязкостью уплотняется быстрее, создавая препятствие фильтрации порового флюида к поверхности. В дальнейшем, при накоплении вышележащих слоев осадков процесс уплотнения приводит к формированию двух зон сверху и снизу слоя пониженной вязкости, в каждой из которых продолжается увеличивающееся со временем падение пористости по глубине. Поровое давление нарастает в нижней зоне быстрее, чем в верхней, что связано с быстрым падением пористости в слое пониженной вязкости (Рис 4.1б).



Рис.5.1 Эволюция распределения а) пористости и б) порового давления в зависимости от расстояния от основания осадков в различные моменты времени в случае накопления осадков с пониженной вязкостью в период времени, когда мощность осадочного слоя увеличивалась от 0.35 до 0.37 его конечной мощности.

Другой важный пример, иллюстрирующий влияние различия вязкости поступающих в различные периоды времени осадков на эволюцию пористости и порового давления в формирующемся бассейне приведен на рисунке 5.2 а,б. Если в процессе седиментации накапливается слой осадков с вязкостью, повышенной по сравнению с вязкостью прилегающих слоев, то, при последующем наращивании мощности осадочного слоя, также формируются верхняя и нижняя зоны прогрессивного уплотнения. Между ними, в области повышенной вязкости, тоже происходит падение пористости во времени, но более медленное так, что пористость в этой области всегда остается большей чем, чем в прилегающих зонах (Рис 5.2а). Поровое давление, развивающееся в этой области по мере роста толщины перекрывающих осадков, превышает гидростатическое, но остается всегда меньшим, чем в прилегающих слоях (Рис 5.2б).



Рис.5.2 а,б. Эволюция распределения а) пористости и б) порового давления в зависимости от расстояния от основания осадков в различные моменты времени в случае накопления осадков с повышенной вязкостью в период времени, когда мощность осадочного слоя увеличивалась от 0.15 до 0.2 от его конечной мощности.

В случае, когда при формировании бассейна накапливаются слои с различными коэффициентами проницаемости, например, преимущественно глинистые сменяются преимущественно песчаными или наоборот, процесс их уплотнения приводит также к образованию относительных вариаций пористости и порового давления по глубине (Рис. 5. 3а, б) по сравнению с базовой моделью однородного осадконакопления (Рис.2.1 а, б). В слое с относительно пониженной проницаемостью падение пористости затруднено из-за относительно более быстрого падения пористости в накапливающихся вышележащих слоях большей проницаемости. При этом поровое давление, формирующееся в этом слое, превышая гидростатическое, оказывается больше, чем в случае соответствующего однородного осадконакопления.



Рис 5.3 а,б. Эволюция распределения пористости а) и порового давления б) по глубине бассейна в случае накопления осадков с пониженной проницаемостью в периоды времени, когда мощность осадочного слоя увеличивалась от 0.25 до 0.4 и от 0.53 до 0.62 его конечной мощности. Все остальные параметры как для рис.2.1.

С геофизической точки зрения, интерес представляет и исследование закономерностей истории уплотнения осадков в случае длительных периодов накопления осадков с относительно пониженной проницаемостью которые в дальнейшем перекрыты более проницаемыми осадками, что может потенциально уменьшить, относительно случая накопления однородных осадков, поток порового флюида в более проницаемые вышележащие слои. На рисунке 5.4 представлены результаты расчетов эволюции распределения пористости и порового давления в истории формирования осадочного слоя финальной мощности 8 км. при накоплении осадков таким образом, что слой с относительно пониженной проницаемостью (0.1 k₀) стал накапливаться с момента, когда мощность осадков составляла около 0.17 от его финальной мощности, принятой за 1, и до момента, когда мощность осадков составляла около 0.49 . После этого, верхняя часть осадочного слоя формировалась за счет накопления осадков с проницаемостью k_{0 .} То есть, это модель процесса перекрытия менее проницаемых осадков более проницаемыми.

Рисунок 5.4. Распределение пористости и порового давления по глубине осадков в различные моменты истории формирования осадочного слоя, представленные в безразмерном виде.

Расчеты показывают, что перекрытие менее проницаемых осадков относительно более проницаемыми в течении формирования осадочной толщи вносит возмущения в профили распределения пористости и порового давления по глубине в различные моменты времени (рис. 5.4) по сравнению с профилями, формирующимися при накоплении осадков с постоянными гидродинамическими характеристиками. Модельный рисунок 5.4 показывает профиль порового давления, подобный наблюденному распределению давления, приведенному в работе [Neuzil , 1995]. Результаты модельных расчетов в целом находятся в удовлетворительном соответствии с имеющимися в литературе геофизическими данными по осадочным бассейнам, что подтверждает обоснованность описываемого моделью механизма нестационарного вязкоупругого уплотнения накапливающихся осадков при последовательном накоплении слоев с различными физическими свойствами. Представленные результаты численного моделирования нестационарного вязкоупругого уплотнения накапливающихся осадков, позволили прояснить влияния неоднородностей свойств накапливающихся осадков на процесс их уплотнения и механизм образования флуктуаций распределения пористости и порового давления по глубине осадочной толщи за время ее формирования и их эволюцию в течении истории осадконакопления. Результаты численного моделирования показывают, что накопление слоя относительно пониженной вязкости приводит в дальнейшем, со временем, к образованию и сохранению в убывающем по глубине распределении пористости инверсии, такой, что пористость ниже этого слоя оказывается большей, чем в вышележащих слоях, а поровое давление растет, стремясь к литостатическому. К формированию в глубине осадков зон инверсии пористости приводит также относительно пониженная проницаемость накопившихся в определенный момент истории осадконакопления слоев осадков, при этом происходит относительное увеличение порового давления именно в этих слоях. Подобная инверсия пористости образуется и в случае накопления слоя сравнительно повышенной вязкости, однако, в этом случае, поровое давление напротив, будет иметь в этой области локальный минимум. Таким образом, предложенная модель объясняет возможные механизмы образования в толще осадков вязкоупругой реологии пористых коллекторов с принципиально разным уровнем порового давления, т.е. с локально повышенным и локально пониженным давлением относительно прилегающих слоев.

Глава 6. Анализ закономерностей взаимовлияния режима осадконакопления и уплотнения осадков и процесса осаждения примесей из насыщающего флюида на примере аккумуляции газгидратов в зоне их стабильности в субаквальных условиях.

Представленные в предыдущих главах результаты моделирования базового процесса уплотнения накапливающихся осадков могут быть использованы как основа для моделирования широкого класса задач в области изучения осадочных толщ, связанных с переносом флюидом примесей, для которых процесс их растворения и, или, осаждения зависит от температуры и давления.

Фильтрация к поверхности поровых флюидов, содержащих растворенный газ, во многих случаях, описанных в научной литературе, приводит к образованию на разных глубинах в толще осадков слоев, насыщенных газовыми гидратами. Благоприятные для образования и стабильности газовых гидратов давления и температуры широко распространены в осадочных структурах океанского дна, где при условии достаточного количества термогенного или биогенного газа (в основном метана) [Троцюк, Марина, 1988 ], происходит образование газовых гидратов [Гинсбург, Соловьев, 1994;]. К настоящему времени различными геофизическими методами (в основном сейсмическими) выявлено более 100 площадей проявлений газовых гидратов в осадках [Kleinberg, Flaum, Griffin et al., 2003; Дмитриевский, Баланюк, 2006 ]. Для адекватной интерпретации данных геофизических измерений и природы сейсмических границ в земной коре [Hyndman, Yuan, Moran , 1999 ] необходимо развитие моделей образования и эволюции гидратных проявлений в естественных условиях. В данной главе на основе численного моделирования исследуются особенности взаимного влияния процессов уплотнения субаквальных осадков и формирования в пористой среде осадков газовых гидратов из растворенного в коровом флюиде газа при различных режимах осадконакопления. В рамках разработанной модели характерное течение процессов уплотнения осадков, фильтрации флюидов и накопления газовых гидратов описывается нелинейной системой из 8 уравнений в частных производных, а именно:

Движение порового флюида к поверхности описывается уравнением Дарси

(6.1)

h -гидратонасыщенность пор, остальные параметры описаны ранее в главе 2.

Уравнения баланса масс для порового флюида и насыщенной пористой среды записываются как :

 (6.2)

(6.3)

(6.4)

где с_s - плотность осадков. Правые части в уравнениях (6.2) и (6.4) (объемная скорость поглощения флюида и приращения образования гидрата), в предположении локального термодинамического равновесия и отсутствия дефицита газа, используются следуя работе [Davie, Buffet, 2001].

При росте газовых гидратов происходит поглощение содержащегося в поровом флюиде газа. Модификация уравнения сохранения для растворенного газа в предположении отсутствия дефицита газа [Rempel, Buffet, 1998] для случая непостоянного потока флюида [Суетнова 2007] дает:

( 6.5)

c- концентрация метана в флюиде, c_h -концентрация метана в гидрате.

Для вычисления концентраций газа задается зависимость c_eq ( равновесная концентрация метана в поровом флюиде) от давления и температуры в области стабильности газгидратов

c_eq(T)= c_eq(T₃(P))exp((T-T₃(P))/ф) для T <T₃(P) (6.6)

, где ф~14.4^oC, а T₃(P), положение фазовой границы стабильности [Davie, Zatsepina, Buffet, 2004]. Процесс уплотнения насыщенной среды осадков, записывается как (глава 2 ) :

 (6.7)

Уравнение теплопроводности записывается как

(6.8)

f - температура; к- температуропроводность осадков, Q- теплота фазового перехода. A₁ =; A₂ =

Член уравнения, описывающий теплоперенос в газовом гидрате, опущен в силу малости вклада.

Граничные условия сформулированы как в главе 2: на нижней, непроницаемой границе осадков z =b(t), скорости твердой V_s и жидкой V_f фаз обе равны V₁, - скорости погружения основания бассейна. На верхней дренажной границе, пористость принимается постоянной, m(z=0),t) = m_{b .} Температура на верхней границе области поддерживается постоянной и равной нулю; на нижней границе задается постоянный градиент температуры. Для локализации зоны стабильности гидратов, также должно быть задано давление на поверхности бассейна, отражающее его глубину [Davie, Zatsepina, Buffet, 2004]. Следуя результатам исследований работ [Davie, Buffet, 2001; Xu , Ruppel, 1999] и результатам главы 4, принимается, что температура в осадках растет линейно с глубиной и скрытая теплота реакции гидратообразования не вносит значимых возмущений в профиль температуры. Для газгидрата ставится естественное условие равенства 0 содержания гидрата в порах вне границ зоны стабильности. Сформулированная система была приведена к безразмерному виду, как описано в главе 2, и решалась численно по разработанной программе с использованием литературных данных о возможных значениях входящих физических параметров.

На модельных примерах, рассчитанных с использованием репрезентативных физических параметров осадконакопления, показано, как скорость гидратообразования зависит от скорости накопления осадков, и их проницаемости, вязкости и теплового режима осадконакопления. Выявлено, что скорость и объем накопления гидратов из растворенного в флюиде газа, при одинаковом градиенте температуры в осадках и внешнем давлении, определяются значениями безразмерных величин скорости роста мощности осадков V и времени процесса осадконакопления (см. главу 2). Расчеты показывают, что чем больше значение безразмерного времени процесса t' при том же значении V, тем больше результирующая гидратонасыщенность, а чем больше значение V, тем больше скорость гидратонакопления (рис 6.1, 6.2).

Рис. 6.1. Результаты вычислений для V= 0.5? 10^-1 ; t'=0.24? 10 (V₁=~10^-10 м/с и конечной мощности осадков 6 км) гидратонасыщенности пор и скорости порового флюида представленные в безразмерном виде. Сплошная кривая скорости -в отсутствии гидратов, маркированная-в случае гидратонакопления.



Рис. 6.2. Результаты вычислений для V=0.5 10^-2 ; t'= 0.2 10² ( V₁=10^-11 м/с и конечной мощности осадков 6 км), гидратонасыщенности пор и скорости порового флюида представленные в безразмерном виде. Сплошная кривая скорости - в отсутствии гидратов, маркированные-в случае гидратонакопления с различной мощностью зоны стабильности гидрата.

Влияние накопления гидратов на скорость порового флюида отмечается во всех случаях, что отражает взаимовлияние этих процессов за счет изменения свободной пористости. На рис.6.3. приведены результаты сравнения расчетов результирующей гидратонасыщенности для различных значений критериев подобия V и D при одинаковых размерных скоростях осадконакопления и финальной мощности осадков.

Рисунок 6.3. Распределение гидратонасыщенности по глубине для скорости осадконакопления 10^-10 м/с. и различных значениях физических и гидродинамических свойств осадков. Кривая 1 - V = 0.06, D = 0.6 , кривая 2 - V = 0.06, D = 0.06, кривая 3 - V = 0.6, D = 0.6, кривая 4- V = 0.6, D = 0.06.

На рисунке 6.3 ясно видно, что при больших значениях параметра подобия V скорость аккумуляции гидратов выше для больших значений параметра подобия D. Действительно, для значения V =0.6, при увеличении значения D в десять раз, с 0.06 (кривая 4), до 0.6 (кривая 3), финальная гидратонасыщенность пор увеличилась почти в 1.6 раза, при одинаковом реальном времени процесса. При меньших значениях параметра подобия V влияние величины параметра подобия D на скорость накопления гидратов несущественно. Скорость аккумуляции гидратов оказывается выше при больших значениях V, но при этом безразмерное время оказывается на порядок меньше, что и определяет результирующую гидратонасыщенность при исследованном наборе репрезентативных значений физических и гидродинамических свойств осадков.

Таким образом, результаты вычислений и их анализа показывают, что результирующая гидратонасыщенность в процессе накопления и уплотнения осадков и формирования газгидратов в зоне их стабильности зависит и от скорости и времени наращивания мощности осадков, и от их физических и гидродинамических свойств. Объем гидратонакопления определяется значениями безразмерного времени процесса и значениями безразмерных критериев подобия задачи уплотнения накапливающихся осадков, являющихся нелинейными комбинациями физических и гидродинамических параметров задачи. Скорость аккумуляции гидратов растет при росте значений критериев V и D. Все отмеченные зависимости носят нелинейный характер в силу существенной нелинейности задачи.

Обнаруженная зависимость гидратонасыщенности и скорости ее роста от параметров подобия задачи уплотнения позволяет простым образом сравнивать потенциальную гидратонасыщенность для геофизических объектов, характеризующихся различными физическими параметрами осадков и скоростями их накопления.

В заключении обобщаются выводы, и приводится список публикаций по теме работы.

ВЫВОДЫ

Модель вязкоупругого процесса уплотнения флюидонасыщенной пористой среды при росте ее мощности представляет механизм, объясняющий характер эволюции пористости и порового давления в течение процесса формирования осадочных толщ.

Модель дает теоретическое обоснование зависимости характера процесса уплотнения насыщенной пористой среды осадков от их физических и гидродинамических свойств, времени и скорости наращивания их мощности.

На основании анализа результатов модельных расчетов сформулированы закономерности эволюции распределения пористости и эффективного и порового давления по глубине в процессе уплотнения накапливающихся осадков в зависимости от величин параметра подобия ЅвремяЅ и флюидодинамического и реологического критериев, представляющих 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.

Полученное аналитическое решение задачи уплотнения растущей флюидонасыщенной среды позволяет оценивать характер эволюции пористости и порового давления во времени, и прогнозировать возможное формирование аномально повышенного порового давления, в зависимости от значения выявленного безразмерного критерия подобия, зависящего от физических свойств осадков и скорости их аккумуляции.

Модель позволяет количественно исследовать возможное влияние на процесс уплотнения и фильтрации флюидов к поверхности накопления в течении роста осадочного слоя слоев осадков с различными физическими и гидродинамическими свойствами. Модель позволяет количественно описывать процесс образования гидродинамических барьеров, зон относительно повышенной пористости и относительно пониженного давления флюида и локальных неоднородностей давления флюида.

Проведенное исследование показывает, как осаждение примесей из насыщающего флюида (на примере образования газовых гидратов) в зависимости от Р-Т-t условий, будучи зависимым от скорости фильтрации, обусловленной уплотнением, само оказывает влияние на фильтрацию.

На основании численного моделирования обоснованы количественные закономерности влияния режима уплотнения на аккумуляцию газовых гидратов из растворенного газа в зоне Р-Т условий стабильности .

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

1. E.I.Suetnova. Thermal field near the axial zone of mid-oceanic ridges and heat balance of oceanic lithosphere // Tectonophysics. 1989. V. 159. P. 319-324.

2. Е.И.Суетнова. Тепловой режим осадочных бассейнов в условиях переменного глубинного теплового потока // Доклады АН СССР. 1989. Т. 309, N 1, C с. 65-69.

3. Е.И.Суетнова. Цикличность тепловых процессов в осевых зонах срединно- океанических хребтов и тепловой режим спрединга // Доклады АН СССР. 1991. Т. 320. N 3. C. 600-605.

4. Е.И.Суетнова. Региональные вариации скоростей опускания океанической литосферы и тепловой режим спрединга // Известия РАН. Физика Земли. 1993. N.12. C. 3-8.

5. Глико А.О., Левшенко В.Т., Парфенюк О.И., Петрунин А.Г., Суетнова Е.И. Тепловая эволюция литосферы и условия тепломассопереноса в земной коре // Институт Планетарной геофизики (Основные результаты работы в 1992-1993 гг.). М. 1994. C. 99 - 122.

6. Suetnova E.I., Carbonel R, Smithson S.B. Bright seismic reflections and fluid movement by porous flow in the lower crust // Earth Planet. Sci. Letters. 1994. 126. P. 161-169.

7. E.I.Suetnova, R.Carbonel, S.B.Smithson. Possible pore fluid pressure variations in the lower crust as an explanation of bright seismic reflections in the 1886 PASSCAL Nevada experiment // EOS Trans. 1994. V. 75 S. N 44. P. 486.

8. R. Carbonel, S.B.Smithson, E.I.Suetnova. The extended crust of Western Nevada (Basin and Range Province). // EOS Trans.1994. V .75 S, N 44, P. 678.

9. Е.И.Суетнова, В.М.Чернявский. Об устойчивости неоднородного ползущего течения с деформируемой границей // Докл. РАН. 1997. Т. 354. № 6. С. 762-766.

10. Suetnova E I Balling N. Fluid pressure and seismic reflectivity in the lower crust // Newsletter. 1998. (66) European Geophysical Society. XXIII General Assembly. P. 86.

11. E.I.Suetnova, Guy Vasseur. 1-D Modelling rock compaction in sedimentary basin using visco-elastic rheology // Earth and Planet. Sci. Letters, 2000. V. 178. P. 373-383.

12. Суетнова Е.И. Вязкоупругая реология осадков и эволюция пористости в процессе формирования осадочных бассейнов // Тепловое поле Земли и методы его изучения. Под ред. Хуторского М.Д. М.: PУДН. 2000. C. 54-57.

13. Суетнова Е.И. Чернявский В.М. Об асимптотике течения свободного флюида в вязкодеформируемой пористой среде // Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости. М.: Ин-т механики МГУ. 2000. C.162-163. 14. Суетнова Е.И., Чернявский В.М. О течении свободного флюида в вязкодеформируемой пористой среде с движущейся границей // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2001. N 1. С.136-144.

15. Suetnova E.I. Compaction of layered sediment and overpressure development during sedimentary basin formation // Geoph. Res. Abstr. EGS. 2001. V.3. P. 730.

16. Cherniavsky V.M., Suetnova E.I. On the stability of the 1D fluid flow solution for the rock compaction // Geophys. Res. Abstr. EGS. 2001. V.3. 8077.

17. Суетнова Е.И. Моделирование процессов уплотнения и фильтрации в неоднородной пористой среде // Третья международная конференция " Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле". Москва. 2001. С.33.

18. Suetnova E. Problem of nonuniform compaction and fluid migration, concerned thermal regime of sedimentary basin // The Earth thermal field and related research methods. Intern. Conf. June 17-20. 2002. Moscow. Russia. P. 264-265.

19. Suetnova E.I. Pore fluid migration and viscoelastic compaction of non-uniform sediments during their accumulation and buring // Geophys. Res. Abstr. EGS. 2002. V.4. EGS02-A-01888.

20. Суетнова Е.И., Уплотнение неоднородных осадков вязко-упругой реологии // Физика Земли. 2003. №1. С. 77-83.

21. E. Suetnova, V. Cherniavsky. Thermo-mechanical problem of non-uniform compaction and fluid flow in sedimentary rocks // "Structures of the continental crust and geothermal resources". Proceeding of international conference, Sienna, Italy. 2003. P. 179-181.

22. Суетнова Е. И.; Чернявский В. М. Анализ влияния уплотнения осадков и фильтрации поровых флюидов на эволюцию теплового режима осадочных бассейнов в процессе их формирования // VI международная конференция “Новые идеи в науках о Земле”. Абстракты. Москва. 2003. Т.3. С. 187.

23. Суетнова Е. И.; Чернявский В. М. Особенности динамики уплотнения осадков при реакциях высвобождения связанных флюидов // Шестые геофизические чтения им. В.В. Федынского 27-29 мая 2004г. Тезисы Докладов. С. 73.

24. E. Suetnova, V. Cherniavsky. Dynamic of viscoelastic compaction and diagenesis of sedimentary rocks // Abstracts XXIX General Assembly of the European Seismological Commission, Potsdam 12-17 sept. 2004. P. 120.

25. E. Suetnova, V. Cherniavsky. Mechanical problem of non-uniform compaction and fluid migration // Geophysical Research Abstracts, European Geosciences Union -General Assembly, Nice, 3-9 April 2004. A-03917.

26. Суетнова Е.И., Влияние уплотнения осадков и фильтрации поровых флюидов на тепловой режим осадочных бассейнов // Физика Земли. 2005. № 12. C. 7-13.

27. Суетнова Е.И. Анализ влияния уплотнения осадков и фильтрации поровых флюидов на эволюцию теплового режима осадочных бассейнов в процессе их формирования // VII международная конференция “Новые идеи в науках о Земле”. Абстракты. Москва. 2005. Т.3. С. 187.

28. Суетнова Е.И. Фильтрация поровых флюидов при уплотнении осадков и ее влияние на тепловой режим осадочных бассейнов // Проблемы водных ресурсов, геотермии и геоэкологии. Минск: ИГиГ НАН Беларуси. 2005. Т.I. С. 294-296.

29. Суетнова Е.И. Влияние образования газогидратов на процесс уплотнения накапливающихся осадков // Восьмые геофизические чтения им. В.В. Федынского 2-4 марта 2006. Тезисы Докладов. Москва. ГЕОН. С. 104.

30. E.Suetnova. Effective stress evolution during gas-hydrate formation in the depositing sediments. // Abstract Book. Ferst Europian Conference on Earthquake engineering and Seismology Geneva Switzeeland. September 3-8, 2006. 288.

31. Е.И.Суетнова Моделирование тепломассопереноса в осадочных бассейнах: различные механизмы формирования надгидростатического порового давления. // Материалы V Международной научно практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» РГГРУ Москва апрель 4-6. 2006. С. 164.

32. Elena I. Suetnova , Vladimir M. Cherniavsky. Peculiarity of Hydrodynamic Modeling of Fluid Flow in Porous Rocks under Precipitation and Compaction Conditions // Proceeding of Europeans Geothermal Congress 2007, Unterhaching, Germany. 273. (1-5).

33. Суетнова Е.И. Моделирование влияния проницаемости осадков на аккумуляцию газгидратов при осадконакоплении и уплотнении осадков в субаквальных условиях // Геофизика ХХ1 столетия:2007 год. Тверь: Герс. 2007. С. 73-82.

34. Суетнова Е.И. Анализ закономерностей влияния режима осадконакопления и уплотнения осадков в субаквальных условиях на аккумуляцию газгидратов в зоне стабильности // Геофизические исследования. 2007. №7. С. 91-98.

35. Суетнова Е.И. Моделирование аккумуляции газгидратов при осадконакоплении и уплотнении осадков в субаквальных условиях // Физика Земли. 2007. №9. C. 87-93.

36. Суетнова Е.И. Накопление газгидратов и уплотнение накапливающихся осадков: проблема взаимовлияния процессов // Доклады РАН. 2007. Т.415. № 6. С. 818-822.

37. Суетнова Е.И. Изменение режима фильтрации и уплотнения осадков под воздействием образования в них газгидратов вследствии процессов глубинной дегазации // Дегазация Земли: геодинамика, геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы. 2008. М. ГЕОС. С. 473-474.

38. Суетнова Е.И. Процесс образования газгидратов в накапливающихся осадках в условиях аномально высокого порового давления // Десятые геофизические чтения им. В.В. Федынского 27-29 февраля 2008г. Тезисы Докладов. Москва. ГЕОН. С. 73.

49. Суетнова Е.И. Влияние механических и гидродинамических свойств накапливающихся осадков на процессы уплотнения и гидратонакопления // Сб. научных трудов «Тепловое поле Земли и методы его изучения». 2008. М. РГГУ. С. 239-243.

40. Суетнова Е.И. Влияние режима осадконакопления и уплотнения осадков в субаквальных условиях на аккумуляцию газгидратов в зоне их стабильности // Физика Земли. 2008. № 9. С. 65-70.

Размещено на Allbest.ru

...