Электродинамические эффекты в диэлектрически поляризующихся водонасыщенных терригенных отложениях Доровский Савва Витальевич

Введение к работе

Актуальность, практическая значимость и методы исследования. Прогресс геофизических методов разведки часто связан с построением новых уравнений геофизических полей и развитием на их непротиворечивой основе методов измерения физических величин. Успех методов индукционного электромагнитного каротажа не лишает актуальности поиск новых способов измерения электропроводности и других физических величин, характеризующих насыщенную природными рассолами среду. Классическая электроразведка основана на модели среды, представленной уравнениями Максвелла с законом Ома. Уравнения Максвелла не отражают проницаемость формации, пористость, двойной электрический слой, т.е. многого, что представляет реальную среду с электрическим током.

Проявление двойного электрического слоя сказывается на двух положениях электродинамической теории: в плотности тока появляется электрокинетический член; в акустическом диапазоне частот электромагнитного поля, как показала Ц. М. Левицкая (Физика Земли. 1984. № 10. С. 82—87) появляется «гигантская» дисперсия диэлектрической проницаемости. Становится актуальной задача отражения в феноменологических уравнениях флюидонасыщенных сред влияния поляризационных характеристик среды на электрогидродинамическое движение. Об актуальности учета электрокинетического параметра свидетельствует рассмотренная в диссертации задача об измерении электропроводности в многопараметрической флюидонасыщенной среде, учитывающей проницаемость, пористость, двойной электрический слой. Развитый метод измерения электропроводности формации учитывает ее многопараметрич-ность.

Методы геофизических измерений петрологических и физических параметров флюидонасыщенной среды носят косвенный характер и должны опираться на заведомо непротиворечивые физические модели флюидонасыщенных сред. Поэтому вывод уравнений должен контролироваться общефизическими принципами: инвариантностью уравнений, законами сохранения, первым началом термодинамики. В настоящее время отсутствует электродинамическая теория пористых насыщенных электролитами диэлектрически поляризующихся сред. В теории С. Прайда (Physical Review В. 1994. Vol. 21, P. 15678—15696) делается попытка учета структуры двойного электрического слоя. Общефизические требования к теории не контролируются процедурой вывода уравнений.

Теория не рассматривает магнитоакустические эффекты. В рамках теории не находит объяснения «гигантская» диэлектрическая проницаемость. Не представляется возможным анализировать переходные процессы. Полученные электрокинетические соотношения, как показывают лабораторные эксперименты (Геология и Геофизика. 1999. № 8. С. 125-129), довольно грубо отражают процессы в горных породах. Не соответствует физическому эксперименту полученная в теории частотная зависимость проницаемости (Геология и Геофизика. 2012. № 5. С. 621— 632). Тем не менее, теория С. Прайда, делающая попытку учета дисперсии диэлектрической проницаемости в результате процессов перераспределения зарядов двойного электрического слоя, как при относительном движении флюида и матрицы, так и при непосредственном взаимодействии среды с электромагнитным полем, имеет большое методическое значение.

Теория В. Н. Доровского и X. X. Имомназарова (Mathematical and Computer Modeling. 1994. Vol. 20, P. 91—97) основана на магнито-гидродинамическом приближении и не учитывает диэлектрическую поляризацию.

Представляется актуальным построение на фундаментальных физических принципах последовательной феноменологической теории электромагнетизма в движущейся флюидонасыщенной среде, учитывающей эффекты диэлектрической поляризации.

В методической части диссертации (первой главе) излагается метод Л. Д. Ландау в применении к выводу уравнений односкоростных гидродинамических теорий. На основе метода строятся электродинамические системы, описывающие диэлектрически поляризующиеся терри-генные среды: электродинамика двухскоростной среды и электродинамика слоистой односкоростной водонефтяной среды. В основе метода лежат общие принципы построения уравнений: принципы инвариантности, законы сохранения, основное термодинамическое тождество. Первая система описывает движение флюида в диэлектрически поляризующихся пористых средах, феноменологически учитывает эффекты двойного электрического слоя. Предложен метод измерения электропроводности в простейшей геометрической ситуации при индукционном электроакустическом и магнитоакустическом возбуждении плоских волн во флюидонасыщенной среде. Вторая электродинамическая поляризующаяся система связана со слоистой средой. На ее основе развит электродинамический метод разрушения слоистых структур. В процессе эксплуатации коллекторов, значительные нефтеносные обводненные зоны выводятся

из эксплуатации. Происходит облитерация трещиноватого пространства. Вибрационное воздействие стимулирует выход нефти, с полярными компонентами и газом (Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004. № 5. С. 29—34). Актуальность эксплуатации обводненных коллекторов указывает на необходимость понять основу процессов разрушения облитерационных зон. В диссертации принимается гипотеза о структуре среды. Строятся электродинамические уравнения анизотропной диэлектрической модели. Исследован электродинамический эффект: диэлектрически анизотропная слоистая модель обладает способностью к параметрическому возбуждению межслойного пространства, ведущему к разрушению слоев [1, 2, 3, 5] при прохождении переменного электрического тока. Рассматривается возбуждение системы акустическим воздействием, связанным с полевыми наблюдениями.

Обе модели объединены единым методом построения электродинамических уравнений во флюидонасыщенных средах, учитывают поляризационные диэлектрические эффекты. Модели исследуют многопараметрические среды и электродинамические эффекты в них. Предложенные модели в проявлении диэлектрических свойств дополняют друг друга: в двухскоростной системе объемный электрический заряд формирует двойной электрический слой и через механизм электроакустического преобразования позволяет развить метод измерения электропроводности. Во второй, односкоростной модели объемный электрический заряд обеспечивает параметрическую неустойчивость системы и ее последующую деструкцию.

Теоретическая значимость диссертационной работы связана с получением новых уравнений, описывающих водонасыщенные терриген-ные среды, диэлектрически поляризующиеся в электромагнитном поле, построение которых основано на наиболее общих принципах гидродинамического описания конденсированных сред.

Цель работы - повышение информативности геофизических методов диагностики развитием теории и методов вывода новых уравнений, адекватных сложности физического устройства флюидонасыщенных формаций.

Научные задачи:

1. построение двухскоростных уравнений электродинамики диэлектрически поляризующихся флюидонасыщенных сред;

2. описание взаимодействия двух систем электроакустических и магнитоакустических колебаний;

3. построение в рамках предложенной физической модели уравнений слоистых водонефтяных систем, описывающих взаимодейт-свие с электромагнитным полем;

4. формализация модели параметрического возбуждения диэлектрически анизотропной водонефтяной среды переменным электрическим полем.

Предметом исследования являются диэлектрически поляризующиеся водонасыщенные терригенные отложения в условиях нестационарного электродинамического воздействия.

Методы исследования. При построении уравнений, описывающих геофизические поля в пористых и трещиноватых флюидонасьпценных средах использовались общефизические принципы: законы сохранения, принципы инвариантности, первое начало термодинамики. Показано, что на этих принципах уравнения строятся однозначно.

Научная новизна. На основе законов сохранения, принципов инвариантности, первого начала термодинамики построены двухскоростные феноменологические уравнения диэлектрически поляризующейся в электромагнитном поле флюидонасыщенной среды. Развиты теоретические основы скважинного метода измерения электропроводности в многопараметрической системе. Предложена модель анизотропного диэлектрика, допускающая параметрическое возбуждение электромагнитными источниками.

Степень разработанности. Диссертация представляет законченное научное исследование, в котором построены электродинамические уравнения диэлектрически поляризующихся флюидонасьпценных сред, разработан теоретически электромагнитоакустический метод измерения электропроводности и отношения кинетических коэффициентов, постое-на модель слоистой водонефтяной системы, обладающая свойством параметрической неустойчивости при акустическом и электродинамическом внешнем воздействии.

Степень достоверности полученных результатов обеспечивается:

1. наличием предельных переходов к известным моделям;

2. использованием фундаментальных физических принципов построения гидродинамических систем: инвариантностью уравнений относительно преобразования Галилея, законами сохранения, первым началом термодинамики. Показано, что первое начало термодинамики для геофизического поля, рассматриваемого в приближении сплошной среды, однозначно определяет соответствующие уравнения движения.

Положения, выносимые на защиту:

3. на основе физических принципов (законов сохранения, принципа инвариантности Галилея и первого начала термодинамики) получены уравнения движения электропроводящих рассолов в пористых средах с учетом взаимодействия диэлектрически поляризующейся среды с электромагнитным полем;

4. на основе линейного варианта уравнений теоретически разработан метод измерения электропроводности и отношения кинетических коэффициентов в условиях взаимодействия двух систем электроакустических колебаний;

5. построены в рамках диэлектрически анизотропной модели слоистых систем уравнения среды, взаимодействующей с электромагнитным полем;

6. показана принципиальная возможность параметрического возбуждения электрическим полем и последующей деструкции диэлектрически анизотропной среды в межблочном пространстве.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на Международной конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Новосибирск, 2002), VIII Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Новосибирск, 2007), XI Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2010). Работа докладывалась на расширенном семинаре с привлечением широкого круга специалистов в Новосибирском Технологическом Центре компании Бэйкер Хьюз (Новосибирск, 2013), на геофизическом расширенном семинаре Инстатута ИВМиМГ СО РАН (лаборатория д.т.н., профессора Б. М. Глинского), на семинаре Инстатута Гидродинамики СО РАН (лаборатория фильтрации д.ф.-м.н., профессора В. В. Шелухи-на).

Благодарности. Автор благодарен д.т.н., академику РАН М. И. Эпо-ву, всесторонне способствующему выходу настоящего труда в свет; научному руководителю д.т.н. В. С. Могилатову, поддержавшему рассмотрение многоплановости исследований электродинамичеких эффектов в диэлектрически поляризующихся средах; своим соавторам д.ф.-м.н. В. С. Белоносову и д.ф.-м.н. А. М. Блохину, обеспечивших законченность начатых исследований; докторам физико математических наук Ю. А. Дашевскому, Е. И. Роменскому, Е. Ю. Антонову ознакомившихся с

диссертационной работой и давших свое Заключение; д.ф.-м.н. В. Н. До-ровскому за множественное обсуждения проблем, затронутых в диссертации; д.ф.-м.н. В. В. Шелухину и д.т.н. Б. М. Глинскому за всесторонний анализ работы на рабочих семинах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, 3 глав, заключения и списка литературы из 50 наименований. Общий объем диссертации составляет 132 страницы, включая 6 рисунков. По теме диссертации опубликовано 7 статей в журналах из списка ВАК.