Введение к работе
Актуальность темы.
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 меяаеренном 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 флюидов в тепломассопереносе, происходящем в процессе эволюции коры этих зон, является очень важным так как взаимодействие механических, тепловых и гидродинамических процессов в течение геологической истории формирования и эволюции верхней коры этих регионов создает условия для образования газогидратных скоплений, рудных и нефтегазовых месторождений. При наращивании мощности осадочного чехла Земли происходит ряд геофизических и геохимических процессов, формирующих структуру осадочных пород, и базовым процессом является уплотнение и связанная с ним фильтрация к поверхности насыщающего флюида. Процессы уплотнения приводят к падению свободной пористости с ростом глубины от поверхности пород вплоть до средней и нижней коры, и прогрессивному обезвоживанию земной коры в течение истории роста мощности осадочного слоя. Однако, при принципиальном сходстве трендов, наблюденные зависимости распределения пористости и порового давления от глубины оказывались различными для различных регионов [Hall, 1993]. В первых работах на эту тему, относящихся к тридцатым годам прошлого века были предложены полуэмпирические законы экспотенциального падения пористости с ростом глубины, причем коэффициенты подбирались путем сопоставления с экспериментальными данными по измерениям пористости в скважинах в конкретном регионе и считалось, что распределение пористости по глубине зависит только от типа осадков [Athy, 1930]. Позднейшие модификации закона Ати уже связывали пористость с эффективным давлением, как это было до этого сформулировано в механике грунтов для гидростатического порового давления [Terzaghi, 1923]. В дальнейшем процесс уплотнения осадков исследовался на основе математического моделирования в предположении упругого или упруго-
пластического характера деформирования осадков при потере насыщающего
флюида [Parasnis , 1960; Magara, 1978; Audet, McConnell , 1992; Wangen, 1997;
Luo, Vasseur, Pouya, Lamonreux-Var, Poliakov, 1998; и другие]. Такой подход
позволял удовлетворительно моделировать распределение пористости в
приповерхностных горизонтах, но не давал возможности учесть зависящую от
времени, необратимую компонент}' уплотнения осадков, наблюдаемую как в
природе, так и в лабораторных экспериментах [Bjerrum, 1967; Vasseur, 1998;
Spiers, Schutjens, 1990]. Зависящая от времени, необратимая компонента
уплотнения осадков может численно моделироваться на основании решения
задач уплотнения осадков в постановке, которая описывает вязкие деформации
среды при уплотнении, аналогично, например, моделированию фильтрации
расплава под рифтовыми зонами. В дальнейшем в рамках механизма вязкого
уплотнения были исследованы несколько специальных стационарных и
квазистационарных случаев уплотнения двухкомпонентной
флюидонасыщенной среды коры, которые позволили сделать следующий шаг в
моделировании геофизического процесса уплотнения осадков [Mckenzie, 1987;
Angevine, Turcotte, 1983; Каракин, Суетнова, 1989; Birchwood, Turcott, 1994;
Suetnova, Carbonel, Smithson, 1994; Schneider, Potdevin, Wolf and Faille, 1996;
Fowler, Yang, 1999; Podladchikov, Connoly, 2000]. Однако, эти исследования
носили во многом фрагментарный характер и проводились в упрощенной
постановке и не уделялось внимания сложной реологии двухкомпонентной
среды осадков, анализу влияния физических и гидродинамических свойств и
роли скорости и времени формирования осадочной толщи. Эти исследования,
внеся новый вклад в понимание механизмов процессов уплотнения, не давали
возможности описать с единых позиций закономерности и особенности
эволюции в течении геологической истории основных характеристик процесса
уплотнения, таких как распределение пористости, порового давления, скорости
флюида и скорости уплотнения осадков в зависимости от условий
осадконакопления. При этом могли неадекватно оцениваться как
распределения пористости и давления насыщающего флюида и скорость фильтрации насыщающего флюида, так и их эволюция во времени, что может вносить искажения как в интерпретацию геофизических данных так и в реконструкции процессов, проходящих в осадках в течение их геологической истории. Изучение истории формирования наблюдаемых структур осадков и процессов образования в них полезных ископаемых требует моделирования истории уплотнения, то есть динамики падения пористости и фильтрации насыщающего флюида в зависимости от условий осадконакопления, так как миграция флюидов к поверхности в земной коре может приводить к формировашио коллекторов, скоплению флюидов в аккумулирующих резервуарах и оставлять следы в вмещающей среде в виде рудных и гидратных проявлений. Таким образом разработка математических моделей эволюции процессов тепломассопереноса в течении геологической истории формирования осадочных структур на основании современных представлений о
вязкоупругой реологии двухкомпонентной среды осадков является актуальной задачей.
Цель работы.
Исследование с помощью математического и численного моделирования термомеханических процессов, протекающих в флюидонасыщенных осадочных слоях земной коры в течение их формирования на масштабах геологического времени, включая:
построение математических моделей взаимосвязанных процессов уплотнения и фильтрации насыщающего флюида, протекающих в течение наращивания мощности осадочного слоя, основанных на современных представлениях о вязкоупругой реологии осадков и способных воспроизвести основные черты и особенности этих процессов, наблюдаемые в геофизических данных;
построение аналитических и численных решений нестационарных модельных задач в диапазоне репрезентативных значений геофизических и гидродинамических параметров для вьіявлеїшя основных характеристических свойств поведения решений и закономерностей 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 и эволюции аномально высоких градиентов давления насыщающего осадки флюида и глубинных гидродинамических барьеров и немонотонного характера падения пористости и роста давления насыщающего флюида по глубине осадков, наблюдаемых при исследовании осадочных структур;
выявление закономерностей влияния таких факторов как вариации физических свойств и проницаемости накапливающихся осадков и наличия осаждающихся примесей в насыщающем флюиде (на примере аккумуляции газгидратов в зоне их РТ стабильности) на взаимосвязанные процессы фильтрации флюида и уплотнения матрицы среды осадков в процессе осадконакопления; выявление закономерностей влияния режима осадконакопления на процесс аккумуляции газовых гидратов в зоне их РТ стабильности.
Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующие основные задачи:
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 программная реализация;
3. построение численных моделей различных режимов уплотнения
флюидосодержащих осадков в рамках репрезентативных значений
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. выявление основных критериев подобия, определяющих характер течения
процесса вязкоупругого уплотнения осадков, и сравнительный анализ влияния
их значений на режим эволюции пористости, порового давления и скорости
движения порового флюида в течение 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;
-
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, являющегося нелинейной комбинацией физических, гидродинамических свойств осадков и скорости наращивания их мощности, величина которого определяет давление насыщающего флюида;
-
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 осадконакопления;
-
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 и эволюции глубинных гидродинамических барьеров и зон немонотонных градиентов давления флюида и градиентов падения пористости с глубиной, наблюдаемых при экспериментальных геофизических исследованиях осадочных структур;
-
построение математической модели комплексного процесса вязкоупругого уплотнения накапливающихся осадков и осаждения из насыщающего флюида примесей на примере формирования газовых гидратов из растворенного в насыщающем флюиде газа в зоне их РТ стабильности. Выявление критериев подобия в математической модели, определяющих скорость заполнения пор гидратами и финальную гидратонасыщенность в рамках репрезентативных значений геофизических параметров. Анализ взаимовлияния процессов заполнения пор гидратами и процесса уплотнения осадков (на основании анализа результатов моделирования).
Методика исследования.
Основные результаты, полученные в работе, базируются на аналитическом и численном моделировании, описывающем эволюцию гидродинамического и механического и теплового режима флюидонасыщенной пористой среды вязкоупругой реологии в течение 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 равномерно пригодного асимптотического решения в виде ряда по степеням найденного малого параметра 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 .
Личный вклад автора.
Постановка задач, выбор объектов исследования, численное моделирование выполнены автором. Интерпретация результатов по моделированию однородного осадконакопления частично 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).
На защиту вынесены следующие основные результаты работы:
Механико-математические модели процессов тепломассопереноса при росте мощности осадочного чехла, позволяющие с единых позиций описывать закономерности и особенности эволюции во времени процесса уплотнения осадков, то есть эволюцию распределения пористости, температуры и скорости и давления насыщающего флюида, в рамках механизма вязко-упругого
уплотнения, способные воспроизвести основные черты и особенности этих процессов, наблюдаемые в геофизических данных, включая:
1. Выявленные на основе численных экспериментов и асимптотических решений, механизмы образования и эволюции во времени 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 от значений
параметров подобия и 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. По
результатам моделирования получено, что градиент давления насыщающего
флюида в приповерхностном слое растет с увеличением значения
флюидодинамического критерия V, и что градиент падения пористости по
глубине осадков в приповерхностном погранслое тем больше, чем больше
значение реологического параметра подобия D для одинаковых значений
флюидодинамического критерия V и размерного времени процесса
осадконакопления.
-
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.
-
Установленные закономерности взаимовлияния процессов уплотнения осадков и процесса осаждения примесей из насыщающего флюида на примере аккумуляции гидратов из растворенного в флюиде газа в зоне РТ стабильности газовых гидратов в субаквальных условиях и сравнительные оценки возможной гидронасыщенности в зависимости от условий формирования осадочного слоя. По анализу результатов моделирования показано, что гидратонакопление определяется значениями безразмерных критериев подобия задачи уплотнения накапливающихся осадков, так, что скорость аккумуляции гидратов оказывается выше при больших значениях критерия подобия V и критерия подобия D.
Научная новизна.
Разработана комплексная математическая модель, с единых позиций описывающая термомеханические процессы, происходящие при уплотнении двухкомпонентной среды осадков при прогрессивном наращивании их мощности, основанная на современных представлениях о вязкоупругой реологии геологической среды. Модель дает теоретическое обоснование для зависимости характера течения процесса уплотнения от физических,
реологических и гидродинамических свойств осадков и скорости наращивания их мощности.
Впервые 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 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 скорости наращивания их мощности. В результате моделирования выявлен механизм образования резкого перехода к литостатическому давлению насыщающего флюида на различных глубинах осадков.
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 неоднородностеи 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 равномерно пригодного асимптотического решения в виде ряда по степеням выявленного малого параметра определяющей системы уравнений. 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 газовых гидратов из растворенного в флюиде газа в зоне РТ стабильности газовых гидратов в субаквальных условиях. Выявлены комплексные характеристики процесса осадконакопления, определяющие интенсивность аккумуляции газовых гидратов 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.
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. 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 для интерпретации распределения градиента давления и скоростей насыщающего флюида с позиций эволюционных моделей. 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 газовых гидратов в осадках в зависимости от условий осадконакопления потенциально могут быть использованы для сравнительных оценок возможных проявлений гидрата насыщенности в субаквальных осадках. Результаты работы дают теоретическую основу для интерпретации данных экспериментальных наблюдений с позиций нестационарных моделей вязкоупругого уплотнения осадков в течении геологической истории наращивания из мощности.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты работы изложены в научных отчетах, по теме диссертации опубликованы 40 работ, из них 14 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), XXIX 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, 2006г.), на 6х, 7х, 8х, 9х и 10х "Чтениях им. Федынского" (2004, 2005, 2006, 2007, 2008г., Москва), на конференции "Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности" (2007г., Москва), и других.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав,
заключения, приложения и списка литературы; содержит 243 страницы текста, 54 рисунка, 2 таблицы. Работа выполнена в лаборатории теоретической геофизики Учреждения Российской Академии Наук Института физики Земли РАН.
Благодарности. Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научному консультанту работы, академику РАН, профессору А.О. Глико за постоянное внимание и поддержку. 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 и профессора В.П. Мясникова.
