научная статья по теме МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ ТЕЧЕНИЙ ГЕОФЛЮИДОВ ПРИ ГРЯЗЕВУЛКАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ Математика

Текст научной статьи на тему «МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ ТЕЧЕНИЙ ГЕОФЛЮИДОВ ПРИ ГРЯЗЕВУЛКАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 424, № 1, с. 107-110

ГЕОФИЗИКА

УДК 550.3+532.5+551.21

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ ТЕЧЕНИЙ ГЕОФЛЮИДОВ ПРИ ГРЯЗЕВУЛКАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

© 2009 г. А. В. Доманский, В. В. Ершов, член-корреспондент РАН Б. В. Левин

Поступило 28.07.2008 г.

Грязевые вулканы достаточно широко распространены в мире, они встречаются, например, на Сахалине, в Краснодарском крае, в Азербайджане и т.д. В данной работе рассматривается математическая модель, описывающая движение и процесс извержения геофлюидов в грязевом вулкане. На основе этой модели впервые предложен метод получения единственного решения нестационарной обратной задачи по определению глубины залегания корня вулкана и источника газа. При этом считаются известными период времени между двумя извержениями вулкана и физико-механические свойства геофлюида, водоглинистой брекчии и проницаемость подводящего канала.

Всестороннее исследование грязевого вулканизма позволяет оценивать возможность наличия месторождений газа и его запасы в данном регионе, а также изучать динамику флюидного режима в земной коре. Кроме того, количественный и качественный анализ продуктов и периодичности извержений грязевых вулканов дают возможность изучить их влияние на соотношение парниковых газов в атмосфере. Важным также является определение связи между сейсмичностью и проявлениями грязевого вулканизма в данном регионе.

Работ по построению полных моделей грязевого вулканизма в настоящее время существует немного. Например, в работе [1] на основе известного решения для установившегося движения газа в скважине дана оценка глубины залегания источника газа для грязевого вулкана. В [2] подводящий канал грязевого вулкана представлен в виде вертикального цилиндрического канала, который заполнен движущейся в изотермических условиях грязевой смесью; решение прямой задачи дано на основе системы уравнений компакции. В работе [3] для оценки миграции газа в грязевул-канических каналах используется ряд известных формул из механики жидкости и газа.

Институт морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской Академии наук, Южно-Сахалинск

В настоящей работе считается, что причиной возникновения грязевого вулканизма является образование тектонических разломов. В области разломов по механизму нисходящей фильтрации из перекрывающих осадочных толщ образуется пробка водоглинистой брекчии, подпираемая снизу природным газом, исходящим из питающего грязевой вулкан источника газа. Подводящий канал вулкана считается трещиновато-пористой средой, заполненной брекчией и газом. Между водоглинистой пробкой и газом со временем устанавливается неустойчивое равновесие, которое нарушается с ростом давления вытесняющего брекчию газа. Из условия равновесия определяются глубины залегания корня вулкана и источника газа, т.е. находится решение обратной задачи. Процесс вытеснения газом водоглинистой брекчии рассматривается до момента его извержения, при котором происходит сброс давления газа. Затем снова происходит заполнение подводящего канала и перекрытие доступа глубинному газу. Таким образом подготавливается новое извержение грязевого вулкана. Газ, оставшийся в области смеси брекчии и газа, в течение длительного времени постепенно выходит на земную поверхность через систему грифонов грязевого вулкана.

Схема строения вулкана дана на рис. 1, где а -угол падения разломной зоны, Ь, Ь1 - глубина залегания и длина подводящего канала, его начало соответствует началу координат; Ь - Н, Ь1 - Н1 -глубина залегания и длина слоя водоглинистой брекчии.

Фильтрационные процессы считаются неизотермическими, поэтому в уравнении состояния идеального газа вводится коэффициент сверхсжимаемости; задачи решаются в одномерной постановке. Квадрат давления газа = и(х, 0 удовлетворяет уравнению Лейбензона [4], записанному в безразмерной форме, и начально-краевым условиям вида

Гряз

вулкан

Рис. 1. Схематический разрез грязевого вулкана и основные обозначения.

аиг = ихх + 2аих, и(0, г) = и0 = соШ, их (1, г) + 2 а и (1, г) = 0, и (х, 0) = 0, РоТ 0 ,Н

+ V х = 0, - + х = 0,

0 (4)

Р, - Ръ = Рк(-) = Ркф(Я).

Здесь -0 < я < я0 - газонасыщенность, -0, -0 - остаточные газонасыщенности, ръ, цъ - давление и вязкость брекчии, чъ, V,, /ъ, /Я, ръ, рЯ - скорости фильтрации, относительные фазовые проницаемости и плотности брекчии и газа соответствен-

0 л т

но, рк - капиллярное давление, рк = усоэб / — , У -

коэффициент поверхностного натяжения, б -краевой угол смачивания, ф - функция Леверетта [5]. Равенства (3) называются обобщенными законами Дарси, а уравнения (4) - уравнениями неразрывности фаз и капиллярного скачка давлений на границе раздела фаз.

Начально-краевые условия для системы (3), (4) имеют вид

(1)

а=

Р0гТ

х = Ц: р, = ръ = Р0, х = ¿1-Н^ vъ = 0,

Ре = РН г = 0: Я = %

(5)

Здесь и0 = рЯ, рЯ - давление в источнике газа; на границе х = 1 поток газа равен нулю; Т0 = 273.15 К, р0 = 101325 Па, р0 - плотность газа при нормальных условиях, г - коэффициент сверхсжимаемости, Т - температура, я - ускорение свободного падения. Характерные длина Н1 и время фильтрата

ции газа ^рр ^ = гЯ, где т, к - пористость и проницаемость подводящего канала, ц, - вязкость газа.

Решение задачи (1) дает распределение давления газа в подводящем канале в виде

Здесь р0 - давление на дневной поверхности, рН -давление на границе между газом и водоглини-стой брекчией; эти величины считаются известными.

Система уравнений (3), (4) сводится к одному безразмерному уравнению вида

Яг = (а ( я ) Ях + ъ ( я ) У( г) + й ( я )р)х,

-(0,г) 1

Ар - | ъ(я)ф'йя + р|ъ(я)йх

У( г) = -1-0-.

(6)

| С ( Я ) йх

Р е ( х, г)

Р-

= е

1-2 е0

г I:

У к

— а + а 2 + у2

-у2г/а .

е Э1П у кх =

= Ф0(а, х, г), у к = -

У к

(2)

Vъ = -к Цъ1 /ъ (-)(Ръ, х + РъЯ а),

V, = -кце1 /я(-)(Ря, х + Рее8Ша),

(3)

Здесь

йф

-1

ф- = J¡, ц = ц,, с =(+ц/ъ)

а = Ц/ъ/,ф-с, ъ = ц/ъс, й = Ц/ъ/,с, в = (Р , - Ръ ) - НЯ Ар = Рн - Р0-Р,8(ь - Н)

0

Рк

0

Рк

Формула (2) далее используется при решении обратной задачи.

Классическая модель двухфазной фильтрации имеет вид [5]

Так как а > 0 для -0 < - < -0 и а(-0) = а(-0) = 0, то уравнение (6) имеет параболический тип и вырождается в гиперболическое уравнение при значениях искомого решения -0 и -0. Характерные длина и время двухфазной фильтрации равны Ьх - Н1

т ц, (¿1- Н1 )2

0

кРк

= г/.

0

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ ТЕЧЕНИЙ

109

Начально-краевые условия (5) после преобразований примут следующий вид:

х = 0: а (5) ^ + Ь (5) У( г) + й (5 )р = 0, х =1: 5 = 5 0, г = 0: 5 = 50.

(7)

—ьЬ - Н

= Ф„(а( н), 1, г*( ь, н)),

(8)

I—усо80 8т2ах 10 6 т

Пусть задан интервал времени ге между двумя последовательными извержениями грязевого вулкана. Из предположения о том, что длительности двухфазной фильтрации и фильтрации газа соответственно пропорциональны отношениям времен и г^ к их сумме, следует, что безразмерное время фильтрации газа до начала вытеснения водоглини-

ге

стой брекчии равно . -- . = г*(Ь, Н). То-

гй( н) + г1 (ь, н)

гда из условия равенства давлений слоя водоглини-стой брекчии и подпирающего его газа при г = г* с учетом (2) вытекает, что

Ь, И, 103 м 25 20 15 10 5

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

г

Рис. 2. Номограмма, отражающая связь Ь и Н с проницаемостью подводящего канала.

функция Ф0(а*(г), 1, г) ~ е 1 при любых г > 0 (в частности, при г = г*). Поэтому в силу (8)

где — - средняя плотность горных пород. В уравнении (8) содержатся две неизвестные величины, и для однозначного определения Ь и Н надо задать дополнительное условие.

Пусть Ф(а, г) = аФ0(а, 1, г). Условие тах Ф (а, г) =

а

= Ф(а*, г) однозначно определяет зависимость а* = а* (г) и, соответственно, величину Н*(г).

С учетом (8) находим длину Ь*(г) = (1 - рФ0(а*(г), —5

1, г)) 1Н*(г), р = —. Поэтому решение обратной рь

задачи сводится к решению уравнения г*(Ь*(г), Н*(г)) = г. Анализ формулы (2) показывает, что решение этого уравнения существует и единственно в широком диапазоне изменения параметров.

На рис. 2 дан пример номограммы, отражающей связь Ь и Н с проницаемостью подводящего канала в зависимости от величины времени установления равновесия г* = г. Видна однозначная зависимость между указанными параметрами. Данные для расчета были выбраны такими: —0 = 1.46 кг/м3, —ь = 1800 кг/м3, — = 2500 кг/м3, ¿Г = 1100 К, | = 69 х х 10-6 Па ■ с, ге = 631152000 с (20 лет), а = 60°, у со80 = 50 ■ 10-3 Н/м.

Проведенные расчеты показывают, что проницаемость подводящего канала будет основным параметром, определяющим глубины залегания корня вулкана и источника газа. Кроме того, глубина залегания источника газа зависит от плотности газа: чем она меньше, тем больше глубина залегания источника. Вычисления также дают, что

Ь* Н*

Н* е - —

(9)

Например, если — ь = 1800 кг/м3, — = 2500 кг/м3, то Ь — Н

—*--—* ~ 1.05 и корень вулкана находится при-Н*

мерно посередине подводящего канала (что отмечено и в работе [2]) при любом периоде извержения вулкана.

Правая часть (9) отрицательна при — > е и тогда не существует равновесия слоев брекчии и газа, грязевой вулкан не образуется, а газ непрерывно истекает в атмосферу.

Можно показать, что а* = 1 при г = Согласно

(2) рД1, ^ = ре1 = — Поэтому, если сила сопротивления, или давление рс, оказываемая слоем брекчии, больше — 5#Ье-1, то равновесие между брекчией и газом невозможно и грязевой вулкан является погребенным. Отсюда вытекает, что Ь < еР и

максимальная глубина залегания источника газа для погребенного грязевого вулкана равна Ьтах = .

Исследование вытеснения брекчии газом основывается на численном решении задачи (6), (7). Алгоритм расчета этой задачи повторяет используемый в [6], поэтому здесь не дается. Параметры расчета в дополнение к приведенным выше были, следующими:

|ь = 33 ■ 103 Па ■ с, — 8 = 362 кг/м3,

к = 0.217 ■ 1012 м2, т = 0.1,

0

5

Li

1.0 0.:

0.6

0.4

0.2

1-г

t = 20

1-5

Li

Hi

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

S

Рис. 3. Распределение газонасыщенности по длине подводящего канала при вытеснении газом водогли-нистой брекчии (время указано в годах).

pH - p0 = 162.22

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком