ИСТИНА

Исследование многофазных течений в пористой среде необходимо для рациональной эксплуатации недр Земли, в частности при разработке месторождений углеводородов и при подземном захоронении газообразных отходов предприятий. Во многих случаях, в том числе и в важных практических приложениях, гидродинамические процессы в проницаемых геологических пластах сопровождаются сложными термодинамическими процессами: фазовыми переходами между жидкими и газовыми фазами насыщающих флюидов, ретроградной конденсацией и выпадением или растворением породообразующих минералов. В предлагаемом проекте исследование отмеченных процессов будет происходить в рамках развития универсальной нелинейной модели фильтрации и авторского комплекса программ для ЭВМ, объединяющих в себе как уравнения механики многофазных сред, так и сложные методы определения парожидкостных равновесий флюидов в широком диапазоне термобарических условий. Уникальность неизотермической модели и комплекса программ заключается в том что они позволяют описать однофазные, двухфазные и трёхфазные парожидкостные равновесия бинарных смесей и соответствующие течения в пористой среде, которые существующими моделями не описываются В рамках модели будут детально исследованы сложные проблемы подземной гидромеханики. Будут исследованы оптимальные режимы разработки газоконденсатных залежей с нефтяной оторочкой, в случае если в пласте имеются три различные фазы углеводородной смеси. Будет проведён анализ гидродинамической устойчивости фронтов вытеснения при захоронении углекислого газа в водонасыщенных пластах, в зависимости от начальных термобарических условий в недрах. Будет решена задача о неизотермической фильтрации в геотермальных системах, окружающих вулканическую систему с учётом тепломассообмена с каналом вулкана. Будет исследована пространственная устойчивость протекания минеральных реакций при остывании кимберлитовых геологических тел.

Investigation of multiphase flow in porous media is necessary for optimization of the Earth interior exploration, particularly in the oil and gas recovery and underground waste disposal. In many cases, including important practical applications, hydrodynamic processes in permeable geological formations are accompanied by complicated thermodynamic processes: phase transitions between liquid and gas phases, retrograde condensation and precipitation or dissolution of minerals. The proposed research project concerning the described processes will take place in the framework of the development of a universal non-linear model for flows in porous media and reservoir simulator that combines the equations of mechanics of multiphase media, and sophisticated methods of determining the vapor-liquid equilibrium of fluids in a wide range of temperatures and pressures. The uniqueness of the non-isothermal model and the simulator is that they allow us to describe single-phase, two-phase and three-phase vapor-liquid equilibria of binary mixtures and the corresponding flow in a porous medium that existing models do not describe. A set of complicated problems related to underground hydromechanics will be studied in detail in the model. The exploration of oil rims subject to complicate phase transitions between oil, hydrocarbon gas and condensate will be investigated. It will be carried out the analysis of hydrodynamic stability of displacement of the fronts in the disposal of carbon dioxide in the water-saturated layers, depending on the initial temperature and pressure conditions in the subsurface. The problem of non-isothermal flows in geothermal systems surrounding volcanos will be solved taking into account the heat and mass transfer from the volcano channel. It will be investigated the spatial stability of the mineral reactions during cooling of kimberlite pipes.

1. Методы определения парожидкостных равновесий углеводородных смесей для трѐхфазной системы углеводородный газ-конденсат-нефть. Тестовые расчѐты разработки нефтегазоконденсатных залежей без рассмотрения горизонтальных скважин. 2. Решение двумерной задачи о неизотермической фильтрации в геотермальных системах окружающих канал вулкана, без учѐта обратного влияния геотермальной системы на параметры магмы в канале вулкана. 3. Аналитическое исследование областей гидродинамической неустойчивости фронтов вытеснения при закачке углекислого газа в водонасыщенный пласт в рамках решения двумерной осесимметричной задачи без учѐта силы тяжести. Результаты параметрического исследования областей неустойчивости в зависимости от термобарических параметров в пласте и критических насыщенностей. 4. Результаты численного исследования параметров пространственной неустойчивости процесса образования серпентинита в рамках решения двухмерной задачи. Зависимости амплитуды и длины волны неоднородностей от начальных условий в кимберлитовой трубке.

Руководителем проекта, Афанасьевым А.А., накоплен богатый опыт в области задач неизотермической фильтрации, аналитических методов решения задач механики сплошной среды, нелинейных волн, вычислительной гидродинамики и термодинамики, в том числе с использованием суперкомпьютерных систем. Проведены исследования ряда задач однокомпонентной и многокомпонентной фильтрации при критических термодинамических условиях. Решена классическая задача о распаде произвольного разрыва для однокомпонентных течений, исследована гидродинамическая устойчивость фронтов фазового перехода и получено представление в форме Годунова для системы уравнений смешанного типа, описывающей фильтрацию. Разработан оригинальный метод расчѐта многофазных термодинамических равновесий бинарной смеси, основанный на поиске условного экстремума термодинамической функции. Проведены исследования фазовой диаграммы смеси углекислый газ-вода в широком диапазоне до- и закритических термодинамических условий. Показано, что возможны условия совместного существования воды и углекислого газа в жидком и газообразном состояниях. Методы расчѐта свойств легли в основу новой оригинальной модели неизотермических течений бинарной смеси, которая будет развиваться в рамках настоящего проекта. Разработан комплекс программ MUFITS (Multiphase Filtration Transport Simulator) для анализа неизотермических многофазных многокомпонентных течений (в том числе бинарных смесей) в пористой среде. Комплекс позволяет провести серию инженерных расчѐтов от обработки экспериментальных измерений свойств смеси, до проведения трѐхмерных нестационарных расчѐтов фильтрационных течений с использованием суперкомпьютеров. Данный комплекс будет развиваться в рамках настоящего проекта.

Решена классическая автомодельная задача Римана (задача о распаде произвольного разрыва) для процесса закачки закритического углекислого газа в водонасыщенный проницаемый пласт. Определены и исследованы последовательности волн Римана и сильных разрывов насыщенности и температуры, распространяющихся от скважины в пласт. Ограничены значения пластовых давлений и температур, при которых передний фронт вытеснения неустойчив по отношению к двухмерным возмущениям. Построены двухмерные автомодельные решения задачи, описывающей процесс накопления газа у кровли пласта, и исследована зависимость размеров области накопления газа от параметров подобия течения. Проведены расчёты закачки газа в действующем проекте захоронения углекислого газа. Проведён линейный анализ устойчивости серпентинизации оливина (экзотермической минеральной реакции) в кимберлитовых трубках с учётом неизотермической фильтрации воды и инертного газа. Определены параметры подобия процесса, определяющие режим протекания реакции – устойчивый или неустойчивый. Показано, что серпентинизация контролируется конкурирующим воздействием двух механизмом: выделением тепла при реакции, способствующим дестабилизации однородного распределения параметров, и конвективным переносом тепла и теплопроводностью, способствующих стабилизации за счёт сглаживания возмущений температуры. Определена критическая длина волны возмущения, разделяющая области параметров, при которых один механизм доминирует над другим. Показано, что существует критическое значение скорости потока, при превышении которого неустойчивость не развивается, а серпентинизация протекает в однородном режиме. Расширены функциональные возможности комплекса программ MUFITS (www.mufits.imec.msu.ru) для моделирования разработки углеводородных месторождений в рамках расширенной модели Черной нефти, позволяющей учитывать фазу углеводородного конденсата. Добавлена возможность расчёта сопряжённых течений пласт-горизонтальная скважина с учётом потерей давления в скважине. Проведено тестирование разработанных методов в рамках расчёта стандартных для нефтяной промышленности тестов Общества инженеров-нефтяников. Результаты сравнения подтвердили корректность программной реализации методов расчёта течений. Проведены расчёты модельной задачи о дегазации магмы при подъёме по каналу вулкана, пересекающему водонасыщенные породы. Показано, что интенсивность оттока вулканических газов в породы сравнима с интенсивностью их переноса вместе с поднимающейся магмой. Учёт оттока газа из магмы существенно влияет на динамику извержения, в частности на период колебаний расхода магмы. Проведено исследование взаимодействия магматических и геотермальных систем в рамках исследования фильтрации в геотермальной системе Campi Flegrei (Италия). Даны оценки для параметров нагретых газов, которыми система питается из магматического очага. Показано, что кратковременное воздействие на геотермальную систему, вызванное процессами в магматическом очаге, может приводить к долговременным возмущениям системы.