Математическое моделирование массопереноса в природных набухающих средах

• Автор: Храмченков, Эдуард Максимович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 83 с. : ил.

Глава 1. Термодинамика набухающих систем

§ 1.1. Механизмы набухания в природных ионообменных системах

§ 1.2. Термодинамика набухания глин и почво-грунтов

ГЛАВА 2. Модели и задачи реологии набухающих сред

§ 2.1. Уравнения физико-химической механики набухающих сред

§ 2.2. Задача об усадке слоя набухающего грунта

§ 2.3. Численная схема решения задачи. Анализ результатов расчетов

по модели

§ 2.4. Сравнение с экспериментальными данными по набуханию глинистого грунта

ГЛАВА 3. Моделирование водоотдачи глинистого слоя в пласт,

вскрытый совершенной скважиной

§ 3.1. Фильтрация в водоносном пласте при наличии перетоков
§ 3.2. Водоотдача набухающего глинистого слоя в пласт, вскрытый совершенной скважиной
§ 3.3. Численная схема решения задачи. Анализ результатов расчетов
по модели
ГЛАВА 4. Математическое моделирование процессов при подземном
захоронении жидких отходов
§ 4.1. Массоперенос в набухающем глинистом слое при наличии концентрации загрязнения
§ 4.2. Моделирование переноса вещества в водоносном пласте при наличии перетока в глинистый слой
§ 4.3. Численная схема решения задачи. Анализ результатов расчетов
по модели
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

В последнее время усилился интерес к изучению природных набухающих сред и процессу набухания сред в целом. К таким средам относятся, в частности, глинистые породы, т. е. горные породы, содержащие в своем составе глинистые минералы. Глинистые минералы как одни из наиболее дисперсных обладают свойством активно сорбировать на поверхности глинистых частиц воду из паров или растворов. В некоторых глинистых минералах (минералы группы монтмориллонита) при адсорбции воды изменяется (увеличивается) расстояние между частицами глинистых минералов, что приводит к увеличению объема породы в целом. В этом случае говорят о набухании глин. Глинистые породы относятся к осадочным породам. По характеру течения флюида через породу (фильтрации) обычно глинистые породы являются слабопроницаемыми. При формировании толщи осадочных пород, как правило, хорошо проницаемые слои чередуются со слабопроницаемыми слоями. Последние, как уже было сказано выше, обычно представлены глинистыми породами. В силу этого о глинистых породах говорят как о естественных водоупорах, т. е. слоях, разделяющих хорошо проницаемые слои горных пород (обычно называемые пластами или коллекторами). Пласты обладают свойством проводить подземные флюиды (обычно воду или нефть). В случае, когда фильтрующаяся жидкость является водой или водным раствором природных солей, мы говорим о водоносных пластах. Вода или подземный раствор в разных водоносных пластах обычно отличны по своему химическому составу. Процессу смешения препятствуют слабопроницаемые глинистые водоупоры, затрудняющие процесс массоперепоса из одного хорошо проницаемого пласта в другой. Этот факт играет не только важную фундаментальную роль для изучения закономерностей формирования химического состава подземных вод разного генезиса, но и выполняет важную приклад-

ную функцию. Дело в том, что в последние годы в связи с бурным ростом промышленного производства необходимо обеспечивать безопасное захоронение или складирование промышленных отходов. Одним из способов является закачка загрязненных растворов (растворов, содержащих вредные, сильно действующие или ядовитые вещества) в подземные природные пласты при условии, что эти пласты хорошо изолированы глинистыми слоями от других пластов, вода которых используется для технических или питьевых нужд (так называемое подземное захоронение загрязнений). Естественно, необходимо иметь как можно больше информации о свойствах глинистых разделяющих (изолирующих) слоев (водоупоров) и процессах, протекающих в них. Без этого прогноз безопасного захоронения оказывается невозможен. Другая важнейшая роль глинистых водоупоров - это роль глинистых покрышек месторождений нефти и газа (Осипов и др., 2001).
Другим важнейшим представителем природных набухающих сред являются почвы. Почвы, помимо агрономической функции, играют роль одной из важнейших составляющих экосистемы Земли. Почва оказывает влияние на все оболочки Земли - атмосферу, гидросферу и литосферу. Так, в частности, почва участвует в формировании и поверхностного и подземного стока и водного баланса, является одним из важнейших факторов биопродуктивности водоемов, участвует в формировании и эволюции газового состава атмосферы. Велико влияние почвы на влаго- и теплообмен литосферы и гидросферы с атмосферой, включая сюда и природный влагооборот. С геологической точки зрения, почва - это верхняя часть коры выветривания горных пород, в которой горные породы подвергаются наиболее энергичному воздействию как неорганических компонентов выветривания, так и компонентов, мобилизуемых живыми организмами (биотой). Почва является средой, на которой протекает хозяйственная деятельность человека. С этим связана одна из наиболее актуальных экологических проблем в настоящее время - воздействие агрессивных компонентов и отходов промышленного производства, а

Зависимость скорости деформаций от величины приложенной нагрузки рассчитывалась на основе неравновесного уравнения усадки
График полученной зависимости приводится на рис. 9. Видно, что характер полученной кривой соответствует так называемой реологии Бингама (.Рейнер,1965), что представляется вполне правдоподобным для набухающих систем типа глин. Замечательно, что значение предельной нагрузки на слой, физически обеспечивающей отсутствие набухания слоя в целом, линейно зависит от величины обменной емкости е и параметра а практически не зависит от проницаемости среды.
§2.4. Сравнение с экспериментальными данными но набуханию глиниДля иллюстрации хорошего совпадения результатов расчетов по модели воспользуемся стационарным приближением модели (2.17) - (2.22). Предполагая, что процесс набухания/усадки завершен и, таким образом р- 0, запишем на основании (2.17) - (2.22)

сто го грунта

Фо-КУ
(2.33)
(2.43)
(2.35)
Отсюда следует
Г У / у .у
2РЛРЛКо~К)~
р^тр.Л
(2.36)