Математическое моделирование физико-химических процессов в гидрогеомеханике

• Автор: Храмченков, Максим Георгиевич
• Шифр специальности: 05.13.18, 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 233 с. : ил.

Введение
Глава 1. Разработка математических моделей массообмена и макрокинетики химических реакций при фильтрации растворов

1.1. Общие вопросы моделирования процессов массообмена и

макрокинетики химических реакций в пористых средах

1.2. Дисперсия и химические реакции в пористых средах

Глава 2. Теоретические основы физикохимической механики глин и глинистых горных пород

2.1. Термодинамика и особенности набухания глин

2.2. Механика глин и глинистых горных пород

2.3. Реологические свойства глин и глинистых горных

2.4. Диффузия в глинах

2.5. Фильтрация в глинах

Глава 3. Изучение и моделирование процессов, связанных с обратной трансформацией и диспергированием глинистых ми
нералов
3.1. Влияние процессов обратной трансформации глинистых
минералов на реологические свойства аргиллитов
3.2. Математическое моделирование диспергации глинистых минералов в заглинизированных нефтяных пластах коллекторах
Заключение
Литература
з
ВВЕДЕНИЕ


На основе объединения методов механики насыщенных пористых сред и методов теории поверхностных сил разработать математическую модель физикомеханических свойств и процессов переноса в глинах и глинистых горных породах, позволяющую с единых позиций подойти к описанию широкого комплекса вопросов физикохимической механики глинистых пород реология глин, диффузия в глинах, фильтрационные и буферноемкостные свойства глин. На базе методов теории электрокинетических явлений в пористых средах и механики разрушения разработать физическую и математическую модель явлений, связанных с протеканием процессов обратной трансформации глинистых минералов в нефтяных пластах и перекрывающих их глинистых толщах. Диссертация состоит из трех глав. Первая из них посвящена вопросам разработки математических моделей массообмена и макрокинетики химических реакций при фильтрации растворов. В п. Главная трудность здесь получить полную систему уравнений, описывающих процесс подземного массопереноса в многокомпонентных системах с гомогенными и гетерогенными химическими реакциями. Ее удалось преодолеть, введя в состав определяемых макропеременных для гетерогенных реакций диффузионный потенциал. Далее изучен конкретный пример формирование химического состава при растворении карбонатов. Показано, что разработанная модель хорошо описывает процесс растворения кальцита, причем вблизи равновесия используется диффузионная модель, в вдали от равновесия кинетическая модель. В п. Известно, что явление дисперсии примеси фильтрационным потоком аналогично турбулентной диффузии. Физическая сущность процесса перемешивания в обоих случаях одна и та же это корреляция флуктуации концентрации и скорости несущего потока. В случае фильтрации последние обусловлены сложной геометрией порового пространства. Химические реакции вызывают свои локальные флуктуации поля концентраций и, тем самым, могут влиять на дисперсию. Разработанный в п. Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке теоретических основ физикохимической механики глин и глинистых горных пород. В п. Дело в том, что, как уже отмечалось в сформулированных выше требованиях к модели физикомеханических свойств и процессов переноса в глинистых породах, это модель должна опираться на известные экспериментальные данные для ряда процессов в глинах, в частности, для набухания суспензий глинистых минералов в растворах электролитов. Главная трудность здесь получить согласие с экспериментами К. Нориша . Эти эксперименты объяснялись с разных позиций за счет привлечения дополнительных предположений в частности, о существовании предельного градиента сдвига для воды между частицами глинистых минералов в суспензии. На основе методов теории химического равновесия в системах с электрическим зарядом была предложена модель химического равновесия ионов раствора между частицами глинистых минералов и ионов свободного раствора суспензии. Это помогло рассчитать адсорбционную составляющую расклинивающего давления избыточного над гидравлическим давления, действующего в тонких прослойках воды между коллоидными частицами или пленках и обусловленного поверхностными силами. Затем было решено уравнение равновесия для частиц глинистых минералов равенство нулю расклинивающего давления, и его решение имеет хорошее согласие с базовыми экспериментами К. Нориша . В п. Модель основана на объединении методов механики насыщенных пористых сред и методов теории поверхностных сил, базирующихся на концепции расклинивающего давления. Рассматривается изотермическая фильтрация однородной жидкости в деформируемой пористой среде, часть порового пространства которой занята частицами глинистых минералов, разделенных прослойками жидкости. Проводится пространственное осреднение элементарной мощности внутренних механических поверхностных сил в твердой фазе при отсутствии массовых сил и постоянном давлении в жидкости и пренебрежении некоторыми интегралами от произведения пульсаций, что достаточно традиционно при проведении пространственного осреднения . В результате получено уравнение состояния для фаз через диссипацию и свободную энергию твердой фазы. В п. Для одномерной задачи найдена простейшая приближенная модель и исследуются ее следствия. В частности установлено, что реология водонасыщенных глин подчиняется известному закону Бингама. В п.