ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ПсковГУ |
||
В рамках НИР планируется применение методов механики многофазных сред и теории фильтрации к исследованию течений и процессов в вулкано-магматических системах, природных и техногенных процессов в пористых средах с учетом сложной реологии текущих жидкостей, фазовых переходов и широкого диапазона температур и давлений, включая сверхкритические условия. Будут получены результаты, позволяющие объяснить и количественно связать различные данные поверхностных и скважинных измерений с процессами, происходящими в земной коре. Дополнительно планируется изучение электрических явлений в вулканических колоннах для выявления условия образования вулканических молний в процессе эксплозивных извержений, и склонных потоков для выявления закономерности их распространения с учетом захвата донного материала.
As part of research, it is planned to apply methods of mechanics of multiphase media and filtration theory to the study of currents and processes in volcanic-magmatic systems, natural and man-made processes in porous media, taking into account the complex rheology of current fluids, phase transitions and a wide range of temperatures and pressures, including supercritical conditions. Results will be obtained that make it possible to explain and quantitatively associate various data from surface and downhole measurements with processes occurring in the earth's crust.
Модели природных процессов в недрах Земли, а также ряда геотехнологических процессов. Решение задач, связанных с приложением моделей: в том числе результаты исследования формирования рудных месторождений, конвективных течений в пористых средах и процессов формирования вулканических молний и эволюции склоновых потоков.
Участниками проекта разработана оригинальная модель неизотермических течений многокомпонентных смесей. В рамках модели могут быть описаны не только однофазные и двухфазные фильтрационные течения с равновесиями типа жидкость-газ, но с равновесиями типа жидкость-жидкость и с трёхфазными термодинамическими равновесиями типа жидкость-жидкость-газ. Могут быть описаны течения в до- и закритических термодинамических условиях. Разработан программный комплекс MUFITS (www.mufits.imec.msu.ru), основанный на описанной модели фильтрации. Программный код позволяет использовать инженерные данные о геологическом строении проницаемого резервуара и о теплофизических свойствах насыщающих флюидов. Программный код позволяет проводить параллельные расчёты на суперкомпьютерных вычислительных системах. Для построения сложной геологической модели резервуара используются графы ячеек. Это позволит менять топологию пространства и перемещать ячейки в процессе внедрения порций магматического расплава. Разработаны модели подъема магмы в канале вулкана для различных типов вулканических извержений с учетом ее кристаллизации, дегазации и неньютоновских свойств. Математическое моделирование позволило объяснить различные наблюдаемые явления, включая цикличность роста лавовых куполов, развития взрывного извержения при прорыве лавовой пробки и др. Изучена кристаллизация различных минералов из магматического расплава. Построенные модели позволили объяснить осцилляции химического состава различных кристаллических фаз. Построены модели распространения ламинарного, ньютоновского потока вдоль склона с учетом захвата донного материала.
госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Механика геологических и геотехнологических процессов |
Результаты этапа: Проведено исследование двухслойной термоконцентрационной конвекции в пористой среде. В предположении, что граница между слоями является сильным разрывом, получено дисперсионное уравнение. Обнаружены колебательные режимы потери устойчивости и в пространстве безразмерных параметров ограничены соответствующие им области. Традиционно течение магмы в канале вулкана описывается в рамках одномерных или квазиодномерных моделей с учетом зависимости вязкости от концентрации кристаллов, профиль скорости считается параболическим и производится осреднение параметров поперек канала. В статье результаты расчетов по квазидвумерной модели сравниваются с одномерными. Показано существенное отличие профиля скорости от параболического, и зависимости расхода магмы от давления в очаге. Решена задача о растекании лавы как неньютоновской жидкости по горизонтальной поверхности. На подстилающей поверхности вместо условия прилипания ставится условие частичного проскальзывания. Лава моделируется степенной жидкостью. В приближении тонкого слоя задача сводится к решению одного нелинейного уравнения в частых производных второго порядка с интегральным условием. Для степенной зависимости расхода лавы от времени получено автомодельное решение, которое, однако, существует только при ограничении на параметры задачи. Также рассматривается неавтомодельное решение. Показано, что при учете проскальзывания, скорость распространения лавы может быть существенно выше. Проведено численное исследование влияния предела текучести на динамику склоновых потоков, а также на скорость захвата ими донного материала. Показано, что наличие предела текучести в ламинарных потоках приводит к уменьшению скорости и увеличению скорости захвата; в турбулентных потоках может наблюдаться обратный эффект. Построена модель течения смеси газ – заряженные частицы. Для моделирования движения заряженных частиц используется подход Лагранжа. На частицы действуют гидродинамические силы, электростатические силы и сила тяжести. В результате столкновений скорости и заряды частиц меняются. Величина передаваемого заряда зависит от упругих и электрических свойств материала частиц, их масс и скоростей при ударе. Исследовано влияние количества частиц, их концентрации и доли крупных частиц на течение смеси. Получено, что максимальная напряжённость электрического поля и максимальный заряд растут с увеличением числа частиц по степенному закону. | ||
2 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Механика геологических и геотехнологических процессов |
Результаты этапа: 1. Выявлен механизм глубинных длиннопериодных землетрясений на активных вулканах, связанный с нуклеацией и ростом пузырьков в пересыщенной магме. Оценено состояние магматического расплава под вулканом Ключевская сопка на глубинах порядка 30 км. 2. Показана возможность образования последовательности из двух фронтов вытеснения при нагнетании воды в трещиновато-пористую среду, насыщенную нефтью. 3. Получена одинаковая для различных течений смеси газ-частицы степенная зависимость максимальной напряженности поля, создаваемого электризующимися частицами, от количества частиц. 4. Показано, что для характерных для течений лавы значений параметров при учёте проскальзывания скорость распространения лавовых потоков может быть в полтора раза больше, чем при условии прилипания на подстилающей поверхности. 5. Проведены расчеты истечения остывающей лавы из плоской щели с учетом нелинейной зависимости вязкости от температуры методом гидродинамики сглаженных частиц. Изучена скорость распространения фронта потока в зависимости от угла наклона поверхности и расхода магмы. | ||
3 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Механика геологических и геотехнологических процессов |
Результаты этапа: В результаты проведенных НИР создана математическая модель закачки смесей газов в водонасыщенные горные породы, в том числе в ПХГ. Показано, что: • при фиксированном объемном расходе, газ распространяется по пласту гораздо быстрее в случае закачки дымового газа, чем в случае закачки чистого CO2. • сезонные изменения направления течения и механическая дисперсия приводят к тому, что CO2 быстро распространяется к скважинам, использующимися для закачки\отбора природного газа. • области оптимальных стратегий закачки углекислого газа в нефтяные пласты качественно совпадают в 1-D и 2-D постановках задачи. Это означает, что 1-D моделирование эффективно для определения оптимальных стратегий площадной закачки воды и газа. • значения чистой приведенной стоимости (NPV), соответствующие 2-D случаю, всегда ниже значений 1-D. Это происходит из-за уменьшения объема породы, охваченной вытеснением. • существуют области оптимальных стратегий закачки, совпадающие при различных критериях оптимизации. Создана модель роста популяции кристаллов и рассчитано распределение кристаллов циркона по размерам в остывающем магматическом очаге. Показано, что оно чувствительно к скорости остывания очага. Построена модель электризации облака частиц вулканического пепла. Оценены параметры струи, при которых возможно образование молний. Разработаны программы расчета роста вулканически куполов методами гидродинамики сглаженных частиц. Результаты расчетов, полученных SPH методом с высоким разрешением, сравнивались с опубликованными ранее результатами расчетов, полученных с помощью сеточных методов в пакете Ansys Fluent. Получено хорошее соответствие результатов, а именно морфологии лавового купола для разных расходов втекающей лавы. | ||
4 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Механика геологических и геотехнологических процессов |
Результаты этапа: Разработана модель диффузионного фракционирования изотопов циркония при росте кристалла циркона из остывающего магматического расплава. Показано, что за счет разницы в коэффициентах диффузии различных изотопов быстро растущие кристаллы циркона будут обогащены легким изотопом циркония. Разница с равновесным случаем составляет несколько промилле. Подобное обогащение измерено для цирконов в различных вулкано-магматических системах. Степень обогащения позволяет оценить скорость охлаждения магмы. Построена модель проседания лавового потока на вулкане Толбачик, Камчатка. Модель оценивает изменение плотности столба неподвижной магмы при остывании как за счет термальной контракции, так и кристаллизации. Результаты расчетов позволили объяснить практически постоянную скорость проседания потока, измеренную методами спутниковой интерферометрии в течение 9 лет после окончания извержения. На основе измеренных профилей концентрации циркония в стекле в окрестности растворяющегося кристалла циркона оценено изменение температуры в грунте, подвергшемся воздействию ядерного взрыва не Семипалатинском полигоне. Показано, что в течение десятков секунд температура превышала 2000 градусов цельсия. За это время растворилось около 2% кристалла циркона. Показано, что применение водогазового воздействия на нефтяные пласты осложняется возможностью гравитационного расслоения фаз, приводящего к неравномерному охвату пласта вытесняющими агентами. Определены безразмерные параметры, характеризующие стратификацию фаз и эффективность водогазового воздействия. Проведено параметрическое исследование оптимальных стратегий закачки воды и углекислого газа при изменении одного из критериев подобия. Построена диаграмма оптимальных стратегий водогазового воздействия. Исследованы оптимальные интервалы перфорирования нагнетательной и добывающей скважин для различных значений предложенного параметра. Проведено сравнение оптимальных режимов водогазового воздействия на нефтяные пласты в рамках 1-D и 2-D композиционного моделирования фильтрации воды, нефти и газа. Критерием оптимальности режимов воздействия служит чистая приведенная стоимость (NPV). Вычислены значения закачанных объемов газа и воды для различных стратегий закачки, при которых величина NPV максимальна. Рассмотрен альтернативный критерий оптимизации – максимальный объем СО2, удерживаемый в пласте. Результаты расчетов показали, что оптимальные режимы водогазового воздействия в 1-D и 2-D моделировании качественно совпадают, что позволяет считать адекватным применение 1-D расчетов при определении оптимальных стратегий площадной закачки воды и газа. | ||
5 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Механика геологических и геотехнологических процессов |
Результаты этапа: Проведено мультидисциплинарное исследование закачки углекислого газа в водонасыщенные пласты с целью его длительного хранения и борьбы с глобальным потеплением. Такие исследования имеют важнейшее значение для обоснования стратегии развития РФ с низкими выбросами парниковых газов и декарбонизации топливно-энергетического комплекса. В рамках проведения многовариантных расчетов и секторного гидродинамического моделирования впервые исследована перспективность размещения углекислого газа в водонасыщенных объектах Западной Сибири, характеризующихся различными условиями осадконакопления. Для этого региона впервые даны оценки емкостей и приемистостей пластов, а также коэффициента использования пласта при различных сценариях закачки газа. Определены геологические обстановки, имеющие наибольшие перспективы для эффективного размещения углекислого газа. Показано, что механическая конвекция существенно влияет на скорость растворения углекислого газа в пластовой воде. Опубликована статья в журнале 1 квартиля. В осесимметричной постановке проведено численное моделирование закачки CO2 в высокопроницаемый водонасыщенный пласт. Показано, что в случае надкритичного по концентрационному числу Рэлея течения газа, по газовым плюмом развивается концентрационная конвекция. Эта конвекция приводит к существенной интенсификации растворения CO2 в пластовой воде. Проведено предварительное численное моделирования лабораторного эксперимента (данные о котором опубликованы в литературы) закачки CO2 в водонасыщенный пласт при условиях, способствующих развитию концентрационной конвекции. Рассмотрены различные режимы течения при закачке несжимаемой жидкости в пласт через вертикальную нагнетательную скважину, перфорированную по всей толщине пласта. В начальный момент времени давление в пласте имеет гидростатическое распределение. Если в скважину закачивается жидкость, плотность которой меньше плотности вытесняемой жидкости, то может возникнуть ситуация, когда давление в скважине станет меньше, чем давление в пласте. В этом случае движение жидкости из скважины в пласт невозможно. Предложен критерий подобия Λ характеризующий, какая часть скважины будет задействована в процессе закачки. Высокие значения параметра Λ соответствуют большей протяженности активной части скважины. Описаны режимы вытеснения при различных значениях параметра Λ. Построена модель формирования магматической системы вулкана Эльбрус (Россия). Показано, что за счет периодического внедрения магмы во вмещающие породы образуется область частично расплавленных пород. На основе сравнения с объемом изверженной магмы и распределением кристаллов циркона по возрастам оценена интенсивность подпитки вулкана из области магмогенерации. Опубликована статья в журнале 1 квартиля. | ||
6 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Механика геологических и геотехнологических процессов |
Результаты этапа: | ||
7 | 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. | Механика геологических и геотехнологических процессов |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".