Моделирование фильтрации многокомпонентного флюида в деформируемых вмещающих породах с учетом химического взаимодействия

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Мы предлагаем сопряженную гидро-хемо-механическую модель и ее численную 1D-реализацию, позволяющую в рамках унифицированного подхода проводить расчеты, связанные с фильтрацией многокомпонентного флюида в деформируемых химически активных вмещающих породах с учетом изменения плотностей сосуществующих фаз и их химического состава.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. А. Хакимова

University of Lausanne; Сколковский институт науки и технологий, Центр добычи углеводородов; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Механико-математический факультет

Автор, ответственный за переписку.
Email: liudmila.khakimova@unil.ch
Россия, Lausanne, Switzerland; Москва; Москва

Ю. Ю. Подладчиков

University of Lausanne; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: liudmila.khakimova@unil.ch

Механико-математический факультет

Россия, Lausanne, Switzerland; Москва

Список литературы

  1. Аранович Л.Я. Флюидно-минеральные равновесия и термодинамические свойства смешения флюидных систем // Петрология. 2013. Т. 21. № 6. С. 588–599.
  2. Бхатнагар П. Нелинейные волны в одномерных диспергирующих системах. М.: Мир, 1983. Т. 134. 136 с.
  3. Добрецов Н.Л. Глаукофансланцевые и эклогит-глаукофансланцевые комплексы СССР // Тр. ИНГГ СО РАН. Под ред. В.С. Соболева. Новосибирск: Наука, 1974. Вып. 57. C. 436.
  4. Коннолли Д.А.Д. Введение в минимизацию свободной энергии Гиббса для геофизиков // Петрология. 2017. Т. 25. № 5. С. 533–542.
  5. Исаева А.В., Доброжанский В.А., Хакимова Л.А., Подладчиков Ю.Ю. Численное моделирование фазовых равновесий многокомпонентных углеводородных систем с помощью прямой минимизации энергии // Газовая промышленность. 2021. № 2. С. 20–29.
  6. Коржинский Д.С. Принцип подвижности щелочей при магматических явлениях // Академику Д.С. Белянкину. 1946. Т. 70. С. 242–261.
  7. Коржинский Д.С. Зависимость метаморфизма от глубинности в вулканогенных формациях // Тр. Лаборатории вулканологии АН СССР. 1961. С. 5–11.
  8. Перчук Л.Л. Магматизм, метаморфизм и геоодинамика. М.: Наука, 1993. 190 с.
  9. Перчук Л.Л. Локальные равновесия и Р-Т эволюция глубинных метаморфических комплексов. М.: ИГЕМ РАН, 2006. 93 с.
  10. Перчук Л.Л., Подладчиков Ю.Ю. Р-Т тренды метаморфизма и связанные с ними геодинамические модели // Вест. МГУ. Сер. 4. Геология. 1993. № 5. С. 24–39.
  11. Уизем Д. Линейные и нелинейные волны. М.: Мир, 1977. Т. 624. C. 23–345.
  12. Aranovich L.Y. The role of brines in high-temperature metamorphism and granitization // Petrology. 2017. V. 25. P. 486–497.
  13. Aranovich L.Y., Newton R.C. H2O activity in concentrated NaCl solutions at high pressures and temperatures measured by the brucite-periclase equilibrium // Contrib. Mineral. Petrol. 1996. V. 125. P. 200–212.
  14. Aranovich L.Y., Newton R.C. H2O activity in concentrated KCl and KCl-NaCl solutions at high temperatures and pressures measured by the brucite-periclase equilibrium // Contrib. Mineral. Petrol. 1997. V. 127. P. 261–271.
  15. Aranovich L.Y., Newton R.C. Reversed determination of the reaction; phlogopite + quartz = enstatite + potassium feldspar + H2O in the ranges 750–875°C and 2–12 kbar at low H2O activity with concentrated KCl solutions // Amer. Mineral. 1998. V. 83. № 3–4. P. 193–204.
  16. Aranovich L.Y., Newton R.C. Experimental determination of CO2-H2O activity-composition relations at 600–1000°C and 6–14 kbar by reversed decarbonation and dehydration reactions // Amer. Mineral. 1999. V. 84. № 9. P. 1319–1332.
  17. Aranovich L.Y., Newton R.C., Manning C.E. Brine-assisted anatexis: experimental melting in the system haplogranite–H2O–NaCl–KCl at deep-crustal conditions // Earth Planet. Sci. Lett. 2013. V. 374. P. 111–120.
  18. Aranovich L.Y., Akinfiev N.N., Golunova M. Quartz solubility in sodium carbonate solutions at high pressure and temperature // Chem. Geol. 2020. V. 550. 119699.
  19. Beinlich A., John T., Vrijmoed J.C. et al. Instantaneous rock transformations in the deep crust driven by reactive fluid flow // Nature Geosci. 2020. V. 13. № 4. P. 307–311.
  20. Bessat A., Pilet S., Podladchikov Y.Y., Schmalholz S.M. Melt migration and chemical differentiation by reactive porosity waves // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2022. V. 23. № 2. e2021GC009963.
  21. Beuchert M.J., Podladchikov Y.Y. Viscoelastic mantle convection and lithospheric stresses // Geophysic. J. Int. 2010. V. 183. № 1. P. 35–63.
  22. Brown M. The contribution of metamorphic petrology to understanding lithosphere evolution and geodynamics // Geosci. Frontiers. 2014. V. 5. № 4. P. 553–569.
  23. Gordon S., McBride B.J. Computer program for calculation of complex chemical equilibrium compositions and applications // Part 1: Analysis. 1994. № NAS 1.61:1311.
  24. Connolly J.A.D. Computation of phase equilibria by linear programming: a tool for geodynamic modeling and its application to subduction zone decarbonation // Earth Planet. Sci. Lett. 2005. V. 236. № 1–2. P. 524–541.
  25. Dong J.J., Hsu J.Y., Wu W.J. et al. Stress-dependence of the permeability and porosity of sandstone and shale from TCDP Hole-A // Int. J. Rock Mechanics and Mining Sci. 2010. V. 47. № . 7. P. 1141–1157.
  26. Duretz T., Räss L., Podladchikov Y.Y., Schmalholz S.M. Resolving thermomechanical coupling in two and three dimensions: spontaneous strain localization owing to shear heating // Geophysic. J. Int. 2019. V. 216. № 1. P. 365–379.
  27. Fletcher R.C., Hofmann A.W. Simple models of diffusion and combined diffusion-infiltration metasomatism // Geochemic. Transport and Kinetics. 1974. V. 634. P. 243–259.
  28. Gerya T. Introduction to numerical geodynamic modelling. Cambridge University Press, 2019. Р. 179–241.
  29. Ghorbani J., Nazem M., Carter J.P. Numerical modelling of multiphase flow in unsaturated deforming porous media // Computers and Geotechnics. 2016. V. 71. P. 195–206.
  30. Green H.W. Psychology of a changing paradigm: 40+ years of high-pressure metamorphism // Int. Geol. Rev. 2005. V. 47. № 5. P. 439–456.
  31. Hartz E.H., Podladchikov Y.Y. Toasting the jelly sandwich: The effect of shear heating on lithospheric geotherms and strength // Geology. 2008. V. 36. № 4. P. 331–334.
  32. Holland T.J.B., Powell R. An internally consistent thermodynamic data set for phases of petrological interest // J. Metamorph. Geol. 1998. V. 16. № 3. P. 309–343.
  33. Hu H., Jackson M.D., Blundy J. Melting, compaction and reactive flow: controls on melt fraction and composition change in crustal mush reservoirs // J. Petrol. 2022. V. 63. № 11. egac097.
  34. Jacobs G.K., Kerrick D.M. Methane: an equation of state with application to the ternary system H2O-CO2-CH4 // Geochimic. Cosmochimic. Acta. 1981. V. 45. № 5. P. 607–614.
  35. Katz R.F. Magma dynamics with the enthalpy method: Benchmark solutions and magmatic focusing at mid-ocean ridges // J. Petrol. 2008. V. 49. № 12. P. 2099–2121.
  36. Keller T., Suckale J. A continuum model of multi-phase reactive transport in igneous systems // Geophysic. J. Int. 2019. V. 219. № 1. P. 185–222.
  37. Khakimova L., Isaeva A., Dobrozhanskiy V., Podladchikov Y. Direct energy minimization algorithm for numerical simulation of carbon dioxide injection // SPE Russian Petroleum Technology Conference. OnePetro. 2021. D031S013R003.
  38. Klein F., Garrido C.J. Thermodynamic constraints on mineral carbonation of serpentinized peridotite // Lithos. 2011. V. 126. № 3–4. P. 147–160.
  39. Lacinska A.M., Styles M.T., Bateman K. et al. An experimental study of the carbonation of serpentinite and partially serpentinised peridotites // Front. Earth Sci. 2017. V. 5. P. 37.
  40. Lopatnikov S.L., Cheng A.H.D. Variational formulation of fluid infiltrated porous material in thermal and mechanical equilibrium // Mechanics of Materials. 2002. V. 34. № 11. P. 685–704.
  41. Landau L.D., Lifshitz E.M. Fluid Mechanics: Landau and Lifshitz: Course of Theoretical Physics. New York: Elsevier, 2013. V. 6. P. 13 New York, 330.
  42. Malvoisin B., Podladchikov Y.Y., Vrijmoed J.C. Coupling changes in densities and porosity to fluid pressure variations in reactive porous fluid flow: Local thermodynamic equilibrium // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2015. Т. 16. № 12. С. 4362–4387.
  43. Malvoisin B., Podladchikov Y.Y., Myasnikov A.V. Achieving complete reaction while the solid volume increases: A numerical model applied to serpentinisation // Earth Planet. Sci. Lett. 2021. V. 563. 116859.
  44. Moulas E., Podladchikov Y.Y., Aranovich L.Y., Kostopoulos D. The problem of depth in geology: When pressure does not translate into depth // Petrology. 2013. V. 21. P. 527–538.
  45. Orr F.M. Theory of gas injection processes. Copenhagen: Tie-Line Publications, 2007. Т. 5. P. 61–123.
  46. Padrón-Navarta J.A., Sánchez-Vizcaíno V.L., Hermann J. et al. Tschermak’s substitution in antigorite and consequences for phase relations and water liberation in high-grade serpentinites // Lithos. 2013. V. 178. P. 186–196.
  47. Panfilov M. Physicochemical Fluid Dynamics in Porous Media: Applications in Geosciences and Petroleum Engineering. John Wiley & Sons, 2018. P. 51–88.
  48. Perchuk L.L. Local mineral equilibria and P-T paths: Fundamental principles and applications to high-grade metamorphic terranes // Geologic. Soc. Amer. 2011. V. 207. P. 61–84.
  49. Perchuk L.L., Podladchikov Yu. Yu., Polyakov A.N. Geodynamic modeling of some metamorphic processes // J. Metamorph. Geol. 1992. V. 10. P. 311–318.
  50. Perchuk L.L., Gerya T.V., van Reenen D.D. et al. Formation and evolution of Precambrian granulite terranes: a gravitational redistribution model // Geologic. Soc. Amer. Memoirs. 2011. V. 207. P. 289–310.
  51. Pesavento F., Schrefler B.A., Sciumè G. Multiphase flow in deforming porous media: A review // Archives of Computational Methods in Engineering. 2017. V. 24. P. 423–448.
  52. Petrini K., Podladchikov Y. Lithospheric pressure-depth relationship in compressive regions of thickened crust // J. Metamorph. Geol. 2000. V. 18. № 1. P. 67–77.
  53. Picazo S., Malvoisin B., Baumgartner L., Bouvier A.S. Low temperature serpentinite replacement by carbonates during seawater influx in the Newfoundland Margin // Minerals. 2020. V. 10. № 2. P. 184.
  54. Plümper O., John T., Podladchikov Y.Y. et al. Fluid escape from subduction zones controlled by channel-forming reactive porosity // Nature Geosci. 2017. V. 10. № 2. P. 150–156.
  55. Schmalholz S.M., Podladchikov Y. Metamorphism under stress: The problem of relating minerals to depth // Geology. 2014. V. 42. № 8. P. 733–734.
  56. Räss L., Simon N.S.C., Podladchikov Y.Y. Spontaneous formation of fluid escape pipes from subsurface reservoirs // Sci. Reports. 2018. V. 8. № 1. P. 11116.
  57. Räss L., Duretz T., Podladchikov Y.Y. Resolving hydromechanical coupling in two and three dimensions: spontaneous channelling of porous fluids owing to decompaction weakening // Geophysic. J. Int. 2019. V. 218. № 3. P. 1591–1616.
  58. Räss L., Utkin I., Duretz T. et al. Assessing the robustness and scalability of the accelerated pseudo-transient method // Geoscientific Model Development. 2022. V. 15. № 14. P. 5757–5786.
  59. Roded R., Paredes X., Holtzman R. Reactive transport under stress: Permeability evolution in deformable porous media // Earth Planet. Sci. Lett. 2018. V. 493. P. 198–207.
  60. Schmalholz S.M., Moulas E., Plümper O. et al. 2D hydro‐mechanical‐chemical modeling of (de) hydration reactions in deforming heterogeneous rock: The periclase‐brucite model reaction // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2020. V. 21. № 11. e2020GC009351.
  61. Tropper P., Manning C.E. Paragonite stability at 700°C in the presence of H2O–NaCl fluids: constraints on H2O activity and implications for high pressure metamorphism // Contrib. Mineral. Petrol. 2004. V. 147. P. 740–749.
  62. Vrijmoed J.C., Podladchikov Y.Y. Thermolab: A thermodynamics laboratory for nonlinear transport processes in open systems // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2022. V. 23. № 4. e2021GC010303.
  63. White R.W., Powell R., Phillips G.N. A mineral equilibria study of the hydrothermal alteration in mafic greenschist facies rocks at Kalgoorlie, Western Australia // J. Metamorph. Geol. 2003. V. 21. № 5. P. 455–468.
  64. Weinberg R.F., Podladchikov Y. Diapiric ascent of magmas through power law crust and mantle // J. Geophysic. Res.: Solid Earth. 1994. V. 99. № B5. P. 9543–9559.
  65. Xu T., Apps J.A., Pruess K. Mineral sequestration of carbon dioxide in a sandstone–shale system // Chemical Geology. 2005. V. 217. № 3–4. P. 295–318.
  66. Yarushina V.M., Makhnenko R.Y., Podladchikov Y.Y. et al. Viscous behavior of clay‐rich rocks and its role in focused fluid flow // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2021. V. 22. № 10. e2021GC009949.
  67. Yarushina V.M., Podladchikov Y.Y. (De)compaction of porous viscoelastoplastic media: Model formulation // J. Geophysic.Res.: Solid Earth. 2015. V. 120. № 6. P. 4146–4170.
  68. Zimmerman R.W. Compressibility of sandstones. New York: Elsevier, 1991. P. 173.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Цикл по времени 1D-численной имплементации гидро-хемо-механической модели, реализованной в MATLAB.

Скачать (95KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Начальные условия для численной 1D-гидро-хемо-механической модели: на нижней границе происходит закачка H₂O-CO₂.

Скачать (956KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Визуализация табулированных данных для системы MgO, SiO₂, H₂O и CO₂ при 300°C и 0.3 ГПa, которые используются для интерполяции в транспортном гидро-хемо-механическом коде. Результат серии расчетов c использованием linprog минимизации. (а) –минеральный состав, (б) – плотность твердой матрицы и флюида, (с) – массовая доля CO₂ во флюиде, (г) – массовая концентрация MgO в твердой матрице. Все графики построены в зависимости от Cs,CO₂.

Скачать (838KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Результаты расчетов гидро-хемо-механической численной модели при закачке флюида с низким содержанием растворенного CO₂ (Cf,CO₂ = 0.44 мас. %).

Скачать (912KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Результаты расчетов гидро-хемо-механической численной модели при закачке флюида с низким содержанием растворенного CO₂ (Cf,CO₂ = 0.44 мас. %). Количественный минеральный состав породы на (а) момент начала расчетов, т. е. закачки флюида и (б) финальный момент расчетов, соответствующий образованию фронта реакции. (в) Равновесное соотношение между концентрацией CO₂ во флюиде и твердой матрицей (красная линия), ромбами показаны комбинации Cs,CO₂ и Cf,CO₂, которые формируются в ходе расчета. В данном случае не происходит формирование резкого фронта реакции, антигорит не исчезает из системы, происходит постепенное формирование фронта реакции из серпентинита в магнезит-тальк-серпентинит.

Скачать (592KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Результаты расчетов гидро-хемо-механической численной модели при закачке флюида с повышенным содержанием растворенного CO₂ (Cf,CO₂ = 1.38 мас. %). (а) – пористость, (б) – эффективное давление, (в) – поток Дарси и (г) – массовая концентрация CO₂ в твердой матрице в разные моменты времени.

Скачать (836KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Результаты расчетов гидро-хемо-механической численной модели при закачке флюида с повышенным содержанием растворенного CO₂ (Cf,CO₂ = 1.38 мас. %). Количественный минеральный состав породы на (а) момент начала расчетов, т. е. закачки флюида и (б) финальный момент расчетов, соответствующий образованию фронта реакции. (в) Равновесное соотношение между концентрацией CO₂ во флюиде и твердой матрицей (красная линия), ромбами показаны комбинации Cs,CO₂ и Cf,CO₂, которые формируются в ходе расчета. В данном случае задействован сильный скачок на изотерме, что отражается в формировании резкого фронта реакции. Антигорит полностью исчезает из системы, серпентинит трансформируется в магнезит и тальк.

Скачать (599KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах