ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Общие вопросы моделирования процессов массообмена и макрокинетики химических реакций в пористых средах из "Элементы физико-химической механики природных пористых сред" Книга посвящена новому направлению механики насыщенных пористых сред, иптепсивпо развивающемуся в последние годы - физико-химической механике природных пористых сред. Рост интереса к этой области науки не случаен. Задачи физикохимической механики пористых сред традиционно возникали из практики. Усилившееся в последнее время внимание к проблемам экологии и охране окружающей среды привело к резкому увеличению работ по изучению и моделированию распространения загрязнений в окружающей среде и оценке последствий загрязнения среды, в том числе химически активными веществами. В этой связи, а также в связи с проблемами формирования и изменения химического состава подземных вод, всегда представлявшими интерес для гидрогеологии, возникла необходимость построения физически корректных моделей массообмеиа и макрокинетики химических реакций при фильтрации растворов. [c.5] Физико-химическая механика пористых сред, как и классическая механика насыщенных пористых сред, структурно мозаична, т. е. является объединением ряда дисциплин (теории фильтрациоппой консолидации, физико-химической гидродинамики, теории тенломассонереноса в коллоидных и пористых системах, физики и химии поверхностных явлений и ряда других), базирующихся на общем теоретическом фундаменте - теории переноса массы, импульса и энергии в конденсированных средах. Здесь необходимо подчеркнуть важную методологическую особенность разработки систем моделей и решения задач как физико-химической механики вообще, так и физико-химической механики пористых сред в частности. [c.6] При решении задач физико-химической механики возникает соблазн воспользоваться классическими моделями механики сплошных сред, дополнив их замыкающими соотношениями из смежных дисциплин - химической кинетики, нанример. С одной стороны, этот метод, безусловно, имеет право на существование, но, будучи применяем автоматически, может приводить к математически содержательным, но физически некорректным моделям. С другой стороны, использование замыкающих соотношений без должного анализа физических и химических особенностей всех протекающих при этом процессов и их следствий может привести исследователя в лучшем случае к удачным догадкам, по большому счету ничего не проясняющим и пе пригодным в дальнейшем. В результате такого экстенсивного получения результатов по физико-химической механике складывается парадоксальная ситуация - существует несколько математических моделей одного и того же явления или процесса, причем все модели математически корректны и, пусть и частично, подтверждаются экспериментально. В такой ситуации без серьезного сравнения физических основ всех моделей выбор модели, реализованной математически более изящно и эффектно, может быть ошибочен. В силу этого в книге основное внимание уделено именно физическим принципам, заложенным в основу развиваемых математических моделей, т. е. выяснению их физической корректности. [c.7] В последние годы в связи с бурным ростом и доступностью вычислительной техники огромное внимание стало уделяться проведению вычислительных экспериментов, что представляется важным и несомненно перспективным паправлепием математического моделирования в целом. Однако достаточно часто имеет место ситуация, когда исследователи, изучая то или иное конкретное явление или процесс и не имея всех необходимых данных физических экспериментов, заменяют отсутствующие экспериментальные данные большим объемом расчетных данных. Такие работы имеют значение только в том случае, если их выводы (не все, но хотя бы основные) согласуются с данными физических экспериментов. Мы в настоящей работе будем стремиться к соответствию с основными экспериментальными работами но каждому направлению, обсуждаемому пиже. Таким образом, результаты и выводы настоящей работы подтверждаются данными не только вычислительных, но прежде всего физических экспериментов. [c.8] Обратимся теперь к трем основным направлениям, изучению которых посвящена книга - математическим моделям формирования химического состава подземных вод, физикохимической механике глинистых пород, а также изучению и моделированию явлений, сопровождающих процессы обратной трансформации глинистых минералов. [c.8] Детальный анализ общепринятых подходов к моделям макрокинетики химических реакций в пористых средах проведен в нервом разделе настоящей работы. Здесь лишь кратко остановимся на принципиально важных моментах моделирования протекания химических реакций вообще и в подземных водах в частности. [c.9] Дополнительной трудностью является необходимость учета скорости подвода (или отвода) реагентов (продуктов) к поверхности реакции. Эта скорость лимитируется двумя факторами - диффузией и электрическим полем, создаваемым ионами, поскольку, как правило, реакции в подземных водах протекают между электрически заряженными частицами - попами. [c.11] В случае, когда коэффициенты диффузии всех ионов примерно одинаковы, электрическое поле ионов, тормозящее или ускоряющее обменный поток, не возникает, и можно воспользоваться подходом, впервые предложенным, по-видимому, Р. Бернером и Дж. Морзе [56], изучавшим растворение кальцита в морской воде. Они предположили, что раствор па поверхности реакции также равновесен в каждый момент времени, однако нри этом необходимо учитывать еще одно условие равновесия - равновесие но гетерогенной реакции, а в объеме раствора этого условия нет. Таким образом, раствор локально равновесен но каждому компоненту в объеме и на поверхности реакции, но это разные равновесия. Между этими подсистемами идет обмен но каждому компоненту, который прекращается лишь с установлением общего равновесия. В случае, когда коэффициенты диффузии ионов существенно отличаются, в игру вступает и возникающий за счет быстрого движения одних ионов и отставания других так называемый диффузионный потенциал. Для двухкомпопепт-пого раствора диффузионный потенциал приводит к диффузии ионов с некоторым постоянным эффективным коэффициентом. [c.11] В соответствии с этими требованиями была разработана единая математическая модель физико-механических свойств и процессов переноса в глинистых породах. В рамках этой модели удалось, во-первых, получить хорошее согласование расчетных данных с данными экспериментов К. Норрпша по набуханию суспензий глинистых минералов в растворах электролитов, имеющих фундаментальное значение. [c.15] Во-вторых, на базе объединения методов механики насыщенных пористых сред и теории поверхностных сил, базирующейся на концепции расклинивающего давления, удалось построить модель реологических свойств глинистых пород и проследить взаимосвязь физико-химических свойств глин, предсказываемых этой моделью, с известными экснериментами и теориями но реологии глин и глинистых горных пород. [c.15] В-третьих, базируясь на упомянутой модели, удалось построить модель процесса диффузии электролитов в глинах. Оказалось, что этот процесс имеет ряд характерных особенностей, которых нет при диффузии в пеглипистых горных породах. Эти факты также согласуются с экспериментальными данными. [c.15] в третьем разделе с позиций физико-химической механики исследована группа совершенно новых явлений и процессов, связанных с переходом одних глинистых минералов в другие (процесс обратной трансформации слюд). Эта группа была экспериментально изучена Г. А. Кринарн совместно с автором на образцах пород и явлениях, связанных с авариями нагнетательных скважин нефтяных месторождений, а также связанными с потерей коллекторских свойств некоторыми нефтяными пластами при заводнении. Явления как прямой, так и обратной трансформации глинистых минералов известны давно. Важными здесь оказались те последствия, к которым приводит процесс обратной трансформации здесь и вышепазваппые аварии на нагнетательных скважинах, и потеря пластом коллекторских свойств, и ряд других явлений). Были изучены механизмы этих явлений и разработаны математические модели, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. [c.16] Задачи, связанные с химическим составом подземных вод, часто встречаются при моделировании процессов повышения нефтеотдачи месторождений нефти с помощью закачки химреагентов, а также при оценке последствий распространения жидких загрязнений в подземных водах. Кроме того, такие задачи представляют фундаментальный интерес для гидрогеологии и гидрохимии, поскольку открывают исследователю дополнительные возможности для изучения закономерностей формирования химического состава подземных вод Земли в целом. [c.18] Отличительной особенностью задач, связанных с моделированием миграции подземных флюидов и сопутствующих процессов, является, как правило, недостаток геологической и геохимической информации, а также известная сложность (взаимозависимость) протекающих процессов. В таких условиях приходится выдвигать некоторые гипотезы, заменяющие недостающую информацию либо позволяющие предложить более простой сценарий протекания процессов. [c.18] Общие вопросы моделирования процессов массообмена... [c.19] необходимо оценить степень достоверности выдвинутых гипотез. Одним из способов такой оценки является математическое моделирование процессов подземного массопереноса, в том числе процессов формирования химического состава подземных вод. В последнем случае должна быть заранее известна следующая информация механизм протекающих в системе химических реакций равновесные либо кинетические коэффициенты каждой реакции тенлофизические характеристики этих реакций физические и физико-химические свойства пород и фильтрующих растворов. [c.19] Хорошо известно [5, 54, 55], что существуют два фактора, приводящие к изменению первоначального состава поступающих в подземную систему вод перемешивание растворов разного состава в пористой среде, обусловленное сложным движением частиц флюида и примеси по поровым каналам (гидродисперсия), и химическое взаимодействие между компонентами в растворе и между раствором и породой (химический фактор). Ниже исследованы особенности математического моделирования действия последнего фактора на химический состав подземных вод независимо от первого, а затем, во второй главе первого раздела прослежено его влияние на гидродисперсию. [c.19] Вернуться к основной статье