14 Лекция 14. Компакция (вязкая консолидация) Введение
Предмет изложения.Предметом изложения являются медленные динамические процессы в поровязких средах и жидких дисперсных смесях. Поровязкие среды имеют сильновязкий скелет и маловязкий флюид. Указанные составляющие фазы, как правило, являются несжимаемыми жидкостями. Поровязкие процессы представляют собой совместную деформацию двухфазной среды и фильтрацию флюида сквозь вязкий скелет. При сдвиговом нагружении они ведут себя как сильновязкие жидкости. Однако при всестороннем нагружении происходит сжатие скелета, а маловязкий флюид отфильтровывается из него. Шаровая часть тензора напряжений зависит от скорости объемных деформаций, в то время как в газе она определяется самими объемными упругими деформациями среды. В русско- и англо- язычной литературе это явление называется соответственно вязкой консолидацией и компакцией. Термин компакция не совсем удобен, поскольку в современных базах данных с ним связано слишком много различных понятий. Однако этот термин стал уже общепринятым.
Механика компакции является частным случаем механики гетерогенных сред. Положение ее среди других разделов механики гетерогенных сред показано на диаграмме. Механика компакции применима также для эмульсий, если одна из фаз имеет вязкость много большую (не менее, чем на порядок), чем вязкость другой фазы. При этом концентрация маловязкой фазы (пористость) должна быть менее 30%. Если концентрация маловязкой фазы превышает 70%, то такая среда представляет собой суспензию. В интервале между этими значениями жидкая смесь является неустойчивой и, возможно, нелокальной. Нелокальность здесь понимается в том смысле, что возникают кластеры типа трещин или квазитвердых включений, которые обеспечивают взаимодействие между удаленными точками (дальнодействие). Формально нелокальные среды описываются нелокальными определяющими соотношениями.
В простейших моделях поровязких сред вещество скелета поровязкой среды представляет собой ньютоновскую жидкость. В общем случае оно может быть нелинейно вязким, вязкоупругим и даже пластическим. Флюид может быть многофазным и многокомпонентным. Компакция в чистом виде в технологических и природных процессах встречается достаточно редко. Обычно она комбинируется с другими физическими, физико-химическими и химическими процессами, например с диффузией, фазовыми переходами и т.п. Как правило, компакция появляется на определенной стадии процесса седиментации суспензии. В процессе поровязкой эволюции возникает консолидация поровязкой среды, которая превращается в однофазную или расслоенную среду или среду с изолированными порами. Простейшие процессы компакции показаны на рисунках, на которых показаны процессы седиментации и консолидации в сосуде с непроницаемыми границами и проницаемой нижней границей.
Исторический обзор. Впервые полные уравнения вязкой консолидации, включающие в себя объемную и сдвиговую вязкости скелета и фильтрацию флюида, были предложены для объяснения динамики таящего льда в моей работе 1974 г. В этой работе вывод определяющих уравнений опирался на принципы термодинамики необратимых процессов, и было впервые введено понятие собственной длины вязкой консолидации. Решение уравнений вязкой консолидации для описания движения частично расплавленных пород в осевых зонах срединно-океанических хребтов впервые было использовано в наших работах. Через 10 лет вывод этих работ был повторен Мак-Кензи. Прикладные аспекты, библиографию, критический обзор литературы по этому вопросу можно найти в прилагаемом списке литературы.
Область приложений. Область возможных приложений механики компакции весьма широка. Наиболее подробно теоретически и экспериментально исследованы частично расплавленные породы мантии. Одна из фундаментальных проблем эволюции Земли – это разделение исходного протопланетного вещества на легкие и тяжелые фракции и образование различных оболочек Земли. Именно компакция (вместе с сопутствующими процессами) представляет один из основных механизмов этого разделения. Океаническая и континентальная кора по своему химическому составу отличается от ультраосновных пород мантии. Компакция является основным механизмом дифференциации вещества в твердых оболочках Земли. Наиболее подробно этот процесс исследован в срединно-океанических хребтах и горячих точках. В самом деле, чистые расплавы в мантии и коре встречаются достаточно редко (например, в результате образования интрузий), а сепарация вещества с помощью водных растворов является гораздо менее эффективным механизмом и встречается только в самых поверхностных слоях.
Помимо магматических и вулканических зон, область приложений компакции распространяется также на разжиженные осадки, илы, болота, пески-плавуны, коллоидные растворы в прудах-отстойниках, образующихся при переработке битумных песков и т.д. Между тем, существует много возможных приложений и вне геофизики в тех технологических процессах, где используются разжиженные смеси, пасты, суспензии, эмульсии и подобные им вещества. Эти приложения охватывают химические и нефтехимические технологии, пищевую, горнодобывающую промышленность и другие промышленные производства. Существует большое количество технологических процессов в химической, нефтехимической, биохимической, пищевой промышленности, где происходит перемешивание пастообразных смесей с жидкостью, перемешивание жидкостей с разными вязкостями или перемешивание коллоидных растворов. Во всех этих технологиях возможно появление процессов, описываемых механикой поровязких сред.
Именно в области геодинамики проведены наиболее существенные теоретические исследования механики компакции и создана экспериментальная база. Эти исследования отражены в многочисленных публикациях. Во всех других случаях количество работ в этом направлении исчисляется единицами. Обычно в смежных дисциплинах (в микрогидродинамике, физической химии, физико-химии нефти) при исследовании поровязких сред механика компакции либо совсем не упоминается, либо она включена в другие, смежные разделы и поровязким средам приписываются несвойственные им качества.
Возможные практические приложения. Как известно, в Мексиканском заливе произошла одна из наиболее грандиозных катастроф в процессе добычи нефти. В результате взрыва в добывающей скважине произошел выброс нефти в акваторию залива, который привел к серьезным экологическим последствиям. Все существующие технологии оказались неспособными остановить выброс нефти в течение нескольких месяцев. Причина заключается в том, что дно Мексиканского залива представляет собой песчано-глинистую смесь. При попытке ее закупорить происходило разжижение ствола скважины, и диаметр ее только увеличивался. Ее закупорили только с помощью дополнительного наклонного ствола.
Спрашивается, а можно ли было бы ее закупорить быстрее. Другими словами, можно ли создать технологию отвердевания песчано-глинистой смеси, которая подвергается одновременно разжижению и интенсивному воздействию вытекающей под большим давлением нефти. Ответ сводится к возможности управления свойствами песчано-глинистой смеси при указанных условиях. На этот вопрос в настоящее время нельзя ответить, поскольку эти свойства в настоящее время неизвестны. Однако существуют возможности для реализации подобного рода технологии. Они связаны с проводимыми исследованиями.
Одним из ярких примеров возможного применения механики компакции является технология разработки газогидратов и газовых залежей, над которыми находятся гидраты. Разжиженные грунты, возникающие при диссоциации гидратов в районе разработки, могут привести к аварийной ситуации. В частности, может возникнуть деформация скважин, которая сделает невозможной их эксплуатацию. Если между газовым месторождением и поверхностью находятся гидраты, то подъем разогретого газа может растеплить гидраты и привести к их разложению. В районе Штокмановского месторождения место скважин выбрано таким образом, чтобы сами скважины не проходили бы через гидраты. Однако при эксплуатации крупных газовых месторождений иногда возникают техногенные землетрясения, связанные с проседанием кровли газовой залежи. Эти землетрясения могут нарушить гидроизоляцию гидратных слоев. В результате в них могут начать поступать разогретые флюиды, которые приведут к диссоциации гидратов. Это может привести к непредсказуемым последствиям. Могут возникнуть горизонтальные подвижки слоев, в связи с разжижением гидратов. Эти подвижки могут создать аварийную ситуацию с нефтяными платформами, которые связаны с газодобывающими скважинами, даже если они расположены далеко от гидратных залежей.
При эксплуатации нефтяных платформ, которые упираются в грунт, важно учитывать механическое взаимодействие платформ с илами и неконсолидированными осадками. Если трубопроводы проходят через болота, зыбучие пески, речные, озерные и морские водоемы, то они неизбежно будут соприкасаться с разжиженными грунтами, которые описываются поровязкой средой. Во всех этих случаях взаимодействие инженерных сооружений с грунтами должно учитывать механику поровязких сред.
В свете глобального потепления возможны крупные подвижки слоев пород толщиной несколько сот метров и длиной в тысячу километров, которые называют шарьяжами или тектоническими покровами. Геологическими методами их идентифицируют во многих геологических провинциях даже далеких от арктических широт. Обычно их связывают с разжижением глинистых слоев. Слои BSRне обязательно привязаны к глинистым породам. Однако большое выделение воды в слояхBSRприводит к снижению прочности большинства пород на несколько порядков. Поэтому, если потепление климата будет сопровождаться техногенным воздействием, то возможно включение механизма движения шарьяжей. Сейчас Япония приняла принципиальное решение разрабатывать газогидраты у своих берегов. В свете сказанного можно предположить, что масштабная разработка гидратов в прибрежных районах может привести к пластическим деформациям в окрестности скважин и к оползням, если разработка примет масштабный характер.