Одним из главных принципов уникальной «системы Физтеха», заложенной в основу образования в МФТИ, является тщательный отбор одаренных и склонных к творческой работе представителей молодежи. Абитуриентами Физтеха становятся самые талантливые и высокообразованные выпускники школ всей России и десятков стран мира.

Студенческая жизнь в МФТИ насыщенна и разнообразна. Студенты активно совмещают учебную деятельность с занятиями спортом, участием в культурно-массовых мероприятиях, а также их организации. Администрация института всячески поддерживает инициативу и заботится о благополучии студентов. Так, ведется непрерывная работа по расширению студенческого городка и улучшению быта студентов.

Адрес e-mail:

Введение в геофизику месторождений углеводородов

ВВЕДЕНИЕ

Журнал Science в 2005 году опубликовал список вели­чайших научных проблем настоящего времени, состоящий из 25 пунктов. Большая часть проблем из этого списка относится к об­ласти биологии и медицины и только 8 связаны с естественными науками. Из этих восьми на третьем месте стоит проблема «Что происходит в недрах Земли?».


Этот вопрос не является проявлением чистого любопыт­ства. Недра Земли содержат полезные ископаемые, необходимые для развития индустриального общества. Важнейшими из полез­ных ископаемых являются нефть и природный газ. Согласно гла­венствующим в настоящее время представлениям, запасы угле­водородов в недрах конечны и практически невозобновляемы, что определяется значительным временем (миллионы лет), необ­ходимым для преобразования содержащихся в осадочных поро­дах органических веществ в нефть и формирования месторожде­ний углеводородов. Вместе с тем существуют и развиваются тео­рии абиогенного происхождения нефти, следствием которых являются предположения о значительно больших запасах нефти в земной коре и о возможности обнаружения месторождений в по­родах фундамента на значительных глубинах. В последнее время появились публикации, авторы которых выдвигают предположе­ние о значительно более высоких скоростях формирования скоп­лений углеводородов и, следовательно, о возобновляемости ре­сурсов газа и нефти. Очевидно, что вопросы оценки запасов угле­водородов, поиска месторождений нефти и газа, эффективной разработки этих месторождений требуют развития соответст­вующих областей науки.


Недра Земли недоступны непосредственному наблюде­нию. Это приводит к необходимости использовать для получения сведений об их строении и, в частности, о наличии залежей угле­водородов, геофизические методы, т.е. методы, основанные на измерении тех или иных физических величин на поверхности или в скважинах и шахтах. Развитие геофизических методов опреде­ляется тремя составляющими: 

  1. Совершенствованием измерительной аппаратуры, включающей собственно датчики, устрой­ства передачи регистрируемых данных на значительные расстоя­ния и регистраторы; 
  2. Ростом вычислительных мощностей; 
  3. Созданием новых методов регистрации, обработки и интерпрета­ции геофизических данных. 

Для успешного продвижения по всем трем направлениям необходимо сбалансированное развитие как прикладных, так и фундаментальных областей науки. Геофизиче­ские исследования при разведке и разработке месторождений уг­леводородов демонстрируют немало примеров применения мето­дов, появление и развитие которых связано с решением самых общих физических проблем. Так, широко используемыми мето­дами определения положения и характеристик нефтесодержаших слоев горной породы (коллекторов) являются методы ядерно-магнитного резонанса, регистрации гамма-излучения, являюще­гося следствием фотоэлектрического поглощения гамма-квантов и комптон-эффекта.


В последнее время предпринимаются попытки описания поведения сложных геофизических систем с помощью понятий­ного аппарата и методов нелинейной динамики. Предпосылкой для этого является то, что поведение геофизической среды может рассматриваться как развитие неустойчивой нелинейной много­параметрической системы. Процессы, протекающие в такой сре­де, в общем виде можно описать с помощью интегро-дифференциальных уравнений, содержащих частные производ­ные. При помощи задания каких-либо ограничительных условий (например, требования сохранения некоторых величин), экспе­риментального определения взаимосвязей отдельных параметров среды, математических процедур можно свести эти уравнения к системе обыкновенных линейных уравнений. Известно, что ис­следование решений этих уравнений на устойчивость может при­водить к обнаружению аттракторов — устойчивых состояний, от­клонение от которых в некоторых пределах вызовет процессы, направленные на восстановление данных состояний.


Обычным результатом регистрации физических процес­сов являются временные ряды, характеризующие изменение на­блюдаемой величины во времени. Эти ряды могут быть непрерывными или дискретными, однородными или нет. Одной из главных трудностей анализа процессов, происходящих в природ­ных средах (например, геофизических процессов), является не­возможность измерения всех величин, существенных для описа­ния изучаемого объекта. Более того, обычно неизвестно даже ко­личество параметров, необходимых и достаточных для описания рассматриваемой системы.


Достижения последних лет в области нелинейной дина­мики привели к появлению новых методов анализа сложных сис­тем. Эти методы особенно полезны, когда о поведении системы приходится судить путем анализа одномерных временных рядов (т.е. полученных путем регистрации только одной переменной). В частности, развитые методы позволяют отличить истинно сто­хастическую систему от детерминированного хаоса и оценить минимальное число переменных, необходимых для описания ди­намической системы.


При изучении разнообразных процессов в недрах необхо­димо учитывать не только свойства породы, но и структурные и механические свойства массива, включающего собственно гор­ную породу, нарушения сплошности, флюиды, заполняющие по­ры и трещины и т.д. В этой связи при рассмотрении различных задач приходится привлекать сведения из структурной геологии, геофизики, геохимии, механики жидкостей и газов, а механика скальных пород представляет собой неотъемлемую часть более обширной науки, именуемой геомеханикой.


Как и в других разделах механики, главная задача геоме­ханики — предвидеть реакцию (деформацию или разрушение по­роды в различных масштабах: от небольшого блока до горного массива, месторождения или континента), возникающую под воздействием усилия или толчка при проходке горной выработ­ки, водного течения, термической нагрузки, извлечения углево­дородов, а также геологических процессов. Порой приходится сталкиваться и с обратной задачей: мы видим, констатируем де­формацию или проявление характерных разрывов и стараемся определить силы, породившие их или высвободившиеся после их формирования.


Механика горных пород существенно отличается от ме­ханики других материалов. Имея дело, например, со строитель­ными конструкциями, инженер, прежде всего, рассчитывает дей­ствующие на сооружение внешние нагрузки, подбирает соответ­ствующие по прочности материалы и затем определяет очертания сооружения. В горных породах прилагаемая к ним нагрузка име­ет гораздо меньшее значение, чем силы, возникающие при пере­распределении начальных напряжений. При выборе инженерного решения во многих задачах геомеханики, в отличие от других об­ластей прикладной механики, необходимо скорее учитывать ме­стные геологические условия, чем свойства самого материала. Поэтому геомеханика достаточно тесно связана со структурной и инженерной геологией.


Применение привычных моделей механики сплошных сред к описанию деформационных процессов в реальной блочной геофизической среде сталкивается с рядом трудностей. К одной из основных трудностей относится невозможность создания та­кой плотной сети измерений напряжений, которая была бы доста­точна для установления напряженного состояния исследуемого массива с удовлетворительной степенью точности. К сложности определения напряженного состояния по точечным измерениям добавляется существенная неоднородность физико-механических свойств горного массива, его трещиноватость, пористость, при­сутствие многофазных флюидов, сложность блочной структуры, анизотропия, неопределенность в восстановлении предыдущих периодов деформирования и т.д. Вместе с тем примеры из других областей физики демонстрируют нам возможность описания по­ведения сложных на микроуровне сред при помощи макропара­метров. Так, задаваясь в рамках общей термодинамики вопросом об изменении состояния некоторого объема газа, мы можем не рассматривать движение каждой частицы, а следить за изменени­ем давления и температуры.


Механика горных пород, занимающаяся вопросами добы­чи нефти, находится на стыке механики грунтов и скальных по­род. Механика грунтов имеет дело с зернистыми, пористыми ма­териалами, находящимися в состоянии, близком к сыпучему.


Предел упругой деформации грунтов наступает при очень низких уровнях напряжений. Из-за этого большую роль играют пласти­ческие и неупругие деформации, проблемы циклических нагру­зок и усталости. Важное значение имеет вода, в частности про­цессы растворения. Классическая механика горных пород зани­мается изучением поведения более упругих, но почти всегда анизотропных, трещиноватых материалов. Здесь существенную роль играют проблемы локализации деформации на межблоко­вых границах, особые свойства поверхностей раздела. Породы-коллекторы, содержащие углеводороды, часто представляют со­бой достаточно твердые, хотя и пористые образования, находя­щиеся под воздействием сильных вариаций давления жидкости. Это обстоятельство оказывает существенное влияние на законо­мерности деформирования как геоматериала, так и массива в це­лом. Породы, перекрывающие резервуары, могут быть представ­лены мягкими породами - глинами, песками мелом. При этом в ряде случаев слабо уплотненные породы наблюдаются даже на глубинах 2–3 км. Таким образом, при описании процесса дефор­мирования месторождения иногда приходится прибегать как к механике скальных пород, так и к механике грунтов.


Основная цель настоящего учебного пособия — помочь студентам, специализирующимся по направлениям «Геофизика месторождений углеводородов», «Механика гетерогенных сред и нефтяной инжиниринг» и другим, связанным с изучением геофи­зики, получить представление о строении недр Земли, формиро­вании месторождений углеводородов, методах разведки недр, по­строении и использовании современных геомеханических моде­лей.

Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2016 Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Техподдержка сайта

МФТИ в социальных сетях

soc-vk soc-fb soc-tw soc-li soc-li
Яндекс.Метрика