Моделирование миграции подземных вод

Характеристика многокомпонентной системы «подземное пространство»

В многокомпонентную систему «подземное пространство» входят газообразный, жидкий и твердый компоненты, которые являются частями соответствующих смешанных фаз. «Смешанная фаза» и «компонент» — относительные понятия, аналогичные понятиям «система» и «элемент» в кибернетике. Чаще всего в смешанной фа - з:е доминирует один компонент, тогда говорят о дисперсной сис - feMe (растворе), в которой дисперсная фаза (растворенный, не до­минирующий компонент) распределена (диспергирована) в дис - пергаторе (растворителе, доминирующем компоненте). Это рас­пределение может быть грубодисперсным (размеры частиц Ю-6— 10~5 м), различимым под микроскопом'; коллоидно-дисперсным (размеры частиц 10~8—10-7 м), различимым под ультрамикроско­пом, и молекулярно-дисперсным (размеры частиц 1(Н°—Ю-9 м), неразличимым — истинный раствор.

При изучении миграции обычно рассматривается перемещение определенной части дисперсной фазы с флюидным диспергатором. Перемещающимися частицами — мигрантами — в зависимости от постановки задачи могут быть электроны, молекулы, ионы или комплексы. При этом мигрант может перемещаться не только от - йосительно основной массы горных пород, но и относительно час - 8 тиц диспергатора (например, текущих частиц воды или молекул N2 в воздухе).

Для описания состава смешанной фазы используются следую-

N

Щие экстенсивные параметры состояния: масса тп = 2 mi (nit —

І=і

П

Масса компонента і), количество вещества п = '£ігіі (гіі — количест-

І=і п

Во вещества г-го компонента), объем V0 — 2/ггУг - (V0—-общий

І—I

Объем перед смешиванием, причем общий объем смешанной фазы V после смешения равен или отличен от ]/0). Удельный объем и удельное количество вещества являются величинами, отнесенными к массе (например, удельный объем аг=Уі/тг), а молярная масса и молярный объем — к количеству вещества (например, молярная масса Мі — гпііПі).

В качестве интенсивного параметра состояния используют кон­центрацию (показатель состава) компонента і в смешанной фазе. Концентрацию можно выразить в виде массы тг-, количества ве­щества Пі или объема Vi і-то компонента в массе т, количестве вещества п или объеме V смешанной фазы. Используются следую­щие выражения концентрации [49]: массовая доля шг=тг/т; мольная доля Xi = tii/n; объемная доля <pi=Vi/V0; массовая кон­центрация (парциальная плотность) рг==рг - = тг/]/; мольная (мо­лярная) концентрация Ci=tii/V (моль/м3, ммоль/л); эквивалент­ная концентрация сшв. = n9KJV (r-экв/м3, мг-экв/л); объемная концентрация аг= V,-/V; мольное отношение г£(/ = пг/п;-; массовое отношение %і!,-=ті/ті; объемное отношение ф;, ;= Vi/Vj; моляль- ность Ьі — пЦт растворителя (моль/кг), для пресной воды 6г чис­ленно равна Сі. При миграционных исследованиях ограничиваются вещественной (мольной) концентрацией Сі или [/] массовой кон­центрацией р£=ірг или моляльностью bi.

Важно отметить, что V может относиться и к общему объему породы и флюида, что приводит к севершенно различным значе­ниям концентрации, поэтому следует тщательно следить за тем, какое выражение концентрации используется в каждом конкрет­ном случае.

Водная фаза. Химически «чистая» вода — это в основном смесь девяти различных молекул (Н2160, Н2170, Н2180, HD'60, HD17Q, HD180, D2160, D2170, D2180), отличающихся изотопами водорода (*H — протий, 2H(D)—дейтерий и 3Н(Т)—тритий) и кислорода (160, 170 и 180). 99,8 % молекул имеют массу ІвСН'Ю'Н). Вода с формулами D2160, D2170, D2180 называется тяжелой (ее получают при длительном электролизе обычной воды), а вода, содержащая сверхтяжелый изотоп водорода, — тритий (образуется в процессах ядерного распада)—сверхтяжелой (Т20) [5]. С участием трития (период полураспада 12,3 года), образующегося также в атмосфе­ре под действием космического излучения, происходит примерно 10-го часТей образования 3Н160!Н на одну часть Н20. Эта водная молекула играет важную роль в качестве мигранта-трассера.

Воду можно рассматривать как полимеризованную жидкость с формулой (Н20)л. Степень полимеризации п зависит от темпера­туры и давления. Так называемые кластеры (агрегированные по­лимолекулы), встречающиеся наряду с отдельными молекулами воды, обычно имеют при О °С структурную формулу HisoOgo, а при 70 °С — Н50О25 [57].

Как показывают характеристики электропроводности, «чистая» вода также диссоциирует по схеме 2Н20=ё*Нз0f4-ОН-. Часто уп­рощенно вместо Н30+ записывают Н+; тогда ионное произведение воды Кв будет иметь вид: Кв—Сн+Сон~= [Н+] [ОН-]. Величина Km зависит от температуры и при 25 °С составляет 1,0-Ю-14 моль2/л2.

Зависимость плотности р водных растворов от минерализации с й обычном диапазоне давлений приближенно выражается линей­ным уравнением

Р — Ро + КрС, (І.1)

Где Ро— 1 г/см3; КР —коэффициент, определяемый по приведен­ным ниже данным при с в диапазоне от 0 до 100 г/л [28]:

Раствор. NaCl КС1 СаС12 NaHC03 Na2C03 Na, S04 Кр-10з. . о,68 0,62 0,80 0,70 0,98 0",88

В зависимости от температуры плотность изменяется на вели­чину Дрв—2-Ю-4 (20—0), где 0— температура (в °С). Для ра­створов смешанного состава /С можно определять как среднее взвешенное значение по относительному содержанию каждого ком­понента. В подземных водах изменения плотности обычно связаны с содержанием NaCl, так что зависимость плотности от минерали­зации можно принимать по этому компоненту, для которого в бо­лее широком диапазоне концентраций правильнее пользоваться кусочно-линейным уравнением вида

Р==Ро + ^Р (с—Со) (1.2)

Ири значениях параметров, представленных в табл. 1.

Подземная вода представляет собой водный раствор, т. е. дис­персную систему. В этом растворе чистая вода является раствори - іелем (диспергатором), а содержащиеся в ней вещества — раство-

Ренными компонентами (дисперсной фазой). Вследствие своего высокого дипольного момента вода представляет собой очень ак­тивный растворитель для многих твердых, жидких и газообразных веществ (рис. 1).

Мигрантами в подземных водах —в зависимости от поставлен­ных задач — являются, например, истинные или коллоидально ра­створенные, суспензированные или эмульгированные твердые, жид­кие газообразные частицы. Исследованиями в области координа­ционной химии (например, [3]) установлено, что элементарной формой миграции растворенных веществ в воде являются не сво­бодные ионы, а комплексные соединения. Под комплексом по­нимают относительно стабильные электронейтральные или заряжен­ные соединения, которые образованы ионом металла (центральный атом) и одним или несколькими ионами или электронейтральными молекулами (лигандами). Свободные ионы металла гидра тируют­ся в водных растворах и образуют аквакомплексы, которые вновь служат исходной формой для образования других типов комплек­сов (см. гл. 2). Так как в воде в общем случае с помощью обыч­ных методов анализа можно получить только суммарную концент­рацию вещества, а не концентрации его различных комплексов, последние рассчитываются по соответствующим уравнениям. К сус­пензированным мигрантам относятся также микроорганизмы (бак­терии, вирусы, грибы, простейшие водоросли), а также вещества^ применяемые для формирования зон уплотнений в горных породах (например, частицы цемента). Эмульгированными мигрантами яв­ляются нерастворимые в водё частицы жидкостей, таких, как нефть и минеральные масла. В подземных водах могут мигриро­вать и пузырьки газа, если превышается концентрация насыщения воды этим газом.

Твердая фаза. При исследовании миграционных процессов в подземных водах порода рассматривается как пространственно фиксированная твердая фаза с определенной пространственной структурой (расположение твердого вещества и пустот), форми­рующей порово-трещйнную среду для флюидной (водной) фазы. Структура пород отражается не только на основных фильтрацион­ных свойствах (емкость и проницаемость), tfo и на величине внут­ренней поверхности (поверхность контакта флюида «о скелетом породы), которая имеет большое значение для обмена мигрантами между жидкой и твердой фазами.

Породы — это естественные минеральные агрегаты определен­ного состава и строения, сформировавшиеся в результате геологи­ческих процессов и залегающие в земной коре в виде самостоя­тельных тел. С геохимической точки зрения — это естественные, закономерные ассоциации минералов, состоящих из петрогенных элементов (главных химических элементов породообразующих ми­нералов), включая газы и жидкости, а также продукты техноген­ных процессов. В качестве породообразующих минералов преобла­дают силикаты (полевые шпаты, авгит, роговая обманка, слюды, оливин, глинистые минералы), карбонаты и окислы (кварц). Хи­мические элементы содержатся в породах земной коры в следую­щих количествах (массовая доля, %/объемная концентрация, %): О — 46,71/94,24; Si — 27,69/0,51; А1 — 8,07/0,44; Fe — 5,04/0,37; €а —3,65/1,04; Na — 2,75/11,21; К —2,58/1,88; Mg —2,08/0,28. В структурном отношении почти все минералы являются кристал­лами, т. е. твердыми телами, структурные элементы которых ^атомы, ионы, молекулы) пространственно и периодично располо­жены в кристаллической решетке.

Для развития миграционных процессов в подземных водах особое значение имеет изоморфизмг минералов, когда отдельные структурные элементы решетки, замещаясь, образуют основу для формирования емкости ионного обмена породы [6, 35].

Воздух. Для модели миграции в подземном пространстве воз­дух рассматривается как однородная флюидная фаза с такими компонентами, как азот, кислород, аргон и т. п. Сухой атмосфер­ный «чистый» воздух содержит (в %): N2 78,09; 02 20,15; Аг 0,93; £02 0,03, а также следы других газов. Эти процентные показате­ли являются вещественными долями xi смешанной фазы «воз­дух». Величина х0і=*20,15% означает, что 1 моль воздуха содержит 0,2015 моля 02. Если, например, появляются газообразные Н20 (лары Н20) или S02, то указанные мольные доли х> уменьшаются.

В зоне аэрации мольные доли компонентов воздуха непостоян­ны. Для нее характерны повышенное (по сравнению с атмосфер­ным воздухом) содержание С02 (1—5 %) и пониженное 02 (20 % до0 %).

Смешанная фаза «воздух» наряду с газообразными частицами (молекулы и атомы) содержит минеральные и органические твер­дые и жидкие частицы, образующие аэрозоли. В -зависимости от типа и величины этих частиц говорят, например, о пыли (взвешен­ные в воздухе твердые частицы имеют величину порядка Ю-6— 10"4 м) и о тумане (в воздухе взвешены жидкие частицы). Изуче­ние аэрозолей с точки зрения их миграции в подземном простран­стве важно прежде всего создания подземных газохранилищ, а также при добыче нефти и газа. В качестве мигрантов в зоне аэра - дии значительную роль могут играть 02, Н20, С02, СН4, H2S, NH3 и др.