Другое на тему Перевод научной статьи с английского языка на русский.

Содержание:

Введение:

Для удобного
моделирования крупномасштабного потока подземных пластов жидкостей пористая
система «порода-жидкость» рассматривается как континуум (Беар, 1989).
Преобладающая схема континуума использует закон Дарси и в ней определяются
макроскопические свойства — пористость, проницаемость, насыщенность,
капиллярное давление, относительная проницаемость и захват, который определяет
гистерезис в свойствах. Эти свойства представляют собой совокупное поведение
жидкостей, движущихся через капиллярную сеть, образованную порами и трещинами
пластов породы. Этот подход лежит в основе промышленной добычи нефти и газа
(Уолш и Лейк, 2003), управления подземными водами (Тодд, 2005), очистки недр от
радиоактивных отходов и неводных фазовых жидкостей (Шварц, 2009; Финстерле и
др., 2014), а также крупномасштабного смягчения последствий изменения климата
путем подповерхностного хранения CO2
(С.Кревор и др., 2019).

Что касается
двухфазного потока жидкости, остается ряд нерешенных вопросов о взаимосвязи
между динамикой жидкости в порах горных пород и их расширенным, континуальным
проявлением. Континуальный подход основывается на понятии представительного
элементарного объема, или РЭО. В то время как РЭО для пористости и
проницаемости был исчерпывающе изучен (см., например, Арнс и др. (2005);
Гильфер и Леммер (2015); Чжан и др. (2000); Аль-Рауш и Пападопулос (2010)), РЭО
для свойств многофазного потока, относительной проницаемости и капиллярного
давления еще не изучен (Р. Армстронг и др., 2014). Аналогичным образом, структура
поровой жидкости давно упоминается в научных работах в качестве причины
гистерезиса в свойствах континуума — относительной проницаемости и капиллярном
давлении (Хейнс, 1930; Лэнд, 1968; Хассанизаде и Грей, 1980; Ривз и Селия,
1996; МакКлюр и др., 2016). Одна из самых ранних и наиболее широко используемых
моделей захвата, модель Лэнда, соотносит гистерезис с долей жидкой фазы,
которая связана или изолирована в виде остатков в порах (Лэнд, 1968).  Хотя эта модель хорошо согласуется с
наблюдениями в кернах горных пород на уровне см, достоверность концептуальной
картины на уровне пор не определена. Наконец, континуальные свойства горных
систем обычно измеряются на кернах горных пород длиной 0,1-1 м. Однако
неоднородность свойств континуума в масштабах даже меньших, чем керн породы,
может, и, обычно, контролирует на поток с проявлениями в масштабе поля (Шук и
др., 1992; Рингроуз и др., 1993; Рингроуз и Корбетт, 1994; Чжоу и др., 1981;
Рейнольдс и Кревор, 2015; Рейнольдс и др., 2018; Джексон и др., 2018). Нет
единого мнения о том, в какой степени неоднородность свойств многофазного
потока в этих малых масштабах должна учитываться в моделях с большим масштабом.

Основным
препятствием для ответа на эти вопросы является сложность получения данных о
перемещении и распределении мелкомасштабных жидкостей в породах одновременно с
измерением свойств континуального масштаба. Даже при применении в последнее
время лабораторных и синхротронных рентгеновских томографов прямые связи между
свойствами поровых жидкостей и их континуальными проявлениями остаются сложными
(Блант и др., 2013). Они требуют сочетания снимков с пространственным
разрешением в микрометрах одновременно с измерениями образцов сантиметрового
размера. В физике рентгеновской компьютерной томографии существует прямой
компромисс между полем зрения и пространственным разрешением. В результате,
лишь немногие исследования позволили измерить свойства пор одновременно,
например, относительную проницаемость.  В
частности (Гао и др., 2017; Лин и др., 2018, 2019) были проведены измерения
относительной проницаемости и капиллярного давления одновременно с изображением
распределения жидкостей на уровне пор, что демонстрирует потенциал данного
подхода.

В данной работе
авторы решают проблемы, связанные с увязкой динамики поровых флюидов с их
континуальными проявлениями с помощью многомасштабного экспериментального и
модельного подхода.  Проводятся
эксперименты по стационарному дренированию и пропитке керна в двух отдельных
кернах Бентхаймера, масштабированных в сантиметрах, с подробной рентгеновской
компьютерной томографией и одновременным измерением перепадов давления. Размер
образца оптимизирован для получения КТ-изображений с микронным разрешением в
сотнях РЭО, что позволяет определить границы раздела между фазами жидкостей и
их связность, а также определить свойства многофазной жидкости в масштабе
континуума — относительную проницаемость, капиллярное давление и захват. Эти
данные используются для разработки и проверки моделей гистерезиса в масштабе
континуума, оценивая несколько базовых предположений (1) репрезентативный
элементарный объем для свойств однофазной и многофазной жидкости, (2) связь
между гистерезисом и насыщенностью связанных фаз жидкости (3) связь между
неоднородностью характеристик капиллярного давления и влиянием на средний поток
и свойства потока в масштабах, в которых обычно проводятся измерения. Таким
образом, модели в масштабе континуума непосредственно проверяются и
сравниваются с информацией о порах и континууме в многомасштабном анализе.

Заключение:

В данной работе авторы
объединили многомасштабные рентгеновские наблюдения дренажа и пропиточных
смещений с континуальными численными моделями, чтобы оценить РЭО для однофазных
и многофазных свойств потока, связь между гистерезисом и связностью
несмачивающей фазы жидкости, а также роль мелкомасштабных континуальных
неоднородностей свойств на масштабированное проявление относительной
проницаемости. Анализ проводился с использованием водосмачиваемой системы
жидкость-порода, декана и воды, в однородном и неоднородном керне песчаника
Бентхаймер.

Кубическая
длина стороны РЭО для кривых характеристик пористости и капиллярного давления
составляет ≈1,25 мм как для неоднородных, так и для однородных образцов, с
неопределенностью 5%. В отличие от этого, РЭО для насыщения изменяется в
зависимости от фракционного потока в пределах от 1,5 мм до 5,4 мм. Важно
использовать знания о РЭО в моделировании, оценивая неопределенность в
прогнозах модели на основе наблюдаемых колебаний свойств континуума, и таким
образом устраняя произвольность определения РЭО. В режиме низкого числа
капилляров, проанализированном в данной работе, неоднородность капиллярного
давления на уровне РЭО определяет распределение жидкостей и должна учитываться
при интерпретации наблюдений на уровне керна.

Авторы
использовали модель захвата Лэнда для прогнозирования связности жидкостей и
гистерезиса во время нескольких состояний пропитки и сравнили их с наблюдениями
связности жидкостей в порах. Было обнаружено, что в однородных средах модель
захвата Лэнда может успешно и полностью предсказать связность жидкостей при
различных состояниях пропитки, параметризованных исключительно на основе данных
о начальном остатке. В неоднородных средах необходимо учитывать неоднородности
масштаба РЭО, чтобы уловить более масштабные капиллярные неоднородности. Также
было обнаружено, что благодаря включению связанного насыщения, гистерезис в
экспериментальной относительной проницаемости без смачивания полностью
устраняется. Морфология жидкости все чаще рассматривается как необходимая для
точного представления увеличенных свойств потока; так подтверждается, что
связность достаточна для полной параметризации свойств континуального потока
через пути смещения во время связанного потока в однородной среде. Умеренная
неоднородность в масштабе континуума приводит к дополнительному требованию
многомасштабного моделирования, в котором неоднородность в масштабе континуума
представлена в дополнение к параметризации связности жидкости в масштабе пор.

Авторы
разработали трехмерные континуальные численные модели кернов горных пород,
которые в значительной степени способны предсказать влияние мелкомасштабных
неоднородностей на увеличенные насыщенности и относительные проницаемости. В
моделях для обоих образцов использовались одни и те же собственные функции с
различными структурами неоднородности, и они смогли отразить относительные
изменения в увеличенных относительных проницаемостях и распределениях флюидов.
Модели подтверждают, что как неоднородность, так и гистерезис в характеристиках
капиллярного давления являются ключевыми для масштабированного проявления относительной
проницаемости, даже на уровне сантиметров в кернах пород, использованных в
данной работе. Это говорит о том, что для физического моделирования
подповерхностного многофазного потока необходим рабочий процесс, который
успешно учитывает масштабированное влияние этих свойств.

Представленный
в данной работе экспериментальный набор данных, доступный для скачивания на
сайте, является эталоном для разработки и проверки подходов к моделированию в
масштабе континуума. Ключом к будущему развитию континуальных моделей является
тщательное включение эволюции связности во время дренажа и пропитки (т.е.
механизм «сноса крыши», который может произойти во время первичного дренажа), а
также включение этих эффектов с неоднородностями масштаба РЭО. Также необходимы
дальнейшие разработки для учета многомасштабных неоднородностей РЭО, например,
встречающихся в карбонатных породах (Хиджази и др., 2019).

Наряду с этим континуальные
модели должны также учитывать влияние высоких потоков Ncp, которые приводят к прерывистому соединению
жидкостей (Спурин и др., 2019a, 2019b) и усиленной динамике ганглиев (Рюкер и др.,
2015). Хотя использование расширенного закона Дарси с неоднородностями в
масштабе РЭО в значительной степени достаточно для отражения режимов течения,
описанных в данной работе, и достаточно для многих полевых исследований,
вероятно, для отражения полного проявления физики несмешивающихся пор в
масштабе континуума могут потребоваться расширенные модели, возможно,
основанные на фундаментальной термодинамике системы (Грей и Миллер, 2005;
Нисснер и др., 2011). Авторы полагают надежды, что данная работа и набор данных
послужат основой для продвижения таких методов, что приведет к созданию
прогнозирующих многомасштабных моделей континуума.

Фрагмент текста работы:

2. Экспериментальные методы.

2.1 Затопление керна. Авторы проводят
эксперименты по стационарному затоплению керна с микротомографией на двух
кернах песчаника Бентхаймер диаметром 12,35 мм (керн 12,7 мм, 1/2" сверло),
длиной 73,2 мм и 64,7 мм, со средней пористостью 0,203 и 0,223 соответственно.
Мелководно-морской песчаник Бентхаймера состоит примерно на 95% из кварца с
незначительным количеством полевого шпата и глины и имеет хорошо сортированный
гранулометрический состав (Пекса и др., 2015).

Типичные образцы керна,
используемые для экспериментов с многофазными потоками, показаны на рис. 1a, а керн, использованный
в данной экспериментальной кампании, показан на том же рисунке в центре. Для
экспериментов с поровыми потоками обычно используются керны малого
миллиметрового размера, поскольку они позволяют проводить детальную
микротомографию с разрешением 1-4 микрона (Эндрю и др., 2014b; Сингх и др., 2016),
при этом объем изображений обычно составляет около 1-100 мм3. Для
песчаников Бентхаймера репрезентативные элементарные объемы (РЭО) для
пористости обычно составляют от 1 до 60 мм3 (Хамлиш, 2013; Херринг и
др., 2013), но могут быть больше для исследования многофазных сво