ИСТИНА

Проект направлен на решение задачи прогнозирования природных и техногенных процессов, связанных с деформацией пород земной коры и фильтрационными течениями многофазных флюидов. Примерами таких процессов являются: процессы, связанные с фильтрацией химически активных поровых флюидов при разработке углеводородных месторождений и геологическом захоронением парникового и попутного газа; явление наведенной сейсмичности; формирование гидротермальных конвективных ячеек вокруг остывающих гранитоидных интрузий, перенос и осаждение рудного вещества гранитов, зарождение глубокофокусных землетрясений в зонах субдукции; внутриплитный вулканизм и формирование континентальной коры. Сложность предсказательного моделирования указанных процессов связана с необходимостью решения сопряженных задач термо-гидро-геомеханики с учетом фазовых переходов и химических реакций между поровым флюидом и породами. Одна из принципиальных научных проблем заключается в том, что для таких задач характерно наличие эффектов, проявляющихся на существенно различных временных и пространственных масштабах. Подробное численное моделирование этих эффектов сопряжено со значительными вычислительными трудностями. Существующие программные комплексы не позволяют достичь необходимого пространственного и временного разрешения численной модели. В результате отмеченные задачи решаются в грубом приближении с применением упрощенных феноменологических соотношений, при этом теряется предсказательная сила математического и термодинамического моделирования. В проекте планируется решение следующих задач, неразрывно связанных со сформулированной проблемой: - Разработка эффективных методик расчета деформаций насыщенных проницаемых пород с учетом физико-химических превращений в рамках единой полностью сопряженной математической модели; - Реализация разработанных методов в виде комплекса программ, рассчитанного на параллельные вычислительные архитектуры нового поколения, такие как графические процессоры (GPU) под управлением технологии Nvidia CUDA, а также распределенные кластеры GPU. Конечной целью проекта является создание уникального высокопроизводительного комплекса программ, который позволит проводить численное моделирование деформаций пород с учетом наличия порового флюида на основе реальных геологических и инженерных данных. Описание характерных пространственных и временных масштабов требует значительных вычислительных ресурсов и объемов памяти, поскольку число степеней свободы в трехмерных расчетах для больших задач может достигать значений порядка триллиона.

Ожидаемым результатом данного проекта является создание прототипа комплекса программ, способного частично заменить и превзойти по функционалу дорогостоящие и недоступные в настоящее время импортные аналоги. Возможности этого комплекса программ позволят: - проводить расчеты неизотермических и неизохимических течений многокомпонентного флюида в деформируемой и реагирующей вмещающей породе с учетом ее вязко-упругой и вязко-упруго-пластической реологии для широкого диапазона геологических приложений; - в рамках единого подхода моделировать термодинамическое P-T равновесие в многокомпонентных многофазных системах вне зависимости от их типов и составов с использованием новейших термодинамических моделей химически активных поровых флюидов; - использовать современные гетерогенные массивно-параллельные вычислительные архитектуры, в частности, графические ускорители (GPU), а также суперкомпьютерные системы (масштабирование вычислений с параллельной эффективностью реализации, близкой к 100%, что сделает возможным решение задач с числом степеней свободы порядка миллиардов) Практическая значимость разрабатываемого комплекса программ определяется широтой спектра обозначенных геотехнологических и геологических приложений. Создание такого комплекса программ потребует разработки принципиально новых методик расчета и численных алгоритмов в области механики деформируемого твердого тела, гидромеханики, термодинамики и их эффективного сопряжения, которые могут быть впоследствии развиты и адаптированы для решения задач в смежных научных дисциплинах. Таким образом, результаты подобной работы имеют научную значимость в обширной области приложений вычислительной механики и физической геохимии. Применение данного комплекса программ в указанных геотехнологических приложениях, а именно прогнозировании утечек при геологическом захоронении парниковых газов и возможной техногенной сейсмической опасности позволит принимать более рациональные и экономически обоснованные решения в области недропользования и контроля за климатом. Понимание механизмов внутриплитного вулканизма, зарождения глубокофокусных землетрясений и возникновения континентальной коры имеет большое научное и практическое значение для человечества. С целью отладки и демонстрации возможностей данного комплекса программ будет решен ряд новых частных задач в рамках указанных приложений. В этом направлении будут получены следующие новые результаты: - результаты исследования возможного механизма формирования континентальной земной коры, основанного на метасоматическом изменении мантийного перидотита вследствие взаимодействия с водным раствором (флюидная фаза водонасыщенной магмы), мигрирующим с границы литосферы через спонтанно формирующиеся жилоподобные структуры в реагирующей вмещающей породе, претерпевающей вязко-упругие и вязко-упруго-пластические деформации; - результаты исследования механизмов внутриплитного вулканизма и мантийного метасоматизма; - сравнение таких механизмов зарождения глубокофокусных землетрясений как дегидратационное охрупчивание земных пород и тепловой взрыв при сдвиговых деформациях; - результаты учета химических превращений порового флюида и деформации горных пород (уплотнения и разуплотнения) при геологическом захоронении парникового газа; - результаты моделирования зарождения сейсмической активности в хрупких породах, вызванной повышением порового давления жидкости при закачке через скважину, сравнение результатов с доступными в литературе данными.