Разработка вычислительного комплекса для компьютерного моделирования диссоциации газового гидрата с учетом льда и соли в сильно неоднородной пористой среде осадочных бассейнов на сетках с нерегулярной структурой данных

Газовые гидраты в земной коре потенциально могут оказаться как очень значимым источником углеводородов, так и возможной причиной крупных технологических и экологических катастроф – от локальных до глобальных, связанных с климатическими изменениями. Значительная часть скоплений газовых гидратов может образоваться на севере ввиду наличия там криолитозоны как на суше, так и на шельфе. Помимо того, что газогидратные залежи могут послужить объектом промышленной разработки, диссоциация газовых гидратов в процессе разработки обычных газовых месторождений может привести к нарушению работы скважин и аварийным ситуациям. Для России подобные проблемы представляют особую важность, поскольку ее арктические регионы занимают большую территорию и содержат существенную долю природных богатств страны. В настоящее время во всем мире наблюдается повышенный интерес к Арктике, и Россия должна оставаться здесь на передовых рубежах научно-технического прогресса во всех направлениях, в том числе и в деле изучения и освоения природных газовых гидратов. Этого возможно достичь только при комплексном подходе к проблеме, включающем в себя физические, химические, геологические и другие исследования, в ряду которых важное место занимает математическое моделирование. Новизна проекта заключается в разработке пакета программ, инструментальные средства которого способны на сетках нерегулярной структуры решать с помощью метода опорных операторов (МОО) неодномерные задачи многофазного и многокомпонентного моделирования диссоциации газовых гидратов в пористой среде осадочных бассейнов литологически сложной структуры. Особенностью применяемого пакета является возможность включения в единую расчетную схему процессов, связанных с многофазностью и многокомпонентностью. Это дает возможность учесть наличие льда и соответствующего фазового перехода, а также соли и газа, растворенных в жидкости. Математической базой пакета программ является дискретизация уравнений баланса массовых компонент и энергии системы в предположении о термодинамически равновесном характере процесса. Дискретизация производится с использованием технологии метода опорных операторов на основе расщепления задачи по физическим процессам. Существенной особенностью подобных задач является возможность изменения локальных числа и состава фаз. Новым элементом проекта является учет этой особенности на основе первых принципов (термодинамического равновесия и законов сохранения) без дополнительных предположений. Итерационная процедура решения возникающих трансцендентных уравнений включается в общую вычислительную схему. Новизна программного комплекса определяется: - динамическим формированием неструктурированных пространственных сеток, аппроксимирующих телами простой геометрии сложную литологическую структуру осадочных бассейнов и отображающих ее в соответствии с теорией МОО в тензорные свойства метрических операторов неортогональной сетки. Это позволяет, распоряжаясь малым числом узлов сетки, детально учитывать сложную структуру пласта; - программным обеспечением унифицированного представления повторных операций векторного анализа (DIV GRAD) применительно к моделированию задач механики сплошной среды на нерегулярных сетках; - программной реализацией средств преобразования неупорядоченного представления динамических объектов в связях нерегулярной сетки в их статическое алгебраически упорядоченное представление в виде сжатого хранения строкой (CSR – compressed sparse row). В процессе работы над проектом планируется последовательное расширение возможностей пакета путем включения в единую методику все большего количества компонент и фаз с автоматическим определением их числа и состава. Многофазность и многокомпонентность, как отмечено выше, естественным образом встречаются в ряде научных, технических, экологических задач.