410_E3_024

Составитель канд. геол.-минерал. наук В.А. Бычинский

Рецензент доктор геол. -минерал. наук, проф. В.П. Исаев

Предназначена студентам геологического факультета дневного отделения специальности 01.15.00 Программа предусматривает изучение методов термодинамического моделирования геохимических процессов. Подробно представлены последние достижения в области физико-химического моделирования процессов нефтегазообразования. Детально рассматриваются вопросы интерпретации результатов термодинамического моделирования. Изложены основные требования к современным термодинамическим базам данных.

I.Организационно-методический раздел

1.Цель курса - освоение студентами основ химической термодинамики и методов физико-химического моделирования процессов нефтегазообразования.

2.Задачи курса - ознакомление студентов с особенностями компьютерного представления термодинамических моделей геохимических процессов, методами обработки экспериментальных данных, способами расчета и согласования термодинамических данных. Практическое применение методов физикохимического моделирования в нефтегазовой геохимии.

3.Место курса в профессиональной подготовке выпускника.

Курс физико-химическое моделирование в нефтегазовой геохимии профессиональной занимает важное место в подготовке геологов нефтяников. Курс позволяет обобщить и практический использовать знания, полученные при освоении базовых курсов химии, физики и геологии. Физико-химическое моделирование формирует современное мировоззрение и позволят специалистам самостоятельно рассматривать процессы управляющие образованием и существованием нефти и газа не зависимо от существующих парадигм. У специалистов практически освоивших методы моделирования появляется возможность самостоятельно и оперативно оценивать последствия действия буровых скважин на окружающую среду

4.Требования к уровню освоения содержания курса. Студент должен владеть основами химической термодинамики, способами расчета и согласования термодинамических данных, особенностями компьютерного представления геохимических моделей, принципы термодинамического моделирования в условиях неопределенности исходной термодинамической информации,

Курс рассчитан на 52 часа.

II.Cодержание курса

1.Разделы курса. Введение, основные начала термодинамики, теоретические основы расчета физико-химических равновесий в сложных многофазных гетерогенных системах, сходные термодинамические данные, термодинамическое моделирование на эвм геохимических процессов, геохимические приложения: физико-химические модели природных процессов, обработка и интерпретация результатов физико-химического моделирования термодинамическое моделирование в условиях неопределенности.

2. Темы и краткое содержание ВВЕДЕНИЕ

Основные тенденции развития современной геохимии. Переход от химико-аналитической (сравнительно-описательной) характеристики геологических объектов к физико-химическим методам изучения природных геохимических процессов. Задачи и кардинальные проблемы физико-химического моделирования. Основные проблемы стоящие перед исследователем, использующим ЭВМ в физико-химическом моделировании в геохимии. Практическое значение физико-химического моделирования.

1. ОСНОВНЫЕ НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ

Предмет термодинамики. О некоторых термодинамических понятиях и терминах. Полезные формальные соотношения. Термодинамические потенциалы, физические константы, единицы измерения, обозначения, стандартные состояния.

Источники, погрешность и согласованность термодинамической информации.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ РАВНОВЕСИЙ В СЛОЖНЫХ МНОГОФАЗНЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ

Основные этапы развития методов физико-химического моделирования (историческая справка)

Методические и теоретические вопросы связанные с использованием ЭВМ в физико-химическом моделировании в нефтегазовой геохимии.

Минимизация энергии Гиббса (сравнительное описание существующих программ)

Понятие открытых и закрытых систем по Д.С. Коржинскому Принцип стабильного, метастабильного, частичного равнове-

сия, расчет необратимой эволюции геохимических систем. Обратные физико-химические задачи. (выделение четырех

классов обратных физико-химических задач.)

3. ИСХОДНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Методы термодинамической обработки экспериментальной данных в геохимии и петрологии. (Расчет по методу второго закона термодинамики, расчет по методу третьего закона термодинамики.)

Согласование, расчет, корректировка термодинамических свойств индивидуальных веществ. (согласование последовательным или цепочечным методом, метод Гордона.) Выбор критерия согласования. Критический анализ и оптимальное согласование термодинамических свойств индивидуальных веществ.

Свободная энергия по Гиббсу, методы расчета значений термодинамических потенциалов в условиях высоких температур, Формы представления зависимости теплоемкости от температуры.

Источники и базы термодинамических данных (основные требования базам ТД.) Ключевые и базисные термодинамические величины (простые вещества, элементы, окислы.)

4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ЭВМ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Методология построения модели и определение задач моделирования. Постановка задачи: выбор зависимых и независимых параметров состояния системы, тип модели: система, мегасистема, реактор. Метастабильное равновесие. Выбор минимизируемого термодинамического потенциала.

Исходные данные: выбор независимых компонентов и химический состав системы, выбор фаз и зависимых компонентов. Дополнительные ограничения. Моделирование этапов необратимой эволюции геохимических систем.

5. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ: ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

Исследование термодинамической модели устойчивости системы С-Н в Р,Т - условиях земной коры.

Исследование термодинамической модели преобразования органического вещества в системе “водный раствор - породы - нефть - кероген”.

Исследование влияния парциального давления СО2 и окисли-

тельно-восстановительного потенциала на преобразование органического вещества.

Расчет состава гидротермальных растворов и растворенных в них газов в зависимости от Р,Т - условий земной коры и состава вмещающих пород.

6.ОБРАБОТКА И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Химические потенциалы независимых компонентов как инструмент корректировки и расчета неизвестных термодинамических потенциалов зависимых компонентов.

Степень протекания процесса как характеристика относительного времени взаимодействия подсистем.

Построение графиков и диаграмм по результатам моделирова-

ния

Дополнительные возможности ПК “Селектор-С”: работа с базами данных

7. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Введение в проблему. Погрешности исходной термодинамической информации. Предшествующие работы. Предлагаемый подход. Формулировка и задание интервалов неопределенности, критерии выбора оптимальных решений.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ

Модель углеводородной системы (С-Н система).

Модель углеводородной системы (С-H-N-S-Ca-Mg-Si-O).

Модель углеобразования (минеральные компоненты углей).

Модель горения углеводородных топлив.

Модель формирования грунтовых вод под воздействием углеводородных залежей.

Расчет адиабатической температуры углеводородной залежи методом минимизации минус энтропии

ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ

ОПОСТУПЛЕНИИКОСМИЧЕСКОГОУГЛЕРОДАИЕГО КРУГОВОРОТЕНАЗЕМЛЕ.

ПЕРИОДИЧНОСТЬЭПОХНЕФТЕНАКОПЛЕНИЯИ ВОЗМОЖНЫЕПРИЧИНЫЭТИХПРОЦЕССОВ.

УГЛЕВОДОРОДНАЯДЕГАЗАЦИЯЗЕМЛИИГЕНЕЗИС НЕФТЕГАЗОВЫХМЕСТОРОЖДЕНИЙ

МЕТОДЫФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГОМОДЕЛИРОВАНИЯВ ГЕОХИМИИИМИНЕРАЛОГИИ.

ПРИНЦИПЫРАБОТЫСТБАЗАМИТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ДАННЫХПРЕДНАЗНАЧЕННЫХДЛЯМОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХПРОЦЕССОВВЗЕМНОЙКОРЕИ ВЕРХНЕЙМАНТИИ

3.Вопросы к зачету (экзамену)

1.Предмет термодинамики. Термодинамические потенциалы, физические константы, единицы измерения, обозначения, стандартные состояния.

2.Основные этапы развития методов физико-химического моделирования.

3.Понятие открытых и закрытых систем по Д.С. Коржинскому

4.Минимизация энергии Гиббса (сравнительное описание существующих программ).

5.Методы термодинамической обработки экспериментальной данных в геохимии и петрологии. (Расчет по методу второго закона термодинамики, расчет по методу третьего закона термодинамики).

6.Согласование, расчет, корректировка термодинамических свойств индивидуальных веществ. (согласование последовательным или цепочечным методом, метод Гордона.) Выбор критерия согласования.

7.Источники и базы термодинамических данных (основные требования базам ТД.) Ключевые и базисные термодинамические величины (простые вещества, элементы, окислы).

8.Методология построения модели и определение задач моделирования.

9.Обратные физико-химические задачи (выделение четырех классов обратных физико-химических задач).

10.Химические потенциалы независимых компонентов как инструмент корректировки и расчета неизвестных термодинамических потенциалов зависимых компонентов.

11.Степень протекания процесса как характеристика относительного времени взаимодействия подсистем.

12.Дополнительные возможности ПК “Селектор ”: работа с базами данных, построение графиков, переаппроксимация уравнений теплоемкости.

13.Геохимические приложения. Физико-химическое моделирование природных процессов (на примере равновесной эволюции восходящего углеводородного флюида).

14.Расчет физико-химического равновесия в условиях неопределенности термодинамических данных. Два основных пути преодоления неопределенности в термодинамическом моделировании. Недетерминированные параметры модели. Выбор предпочтительных вариантов с помощью метода принятия решений в условиях неопределенности по критериям Лапласа, Вальда, Сэвиджа и Гурвица.

III.Распределение часов курса по темам и видам работ

IV. Форма итогового контроля – зачет.

V. Учебно-методическое обеспечение курса

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Борисов М.В. Шваров Ю.Б. Термодинамика геохимических процессов. М: Изд-во. МГУ, 1992. - 256 с

Борисов М.В. Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования. М: Изд-во. Научный мир, 2000. - 360 с

Булах А.Г. Методы термодинамики в минералогии. Л: Изд-во Недра, 1968. 176 с.

Гаррелс Р.М., Крайст И.Л. Растворы, минералы, равно-

весия. М.: Мир, 1968. 386 с.

Исаев В.П. Термодинамические аспекты геохимии природных газов. I, II части, Изд. Иркутского университета 1991 г. с. 300.

Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск Наука, 1981. с 240.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУТРА

Карпов И.К. Мазухина С.И. Чудненко К.В. Бычинский В.А. Артименко М.В. Динамика мегасистем в геохимии: формирование базовых моделей процессов и алгоритмы минимизации, Геология и геоф. 1999. т. 40 № 1,

Карпов И.К. Артименко М.В. Чудненко К.В. Кулик Д.А. Бычинский В.А. Термодинамическое моделирование геологических систем методом выпуклого программирования в условиях неопределенности, Геология и геоф. 1999. Т. 40 № 7 с.971-988,

Зубков В.С. Карпов И.К. Бычинский В.А. Степанов А.Н.Термодинамическая устойчивость мантийных углеводородов, Геология нефти и газа, 2000. № 2.,

Карпов И.К., Чудненко К.В., Кулик Д.А., Авченко О.В. Бычинский В.А. Минимизация энергии Гиббса в геохимических системах методом выпуклого програм-мирования, Геохимия, 2001, № 11.,1-13, Вилор Н.В., Кажарская М.Г., Бычинский В.А. Костянецкая Ж.В., Меньшиков В.И., Баранов В.А. Геохимические корреляции и отношения «раствор-порода» в рудоносных флюидных системах,

Геохимия, 2003 № 12.,24-38

Коптева А.В., Карпов И.К., Расширение базы термодинамических данных углеводородов и биомолекул для моделирования физи- ко-химических процессов в земной коре и верхней мантии // Перспективы нефтегазоносности Байкала и Западного Забайкалья. Материалы научно-практ. совещ. Улан-Удэ, 14-16 октября 2003 г. УланУдэ, Изд-во БНЦ СО РАН, 2003.,90-92,

Жоров Ю.М. Термодинамика химических процессов: Нефтехимический синтез, переработка нефти, угля и природного газа. М.,

Химия 1985 464 с.

Карпов И.К., Чудненко К.В., Другов Г.М. Термодинамика открытых систем: феноменология Д.С. Коржинского и моделирование на ЭВМ. //Геология и геофизика 1991 № 11, сс. 13-19.

Карпов И.К., Чудненко К.В., Бычинский В.А., Кулик Д.А. Минимизация свободной энергии при расчете гетерогенных равновесий. // Геология и геофизика 1995 36, сс. 3-21.

Конторович Э.А., Павлов А.Л., Третьяков Г.А., Хоменко А.В. Физико-химическое моделирование термодинамических равновесий в системе “Карбонатноэвапоритовые осадочные породы - вода - углеводороды” при контактовом метаморфизме и катагенезе. //Геохимия 1996 № 7 сс. 598-610.

Крайнов С.Р. Обзор термодинамических компьютерных программ, используемых в США при геохимическом изучении подземных вод. Геохимия 1993 № 5 сс. 685-695.