Вопросы Гидро механики. Вопросы по дисциплине Подземная гидромеханика
Скачать 0.82 Mb.
|
градиенту потенциальной функции (потенциала скорости).Вопросы по дисциплине «Подземная гидромеханика» Этапы развития подземной гидромеханики. Нефтяная ПГ возникла на основе гидромеханики подземных вод. Вопросы движения подземных вод в различное время изучали М.В.Ломоносов, Д.Бернулли, Л.Эйлер и др., проводившие свои работы в Петербургской Академии наук. Начало развития ПГ как самостоятельно науки было положено французским инженером Анри Дарси (1805-1866), который в 1856г. сформулировал и опубликовал обнаруженный им экспериментальный закон ламинарной фильтрации. Однако до 90-х годов дельной теории о движении подземных вод как таковой не было. Лишь в 1889 г. работой профессора Жуковского Николая Егоровича (1847 – 1921) «Теоретические исследования о движении подпочвенных вод» заложен фундамент такой теории. В 1912 году вышла из печати работа А.А. Краснопольского, в которой изложена теория притока воды к колодцам при турбулентной фильтрации. В начале 20-х годов нашего столетия в ответ на потребности бурно развивающейся нефтяной промышленности было положено начало созданию нового направления ПГ – нефтяная (или нефтегазовая) подземная гидродинамика. Основателем этого направления в теории фильтрации в СССР стал академик Л.С. Лейбензон. Его исследования были начаты в 1921 г. и продолжались в течение 30 лет (до его кончины в 1951 г.). Работы Лейбензона прочно закрепили приоритет отечественной науки – ПГ. Академик Л.С. Лейбензон был создателем «Подземной гидравлики» и как учебной дисциплины, курс которой впервые читался им в Московской горной академии в 1927 – 1928 гг. Развитие нефтегазовой подземной гидромеханики в нашей стране связано с именем многочисленных учеников академика Л.С. Лейбензона. Выдающейся вклад в развитие теории фильтрации в нефтегазоводоносных пластах внесли академик С.А. Христианович, профессор Б.Б. Лапук, И.А. Чарный, В.Н. Щелкачев. Написанные ими монографии и учебники стали классическими и основополагающими. Теория фильтрации. Скорость фильтрации и ее связь со скоростью движения. Под пористой средой следует понимать материальное тело, содержащее в себе пустоты в виде мельчайших пор, трещин, каверн, карстовых образований (множество твердых частиц, тесно прилегающих друг к другу, сцементированных или не сцементированных, пространство между которыми (поры, трещины) может быть заполнено жидкостью или газом). Поры могут быть сообщающимися и не сообщающимися. Пористые материалы по их структуре разделяют на неупорядоченные (естественные пористые среды) и упорядоченные (фиктивный и идеальный грунты) Фиктивный грунт – грунт (система), составленный из шариков одинакового диаметра при правильной упаковке. Идеальный грунт — система цилиндрических поровых каналов одинакового диаметра и параллельных друг другу. При изучении микродвижения жидкости в пористой среде пользуются понятием средней истинной скорости движения жидкости Площадь фильтрации - суммарная площадь пустот и зерен, находящихся в данном поперечном сечении. При изучении общей картины движения жидкости в пористых средах пользуются понятием скорости фильтрации – v. Скорость фильтрации - это такая воображаемая скорость, с которой двигалась бы жидкость между кровлей и подошвой пласта, если бы самой пористой среды не было. Линейный закон фильтрации Дарси. Основное соотношение теории фильтрации – закон фильтрации – устанавливает связь между вектором скорости фильтрации и тем полем давления, которое вызывает фильтрацион¬ное течение. Н1 и Н2 – полные напоры на входе и выходе образца породы (модели пласта), ∆Н = Н1 – Н2 – потери напора. k ф – характеризует расход потока через единицу площади сечения, пер-пендикулярного к потоку, под действием единичного градиента напора. Рис. 1. Схема пермеаметра Скорость фильтрации Границы применимости закона Дарси. Нелинейные законы фильтрации. Обобщенный закон Дарси. 2) Закон Дарси для течения в пористой среде однородной жидкости мож-но распространить на случай совместного течения двух несмешивающихся жидкостей, обобщив понятия проницаемости. Для этого введем дополнитель-ные понятия. 1) Скорость фильтрации i-той фазы ; 2) Насыщенность порового пространства i-той фазой ; - насыщенности соответственно смачивающей и несмачивающей фаз. 3) k1*, k2* - относительные фазовые проницаемости k – абсолютная проницаемость пористой среды (определяется при филь-трации однородной жидкости) Введенные выше понятия можно обобщить на случай совместного течения трех несмешивающихся флюидов (нефти, газа и воды), при этом фазовые проницаемости являются функциями двух независимых насыщенностей. Дифференциальные уравнения фильтрации жидкостей и газов в пористой среде (основные понятия, определение краевой задачи ПГ). Задачи неустановившейся фильтрации жидкостей и газов в пористой среде решаются методами математической физики. Для этого составляются и решаются (т.е. интегрируются) дифференциальные уравнения. Обычно дифференциальные уравнения составляются по отношению к бесконечно малому элементу пористой среды и рассматриваются изменения, происходящие в этом элементе за бесконечно малый интервал времени. В большинстве случаев эти уравнения оказываются уравнениями в частных про-изводных. Решение их не всегда возможно. Но и в этом случае они представляют интерес, т.к. из них удается получить безразмерные критерии подобия и найти сходство с другими изученными явлениями (моделировать рассматриваемый процесс другим менее сложным). Вывод дифференциальных уравнений начинается с установления числа неизвестных функций, характеризующих изучаемый процесс. Число уравнений в системе (дифференциальных или конечных) должно равняется числу не-известных функций (замкнутая система). В общем случае при фильтрации жидкости в пористой среде таких неизвестных функций оказывается 8: 1) P=P(x, y, z, t) 2) υx= υx(x, y, z, t) 3) υy= υy(x, y, z, t) 4) υz= υz(x, y, z, t) 5) k=k(x, y, z, t) 6) m=m(x, y, z, t) 7) μ=μ(x, y, z, t) 8) ρ=ρ(x, y, z, t) В систему уравнений для определения переменных параметров фильтра-ционного потока входят следующие уравнения: 1) уравнение неразрывности (сплошности); 2) уравнения движения (в трех проекциях); 3) уравнения состояния пористой среды и флюидов. Совокупность названных дифференциальных уравнений, начальных и граничных (краевых) условий составляет задачу математической физики (кра-евую задачу). Уравнение неразрывности (сплошности) фильтрационного потока. Оно выражает баланс массы жидкости (сжимаемой) в пределах постоян-ного элементарного объема, выделенного внутри пористой среды. Уравнение неразрывности (сплошности) для неустановившейся филь-трации сжимаемой жидкости в сжимаемом пласте имеет следующий вид: где ρυx, ρυy, ρυz – составляющие вектора массовой скорости фильтрации; Для установившейся фильтрации уравнение неразрывности записывается в следующем виде: Если фильтруется несжимаемая жидкость (ρ=const) в недеформируемом пласте (m=const), то для установившейся фильтрации будем иметь: Или в укороченной записи через оператор Гамильтона: Дифференциальные уравнения движения флюидов в пористой среде. Линейный закон фильтрации Дарси где grad P* – вектор, имеющий в данной точке направление быстрейшего воз-растания величины приведенного давления Р*. Последуем идее разложения фильтрационного потока на 3 составляющих течения вдоль координатных осей Х, Y и Z, которая была использована при выводе уравнения неразрывности (при z=0, р*= р).
Введем понятие потенциальная функция течения Ф (потенциал скорости фильтрации): , тогда . Подставив проекции вектора массовой скорости фильтрации в уравнение неразрывности, получим его в новом виде: Уравнения состояния жидкостей, газов и пористой среды. Выведенные выше дифференциальные уравнения содержат такие пара-метры, как k, m, ρ , μ . Для дальнейших расчетов надо знать зависимость этих параметров от давления Р. При изотермическом процессе фильтрации такая за-висимость, выражающая состояние жидкости, газа (или их смеси) и пла-ста, называется уравнением состояния. Рассмотрим уравнения состояния для жидкостей, газов и пористых сред. А) для жидкостей. Для больших изменений давления от начального значения P0 до текущего значения P плотность жидкости определяется по формуле: ρ = ρо• e βж (Р–Ро) где βж – коэффициент объемного сжатия жидкости (коэффициент сжима-емости). При определении плотности жидкости для малых изменений давления Р пользуются следующей формулой: ρ = ρо• (1+βж (Р–Ро) . На вязкость нефти μ большое влияние оказывает to. Эксперименты пока-зывают, что с повышением давления Р (при Р>Рнас) μ нефти увеличивается: – зависимость для больших изменений Р (до 100 МПа), – для малых изменений Р. Здесь μ 0 – вязкость при фиксированном давлении Р0, αμ – эксперимен-тальный коэффициент, зависящий от состава нефти. Б) для газов. Природные газы можно считать идеальными (совершенными), если пла-стовые давления газовых месторождений невелики (до 6 – 9 МПа) и газ отби-рается при депрессии на пласт до 1 МПа. Зависимость z(Р) при постоянной температуре можно считать экспонен-циальной при больших изменениях давления: и линейной при малых изменениях давления: где z0 – коэффициент сверхсжимаемости при Р0. Зависимость μ =μ (Р) для газов можно представить аналогично для жид-кости. В) для пористых сред. При малых изменениях Р уравнение состояния пористой среды где m0 – коэффициент пористости при Р0. При значительных изменениях давления Р изменение пористости описы-вается уравнением Экспериментально установлено, что не только пористость, но и проница-емость существенно изменяются с изменением пластового давления, причем часто проницаемость значительнее, чем пористость. При малых изменениях давления Р эту зависимость можно принять линейной: , а при больших – экспоненциальной: . В трещиноватых пластах проницаемость изменяется в зависимости от давления более интенсивно, чем в пористых. Поэтому в трещиноватых пластах учет зависимости k(Р) более необходим, чем в гранулярных. Дифференциальные уравнения установившейся фильтрации несжимаемой жидкости по закону Дарси. Краевые задачи ПГ (определение и порядок решения). Упрощения и допущения, принятые при решении задач ПГ. Численный подход к математической обработке результатов измерений, полученных при эксплуатации нефтяной скважины, основан на применении теории обратных задач математической физики и хорошо зарекомендовал себя при решении ряда задач. |