- •Кинематика сплошной среды
- •Элементы теории деформаций
- •Динамические величины и элементы теории напряжений
- •Раздел 2. (4) Уравнения механики сплошных сред
- •§ 1. Уравнение неразрывности
- •§ 2. Уравнения движения и равновесия
- •§ 3. Уравнения состояния (математические модели)
- •Раздел 2. (4) Уравнения механики сплошных сред
- •§ 1. Уравнение неразрывности
- •§ 2. Уравнения движения и равновесия
- •§ 3. Уравнения состояния (математические модели)
- •§ 4. Уравнения состояния гидромеханики
- •§ 5. Основные уравнения теории фильтрации
- •§ 6. Мгновенные уравнения состояния и критерии прочности
- •§ 7. Временные уравнения состояния и критерии длительной прочности
- •§ 8. Общая система уравнений механики деформируемого твердого тела
- •Раздел 3. Основные задачи механики сплошных сред в бурении задачи гидромеханики в бурении
- •§ 1. Базовые задачи гидродинамики при промывке и цементировании скважин
- •§ 2. Ламинарное и турбулентное течение жидкостей в щелевом канале
- •§ 3. Ламинарное и турбулентное течение жидкостей в кольцевом канале
- •§ 4. Задачи фильтрации при строительстве скважин
- •§ 5. Общие задачи механики деформируемого твердого тела в бурении
§ 5. Основные уравнения теории фильтрации
На различных этапах строительства скважины возникает необходимость в решении задач, связанных с оттоком жидкости из скважины и притоком ее в скважину из пласта. Здесь основное значение имеют закономерности движения жидкости в пласте, основанные на решении соответствующих граничных задач теории фильтрации.
Фильтрацией называют движение под действием перепада давления жидкостей, газов и их смесей в твердом теле, пронизанном системой сообщающихся между собой пустот (поры, трещины), благодаря которым оно проницаемо.
Многие осадочные горные породы – типичные представители таких тел.
Все основные уравнения гидродинамики справедливы и при описании движения жидкости в проницаемых телах.
Однако особенность строения этих тел, нерегулярность и случайность их свободного пространства не позволяют изучать движение жидкости в них обычными методами гидродинамики, т. е. путем решения граничных задач для областей, представляющих собой совокупность пор и трещин. К счастью, в этом нет необходимости, так как практический интерес представляют не микрохарактеристики движения жидкости в объеме пор, а некоторые осредненные макрохарактеристики движения жидкости в объеме, значительно превосходящем объем пор и трещин.
Теория фильтрации строится на представлении о том, что проницаемое тело и заполняющая его жидкость или (и) газ образуют двух- или трехфазную сплошную среду с непрерывным распределением фаз. Выводы теории фильтрации справедливы для объемов, содержащих большое число пор, трещин и твердых частиц.
Объектом изучения в теории фильтрации является движущаяся жидкость (газ, смесь), а скелет тела – средой, в которой это движение происходит.
Основная характеристика фильтрационного движения – вектор скорости фильтрации
|
(2.28) |
где
– компоненты скорости фильтрации;
– расход жидкости через элементарные
площадки
,
проходящие через некоторую точку
среды
перпендикулярно к соответствующим
координатным осям. Если через точку
проведена
произвольно ориентированная площадка
,
то проекция вектора
на нормаль к площадке
равна
|
(2.29) |
где
– направляющие косинусы к нормали
;
– расход жидкости через площадку
.
Подчеркнем,
что расходы в формулах (2.28) и (2.29) делятся
на полную площадь
,
а не на ее часть, занятую жидкостью.
Поэтому величина скорости фильтрации
не равна истинной скорости движения
жидкости
,
они связаны соотношением
|
|
где
– активная, или динамическая, пористость;
и
– соответственно элементарный объем
среды и ее части, занятых подвижной
жидкостью.
Горные породы, слагающие проницаемые пласты, характеризуются, как правило, сложной структурой флюидосодержащего пространства. Помимо пор они могут обладать развитой системой микро- и макротрещин. В зависимости от степени влияния трещин на фильтрацию жидкости принято различать пористые, трещиноватые и трещиновато-пористые породы.
Каждая
из этих пород описывается некоторым
конечным набором осредненных геометрических
характеристик. Важнейшими из них являются
пористость
и, аналогично, трещинная пористость
.
Для пористых пород зависит от формы, размеров и взаимного расположения твердых частиц. Из чисто геометрического рассмотрения фиктивного грунта, состоящего из одинаковых шарообразных частиц, Слихтер установил, что не зависит от их диаметра, а зависит только от их упаковки. Эта теоретическая пористость укладывается в диапазоне 0,26 – 0,47. Диапазон изменения пористости реальных тел намного шире.
Наряду
с пористостью для описания пористого
тела используют: просветность
,
эффективные диаметры
частиц
и пор
.
Просветностью называется отношение
площади пор ко всей площади сечения,
проведенную через данную точку тела.
Диапазон изменения теоретической
просветности, по Слихтеру, равен 0,093 –
0,214. Параметры
и
определяются по анализу фракционного
состава частиц или микроструктуры пор
и их кривых распределения.
Основными геометрическими параметрами трещиноватости являются: - раскрытие трещин – расстояние между стенками;
- объемная плотность трещиноватости – отношение площади поверхности всех трещин в некотором элементарном объеме к величине этого объема;
- поверхностная плотность трещиноватости – отношение суммы длин следов трещин, выходящих на элементарную площадку, к величине площади последней;
- густота трещин - отношение количества трещин, секущих нормаль плоскостей, к элементу длины этой нормали;
- ориентация трещин в пространстве.
Пористые и трещиноватые породы с хаотичным, бессистемным распределением пор или трещин характеризуются изотропией фильтрационных свойств, в то время как породы с упорядоченной системой (большинство трещинных коллекторов) обладают ярко выраженной анизотропией.
Особенностью фильтрации в трещиновато-пористых породах является то, что закономерности фильтрации в порах и трещинах могут существенно отличаться.
Все
это находит отражение в основном
соотношении
теории фильтрации – законе
фильтрации,
который устанавливает связь между
вектором скорости
и
полем давления
.
Существуют по крайней мере три основных фактора, которые влияют на характер (линейный, нелинейный) закона фильтрации:
режим фильтрации (ламинарный, турбулентный),
реологические свойства (ньютоновская, неньютоновская) и
однородность жидкости.
Линейные уравнения и граничные задачи фильтрации.
1. При ламинарной фильтрации ньютоновских однородных жидкостей в изотропной среде справедлив экспериментально установленный линейный закон фильтрации Дарси
|
(2.30) |
Или в проекциях на оси декартовой системы координат
|
|
где
называется коэффициентом
проницаемости,
или просто проницаемостью.
Проницаемость имеет размерность площади. Она не зависит от свойств жидкости, является чисто геометрической характеристикой пористой среды.
В практике принято проницаемость измерять в мкм2. Среда имеет проницаемость 1 мкм2 если при градиенте давления 10 МПа/м через площадку 10-4 м2 расход жидкости, вязкость которой 10-3 Па.с, составляет 10-6 м3/с, т. е. 1мкм2 = 10-12 м2.
Проницаемость определяется геометрией порового пространства. Известно множество попыток установить аналитическую зависимость между проницаемостью, пористостью, размером, формой и упаковкой частиц.
Для фиктивного грунта Слихтер нашел, что теоретическая проницаемость
|
|
а Козени получил
|
|
Эти формулы полезны при изучении закономерностей фильтрации только в искусственных пористых телах. Для реальных тел достоверные результаты можно получить лишь по данным измерений расхода и перепада давления в лабораторных условиях на керновом материале или при натуральных испытаниях пластов с последующей интерпретацией полученных результатов.
Закон фильтрации (2.30) – это упрощенная форма уравнений движения
|
|
неразрывности движения или сохранения массы
|
|
и механического состояния
|
|
в
которых отброшены силы инерции
,
а сумма сил
заменена силами трения Ньютона
.
Тогда отпадает надобность в уравнениях
состояния (2.24).
|
|
Имеем симметричный девиатор напряжений
Принимается, что при небольших изменениях порового давления пористость и проницаемость среды, а также плотность жидкости линейно зависят от , т. е.
|
(2.31) |
где
,
и
– соответственно пористость, проницаемость
и плотность при начальном давлении
;
и
– соответственно модули объемной
упругости скелета и жидкости. Кроме
того, принимаем, что
.
К
уравнениям (2.30 и (2.31) необходимо
присоединить еще уравнение неразрывности
движения жидкости (2.22), которое в силу
неполного, равного
,
заполнения элементарного объема
сплошной среды принимает вид
|
(2.32) |
Уравнения
(2.30) – (2.32) образуют, таким образом,
замкнутую систему для определения
функций
,
,
и
.
Но если подставить уравнения (2.30) и
(2.31) в (2.32) и учесть, что в реальных
ситуациях величины
и
много меньше единицы, то отбросив малые
величины высших порядков, получим одно
основное классическое уравнение теории
фильтрации
|
(2.33)
|
где
– коэффициент
пьезопроводности
среды;
– приведенный модуль объемной упругости
среды;
– оператор Лапласа. Пьезопроводность
имеет размерность м2/с.
Если
,
то уравнение (2.33) описывает нестационарное
поле давления при упругом режиме
фильтрации. При
имеем уравнение Лапласа
|
(2.34) |
которое
характеризует неупругий (жесткий) режим
фильтрации и, следовательно, стационарное
поле давления. Это же уравнение имеет
место при
,
т. е. при установившемся режиме
фильтрации.
Для
однозначного определения поля давления
в заданной области
,
ограниченной поверхностью
,
необходимо и достаточно, чтобы решение
уравнения (2.33) удовлетворяло начальному
условию (при
)
|
(2.35) |
и
при
граничным условиям:
если
на поверхности
(или ее части) задано давление
,
то
|
(2.36) |
если задана нормальная составляющая скорости фильтрации, то
|
(2.37) |
если поверхность покрыта тонкой слабопроницаемой перемычкой (например, глинистая корка на стенке скважины), то
|
(2.38) |
где
– характерный линейный размер;
– коэффициент поверхностного
фильтрационного сопротивления, получивший
название параметр «скин-эффекта».
Ясно, что для уравнения (2.34) начальное условие (2.35) смысла не имеет, а граничные условия вида (2.36) – (2.38) сохраняются.
2. Для анизотропной среды, когда проницаемость зависит от направления, имеет место обобщенный закон Дарси
|
(2.39) |
где
– тензор проницаемости.
Если воспользоваться системой координат, оси которой совпадают с главными осями тензора , то уравнение (2.39) в проекциях на оси декартовой системы координат перепишется в виде
|
(2.40) |
где
– проницаемости вдоль главных осей
анизотропии. При этом проекция скорости
фильтрации на нормаль к элементарной
площадке вычисляется по формуле
|
(2.41) |
Подставляя (2.40) в (2.32) получим уравнение при установившейся фильтрации
|
(2.42) |
Учитывая (2.41), усложняются и граничные условия вида (2.37) и (2.38).
Однако граничную задачу, связанную с уравнением (2.42), легко свести к граничной задаче, связанной с уравнением Лапласа (2.34), если вести следующую замену переменных:
для пространства
|
|
для плоскости
|
(2.43) |
где
– новые координаты.
Это
означает геометрическое преобразование
анизотропной области
в некоторую изотропную область
,
проницаемость которой
|
(2.44) |
При
этом граница
области
преобразуется в границу
области
.
Например, область, ограниченная
окружностью
|
(2.45) |
преобразуется согласно (2.42) в область, ограниченную эллипсом
|
(2.46) |
или в параметрическом виде
|
|
где
,
- полуоси элипса
Для
области
имеем уравнение Лапласа
|
|
решение которого должно удовлетворять заданному граничному условию на окружности (2.45) для соответствующих точек эллипса (2.46).
3.
При изучении закономерностей фильтрации
жидкости в трещиновато-пористых
пластах горная порода рассматривается
как сплошная однородная и изотропная
среда, в любой точке которой имеют место
двойная пористость
,
проницаемость
,
скорость фильтрации
и давление
,
связанные законом Дарси
|
(2.47) |
и уравнениями неразрывности
|
(2.48)
|
где индексами 1 и 2 обозначены величины, характеризующие соответственно систему трещин и пор;
|
(2.49) |
– интенсивность
перетока жидкости между этими системами;
– новая безразмерная величина,
характеризующая данную среду.
При
этом пористости
и
являются функциями обоих давлений, т.е.
|
(2.50) |
Однако во многих случаях систему уравнений (2.47) – (2.48) можно упростить, если исходить из следующих условий:
объем, занимаемый трещинами, много меньше объема пор, т.е. допустимо принять
;
изменение пористости происходит в основном за счет изменения порового давления
и поэтому при небольших изменениях
этого давления
|
(2.51) |
проницаемость
,
т.е. фильтрацией в порах можно пренебречь
;жидкость слабосжимаема так что
|
(2.52) |
где
или
в зависимости от того, рассматривается
жидкость в трещинах или в порах;
вязкость жидкости .
Физическая сущность перечисленных допущений состоит в том, что в системе трещины – поры рассматривается фильтрация жидкости по трещинам в условиях интенсивного массобмена с жидкостью, находящейся в упругом деформированном поровом пространстве.
В результате принятых упрощений уравнения (2.48) примут вид
|
|
Подставляя сюда соотношения (2.47), (2.49), (2.51), (2.52) и отбрасывая малые величины высших порядков, получим
|
(2.53) |
где
– специфическая характеристика
трещиновато-пористой среды;
– своеобразная пьезопроводность среды.
Параметр
имеет размерность площади, и для реальных
пород его порядок может изменяться в
широких пределах – от 10-1
до 106
м2.
Легко заметить, что путем исключения одного из давлений система уравнений (2.53) сводится к одному уравнению
|
(2.54) |
где
– параметр, называемый временем
запаздывания.
Это
уравнение отличается от классического
уравнения (2.33) слагаемым, содержащим
параметр
.
В пределе, когда
,
среда с двойной пористостью переходит
в чисто пористую и уравнения (2.54) и (2.33)
совпадают.
При
жестком режиме фильтрации
или при установившейся фильтрации
уравнение (2.54) обращается в уравнение
Лапласа (2.34).
Следовательно,
ставить задачу о фильтрации жидкости
в трещиновато-пористой среде имеет
смысл при
.
Начальное
и граничные условия, которые необходимо
присоединить к уравнению (2.54), обладают
некоторой особенностью. Прежде всего
ясно, что граничную задачу, связанную
с уравнением (2.54) следует рассматривать
относительно одного из давлений –
или
.
Если
начальные условия
и
удовлетворяют первому уравнению (2.53),
то задачу целесообразно решать
относительно давления
,
принимая начальные и граничные условия
в виде выражений (2.35) – (2.38). После
определения давления
вычисляют поровое давление
.
В
противном случае задачу следует решать
относительно давления
.
Но здесь имеет место определенная
специфика в задании граничных условий.
Если
начальное распределение давления
согласовано с граничными условиями
вида
|
(2.55) |
при
,
то в таком виде граничная задача и
рассматривается.
Но
если же согласования нет, то к правым
частям соответствующих граничных
условий необходимо прибавить слагаемое
, где
– невязка существующего граничного
условия:
|
(2.56) |
Это
свидетельствует о том, что заданный
скачок граничных условий в порах
трещиновато-пористой среды не уничтожается
мгновенно, как в обычной пористой среде,
а убывает по закону
.
Такое качественное отличие – результат
принятого упрощения пренебрежения
фильтрацией жидкости в порах, где
давление изменяется только благодаря
массообмену с жидкостью в трещинах.
Аналогично, предположение о жестком
характере фильтрации жидкости в трещинах
приводит к указанной выше проверке
начальных распределений давлений
и
.
После
решения граничной задачи относительно
порового давления
распределение давления
в трещинах определяется по формуле
а скорости фильтрации относительно
какой–либо поверхности – по формуле
НРКзс-10 (16-02-12)
4. При изучении фильтрации газа основное значение имеет его высокая сжимаемость, которая на несколько порядков выше сжимаемости пористой среды.
Поэтому в уравнении неразрывности (2.32) пренебрегают изменением пористости во времени и представляют это уравнение в виде
|
(2.57) |
К этому уравнению необходимо присоединить уравнение состояния газа
|
|
и закон фильтрации, который при небольшой скорости фильтрации имеет вид закона Дарси
|
(2.58) |
где
в общем случае
;
-
температура.
В
простейшем случае газ можно считать
термодинамически идеальным, находящемся
при постоянной температуре
с
вязкостью µ=const
и плотностью
|
(2.59) |
где
- постоянные величины.
Подстановка (2.58) и (2.59) в (2.57) дает основное нелинейное уравнение теории фильтрации газа
|
(2.60) |
которое впервые было получено Л. С. Лейбензоном в 1930г.
Наиболее известный приближенный метод решения этого уравнения основан на линеаризации, по Л. С. Лейбензону, который состоит в том, что левую часть уравнения умножают на , а правую – на некоторое характерное давление , например давление в невозмущенной части пласта.
Тогда вместо (2.60) необходимо решить линейное уравнение
|
(2.61) |
которое
аналогично уравнению (2.33), где
.
Следовательно, все соотношения, полученные
до сих пор для жидкости, могут быть в
первом приближении использованы и при
изучении фильтрации газа, если заменить
в них
на
,
на
.
5.
Экспериментально установлено, что
иногда линейный закон фильтрации
жидкости (2.58) нарушается и зависимость
между
и
принимает вид выпуклой или вогнутой
кривой, как показано на рис. 11.
Основные причины проявления нелинейных эффектов следующие:
высокая скорость фильтрации, когда параметр Рейнольдса
превышает критическое значение
(зависимость изображена кривой 1 на
рис. 11);ламинарная фильтрация жидкостей с неньютоновскими свойствами (кривая 2);
малая скорость фильтрации в слабопроницаемых и неоднородных пластах (кривая 2).
Предложены различные аппроксимации нелинейных зависимостей. Например, кривая 1 чаще всего описывается двучленным законом фильтрации
|
(2.62) |
а кривая 2 – законом фильтрыции с предельным градиентом
|
(2.63) |
где,
по данным Е. М. Минского,
,
а, по данным Б. И. Султанова,
;
-
эффективный диаметр пор;
-
предельное напряжение сдвига.
В общем случае к обоим типам кривых применимы степенная и кусочно-линейная аппроксимации
|
(2.64) |
|
(2.65) |
которыми
удобно пользоваться при расчетах. Здесь
- параметры модели;
- характерное значение градиента
давления;
- безразмерная функция, описывающая
ломаную линию (см. рис. 11).
Рис. 11. Возможные виды нелинейного закона фильтрации

,
.
,