- •К.О. Каширина подземная гидромеханика Тюмень – 2010
- •Каширина к.О. Подземная гидромеханика. Учебник – Тюмень: ТюмГнгу, 2010. – с.
- •Предисловие
- •Плоские задачи теории фильтрации
- •Физические основы теории фильтрации, основные понятия. Закон дарси
- •Геометрические характеристики пористой среды
- •1.2. Скорость фильтрации. Истинная или действительная средняя скорость движения частицы
- •1.3. Линейный закон фильтрации Дарси. Коэффициенты фильтрации и проницаемости
- •Тока переменного сечения
- •Соотношения между метрическими единицами и единицами Si
- •1.4. Нарушение линейного закона фильтрации при больших и малых скоростях. Пределы применимости закона Дарси
- •Критических чисел Рейнольдса
- •1.5. Дифференциальные уравнения теории установившейся фильтрации однородно жидкости
- •2. Установившееся движение несжимаемой жидкости в недеформируемой пористой среде. Приток к стоку и источнику на плоскости и в пространстве
- •2.1. Напорный приток к дренажной галерее. Время движения частиц
- •2.2. Плоскорадиальное движение. Приток к совершенной скважине, расположенной в центре кругового пласта
- •2.3. Время движения частицы жидкости, движущейся по радиусу от контура питания к скважине
- •Стоки и источники на плоскости
- •Стоки и источники в пространстве
- •2.6. Фильтрация неньютоновских жидкостей
- •От градиента скорости сдвига
- •3.Плоские задачи теории фильтрации
- •3.1. Связь теории функции комплексного переменного с плоской задачей теории фильтрации. Функция тока. Комплексный потенциал
- •3.2. Установившийся приток к группе совершенных скважин. Интерференция совершенных скважин
- •Неограниченной плоскости
- •Взаимодействии совершенных скважин
- •Прямолинейный контур питания
- •В пласте с прямолинейным контуром питания
- •Питания на дебит
- •Для полосообразной залежи
- •Для круговой залежи
- •Эллиптическом пласте
- •4. Установившееся движение однородной сжимаемой жидкости и газа по линейному и нелинейному законам фильтрации
- •4.1. Одномерное установившееся движение сжимаемой жидкости и газа в трубке тока переменного сечения. Функция Лейбензона
- •4.2. Стационарная фильтрация упругой капельной жидкости в недеформируемой пористой среде
- •4.3. Стационарная фильтрация газа
- •Несжимаемой жидкости и газа к галерее
- •Протоке несжимаемой жидкости и газа
- •И газа к совершенной скважине
- •Притока жидкости и газа к совершенной скважине
- •4.4. Индикаторные диаграммы для несжимаемой жидкости и для газа при линейном и нелинейном законах фильтрации
- •Исследований газовой скважины
- •5. Безнапорное движение жидкости в пористой среде
- •5.1. Особенности безнапорного движения
- •Перемычку при горизонтальном непроницаемом основании
- •Безнапорной фильтрации через прямоугольную перемычку
- •5.2. Гидравлическая теория безнапорного движения через прямоугольную перемычку на горизонтальном основании
- •5.3. Гидравлическая теория безнапорного притока к совершенной скважине
- •5.4. Дифференциальные уравнения гидравлической теории нестационарной безнапорной фильтрации
- •6. Задачи вытеснения одной жидкости другой. Фильтрация неоднородных жидкостей
- •6.1. Общие представления о продвижении краевых и подошвенных вод к нефтяным и газовым скважинам
- •6.2. Вытеснение нефти водой из трубки тока переменного сечения
- •Трубки тока переменного сечения
- •6.3. Прямолинейное движение границы раздела с постоянными толщиной, пористостью и проницаемостью пласта
- •6.4. Плоскорадиальное движение границы раздела с постоянными толщиной, пористостью и проницаемостью пласта
- •Границы раздела двух жидкостей
- •6.5. Кинематические условия на подвижной границе раздела. Характер движения водонефтяного контакта (внк) в наклонных пластах
- •6.6. О некоторых особенностях вытеснения газированной нефти водой и газа газированной нефтью при разработке нефтяных оторочек
- •6.7. Многофазная фильтрация. Упрощенные математические модели вытеснения одной жидкости другой
- •Проницаемостей при вытеснении нефти водой и газом
- •Насыщенностей в зоне вытеснения
- •Табулированные значения насыщенности на фронте вытеснения sф и средней насыщенности sср в зоне вытеснения как функции параметра m0 отношения вытесняющей жидкости к вытесняемой
- •Табулированные значения производной функции Бакли – Леверетта f1'(s)в зависимости от насыщенности вытесняющей жидкости s. Веснение нефти водой
- •При вытеснении нефти водой
- •6.15. Зависимость Kг/Kн от насыщенности sн при параметре sг
- •7. Неустановившаяся фильтрация однородной упругой жидкости
- •7.1. Основные положения упругого режима
- •7.2 Решение одномерных задач методом последовательной смены стационарных состояний
- •Жидкости к прямолинейной галерее.
- •7.3. Точные решения для притока упругой жидкости к прямолинейной галерее и к точечному стоку (источнику) на плоскости
- •Состояния (по в.Н. Щелкачеву)
- •Действующей с постоянным дебитом (по в.Н. Щелкачеву)
- •Литература
2.6. Фильтрация неньютоновских жидкостей
2.6.1. Зависимость коэффициента подвижности от градиента давления. Установлено, что нефти многих месторождений обладают структурно-механическими свойствами, т. е. являются неньютоновскими. Кроме того, исследования [9-11 и др.] показали, что процесс фильтрации воды в пористой среде с низкими значениями пористости и проницаемости, особенно с глинистым цементом, также подчиняется закономерностям фильтрации неньютоновских жидкостей.
Известно, что чем меньше размер поровых каналов, тем больше взаимодействие жидкости с пористой средой. Опыты показывают наличие двух критических или предельных (начальных) градиентов давления: первый (dP/dx)+ соответствует градиенту давления, при котором начинается движение нефти по самым большим поровым каналам и трещинам; при втором предельном градиенте (dP/dx)++ фильтрацией охватываются все основные поры пласта. Значения второго градиента давления колеблются в пределах от 0 до 0,01 МПа/м [11].
Чтобы происходил процесс фильтрации по единичным поровым каналам, необходим некоторый минимальный перепад давления DP+, который зависит от напряжения сдвига t0, длины пути l и диаметра поровых каналов 2r.
Для капилляра цилиндрической формы установлена зависимость [11]
(2.25)
Величины l и r в пористых средах изменяются в широких пределах. Фильтрация жидкости начинается в крупных порах, а затем, по мере увеличения перепада давления, фильтрацией охватываются все более мелкие поры. Таким образом, минимальный перепад или градиент давления сдвига, обеспечивающий начало фильтрации, зависит как от свойств жидкости так и от свойств поровых каналов. Если в отдельных прослоях залежи градиенты давления окажутся ниже градиентов давления сдвига, то притока нефти из таких пластов не будет. Значит нефть останется неизвлеченной. Поэтому изучение процессов фильтрации неньютоновских нефтей имеет весьма важное значение в нефтедобыче.
Зависимость проницаемости от градиента давления изучалась М.М. Кусаковым, П.А. Ребиндером, К.Е. Зинченко, Ф.А. Требиным и др. Было установлено, что нефтепроницаемость песков существенным образом зависит от величины градиента давления и особенно сильно зависит проницаемость для воды. При фильтрации воздуха и газа проницаемость породы при изменении градиента давления практически остается постоянной. Изучая экспериментальным путем зависимость кажущейся (структурной) вязкости асфальтено-смолистых нефтей от градиента давления, Я. Хорнеш [11] установил, что с увеличением последнего вязкость уменьшается и стремится к постоянному ее значению. Когда из проб нефтей были удалены асфальтены и смолистые соединения, значения вязкости в опытах оказались постоянными. Отсюда вытекает важный вывод, что существенная зависимость кажущейся вязкости нефти от градиента давления обусловлена в основном наличием в нефти асфальтено-смолистых соединений. Исследования Я. Хорнеша показали также практическое отсутствие начального градиента (dP/dх)+ и постепенное увеличение коэффициента подвижности нефти K/m при увеличении градиента давления (grad P) свыше второго предельного градиента давления (dP/dх)++.
Последние исследования в области фильтрации неньютоновских жидкостей позволяют утверждать, что нарушение линейного закона фильтрации, особенно при малых градиентах давления (скоростях), объясняется как комплексным взаимодействием свойств жидкостей (особенно асфальтено-смолистых), так и размерами и свойствами поровых каналов, т. е. правомернее связывать отклонение от линейного закона фильтрации с коэффициентом подвижности как функции градиента давления
, (2.26)
где K0/m0 – предельное значение коэффициента подвижности (при больших градиентах давления).
2.6.2. Некоторые модели фильтрации неньютоновских жидкостей. Рассмотрим две модели фильтрации неньютоновских жидкостей, созданные на основе результатов обработки экспериментальных данных. Для каждой модели предложены зависимости коэффициентов подвижности от градиентов давления.
Модель 1. В.А. Флорин [11] предложил следующую схему фильтрации воды в плотных глинах и тяжелых суглинках:
(2.27)
Здесь
i, i0 – текущий и предельный (начальный градиенты напора);
Н – напор;
К0 и m0 – коэффициенты проницаемости и вязкости при градиентах напора больше начального.
Для фильтрации глинистого раствора в пористой среде А.Х. Мирзаджанзаде предлагает [12] зависимость:
, (2.28)
где DР0 – перепад давления, затрачиваемый на преодоление напряжения сдвига глинистого раствора.
Для вязко-пластичной жидкости П.И. Султанов предложил соотношение [13]
. (2.29)
Таким образом, модель формируется соотношениями:
(2.30)
где
(2.31)
представляют текущий и начальный (предельный) градиенты давления.
Модель 2. В работах [9,11] показано, что фильтрация происходит и при очень малых градиентах давления, но значения коэффициентов подвижности при этом крайне низки. По опытным данным для фильтрации асфальтено-смолистых нефтей в разных пористых средах [14] получены графические зависимости (рис. 2.7, кривые 2, 3), которые аппроксимируются формулой (2.26), где
(2.32)
а) б)
Рис. 2.7. Зависимости коэффициента подвижности K/m (модели 1, 2, 3) от градиента давления dP/dx и характерные области фильтрации (I, II, III)
Эту зависимость можно распространить и на случай, когда имеется начальный градиент давления (см. рис. 2.7, кривая 4):
; . (2.33)
Здесь
а – безразмерная константа среды и жидкости;
b – размерная константа среды и жидкости с соответствующей размерностью.
Для коэффициента подвижности K/m в зависимости от изменения давления для кривой 4 на рис. 2.7б можно выделить три характерные зоны фильтрации. Первая область I ограничивается первым предельным (начальным) градиентом давления , соответствующим началу движения по самым большим порам. С увеличением градиента давления в процессе фильтрации вовлекаются более мелкие поры (область II), а при градиентах давления больше значения второго предельного градиента фильтрацией охватываются все основные поры пласта (область III). Таким образом имеем:
для области I
(2.34)
для области II
(2.35)
для области III
(2.36)
2.6.3. Причины, вызывающие нарушение линейного закона фильтрации. Нарушения линейности закона фильтрации могут быть вызваны в основном тремя причинами.
Первая — это влияние инерционных сил, приводящее к квадратичному закону сопротивления:
, (2.37)
где
m – коэффициент абсолютной вязкости жидкости или газа;
K – коэффициент проницаемости пласта;
r – плотность жидкости (газа);
l – характерный размер пористой среды, определяемый из экспериментальных или промысловых данных;
u – скорость фильтрации жидкости (газа).
Это явление достаточно хорошо изучено и установлено, что квадратичный член в уравнении (2.37) имеет существенное влияние при больших скоростях фильтрации, т. е. вблизи контура скважины в случае фильтрации жидкости. Для притока газа влияние инерционных сил будет еще более значительнее из-за высоких скоростей фильтрации, и область распространения нелинейности фильтрации будет гораздо больше.
Вторая возможная причина нарушения линейности закона фильтрации состоит в природе самой жидкости. Для модели вязкой жидкости Ньютона имеет место линейная связь между касательным напряжением сдвига частиц жидкости t и градиентом скорости сдвига т. е.
Здесь t и – мгновенные значения соответствующих величин. Если указанное условие) не выполняется, то жидкость называется неньютоновской или нелинейно-вязкой. Для последней хорошо известна реологическая модель вязко-пластической жидкости (жидкости Бингама-Шведова), в которой мгновенные значения t и связаны между собой однозначной нелинейной зависимостью (рис. 2.8):
(2.38)
Рис. 2.8. Зависимость касательных напряжений t