1.2 Основний закон фільтрації – закон Дарсі
1856 року французький інженер Анрі Дарсі опублікував результати дослідів з фільтрації води в піску (рис. 1.1). Він експериментально встановив основний закон фільтрації, відомий сьогодні під назвою закону Дарсі, або лінійного закону фільтрації: об’ємна витрата рідини через породу прямо пропорційна втраті напору H на довжині l і площі фільтрації F, тобто
(1.6)
де kф – коефіцієнт фільтрації.
Оскільки (гідравлічний похил),то рівняння (1.6) можна записати так:
, (1.7)
тобто коефіцієнт фільтрації має розмірність швидкості ( [kф] = [v] ).
Як відомо, напір для нестисливої рідини
, (1.8)
або, нехтуючи швидкісним напором (швидкості руху рідини сягають 10-5 - 10-4 м/с),
, (1.9)
де z – геометрична висота положення розглядуваної точки; –п’єзометрична висота; p – тиск; – густина рідини; g – прискорення вільного падіння; –швидкісний напір.
Від напору завжди можна перейти до тиску:
(1.10)
де p* – зведений тиск, тобто зведений до певної геометричної відмітки. Надалі під тиском розумітимемо зведений тиск, опускаючи для простоти запису зірочку. Тоді закон Дарсі набере вигляду:
, (1.11)
або в символах диференціального числення (за граничного переходу
, (1.12)
де ––градієнт тиску (–grad p). Знак “–” вказує на те, що прирости тиску p та довжини l протилежні (зі збільшенням довжини Δl тиск p зменшується), причому напрями швидкості v і падіння тиску p збігаються.
Із рівняння (1.12) випливає, що швидкість фільтрації v лінійно залежить від градієнта тиску grad p, тобто закон Дарсі є лінійним законом фільтрації.
Оскільки закон Дарсі встановлений експериментально, то багато вчених намагалися обгрунтувати його теоретично, беручи різні моделі пористого середовища, зокрема грунти ідеальний (набір паралельних капілярних трубок) і фіктивний (насипний об’єм однорозмірних сферичних кульок). Узагальнюючи вирази різних теоретичних формул Сліхтера, Козені, Терцагі та інших Л.С. Лейбензон вивів рівняння:
, (1.13)
де dеф – ефективний діаметр частинок (діаметр частинок еквівалентного фіктивного грунту, гідравлічний опір якого дорівнює гідравлічному опору реальної породи); Sl (m, ε) – число Сліхтера (безрозмірне), назване так Л.С. Лейбензоном, як функція коефіцієнта пористості m і структури порового простору ε (під структурою порового простору розуміють форму й розмір окремих пор, їх кількісне співвідношення і сполучуваність), причому в різних авторів залежно від взятої моделі для нього одержано різні вирази; μ – динамічний коефіцієнт в’язкості рідини (часто кажуть просто динамічна в’язкість).
Порівнюючи формули (1.11) і (1.13), встановлюємо, що
, (1.14)
тобто коефіцієнт фільтрації kф залежить як від характеристики пористого середовища, так і від властивостей рідини, що фільтрується.
Записані вище вирази закону Дарсі, в які входить коефіцієнт фільтрації kф, використовують у гідротехніці, де мають справу тільки з однією рідиною – водою. У нафтогазовій механіці, оскільки властивості різних нафт різні, необхідно окремо виділити властивості породи та рідини. 1929 року П.Г. Нуттінг ввів поняття коефіцієнта проникності
, (1.15)
тоді закон Дарсі набув форму, що використовується в нафтогазовій механіці й нафтогазопромисловій справі:
(1.16)
або
, (1.17)
а зв’язок між коефіцієнтами фільтрації kф і проникності k:
. (1.18)
Проникність – це здатність породи пропускати крізь себе рідину чи газ під дією перепаду тиску. Вона характеризується коефіцієнтом проникності k (часто кажуть просто проникність). Проте формула (1.15) для визначення k є символічною. Цей коефіцієнт визначають експериментально, з допомогою спеціального приладу – пермеаметра, що містить взірець породи, виходячи із закону Дарсі:
, (1.19)
тобто
(1.20)
або шляхом промислового гідрогазодинамічного дослідження свердловин (див. дальше).
Із (1.20) випливає, що коефіцієнт проникності k має розмірність площі, в міжнародній системі одиниць (SI) [k] = м2. Фізично це можна розуміти як площу поперечного перерізу, через який маємо рух рідини. У нафтогазопромисловій літературі, яка видрукована в минулі роки, коефіцієнт проникності k визначається одиницею дарсі: 1Д = м2 1 мкм2 (тисячна частка дарсі називається мілідарсі). Коефіцієнт проникності нафтогазовмісних порід змінюється в основному від 10-3 мкм2 до 1 мкм2 (для великозернистих піщаників 1 – 0,1 мкм2, для щільних піщаників 0,01 ‑ 0,001 мкм2). Проникність визначає витрату рідини чи газу через пористе тіло.
Задача 1.1. На скільки збільшиться чи зменшиться коефіцієнт фільтрації в разі фільтрації нафти манявського покладу Долинського родовища через керн, якщо за даними лабораторного дослідження під час фільтрації води з густиною ρв= 1000 кг/м3 і динамічним коефіцієнтом в’язкості μв = 1 мПа∙с коефіцієнт проникності k = 0,075∙10-12 м2. Густина нафти ρн= 674 кг/м3, а динамічний коефіцієнт в’язкості μн= 0,9 мПа∙с (за пластових умов).
Розв’язування. Визначаємо коефіцієнт фільтрації під час фільтрації води через керн:
м/с.
Визначаємо коефіцієнт фільтрації під час фільтрації нафти:
м/с.
Визначаємо на скільки відсотків зменшився коефіцієнт фільтрації:
%.
Відповідь: під час фільтрації нафти через керн коефіцієнт фільтрації на 25,11% менший, ніж під час фільтрації води.
Прямої залежності між коефіцієнтами проникності і пористості порід не існує, але статистичні дані засвідчують, що більш проникні породи часто є і більш пористими, але це слід пов’язувати з літологічним типом порід (наприклад, глини іноді є високопористими, але практично непроникні для рідин і газів).
За статистичними даними доволі тісні кореляційні залежності між коефіцієнтами пористості m і проникності k встановлено такого вигляду:
(1.21)
або
, (1.22)
де a1, в1, c1, d1 – емпіричні коефіцієнти. Так, для девонських пісковиків Туймазинського родовища a1 = 8,94, в1 = 4,56, для вугленосних пісковиків Арланського і Ніколо-Березовського родовищ відповідно a1 = 11,53, в1 = 4,33 і a1 = 12,8, в1 = 3,66, а для каверно-пористих і пористих карбонатних порід Осташковицького родовища відповідно c1 = 6,63, d1 = 0,186 і c1 = 6,32, d1 = 0,19, де m вимірюється в %, а k – у мкм2.
Задача 1.2. У лабораторії провели дослідження керна з визначення його проникності. При цьому через керн здійснювали під надлишковим тиском 3,5 МПа фільтрацію води, об’єм якої у відкритій мензурці становив 0,65 л за кожні 60 хв досліду. Відомо: діаметр і довжина керна 2 і 5 см; динамічний коефіцієнт в’язкості води 1мПа∙с. Чому дорівнює коефіцієнт проникності керна?
Розв’язування. Визначаємо витрату води:
м3/с,
де V – об’єм води; t – час.
Визначаємо площу поперечного перерізу керна:
м2,
де d – діаметр керна.
Для визначення коефіцієнта проникності керна використовуємо закон Дарсі:
м2,
де μ – динамічний коефіцієнт в’язкості води; Δl – довжина керна; Δp – перепад тиску.
Відповідь: коефіцієнт проникності керна становить 0,00821 мкм2.