К.С. Басниев, А.М. Власов, И.Н. Кочина, В.М. Максимов - Подземная гидравлика (1132331), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Природные жидкости (нефть, газ, подземные воды) находятся в основном в пустотах — порах и трещинах осадочных горных пород. Их движение происходит либо вследствие естественных процессов (миграция углеводородов), либо в результате деятельности человека, свя. занной с извлечением полезных ископаемых и эксплуатацией гидротехнических сооружений. Движение жидкостей, газов и их смесей через твердые тела (вообще насыщенного песчаника говоря, деформируемые) по связанным меж- ду собой порам или трещинам называется фильтрацией.

Теория фильтрации, являющаяся разделом механики сплошных сред, получила большое развитие в связи с потребностями гидротехники, гидромелиорации, гидрогеологии, горного дела, нефтегазодобычи, химической технологии и т. д. Теоретической основой разработки нефтегазоводоносных пластов является нефтегазовая подземная гидромеханика, изучающая фильтрацию нефти, газа и воды в пористых и (или) трещиноватых горных породах. Движение флюидов в проницаемых толщах осадочных горных пород обусловливает особенности, существенно отличающие методы изучения нефтегазовой подземной гидромеханики не только от обычной гидродинамики (движение жидкостей в открытом пространстве), но и от способов исследования других процессов фильтрации (например, в химической технологии или гидротехнике).

Поровое пространство осадочных горных пород — сложная нерегулярная система сообщающихся межзеренных пустот, в которой трудно выделить отдельные поровые каналы (рис. 1.1). Размеры пор в песчаных породах составляют обычно единицы или десятки микрометров (мкм). Еще сложнее поровое пространство карбонатных пород (известняков, доломитов), которое характеризуется более неоднородной системой первичных пор, а также наличием трещин, каналов и каверн, возникших после образовании самой породы.

Строение нефтяных и газовых залежей осложняется значительной неоднородностью пород, слоистостью их строения, наличием тектонических нарушений (разрывов сплошности породы). Разведка месторождений, исследование пластов, извлечение нефти и газа осуществляются через отдельные скважины диаметром 100 — 200 мм, отстоящие друг от друга на сотни метров. Теорию фильтрации нефти и газа в природных пластах характеризуют следующие особенности. 1. Невозможность изучать движение флюидов в пластах прямыми обычными методами гидродинамики, т.

е. путем решения уравнений движения вязкой жидкости для области, представленной совокупностью всех пор. 2. Сочетание разных масштабов, определяемых различными характерными размерами, отличающимися на многие порядки; размером пор (единицы и десятки микрометров), диаметром скважин (десятки сантиметров), расстоянием между скважинами (сотни метров), протяженностью месторождений (десятки километров).

Масштаб неоднородности пластов вдоль и поперек их простирания может иметь практически любые значения. 3. Ограниченность и неточность сведений о строении и свойствах пластов и пластовых флюидов, не позволяющие построить однозначную модель пластовой залежи. Эти особенности приводят к формулировке основных модельных представлений и разработке методов подземной гидравлики, направленных прежде всего на установление качественных закономерностей процессов и на создание расчетных схем, мало чувствительных к точности исходных данных.

При этом познавательная и практическая ценность получаемых результатов в значительной степени определяется четкостью постановки расчетной задачи и глубиной предварительного анализа имеющихся данных. $2. ПОРИСТАЯ СРЕДА И ЕЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Под пористой средой подразумевается множество твердых частиц, тесно прилегающих друг к другу, сцементированных или несцементированных, пространство между которыми (поры, трещины) может быть заполнено жидкостью или газом. Поровое пространство природного пласта ввиду сложности и нерегулярности его структуры можно рассматривать как систему с большим числом однородных элементов, слабо связанных между собой. Из статистической физики известно, что такие системы могут быть описаны как некоторые сплошные среды, свойства которых не выражаются через свойства составляющих элементов, а являются усредненными характеристиками достаточно больших объемов среды.

Таким образом, в теории фильтрации, как и в гид- 7 родинамике, принимается, что пористая среда и насыщаюшие ее флюиды образуют сплошную среду, т. е. заполняют любой выделенный элементарный объем непрерывно. Это накладывает определенные ограничения на понятие элементарного объема порового пространства. Под элементарным объемом понимают объем, в котором заключено большое число пор и зерен, так что он достаточно велик по сравнению с размерами пор и зерен породы.

Для него вводятся локальные усредненные характеристики системы флюид — пористая среда. В применении к меньшим объемам выводы теории фильтрации становятся несправедливыми. Если объем пор при изменении давления жидкости в них- не изменяется, то такая пористая среда считается недеформируемой. Если же изменением объема порового пространства пренебречь нельзя, то такую пористую среду следует рассматривать как упругую. Плотные песчаники или известняки, перебитыемелкими трещинами, образуют трещиновато-пористую среду.

Одна из важнейших характеристик пористой среды — пористость, измеряемая коэффициентом пористости. Коэффициент пористости т есть отношение объема пор 1', в некотором элементе пористой среды ко всему объему Р данного элемента: т = )'„Я (1.1) Наряду с пористостью иногда вводится понятие просветности (площадной пористости), под которой понимается отношение площади просветов в, в некотором сечении пористой среды ко всей площади этого сечения ы. Просветность измеряется коэффициентом просвети ости (!.2) Можно доказать, что в данной точке пласта просветность ие зависит от выбора направления сечения и равна пористости (п =-- и). Коэффициент пористости одинаков для геометрически подобных сред; он не характеризует размеры пор и структуру порового пространства.

Поэтому для описания пористой среды необходимо ввести также некоторый характерный размер пороного пространства. Существуют различные равноценные способы определения этого размера. Естественно, например, за характерный размер принять некоторый средний размер порового канала й или отдельного зерна пористого скелета. Первые теоретические исследования порового пространства проводились с помощью идеализированных моделей грунта, называемых идеальным и фиктивным грунтами.

Под идеальным грунтом понимается модель пористой среды, поровые каналы которой представляют собой пучок тонких цилиндрических трубок (капилляров) с параллельными осями. Фиктивным грунтом называется модель пористой среды, состоящая из шариков одинакового диаметра. В конце прошлого столетия американский гидрогеолог 8 Ч. Слихтер развил упрощенную теорию фильтрации, позволяющую сравнивать движение жидкости по паровым каналам с течением жидкости по цилиндрическим трубкам. Основываясь на модели фиктивного грунта, он рассмотрел также геометрическую задачу, позволяющую связать пористость с углами, образованными радиусами соприкасающихся шаров, моделирующих пористую среду, при их различной упаковке. Простейшим геометрическим параметром, характеризующим размер порового пространства, является эффективный диаметр д,э частиц грунта. Его можно определить в результате механического анализа грунта.

Эффективным диаметром частиц, слагающих реальную пористую среду, называется такой диаметр шаров, образующих фиктивный грунт, при котором гидравлическое сопротивление, оказываемое фильтрующейся жидкости в реальном и эквивалентном фиктивном грунте, одинаково.

Однако на практике эффективный диаметр зерен с~,э определить трудно (особенно для сцементированных песчаников). Поэтому теория Ч. Слихтера не нашла широкого практического применения. Лля определения геометрической структуры пористой среды, существенно влияющей на фильтрационные параметры, кроме пористости и эффективного диаметра, нужны дополнительные объективные характеристики. Определенную информацию о микроструктуре порового пространства дают кривые распределения размеров пор и зерен.

Поэтому предпринимались многочисленные попытки определения геометрических и гидродинамических характеристик пористой среды на основе кривых распределения. Однако зависимости характеристик пористой среды от параметров кривых распределения не могут быть универсальными. 5 3. СКОРОСТЬ ФИЛЬТРАЦИИ. ЗАКОН ДАРСИ вЂ” ЛИНЕЙНЫЙ ЗАКОН ФИЛЬТРАЦИИ ш„=1пп —, дцт д~-,з рда (1,3) где р — плотность жидкости. Подчеркнем, что массовый расход в (1.3) делится на полную площадь Лы, а не на ее часть, занятую порами.

Поэтому очевидно, что скорость фильтрации не является действительной средней скоростью движения в живом сечении фильтрацнонного потока. Сог- 9 Основной характеристикой фильтрационного движения является вектор скорости фильтрации ш, который определяется следующим Образом. Выберем произвольную точку М пористого пласта, через который фильтруется жидкость, и проведем через нее элементарную площадку Лм (рис. 1.2).

Через выделенную площадку в единицу времени протекает масса жидкости ЛЯ (элементарный массовый расход) .Тогда проекция вектора ш на нормаль и к выделенной площадке ласно (1.3), скорость фильтрации гп имеет размерность скорости (мыс в СИ) и обладает свойствами вектора. Установим связь между скоростью фильтрации гп и действитель- ной средней скоростью о движения. Действительное (физическое) течение флюида в каждом живом сечении пласта Лгп осуществляется через суммарную площадь активных пор Лсо„. Поэтому имеем о„=- 1шп оччв лын о рпыа Сравнивая последнее равенство с (1.3), используя (1.2), а также условие равенства пористости т и просветности п, находим и„= то„.

Характеристики

Список файлов книги