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 – это 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 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.