
- •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)
- •§ 1. Уравнение неразрывности
- •§ 2. Уравнения движения и равновесия
- •Уравнением моментов
- •§ 3. Уравнения состояния (математические модели)
- •§ 4. Уравнения состояния гидромеханики
- •§ 5. Основные уравнения теории фильтрации
- •§ 5.1 Линейные уравнения и граничные задачи фильтрации.
- •§ 6. Мгновенные уравнения состояния и критерии прочности
- •§ 7. Временные уравнения состояния и критерии длительной прочности
- •§ 8. Общая система уравнений механики деформируемого твердого тела
- •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
- •Формула дюпюи и ее обобщения
- •§1. Среды в механике сплошной среды
- •§2. Горные породы
- •§ 3. Критерии разрушения сред на основе теории трещин
- •§ 4. Порода - деформируемое твердое тело
- •§ 5. Реологические свойства
- •§ 6. Задачи устойчивости горных пород в скважинах
- •Напряженное состояние и устойчивость анизотропных пород в вертикальных и наклонных скважинах
- •4.10. Определение горного давления на крепь ствола скважины
- •4.11. Центрирование бурильных и обсадных колонн.
§ 5.1 Линейные уравнения и граничные задачи фильтрации.
1. Модель ламинарной фильтрации ньютоновских однородных жидкостей в изотропной среде
Для этой модели 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.
г.ИШИМ 27-05-2010
2. Модель ламинарной фильтрации ньютоновских однородных жидкостей для анизотропной среды.
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).
(24-03) НР-08-3 10-04-2010
3.Закономерности фильтрации жидкости в трещиновато-пористых пластах для однородной и изотропной среды.
Горная
порода рассматривается как сплошная,
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.
НР-08 была лекция 10-04=2010
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 (2.53)
а скорости фильтрации относительно какой–либо поверхности – по формуле
(2.55)
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.
НБб-09=4-04-2011
Рис. 11. Возможные виды нелинейного закона фильтрации
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).
6-04-(НТХ=Ялуторовск)
7-04- => 31-03=2010