Глава 1. Физические понятия, необходимые для управления проявлениями пластовых флюидов

1.1 Гидростатика

1.1.1 Основной закон гидростатики

Этот закон касается флюидов в состоянии покоя, на которые действуют только силы тяжести.

Формулировка основного закона гидростатики: Разность гидростатического давления между двумя точками флюида в равновесии равняется весу столба этого флюида, основанием которого является единица площади, а высотой - разница уровней между двумя рассматриваемыми точками.

Гидростатическое давление зависит только от высоты столба флюида и его плотности (рис. 1.1). Сечение и геометрия столба не оказывают влияния на давление.

Рис. 1.1. Основной закон гидростатики

Основной закон гидростатики выражается следующей формулой:

р_{гдст B} - р_{гдст A} = gZ (1.1)

р_{гдст A} - гидростатическое давление в точке А, выраженное в паскалях (Па),

р_{гдст B} - гидростатическое давление в точке В, выраженное в паскалях (Па),

 - объемная масса флюида, считающаяся постоянной между А и В, в кг/м³,

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с²),

Z - высота столба флюида АВ, в м.

Давление повышается по мере увеличения глубины

Примечание: Объемная масса флюида считается постоянной в приведенной формуле. В действительности дело обстоит иначе для жидкости и, тем более, для газа. Плотность зависит от давления и, особенно, от температуры.

Примечание: В случае наклонной скважины для расчета давления в определенной точке необходимо использовать глубину скважины по вертикали, а не глубину по стволу.

С используемыми обычно в бурении единицами измерения эта формула будет записана как:

р_{гдст B} - р_{гдст A} = Z/10,2 (1.2)

р_{гдст A} и р_{гдст B} выражаются в барах, а Z в м, при этом  представляет среднюю плотность флюида между точками A и B.

Этот закон предусматривает также, что давление, оказываемое флюидом в состоянии покоя, одинаково на одной горизонтали и что давление в данной точке одинаково во всех направлениях.

Любое изменение давления в произвольной точке несжимаемого флюида, находящегося в равновесии, полностью передается в любую точку этого флюида.

В случае, если точка А находится на поверхности флюида (А на поверхности раздела флюид-воздух) и установить р_{гдст A} = 0, предыдущая формула принимает вид:

р_{гдст B} = Z/10,2 (1.2.а)

В этом случае р_{гдст B} представляет относительное давление в точке В.

Далее в тексте все давления будут представлять относительные давления.

1.1.2 Принцип сообщающихся сосудов. U-образная труба

Это следствие основного закона гидростатики.

В случае, когда U-образная труба содержит неподвижный флюид, свободные поверхности этого флюида находятся на одном уровне в обеих ветвях трубы. Давление одинаково на одной горизонтали независимо от рассматриваемого уровня.

Если ветви трубы содержат несовместимые флюиды разной плотности, контактирующие с воздухом, свободные поверхности флюидов находятся на разных горизонтальных уровнях (см. рис. 1.2). Для достижения такого рода равновесия происходит переток флюида большей плотности из одной ветви в другую.

В этом случае давление будет одинаковым на одной горизонтали в плоскости, ограниченной точками B и D (точки находятся в одном флюиде) и на горизонтали ниже этой плоскости, однако выше нее дело обстоит иначе. Как правило, гидростатическое давление одинаково в нижней части обеих ветвей U-образной трубы.

_бр

Рис. 1.2. Принцип U-образной трубы

Скважина с помещенной внутри колонной труб уподобляется U-образной трубе (колонна труб представляет одну из ветвей, кольцевое пространство - другую).