Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

гидромеханика нефти

.pdf
Скачиваний:
30
Добавлен:
02.01.2021
Размер:
20.67 Mб
Скачать

СПБГУАП| Институт 4 группа 4736

ПЛОСКИЕ УСТАНОВИВШИЕСЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ПОТОКИ

465

Разрешив полученную систему уравнений относительно q, будем

иметь

 

q =

2π (Фк − Фс )

.

(22.12)

 

 

ln 2a rc

 

Формулу (22.12), используя выражения для потенциала (22.4), можно пе- реписать в виде

Q =

 

2π kh(pк

pс )

.

(22.13)

 

 

 

 

 

µ ln 2a rc

 

После того, как найден дебит скважины, можно определить потенциал

в любой точке пласта

 

 

 

 

 

ФM =

1 q ln r1

r2 + Фк ,

(22.14)

 

2π

 

 

 

где q определяется по формуле (22.12).

Если бы контур питания был окружностью радиуса а, то дебит опре- делялся бы по формуле Дюпюи

Q = 2π kh(pк pс ) .

µ ln arc

Рис. 22.6. Схема пласта с различными контурами пи- тания

На практике часто форма контура питания бывает неизвестна, но, оче- видно, что контур питания MN (рис. 22.6) располагается между окружно- стью и прямой линией. Следовательно, дебит скважины в этих условиях будет находиться в пределах

2π kh( pk − pc )

≥ Q ≥

2π kh( pk − pс )

.

 

 

µ ln a rc

µ ln 2a rc

Скорость фильтрации в точке М определяется как геометрическая сумма скоростей фильтрации, вызванная работой реальной скважины- стока и фиктивной скважины-источника (рис. 22.5), т.е.

 

=

 

+

 

w

w A

w A ′ ,

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП| Институт 4 группа 4736

466

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА XXII

где

 

= q 2π r1 и направлена к скважине А;

 

 

 

=

q 2π r2 и направ-

wA

 

wA′

 

лена от скважины А'. На контуре питания, где

r1 =

r2 ,

очевидно, вектор

скорости фильтрации перпендикулярен линии контура питания.

Из формулы (22.14) следует, что уравнение эквипотенциалей имеет

вид

r1 r2 = const

или

r12 r22 = c

Рис. 22.7. Семейства линий тока и эквипотенциалей в потоке жидкости к сква- жине-стоку в пласте с прямолинейным контуром питания (или в бесконечном пласте к источнику и стоку).

Выразив r12 и r22 через координаты точки М(x,y) и координаты центров

скважин А(0,а) и А'(0,-а), получим r12 = ( x a) 2 + y2 и r12 = ( x + a) 2 + y2 . Подставив эти выражения в формулу для эквипотенциалей и произведя преобразования, получим:

 

1 +

c 2

 

 

2

 

 

4a2c

 

x − a

 

 

 

 

+

y

 

=

 

 

 

 

 

1 −

 

 

(

 

c)

2

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

к скважине, работающей вблизи не- проницаемой прямолинейной границы

СПБГУАП| Институт 4 группа 4736

ПЛОСКИЕ УСТАНОВИВШИЕСЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ПОТОКИ

467

уравнение окружности с центром в точке x0

= a

1

+

c

, y =

0 и с радиу-

 

 

 

1

c

 

сом R = 2a c(1 − c) .

Изменяя значения константы c , получим семейство эквипотенциа- лей окружностей с разными радиусами и центрами, расположенными в разных точках оси x . Семейство линий тока представляет собой окруж- ности, проходящие через центры обеих скважин, центры которых лежат на прямолинейном контуре питания. При этом эквипотенциали (изобары) всегда ортогональны линиям тока (рис. 22.7).

§5. Приток жидкости к скважине в пласте вблизи прямолинейной непроницаемой границы

Пусть эксплуатационная сква- жина находится в пласте с непрони- цаемой границей, то есть пласт представляет собой полуплоскость. Расстояние от скважины до непро- ницаемой границы равно a , заданы потенциалы на контуре питания Фk

и на скважине Фс, радиус контура питания Rk (рис. 22.8). Требуется определить дебит скважины. Такая задача на практике может возник- нуть в случае, когда добывающая скважина расположена вблизи сбро- са или границы выклинивания про-

дуктивного пласта. В этом случае Рис. 22.8. Схема притока жидкости реальную скважину зеркально ото-

бражают относительно непроницае- мой границы, и дебиту отображен- ной скважины приписывается тот же знак, что и реальной скважине.

Тогда потенциал в произвольной точке М определяется по формуле

ФM

=

1

(q ln r1 + q ln r2 ) + C .

2π

 

 

 

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП| Институт 4 группа 4736

468

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА XXII

Поместим точку М сначала на стенку скважины, а потом на контур

питания. В результате получим уравнения

 

Фc =

1

(q ln rc + q ln 2a) + C и Фk

=

1

 

(qln Rk + qln Rk) + C .

 

2π

 

2π

 

 

 

Разрешая полученную систему уравнений относительно q, будем иметь

 

 

q =

2π (Фк

Фс)

.

(22.15)

 

 

ln Rk2

 

 

 

 

 

 

2arc

 

Формулу (22.15), используя выражения для потенциала (22.4), можно

переписать в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q =

2π kh(pк

pс )

.

(22.16)

 

 

µ ln Rk2

 

 

 

 

2arc

 

§6. Приток жидкости к скважине, эксцентрично расположенной в круговом пласте

Пусть эксплуатационная скважина находится в пласте с круговым контуром питания, но расположена на расстоянии δ от центра круга (рис.22.9). Расстояние от центра пласта до контура питания равно Rk , зада-

Рис. 22.9. Схема притока жидкости к скважине, эксцентрично расположенной в круговом пласте

даны потенциалы на контуре питания Фk и на скважине Фс. Требуется оп- ределить дебит скважины и потенциал в любой тоске пласта. В этом слу- чае, как и в предыдущих, реальную скважину-сток А отобразим в фиктив- ную скважину-источник А', расположенную на расстоянии a от скважины

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП| Институт 4 группа 4736

ПЛОСКИЕ УСТАНОВИВШИЕСЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ПОТОКИ

469

А и лежащую на продолжении линии ОА. Расстояние a определим из ус- ловия постоянства потенциала на контуре и, следовательно, в точках М1 и М2, лежащих на контуре питания.

По методу суперпозиции для потенциалов в точках М1 и М2 имеем следующие выражения

Ф k

=

Ф M

 

=

 

 

 

q

 

ln

 

Rk

δ

 

+

 

 

C ,

(22.17)

 

 

 

2π

a −

( Rk

δ

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ф k

=

Ф M

 

=

 

 

 

q

 

ln

 

Rk

+ δ

 

+

 

 

C .

(22.18)

 

 

 

2π

a +

( Rk +

δ

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из условия равенства потенциалов в точках М1 и М2 получаем уравне-

ние для определения a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rk δ

 

 

 

 

 

 

=

 

 

Rk + δ

 

,

 

 

 

 

откуда

 

a − (Rk δ )

 

a + (Rk + δ )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a =

 

 

 

(Rk2

δ 2 ) δ .

 

 

 

 

 

(22.19)

Для того, чтобы определить дебит скважины А , определим потенциал

на ее забое

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ф c

=

Ф A

=

 

 

 

 

q

 

( ln rc

ln a+)

 

C .

(22.20)

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычитая из равенства (22.17) соотношение (22.20), получим

Ф k − Ф c =

 

 

q

 

 

 

ln

 

 

 

a(Rk δ )

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

rc [a − (Rk δ )]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или, подставив вместо a его выражение (22.19)

 

 

 

 

 

 

Ф k − Ф

 

=

 

 

q

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

( Rk2 δ 2 ) ( Rk δ )

.

c

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rk2 δ

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rcδ

 

 

 

 

δ

 

(

Rk

δ )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преобразуя в последнем равенстве выражение под знаком логарифма и разрешая его относительно q , найдем формулу для дебита скважины, эксцентрично расположенной в круговом пласте

q =

2π (Фк

Фс )

 

.

(22.21)

 

 

 

 

 

 

 

Rk

 

 

 

 

δ 2

 

 

 

 

ln

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rc

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Rk

 

 

 

Заметим, что если эксцентриситет равен нулю (δ = 0 ), то формула (22.21) превращается в формулу Дюпюи.

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП| Институт 4 группа 4736

470 ГЛАВА XXII

Для того чтобы найти потенциал во всех точках пласта, воспользуемся методом суперпозиции и выпишем потенциал в произвольной точке М

Ф M

=

q

( ln r1 ln r2 )+ C=

q

ln

+r1

C .

(22.22)

2π

2π

 

 

 

 

r2

 

 

Вычитая из равенства (22.20) соотношение (22.22) и используя равенство

(22.19), получим

Ф M =

 

 

+

q

 

r1

 

Rk2

δ

2

(22.23)

Ф

 

 

ln

 

 

 

 

 

.

с

2π

r2

 

rδc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формулу для потенциала в произвольной точке пласта можно полу- чить и вычитая равенство (22.22) из равенства (22.17). В этом случае будем иметь

Ф M =

 

q

 

r2

 

δ

 

(22.24)

Ф k

 

ln

 

 

 

.

2π

 

 

 

 

 

 

 

r1

 

Rk

 

Очевидно, что формулы (22.23) и (22.24) эквивалентны.

§7. Об использовании метода суперпозиции при фильтрации газа

В рассмотренных выше задачах построены решения для случая уста- новившейся фильтрации несжимаемой жидкости, а теперь обобщим полу- ченные результаты на случай установившейся фильтрации газа.

Напомним, что метод суперпозиции основан на линейности и одно- родности уравнения Лапласа. Как было показано в предыдущей главе, при установившейся фильтрации уравнению Лапласа в случае фильтрации не- сжимаемой жидкости удовлетворяет распределение давления, а при фильтрации сжимаемой жидкости и газа - функция Лейбензона. Поэтому и при фильтрации газа можно использовать метод суперпозиции, но для по- тенциалов, определенных через функцию Лейбензона.

Напомним, что системы уравнений для моделей несжимаемой жидкос- ти и сжимаемого флюида имеют, соответственно, вид

p=

0,

 

P=

0,

 

 

w = −

 

k grad p,

 

ρ

w= −

 

k grad P,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

 

 

 

 

µ

 

ρ

=

const,

ρ

=

ρ

( p).

Поэтому нужно ввести потенциал не для вектора скорости фильтрации w , а для вектора массовой скорости фильтрации ρ w , т.е. должно выполнять-

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП| Институт 4 группа 4736

ПЛОСКИЕ УСТАНОВИВШИЕСЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ПОТОКИ

471

ся равенство

− grad Ф .

(22.25)

ρ w =

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, при фильтрации газа имеем

 

 

 

Ф

 

 

k

 

 

ρ w = − grad

=

 

grad P,

 

µ

 

 

 

 

 

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

Ф

=

k

P .

 

 

(22.26)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, при установившейся фильтрации газа потенциал линейно связан с функцией Лейбензона.

Для нахождения потенциала добывающей газовой скважины (стока) спроектируем уравнение (22.25) на цилиндрическую систему координат

ρ w =

(22.27)

.

dr

Далее введем удельный массовый дебит qm , приходящийся на единицу толщины пласта qm = Qm h , и выразим его через массовую скорость фильт- рации

qm

=

Qm

=

2π rhρ w

= 2π rρ w

h

 

 

 

 

h

Тогда равенство (22.27) можно переписать в виде

qm = . 2π r dr

Разделив переменные

qmdr = dФ

2π r

и интегрировав последнее равенство, получим

Ф

 

=

qm

ln r + C ,

(22.28)

 

2π

 

 

 

 

 

где С постоянная интегрирования.

Очевидно, что аналогичные рассуждения можно повторить для слу- чая, когда на плоскости находится источник. Тогда будем иметь

Ф

 

= −

qm

ln r + C .

 

2π

 

 

 

 

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП| Институт 4 группа 4736

472 ГЛАВА XXII

Подобным образом введенный потенциал также как и потенциал, вве-

денный равенством (22.28), удовлетворяет уравнению Лапласа

 

 

2Ф

+

2Ф

= 0.

(22.29)

 

∂ x2

∂ y2

 

 

 

 

Поэтому для построения решений с помощью метода суперпозиции при установившейся фильтрации газа можно использовать ранее найден- ные решения для установившейся фильтрации несжимаемой жидкости. Аналогия между фильтрацией несжимаемой жидкости и газа устанавлива-

ется с помощью следующей замены переменных:

 

 

для несжимаемой жидкости

для газа

 

p(x)

 

 

P(x)

 

 

w

 

 

ρ w

 

 

q

 

 

qm

 

(22.30)

Ф =

k

p

Ф =

k

P

µ

µ

 

 

 

 

Следовательно, произведя указанную замену переменных в решениях, полученных для установившейся фильтрации несжимаемой жидкости, бу- дем иметь формулы, описывающие установившуюся фильтрацию газа.

Система уравнений (22.11) для определения притока жидкости к группе скважин, работающих в пласте с удаленным контуром питания, для случая газовых скважин, согласно аналогии, определяемой соотноше- ниями (22.30), преобразуется следующим образом

Ф

− Ф

=

1

 

 

 

 

 

Rk

 

+ ... + qmi ln

 

Rk

 

+ ... + qmN ln

 

Rk

 

 

 

 

qm

ln

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

k

c1

 

2π

 

 

1

 

 

rc1

 

 

 

r1i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r1n

 

 

 

 

 

 

 

 

……………………..

 

 

 

 

 

 

(22.31)

Ф

− Ф

=

1

 

 

 

 

 

Rk

+ ... + qmi ln

Rk

 

+ ... + qmN ln

 

Rk

 

 

 

qm

ln

 

 

.

 

 

 

 

 

 

k

cn

 

2π

 

 

1

 

 

r1n

 

 

 

rin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rcn

 

Формула для определения удельного дебита нефтяной скважины, ра- ботающей в пласте с непроницаемой границей (22.12), в случае работы га- зовой скважины, преобразуется к виду

 

2π (Ф

− Ф

)

 

qm =

k

c

 

.

(22.32)

ln Rk2

2arc

 

 

 

 

 

Формулы (22.15) и (22.16) для определения удельного дебита и дебита нефтяной скважины в пласте с прямолинейным контуром питания, для га-

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП| Институт 4 группа 4736

ПЛОСКИЕ УСТАНОВИВШИЕСЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ПОТОКИ

473

зовой скважины преобразуются к виду

 

qm =

 

2π (îk − îc)

 

 

 

,

(22.33)

 

 

 

ln 2a rc

 

Qm =

2π kh ( PÍ − PÒ)

.

(22.34)

 

 

 

µ ln 2a rc

 

Выражение для определения потенциала в любой точке газового пласта с пря- молинейным контуром питания будет иметь вид

îÏ

= 1

qm ln r r + îk ,

 

2π

1

2

 

 

где q определяется по формуле (22.33).

Аналогичные изменения необходимо внести и в формулы для дебита скважины, эксцентрично расположенной в круговом пласте (22.21), и для определения потенциала в произвольной точке пласта (22.23) и (22.24). В результате формулы примут вид

 

qm

=

 

2π

 

(îk

− îc)

 

,

 

(22.35)

 

 

 

 

Rk

 

δ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

rc

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rk

 

 

 

 

=

 

 

+

 

qm

 

 

r

 

Rk2

δ 2

 

 

 

 

 

 

ln

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

îÏ

îÒ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

rc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

δ

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

qm

 

 

 

r

 

 

 

 

δ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

.

(22.36)

îÏ

îk

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r1 Rk

 

Формулы (22.35) и (22.36) (также как и (22.21) – (22.24)) при δ 0

имеют предельный переход и становятся формулами для потенциала про- извольной точки в случае центральной скважины. В самом деле, имеем

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

a =

 

 

k

δ

 

 

 

 

δ

следовательно, при δ 0 получаем

 

 

 

 

 

r ≈

a→

 

R2

r r

 

 

k

и

 

 

 

2

 

 

δ

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

где r расстояние от центральной скважины до произвольной точки M . Поэтому

îÏ

î+Ò

q

 

r

r

 

= î+ Ò

q

ln=

r

îÍ

q

 

R

 

ln

 

 

2

 

 

 

 

ln

Í

2π

 

rc

2π

rc

π2

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП| Институт 4 группа 4736

Глава XXIII

НЕУСТАНОВИВШЕЕСЯ ДВИЖЕНИЕ УПРУГОЙ ЖИДКОСТИ В УПРУГОМ ПЛАСТЕ

§1. Упругий режим пласта и его характерные особенности

При разработке и эксплуатации месторождений углеводородного сы- рья в пластах часто возникают неустановившиеся процессы, обусловлен- ные пуском или остановкой скважин, изменением темпов отбора флюида из скважин и т.д. Для неустановившихся процессов характерно перерас- пределение пластового давления, изменение во времени скоростей фильт- рационных потоков, дебитов скважин. Количественные характеристики неустановившихся процессов (величины изменения давления, скоростей, дебитов) зависят от упругих свойств пластов и насыщающих их жидкос- тей. Последнее означает, что основной формой пластовой энергии, обеспе- чивающей приток жидкости к скважинам в рассматриваемых неустано- вившихся процессах, является энергия упругой деформации жидкостей (нефти и/или воды) и твердого скелета пласта.

Математическая модель, которая будет сформулирована далее, учи- тывает проявление упругих сил в однофазном фильтрационном потоке, т.е. далее будет считаться, что давление в любой точке потока выше давления насыщения жидкости газом.

При пуске скважины в эксплуатацию в условиях упругого режима движение жидкости начинается за счет использования потенциальной энергии упругой деформации пласта и жидкости сначала в ближайших ок- рестностях забоя, затем во все более удаленных областях пласта. В самом деле, при снижении пластового давления упругое противодействие пласта вышележащему горному массиву уменьшается, и это приводит к уменьше- нию объема порового пространства, что, в свою очередь, увеличивает сжа- тие жидкости. Все это способствует вытеснению жидкости из пласта в скважину. И несмотря на то, что коэффициенты объемной упругой де- формации жидкости и твердого скелета пласта очень малы, из-за того, что очень велики объемы пласта и насыщающих его флюидов, объемы жидкости, извлекаемой из пласта за счет упругости пласта и жидкости, могут быть весьма значительными.

В некоторых случаях приток жидкости к забоям скважин поддержива- ется и напором воды, поступающей в пласт из области питания. Тогда ре-

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts