Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Исследование показателей двухфазной фильтрации в системе пласт-скважина. Методические указания к лабораторным работам

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 81 2 3 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Самарский государственный технический университет»

(ФГБОУ ВО «СамГТУ»)

Кафедра «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ДВУХФАЗНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ В СИСТЕМЕ

ПЛАСТ - СКВАЖИНА

Методические указания

к лабораторным работам

Самара

Самарский государственный технический университет

2020

Печатается по решению учёного совета СамГТУ

УДК 622.2 (07)

Исследование показателей двухфазной фильтрации в системе пласт-

скважина: метод. указ. к лабораторным работам. / Сост. В.А.Ольховская. - Са-

мара: Самар. гос. техн. ун-т, 2020. - 73 с.: ил.

Рассмотрена последовательность выполнения лабораторных работ по раз-

делам курса «Подземная гидромеханика углеводородов», в которых изучаются особенности совместной фильтрации нефти и воды, а также жидкой нефтяной и газовой углеводородных фаз. Целью работ является определение параметров, характеризующих динамику движения границы раздела воды и нефти, полноту и скорость вытеснения нефти водой, условия притока газонефтяной смеси к скважине, а также подготовка к анализу материалов стандартных лабораторных исследований, промысловых экспериментов и геологического изучения пласта. В теоретической части методических указаний уделено внимание способам приближённого математического описания двухфазной фильтрации пластовых флюидов с элементами графического моделирования. В практической части изложен алгоритм содержательной интерпретации исходной информации, приведены требования к оформлению отчётов и контрольные вопросы.

Методические указания предназначены для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 21.03.01 «Нефтегазовое дело», профиль «Эксплуатация и обслуживание объектов добычи нефти».

Р е ц е н з е н т – канд. техн. наук Н.Б. Сопронюк

технический университет, 2020

Введение

Смесь нефти, воды и газа, фильтрующаяся в пласте, является типичной гетерогенной системой, состоящей из подвижных фаз. Фаза – это гомогенная часть системы, которая отделяется от других фаз отчётливыми границами. Составляющие гомогенной системы называются компонентами, они распределены по всему объёму и взаимодействуют на молекулярном уровне. Поэтому в гомогенной системе все её части имеют одинаковые химические и физические свойства. Для гетерогенной системы химические и физические свойства в разных точках различны. В процессе фильтрации из одной фазы в другую могут переходить отдельные компоненты, что влечёт за собой изменение составов, физико-химических свойств и количеств контактирующих фаз.

Разделение движущейся смеси на фазы или объединение компонентов в фазы может осуществляться разными способами в зависимости от конкретной задачи и целей исследования. Приближённое аналитическое описание процесса фильтрации в нефтяном пласте при давлении выше давления насыщения нефти газом предполагает наличие в потоке двух фаз - нефти (углеводородной фазы) и воды (неуглеводородной фазы). Обе фазы считаются гомогенными несжимаемыми жидкостями, истинным компонентным составом которых в отсутствие фазовых переходов можно пренебречь. К настоящему времени наиболее полно изучены задачи вытеснения нефти водой в одномерной постановке без учёта капиллярных сил и при соблюдении линейного закона фильтрации для каждой из фаз в условиях стационарного течения.

Математическое описание притока углеводородной системы к добывающей скважине при условии, что давление в пласте ниже давления насыщения нефти газом, а поступление воды ограничено, допускает разделение фильтрующейся смеси на две фазы – жидкую (нефть) и газовую (свободный газ). И в данном случае, несмотря на интенсивный массообмен между движущимися с различными скоро-

стями фазами, каждую из них, упрощая задачу, можно моделировать псевдооднокомпонентной гомогенной системой. Движение индивидуальных фаз при этом рассматривают раздельно, полагая, что жидкая фаза (нефть) движется в среде, состоящей из частиц породы и газовых пузырьков, а газовая фаза – в среде, состоящей из породы и жидкости.

Большинство практических методов расчёта фильтрации газированной нефти базируется на результатах исследования стационарного течения. Исследование динамики гетерогенных газожидкостных систем по-прежнему остаётся одной из наиболее актуальных и сложных задач [7]. Вместе с тем в классической теории С.А. Христиановича успешно реализован подход, позволяющий свести нелинейные задачи установившейся фильтрации газированной нефти к хорошо изученным задачам движения однородной несжимаемой жидкости в пористой среде [3, 9]. Несмотря на предельную упрощённость, данный подход в большей мере учитывает физическую природу процесса фильтрации, чем известное математическое описание притока по Вогелю [10].

К настоящему времени наиболее разработана теория двухфазной фильтрации, в основе которой лежит гипотеза об однозначности зависимости фазовых проницаемостей от насыщенности. Данная теория удовлетворительно согласуется с практикой. В качестве инструмента графоаналитического моделирования эта теория использована в лабораторных работах по исследованию совместной фильтрации флюидов с нечётко выраженной границей раздела.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО «ПОРШНЕВОГО»

ВЫТЕСНЕНИЯ НЕФТИ ВОДОЙ

Теоретическая часть

При разработке месторождений углеводородов в условиях водонапорного режима фильтрация нефти или газа происходит под действием энергии, которой обладает законтурная краевая, подошвенная либо искусственно нагнетаемая в продуктивный пласт вода. В последнем случае принято говорить о заводнении как о наиболее распространённом методе воздействия на пласт с целью повышения нефтеотдачи [8].

Одной из важнейших задач математического описания процесса двухфазной фильтрации с участием углеводорода и воды является задача о движении границы раздела двух несмешивающихся флюидов. Это - частный случай задачи о перемещении внутреннего фронта, разделяющего физически различные среды. Поскольку взаимная растворимость углеводородов в воде и воды в углеводородах невелика, их можно считать несмешивающимися фазами и в поверхностных, и в пластовых условиях.

Реальный фильтрационный поток в пласте со случайными неоднородностями представляет собой бесконечно сложный комплекс в плане геометрии, термодинамического равновесия между компонентами флюидов, трения, теплового эффекта, гравитации и т.п. Поэтому для исследования многофазной многокомпонентной фильтрации предварительно создают упрощённую модель, адекватную реальному процессу. В сложных случаях приходится создавать несколько моделей, каждая из которых лишь выборочно отражает те или иные свойства процесса.

Классический подход к моделированию заключается в том, чтобы сформулировать исходную задачу, описывающую физический процесс, и затем постараться ввести необходимое количество упрощаю-

щих предположений для формулировки новой задачи, которая поддаётся решению теми или иными средствами.

С целью исследования процесса вытеснения углеводородов из пласта водой используются: 1) естественные физические модели; 2) аналоговые модели; 3) математические (аналитические) модели; 4) графические модели; 5) цифровые модели (2D – двумерные, 3D - трёхмерные).

Графоаналитическую модель можно определить как образ объекта исследования, воспроизводящий его основные характеристики с помощью математических зависимостей и графических построений.

Модель «поршневого» вытеснения – это идеализированное представление о совместной фильтрации нефти и воды, облегчающее решение гидродинамических задач аналитическими методами. Особенностью данной модели является наличие некоторой линии, разделяющей всю область фильтрации на две подобласти, в которых движутся жидкости с различными физическими свойствами. Основным допущением, принятым в модели «поршневого» вытеснения нефти водой, является отсутствие области перемешивания движущихся жидкостей на их контакте. В результате этого фронт вытеснения представляется чётким, нефть полностью вытесняется водой, а процесс совместной фильтрации может рассматриваться в качестве задачи с подвижной границей раздела [2]. Источником движения служит разность давлений в фазах, порождаемая либо притоком воды извне, либо работой добывающих и нагнетательных скважин. В постановках задач о «поршневом» вытеснении сжимаемость жидкостей и твёрдой породы игнорируется, что приводит к стационарному характеру фильтрации.

Выражения для определения характеристик процесса фильтрации в случае простейших геометрических видов течения - линейного и радиального получены в предположении, что функции скорости и давления сохраняют непрерывность на протяжении всего процесса вытеснения (это, в свою очередь, обеспечивает и непрерывность линий тока).

На рис. 1 приведена расчётная схема «поршневого» вытеснения

III

Pк

Pг

x0 xв(t)

P(t0)

P(t)

нефти водой для линейной разновидности течения. Рассматривается случай, когда в начальный момент времени t0 плоскость водонефтяного контакта (ВНК) вертикальна. Плотности нефти и воды считаются одинаковыми.

Обе жидкости движутся в горизонтальном пласте шириной В, толщиной h и протяжённостью Lк. Фильтрация происходит по направлению от контура питания, давление на котором равно Рк, к зоне отбора в форме сплошной добывающей галереи, давление на которой равно Рг.

Рис. 1. Схема линейного «поршневого» вытеснения нефти водой

с вертикальным ВНК

Обозначения на рисунке и в формулах следующие: I – вода; II – зона замещения нефти водой; III – нефть; x0 – начальное положение границы раздела воды и нефти; xв(t) – текущее положение границы раздела в момент времени t после начала вытеснения; Pв, Pн – давление в любой точке, соответственно, водоносной и нефтеносной части

пласта; P(t) – давление на границе раздела воды и нефти с координа-

 

   

 

txLtx

РР

РP 







вкнвв

гкв

кв





 

   

 

txLtx

РР

РP 







вкнвв

гкн

гн





 

   

 

txLtx

РРk

вкнвв

гк

нв









 

   

 

txLtx

РРk

Q 







вкнвв

гк



той xв(t).

Совместная фильтрация воды и нефти подчиняется линейному закону Дарси. Режим вытеснения нефти может считаться водонапорным, соответствующим условиям разработки нефтяного пласта с активной водоносной областью или с применением заводнения. Депрессия давлений на контуре питания и в зоне отбора принимается постоянной.

Далее приводятся выражения для определения основных характеристик линейного потока двух жидкостей – нефти и воды в рамках модели «поршневого» вытеснения.

1. Распределение давления:

в водоносной области

; (1)

в нефтеносной области

. (2)

Из этих уравнений видно, что давление в пласте зависит не только от координаты x, но и от координаты границы раздела xв, которая со временем увеличивается. Следовательно, пластовое давление, изменяясь по линейному закону, в водоносной области со временем падает, а в нефтеносной – растёт. Пьезометрический график в каждый момент времени имеет излом на подвижной границе раздела, что обусловлено различием вязкостей воды и нефти.

2. Скорость фильтрации:

3. Дебит:

. (3)

. (4)

Скорость фильтрации и дебит также зависят от координаты гра-

 

   

 

txLtx

РР

вкнвв

гквв













 

   

 

txLtx

РР

вкнвв

скнн













 



 













ввн0вкн

гк

xxxxL

РРk



(5)

ницы раздела xв и, несмотря на постоянство депрессии Р=Рк–Рг, изменяются с течением времени. Если

водонефтяного контакта скорость фильтрации и дебит галереи с течением времени увеличиваются. Физически это связано с уменьшением размеров области, занятой нефтью, в которой, из-за большей вязкости нефти по сравнению с водой, сопротивление движению выше. Общее сопротивление обеих областей с течением времени уменьшается, что ведёт к росту скорости фильтрации и дебита галереи.

4. Градиент давления:

в водоносной области

в нефтеносной области



, то по мере продвижения

;

. (6)

Градиенты давления в водоносной и нефтеносной областях, также зависящие от xв, с течением времени увеличиваются. В нефтеносной области градиент давления больше, чем в водоносной, во столько

раз, во сколько

5. Закон движения границы раздела:

С помощью данного уравнения можно рассчитать время, за которое вертикальный ВНК продвинется в пласт на заданное расстояние

xв, или определить текущее положение ВНК через заданное время t

после начала вытеснения. Во втором случае неизвестным параметром становится координата xв.



. (7)

6. Время полного вытеснения нефти водой:

 



 



0кн

2 0

кв

гк

xLxL

РРk

Т 







. (8)

 

свн

1 Smm 

 

н.ост.свв

1 SSmm 

вн0



/

 



 















в00вк0

гк

xxxxL

РРk





 









к0

гк

xLxL

РРk

Т 









Данное уравнение важно с практической точки зрения, так как позволяет определить время начала обводнения добывающей галереи, которое в условиях «поршневого» вытеснения с вертикальной границей раздела является временем полной выработки активных запасов нефти в однородном пласте.

Формулы, описывающие «поршневое» вытеснение нефти водой, можно распространить на случай, когда часть объёма фаз остаётся неподвижной на контакте с породой. Для этого в уравнения вводят постоянную остаточную нефтенасыщенность S связанной водой Sсв, при которых фильтрация соответствующих фаз невозможна. Рассматривают движение каждой из фаз по занимаемой ею области пласта со своей фазовой проницаемостью k лагая, что среда имеет соответствующую пористость:

;

При необходимости расчётные уравнения «поршневого» вытеснения можно преобразовать таким образом, что в них появится соот-

ношение вязкостей раздела в случае линейного вытеснения нефти водой можно предста-

вить в виде уравнения

. Например, закон движения границы

и насыщенность

н.ост.

и k

ф.н.

, по-

ф.в.

. (9)

С помощью формулы (9) находят время полного вытеснения нефти водой, полагая xв=Lк. Соответствующее выражение приобретает вид:

Аналогичным образом можно преобразовать и другие уравнения, используемые в модели «поршневого» вытеснения.

; (10)

1 / 81 2 3 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]