§ 5. 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 называют 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

EMBED Equation.3 ,

(2.28)

где EMBED Equation.3 – компоненты скорости фильтрации; EMBED Equation.3– расход жидкости через элементарные площадки EMBED Equation.3, проходящие через некоторую точку EMBED Equation.3среды перпендикулярно к соответствующим координатным осям. Если через точку EMBED Equation.3проведена произвольно ориентированная площадка EMBED Equation.3, то проекция вектора EMBED Equation.3на нормаль к площадке EMBED Equation.3равна

EMBED Equation.3 ,

(2.29)

где EMBED Equation.3 – направляющие косинусы нормали EMBED Equation.3; EMBED Equation.3– расход жидкости через площадку EMBED Equation.3.

Подчеркнем, что расходы в формулах (2.28) и (2.29) делятся на полную площадь EMBED Equation.3 , а не на ее часть, занятую жидкостью. Поэтому величина скорости фильтрации EMBED Equation.3не равна истинной скорости движения жидкости EMBED Equation.3, они связаны соотношением

EMBED Equation.3 ,

где EMBED Equation.3 EMBED Equation.3– активная, или динамическая, пористость; EMBED Equation.3и EMBED Equation.3– 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 EMBED Equation.3 и, аналогично, трещинная пористость EMBED Equation.3.

Для пористых пород EMBED Equation.3 зависит от формы, размеров и взаимного расположения твердых частиц. Из чисто геометрического рассмотрения фиктивного грунта, состоящего из одинаковых шарообразных частиц, Слихтер установил, что EMBED Equation.3не 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 EMBED Equation.3 , эффективные диаметры частиц EMBED Equation.3 и пор EMBED Equation.3. 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 EMBED Equation.3и EMBED Equation.3определяются 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 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3и полем давления EMBED Equation.3.

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.