Основные определения h понятия фильтрации жидкостей и газов. Границы и среды применяемости закона дарси

§ 1. Особенности движения флюидов в природных пластах

Нефть и природные газы заключены в недрах Земли. Их скопления связаны с вмещающими горными породами (пластами) - пористыми и проницаемыми образованиями, имеющими непроницаемые кровлю и по­дошву. Горные породы, которые могут служить вместилищами нефти и га­за и отдавать их при разработке, называются коллекторами. В свою оче­редь, коллекторы называют пористыми или трещиноватыми в зависимости от геометрии пустот.

Природные жидкости (нефть, газ, подземные воды и их смеси) нахо­дятся в пустотах (порах и трещинах) коллекторов. Часто находящиеся в пустотном пространстве пласта природные жидкости обозначают общим термином флюид, подразумевая под ним любую из них. Флюид, находя­щийся в коллекторе, может находиться в состоянии покоя или двигаться. Движение флюидов через твердые (вообще говоря, деформируемые) трещиноватые или пористые среды называется фильтрацией. Фильт­рация может быть обусловлена воздействием различных сил: градиентом давления, концентрации, температуры, капиллярными, электромолекуляр­ными и другими силами. Например, движение (фильтрация) расплавленно­го жира в фитиле свечи или керосина в фитиле керосиновой лампы обу­словлено капиллярными силами. Однако в дальнейшем будут рассмотрены течения, вызываемые действием градиента давления и/или силы тяжести.

Теория фильтрации получила большое развитие в связи с потребностя­ми гидротехники, гидромелиорации, гидрогеологии, горного и нефтегазо­вого дела, химической технологии, аэрокосмической техники и т.д. В неф­тегазовом деле теория фильтрации является теоретической основой разра­ботки месторождений углеводородного сырья и, в силу своей специфики, носит название подземной гидромеханики. Подземная гидромеханика яв­ляется специальным разделом гидромеханики, в котором рассматривается равновесие и/или движение флюидов в специфической области - в твердом скелете, сложенном из частиц (сцементированных или несцементирован­ных) разнообразной формы и различных размеров. Таким образом, под­земной гидромеханикой называется наука, которая изучает законы равновесия и движения флюидов в пористых и трещиноватых средах - подземных пластах, которые являются коллекторами углеводородного сырья.

Характерные особенности движения флюидов в природных пластах обусловлены как спецификой строения коллекторов, так и спецификой ча­дам, возникающих при разработке месторождений углеводородного сырья.

Поровое пространство осадочных горных пород - сложная система сообщающихся меж­зернистых пустот, в которой трудно выделить отдельные поровые каналы (рис. 1.1). Размеры пор, например, в песчаных породах составляют обычно единицы или десятки микрометров (мкм). Движение флюидов в пласте происходит с очень малыми скоростями, порядка мик­рометров в секунду (в гидромеханике дви­жения со столь малыми скоростями часто называются ползущими).

Рис. 1.1. Шлиф нефтяно­го песчаника

Поэтому процесс фильтрации с высокой степенью точности можно очень часто считать изотермическим. И в то же время при фильтрации в горных породах возникает значительная сила трения. При движении флюидов в пустотном пространстве коллекто­ра соприкосновение между твердым скелетом и жидкостью происходит по офомной поверхности. Например, в 1 м³ пористой среды (песчаника) площадь поверхности пустотного пространства может достигать порядка 10⁴ м². Поэтому основным свойством флюида, которое влияет на фильтра­цию, является вязкость. В связи с этим обстоятельством вязкость учитыва­ется даже при фильтрации газа, а так как сила трения распределена по все­му объему коллектора, то Н.Е. Жуковский предложил при описании фильтрации силу трения считать массовой силой.

Строение нефтяных и газовых залежей осложняется значительной неоднородностью и анизотропией свойств пород, их слоистостью, наличи­ем тектонических и стратиграфических нарушений (разрывов сплошности породы). Разведка месторождений, исследование пластов, извлечение неф­ти и газа осуществляется через отдельные скважины диаметром 10-20 см, отстоящие друг от друга на сотни метров.

Кроме перечисленных особенностей теории фильтрации нефти и газа в природных пластах, можно еще отметить следующие:

1. Невозможность изучать движение флюидов в пластах прямым применением классических методов гидродинамики, т.е. решением урав­нений движения вязкой жидкости для области, представляющей собой со­вокупность всех пор.

2. Сочетание очень различных масштабов фильтрационных процес­сов, определяемых различными характерными размерами, отличающимися по величине на многие порядки: размер пор (единицы и десятки микро­метров), диаметр скважин (десятки сантиметров), протяженность место­рождений (десятки километров). Масштаб неоднородности пластов вдоль и поперек простирания может иметь практически любые значения.

3. Ограниченность и неточность сведений о строении и свойствах пласта и пластовых флюидов (в пластовых условиях), не позволяющих по­строить однозначную модель пластовой залежи.

Перечисленные особенности подземной гидромеханики приводят к формулировке основных модельных представлений и разработке методов, направленных, прежде всего, на установление качественных закономерно­стей процессов и на создание расчетных моделей, мало чувствительных к точности исходных данных. При этом познавательная и практическая цен­ность результатов в значительной степени определяется четкостью поста­новки расчетной задачи и глубиной предварительного анализа имеющихся данных.

Рис. 1.3. Схематическое пред­ставление эффективного описа­ния пористой среды

Рис 1.2. Схематическое представ­ление пористой среды.

1 - поровые каналы, 2 - твердый скелет

§ 2. Исходные модельные представления подземной гидромеханики