Подземная гидравлика пласта

Влияние радиуса скважины на ее производительность. Формулы для плоских и сферических радиальных притоков к скважинам с линейным и нелинейным законами фильтрации. Закон распределения давления для галереи. Расчет скорости фильтрации по закону Дарси.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

За последние годы значительно улучшились и уточнились методы исследования скважин и пластов. Мы теперь обладаем регистрирующими глубинными манометрами, способными с точностью до 0,5 am фиксировать пластовое давление до 200-250 am; мы имеем герметичные глубинные пробоотборники, которые позволяют отбирать пробу нефти из скважины с сохранением высокого давления и высокой температуры; мы имеем аппаратуру, которая позволяет анализировать отобранную пробу без снижения давления и температуры. Для определения параметров пласта ныне используется не только электрокароттаж скважин, но и гаммакароттаж и нейтроновый кароттаж. Для изучения нефтеодогазонасыщенности отобранных в процессе бурения кернов и для некоторых иных целей используются новейшие достижения ядерной физики.

При любом способе добычи нефти и газа возбуждается их движение в пласте; поэтому без знания подземной гидравлики нельзя обоснованно решить важнейшие задачи технологии нефтедобычи и добычи газа -- нельзя выбрать систему разработки месторождения и режим эксплуатации скважин, которые были бы наиболее рациональны для данных пластовых условий и в то же время наиболее удовлетворяли планово-экономическим требованиям. Указывая на необходимость знания законов подземной гидравлики для решения проблем технологии нефтедобычи, нужно подчеркнуть, что знания только этих законов недостаточно для изучения сложных процессов фильтрации жидкостей и газов в пластовых условиях. Действительно, громадная удельная поверхность пористой среды (величина поверхности стенок поровых каналов, приходящаяся на единицу объема образца пористой горной породы) и малые диаметры зерен и поровых каналов указывают на то, что роль молекулярных сил может быть относительно велика. Поэтому необходимо считаться с прямым и косвенным влиянием поверхностных явлений на процессы движения жидкости в гористой среде. Кроме того, для очень многих месторождений характерны высокие и снижающиеся в процессе разработки пластовые давления, высокие пластовые температуры; часто в одних и тех же порах пласта одновременно находятся не нефть, газ и вода, причем иногда физико-химические свойства законтурной (краевой) воды сильно отличаются от свойств связанной (сингенетичной, реликтовой, погребенной) воды, пленка которой обволакивает зерна нефтесодержащей породы. По мере падения пластового давления, выделения газа из раствора и продвижения краевой воды внутрь контура нефтеносности в пласте могут развиваться сложные физико-химические процессы, оказывающие существенное влияние на особенности движения жидкостей и газов в пластах. Не менее сложные физико-химические явления возникают при закачке в нефтеносный пласт воды, воздуха или газа, например для поддержания или восстановления пластового давления. Следовательно, физика и физикохимия пласта столь же важны для изучения поведения нефтегазоносного месторождения в процессе его разработки и эксплуатации, как и подземная гидравлика.

Подземная гидравлика -- наука о движении нефти, газа и воды в пластах, сложенных пористыми и трещиноватыми горными породами.

Если учесть буквальный смысл термина гидравлика, то было бы правильнее науку о движении нефти, газа и воды в пластах назвать механикой жидкостей и газов в пористой среде1. Последнее название более верно и потому, что при изучении фильтрации жидкостей и газов в пористой среде используются не только упрощенные методы гидравлики, но и математически строгие, общие методы гидромеханики. Однако для простоты сохраним за упомянутой наукой более привычное название, укоренившееся уже и как название соответствующей учебной дисциплины -- Подземная гидравлика.

Итак, подземная гидравлика, физика и физикохимия пласта являются (наряду с промысловой геологией и отраслевой экономикой) основами современной технологии нефтедобычи. Без комплексного развития этих наук и внедрения их достижений в нефтепромысловую практику невозможен прогресс технологии нефтедобычи.

В подземной гидравлике приходится иметь дело со многими из тех законов движения жидкостей и газов в пористой среде (с законами фильтрации), которые имеют важное значение не только в области технологии добычи нефти и газа, но и в гидрогеологии, инженерной геологии, гидротехнике, химической технологии и т. д. В самом деле, теория фильтрации является основой для решения, например, следующих важнейших проблем водоснабжения и ирригации: расчет притоков жидкости к искусственным водосборам и дренажным сооружениям, изучение режима естественных источников и подземных потоков и т. д. В гидротехническом строительстве и при проведении крупных инженерно-геологических работ приходится рассчитывать фильтрацию вод под плотинами и в обход плотин, фильтрацию через тело земляных плотин, осуществлять искусственное понижение уровня грунтовых вод, бороться с грунтовыми водами при оползнях. При проведении подземной газификации (в каменноугольной промышленности) необходимо учитывать особенности движения газов в пористой среде. В керамической промышленности возникает задача о фильтрации жидкостей и газов через стенки сосудов, в химической промышленности -- задача о движении реагентов в пористой среде катализатора, о движении реагентов через специальные фильтры, о шламовой фильтрации и т. д.

20-25 лет назад большинство вопросов технологии нефтедобычи (особенно в области технологии пласта) решалось без должного научного анализа, но традиции или только на основании производственного чутья. Объясняется это тем, что сведения по подземной гидравлике и физике пласта в то время были еще мало систематизированы и совсем не известны широким кругам нефтепромысловых работников. Кроме того, многие практически важные и ныне решенные проблемы в области упомянутых наук в то время были далеки от своего разрешения (см. приведенный в конце курса исторический очерк развития подземной гидравлики). Нельзя не отметить, что за последние четверть века сами практические задачи эксплуатации и разработки нефтяных и газовых месторождений сильно усложнились. Ныне (в 1949 г.) разрабатываются месторождения нефти и газа, глубина залегания которых превосходит м (наиболее глубокое 4420 м), а глубины некоторых разведочных нефтяных скважин достигли почти 5500 м (в июне 1949 г. 6228 м, на 1/1 56 г. 6800 м); в 1947 г. уже более 100 скважин отбирали нефть с глубин, превосходящих 3000 м (в 1949 г. -- 610 скважин с глубинами более 3660 м). Стоимость бурения и эксплуатации таких скважин очень велика. Поэтому возникает острая необходимость в научно обоснованном решении многих вопросов, связанных с добычей нефти и газа; без этого невозможна рациональная разработка нефтяных и газовых месторождений. Если раньше из пласта добывали лишь 20-25% находившейся в нем нефти, то теперь, применяя различные методы интенсификации, стремятся повысить коэффициент нефтеотдачи до 80-90%.

Итак, несомненно, за последние годы проблемы добычи нефти и газа, во-первых, резко усложнились и, во-вторых, выросли в проблемы огромной политической и экономической важности. Решать эти проблемы кустарными, старыми методами уже нельзя, а потому развитию научно обоснованных методов технологии добычи нефти и газа уделяется особое внимание; совершенствование же технологии добычи нефти и газа немыслимо без учета достижений подземной гидравлики.

Вполне понятно, что достижения подземной гидравлики в полной мере не могут быть использованы в условиях раздробленного частнокапиталистического хозяйства, при наличии конкурирующих владельцев отдельных участков единого нефтяного или газового месторождения. Известно, какие заведомо нерациональные системы разработки месторождений и неправильные режимы эксплуатации скважин встречаются в США, когда каждый владелец старается разрабатывать и эксплуатировать свой участок, исходя из интересов только личной наживы. Известны также трудности, возникающие в США при попытках отдельных владельцев и отдельных нефтяных фирм объединиться для осуществления научно обоснованных систем разработки новых крупных газовых и нефтяных месторождений. Социалистическая система хозяйства в СССР не только дает возможность, но и настоятельно требует внедрения научно обоснованных методов добычи нефти и газа.

Перед промысловой геологией, теорией эксплуатации нефтяных и газовых скважин, отраслевой экономикой, подземной гидравликой и физикой пласта возникают задачи: установить принципы, на базе которых можно составлять генеральные схемы разработки вновь открываемых месторождений нефти и газа и в соответствии с государственным планом осуществлять наиболее рациональный режим их эксплуатации.

Цель и задачи

Определить закон распределения давления, градиента давления и скорости фильтрации по длине пласта, дебит галереи, закон движения частиц жидкости и средневзвешенное по объёму порового пространства пластовое давление при следующих исходных данных: LК - длина пласта; B - ширина пласта; h - толщина пласта; k - проницаемость; PК - давление на контуре; PГ - давление на стенки галереи; м - динамическая вязкость.



Теоретическая часть

Для целей данной работы формулы дебита и соответствующие им условия притока жидкостей и газов к скважинам имеет смысл разделить на четыре типа:

I. Плоский радиальный приток к скважинам по линейному закону фильтрации.

II. Плоский радиальный приток к скважинам по нелинейному закону фильтрации.

III. Сферический радиальный приток к скважинам по линейному закону фильтрации.

IV. Сферический радиальный приток к скважинам по нелинейному закону фильтрации.

Для фильтрационных потоков первого типа зависимость дебита скважины Q от ее...