ПОДЗЕМНАЯ ГИДРОДИНАМИКА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ В УСТАНОВЛЕНИИ РАЦИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ Ч. 1 ДВИЖЕНИЕ И РАВНОВЕСИЕ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ДВУХ ЖИДКОСТЕЙ В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ 1 Критерии рациональной системы разработки: – обеспечение минимальных издержек на единицу добываемой углеводородной продукции при возможно более полном использовании промышленных запасов углеводородов в залежи 2 При установления системы разработки необходимо разрешить следующие вопросы: • • • • следует ли нагнетать в пласт воду или газ, чтобы полнее, в более короткий срок и с меньшими издержками извлечь из пласта промышленные запасы нефти; какой должна быть схема расположения эксплуатационных и нагнетательных скважин; какое нужно число эксплуатационных и нагнетательных скважин и каковы должны быть режимы их работы; каким должен быть порядок разбуривания залежи 3 Решение задачи об установления рациональной системы разработки следует разбить на следующие последовательно прорабатываемые вопросы: –а)определение исходных физико-геологических данных; –б)установление геолого-технических показателей при той или иной системе разработки пласта; –в)оценка экономической эффективности различных вариантов разработки; –г) на основе сопоставления геолого-технических и экономических показателей проведение выбора рационального варианта разработки. 4 Геологические методы определения геологотехнических показателей разработки (дебиты нефти и газа, изменение их во времени, срок эксплуатации скважин и т. д.): • статистическое изучение поведения пласта и скважин при их эксплуатации по данным ранее пробуренных и уже эксплуатирующихся скважин. Геолого-технические показатели, установленные статистическими методами, представляют собою непосредственные зависимости изменения дебитов и давлений от степени уплотнения скважин, от разновременного ввода скважин в эксплуатацию, от числа скважин и т. д. Распространять геолого-технические показатели, полученные геологическими методами по одному объекту, на другой, хотя и аналогичный, нельзя, так как вряд ли возможно встретить два одинаковых месторождения и показатели, полученные на основании данных прошлой эксплуатации, будут характеризовать только ту систему, которая применялась на изучаемом объекте. Таким образом, геологические методы не могут своевременно и обоснованно установить показатели иной системы разработки — они могут лишь фиксировать результаты осуществленной системы разработки. 5 Единственным методом определения геологотехнических показателей возможных систем разработок, варьирующих в широких пределах по данным, полученным на основании разведки и опробования небольшого числа скважин, является метод, основанный на законах движения флюидов в пористой среде при тех конкретных условиях, которые присущи данному месторождению как при использовании только естественной энергии, так и при нагнетании в пласт воды или газа. 6 При проектировании рациональных методов разработки и разведки нефтяных и газовых месторождений возникает ряд вопросов, которые могут быть решены с нужной степенью точности только методами подземной гидромеханики и теории фильтрации. К таким главнейшим вопросам можно отнести: • продвижение границы раздела двух жидкостей в пористой среде; • определение оптимальных схем расположения рядов скважин и установление срока их эксплуатации; • расчет дебитов нефтяных и газовых скважин. 7 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ПУТЬ РАСЧЕТА РАЦИОНАЛЬНОЙ РАЗРАБОТКИ Допущения: 1. Используются средние для определенных участков пласта параметры — пористость, проницаемость, мощность и т. д. 2. Используется приближенный метод, основанный на замене каждого ряда скважин галерей такого же размера и той же формы. Так как в действительности мы имеем не галереи, а ряды скважин, необходимо в величины дебита галереи и продолжительности ее работы, внести некоторую поправку. Эта поправка вводится в виде условного коэффициента φ, который численно представляет собою отношение дебита всех скважин ряда к дебиту 8 соответствующей галереи. 3. Ограничимся установлением не текущих дебитов, как некоторых функций времени, а средневзвешенных дебитов за весь период перемещения контакта от начального контура до первого ряда и затем от ряда к ряду. 4. Средневзвешенный дебит определим как дебит ряда скважин в одножидкостной системе при таком контуре питания, который обеспечивал бы скорость фильтрации, равную средней скорости фильтрации при действительных условиях движении флюидов. Этот искусственно вводимый назовём приведенным. контур питания 9 1. ДВИЖЕНИЕ И РАВНОВЕСИЕ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ДВУХ ЖИДКОСТЕЙ В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ Л. С. Лейбензон, М. Маскет, В. Н. Щелкачев, П. Я. Полубаринова-Кочина и другие. Задача о движении жидкой частицы вдоль линии тока при установившемся течении • одножидкостная система • значения контурных потенциалов - постоянны 10 Найдем проекции скоростей фильтрации частиц первой и второй жидкостей, находящихся в точке М, на и n Рис. 1. График скоростей жидких частиц на границе раздела двух жидкостей кривая PQ - граница раздела двух жидкостей с вязкостями μ1, μ2 (μ1< μ 2). n 1) Согласно неразрывности течения элементарные расходы обеих жидкостей через произвольный элемент границы раздела должны быть равны, т.е. нормальные проекции обеих скоростей равны u1n = u2n. 2) согласно закону Дарси без учета сил тяжести k p k p u1 , u 2 1 2 - касательная к PQ - нормаль к PQ 11 3. Проницаемость k =const, μ1#μ2 Следовательно, u1τ ≠ u2τ, и если μ1< μ 2, то u1τ > u2τ ВЫВОД u u 1. Результирующие векторы скоростей 1 и 2 точки М для частиц каждой жидкости будут различны и, следовательно, линии тока AМ и ВМ, проходящие через точку М в каждой из жидкостей, будут иметь излом в точке М 12 Приближенное решение задачи о продвижении границы раздела Допущения 1. Определяются расчетные средние действительные скорости W частиц в сечениях элементарных трубок тока, связанные со скоростью фильтрации — пористость. u соотношением u w m , где m 2. Жидкости предполагаются: • несмешивающимися • взаимно нерастворимыми •химически не реагирующими одна с другой и с пористой средой. 3. Вытеснение одной жидкости предполагается происходящим полностью — так называемое «поршневое» вытеснение. 13 Уравнения движения отмеченных частиц в потоке однородной жидкости Дано: 1. жидкость однородная 2. φ(х, у, z, t) - потенциал движения, известная функция ds 3. dt 4. u m - истинная скорость движения частицы ds - скорость фильтрации где ds — элемент траектории. dt dx m f 1 x, y , z , t , dt x dy m f 2 x, y , z , t , dt y dz m f 3 x, y , z , t . dt z Функции f1, f2, f3 известны, поскольку потенциал φ(х, у, z, t) считается заданным. Интегрируя систему получаем закон движения или траекторию жидкой частицы в виде x = x(t), y = y(t), z = z(t). 14 Задача о движении жидкой линии или жидкой поверхности Найти: уравнение жидкой поверхности F (x, у, z, t) = 0 Начальное условие: F(x, у, z, 0) = f(x, y, z), где f(x, y, z)— известная функция. Требование об принадлежности частиц жидкой поверхности u v w F x t , y t , z t , t t 0. m m m где u t , m v t , m w t , m (1) - проекции перемещения жидкой частицы за время δt Развертываем соотношение (1) в ряд Тейлора и удерживаем члены с первой степенью δt Fx, y , z , t u F v F w F F t t t t 0 m x m y m z t 15 Устремим δt к нулю, учитывая F (х, у, z, t) = 0 (по условию) u F F F F v w m 0 x y z t (2) Заменим в (2) скорости через производные потенциала F m grad gradF 0. t Линейное дифференциальное уравнение в частных производных первого порядка (2) представляет собой соотношение Кельвина, выполняющееся на всякой поверхности F (х, у, z, t) = 0, движущейся вместе с жидкостью, т. е. на любой жидкой поверхности Система обыкновенных дифференциальных уравнений, соответствующая уравнению (2) dx dy dz dt u v w m и, v, w —известные функции координат и времени, так как потенциал скорости φ задан 16 Расчет скорости вытеснения одной жидкости другой из недеформируемых трубок тока Предположим: линии тока неизменны (стационарны) за все время движения В этом случае задача сводится к расчету времени вытеснения одной жидкости другой из системы трубок переменного по длине сечения, когда все эти трубки являются жесткими, недеформируемыми. • площадь поперечного сечения f функция длины s, отсчитываемой вдоль оси; • скорости фильтрации во всех точках сечения f= f(s) одинаковы; Трубка тока переменного сечения • пренебрегаем массовыми силами и гравитационными (считаем плотности жидкостей равными); • жидкости несжимаемы; 17 • Течение подчиняется закону Дарси Закон Дарси для трубки переменного сечения с равномерным распределением скоростей в поперечных сечениях. k dp f . 2) Отсюда 1) Из закона Дарси q ds dp q ds k f (3) 3) Интегрируем (3) при учете независимости q от s (согласно уравнению неразрывности) q s 2 ds p1 p 2 , k s f 1 k p1 p 2 q . s 2 ds s1 При переменной проницаемости k (4) f 1 p1 p 2 q . s 2 ds kf s1 (5) 18 Вытеснение жидкостей в жесткой трубке тока переменного сечения • l – длина трубки тока; • индекс 1 - вытесняющая жидкость, индекс 2 – вытесняемая жидкость; • рк - давление в сечении трубки, занятом вытесняющей жидкостью (контур питания); • рс – давление в сечении, отстоящем от первого на расстоянии s =l, занятом вытесняемой жидкостью(скважина); • f f (s ) - закон изменения площади f поперечного сечения трубки по длине (известен); • первая жидкость занимает в данный момент длину трубки s, а вторая l-s; • p1-2 - давление в граничном сечении; • проницаемость k - постоянна Схема контакта двух жидкостей в трубке тока тока 19 Найти: скорость перемещения Из (4) q k p1s p2 . ds f s1 границы раздела : для двухжидкостной системы 2 q fu1 2 fm ds k pк p1 2 k p1 2 pc dt 1 s ds 2 l ds 0 f s f (6) Для одножидкостной системы ( вторая, вытесняемая жидкость ) fu2 2 k pк p2 2 k p 2 2 pc 2 s ds 2 l ds 0 f s f (7) Делим (6) на (7) при учете равенства подинтегральных выражений (трубки тока недерформируемы) u1 2 pк p1 2 p pc 1 2 u 2 2 1 p p p 2 2 pc 2 2 2 к → u1 2 pк pc . u 2 2 0 pк p 2 2 p 2 2 pc ( 0 1 ) 2 (8) 20 Формула (8) - искомая. Она позволяет связать скорость u1-2 двухжидкостной системы со скоростью u2-2 одножидкостной Если одножидкостный поток известен, по формуле (8) можно найти скорости в любой точке. Если траектории частиц в моножидкостной и двухжидкостной системах различны (вязкости жидкостей отличаются), то данная формула дает заниженные или завышенные результаты. В случае существования траекторий общих для обеих жидкостей из геометрических соображений можно судить, в какую сторону делается ошибка при пользовании формулой (8). 21 Оценка отклонений вычислений по формуле (8) Постановка задачи: 1. 2. Схема линии тока при прорыве к 3. скважине при различном соотношении вязкостей вытесняемой и вытесняющей жидкостей. вытесняемая жидкость под напором вытесняющей поступает к линейной батарее скважин (рис.); Т — контур питания, MN — граница раздела в данный момент, AS — прямолинейная осевая линия тока, проходящая через какую-либо скважину S. Давления на контурах питания и скважин постоянные Рассмотрим примерный вид линии тока в обеих областях, проведенной через точку А', весьма близкую к А. А) μ1= μ2 линия тока, проходящая через А', будет изображаться 22 плавной кривой A'B'S (нет преломления). В) μ1< μ2 Из закона преломления следует, что линия тока будет иметь вид ломаной A'CS, т. е. приблизится к прямой AS. Во второй зоне в окрестности прямой AS происходит сгущение линий тока по сравнению с картиной линий тока при μ1=μ2. Заставляя теперь точку А' стремиться к А, приходим к выводу, что скорость точки В границы раздела, лежащем на прямолинейной траектории AS, в действительности будет несколько больше той величины, которая получится по формуле (8), так как сгущение линий тока соответствует увеличению скоростей. Следовательно, эта формула для движения по прямой AS дает при μ1< μ2 несколько заниженное значение скорости против действительной. C) μ1> μ2 Линия тока будет иметь вид A'DS и в этом случае для точки В по формуле (8) получится значение скорости, большее действительного Для точки К формула (8) будет давать обратные результаты, нежели для точки В, т. е. преувеличенные значения скорости при μ1< μ2 и 23 преуменьшенные при μ1> μ2. Вытеснение нефти водой из трубки тока переменного сечения Постановка задачи 1. Трубка переменного сечения заполнена пористой средой, в которой одна жидкость вытесняет другую, например вода вытесняет нефть (рис. ). Схема контакта двух жидкостей в трубке тока 2. В одном сечении трубки (контур питания в водяной части), известно давление рк; в другом сечении трубки (нефтяная часть – скважины), известно давление рс. 3. Вытеснение одной жидкости другой происходит «поршневым» образом 4. Пренебрегаем эффектом силы тяжести. 5. Плотности обеих жидкостей считаем одинаковыми. Требуется рассчитать продвижение границы раздела, предполагая, что эта граница является некоторой поверхностью 24 Задача о движении однородной жидкости в трубке переменного сечения f=f(s). k dp u . ds Скорость фильтрации Q Объемный расход p1 p 2 s2 . ds s kf (s ) 1 Схема движения в трубке тока переменного сечения Фильтрационное сопротивление R s2 R s1 Формула (1) в виде, аналогичном закону Ома ds . kf (s ) Q p1 p 2 . R 25 (1) Расход воды или нефти Q p pc pк p s l ds ds в н kf ( s ) kf ( s ) 0 s μв, μн — соответственно вязкость воды и нефти; l — вся длина трубки. Сложим числитель и знаменатель по правилу производных пропорций. Тогда р сократится, и получим закон Ома для последовательного соединения двух проводников (сопротивления складываются). p к pс Q s . l ds ds в н kf ( s ) kf ( s ) 0 s Рассмотрим знаменатель этого выражения Он является переменной величиной, так как зависит от s. s l Обозначим ds ds R( s ) в н . kf ( s) kf ( s) 0 s Тогда Q p к pс . R(s ) (2) 26 Движение границы раздела 1. За время dt граница раздела перейдет длину ds. 2. Из объема f(s)ds уйдет количество нефти, равное объему пор в этом элементе 3. Ушедшее количество нефти заместится равным количеством воды: m f (s)ds = Qdt 4. Учитывая формулу (2), получаем pк pс mf ( s)ds dt. R( s ) 5. Считая депрессию постоянной, после разделения переменных имеем s mf ( s) R( s) 1 dt ds, t t0 mf ( s) R( s)ds pк pс pк pс s0 s0 — положение границы раздела в момент времени t0 (3) 27 Прямолинейное и плоско-радиальное движение границы раздела в пласте с постоянными мощностью, пористостью и проницаемостью Рассмотрим движение между контуром питания и изобарой рс. Исходные формулы s l ds ds R( s ) в н . kf ( s) kf ( s) 0 s (4) s 1 t t0 mf ( s) R( s)ds pк pс s0 При f (s) = f = const, Схема прямолинейного движения водонефтяного контакта рк – давление на контуре питания (прямая КП) рс - давление на одной из близких к батареи изобар (5) k = const (6) Решение Из (4)-(6) R( s ) 1 в s н l s kf 28 Закон движения R(s) → (5), полагая t0 = 0 m t p к pс s f s kf в s н l s ds 0 m 1 2 2 l s s s s н 0 н в 0 k ( pк pс ) 2 . (7) Задаваясь положением границы раздела, из (7) можно найти соответствующее время. Чтобы найти время полного вытеснения нефти, нужно положить s=l. 29 Доказательство справедливости (7) ОДНОЖИДКОСТНАЯ СИСТЕМА μн=μв=μ Из (7) t ml s s0 k р к рс (8) Решение из закона Дарси k рк рс u l w u k рк рс m m l Так как w= const, то путь s- s0 будет пройден за время t s s0 ml s s0 t w k р к рс 30 РАДИАЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ВОДОНЕФТЯНОГО КОНТАКТА В ПЛАСТЕ ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ гс - радиус действительной или воображаемой скважины рс - давление на забое RK - радиус окружности контура питания рк – давление на контуре s - расстояние, пройденное вытесняющей жидкостью, отсчитываемое от контура питания Схема плоско-радиального движения водо-нефтяного контакта Для решения воспользуемся формулами s s mf ( s) R( s) 1 dt ds, t t0 mf ( s) R( s)ds pк pс pк pс s0 (3) l ds ds R( s ) в н . kf ( s) kf ( s) 0 s 31 (4) Найдем зависимости f(s) и R(s): f(s)=2rh, где h —мощность пласта. Перейдем от переменной s к переменной г (г — радиус перемещающегося контура нефтеносности в данный момент) s RK r , ds -dr, rc r 1 dr dr R(s) в н k RK 2rh 2rh r 1 RK r в ln н ln . 2kh r rc (9) В (3) для времени t и полагаем t = 0 r 2 m RK r t 2rh в ln н ln dr 2kh рк рс r1 r rc r 1 m RK r r в ln н ln dr , k рк рс r2 r rc 32 или m r12 r22 t в ln RK н ln rc k рк рс 2 r12 r12 r22 r22 н в ln r1 ln r2 . 4 2 4 2 (11) Из (11) можно найти время радиального перемещения водо-нефтяного контакта от начального положения r=r1 до заданного г = г2. Время прорыва в скважину получим, полагая г = гс. 33 Характер движения водо-нефтяного контакта. Схемы предельно анизотропных пластов. Устойчивость движения границы раздела Схема наклонного пласта 1. Пласт - наклонный 2. Первоначальная граница ВНК горизонтальна, затем начинает деформироваться 3. Пласт вскрывается группой скважин, находящихся в нефтяной части пласта 4. A0B0, A1B1, А2В2,.. – последовательные положения ГВК при отборе 5. Схема вытеснения – поршневая (площадь ГВК мала, контакт вертикальный 6. Пласт - однородно-анизотропен (составляющие проницаемости kх и kу в двух взаимно-перпендикулярных направлениях по напластованию и перпендикулярно напластованию различны; kу =0 - схема послойного движения; ky = ∞ - гидростатическое распределение давления в каждом 34 поперечном сечении фильтрационного потока) Устойчивость движения границы раздела Движение ВНК - неустойчиво в случае ускорения частиц воды при попадании в область ГВК Движение ВНК - устойчиво в случае замедления частиц воды при попадании в область ГВК (u1)2 - скорость частицы первой жидкости, попавшей в поток второй жидкости с градиентом давления p s 2 (k1)2 - проницаемость для первой жидкости в зоне движения второй Согласно закону Дарси u 1 2 k 1 2 p 1 z 1 . s s 2 (1) Скорость u2 основных частиц второй жидкости, соприкасающихся с проникшими туда частицами первой жидкости k2 u2 2 p z 2 . s s 2 (2) 35 Из (1) и (2) получаем связь между (u1)2 и u2 1 z 2 z p u 1 2 1 u 2 2 k 1 2 s k 2 s s 2 u 1 2 k 1 2 2 k 1 2 z 1 2 . u2 1 k 2 1 s (3) (4) Об устойчивости движения можно судить по разности Δu=(u1)2-u2 u u 1 2 k 1 2 2 k 1 2 z 1 2 . u2 1 u 2 1 s 1 k 2 (5) При Δu≤0 движение устойчиво, при Δu>0 движение неустойчиво. Проникновение первой жидкости в зону движения второй будет происходить вдоль подошвы или вдоль кровли пласта. В этом случае dz/ds - есть синус угла наклона пласта к горизонту: dz/ds = sin. Величина u2 может быть определена по заданному дебиту отбираемой 36 второй жидкости. Условие устойчивости (4) можно представить в виде: k 1 2 2 k 1 2 1 2 sin . u 1 u 2 1 1 k 2 (6) Величина (k1)2 близка к проницаемости переходной зоны — зоны, оставленной второй жидкостью и занятой первой. Обычно (k1)2 значительно меньше k2. В первом приближении можно считать (k1)2 ≈k2= k. Выводы из (5) 1. Движение устойчиво при очень малых скоростях u2 и при γ1> γ2, α>0 (Δu<0 даже если велико 2 k 1 2 ) 1 k 2 2. Когда ВНК далек от эксплуатационных скважин и скорость u2 мала, граница раздела движется устойчиво 3. С приближением ВНК и с увеличением u2 Δu увеличивается. Когда Δu>0, движение неустойчиво и язык подошвенной воды будет двигаться 37 гораздо быстрее Неустойчивость движения при ky = ∞ Рассмотрим движение граничных точек А и В (рис) вдоль кровли и подошвы наклонного пласта Допущения 1. проницаемость k и мощность пласта h – постоянные 2. движение прямолинейно-поступательное с расходом q на единицу ширины 3. поперечное сечение пласта в точке А проходит, только через водоносную часть пласта, причем скорости частиц воды в этом сечении А можно считать равномерно распределенными 4. в сечении В в нефтеносной части пласта скорости частиц нефти также равномерно распределенные 38 1 z 2 z p u u Исходное уравнение k 1 2 1 2 1 s k 2 2 2 s s 2 (3) 1. полагаем (k1)2=k2= k, γ1= γв; γ2= γн (γв, γн - объемные веса воды и нефти) 2. считаем жидкости несжимаемыми Для точки А q , u 2 (u A ) H , h B q B sin H (u A )H H sin k h k ( u1 ) 2 откуда q k (u A ) H ( B H ) sin 0h H 0 H B (7) - отношение вязкости нефти μН к вязкости воды μВ 39 Для точки В (u1 ) 2 (u B ) в , u 2 B k откуда q , h (u B ) в B sin (u В ) в 0 H q k h H sin q k ( B H ) sin h в (8) Согласно (7) и (8)при неустойчивом движении границы раздела скорости граничных точек А и В вдоль кровли и подошвы пласта не совпадают со средней скоростью движения q/mh, где m — пористость. Точка А вдоль кровли при γВ= γH движется в μ0 раз медленнее, точка же В вдоль подошвы в μ0 раз быстрее. При неустойчивом движении, когда темп вытеснения достаточен, различие объемных весов Δγ=γВ-γН мало сказывается на результате. Более существенным фактором оказывается неполнота вытеснения, обусловленная фазовыми проницаемостями вытесняющей и вытесняемой жидкостей. Устойчивое движение с достаточной точностью можно рассчитывать по схеме послойного движения частиц параллельно кровле и подошве 40 пласта или по схеме жестких трубок тока.