Особенности движения флюидов в пористых средах

Особенности движения флюидов в  пористой среде

 

 

Содержание

 

1. Введение

2.   Геологическая часть

2.1 Орогидрография района

2.2 Стратиграфия и Литология

3. Технологическая часть  

Особенности фильтрации в  трещиноватых и трещиновато-пористых     пластах

3.1 Классификация трещиноватых  пластов

3.2 Проницаемость пласта

3.3 Границы применимости линейного закона фильтрации

4. Расчетная часть 

Капиллярная пропитка при  физико-химическом и тепловом 

заводнениях. Нефтеотдача  трещиновато-пористых коллекторов

5. Специальная часть

    5.1 Охрана окружающей среды

6. Выводы и рекомендации

7. Список используемой  литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

Под фильтрацией понимают движение (просачивание} жидкости или  газа или газожидкостной смеси через  твердое тело, имеющее пустоты, одни из которых называют порами, другие трещинами. Мельчайшие пустоты обладают тем свойством, что силы молекуляр ного взаимодействия между жидкостью и твердыми стенками очень велики. Они образуют молекулярные поры. В самых больших пусто тах взаимодействие жидкости со стенками лишь частично влияет на ее движение. Такие пустоты называются кавернами.Промежуточное место между молекулярными порами и кавернами занимают просто поры. Твердое тело, содержащее поры, представляет собой пористую среду, песок, песчаник, известняк.

Если внутри твердого тела возникли трещины, такое тело являет собой примертрещиноватой среды. Растресканность горных пород макротрещинами и микротрещинами, не смещающими слои пород друг относительно друга, можно объединить под термином «трещиноватость». Пористый коллектор нефти и газа, наделенный к тому же свойством трещиноватости, есть представитель пористо-трещиноватой среды.

Жидкость, газ, смесь жидкости и газа, другими словами—всякая текучая среда, часто именуется  в зарубежной литературе собирательным  термином флюид (fluid), если не ставится задача выделить характерные особенности  движения данной среды.

Движение текучей среды  через поры или трещины возможно, если некоторые из пор или трещин сообщаются между собой. Флюид, заполняющий  сообщающиеся поры или трещины, образует непрерывную среду (континуум), занимающую некоторую часть всего пространства, принадлежащего объему пористой или  трещиноватой среды. Мы будем считать, что в любом как угодно малом  объеме пористой или трещиноватой среды  находится жидкость, газ или газожидкостная смесь. Чрезвычайно малые размеры  перовых каналов, их неправильная форма, большая поверхность шероховатых  стенок — все это создаст огромные сопротивления движению жидкости и  газа. Эти сопротивления служат главной  причиной очень низкой скорости перемещения  жидкости и газа в пористой среде; скорости в процессе фильтрации оказываются  значительно более низкими, чем  скорости движения в трубах или открытых руслах.

Если объем пространства, занятого порами, не изменяется или  изменяется так, что его изменениями  можно пренебрегать, пористая среда  считается недеформируемой. Если же под влиянием упругих сил происходят такие изменения объема перового или трещиноватого пространства, величиной которых пренебрегать нельзя, среду следует рассматривать  как упругую.

 

 

2. Геологическая  часть

 

                                                2.1 Орогидрография

 

Самотлорское нефтегазовое месторождение находится в Нижневартовском  районе Ханты – Мансийского автономного  округа Тюменской области, в 750 км к  северо – востоку от г. Тюмени и  в 15 км от г. Нижневартовска. В непосредственной близости к месторождению располагаются  разрабатываемые – Аганское (с  запада), Мало – Черногорское (с северо – востока), Лор – Еганское (с  востока), Мыхпайское (с юга) месторождения.

Географически район месторождения  приурочен к водоразделу рек  Вах, являющейся судоходной, и Ватинского Егана, правых притоков р. Оби. Рельеф слабо  пересечённый, с абсолютными отметками  от плюс 45 до плюс 75 м. Площадь месторождения  сильно заболочена, отмечаются также  многочисленные озёра. Наиболее крупными являются Самотлор (его площадь 62 км²), Кымыл – Эмтор, Белое, Окунево, Калач, Проточное и другие. Многие озёра и болота в зимний период не промерзают.

Растительность представлена смешанными лесами с преобладанием  хвойных пород и тальниковыми кустарниками, произрастающими преимущественно  по берегам рек и озёр.

Климат территории континентальный  с коротким прохладным летом и  продолжительной холодной зимой. Среднемноголетняя  годовая температура воздуха  составляет -3⁰C. Наиболее холодным месяцем года является февраль (-25⁰С). Самым тёплым – июль (+20⁰С). Абсолютный минимум температур -50⁰С, абсолютный максимум +47⁰С.

Населённые пункты непосредственно  на месторождении отсутствуют. Ближайшие  населённые пункты – г. Нижневартовск, г. Мегион, п. Покур, п. Вата и другие – расположены на берегу р. Оби  в 35 км и более километрах от рассматриваемого месторождения. Коренное население  этого района – русские, ханты  и манси. В малонаселённом прежде районе быстро увеличилась численность  населения в связи с привлечением специалистов и рабочих со всех концов страны.

Основными отраслями хозяйства  района являются нефтегазодобывающая  промышленность, строительство объектов нефтяной промышленности, лесозаготовки, автомобильное хозяйство и другие.

 

2.2 Тектоника и стратиграфия

 

В пределах Западно-Сибирской  плиты большинство исследователей выделяет три структурно – тектонических  этажа. Нижний формировался в палеозойское и допалеозойское время и отвечает геосинклинальному этапу развития современной плиты.

Средний – объединяет отложения, образовавшиеся в условиях парогеосинклинали, имевшей место пермскотриасовое время.

Верхний – мезо – кайнозойский, типично платформенный формировался в условиях длительного, устойчивого  погружения фундамента.

Хантейская антеклиза, расположенная  в центральной части Западно  – Сибирской низменности, включает в себя следующие положительные  структурные элементы первого порядка: Сургутский свод на западе, Нижневартовский  на востоке, Каймысовский и Верхне –  Демьяновский на юге. Центральную часть  антеклизы занимает Юганская впадина.

В региональном тектоническом  плане по отражающему сейсмогоризонту  “ Б ” Самотлорская площадь  расположена в центральной части  Нижневартовского свода, в пределах Тарховского куполовидного поднятия, которое объединяет Самотлорскую, Мартовскую, Северо – Самотлорскую, Белозёрскую  и Черногорскую структуры 3 - го порядка.

По кровле горизонта БВ₁₀ Самотлорское куполовидное поднятие оконтуривается изогипсой минус 2200 метров. Все локальные структуры внутри контура выражены довольно резко. Наиболее крупная из них – собственно Самотлорская, расположена в центральной и южной частях Тарховского поднятия. Структура оконтурена изогипсой минус 2120 м., имеет изометрическую форму с изрезанными контурами. Размеры её в плане 12 * 15 км., амплитуда структуры около 80 м. Белозёрская структура по кровле пласта БВ₁₀ осложнена двумя куполами, оконтуренными изогипсой минус 2130м. Общие размеры структуры 6 * 15 км. в пределах изогипсы минус 2130м. В целом Самотлорское куполовидное поднятие по замыкающей изогипсе минус 2200м. имеет размеры 32 * 40 км., амплитуду 150 метров.

По кровле горизонта БВ₈ в структурном плане Самотлорского куполовидного поднятия отмечается незначительное выполаживание по сравнению с нижезалегающим горизонтом БВ₁₀. Более существенные изменения структурного плана происходят по кровле самого верхнего продуктивного пласта АВ₁. Белозёрное, Мартовское поднятия практически сливаются с Самотлорским, с севера и востока оконтуриваются изогипсой минус 1690м.. На западе и юго – западе оконтуриваются изогипсой минус 1640м. и раскрываются в сторону Аганского, Ватинского, Мегионского и Мыхпайского поднятий. Углы наклона крыльев от десятков минут до 1.45. Амплитуда по отношению к западному крылу около 110м., восточному и северному – 160 метров

 

 

 

 

 

 

 

3.Технологическая  часть

Особенности фильтрации в  трещиноватых и трещиновато-пористых пластах 

 

3.1 Классификация трещиноватых  пластов. Параметры трещиноватости.

 

Рациональная разработка месторождений, приуроченных к тре  щиноватым пластам, будет способствовать дополнительной добыче нефти и газа. Отметим, что доля разведанных запасов  нефти в тре щиноватых пластах  в общем балансе месторождений  земного шара постоянно возрастает и уже сейчас составляет около 44%.

За последние годы трещиноватые пласты, содержащие нефть и газ, в  России были обнаружены на Северном Кавказе (Карабулак — Ачалуки, Заманкул, Малгобек, Селли, Гаша); в республиках  Средней Азии (Джаркак, Сарыташ и  др.); в Куйбышевском Поволжье; в пределах Восточных Карпат; на Ухте и в  других местах. Важное значение приобретают  перспективные площади в пре  делах Восточной и Западной Сибири.

Из сказанного вытекает важность исследований по фильтрации в трещиноватых пластах. Уместно отметить, что если процессы фильтрации в поровых коллекторах  хорошо изучены, то вопросам движения жидкости и газа в трещиноватых и  трещиновато-пористых пластах стали  уделять внимание сравнительно недавно, в основном в 60 гг. Эта область  является молодой, перспективной областью подземной гидравлики и несомненно с большой будущностью.

Все коллекторы можно подразделить на две большие группы: гранулярные (поровые) и трещиноватые. Емкость и- фильтрация в гранулярном (поровом) коллекторе определяются структурой порового пространства породы.. Для второй группы характерно наличие развитой системы трещин.

Таким образом, трещиноватость пород создается развитыми системами  трещин, густота которых зависит  от состава пород, сте пени уплотнения, мощности, метаморфизма, структурных  условий, состава и свойств вмещающей  среды.

Трещиноватые коллекторы подразделяются на:

1) коллекторы смешанного типа, для которых емкостью служат трещины, каверны, микрокарсты, стилолиты, поровые пространства; ведущая роль в фильтрации нефти и газа принадлежит развитой системе микротрещин, сообщающих эти пустоты между собой;

2) чисто трещинного типа — емкостью служат трещины и по ним же осуществляется фильтрация.

Коллекторы смешанного типа в свою очередь подразделяются на подклассы: трещиновато-пористые, трещиновато-каверновые, трещиновато-пористо-каверновые коллекторы и т. д.

Каждый такой подкласс определяется тем, какие категории  пустот являются главными вместилищами для нефти (газа).

Так, в трещиновато-пористом коллекторе основные запасы нефти (газа) содержатся в порах, а фильтрация осуществляется по развитой системе  микротрещин. В дальнейшем мы подробно рассмотрим условия фильтрации в  трещиновато-пористых коллекторах  и коллекторах чисто трещинного типа.

 
Одним из важнейших параметров, характеризующих  трещиноватый коллектор, является трещиноватость т (коэффициент трещиноватости, называемый иногда в литературе трещинной пористостью). Трещиноватостью называется отношение объема трещин образца tт ко всему объему образца t трещиноватой среды:

Выражается эта величина обычно в процентах. Трещиновато-пористые коллекторы имеют два типа естественных пустот:

а) межзерновая (первичная) пористость, аналогичная пористости для обычных  песков, песчаников;

б) вторичная пористость (трещиноватость), обусловленная развитием  трещиноватости, появившейся за счет различных причин. Пустоты этого  типа имеют большие раскрытия, чем  обычные раскрытия пор, и в  значительной степени обусловливают  фильтрационные свойства коллектора.

В соответствии со сказанным  такие коллекторы рассматриваются  Г. И. Баренблаттом, Ю. П. Желтовым и И. Н. Кочиной как совокупность двух разномасштабных пористых сред (рис.1)- системы трещин (среда 1), где пористые блоки играют роль «зерен», а трещины  — роль извилистых «пор», и системы  пористых блоков (среда 2).

Для трещиновато-пористого  коллектора помимо коэффициента трещиноватости то, следует еще ввести коэффициент  пористости тип» характеризующий среду 2. Тогда общую (суммарную) пористость трещиновато-пористого коллектора можно получить, если к коэффициенту трещиноватости m_T, прибавить коэффициент межзерновой пористости пористых блоков m_n..

Другим важным параметром трещиноватой среды является густота  трещин.

Густота трещин есть отношение  числа трещин n, секущих нормаль, к длине нормали, проведенной  к поверхностям, образующим трещины.

 
Густота трещин имеет размерность, обратную единице длины.

 

 

 

Если трещиноватый пласт  моделируется одной сеткой горизонтальных трещин некоторой протяженности  в фильтрующей среде, причем все  трещины одинаково раскрыты и  равно отстоят друг от друга, то густота  их — число трещин, приходящихся на единицу мощности пласта

 

Тогда коэффициент трещиноватости  

 

(2.3)

 
где d — раскрытие трещин; а, с  — характерные линейные размеры  образца; b — мощность (рис. 2.1).

Как показали исследования ВНИГРИ, для трещиноватых пластов  в большинстве случаев характерно наличие двух взаимно-перпендикулярных систем вертикальных трещин. Такая  порода может быть представлена в  виде модели коллектора, расчлененного  двумя взаимно-перпендикулярными  системами трещин с равными величинами раскрытия и густоты.

(2.4)

В этом случае:

Для трех взаимно-перпендикулярных систем трещин, (рис. 2.2) с равными  величинами раскрытия и густоты  имеем:

(2.5)

В общем случае следует  положить что:

(2.6)

где a — безразмерный коэффициент, зависящий от геометрии систем трещин в породе. 

 

 

 

 

 

 

3.2 Проницаемость пласта.

 

В трещиноватом пласте зависимость  между скоростью фильтрации v и средней скоростью движения по трещинам и выражается в виде:

 
или по известной из гидромеханики  формуле Буссинеска для средней  скорости течения жидкости между  двумя плоскими неподвижными параллельными  стенками:

(2.9)

 
На основании (III.5), (III. 4) выражение (II 1.6)-принимает форму:

(2.10)

 
Параметр проницаемости изотропного  трещиноватого пласта, как это  следует из (2.9)

 
Если учесть, что в системе  СИ проницаемость 1 Дарси = 1,02х10^-12 м², то для трещиноватого пласта

(2.11)

 
Для трещиновато-пористого пласта общая  проницаемость определяется как  сумма межзерновой и трещинностей проницаемостей трещиноватого пласта, рассмотренной выше .

В продуктивных трещиноватых пластах горное давление, опре деляющее общее напряженное состояние  среды, уравновешивается напряжениями в скелете породы и давлением  жидкости в трещинах. При постоянстве  горного давления снижение пластового давления за счет отбора жидкости из пласта приводит к увеличению нагрузки на скелет среды. С уменьшением пластового давления (давления жидкости в трещинах) уменьшаются усилия, сжимающие зерна (пористые блоки) трещиноватой породы.

Значение этого фактора  наряду со значительными силами инерции  следует учитывать при исследовании процессов фильтрации в трещиноватом пласте.

 Таким образом, на  объем пространства трещин в  трещиноватом коллек торе влияют  в основном два фактора:

1)         увеличение объемов зерен с падением пластового давления;

2)         увеличение сжимающих усилий на скелет продуктивного пласта.

Полагая, что в трещиноватом пласте преобладают упругие деформации и учитывая, что горное давление постоянно, а с изменением давления в жидкости, газе изменяются главным  образом раскрытия трещин d, можно  так оценить изменение раскрытия  трещин от дав ления:

 

(2.13)

Где b_т - упругая константа; а - коэффициент Пуассона; l - среднее расстояние между трещинами. Разрешая уравнение (2.11) с учетом (2.12), получим формулу для определения параметра проницаемости в деформируемом трещиноватом пласте:

 

(2.14)

где

 
Механизм деформации в трещиновато-пористых пластах более сложен, чем в  коллекторах чисто трещинного типа, рассмотренных выше. Однако можно  отметить, что в трещиновато-пористых средах под внешними воздействиями  вначале деформируется система  трещин (среда1,); причем истинное напряжение этой системы играет роль внешней нагрузки для системы пористых блоков (среда 2,). Заметим также, что зависимость для проницаемости вида (2.13) не единственная. Так, при построении нелинейной теории упругого деформирования, справедливой при больших изменениях давления и больших упругих деформациях, авторы (А. Т. Горбунов, В. Н. Николаевский) принимали, что проницаемость, пористость (а также вязкость и плотность фильтрующейся жидкости или газа) в обеих системах (среды 1 и 2) являются

 

 

 

 

экспоненциальными функциями  от давления:

 

(2.15)

 

 

3.3 Границы применимости  линейного закона фильтрации

 

Так же как и для гранулярных (пористых) сред, при больших скоростях  фильтрации линейный закон фильтрации может нарушаться из-за появления  значительных по величине сил инерции. Как показали исследования Г. М. Ломизе, для движения воды в щелях различного вида характерны числа Re, значительно  превы шающие величины этого параметра  для пористых сред: так, для щелей  с гладкими стенками верхний предел применимости линейного закона оценивается  числами Re_кр = 600, а нижний —Re_кр = 500).

Ф. И. Котяхов указывал, что  для трещиноватых пород за счет изменения  относительной шероховатости трещин и их различного раскрытия (от 71 мк до 12,96 мк в опытах Ф. И. Котяхова) нарушение  линейного закона происходит при  значениях Re соответственно от 90 до 0,40. Исследования Е. С. Ромма подтвердили, что для щелей с гладкими стенками критическое число Рейнольдса равно 500. Им было также установлено, что если величина относительной шероховатости меньше 0,065, то ее роль в процессах фильтрации может не учитываться.

Параметр Re для трещиноватой среды можно ввести на основании  следующих простых рассуждении.

(2.17)

Безразмерный параметр Re для щели любой формы определяется выражением:

 
где u — средняя скорость потока в м/сек; v — кинематическая вязкость в м/сек; R —гидравлический радиус (отношение площади «живого» сечения потока к «смоченному» периметру) в м. Для трещин прямоугольного сечения:

(2.18)

 
где а — ширина трещин.

Приближенное выражение  для R получено на основании того, что обычно d < а и величиной d в знаменателе по сравнению с а можно пренебречь. Заметим, что d — среднее раскрытие трещин в породе.

 

Таким образом,

(2.20)

 

и учитывая, что

то выражение для числа  Рейнольдса в трещиноватой фильтрирующей  среде может быть представлено в  окончательной форме:

(2.21)

 
Отметим, что согласно сказанному, за нижнюю границу нарушения линейного  закона фильтрации в трещиноватом пласте следует принять Rе_др = 0,4. Понятно, что если линейный закон фильтрации не действителен для трещиноватых пластов, следует использовать нелинейные законы.

Аналитически нелинейные законы выражаются в виде одночленных  и двучленных формул. Одночленная  формула предполагает следующую  запись:

(2.22)

 
где п изменяется от 1 до 1,75 (по данным проф. Г. М. Ломизе).

Значение постоянной С_т можно получить методами теории подобия. Аналогичными рассуждениями получаем, что:

(2.23)

 
 где

 

(2.24)

 

 

 

 

На основании (2.19) уравнение (2.18) можно записать в виде:

 

где n = 1 — 1,75.

При n = 1,75 имеем турбулентный режим. Если линейный закон нарушается, используется двучленная формула, учитывающая  возрастающую роль сил инерции в  связи с увеличением скоростей  движения жидкостей и газов:

(2.25)

где a, b — некоторые постоянные.

Б. Ф. Степочкиным на основе обработки обширного эксперимен тального материала (по результатам  опытных данных и заимствован  ного из различных литературных источников) для большого диапа зона размеров (от нескольких микрон до 75 мм) твердых  частиц раз нообразной формы (слагающих  продуктивные пласты) и интервала  чисел Re от 10^-6 до 10³, получена двучленная формула:

(2.26)

 
где d — диаметр зерен, составляющих среду

 

4. Расчетная часть

 

4.1 Капиллярная пропитка при физико-химическом и тепловом заводнениях. Нефтеотдача трещиновато-пористых коллекторов.

Рассмотрим задачу, которая  является естественным обобщением классической задачи о противоточной пропитке нефтенасыщенного образца пористой среды водой. Образец пористой среды, занимающий полупространство х>0 и  первоначально заполненный нефтью и погребенной во дой (водонасыщенность Sо) при температуре То, приводится в контакт по плоскости х=0 ("торцу") с водным раствором химреагента концентрации с₀, находящимся при температуре T. 

 

 

 

 

Под действием капиллярных  сил в образце возникает одномерное течение, описываемое уравнениями:

(3.2)