Дифференциальные уравнения. Процессы, происходящие в нефтяных и газовых пластах при разработке нефтяных и газовых месторождений

II. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ

ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

Общие положения.

Процессы, происходящие в нефтяных и газовых пластах при разработке нефтяных и газовых месторождений, существенно зависят от времени, т.е. являются нестационарными. Характеристики движения жидкости или газа - давление, скорость фильтрации и т.п.изменяются от точки к точке продуктивного пласта и образуют нестационарное поле давлений, скоростей фильтрации и т.п. Задачи нестационарной фильтрации жидкости или газа в пласте решаются методом математической физики; для этого составляются и интегрируются соответствующие дифференциальные уравнения.

К числу дифференциальных уравнений относятся:

1. дифференциальные уравнения движения жидкости или газа;

2. уравнение баланса массы в элементе пористой среды - уравнение неразрывности (сплошности) фильтрационного потока.

Дополнительно к дифференциальным уравнениям вводятся уравнения состояния флюида и пористой среды, определяемые параметрами . В итоге получаем замкнутую систему уравнений, т.е число уравнений в системе равно числу неизвестных функций, характеризующих рассматриваемый фильтрационный процесс и подлежащих определению. Для получения решения системы уравнений должны быть заданы начальные (при t=0) и краевые (граничные) условия - на границах пласта. При этом заметим, что фильтрация представляет собой очень медленный процесс и изменение температуры флюида в ходе движения (вследствие наличия сопротивления и расширения вещества) успевает компенсироваться теплообменом с окружающими горными породами. Поэтому считаем, что температура флюида равна температуре пористой среды и неизменна, т.е. Т_ф=Т_с=Т=const; это означает, что фильтрация считается изотермическим процессом.

В результате интегрирования полученных итоговых дифференциальных уравнений фильтрации получаем закон распределения давления, а, следовательно, и скорости фильтрации по всему пласту в любой момент времени, т.е. Р=Р(x,y,z,t); u_x=u_x(x,y,z,t); u_у=u_у(x,y,z,t), u_z=u_z(x,y,z).

Если принять жидкость несжимаемой (r=const) в недеформируемой пористой среде (m=const,k=const) – самый упрощенный случай, то число искомых функций ограничится этими четырьмя параметрами (Р,V_x,V_y,V_z). Если предполагается фильтрация сжимаемого флюида в сжимаемой пористой среде, предстоит еще дополнительно определить значения параметров r,m,k,m как функции координат и времени. В этом случае имеем восемь уравнений - дифференциальных и конечных- для определения восьми характеристик фильтрационного потока, жидкости (газа) и пористой среды. Аналитическое решение системы диф. уравнений в этом (общем) случае невозможно; необходимо численное решение с применением ЭВМ.

Дифференциальные уравнения

движения флюида.

Дифференциальные уравнения движения флюида получаются непосредственно из закона Дарси для трубки тока переменного сечения (рис.4)

, (2.1)

где Р - приведенное давление, Р=Р(S,t).

Или в векторной форме:

. (2.2)

При этом предполагается изотропность пористой среды, т.е. предполагается постоянство проницаемости k по всем направлениям в окрестности рассматриваемой точки.

Представим вектор скорости фильтрации через составляющие по координатным осям:

= V_x*`i + V<sub>y</sub>*`j +V_z*`k (а)