Подавляющее большинство методик расчета процесса разработки нефтяных месторождений с учетом непоршневого характера вытеснения нефти водой основаны на теории совместной фильтрации неоднородных жидкостей. То есть можно упрощенно представить, что при фильтрации в пласте каждая фаза имеет свою долю в общем многофазном потоке (рис. 1). Такая абстракция оказалась достаточно удачной и позволила решить множество прикладных задач.

Рис. 1 Схематизация процесса непоршневого вытеснения

 

Для начала рассмотрим однофазный поток сквозь элемент пористой среды (рис. 2). Из соображения материального баланса можно записать, что, вычитая из входящей массы () массу выходящую (), получим накопленную (или потерянную) в рассматриваемом объеме массу:

Изменение массы флюида, содержащегося в выделенном элементарном объёме за время, запишем в следующем виде:

Рис. 2 Схематизация элемента пласта и потока жидкости

 

Изменение массы в выделенном элементарном объёме может происходить за счёт двух составляющих:

-- перетоки жидкости через элементарную поверхность:

-- наличие источников и стоков в этом элементарном объёме:

Тогда можно записать:

Подставляя выражения для, получим:

где m - пористость; - плотность.

Пусть отсутствуют источники и стоки, тогда:

В соответствии с теоремой Остроградского-Гаусса можно перейти от поверхностного интеграла к объёмному:

(Примечание

Тогда, подставляя полученное в (1) под знак интеграла, получим:

 

Для любого «физического» объёма следует, что данное равенство выполняется тогда, когда подынтегральное выражение равно нулю:

(2)

Это уравнение задаёт закон сохранения массы в пористой среде в дифференциальной форме или уравнение неразрывности. Для одномерного случая уравнение запишется так:

(3)

Пусть в пласте движется двухфазный поток. Обозначим насыщенность пористой среды /-ой фазой как, причём условимся, что для нефти насыщенность, а для воды, тогда:

 

Допустим, что справедлив обобщенный закон Дарси:

гдеи- проницаемости - абсолютная и относительная (фазовая) по нефти и воде соответственно;

-         коэффициенты динамической вязкости нефти и воды;

-        коэффициенты плотности нефти и воды;

- угол наклона пласта к горизонтали (угол падения пласта).

Для определения фазовых проницаемостей чаще всего применяют метод вытеснения нефти водой из модели пласта с предварительным созданием связанной водонасыщенности или метод капилляриметрии с использованием центрифугирования. Во втором случае образцы насыщенного керна располагают в центрифуге и, создавая скоростью вращения, различные перепады давления водой определяют фазовые проницаемости при различных насыщенностях. Результаты таких исследований отображают в виде зависимостей фазовых прони- цаемостей от насыщенности образца керна (рис. 3).

Характерные особенности многофазной фильтрации связаны с тем, что на процесс вытеснения в той или иной степени влияют поверхностные эффекты на границе раздела фаз.

Дополним систему уравнений функцией, описывающей разность давлений в фазах (капиллярное давление):

(4)

где- капиллярное давление;

- безразмерная функция Леверетта, определяемая экспериментально;

- коэффициент межфазного натяжения на границе нефть - вода;

- угол смачивания вытесняющей фазой поверхности породы (угол, образуемый касательной к поверхности воды в точке касания ее с породой и поверхностью породы).

Рис. 3 Результаты исследований процесса вытеснения фаз при капилляриметрии и

 

совместной фильтрации нефти и воды.

Будем считать, что жидкости и пористая среда несжимаемы (= const, m = const). Тогда, проведя ряд математических преобразований, получим уравнение неразрывности для водной фазы, известное также как уравнение Раппопорта- Лиса:

(5)

где,

(6)

 

Физический смысл функции Бакли-Леверетта - это доля воды в двухфазном потоке жидкости в пористой среде. На этой основе далее в курсе будет рассмотрено моделирование процесса вытеснения нефти водой, так называемая «модель двухфазной фильтрации Бакли-Леверетта».

Это уравнение представляет собой нелинейное уравнение параболического типа второго порядка. Точные решения этих уравнений получены лишь для некоторых сравнительно простых случаев. Это уравнение в трехмерном случае является основой гидродинамического моделирования с применением численных методов решения и используется всеми основными пакетами программ для построения геолого-технологических моделей пласта.

Оценим теперь необходимость учёта капиллярных сил.

Перепишем полученное уравнение, используя следующие безразмерные параметры:

где- характеристический размер пористой среды (пласт, межскважин- ное пространство, керн).

 

(7)

 

 

 

 

 

Теперь оценим величиныипри типичных значениях геолого- физических свойств. Пусть- расстояние между скважинами и

Тогда получим, чтоат.е. правая часть уравнения (7) при данных геолого-физических условиях близка к 0.

Таким образом, можно заключить, что для нашего примера в масштабе расстояния между скважинами, капиллярными силами можно пренебречь. Гравитационными же силами можно пренебречь при небольшом угле падения пласта и невысокой плотности нефти.

В случае, когда моделируется вытеснение нефти из керна (линейная величина L - существенно мала), учёт капиллярных сил необходим.