Лекция № 29, 30. Особенности фильтрации в трещиноватых и трещиновато-пористых пластах

Рассматривается две модели пород: чисто трещиноватые и трещиновато-пористые. В трещиноватых породах блоки породы, расположены между трещинами, практически непроницаемы; движение жидкости и газа происходит только по трещинам. К таким породам относятся сланцы, доломиты, мергели и некоторые известняки.

Трещиновато-пористая среда представляет собой совокупность пористых блоков, отделенной друг от друга развитой системой трещин. При этом, поперечные размеры трещин значительно превосходят характерные размеры пор, так что проницаемость систем трещин значительно больше проницаемости системы пор в блоке . В то же время трещины занимают гораздо меньший объем, чем поры, так что коэффициент трещиноватости - отношение объема, занятого трещинами, к общему объему породы – существенно меньше пористости отдельных блоков . Трещиновато-пористые коллекторы – это, в основном известняки, иногда песчаники, алевролиты, доломиты.

Важным параметром трещиноватой среды является густота трещин- отношение числа трещин секущих нормаль, к длине нормали, приведенной к поверхности, образующей трещины: .

Если трещиноватый пласт моделируется одной сеткой горизонтальных трещин, причем все трещины одинаково раскрыты и равно отстоят друг о друга, то густота их – число трещин, приходящееся на единицу толщины пласта .

Тогда коэффициент трещиноватости , где - раскрытие трещины.

Если в пласте имеются две взаимноперпендикулярные системы трещин с одинаковой густотой и раскрытием, то , если системы три, то . В общем случае:

(1)

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

Проницаемость трещиноватой породы k, определяется по зависимости:

, (2)

где , - параметр трещиноватой среды, зависящий от упругих свойств и геометрии трещин. Экспериментально хорошо подтверждается экспоненциальная зависимость проницаемости от давления:

(3)

а при малых изменениях давления: , где (4)

Используя обычную теорию фильтрации упругой жидкости, определим коэффициент пьезопроводности трещиноватой среды который может оказаться слишком большим, т.к. велик, а - мал. Это значит, что перераспределение давления в трещинах будет происходить с большей скоростью. Из-за малой проницаемости блоков , жидкость из них выходит медленно и давление в блоках длительное время сохраняет свое начальное давление. Тем самым между жидкостью, находящейся в блоках, и жидкостью ее окружающей создается разность давлений, в результате чего происходит переток части жидкости из блоков в трещины и происходит постепенное выравнивание давлений. Переток определяется по формуле:

(5)

где , - безразмерный коэффициент, зависящий от геометрических характеристик пласта; l – средний размер блоков.

Для идеального газа (6)

где - давление, соответствующее плотности .

Дифференциальные уравнения движения жидкости и газа в трещиноватых трещиновато-пористых средах. (Т и ТПС)

При составлении дифференциальных уравнений записываются два уравнения неразрывности – одно для фильтрации в трещинах (среда 1), другое для фильтрации в пористых блоках (среда 2) с учетом перетоков (q):

Для фильтрации в трещинах: (7)

где плотность жидкости или газа при давлении .

Для пористых блоков: (8)

где плотность жидкости или газа при давлении .

Для чисто трещиноватых пластов q=0 и остается только уравнение (7).

Дифференциальные уравнения движения в системе трещин и пористых блоках соответственно имеют вид:

(9)

(10)

К уравнениям (7)-(10) должны быть добавлены зависимости плотности , пористости и , проницаемостей и от давлений и .

Подставив (9)-(10) и (5) для упругой жидкости или (6) для газа в (7) и (8), получим систему уравнений неустановившейся фильтрации жидкости или газа в трещиновато-пористой среде (ТПС) в виде:

(11)

(12)

где f(P)=P - для упругой жидкости;

- для идеального газа.

Уравнения (11) и (12) решаются при соответствующих начальном и граничном условиях.

Установившаяся одномерная фильтрация жидкости и газа в трещиноватом (Т) и трещиновато-пористом пласте (ТПП)

Рассмотрим чисто трещиноватый пласт (ТП), в котором проницаемость изменяется по (2)-(4). В этом случае уравнение (11) принимает вид:

0 (13)

Введем функцию Лейбензона (14)

С учетом (14) уравнение (13) принимает вид: 0 (15)

По аналогии с установившейся фильтрацией жидкости в недеформируемой среде массовый дебит равен: (16)

Рассмотрим фильтрацию несжимаемой жидкости . Тогда с учетом (3)

(17)

Значение функции Л. С. Лейбензона на границах:

(18)

Если принять , то

(19)

а объемный дебит

(20)

Подставляя в формулу значения получим

, если ,

откуда распределение давления

, (21)

В ТПП дебит скважины складывается из дебита жидкости притекающей из трещин и поступающей из пористых блоков:

(22)

Для установившейся фильтрации идеального газа в чисто ТП зависимость проницаемости от давления можно принять линейной по формуле (4). В этом случае функция Лейбензона принимает вид:

(23)

Объемный дебит, приведенный к атмосферному давлению

(24)

Основная литература: 2 [263-276]

Дополнительная литература: 4 [316-321]

Контрольные вопросы:

1. Коэффициент трещиноватости.
2. Пустота трещин.
3. Раскрытие трещин.
4. Проницаемость трещиноватой породы.
5. Переток жидкости из пористых блоков в трещины.
6. Переток газа из пористых блоков в трещины.
7. Уравнение неразрывности потоков для пористых блоков и трещин.
8. Дебит скважины в трещиновато-пористых пластах.

ГлоссариЙ

Фильтрация ― движение жидкостей, газов и их смесей через твердые тела по связанным между собой порам или трещинам.

Пористая среда ― множество твердых частиц, тесно прилегающих друг к другу, пространство между которыми может быть заполнено жидкостью и газом.

Коэффициент пористости ― отношение объема пор в некотором элементе пористой среды ко всему объему данного элемента.

Скорость фильтрации ― объемный расход жидкости в единицу времени через единицу площади поперечного сечения.

Проницаемость ― свойство пористой среды пропускать через себя жидкость, газ или их смеси под воздействием приложенного перепада давления.

Одномерные фильтрационные потоки ― поток, в котором скорость фильтрации и напор являются функциями только одной координаты, отсчитываемой вдоль линии тока.

Уравнение неразрывности фильтрационного потока ― уравнение баланса массы в элементарном объеме пористой среды.

Уравнение состояния ― зависимость плотности однородного флюида от давления.

Коэффициент объемного расширения (сжимаемости) ― изменение объема 1м³ флюида (пласта) при изменении давления на 1Па.

Коэффициент продуктивности скважины ― отношение дебита скважины к перепаду давления.

Индикаторная диаграмма ― график зависимости дебита от перепада давления.

Неоднородный пласт ― пористая среда, фильтрационные характеристики которой (пористость, проницаемость) различны в разных областях.

Точечный сток (источник) ― точка на плоскости, поглощающая (выделяющая) жидкость.

Интерференция скважин ― явление взаимодействия вновь вводимых скважин с существующими.

Коэффициент упругоемкости ― количество жидкости, получаемое за счет расширения 1м³ пласта и содержащейся в этом объеме жидкости при изменении давления на 1 Па.

Коэффициент пьезопроводности ― скорость перераспределения давления по пласту при упругом режиме.

Давление насыщения ― давление, при котором из жидкости начинается выделение растворенного в ней газа в свободное состояние.

Газовый фактор ― отношение объемного расхода газа к объемному расходу жидкости через сечение пласта.

Фазовые проницаемости ― проницаемость пласта для отдельных фаз при фильтрации многофазных смесей.

Густота трещин ―отношение числа трещин, секущих нормаль, к длине нормали, приведенной к поверхности, образующей трещины.

Раскрытие трещин ―высота трещин.

Коэффициент трещиноватости ―отношение объема трещин в пласте к объему всего пласта.

Трещиновато-пористая среда ― совокупность пористых блоков, отделенных друг от друга развитой системой трещин.