Автореферат «Влияние напряженно-деформированного состояния горных пород на фильтрационный процесс и дебит скважин» (стр. 5 )

Процесс фильтрации двухфазной смеси может быть описан системой дифференциальных уравнений фильтрации для каждой фазы с учетом массообмена между фазами. Уравнения неразрывности для каждой из фаз записываются следующим образом

Движение каждой из фаз считается безынерционным, подчиняющимся закону Дарси

  ,

здесь – пористость, – плотность, – скорость фильтрации, – масса газа, переходящего в жидкую фазу в единице объема пористой среды за единицу времени, – относительное содержание газовой фазы. Индексом обозначены величины, относящиеся к газовой фазе, индексом – относящейся к жидкой фазе.

Если предположить, что в каждый момент времени и в каждой точке пространства относительное содержание газа в газоконденсатной смеси соответствует равновесному и определяется исключительно текущим давлением (температура предполагается постоянной), то можно считать заданной функцией давления. Кривая зависимости  (изотерма конденсации) для условий Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ) приведена на рис. 12. Сложение уравнений позволяет исключить величину и получить одно дифференциальное уравнение относительно давления .

  (1)

Однако, наличие в составе газоконденсатной смеси нескольких углеводородных фракций, обладающих разными физико-химическими свойствами, существенно усложняет описание процесса фильтрации. Это связано с характером фазовых диаграмм многокомпонентных смесей, которые принципиально отличаются от фазовых диаграмм чистых веществ и зависят от химического состава смеси. К таким отличиям относятся  следующие.

1. Наличие двумерных областей на фазовых диаграммах давление – температура, соответствующих условиям одновременного существования жидкой и газообразной фаз.

2. Наличие ретроградных областей, где конденсация и испарение происходят в направлении, обратном фазовым превращениям чистого вещества. Ретроградная конденсация означает, что количество образовавшейся жидкости увеличивается при снижении давления от давления начала конденсации до давления максимальной конденсации при данной температуре.

3. Изменение химического состава каждой из фаз в процессе фазовых изменений, так как при уменьшении давления ниже начала конденсации при данной температуре конденсируются преимущественно тяжелые фракции C5+.

Рис. 12. Изотерма конденсации для условий АГКМ

После прохождения фильтрующего пластового газа через точку пласта с давлением ниже давления начала конденсации в пористую среду в виде конденсата выпадают более тяжелые фракции. В результате действия капиллярных сил выпавшая жидкость может быть неподвижной или фильтруется со скоростью, меньшей скорости фильтрующегося газа. В пористой среде происходит накопление ретроградного конденсата, состоящего преимущественно из тяжелых фракций C5+. Таким образом, в процессе фильтрации меняется химический состав смеси, соотношение жидкой и газовой фаз не соответствует равновесному и не может быть определено по изотерме конденсации, полученной при испытаниях в замкнутом сосуде.

Предполагается, что в каждой порции газа, подвергшейся изменению давления, происходит фазовое превращение согласно фазовой диаграмме пластового газа, т. е. справедлив дифференциальный закон для фазового превращения.

               

Здесь – объем газа, переходящего в жидкую фазу, – функция давления, которая может быть получена как производная от функции , определяемой изотермой конденсации.

Масса в единице объема среды составляет ,  тогда

               

Для движущегося газа полная производная давления по времени есть

       , 

где – скорость движения частиц газа в порах.

Подстановка последовательно выражения полной производной давления по времени в выражение для и затем в уравнение фильтрации для газовой фазы дает уравнение, которое вместе с уравнением (1) дает систему двух уравнений относительно двух неизвестных и :

       Для оценки эффективности работы скважины представляет интерес установившийся режим фильтрации. В случае стационарного течения полученная система уравнений преобразуется в систему обыкновенных дифференциальных уравнений

       

               

               

где – полярная координата.

В систему уравнений входит ряд зависимостей, которые характеризуют свойства пластового флюида конкретного месторождения и определяются экспериментально:

зависимость соотношения жидкой и газообразной фаз в смеси (изотерма конденсации) от давления,

фазовые проницаемости в зависимости от соотношения фаз,

зависимости плотности газа и конденсата от давления,

зависимость динамической вязкости газа и конденсата от давления при пластовой температуре.

Эти зависимости были предоставлены ВНИИГАЗ. Для проведения расчетов они были аппроксимированы следующими сглаживающими функциями:

,                

,                

,        

Модель также должна учитывать изменение фильтрационных свойств породы в зависимости от напряженного состояния в окрестности скважины и связанного с ним деформирования и разрушения грунтового скелета коллектора. На испытательном стенде были проведены испытания образцов пород из коллектора АГКМ, которые позволили установить, что при создании депрессии 35-40 МПа в окрестности скважины происходит растрескивание породы и резкое необратимое увеличение ее проницаемости.

Таким образом, до проведения работ по методу георыхления в окрестности скважины имеется закольматированная зона радиуса с проницаемостью в несколько раз ниже естественной проницаемости коллектора . Как показывают данные геофизических исследований, размер этой зоны обычно составляет 3-5 радиусов скважины . Расчеты проводились для трех значений радиуса зоны кольматации .