Теории упругого режима фильтрации газа

 
 
 
 

    Содержание

    1. Теоретическая часть.

       1.1. Точное решение осесимметричного  притока газа к скважине………..2

       1.2. Линеаризация уравнения Лейбензона  и основное решение линеаризованного  уравнения……………………………………………………….7

       1.3. Решение задачи о притоке  газа к скважине методом последовательной смены стационарных состояний……………………………..14

       1.4. Метод усреднения………………………………………………………17

    2. Расчетная часть.

       2.1. Рассчитать депрессию на пласт  по точной формуле и по приближенным  формулам…………………………………………………………20

          2.1.1. Точное решение…………………………………………………….20

          2.1.2. Расчет по линеаризованной  формуле……………………………..21

          2.1.3. Расчет методом последовательной  смены стационарных состояний……………………………………………………………………………21

    3. Выводы……………………………………………………………………...22

    4. Литература…………………………………………………………………..23 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Задание №20

Дать сравнительную  оценку приближенных методов решения  задач теории упругого режима фильтрации газа.

1. Теоретическая часть.
1. Точное решение осесимметричного притока газа к скважине.
2. Приближенные методы решения задач теории упругого режима фильтрации газа.
2. Расчетная часть.
1. Рассчитать депрессию на пласт по точной формуле и по приближенным формулам.
2. Найти относительную погрешность расчетов.
3. Выводы

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Задача: Дать сравнительную оценку приближенных методов решения задач теории упругого режима фильтрации газа.

1. Теоретическая часть.
1. Точное решение осесимметричного притока газа к скважине.

Основы  теории движения газа в пористой среде  были разработаны основателем советской школы нефтегазовой гидромеханики академиком Л.С.Лейбензоном. Он впервые получил дифференциальные уравнения неустановившейся фильтрации совершенного газа в пласте по закону Дарси.

    При выводе указанного уравнения предполагалось, что коэффициенты пористости и проницаемости не изменяются с давлением, т.е. пласт недеформируем, вязкость газа  также не зависит от давления, газ совершенный. Принимается также, что фильтрация газа в пласте происходит неизменной во времени.

    Для вывода дифференциального уравнения неустановившейся фильтрации совершенного газа воспользуемся уравнением, которое справедливо для любого сжимаемого флюида: 

,                                           (1)

где коэффициенты проницаемости и вязкости постоянны.

    Функция Лейбензона  для совершенного газа определяется по формуле: 

    P=ρ_атp²⁄(2p_ат) + С.                                                 (2)

    Продифференцируем (2) по координатам 2 раза:

     , , .            (3)

    Преобразуем правую часть уравнения (1). Считая пористость m₀ постоянной и учитывая, что для совершенного газа

    ρ = ρ_ат p ⁄ p_ат,                                                            (4)

       получим:

                                                 (5)

    Подставив выражения (3) и (5) в уравнение (1), получим:

                                   (6)

                                                       (7)

    Полученное  дифференциальное уравнение неустановившейся фильтрации совершенного газа называется уравнением Лейбензона и представляет собой нелинейное уравнение параболического типа. Подчеркнем, что оно справедливо для совершенного газа при выполнении закона Дарси. Изменением  коэффициента пористости пренебрегают потому, что он входит в уравнение в виде произведения ρm, в котором плотность газа меняется в гораздо большей степени, чем пористость

      Уравнение Лейбензона (6) можно записать по-другому, умножив правую и левую части на давление р и заменив 

                                                                                                             (8)

        

      В такой записи под знаками производных  по координатам и по времени находится одна и та же функция р², но коэффициент в правой части kр/(ηm₀)-переменный, в него входит искомая функция p(x,y,z,t)..

    Нетрудно  показать, что неустановившаяся фильтрация реального газа с уравнением состояния  ρ = ρ_ат p ⁄ [p_атz(p)] и с учетом зависимости коэффициента вязкости от давления η=η(p) и недеформируемости пористой среды (m₀ = const, k = const) описывается следующим нелинейным дифференциальным уравнением параболического типа:

      (9)

    Для решения конкретных задач, связанных с неустановившейся фильтрацией газа, дифференциальное уравнение в форме (6) или (8) должно быть проинтегрировано по всей области газовой залежи при заданных начальных и граничных условиях.

      Так как уравнение (6) или (8) представляет собой сложное нелинейное уравнение в частных производных, оно в большинстве случаев не имеет точных аналитических решений. Его можно проинтегрировать численно с помощью ЭВМ или решить приближенным способом. Приближенные способы хорошо разработаны.

    Численные методы решения различных задач фильтрации газа на основе уравнения Л.С. Лейбензона также достаточно хорошо обоснованы в приложениях к проблемам разработки месторождений природных газов. При этом наибольшее распространение получили методы конечных разностей и конечных элементов. Вместе с тем. развитие теории фильтрации газов, вызванное требованиями практики разработки газовых месторождений, и. в частности, изменением горно-геологических условий их залегания (большие глубины, высокие давления и температуры, многокомпонентность газа и т.д.) потребовало учета в основном уравнении, предложенном Л.С. Лейбензоном, многих дополнительных факторов. Так. оказалось, что использование функции Лейбензона в форме (2) допустимо при небольших давлениях, в условиях недеформируемых пластов. При достаточно больших давлениях в условиях деформируемых коллекторов под знак интеграла в формуле (2) необходимо внести зависимости изменения проницаемости, вязкости и коэффициента сверхсжимаемости газа от давления. При неизотермической фильтрации во многих случаях необходимо учитывать также изменение свойств газа oт температуры.

    Уравнение (6) получено с использованием в качестве уравнения движения закона Дарси. Вместе с тем, последующие исследования И.А.Чарного, Е.М. Минского и других показали, что при фильтрации газов в природных пластах в большинстве случаев следует пользоваться нелинейным (двучленным)законом фильтрации. Математические трудности в решении получающегося при этом дифференциального уравнения.

    Отметим, что одним из эффективных путей решения уравнения Лейбензона является линеаризация, т.е. сведение его к линейному уравнению Фурье. Как покажем при дальнейшем рассмотрении, в некоторых практических случаях использование различных способов линеаризации уравнения (6) позволяет получать приближенные решения, удовлетворяющие требованиям практики.

    Будем считать пласт недеформируемым, фильтрацию изотермической и происходящей по двучленному закону. Рассмотрим плоскорадиальный поток к осесимметрично расположенной скважине.

    Воспользуемся уравнением неразрывности для плоскорадиального движения:

                                              (10)

    Воспользовавшись  выражением для массовой скорости ρw, полученным из двучленного закона фильтрации, после подстановки в них значений плотности из уравнения состояния (4), получим:

    

;             (11)

    

.                 (12)

    Подставив выражения (11), (12) и (5) в уравнение  неразрывности (10) и сократив на ρ_ат / p_ат ,получим:

     ,(13)

    где .

    Если  сделать замену , то дифференциальное уравнение неустановившейся фильтрации газа по двучленному закону примет следующий вид:

    

. (14)

    Аналитическое решение уравнения (14) наталкивается на значительные трудности, однако численное решение для обычных в подземной гидромеханике начальных и граничных условий не представляет затруднений.

      1.2.Линеаризация  уравнения Лейбензона  и основное решение  линеаризованного уравнения

      Если  заменить нелинейное дифференциальное уравнение (8) линейным, т. е. линеаризовать  его, то оно упростится - для линейного уравнения существуют точные аналитические решения. Ясно, что эти точные решения линеаризованного уравнения будут приближенными для нелинейного. Оценить погрешность решения, которая возникает при замене точного уравнения линеаризованным, можно, например, сравнивая приближенное решение с решением на ЭВМ точного уравнения.

      Были  предложены различные способы линеаризации уравнения (8). Если рассматривается плоскорадиальный приток к скважине, то. как известно из теории установившейся фильтрации газа воронка депрессии очень крутая. и в большей части пласта давление мало отличается от контурного. На этом основании Леибензон предложил заменить переменное давление p в коэффициенте уравнения (8) на постоянное давление p_к, равное начальному давлению в пласте. Тогда, обозначив получим вместо уравнения (8) уравнение

                                                  (15)

которое является линейным уравнением пьезопроводности относительно функции р²,где χ-константа, аналогичная коэффициенту пьезопроводности. Такой способ линеаризации, когда переменный коэффициент χ в уравнении при различных значениях давления принимается константой, называется линеаризацией по Лей6ензону. В дальнейшем различными авторами были предложены уточнения к линеаризации по Лейбензону. Так. И. А. Чарный предложил свести уравнение (8) к линейному заменой переменного давления в коэффициенте на значение

p_ср=p_min+0,7(p_max-p_min),

где p_mах и p_min - максимальное и минимальное давления в газовой залежи на расчетный период.

    Используем  линеаризованное уравнение (15) для решения конкретной задачи о притоке газа в скважину бесконечно малого радиуса, (точечный сток), расположенную в пласте бесконечной протяженности с постоянной толщиной h. В начальный момент времени пласт невозмущен, т.е. давление во всем пласте постоянно и равно p_k. С этого момента начинается отбор газа с постоянным дебитом Q_ат. Нужно найти изменение давления по пласту с течением времени p(r, t).

      Для плоскорадиальной фильтрации газа (15) запишется следующим образом:

                                                                                                  (16)

      Здесь выражение представляет собой оператор Лапласа в полярных координатах относительно квадрата давления для плоскорадиального движения.

      Уравнение (6.16) надо проинтегрировать при начальном условии

p²=p_k² при t=0, 0<r<∞                                                                                              (17)