закон дарси в дифференциальной форме

закон дарси в дифференциальной форме. (5)

Для стационарной фильтрации сжимаемого флюида:

закон дарси в дифференциальной форме(6)

Если сжимаемостью флюида можно пренебречь:

закон дарси в дифференциальной форме, то уравнение (6) приводится к виду:

закон дарси в дифференциальной форме. (7)

2. Дифференциальное уравнение движения.

Дифференциальное уравнение движения флюида в пористой среде является обобщением закона фильтрации Дарси:

закон дарси в дифференциальной форме. (8)

закон дарси в дифференциальной форме—- пространственная производная давления ( в направлении оси Х).

закон дарси в дифференциальной форме.

Т.о. в векторной форме закон фильтрации Дарси записывается в виде:

закон дарси в дифференциальной форме. (9)

В подземной гидромеханике используется специальная функция:

закон дарси в дифференциальной форме. (10)

Функция закон дарси в дифференциальной форменазывается потенциалом скорости фильтрации.

Если кроме давления действуют другие силы (например, сила тяжести), то потенциал скорости фильтрации):

закон дарси в дифференциальной форме(10а)

Таким образом закон фильтрации Дарси можно записать в обобщенной форме:

закон дарси в дифференциальной форме. (11)

Из уравнения неразрывности (4) и закона фильтрации (11) можно получить уравнение движения флюида в пористой среде:

закон дарси в дифференциальной форме; (12)

закон дарси в дифференциальной форме. (13)

В подробной (координатной) записи уравнение (13) имеет вид:

закон дарси в дифференциальной форме. (14)

Для решения дифференциального уравнения движения (13) необходимо иметь начальные и граничные условия.

Начальные условия заключаются в задании искомой функции во всей области в некоторый начальный момент времени (например, значения давления в пласте до начала разработки).

Граничные условия задаются на границах пласта: на внешней границе и на внутренней границе (на забое скважины).

Закон Дарси (11) и соответствующее ему дифференциальное уравнение движения (13) пригодны для изотропной пористой среды, т.е. среды, проницаемость которой во всех направлениях одинакова.

На практике часто встречаются пористые среды, проницаемость которых различна в разных направлениях (например, осадочные пласты с отчетливой слоистой структурой). Пористые среды, в которых коэффициент проницаемости зависит от направления потока, называются анизотропными.

Для анизотропных пористых сред закон фильтрации (и соответственно, уравнение движения) имеют более сложный вид, чем выражения (9) или (14), т.к. векторы скорости фильтрации и градиента давления не совпадают по направлению.

Для анизотропных пористых сред закон Дарси и уравнение движения записываются в тензорной форме:

закон дарси в дифференциальной форме(15)

закон дарси в дифференциальной форме— тензор проницаемости пористой среды:

закон дарси в дифференциальной форме;

закон дарси в дифференциальной форме. (16)

Анизотропия естественных осадочных пород – коллекторов обусловлена их отчетливой слоистой структурой. Фильтрационные свойства таких пород одинаковы в направлениях, лежащих в плоскости слоя, но изменяются в перпендикулярном направлении.

В данном случае систему координат выбирают таким образом, чтобы плоскость XY лежала в плоскости слоя, а ось Z была перпендикулярна слою. Выбранные таким образом оси координат называются главными осями пласта. Закон Дарси в этом случае можно записать в виде:

закон дарси в дифференциальной форме. (17)

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Источник

Закон Дарси

закон дарси в дифференциальной форме,(1.14)

где закон дарси в дифференциальной форме— гидродинамический напор;

h12 = h(u)— потери напора между сечениями, которые зависят от скорости фильтрации и не могут рассчитываться по формулам трубной гидравлики.

Скорости фильтрации жидкости в пористой среде малы, поэтому скоростным напором можно пренебречь. Разрешая уравнение (1.14) относительно скорости фильтрации, получим:

закон дарси в дифференциальной форме.(1.15)
закон дарси в дифференциальной формеРис. 1.2. Схема опытной установки

Тогда формула (1.15) запишется:

закон дарси в дифференциальной форме.(1.16)

Эта формула впервые была экспериментально полечена французским инженером Дарси и подтверждается для многих жидкостей и газов в широких пределах изменения скоростей. Но для некоторых жидкостей и значений скоростей фильтрации эта формула не подтверждается. Коэффициентом фильтрации kф используется в тех случаях, когда фильтруется вода. При фильтрации нефти, газа, воды и их смесей желательно учитывать свойства породы и жидкости отдельно. Свойства жидкости характеризуются коэффициентом динамической вязкости μ и плотностью r. Тогда коэффициент фильтрации можно записать в виде:

закон дарси в дифференциальной форме,(1.17)

С введение коэффициента проницаемости закон Дарси примет вид:

закон дарси в дифференциальной форме(1.18)

Расстояния z от плоскости сравнения до данной точки считается положительным, если точка лежит выше плоскости сравнения, и отрицательной, если ниже. За плоскость сравнения можно принять любую горизонтальную плоскость. Обычно принимают границу газонефтяного (ГНК) или водонефтяного (ВНК) контакта. При движении жидкости в горизонтальных пластах (z = const), поэтому второе слагаемое в приведенном давлении постоянно и при подстановке в формулу обращается в нуль. Поэтому в горизонтальных пластах при движении однородной жидкости приведенное давление можно положить равным давлению в данной точке и знак (*) в законе Дарси можно опустить.

Рассмотрим трубку тока, вдоль которой происходит фильтрация жидкости. Обозначим расстояние вдоль вектора скорости у этой трубки через s. Выберем две точки на расстоянии Ds друг от друга и запишем для этих точек закон Дарси:

закон дарси в дифференциальной форме(1.19)

Получим значение средней скорости на этом участке uср. Если устремить расстояние между точками к нулю, то получим закон Дарси в дифференциальной форме:

закон дарси в дифференциальной форме.(1.20)

В векторной форме закон Дарси запишется:

закон дарси в дифференциальной форме.(1.21)

или в проекциях на оси координат

закон дарси в дифференциальной форме(1.22)
закон дарси в дифференциальной форме(1.23)

Для плоскорадиального и радиально-сферического потока Закон Дарси можно записать в виде:

закон дарси в дифференциальной форме.(1.24)

В пластах часто встречаются непроницаемые границы (сбросы). Жидкость двигаться перпендикулярно непроницаемой границе не может, поэтому нормальная к границе скорость равна нуль un = 0. Тогда из закона Дарси следует:

закон дарси в дифференциальной форме(1.25)

Это означает, что перпендикулярно непроницаемой границе давление не меняется и линии равного давления (изобары) перпендикулярны этой границе.

Дата добавления: 2015-09-25 ; просмотров: 1722 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Закон Дарси в дифференциальной форме

закон дарси в дифференциальной форме

Границы применимости закона Дарси:

Закон справедлив при следующих условиях :

Пористая среда мелкозерниста и поровые каналы достаточно узки

Скорость фильтрации и градиент давления малы

Изменение скорости фильтрации и градиента давления малы.

Закон Дарси нарушается:

При повышении скорости движения жидкости из-за увеличения потерь давления на эффекты связанные с инерционными силами – верхняя граница.

Дарси может нарушаться и при малых скоростях фильтрации в процессе начала движения жидкости из-за появления неньютоновских реологических свойств жидкости – нижняя граница.

закон дарси в дифференциальной форме

Коэффициент фильтрации – характеризует среду и жидкость одновременно. Зависит от размера частиц их формы и степени шероховатости, пористости среды и вязкости жидкости, в гидротехнических расчетах при наличии различных жидкостей.

закон дарси в дифференциальной форме

закон дарси в дифференциальной форме–коэффициент динамической вязкости.

закон дарси в дифференциальной форме

закон дарси в дифференциальной форме

Проницаемость песчаных коллекторов 100-1000мД

Имеется множество попыток теоретически установить зависимость проницаемости от этих характеристик исходя из закона Пуазеля для ламинарного движения в трубах, исходя из Стогса для обтекания частиц при той или иной модели пористой среды.

Поскольку реальные породы не укладываются в рамки геометрических моделей, то теоретические расчеты проницаемости ненадежны, поэтому обычно проницаемость определяют опытным путем.

Границы применимости закона Дарси:

Закон справедлив при следующих условиях :

Пористая среда мелкозерниста и поровые каналы достаточно узки

Скорость фильтрации и градиент давления малы

Изменение скорости фильтрации и градиента давления малы.

Закон Дарси нарушается:

При повышении скорости движения жидкости из-за увеличения потерь давления на эффекты связанные с инерционными силами – верхняя граница.

Дарси может нарушаться и при малых скоростях фильтрации в процессе начала движения жидкости из-за появления неньютоновских реологических свойств жидкости – нижняя граница.

закон дарси в дифференциальной форме

Верхняя граница- ее критерием служит сопоставление числа Re с его критическим значением.

закон дарси в дифференциальной форме

А – зависит от вида фильтрации.

Закон Павловского

закон дарси в дифференциальной форме; закон дарси в дифференциальной форме; ReкрП=7,5…9

закон дарси в дифференциальной форме; Reкр=1…1,2

закон дарси в дифференциальной форме; Reкр=0,022…0,29

Число Рейнольдса определяется следующим соотношением:

закон дарси в дифференциальной форме

ρ — плотность среды, кг/м 3 ;

v — характерная скорость, м/с;

L — характерный размер, м;

η — динамическая вязкость среды, Н·с/м 2 ;

ν — кинематическая вязкость среды, м 2 /с( закон дарси в дифференциальной форме) ;

Q — объёмная скорость потока;

A — площадь сечения трубы.

закон дарси в дифференциальной форме

Нижняя граница закона Дарси – при очень малых скоростях с ростом градиента давления увеличение с ростом фильтрации происходит более быстро, это объясняется тем, что становится существенным силовое взаимодействие между твердым скелетом и жидкостью за счет образования аномальных неньютоновских систем: устойчивые колойдные растворы в виде студнеобразных пленок, перекрывающих поры и разрывающихся при градиенте закон дарси в дифференциальной форме, называемым начальным, и зависящим от доли глинистого материла и величины остаточной водонасыщенности.

закон дарси в дифференциальной форме, закон дарси в дифференциальной форме

закон дарси в дифференциальной форме; закон дарси в дифференциальной форме

Источник

Границы применимости закона Дарси

закон дарси в дифференциальной форме закон дарси в дифференциальной форме закон дарси в дифференциальной форме закон дарси в дифференциальной форме

закон дарси в дифференциальной форме

закон дарси в дифференциальной форме

Коэффициент фильтрации, имеет размерность скорости и характеризует скорость потока через единицу площади сечения, перпендикулярного потоку, под действием единичного градиента напора.

При исследовании фильтрации газа, нефти и их смесей необходимо разделить влияние свойств пористой среды и флюида. Поэтому для разделения свойств флюида и пористой среды равенство представляют в виде:

закон дарси в дифференциальной форме

или закон дарси в дифференциальной форме

где μ – динамический коэффициент вязкости,

закон дарси в дифференциальной форме— приведенное давление,

Коэффициент фильтрации и проницаемости определяются экспериментально (рис. 1.4) и могут быть связаны между собой соотношением:

закон дарси в дифференциальной форме(10)

Равенства справедливы, если фильтрационные свойства недеформируемой пористой среды изотропные и однородные, т.е. проницаемость не зависит от направления и постоянна для всех точек.

Из формул имеем закон дарси в дифференциальной формеили закон дарси в дифференциальной форме,

где перепад напора, приходящийся на единицу длины (модуль градиента давления) можно представить в следующем виде

закон дарси в дифференциальной форме.

закон дарси в дифференциальной форме

Пермеаметр содержит образец исследуемого грунта, общий расход Q фильтрационного потока поддерживается постоянным, напоры Н1 и Н2 измеряют двумя пьезометрами, соединенными с пористой средой в сечениях 1 и 2.

Обычно соотношения или называют следствием закона Дарси.

Этот закон является хронологически первым законом теории фильтрации. Закон Дарси можно записать в виде

закон дарси в дифференциальной форме,

где закон дарси в дифференциальной форме— коэффициент фильтрации, имеющий размерность скорости;

закон дарси в дифференциальной форме— гидравлический уклон (или градиент давления).

Закон Дарси связывает меду собой вектор скорости и градиент фильтрационного давления.

Если обе части равенства разделить на площадь сечения, то получим

закон дарси в дифференциальной форме, (11)

выражение закон дарси в дифференциальной формеимеет размерности скорости, и определяет модуль вектора скорости фильтрации. При определении расхода считается, что вектор скорости фильтрации направлен перпендикулярно плоскости (галерее), через которую фильтруется флюид. Скорость фильтрации – это фиктивная скорость, т.к. она определяется в любой точке сечения пористой среды – и в порах, и в твердом скелете, а на самом деле течение проходит только по поровым каналам с некоторой истинной скоростью υ. Между фиктивной и истинной скоростью существует взаимосвязь:

закон дарси в дифференциальной формеили закон дарси в дифференциальной форме

Таким образом, скорость фильтрации равна истинной средней скорости, умноженной на просветность. Заменять просветность на пористость теоретически неправомерно.

Равенство можно представить в векторной форме. В случае изотропных фильтрационных свойств векторы скорости фильтрации и градиент фильтрационного давления лежат на одной прямой. Поэтому, если умножить равенство на орт закон дарси в дифференциальной форме, задающий направление фильтрации, получим

закон дарси в дифференциальной форме(13)

В равенстве множитель закон дарси в дифференциальной формепредставляет собой модуль приведенного давления при линейном законе распределения давления. Тогда можно записать

закон дарси в дифференциальной форме

Векторное уравнение представляет собой закон Дарси для изотропной пористой среды.

Знак «минус» в правой части равенства появляется из-за того, что скорость фильтрации направлена в сторону уменьшения приведенного давления. Поэтому векторы скорости фильтрации и градиента фильтрационного давления направлены в разные стороны (градиент давления направлен в сторону роста давления, а скорость фильтрации в обратную сторону – от большего давления к меньшему).

Равенство задает закон Дарси в универсальной безындексной форме записи, справедливой для любой системы координат. В декартовой системе координат равенство записывается в виде

закон дарси в дифференциальной форме, (15)

где закон дарси в дифференциальной форме— орты декартовой системы координат (ось z направлена вертикально вверх).

Это равенство можно спроектировать на оси координат

закон дарси в дифференциальной форме, закон дарси в дифференциальной форме, закон дарси в дифференциальной форме. (16)

Таким образом, закон Дарси заключается в том, что скорость фильтрации пропорциональна градиенту давления.

Закон Дарси имеет силу, если соблюдаются следующие условия:

1) мелкозернистая пористая среда или достаточно узкие поровые каналы;

закон дарси в дифференциальной форме

2) малая скорость фильтрации при небольшом градиенте давления;

3) незначительные изменения скорости фильтрации или градиента давления.

Закон Дарси справедлив для медленных фильтрационных движений, для которых силы инерции несущественны. Поэтому для таких движений несущественна плотность жидкости, определяющая свойство ее инерции.

Закон Дарси, в дифференциальной форме он имеет вид:

закон дарси в дифференциальной форме, (17)

Знак (-) в левой части формулы означает, что течение газа происходит в направлении, противоположном росту давления.

Фундаментальный закон фильтрации устанавливает связь между скоростью фильтрации и градиентом давления.

Нелинейные законы фильтрации ввести нумерацию.

Проведенные в дальнейшем эксперименты показали, что закон Дарси не является универсальным и нарушаются области малых и больших скоростей. Нарушение в области малых скоростей связано с молекулярным эффектом. Причины, вызывающие отклонение от закона Дарси при больших скоростях, являются до настоящего времени предметом дискуссии среди исследователей.

В 1901 году австрийский ученый Форхгейме, ссылаясь на исследования Мазони, рекомендовал выражать зависимость градиента давления от скорости двучленным законом фильтрации:

закон дарси в дифференциальной форме, (18)

Двучленный закон фильтрации в дифференциальной форме при прямолинейной фильтрации газа в принятых сейчас обозначениях, без учета силы тяжести имеет два вида записи:

закон дарси в дифференциальной форме, (19)

закон дарси в дифференциальной форме(20)

Первое слагаемое в правой части уравнения учитывает потери давления вследствие вязкости жидкости, второе слагаемое – инерционную составляющую сопротивления движению жидкости, связанную с криволинейностью и извилистостью поровых каналов.

При малых скоростях течения природа нелинейности закона фильтрации иная, чем в области больших скоростей фильтрации (больших значений числа Рейнольдса). Она связана с проявлением неньютоновских свойств фильтрующихся флюидов, а также других физико-химических эффектов и больших поверхностных сил (сил взаимодействия между флюидом и твердым скелетом).

При очень малых скоростях фильтрации неньютоновскими свойствами в пористой среде могут обладать даже ньютоновские жидкости. Но с ростом скорости этот эффект в ньютоновских жидкостях исчезает. В нефтегазовом деле к жидкостям, проявляющим неньютоновские свойства, относят аномальные нефти и буровые растворы. Поэтому для качественного изучения вопроса и количественной оценки этих эффектов необходимо отказаться от модели вязкой однородной жидкости и заменить ее какой-либо другой реологической моделью пластового флюида.

Ограничимся формулировкой наиболее простого нелинейного закона фильтрации неньтоновских жидкостей, в основе которого лежит модель фильтрации с предельным градиентом. Для случая одномерного линейного потока его можно представить в виде

закон дарси в дифференциальной форме, при закон дарси в дифференциальной форме, (21)

закон дарси в дифференциальной форме, при закон дарси в дифференциальной форме,

где закон дарси в дифференциальной форме— предельный (начальный) градиент давления, по достижении которого начинается движение жидкости: при меньших значениях градиента давления фильтрационное течение отсутствует, этот параметр измеряется в лабораторных условиях. зависит от начального сдвига жидкости и эффективного диаметра капилляра.

Закон фильтрации записывают также в виде одночленной степенной формулы:

закон дарси в дифференциальной форме(22)

Л.С. Лейбензон предложил выразить коэффициент проницаемости в виде:

закон дарси в дифференциальной форме(23)

где d – линейный размер (диаметр) зерен пористой среды, Sl – безразмерный критерий (число Слихтера), зависящий от коэффициента пористости и структуры порового пространства, т. е.

закон дарси в дифференциальной форме(24)

В связи с тем, что линейный закон фильтрации Дарси всё-таки является приближенным законом, при увеличении скорости фильтрации жидкости и соответствующем увеличении скоростного напора сделанное ранее при выводе линейного закона фильтрации допущение может оказаться несправедливым, тогда и возникнут погрешности в расчетах. В этих случаях говорят, что линейный закон фильтрации (закон Дарси) имеет верхнюю и нижнюю границы применения.

Верхняя граница определяется группой причин связанных с проявлением инерционных сил при высоких скоростях фильтрации. Верхнюю границу применимости закона Дарси связывают обычно с некоторым критическим (предельным) значением Reкр числа Рейнольдса:

закон дарси в дифференциальной форме, закон дарси в дифференциальной форме, (25)

где d – линейный размер пористой среды,

v – кинематический коэффициент вязкости флюида.

В таких случаях принято говорить о так называемых нелинейных законах фильтрации, например выражения.

Первая количественная оценка верхней границы применимости закона Дарси была выполнена Павловским, который, опираясь на результаты Слихтера, полученные для модели идеального грунта, и полагая характерный размер dравный эффективному диаметру dэф вывел следующую формулу для числа Рейнольдса:

закон дарси в дифференциальной форме,

Использовав эту формулу и данные экспериментов, Н.Н. Павловский установи, что критическое значение числа Рейнольдса находится в пределах

закон дарси в дифференциальной форме

Достаточно узкий диапазон изменения значений Reкробъясняется тем, что в опытах использовались не слишком разнообразные образцы пористых сред.

Для удобства обработки результатов многочисленных экспериментов различных авторов В.Н. Щелкачев предложил использовать безразмерный параметр, названный им параметром Дарси

закон дарси в дифференциальной форме.

Отсюда видно, что параметр Дарси представляет собой отношение силы вязкого трения к силе давления. Из выражения следует, что если параметр Дарси равен единицы

закон дарси в дифференциальной форме,

то закон Дарси справедлив.

6. Определить пористость, удельную поверхность и просветность для рыхлой кубической упаковки шаров.

7. Определить пористость для кубической и гексагональной упаковок шаров.

8. Определить коэффициент проницаемости пористой среды (в м 2 и Дарси), если известно, что коэффициент фильтрации kф = 0,3·10 – 4 см/с, кинематический коэффициент вязкости жидкости ν = 10 – 6 м 2 /с.

Решение. Из формулы (1.9) закон дарси в дифференциальной форме.

Переведем все размерности в СИ:

10. Определить коэффициент фильтрации для керна, помещенного под углом α к горизонту, если массовый расход жидкости равен Qм, плотность жидкости ρ и вязкость μ, разница напоров в начале и конце керна составляет ΔН, площадь сечения S, длина керна L.

11. Образец пористой среды длиной 10 см и диаметром 5 см после насыщения под вакуумом керосином с плотностью 810 кг/м 3 стал тяжелее на 20 г. Определить коэффициент пористости образца.

Тогдазакон дарси в дифференциальной форме, V1 – весь объем шаров,V2 – объем породы.

закон дарси в дифференциальной форме

Суммарная поверхность Sпесчинок, заключенных в 1 м 3 песчаного пласта, равна:

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *