Роль фильтрации многофазных систем в нефтегазовой отрасли
Многофазная система — это система, в которой минимум одна из фаз находится в высокодисперсном состоянии (частица, состоящая из множества молекул).
При разработке нефтяных месторождений добыча полезного ископаемого может производиться с помощью вытеснения нефти водой или газом, как при естественных режимах, так и при способе добычи с поддержанием пластового давления (пластовой энергии). При добыче природного газа его вытеснение может также осуществляться водой или нефтью (при наличии нефтяной оторочки).
Взаимодействие между собой различных флюидов, а также их взаимодействие с пористой структурой продуктивного и вмещающего пластов становится причиной возникновения:
- Капиллярных явлений.
- Образования в продуктивном пласте совместного течения флюидов (например, газ-нефть).
- Неравномерного или неполного вытеснение.
Все эти процессы являются признаком образования многофазной фильтрации.
При определенных режимах работы разработки нефтегазовых месторождений и условиях залегания полезно ископаемого в пласте может возникнуть течение многофазной и многокомпонентной смеси. В результате такого течения между фазами с различными скоростями может происходить интенсивный массообмен. Переход компонентов из одной фазы в другую становится причиной изменения фильтрующих свойств фазы, а также ее состава. Данные процессы могут происходить при перемещении газированной нефти, при условии ее вытеснения водой или газом или при разработке месторождений сложного компонентного состава, при условии вытеснения нефти оторочками активной примеси. К активным примесям могут относиться:
- Полимерные растворы.
- Щелочные растворы.
- Газообразные растворители.
Для расчета параметров вытеснения полезного ископаемого основой является теория многофазной многокомпонентной фильтрации.
Основные характеристики многофазной фильтрации
Все углеводородные системы могут быть гетерогенными и гомогенными. В гомогенной системе все ее элементы обладают одинаковыми физико-химическими свойствами. Части гомогенной системы «размазаны» по пространству и взаимодействуют с друг другом на молекулярном уровне. Гетерогенные углеводородные системы состоят из фаз (гомогенная часть системы), однако, из которых отделена от других четкой границей. Взаимодействие между фазами происходит на поверхности раздела. Типичным примером гетерогенной системы является смесь в пласте, которая состоит из природного газа, воды и нефти.
Основными характеристиками многофазной фильтрации являются скорость фильтрации и насыщенность.
Насыщенность — это доля объема, занятая фазой в элементарном объеме.
Насыщенность можно определить по следующей формуле:
$g = Vi / Vn, i = 1, 2...n$
где $n$ – число фаз.
Скорость фильтрации — расход жидкости, проходящий через одну единицу поперечного сечения потока.
Скорость фильтрации определяется по формуле (формула Дарси):
$Q = kwJ$
где, $k$ – коэффициент фильтрации; $w$ – площадь поперечного сечения; $J$ — гидравлический уклон.
Гидравлический уклон рассчитывается по формуле:
$J = h / L$
где, $h$ – потери напора по длине фильтрующего потока; $L$ – длина фильтрующего потока.
Способы моделирования процесса фильтрации многофазной системы
Существует три основных способа моделирования процесса фильтрации многофазной системы: экспериментальное, аналоговое и численное.
Результаты экспериментального моделирования обычно используются для корректировки и проверки математических моделей. В этих целях широкое применение получила установка для изучения фильтрационных свойств пористых сред. Схема установки изображена на рисунке.
Рисунок 1. Схема установки. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
1 — баллон с газом; 2 — вентиль; 3 — регулятор давления; 4 — расходомер; 5 — выходной манометр; 6 — керн; 7 — входной манометр.
Данные установки и их аналоги используются для экспериментальной проверки закона Дарси и определения коэффициента извлечения полезного ископаемого.
Аналоговое моделирование используется для различных физических процессов, которые могут быть описаны одинаковыми математическими моделями. Для этого применяется модель и ячейка Хеле-Шоу, которая изображена на рисунке ниже.
Рисунок 2. Модель и ячейка Хеле-Шоу. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Течения в такой ячейке легко поддаются визуализации, что стало причиной ее использования в качестве простой двумерной модели пористой среды с однородной проницаемостью. Еще одним методом аналогового моделирования является способ электрогидродинамической аналогии, который основан на сходстве уравнений, описывающих стационарные течения электрического тока и закона Дарси.
Численное моделирование является одним из самых эффективных методов, он дешевле и доступнее. Иногда численное моделирование является единственным доступным способом, так как некоторые фильтрационные уравнения не могут быть решены аналитическим способом, поэтому требуется использование ЭВМ. Данный метод основан на составлении уравнений, который могут описывать процесс фильтрации многофазной системы с различными условиями и исходными данными.
