Реологические модели фильтрующихся жидкостей и нелинейные законы фильтрации

ОСНОВЫ ФИЛЬТРАЦИИ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

При очень малых перепадах течение жидкостей в пластах, как отмечалось ранее, не подчиняется закону Дарси и поведение жидкости аномально. Данная аномальность связана с физико–химическим взаимодействием фильтрующихся жидкостей с материалом пористой среды, а сами жидкости при этом получили название неньютоновские.

Кроме этого, наличие нелинейной связи тензора скоростей деформации с тензором напряжения может проявляться и в ряде других случаев. Так повышенное содержание в нефтях высокомолекулярных компонентов (смол, асфальтенов, парафина) приводит к проявлению неньютоновских свойств флюидов при их фильтрации.

Развитие методов воздействия на природные залежи с целью увеличения нефте- и газоконденсатоотдачи приводит к значительному расширению ассортимента веществ, закачиваемых в продуктивные пласты. Многие из этих веществ (высокомолекулярные соединения, полимеры) не обладают свойствами ньютоновских жидкостей. Поэтому рассмотрение особенностей фильтрации неньютоновских систем приобретает самостоятельное значение.

Для простоты будем рассматривать нелинейные законы фильтрации, описывающие только безинерционные движения при условии, что фильтрующиеся жидкости обладают неньютоновскими свойствами.

Течение ньютоновской жидкости описывается законом Ньютона:

, (6.1)

где du/dy – градиент скорости в направлении перпендикулярном направлению течения х.Зависимость между t и du/dy является в этом случае прямой линией, проходящей через начало координат (рис. 6.1, кривая 2).

Жидкости, не подчиняющиеся закону трения (6.1), называются аномальными или неньютоновскими. Неньютоновские жидкости можно разбить на три класса:

1. Стационарно реологические жидкости – касательное напряжение зависит только от градиента скорости:

. (6.2)

2. Нестационарно реологические жидкости – связь между t и du/dy зависит от времени действия напряжений

. (6.3)

3. Вязкоупругие жидкости – среды, обладающие свойствами как твердого тела, так и жидкости, а также способные к частичному восстановлению формы после снятия напряжений. Для таких сред зависимость между касательными напряжениями и градиентом скорости более сложная; она включает производные по времени как напряжений, так и градиента скорости

Среди неньютоновских жидкостей первого класса, описываемых уравнением (6.2), можно выделить три типа:

1. Вязкопластичные жидкости, для которых уравнение (6.2) имеет вид при t>t₀ , (6.4)

при t£t₀.

Рис. 6.1. Зависимость касательного напряжения t от градиента скорости: жидкость: 1 – дилатантная; 2 – ньютоновская; 3 – псевдопластичная; 4 – вязкопластичная

Графическое представление этой зависимости, называемое реологической кривой, приведено на рис. 6.1 (кривая 4). В равенство (6.3), кроме коэффициента вязкости m, входит также постоянная t₀,называемая начальным (или предельным) напряжением сдвига. Считается, что при t£t₀ жидкость ведет себя как твердое тело и течение отсутствует. Это объясняется наличием у покоящейся вязкопластичной жидкости пространственной жесткой структуры, сопротивляющейся любому напряжению t, меньшему t₀. Когда t становится больше t₀, структура разрушается.

2. Псевдопластичные жидкости. Эксперименты показали, что для ряда сред связь между напряжением сдвига и градиентом скорости в логарифмических координатах оказывается на некотором участке линейной с угловым коэффициентом от 0 до 1. Поэтому для описания таких сред используется степенная зависимость

, (n < 1), (6.5)

где k и n постоянны для данной жидкости; коэффициент k – мера консистенции жидкости; отличие показателя n от единицы характеризует степень отклонения данной жидкости от ньютоновской. Типичная реологическая кривая (6.4) псевдопластичной жидкости приведена на рис. 6.1 (кривая 3). Модель псевдопластичной жидкости применяется, в частности, для описания движения растворов и расплавов полимеров.

Указанные реологические соотношения можно привести к ньютоновскому виду путем введения понятия кажущейся вязкости m*, как отношения касательного напряжения к градиенту скорости:

.

Для псевдопластичной жидкости, как следует из (6.4), эта величина и так как n<:1, то m* убывает с возрастанием градиента скорости.

3. Дилатантные жидкости описываются степенным уравнением (6.4), но при n>1. Кривая течения представлена на рис. 6.1 (кривая 1). У этих жидкостей кажущаяся вязкость m*увеличивается с возрастанием градиента скорости. Модель дилатантной жидкости хорошо описывает свойства суспензий с большим содержанием твердой фазы.

В зависимости от вида неньютоновской жидкости по-разному записывается и закон фильтрации. Так закон фильтрации вязкопластичной жидкости (6.3) в пористой среде записывается в виде:

u>0; (6.6)

, u=0,

где – – предельный (начальный) градиент.

В соответствии с (6.5) скорость фильтрации u отлична от нуля только в тех областях, где ½gradp½>g (рис. 6.2, кривая 1). Модель фильтрации с предельным градиентом следует рассматривать как некоторую идеализацию реальных течений аномальных нефтей в пластовых условиях, для которых реологическая кривая имеет вид кривой 2 на рис. 6.2. Для сравнения на рис. 6.2 показана диаграмма ньютоновской жидкости по закону Дарси (кривая 3).

Рис. 6.2. Индикаторные линии: 1 – линейная аппроксимация неньютоновской жидкости; 2 – реальная неньютоновская жидкость; 3 – ньютоновская по закону Дарси

В основе проявления неньютоновских свойств пластовых систем лежат различные физические механизмы, но все неньютоновские эффекты проявляются при малых скоростях фильтрации и в средах с малым размером пор, т.е. с малой проницаемостью. Это определяет особенности неньютоновской фильтрации в неоднородных пластах. Области малой проницаемости оказываются областями наибольшего проявления неньютоновских эффектов.

Так в пластах со слоистой неоднородностью предельные градиенты различны для разных пропластков – чем больше проницаемость, тем меньше предельный градиент g, и наоборот. В связи с этим, пропластки будут последовательно включаться в работу по мере того, как градиент давления будет превышать величины соответствующих предельных градиентов сдвига.

Наряду с рассмотренным законом фильтрации (6.6), описывающим течение вязкопластичной жидкости в пористой среде, рассматривают степенной закон фильтрации:

, (6.7)

где С – экспериментальная константа; n>0.

Степенной закон, соответствующий псевдопластичному флюиду (6.4), хорошо описывает движение растворов полимеров в пористой среде и используется при расчете “полимерного” заводнения пластов с целью повышения их нефтеотдачи.