Подземная гидрогазодинамика

ПОДЗЕМНАЯ ГИДРОГАЗОДИНАМИКА (а. underground hydro-gas dynamics; н. Reservoirmechanik fur Gas; ф. hydrodynamique des gaz souterraine; и. hidro-gasodinamica subterranea) — наука о движении жидкостей, газов и их смесей в пористых средах (грунтах и горных породах); раздел гидродинамики. Предмет изучения подземной гидрогазодинамики — движение природных жидкостей и жидкостей, закачиваемых в пласты, под действием естественных сил и техногенных факторов.

Подземная гидрогазодинамика изучает: движение грунтовых вод, подземных вод при разработке месторождений полезных ископаемых; вытеснение нефти водой или выделяющимся из нефти газом при разработке нефтяных месторождений; движение газа в газовых и в угольных пластах; процессы перемещения (миграции) природных флюидов, ведущие к образованию месторождений нефти и газа, а также руд, кристаллизующихся из водных растворов. Метод подземной гидрогазодинамики — построение количественных теоретических моделей движений внутрипластовых жидкостей и изучение их математическими средствами. Разделы подземной гидрогазодинамики: основные понятия теории движения жидкостей в пористых средах; фильтрационные характеристики пористых сред; закон фильтрации однородной жидкости; законы сохранения массы жидкости (уравнение неразрывности); дифференциальные уравнения движения однородных жидкостей в пористой среде; граничные условия и постановка задач подземной гидрогазодинамики; математическая теория движения несжимаемых жидкостей в пористой среде; напорные и безнапорные течения; движение слабосжимаемых жидкостей в упругодеформируемой среде, теория нестационарных движений при упругом режиме фильтрации; основном уравнении фильтрации газа; теория нестационарных движений газа; теория движения жидкостей в гетерогенных, в т.ч. трещиновато-пористых средах; теория движения неньютоновских жидкостей; основной закономерности движения смесей жидкостей в пористой среде; законы сохранения масс фаз; уравнения многофазной фильтрации; теория вытеснения несмешивающихся жидкостей; процессы тепло- и массопереноса при движении жидкостей в пористой среде; физико-химической подземной гидрогазодинамики и теории процессов повышения нефтеотдачи; деформации горных пород при движении в них жидкостей.

Формулировка основных задач подземной гидрогазодинамики опирается на общие принципы механики сплошной среды с привлечением соотношений смежных дисциплин — термодинамики, физической химии, физической кинетики, используется математический аппарат. Для численного решения задач подземной гидрогазодинамики применяются ЭВМ.

Выделение подземной гидрогазодинамики в самостоятельную дисциплину связано с введением особого соотношения, связывающего градиент гидравлического напора со скоростью фильтрации — плотностью объёмного потока жидкости, впервые установленного экспериментально для движения воды в песке французским инженером А. Дарси (1856).

Подземная гидрогазодинамика в 20 веке формировалась в связи с требованиями нефтяной промышленности: основой для её развития послужили результаты, полученные в теории фильтрации подземных вод французскими учёными Ж. Дюпюи и Ж. В. Буссинеском, а также немецким учёным Ф. Форхгеймером. В России Н. Е. Жуковский дал вывод закона Дарси, исходя из уравнений движения идеальной жидкости Эйлера (включив распределённые по объёму поверхностные силы трения). В 20-е гг. советский учёный Л. С. Лейбензон создал школу подземной нефтяной гидромеханики, а также предложил первые методы расчёта неоднородных фильтрационных течений (при вытеснении нефти водой). Важные для теории и практики задачи подземной гидрогазодинамики были исследованы С. А. Христиановичем, Н. Н. Павловским, П. Я. Кочиной. Методы расчёта многомерных течений природных жидкостей в нефтяных пластах разработаны в CCCP (начиная с 40-х гг.) для различных по сложности математических моделей процессов вытеснения нефти из пластов И. А. Чарным, Г. Г. Тумашевым, Г. Г. Вахитовым; за рубежом: М. Маскетом, Дж. Дугласом, Ф. Писменом и др. Стохастический подход к задачам подземной гидрогазодинамики, позволяющий учитывать существенную неопределённость в исходной информации о пласте и жидкостях, развит А. Шейдеггером (Канада), М. И. Швидлером (CCCP) и др. Работы по изучению неньютоновских свойств ряда нефтей в пластовых условиях выполнены начиная с концу 60-х гг. А. Х. Мирзаджанзаде, М. Г. Алишаевым, В. М. Ентовым, В. М. Рыжиком, Ю. М. Молоковичем, Э. В. Скворцовым и др. В 60-е гг. создана теория фильтрации жидкостей и газов в трещиновато-пористых средах: разработана модель "двойной пористости" (Г. И. Баренблатт, И. Н. Кочина, Ю. П. Желтов, К. С. Басниев и др.); развита теория фильтрации многокомпонентных смесей (А. К. Курбанов, В. Н. Николаевский, М. Д. Розенберг и др.). В 60-70-е гг. получено адекватное математическое описание процессов термического воздействия на нефтяного пласта (Э. Б. Чекалюк, А. А. Боксерман, Н. Л. Раковский — CCCP; С. Маркс, Р. Лангенхейм, Д. Диц и др. — США); разработаны методы гидротермодинамического расчёта показателей процессов закачки горячей воды, пара, внутрипластового горения. Фильтрационным течениям многокомпонентных смесей в пористой среде и фазовым переходам посвящены труды Д. А. Эфроса, А. Х. Мирзаджанзаде, Г. Р. Гуревича, М. Б. Панфилова и др.

Перспективы развития подземной гидрогазодинамики связаны с дальнейшей разработкой теории совместного течения смешивающихся жидкостей, развитием концепции фазовых проницаемостей, совершенствованием описания термодинамических неравновесных явлений в нефтяных пластах, сочетанием методов подземной гидрогазодинамики и теории оптимального управления объектами с распределёнными параметрами; для газового пласта — с дальнейшим совершенствованием регулирования разработки месторождений при водонапорном режиме (с учётом поступления в залежь контурных и подошвенных вод), разработкой месторождений с аномально высокими пластовыми давлениями и др. На основе подземной гидрогазодинамики с использованием ЭВМ разрабатываются модели крупных природных объектов (нефтяное или газовое месторождение, региональная система водообмена) с учётом взаимодействия поверхностных и подземных вод. Основными направлениями современного развития подземной гидрогазодинамики являются, с одной стороны, анализ реальных сложных объектов; с другой — учёт в моделях подземной гидрогазодинамики более тонких физических эффектов и физико-химических взаимодействий; начинает развиваться микромеханика течений в пористых средах.