Файл: История формирования дисциплины Подземная гидродинамика.docx

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
ФГБОУ «ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Реферат

на тему: «История формирования дисциплины «Подземная гидродинамика». Основы гидравлики и механики сплошных сред»
Вариант№7
Выполнил:
Проверил: к.г.-м.н., доцент

Аузина Л.И.

2023 г.

Содержание

Введение

Актуальность темы работы. Подземная гидродинамика является наукой, изучающей законы течения природных жидкостей — нефти, воды и газа в пористой среде.

Конечной задачей подземной гидромеханики является установление зависимостей между расходами, контурными давлениями, размерами и структурой пласта и физическими свойствами текущих в нем жидкостей.

На сегодняшний день доля трудноизвлекаемых запасов углеводородов (аномальных по характеристикам, расположенных в низкопродуктивных пластах, удаленных от инфраструктуры, а также нефть выработанных месторождений и т.д.) неуклонно растет в структуре мировых запасов. В целях повышения рентабельности уникальных проектов по разработке таких трудноизвлекаемых запасов, необходимо формирование новых теоретических и практических подходов к разработке месторождений.

Таким образом, актуальными становятся задачи подземной гидродинамики связанные с таким областями как двухфазное и трехфазное течения, фазовые переходы в процессе фильтрации, течения в низкопроницаемых коллекторах, задачи в области моделирования различных методов увеличения нефтеотдачи и т.д. Эффективное решение данных задач должно базироваться на ранее разработанных подходах и теориях подземной гидродинамики.

Основы науки были заложены в 19 веке, и по сей день подземная гидродинамика активно развивается: модели усложняются, подходы к решению задач совершенствуются, тем самым позволяя описывать природные процессы более достоверно.

Цель работы – рассмотреть историю формирования дисциплины «подземная гидродинамика» и определить основы гидравлики и механики сплошных сред.

---

1. История развития подземной гидродинамики

Подземная гидродинамика – это наука о течении жидкостей и газов, также их смесей в пористых и трещиноватых горных породах. Объект изучения подземной гидродинамики – фильтрационный поток (поток жидкостей, газов или их смесей в пористой или трещиноватой среде).

Подземная гидродинамика является ветвью гидродинамики, которая зародилась в глубокой древности и связана с потребностью людей в воде. Первые каналы для снабжения жителей городов водой появились 2500 лет назад в Китае, Египте и Индии, а первый водопровод появился в Риме 2300 лет назад. Первым трудом в области гидродинамики можно считать трактат Архимед (287-212 гг. до н.э.) «О плавающих телах».

В данной области известны работы ученых 15-17 века:

• 
  Леонардо да Винчи (1452-1519) – «О движении и измерении воды»;
  
• 
  Симон Стевин (1548-1620) – «Начала гидростатики»;
  
• 
  Галилео Галилей (1564-1642) – «Рассуждение о телах, пребывающих в воде, и о тех, которые в ней движутся»;
  
• 
  Исаак Ньютон (1642-1727) – «Математические начала натуральной философии»;
  
• 
  Блез Паскаль (1623-1662) – открытие закона о передачи давления жидкостью;
  
• 
  Эванджелиста Торричеллии (1608-1647) – закон течения жидкости через отверстие.
  

Обобщение знаний и выделение гидродинамики в отдельную науку происходит в 18 веке. В 1738 году была опубликована книга Д. Бернулли (1700-1782) «Гидродинамики, или Записки о силах и движениях жидкостей». Бернулли вывел уравнение устанавливающее зависимость между скоростью потока жидкости и ее давлением, которое по сути выражает закон сохранения энергии, позже уравнение было названо его именем. Л. Эйлер (1707-1783) вывел систему дифференциальных уравнений равновесия и движения жидкостей и газов, также он сформулировал уравнение неразрывности, результаты своей работы он обобщил в трактате «Общие принципы движения жидкости» (1755). Закон сохранения веществ и закон сохранения энергии были сформулированы М.С. Ломоносовым (1711-1765) в работе «Рассуждение о твёрдости и жидкости тел» (1760). Ломоносова также можно считать основоположником подземной гидродинамики, в работе «О слоях земных» (1763) ученый рассказывает о «подземных водах», представляющих собой природные растворы, связанные с горными породами и находящиеся в постоянном кругообороте.

В середине 19 века французским инженером А. Дарси (1803-1853) было положено начало изучению фильтрации жидкостей в пористой среде. Под его руководством впервые в Европе была сконструирована системы очистки воды в г. Дижон. Дарси произвол множество опытов по движению жидкостей в трубах, исследования он изложил в своем сочинении «Экспериментальные исследования, связанные с движением воды в трубах» (1857). До этого единственными работами в этой области были работы Гаспара де Прони (1755-1839), но они были основаны на небольшом количеством опытов и узком диапазоне изменений параметров опытных установок. Дарси экспериментально установил линянию зависимость скорости фильтрации воды через песчаный фильтр от разности напоров на входе и выходе фильтра, сформулированный закон получил его имя. Через год после открытия закона французский ученый Ж. Дюпюи (1804-1866), применяя результаты работы Дарси к решению практических задач, и сформулировал закон притока воды к колодцам. По сей день закон Дарси и закон Дюпюи можно назвать первой буквой в азбуке нефтяников

---

К концу 19 века появляются работы Ж. Буссинеске (1842-1929), Ф. Форхгеймера (1852-1933) и др. Буссинеске впервые вывел уравнения неустановившегося движения подземных вод. Однако целостной теории о движении подземных вод не существовало до 90-х годов. В 1889 году Н.Е. Жуковский (1847-1921) заложил фундамент теории, опубликовав свой труд «Теоретические исследования о движении подпочвенных вод». В своей работе Жуковский ввел понятие о массовой силе сопротивления при фильтрации и на основе уравнений Эйлера вывел дифференциальные уравнения движения подземных вод в пористой среде. Жуковский указал на математическую аналогию теплопроводности и фильтрации. Им был исследован вопрос капиллярных эффектов в пористой среде и решен ряд задач о притоке воды в скважину. В 1912 году вышла из печати работа А.А. Краснопольского (1853-1920), в которой изложена теория притока воды к колодцам при турбулентной фильтрации.

Наибольшее развитие теория фильтрации жидкостей и газов через пористую среду получила в работах советских ученых, это связано с активным развитием хозяйства и потребностью в решении сложных задач в строительстве, водоснабжении, орошении засушливых районов страны, строительстве шахт и т.д. Н.Н. Павловскому (1884-1937) принадлежит важная роль в развитии теории фильтрации в гидротехнике. Павловский разработал теорию фильтрации грунтовых вод в пористой среде и изложил ее в монографии «Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями». Ученый предложил использование электрогидродинамической аналогии (метод исследования течений идеальной жидкости основанный на изучении исследования течения электрического тока в проводнике) для решения фильтрационных задач, что получило широкое распространение при решении задач движения нефти, газа и воды в неоднородных пластах-коллекторах. Также Павловский предложил использовать число Рейнольдса, как критерий применимости закона Дарси.

Активная добыча нефть в России началась в середине 19 века, в основном с целью заправки керосиновых ламп, а в дальнейшем с целью получения смывающих материалов и топлива. Бурное развитие нефтяной и газовой промышленности в советские годы потребовало создания новой науки в области фильтрации — нефтегазовой гидродинамики.

Основоположником этой науки является советский академик Л.С. Лейбензон (1879-1951). Его исследования по подземной гидродинамике и по общим вопросам теории фильтрации были начаты в Баку в 1921 г. и продолжались в течение 30 лет. Впервые им проведены исследования по фильтрации газированных жидкостей, сформулированы задачи нестационарной фильтрации при стягивании конура нефтеносности и вытеснения нефти водой, получены фундаментальные результаты в теории фильтрации газов.

---

Большой вклад в развитие нефтегазовой гидродинамики внесли последователи академика Л.С. Лейбензона: С.А.Христианович, Б.Б. Лапук, И.А. Чарный, В.Н. Щелкачев. Монографии и учебники, написанные ими, стали классическими.

В 1983 году Д. Бурде применил производную давления от логарифма времени для графоаналитического решения обратной задачи гидродинамики, что стало возможно с техническим прогрессом в измерительной аппаратуре. Таким образом, значительно возросли диагностические возможности, разрешающая способность и надежность диагностических кривых нового поколения. В середине 1980-ых появилось специальное программное обеспечение на базе разработанных теорий гидродинамических исследований скважин.

Активно развивались методы изучения кривых падения добычи, подразумевающие анализ потока данных о добыче скважины за длительный период времени (месяц, годы), большой вклад в развитие теоретических основ анализа добычи внесли Арпс, Феткович, Блэсингейм, Агарвал и Гарднер. Их подходы также реализованы в программных продуктах для аналитического и численного решения обратной задачи гидродинамики.

2. Основы гидравлики и механики сплошных сред

Теоретическая механика работает с двумя основными объектами:

– тело, состоящее из материальных точек, обладающих массой и связанных между собой;

– абсолютно твердое тело.

Тела, состоящие из большого числа материальных точек, движение каждой из которых описывается своим дифференциальным уравнением, обладают усредненными/макроскопическими характеристиками (например, плотность, давление, скорость, энтропия). Эти характеристики могут быть вычислены статистическими методами.

Механика сплошной среды (МСС) – наука о движении газообразных, жидких и твердых деформируемых тел.

Основой МСС являются подходы и методы, развитые теоретической механикой, которая рассматривает движения материальной точки, дискретных систем материальных точек и абсолютно твердого тела с изменяющимися расстояниями между ними во время движения.

Как и теоретическая механика, МСС инструментом исследования физических тел использует модели процессов или явлений. В ряде случает, например, при движении газов, процессы, проистекающие в деформируемых средах, тесно связаны с термодинамическими явлениями в этих средах. Поэтому в основе МСС лежат как законы теоретической механики, так и законы термодинамики.

---

МСС является теоретической базой для таких дисциплин как гидромеханика ньютоновских и неньютоновских жидкостей, газовая динамика, подземная гидромеханика, теория упругости, теория пластичности..

В механике сплошных сред (МСС) тела считают сплошными.

Гипотеза сплошности: тело называется сплошным, если в любом бесконечно малом объеме содержится бесконечное количество материальных точек.

Явления, рассматриваемые в МСС, носят макроскопический характер. Это позволяет не рассматривать молекулярное строение вещества, а рассматривать физические тела как сплошные среды. Газ, жидкость, твердое деформированное тело рассматривают как среду непрерывным образом заполняющая часть пространства, т.е. представляющая собой непрерывный континуум, состоящий из множества дискретных материальных точек.

С физической точки зрения принятие модели сплошности означает, что при макроскопическом описании всякий «бесконечно малый объем» содержит достаточно большое число молекул. Например, кубик воздуха с ребром 10^-3 мм содержит 2*10⁶ молекул. Отсюда видено, что предлагаемая идеализация не будет применимой лишь при очень больших разряжения. Газ и жидкость называют жидкостью, только газ – сжимаемая, а капельная жидкость –несжимаемая жидкость.

Эта гипотеза позволяет перейти от уравнений для отдельной материальной точки к уравнениям для локальных характеристик.

Все движение сплошной среды происходит в евклидовом пространстве и в абсолютном времени.

Объекты исследования МСС: газообразные, жидкие среды; твердые деформируемые тела; тепловые, электромагнитные, радиационные и др. поля.

Задачи МСС: движение жидкости, движение тел в жидкости или в газе, взаимодействие тел с полями, механика деформируемого твердого тела.

МСС возникла в связи с решением таких задач, как установление закономерностей при истечении жидкостей из сосудов, просачивание жидкости через грунт, прогиба балок, находящихся под нагрузкой и т.д. С помощью и на основе методов и данных, развитых в теоретической механике, в МСС рассматриваются движение тел с изменяющимися расстояниями между точками этих тел во время движения.

---