Щелкачев В.Н. Основы и приложения теории неустановившейся фильтрации: Часть 1
Подождите немного. Документ загружается.
Автор имеет основание считать
эту монографию последней, им написанной*,
и посвящает ее памяти родителей —
Зинаиды Александровны
и Николая Ивановича Щелкачевых
*
Первая была им написана в 1930 г.
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА
им. И. М. ГУБКИНА
В . Н . Щ Е Л К А Ч Е В
ОСНОВЫ И ПРИЛОЖЕНИЯ
ТЕОРИИ
НЕУСТАНОВИВШЕЙСЯ
ФИЛЬТРАЦИИ
МОСКВА
1995
Щелкачев В. Н.
Щ. 44. Основы и приложения теории неустановившейся фильт
рации: Монография: В 2 ч. — М.: Нефть и газ, 1995. —
Ч. 1. — 586 с.
Приведены решения задач подземной гидродинамики с применениями
к разработке нефтеносных и водоносных пластов в условиях неустановив-
шихся движений жидкостей в пластах и перераспределения давлений в
них. На основании известных аналогий приведенные решения могут быть
использованы в теориях теплопроводности, диффузии и других разделах
математической физики.
Книга может быть использована научными работниками, инженерами
и геологами-нефтяниками, гидрогеологами, гидротехниками и студентами
соответствующих специальностей.
Разделение книги на две части вызвано полиграфическими трудностями
в связи с ее большим объемом.
Следует учесть, что и в первой и во второй частях книги даются по
ходу изложения ссылки на математическое Приложение и Указатель
литературы, помещенные в конце второй книги.
Автор выражает большую благодарность
организациям, обеспечившим возможность
опубликования данной книги: Министерст
ву топлива и энергетики Российской Феде
рации, Акционерному обществу «Россий
ская нефть* и ректорату Государственной
академии нефти и газа им. И. М. Губкина
и персонально благодарит: В. Е. Гавуру,
В. А. Двуреченскогоу А. А. Джавадяна,
Н. Н. Лисовского, В. С. Ульянова.
© Издательство «Нефть и газ», 1995
ПРЕДИСЛОВИЕ
Ректорат Государственной ордена Октябрьской революции и
ордена Трудового Красного Знамени академии нефти и газа
им. И. М. Губкина обратился ко мне с просьбой написать предис
ловие к монографии профессора Щелкачева В. Н. «Основы и
приложения теории неустановившейся фильтрации». Представить
читателям работу крупнейшего механика, классика современной
теории фильтрации для меня, ученика В. Н. Щелкачева, является
весьма ответственной и одновременно почетной трудной задачей.
Развитие нефтегазовой науки и практики высшего нефтегазового
образования начиная с 30-х годов тесно связано с именем доктора
технических наук, профессора, почетного члена Академии естест
венных наук Российской Федерации В. Н. Щелкачева.
Владимир Николаевич Щелкачев — выдающийся русский уче
ный и педагог — предлагает читателям свой очередной фунда
ментальный труд — монографию, которая является обобщением
результатов многолетних исследований в области нефтегазовой
подземной гидромеханики.
Выпускник Московского государственного университета
им. М. В. Ломоносова, математик по образованию, В. Н. Щелкачев
начал свои исследования и педагогическую работу сначала, с 1928 г.,
в Москве, а затем с 1934 г., в Грозном. Уже в те годы на основе анализа
разработки грозненских нефтяных месторождений он вплотную при
ступил к созданию новой теории пластовых водонапорных систем,
теоретических основ нестационарной фильтрации жидкостей и газов.
В. Н. Щелкачев впервые наиболее полно рассмотрел вопрос о
влиянии упругости пористой среды и насыщающей ее жидкости на
разработку нефтеводоносных пластов. Он убедительно Показал, что
именно совместный учет упругости жидкости и среды адекватно
описывает начальный период жизненного цикла месторождений, на
званный им периодом упругого режима залежи.
Введя понятие режима нефтеводоносного пласта как проявление
доминирующей формы пластовой энергии при разработке, он
уточнил определение упругого режима как проявление доминиру
ющих упругих свойств пласта и жидкости.
При этом первоначально он рассматривал простейшие фильт
рационные потоки ньютоновской жидкости по закону Дарси в
упругой пористой среде, насыщенной жидкостью, поведение кото
рых подчиняется линейному закону Гука. В. Н. Щелкачевым было
показано, что такая фильтрация описывается линейным диффе
ренциальным уравнением Фурье, которое применительно к упру
гому режиму названо им уравнением пьезопроводности.
Введя на основе вышесказанного понятия упругого запаса залежи
и коэффициента пьезопроводности в полученное дифференциаль
ное уравнение, В. Н. Щелкачев получил достаточно простое
математическое описание упругого режима на основе ясных и
хорошо обоснованных физических представлений о происходящих
процессах. Этот подход и заложил основы теории упругого режима,
признанным автором которой является В. Н. Щелкачев.
Дальнейшее развитие теория упругого режима на основе
исследования нестационарных фильтрационных течений получила
в многочисленных работах самого В. Н. Щелкачева и его учеников.
Следует подчеркнуть, что развитие теории нестационарных про
цессов фильтрации нефти осуществлялось В. Н. Щелкачевым в
тесной связи с практикой разработки нефтяных месторождений в
соответствии с изменяющимися геолого-физическими и термоба
рическими условиями их залегания.
В предлагаемой вниманию читателей монографии изложены
фундаментальные основы нестационарной фильтрации примени
тельно к задачам разработки нефтеносных пластов, исследованию
которых В. Н. Щелкачев и его ученики посвятили многие годы, а
также результаты решения основных модельных задач о движении
жидкости в пористой среде при различной геометрии фильтраци
онного потока. При этом автор решает поставленные задачи с
использованием в ряде случаев математических методов, не
входящих в программы соответствующих курсов высшей школы.
Однако методичность изложения и детальный анализ результатов
решения задач в сочетании с дополнительными сведениями из
математики и физики, представленными в приложениях, делают
этот материал доступным как для широкого круга специалистов,
так и для студентов вузов.
В дальнейших разделах книги приведены методы решения
прямых и обратных задач нестационарной фильтрации примени
тельно к более сложным начальным и граничным условиям,
связанным с разработкой месторождений. Круг задач о пуске и
остановке скважин, изменении режима их работы, интерференции
групп скважин, учете их гидродинамического несовершенства, все
это важно для интерпретации результатов гидродинамических
исследований скважин при нестационарных режимах фильтрации,
для определения параметров пластов и установления технологи
ческих режимов их эксплуатации. Широко использованы при этом
введенные В. Н. Щелкачевым понятия условного радиуса влияния
скважины и условной области дренирования.
Большое практическое значение при проектировании и анализе
разработки нефтяных месторождений имеют результаты определе
ния средневзвешенного пластового давления, удельной добычи и
упругого запаса в пласте для многообразных природных условий
залегания и разработки месторождений. В книге дан тщательный
анализ практически всех результатов экспериментальных исследо
ваний по оценке сжимаемости пористых сред и жидкостей, включая
и позднейшие из них. Это чрезвычайно важно, так как анализ
показывает достоверность фундаментальных физических представ
лений, положенных автором в основу теории упругого режима.
В книге также указаны некоторые специальные приближенные
методы решения задач упругого режима. При этом автор выбрал
получившие наибольшее распространение в практике гидродина
мических расчетов разработки нефтяных и газовых месторождений
метод последовательной смены стационарных состояний и одну из
его модификаций — метод интегральных соотношений — и так
называемый метод «усреднения». Суть последнего состоит в том,
что в дифференциальном уравнении упругого режима производная
от давления по времени усредняется по всей возмущенной области
и заменяется некоторой функцией времени.
Хотелось бы отметить, что в процессе работы над монографией
В. Н. Щелкачев, изложив с большой глубиной, тщательностью и
завершенностью, доведенной до возможности непосредственного
практического использования, фундаментальные основы теории
нестационарных процессов фильтрации, не ограничился только этим.
Понимая свою роль не только как специалиста-механика,
описывающего результаты собственных исследований, и заботясь
об общеобразовательном гуманитарном значении изложения мате
риалов исследований на основе предшествующих работ классиков
математики и механики, В. Н. Щелкачев вновь вернулся к анализу
их трудов в связи с кругом задач, рассматриваемых в монографии.
Чтение некоторых отступлений и замечаний В. Н. Щелкачева,
связанных с изложением современных представлений автора о
некоторых исторически давно утвердившихся, классических, ре
зультатах, доставит читателям истинное удовлетворение.
Наконец, нельзя не сказать о замечательном подборе списка
литературы, включающего более тысячи наименований, что позво
ляет читателю с исчерпывающей полнотой охватить практически
всю обширную область теории нестационарной фильтрации и ее
обширных приложений.
Конечно, В. Н. Щелкачев внес выдающийся вклад в развитие
теории нестационарной фильтрации. Однако в этом разделе
механики, развивавшемся под сильным влиянием требований
практики, возникали (и возникают) новые задачи и новые направ
ления, над решением которых работали и работают многочисленные
последователи В. Н. Щелкачева.
Не имея возможности дать подробный обзор исследований в
развитие идей, изложенных в настоящей монографии, хотелось бы
напомнить их основные направления:
обоснование учета в ряде случаев влияния необратимости
деформаций и создание на этой основе модели упругопластического
режима;
развитие теории нелинейно-упругого режима фильтрации, вклю
чающей в себя учет изменения проницаемости от напряжений;
развитие теории упругого режима применительно к неоднород
ным пластам, в том числе с учетом упругости и проницаемости
кровли и подошвы, внутрипластовых перетоков;
развитие теории нестационарной фильтрации неньютоновских
жидкостей;
развитие теории упругого режима водоносных пластов в
приложениях к гидрогеологической практике;
развитие методов решения обратных задач нестационарной
фильтрации жидкости и газа с целью определения фильтрацион-
но-емкостных параметров пластов и уточнения их строения;
дальнейшее развитие теории упругого режима нефтегазоводо
носных пластов в усложняющихся геолого-физических и термоба
рических условиях.
Вот, возможно, еще не полный перечень направлений развития
теории нестационарной фильтрации за последние десятилетия.
Достигнутые в этих направлениях крупные научные результаты
позволили создать прочную основу теории разработки нефтяных
и газовых месторождений.
Созданное впервые в нашей стране направление комплексного
решения проблем разработки месторождений углеводородов на
основе достижений геологии, гидродинамики и отраслевой эконо
мики базируется в основной своей части на достижениях нефте
газовой подземной гидромеханики в России.
Практическое использование этого подхода позволило нашей
нефтегазовой промышленности на протяжении многих лет занимать
ведущие позиции в мире. В последние годы развиваемое на основе
новых трехмерных геофизических и геологических данных комп
лексное компьютерное моделирование разработки месторождений
на Западе начали называть интегрированным мультидисциплинар-
ным подходом.
В. Н. Щелкачев внес огромный вклад в практику разработки
нефтяных месторождений. Он придает всегда большое значение
анализу и обобщению опыта разработки месторождений.
Широко известны его принципиально важные публикации по
критическому анализу опыта разработки, основные на соответст
вующих этапах развития нефтяной промышленности, месторож
дений.
Напомним в связи с этим о публикациях В. Н. Щелкачева по
разработке Туймазинского, Бавлинского, Ромашкинского и Само-
тлорского месторождений. Эти месторождения стали своеобразной
творческой лабораторией проверки на практике основных теорети
ческих положений, и в свою очередь опыт их разработки ставил
перед специалистами новые, в том числе гидродинамические задачи.
Не менее важное значение В. Н. Щелкачев придает сравни
тельному анализу развития нефтедобычи в США и СССР, а затем
и в России. Результаты этих исследований, опубликованные им
самим и сотрудниками созданной им в ГАНГ им. И. М. Губкина
лаборатории анализа и обобщения зарубежного опыта, имели
большое значение в понимании основных тенденций развития
технологии нефтедобычи в двух крупнейших нефтедобывающих
странах, в определении перспектив развития мировой нефтедобычи.
Хотелось бы, хотя бы кратко, сказать о педагогической
деятельности В. Н. Щелкачева. Тысячи специалистов-нефтяников
слушали выдающиеся лекции профессора В. Н. Щелкачева по
теоретической механике. Заведуя на протяжении многих лет
кафедрой теоретической механики ГАНГ им. И. М. Губкина, он
всегда настойчиво отстаивал важнейшую роль фундаментальных
наук в подготовке инженеров.
Известны его многочисленные публикации о лекторском мас
терстве, методике преподавания курсов, анализе учебного процесса.
Написанный им в 1949 г. совместно с профессором Б. Б. Ла-
пуком учебник подземной гидравлики послужил первым учебным
пособием такого рода в мире, на основе которого было начато
преподавание курсов подземной гидромеханики в вузах. Переве
денный на китайский, румынский и венгерский языки, он и поныне
является настольной книгой инженеров-нефтяников. Напомним, что
введение было написано академиком Л. С. Лейбензоном.
Нельзя также не упомянуть о большой научно-организационной
работе В. Н. Щелкачева. Старейший член редколлегии журнала
«Нефтяное хозяйство», член центральной комиссии по разработке
нефтяных месторождений, член научно-методического Совета
Госкомвуза РФ по теоретической механике — и везде активная
деятельность по разработке месторождений углеводородов, по
совершенствованию преподавания,
Актуальные проблемы нефтегазовой подземной гидромеханики
регулярно обсуждаются на научном семинаре в Государственной
академии нефти и газа им. И. М. Губкина, почетным председателем
которого является профессор В. Н. Щелкачев.
Представляя читателям очередную монографию В. Н. Щелка
чева, отмечая ее важное значение для развития фундаментальных
основ подземной гидромеханики, мы считаем очень важным
представить его всестороннюю выдающуюся деятельность в области
нефтегазовой науки и практики, высшего нефтегазового образова
ния.
Думается, что предлагаемая вниманию читателей книга будет
весьма полезной и поучительной для специалистов, аспирантов,
студентов.
Зав. кафедрой нефтегазовой и подземной
гидромеханики ГАНГ им. И. М. Губкина
К. С. БАСНИ ЕВ
