Page tree

Versions Compared

Key

  • This line was added.
  • This line was removed.
  • Formatting was changed.


Table. 1. Notations and Definitions

...

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\delta A_%7Byz%7D=\delta y\delta z

...

LaTeX Math Inline
body\delta V = \delta x \delta y \delta z

...

объем элементарной ячейки

...

LaTeX Math Inline
body\rho

...

LaTeX Math Inline
body\phi

...

LaTeX Math Inline
bodyp

...

LaTeX Math Inline
bodym

...

LaTeX Math Inline
bodyk

...

LaTeX Math Inline
body\mu

...

LaTeX Math Inline
body\sigma

...

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\vec%7Bj%7D = \rho \vec%7Bu%7D
LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle j_%7B\delta A%7D = \frac%7B\delta m%7D%7B\delta t \delta A%7D

...

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\vec %7Bu%7D

...

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle c_%7Br%7D = \frac%7B1%7D%7B\Phi%7D\frac%7B\partial \Phi%7D%7B\partial p%7D

...

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle c_%7Bf%7D = \frac%7B1%7D%7B\rho%7D \frac%7B\partial \rho%7D%7B\partial p%7D

...

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--c_%7Bt%7D = c_%7Br%7D + c_%7Bf%7D

...

Consider the Cartesian coordinates  in 3D space: 

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--ℝ%5e3 \Big %7C_%7B \%7Bx, y, z \%7D %7D
 and its infinitesimal volumetric element: 
LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\delta \Omega = \%7B (x, x+\delta), (y, y+\delta y), (z, z+\delta z) \%7D \in ℝ%5e3
 with volume 
LaTeX Math Inline
body\delta V = \delta x \, \delta y \, \delta z
 bounded by six faces: 
LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\%7B (\delta \Sigma_x, \, \delta \Sigma_%7Bx+\delta x%7D), \, (\delta \Sigma_y, \, \delta \Sigma_%7By+\delta y%7D), \, (\delta \Sigma_z, \, \delta \Sigma_%7Bz+\delta z%7D) \%7D
 which have the same area along corresponding axis:

LaTeX Math Block
anchor1
alignmentleft
\delta A(\delta \Sigma_x) = \delta A(\Sigma_{x+\delta x }) = \delta A_{yz} = \delta y \cdot \delta z
LaTeX Math Block
anchor1
alignmentleft
\delta A(\delta \Sigma_y) = \delta  A(\Sigma_{y+\delta y }) = \delta A_{xz} = \delta x \cdot \delta z
LaTeX Math Block
anchor1
alignmentleft
\delta A(\delta \Sigma_z) = \delta A(\Sigma_{z+\delta z }) = \delta A_{xy} = \delta x \cdot \delta y

Consider the volumetric element 

LaTeX Math Inline
body\delta \Omega
 is filled with porous media with porosity 
LaTeX Math Inline
body\phi(x,y,z)
 saturated by fluid with density 
LaTeX Math Inline
body\rho(x,y,z)
.

The pore volume is going to be 

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\delta V_%7B\phi%7D = \phi \cdot \delta V
 and the fluid mass contained in this volume is 
LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\delta m = \rho \cdot \delta V_%7B\phi%7D = \rho \cdot \phi \cdot \delta V
.

The mass flowrate  through any face  

LaTeX Math Inline
body\delta \Sigma
 with area 
LaTeX Math Inline
body\delta A
 is defined as:

LaTeX Math Block
anchor1
alignmentleft
\frac{dm}{dt} \Big|_{\delta \Sigma} = {\bf j} \, {\bf \delta A} 

where

...

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--%7B\bf \delta A%7D = \delta A \cdot %7B\bf n%7D

...

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--%7B\bf n%7D

...

normal vector to  elementary area  

LaTeX Math Inline
body\delta A

...

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--%7B\bf j%7D = \rho \cdot %7B\bf u%7D

...

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--%7B\bf u%7D

...

The total mass balance of the  volumetric element 

LaTeX Math Inline
body\delta \Omega
 honours the mass conservation:

LaTeX Math Block
anchormdot
alignmentleft
\frac{dm}{dt} \Big|_{\delta \Omega} =  \sum_{\alpha} j_{\alpha}A_{\alpha} + \delta \dot m_q
LaTeX Math Block
anchormdot
alignmentleft
\frac{dm}{dt} \Big|_{\delta \Omega} =  
j_x|_{x}\cdot \delta A_{yz} - j_x|_{x+\delta x}\cdot \delta A_{yz} +j_y|_{y}\cdot \delta A_{xz} - j_y|_{y+\delta y}\cdot \delta A_{xz} +
j_z|_{z}\cdot \delta A_{xy} - j_z|_{z+\delta z}\cdot \delta A_{xy}  + \delta \dot m_q

where

...

LaTeX Math Inline
body\delta \dot m_q

...

the rate of the mass variation which happens inside the volumetric element 

LaTeX Math Inline
body\delta \Omega
   

Dividing the 

LaTeX Math Block Reference
anchormdot
by the volume 
LaTeX Math Inline
body\delta V
:

LaTeX Math Block
anchor1
alignmentleft
\frac{dm}{dt \, \delta V} \Big|_{\delta \Omega} =  \frac {\partial  (\rho \, \phi)}{\partial t} = \frac{j_x|_x - j_x|_{x+\delta x}}{\delta x} + \frac{j_y|_y - j_y|_{y+\delta y}}{\delta y} + \frac{j_z|_z - j_z|_{z+\delta z}}{\delta z} + \frac{\delta \dot m_q}{\delta V}

or in differential form:

LaTeX Math Block
anchor1
alignmentleft
\frac{\partial (\rho \phi)}{\partial t} = - \nabla \, {\bf j} + \frac{\delta \dot m_q}{\delta V}
LaTeX Math Block
anchorprelast
alignmentleft
\frac{\partial (\rho \phi)}{\partial t} + \nabla \, {\bf j} =  \frac{\delta \dot m_q}{\delta V} 

The mass rate generated/consumed inside the volumetric element 

LaTeX Math Inline
body\delta \Omega
 by a finite number of sources can be expressed as:

LaTeX Math Block
anchor1
alignmentleft
\frac{\delta \dot m_q}{\delta V} = \sum_k q({\bf r}) \cdot \delta({\bf r}-{\bf r}_k)

where

...

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--q(%7B\bf r%7D)

...

which turns 

LaTeX Math Block Reference
anchorprelast
 into:

LaTeX Math Block
anchor1
alignmentleft
\frac{\partial (\rho \phi)}{\partial t} + \nabla \, {\bf j} = \sum_k q({\bf r}) \cdot \delta({\bf r}-{\bf r}_k)
12
3

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle \frac%7Bdm%7D%7Bdt%7D = \sum_%7B\alpha%7D j_%7B\alpha%7DA_%7B\alpha%7D = j_x%7C_%7Bx%7D\cdot A_%7Byz%7D - j_x%7C_%7Bx+\delta x%7D\cdot A_%7Byz%7D + ...

Consider the mass flow rate balance  along the 

Рассмотрим приращение массы в элементарном кубе объема 

LaTeX Math Inline
body\delta V
. Предполагаем, что в самой ячейке нет источников, знак минус появляется за счет того, что нормали к противоположным граням кубика противонаправлены.

4

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle \frac %7B\partial%7D%7B\partial t%7D%7B\rho \Phi%7D = \frac%7Bj_x%7C_x - j_x%7C_%7Bx+\delta x%7D%7D%7B\delta x%7D + \frac%7Bj_y%7C_y - j_y%7C_%7By+\delta y%7D%7D%7B\delta y%7D + \frac%7Bj_z%7C_z - j_z%7C_%7Bz+\delta z%7D%7D%7B\delta z%7D

Разделим ур-ние (1) на объем ячейки
5

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle \frac%7B\partial%7D%7B\partial t%7D(\rho \Phi) = - \nabla \cdot \vec j

Ур-ние (2) есть развернутая форма записи ур-ния (3)
6

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle \frac%7B\partial%7D%7B\partial t%7D(\rho \Phi) + \nabla \cdot \vec j = 0

Классическое уравнение непрерывности
7

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle \frac%7B\partial%7D%7B\partial t%7D(\rho \Phi) + \nabla \cdot (\rho \vec u) = 0

Вспоминаем определение (4) поля 

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\vec%7Bj%7D
 

8

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle \vec u = -\frac%7Bk%7D%7B\mu%7D \vec \nabla p

Феноменологический закон Дарси, связывающий скорость потока с градиентом давления
9

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle \frac%7B\partial%7D%7B\partial t%7D(\rho \Phi) - \nabla \cdot \left( \rho \frac%7Bk%7D%7B\mu%7D \vec \nabla p \right) = 0

Подставляем ур-ние (6) в ур-ние (5)
10

Здесь и далее работаем в приближении

  1. Isothemral
  2. density and porosity are the functions of pressure only
  3. процесс изотермический
  4. плотность флюида и пористость породы не зависят от времени явно
11

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle \frac%7B\partial%7D%7B\partial t%7D (\rho \Phi) = \frac%7B\partial%7D%7B\partial p%7D (\rho \Phi)_T \frac%7B\partial p%7D%7B\partial t%7D = (\dot %7B\Phi%7D \rho + \dot %7B\rho%7D \Phi)\frac%7B\partial p%7D%7B\partial t%7D = \rho \Phi (c_%7Br%7D + c_%7Bf%7D)\frac%7B\partial p%7D%7B\partial t%7D

Распишем временную производную в ур-нии (7)

12

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle \nabla \cdot \left( \rho \frac%7Bk%7D%7B\mu%7D \vec%7B\nabla%7D p \right) =\frac%7Bk%7D%7B\mu%7D \vec%7B\nabla%7D\rho \cdot \vec%7B\nabla%7Dp + \rho \cdot \nabla \cdot \left( \frac%7Bk%7D%7B\mu%7D \vec%7B\nabla%7Dp \right)

Распишем дивергенцию ур-ния (7)
13

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle \nabla \cdot \left(\rho \frac%7Bk%7D%7B\mu%7D \vec%7B\nabla%7D p \right) =\dot%7B\rho%7D\frac%7Bk%7D%7B\mu%7D (\vec%7B\nabla%7Dp)%5e2 + \rho \cdot \nabla \cdot \left( \frac%7Bk%7D%7B\mu%7D \vec%7B\nabla%7Dp \right)

В ур-нии (9) вспоминаем, что плотность флюида явно зависит только от давления, соответственно градиент плотности представляет через градиент давления
14

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle \rho \Phi c_%7Bt%7D \frac%7B\partial p%7D%7B\partial t%7D =\rho \left(\nabla \cdot \left( \frac%7Bk%7D%7B\mu%7D \vec%7B\nabla%7Dp \right) + c_%7Bf%7D\frac%7Bk%7D%7B\mu%7D (\vec%7B\nabla%7Dp)%5e2 \right)

Перепишем ур-ние (7), используя конечные соотношения в (10) и (8), и определения для 

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--c_%7Bt%7D
 (6) и 
LaTeX Math Inline
body--uriencoded--c_%7Bf%7D
 (7)

15

LaTeX Math Inline
body--uriencoded--\displaystyle \Phi(p) c_%7Bt%7D(p) \frac%7B\partial p%7D%7B\partial t%7D =\nabla \cdot \left( \frac%7Bk(p)%7D%7B\mu (p)%7D \vec%7B\nabla%7Dp \right) + c_%7Bf%7D(p)\frac%7Bk(p)%7D%7B\mu (p)%7D (\vec%7B\nabla%7Dp)%5e2

Классическая запись уравнения диффузии в приближении изотермического процесса и независимости от времени плотности флюида и пористости породы.

Правая часть уравнения представляет собой сумму двух частей. Первая отвечает за пространственное распределение давления, вторая же содержит множителем сжимаемость флюида.

...