Table. 1. Notations and Definitions

1


 площадь боковой грани элементарной ячейки

2

объем элементарной ячейки

4

плотность флюила
5

пористость породы
6

давление флюида
7

масса флюида 
8

проницаемость породы
9

взякость флюида
10

гидропроводность пласта
11

векторное поле, характеризующее скорость движения флюида в пространстве.

линейная скорость потока
12

сжимаемость породы (скелета)
13

сжимаемость флюида
14

полная сжимаемость




Consider the Cartesian coordinates  in 3D space:  and its infinitesimal volumetric element:  with volume  bounded by six faces:   which have the same area along corresponding axis:

\delta A(\delta \Sigma_x) = \delta A(\Sigma_{x+\delta x }) = \delta A_{yz} = \delta y \cdot \delta z


\delta A(\delta \Sigma_y) = \delta  A(\Sigma_{y+\delta y }) = \delta A_{xz} = \delta x \cdot \delta z


\delta A(\delta \Sigma_z) = \delta A(\Sigma_{z+\delta z }) = \delta A_{xy} = \delta x \cdot \delta y

Consider the volumetric element  is filled with porous media with porosity  saturated by fluid with density .

The pore volume is going to be  and the fluid mass contained in this volume is .

The mass flowrate  through any face   with area  is defined as:

\frac{dm}{dt} \Big|_{\delta \Sigma} = {\bf j} \, {\bf \delta A} 

where

vector area 

normal vector to  elementary area  

mass flux vector 

fluid flow velocity

The total mass balance of the volumetric element  honours the mass conservation:

\frac{dm}{dt} \Big|_{\delta \Omega} =  \sum_{\alpha} j_{\alpha}A_{\alpha} + \delta \dot m_q


\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

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


Dividing the  by the volume :

\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:

\frac{\partial (\rho \phi)}{\partial t} = - \nabla \, {\bf j} + \frac{\delta \dot m_q}{\delta V}


\frac{\partial (\rho \phi)}{\partial t} + \nabla \, {\bf j} =  \frac{\delta \dot m_q}{\delta V} 

The mass rate generated/consumed by a finite number of well-reservoir contacts can be expressed as:

\frac{\delta \dot m_q}{\delta V} = \sum_k \rho_k \cdot q_k(t) \cdot \delta({\bf r}-{\bf r}_k)

where

volumetric flowrate of the source/stock at the reservoir point 

fluid density at the reservoir point 


The next step is to re-right  in equivalent form:

\frac{\delta \dot m_q}{\delta V} = \sum_k \rho_k \cdot q_k(t) \cdot \delta({\bf r}-{\bf r}_k) =  \rho(t,{\rm r}) \cdot \sum_k q_k(t) \cdot \delta({\bf r}-{\bf r}_k)

which turns  into:

\frac{\partial (\rho \phi)}{\partial t} + \nabla \, {\bf j} = \rho \cdot  \sum_k q_k(t) \cdot \delta({\bf r}-{\bf r}_k)

Substituting the mass flux  into :

\frac{\partial (\rho \phi)}{\partial t} + \nabla \, ( \rho \, {\bf u}) = \rho \cdot  \sum_k q_k(t) \cdot \delta({\bf r}-{\bf r}_k)


The velocity vector is 


1



2

3

Consider the mass flow rate balance  along the 

Рассмотрим приращение массы в элементарном кубе объема . Предполагаем, что в самой ячейке нет источников, знак минус появляется за счет того, что нормали к противоположным граням кубика противонаправлены.

4

Разделим ур-ние (1) на объем ячейки
5

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

Классическое уравнение непрерывности
7

Вспоминаем определение (4) поля  

8

Феноменологический закон Дарси, связывающий скорость потока с градиентом давления
9

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

Здесь и далее работаем в приближении

  1. процесс изотермический
  2. плотность флюида и пористость породы не зависят от времени явно
11

Распишем временную производную в ур-нии (7)

12

Распишем дивергенцию ур-ния (7)
13

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

Перепишем ур-ние (7), используя конечные соотношения в (10) и (8), и определения для  (6) и  (7)

15

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.



See also


Physics / Mechanics / Continuum mechanics / Fluid Mechanics / Fluid Dynamics / Pressure Diffusion / Pressure Diffusion @model / Single-phase pressure diffusion @model