Logo
Logo

Добыча нефти

A1  0.30 Пусть залежь нефти представляет собой участок древних речных отложений песчаника в форме параллелепипеда высотой $h = 10~{м}$, шириной $b = 100~{м}$ и длинной $L = 2000~{м}$. Пористость породы $\varphi = 0.1$. Оцените запасы нефти $m_{н}$ в данном месторождении. Выразите ответ через $L$, $b$, $h$, $\rho$ и $\varphi$, а также приведите его численное значение в тоннах. Считайте, что нефтяной флюид целиком заполняет объём пор.

1 Для объёма нефти получено: $$V_\text{н}=\varphi bhL{.} $$ 0.10
2 Получен правильный ответ (по $0{.}1$ балла за выражение и численное значение): $$m_\text{н}=\rho\varphi bhL=160\cdot 10^3~\text{тонн}{.} $$ 2 × 0.10
A2  0.30 Пусть пластовое давление нефти на дне залежей составляет $p_{пл}=250~{атм}$. Найдите, при какой максимальной глубине залегания $H_{max}$ месторождение будет фонтанирующим, т.е. нефть будет вытекать на поверхность под действием собственного давления. Выразите ответ через $\rho$, $g$ и $p_{пл}$, а также приведите его численное значение. Сжимаемостью нефти можно пренебречь.

1 Получено выражение для $H_{max}$: $$H_{max}=\cfrac{p_\text{пл}}{\rho g}{.} $$ 0.10
2 Рассчитана величина $H_{max}$: $$H_{max}\approx 3{.}125~\text{км} $$ 0.20
A3  0.60 Оцените максимально возможный КИН $\alpha_{max}$ в режиме фонтанирования при пластовом давлении $p_{пл}=250~{атм}$, если сжимаемость нефти $\beta = 5\cdot 10^{-10}~{Па}$. Выразите ответ через $\beta$ и $p_{пл}$, а также приведите его численное значение. Считайте, что отложения русла рек изолированы непроницаемыми глинами с малой пористостью. Глубина залежей $H$ может быть выбрана произвольным образом.

1 Указано или используется, что максимальная доля запасов добывается в случае очень малых глубин залежей. 0.30
2 Получено выражение для $\alpha_{max}$: $$\alpha_{max}=\beta p_\text{пл}{.} $$ 0.20
3 Определено численное значение для $\alpha_{max}$: $$\alpha_{max}\approx 1{.}25\text{%}{.} $$ 0.10
A4  0.30 При тех же самых данных оцените максимально возможный КИН $\alpha_{max}$ в режиме фонтанирования, если снизу в пластовых отложениях находится вода объемом $kV_0$ ($k = 9$) при начальных запасах нефти $V_0$. Сжимаемость воды считайте равной сжимаемости нефти. Выразите ответ через $\beta$ и $p_{пл}$, а также приведите его численное значение. Считайте что забор жидкости происходит сверху, т.е. забирается только нефть. Глубина залежей $H$ может быть выбрана произвольным образом.

1 Проявлено понимание, что из-за наличия в системе воды объём добываемой нефти увеличивается на величину, равную изменению объёма воды. 0.10
2 Получен правильный ответ (по $0{.}1$ балла за выражение и численное значение): $$\alpha_{max}=10\beta p_\text{пл}\approx 12{.}5\text{%}{.} $$ 2 × 0.10
B1  1.00 Рассмотрим горизонтальное течение жидкости вдоль оси $x$ между двумя параллельными плоскостями высотой $h$. Расстояние между плоскостями $w\ll{h}$. Определите объёмный расход (далее во всех пунктах задачи — поток) жидкости $Q$ через поперечное сечение $wh$. Ответ выразите через $\eta$, $w$, $h$ и градиент давления $dp(x)/dx$.

1 Из условия постоянства импульса прямоугольного параллелепипеда получено: $$\cfrac{d^2v}{dz^2}=\cfrac{1}{\eta}\cfrac{dp}{dx}{.} $$ При неправильном знаке в последующих выкладках применяется PEP везде, кроме ответов. 0.40
2 Получено выражение для $dv(z)/dz$: $$\cfrac{dv}{dz}=\cfrac{z}{\eta}\cfrac{dp}{dx}{.} $$ 0.10
3 Получено выражение для $v(z)$: $$v(z)=-\cfrac{1}{2\eta}\cfrac{dp}{dx}\left(\cfrac{w^2}{4}-z^2\right){.} $$ 0.20
4 Для потока $Q$ записано: $$Q=\int\limits_{-w/2}^{w/2}v(z)\cdot hdz{.} $$ 0.10
5 Получено выражение для $Q$ (по $0{.}1$ балла за величину и знак): $$Q=-\cfrac{w^3h}{12\eta}\cfrac{dp}{dx}{.} $$ 2 × 0.10
B2  1.00 В центре щели создается избыточное давление $\Delta p$. Найдите зависимость избыточного давления $p'$ в щели от координаты $x$. Ответ выразите через $\Delta{p}$, $Q$, $E$, $h$, $\eta$ и $x$.

1 Учтено, что в каждой половине трещины поток жидкости равен $Q/2$ и записано: $$\cfrac{Q}{2}=-\cfrac{w^3h}{12\eta}\cfrac{dp'}{dx}{.} $$ Если вместо $Q/2$ записано $Q$, то в последующих выкладках применяется PEP везде, кроме ответов. 0.10
2 Записано выражение для объёма с подстановкой эмпирической формулы для $w(x)$: $$\cfrac{Q}{2}=-\cfrac{h^4p'^3}{12\eta E^3}\cfrac{dp'}{dx}{.} $$ 0.20
3 Получено уравнение для определения $p'$ соотношение: $$\int\limits_{\Delta{p}}^{p'(x)}p'^3dp'=\cfrac{p'^4(x)-\Delta{p}^4}{4}=-\cfrac{6Q\eta E^3x}{h^4}{.} $$ 0.50
4 Получено правильная зависимость $p'(x)$ (по $0{.}1$ балла за правильные величины обоих слагаемых и знак): $$p'(x)=\sqrt[4]{\Delta{p}^4-\cfrac{24Q\eta E^3x}{h^4}}{.} $$ 0.20
B3  0.20 Трещина заканчивается в положении, соответствующем равному нулю избыточному давлению. Определите длину трещины $L$. Ответ выразите через $\Delta{p}$, $E$, $h$, $\eta$ и $Q$.

1 Для своей формулы правильно выражена полудлина трещины: $$\cfrac{L}{2}=\cfrac{\Delta{p}^4h^4}{24Q\eta E^3}{.} $$ 0.10
2 Получено выражение для $L$: $$L=\cfrac{\Delta{p}^4h^4}{12Q\eta E^3}{.} $$ 0.10
B4  0.70 Определите объем трещины $V$. Ответ выразите через $\Delta{p}$, $h$, $\eta$, $Q$ и $E$.

1 Записано выражение для объёма $V$: $$V=2\int\limits_{0}^{L}hw(x)dx{.} $$ 0.10
2 Для своей формулы получено выражение для объёма как интеграл функции от $x$: $$V=\cfrac{2h^2\Delta{p}}{E}\int\limits_{0}^{L}\sqrt[4]{1-\cfrac{24Q\eta E^3x}{h^4\Delta{p}^4}}dx{.} $$ 0.20
3 Верно вычислен интеграл: $$\int\limits_{0}^{1}\sqrt[4]{1-z}dz=\cfrac{4}{5}{.} $$ 0.20
4 Получено выражение для $V$: $$V=\cfrac{h^6\Delta{p}^5}{15Q\eta E^4}{.} $$ 0.20
B5  0.30 Рассчитайте максимально возможные значения длины трещины $L_{max}$ и её объёма $V_{max}$.

1 Определено численное значение $L_{max}$: $$L_{max}\approx 83~\text{м}{.} $$ Оценивается только правильное число. 0.10
2 Определено численное значение $V_{max}$: $$V_{max}=6{.}7~\text{м}{.} $$ Оценивается только правильное число. 0.20
С1  1.00 Определите скорость $v$ движения границы жидкостей при перемещении фронта на величину $S$. Ответ выразите через $p_1$, $p_2$, $L$, $\eta_1$, $\eta_2$, $k_1$ и $k_2$.

1 Получены градиенты давлений в жидкостях $1$ и $2$: $$\cfrac{\partial p_\text{н}}{\partial x}=-\cfrac{\eta_1v}{k_1}\qquad \cfrac{\partial p_\text{в}}{\partial x}=-\cfrac{\eta_2v}{k_2}{.} $$ 2 × 0.20
2 Получена связь разности давлений со скоростью $v$: $$p_2-p_1=\cfrac{\eta_2xv}{k_2}+\cfrac{\eta_1(L-x)v}{k_1}{.} $$ 0.40
3 Получено выражение для $v$: $$v=\cfrac{p_2-p_1}{\cfrac{\eta_1L}{k_1}+\left(\cfrac{\eta_2}{k_2}-\cfrac{\eta_1}{k_1}\right)S}{.} $$ 0.20
C2  0.90 Определите зависимость перемещения $S$ фронта от времени $t$. Ответ выразите через $p_1$, $p_2$, $L$, $\eta_1$, $\eta_2$, $k$ и $t$

1 Выражено время $dt$, за которое фронт перемещается на величину $dS$: 0.20
2 Получена зависимость времени $t$ от перемещения $S$: $$t=\cfrac{1}{k(p_2-p_1)}\int\limits_{0}^S(\eta_1L+(\eta_2-\eta_1)x)dx=\cfrac{1}{k(p_2-p_1)}\left(\eta_1LS+\cfrac{(\eta_2-\eta_1)S^2}{2}\right){.} $$ 0.20
3 Составлено квадратное уравнение относительно $S$: $$S^2-\cfrac{2\eta_1LS}{\eta_1-\eta_2}+\cfrac{2k(p_2-p_1)t}{\eta_1-\eta_2}=0{.} $$ 0.10
4 Решено квадратное уравнение относительно $S$: $$S(t)=\cfrac{\eta_1L}{\eta_1-\eta_2}\pm\sqrt{\left(\cfrac{\eta_1L}{\eta_1-\eta_2}\right)^2-\cfrac{2k(p_2-p_1)t}{\eta_1-\eta_2}}{.} $$ 0.20
5 Выбран нужный корень и получена правильная зависимость $S(t)$: $$S(t)=\cfrac{\eta_1L}{\eta_1-\eta_2}-\sqrt{\left(\cfrac{\eta_1L}{\eta_1-\eta_2}\right)^2-\cfrac{2k(p_2-p_1)t}{\eta_1-\eta_2}}{.} $$ 0.20
C3  0.50 Определите полное время $\tau$ вытеснения нефти из месторождения. Выразите ответ через $p_1$, $p_2$, $L$, $\eta_1$, $\eta_2$ и $k$ и рассчитайте его.

1 Указано или следует из решения, что $\tau=t(L)$. 0.10
2 Получен правильный ответ для $\tau$ (по $0{.}2$ балла за выражение и численное значение): $$\tau=\cfrac{(\eta_1+\eta_2)L^2}{2k(p_2-p_1)}\approx 26~\text{лет}{.} $$ 2 × 0.20
С4  0.80 При каком условии на параметры системы движение границы будет устойчивым, то есть при малом отклонении формы границы от плоской это отклонение не будет возрастать? Запишите условие устойчивости через $\eta_1$, $\eta_2$, $k_1$ и $k_2$. Устойчиво ли течение жидкости, рассмотренное в пунктах $\mathrm{C2}$ и $\mathrm{C3}$?

1 Указано или следует из решения, что отклонение не будет возрастать, если $v(x+dx){<}v(x)$. 0.30
2 Сделан вывод, что критерием устойчивости является следующее неравенство: $$\cfrac{\eta_2}{k_2}{>}\cfrac{\eta_1}{k_1}{.} $$ 0.40
3 Сделан вывод, что движение рассматриваемого течения является неустойчивым. 0.10
D1  0.80 Найдите зависимость скорости течения жидкости в такой трубе от расстояния до оси трубы $v(r)$, максимальное значение скорости $v_{max}$ и полный поток $Q$ жидкости через сечение цилиндра. Ответы выразите через $\Delta{p}$, $\eta$, $L$, $R$ и $r$.

1 Из условия постоянства импульса цилиндра радиусом $r$ получено: $$\cfrac{\partial v}{\partial r}=-\cfrac{r}{2}\cfrac{\Delta{p}}{\eta L}{.} $$ 0.30
2 Получен правильная зависимость $v(r)$: $$v(r)=\cfrac{\Delta{p}(R^2-r^2)}{4\eta L}{.} $$ 0.20
3 Для потока $Q$ записано: $$Q=\int\limits_{0}^R v(r)\cdot 2\pi rdr{.} $$ 0.10
4 Получено выражение для потока $Q$: $$Q=\cfrac{\pi\Delta{p}R^4}{8\eta L}{.} $$ 0.20
D2  0.20 Выразите распределение скорости течения жидкости $v(r)$ через полный поток $Q$, $R$ и $r$.

1 Получена правильная зависимость $v(r)$: $$v(r)=\cfrac{2Q}{\pi R^2}\left(1-\cfrac{r^2}{R^2}\right){.} $$ 0.20
D3  0.20 Найдите поток $Q$ в сечении забоя на расстоянии $h$ от его нижнего края и соответствующее выражение для вертикальной скорости $v(r,h)$ в зависимости от расстояния до оси $r$ и высоты $h$. Ответы выразите через $Q_0$, $H$, $R$, $r$ и $h$.

1 Получена правильная зависимость $Q(h)$: $$Q(h)=\cfrac{Q_0h}{H}{.} $$ 0.10
2 Получена правильная зависимость $v(r{,}h)$: $$v(r{,}h)=\cfrac{2Q_0h}{\pi R^2H}\left(1-\cfrac{r^2}{R^2}\right){.} $$ 0.10
D4  0.30 Рассмотрим кольцо высотой $dh$ с внутренним и внешним радиусами $r$ и $r+dr$ соответственно. Используя тот факт, что жидкость несжимаема, покажите, что из условия постоянства объёма жидкости внутри выделенного кольца следует соотношение: $$\cfrac{\partial v}{\partial h}=-\cfrac{1}{r}\cfrac{\partial (u_rr)}{\partial r}{.}$$ Вы можете использовать это соотношение, даже если не смогли его доказать.

1 Правильно записан поток вектора скорости через основания кольца: $$q_\text{осн}=q=2\pi rdrv(r{,}h+dh)-2\pi rdrv(r{,}h){.} $$ 0.10
2 Правильно записан поток вектора скорости через боковую поверхность кольца: $$q_\text{бок}=2\pi dh(r+dr)u_r(r+dr{,}h)-2\pi dh ru_r(r{,}h){.} $$ 0.10
3 Из условия $q=q_\text{осн}+q_\text{бок}=0$ показано требуемое. 0.10
D5  0.50 Найдите радиальную скорость течения жидкости $u_r(r,h)$ в зависимости от расстояния до оси $r$ и высоты $h$, а также максимальную величину её модуля $u_{r(max)}$. Ответы выразите через $Q_0$, $R$, $H$, $h$ и $r$.

1 Правильно выполнено интегрирование выражения, полученного в $\mathrm{D4}$: $$ru_r(r{,}h)=-\cfrac{2Q_0}{\pi R^2H}\int\limits_{0}^r\left(1-\cfrac{z^2}{R^2}\right)zdz{.} $$ 0.10
2 Получена правильная зависимость $u_r(r{,}h)$ (по $0{.}1$ балла за величину и знак): $$u_r(r{,}h)=-\cfrac{Q_0}{\pi R^2H}\left(r-\cfrac{r^3}{2R^2}\right){.} $$ 2 × 0.10
3 Определено расстояние $r_{max}$, соответствующее $u_{r(max)}$: $$r_{max}=\sqrt{\cfrac{2}{3}}R{.} $$ 0.10
4 Получен правильный ответ для $u_{r(max)}$: $$u_{max}=\left(\cfrac{2}{3}\right)^{3/2}\cfrac{Q_0}{\pi RH}{.} $$ 0.10
D6  0.10 Чему равно отношение $u_{r(max)}/v_{max}$? Ответ выразите через $R$ и $H$.

1 Получен правильный ответ: $$\cfrac{u_{r(max)}}{v_{max}}=\cfrac{\sqrt{2}R}{3\sqrt{3}H} $$ 0.10