第23卷第1期石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)Vol.23 ,No.12001年3月PETROLEUM GEOLOGY & EXPERIMENTMar. 2001文章編號(hào):001-6112 2001 )01-0108-05天然氣擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究李海燕'付廣2 彭仕宓'( 1.石油大字北京昌平1022002.大慶石油學(xué)院黑龍江安達(dá)151400)摘要在分析天然氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定原理的基礎(chǔ)上作者自行組裝了可控溫型天然氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀可以測(cè)定高溫、高壓條件下巖石的天然氣擴(kuò)散系數(shù)并能較好地模擬地層條件。利用該儀器分別測(cè)定了天然氣通過(guò)13塊人造石英粉砂巖干巖樣和飽和水巖樣的天然氣擴(kuò)散系數(shù)并應(yīng)用費(fèi)克定律的積分式及氣體范德華方程確定了對(duì)實(shí)測(cè)天然氣擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行飽和介質(zhì)條件轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換系數(shù)為6.06。利用斯托克斯-愛(ài)因斯坦方程對(duì)實(shí)測(cè)天然氣擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了溫度校正。校正后地層條件下的天然氣擴(kuò)散系數(shù)均小于實(shí)測(cè)天然氣擴(kuò)散系數(shù),且隨著埋深增加二者之間的差值逐漸減小。這是因?yàn)殡S著埋深增加、地溫升高天然氣分子運(yùn)動(dòng)速度加快的緣故表明這一- 校正結(jié)果是符合地層條件的。關(guān)鍵詞校正轉(zhuǎn)換系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)天然氣中圖分類號(hào):TE122.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A近年來(lái)隨著對(duì)天然氣組分特征及其物理性質(zhì)研系數(shù):究的深入對(duì)天然氣分子擴(kuò)散作用的研究日益受到h dn重視有關(guān)的研究方法越來(lái)越多。國(guó)內(nèi)地礦部無(wú)錫D=AC dt(1)中心實(shí)驗(yàn)室肖無(wú)然( 1988 )首次在國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室成功地測(cè)定了巖石的天然氣擴(kuò)散系數(shù)。石油大學(xué)郝石生;這種方法可以推廣到測(cè)定氣體通過(guò)巖石的擴(kuò)散等(199492改進(jìn)了實(shí)測(cè)天然氣擴(kuò)散系數(shù)的方法測(cè)系數(shù)。假定巖心長(zhǎng)度為Z(而不是孔徑長(zhǎng)度) ,面積試了不同巖性、溫度、壓力及不同天然氣組分和飽和為s(而不是有效面積)則求得的擴(kuò)散系數(shù)D應(yīng)是不同介質(zhì)條件下的擴(kuò)散系數(shù)。然而,不同的研究者有效擴(kuò)散系數(shù)。由上式積分整理得:在研究天然氣擴(kuò)散系數(shù)時(shí),由于采用不同的模型或不同的方法導(dǎo)致得出的結(jié)果差異較大,難以對(duì)比。Co'- C”"C'- C"因此正確認(rèn)識(shí)天然氣在地層中的擴(kuò)散機(jī)理,準(zhǔn)確地(2)B. t獲取天然氣擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)于準(zhǔn)確估算天然氣的擴(kuò)散損失量及遠(yuǎn)景資源評(píng)價(jià)都具有重要意義。其中:B=影(++山). .1天然氣擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)獲取方法式中:Co'、 C"--.上面濃溶液 和下面稀溶液的初始濃度;1.1實(shí)驗(yàn)原理C'、CI"-t時(shí)間上面濃溶液和下面稀溶液圖1是測(cè)定分子擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。的濃度;溶質(zhì)分子通過(guò)片中的小孔從溶液擴(kuò)散到溶劑中孔V'、V"一-濃溶液和稀 溶液的體積。片的孔徑很小。若孔片的有效面積為A濃度差為有效擴(kuò)散系數(shù)表示天然氣分子通過(guò)巖石中的孔C小孔平均長(zhǎng)度為h則由費(fèi)克定律可以得到擴(kuò)散隙介質(zhì)和巖石骨架的擴(kuò)散總和。第1期李海燕,等:天然氣擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究109.使圍壓空間的壓力增至10~ 15MPa ,目的是防止氣室中的氣體從巖心與膠皮筒內(nèi)壁接觸處滲過(guò)。主容器外面為一熱電偶,由溫度控制器控制實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度。圖中所示的兩個(gè)平衡器可以分別與兩個(gè)氣室相溶液通，以平衡兩個(gè)氣室的壓力保持?jǐn)U散時(shí)兩個(gè)氣室壓|溶劑2??00力相等,1- 18為高壓閥門(開(kāi)關(guān))控制氣體和煤油的通道。圖1擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定原理圖這套實(shí)驗(yàn)裝置建成后經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)。改進(jìn)后Fig. 1 Sketch of the experimental principle的實(shí)驗(yàn)裝置有以下特點(diǎn)( 1實(shí)驗(yàn)操作方便。測(cè)定擴(kuò)for the determination of dffusion coffcients散系數(shù)需要測(cè)定天然氣的濃度,只需測(cè)定實(shí)驗(yàn)前后的氣體濃度(初始濃度和終止?jié)舛染涂梢郧蟮脭U(kuò)散1.2實(shí)驗(yàn)方法系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持氣室中的壓力不變?cè)趯?shí)驗(yàn)室測(cè)定擴(kuò)散系數(shù)采用的是間接方法即使擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定的人為誤差減少。(2)實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)測(cè)定的是在一定時(shí)間 內(nèi)通過(guò)樣品的擴(kuò)散量或濃小巖心(直徑為25 .45mm )不能太薄,否則易被壓碎，度再由這些實(shí)測(cè)值通過(guò)某種方法確定或求得擴(kuò)散氣體也容易突破巖石巖心也不能太厚否則氣體擴(kuò)系數(shù)值。散速度很慢實(shí)驗(yàn)需用的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此，-般巖心由于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)天然氣擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定均是厚度控制在0.45~0.75cm之間。實(shí)驗(yàn)時(shí)間也不宜在常溫、常壓或較高溫度、壓力條件下操作的,不能過(guò)長(zhǎng)，因?yàn)闀r(shí)間太長(zhǎng),巖心中飽和的水會(huì)慢慢蒸發(fā)較好地模擬地層條件所以我們自行設(shè)計(jì)組裝了可掉,從而影響實(shí)驗(yàn)精度。一般實(shí)驗(yàn)時(shí)間為 -周左右?？販匦吞烊粴鈹U(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀(如圖2所示),用來(lái)( 3這套裝置可以測(cè)定高溫、高壓條件下的天然氣擴(kuò)測(cè)定天然氣通過(guò)巖石的擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散主容器類似散系數(shù)較以往的擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀有了很大的改進(jìn)。一個(gè)巖心夾持器即巖心兩側(cè)的兩個(gè)氣室(實(shí)驗(yàn)時(shí)分盡管這套裝置不能完全模擬地下高溫、高壓條件但別通入氮?dú)夂吞烊粴?擴(kuò)散氣室外為一個(gè)膠皮筒，比常溫、常壓或較高溫度、壓力下的實(shí)驗(yàn)已先進(jìn)了一它的外面有一個(gè)圍壓空間,由 手動(dòng)壓力泵打入煤油,步。接真空泵18HF O真空表壓力表123圍壓密封膠皮筒0冊(cè)測(cè)溫探頭0n立圍壓空間.溫控儀人y接氮?dú)庵幸粎^(qū)調(diào)壓器平衡器調(diào)壓器接天然氣.圖2天然 氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量?jī)x流程圖110●石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)第23卷式中:dQ/d-天然氣擴(kuò) 散速率am'/s;2實(shí)測(cè)擴(kuò)散系數(shù)的校正方法D一-天然 氣擴(kuò)散系數(shù)m2/s;S--天然 氣擴(kuò)散流經(jīng)面積m2 ;由上述測(cè)試方法可以看出濃度(擴(kuò)散量也可以dC/dX-擴(kuò) 散濃度梯度,m2( m m);轉(zhuǎn)換成濃度)是獲取巖樣擴(kuò)散系數(shù)的最關(guān)鍵因素即Q一擴(kuò)散量m?;只有獲得1室、2室的含氣濃度,才能根據(jù)費(fèi)克定律C一- 水溶氣濃度m3/m3 ;計(jì)算得到巖樣的擴(kuò)散系數(shù)值。上述方法測(cè)得1室和t一擴(kuò)散時(shí)間si2室的濃度均為游離相甲烷濃度,可以看作是甲烷H一巖樣厚度 mo在空氣中的濃度。由此可知根據(jù)目前巖石擴(kuò)散系其中Q利用氣體范德華方程求得:數(shù)測(cè)試濃度的方法實(shí)驗(yàn)中所采用的巖樣只有是干樣時(shí),由上述方法計(jì)算得到的天然氣擴(kuò)散系數(shù)才是(p+ MIV- nb)= nRT .(5)合理的。然而如果巖樣中飽和了其它介質(zhì)那么決V定天然氣通過(guò)該介質(zhì)擴(kuò)散作用的濃度就應(yīng)該是天然氣在該介質(zhì)中的濃度再采用游離相天然氣濃度按式中:p一氣室壓力 ,Pa;上述方法計(jì)算擴(kuò)散系數(shù),其擴(kuò)散機(jī)理就已經(jīng)錯(cuò)了。V-- 氣室體積m3 ;那么可想而知所得到的巖樣擴(kuò)散系數(shù)值也就是不n--氣體摩爾數(shù) ;合理的,用此方法計(jì)算得到的天然氣擴(kuò)散損失量也a、b一氣體范德華常數(shù);就難以令人置信而這-點(diǎn)恰恰被目前許多研究者R一 氣體常數(shù)8.314 J/mot K ;所忽視。再者實(shí)驗(yàn)室是在一定的溫度條件下進(jìn)行T一氣室溫度K。巖樣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定的,而巖樣在地下則處于高溫環(huán)然后由下式(付曉泰,199693]計(jì) 算出引起天然氣通境之下二者之間也存在著差異。因此,即使所選取過(guò)飽和水人造石英粉砂巖的擴(kuò)散濃度( C)，的計(jì)算方法的原理是正確的,也會(huì)造成實(shí)測(cè)擴(kuò)散系數(shù)值與其地下真實(shí)值之間存在著偏差。因此要獲得bonprKpC= 0.022(6)地層條件下的巖石擴(kuò)散系數(shù)就必須對(duì)實(shí)測(cè)擴(kuò)散系4(8*+RT+6b.p)0- RT+bPp)數(shù)進(jìn)行校正。2.1飽和介質(zhì) 條件轉(zhuǎn)換式中:K,-氣體分 子的水合平衡常數(shù);為了將干樣條件下測(cè)得的天然氣擴(kuò)散系數(shù)轉(zhuǎn)換φ一氣體 i的有效間隙度;成飽和水條件下的天然氣擴(kuò)散系數(shù)選取了10 塊人R一 氣體常數(shù);造石英粉砂巖樣品分別在18C條件下測(cè)定其在干T一地層流體溫度 K;樣和飽和水條件下(因人造石英粉砂巖孔隙比較均bm一氣體分子的范德華體積m?/mol ;- ,且遇水不易碎)的天然氣擴(kuò)散系數(shù)。p-地層孔隙流體壓力 ,Pao由于在干樣條件下測(cè)得的氣室濃度為游離相甲最后由(4)成計(jì)算得到天然氣通過(guò)飽和水人造石英烷濃度可以看作是甲烷在空氣中的濃度采用(2)粉砂巖的擴(kuò)散系數(shù) 如表1所示。式計(jì)算干巖樣的擴(kuò)散系數(shù)。濕樣的擴(kuò)散系數(shù)采用下由表1中可以看出,干巖樣與濕巖樣天然氣擴(kuò)式的積分式經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)進(jìn)行計(jì)算，即由(3 )式散系數(shù)的倍數(shù)關(guān)系為從4.64~ 7.27 平均約為濕巖樣的6.06倍。由此可以得到,相同溫度、飽和水條dQdC=-D.S(3)件下巖石擴(kuò)散系數(shù)與其干樣條件下巖石擴(kuò)散系數(shù)之dX間的轉(zhuǎn)換關(guān)系應(yīng)為:積分整理得:D。Dwo=6.06(7)Q. H( 4)第1期李海燕，等:天然氣擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究111●表1干、濕巖樣實(shí)測(cè)擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)表Table 1 Measured diffusion coefficients of式中:To-實(shí)驗(yàn)室溫度 K;dried and water - saturated rock samplesμwμuw一實(shí)驗(yàn)室、 地層條件下的水粘度,巖樣干巖樣濕巖樣倍數(shù)Pa s。( m2/s)地層水的粘度主要是其所處溫度的函數(shù)。溫度8.79x101. 89x10-4.643.72x10-105.12x 10-"7.27升高水分子的運(yùn)動(dòng)速度加快流動(dòng)粘度降低相反，6.31x 10-11.27x 10-114.96溫度降低水分子的運(yùn)動(dòng)速度減慢流動(dòng)粘度增大。9.84x10-11.82x 10-"15.41式12 )中的地層水粘度可由文獻(xiàn)(付廣,1996 )4]中3.42x 10-14.946.97x10-109.71x 10-"7.18的資料回歸得到的地層水粘度與溫度之間的函數(shù)關(guān)9.25x 10-111.43x 10-116.49系求得:5.42x10-109.46x 10-5.733.29x 10- 104.59x10-117.16μw =0.013 57e -0.0151T.( 12)104.08x10-105. 88x10-~116.94117.31x 10-111.50x 10-1.4.86巖石在地下的溫度可由其所處地區(qū)的地溫梯度128.46x10-11.19x 10-"17.12根據(jù)埋深資料計(jì)算得到。將已確定的巖樣溫度和粘135.89x10-109.61x 10-"16.13度代入式11 )中,即可對(duì)實(shí)測(cè)天然氣在飽和水巖石Do一實(shí)驗(yàn)室條件 下干樣巖石的天然氣擴(kuò)散中的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行溫度校正。系數(shù)m2/so利用控溫儀控制溫度在30C條件下測(cè)定了昌2.2 溫度校正德氣藏16塊干巖樣的天然氣擴(kuò)散系數(shù)并按照上述根據(jù)(郝石生,1994 {2研究地層條件下天然氣校正方法進(jìn)行飽和介質(zhì)條件轉(zhuǎn)換和溫度校正結(jié)果通過(guò)飽和水巖石的擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算公式為:如表2所示。由表2中可以看出校正后地層條件下的天然氣擴(kuò)散系數(shù)均小于實(shí)測(cè)天然氣擴(kuò)散系數(shù),Dwr=Dw更(8)且隨著埋深增加二者之間的差值逐漸減小。這是T因?yàn)殡S著埋深逐漸增加地溫逐漸升高天然氣分子的運(yùn)動(dòng)速度逐漸加快擴(kuò)散速度逐漸增大使得天然KT其中:Dw= 6πrμw氣擴(kuò)散系數(shù)逐漸增大的緣故。由此看出這-校正由式8可將實(shí)驗(yàn)室條件下天然氣在飽和水巖石中表2昌德氣藏實(shí)測(cè)天然氣擴(kuò)散系數(shù)及校正數(shù)據(jù)表的擴(kuò)散系數(shù)表示為:Table 2 Measured and corrected diffusioncoefficients of natural gas in Changde gas fieldKTo，重井深實(shí)測(cè)值校正值Dwo =STruw(9)井號(hào)巖性芳深1| 2580.0 粉砂質(zhì)泥巖| 7.11x10-10 2.07x10-10芳深22572.0 粉砂質(zhì)泥巖| 2.08x10-10 5.85x 10-1由式(9可將地層條件下天然氣在飽和水巖石中的芳深2| 2882.0 含砂泥巖| 2. 12x10-107.46x10-1擴(kuò)散系數(shù)表示為:芳深3| 2827.8粉砂質(zhì)泥巖9. 40x10-113.20x 10-1芳深3| 2869.0 粉砂質(zhì)泥巖 1. 14x10-03.98x10-1芳深4 2744.0含砂泥巖7.50x10-11 2. 42x 10-1KT_、D( 10)芳深4| 2993.2 粉砂質(zhì)泥巖| 2.25x10-10 8.50x10-11Dwr= 6rtr/w衛(wèi)深2| 2851.3.64x10-10 1.26x 10-10芳深7| 3171.0 含砂泥巖2.83x10-10 1.20x10-10芳深6 | 3152.0含砂泥巖3.27x10-10 | 1.36x10-10由式9和式(10)聯(lián)立求解便可得到地層條件下天衛(wèi)深5| 3107.0| 含砂泥巖2.78x10-10 | 1.13x10-10然氣在飽和水巖石中的擴(kuò)散系數(shù)與實(shí)驗(yàn)室條件下天昌101| 2785.54.97x10-10 2.84x10-10然氣在飽和水巖石中擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系:昌102 | 2684.0 粉砂質(zhì)泥巖 5.45x10-10 | 1.69x10-10昌103| 2846.0粉砂質(zhì)泥巖3.78x10-10 1.48x 10-10昌103 | 2949.89.47x 10-17.54x 10-!!112 .石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)第23卷結(jié)果是符合地質(zhì)條件的表明這-方法用于校正實(shí)斯-愛(ài)因斯坦方程對(duì)實(shí)測(cè)擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行校正,可以測(cè)的天然氣擴(kuò)散系數(shù)是可行的。獲得符合地層條件的天然氣擴(kuò)散系數(shù),為準(zhǔn)確地獲取天然氣擴(kuò)散系數(shù)開(kāi)辟了新途徑。3結(jié)論參考文獻(xiàn):自行設(shè)計(jì)組裝的可控溫型天然氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定[1]肖無(wú)然陳偉鈞.天然氣藏的研究方法A]石油與天然氣地質(zhì)儀,可以測(cè)定高溫、高壓條件下符合地層條件的天然文集(第一集):中國(guó)煤成氣研究C].北京地質(zhì)出版社,1988.148- 158.氣擴(kuò)散系數(shù),比以前國(guó)內(nèi)外在常溫、常壓或較高溫[2] 郝石生，黃志龍楊家琦.天然氣運(yùn)聚動(dòng)平衡及其應(yīng)用(第一版)度、壓力下的實(shí)驗(yàn)方法先進(jìn)了一步。利用所組裝的[M].北京石油工業(yè)出版社1994.3-29.儀器實(shí)測(cè)的天然氣擴(kuò)散系數(shù)結(jié)果得到干巖樣和濕[3]付曉泰,王振平盧雙舫.氣體在水中的溶解機(jī)理及溶解度方程巖樣之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為6.06 ,由此可以對(duì)實(shí)測(cè)擴(kuò)散[J].中國(guó)科學(xué)( B輯), 1996 262 )124- 130.系數(shù)進(jìn)行飽和介質(zhì)條件轉(zhuǎn)換。利用修正后的斯托克[4]付廣任繼紅. 甲烷和乙烷通過(guò)氣藏蓋層的擴(kuò)散深層熱解作用時(shí)間及持續(xù)時(shí)間的推算J]世界石油工業(yè)1996 x 2):13- 18.EXPERIMENTAL STUDY ON THE DIFFUSIONCOEFFICIENTS OF NATURAL GASLI Hai-yan' ,FU Guang- ,PENG Shi-mil( 1. Unirersity of Petroleum ,Changping Bejing 102200 ,China ;2. Daqing College of Petroleum Anda ,Heilongjiang 151400 ,China )Abstract : Based on the analysis of the measuring principle of natural gas diffusion cofficients sthe authors assembled bythemselves a temperature-controllable measuring apparatus of natural gas diffusion cofficients . This apparatus can deter-mine the natural gas diffusion cefficients of rocks under the conditions of high temperature and high pressure ,and canwell simulate the conditions of strata. By use of this apparatus ,the diffusion coefficients of natural gas when it passesthrough thirteen dried artificial quartz siltstone samples and water-saturated rock samples are determined separately . Usingthe integral formula of the Fick Law and the Van der W aals Equation of gases it is determined that the conversion coeffi-cient of measured natural gas diffusion coefficients in the conversion of medium-saturated conditions is 6. 06.The mea-sured diffusion cofficients of natural gas is corrected in temperature by the Stocks Einstein Equation. After correction ,thenatural gas diffusion eofficients under the conditions of strata are all smaller than measured values ,and the difference be-tween them decreases gradually with burial depth. This is because that the movement of natural gas moleculars is acceler-ated with the increase of burial depth and geotemperature . It indicates that the corected results ard fit for the conditions ofstrata.Key words : correction ; conversion cofficients diffusion cofficients ; natural gas