第23卷第1期石油實驗地質(zhì)Vol, 23 No, I2001年3月PETROLEUM GEOLOGY eXPerimentMar.2001文章編號:001-611x(20110108-05天然氣擴(kuò)散系數(shù)的實驗研究李海燕付廣2彭仕宓1(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)測定儀可以測定高溫、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。利用該儀器分別測定了天然氣通過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)用費克定律的積分式及氣體范德華方程確定了對實測天然氣擴(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-愛因斯坦方程對實測天然氣擴(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)均小于實測天然氣擴(kuò)散系數(shù)且隨著埋深增加二者之間的差值逐漸堿小。這是因為隨著埋深増加、地溫升高天然氣分子運動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)散系數(shù)沃然氣中圖分類號TE122文獻(xiàn)標(biāo)識碼近年來隨著對天然氣組分特征及其物理性質(zhì)研系數(shù)究的深入對天然氣分子擴(kuò)散作用的研究日益受到h dnd= AC dt(1)重視有關(guān)的研究方法越來越多。國內(nèi)地礦部無錫中心實驗室肖無然19881首次在國內(nèi)實驗室成功地測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定氣體通過巖石的擴(kuò)散等1994)2改進(jìn)了實測天然氣擴(kuò)散系數(shù)的方法測系數(shù)。假定巖心長度為x而不是孔徑長度)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)果差異較大難以對比。C0-C0因此正確認(rèn)識天然氣在地層中的擴(kuò)散機理準(zhǔn)確地DB(2)獲取天然氣擴(kuò)散系數(shù)對于準(zhǔn)確估算天然氣的擴(kuò)散損失量及遠(yuǎn)景資源評價都具有重要意義。其中:BVvh1天然氣擴(kuò)散系數(shù)的實驗獲取方法式中:Co′、Co——上面濃溶液和下面稀溶液的初始濃度1.1實驗原理C,′、Ct時間上面濃溶液和下面稀溶液圖1是測定分子擴(kuò)散系數(shù)的實驗裝置示意圖。的波在溶質(zhì)分子通過片中的小孔從溶液擴(kuò)散到溶劑中孔中國煤化容液的體積。片的孔徑很小。若孔片的有效面積為A濃度差為CNMHG分子通過巖石中的孔C小孔平均長度為h則由費克定律可以得到擴(kuò)散隙介質(zhì)和巖石骨架的擴(kuò)散總和收稿日期20003-21修訂日期200010-23作者簡介李淘嬴敝據(jù)-)如漢族)河北豐潤人博士生主要從事石油地質(zhì)和油藏描述方面的研究工作第1期李海燕,等∵天然氣擴(kuò)散系數(shù)的實驗研究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。主容器外面為一熱電偶由溫度控制器控制實驗時的溫溶液度。圖中所示的兩個平衡器可以分別與兩個氣室相通以平衡兩個氣室的壓力保持?jǐn)U散時兩個氣室壓力相等-18為高壓閥門開關(guān))控制氣體和煤油的通道圖1擴(kuò)散系數(shù)測定原理圖這套實驗裝置建成后經(jīng)過多次改進(jìn)。改進(jìn)后Fig. I Sketch of the experimental principle的實驗裝置有以下特點(1)實驗操作方便。測定擴(kuò)for the determination of diffusion coefficients散系數(shù)需要測定天然氣的濃度只需測定實驗前后的氣體濃恵初始濃度和終止?jié)舛弱砜梢郧蟮脭U(kuò)散1.2實驗方法系數(shù)。在實驗過程中始終保持氣室中的壓力不變在實驗室測定擴(kuò)散系數(shù)采用的是間接方法即使擴(kuò)散系數(shù)測定的人為誤差減少。(2)實驗所用的實驗測定的是在一定時間內(nèi)通過樣品的擴(kuò)散量或濃小巖心(直徑為25,45m不能太薄否則易被壓碎度再由這些實測值通過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)值散速度很慢實驗需用的時間過長。因此,般巖心由于目前國內(nèi)外對天然氣擴(kuò)散系數(shù)的測定均是厚度控制在045~0.75cm之間。實驗時間也不宜在常溫、常壓或較高溫度、壓力條件下操作的不能過長因為時間太長巖心中飽和的水會慢慢蒸發(fā)較好地模擬地層條件所以我們自行設(shè)計組裝了可掉從而影響實驗精度。一般實驗時間為-周左右?？販匦吞烊粴鈹U(kuò)散系數(shù)測定儀如圖2所示)用來(3這套裝置可以測定高溫、高壓條件下的天然氣擴(kuò)測定天然氣通過巖石的擴(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)測定儀有了很大的改進(jìn)。個巖心夾持器即巖心兩側(cè)的兩個氣室實驗時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氣和天然氣擴(kuò)散氣室外為一個膠皮筒比常溫、常壓或較高溫度、壓力下的實驗已先進(jìn)了一它的外面有一個圍壓空間由手動壓力泵打入煤油,步。接真空泵真空表壓力表圍壓密封膠皮筒壓力表壓力表m_|節(jié)測溫探頭圍壓空間溫控儀接氪氣調(diào)壓器平衡器中國煤化工接天然氣CNMHG圖2天然氣擴(kuò)散系數(shù)測量儀流程圖Fig. 2 Experimental flow chart for the determinationof the diffusion coefficients of natural gas110石油實驗地質(zhì)第23卷式中丬Qd—天然氣擴(kuò)散速率m3/s;2實測擴(kuò)散系數(shù)的校正方法D——天然氣擴(kuò)散系數(shù)mn2/s天然氣擴(kuò)散流經(jīng)面積由上述測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m3(m3m)轉(zhuǎn)換成濃度湜獲取巖樣擴(kuò)散系數(shù)的最關(guān)鍵因素即Q—擴(kuò)散量m3只有獲得1室、2室的含氣濃度,才能根據(jù)費克定律C——水溶氣濃度m3/m3;計算得到巖樣的擴(kuò)散系數(shù)值。上述方法測得1室和t——-擴(kuò)散時間2室的濃度均為游離相甲烷濃度,可以看作是甲烷H——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)測試濃度的方法實驗中所采用的巖樣只有是干樣時由上述方法計算得到的天然氣擴(kuò)散系數(shù)才是夏V-nb)=nRT合理的。然而如果巖樣中飽和了其它介質(zhì)那么決(5)定天然氣通過該介質(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;—氣室壓力Pa上述方法計算擴(kuò)散系數(shù),其擴(kuò)散機理就已經(jīng)錯了,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)合理的用此方法計算得到的天然氣擴(kuò)散損失量也a、b-—氣體范德華常數(shù)就難以令人置信洏這一點恰恰被目前許多研究者R——氣體常數(shù)8.314J/molK;所忽視。再者實驗室是在一定的溫度條件下進(jìn)行T——氣室溫度K。巖樣擴(kuò)散系數(shù)測定的而巖樣在地下則處于高溫環(huán)然后由下式(付曉泰10996)31計算出引起天然氣通境之下二者之間也存在著差異。因此即使所選取過飽和水人造石英粉砂巖的擴(kuò)散濃度C)的計算方法的原理是正確的,也會造成實測擴(kuò)散系數(shù)值與其地下真實值之間存在著偏差。因此要獲得C=0.024(+;)p-RT+b1Omp地層條件下的巖石擴(kuò)散系數(shù)就必須對實測擴(kuò)散系RT+ b(6)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得的天然氣擴(kuò)散系數(shù)轉(zhuǎn)換④—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———氣體常數(shù)造石英粉砂巖樣品分別在18℃條件下測定其在干T——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bn——氣體分子的范德華體積m3/mnol且遇水不易碎的天然氣擴(kuò)散系數(shù)地層孔隙流體壓力P由于在干樣條件下測得的氣室濃度為游離相甲最后由(4試計算得到天然氣通過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)過化簡進(jìn)行計算即由3武散系數(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do(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)之間的中國煤化工CNMHG積分整理得D(7)D(4)式中wo—實驗室條件下飽和水巖石的天然氣擴(kuò)散系數(shù)mn2/s第1期李海燕,等∵天然氣擴(kuò)散系數(shù)的實驗研究表1千、濕巖樣實測擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)表Table 1 Measured diffusion coefficients of式中:——實驗室溫度Kdried and water-saturated rock samples實驗室、地層條件下的水粘度巖樣干巖樣濕巖樣fm/s)倍數(shù)地層水的粘度主要是其所處溫度的函數(shù)。溫度8.79×10-3.72×10-10升高水分子的運動速度加快流動粘度降低相反6.31×101.27×10-1溫度降低水分子的運動速度減慢流動粘度增大3,42×10-14.94式12)中的地層水粘度可由文獻(xiàn)付廣1996)4中6.97×10-109.71×10-117.18的資料回歸得到的地層水粘度與溫度之間的函數(shù)關(guān)9.25×10-111.43×10系求得5.42×10-109.46×10-l3.29×104.59×10-11Hw=0.01357c-01(12)6.94D123D7.31×10巖石在地下的溫度可由其所處地區(qū)的地溫梯度8.46×10-1l1.19×10-17.12根據(jù)埋深資料計算得到。將已確定的巖樣溫度和粘度代入式11)中即可對實測天然氣在飽和水巖石實驗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/s利用控溫儀控制溫度在30℃條件下測定了昌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19942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)果通過飽和水巖石的擴(kuò)散系數(shù)的計算公式為如表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)均小于實測天然氣擴(kuò)散系數(shù)Dw gp(8)且隨著埋深增加二者之間的差值逐漸減小。這是因為隨著埋深逐漸增加地溫逐漸升高天然氣分子其中KT的運動速度逐漸加快擴(kuò)散速度逐漸增大使得天然氣擴(kuò)散系數(shù)逐漸增大的緣故。由此看岀這一校正由式8河將實驗室條件下天然氣在飽和水巖石中的擴(kuò)散系數(shù)表示為表2昌德氣藏實測天然氣擴(kuò)散系數(shù)及校正數(shù)據(jù)表Table 2 Measured and corrected diffusioncoefficients of natural gas in Changde gas fieldT更(9)井深巖性實測值校正值A(chǔ)m/s)Am/s)芳深12580.0粉砂質(zhì)泥巖7.11×10-02.07×10-10芳深22572.0粉砂質(zhì)泥巖2.085.85×10-11由式9河將地層條件下天然氣在飽和水巖石中的芳深2288.0含砂泥巖2.12×1007.46×10擴(kuò)散系數(shù)表示為芳深32827.8粉砂質(zhì)泥巖|9.40×10-13.20×10芳深32869.0粉砂質(zhì)泥巖1.4×10-103.98×10-1芳深4|2744含砂泥巖7.50×10-12.42×10(10)芳深4299.2粉砂質(zhì)泥巖2,25×10-08.50×10-1衛(wèi)深22851含砂泥巖芳深73171.0砂泥巖2.83×101.20×10由式9和式10聯(lián)立求解便可得到地層條件下天中國煤化工27×101.36×10衛(wèi)然氣在飽和水巖石中的擴(kuò)散系數(shù)與實驗室條件下天昌CNMHGX97×10-102.84×10-10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545×10-81.69×10-10昌1032846.0粉砂質(zhì)泥巖3.78×10-11.48×10-10昌1032949.8含砂泥巖947×107.54×10萬方數(shù)蝽r=7w(11)昌401|24957粉砂質(zhì)泥巖6.51×10-03.28×10112石油實驗地質(zhì)第23卷結(jié)果是符合地質(zhì)條件的表明這一方法用于校正實斯-愛因斯坦方程對實測擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行校正,可以測的天然氣擴(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)開辟了新途徑3結(jié)論參考文獻(xiàn)自行設(shè)計組裝的可控溫型天然氣擴(kuò)散系數(shù)測定[1]肖無然陳偉鈞天然氣藏的研究方汰A]石油與天然氣地質(zhì)儀可以測定高溫、高壓條件下符合地層條件的天然文集(第一集)中國煤成氣研究C]北京地質(zhì)出版社,988氣擴(kuò)散系數(shù),比以前國內(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聚動平衡及其應(yīng)第一版)度、壓力下的實驗方法先進(jìn)了一步。利用所組裝的[M]北京石油工業(yè)出版社1994.3-29儀器實測的天然氣擴(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由此可以對實測擴(kuò)散[J]中國科學(xué)B輯),199626(2)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]付廣在繼紅甲烷和乙烷通過氣薇蓋層的擴(kuò)散深層熱解作用時間及持續(xù)時間的推算J]世界石油工業(yè)1996x2)3-18EXPERIMENTAL STUDY ON THE DIFFUSIONCOEFFICIENTS OF NATURAL GASLI Hai-yan' FU Guang,PENG Shi-miongjiang 151400, ChinaAbstract: Based on the analysis of the measuring principle of natural gas diffusion coefficients the authors assembled bythemselves a temperature-controllable measuring apparatus of natural gas diffusion coefficients. This apparatus can determine the natural gas diffusion coefficients 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 passesough 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 Waals 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 coefficients of natural gas is corrected in temperature by the Stocks-Einstein Equation. After correction thenatural gas diffusion coefficients under the conditions of strata are all smaller than measured values and the difference between them decreases gradually with burial depth This is because that the movement of natural gas moleculars is accelerated with the increase of burial depth and geotemperature. It indicates that the corrected results ard fit for the conditions oftrataKey words: correction conversion coefficients idiffusion coefficients i natural gas中國煤化工CNMHG