第23卷第1期石油實驗地質(zhì)Vol.23 ,No.12001年3月PETROLEUM GEOLOGY & EXPERIMENTMar. 2001文章編號:001-6112 2001 )01-0108-05天然氣擴散系數(shù)的實驗研究李海燕'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151400)摘要在分析天然氣擴散系數(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散系數(shù)進行飽和介質(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散系數(shù)進行了溫度校正。校正后地層條件下的天然氣擴散系數(shù)均小于實測天然氣擴散系數(shù),且隨著埋深增加二者之間的差值逐漸減小。這是因為隨著埋深增加、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)擴散系數(shù)天然氣中圖分類號:TE122.1文獻標識碼:A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散作用的研究日益受到h dn重視有關(guān)的研究方法越來越多。國內(nèi)地礦部無錫D=AC dt(1)中心實驗室肖無然( 1988 )首次在國內(nèi)實驗室成功地測定了巖石的天然氣擴散系數(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散等(199492改進了實測天然氣擴散系數(shù)的方法測系數(shù)。假定巖心長度為Z(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s(而不是有效面積)則求得的擴散系數(shù)D應(yīng)是不同介質(zhì)條件下的擴散系數(shù)。然而,不同的研究者有效擴散系數(shù)。由上式積分整理得:在研究天然氣擴散系數(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。Co'- C”"C'- C"因此正確認識天然氣在地層中的擴散機理,準確地(2)B. t獲取天然氣擴散系數(shù)，對于準確估算天然氣的擴散損失量及遠景資源評價都具有重要意義。其中:B=影(++山). .1天然氣擴散系數(shù)的實驗獲取方法式中:Co'、 C"--.上面濃溶液 和下面稀溶液的初始濃度;1.1實驗原理C'、CI"-t時間上面濃溶液和下面稀溶液圖1是測定分子擴散系數(shù)的實驗裝置示意圖。的濃度;溶質(zhì)分子通過片中的小孔從溶液擴散到溶劑中孔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濃度差為有效擴散系數(shù)表示天然氣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散隙介質(zhì)和巖石骨架的擴散總和。第1期李海燕,等:天然氣擴散系數(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度。圖中所示的兩個平衡器可以分別與兩個氣室相溶液通，以平衡兩個氣室的壓力保持擴散時兩個氣室壓|溶劑2??00力相等,1- 18為高壓閥門(開關(guān))控制氣體和煤油的通道。圖1擴散系數(shù)測定原理圖這套實驗裝置建成后經(jīng)過多次改進。改進后Fig. 1 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for the determination of dffusion coffcients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度(初始濃度和終止?jié)舛染涂梢郧蟮脭U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散系數(shù)采用的是間接方法即使擴散系數(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，度再由這些實測值通過某種方法確定或求得擴散氣體也容易突破巖石巖心也不能太厚否則氣體擴系數(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)外對天然氣擴散系數(shù)的測定均是厚度控制在0.45~0.75cm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測定天然氣通過巖石的擴散系數(shù)。擴散主容器類似散系數(shù)較以往的擴散系數(shù)測定儀有了很大的改進。一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18HF O真空表壓力表123圍壓密封膠皮筒0冊測溫探頭0n立圍壓空間.溫控儀人y接氮氣中一區(qū)調(diào)壓器平衡器調(diào)壓器接天然氣.圖2天然 氣擴散系數(shù)測量儀流程圖110●石油實驗地質(zhì)第23卷式中:dQ/d-天然氣擴 散速率am'/s;2實測擴散系數(shù)的校正方法D一-天然 氣擴散系數(shù)m2/s;S--天然 氣擴散流經(jīng)面積m2 ;由上述測試方法可以看出濃度(擴散量也可以dC/dX-擴 散濃度梯度,m2( m m);轉(zhuǎn)換成濃度)是獲取巖樣擴散系數(shù)的最關(guān)鍵因素即Q一擴散量m?;只有獲得1室、2室的含氣濃度,才能根據(jù)費克定律C一- 水溶氣濃度m3/m3 ;計算得到巖樣的擴散系數(shù)值。上述方法測得1室和t一擴散時間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定天然氣通過該介質(zhì)擴散作用的濃度就應(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;上述方法計算擴散系數(shù),其擴散機理就已經(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。再者實驗室是在一定的溫度條件下進行T一氣室溫度K。巖樣擴散系數(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,199693]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散濃度( C)，的計算方法的原理是正確的,也會造成實測擴散系數(shù)值與其地下真實值之間存在著偏差。因此要獲得bonprKpC= 0.022(6)地層條件下的巖石擴散系數(shù)就必須對實測擴散系4(8*+RT+6b.p)0- RT+bPp)數(shù)進行校正。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)的天然氣擴散系數(shù)。p-地層孔隙流體壓力 ,Pao由于在干樣條件下測得的氣室濃度為游離相甲最后由(4)成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)粉砂巖的擴散系數(shù) 如表1所示。式計算干巖樣的擴散系數(shù)。濕樣的擴散系數(shù)采用下由表1中可以看出,干巖樣與濕巖樣天然氣擴式的積分式經(jīng)過化簡進行計算，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)件下巖石擴散系數(shù)與其干樣條件下巖石擴散系數(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:天然氣擴散系數(shù)的實驗研究111●表1干、濕巖樣實測擴散系數(shù)數(shù)據(jù)表Table 1 Measured diffusion coefficients of式中:To-實驗室溫度 K;dried and water - saturated rock samplesμwμuw一實驗室、 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升高水分子的運動速度加快流動粘度降低相反，6.31x 10-11.27x 10-114.96溫度降低水分子的運動速度減慢流動粘度增大。9.84x10-11.82x 10-"15.41式12 )中的地層水粘度可由文獻(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,即可對實測天然氣在飽和水巖石Do一實驗室條件 下干樣巖石的天然氣擴散中的擴散系數(shù)進行溫度校正。系數(shù)m2/so利用控溫儀控制溫度在30C條件下測定了昌2.2 溫度校正德氣藏16塊干巖樣的天然氣擴散系數(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散系數(shù)均小于實測天然氣擴散系數(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因為隨著埋深逐漸增加地溫逐漸升高天然氣分子的運動速度逐漸加快擴散速度逐漸增大使得天然KT其中:Dw= 6πrμw氣擴散系數(shù)逐漸增大的緣故。由此看出這-校正由式8可將實驗室條件下天然氣在飽和水巖石中表2昌德氣藏實測天然氣擴散系數(shù)及校正數(shù)據(jù)表的擴散系數(shù)表示為:Table 2 Measured and corrected diffusioncoefficients of natural gas in Changde gas fieldKTo，重井深實測值校正值Dwo =STruw(9)井號巖性芳深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散系數(shù)與實驗室條件下天昌101| 2785.54.97x10-10 2.84x10-10然氣在飽和水巖石中擴散系數(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 .石油實驗地質(zhì)第23卷結(jié)果是符合地質(zhì)條件的表明這-方法用于校正實斯-愛因斯坦方程對實測擴散系數(shù)進行校正,可以測的天然氣擴散系數(shù)是可行的。獲得符合地層條件的天然氣擴散系數(shù),為準確地獲取天然氣擴散系數(shù)開辟了新途徑。3結(jié)論參考文獻:自行設(shè)計組裝的可控溫型天然氣擴散系數(shù)測定[1]肖無然陳偉鈞.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,1988.148- 158.氣擴散系數(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)用(第一版)度、壓力下的實驗方法先進了一步。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 ,由此可以對實測擴散[J].中國科學(xué)( B輯), 1996 262 )124- 130.系數(shù)進行飽和介質(zhì)條件轉(zhuǎn)換。利用修正后的斯托克[4]付廣任繼紅. 甲烷和乙烷通過氣藏蓋層的擴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)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