天然气扩散系数的实验研究

第23卷第1期石油实验地质Vol.23 ,No.12001年3月PETROLEUM GEOLOGY & EXPERIMENTMar. 2001文章编号:001-6112 2001 )01-0108-05天然气扩散系数的实验研究李海燕'付广2 彭仕宓'( 1.石油大字北京昌平1022002.大庆石油学院黑龙江安达151400)摘要在分析天然气扩散系数测定原理的基础上作者自行组装了可控温型天然气扩散系数测定仪可以测定高温、高压条件下岩石的天然气扩散系数并能较好地模拟地层条件。利用该仪器分别测定了天然气通过13块人造石英粉砂岩干岩样和饱和水岩样的天然气扩散系数并应用费克定律的积分式及气体范德华方程确定了对实测天然气扩散系数进行饱和介质条件转换的转换系数为6.06。利用斯托克斯-爱因斯坦方程对实测天然气扩散系数进行了温度校正。校正后地层条件下的天然气扩散系数均小于实测天然气扩散系数,且随着埋深增加二者之间的差值逐渐减小。这是因为随着埋深增加、地温升高天然气分子运动速度加快的缘故表明这一- 校正结果是符合地层条件的。关键词校正转换系数扩散系数天然气中图分类号:TE122.1文献标识码:A近年来随着对天然气组分特征及其物理性质研系数:究的深入对天然气分子扩散作用的研究日益受到h dn重视有关的研究方法越来越多。国内地矿部无锡D=AC dt(1)中心实验室肖无然( 1988 )首次在国内实验室成功地测定了岩石的天然气扩散系数。石油大学郝石生;这种方法可以推广到测定气体通过岩石的扩散等(199492改进了实测天然气扩散系数的方法测系数。假定岩心长度为Z(而不是孔径长度) ,面积试了不同岩性、温度、压力及不同天然气组分和饱和为s(而不是有效面积)则求得的扩散系数D应是不同介质条件下的扩散系数。然而,不同的研究者有效扩散系数。由上式积分整理得:在研究天然气扩散系数时,由于采用不同的模型或不同的方法导致得出的结果差异较大,难以对比。Co'- C”"C'- C"因此正确认识天然气在地层中的扩散机理,准确地(2)B. t获取天然气扩散系数，对于准确估算天然气的扩散损失量及远景资源评价都具有重要意义。其中:B=影(++山). .1天然气扩散系数的实验获取方法式中:Co'、 C"--.上面浓溶液 和下面稀溶液的初始浓度;1.1实验原理C'、CI"-t时间上面浓溶液和下面稀溶液图1是测定分子扩散系数的实验装置示意图。的浓度;溶质分子通过片中的小孔从溶液扩散到溶剂中孔V'、V"一-浓溶液和稀 溶液的体积。片的孔径很小。若孔片的有效面积为A浓度差为有效扩散系数表示天然气分子通过岩石中的孔C小孔平均长度为h则由费克定律可以得到扩散隙介质和岩石骨架的扩散总和。第1期李海燕,等:天然气扩散系数的实验研究109.使围压空间的压力增至10~ 15MPa ,目的是防止气室中的气体从岩心与胶皮筒内壁接触处渗过。主容器外面为一热电偶,由温度控制器控制实验时的温度。图中所示的两个平衡器可以分别与两个气室相溶液通，以平衡两个气室的压力保持扩散时两个气室压|溶剂2??00力相等,1- 18为高压阀门(开关)控制气体和煤油的通道。图1扩散系数测定原理图这套实验装置建成后经过多次改进。改进后Fig. 1 Sketch of the experimental principle的实验装置有以下特点( 1实验操作方便。测定扩for the determination of dffusion coffcients散系数需要测定天然气的浓度,只需测定实验前后的气体浓度(初始浓度和终止浓度就可以求得扩散1.2实验方法系数。在实验过程中始终保持气室中的压力不变在实验室测定扩散系数采用的是间接方法即使扩散系数测定的人为误差减少。(2)实验所用的实验测定的是在一定时间 内通过样品的扩散量或浓小岩心(直径为25 .45mm )不能太薄,否则易被压碎，度再由这些实测值通过某种方法确定或求得扩散气体也容易突破岩石岩心也不能太厚否则气体扩系数值。散速度很慢实验需用的时间过长。因此，-般岩心由于目前国内外对天然气扩散系数的测定均是厚度控制在0.45~0.75cm之间。实验时间也不宜在常温、常压或较高温度、压力条件下操作的,不能过长，因为时间太长,岩心中饱和的水会慢慢蒸发较好地模拟地层条件所以我们自行设计组装了可掉,从而影响实验精度。一般实验时间为 -周左右。控温型天然气扩散系数测定仪(如图2所示),用来( 3这套装置可以测定高温、高压条件下的天然气扩测定天然气通过岩石的扩散系数。扩散主容器类似散系数较以往的扩散系数测定仪有了很大的改进。一个岩心夹持器即岩心两侧的两个气室(实验时分尽管这套装置不能完全模拟地下高温、高压条件但别通入氮气和天然气)扩散气室外为一个胶皮筒，比常温、常压或较高温度、压力下的实验已先进了一它的外面有一个围压空间,由 手动压力泵打入煤油,步。接真空泵18HF O真空表压力表123围压密封胶皮筒0冊测溫探头0n立围压空间.温控仪人y接氮气中一区调压器平衡器调压器接天然气.图2天然 气扩散系数测量仪流程图110●石油实验地质第23卷式中:dQ/d-天然气扩 散速率am'/s;2实测扩散系数的校正方法D一-天然 气扩散系数m2/s;S--天然 气扩散流经面积m2 ;由上述测试方法可以看出浓度(扩散量也可以dC/dX-扩 散浓度梯度,m2( m m);转换成浓度)是获取岩样扩散系数的最关键因素即Q一扩散量m?;只有获得1室、2室的含气浓度,才能根据费克定律C一- 水溶气浓度m3/m3 ;计算得到岩样的扩散系数值。上述方法测得1室和t一扩散时间si2室的浓度均为游离相甲烷浓度,可以看作是甲烷H一岩样厚度 mo在空气中的浓度。由此可知根据目前岩石扩散系其中Q利用气体范德华方程求得:数测试浓度的方法实验中所采用的岩样只有是干样时,由上述方法计算得到的天然气扩散系数才是(p+ MIV- nb)= nRT .(5)合理的。然而如果岩样中饱和了其它介质那么决V定天然气通过该介质扩散作用的浓度就应该是天然气在该介质中的浓度再采用游离相天然气浓度按式中:p一气室压力 ,Pa;上述方法计算扩散系数,其扩散机理就已经错了。V-- 气室体积m3 ;那么可想而知所得到的岩样扩散系数值也就是不n--气体摩尔数 ;合理的,用此方法计算得到的天然气扩散损失量也a、b一气体范德华常数;就难以令人置信而这-点恰恰被目前许多研究者R一 气体常数8.314 J/mot K ;所忽视。再者实验室是在一定的温度条件下进行T一气室温度K。岩样扩散系数测定的,而岩样在地下则处于高温环然后由下式(付晓泰,199693]计 算出引起天然气通境之下二者之间也存在着差异。因此,即使所选取过饱和水人造石英粉砂岩的扩散浓度( C)，的计算方法的原理是正确的,也会造成实测扩散系数值与其地下真实值之间存在着偏差。因此要获得bonprKpC= 0.022(6)地层条件下的岩石扩散系数就必须对实测扩散系4(8*+RT+6b.p)0- RT+bPp)数进行校正。2.1饱和介质 条件转换式中:K,-气体分 子的水合平衡常数;为了将干样条件下测得的天然气扩散系数转换φ一气体 i的有效间隙度;成饱和水条件下的天然气扩散系数选取了10 块人R一 气体常数;造石英粉砂岩样品分别在18C条件下测定其在干T一地层流体温度 K;样和饱和水条件下(因人造石英粉砂岩孔隙比较均bm一气体分子的范德华体积m?/mol ;- ,且遇水不易碎)的天然气扩散系数。p-地层孔隙流体压力 ,Pao由于在干样条件下测得的气室浓度为游离相甲最后由(4)成计算得到天然气通过饱和水人造石英烷浓度可以看作是甲烷在空气中的浓度采用(2)粉砂岩的扩散系数 如表1所示。式计算干岩样的扩散系数。湿样的扩散系数采用下由表1中可以看出,干岩样与湿岩样天然气扩式的积分式经过化简进行计算，即由(3 )式散系数的倍数关系为从4.64~ 7.27 平均约为湿岩样的6.06倍。由此可以得到,相同温度、饱和水条dQdC=-D.S(3)件下岩石扩散系数与其干样条件下岩石扩散系数之dX间的转换关系应为:积分整理得:D。Dwo=6.06(7)Q. H( 4)第1期李海燕，等:天然气扩散系数的实验研究111●表1干、湿岩样实测扩散系数数据表Table 1 Measured diffusion coefficients of式中:To-实验室温度 K;dried and water - saturated rock samplesμwμuw一实验室、 地层条件下的水粘度,岩样干岩样湿岩样倍数Pa s。( m2/s)地层水的粘度主要是其所处温度的函数。温度8.79x101. 89x10-4.643.72x10-105.12x 10-"7.27升高水分子的运动速度加快流动粘度降低相反，6.31x 10-11.27x 10-114.96温度降低水分子的运动速度减慢流动粘度增大。9.84x10-11.82x 10-"15.41式12 )中的地层水粘度可由文献(付广,1996 )4]中3.42x 10-14.946.97x10-109.71x 10-"7.18的资料回归得到的地层水粘度与温度之间的函数关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岩石在地下的温度可由其所处地区的地温梯度128.46x10-11.19x 10-"17.12根据埋深资料计算得到。将已确定的岩样温度和粘135.89x10-109.61x 10-"16.13度代入式11 )中,即可对实测天然气在饱和水岩石Do一实验室条件 下干样岩石的天然气扩散中的扩散系数进行温度校正。系数m2/so利用控温仪控制温度在30C条件下测定了昌2.2 温度校正德气藏16块干岩样的天然气扩散系数并按照上述根据(郝石生,1994 {2研究地层条件下天然气校正方法进行饱和介质条件转换和温度校正结果通过饱和水岩石的扩散系数的计算公式为:如表2所示。由表2中可以看出校正后地层条件下的天然气扩散系数均小于实测天然气扩散系数,Dwr=Dw更(8)且随着埋深增加二者之间的差值逐渐减小。这是T因为随着埋深逐渐增加地温逐渐升高天然气分子的运动速度逐渐加快扩散速度逐渐增大使得天然KT其中:Dw= 6πrμw气扩散系数逐渐增大的缘故。由此看出这-校正由式8可将实验室条件下天然气在饱和水岩石中表2昌德气藏实测天然气扩散系数及校正数据表的扩散系数表示为:Table 2 Measured and corrected diffusioncoefficients of natural gas in Changde gas fieldKTo，重井深实测值校正值Dwo =STruw(9)井号岩性芳深1| 2580.0 粉砂质泥岩| 7.11x10-10 2.07x10-10芳深22572.0 粉砂质泥岩| 2.08x10-10 5.85x 10-1由式(9可将地层条件下天然气在饱和水岩石中的芳深2| 2882.0 含砂泥岩| 2. 12x10-107.46x10-1扩散系数表示为:芳深3| 2827.8粉砂质泥岩9. 40x10-113.20x 10-1芳深3| 2869.0 粉砂质泥岩 1. 14x10-03.98x10-1芳深4 2744.0含砂泥岩7.50x10-11 2. 42x 10-1KT_、D( 10)芳深4| 2993.2 粉砂质泥岩| 2.25x10-10 8.50x10-11Dwr= 6rtr/w卫深2| 2851.3.64x10-10 1.26x 10-10芳深7| 3171.0 含砂泥岩2.83x10-10 1.20x10-10芳深6 | 3152.0含砂泥岩3.27x10-10 | 1.36x10-10由式9和式(10)联立求解便可得到地层条件下天卫深5| 3107.0| 含砂泥岩2.78x10-10 | 1.13x10-10然气在饱和水岩石中的扩散系数与实验室条件下天昌101| 2785.54.97x10-10 2.84x10-10然气在饱和水岩石中扩散系数之间的关系:昌102 | 2684.0 粉砂质泥岩 5.45x10-10 | 1.69x10-10昌103| 2846.0粉砂质泥岩3.78x10-10 1.48x 10-10昌103 | 2949.89.47x 10-17.54x 10-!!112 .石油实验地质第23卷结果是符合地质条件的表明这-方法用于校正实斯-爱因斯坦方程对实测扩散系数进行校正,可以测的天然气扩散系数是可行的。获得符合地层条件的天然气扩散系数,为准确地获取天然气扩散系数开辟了新途径。3结论参考文献:自行设计组装的可控温型天然气扩散系数测定[1]肖无然陈伟钧.天然气藏的研究方法A]石油与天然气地质仪,可以测定高温、高压条件下符合地层条件的天然文集(第一集):中国煤成气研究C].北京地质出版社,1988.148- 158.气扩散系数,比以前国内外在常温、常压或较高温[2] 郝石生，黄志龙杨家琦.天然气运聚动平衡及其应用(第一版)度、压力下的实验方法先进了一步。利用所组装的[M].北京石油工业出版社1994.3-29.仪器实测的天然气扩散系数结果得到干岩样和湿[3]付晓泰,王振平卢双舫.气体在水中的溶解机理及溶解度方程岩样之间的转换关系为6.06 ,由此可以对实测扩散[J].中国科学( B辑), 1996 262 )124- 130.系数进行饱和介质条件转换。利用修正后的斯托克[4]付广任继红. 甲烷和乙烷通过气藏盖层的扩散深层热解作用时间及持续时间的推算J]世界石油工业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