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, I2001年3月PETROLEUM GEOLOGY eXPerimentMar.2001文章编号:001-611x(20110108-05天然气扩散系数的实验研究李海燕付广2彭仕宓1(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堿小。这是因为随着埋深増加、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散系数沃然气中图分类号TE122文献标识码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 dnd= AC dt(1)重视有关的研究方法越来越多。国內地矿部无锡中心实验室肖无然19881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1994)2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x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。C0-C0因此正确认识天然气在地层中的扩散机理准确地DB(2)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:BVvh1天然气扩散系数的实验获取方法式中:Co′、Co——上面浓溶液和下面稀溶液的初始浓度1.1实验原理C,′、Ct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。的波在溶质分子通过片中的小孔从溶液扩散到溶剂中孔中国煤化容液的体积。片的孔径很小。若孔片的有效面积为A浓度差为CNMHG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收稿日期20003-21修订日期200010-23作者简介李淘嬴敝据-)如汉族)河北丰润人博士生主要从事石油地质和油藏描述方面的研究工作第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溶液度。图中所示的两个平衡器可以分别与两个气室相通以平衡两个气室的压力保持扩散时两个气室压力相等-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. I 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 diffusion coefficients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恵初始浓度和终止浓度蹴可以求得扩散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25,45m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045~0.75cm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。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。接真空泵真空表压力表围压密封胶皮筒压力表压力表m_|节测温探头围压空间温控仪接氪气调压器平衡器中国煤化工接天然气CNMHG图2天然气扩散系数测量仪流程图Fig. 2 Experimental flow chart for the determinationof the diffusion coefficients of natural gas110石油实验地质第23卷式中丬Qd—天然气扩散速率m3/s;2实测扩散系数的校正方法D——天然气扩散系数mn2/s天然气扩散流经面积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m3(m3m)转换成浓度湜获取岩样扩散系数的最关键因素即Q—扩散量m3只有获得1室、2室的含气浓度,才能根据费克定律C——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——-扩散时间2室的浓度均为游离相甲烷浓度,可以看作是甲烷H——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夏V-nb)=nRT合理的。然而如果岩样中饱和了其它介质那么决(5)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;—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-—气体范德华常数就难以令人置信洏这一点恰恰被目前许多研究者R——气体常数8.314J/molK;所忽视。再者实验室是在一定的温度条件下进行T——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10996)31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C=0.024(+;)p-RT+b1Omp地层条件下的岩石扩散系数就必须对实测扩散系RT+ b(6)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④—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———气体常数造石英粉砂岩样品分别在18℃条件下测定其在干T——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bn——气体分子的范德华体积m3/mnol且遇水不易碎的天然气扩散系数地层孔隙流体压力P由于在干样条件下测得的气室浓度为游离相甲最后由(4试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武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do(3)件下岩石扩散系数与其干样条件下岩石扩散系数之间的中国煤化工CNMHG积分整理得D(7)D(4)式中wo—实验室条件下饱和水岩石的天然气扩散系数mn2/s第1期李海燕,等∵天然气扩散系数的实验研究表1千、湿岩样实测扩散系数数据表Table 1 Measured diffusion coefficients of式中:——实验室温度Kdried and water-saturated rock samples实验室、地层条件下的水粘度岩样干岩样湿岩样fm/s)倍数地层水的粘度主要是其所处温度的函数。温度8.79×10-3.72×10-10升高水分子的运动速度加快流动粘度降低相反6.31×101.27×10-1温度降低水分子的运动速度减慢流动粘度增大3,42×10-14.94式12)中的地层水粘度可由文献付广1996)4中6.97×10-109.71×10-117.18的资料回归得到的地层水粘度与温度之间的函数关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岩石在地下的温度可由其所处地区的地温梯度8.46×10-1l1.19×10-17.12根据埋深资料计算得到。将已确定的岩样温度和粘度代入式11)中即可对实测天然气在饱和水岩石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/s利用控温仪控制温度在30℃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19942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Dw gp(8)且随着埋深增加二者之间的差值逐渐减小。这是因为随着埋深逐渐增加地温逐渐升高天然气分子其中KT的运动速度逐渐加快扩散速度逐渐增大使得天然气扩散系数逐渐增大的缘故。由此看岀这一校正由式8河将实验室条件下天然气在饱和水岩石中的扩散系数表示为表2昌德气藏实测天然气扩散系数及校正数据表Table 2 Measured and corrected diffusioncoefficients of natural gas in Changde gas fieldT更(9)井深岩性实测值校正值Am/s)Am/s)芳深12580.0粉砂质泥岩7.11×10-02.07×10-10芳深22572.0粉砂质泥岩2.085.85×10-11由式9河将地层条件下天然气在饱和水岩石中的芳深2288.0含砂泥岩2.12×1007.46×10扩散系数表示为芳深32827.8粉砂质泥岩|9.40×10-13.20×10芳深32869.0粉砂质泥岩1.4×10-103.98×10-1芳深4|2744含砂泥岩7.50×10-12.42×10(10)芳深4299.2粉砂质泥岩2,25×10-08.50×10-1卫深22851含砂泥岩芳深73171.0砂泥岩2.83×101.20×10由式9和式10联立求解便可得到地层条件下天中国煤化工27×101.36×10卫然气在饱和水岩石中的扩散系数与实验室条件下天昌CNMHGX97×10-102.84×10-10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545×10-81.69×10-10昌1032846.0粉砂质泥岩3.78×10-11.48×10-10昌1032949.8含砂泥岩947×107.54×10万方数蝽r=7w(11)昌401|24957粉砂质泥岩6.51×10-03.28×10112石油实验地质第23卷结果是符合地质条件的表明这一方法用于校正实斯-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汰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,988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),199626(2)124-130系数进行饱和介质条件转换。利用修正后的斯托克[4]付广在继红甲烷和乙烷通过气薇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中国煤化工CNMHG