可溫控型天然氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的組裝及溫度校正

可溫控型天然氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的組裝及溫度校正

近年來(lái)，隨著對(duì)天然氣組分性質(zhì)和性質(zhì)的深入研究，天然氣分子擴(kuò)散的研究越來(lái)越受到重視，相關(guān)研究方法也越來(lái)越多。國(guó)內(nèi)地礦部無(wú)錫中心實(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)郝石生等(1994)改進(jìn)了實(shí)測(cè)天然氣擴(kuò)散系數(shù)的方法,測(cè)試了不同巖性、溫度、壓力及不同天然氣組分和飽和不同介質(zhì)條件下的擴(kuò)散系數(shù)。然而,不同的研究者在研究天然氣擴(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。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。1天然氣擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法1.1雙相轉(zhuǎn)移的ct.1圖1是測(cè)定分子擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。溶質(zhì)分子通過(guò)片中的小孔從溶液擴(kuò)散到溶劑中,孔片的孔徑很小。若孔片的有效面積為A,濃度差為C,小孔平均長(zhǎng)度為h,則由費(fèi)克定律可以得到擴(kuò)散系數(shù):D=hACdndt.(1)D=hACdndt.(1)這種方法可以推廣到測(cè)定氣體通過(guò)巖石的擴(kuò)散系數(shù)。假定巖心長(zhǎng)度為Z(而不是孔徑長(zhǎng)度),面積為S(而不是有效面積),則求得的擴(kuò)散系數(shù)D應(yīng)是有效擴(kuò)散系數(shù)。由上式積分整理得:D=lnC0′?C0′′Ct′?Ct′′B?t,(2)D=lnC0′-C0″Ct′-Ct″B?t,(2)其中:B=SZ(1V′+1V′′).B=SΖ(1V′+1V″).式中:C0′、C0″——上面濃溶液和下面稀溶液的初始濃度;Ct′、Ct″——t時(shí)間上面濃溶液和下面稀溶液的濃度;V′、V″——濃溶液和稀溶液的體積。有效擴(kuò)散系數(shù)表示天然氣分子通過(guò)巖石中的孔隙介質(zhì)和巖石骨架的擴(kuò)散總和。1.2實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定擴(kuò)散系數(shù)采用的是間接方法,即實(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)散系數(shù)值。由于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)天然氣擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定均是在常溫、常壓或較高溫度、壓力條件下操作的,不能較好地模擬地層條件,所以我們自行設(shè)計(jì)組裝了可控溫型天然氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀(如圖2所示),用來(lái)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(lèi)似一個(gè)巖心夾持器,即巖心兩側(cè)的兩個(gè)氣室(實(shí)驗(yàn)時(shí)分別通入氮?dú)夂吞烊粴?。擴(kuò)散氣室外為一個(gè)膠皮筒,它的外面有一個(gè)圍壓空間,由手動(dòng)壓力泵打入煤油,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)氣室壓力相等,1-18為高壓閥門(mén)(開(kāi)關(guān)),控制氣體和煤油的通道。這套實(shí)驗(yàn)裝置建成后,經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)。改進(jìn)后的實(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)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?就可以求得擴(kuò)散系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,始終保持氣室中的壓力不變,使擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定的人為誤差減少。(2)實(shí)驗(yàn)所用的小巖心(直徑為25.45mm)不能太薄,否則易被壓碎,氣體也容易突破巖石;巖心也不能太厚,否則氣體擴(kuò)散速度很慢,實(shí)驗(yàn)需用的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此,一般巖心厚度控制在0.45～0.75cm之間。實(shí)驗(yàn)時(shí)間也不宜過(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)掉,從而影響實(shí)驗(yàn)精度。一般實(shí)驗(yàn)時(shí)間為一周左右。(3)這套裝置可以測(cè)定高溫、高壓條件下的天然氣擴(kuò)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)。盡管這套裝置不能完全模擬地下高溫、高壓條件,但比常溫、常壓或較高溫度、壓力下的實(shí)驗(yàn)已先進(jìn)了一步。2巖樣擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定問(wèn)題由上述測(cè)試方法可以看出,濃度(擴(kuò)散量也可以轉(zhuǎn)換成濃度)是獲取巖樣擴(kuò)散系數(shù)的最關(guān)鍵因素,即只有獲得1室、2室的含氣濃度,才能根據(jù)費(fèi)克定律計(jì)算得到巖樣的擴(kuò)散系數(shù)值。上述方法測(cè)得1室和2室的濃度均為游離相甲烷濃度,可以看作是甲烷在空氣中的濃度。由此可知,根據(jù)目前巖石擴(kuò)散系數(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)才是合理的。然而,如果巖樣中飽和了其它介質(zhì),那么決定天然氣通過(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。那么可想而知,所得到的巖樣擴(kuò)散系數(shù)值也就是不合理的,用此方法計(jì)算得到的天然氣擴(kuò)散損失量也就難以令人置信;而這一點(diǎn)恰恰被目前許多研究者所忽視。再者,實(shí)驗(yàn)室是在一定的溫度條件下進(jìn)行巖樣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定的,而巖樣在地下則處于高溫環(huán)境之下,二者之間也存在著差異。因此,即使所選取的計(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)散系數(shù)進(jìn)行校正。2.1天然氣擴(kuò)散速率計(jì)算方法為了將干樣條件下測(cè)得的天然氣擴(kuò)散系數(shù)轉(zhuǎn)換成飽和水條件下的天然氣擴(kuò)散系數(shù),選取了10塊人造石英粉砂巖樣品分別在18℃條件下測(cè)定其在干樣和飽和水條件下(因人造石英粉砂巖孔隙比較均一,且遇水不易碎)的天然氣擴(kuò)散系數(shù)。由于在干樣條件下測(cè)得的氣室濃度為游離相甲烷濃度,可以看作是甲烷在空氣中的濃度,采用(2)式計(jì)算干巖樣的擴(kuò)散系數(shù)。濕樣的擴(kuò)散系數(shù)采用下式的積分式經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)進(jìn)行計(jì)算,即由(3)式dQdT=?D?S?dCdX(3)dQdΤ=-D?S?dCdX(3)積分整理得:D=Q?HC?S?t.(4)D=Q?ΗC?S?t.(4)式中:dQ/dt——天然氣擴(kuò)散速率,m3/s;D——天然氣擴(kuò)散系數(shù),m2/s;S——天然氣擴(kuò)散流經(jīng)面積,m2;dC/dX——擴(kuò)散濃度梯度,m3/(m3·m);Q——擴(kuò)散量,m3;C——水溶氣濃度,m3/m3;t——擴(kuò)散時(shí)間,s;H——巖樣厚度,m。其中Q利用氣體范德華方程求得:(p+an2V2)(V?nb)=nRT.(5)(p+an2V2)(V-nb)=nRΤ.(5)式中:p——?dú)馐覊毫?Pa;V——?dú)馐殷w積,m3;n——?dú)怏w摩爾數(shù);a、b——?dú)怏w范德華常數(shù);R——?dú)怏w常數(shù),8.314J/mol·K;T——?dú)馐覝囟?K。然后由下式(付曉泰,1996)計(jì)算出引起天然氣通過(guò)飽和水人造石英粉砂巖的擴(kuò)散濃度(C),C=0.0224[(Kp+ΦiRT+bmp)p?bmp2KpRT+bmp].(6)C=0.0224[(Κp+ΦiRΤ+bmp)p-bmp2ΚpRΤ+bmp].(6)式中:Kp——?dú)怏w分子的水合平衡常數(shù);Φi——?dú)怏wi的有效間隙度;R——?dú)怏w常數(shù);T——地層流體溫度,K;bm——?dú)怏w分子的范德華體積,m3/mol;p——地層孔隙流體壓力,Pa。最后由(4)式計(jì)算得到天然氣通過(guò)飽和水人造石英粉砂巖的擴(kuò)散系數(shù),如表1所示。由表1中可以看出,干巖樣與濕巖樣天然氣擴(kuò)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)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系應(yīng)為:DWO=DO6.06DWΟ=DΟ6.06.(7)式中:DWO——實(shí)驗(yàn)室條件下飽和水巖石的天然氣擴(kuò)散系數(shù),m2/s;DO——實(shí)驗(yàn)室條件下干樣巖石的天然氣擴(kuò)散系數(shù),m2/s。2.2儲(chǔ)層條件下天然氣在飽和水巖石中的擴(kuò)散系數(shù)根據(jù)(郝石生,1994)研究,地層條件下天然氣通過(guò)飽和水巖石的擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算公式為∶DWT=DWΦτDWΤ=DWΦτ,(8)其中:DW=KT6πrμW.DW=ΚΤ6πrμW.由式(8)可將實(shí)驗(yàn)室條件下天然氣在飽和水巖石中的擴(kuò)散系數(shù)表示為:DWO=KT06πrμWO?Φτ.(9)DWΟ=ΚΤ06πrμWΟ?Φτ.(9)由式(9)可將地層條件下天然氣在飽和水巖石中的擴(kuò)散系數(shù)表示為:DWT=KT6πrμW)?Φτ.(10)DWΤ=ΚΤ6πrμW)?Φτ.(10)由式(9)和式(10)聯(lián)立求解,便可得到地層條件下天然氣在飽和水巖石中的擴(kuò)散系數(shù)與實(shí)驗(yàn)室條件下天然氣在飽和水巖石中擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系:DWT=TμWOT0μW?DWO.(11)DWΤ=ΤμWΟΤ0μW?DWΟ.(11)式中:T0——實(shí)驗(yàn)室溫度,K;μWO、μW——實(shí)驗(yàn)室、地層條件下的水粘度,Pa·s。地層水的粘度主要是其所處溫度的函數(shù)。溫度升高,水分子的運(yùn)動(dòng)速度加快,流動(dòng)粘度降低;相反,溫度降低,水分子的運(yùn)動(dòng)速度減慢,流動(dòng)粘度增大。式(12)中的地層水粘度可由文獻(xiàn)(付廣,1996)中的資料回歸得到的地層水粘度與溫度之間的函數(shù)關(guān)系求得:μW=0.01357e-0.0151T.(12)巖石在地下的溫度可由其所處地區(qū)的地溫梯度根據(jù)埋深資料計(jì)算得到。將已確定的巖樣溫度和粘度代入式(11)中,即可對(duì)實(shí)測(cè)天然氣在飽和水巖石中的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行溫度校正。利用控溫儀控制溫度,在30℃條件下測(cè)定了昌德氣藏16塊干巖樣的天然氣擴(kuò)散系數(shù),并按照上述校正方法進(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),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,使得天然氣擴(kuò)散系數(shù)逐漸增大的緣故。由此看出,這一校正結(jié)果是符合地質(zhì)條件的,表明這一方法用于校正實(shí)測(cè)的天然氣擴(kuò)散系數(shù)是可行的。3飽和介質(zhì)條件轉(zhuǎn)換自行設(shè)計(jì)組裝的可控溫型