可溫控型天然氣擴(kuò)散系數(shù)測定儀

可溫控型天然氣擴(kuò)散系數(shù)測定儀

天然氣擴(kuò)散量計(jì)算的適用性隨著對天然氣成分特征和性質(zhì)的深入研究，天然氣分子擴(kuò)散的研究越來越受到重視，研究方法也越來越多。然而,即使不同研究者都采用同一模型(費(fèi)克第一定律或費(fèi)克第二定律),對天然氣擴(kuò)散系數(shù)這一參數(shù)的理解也不全一致,有的研究者采用常溫、常壓或較高溫度、壓力下的測定值,有的則采用公式計(jì)算值。但實(shí)測和計(jì)算所得的天然氣擴(kuò)散系數(shù)差異較大,導(dǎo)致擴(kuò)散量計(jì)算結(jié)果差異也較大,難以對比。正確認(rèn)識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。巖石的擴(kuò)散能力天然氣分子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散的驅(qū)動力是濃度差。相似條件下,天然氣擴(kuò)散在氣相介質(zhì)中最快,在液相介質(zhì)中較慢,在固相中最慢。根據(jù)費(fèi)克第一定律(費(fèi)克,1855),在每單位濃度降的情況下,單位時間內(nèi)組分A在組分B中沿擴(kuò)散方向通過單位面積的擴(kuò)散系數(shù)為:DAB=JAdCA/dx(1)DAB=JAdCA/dx(1)若擴(kuò)散過程中組分A通過的面積為有效面積,則所得的擴(kuò)散系數(shù)為有效擴(kuò)散系數(shù)。某類巖石的擴(kuò)散系數(shù)代表天然氣在這類巖石中的擴(kuò)散能力,是巖石固有的物理量,擴(kuò)散系數(shù)越大擴(kuò)散速度越快,反之則越慢。因此,準(zhǔn)確測定巖石擴(kuò)散系數(shù),對于研究天然氣在地層中的擴(kuò)散、蓋層遮擋能力等都是至關(guān)重要的。輕烴擴(kuò)散參數(shù)前蘇聯(lián)學(xué)者Antonov(1954)首次在實(shí)驗(yàn)室測定了輕烴在沉積巖中的擴(kuò)散系數(shù),為研究輕烴的擴(kuò)散作用提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。Krooss(1987)也在實(shí)驗(yàn)室測定了輕烴在沉積巖中的擴(kuò)散參數(shù),并研究了它們與巖石物性及實(shí)驗(yàn)條件之間的關(guān)系。肖無然(1988)成功地在國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測定了巖石的天然氣擴(kuò)散系數(shù)。郝石生等(1994)改進(jìn)了實(shí)測天然氣擴(kuò)散系數(shù)的方法,測試了不同巖性、溫度、壓力、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,目前國內(nèi)外均是在常溫、常壓或較高溫度、壓力條件下測定天然氣擴(kuò)散系數(shù),不能較好地反映地層條件下天然氣擴(kuò)散作用。本文應(yīng)用自行設(shè)計(jì)組裝的兩套可控溫型天然氣擴(kuò)散系數(shù)測定儀,模擬地層條件,測定天然氣通過巖石的擴(kuò)散系數(shù)。1儲層密度的分析方法圖1a是測定分子擴(kuò)散系數(shù)的一般實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。溶質(zhì)分子通過孔片中孔徑很小的小孔從溶液擴(kuò)散到溶劑中。若孔片兩邊的濃度差是C,小孔平均長度為h,則濃度梯度為C/h。若孔片的有效面積為A,則由費(fèi)克定律可以得到D=hACdndt(2)D=hACdndt(2)積分整理得D=ln[(C′0?C?0)/(C′t?C?t)]Bt(3)D=ln[(C0′-C0?)/(Ct′-Ct?)]Bt(3)其中B=SZ(1V′+1V?)B=SΖ(1V′+1V?)這種方法可以推廣到測定氣體通過巖石的擴(kuò)散系數(shù)。假定巖心長度(而不是孔徑長度)為Z,巖心截面的有效面積(而不是孔片面積)為S,則求得的擴(kuò)散系數(shù)D應(yīng)為有效擴(kuò)散系數(shù),它表示天然氣分子通過巖石中的孔隙介質(zhì)和巖石骨架擴(kuò)散的總和。2儲層參數(shù)控制筆者自行設(shè)計(jì)組裝的實(shí)驗(yàn)裝置見圖1b。擴(kuò)散主容器類似巖心夾持器,實(shí)驗(yàn)時巖心兩側(cè)的兩個氣室分別通入氮?dú)夂吞烊粴?擴(kuò)散氣室外為圍壓密封膠皮筒,用手動壓力泵將煤油泵入膠皮筒外面的圍壓空間,使壓力增至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(shí)驗(yàn)時的溫度。兩個平衡器分別與兩個氣室相通,以保持?jǐn)U散時兩個氣室壓力相等。高壓閥門(開關(guān)1～18)控制氣體和煤油的通道。這兩套實(shí)驗(yàn)裝置經(jīng)過多次改進(jìn),操作方便,只需測定實(shí)驗(yàn)前后氣體的初始濃度和終止?jié)舛?就可以求得天然氣擴(kuò)散系數(shù),實(shí)驗(yàn)過程中氣室壓力始終保持不變,使人為的誤差減少。實(shí)驗(yàn)所用的小巖心(直徑為25.45mm)厚度應(yīng)控制在0.45～0.75cm,若太薄易被壓碎,氣體也容易突破巖石,若太厚則氣體擴(kuò)散速度很慢,實(shí)驗(yàn)需時過長。實(shí)驗(yàn)時間一般約為5d,若時間過長,巖心中飽和的水會慢慢蒸發(fā)掉,影響實(shí)驗(yàn)精度。儲層參數(shù)的確定在本文測試方法中,只有獲得兩個氣室的含氣濃度(均為游離相甲烷濃度,可以看作是甲烷在空氣中的濃度),才能根據(jù)費(fèi)克定律計(jì)算巖樣的擴(kuò)散系數(shù)。如果巖樣中飽和了其它介質(zhì),那么天然氣就是通過該介質(zhì)在擴(kuò)散,測得的濃度是天然氣在該介質(zhì)中而不是在空氣中的濃度,將其視為游離相天然氣濃度來計(jì)算擴(kuò)散系數(shù),所得到的巖樣擴(kuò)散系數(shù)是不合理的,進(jìn)一步計(jì)算得到的天然氣擴(kuò)散損失量也是錯誤的。這一點(diǎn)恰恰被許多研究者忽視。再者,實(shí)驗(yàn)室條件與地下環(huán)境有差異,即使計(jì)算方法的原理正確,擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)測值與地下真實(shí)值之間也會存在偏差,必須對實(shí)測值進(jìn)行校正,才能獲得地層條件下的巖石擴(kuò)散系數(shù)。1飽和水巖樣天然氣擴(kuò)散系數(shù)選取10塊昌德氣藏巖樣,在18℃條件下分別測定干巖樣和飽和水巖樣的天然氣擴(kuò)散系數(shù)(見表1)。干巖樣條件下測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,因此采用(3)式計(jì)算干巖樣擴(kuò)散系數(shù)。濕巖樣的擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算,由dQ/dt=?DS/(dC/dx)(4)dQ/dt=-DS/(dC/dx)(4)積分整理得D=QH/(CSt)(5)D=QΗ/(CSt)(5)其中的Q用氣體范德華方程求得Q=(p+an2/V2)(V?nb)=nRT(6)Q=(p+an2/V2)(V-nb)=nRΤ(6)由(7)式計(jì)算天然氣通過飽和水巖樣的擴(kuò)散濃度C=0.0224[(Kp+?iRT+bmp)p?bmp2KpRT+bmp](7)C=0.0224[(Κp+?iRΤ+bmp)p-bmp2ΚpRΤ+bmp](7)由(5)式計(jì)算飽和水巖樣的天然氣擴(kuò)散系數(shù)(見表1)。由表1可見,干巖樣與濕巖樣擴(kuò)散系數(shù)比值差別較大,平均為6.09倍。由此對于昌德氣藏巖樣來說,在相同溫度條件下,飽和水巖樣擴(kuò)散系數(shù)與干巖樣擴(kuò)散系數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:Dwo=Do/6.09(8)Dwo=Do/6.09(8)2地層條件下的天然氣擴(kuò)散系數(shù)地層條件下天然氣通過飽和水巖石的擴(kuò)散系數(shù)可用修正后的斯托克斯-愛因斯坦方程計(jì)算:Dwf=Dw?/τ(9)Dwf=Dw?/τ(9)其中Dw=KTf/(6πrμw)因此,對于天然氣在飽和水巖石中的擴(kuò)散系數(shù),實(shí)驗(yàn)室條件下的可表示為:Dwo=KT06πrμwo?τ(10)Dwo=ΚΤ06πrμwo?τ(10)地層條件下的可表示為:Dwf=KTf6πrμw?τ(11)Dwf=ΚΤf6πrμw?τ(11)(10)式和(11)式聯(lián)立求解,便可得到地層條件下和實(shí)驗(yàn)室條件下兩種擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系Dwf=TfμwoToμwDwo(12)Dwf=ΤfμwoΤoμwDwo(12)(12)式中,地層水的黏度主要是地層溫度的函數(shù),二者之間的函數(shù)關(guān)系為:μw=0.013?57?e?0.0151T(13)μw=0.013?57?e-0.0151Τ(13)地層溫度可由其所處地區(qū)的地?zé)崽荻群吐裆钯Y料計(jì)算得到。將確定的地層溫度和地層水黏度代入(12)式,即可進(jìn)行溫度校正。筆者在30℃條件下測定了昌德氣藏12塊干巖樣的天然氣擴(kuò)散系數(shù),按上述方法進(jìn)行飽和介質(zhì)條件轉(zhuǎn)換和溫度校正(見表2)。由表2可知,校正后地層條件下的天然氣擴(kuò)散系數(shù)均小于實(shí)測天然氣擴(kuò)散系數(shù),且隨著埋深增加二者差值逐漸減小。這是因?yàn)榈販仉S埋深增加而升高,天然氣分子的運(yùn)動速度隨之加快,擴(kuò)散速度逐漸增大,致使天然氣擴(kuò)散系數(shù)逐漸增大。這符合地質(zhì)規(guī)律,表明用上述方法校正實(shí)測的天然氣擴(kuò)散系數(shù)是可行的。飽和介質(zhì)條件轉(zhuǎn)換用筆者自行設(shè)計(jì)組裝的可控溫型天然氣擴(kuò)散系數(shù)測定儀,可以測得符合地層條件的天然氣擴(kuò)散系數(shù),比以前在常溫、常壓或較高溫度、壓力條件下測定天然氣擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法大大前進(jìn)了一步。利用該測定儀分別實(shí)測昌德氣藏干巖樣和濕巖樣的天然氣擴(kuò)散系數(shù),得到二者的轉(zhuǎn)換系數(shù)為6.09,據(jù)此可以對實(shí)測干巖樣擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行飽和介質(zhì)條件轉(zhuǎn)換。利用修正后的斯托克斯-愛因斯坦方程對實(shí)測擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行溫度校正,可獲得符合地層條件的天然氣擴(kuò)散系數(shù)。儲層參數(shù)tJA———由分子擴(kuò)散所引起的組分A在x方向上的摩爾通量,kmol/m2·s;CA———組分A的摩爾濃度,kmol/m3;x———擴(kuò)散方向上的距離,m;DAB———組分A在組分B中的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;C′0,C″0———上面濃溶液和下面稀溶液的初始濃度,m3/m3;C′t,C″t———t時刻上面濃溶液和下面稀溶液的濃度,m3/m3;V′,V″———濃溶液和稀溶液的體積,m3;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———天然氣擴(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)散時間,s;H———巖樣厚度,m;p———?dú)馐?/p>