岩石中烃类气体扩散系数测定

方法提要

根据气体在浓度梯度下通过岩样自由扩散的原理，在岩样两端的扩散室中，一端充入烃类气体，另一端充入氮气，在恒温、恒压条件下，各组分气体的浓度随时间而变化;通过测试在不同时间两扩散室中各组分气体的浓度，可求得烃类气体在岩样中的扩散系数。

仪器和设备

岩石基质孔隙度中烃类气体扩散系数测定装置见装置示意图72.21，包括:

岩心夹持器两个堵头上分别有一容器为20～40cm3的空腔，直接开口于岩样，称为扩散室。

恒温箱(150±0.5)℃。

压力表1.0MPa，精度为0.4级。

差压传感器20kPa，精度为0.01kPa。

图72.21 岩石中烃类气体扩散系数测定装置示意图

气相色谱仪。

高压计量泵公称压力大于10MPa。

真空泵真空度小于6×10-2Pa。

试剂和材料

甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷纯度大于99.9%。

天然气。

氮气纯度大于98.0%。

环氧树脂耐高温150～200℃。

氯化钠。

无水氯化钙。

六水氯化镁。

岩样准备

1)干样的准备。岩样制备、洗油、烘干(参见SY/T5336—88中4.3.2、4.5、4.6)。岩样按垂直渗透率分析要求钻取，长度为0.5～2.5cm。遇水易分散、难于钻取的泥质岩样等，可手工制成小直径的柱状或方形岩样，然后用环氧树脂胶结在金属套筒内，在室内温条件下老化12h以上。

2)饱和水岩样的制备。按SY/T5336—88中6.1.2要求将制备好的干样饱和以模拟地层水，模拟地层水应根据地层水资料配制，没有地层水资料时可用标准盐水(每升水中含70g氯化钠、6g无水氯化钙和4g六水氯化镁)代替。

分析步骤

将岩样装入岩心夹持器，加围压至3MPa以上。根据地层温度高设定恒温箱试验温度，恒温2～2.5h;测定干样中烃类气体的扩散系数时，接通真空泵抽空岩心夹持器及相应管线1～1.5h;测定饱和水岩样时不抽空。向两扩散室内分别通入氮气和烃类气体，并使两扩散压力同步上升至0.1MPa;当压力差小于0.1kPa时，断开气源。测定干样中烃类气体的扩散系数时，间隔0.5～6h取样一次;测定饱和水岩样时，间隔2～12h取气一次，取样分析按GB10410.2进行。每个岩样试验至少12h，且每端至少取5个气样。将恒温箱的温度降至室温，放掉两扩散室内的气体，结束试验。

数据整理

按GB10410.2计算两扩散室内中各组分气体的浓度。

根据费克第二定律计算岩样中烃类气体的扩散系数:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

其中:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

由式(72.119)得:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

ln(ΔФ0/ΔФi)与ti呈线性关系，应用最小二乘法拟合，得斜率S。根据S可求得岩样中烃类气体的扩散系数:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

式中:D为烃类气体在岩样中的扩散系数，cm2·s-1;ΔФ0为初始时间烃类气体在两扩散室中的浓度差，%;ΔФi为i时间烃类气体在两扩散室中的浓度差，%;ti为i时间，s;t0为初始时间，s;Фi1为i时间烃类气体在烃扩散室中的浓度，%;Фi2为i时间烃类气体在氮扩散室中的浓度，%;A为岩样的截面积，cm2;L为岩样的长度，cm;V1，V2为分别为烃扩散室和氮扩散室内的容积，cm3;E为中间变量，cm-2;S为斜率，s-1。