天然气扩散损失量估算方法探讨.pdf

第 3 1 卷第 3期 -5 天热气比 O I L＆ G A S G E O L 0 G Y 2 0 1 0年 6月 文章编号 0 2 5 3 9 9 8 5 2 0 1 0 0 3 0 3 4 3一【 】 4 天然气扩散损 失量估算 方法探讨 薛海 涛， 李 璐璐， 卢 双舫 东北石油大学 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 摘要 经与实测扩散系数进行 比较， 认为用 S t o k e s E i n s t e i n方程式来进行扩散系数的预测计算是可行的。以物质平衡原理 为基础 ， 比较可排气量 可排气量 生气量 一残 留气量 与最 大扩散 气量 ， 取 二者 中的小者 为实 际扩散 气量。实 际扩 散 气 量随有机质丰度、 生烃潜力、 源岩厚度和顶面埋深的增大而增大。在一般地质情况下， 计算所得最大扩散气量是实际扩散 气量的几倍甚至几十倍， 这使得在天然气资源量计算过程中， 扩散气量被严重夸大了。 关键词 扩散系数； 实际扩散气量； 最大扩散气量； 扩散损失量； 天然气 中图分类号 T E l 2 2 文献标识码 A A di s c u s s i o n o n m e t h o d s f o r e s t i ma t i n g d i ffus i o n l o s s o f na t ur a l g a s Xu e Ha i t a o． L i Lu l u a n d Lu S h u a n g f a n g 『 0 e ∞f P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， D a q i n g ， H e l o n g fi a n g 1 6 3 3 1 8 ， C h i n a Abs t r a c t A s t u d y o n t h e a c t u a l me a s ur e d g a s d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t s h o ws t ha t c a l c u l a t i n g d i ff us i o n c o e ffi c i e n t wi t h t h e S t o k e s Ei n s t e i n e q ua t i o n i s f e a s i b l e ． Ac c o r d i ng t o t h e ma s s b a l a nc e p r i n c i p l e， a c o mpa r i s o n i s c a r r i e d o u t b e t w e e n t h e d i s c h a r g e a b l e g a s i ． e ． ， t h e g e n e r a t e d g a s m i n u s r e s i d u a l g a s a n d t h e ma x i mu m d i ff u s e d g a s ， a mo ng wh i c h t he s mall e r o n e i s s e l e c t e d a s t h e a c t u a l g a s d i f f u s i o n l o s s ． Th e a c t u al g a s d i ff us i o n l o s s ris e s wi t h a n i n c r e a s e o f o r g a n i c ma t t e r a b u n d a n c e ， h y d r o c a r b o n g e n e r a t i o n p o t e n t i al ， s o u r c e r o c k t h i c k n e s s a n d t o p b u ri a l d e p t h． I n a g e n e r a l g e o l o g i c a l c o n d i t i o n， the c alc u l a t e d g a s d i f f us i o n l o s s i s s e v e r al o r e v e n t e n s o f t i me s l a r g e r t h a n t h e a c t ua l a mo u n t ， c a u s i n g a n e x a g g e r a t i o n o f d i ffu s i o n l o s s i n t h e c alc u l a t i o n o f g a s r e s e r v e s ． Ke y wo r ds di f f u s i o n c o e f fic i e nt ， a c t u a l g a s d i f f u s i o n l o s s ， ma x i mu m g a s d i ff us i o n l o s s ， g a s d i ffu s i o n l o s s， n a t ur al g a s 天然气 的扩 散作用 是一 种 由集 中到 分散 的 迁移过程 ， 尽管天然气在地下岩石 中的扩散速度 十分缓慢 ， 但 在漫长 的地 质历 史时期 中， 它却 可 以连续不断地进行 ， 而且其累积扩散量是十分可 观 的， 大量 的研究 表 明， 它足 以毁 掉一 个具 有工业 开采价值 的天然气藏 。由此看 出， 天然气 扩散作 用 也是 气 源 岩 评 价 过 程 中不 可 忽 视 的 因素。 多年来 ， 学者们 在 天然气 扩散气 量计 算 过程 中都假设地层水是饱 和天然气的 ， 即假设 扩 散过程 中天然气 的量是充足的 ， 这里把这种假 设 条件下得到 的扩 散气量 称为天然 气 的最大扩 散 损失量 ， 又称为最 大扩散 气量 。然 而 ， 气源岩 在 进人生气 门限之 前 ， 地层 水 中的天 然气 通 常 是 不饱和的 ； 即使进 入 了生气 门限 ， 受气源 岩生 气 条件 、 演化程度 的限制 ， 也 未必有 足够 的气 量来 饱和水 。这 样看 来 ， 以往 计算 的天 然气 扩 散量 可能被高估 了。本文 以物质平衡原理为基础 ， 通 过 比较可排气量 与最大扩散气量 ， 计算实际扩散 气 量 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 3 1 。 第一作者简介 薛海涛 1 9 7 5 一 ， 男 ， 博士 、 副教授 ， 油气地球化学 。 基金项目 国家重大专项 2 0 0 8 Z X 0 5 0 0 7 0 0 1 ； 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 项 目 2 0 0 6 C B 2 0 2 3 0 7 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油 与 天 然 气 地 质 第 3 l 卷 l 天 然气 在地 下岩 石 中最 大扩 散 损失量 的计算 1 ． 1 计算方法 根据费克第一定律 ， 在稳态条件下 ， 天然气的 扩散量主要取决于天然气在岩石 中的扩散系数 、 浓度梯度 、 扩散流经面积和扩散时间 4个变量 ] 。 Q D A d C d 1 式中 Q为天然气扩散损失量 ， m ； D为天然气扩 散系数 ， m ／ s ； 4为天然气扩散流经面积 ， m ； t 为 天然气 扩散 时间 ， s ； d C ／ d X为 天然气 浓度梯 度 ， m m ／ m。 其中， C为 甲烷在盐溶液 中的溶解度 ， 其计算 公式推导过程见参考文献 [ 5 ] 。 1 ． 2扩散 系数 的确定 扩散系数作为描述天然气通过岩石扩散速度 快慢的重要评价参数 ， 是天然气扩散量计算必不 可少的重要参数 。 由于地下岩石是一种 多孑 L 介质 ， 天然气扩散 的实质是气体在饱 和溶 液的多孔介质中 的扩散。 其扩散系数 可用 S t o k e sE i n s t e i n方程来表示_ 6 J ， 得到 。 k s T q b 2 式中 D 。 为气体在地下岩石中的扩散系数 ， m ／ s ； k 为玻 尔兹曼 常数 ， 1 ． 3 81 0 。 J ／ K； ／ z 为地层 水粘度 ， P a s ； 尺 为天然气分子半径 ， m； T为体 系 温度 ， K； f 为孑 L 隙度 ， ％； 丁为曲折度 ， 无量纲。 其中， 地层水粘度 可由前人 研究成果 回归 得到的地层水粘度与温度 K 之 问的函数关系 求得 ／a , 0 ． 0 1 3 5 7 e 加叭 “ 3 曲折度 通常的取值范围在 2～ 6 ， 平均约为 3 ， 本文计算时曲折度取值为 3 。 1 ． 3 扩散系数实验值与计算值的比较 本文用 K Y一 2型岩石扩散系数测定仪对塔里 木盆地 6块灰岩样品的扩散系数进行了测定。选 用的气体介质为 C H ， 饱和介质为标准盐水 ， 实验 温度为 3 0 ℃ ， 实验压力为 0 ． 1 0 MP a 。分别测定烃 室和氮室的组分浓 度随时间的变化 ， 并根据所得 烃浓度 随时问 的变化 曲线计算 出样 品的扩散 系 数 。同时测定了该 6块样 品的孔 隙度。查找了文 献报道 的泥岩 、 砂岩在不 同孔 隙度情况下 的扩 散系数 。根据上述理论模 型分别计算 了灰岩 、 泥 岩、 砂岩相应孔隙度条件下的扩散系数值 、 实验值 表 1 、 文献值 表 2 。 从表 1和表 2可 以看 出， 灰 岩、 泥岩 、 砂岩扩 散系数 的计算值与实验值 吻合 的比较好 尤其是 灰岩 ， 基本 在 同一数量 级上 相对偏 差不 超 过 表 1 塔 里木盆地灰岩样 品扩散 系数 D 实验值 与 模型计算值 比较 Ta bl e 1 Co m pa r i s o n be t we e n t h e m e a s ur e d a nd c a l c u l a t e d d i ff u s i o n c o e ffic i e n t s D k 0 f l i me s t o ne s a mpl e s f r o m t he Tar i m Ba s i n 表 2塔里木盆 地泥、 砂岩样品扩散系数 D 文献值与 模型计算值 比较 Tab l e 2 Co mpa r i s o n be t we e n t he do c u m e nt e d an d c a l c u l a t e d d i ff u s i o n c o e ffic i e n t s D k o f mu d s t o n e a nd s an ds t one s a m p l e s fro m t he Tar i m Bas i n 注 表 2中的实验值 为文献数 据 _ 3 _ 进行 了干湿 比校正[ 。 ] 之 后的结果。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3期薛海涛，等 ．天然气扩散损失量估算方法探讨 34 5 50％。 这对扩散系数这 一 测量难度大，测量精度 不易控制 的参数来说算是比较准确的了。因此， 可以用式2计算扩散系数。 在分别算得灰岩、泥岩和砂岩的扩散系数之 后 即可根据串联原理计算出地层 的扩散系数 ‘。，引 。 2 天然气在地下岩石中实际扩散损 失量 的计算 假设进入生气 门限以后，气源岩生成 的天然 气只有在满足 了吸附、油溶、水溶以后 才可以 以扩 散相排出。这样 在 实际地质情况 下，当有机质 丰 度、演化程度、类型并不理想 时，气源岩 的生气量 不能满足岩石残 留而无 法向外扩散排 出。即使生 气量满足了岩石残 留而开始以扩散相排出了，也 未必有足够的气量 达到最大扩散气量 的要求。 实际上，式 1从理论上可以计算地层水欠饱 和情况下的天然气扩散气量，只要 z深度处 的天 然气在地层水 中的溶解度C为实际气相压力下的 溶解度CP而 不是该深度泡点压力下的溶解 度 Cz即可 。但实际计算过程中，地层水 中实际气 相压力下的溶解度CP是难以获得的参数，因此 使直接用公式1计算实际扩散气量成 为 一 件困 难的事。这也是 一 直以来人们 “ 0只 计算天然气的 最大扩散气量而不计算其实际扩散气量 的原因。 本文以物质 平衡原理为基础 ，比较可排气量 可排气量 生气量 一 残留气量与最大扩散气量 Q KS 。，取 二者 中的小 者为 实际扩 散气量 QK S 自。 设目标源岩在沉积埋藏过程中某 一 地质历史 时期的生气量为Q。，源岩层 系 的吸附气量为Q巾 油溶气量为Q，，，水溶气量 为Q。这样气源岩的可 排气 量 Q h即为 Q。。 Q。 一 Q，， 一 口，。 一 Q。，4 可排气量与最大扩散气量 的大小有如下几种 相对关系。 1 Q 。。 0。此时气源岩非但不会 向外排气 ， 而且对从其他气源运移来的天然气还具有容留作 用，庞雄奇 ⋯01995 把这种岩石称 “ 负源岩 ” 。所 以这种情况下取实际扩散气 量 Q K S ；i 0。 20 Q。。 QK S 。。可排气量大于最大 扩散 气 量，此时有足够多的天然气可供扩散，因此实际扩 散气量QK s 。i 邪气。 本文依据参 考文献所 述模型，动态计算了源 岩在不同时期的生气量 ‘坦] 、吸附气量 ‘B] 、油溶气 量 ‘’ 、水溶气量 ‘引 、最大扩散气量 ‘引 ，进而计算出 实际扩散气量。 3 实际扩散气量与最大扩散气量 的 比较 以塔里木盆地塔 中12井地质参数为例 引 ，计 算了单位面积条件下，不同顶面埋深 z d。及不同层 系厚度鼠。的气源岩的最大扩散气量。气源岩的 最大扩散气量随源岩层系厚度日。 。的增大而增大， 随顶面埋深 的加深而增大。气源岩最大扩散气量 与有机质 的丰度和类型无关。 同样以塔中12井为例，计算了不同顶面埋深 Z抽、不同层 系厚 度H，，、不同有机碳含 量 T O C及氢指数Ⅲ条件下气源岩的实际扩散 气量。 对实际扩散气量 的计算结果进行分析可以得 出如下认识。 1实际扩散气量随有机质丰度的增大而增 大图1。这是因为，在相同的有机质类型、演化 程度、层 系厚度条件下，有机质丰度越 大气源岩生 f E ■ 暑 咖1 旷 嵇 b 图1最大扩散气量QKS 。与不同有机质 丰度条件下实际扩散气量 Q K S 。，的比较 Fi g ．1Comparisonofthem axim umdiffusionloss QK Sz dand theactualdif fusionlossQK S ；． atdiffer entorganicabu ndance H I 500m g／g，H y 。 100 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油与天然气地质 第31卷 成 的气量越 大，越容易满足 源岩层系 的残留而以 扩散相排出。 2实际扩散气量 随生烃潜 力的增大而增 大 图2。与有机质丰度的影响原理相似 ，在相同 的有机质丰度、演化程度、层系厚度条件下，生烃 潜力越大气源岩生成的气量越大，越容易满足源 岩层系的残留而以扩散相排出。 3实际扩散气量随源岩层系厚度日。 。的增大 而增大 图3。相同顶面埋深、生烃潜力、有机质 丰度的源岩，H 。 。越大其生气量越大，所以实际扩散 气量就越大。 4实际扩散气量随顶面埋深 的增大而增大 ， 图1，图2。源岩层系顶面埋深越大意味着扩散 p 巨 f E 蒯 扩 巅 b z d m／m 图2最大扩散气量 Q3。与不同生烃潜力条件下实际 扩散气量Q硒 i 的 比较TO C O ．5％ ，H y ， 100m Fi g ．2Comparisonofthemaximumdiffusionloss Q rS d andtheactualdif fusionlossQrS 。iunderdi f f erent hydrocarbon gen erati on pot en tial f E 量 ＼ 咖I 旷 轻 b 图3实际扩散气量与源岩厚度H ， ，的关系 Fi g ．3Relation shi pb etweenactualdiffusionloss and thethicknessofsou r cer ocksH yy T O C 0．4％ ，Zd。 6 000 m ，H ／ 500 mr ,／g 时间越长，所以其扩散气量也越大，这点与最大扩 散气量 的规律相同。另外，z d 。增加也使源岩层的 演化程度增高，相同条件下 生气量增加，相应 的使 实际扩散气量增大。 图1和图2分别给出了最大扩散气量与不同 有机质丰度、不同生烃潜力条件下实际扩散气量 的相对关系。由两图可以看出，以往常常使用的最 大扩散气量比本文采用 的实际扩散气量大很 多。 例如 ／／／500m g／g，H。， 100m ，Zd。 9000m ， T OC 0．4％时 ，QK Sd 是 Q KS 。i的 9．3 倍；即使 TO C 1．0％时也是3．1倍；当TO C 0．2％时更是 可以达到36．7倍之多；H 。 100m ，TOC 0．5％ ， Z d。 9 000i n ，Ⅲ 500mg ／ g时，QK S d 是 Q KS 。i的 6．8倍 ；即使H I 8 00m g／g时，也是3 ．8倍；当H ／ 200m g／g时，更是可以达到 36．7倍之多 。对于我 国碳酸盐岩沉积区来说，源岩层 T OC 小于0．4％ 是非常普遍 的地质情况。在这样的地质背景条件 下用QK S 。代替Q硒。i来评价气源岩 的扩散气量势 必会过高估计天然气的扩散损失量，给气源岩评 价和气藏的资源评价带来较大的误差。 当然，QK S d与QK S。，之间的差会 随着 T O C ， Ⅲ ，Ⅳ。。的增大而减小，但有机质丰度高、有机质类 型好且源岩层系厚度又大的地层在我国碳酸盐岩 沉积区是不多见 的。因此，采用实际扩 散气量 QK S 。；来研究源岩层 的扩散气量更符合我国地层 的 实际情况。 4 结论 1用Stokes Ei nstein 方程式 来 计 算 扩 散系 数，计算结果与 实测扩散系 数相 对偏差 不超 过 50％ ，可以用来进行扩散系数的预测计算。 2以物 质 平 衡原理为基 础 ，比较可排 气量 可排 气量 生气量 一 残留气量与最大 扩 散气 量，取二者中的小 者 为实际扩散气量。实际扩 散 气量随有机质丰度、生烃潜力、源岩厚度和顶面埋 深 的增大而增大。 3在 一 般地质情况下，计算所得最大扩散气 量是实际扩散气量 的几倍甚至 几十倍，这使得在 天然气 资源量计 算过程中，扩散 气量被严重夸 大了。 下转第352页 ㈣湖㈣姗咖姗㈣湖啪姗 0 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 5 2 石 油 与 天 然 气 地 质 第 3 1 卷 地质 ， 1 9 9 4， 1 5 1 1 0～1 5 3 杨斌 ， 严 志民， 尤绮妹 ， 等． 准东石炭系原 油地球化学特征 [ J ] ． 新疆 石油地质 ， 2 0 0 2， 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