深层天然气扩散行为与碳同位素分馏模型研究进展.pdf
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1、第5 4卷 第4期2 0 2 3年7月 太原理工大学学报J OUR NA L O F TA I YUAN UN I V E R S I T Y O F T E CHNO L OG Y V o l.5 4 N o.4 J u l.2 0 2 3 引文格式:董海裕,邹雨,王国建,等.深层天然气扩散行为与碳同位素分馏模型研究进展J.太原理工大学学报,2 0 2 3,5 4(4):5 9 9-6 0 8.D ON G H a i y u,Z OU Y u,WAN G G u o j i a n,e t a l.R e s e a r c h p r o g r e s s o n d i f f u
2、s i o n b e h a v i o r a n d c a r b o n-i s o t o p e f r a c-t i o n a t i o n m o d e l s o f d e e p n a t u r a l g a sJ.J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2 0 2 3,5 4(4):5 9 9-6 0 8.收稿日期:2 0 2 3-0 1-2 8;修回日期:2 0 2 3-0 4-1 9 基金项目:国家自然科学基金资助项目(4 1 8 0 2
3、1 9 1);山西省自然科学基金资助项目(2 0 1 9 0 1 D 1 1 1 0 5 0)第一作者:董海裕(1 9 9 7-),硕士研究生,(E-m a i l)d o n g h a i y u 0 7 5 9 l i n k.t y u t.e d u.c n 通信作者:刘东娜(1 9 8 2-),副教授,博士,主要从事煤地质学、显微岩石学及盆地沉积构造演化的研究,(E-m a i l)l i u d o n g n a t y u t.e d u.c n深层天然气扩散行为与碳同位素分馏模型研究进展董海裕1,邹 雨2,王国建2,刘东娜1,周 瑞1(1.太原理工大学 矿业工程学院,太原
4、0 3 0 0 2 4;2.中国石化石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所,江苏 无锡 2 1 4 1 2 6)摘 要:【目的】深层油气资源逐渐成为我国油气勘探与开发领域的重要目标。为适应发展需求,开展深层天然气扩散过程的可视化研究势在必行。【方法】以天然气分子为出发点,以深层环境为背景,结合多种影响因素,在总结现有扩散方式F i c k扩散、K n u d s e n扩散、表面扩散以及构型扩散的基础上,进行甲烷扩散行为模型及其碳同位素分馏模型的研究进展总结,评价了多种模型在表达深层天然气扩散行为与碳同位素分馏效应方面的适用性。同时认为,建立相应的数学表述模型是准确和全面理解扩散行为机制的关键
5、。【结论】现有的耦合模型不仅能分析深层纳米孔隙中的天然气扩散行为,其高压低孔低渗条件下K n u d s e n扩散还会影响总扩散强度及碳同位素分馏程度。此外,在这些数学模型的基础上,可以结合地层埋藏演化史,进行气藏散失强度计算。研究分析旨在更精准、定量地刻画深层天然气扩散行为,服务于深层油气勘探与开发,对深部气藏保存与破坏评价具有指导意义。关键词:深层天然气;扩散行为;同位素分馏;数学模型中图分类号:T E 1 3 文献标识码:AD O I:1 0.1 6 3 5 5/j.c n k i.i s s n 1 0 0 7-9 4 3 2 t y u t.2 0 2 3.0 4.0 0 3 文章
6、编号:1 0 0 7-9 4 3 2(2 0 2 3)0 4-0 5 9 9-1 0R e s e a r c h P r o g r e s s o n D i f f u s i o n B e h a v i o r a n d C a r b o n-i s o t o p e F r a c t i o n a t i o n M o d e l s o f D e e p N a t u r a l G a sD O N G H a i y u1,Z O U Y u2,WA N G G u o j i a n2,L I U D o n g n a1,Z H O U R u i1(1
7、.C o l l e g e o f M i n i n g E n g i n e e r i n g,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a;2.W u x i R e s e a r c h I n s t i t u t e o f P e t r o l e u m G e o l o g y,S i n o p e c P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d P r o d u c t
8、 i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e,W u x i J i a n g s u 2 1 4 1 2 6,C h i n a)A b s t r a c t:【P u r p o s e s】I n C h i n a,t h e e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f d e e p o i l a n d g a s r e s o u r c e s h a v e g a i n e d s i g n i f i c a n t a t t e n t i o n i n
9、r e c e n t y e a r s.I n o r d e r t o m e e t t h e d e m a n d s o f d e v e l o p m e n t,m a n y s c h o l a r s h a v e c o n d u c t e d r e s e a r c h o n t h e p r o c e s s o f d e e p n a t u r a l g a s d i f f u s i o n a n d h a v e m a d e n o t e w o r t h y a d v a n c e m e n t s.
10、【M e t h o d s】A i m g t o e v a l u a t e t h e a p p l i c a b i l i t y o f d e e p n a t u r a l g a s d i f-f u s i o n b e h a v i o r a n d t h e c a r b o n i s o t o p e f r a c t i o n a t i o n e f f e c t,t h e s t u d y i s b a s e d o n a n a n a l y s i s o f F i c k d i f f u s i o n
11、,K n u d s e n d i f f u s i o n,s u r f a c e d i f f u s i o n,a n d c o n f i g u r a t i o n d i f f u s i o n.E s t a b l i s h i n g a n a c c u r a t e m a t h e m a t i c a l m o d e l i s b e l i e v e d c r u c i a l i n c o m p r e h e n s i v e l y u n d e r s t a n d i n g t h e m e c h
12、 a n i s m o f d i f f u s i o n b e h a v i o r.【C o n c l u s i o n s】T h e c u r r e n t m o d e l s f o r c o u p l i n g c a n a n a l y z e n o t o n l y t h e b e-h a v i o r o f n a t u r a l g a s d i f f u s i o n i n d e e p n a n o m e t e r p o r e s,b u t a l s o h o w i t a f f e c t
13、s t h e o v e r a l l i n t e n s i-t y o f d i f f u s i o n a n d t h e d e g r e e o f c a r b o n i s o t o p e f r a c t i o n a t i o n i n l o w-p e r m e a b i l i t y c o n d i t i o n s.F u r-t h e r m o r e,t h e s e m a t h e m a t i c a l m o d e l s a l l o w f o r t h e c a l c u l a
14、t i o n o f g a s l o s s i n t e n s i t y w h e n c o m-b i n e d w i t h t h e h i s t o r y o f s t r a t a e v o l u t i o n.T h e o b j e c t i v e o f t h i s r e s e a r c h i s t o p r o v i d e a m o r e p r e-c i s e a n d q u a n t i t a t i v e r e p r e s e n t a t i o n o f d e e p g
15、a s d i f f u s i o n b e h a v i o r.T h i s w i l l a i d i n t h e e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f d e e p o i l a n d g a s r e s e r v e s,a n d a l s o h a v e s i g n i f i c a n t i m p l i c a t i o n s f o r t h e e v a l u-a t i o n o f d e e p g a s r e s e r v o i
16、r s i n t e r m s o f p r e s e r v a t i o n a n d d e s t r u c t i o n.K e y w o r d s:D e e p n a t u r a l g a s;D i f f u s i o n b e h a v i o r;I s o t o p e f r a c t i o n a t i o n;M a t h e m a t i c a l m o d e l 目前,随着浅至中层地层中大型油气藏的勘探难度逐渐增大,我国的油气勘探领域已经逐步转向深层和超深层资源的探寻1-4。随着地质理论和开发技术的发展,在塔
17、里木盆地、四川盆地及周缘等地区深层-超深层油气勘探中取得的一系列重大突破5-8,近年来中国深层油气的新增储量呈现增长趋势9。对于深层地质背景中的天然气藏,由浓度驱使的甲烷扩散是重要的气体运移机制,其具有易发生性和和持续作用的特征,不仅影响着气藏的保存与散失评价1 0-1 2,还密切关系着深层油气勘探开发决策与部署1 3-1 5。深层油气藏通常表现为层系多、非均质性强、高温高压、以及微纳米孔隙发育的低孔低渗1,例如四川盆地及周缘奥陶系-志留系的深层页岩气藏,主要以埋深大于3 5 0 0 m,高温高压且变化范围广(6 0 1 2 0,3 51 0 0 MP a),以及基质渗透率低(0.1 11 0
18、-30.0 91 0-3 m2)为特征1 6。在这种超临界状态下,某一空间位置不存在释放压力的过程,天然气扩散引起的运移是一个自发的物理过程1 7,即从高浓度区运移到低浓度区,于是多尺度的微纳米孔隙依旧能够提供天然气储集和运移通道1 8-1 9。因此,微纳米孔隙甲烷气体扩散行为的数学模型(扩散行为模型)研究是对天然气藏准确模拟的基础,有助于了解深层的油气成藏动力学。在过往的相关研究和建模工作中,学者们采用了以下方法:一种是分别针对多种扩散行为(如表面扩散、F i c k扩散、K n u d s e n扩散等)进行逐一分解模拟与研究2 0;另一种则是构建了能够描述总体扩散行为的耦合数学模型1 2
19、-1 3,2 1。另外,甲烷碳同位素分馏特征也可以作为一种重要的地球化学示踪指标,不仅与气源成熟度、生烃史、生物化学作用等油气形成过程有关2 2,还与分子运移的物理过程密切相关2 3-2 4。尤其在近些年来,前人建立了并在持续完善的甲烷碳同位素分馏动力学模型,明确了天然气解析/生产过程中存在显著的碳同位素分馏2 5,并可用于有效区分不同赋存状态气体(吸附气、游离气)运移过程及阶段2 6-2 7。虽然该分馏模型尚未广泛用于描述深层天然气运移,其中分子扩散的同位素分馏研究也处于起步阶段2 8,但其同位素分馏模型可以潜在的与扩散行为模型 相 结 合,也 是 阐 明 耦 合 扩 散 过 程 的 关 键
20、 途径2 9。因此,本文以天然气分子为出发点,以深层环境为背景,结合多种影响因素,进行甲烷扩散行为模型及其碳同位素分馏模型的研究进展总结,旨在更精准、定量地刻画深层天然气扩散行为,服务于深层油气勘探与开发。1 深层天然气扩散机制与测定我国东部及西部地区分别以3 5 0 0 m和4 5 0 0 m埋深界定深层环境3 0-3 1,在深层环境中,孔隙直径一般处于纳米级别,而天然气的扩散行为与努森数K n密切相关3 2。K n定义为气体分子平均自由程(m)与孔隙直径d(m)之比,见公式(1):K n=d.(1)基于分子行为特征以及K n值对扩散行为进行详细划分1 2,2 0如图1所示。1)F i c
21、k扩散(K n值较小,分子平均自由程小于孔隙直径),或称为黏性流动,分子扩散主要表现为分子之间的碰撞,通常发生在大孔隙和高压条件下;2)K n u d s e n扩散(K n值较大,分子平均自由程大于孔隙直径),分子扩散主要表现为分子与孔隙壁面之间的碰撞;3)表面扩散,驱动力是化学势梯度,即吸附层的流体分子通过在吸附势场的作用下发生的跳跃和移动,对于强吸附剂或小孔,该扩散行为显著;4)构型扩散,吸附气体从有机质孔壁解吸后,有机质中溶解气体存在浓度梯度而发生的扩散。需要指出的是,根据K n值来区分F i c k和K n u d s e n扩散存在不同的界定标准,主要有两种划分方法:1)以K n1
22、为标准划分出F i c k和K n u d s e n扩散1 3;2)以K n1 0为标准划分出F i c k和K n u d s e n扩散,而0.1K n1 0为介于两种扩散行为中间的过渡扩散3 2。不仅如此,也有学者提出,将F i c k和K n u d-006太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 s e n扩散行为视为一种整体的浓度扩散(用于区别于表面扩散),称为体相扩散1 2,3 3。Fick 扩散(Kn或 0.1)Knudsen 扩散(Kn或 10)表面扩散构型扩散图1 深层天然气扩散行为特征F i g.1 C h a r a c t e r i s t i c s o f
23、d e e p g a s d i f f u s i o n b e h a v i o r扩散行为的作用强度通常使用扩散系数(m2/s)进行表征。在深层环境中,高温会略微增强所有扩散作用,但扩散系数不会产生数量级变化,而随着压力的增大,扩散系数趋于减小3 4-3 5,这可能是由于气体分子的热运动与温度有关3 6;然而随着压力的增大,即使是高温环境下,扩散系数依旧趋于减小1 1,1 3。不仅如此,低孔低渗条件在限制扩散作用的同时,还会显著限制总扩散量,与气藏保存与破坏密切相关,有待结合数学模型进行深入探讨。另外,在微纳米孔隙中普遍存在构型扩散与表面扩散,但是相比较扩散系数较高的体相扩散(通常
24、为1 0-1 41 0-5 m2/s),构型扩散系数非常低(甚至低至1 0-2 2 m2/s)2 0,因此数学模型研究中通常没有考虑构型扩散作用(见下文)。目前可用于原位模拟天然气扩散及测定扩散系数的实验方法主要有三种:解析法、等压扩散法和压力衰减法。解析法2 6基于均质和均匀孔隙结构的假设,用于模拟油气、煤层气开发阶段的天然气扩散行为。等压扩散法1 1,1 8通过在密闭容器中施加压力与温度,模拟甲烷在岩石中的扩散过程,是最接近实际深层地质环境的方法。压力衰减法2 0通过对岩心注入甲烷并追踪其扩散行为来测定扩散系数,并能区分不同的扩散行为。这三种方法各有优缺点,适用于不同的场景。具体方法及适用
25、范围如表1所示。表1 天然气扩散原位模拟实验方法与扩散系数测定T a b l e 1 E x p e r i m e n t a l m e t h o d s a n d d e t e r m i n a t i o n o f d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t s f o r i n s i t u s i m u l a t i o n o f n a t u r a l g a s d i f f u s i o n实验方法扩散系数测定公式适用范围解析法单向模型MtM=1-62n=11n2e x p-D n22tr2p .双向模型MtM=
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- 深层 天然气 扩散 行为 同位素 分馏 模型 研究进展
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