第3章-天然气的扩散运移

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1、第三章天然气的扩散运移天然气的运移机理有分子扩散、渗流和脉冲式混相涌流三种机理。这三种运移机理概括了天然气运移的机制和动力，它们有各自的特点及控制因素。分子扩散(或称分子传质)是物质传递的—种方法。天然气不同于石油，其重要的特点是天然气的扩散渗透能力很强，在天然气运移、聚集和散失过程中的扩散作用应充分重视。一、分子扩散在静止系统中，由于浓度梯度而产生的质量传递称为分子扩散，分子扩散是物质传递的一种方式。1．斐克第一定律在浓度扩散条件下，物质的扩散通量数学表达式是由斐克(Fick，1855)根据热流类比求得的。

2、斐克确定了稳态下双组分混合物中物质的分子扩散通量与扩散方向上的浓度梯度成正比，组分A沿X方向上的分子扩散可表示为(2—1)这就是斐克第一定律的数学表达式。式中JA——由分子扩散所引起的组分A在X方向上的摩尔通量，kmol／m2·s；CA——组分A的摩尔浓度，kmol／m3；X——扩散方向上的距离，m；DAB——组分A在组分B中的扩散系数，m2／s。式(2—1)表示在总浓度C不变的情况下，由于组分A的浓度梯度dCA／dx所引起的分子扩散通量，负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反，即分子扩散朝着浓度降低的方向进行。

3、2．分子扩散系数分子扩散系数表示物质的扩散能力。根据斐克定律，分子扩散系数可以理解为沿扩散方向，在单位时间内每单位浓度梯度下，通过单位面积所扩散的某物质质量，即(2—2)分子扩散系数取决于压力、温度和系统的组成。(1)气体通过液相的扩散液相扩散不仅与物系的种类、温度有关，且随溶质的浓度而变化，只有稀溶液的扩散系数才可视为常数。爱因斯坦假设扩散粒子是半径为rA的刚球质点，以恒定速度VA在—个粘度为µB的连续介质中移动。按照斯托克斯定律，层流中—个以稳态速度运动的球，其所受的力是(2—3)式中FA——溶质分子所受

4、到的阻力；µB—溶剂的粘度；VA——溶质分子的运动速度；rA——溶质分子的半径。在稀溶液中可导得9(2--4)式中——在单位力作用下，溶质A的分子运动速度；K——玻尔兹曼常数；DAB——溶质A在稀溶液B中的扩散系数；T——绝对温度。将式(2--3)代入式(2--4)便得（2-5）这就是斯托克斯一爱因斯坦方程式，它表示液体的粘度和扩散系数之间的关系。(2)多孔介质中的扩散气体或液体进入固态物质孔隙的扩散，取决于固态物质的物理结构或孔隙特性。气体通过多孔介质的扩散机制主要有两种，即通常的斐克扩散和努森(Knud

5、sen)扩散。1)斐克扩散—个扩散过程，究竟是以斐克扩散为主，还是以努森扩散为主，决定于介质孔隙的大小。如果孔隙直径相对说来大于气体平均自由行程，则属于斐克扩散，反之，则属于努森扩散。多孔介质的孔隙是不规则的，其截面积是多孔介质的自由截面积。在多孔介质内，组分A是在曲折的毛细孔中进行扩散，因此，组分A在多孔介质内的分子扩散系数应采用有效扩散系数（2-6）式中DA，eff——有效扩散系数；DAB——双组合混合物的分子扩散系数；Φ——多孔介质的空隙率，即孔隙度；τ——曲折因数，即曲折度。曲折因数用来校正扩散方向所

6、增加的距离，实际的扩散路程曲折多变，不仅与曲折路程长度有关，并且受固体中小孔复杂结构的影响，所以，此值必须由实验测定。对于松散颗粒τ=1.5~2.0，紧密聚集的颗粒τ=7～8。2)努森扩散努森根据实验指出，气体分子和孔壁碰撞后的运动方向是不规则的，且与碰撞的方向无关。根据气体分子运动学说，努森有效扩散系数为（2-7）式中Dk,eff——努森有效扩散系数；ŕ——平均孔隙半径；Ūa——组分A的分子均有方根速度。由于所以（2-8）9式中MA——组分A的分子量。(3)气体通过岩石的扩散气体分子通过地下岩石的扩散比较复

7、杂，一方面气体分子通过孔隙介质进行扩散，另——方面，气体分子又通过岩石固体骨架进行扩散。因此组分A在岩石中的分子扩散系数应采用有效扩散系数，它—般需实验来确定。二、传质微分方程分子扩散过程是与浓度分布和梯度密切相关的。按照不同的浓度分布和梯度，可以分为一维、二维和三维分子扩散；同时根据过程是否随时间而改变，又可分为稳态的分子扩散和不稳态的分子扩散。但许多情况下的扩散现象可以近似地简化为浓度反沿一个方向变化的——维稳态或一维不稳态分子扩散过程。3．一维不稳态扩散如果浓度场随时间变化的质量传递过程称为不稳态分子扩

8、散，且扩散又只沿着—个方向进行，则称为扩散是一维的。①如果在固体或静止液体中扩散，无扩散组分A的物质生成(RA=0)，扩散只沿X方向上进行，则斐克第二定律表示为②组分正在固体或静止液体中扩散，扩散组分A在单位体积内的摩尔生成率RA=B，则传质微分方程(2—15)可写成三、天然气扩散的数学模型在地质环境中，只要存在浓度梯度，分子扩散(包括石油和天然气)作用就无时无刻不在进行。由于液态烃(石油)分子量大