氣體擴散系數測定實驗裝置

1. 有效擴散系數測定及地質應用指什麼

擴散是指在濃度梯度作用下，氣體分子由高濃度區通過各種介質向低濃度區自由遷移達到濃度平衡的一種物理過程。擴散快慢以擴散系數來表述，岩石的有效擴散系數是指沿擴散方向，在單位時間通過單位面積岩石的擴散流的流量與濃度梯度的比率。油氣藏中，儲層與蓋層之間存在的濃度梯度會促使天然氣通過蓋層進行擴散運移，成為油氣散失的另一方式。
擴散系數的大小反映了擴散運移速率的快慢，如常規孔滲資料一樣，可用其評價蓋層的質量好壞。擴散系數越小，則通過蓋層的散失速度越慢，封蓋性能越好。同理還可用其它間接參數來進行蓋層評價，主要參數有擴散速率因子、擴散阻滯時間和擴散阻滯系數（楊家琦等，1995）等參數。當然，最有效、最直觀的蓋層評價指標是擴散散失量及濃度封閉因子。
1）擴散速率因子擴散運移不僅受岩石擴散系數影響，還受蓋層厚度和時間的影響。擴散速率因子定義為單位濃度差下的擴散通量密度，即擴散系數與蓋層厚度的比值：

2）擴散阻滯時間及阻滯系數擴散速率為VD，則氣體穿越厚度為L的蓋層所用的時間為tD，tD越小，表明氣體越不易穿越蓋層進行擴散運移，由此，定義時間tD為擴散阻滯時間：

如果tD大於氣藏形成時間，則說明氣藏形成後擴散前緣至今還未穿越蓋層，氣藏基本未遭受破壞，這反映了蓋層對擴散運移的抑制能力，反之則說明存在擴散散失，二者之比稱為擴散阻滯系數：

ED越大，蓋層對擴散的阻滯能力越強，油氣保存越好。

2. 擴散系數的擴散系數

物質的分子擴散系數表示它的擴散能力，是物質的物理性質之一。根據菲克定律，擴散系數是沿擴散方向，在單位時間每單位濃度梯度的條件下，垂直通過單位面積所擴散某物質的質量或摩爾數，即可以看出，質量擴散系數D和動量擴散系數ν及熱量擴散系數α具有相同的單位（m2/s）或（cm2/s），擴散系數的大小主要取決於擴散物質和擴散介質的種類及其溫度和壓力。質擴散系數一般要由實驗測定。某些氣體與氣體之間和氣體在液體中擴散系數的典型值如表2-1所示。
其中，液相質擴散，如氣體吸收，溶劑革取以及蒸餾操作等的D比氣相質擴散的D低一個數量級以上，這是由於液體中分子間的作用力強烈地束縛了分子活動的自由程，分子移動的自由度縮小的緣故。
二元混合氣體作為理想氣體用分子動力理論可以得出D～p-1T3/2的關系。不同物質之間的分子擴散系數是通過實驗來測定的。表2-2列舉了在壓強p0=1.013×105Pa、溫度T0=273K時各種氣體在空氣中的擴散系數D0,在其它p、T狀態下的擴散系數可用下式換算
兩種氣體A與B之間的分子擴散系數可用吉利蘭（Gilliland)提出的半經驗公式估算
(2-22)
式中,T:熱力學溫度,K;p:總壓強,Pa;μA、μB:氣體A、B的分子量;VA、VB:氣體A、B在正常沸點時液態克摩爾容積,cm3/gmol。幾種常見氣體的液態克摩爾容積可以查表2-3。
按式（2-22），擴散系數D與氣體的濃度無直接關系，它隨氣體溫度的升高及總壓強的下降而加大。這可以用氣體的分子運動論來解釋。隨著氣體溫度升高，氣體分子的平均運動動能增大，故擴散加快，而隨著氣體壓強的升高，分子間的平均自由行程減小，故擴散就減弱。當然，按狀態方程，濃度與壓力、溫度是相互關聯的，所以質擴散系數與濃度是有關的，就象導熱系數與溫度有關一樣。式（2-22)中D的單位是cm2/s，它和動量擴散系數ν=μ/ρ以及熱擴散系數α=λ/cpρ的單位相同，在計算質擴散通量或摩爾擴散通量時,D的單位要換算為m2/s。
分子擴散傳質不只是在氣相和液相內進行，同樣可在固相內存在，如滲碳煉鋼、材料的提純等等。在固相中的質擴散系數比在液相中還將低大約一個數量級，這可用分子力場對過程的影響更大，使分子移動的自由度更小作為合理的定性解釋。
二元混合液體的擴散系數以及氣-固、液-固之間的擴散系數，比氣之間的擴散系數要復雜得多，只有用實驗來確定。

3. 菲克定律中的擴散系數怎麼得到根據Arrehenius公式D=D0exp(-Q/RT),確定擴散系數需要D0和Q，

這個公式描述了the correlation BTW Diffusion coefficient and Temperature（D與溫度間的指數關系）。

R是氣體常數，理想氣體狀態方程（ideal gas equation）中的常數，通常取8.314J/(mol-K)或0.08206(atm-L)/(mol-K)。這里取8.314

公式的使用方法：當知道某2個溫度下的D，就可以求其它溫度下的D，方法是將兩個溫度下的方程相除：D1/D2 = exp(-Q/RT1) / exp(-Q/RT2) = exp(-QR(1/T1-1/T2))

先代入一組T1, T2對應的D1, D2 求出Q，然後就可以求任意溫度的，如果Q已知的話，已知一組T和D，直接用這個相除的公式，就可以求任意溫度下的D。

擴散系數表示氣體（或固體）擴散程度的物理量。擴散系數是指當濃度梯度為一個單位時，單位時間內通過單位面積的氣體量

擴散系數可分為自擴散系數、互擴散系數及內擴散系數。

擴散系數可分為液體擴散系數和氣體擴散系數。

目前能檢測氣體擴散系數的有CNAS蘭光包裝安全檢測實驗室。

(3)氣體擴散系數測定實驗裝置擴展閱讀：

擴散系數D與氣體的濃度無直接關系，它隨氣體溫度的升高及總壓強的下降而加大。這可以用氣體的分子運動論來解釋。隨著氣體溫度升高，氣體分子的平均運動動能增大，故擴散加快，而隨著氣體壓強的升高，分子間的平均自由行程減小，故擴散就減弱。

當然，按狀態方程，濃度與壓力、溫度是相互關聯的，所以質擴散系數與濃度是有關的，就象導熱系數與溫度有關一樣。式（2-22)中D的單位是cm2/s，它和動量擴散系數ν=μ/ρ以及熱擴散系數α=λ/cpρ的單位相同，在計算質擴散通量或摩爾擴散通量時,D的單位要換算為m2/s。

4. 氣體擴散系數公式是什麼

氣體擴散系數公式是：

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在氣體中，如果相距1厘米（或者每米）的兩部分，其密度相差為1克每立方厘米（或者每米），則在1秒內通過1平方厘米（或者平方米）面積上的氣體質量，規定為氣體的擴散系數。單位：cm²/S或者m²/s。

揮發性液體之氣體擴散系數可藉由Winklemann』s method來檢測，在有限內徑的垂直毛細管中保持固定的溫度和經過毛細管頂部的空氣流量，可確定液體表面的分子擴散到氣體中的蒸氣分壓)。

5. 求助氮氣，氧氣擴散系數

氦氣最低，氫氣其次，氮氣最高。分子晶體熔沸點看分子間作用力(范德華力)，主要看極性和相對分子質量，盡管氫相對分子質量很小，但氫氣是存在分子的，范德華力大於氦氣，氮氣相對分子質量就大的多了。體、蒸氣在空氣中的擴散系數 式中 D——在溫度T反壓力P下的氣體擴散系數，米2／小時； D0——在T0＝273K和P0＝1絕對大氣壓下擴散系數，米2／小時。 某些氣體及蒸氣在標准狀態下在空氣中的擴散系數列於表5—l中。

6. 水合物熱物理參數的實驗測定

自然界中水合物有99%是甲烷水合物，直接研究甲烷水合物的熱物理參數有重要的實際意義。然而，這一工作長期以來困難重重，一方面是由於實驗室合成甲烷水合物過程中存在「鎧甲」效應(即外部的水合物生成後會形成一層厚厚的「殼」，導致生成不夠徹底，生成的水合物中夾雜大量的氣體、水和冰粒，並且合成過程非常緩慢);另一方面是實驗技術和測試方法的局限性。青島海洋地質研究所水合物實驗室研製出一套沉積物中水合物分解過程中的熱物理特性模擬實驗裝置，包括一個可編程式控制制變溫實驗箱一台，高壓模擬實驗裝置一套，研製了高壓熱-TDR探針，購置了TDR儀和數據採集器，製作了高壓和溫度監測系統，並研製了計算機控制與數據採集系統一套。該實驗裝置的技術核心在於熱-TDR探針的設計製作。TDR技術和熱脈沖技術具有相對獨立的探頭，我們將二者有機結合，可以實現同時同地測量介質含水量、溫度、容積熱容量、熱導率、熱擴散系數等多項參數。不但避免了介質時空變異性的影響，還可以實現連續定位測定。

實驗裝置

如圖75.13所示，模擬實驗系統硬體部分包括可編程步入式變頻高低溫箱一台、高壓模擬實驗裝置一套(包括其核心技術———耐高壓熱-TDR探針)、數據採集系統，軟體部分我們自行設計編寫了計算機控制與數據採集系統。

圖75.13 實驗裝置簡圖

高壓模擬實驗設備主體部分是增壓系統、兩個高壓釜體及插入反應體系中的熱-TDR探針。氣高壓氣瓶頂端有兩個壓力控制閥門，用於控制氣瓶輸出壓力和釜體輸入壓力。閥門連接兩個壓力指示表，可以直接讀出兩處壓力值，便於控制加壓幅度。

高壓釜體包含一個反應釜體和一個為攪拌釜體。兩個高壓釜體容積均為200cm³，最大工作壓力30MPa。高壓反應釜外層用不銹鋼製作，採用自緊法螺紋密封，為保證螺紋密封效果，在連接部分採用兩個O型密封圈進行密封。整個反應釜也是專門設計定做，通過測試，其密封效果可以保證實驗順利完成。攪拌釜體內裝有聚四氟磁棒，下部是磁力攪拌器。反應釜體內部裝有內筒(內筒用聚碸材料切割製成，聚碸具有力學性能優異，剛性大、耐磨、耐高壓、熱穩定性好等特點，適合在低溫高壓條件下作為水合物的反應容器材料)。容積為70cm³。熱-TDR探針插入內筒所盛的反應物中發射熱脈沖和測定反應體系溫度、含水量等參數。壓力表直接連接在氣體管路上，便於採集數據和人工監控。

實驗技術與方法

將沉積物裝入模擬裝置，採用逐漸升壓的辦法，測量壓力對熱物理參數的影響。當模擬裝置內的壓力達到預定的壓力條件時，停止加壓。室溫下模擬裝置放置一定的時間後，若壓力沒有發生變化即可開展水合物生成模擬實驗(壓力恆定48h)。啟動監測裝置，監測模擬裝置內，溫度、壓力和TDR波形的變化。隨著水合物逐漸生成，TDR波形逐漸發生變化，反射系數逐漸增加，相對距離縮短。

打開攪拌釜、反應釜進氣閥門(閥門3、4、5)，打開抽真空口(閥門2)，其餘閥門關閉，將系統抽真空。待系統負壓穩定後，關閉抽真空口和抽真空機。打開除高壓閥以外的所有閥門，通入實驗所用的甲烷氣清洗氣路，重復3～4次。然後打開進氣閥門(閥門1、3、4)，其餘閥門關閉，開始向兩個高壓釜內加壓。加至實驗所需壓力(4.0～7.0MPa)後關閉加壓閥門穩定一段時間。打開磁力攪拌器直至攪拌釜內的甲烷氣溶解在SDS溶液中達到飽和。打開攪拌釜和反應釜之間的閥門(閥門5)，使溶解了飽和甲烷氣的SDS溶液流向反應釜，直至反應釜中的鬆散沉積物達到含水量飽和狀態後關閉閥門5。開啟控溫箱開關，將溫度設置為0.5℃。實驗進入水合物合成階段。水合物合成所需時間受多個條件影響，如水合物的「記憶效應」、溫度「過冷度」、表面活性劑的添加等。水合物合成一般需要1、2d時間。水合物生成進度可以通過TDR波形圖明顯看出。

實驗選擇的熱脈沖電源為12V直流電源。通過計算機直接控制熱脈沖發射的時間和時長。由於實驗採用的加熱絲直徑很小，加熱時間過長容易導致加熱絲絕緣層燒化;另外，水合物本身遇熱容易分解。綜合考慮上述各因素影響，加熱時長一般掌握在4～8s內。另外，一個熱脈沖發射過後需要一定的散熱時間，待反應體系溫度完全恢復到脈沖發射前的狀態時再發射下一個脈沖。兩個相鄰的熱脈沖之間發射間隔過短，反應體系內的余溫會干擾實驗結果;間隔過長則費時費電(刁少波等，2008)。

計算

採用了平行熱線法和交叉熱線法測定熱物理特性。

1)交叉熱線法。熱導率計算公式為:

岩石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

式中:λ為熱導率;"₂、"₁為兩次熱脈沖的加熱時間;T₂-T₁為溫度的變化;Q為熱源強度。

2)平行熱線法。熱擴散系數α計算公式為:

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式中:t_m為達最高溫度時的時間;t₀為熱脈沖的加熱時間;r為熱電偶距線性熱源的垂直距離。

容積熱容量計算公式為:

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式中:q為單位長度加熱絲在單位時間內釋放的熱量;E_i(-x)為指數積分。

由λ=α·ρ_c計算出熱導率。

7. 怎樣測試潤滑油脂的擴散系數

動力粘度單位換算1厘泊(1cP)=1毫帕斯卡·秒 (1mPa·s)100厘泊(100cP)=1泊 (1P)1000毫帕斯卡·秒 (1000mPa·s)=1帕斯卡·秒 (1Pa·s)1000微 帕斯卡·秒（1000μ Pa.s）=1毫帕斯卡·秒 (1mPa·s)動力粘度與運動粘度的換算η=ν·ρ式中η－－- 試樣動力粘度(mPa·s)ν－－- 試樣運動粘度(mm²/s)ρ－－- 與測量運動粘度相同溫度下試樣的密度(g/cm³)測定編輯動力ηt是二液體層相距1cm，其面積各為1(cm²)相對移動速度為1cm/s時所產生的阻力，單位為g/cm·s。1g/cm·s=1pa·s。一般工業上動力粘度單位用pa來表示。運動在溫度t (℃)時，運動粘度用符號γ表示，在國際單位制中，運動粘度單位為斯，即每秒平方米(m²/s)，實際測定中常用厘斯，(cst)表示厘斯的單位為每秒平方毫米(即 1cst=1mm²/s)。運動粘度廣泛用於測定噴氣燃料油、柴油、潤滑油等液體石油產品深色石油產品、使用後的潤滑油、原油等的粘度，運動粘度的測定採用逆流法。條件指採用不同的特定粘度計所測得的以條件單位表示的粘度，各國通常用的條件粘度有以下三種：①恩氏粘度又叫恩格勒(Engler)粘度。是一定量的試樣，在規定溫度(如：50℃、 80℃、100℃)下，從恩氏粘度計流出200毫升試樣所需的時間與蒸餾水在20℃流出相同體積所需要的時間(秒)之比。溫度tº時，恩氏粘度用符號Et表示，恩氏粘度的單位為條件度。②賽氏粘度，即賽波特(sagbolt)粘度。是一定量的試樣，在規定溫度(如 100ºF、F210ºF或122ºF等)下從賽氏粘度計流出200毫升所需的秒數，以「秒」單位。賽氏粘度又分為賽氏通用粘度和賽氏重油粘度(或賽氏弗羅(Furol)粘度)兩種。③雷氏粘度即雷德烏德(Redwood)粘度。是一定量的試樣，在規定溫度下，從雷氏度計流出50毫升所需的秒數，以「秒」為單位。雷氏粘度又分為雷氏1號(Rt表示)和雷氏2號(用RAt表示)兩種。上述三種條件粘度測定法，在歐美各國常用，我國除採用恩氏粘度計測定深色潤滑油及殘渣油外，其餘兩種粘度計很少使用。三種條件粘度表示方法和單位各不相同，但它們之間的關系可通過圖表進行換算。同時恩氏粘度與運動粘度也可換算，這樣就方便靈活得多了。粘度的測定有許多方法，如轉桶法、落球法、阻尼振動法、杯式粘度計法、毛細管法等等。對於粘度較小的流體，如水、乙醇、四氯化碳等，常用毛細管粘度計測量；而對粘度較大流體，如蓖麻油、變壓器油、機油、甘油等透明（或半透明）液體，常用落球法測定；對於粘度為0.1～100Pa?s范圍的液體，也可用轉筒法進行測定。

8. 蓋層全孔隙結構測定方法

方法提要

本方法規定了雙氣路色譜法和壓汞法聯合測定岩石全孔隙結構的方法。雙氣路色譜法測定孔隙半徑范圍0.75～6.3nm，壓汞法測定孔隙半徑范圍6.3～75000nm。本方法適用於各種塊狀岩樣孔隙結構的測定。

雙氣路色譜法。根據多孔物質孔壁對氣體的多層吸附和毛細管凝聚原理，岩樣在液氮溫度下的氮氦混合氣環境中吸附氮氣，半徑越小的孔越先被氮氣凝聚液充滿，當吸附平衡撤掉液氮後，試樣管由低溫升至室溫，岩樣中吸附凝聚的氮氣受熱解吸，半徑越大的孔越先被解吸。隨著載氣通過試樣管經熱導檢測器的測量室，根據電橋產生的不平衡信號，可算出岩樣的孔徑分布、毛細管壓力曲線和比表面積。

壓汞法。根據毛細管作用原理，利用汞對岩石的非潤濕性，在不同的外力作用下，克服岩石孔隙的毛細管壓力，把汞壓入岩石內各對應的孔隙中，並測得與其對應的壓入汞量，通過計算繪出岩石孔隙半徑分布圖和岩石毛細管壓力曲線。

儀器和設備

比表面積與孔徑測定儀測定孔隙半徑范圍0.75～15nm，裝置見圖72.22。

孔隙結構儀最高工作壓力120MPa，裝置見圖72.23。

烘箱室溫～200℃。

分析天平感量1mg。

岩樣鑽切機。

液氮罐容量10kg。

碎樣缽。

標准篩2～3mm。

試劑和材料

氦氣鋼瓶裝，純度不低於99.99%。

氮氣鋼瓶裝，純度不低於99.99%。

液氮純度99.9%。

汞。

358號輕質油。

無水乙醇。

試樣准備

1)雙氣路色譜法。含油岩樣應先抽提洗油。將試樣粉碎過篩，取粒徑2～3mm間的顆粒樣，置恆溫箱內，在105℃條件下至少烘8h後，取出置存於乾燥器內待測。

2)壓汞法。含油岩樣應先抽提除油。一般岩樣可用$25mm取樣鑽鑽取，疏鬆泥質岩樣則用手工制備，但不得用錘子敲擊取樣，以免產生人為微裂縫。試樣尺寸為$25mm，長15～30mm的圓柱體或相當於該尺寸的塊狀樣，表面應盡量平整，以減小表面效應，提高測量精度。

將制備的岩樣置恆溫箱內，在105℃條件下至少烘8h，取出後應置存於乾燥器內，待岩樣冷卻後稱量，並作記錄。稱量後的試樣置乾燥器中待分析。

送余樣測孔隙度和視比重。

汞使用前應先清除雜質，然後將汞倒入儲汞瓶。

測定步驟

1)雙氣路色譜法(孔隙半徑r≤6.3nm的測定)，吸附等溫線脫附分支的測定程序。

見圖72.22，先打開氣路，後開儀器電源，讓儀器穩定1h。在計算機上設置有關參數，把載氣流速調至50mL/min，測量電流為75mA。把干凈的試樣空管裝接在六通閥氣路位置，先測試樣管空白值。卸下試樣空管，把干樣裝入試樣管，以裝滿試樣管「肚子」為宜，稱量。裝樣後的樣管二端各插入細玻璃棒後，裝接在六通閥氣路位置，把六通閥切換在吸附位置，套上加熱杯，在100℃條件下通氣加熱30min後取下加熱杯。待試樣管冷卻後，二個六通閥均切換至吸附位置，試樣管套上液氮杯，N₂吸附5～6min後，推進He閥，讓混合氣先脫附6min，並記下R_N2和R_He流速。待混合氣脫附平衡後，點擊程序中的脫附按鈕，把標定管六通閥切換至脫附位置，待標定管出峰完成，再點擊程序中的脫附按鈕，把試樣管六通閥切換至脫附位置，然後取下液氮杯，套上冷卻水杯，待試樣管出峰完成後點擊完成按鈕，存儲測量數據。重復上述步驟，共測五個點，其相對壓力分別為0.828、0.722、0.538、0.340、0.111(具體由 計算可得，即調節R_N2和R_t的相對流量)。測定結束，先斷電，後關閉氣路。

圖72.22 比表面與孔徑測定儀裝置圖

2)壓汞法(孔隙半徑r≥6.3nm的測定)見圖72.23。

圖72.23 孔隙結構儀流程圖

儀器的空白值測定。開儀器電路，穩定1h後，調節壓力變送器和電容放大器;將不銹鋼製成的實心樣放進岩心室;啟動真空泵，開岩心室真空閥，對岩心室抽真空;當岩心室真空度達到6.67×10^-6MPa後，開汞瓶真空閥;3min後先開灌汞閥，再開截止閥5和4;當岩心室上端探針指示燈亮，灌汞閥自動關閉;按程序先後關閉截止閥5、6和1，再停止真空泵和關閉真空系統電磁閥;調節好電容測量起始值，然後由計算機控制加壓泵;從0MPa逐漸加壓到119MPa，記錄加壓點和各壓力點對應的電容變化值，共測21個點;加壓結束，加壓泵自動退壓至0MPa，打開截止閥1;首先關閉截止閥4，然後開截止閥6和5，開進氣閥和卸汞閥，把岩心室中的汞放完後，關閉卸汞閥和進氣閥，並清理擦凈岩心室;重復上述步驟，儀器空白值至少測二次，二次測量的重復性相對誤差要小於5%。

然後進行試樣的測定。把已稱量並經預熱(100℃)的岩樣裝入岩心室。測定步驟與測定空白值的操作程序相同;測定結束，打開吸汞閥、截止閥5、卸汞閥，把管路中的汞放入儲汞瓶中，然後關閉卸汞閥，裝好岩心室，對其抽真空片刻，最後關閉電源。

3)試樣比表面積測定(見圖72.22)。先通氣路，後開電源，讓儀器穩定1h;用一支冷阱管把圖中的2—3連接，1—4間裝接已裝入標准樣的試樣管;把已烘乾的試樣裝進試樣管，試樣量按比表面積的大小估算，且以不超過試樣管「肚子」的1/3為宜，稱量，然後在試樣管二端塞上少許玻璃棉;把試樣管裝接在六通閥的氣路位置，套上加熱杯，在100～120℃的條件下加熱30min，此時六通閥應處於吸附位置;在計算機上設置有關參數，並把標准試樣的質量和比表面積值輸入計算機內，同時調節氮氣流速為20mL/min，氦氣流速為80mL/min，測量電流為100mA。加熱完畢後取下加熱杯，待試樣管冷卻後，把兩六通閥均切換至脫附位置;在標准試樣管和被測試樣管外部，分別套上盛滿液氮的杜瓦杯，其浸入高度應相等，在液氮溫度下吸附12～15min(具體視被測試樣的比表面積大小，比表面積大吸附時間長，反之則相對短一些)。待吸附平衡後，先點擊計算機脫附按鈕。按照先脫附標准試樣後脫附被測試樣的順序分別進行脫附(切記取下液氮杯必須立即套上冷水杯)，試樣的吸附與脫附全靠液氮杯的上下。全部脫附結束，計算機自動計算出被測試樣的比表面積值，直接列印出相應的數據和圖譜;測定結束，先關電源後關氣源。

計算

1)雙氣路色譜法。吸附量的計算:

岩石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

式中:V_d為吸附量，mL;A_s為定量管中N₂的峰面積，μV·s;V_s為定量管中N₂的已知量，mL;A_d為試樣的脫附峰面積，μV·s。

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式中:A'_d為儀器測量峰面積，μV·s;A_e為氣路等效死空間(即空白值)，μV·s;

孔隙半徑的計算:

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式中:r_K為凱爾文半徑，等於-0.414/lgX;t為吸附厚度，等於 ，X為相對壓力;R_N2為混合氣中氮氣流速，mL/min;p_a為大氣壓，MPa;p_s為液氮飽和蒸汽壓，MPa;R_t為混合氣流速，mL/min。

2)壓汞法有關計算。毛細管壓力和孔隙半徑的計算:

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式中:p_Hg為汞條件下的毛細管壓力，MPa;r為p_Hg對應的孔隙半徑，nm。

汞飽和度的計算:

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式中:S_Hg為某壓力點壓入岩樣的累計汞飽和度，%;A為某壓力點壓入岩樣的累計汞體積，mL;K為某壓力點儀器累計空白值，mL;V為岩樣的孔隙總體積，mL。

3)在氣水條件下，岩石毛細管壓力曲線的繪制。孔隙半徑r≥6.3nm，根據壓汞法測定結果繪制;孔隙半徑r<6.3nm，根據雙氣路色譜法測定結果繪制。

由下式計算r<6.3nm的孔隙體積:

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式中:V_樣為岩樣的孔隙總體積，mL;V_汞為壓入岩樣孔隙中的汞體積，mL;V_雙為雙氣路色譜法測定所佔的岩樣孔隙體積，mL。

根據下式把汞毛細管壓力p_Hg換算成氣水條件下的毛細管壓力p_gw:

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根據下式計算孔隙半徑r<6.3nm的各對應點的孔隙含量，即飽和度S(%)。

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式中:V_雙為由雙氣路色譜法測定所佔的孔隙體積，mL;V_d為總吸附量，mL;ΔV_di為對應點的吸附量，mL;V_樣為岩樣的孔隙總體積，mL。

根據下式計算孔隙半徑r<6.3nm的各對應點的毛管壓力:

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式中:r=r_K+t，nm;p_gw為氣水條件下毛管壓力，MPa。

曲線繪制時，以p_gw的自然對數等間距壓力點為縱坐標，以S(%)為橫坐標。

4)岩石比表面積B的計算:

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式中:B為待測試樣的比表面積，m²/g;V_d為待測試樣的吸附量，mL/g;B_標為標准試樣的比表面積，m²/g;V_d標為標准試樣的吸附量，mL/g。

參考文獻和參考資料

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本章編寫人: 曹寅 (中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所) 。

9. 岩石中烴類氣體擴散系數測定

方法提要

根據氣體在濃度梯度下通過岩樣自由擴散的原理，在岩樣兩端的擴散室中，一端充入烴類氣體，另一端充入氮氣，在恆溫、恆壓條件下，各組分氣體的濃度隨時間而變化;通過測試在不同時間兩擴散室中各組分氣體的濃度，可求得烴類氣體在岩樣中的擴散系數。

儀器和設備

岩石基質孔隙度中烴類氣體擴散系數測定裝置見裝置示意圖72.21，包括:

岩心夾持器兩個堵頭上分別有一容器為20～40cm³的空腔，直接開口於岩樣，稱為擴散室。

恆溫箱(150±0.5)℃。

壓力表1.0MPa，精度為0.4級。

差壓感測器20kPa，精度為0.01kPa。

圖72.21 岩石中烴類氣體擴散系數測定裝置示意圖

氣相色譜儀。

高壓計量泵公稱壓力大於10MPa。

真空泵真空度小於6×10^-2Pa。

試劑和材料

甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷純度大於99.9%。

天然氣。

氮氣純度大於98.0%。

環氧樹脂耐高溫150～200℃。

氯化鈉。

無水氯化鈣。

六水氯化鎂。

岩樣准備

1)干樣的准備。岩樣制備、洗油、烘乾(參見SY/T5336—88中4.3.2、4.5、4.6)。岩樣按垂直滲透率分析要求鑽取，長度為0.5～2.5cm。遇水易分散、難於鑽取的泥質岩樣等，可手工製成小直徑的柱狀或方形岩樣，然後用環氧樹脂膠結在金屬套筒內，在室內溫條件下老化12h以上。

2)飽和水岩樣的制備。按SY/T5336—88中6.1.2要求將制備好的干樣飽和以模擬地層水，模擬地層水應根據地層水資料配製，沒有地層水資料時可用標准鹽水(每升水中含70g氯化鈉、6g無水氯化鈣和4g六水氯化鎂)代替。

分析步驟

將岩樣裝入岩心夾持器，加圍壓至3MPa以上。根據地層溫度高設定恆溫箱試驗溫度，恆溫2～2.5h;測定干樣中烴類氣體的擴散系數時，接通真空泵抽空岩心夾持器及相應管線1～1.5h;測定飽和水岩樣時不抽空。向兩擴散室內分別通入氮氣和烴類氣體，並使兩擴散壓力同步上升至0.1MPa;當壓力差小於0.1kPa時，斷開氣源。測定干樣中烴類氣體的擴散系數時，間隔0.5～6h取樣一次;測定飽和水岩樣時，間隔2～12h取氣一次，取樣分析按GB10410.2進行。每個岩樣試驗至少12h，且每端至少取5個氣樣。將恆溫箱的溫度降至室溫，放掉兩擴散室內的氣體，結束試驗。

數據整理

按GB10410.2計算兩擴散室內中各組分氣體的濃度。

根據費克第二定律計算岩樣中烴類氣體的擴散系數:

岩石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

其中:

岩石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

由式(72.119)得:

岩石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

ln(ΔФ₀/ΔФ_i)與t_i呈線性關系，應用最小二乘法擬合，得斜率S。根據S可求得岩樣中烴類氣體的擴散系數:

岩石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

式中:D為烴類氣體在岩樣中的擴散系數，cm²·s^-1;ΔФ₀為初始時間烴類氣體在兩擴散室中的濃度差，%;ΔФ_i為i時間烴類氣體在兩擴散室中的濃度差，%;t_i為i時間，s;t₀為初始時間，s;Ф_i1為i時間烴類氣體在烴擴散室中的濃度，%;Ф_i2為i時間烴類氣體在氮擴散室中的濃度，%;A為岩樣的截面積，cm²;L為岩樣的長度，cm;V₁，V₂為分別為烴擴散室和氮擴散室內的容積，cm³;E為中間變數，cm^-2;S為斜率，s^-1。

10. 擴散系數的氣體擴散系數

揮發性液體之氣體擴散系數可藉由Winklemann』s method來檢測，在有限內徑的垂直毛細管中保持固定的溫度和經過毛細管頂部的空氣流量，可確定液體表面的分子擴散到氣體中的蒸氣分壓) 。
已知質傳速率：
D = 擴散速率 (m2/s)； CA= A物質於界面間的飽和濃度 (kmol/m3)；L =質傳有效距離(mm)；CBm=蒸氣的對數平均莫耳濃度 (kmol/m3)；CT = 總莫耳濃度=CA+CBm (kmol/m3)