[技术讨论]亲，这种运移真的是扩散吗？ [复制链接]

    煤层气和页岩储层的开发，大家惊呼，原来还有纳米级孔隙。其运移规律则采用解吸—扩散来描述。Fick扩散，Knudsen扩散也被纳入进来使用了。
    但是，这里的扩散，和我们通常意义上的扩散一样吗？
    扩散(diffusion)指的是物质分子或热量从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分布的现象。扩散的速率与物质的浓度梯度成正比。大名鼎鼎的Fick扩散定律如下所示
        

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    方程1是稳定扩散，方程2是一维不稳定扩散
    方程中的C是浓度，单位为小数，可以是摩尔百分数，也可以是质量百分数。
    由此也可看出，扩散是不需要压力梯度的，例如下图的两个容器
    

图片:图片2.jpg

    左边是 80%的氮气，20%氧气；右边是80%的氧气，20%的氮气，左右两边压力相等。如果抽开中间的隔板，一段时间后，不同组分的气体均匀混合。这才是扩散。
       然而，回头看看我们在应用于页岩气和煤层气中的扩散，怎么C的单位，统一用成了mol/L呢？不是说好的质量分数或摩尔分数吗？
    大家会说，mol/L不是一个浓度的单位嘛，怎么不可以。
    不过仔细看来，mol/L是单位体积内的mol 数，这是一个密度单位。而且这个密度单位和气体的压力还是一次函数关系，状态方程就得到了。
  

图片:图片3.jpg

    那么，5mol/L的气体向1mol/L的气体流动，这是扩散吗？
    我们看，左右两室体积温度相同，左边是5mol/L的甲烷，右边是1mol/L的甲烷。抽开隔板。明显左边的压力是右边的5倍，这明显就是压力驱动的嘛。其次，都是甲烷，根本没有浓度的差距，两边甲烷浓度都是100%，和扩散没有半点关系！

    煤层气和页岩气的甲烷浓度，那可是相当的高。换句话，基本没有浓度差，扩散本来就慢，这下子更慢了。
    天哪，难道那么多研究人员都弄错了吗，难道我亲爱的eclipse在CBM模块也不对？
    哈哈，其实是这样的。
    由于扩散方程和压力驱动的渗流方程在本质上都属于三大数学物理方程的热传导方程，方程形式一致。所以，只要在扩散方程的扩散系数上改改，两者算出来的结果就是一致的。
    也许你会问，那为什么不用压力形式呢？
    你想啊，在煤层气和页岩气的纳米级孔隙流动中，在这个尺度下，气体还有压力的概念吗？
    压力是气体分子持续对固体表面碰撞的一个宏观表现。
    

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    在微尺度下，这个碰撞就不持续了，压力也就表现不出来了。没有压力，那怎么表示运移规律呀。正好压力和单位体积内分子多少（mol/L）成正比，那么就用这个mol/L来代替吧。于是就有“扩散”的说法了。
    于是，此扩散彼扩散，其实就是压力驱动,并没有什么高深的东东。亲们不要被迷惑呀！

     亲，你们怎么看呀？^_^

支持！
在有水存在的情况下，甲烷分子属于“溶解态扩散”，然而甲烷在水中的溶解度很小（世界上仅存在唯一一个商业开发的水溶气藏），因此浓度差很小，扩散动力不足
在水很少的情况下，甲烷分子属于“自由态扩散”，然而在纯甲烷气体的状态下，甲烷的浓度为100%不会形成浓度差扩散，而由于压力差形成的密度（浓度）梯度引起气体的流动，属于渗流范畴
所以，甲烷在煤基质中的运移，其实是由于压力差导致的渗流过程。
Eclipse中用扩散系数代替双重介质模型中的窜流系数，理论不对，结果一样。因此用常规双重介质模型也完全能模拟煤层气开采过程。由于吸附量较大，需要大幅度提高基质孔隙度，并且修改裂缝系统为饱和水状态就完全可行。

根据扩散的定义，此扩散的确不是彼扩散

见识了啊

我也认为是压力驱动，但是纳米孔隙内的压力不好表示

压力高的向压力低移动，也应该是扩散吧

很有道理，看了你的分析更加清楚了，纳米级孔隙中的气体分子原来就是这样在浓度差的作用下出来的。许多文献考虑了Fick扩散，还有Knudsen扩散，用摩尔浓度原来就是压力扩散。谢谢分享。

zjqzqr:压力高的向压力低移动，也应该是扩散吧 (2013-11-10 20:08) 

不是呀不是呀，扩散的基本条件就是浓度差或者是温度差。
上面有一个例子的，就是扩散是不需要压力差的。
当然有压力差又有浓度差，那个叫对流扩散。但是扩散太慢了，压力流动太快了，这个忽略了没什么问题。
同时，煤层气和页岩气中的浓度差太小了，这个扩散的动力不足。所以，当然会发生，但是不用考虑计算的。

study03:我也认为是压力驱动，但是纳米孔隙内的压力不好表示 (2013-11-10 18:59) 

不仅是不好表示，貌似那个微观的尺度气体就没有压力这样一个宏观的概念了。
比如说，一个杯子，里面只有1000个氮气分子，根本测不到压力的表现的，因为碰撞不能认为是连续的。如果用高精度的压力计（yy一下高科技），那么测出的压力一定是一个抖动的数值曲线，而不会是一个定值。

zjqzqr:压力高的向压力低移动，也应该是扩散吧 (2013-11-10 20:08) 

非也，非也。mol/L是密度的概念，单位体积内的mol密度。
浓度是什么，是质量分数或是摩尔分数。
扩散并不需要压力差。
同一种气体是一般不说浓度的。都是100%的浓度，何来浓度差呢？
所以，“气体流动的基本条件是密度差（压力差）或是温度差”就对了。