模拟、预测页岩吸附天然气兰氏体积和兰氏压力的方法技术

本发明专利技术涉及模拟、预测页岩吸附天然气兰氏体积和兰氏压力的方法，属于通过测量气体压力或体积分析材料技术领域。其解决了现有技术存在的影响因素较少、不够全面，可能会影响模型的合理性和拟合精度的缺陷。本发明专利技术包括如下步骤：采用兰格缪尔模型对等温吸附实验进行拟合；在进行兰氏体积和兰氏压力建模前，通过统计分析确定兰氏体积和兰氏压力的影响因素；确定兰氏体积和兰氏压力的各影响因素后，通过各因素加权的方式进行建模，建立它们的综合预测模型，包括两小步：构建目标函数、构建惩罚函数；模型模拟及预测结果分析。本发明专利技术的综合预测模型能有效地模拟、预测兰氏体积和兰氏压力，减少实验工作量，对页岩气资源量和可采性评价具有积极意义。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术涉及模拟、预测页岩吸附天然气兰氏体积和兰氏压力的方法，属于通过测量气体压力或体积分析材料


技术介绍

吸附相是页岩气的主要赋存相态之一，兰格缪尔模型是描述页岩气吸附特征的经典模型。兰格缪尔等温吸附模型是平衡态单层吸附模型，其中，兰氏体积代表样品的最大吸附量；兰氏压力即为吸附量等于兰氏体积一半时所对应的压力。兰氏体积和兰氏压力在很大程度上决定了页岩气的产能曲线和采收率，因为兰氏体积大代表页岩具有强的吸附能力，而兰氏压力高则说明页岩气易于解吸、开采。目前兰氏体积和兰氏压力主要通过等温吸附实验数据的标定获取，由于兰氏体积和兰氏压力受较多因素影响，如果进行大区域页岩气的资源和可采性评价，需要开展大量的等温吸附实验，系统揭示不同地区页岩的吸附特征。如果能建立兰氏体积、兰氏压力与各影响因素的定量化关系就可以对兰氏体积、兰氏压力进行预测，从而对页岩气资源量和可采性等做出评价，对此前人做了有益的探索。不过前人考虑的影响因素较少、不够全面，可能会影响模型的合理性和拟合精度。因此，有必要建立拟合和预测精度更高、适用性更强的多因素预测模型。

技术实现思路

本专利技术的目的在于克服现有吸附模型存在的上述缺陷，提出了一种模拟、预测页岩吸附天然气兰氏体积和兰氏压力的方法，通过利用多因素加权求和的方法建立基于泥页岩性质(总有机碳TOC、残留烃S1、岩石矿物组成)和吸附条件(温度)的兰氏体积和兰氏压力的综合模拟及预测模型，定量表征各因素的影响力，进而进行预测精度验证。
本专利技术是采用以下的技术方案实现的：
>一种模拟、预测页岩吸附天然气兰氏体积和兰氏压力的方法，包括如下步骤：
步骤一：采用兰格缪尔模型对等温吸附实验进行拟合，若兰格缪尔模型对页岩气的等温吸附普遍具有良好的拟合效果，则说明吸附甲烷的兰氏体积和兰氏压力具有重要意义。
步骤二：在进行兰氏体积和兰氏压力建模前，通过统计分析确定兰氏体积和兰氏压力的影响因素。为了最大限度地体现各因素的影响，在数据统计时要进行筛选。例如，在进行温度的影响研究时，要求每个样品都开展了不同温度的吸附实验，以尽量消除样品性质的影响。在进行样品性质的影响研究时，要求每个温度下都开展不同性质泥页岩的吸附实验，以尽量消除温度的影响。将不参与统计与建模样品的实验数据用于模型的预测精度验证。
步骤三：确定了兰氏体积和兰氏压力的各影响因素后，通过各因素加权的方式进行建模，建立它们的综合预测模型，包括两小步：
(1)构建目标函数；
(2)构建惩罚函数；
步骤四：模型模拟及预测结果分析。
进一步地，步骤二中，兰氏体积的影响因素包括温度和页岩的总有机碳(TOC)、残留烃(S1)以及粘土矿物含量；兰氏压力的影响因素包括温度和页岩的残留烃(S1)、碳酸盐、伊利石以及长石含量。
进一步地，步骤三中的综合预测模型，如式(1)和式(2)所示:
VLi-cal＝a(a1Temi3+a2Temi2+a3Temi+a4)
+b(b1TOCi3+b2TOCi2+b3TOCi+b4)
+c(c1S1i3+c2S1i2+c3S1i+c4)
+d(d1Clayi3+d2Clayi2+d3Clayi+d4)(1)
PLi-cal＝e(e1Clayi3+e2Clayi2+e3Clayi+e4)
+f(f1Illi3+f2Illi2+f3Illi+f4)
+g(g1Fspi3+g2Fspi2+g3Fspi+g4)
+h(h1Cbi3+h2Cbi2+h3Cbi+h4)(2)
其中，
a，b，c……h分别为各影响因素的权重；
an，bn，cn……hn(n＝1to4)分别为各影响因素拟合的多项式系数和常数；
Temi，TOCi，S1i，Clayi，Illi，Fspi，Cbi为第i个等温吸附实验的温度及样品的总有机碳(TOC)、残留烃(S1)、粘土矿物、伊利石、长石和碳酸盐矿物的含量；
VLi-cal，PLi-cal为所计算第i个等温吸附实验的兰氏体积和兰氏压力；
模型的标定过程是不断调整a，b，c……h及an，bn，cn……hn(n＝1to4)，使计算的VLi-cal，PLi-cal与实验值最为接近。
进一步地，步骤三的第(1)步中，构造目标函数，如式(3)、式(4)所示：
Q V L ( a , b , c , d , a n , b n , c n , d n , n = 1 t o 4 ) = Σ i = 1 m ( V L i - c a l - V L i - exp ) 2 - - - ( 3 ) ]]> Q P L ( e , f , g , h , e n , f n , g n , h n , n = 1 t o 4 ) = Σ i = 1 m ( P L i - 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟、预测页岩吸附天然气兰氏体积和兰氏压力的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：采用兰格缪尔模型对等温吸附实验进行拟合；步骤二：在进行兰氏体积和兰氏压力建模前，通过统计分析确定兰氏体积和兰氏压力的影响因素；步骤三：确定了兰氏体积和兰氏压力的各影响因素后，通过各因素加权的方式进行建模，建立它们的综合预测模型，包括两小步：(1)构建目标函数；(2)构建惩罚函数；步骤四：模型模拟及预测结果分析。

【技术特征摘要】
1.一种模拟、预测页岩吸附天然气兰氏体积和兰氏压力的方法，其特征在于：包括如下
步骤：
步骤一：采用兰格缪尔模型对等温吸附实验进行拟合；
步骤二：在进行兰氏体积和兰氏压力建模前，通过统计分析确定兰氏体积和兰氏压力的
影响因素；
步骤三：确定了兰氏体积和兰氏压力的各影响因素后，通过各因素加权的方式进行建模，
建立它们的综合预测模型，包括两小步：
(1)构建目标函数；
(2)构建惩罚函数；
步骤四：模型模拟及预测结果分析。
2.根据权利要求1所述的模拟、预测页岩吸附天然气兰氏体积和兰氏压力的方法，其特
征在于：步骤二中，兰氏体积的影响因素包括温度和页岩的总有机碳(TOC)、残留烃(S1)
以及粘土矿物含量；兰氏压力的影响因素包括温度和页岩的残留烃(S1)、碳酸盐、伊利石以
及长石含量。
3.根据权利要求1所述的模拟、预测页岩吸附天然气兰氏体积和兰氏压力的方法，其特
征在于：步骤三中的综合预测模型，如式(1)和式(2)所示:
V L i - c a l = a ( a 1 Tem i 3 + a 2 Tem i 2 + a 3 Tem i + a 4 ) + b ( b 1 TOC i 3 + b 2 TOC i 2 + b 3 TOC i + b 4 ) + c ( c 1 S 1 i 3 + c 2 S 1 i 2 + c 3 S 1 i + c 4 ) + d ( d 1 Clay i 3 + d 2 Clay i 2 + d 3 Clay i + d 4 ) - - - ( 1 ) ]]> P L i - c a l = e ( e 1 Clay i 3 + e 2 Clay i 2 + e 3 Clay i + e 4 ) + f ( f 1 Ill i 3 + f 2 Ill i 2 + f 3 Ill i + f 4 ) + g ( g 1 Fsp i 3 + g 2 Fsp i 2 + g 3 Fsp i + g 4 ) + h ( h 1 Cb i 3 + h 2 Cb i 2 + h 3 Cb i + h 4 ) - - - ( 2 ) ]]>其中，
a，b，c……h分别为各影响因素的权重；
an，bn，cn……hn(n＝1to4)分别为各影响因素拟合的多项式系数和常数；
Temi，TOCi，S1i，Clayi，Illi，Fspi，Cbi为第i个等温吸附实验的温度及样品的总有
机碳(TOC)、残留烃(S1)、粘土矿物、伊利石、长石和碳酸盐矿物的含量；
VLi-cal，PLi-cal为所计算第i个等温吸附实验的兰氏体积和兰氏压力；
模型的标定过程是不断调整a，b，c……h及an，bn，cn……hn(n＝1to4)，使计算的

\tVLi-cal，PLi-cal与实验值最为接近。
4.根据权利要求1所述的模拟、预测页岩吸附天然气兰氏体积和兰氏压力的方法，其特
征在于：步骤三的第(1)步中，构造目标函数，如式(3)、式(4)所示：
Q V L ( a , b , c , d , a n , b n , c n , d n , n = 1 t o 4 ) = Σ i = 1 m ( V L i - c a l - V L i - exp ) 2 - - - ( 3 ) ]]> Q P L ( e , f , g , h , e n , f n , g n , h n , n = 1 t o 4 ) = Σ i = 1 m ( P L i - c a l - P L i - exp ) 2 - - - ( 4 ) ]]>这里的m为吸附实验个数；这样，a，b，c……i及an，bn，cn……jn(n＝1to4)的确
定就变为求目标函数(3)、(4)极小点问题。
5.根据权利要求1所述的模拟、预测页岩吸附天然气兰氏体积和兰氏压力的方法，其特
征在于：步骤三的第(2)步中，满足以下条件：
①a，b，c，d均大于零且和为1；
②e，f，g，h均大于零且和为1；
③各影响因素对兰氏体积和兰氏压力拟合的多项式均大于零。
6.根据权利要求5所述的模拟、预测页岩吸附天然气兰氏体积和兰氏压力的方法，其特
征在于：对于约束条件①和②,构建惩罚函数如式(5)和式(6)所示，其中，ε为一正小
数，代表各反应分数之和为1的精度；
对于惩罚函数③，分别构建惩罚函数如式(7)-式(14)所示：
G V L - 1 ( a , b , c , d ) = [ min ( 0 , a ) ] 2 + [ min ( 0 , b ) ] 2 + [ min ( 0 , c ) ] 2 + [ min ( 0 , d ) ] 2 + [ min ( 0 , ϵ - | 1 - ( a + b + c + d ) | ) ] 2 - - - ( 5 ) ]]> G P L - 1 ( e , f , g , h ) = [ min ( 0 , e ) ] 2 + [ min ( 0 , f ) ] 2 + [ min ( 0 , g ) ] 2 + [ min ( 0 , h ) ] 2 + [ min ( 0 , ϵ - | 1 - ( e + f + g + h ) | ) ] 2 - - - ( 6 ) ]]> G V L - 2 ( Tem i ) = Σ i = 1 n T e m [ min ( 0 , a 1 Tem i 3 + a 2 Tem i 2 + a 3 Tem i + a 4 ) ] 2 Tem i = Tem min t o Tem max , s t e p = 0.02 - - - ( 7 ) ]]> G V L - 3 ( TOC i ) = Σ i = 1 n T O C [ min ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李吉君，马妍，黄开展，卢双舫，阴建新，张亚念，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37