[發明專利]密閉體系下頁巖油氣產率評價模型建立及參數標定方法

有效

• 申請號: 201410391014.0
• 申請日: 2014-08-08
• 公開（公告）號: CN104156593B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 李吉君;王民;黃愛華;王志偉;王文廣;盧雙舫;薛海濤
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司11245
• 代理人: 徐寧,關暢

1.一種密閉體系下頁巖油氣產率評價模型建立及參數標定方法，包括以下步驟：

1)建立頁巖油產率評價模型，包括以下步驟：

①建立頁巖油的化學動力學模型：

模型中，k₁為干酪根生成頁巖油的反應速率系數；k₂為頁巖油裂解成氣的反應速率系數；

②建立頁巖油產率評價模型

從頁巖油的化學動力學模型中可以看出：密閉體系下，當頁巖的成熟度達到并超過0.9％時，頁巖油的生成和裂解同時存在，頁巖油的產率(CY)是生成和裂解兩個反應過程的綜合結果，這種情況下，頁巖油的反應速率為：

$\frac{dCY}{dt}=k_{1}CYG-k_{2}CYL$

式中，CYG為干酪根生成頁巖油的產率；CYL為頁巖油二次裂解成氣的產率；t為時間；k₁為干酪根生成頁巖油的反應速率系數；k₂為頁巖油裂解成氣的反應速率系數；

假設頁巖油的生成和裂解由NY個平行一級反應組成，將每個平行一級反應的頁巖油的產率為CY_i，將每個平行一級反應的頁巖油的生成和裂解的指前因子設為AY_i，活化能設為EY_i，i＝1,2，……NY；升溫速率為V；干酪根初始生油潛量為CYG_i0；頁巖油裂解的原始潛量為CYL_i0；實驗開始時的絕對溫度為T₀；實驗結束時的絕對溫度為T_e；T為絕對溫度；R為氣體常數，R＝8.31447kj/mol·K，則頁巖油產率評價模型為：

$CY=\underset{i=1}{\overset{NY}{\Σ}}{\mathrm{CY}}_i=\underset{i=1}{\overset{NY}{\Σ}}\[({\mathrm{CYG}}_{i0}-{\mathrm{CYL}}_{i0})(1-\exp ({\∫}_{T_0}^{T_e}\frac{{\mathrm{AY}}_i}{V}\·\left(-\frac{{\mathrm{EY}}_i}{RT}\right)dT\left)\right)\]$

2)建立頁巖氣產率評價模型，包括以下步驟：

①建立頁巖氣的化學動力學模型：

模型中，k₂為頁巖油裂解成氣的反應速率系數；k₃為干酪根生成頁巖氣的反應速率系數；

②建立頁巖氣產率評價模型

從頁巖氣的化學動力學模型中可以看出：由于頁巖油的生成和裂解同時存在，因此，當頁巖的成熟度達到并超過0.9％時，頁巖氣的產率(CQ)為干酪根直接生成的頁巖氣產率與頁巖油二次裂解成的頁巖氣產率之和，頁巖氣的反應速率為：

$\frac{dCQ}{dt}=k_{3}CQG+k_{2}CQL$

式中，CQG為干酪根生成頁巖氣的產率；CQL為頁巖油二次裂解成氣的產率；

假設頁巖氣的生成由NY個平行一級反應組成，假設每個平行一級反應的頁巖氣的產率為CQ_i，假設每個平行一級反應的頁巖氣生成的指前因子為AQ_i，活化能為EQ_i，i＝1,2，……NY；升溫速率為V；干酪根初始生氣潛力為CQG_i0；頁巖油裂解為氣的原始潛量CQL_i0；實驗開始時的絕對溫度為T₀；R為氣體常數，R＝8.31447kj/mol·K，則頁巖氣的產率評價模型為：

$CQ=\underset{i=1}{\overset{NY}{\Σ}}{\mathrm{CQ}}_i=\underset{i=1}{\overset{NY}{\Σ}}\[({\mathrm{CQG}}_{i0}+{\mathrm{CQL}}_{i0})(1-\exp ({\∫}_{T_0}^{T_e}\frac{{\mathrm{AQ}}_i}{V}\·\exp \left(-\frac{{\mathrm{EQ}}_i}{RT}\right)dT\left)\right)\];$

3)實驗測量頁巖油產率CY1_lj和頁巖氣產率CQ1_lj；

4)標定頁巖油評價模型和頁巖氣產率評價模型中動力學參數，包括以下步驟：

①構造包含動力學參數的目標函數

假設某一升溫速率為V＝l，達到某一溫度j時由實驗所測得的頁巖油產率為CY1_lj，在相同的條件下，假設干酪根生成頁巖油的活化能為EYG_i，干酪根生成頁巖油的指前因子為AYG_i，干酪根生成頁巖油的反應系數為FYG_i0，頁巖油二次裂解成頁巖氣的活化能為EYL_i,頁巖油二次裂解成頁巖氣的指前因子為AYL_i，頁巖油二次裂解成頁巖氣的反應分數為FYL_i0，通過頁巖油產率評價模型計算得到的頁巖油產率為CY_lj；

如果存在一組EYG_i、AYG_i、FYG_i0、EYL_i、AYL_i、FYL_i0的數據，使CY1_lj-CY_lj＝0，則該組數據為所要標定的數據，但是，由于不可避免的實驗誤差的存在，這種情況實際上是不可能存在的，因此，只需要求出使CY1_lj-CY_lj為極小值時的EYG_i、AYG_i、FYG_i0、EYL_i、AYL_i、FYL_i0的取值，為此構造目標函數：

$Q({\mathrm{EYG}}_i,{\mathrm{AYG}}_i,{\mathrm{FYG}}_{i0},{\mathrm{EYL}}_i,{\mathrm{AYL}}_i,{\mathrm{FYL}}_{i0})=\underset{l=1}{\overset{L_0}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J_0}{\Σ}}{\left(\frac{CY{1}_{lj}-{\mathrm{CY}}_{lj}}{CY{1}_{lj}}\right)}^2$

式中，L₀為不同升溫速率實驗的數目；J₀為一條升溫速率下的實驗轉化率曲線(曲線由實驗數據所得)上選取的采樣點的數目；

由于EYG_i和EYL_i通過確定平行一級反應的活化能的分布范圍和相鄰平行一級反應的活化能間隔而求解，而且干酪根成油及頁巖油二次裂解成頁巖氣可以使用相同的指前因子，因此，目標函數能夠簡化為：

$Q(A,{\mathrm{FYG}}_{i0},{\mathrm{FYL}}_{i0})=\underset{l=1}{\overset{L_0}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{L_0}{\Σ}}{\left(\frac{CY{1}_{lj}-{\mathrm{CY}}_{lj}}{CY{1}_{lj}}\right)}^2$

A、FYG_i0、FYL_i0應該同時滿足以下約束條件：0≤FYG_i0≤M_油；0≤FYL_i0≤M_氣；A>0；其中，M_油和M_氣為定值，此時，頁巖油動力學參數的求取問題就轉化為求非負的目標函數在滿足約束條件時的極小點的問題；

②構造求解目標函數的懲罰函數；

③初始化M_油和M_氣；

④求解目標函數和懲罰函數的一階偏導函數；

⑤求取動力學參數的近似極小值并判斷是否達到精度要求，通過優化方法求解出逼近懲罰函數極小點的近似解，并計算出該點的梯度，判斷該梯度是否小于某一給定的小正數ε，如果是，則輸出標定結果，過程結束；否則，求解新點處使懲罰函數值下降的方向，進行一維搜索，直到求解出滿足精度要求的近似極小點為止，從而達到標定頁巖油產率評價模型的動力學參數的目的。