专利名称：有限个平行一级反应成烃动力学模型参数的标定方法
技术领域：
本发明属于油气资源评价技术领域，涉及对有机质成烃动力学参数的描述，是建立在成烃动力学原理的基础之上用以描述有机质成烃化学反应过程的一种技术。
背景技术：
上个世纪九十年代之前国内外就开始探索对有机质成烃动力学模型的建立和参数的优化求取。研究一个成烃动力学特征时，首先面临的是化学动力学原理的选择问题。目前也已提出的反应动力学模型有(1)总包反应模型，包括总包一级和总包非一级反应两类亚型；(2)串联反应(假定随着反应的进程，动力学参数将发生变化，实际操作中则假设反应进行到某一程度时动力学参数发生变化)，包括串联一级反应和串联非一级反应；(3) 平行一级反应，包括无限个平行一级反应和有限个平行一级反应，依据其每一个反应对应的指前因子相同与否，分为相同指前因子和不同指前因子两亚类；(4)以串联反应为主线， 以平行反应为辅的模型。对于平行一级反应，根据反应个数可以分为无限个平行反应和有限个平行反应， 其中根据所采用平行反应方程中频率因子是否相同又分为具有一个相同频率因子(A)的平行反应和具有不同频率因子的平行反应。原则上讲，所设定的平行反应的数目越多，就越有可能接近有机质的真实成烃过程。但平行反应数目越多，模型标定起来的计算量越大。 因为对每一平行反应过程都有三个待定参数(活化能Ei、指前因子&和相应的反应量)(i(l)。 对此，国外学者则假定平行反应的活化能服从某种函数形式的分布，而所有平行反应的指前因子相同(以Burnham为代表)或者与活化能有一定函数关系(以Behar等IFP研究人员为代表)或者所有平行反应的指前因子各不相同。根据活化能分布函数形式可分为服从离散(Discrete)分布、正态(Gaussian)分布、韦布(Weibull)分布、二项(Binomial)分布、伽马(Gamma)分布的动力学模型，其中前三种分布模型研究和应用居多，而这三种分布模型中离散分布模型在目前研究和应用的最多。考虑到沉积有机质来源、组成、结构、键型构成的极其复杂性，总包反应和分段总包反应(串联反应)模型都难以近似反映其成烃动力学过程的实质。比较而言，平行反应模型(不同程度的加上连串反应过程)应该能够较为客观的反映其成烃过程的动力学本质。 尽管这一过程极其复杂，使人们目前(或许永远)还不能将它分解成基元反应来考察其成烃历程，成烃机理及建立反映其实质的各基元反应的动力学方程式，但平行反应(加有限个连串反应)模型毕竟是目前所能做到的最为近似的选择。Tissot等(1975，1978)最初提出这种平行反应模型时，相邻平行反应之间的活化能间隔高达10X4. 187kJ/moL·从动力学的观点来看，由于化学反应速率对活化能取值大小的变化极为敏感，因此，10X4. 187kJ/mol这样大的间隔显然不能近似反映干酪根中的键型组成，从而不能被用于近似描述有机质的成烃过程。这也是Tissot等人的模型自提出以来，未能得到广泛应用的重要原因之一。在本发明中，根据上述分析，结合试算结果，选择了较小的平行反应的活化能间隔。平行反应的活化能分布范围也是根据试算结果逐步缩小确定的。这样标定的动力学参数标定计算较为简便，更适合描述有机质的成烃过程。
发明内容
本发明的目的是提供有限个平行一级反应成烃动力学模型参数的标定方法。利用该方法可以实现对有机质成烃动力学特征定量、动态的描述。本发明采用的技术方案是有限个平行一级反应成烃动力学模型参数的标定方法，首先，建立成烃的化学动力学模型，成烃的化学动力学模型包括干酪根成油的化学动力学模型、干酪根成气的化学动力学模型和油裂解成气的化学动力学模型；然后，将观测参数或实验参数输入到建立好的成烃的化学动力学模型，对成烃的化学动力学模型进行标定； 其次，采用构造目标函数和惩罚函数优化求取近似精确解，实现对有机质成烃过程的动力学描述；最后，标定后的成烃的化学动力学模型，应用到探区的有机质成烃史的定量、动态评价。具体步骤包括模型的建立，实验参数或观测资料的获取，动力学参数的标定。一、模型的建立A、干酪根成油的化学动力学模型设干酪根(KEO)成油过程由一系列(NO)个平行一级反应组成，每个反应对应的活化能为EOi,单位千焦/摩尔(kj/mol)，指前因子AOi,单位每分钟(/min)，并设对应每一个反应的干酪根的原始潜量为TOitl，单位，百分比(％)，KOi为第i个干酪根成油反应的反应速率常数，每一个反应生成的油为Oi,每一个反应的生油量为M)i，i = 1,2,…，N0，即至时间t(分钟，min)，时
权利要求
1.有限个平行一级反应成烃动力学模型参数的标定方法，其特征在于首先，建立成烃的化学动力学模型，成烃的化学动力学模型包括干酪根成油的化学动力学模型、干酪根成气的化学动力学模型和油裂解成气的化学动力学模型；然后，将观测参数或实验参数输入到建立好的成烃的化学动力学模型，对成烃的化学动力学模型进行标定；其次，采用构造目标函数和惩罚函数优化求取近似精确解，实现对有机质成烃过程的动力学描述；最后，将标定后的成烃的化学动力学模型，应用到探区的有机质成烃史的定量、动态评价。
2.根据权利要求1所述的有限个平行一级反应成烃动力学模型参数的标定方法，其特征在于A、干酪根成油的化学动力学模型设干酪根(KEO)成油过程由一系列(NO)个平行一级反应组成，每个反应对应的活化能为EOi,单位千焦/摩尔(kj/mol)，指前因子AOi,单位每分钟，(min)，并设对应每一个反应的干酪根的原始潜量为M)i(l，KOi为第i个干酪根成油反应的反应速率常数，每一个反应生成的油为Oi,每一个反应的生油量为XOi, i = 1,2,…，N0，即至时间t(分钟，min)，时 rKE0x (XOio)(XO1)
3.根据权利要求1所述的有限个平行一级反应成烃动力学模型参数的标定方法，其特征在于所述的实验参数或观测参数主要是指获取样品的温度-时间-产烃率之间的关系， 来自不同条件下的热解实验参数，热解实验包括Rock-Eval实验、热重-质谱联用(TG-MS) 实验、金管热模拟实验或小体积密封油气生成模拟(MSSV)实验，分别获取其升温速率(摄氏度每分钟，。C /min)或者恒温温度(摄氏度，V )、实验时间(分钟，min)、产烃率(毫升或克，ml或g)参数，步骤为步骤1，选择低成熟度(Ro <0.6%)高丰度(T0C > 1%)的代表性的岩石、干酪根或者原油样品；步骤2，将样品进行恒温或定升温速率热模拟实验；步骤3，记录实验参数，包括热模拟时间(分钟，min)、恒温温度(温度，V )或定升温速率(摄氏度每分钟，V /min)，烃类产量(毫升或克，ml或g)参数；步骤4，将样品加热至产烃极限，即样品产烃能力衰竭，将各个时间点的产烃(油气) 量进行累加得到累计产烃(油气)量，将各时间的产油气量分别除以累计产油气量得到产油气率，包括干酪根产油率XOaj (百分比)，干酪根产气率XGaj (百分比)或原油产气率 XOGJ百分比)，其中a为某一升温速率，j为某一温度点。
4.根据权利要求1所述的有限个平行一级反应成烃动力学模型参数的标定方法，其特征在于对成烃的化学动力学模型进行标定的步骤是以干酪根成油的化学动力学模型的标定进行说明，干酪根成气的化学动力学模型和油裂解成气的化学动力学模型标定的方法相同；步骤1，构造目标函数设在某一升温速率1，达到某一温度j时由实验所测得的产油率为Χ01。_(百分比)，在相同的条件下，如果存在某一组EOi,单位千焦/摩尔(kJ/mol^AOi，单位每分钟(/min)， M)iQ (无量纲)的取值使对所有的1，j都有MHlj-XOlj = O,则该组EOi,单位千焦/摩尔 (kj/mol)，AOi,单位每分钟(/min)，M)iQ，单位，(百分比)，即为所求；但由于实验误差等方面的原因，这实际上是不可能的；因此，只能求使TOllj-XOlj尽量小的EOi, AOi, XOi0的取值； 为此，构造目标函数是
全文摘要
有限个平行一级反应成烃动力学模型参数的标定方法，应用于油气资源评价技术领域。建立在成烃动力学原理基础之上用以描述有机质成烃过程，该标定方法能有效的将干酪根成油、干酪根成气以及油成气这几种差别较大，并且能对不同类型有机质的动力学过程区分开来讨论。另外，在模型标定的数学方法上进行了优化近似求解，一是摒弃了无限个平行一级反应所带来的标定精度提升有限但相对沉余的计算量，二是通过对动力学参数的近似求解实现了实验条件下无精确解的求取。有效地解决了对有机质成烃的复杂过程的描述，实现了对有机质生烃特征的定量、动态地描述。
文档编号G06F17/50GK102289545SQ20111021524
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者刘敏, 卢双舫, 王民, 薛海涛 申请人:东北石油大学