天然气置换参数获取方法、系统及终端设备与流程
本发明属于非常规天然气技术领域，尤其涉及一种天然气置换参数获取方法、系统及终端设备。
背景技术
由于储量及潜能巨大，非常规天然气资源的开采越来越受到重视，特别是页岩气和煤层气。页岩气和煤层气的赋存形态通常以游离气为主，但仍有相当比例(20％～85％)的吸附气存在，甲烷是页岩气和煤层气的主要组分，一般在90％以上。目前，除过常规的降压解吸开采外，采用注二氧化碳置换吸附态甲烷的方法是一种极具发展前景的新方法，基于该方法可有效提高页岩气和煤层气的采收率。
目前，天然气置换参数的获得方法主要是经过采样之后再用色谱进行分析。这种方法以不连续作业模式间接获取极为有限的组分数据，并且该方法滞后于实时的二氧化碳置换甲烷的过程，导致分析结果误差较大。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明实施例提供了一种天然气置换参数获取方法、系统及终端设备，以解决现有技术中由于以不连续作业模式间接获取极为有限的组分数据，且获取的组分数据滞后于实时的二氧化碳置换甲烷的过程，从而导致分析结果误差较大的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种天然气置换参数获取方法，包括：
获取二氧化碳置换甲烷的置换实验数据；
获取第一时刻的甲烷的吸光度曲线，对第一时刻的甲烷的吸光度曲线在频域上进行积分得到第一积分面积，并根据第一积分面积和置换实验数据计算第一时刻的甲烷浓度；
获取第二时刻的甲烷的吸光度曲线，对第二时刻的甲烷的吸光度曲线在频域上进行积分得到第二积分面积，并根据第二积分面积和置换实验数据计算第二时刻的甲烷浓度；
根据第一时刻的甲烷浓度、第二时刻的甲烷浓度和置换实验数据计算第一时间段内的甲烷的置换量，第一时间段为第一时刻至第二时刻之间的时间段；
根据第一时间段内的甲烷的置换量计算第一时间段内的甲烷的置换速率。
本发明实施例的第二方面提供了一种天然气置换参数获取系统，包括：
第一获取模块，用于获取二氧化碳置换甲烷的置换实验数据；
第一甲烷浓度计算模块，用于获取第一时刻的甲烷的吸光度曲线，对第一时刻的甲烷的吸光度曲线在频域上进行积分得到第一积分面积，并根据第一积分面积和置换实验数据计算第一时刻的甲烷浓度；
第二甲烷浓度计算模块，用于获取第二时刻的甲烷的吸光度曲线，对第二时刻的甲烷的吸光度曲线在频域上进行积分得到第二积分面积，并根据第二积分面积和置换实验数据计算第二时刻的甲烷浓度；
第一置换量计算模块，用于根据第一时刻的甲烷浓度、第二时刻的甲烷浓度和置换实验数据计算第一时间段内的甲烷的置换量，第一时间段为第一时刻至第二时刻之间的时间段；
置换速率计算模块，用于根据第一时间段内的甲烷的置换量计算第一时间段内的甲烷的置换速率。
本发明实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上所述天然气置换参数获取方法的步骤。
本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被一个或多个处理器执行时实现如上所述天然气置换参数获取方法的步骤。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例首先获取二氧化碳置换甲烷的置换实验数据，然后根据第一时刻的甲烷的吸收度曲线计算第一时刻的甲烷浓度，根据第二时刻的甲烷的吸收度曲线计算第二时刻的甲烷浓度，接着根据第一时刻的甲烷浓度、第二时刻的甲烷浓度、置换实验数据计算第一时间段内的甲烷的置换量，最后根据第一时间段内的甲烷的置换量计算第一时间段内的甲烷的置换速率。本发明实施例能够解决现有技术中由于以不连续作业模式间接获取极为有限的组分数据，且获取的组分数据滞后于实时的二氧化碳置换甲烷的过程，从而导致分析结果误差较大的问题，本发明实施例获取的置换实验数据具有极高的可靠性和准确性，因此根据置换实验数据计算的置换参数具有极高的可靠性和准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的天然气置换参数获取装置的示意框图；
图2是本发明一实施例提供的天然气置换参数获取方法的实现流程示意图；
图3是本发明一实施例提供的天然气置换参数获取系统的示意框图；
图4是本发明一实施例提供的终端设备的示意框图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1是本发明一实施例提供的天然气置换参数获取装置的示意图，如图1所示，该装置可以包括：终端设备11、信号发生器12、激光控制器13、激光发射器14、样品室15、检测器和放大器16、锁相放大器17。
终端设备11发送第一控制信号到信号发生器12；信号发生器12根据第一控制信号发出调制电压信号到激光控制器13，调制电压信号由低频的锯齿信号和高频的正弦信号叠加之后生成的，低频的锯齿信号用来改变激光发射器14发射的激光信号的波长；终端设备11还会发送第二控制信号到激光控制器13，激光控制器13在接收到第二控制信号后，将调制电压信号转换为调制电流信号，并发送调制电流信号到激光发射器14；激光发射器14根据调制电流信号调整发射的激光信号的波长，并发射激光信号到样品室15；激光信号在样品室15内与二氧化碳气体和甲烷气体充分吸收得到吸收后的激光信号；检测器和放大器16检测到吸收后的激光信号，将吸收后的激光信号转换为吸收后的电信号，并将吸收后的电信号发送到锁相放大器17；信号发生器12还会发送参考信号到锁相放大器17，参考信号为正弦波信号或方波信号，锁相放大器17根据参考信号对吸收后的电信号进行放大处理得到处理后的电信号，并将处理后的电信号发送到终端设备11；终端设备对处理后的电信号进行背景扣除和累加平均处理，得到原始光谱吸收信号，然后选取原始光谱吸收信号两边的点进行二次多项式拟合，得到吸光度曲线，之后根据吸光度曲线进行接下来的置换参数的计算。
激光发射器14包括两个准直激光二极管，其中一个准直激光二极管发射的激光信号用于与二氧化碳气体吸收，另一个准直激光二极管发射的激光信号用于与甲烷气体吸收。通过查询hitran数据库可知，二氧化碳分子的6336.24cm-1吸收峰的线强大致为1.609×10-23cm/mol，相应的准直激光二极管选取激光主波长1570nm的波段；甲烷分子在波长1653.72nm附近有三条相距非常近的吸收线，可以将这三条吸收线看作是一条线强为该三条吸收线线强之后的吸收线，该三条吸收线的线强之和为5.274×10-21cm/mol。
锁相放大器17可以是2f锁相放大器。
进一步地，该装置还可以包括压力传感器、温度传感器、加热器等。压力传感器用于检测样品室15的压力，并将检测得到的压力数据发送到终端设备11；温度传感器检测样品室15的温度，并将检测得到的温度数据发送到终端设备11；加热器用于给样品室15加热，使样品室15内的温度达到预设温度。
图2是本发明一实施例提供的天然气置换参数获取方法的实现流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。本发明实施例的执行主体可以是终端设备。如图2所示，该方法可以包括以下步骤：
步骤s201：获取二氧化碳置换甲烷的置换实验数据。
在本发明实施例中，二氧化碳置换甲烷的实验是在样品室内恒温恒压的状态下进行的，也就是说样品室一直保持恒定温度和恒定压力，将该恒定温度称为实验温度，实验温度可以是实际储层温度；将该恒定压力称为第一实验压力，第一实验压力可以是实际储层压力。
二氧化碳置换甲烷的实验的过程如下：在样品室中装载样品，样品可以是粉状或块状的页岩样品或者粉状或块状的煤岩样品；将样品室升温到实验温度，并保持实验温度不变；对样品室进行抽真空处理；启动激光发射器，并在校准后开始采集数据；以第一实验压力向样品室充入甲烷气体并平衡第一预设时间，第一预设时间可以是12小时；保证足够的甲烷气体吸附后，以第一实验压力向样品室缓慢充入一定量的二氧化碳气体，并平衡第二预设时间，第二预设时间可以是12小时。在整个实验过程中，终端设备可以实时连续地获取置换实验数据，并计算置换参数，置换参数可以包括但不限于样品室中各种气体的浓度、置换量、置换速率、置换效率、采收率中的一种或多种参数。
置换实验数据可以包括但不限于第一实验压力、实验温度、二氧化碳的吸收线线强、甲烷的吸收线线强、激光光程、样品室中剩余空间的体积、第一压缩因子中的一种或多种数据。
其中，第一实验压力可以通过压力传感器获取；实验温度可以通过温度传感器获取；根据实验温度可确定二氧化碳的吸收线线强和甲烷的吸收线线强，可以通过查询hitran数据库确定；激光光程可以根据样品室横宽和预设的反射次数确定，激光发射器发射的激光信号从样品室的一侧到达另一侧，这两侧之间的宽度称为样品室横宽，样品室横宽乘以预设的反射次数得到激光光程；样品室中剩余空间的体积由样品室体积减去样品体积得到，样品体积由样品质量除以样品密度得到；第一压缩因子根据第一实验压力和实验温度确定，可以通过查表获取。
步骤s202：获取第一时刻的甲烷的吸光度曲线，对第一时刻的甲烷的吸光度曲线在频域上进行积分得到第一积分面积，并根据第一积分面积和置换实验数据计算第一时刻的甲烷浓度。
在计算甲烷浓度时，激光发射器发射的激光信号的主波长为1653.72nm。
在该步骤中，置换实验数据可以包括第一实验压力、甲烷的吸收线线强、激光光程。
根据朗伯-比尔定律，一束初始光强为i0，频率为f的激光通过吸收介质后，光强的计算公式为：i＝i0exp[-∫l·kf(x)dx]，其中，i为吸收后的光强，l为激光光程，kf为该吸收介质的光谱吸收系数。kf的计算公式为：
在本发明实施例中，首先获取第一时刻的甲烷的吸光度曲线，并对第一时刻的甲烷的吸光度曲线在频域上进行积分得到第一积分面积，根据第一积分面积、第一实验压力、甲烷的吸收线线强、激光光程计算第一时刻的甲烷浓度。第一时刻的甲烷浓度为第一时刻的游离态的甲烷浓度。
步骤s203：获取第二时刻的甲烷的吸光度曲线，对第二时刻的甲烷的吸光度曲线在频域上进行积分得到第二积分面积，并根据第二积分面积和置换实验数据计算第二时刻的甲烷浓度。
根据第二积分面积和置换实验数据计算第二时刻的甲烷浓度的计算公式为：
其中，x2为第二时刻的甲烷浓度，a2为第二积分面积，po为第一实验压力，s1为甲烷的吸收线线强，l为激光光程。
第二时刻的甲烷浓度为第二时刻的游离态的甲烷浓度。
步骤s204：根据第一时刻的甲烷浓度、第二时刻的甲烷浓度和置换实验数据计算第一时间段内的甲烷的置换量，第一时间段为第一时刻至第二时刻之间的时间段。
在该步骤中，置换实验数据可以包括样品室中剩余空间的体积、第一实验压力、实验温度、第一压缩因子。
在本发明实施例中，第一时间段内的甲烷的置换量是指在二氧化碳置换甲烷的实验中，在实验温度和第一实验压力下，第一时间段内由二氧化碳气体置换吸附态甲烷得到的游离态的甲烷的体积量。第一时间段内的甲烷的置换量越大，表明置换强度越高，表明越多的吸附态甲烷脱附成游离态甲烷。第一时间段为第一时刻至第二时刻之间的时间段。
由于二氧化碳吸附有机质能力较甲烷更强并且降低了甲烷的分压，因此短时间内甲烷一直在解吸，并且被置换的甲烷呈游离态。
根据气态自由方程可得
步骤s205：根据第一时间段内的甲烷的置换量计算第一时间段内的甲烷的置换速率。
第一时间段内的甲烷的置换速率指在二氧化碳置换甲烷的实验中，在实验温度和第一实验压力下，二氧化碳置换甲烷的快慢程度。第一时间段内的甲烷的置换量除以第一时间段可得到第一时间段内的甲烷的置换速率。
本发明实施例首先获取二氧化碳置换甲烷的置换实验数据，然后根据第一时刻的甲烷的吸收度曲线计算第一时刻的甲烷浓度，根据第二时刻的甲烷的吸收度曲线计算第二时刻的甲烷浓度，接着根据第一时刻的甲烷浓度、第二时刻的甲烷浓度、置换实验数据计算第一时间段内的甲烷的置换量，最后根据第一时间段内的甲烷的置换量计算第一时间段内的甲烷的置换速率。本发明实施例能够解决现有技术中由于以不连续作业模式间接获取极为有限的组分数据，且获取的组分数据滞后于实时的二氧化碳置换甲烷的过程，从而导致分析结果误差较大的问题，本发明实施例获取的置换实验数据具有极高的可靠性和准确性，因此根据置换实验数据计算的置换参数具有极高的可靠性和准确性。
作为本发明又一实施例，置换实验数据包括第一实验压力、实验温度、甲烷的吸收线线强、激光光程、样品室中剩余空间的体积、第一压缩因子；
根据第一积分面积和置换实验数据计算第一时刻的甲烷浓度的计算公式为：
其中，x1为第一时刻的甲烷浓度，a1为第一积分面积，po为第一实验压力，s1为甲烷的吸收线线强，l为激光光程；
根据第一时刻的甲烷浓度、第二时刻的甲烷浓度和置换实验数据计算第一时间段内的甲烷的置换量的计算公式为：
其中，
作为本发明又一实施例，天然气置换参数获取方法还包括：
根据调谐激光原理对二氧化碳置换甲烷的置换实验进行监测，获取第一时刻的甲烷的吸光度曲线和第二时刻的甲烷的吸光度曲线。
在本发明实施例中，利用图1所示装置，根据调谐激光原理对二氧化碳置换甲烷的置换实验进行监测，以获取第一时刻的甲烷的吸光度曲线和第二时刻的甲烷的吸光度曲线，同时，还可以获取第一时刻的二氧化碳的吸光度曲线和第二时刻的甲烷的吸光度曲线。具体过程请参照对图1进行说明时的描述，在此不再赘述。
作为本发明又一实施例，天然气置换参数获取方法还包括：
获取第一时刻的二氧化碳的吸光度曲线，对第一时刻的二氧化碳的吸光度曲线在频域上进行积分得到第三积分面积，并根据第三积分面积和置换实验数据计算第一时刻的二氧化碳浓度；
获取第二时刻的二氧化碳的吸光度曲线，对第二时刻的二氧化碳的吸光度曲线在频域上进行积分得到第四积分面积，并根据第四积分面积和置换实验数据计算第二时刻的二氧化碳浓度；
根据第一时刻的甲烷浓度、第二时刻的甲烷浓度、第一时刻的二氧化碳浓度、第二时刻的二氧化碳浓度和置换实验数据计算第一时间段内的甲烷的置换效率；
获取在向样品室中充入二氧化碳之前甲烷的饱和吸附量，并根据饱和吸附量和第一预设时间段内的甲烷的置换量计算第一时间段内的甲烷的第一采收率。
在本发明实施例中，置换实验数据可以包括第一实验压力、二氧化碳的吸收线线强、激光光程、样品室中剩余空间的体积。
在计算二氧化碳浓度时，激光发射器发射的激光信号的主波长为1570.0nm。
根据第三积分面积和置换实验数据计算第一时刻的二氧化碳浓度的计算公式为：
其中，x′1为第一时刻的二氧化碳浓度，a′1为第三积分面积，s2为二氧化碳的吸收线线强。
第一时刻的二氧化碳浓度为第一时刻的游离态的二氧化碳浓度。
根据第四积分面积和置换实验数据计算第二时刻的二氧化碳浓度的计算公式为：
其中，x′2为第一时刻的二氧化碳浓度，a′2为第三积分面积。
第二时刻的二氧化碳浓度为第二时刻的游离态的二氧化碳浓度。
第一时间段内的甲烷的置换效率是指在二氧化碳置换甲烷实验中，在实验温度和第一实验压力下，单位体积的二氧化碳在单位时间内所能置换得到的游离态的甲烷的体积量。第一时间段内的甲烷的置换效率
第一时间段内的甲烷的第一采收率是指在二氧化碳置换甲烷的实验中，在实验温度和第一实验压力下，第一时间段内实验中充入的二氧化碳气体将吸附态甲烷置换出的量与初始时甲烷的总量的比值。其中，若样品为煤岩时，第一时间段可以取12小时。
在向样品室中充入二氧化碳之前甲烷的饱和吸附量和之后用到的在向样品室中充入二氧化碳之前甲烷饱和吸附时的第三实验压力，是在做置换实验前已经获得这两个值，这两个值在样品确定的情况下是定值，可以根据等温吸附实验测试，朗格缪尔(langmuir)方程计算这两个值。
作为本发明又一实施例，根据第一时刻的甲烷浓度、第二时刻的甲烷浓度、第一时刻的二氧化碳浓度、第二时刻的二氧化碳浓度和置换实验数据计算第一时间段内的甲烷的置换效率的计算公式为：
其中，
根据饱和吸附量和第一预设时间段内的甲烷的置换量计算第一时间段内的甲烷的第一采收率的计算公式为：
其中，
作为本发明又一实施例，置换实验数据包括第一实验压力、实验温度、第一压缩因子、样品室中剩余空间的体积；
天然气置换参数获取方法还包括：
获取第二实验压力、在向样品室中充入二氧化碳之前甲烷饱和吸附时的第三实验压力，并根据第二实验压力和实验温度得到第二压缩因子；
根据第一实验压力、第二实验压力、第三实验压力、饱和吸附量计算从第一实验压力降至第二实验压力时的甲烷的降压解吸量；
计算在第一实验压力下的二氧化碳浓度和在第二实验压力下的二氧化碳浓度；
根据第一实验压力下的二氧化碳浓度、第二实验压力下的二氧化碳浓度、样品室中剩余空间的体积、第一压缩因子、第二压缩因子、第一实验压力、第二实验压力、实验温度和预设的二氧化碳与甲烷的置换比例计算从第一实验压力降至第二实验压力时的甲烷的置换量；
根据甲烷的降压解吸量、从第一实验压力降至第二实验压力时的甲烷的置换量、饱和吸附量和第一时间段内的甲烷的置换量计算甲烷的第二采收率。
在本发明实施例中，二氧化碳置换甲烷的实验是在实验温度保持不变的状态下，将压力从第一实验压力降至第二实验压力的过程中，对实验进行监测。
甲烷的第二采收率是指在实验温度下，将第一实验压力降至第二实验压力时的甲烷的降压解吸量与二氧化碳置换出甲烷的置换量两部分之和与初始时甲烷的总量的比值。第二实验压力可以是枯竭压力。
计算在第一实验压力下的二氧化碳浓度和在第二实验压力下的二氧化碳浓度具体为：获取在第一实验压力时的二氧化碳的吸光度曲线，对在第一实验压力时的二氧化碳的吸光度曲线在频域上进行积分得到第五积分面积，并根据第五积分面积、第一实验压力、二氧化碳的吸收线线强、激光光程计算第一实验压力下的二氧化碳浓度；获取在第二实验压力时的二氧化碳的吸光度曲线，对在第二实验压力时的二氧化碳的吸光度曲线在频域上进行积分得到第六积分面积，并根据第六积分面积、第二实验压力、二氧化碳的吸收线线强、激光光程计算第二实验压力下的二氧化碳浓度。
预设的二氧化碳与甲烷的置换比例可以是1:1。
作为本发明又一实施例，根据第一实验压力、第二实验压力、第三实验压力、饱和吸附量计算从第一实验压力降至第二实验压力时的甲烷的降压解吸量的计算公式为：
其中，δv为甲烷的降压解吸量，vl为饱和吸附量，po为第一实验压力，pf为第二实验压力，pl为第三实验压力；
根据第一实验压力下的二氧化碳浓度、第二实验压力下的二氧化碳浓度、样品室中剩余空间的体积、第一压缩因子、第二压缩因子、第一实验压力、第二实验压力、实验温度和预设的二氧化碳与甲烷的置换比例计算从第一实验压力降至第二实验压力时的甲烷的置换量的计算公式为：
其中，
根据甲烷的降压解吸量、从第一实验压力降至第二实验压力时的甲烷的置换量、饱和吸附量和第一时间段内的甲烷的置换量计算甲烷的第二采收率的计算公式为：
其中，
在本发明实施例中，基于调谐激光原理，同时结合常规的温度、压力实时监测手段，可在温压环境变化、注入气体组分变化情况下，对气体吸附、解吸、气体置换及不同稳态变化数据进行连续动态的数据监测和采集，达到获得实验测试与数据输出同步的效果。
在本发明实施例中，调谐激光原理应用于二氧化碳置换甲烷的实验中，由于该原理针对特定气体具有唯一选择性和高灵敏度(可达到ppm～ppt量级)以及连续实时监测的特点，因而用于本发明实施例的基础数据具有极高的可靠性和准确性，由此获得的计算结果也必然更加可靠和贴近实际，有利于页岩气置换开采评价过程中采收率的准确厘定和资源储量的准确核算。
本发明实施例提供了针对不同组分置换量、置换速率、置换效率和采收率的高精度计算方法，根据这些参数可进一步获得温压变化过程中的其他更多的动态参数，譬如等温/等压条件下气体随压力/温度扩散变化等。
本发明实施例中的基础数据获取直接、全面、准确，实验尽可能地回溯了原始储层温压条件，很大程度上避免了常规方法(例如分子理论和数值模拟方法)不同数学模型计算所带来的结果偏差和脱离实际现场的缺点，因而具有牢靠的数据基础、严谨的计算推理过程和可靠的计算结果。
由于煤岩同为富有机质烃源岩，煤层吸附气占比更大，可结合煤储层温压特性和吸附解吸特性，将本发明实施例中的方法应用到煤层气领域，从而促进提高煤层气采收率(enhancedcoalbedmethanerecovery，ecbm)技术的实验和理论研究。
需要说明的是，上述实施例中的所有举例仅仅是为了解释本发明的技术方案，并不用于限定本发明。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
图3是本发明一实施例提供的天然气置换参数获取系统的示意框图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。
在本发明实施例中，天然气置换参数获取系统3包括：
第一获取模块31，用于获取二氧化碳置换甲烷的置换实验数据；
第一甲烷浓度计算模块32，用于获取第一时刻的甲烷的吸光度曲线，对第一时刻的甲烷的吸光度曲线在频域上进行积分得到第一积分面积，并根据第一积分面积和置换实验数据计算第一时刻的甲烷浓度；
第二甲烷浓度计算模块33，用于获取第二时刻的甲烷的吸光度曲线，对第二时刻的甲烷的吸光度曲线在频域上进行积分得到第二积分面积，并根据第二积分面积和置换实验数据计算第二时刻的甲烷浓度；
第一置换量计算模块34，用于根据第一时刻的甲烷浓度、第二时刻的甲烷浓度和置换实验数据计算第一时间段内的甲烷的置换量，第一时间段为第一时刻至第二时刻之间的时间段；
置换速率计算模块35，用于根据第一时间段内的甲烷的置换量计算第一时间段内的甲烷的置换速率。
可选地，置换实验数据包括第一实验压力、实验温度、甲烷的吸收线线强、激光光程、样品室中剩余空间的体积、第一压缩因子；
在第一甲烷浓度计算模块32中，根据第一积分面积和置换实验数据计算第一时刻的甲烷浓度的计算公式为：
其中，x1为第一时刻的甲烷浓度，a1为第一积分面积，po为第一实验压力，s1为甲烷的吸收线线强，l为激光光程；
在第一置换量计算模块34中，根据第一时刻的甲烷浓度、第二时刻的甲烷浓度和置换实验数据计算第一时间段内的甲烷的置换量的计算公式为：
其中，
可选地，天然气置换参数获取系统3还包括：
监测模块，用于根据调谐激光原理对二氧化碳置换甲烷的置换实验进行监测，获取第一时刻的甲烷的吸光度曲线和第二时刻的甲烷的吸光度曲线。
可选地，天然气置换参数获取系统3还包括：
第一二氧化碳浓度计算模块，用于获取第一时刻的二氧化碳的吸光度曲线，对第一时刻的二氧化碳的吸光度曲线在频域上进行积分得到第三积分面积，并根据第三积分面积和置换实验数据计算第一时刻的二氧化碳浓度；
第二二氧化碳浓度计算模块，用于获取第二时刻的二氧化碳的吸光度曲线，对第二时刻的二氧化碳的吸光度曲线在频域上进行积分得到第四积分面积，并根据第四积分面积和置换实验数据计算第二时刻的二氧化碳浓度；
置换效率计算模块，用于根据第一时刻的甲烷浓度、第二时刻的甲烷浓度、第一时刻的二氧化碳浓度、第二时刻的二氧化碳浓度和置换实验数据计算第一时间段内的甲烷的置换效率；
第一采收率计算模块，用于获取在向样品室中充入二氧化碳之前甲烷的饱和吸附量，并根据饱和吸附量和第一预设时间段内的甲烷的置换量计算第一时间段内的甲烷的第一采收率。
可选地，在置换效率计算模块中，根据第一时刻的甲烷浓度、第二时刻的甲烷浓度、第一时刻的二氧化碳浓度、第二时刻的二氧化碳浓度和置换实验数据计算第一时间段内的甲烷的置换效率的计算公式为：
其中，
在第一采收率计算模块中，根据饱和吸附量和第一预设时间段内的甲烷的置换量计算第一时间段内的甲烷的第一采收率的计算公式为：
其中，
可选地，置换实验数据包括第一实验压力、实验温度、第一压缩因子、样品室中剩余空间的体积；
天然气置换参数获取系统3还包括：
第二获取模块，用于获取第二实验压力、在向样品室中充入二氧化碳之前甲烷饱和吸附时的第三实验压力，并根据第二实验压力和实验温度得到第二压缩因子；
降压解吸量计算模块，用于根据第一实验压力、第二实验压力、第三实验压力、饱和吸附量计算从第一实验压力降至第二实验压力时的甲烷的降压解吸量；
第三二氧化碳浓度计算模块，用于计算在第一实验压力下的二氧化碳浓度和在第二实验压力下的二氧化碳浓度；
第二置换量计算模块，用于根据第一实验压力下的二氧化碳浓度、第二实验压力下的二氧化碳浓度、样品室中剩余空间的体积、第一压缩因子、第二压缩因子、第一实验压力、第二实验压力、实验温度和预设的二氧化碳与甲烷的置换比例计算从第一实验压力降至第二实验压力时的甲烷的置换量；
第二采收率计算模块，用于根据甲烷的降压解吸量、从第一实验压力降至第二实验压力时的甲烷的置换量、饱和吸附量和第一时间段内的甲烷的置换量计算甲烷的第二采收率。
可选地，在降压解吸量计算模块中，根据第一实验压力、第二实验压力、第三实验压力、饱和吸附量计算从第一实验压力降至第二实验压力时的甲烷的降压解吸量的计算公式为：
其中，δv为甲烷的降压解吸量，vl为饱和吸附量，po为第一实验压力，pf为第二实验压力，pl为第三实验压力；
在第二置换量计算模块中，根据第一实验压力下的二氧化碳浓度、第二实验压力下的二氧化碳浓度、样品室中剩余空间的体积、第一压缩因子、第二压缩因子、第一实验压力、第二实验压力、实验温度和预设的二氧化碳与甲烷的置换比例计算从第一实验压力降至第二实验压力时的甲烷的置换量的计算公式为：
其中，
在第二采收率计算模块中，根据甲烷的降压解吸量、从第一实验压力降至第二实验压力时的甲烷的置换量、饱和吸附量和第一时间段内的甲烷的置换量计算甲烷的第二采收率的计算公式为：
其中，
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述天然气置换参数获取系统的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述装置中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
图4是本发明一实施例提供的终端设备的示意框图。如图4所示，该实施例的终端设备11包括：一个或多个处理器110、存储器111以及存储在所述存储器111中并可在所述处理器110上运行的计算机程序112。所述处理器110执行所述计算机程序112时实现上述各个天然气置换参数获取方法实施例中的步骤，例如图2所示的步骤s201至s205。或者，所述处理器110执行所述计算机程序112时实现上述天然气置换参数获取系统实施例中各模块/单元的功能，例如图3所示模块31至35的功能。
示例性地，所述计算机程序112可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器111中，并由所述处理器110执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序112在所述终端设备11中的执行过程。例如，所述计算机程序112可以被分割成第一获取模块、第一甲烷浓度计算模块、第二甲烷浓度计算模块、第一置换量计算模块和置换速率计算模块。
第一获取模块，用于获取二氧化碳置换甲烷的置换实验数据；
第一甲烷浓度计算模块，用于获取第一时刻的甲烷的吸光度曲线，对第一时刻的甲烷的吸光度曲线在频域上进行积分得到第一积分面积，并根据第一积分面积和置换实验数据计算第一时刻的甲烷浓度；
第二甲烷浓度计算模块，用于获取第二时刻的甲烷的吸光度曲线，对第二时刻的甲烷的吸光度曲线在频域上进行积分得到第二积分面积，并根据第二积分面积和置换实验数据计算第二时刻的甲烷浓度；
第一置换量计算模块，用于根据第一时刻的甲烷浓度、第二时刻的甲烷浓度和置换实验数据计算第一时间段内的甲烷的置换量，第一时间段为第一时刻至第二时刻之间的时间段；
置换速率计算模块，用于根据第一时间段内的甲烷的置换量计算第一时间段内的甲烷的置换速率。
其它模块或者单元可参照图3所示的实施例中的描述，在此不再赘述。
所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备11包括但不仅限于处理器110、存储器111。本领域技术人员可以理解，图4仅仅是终端设备的一个示例，并不构成对终端设备11的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备11还可以包括输入设备、输出设备、网络接入设备、总线等。
所述处理器110可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器111可以是所述终端设备的内部存储单元，例如终端设备的硬盘或内存。所述存储器111也可以是所述终端设备的外部存储设备，例如所述终端设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)等。进一步地，所述存储器111还可以既包括终端设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器111用于存储所述计算机程序112以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器111还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的天然气置换参数获取系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的天然气置换参数获取系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
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