[发明专利]一种页岩气吸附解吸扩散动力学模型及解释方法

说明书

本发明公开了一种页岩气吸附解吸扩散动力学模型及解释方法，包括以下步骤：构建页岩气吸附解吸扩散动力学模型；引入Arrhenius公式得到扩散速率常数、扩散活化能、吸附指前因子、吸附活化能等参数的计算式；对动力学数学模型进行拉氏变换，得到拉氏空间的浓度表达式，采用Stehfest数值反演得到真实空间的吸附气浓度表达式；计算得到吸附解吸质量分数及质量分数导数曲线；拟合实验数据计算得到动力学参数，并预测不同温度的吸附解吸扩散动力学曲线。本发明考虑理论模型与实验数据的吸附质量分数及其导数的拟合误差，拟合实验数据计算得到活化能与指前因子等动力学参数，同时预测不同温度条件下的吸附解吸扩散动力学曲线。

技术领域

本发明涉及页岩气开发领域，尤其涉及一种页岩气吸附解吸扩散动力学模型及解释方法。

背景技术

页岩气作为一种非常规油气资源，因其储量丰富和能源清洁的特点而成为全球油气勘探开发的热点。国外对页岩气的吸附解吸扩散机理研究较早，而国内则相对起步较晚，但随着我国近几年对页岩气的勘探开发力度加大，页岩气在我国的能源消费比重也逐渐增大。

目前，国内外对页岩气吸附解吸的研究主要集中在静态过程，对吸附解吸扩散动力学过程的研究则相对较少。研究页岩气的吸附扩散动力学过程将有助于深入分析页岩颗粒内部的吸附扩散特征及控制机理，提高页岩气藏生产动态评估的准确性，同时页岩气吸附解吸扩散是研究页岩气储量估算、流动规律、产能预测、动态分析和采收率计算及数值模拟的关键。

国内外已有众多学者对吸附解吸扩散动力学模型进行研究，该模型最早由Boyd和Webber(1963)提出的粒子内扩散模型应用最为广泛，这种模型为不考虑吸附解吸的扩散模型；Brusseau等(1991)将吸附解吸项简化为线性关系，结合Fick扩散方程得到动力学曲线的近似解；李志强等(2015)提出了能精确描述全时扩散过程的动态扩散系数新模型，经典模型常扩散系数是新模型动态扩散系数的平均值；Yang Zehao等(2016)将Langmuir吸附动力学与经典的Fick扩散动力学相结合，提出一种新的动态吸附扩散模型(DAD模型)，结合动态吸附实验数据，拟合得到扩散系数、吸附速率系数以及解吸速率系数；AfshinDavarpanah等(2019)对甲烷的吸附扩散动力学实验及数学模型进行研究，提出了修正单孔扩散数学模型，并拟合实验数据得到扩散系数等模型参数。但是，目前的页岩气吸附解吸扩散动力学模型还存在以下问题：

(1)页岩气扩散模型中未综合考虑吸附解吸、岩石密度、孔隙度的影响，模型求解过程中忽略了高阶项，导致计算结果为近似解；

(2)扩散模型中未引入Arrhenius公式，拟合动力学实验数据不能得到扩散速率常数、扩散活化能、吸附指前因子、吸附活化能等参数；

(3)吸附速率系数与解吸速率系数与温度相关，不能预测不同温度下的吸附扩散动力学曲线。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种页岩气吸附解吸扩散动力学模型及解释方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种页岩气吸附解吸扩散动力学模型及解释方法，包括以下步骤：

S1，根据Langmuir理论，将游离气/吸附气浓度方程、页岩孔隙度方程、吸附/解吸速率方程相互代入化简得到页岩颗粒内部的吸附气随时间变化的方程；构建在△t时间内游离气/吸附气的总质量变化方程，基于获取的初始条件、内边界条件、外边界条件，根据质量守恒定律，从而建立吸附解吸扩散方程，将该方程作为页岩气吸附解吸扩散动力学模型；

S2，在吸附解吸扩散动力学模型中引入Arrhenius公式，得到吸附速率系数、吸附指前因子、吸附活化能之间的关系式，解吸速率系数、解吸指前因子、解吸活化能的关系式，扩散系数、扩散速率常数、扩散活化能之间的关系式；