密闭体系下页岩油气产率评价模型建立及参数标定方法

摘要

本发明涉及一种密闭体系下页岩油气产率评价模型建立及参数标定方法，包括以下步骤：1)建立页岩油产率评价模型；2)建立页岩气产率评价模型；3)实验测量页岩油产率和页岩气产率；4)标定页岩油评价模型和页岩气产率评价模型中动力学参数。本发明由于同时考虑了页岩油生成和二次裂解这两种情况，在密闭体系中建立页岩油气产率评价模型，因此从实验条件和地质条件的近似程度上考虑，本方法有效地解决了对密闭体系下页岩油生成和二次裂解同时存在的复杂过程的描述，实现了对页岩油气特征的定量、动态地描述。利用本方法标定出的页岩油气动力学参数，再结合实际盆地的埋藏史热史进行地质外推，获得的页岩油气生烃史信息更加准确可靠。

权利要求

1.一种密闭体系下页岩油气产率评价模型建立及参数标定方法，包括以下步骤：

1)建立页岩油产率评价模型，包括以下步骤：

①建立页岩油的化学动力学模型：

模型中，k1为干酪根生成页岩油的反应速率系数；k2为页岩油裂解成气的反应速率系数；

②建立页岩油产率评价模型

从页岩油的化学动力学模型中可以看出：密闭体系下，当页岩的成熟度达到并超过

0.9％时，页岩油的生成和裂解同时存在，页岩油的产率(CY)是生成和裂解两个反应过程的综合结果，这种情况下，页岩油的反应速率为：式中，CYG为干酪根生成页岩油的产率；CYL为页岩油二次裂解成气的产率；t为时间；

k1为干酪根生成页岩油的反应速率系数；k2为页岩油裂解成气的反应速率系数。

假设页岩油的生成和裂解由NY个平行一级反应组成，将每个平行一级反应的页岩油的产率为CYi，将每个平行一级反应的页岩油的生成和裂解的指前因子设为AYi，活化能设为EYi，i＝1,2，……NY；升温速率为V；干酪根初始生油潜量为CYGi0；页岩油裂解的原始潜量为CYLi0；实验开始时的绝对温度为T0；实验结束时的绝对温度为T；R为气体常数，R＝

8.31447kj/mol·K，则页岩油产率评价模型为：

2)建立页岩气产率评价模型，包括以下步骤：

①建立页岩气的化学动力学模型：

模型中，k2为页岩油裂解成气的反应速率系数；k3为干酪根生成页岩气的反应速率系数。

②建立页岩气产率评价模型

从页岩气的化学动力学模型中可以看出：由于页岩油的生成和裂解同时存在，因此，当页岩的成熟度达到并超过0.9％时，页岩气的产率(CQ)为干酪根直接生成的页岩气产率与页岩油二次裂解成的页岩气产率之和，页岩气的反应速率为：式中，CQG为干酪根生成页岩气的产率；CQL为页岩油二次裂解成气的产率；

假设页岩气的生成由NY个平行一级反应组成，假设每个平行一级反应的页岩气的产率为CQi，假设每个平行一级反应的页岩气生成的指前因子为AQi，活化能为EQi，i＝

1,2，……NY；升温速率为V；干酪根初始生气潜力为CQGi0；页岩油裂解为气的原始潜量CQLi0；实验开始时的绝对温度为T0；实验结束时的绝对温度为T；R为气体常数，R＝

8.31447kj/mol·K，则页岩气的产率评价模型为：

3)实验测量页岩油产率CY1lj和页岩气产率CQ1lj；

4)标定页岩油评价模型和页岩气产率评价模型中动力学参数，包括以下步骤：①构造包含动力学参数的目标函数

假设某一升温速率为V＝l，达到某一温度j时由实验所测得的页岩油产率为CY1lj，在相同的条件下，假设干酪根生成页岩油的活化能为EYGi，干酪根生成页岩油的指前因子为AYGi，干酪根生成页岩油的反应系数为FYGi0，页岩油二次裂解成页岩气的活化能为EYLi,页岩油二次裂解成页岩气的指前因子为AYLi，页岩油二次裂解成页岩气的反应分数为FYLi0，通过页岩油产率评价模型计算得到的页岩油产率为CYlj；

如果存在一组EYGi、AYGi、FYGi0、EYLi、AYLi、FYLi0的数据，使CY1lj-CYlj＝0，则该组数据为所要标定的数据，但是，由于不可避免的实验误差的存在，这种情况实际上是不可能存在的，因此，只需要求出使CY1lj-CYlj为极小值时的EYGi、AYGi、FYGi0、EYLi、AYLi、FYLi0的取值，为此构造目标函数：式中，L0为不同升温速率实验的数目；J0为一条升温速率下的实验转化率曲线(曲线由实验数据所得)上选取的采样点的数目；

由于EYGi和EYLi通过确定平行一级反应的活化能的分布范围和相邻平行一级反应的活化能间隔而求解，而且干酪根成油及页岩油二次裂解成页岩气可以使用相同的指前因子，因此，目标函数能够简化为：A、FYGi0、FYLi0应该同时满足以下约束条件：0≤FYGi0≤M油；0≤FYLi0≤M气；A>0；

其中，M油和M气为定值，此时，页岩油动力学参数的求取问题就转化为求非负的目标函数在满足约束条件时的极小点的问题；

②构造求解目标函数的惩罚函数；

③初始化M油和M气；

④求解目标函数和惩罚函数的一阶偏导函数；

⑤求取动力学参数的近似极小值并判断是否达到精度要求，通过优化方法求解出逼近惩罚函数极小点的近似解，并计算出该点的梯度，判断该梯度是否小于某一给定的小正数ε，如果是，则输出标定结果，过程结束；否则，求解新点处使惩罚函数值下降的方向，进行一维搜索，直到求解出满足精度要求的近似极小点为止，从而达到标定页岩油产率评价模型的动力学参数的目的。

2.如权利要求1所述的密闭体系下页岩油气产率评价模型建立及参数标定方法，其特征在于，所述步骤1)中的k1、k2以及所述步骤2)中k3通过下式计算：k＝Aexp(-E/RT)

式中，A为指前因子；E为活化能；R为气体常数，R＝8.31447kj/mol·K；T为绝对温度。

3.如权利要求1或2所述的密闭体系下页岩油气产率评价模型建立及参数标定方法，其特征在于，所述步骤3)包括以下步骤：①选择代表性的岩样；

②在密闭体系下进行热解模拟实验；

③实时记录实验数据；

④求取不同升温速率下页岩油产率CY1lj和页岩气产率CQ1lj。

说明书

密闭体系下页岩油气产率评价模型建立及参数标定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种非常规页岩油气资源评价方法，特别是关于一种密闭体系下页岩油气产率评价模型建立及参数标定方法。

背景技术

[0002] 经济和社会的发展对能源需求的日益攀升和常规油气资源的不断消耗，使油气供需矛盾日益突出，随着石油、天然气等可耗竭资源价格的不断走高，页岩油气的开采、利用逐渐具备经济性，此外，页岩油气的开采、利用也顺应了我国能源结构清洁化的调整方向。因此，尽快实现页岩油气规模开发，对缓解我国油气资源短缺的现状、形成油气勘探开发新格局、改变我国能源结构、保障国家能源安全以及促进经济社会发展等都具有十分重要的意义。

[0003] 中国的页岩油和页岩气资源丰富，分别位居世界第三(年产油量为46亿吨)和世界第一(年产气量为32万亿方)，但是中国的页岩油和页岩气更多的富集在相对较纯的泥页岩中，油气成藏复杂、储集空间复杂致使其具有结构多尺度和非均质性强等特点，另外，因储层孔渗极低而需水平井大规模体积压裂等，上述这些问题致使中国的页岩油气开发难度巨大。为了成功的开采出真正有价值的页岩油气，缓解中国油气紧张的现状，首先需要解决泥页岩的成储、赋存机理以及油气在泥页岩中可流动性的定量表征，进而研究页岩油气的可采和可动性。沉积盆地中有机质成烃过程可视为热力作用下的化学反应过程，即大分子有机质热裂解为小分子过程，这个过程可以用化学动力学方程来定量、动态描述，具体为：在可控的实验室温度和时间条件下以不同的升温速率对有机质进行热裂解，获得烃量和转化率与温度之间的关系曲线，标定有机质成烃的动力学参数，再结合地质条件下的升温速率进行外推，能够方便地获得成烃史信息，从而对页岩油气进行定量、动态研究。

[0004] 到目前为止，国内外已有许多学者用不同的实验设备，如高压釜、真空管、金管、Rock-Eval(生油岩评价仪)热解仪和各种自制的加热设备等，在不同的加热温度、时间和压力条件下，对各类烃源岩进行了许多热解模拟实验。热解模拟实验主要可分为开放体系热解模拟实验和密闭体系热解模拟实验，其中，采用Rock-Eval热解仪进行的热解模拟实验属于开放体系热解实验中的一种，而采用MSSV(小体积密封模拟装置)和金管的热解模拟实验均为密闭体系热解模拟实验。由于这两类热解模拟实验可以方便地获得不同升温速率下，有机质成烃(油/气)量和转化率与温度的关系曲线数据，有利于标定有机质成烃的动力学参数，因此在油气资源定量评价中被广泛采用。

[0005] 热解模拟实验数据标定的动力学参数能否成功地外推到地质情况下，热解模拟实验的条件和地质情况的近似度是关键性因素之一。从近似度方面考虑，由开放体系热解模拟实验数据标定得到的动力学参数更适合评价烃源岩边生边排的地质情况，而由密闭体系热解模拟实验数据标定得到的动力学参数适合评价有二次裂解的地质情况。页岩油是典型的源储一体、滞留聚集和连续分布的石油聚集，虽然其有机质类型相对较好，但其生成和裂解都在烃源岩内进行，并未排出，生烃环境相对密闭；对于成熟度较高的有机质，页岩油的二次裂解导致页岩油的大量减少，最后甚至全部裂解成气。基于以上特点，若采用开放体系热解模拟实验显然是不科学的，因此页岩油生成的实际地质情况更近似于密闭体系。目前有机质成烃动力学模型主要有总包反应模型、串联反应模型、无数平行一级反应模型及平行一级反应模型。从20世纪90年代以来，各模型在源岩潜力评价中的应用情况和众多盆地模拟系统中采用的动力学参数来看，具有一个相同指前因子和一个离散分布活化能的平行一级反应模型应用最为广泛。前人对此类模型也做过大量研究，最初仅利用Rock-Evel实验数据对烃源岩成烃进行动力学标定，逐渐发展到结合PY-GC数据，对成烃数据进行油气分离，再利用金管实验得到生成油的二次裂解数据，实现对烃源岩成油，成气以及油成气的动力学标定。但若要准确地实现对页岩油气地质条件下的热模拟，应使源岩生烃与油的二次裂解在同一环境下实现，前人的方法显然无法做到。而且，以往的研究主要对在开放体系热解模拟实验中干酪根成油、干酪根成气以及在密闭体系热解模拟实验中页岩油二次裂解成页岩气的动力学模型的标定，并无在密闭体系中，页岩油生成与裂解同时存在的情况下，对页岩油气产率评价模型及参数标定进行建立和研究。

发明内容

[0006] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种准确、可靠地密闭体系下页岩油气产率评价模型建立及参数标定方法。

[0007] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种密闭体系下页岩油气产率评价模型建立及参数标定方法，包括以下步骤：

[0008] 1)建立页岩油产率评价模型，包括以下步骤：

[0009] ①建立页岩油的化学动力学模型：

[0010]

[0011] 模型中，k1为干酪根生成页岩油的反应速率系数；k2为页岩油裂解成气的反应速率系数；

[0012] ②建立页岩油产率评价模型

[0013] 从页岩油的化学动力学模型中可以看出：密闭体系下，当页岩的成熟度达到并超 过0.9％时，页岩油的生成和裂解同时存在，页岩油的产率(CY)是生成和裂解两个反应过程的综合结果，这种情况下，页岩油的反应速率为：

[0014]

[0015] 式中，CYG为干酪根生成页岩油的产率；CYL为页岩油二次裂解成气的产率；t为时间；k1为干酪根生成页岩油的反应速率系数；k2为页岩油裂解成气的反应速率系数。

[0016] 假设页岩油的生成和裂解由NY个平行一级反应组成，将每个平行一级反应的页岩油的产率为CYi，将每个平行一级反应的页岩油的生成和裂解的指前因子设为AYi，活化能设为EYi，i＝1,2，……NY；升温速率为V；干酪根初始生油潜量为CYGi0；页岩油裂解的原始潜量为CYLi0；实验开始时的绝对温度为T0；实验结束时的绝对温度为T；R为气体常数，R＝8.31447kj/mol·K，则页岩油产率评价模型为：

[0017]

[0018] 2)建立页岩气产率评价模型，包括以下步骤：

[0019] ①建立页岩气的化学动力学模型：

[0020]

[0021] 模型中，k2为页岩油裂解成气的反应速率系数；k3为干酪根生成页岩气的反应速率系数。

[0022] ②建立页岩气产率评价模型

[0023] 从页岩气的化学动力学模型中可以看出：由于页岩油的生成和裂解同时存在，因此，当页岩的成熟度达到并超过0.9％时，页岩气的产率(CQ)为干酪根直接生成的页岩气产率与页岩油二次裂解成的页岩气产率之和，页岩气的反应速率为：

[0024]

[0025] 式中，CQG为干酪根生成页岩气的产率；CQL为页岩油二次裂解成气的产率；

[0026] 假设页岩气的生成由NY个平行一级反应组成，假设每个平行一级反应的页岩气的产率为CQi，假设每个平行一级反应的页岩气生成的指前因子为AQi，活化能为EQi，i＝1,2，……NY；升温速率为V；干酪根初始生气潜力为CQGi0；页岩油裂解为气的原始潜量CQLi0；实验开始时的绝对温度为T0；实验结束时的绝对温度为T；R为气体常数，R＝8.31447kj/mol·K，则页岩气的产率评价模型为：

[0027]

[0028] 3)实验测量页岩油产率CY1lj和页岩气产率CQ1lj；

[0029] 4)标定页岩油评价模型和页岩气产率评价模型中动力学参数，包括以下步骤：

[0030] ①构造包含动力学参数的目标函数

[0031] 假设某一升温速率为V＝l，达到某一温度j时由实验所测得的页岩油产率为CY1lj，在相同的条件下，假设干酪根生成页岩油的活化能为EYGi，干酪根生成页岩油的指前因子为AYGi，干酪根生成页岩油的反应系数为FYGi0，页岩油二次裂解成页岩气的活化能为EYLi,页岩油二次裂解成页岩气的指前因子为AYLi，页岩油二次裂解成页岩气的反应分数为FYLi0，通过页岩油产率评价模型计算得到的页岩油产率为CYlj；

[0032] 如果存在一组EYGi、AYGi、FYGi0、EYLi、AYLi、FYLi0的数据，使CY1lj-CYlj＝0，则该组数据为所要标定的数据，但是，由于不可避免的实验误差的存在，这种情况实际上是不可能存在的，因此，只需要求出使CY1lj-CYlj为极小值时的EYGi、AYGi、FYGi0、EYLi、AYLi、FYLi0的取值，为此构造目标函数：

[0033]

[0034] 式中，L0为不同升温速率实验的数目；J0为一条升温速率下的实验转化率曲线(曲线由实验数据所得)上选取的采样点的数目；

[0035] 由于EYGi和EYLi通过确定平行一级反应的活化能的分布范围和相邻平行一级反应的活化能间隔而求解，而且干酪根成油及页岩油二次裂解成页岩气可以使用相同的指前因子，因此，目标函数能够简化为：

[0036]

[0037] A、FYGi0、FYLi0应该同时满足以下约束条件：0≤FYGi0≤M油；0≤FYLi0≤M气；A>0；其中，M油和M气为定值，此时，页岩油动力学参数的求取问题就转化为求非负的目标函数在满足约束条件时的极小点的问题；

[0038] ②构造求解目标函数的惩罚函数；

[0039] ③初始化M油和M气；

[0040] ④求解目标函数和惩罚函数的一阶偏导函数；

[0041] ⑤求取动力学参数的近似极小值并判断是否达到精度要求，通过优化方法求解出逼近惩罚函数极小点的近似解，并计算出该点的梯度，判断该梯度是否小于某一给定的小正数ε，如果是，则输出标定结果，过程结束；否则，求解新点处使惩罚函数值下降的方向，进行一维搜索，直到求解出满足精度要求的近似极小点为止，从而达到标定页岩油产率评价模型的动力学参数的目的。

[0042] 所述步骤1)中的k1、k2以及所述步骤2)中k3通过下式计算：

[0043] k＝Aexp(-E/RT)

[0044] 式中，A为指前因子；E为活化能；R为气体常数，R＝8.31447kj/mol·K；T为绝对温度。

[0045] 所述步骤3)包括以下步骤：①选择代表性的岩样；②在密闭体系下进行热解模拟实验；③实时记录实验数据；④求取不同升温速率下页岩油产率CY1lj和页岩气产率CQ1lj。

[0046] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于同时考虑了页岩油生成和二次裂解这两种情况，在密闭体系中建立页岩油气产率评价模型，而页岩油气是典型的源储一体、滞留聚集、连续分布的油气聚集，其特点是烃源岩生烃后并未排出，生烃环境相对密闭，页岩油的生成和二次裂解同时在烃源岩内进行。因此从实验条件和地质条件的近似程度上考虑，本方法有效地解决了对密闭体系下有机质成烃(页岩油生成和二次裂解同时存在)的复杂过程的描述，实现了对页岩油气特征的定量、动态地描述。利用本方法标定出的页岩油气动力学参数，再结合实际盆地的埋藏史热史进行地质外推，获得的页岩油气生烃史信息更加准确可靠。2、由于本发明采用的热模拟实验方法为近年来国际上比较流行的金管实验，金管实验的突出优点是利用金管良好的可塑性对实验压力进行灵活设置和调控，而所施加的压力正是研究所需的流体压力，因此使得地质条件下生烃过程及其成气动力学行为更加准确、可靠。

附图说明

[0047] 图1是本发明的流程示意图

[0048] 图2是不同升温速率下，X1井页岩岩样通过金管实验模拟所得的干酪跟成油产率的实验值与通过本发明方法标定出来的计算值之间的关系示意图

[0049] 图3是不同升温速率下，X1井页岩岩样通过金管实验模拟所得的油裂解产率的实验值与通过本发明方法标定出来的计算值之间的关系示意图

[0050] 图4是不同升温速率下，X1井页岩岩样通过金管实验所得的页岩油量的实验值与通过本发明方法标定出来的计算值之间的关系示意图

[0051] 图5是X1井页岩岩样金管热解模拟实验中干酪根成油活化能的分布示意图[0052] 图6是X1井页岩岩样金管热解模拟实验中油裂解活化能的分布示意图[0053] 图7是X1井页岩干酪根成油与油裂解动力学参数结合该井所在盆地埋藏史和热史地质外推页岩油产率的剖面示意图

[0054] 图8是不同升温速率下，X2井碳质泥样通过金管实验所得的干酪根成气产率的实验值与通过本发明方法标定出来的计算值之间的关系示意图

[0055] 图9是不同升温速率下，X2井碳质泥样通过金管实验所得的油成气产率的实验值与通过本发明方法标定出来的计算值之间的关系示意图

[0056] 图10是不同升温速率下，X2井碳质泥样通过金管实验所得的页岩气产率的实验值与通过本发明方法标定出来的计算值之间的关系示意图

[0057] 图11是X2井碳质泥样金管热解模拟实验中干酪根成气活化能的分布示意图[0058] 图12是X2井碳质泥样金管热解模拟实验中油成气活化能的分布示意图[0059] 图13是X2井碳质泥样金管热解模拟实验中页岩气活化能的分布示意图[0060] 图14是X2井碳质泥样结合该井所在埋藏史和热史地质外推页岩气产率剖面示意图

具体实施方式

[0061] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

[0062] 如图1所示，本发明提供一种密闭体系下页岩油气产率评价模型建立及参数标定方法，包括以下步骤：

[0063] 1)建立页岩油的产率评价模型，包括以下步骤：

[0064] ①建立页岩油的化学动力学模型：

[0065]

[0066] 模型中，k1为干酪根生成页岩油的反应速率系数；k2为页岩油裂解成页岩气的反应速率系数。

[0067] ②建立页岩油的产率评价模型

[0068] 从页岩油的化学动力学模型中可以看出：密闭体系下，当页岩的成熟度达到并超过0.9％时，页岩油的生成和裂解同时存在，页岩油的产率(CY)是生成和裂解两个反应过程的综合结果，这种情况下，页岩油的反应速率为：

[0069]

[0070] 式中，CYG为干酪根生成页岩油的产率；CYL为页岩油二次裂解的产率；t为时间。

[0071] k1和k2统称为反应速率系数k，计算反应速率系数k的表达式为：

[0072] k＝Aexp(-E/RT) (2)

[0073] 式中，A为指前因子；E为活化能；R为气体常数，R＝8.31447kj/mol·K；T为绝对温度。

[0074] 假设页岩油的生成和裂解由NY个平行一级反应组成，将每个平行一级反应的页岩油的产率设为CYi，将每个平行一级反应的页岩油的指前因子设为AYi，活化能设为EYi，i＝1,2，……NY；升温速率为V；干酪根初始生油潜量为CYGi0；页岩油裂解的原始潜量为CYLi0；实验开始时的绝对温度为T0；实验结束时的绝对温度为T，R为气体常数，R＝8.31447kj/mol·K，则页岩油产率评价模型为：

[0075]

[0076] 2)建立页岩气的产率评价模型，包括以下步骤：

[0077] ①建立页岩气的化学动力学模型：

[0078]

[0079] 模型中,k3为干酪根生成页岩气的反应速率系数。

[0080] ②建立页岩气的产率评价模型

[0081] 从页岩气的化学动力学模型中可以看出：由于页岩油的生成和裂解同时存在，因此，当页岩的成熟度达到并超过0.9％时，页岩气的产率(CQ)为干酪根直接生成的页岩气产率与页岩油二次裂解成的页岩气产率之和，页岩气的反应速率为：

[0082]

[0083] 式中，CQG为干酪根生成页岩气的产率；CQL为页岩油二次裂解成页岩气的产率；k3通过公式(2)求解。

[0084] 假设页岩气的生成由NY个平行一级反应组成，假设每个平行一级反应的页岩气的产率为CQi，假设每个平行一级反应的页岩气生成的指前因子为AQi，活化能为EQi，i＝1,2，……NY；升温速率为V；干酪根初始生气潜力为CQGi0；页岩油裂解为页岩气的原始潜量CQLi0；实验开始时的绝对温度为T0；实验结束时的绝对温度为T，R为气体常数，R＝
8.31447kj/mol·K，则页岩气的产率评价模型为：

[0085]

[0086] 如果已知页岩油动力学参数，即每个平行一级反应的页岩油的生成和裂解的指前因子AYi、页岩油活化能EYi和页岩油反应分数FYi0；再已知页岩气的动力学参数，即每个平行一级反应的页岩气生成的指前因子AQi、页岩气活化能EQi、页岩气反应分数FQi0，再结合研究区内的热史，则可动态地计算出地史时期页岩油和页岩气的量。

[0087] 3)实验测量页岩油/页岩气产率，包括以下步骤：

[0088] ①选择代表性的岩样；

[0089] ②在密闭体系下进行热解模拟实验；

[0090] ③实时记录实验数据；

[0091] ④求取不同升温速率下页岩油产率CY1lj和页岩气产率CQ1lj。

[0092] 4)标定页岩油和页岩气产率评价模型中动力学参数，由于页岩油和页岩气产率评价模型中动力学参数的标定方法相同，所以，仅以页岩油的动力学参数标定为例进行详细的描述，包括以下步骤：

[0093] ①构造目标函数

[0094] 假设某一升温速率为V＝l，达到某一温度j时由实验所测得的页岩油产率为CY1lj，在相同的条件下，假设干酪根生成页岩油的活化能为EYGi，干酪根生成页岩油的指前因子为AYGi，干酪根生成页岩油的反应系数为FYGi0，页岩油二次裂解成页岩气的活化能为EYLi,页岩油二次裂解成页岩气的指前因子为AYLi，页岩油二次裂解成页岩气的反应分数为FYLi0，通过页岩油产率评价模型计算得到的页岩油产率为CYlj。

[0095] 如果存在一组EYGi、AYGi、FYGi0、EYLi、AYLi、FYLi0的数据，使CY1lj-CYlj＝0，则该组数据为所要标定的数据，但是，由于不可避免的实验误差的存在，这种情况实际上是不可能存在的，因此，只需要求出使CY1lj-CYlj为极小值时的EYGi、AYGi、FYGi0、EYLi、AYLi、FYLi0的取值，为此构造目标函数：

[0096]

[0097] 式中，L0为不同升温速率实验的数目；J0为一条升温速率下的实验转化率曲线(曲线由实验数据所得)上选取的采样点的数目。

[0098] 从原理上讲，平行一级反应的数目取值越大，就越有可能包括干酪根成油的所有反应类型，因而应该越精确，但由于此时的页岩油产率评价模型中页岩油动力学参数的标定及随后应用时的计算量极大，因此难以实用化，而且，实际标定的过程中发现，虽然页岩油产率评价模型对实验数据的拟合程度一般随平行一级反应的细分而改善，但平行一级反应的数目达到一定程度之后，拟合程度的改善已不明显。因此，仅需用有限个具有一定间隔的平行一级反应即可。

[0099] 由于EYGi和EYLi通过确定平行一级反应的活化能的分布范围和相邻平行一级反应的活化能间隔而求解，而且干酪根成油及页岩油二次裂解成页岩气可以使用相同的指前因子，因此，目标函数能够简化为：

[0100]

[0101] A、FYGi0、FYLi0应该同时满足以下约束条件：0≤FYGi0≤M油；0≤FYLi0≤M气；A>0；其中，M油和M气为定值，此时，页岩油动力学参数的求取问题就转化为求非负的目标函数(7)在满足约束条件时的极小点的问题。

[0102] ②构造惩罚函数

[0103] 含有约束条件的目标函数的极小值的求解比较复杂，因为除了要使目标函数值逐渐下降之外，还要注意解的可行性，即看所求到的解是否处于约束条件所限定的范围 之内。本发明采用惩罚函数法将约束条件下求解目标函数极小值转化为无约束条件下求解目标函数极小值。其过程如下：

[0104] 对应任意一个约束条件，构造一个惩罚项G，当所求得的函数的极小值满足该约束条件时，函数值为0，否则为正数。

[0105] 如，对A>0这一约束条件，有：

[0106]

[0107] G1(A)＝[min(0,A)]2 (9)

[0108] 同理，对于0≤FYGi0≤M油这一约束条件，有：

[0109]

[0110] 即G2(FYGi0)＝[min(0,FYGi0)]2+[min(0,M油-FYGi0)]2 (11)

[0111] 同理有：

[0112]

[0113] 即G3(FYLi0)＝[min(0,FYLi0)]2+[min(0,M气-FYLi0)]2 (13)

[0114] 同理有：

[0115]

[0116] 同理有：

[0117]

[0118] 基于上述每一约束条件建立的函数，可以得到惩罚项：

[0119]

[0120]

[0121] 取一个充分大的正整数R1，由公式(7)和公式(16)构造惩罚函数

[0122] F(A,FYGi0,FYLi0)＝Q(A,FYGi0,FYLi0)+R1·G(A,FYGi0,FYLi0) (17)[0123] 如果所求出的极小点超出约束条件，则逐渐增大R1，当R1充分大时，惩罚函数的极小值即为目标函数的极小值。

[0124] ③初始化M油和M气。

[0125] ④求解目标函数和惩罚函数的一阶偏导函数

[0126] 极小值存在的必要条件是：惩罚函数的一阶偏导数为0。先对目标函数求一阶偏导数：

[0127]

[0128] 式中：

[0129]

[0130]

[0131] 式中，m＝1,2，……NY。

[0132] 再对惩罚函数求一阶偏导数：

[0133]

[0134]

[0135] 式中：m＝1,2，……NY；

[0136]

[0137] 式中：m＝1,2，……NY；

[0138] 理论上讲，极小值处应该有方程组：

[0139]

[0140] 式中，m＝1,2，……NY。

[0141] 方程组(24)内含有2×NY+1个方程式和2×NY+1个待定变量，如果能精确地求解出方程组(24)，则能得到若干可能的极小值，可达到求解2×NY+1个动力学参数A，FYGi0，FYLi0。

[0142] ⑤求取动力学参数的近似极小值并判断是否达到精度要求

[0143] 数学上，对于无约束函数的求解提供了多种优化算法，本发明采用收敛速度较快且计算不烦琐的二阶导数矩阵及DFP变尺度法来进行优化计算，其详细的推导过程可参见有关文献[李维铮等，1982，运筹学]，本发明仅简述基本思路：

[0144] 任 给 一 个 始 点 由式(24)可计算出惩罚函数(17)在该点的一阶导数 同时通过数学方法可计
算出惩罚函数(17)在该点的二阶导数矩阵的逆阵的近似 数学上可以证明，
为使惩罚函数(17)的函数值有所下降的方向。在该方向上进行
一维搜索，定出最佳步长λ，即可求出一个更逼近极小点的近似解 计
算出该点的梯度(一阶导数向量的模)，如果它小于某一给定的小正数ε，即可认为该点为极小点的近似解,否则，求解新点处使惩罚函数值下降的方向，进行一维搜索，直到求解出满足精度要求的近似极小点为止，从而达到标定页岩油产率评价模型(3)的动力学参数的目的。

[0145] 实施例：以X1井页岩和X2井碳质泥岩为例，采用本发明方法建立页岩油气产率评价模型并标定其动力学参数，包括以下步骤：

[0146] 1)以X1井页岩为例，建立页岩油产率评价模型，包括以下步骤：

[0147] ①建立X1井页岩油的化学动力学模型：

[0148]

[0149] 模型中，k1为干酪根生成页岩油的反应速率系数；k2为页岩油裂解成页岩气的反应速率系数。

[0150] ②建立X1井页岩油的产率评价模型

[0151] 从页岩油的化学动力学模型中可以看出：密闭体系下，当页岩的成熟度达到并超过0.9％时，页岩油的生成和裂解同时存在，页岩油的产率(CY)是生成和裂解两个反应过程的综合结果，这种情况下，页岩油的反应速率为：

[0152]

[0153] 式中，CYG为干酪根生成页岩油的产率；CYL为页岩油二次裂解的产率；t为时间。

[0154] 其中，k1和k2统称为反应速率系数k，计算反应速率系数k的表达式为：

[0155] k＝Aexp(-E/RT) (26)

[0156] 式中，A为指前因子；E为活化能；R为气体常数，R＝8.31447kj/mol·K；T为绝对温度。

[0157] 假设页岩油的生成和裂解由NY个平行一级反应组成，将每个平行一级反应的页岩油的产率为CYi，将每个平行一级反应的页岩油的生成和裂解的指前因子设为AYi，活化能设为EYi，i＝1,2，……NY；升温速率为V；干酪根初始生油潜量为CYGi0；页岩油裂解的原始潜量为CYLi0；实验开始时的绝对温度为T0；实验结束时的绝对温度为T；R为气体常数，R＝8.31447kj/mol·K，则页岩油产率评价模型为：

[0158]

[0159] 2)以X2井碳质泥岩为例，建立页岩气产率评价模型，包括以下步骤：

[0160] ①建立X2井碳质泥岩岩气的化学动力学模型：

[0161]

[0162] 模型中，k3为干酪根生成页岩气的反应速率系数。

[0163] ②建立X2井碳质泥岩页岩气的产率评价模型

[0164] 从页岩气的化学动力学模型中可以看出：由于页岩油的生成和裂解同时存在，因此，当页岩的成熟度达到并超过0.9％时，页岩气的产率(CQ)为干酪根直接生成的页岩气产率与页岩油二次裂解成的页岩气产率之和，页岩气的反应速率为：

[0165]

[0166] 式中，CQG为干酪根生成气的产率；CQL为页岩油二次裂解成气的产率；k2k3通过公式(2)求解。

[0167] 假设页岩气的生成由NY个平行一级反应组成，假设每个平行一级反应的页岩气的产率为CQi，假设每个平行一级反应的页岩气生成的指前因子为AQi，活化能为EQi，i＝1,2，……NY；升温速率为V；干酪根初始生气潜力为CQGi0；页岩油裂解为页岩气的原始潜量CQLi0；实验开始时的绝对温度为T0；实验结束时的绝对温度为T；R为气体常数，R＝
8.31447kj/mol·K，则页岩气的产率评价模型为：

[0168]

[0169] 如果已知页岩油动力学参数，即每个平行一级反应的页岩油的生成和裂解的指前因子AYi、页岩油活化能EYi和页岩油反应分数FYi0；再已知页岩气的动力学参数，即每个平行一级反应的页岩气生成的指前因子AQi、页岩气活化能EQi、页岩气反应分数FQi0，再结合研究区内的热史，则可动态地计算出地史时期页岩油和页岩气的量。

[0170] 3)实验测量页岩油/页岩气产率，包括以下步骤：

[0171] ①选择代表性的岩样，本发明选择的岩样为X1井页岩和X2井碳质泥岩，其中，X1井页岩用于标定页岩油，X2井碳质泥岩用于标定页岩气。

[0172] ②在密闭体系下进行热解模拟实验，本发明采用限定体系的金管热解模拟实验，3
采用的金管的壁厚为0.2mm、外径为4mm、最大容积为1cm。将装有X1井页岩和X2井碳质泥岩的金管置于氩气箱中，以置换出金管中的空气，然后用高频焊机对金管进行焊封，并将焊封好的金管放入以水为压力介质的高压釜中。

[0173] 金管热解模拟实验的实验系统能够同时接入15个高压釜，每一个高压釜连接一个截止阀并最终连接于同一压力系统中。通过压力控制系统把压力系统中的体系压力控制在设定的压力点上，压力表的精度为0.5MPa。高压釜置于恒温水箱中，恒温水箱可以一定的升温速率恒速升温，控温仪精度为0.1℃。这样每个金管都处在相同的压力和温度条件下。压力和温度系统都受控于中心控制电脑。在50MPa的压力下，分别以20℃/h和2℃/h的升温速率将抽提后的岩样从200℃升温至560℃。

[0174] ③实时记录实验数据，如表1、表2所示。

[0175] ④求取不同升温速率下油气产率，X1井页岩通过金管热解模拟实验得到的不同升温速率下页岩油产率见表3，表3中页岩油产率通过金管热解模拟实验测得，而干酪根成油产率和裂解油产率则通过本发明方法拟合得到。X2井页岩通过金管热解模拟实验得到的页岩气产率见表4，表4中页岩气产率通过金管热解模拟实验测得，而干酪根成气产率和油成气产率则通过本发明方法拟合得到。

[0176] 表1

[0177]

[0178]

[0179] 表2

[0180]

[0181]

[0182] 表3

[0183]

[0184]

[0185] 表4

[0186]

[0187] 4)标定页岩油产率评价模型和页岩气产率评价模型中的动力学参数

[0188] 选择升温速率的数目为2个，升温速率l分别为2℃/h和20℃/h，平行一级反应14 -1
的数目NY＝19，X1井页岩的指前因子值为1.56×10 min ；X2井碳质泥岩的指前因子值
14 -1
为1.49×10 min ，同一口井采用相同的指前因子标定。

[0189] 按上述技术方案中的标定原理标定得到的X1井页岩的页岩油的动力学参数，即干酪根成油与油裂解动力学参数结合见表5，X2井页岩的页岩气的动力学参数见表6。

[0190] 表5

[0191]

[0192] 表6

[0193]

[0194]

[0195] 如图2～图4所示，X1井页岩岩样在不同的升温速率下，通过金管实验所得的干酪根成油产率、油裂解产率和页岩油产率的实验值与通过本发明方法标定出来的计算值拟合度较高。

[0196] 如图5所示，X1井页岩岩样的干酪根成油的活化能主要分布在200-210kJ/Mol；即干酪根主要在活化能为200-210kJ/Mol区间成油，动力学参数较为集中，干酪根类型较好。

[0197] 如图6所示，X1井油裂解活化能主要分布在220-240kJ/Mol，即原油主要在活化能为220-240kJ/Mol区间发生裂解。

[0198] 如图7所示，X1井页岩油产率剖面，2000m左右开始进入生油期，2900m为生油高峰，页岩油产率可达370mgHC/gTOC，原油开始大量裂解，4000m左右原油基本全部裂解成气。

[0199] 如图8～图10所示，X2井碳质泥岩岩样在不同的升温速率下，通过金管实验所得的干酪根成气产率、油成气产率、页岩气产率的实验值与通过本发明方法标定出来的计算值拟合度较高。

[0200] 如图11所示，X2井页岩岩样的干酪根成气的活化能主要分布在210-260kJ/Mol，即干酪根成气主要在活化能为210-260kJ/Mol区间生成，动力学参数较为分散。

[0201] 如图12所示，X2井油裂解气活化能主要分布在220-230kJ/Mol，即原油主要在活化能为220-230kJ/Mol区间裂解成气。

[0202] 如图13所示，X2井页岩岩样的页岩气的活化能主要分布在210-260kJ/Mol，即页岩气主要在活化能为210-260kJ/Mol区间生成，动力学参数较为分散。

[0203] 如图14所示，X2井页岩气产率剖面，1200m左右开始进入生气期，2200m为生气高峰，页岩气产率可达120mgHC/gTOC。

[0204] 上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。