岩石气体吸附相体积测量方法及装置与流程

本申请涉及地球物理勘探技术领域，特别涉及一种岩石气体吸附相体积测量方法及装置。

背景技术：

岩石中的气体主要以游离态赋存于纳米级孔隙和微裂缝中，以及，以吸附态赋存于有机质及粘土矿物孔隙表面。地质储量是气藏经济性评价中的关键参数，其通常为游离气含量和吸附气含量之和。游离气含量主要受孔隙度、地层温度、压力、以及含气饱和度等因素的影响，计算较为简单。吸附气含量主要受气体与基质的相互作用、流体的性质、以及地层温压等因素的影响，对其进行准确评价较为复杂。因此，吸附气含量的准确测量对地质储量的评价有重要的意义。

为了对岩石的吸附气含量进行准确测量，目前通常采用室内等温吸附实验来测试一定温度条件下岩石样品的等温吸附曲线，然后采用Langmuir(朗格缪尔)吸附模型对曲线拟合后计算其吸附气含量。但是，国内外学者在利用容量法对岩石进行等温吸附实验时发现，气体吸附相体积的存在将减小样品池中的自由空间体积，进而对岩石吸附能力的测量结果产生影响。如果忽略气体吸附相所占据的体积，将导致吸附气含量的测量结果偏小，对岩石的实际吸附能力造成低估。因此，气体吸附相体积的准确测量，对计算岩石的吸附气含量有重要的影响。

目前，国内外对于吸附相体积的研究仍处于理论假设和数学优化阶段。2012年3月Ambrose等人在“SPE Journal”第17卷第1期中的名称为“Shale gas-in-place calculations Part I:New pore-scale considerations”的文章中，提出了计算页岩气地质储量时应考虑吸附相所占据的体积，但并没有给出吸附相体积实验测试方法。1999年8月周理等人在“化学进展”第11卷第3期中的名称为“评述评超临界温度气体在多孔固体上的物理吸附”的文章中、2000年1月周理等人在“中国科学B辑”第30卷第1期中的名称为“超临界甲烷在高表面活性炭上的吸附测量及其理论分析”的文章中、以及2015年5月俞凌杰等人在“石油学报”第36卷第5期中的名称为“富有机质页岩高温高压重量法等温吸附实验”的文章中，将绝对吸附量数据曲线与吸附方程相结合，并基于拟合最优化原则，计算得到了甲烷的吸附相体积和密度。这种将吸附相体积设为变量，然后通过等温吸附模型的优化拟合得到吸附相体积的方法，严重依赖于等温吸附模型的适用性。但是，不同类型的岩石通常具有不同的孔隙结构，使得等温吸附模型的适用性较差，一种等温吸附模型通常难以适用于各种不同类型的岩石。因此，利用该方法所得到的吸附相体积尚需进一步研究。

因此，对于岩石的气体吸附相体积，不同学者的研究结果相差很大，终无定论。目前尚未有实用性强并且能够精确测量岩石气体吸附相体积的方法。

技术实现要素：

本申请实施例的目的是提供一种适用性强并且能够精确测量岩石气体吸附相体积的方法及装置。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供的一种岩石气体吸附相体积测量方法及装置是这样实现的：

一种岩石气体吸附相体积测量方法，包括：

当置入目标岩石的测量室中，目标气体的压力值为第一压力值集合中的每个第一预设压力值时，获取该第一预设压力值下测量室的第一质量，所述第一质量包括目标气体的绝对吸附质量；

依据预设函数关系、测量室本身的质量和体积、目标岩石的质量和体积、以及测量室的第一质量，计算该第一预设压力值下目标气体的过剩吸附质量，所述预设函数关系为过剩吸附质量、绝对吸附质量、以及吸附相体积之间的函数关系；

基于所述第一压力值集合中各第一预设压力值所对应的过剩吸附质量，确定目标气体相对于目标岩石的吸附相体积。

一种岩石的气体吸附相体积测量装置，包括：

获取单元，用于当置入目标岩石的测量室中，目标气体的压力值为第一压力值集合中的每个第一预设压力值时，获取该第一预设压力值下测量室的第一质量，所述第一质量包括目标气体的绝对吸附质量；

计算单元，用于依据预设函数关系、测量室本身的质量和体积、目标岩石的质量和体积、以及测量室的第一质量，计算该第一预设压力值下目标气体的过剩吸附质量，所述预设函数关系为过剩吸附质量、绝对吸附质量、以及吸附相体积之间的函数关系；

确定单元，用于基于所述第一压力值集合中各第一预设压力值所对应的过剩吸附质量，确定目标气体相对于目标岩石的吸附相体积。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例采用实验的方法确定目标气体相对于目标岩石的吸附相体积，避免了等温吸附模型的优化拟合过程。因此，与现有技术相比，本申请实施例具有较强的适用性和较高的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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申请中记载的一些实施例，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为本申请实施例岩石气体吸附相体积测量方法的流程图；

图2为本申请实施例基于选取的第一预设压力值所对应的过剩吸附质量、以及选取的第一预设压力值所对应的目标气体密度，进行直线拟合的示意图；

图3为本申请实施例基于第二压力值集合中各第二预设压力值所对应的第二质量、以及所对应的测试气体密度，进行直线拟合的示意图；

图4为本申请实施例基于第三压力值集合中各第三预设压力值所对应的第三质量、以及所对应的测试气体密度，进行直线拟合的示意图；

图5为本申请实施例岩石气体吸附相体积测量装置的功能结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

下面介绍本申请岩石气体吸附相体积测量方法的一个实施例。请参阅图1，该实施例可以包括如下的步骤。

步骤S10：当置入目标岩石的测量室中，目标气体的压力值为第一压力值集合中的每个第一预设压力值时，获取该第一预设压力值下测量室的第一质量，所述第一质量包括目标气体的绝对吸附质量。

所述目标岩石可以为待测量的岩石，具体可以包括页岩、泥岩和煤矿等。所述目标气体可以为待测量的气体，具体可以包括甲烷和二氧化碳等。所述测量室为用于容纳所述目标岩石和所述目标气体的容器，例如，可以为测量桶。

所述第一压力值集合通常为两个或两个以上的第一预设压力值组成的集合。每个所述第一预设压力值可以大于或等于预设阈值。所述预设阈值可以根据实际需要灵活设定，例如，可以为20MPa。

所述绝对吸附质量，又称为实际吸附质量，通常为在某一压力值下，实际上处于被吸附状态的气体质量。

通常地，可以将目标岩石置入测量室，并可以通过增压泵将目标气体泵入所述测量室；可以先后设置测量室中目标气体的压力值分别为第一压力值集合中的各第一预设压力值。当测量室中目标气体的压力值为每个所述第一预设压力值时，可以在测量室中的目标气体达到吸附平衡后，通过磁悬浮天平获取该第一预设压力值下，所述测量室的第一质量。所述第一质量通常是所述测量室本身的质量、所述目标岩石的质量、所述目标气体的绝对吸附质量、所述测量室的浮力、所述目标岩石的浮力、以及吸附相浮力共同作用的结果。其中，所述吸附相浮力，通常为处于被吸附状态的目标气体所受到的浮力。

通常地，可以通过如下的公式表示所述第一质量。

Δm_a＝m_sc+m_s+m_a-(V_sc+V_s+V_a)×ρ_g1 (1)

上式(1)中，

Δm_a表示测量室的第一质量；

m_sc表示测量室本身的质量；

m_s表示目标岩石的质量；

m_a表示目标气体的绝对吸附质量；

V_sc表示测量室的体积；

V_s表示目标岩石的体积；

V_a表示目标气体的吸附相体积，即，处于被吸附状态的目标气体所占据的体积；

ρ_g1表示目标气体的密度。

步骤S11：依据预设函数关系、测量室本身的质量和体积、目标岩石的质量和体积、以及测量室的第一质量，计算该第一预设压力值下目标气体的过剩吸附质量。

所述过剩吸附质量，通常指通过吸附实验计算得到的，处于被吸附状态的目标气体质量。由吉布斯(Gibbs)吸附理论可知，在高压状态下，通过吸附实验计算出的目标气体吸附质量通常不能反映其真实的吸附质量，二者之间存在差异，原因在于高估了游离态气体。即，目标气体的过剩吸附质量与其绝对吸附质量之间存在差异。

所述预设函数关系通常为过剩吸附质量、绝对吸附质量、以及吸附相体积之间的函数关系，具体如下。

m_ex＝m_a-V_a×ρ_g1 (2)

上式(2)中，

m_ex表示目标气体的过剩吸附质量。

结合公式(2)和公式(1)，可以得到如下的过剩吸附质量计算公式。

m_ex＝Δm_a-m_sc-m_s+(V_sc+V_s)×ρ_g1 (3)

依据预设函数关系、测量室本身的质量和体积、目标岩石的质量和体积、以及测量室的第一质量，可以根据上述公式(3)计算该第一预设压力值下目标气体的过剩吸附质量。

步骤S12：基于所述第一压力值集合中各第一预设压力值所对应的过剩吸附质量，确定目标气体相对于目标岩石的吸附相体积。

通常地，可以从所述第一压力值集合中，选取压力值大于高压阈值的第一预设压力值；可以基于选取的第一预设压力值所对应的过剩吸附质量、以及选取的第一预设压力值所对应的目标气体密度，进行直线拟合，得到拟合直线；可以基于所述拟合直线确定目标气体相对于目标岩石的吸附相体积。所述高压阈值可以根据实际需要灵活设定。

在一个具体的应用场景中，地质储层中气体的压力通常大于15MPa。因此，为了使测量的吸附相体积更加精确，更符合地质储层的真实情况，所述高压阈值的数值可以为15MPa。

通常地，可以将拟合直线斜率的绝对值作为目标气体的吸附相体积。所述拟合直线的相关系数通常大于预设系数阈值。所述系数阈值可以根据实际需要灵活设定，例如，可以为0.99。

图2为基于选取的第一预设压力值所对应的过剩吸附质量、以及选取的第一预设压力值所对应的气体密度，进行直线拟合的示意图。在图2中，横坐标为目标气体的密度，纵坐标为过剩吸附质量，拟合直线的方程为y＝-0.012x+0.002，拟合直线的相关系数R²为0.9923。基于图2中的拟合直线，可以确定目标气体的吸附相体积为0.0121cm3。

在一个实施方式中，在步骤S10之前，所述方法还可以包括：确定测量室本身的质量和体积、以及目标岩石的质量和体积。

所述确定测量室本身的质量和体积，可以包括：当没有置入目标岩石的测量室中，测试气体的压力值为第二压力值集合中的每个第二预设压力值时，获取该第二预设压力值下测量室的第二质量；基于所述第二压力值集合中各第二预设压力值所对应的第二质量，确定测量室本身的质量和体积。

所述测试气体可以为惰性气体，例如，可以为氦气。

所述第二压力值集合通常为两个或两个以上的第二预设压力值组成的集合。

具体地，可以在测量室中没有置入目标岩石的情况下，将测试气体泵入测量室；先后设置测量室中测试气体的压力值分别为第二压力值集合中的各第二预设压力值；当测量室中测试气体的压力值为每个所述第二预设压力值时，可以通过磁悬浮天平获取该第二预设压力值下测量室的第二质量。

可以通过如下的公式表示所述第二质量。

Δm_v＝m_sc-V_sc×ρ_g2 (4)

上式(4)中，

Δm_v表示测量室的第二质量；

ρ_g2表示测试气体的密度。

可以基于所述第二压力值集合中各第二预设压力值所对应的第二质量、以及所对应的测试气体密度，进行直线拟合，得到拟合直线；可以将拟合直线斜率的绝对值作为测量室的体积，将拟合直线的纵截距作为测量室本身的质量。

图3为基于第二压力值集合中各第二预设压力值所对应的第二质量、以及所对应的测试气体密度，进行直线拟合的示意图。在图3中，横坐标为测试气体的密度，纵坐标为第二质量，拟合直线的方程为y＝-0.638712x+5.045342，拟合直线的相关系数R²为0.999997。基于图3中的拟合直线，可以确定测量室的第二质量为5.045342g，体积为0.638712cm³。

所述确定目标岩石的质量和体积，可以包括：当置入目标岩石的测量室中，测试气体的压力值为第三压力值集合中的每个第三预设压力值时，获取该第三预设压力值下测量室的第三质量；基于测量室本身的质量和体积、以及所述第三压力值集合中各第三预设压力值所对应的第三质量，确定目标岩石的质量和体积。

所述第三压力值集合通常为两个或两个以上的第三预设压力值组成的集合。

具体地，在将目标岩石置入测量室，并将测试气体泵入测量室后，先后设置测量室中测试气体的压力值分别为第三压力值集合中的各第三预设压力值；当测量室中测试气体的压力值为每个所述第三预设压力值时，可以通过磁悬浮天平获取该第三预设压力值下测量室的第三质量。所述测试气体通常为惰性气体。鉴于惰性气体通常不发生吸附作用，可以通过如下的公式表示所述第三质量。

Δm_b＝m_sc+m_s-(V_sc+V_s)×ρ_g2 (5)

上式(5)中，

Δm_b表示测量室的第三质量。

可以基于所述第三压力值集合中各第三预设压力值所对应的第三质量、以及所对应的测试气体密度，进行直线拟合，得到拟合直线；可以将拟合直线斜率的绝对值作为测量室体积和目标岩石体积的和，即，V_sc+V_s；可以将拟合直线的纵截距作为测量室本身质量和目标岩石质量的和，即，m_sc+m_s。鉴于测量室本身的质量和体积可以由公式(4)得到，因此，通过拟合直线斜率的绝对值可以得到目标岩石的体积，通过拟合直线的纵截距可以得到目标岩石的质量。

图4为基于第三压力值集合中各第三预设压力值所对应的第三质量、以及所对应的测试气体密度，进行直线拟合的示意图。在图4中，横坐标为测试气体的密度，纵坐标为第三质量，拟合直线的方程为y＝-1.899215x+8.358776，拟合直线的相关系数R²为0.999996。基于图4中的拟合直线，可以确定目标岩石的质量为3.313434g，体积为1.260503cm³。

在一个实施方式中，在步骤S10之前，所述方法还可以包括：粉碎目标岩石；将粉碎后的目标岩石置入所述测量室。

例如，可以将目标岩石粉碎至0.38-0.83mm(20-40目)。其中，目通常指每平方英寸筛网上的空格数目，可以用于表示物料的粒度或粗细度。

图1所对应的实施例，利用实验的方法对目标气体的吸附相体积进行测量，不需要采用各种等温吸附模型进行优化拟合。因此，图1所对应的实施例更加精确、简易和快速，具有更强的适用性。

需要说明的是，所述第一压力值集合中的第一预设压力值、所述第二压力值集合中的第二预设压力值、以及所述第三压力值集合中的第三预设压力值，可以相同，也可以不同，还可以部分相同。

请参阅图5。本申请实施例还提供一种岩石的气体吸附相体积测量装置，该装置可以包括：

获取单元50，用于当置入目标岩石的测量室中，目标气体的压力值为第一压力值集合中的每个第一预设压力值时，获取该第一预设压力值下测量室的第一质量，所述第一质量包括目标气体的绝对吸附质量；

计算单元51，用于依据预设函数关系、测量室本身的质量和体积、目标岩石的质量和体积、以及测量室的第一质量，计算该第一预设压力值下目标气体的过剩吸附质量，所述预设函数关系为过剩吸附质量、绝对吸附质量、以及吸附相体积之间的函数关系；

确定单元52，用于基于所述第一压力值集合中各第一预设压力值所对应的过剩吸附质量，确定目标气体相对于目标岩石的吸附相体积。

在20世纪90年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)(例如现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片2。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logic compiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)，而HDL也并非仅有一种，而是有许多种，如ABEL(Advanced Boolean Expression Language)、AHDL(Altera Hardware Description Language)、Confluence、CUPL(Cornell University Programming Language)、HDCal、JHDL(Java Hardware Description Language)、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL(Ruby Hardware Description Language)等，目前最普遍使用的是VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)与Verilog2。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。

控制器可以按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。