一种用于气-气扩散实验顺序取样组成数据的统一时刻校正方法

本发明属于石油与天然气开发实验数据处理，具体涉及一种用于pvt筒气-气扩散实验顺序取样组成数据的统一时刻校正方法，尤其涉及一种针对不同取样位置实际取样时刻不一致所引起的组成测量偏差的数据校正的方法。

背景技术：

1、在石油与天然气开发研究中，气-气扩散实验是表征多组分气体在储层条件下扩散传质规律、获取有效扩散系数并认识组分传递机制的重要实验手段，其实验结果直接影响扩散机理分析、扩散系数计算及注气开发方案评价，因此具有重要意义。

2、现有pvt筒气-气扩散实验中，通常向pvt筒中分别注入两种组成不同的气体，在达到设定扩散时间后，沿pvt筒高度方向的多个位置进行快速顺序取样，再利用集气袋收集样品并通过气相色谱分析获得各位置气体组成。由于各取样位置通常无法在同一时刻同步取样，不同位置样品的实际取样时刻之间客观存在时间差；在该取样过程中气-气扩散仍在持续进行，名义上对应同一扩散时间的各位置组成数据，实际上对应不同的真实取样时刻，进而导致不同位置的组成数据产生系统性的时刻错位，降低不同位置样品之间的可比性，造成扩散剖面组成失真，并进一步影响扩散系数计算、模型拟合及机理解释的准确性。

3、现有关于pvt筒中气-气扩散实验的研究多集中在扩散系数测定、扩散机理分析、压力/浓度拟合和孔隙介质影响因素评价等方面，并未直接针对pvt筒高度方向多位置顺序取样造成同一名义扩散时间下组成数据并非同一真实时刻的问题提出校正方法。色谱分析领域有保留时间漂移校正方法。zushi 等采用插值对齐法，校正了全二维气相色谱-高分辨飞行时间质谱分析中仪器波动导致的组分保留时间漂移误差，统一了不同进样批次的色谱时间基准，避免组分错配，提升了多组分分析准确性（zushi, yasuyuki,gros,et al.pixel-by-pixel correction of retention time shifts in chromatograms fromcomprehensive two-dimensional gas chromatography coupled to high resolutiontime-of-flight mass spectrometry.[j]. journal of chromatography. a,2017,vol.1508: 121-129.）。skov 等也研究过二维气相色谱运行过程中的保留时间漂移处理。但这些方法解决的是仪器分析时间轴漂移和峰匹配问题，不是扩散实验空间取样时序误差（skov, thomas,hoggard,et al. handling within run retention time shifts intwo-dimensional chromatography data using shift correction and modeling[j].journal of chromatography a,2009,vol.1216(18): 4020-4029.）。gb/t45133-2025 和iso 12963:2017主要采用以单点/两点线性回归为核心的四种校准方法，配套非线性不确定度评定与系统稳定性核查，校正了气相色谱仪器的响应偏差、基线漂移、零值误差及轻微非线性误差，建立了仪器电信号与气体组分摩尔百分数的定量转换关系。该类标准能支撑单一样品组成测量可靠性，但不能解决多位置样品并非同一真实扩散时刻的实验时序偏差问题。

4、因此，亟需一种能够将不同位置的顺序取样组成数据统一对齐至同一时间基准的数据校正方法，以消除取样时序差异并实现扩散剖面组成的时空同步重构。

5、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。

2、本发明的目的在于针对pvt筒气-气扩散实验中因顺序取样导致的不同位置样品实际取样时刻不一致，从而使测得组成剖面不能真实表征同一扩散时刻分布状态的问题，提出了一种用于气-气扩散实验顺序取样组成数据的统一时刻校正方法，该方法首先定义等效取样时刻并进行对数比变换，在此基础上，结合了局部加权时间对齐与空间平滑重构两个关键步骤，构成了气-气扩散实验顺序取样组成数据的统一时刻校正方法，用于修正气-气扩散实验中因顺序取样引起的组成数据时间错位问题。

3、为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案，包括如下步骤：

4、步骤s1：在气-气扩散实验过程中，以pvt筒高度方向为z轴，总共进行m次实验，并记录温度，压力相关实验参数；

5、步骤s2：将第n次实验第j个位置的取样开始时刻与取样结束时刻的算术平均值定义为此样品的等效时刻tn,j,eq，用于表征该位置样品对应的真实取样时刻：

6、步骤s3：选取在全部样本中摩尔百分数较高、波动较小且在各样本中均大于零的组分作为参考组分，记为r，对任一非参考组分i≠r，构造相对于参考组分的对数比变量；

7、步骤s4：进行时间对齐过程中，采用留一交叉验证法确定最优带宽h*，建立非参考组分的对数比训练集合：

8、步骤s5：为确定测试样本的预测值，根据时间对齐权重函数和候选带宽hl，建立目标残差方程，用于确定局部线性回归方程的参数和：

9、步骤s6：根据所有测试样本的预测值，进行留一交叉验证优选最优带宽，得到最优时间对齐权重函数：

10、步骤s7：根据最优带宽的时间对齐权重函数，对固定的组分对数比变量ui,n,j和固定位置j进行时间对齐：

11、步骤s8：在统一目标时刻t*下，对时间对齐后的对数比向量进行空间平滑处理；

12、步骤s9：对每个位置j，计算得到校正后的非参考组分i归一化摩尔百分数和参考组分r归一化摩尔百分数。

13、作为上述技术方案的进一步描述，所述步骤s1的具体过程包括：

14、步骤s1.1：记录pvt筒温度、压力和扩散时间为tn，其中n=1,2,3,…,m；tn作为名义扩散时刻，每次实验对k个位置进行取样；

15、步骤s1.2：对第n次实验的第j个位置，其中j=1,2,3,…,k；记录取样开始时刻为tn,j,s、取样结束时刻为tn,j,e；

16、步骤s1.3：记录气相色谱测定位置j处的组分i，其中i=1,2,…,nc；的摩尔百分数。

17、作为上述技术方案的进一步描述，所述步骤s2中的算术平均值为：

18、 (1)

19、式中：tn,j,eq为等效时刻；tn,j,s为取样开始时刻、tn,j,e为取样结束时刻。

20、作为上述技术方案的进一步描述，所述步骤s3具体过程包括：

21、步骤s3.1：判断每个位置组分的摩尔百分数是否属于0到100%范围内；

22、步骤s3.2：计算每个位置所有组分的总摩尔百分数：

23、(2)

24、步骤s3.3：当，则取归一化后的摩尔百分数；

25、步骤s3.4：反之，即，则对该位置的各组分摩尔百分数进行归一化处理，最终得到归一化摩尔百分数为：

26、(3)

27、步骤s3.5：归一化处理后，选取摩尔百分数较高、波动较小且在各样本中均大于零的组分作为参考组分，其摩尔百分数记为，对任一非参考组分i≠r，构造其相对于参考组分的对数比变量：

28、(4)

29、式中：ui,n,j为非参考组分i相对于参考组分的对数比；为i组分归一化处理后的摩尔百分数；为参考组分r归一化处理后的摩尔百分数。

30、作为上述技术方案的进一步描述，所述步骤s4具体过程包括：

31、步骤s4.1：对任一固定非参考组分i和固定位置j，收集该组分在全部m次实验中的对数比变量与对应等效时刻，构成样本集合ui,j：

32、(5)

33、步骤s4.2：对于样本集合ui,j中的第p个样本，将该样本从样本集合ui,j中移除，作为测试样本；

34、步骤s4.3：剩余m-1个样本构成训练集合，记为：

35、(6)

36、式中：为非参考组分i和固定位置j，收集该组分在全部m次实验中的对数比变量与对应等效时刻构成样本集合；为样本集合的p个样本，即为测试样本；为样本集合去除第p个样本的训练集合。

37、作为上述技术方案的进一步描述，所述步骤s5具体过程包括：

38、步骤s5.1：设目标对齐时刻为t*，所述t*可取第n次实验的名义扩散时刻tn，也可根据校正目的预先指定为某一参考时刻；

39、步骤s5.2：对第n次实验，第j个位置，在等效取样时刻tn,j,eq处，为表征该样本对目标时刻t*的时间邻近程度，采用高斯函数构造时间对齐权重：

40、(7)

41、步骤s5.3：为确定时间对齐过程中最优带宽h*，预先设定候选带宽集合：

42、(8)

43、步骤s5.4：针对每一个候选带宽hl，其中，采用留一交叉验证方法评估其时间对齐效果；

44、步骤s5.5：建立的目标残差方程通过最小加权残差平方法用于求解局部线性回归参数和：

45、(9)

46、其中：；

47、式中：为测试样本对应的等效取样时刻；为测试样本的预测值；和为以测试样本等效取样时刻为目标时刻的局部线性回归的截距参数和斜率参数；为在测试样本条件与候选带宽hl下的样本权重。

48、作为上述技术方案的进一步描述，所述步骤s6具体过程包括：

49、步骤s6.1：建立局部线性回归方程，将式（9）求得的，带入局部线性回归方程求得测试样本的预测值：

50、(10)

51、步骤s6.2：对样本集合ui,j中全部m个样本执行上述步骤，累加所有测试样本的平方误差，得到候选带宽hl的留一交叉验证的误差函数：

52、(11)

53、步骤s6.3：将候选带宽集合的所有带宽重复步骤s51~步骤s55、步骤s61和步骤s62，计算交叉验证误差函数，取使得最小的带宽为最优带宽h*；

54、步骤s6.4：确定好最优带宽h*后，即得到最优时间对齐权重函数：

55、(12)

56、式中：为最优时间对齐权重函数；为最优带宽，h小时；t*为目标对齐时刻。

57、作为上述技术方案的进一步描述，所述步骤s7具体过程包括：

58、步骤s7.1：对固定组分i和固定位置j，在目标时刻t*处建立局部线性回归模型：

59、(13)

60、其中：和为以扩散时刻tn为目标时刻的局部线性回归的截距参数和斜率参数；

61、步骤s7.2：基于最优带宽h*的最优时间对齐权重函数，式(13)的ai,j和bi,j通过最小加权残差平方和求得：

62、(14)

63、步骤s7.3：由式(14)求得ai,j，即为目标对齐时刻t*下的时间对齐后的对数比：

64、(15)

65、式中：为位置j，组分i时间对齐后的对数比；ai,j为局部线性回归模型中的截距参数。

66、作为上述技术方案的进一步描述，所述步骤s8具体过程包括：

67、步骤s8.1：对固定非参考组分i时间对齐后，k个取样位置的对数比组成的列向量为:

68、(16)

69、步骤s8.2：假设非参考组分i空间平滑后，k个取样位置的对数比组成的列向量为：

70、(17)

71、步骤s8.3：通过最小化处理求解空间平滑后的列向量：

72、(18)

73、步骤s8.4：式(18)进一步求解为：

74、(19)

75、其中：，为平滑系数；

76、步骤s8.5：对式(19)求偏导并令导数为0，得到正定线性方程组：

77、(20)

78、步骤s8.6：同理，采用留一交叉验证方法可同样确定平滑参数λ；

79、步骤s8.7：对各位置的对数比进行空间平滑后的列向量为：

80、(21)

81、式中：为目标对齐t*下，非参考组分i时间对齐后，k个取样位置的对数比组成的列向量；i为k×k的单位矩阵；λ为平滑参数；d为二阶差分矩阵；为为目标对齐t*下，非参考组分i空间平滑处理后，k个取样位置的对数比组成的列向量。

82、作为上述技术方案的进一步描述，所述步骤s9具体过程包括：

83、步骤s9.1：对每个位置j，校正后的非参考组分i归一化摩尔百分数：

84、(22)

85、式中：为校正后的非参考组分i归一化摩尔百分数；为位置j，组分i空间平滑处理后的对数比；

86、步骤s9.2：对每个位置j，校正后的参考组分r归一化摩尔百分数为：

87、(23)

88、式中：为校正后的参考组分r归一化摩尔百分数。

89、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

90、本发明提出了一种用于气-气扩散实验顺序取样组成数据的统一时刻校正方法，该方法基于取样时间窗记录与等效时刻计算，通过组分归一化与对数比转换，采用局部加权时间对齐与空间平滑处理，系统性地校正因顺序取样引起的时间不同步问题。与现有技术相比，本发明能够提高顺序取样数据在统一时刻下的可比性，降低因采样时差引起的组成偏差，并为扩散系数计算、扩散模拟拟合及扩散机理分析提供更一致的数据基础，具有重要的理论意义与工程应用价值。

91、以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本技术。