論文題目：Characterization of low-water-content crude oils under laser irradiation

錄用期刊：Laser Physics Letters (2020, JCR Q3)

原文DOI：https://doi.org/10.1088/1612-202X/aba908

作者列表：

1） 張善哲 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子信息工程系 博18級(jí)

2） 苗昕揚(yáng) 中國(guó)石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院 材料系

3） 梁華慶 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子信息工程系

4） 趙   昆 中國(guó)石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院 材料系

文章簡(jiǎn)介：

在這項(xiàng)工作中，我們采用激光誘導(dǎo)等離子體透射光譜（LIPTS）表征原油乳狀液中的含水率。原油乳狀液的LIPTS響應(yīng)隨著含水率的變化而變化。我們通過(guò)研究水滴與油滴之間的分子間作用力，提出一種激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LIPTS技術(shù)可以用于表征原油乳狀液的含水率。

研究背景：

石油是世界上最重要的能源之一。世界能源需求的上升導(dǎo)致石油的采收率和石油的生產(chǎn)能力需要不斷提高。為了滿(mǎn)足該需求，我們執(zhí)行了二次采油策略，主要是通過(guò)注水維持或增加儲(chǔ)層壓力。原油含水量的表征和評(píng)價(jià)在石油工業(yè)中具有重要意義。原油中的水分含量對(duì)于原油加工、運(yùn)輸和銷(xiāo)售至關(guān)重要。此外，在精煉過(guò)程中，少量的水可能導(dǎo)致金屬部件的腐蝕。除這些問(wèn)題外，油中水的存在還會(huì)引起油、水以及剩余油的分布問(wèn)題。油水分布越來(lái)越復(fù)雜，剩余油也越來(lái)越分散。

近年來(lái)，光學(xué)方法在石油資源的評(píng)價(jià)方面起著關(guān)鍵作用。一種激光誘導(dǎo)的超聲波技術(shù)被用來(lái)表征油頁(yè)巖的熱解過(guò)程。此外，太赫茲（THz）技術(shù)被用來(lái)測(cè)量高含水原油中的水含量和油中水分的分布。此外，該技術(shù)還用于表征磁場(chǎng)環(huán)境下分子的團(tuán)聚過(guò)程。另外，由于激光和液體之間的相互作用，當(dāng)激光輻射液體表面時(shí)，液體中會(huì)產(chǎn)生等離子體。粒子通過(guò)碰撞釋放能量產(chǎn)生帶電物質(zhì)。級(jí)聯(lián)反應(yīng)和各種重組過(guò)程會(huì)促進(jìn)等離子體的產(chǎn)生。在外部電場(chǎng)下，正電荷和負(fù)電荷的分離會(huì)產(chǎn)生電壓。我們在許多材料中都觀(guān)察到了激光誘導(dǎo)的響應(yīng)。在此項(xiàng)研究中，我們采用LIPTS響應(yīng)來(lái)表征原油中的低水含量。我們觀(guān)察到，由于分子間的作用力LIPTS信號(hào)的峰值（VP）隨著原油含水率（CW）的變化而變化。

研究方法：

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

原油樣品來(lái)自委內(nèi)瑞拉。實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們使用248 nm準(zhǔn)分子激光輻射樣品。激光輻射在樣品表面的能量Ein是38.8 mJ。用于記錄LIPTS的示波器的帶寬為350 MHz，輸入阻抗為1MΩ。源表Keithley 2400被用作電壓源，偏置電壓Vb的調(diào)節(jié)范圍是60 V~200V。石英比色皿的尺寸是20 mm×45 mm，厚度為10 mm。

圖2 偏執(zhí)電壓Vb對(duì)VP/Ein產(chǎn)生的影響。

圖3 VP/Ein（a）以及VP/Ein/Vb（b）隨原油含水率CW的變化。

圖4 根據(jù)分子間作用力擬合LIPTS響應(yīng)隨原油含水率CW的變化關(guān)系。

當(dāng)激光照射在樣品表面時(shí)，多光子吸收和級(jí)聯(lián)電離共同作用，從而導(dǎo)致液體中等離子體的產(chǎn)生。在原油乳狀液中，顆粒的聚集狀態(tài)主要受到分子間相互作用的影響，包括水滴與油滴之間的引力和斥力。由于引力和斥力之間的相互關(guān)系，當(dāng)相互作用是引力時(shí)，粒子容易相互連接，而當(dāng)相互作用是斥力時(shí)，粒子容易分散。因此，原油的LIPTS響應(yīng)隨著原油含水率CW的變化而變化。

作者簡(jiǎn)介

張善哲，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京），信息科學(xué)與工程學(xué)院控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)。研究方向：油氣光學(xué)探測(cè)技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)與處理。聯(lián)系方式：Email：[email protected].

梁華慶，教授，中國(guó)石油大學(xué)（北京），信息科學(xué)與工程學(xué)院電子信息工程系，博士生導(dǎo)師，校級(jí)品牌課教師，中國(guó)電子教育學(xué)會(huì)信息與電子學(xué)科研究生教育委員會(huì)理事。主要研究方向：微弱信號(hào)檢測(cè)與處理、測(cè)控技術(shù)與石油儀器、油田自動(dòng)化。主持國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)子課題、北京市自然基金以及油田企業(yè)的橫向項(xiàng)目30多項(xiàng)，獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)6件，計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)10余項(xiàng)，獲省部級(jí)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，部級(jí)優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。發(fā)表論文50余篇，其中被SCI、EI檢索30余篇。聯(lián)系方式：Email：[email protected].