论文题目：Characterization of low-water-content crude oils under laser irradiation

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

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

作者列表：

1） 张善哲 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 电子信息工程系 博18级

2） 苗昕扬 中国石油大学（北京）新能源与材料学院 材料系

3） 梁华庆 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 电子信息工程系

4） 赵   昆 中国石油大学（北京）新能源与材料学院 材料系

文章简介：

在这项工作中，我们采用激光诱导等离子体透射光谱（LIPTS）表征原油乳状液中的含水率。原油乳状液的LIPTS响应随着含水率的变化而变化。我们通过研究水滴与油滴之间的分子间作用力，提出一种激光与物质相互作用的机理。实验结果表明，LIPTS技术可以用于表征原油乳状液的含水率。

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导致石油的采收率和石油的生产能力需要不断提高。为了满足该需求，我们执行了二次采油策略，主要是通过注水维持或增加储层压力。原油含水量的表征和评价在石油工业中具有重要意义。原油中的水分含量对于原油加工、运输和销售至关重要。此外，在精炼过程中，少量的水可能导致金属部件的腐蚀。除这些问题外，油中水的存在还会引起油、水以及剩余油的分布问题。油水分布越来越复杂，剩余油也越来越分散。

近年来，光学方法在石油资源的评价方面起着关键作用。一种激光诱导的超声波技术被用来表征油页岩的热解过程。此外，太赫兹（THz）技术被用来测量高含水原油中的水含量和油中水分的分布。此外，该技术还用于表征磁场环境下分子的团聚过程。另外，由于激光和液体之间的相互作用，当激光辐射液体表面时，液体中会产生等离子体。粒子通过碰撞释放能量产生带电物质。级联反应和各种重组过程会促进等离子体的产生。在外部电场下，正电荷和负电荷的分离会产生电压。我们在许多材料中都观察到了激光诱导的响应。在此项研究中，我们采用LIPTS响应来表征原油中的低水含量。我们观察到，由于分子间的作用力LIPTS信号的峰值（VP）随着原油含水率（CW）的变化而变化。

研究方法：

图1 实验装置示意图。

原油样品来自委内瑞拉。实验设备示意图如图1所示。在实验过程中，我们使用248 nm准分子激光辐射样品。激光辐射在样品表面的能量Ein是38.8 mJ。用于记录LIPTS的示波器的带宽为350 MHz，输入阻抗为1MΩ。源表Keithley 2400被用作电压源，偏置电压Vb的调节范围是60 V~200V。石英比色皿的尺寸是20 mm×45 mm，厚度为10 mm。

图2 偏执电压Vb对VP/Ein产生的影响。

图3 VP/Ein（a）以及VP/Ein/Vb（b）随原油含水率CW的变化。

图4 根据分子间作用力拟合LIPTS响应随原油含水率CW的变化关系。

当激光照射在样品表面时，多光子吸收和级联电离共同作用，从而导致液体中等离子体的产生。在原油乳状液中，颗粒的聚集状态主要受到分子间相互作用的影响，包括水滴与油滴之间的引力和斥力。由于引力和斥力之间的相互关系，当相互作用是引力时，粒子容易相互连接，而当相互作用是斥力时，粒子容易分散。因此，原油的LIPTS响应随着原油含水率CW的变化而变化。

作者简介

张善哲，博士，中国石油大学（北京），信息科学与工程学院控制理论与控制工程专业。研究方向：油气光学探测技术、信号检测与处理。联系方式：Email：zhangshanzhe0910@163.com.

梁华庆，教授，中国石油大学（北京），信息科学与工程学院电子信息工程系，博士生导师，校级品牌课教师，中国电子教育学会信息与电子学科研究生教育委员会理事。主要研究方向：微弱信号检测与处理、测控技术与石油仪器、油田自动化。主持国家科技重大专项子课题、北京市自然基金以及油田企业的横向项目30多项，获国家发明专利授权6件，计算机软件著作权10余项，获省部级技术发明一等奖1项，部级优秀教学成果二等奖1项、三等奖1项。发表论文50余篇，其中被SCI、EI检索30余篇。联系方式：Email：hqliang@cup.edu.cn.