点击数: 更新日期: 2023-11-24
中文题目：油页岩太赫兹光谱表征与评价
论文题目：Characterization and evaluation of oil shale based on terahertz spectroscopy: A review
录用期刊/会议：Energy Reviews
原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.enrev.2023.100041
录用/见刊时间：2023-08-16
作者列表：
1） 刘学聪 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 控制科学与工程专业 博22
2） 赵 昆 中国石油大学（北京）新能源与材料学院 材料科学与工程系教师
3） 苗昕扬 中国石油大学（北京）新能源与材料学院 材料科学与工程系教师
4） 詹洪磊 中国石油大学（北京）新能源与材料学院 材料科学与工程系教师
摘要:
本文总结了中国石油大学（北京）油气光学研究团队以及国内外同行在油页岩太赫兹光谱表征与评价方面的最新实验成果和研究进展。油页岩太赫兹光学参数的各向异性强烈依赖于含油率，可用于评估含油率，避免了传统检测中的环境污染问题；通过太赫兹振幅成像评估油页岩表面有机质的分布，例如富含干酪根和贫干酪根的区域；发展了热太赫兹分析技术，确定干酪根热解过程，建立干酪根热解模型，利用太赫兹参数实现油页岩热解过程的优化；油页岩中的干酪根在太赫兹范围内表现出特征吸收峰，这为微纳米尺度干酪根的研究提供了新的视角；由于油页岩中黄铁矿的分解，高温下的热解油页岩强烈吸收太赫兹辐射。这些工作表明太赫兹光谱可以实现油页岩的快速、非接触检测。最后，我们提出了太赫兹技术作为一种优化油页岩加工、提高油页岩利用效率的新方法所面临的未来挑战和前景。
背景与动机:
油页岩是一种富含干酪根的细粒沉积岩，可以通过干馏热解获得工业可用的液态烃和裂解气，是国家战略储备资源和补充能源。由于油页岩主要成分的多样性、有机质与矿物赋存关系的复杂性，目前对油页岩的生油潜力和有机质热解动力学过程的认识尚不清楚，导致其开发技术水平相对落后。探索油页岩资源高效利用的新理论和新方法具有重要的战略意义。
亮点工作：
1、太赫兹光谱成像表征油页岩有机质分布；
2、干酪根在太赫兹波段具有特征指纹谱；
3、太赫兹光谱直接表征干酪根演化过程，同时给出主生油、主生气点；
4、利用油页岩各向异性的太赫兹参数直接表征含油率；
5、利用太赫兹参数精细评价、优化油页岩热解过程；
6、油页岩的高温热解产物具有太赫兹吸波特性。
主要内容:
图1 太赫兹光谱在油气资源勘探领域的应用
太赫兹技术作为油气资源领域新兴的评价方法，在多个方面展现了其研究和应用价值。如图1所示，油气光学团队基于太赫兹时域光谱（THz-TDS），实现了地质成岩演化过程、储层岩石含油性、岩石孔隙度、低渗透岩心油水分布、油井井位预测、原油产地、原油乳化破乳过程、气体吸附、原油含水率、油水两相流、原油磁场降粘、蜡晶析出、天然气成分、PM2.5监测与分级、水合物演化过程等方面的评价预测。
图2 油页岩有机质分布太赫兹成像
太赫兹波对有机大分子和矿物的组成与结构变化敏感，通过太赫兹光谱可以实现油页岩中有机物分布的非接触、无损成像。如图2所示，黑色和紫色区域代表太赫兹反射率较低，表明有机质局部浓度较高。红色对应于干酪根贫瘠区域，而从绿色到黑色对应于干酪根富集区域。
图3 干酪根的太赫兹指纹光谱
干酪根与非均质矿物基质密切相关并紧密结合，使用机械剥离和减薄方法可以从油页岩中分离干酪根。随着机械剥离的进行，干酪根的形态从块状向片状、雪花状、絮状变化。微结构图像结果表明，油页岩中的有机质嵌入矿物中，在原子水平上连续分布。太赫兹实验分析发现，干酪根的吸收峰出现在1.28、1.36及1.51 THz（图3）。这些结果为干酪根在微观、纳米尺度上的研究提供了新的见解。
图4 油页岩含油率太赫兹光谱检测
干酪根的含量决定油页岩的生油潜力和经济效益。研究发现，太赫兹参数可以反映干酪根在不同温度和压力下的演化过程，不仅能实现主生油区和主生气区的同时表征，还实现了含油率的表征与评价（图4）。研究学者认为，有机质分布是油页岩各向异性的重要来源之一。其中，太赫兹折射率的各向异性程度与油页岩含油率之间呈正相关关系。因此，可以通过太赫兹光谱实现油页岩含油率的快速无损测定，无需热解样品，不会对油页岩本身的结构及成分产生破坏。
图5 油页岩热解动力学过程表征
在实际的工业生产中，油页岩的热解涉及大量的物理和化学反应。通过太赫兹光谱可以确定干酪根的热解变化规律：干酪根首先解聚为沥青单体，随着温度升高，沥青单体分解成页岩油和页岩气，有机质含量逐渐降低，直至未被分解的无机矿物骨架（图5）。干酪根热解过程的确定为地下油页岩开发利用提供了进一步的理论依据。研究表明，油页岩的高温热解产物是一种天然的太赫兹波吸收材料，具有低透射率和低反射率。黄铁矿在热解油页岩的强太赫兹吸收中起着关键作用，热解过程中逐渐产生的磁黄铁矿和单质铁促进了太赫兹波的吸收。
结论:
太赫兹光谱可以实现油页岩含油率、热解过程等环节的快速、非接触检测，对优化油页岩加工工艺、提升油页岩利用效率提供了新思路；结合实际工业生产需求，通过解决高功率光源、高灵敏度检测、快速扫描成像、微纳太赫兹器件、纳米尺度分辨率、较强的环境适应性等技术瓶颈，太赫兹光谱有望成为油页岩原位开采监测以及非常规油气资源表征评价的新方法，具有巨大的应用潜力。
作者简介:
刘学聪，博士研究生，研究方向为油气光学探测技术。在IEEE Sens J、IEEE Trans Instrum Meas、Opt Laser Technol等期刊发表论文15篇，其中第一作者SCI论文6篇。获第十三届王涛英才奖学金、2023年中国仪器仪表学会学术年会优秀学术成果、国际光电科学与前沿技术研究生创新论坛特等奖。
通讯作者简介:
赵昆，教授，控制科学与工程学科博士生导师，研究方向为油气光学探测技术与智能制造。