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科研动态

利用激光感应电压技术表征油页岩的激光穿孔过程

论文题目:Characterizing the laser drilling process of oil shale using laser-induced voltage

录用期刊:Optics and Laser Technology (2020, JCR Q1)

原文DOI:https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106478

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) 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

3)    昆 中国石油大学(北京)新能源与材料学院 材料系

文章简介:

在这项研究中,我们利用激光感生电压(LIV)技术监测油页岩的穿孔过程。由于激光的能量超过了油页岩的带隙,从而产生了载流子,并引起了带间跃迁。因此,在施加偏置电压的情况下发生了LIV响应。LIV信号的峰值取决于穿孔时间。我们通过双指数函数很好地拟合电压波形。整个穿孔过程可以分为两个不同的阶段,分别对应于表面剥落和岩石穿刺过程。结果表明,LIV技术可以用于表征油页岩的穿孔过程。

研究背景:

自20世纪初以来,旋转钻井已成为石油工业中主要的油井生产方法。在传统的钻探技术中,钻头安装在钻杆的末端,并且通过钻头的旋转进行钻孔。为了有效地开发能源,钻探行业迫切需要一种新的射孔方法。与传统的钻孔方法相比,激光钻孔实现了在岩石钻孔过程中岩石与钻头之间没有接触。激光钻探(LD)被研究为在天然气和石油深井中钻探的重要方法。在LD工艺中,射孔参数在操纵深度方面起着中心作用,例如,相互作用时间和围压都可能导致比能(SE)和渗透率(ROP)的增加,并且激光脉冲持续时间和发射次数也影响了激光射孔。

在过去的几十年中,激光技术已被证明是评估原油资源,特别是非常规油气资源属性的合适手段。在激光脉冲作用下,油页岩中的自由电子被激活,这会产生电子-空穴对。当偏压超过油页岩的带隙能(Eg)时,会产生带间跃迁和光激发载流子。光的吸收和电子-空穴对或激子的产生都有助于产生激光感应电压(LIV)现象,该现象被用于分析油页岩的热解过程和产油量。LIV效应在很大程度上取决于激光功率,脉冲频率,脉冲宽度,材料的类型和性质。同时,激光输入,激光切割速度,光学性能和材料组成等输入工艺参数也会影响LD特性。在这项工作中,我们通过激光感生电压(LIV)响应监测油页岩的穿孔过程

研究方法:

图1 实验装置示意图

油页岩样品采集自中国吉林省桦甸市。样品的几何形状为10 mm×2 mm,厚度为1 mm,如图1(a)所示。在油页岩样品的表面上,我们设置了四个尺寸为1 mm×2 mm的Ag电极,并隔开3 mm。实验设备的示意图如图1(b)所示。我们通过KrF准分子激光器(248 nm)来测量油页岩的LIV响应,并使用输入阻抗为1MΩ的示波器进行记录。实验过程中,激光辐射在内部两个电极的中心。激光脉冲的频率为1 Hz,能量为73.9 mJ。

实验结果:

图2(a)选定时间的油页岩的LIV响应(b)VP1和|VP2|随时间Td的变化(c)TP1和 TP2随时间Td的变化(d)电压的变化量ΔVΔV= VP1 - VP2)和时间ΔTΔT= TP2 - TP1)的关系

图3 不同时间点的LIV波形拟合

图4 拟合参数随随时间Td的变化

当高功率激光照射到油页岩上时,可能会发生不同的反应过程,包括热剥落,汽化或熔化。Td1之前的VP1和VP2的下降速率高于Td1之后的VP1和VP2的下降速率,分别对应剥落和穿孔的两个过程。随着穿孔深度的增加,激光功率密度逐渐降低,导致破坏率降低。当Td大约为2700 s时,样品被完全分为两部分。此时,VP1和VP2 保持稳定。

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