CN103175788A

CN103175788A - 高含水原油含水率的太赫兹检测装置

Info

Publication number: CN103175788A
Application number: CN2013100673153A
Authority: CN
Inventors: 赵昆; 金武军
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2013-06-26

Abstract

本发明提出一种高含水原油含水率的太赫兹检测装置，所述高含水原油含水率的太赫兹检测装置包括：飞秒激光器，发出激光；太赫兹产生器，接受飞秒激光器发出的激光，并发出太赫兹波；用于容纳高含水原油的双层薄膜，通过第一镜片组的透射和/或反射接受所述太赫兹产生器发出的太赫兹波；所述太赫兹波垂直入射所述双层薄膜，所述太赫兹波垂直入射所述双层薄膜后产生透射信号；太赫兹接收器，探测接收所述透射信号；太赫兹分析装置，采集、处理和显示所述透射信号。本发明可得到反应含水率精确信息的太赫兹波信号，可得到高含水原油的含水率信息，从而实现高含水原油含水率的在线测量。

Description

高含水原油含水率的太赫兹检测装置

技术领域

本发明涉及石油检测领域，具体涉及一种高含水原油含水率的太赫兹检测装置，其主要功能进行高含水油气井的持率测量，是一种高灵敏度、宽频带、实时在线的井下持水率测量系统。

背景技术

井下流体的持率测量是石油开发测井的一项重要任务，通过对不同层段产出液的含水率进行测量能够得到这些层段的产液能力的具体信息，这些信息能够为油田开发方案的调整和提高采收率提供决策依据。油气的生成、运移和聚集与地下水的运动形式有着密切的关系。底水油气藏是油气藏的一种重要类型，特别是当油田进入中后期开发阶段后，采出原油的含水率会增高，有的油田含水率甚至高达百分之九十。而现在普遍使用的电容持水率计在含水率超过50％时将失去油水分辨能力，显然无法满足高含水原油的持率测量。因此，高含水油气井的持率测量成为各个油田井下测量中急需解决的难点问题。

发明内容

本发明提供一种高含水原油含水率的太赫兹检测装置，以解决高含水油气井的持率测量无法满足的问题。

为此，本发明提出一种高含水原油含水率的太赫兹检测装置，所述高含水原油含水率的太赫兹检测装置包括：

飞秒激光器，发出激光；

太赫兹产生器，接受飞秒激光器发出的激光，并发出太赫兹波；

用于容纳高含水原油的双层薄膜，通过第一镜片组的透射和/或反射接受所述太赫兹产生器发出的太赫兹波；所述太赫兹波垂直入射所述双层薄膜，所述太赫兹波垂直入射所述双层薄膜后产生透射信号；

太赫兹接收器，探测接收所述透射信号；

太赫兹分析装置，采集、处理和显示所述透射信号。

进一步地，所述高含水原油含水率的太赫兹检测装置还包括：锁相放大器，所述锁相放大器设置在所述太赫兹接收器与太赫兹分析装置之间。

进一步地，所述太赫兹分析装置为电脑，所述太赫兹分析装置将所述透射信号的强度进行刻度或标记或对比，并转换成原油含水率的信息。

进一步地，所述第一镜片组包括：设置在所述太赫兹产生器下游的第一透镜、和设置在所述第一透镜下游的第一反射镜，所述太赫兹波经过所述第一透镜的聚焦由第一反射镜反射后照射在装有油水混合物的双层薄膜上。

进一步地，所述高含水原油含水率的太赫兹检测装置还包括：第二镜片组，所述第二镜片组设置在所述锁相放大器与所述双层薄膜之间，所述第二镜片组包括：设置在所述双层薄膜下游的第二透镜、和设置在所述第二透镜下游的第二反射镜。

进一步地，所述高含水原油含水率的太赫兹检测装置还包括：第三反射镜，所述第三反射镜设置在所述飞秒激光器与所述太赫兹产生器之间。

进一步地，所述太赫兹产生器发出的太赫兹波的频带范围为0.1-10THz。

进一步地，所述双层薄膜设置在可移动的薄膜支架上，所述飞秒激光器发出中心波长为800nm，脉冲持续时间为100飞秒(或fs)，重复频率为80MHz的激光。

进一步地，所述双层薄膜包括两层平行的且透明聚乙烯材料组成的薄膜，所述高含水原油均匀的分布在两层薄膜之间，并形成具有相同厚度的油膜层。

进一步地，太赫兹分析装置在线分析处理和实时显示所述高含水原油含水率。

飞秒激光器发出的激光脉冲打在太赫兹产生器上产生稳定的太赫兹脉冲，太赫兹脉冲照射在装有高含水原油的双层薄膜上，双层薄膜的组成材料本身对太赫兹波的吸收很小，可忽略不计。太赫兹接收器与入射到薄膜上的太赫兹脉冲的光斑正对，用来完全接收透过高含水原油的太赫兹波，太赫兹分析装置，采集、处理和显示所述透射信号形成太赫兹光谱。高含水原油的太赫兹光谱幅值与含水率之间存在对应关系，根据刻度或对应关系，便可由其太赫兹光谱计算得到含水率值，实现高含水原油持水率的精确测量。

本发明能够快速得到井下不同层段中流动剖面的含水率信息，为油田调整开发方案和实施增产措施提供决策依据。

附图说明

图1为根据本发明实施例的高含水原油含水率的太赫兹测量装置整体结构示意图；

图2为根据本发明实施例的高含水原油在双层薄膜中的展开结构；

图3是附图2中不同位置上各点的太赫兹光谱曲线。

附图标号说明：

10、飞秒激光器 20、第三反射镜 30、太赫兹产生器 40、第一透镜 50、第一反射镜 60、双层薄膜 70、第二透镜 80、第二反射镜90、太赫兹接收器 92、锁相放大器 91、太赫兹分析装置

图2中：1、第一点，即双层薄膜中高含水原油之外的点，该点为双层薄膜中的空气所在点2、第二点，即双层薄膜中高含水原油内的点3、第三点，即双层薄膜中高含水原油内的点4、第四点，即双层薄膜中高含水原油内的点5、第五点，即双层薄膜中高含水原油内的点6、第六点，即双层薄膜中高含水原油内的点7、第七点，即双层薄膜中高含水原油内的点；

600、支撑框

图3中：纵坐标为振幅或幅值，单位为伏特，横坐标为时间，时间的单位为10的负12次方秒(PS)，即皮秒；

曲线1对应图2中第一点的太赫兹光谱曲线；

曲线2对应图2中第二点的太赫兹光谱曲线；

曲线3对应图2中第三点的太赫兹光谱曲线；

曲线4对应图2中第四点的太赫兹光谱曲线；

曲线5对应图2中第五点的太赫兹光谱曲线；

曲线6对应图2中第六点的太赫兹光谱曲线；

曲线7对应图2中第七点的太赫兹光谱曲线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明采用的原理如下：

太赫兹技术是上世纪八十年代末发展起来的一项新兴高端技术，它具有时间分辨率高、频带宽、能量低、相干性以及光波二相性的优点。非极性材料诸如塑料、纸张、陶瓷、编织物等对太赫兹波而言几乎是透明的，与此相反，各种极性物质对太赫兹波具有较为强烈的吸收。即极性和非极性物质与太赫兹波之间的相互作用模式具有显著的不同。原油是一种非常复杂的混合物，其组成成分甚至高达上千种，其主要组成物质为非极性的烃类物质，这些烃类物质对太赫兹波的吸收较小，在特定场合可以认为太赫兹波能够在其中进行传播。而水是一种极性介质，对太赫兹波有着较强的吸收，太赫兹波在其中进行传播时，通常会造成很大的能量衰减。本发明利用原油和水对太赫兹波的这一显著的吸收差异，将其开发成装备用来对原油的含水率进行在线检测。

如图1所示，根据本发明实施例的高含水原油含水率的太赫兹检测装置包括：飞秒激光器10、太赫兹产生器30、双层薄膜60、太赫兹接收器90和太赫兹分析装置91。

飞秒激光器10，发出激光，用于激发太赫兹产生器产生太赫兹波；例如，所述飞秒激光器发出中心波长为800nm，脉冲持续时间为100fs，重复频率为80MHz的激光，以产生太赫兹波；

太赫兹产生器30，接受飞秒激光器10发出的激光，并发出太赫兹波；

用于容纳高含水原油的双层薄膜60，通过第一镜片组的透射和/或反射接受所述太赫兹产生器发出的太赫兹波；所述太赫兹波垂直入射所述双层薄膜60，所述太赫兹波垂直入射所述双层薄膜后产生透射信号；

太赫兹接收器90，探测接收所述透射信号，即探测接收太赫兹波垂直入射所述双层薄膜后产生的透射信号(例如为太赫兹波)；

太赫兹分析装置91，采集、处理和显示所述透射信号，例如，将透射信号的强度进行刻度或标记，就可以转换成原油含水率的信息，根据透射信号的数据或曲线或走向，可以对应得到原油含水率的信息，从而实现高含水原油持水率的精确测量。

本发明利用太赫兹波进行测量，对高含水原油含水率测量快速、灵敏，有效。

进一步地，如图1所示，所述高含水原油含水率的太赫兹检测装置还包括：锁相放大器92，所述锁相放大器92设置在所述太赫兹接收器与太赫兹分析装置之间，以实现锁相，实现透射信号(例如为太赫兹波)的稳定的采集。

进一步地，所述太赫兹分析装置为电脑，电脑通过传感器或数据采集装置，采集所述太赫兹分析装置将所述透射信号的强度进行刻度或标记或对比，并转换成原油含水率的信息。例如，可以通过分析软件将所述透射信号的强度进行刻度或标记或对比，分析软件可以为各种合适软件，例如为LabVIEW软件(虚拟仪器开发软件)。

进一步地，如图1所示，所述第一镜片组包括：设置在所述太赫兹产生器下游的第一透镜40、和设置在所述第一透镜下游的第一反射镜50，所述太赫兹波经过所述第一透镜40的聚焦由第一反射镜50反射后照射在装有油水混合物的双层薄膜60上。这样，可以聚焦太赫兹波，并可以改变调节太赫兹波入射双层薄膜60的方向。

进一步地，如图1所示，所述高含水原油含水率的太赫兹检测装置还包括：第二镜片组，所述第二镜片组设置在所述锁相放大器与所述双层薄膜之间，所述第二镜片组包括：设置在所述双层薄膜下游的第二透镜70、和设置在所述第二透镜下游的第二反射镜80。第二透镜70用于聚焦透射信号，第二反射镜80用于改变调节太赫兹波进入太赫兹接收器90的方向。

进一步地，如图1所示，所述高含水原油含水率的太赫兹检测装置还包括：第三反射镜20，所述第三反射镜20设置在所述飞秒激光器10与所述太赫兹产生器30之间。本发明可以实现透射式的含水率测量，也可以设计成反射式来实现测量，以实现测量的灵活，适应各种工作环境。

进一步地，所述太赫兹产生器发出的太赫兹波的频带范围为0.1-10THz，以适于测量高含水原油。测量的高含水原油既可以是井下的高含水原油，也可以是室内配制的高含水原油，当然还可以是含水较高的钻井液流体。

进一步地，所述双层薄膜60设置在可移动的薄膜支架上，以便调整测量位置。例如，如图2所示，双层薄膜60覆盖在矩形支撑框600上，矩形支撑框600设置在可移动的薄膜支架上。

矩形支撑框600为周向封闭的，双层薄膜60覆盖在矩形支撑框600的上下两端，矩形支撑框600与双层薄膜60之间则围成一个长方体形样品室，用于容纳高含水原油，图2显示了高含水原油在双层薄膜60之间展开后的形状和结构。其中，图2上标注的各点为高含水原油内外的不同点，各不同点的含水率不同，如图3，各不同点处的太赫兹光谱曲线也不相同。即同一厚度下不同含水率的原油的太赫兹光谱曲线不同，高含水原油的太赫兹光谱幅值与含水率之间存在对应关系，根据对应关系和刻度，便可由其太赫兹光谱计算得到含水率值。

图2中：第一点1，即双层薄膜中高含水原油之外的点，第二点2，即双层薄膜中高含水原油内的点，第三点3，即双层薄膜中高含水原油内的点，第四点4，即双层薄膜中高含水原油内的点，第五点5，即双层薄膜中高含水原油内的点，第六点6，即双层薄膜中高含水原油内的点，第七点7，即双层薄膜中高含水原油内的点；图3中：曲线1对应图2中第一点的太赫兹光谱曲线；曲线2对应图2中第二点的太赫兹光谱曲线；曲线3对应图2中第三点的太赫兹光谱曲线；曲线4对应图2中第四点的太赫兹光谱曲线；曲线5对应图2中第五点的太赫兹光谱曲线；曲线6对应图2中第六点的太赫兹光谱曲线；曲线7对应图2中第七点的太赫兹光谱曲线；上述曲线与高含水原油各不同点的对应关系说明：同一厚度下不同含水率的原油的太赫兹光谱曲线不同，高含水原油的太赫兹光谱幅值与含水率之间存在对应关系，根据对应关系和刻度，便可由其太赫兹光谱计算得到含水率值。具体地，将图2中第一点1处的太赫兹光谱设置为参考信号E_ref(第一点的太赫兹光谱曲线或第一点的太赫兹光谱函数)，在图3中用标号1指代的曲线代表，这样，被高含水原油覆盖的其他各点处所得到的光谱信号为E_samp例如，图3中标号2指代的曲线代表图2中第二点2处的光谱信号E_samp(第二点的太赫兹光谱曲线或第二点的太赫兹光谱函数)，其他点依次类推，根据太赫兹波传播理论，同时，由于所述油水混合物为高含水原油，原油所占的体积较小，且原油的太赫兹吸收系数比水的要小很多，因此，高含水原油的太赫兹光谱信号可表示为：

E_samp＝E_refe^-αφd

式中，α为水的太赫兹吸收系数，φ为原油的含水率，d为双层薄膜油膜层的厚度，e为常数(自然对数函数的底数)，从公式得知，只要测量得到了高含水原油的太赫兹光谱，便可求出其含水率φ。而图3中，第一点1处的太赫兹光谱E_ref，以及被高含水原油覆盖的各点处所得到的光谱信号为E_samp是可以通过测量或计算得到的。

进一步地，所述双层薄膜60包括两层平行的且透明聚乙烯材料组成的薄膜，双层薄膜的组成材料本身对太赫兹波的吸收很小，可忽略不计，所述高含水原油均匀的分布在两层薄膜之间，并形成具有相同厚度的油膜层。矩形支撑框600能够防止高含水原油的下漏。双层薄膜60之间的距离为50μm至2mm，以实现高含水原油均匀的分布在两层薄膜之间，并形成具有相同厚度的油膜层，并达到用太赫兹波测量的要求。

进一步地，太赫兹分析装置在线分析处理和实时显示所述高含水原油含水率。这样，可以及时快速的得到测量结果。

本发明的工作过程如下：中心波长为800nm，脉冲持续时间为100fs，重复频率为80MHz的飞秒激光器10经第三反射镜20打在太赫兹产生器30上产生稳定的宽频太赫兹波，太赫兹波经过一对抛物面镜后经过第一透镜40的聚焦由第一反射镜50反射后照射在装有油水混合物双层薄膜60上，双层薄膜60竖直地安放在支架中以使得太赫兹波垂直入射薄膜，透射信号经过第一透镜70和第一反射镜80后由太赫兹接收器90探测接收，再经锁相放大器92锁相后经由太赫兹分析装置91进行采集、处理和显示。双层油膜中放置的原油的含水率不同，会导致透射信号的强度存在差异，将透射信号的强度进行刻度，就可以转换成原油含水率的信息，从而实现高含水原油持水率的精确测量。

飞秒激光器10发出的激光脉冲打在太赫兹产生器上产生稳定的太赫兹脉冲，太赫兹脉冲照射在装有高含水原油的双层薄膜的几何中心位置上，双层薄膜的组成材料本身对太赫兹波的吸收很小，可忽略不计，两片薄膜的下部紧密结合能够防止高含水原油的下漏。实际操作中，两个薄膜之间的距离(即含水原油的厚度)可根据高含水原油的实际含水率值的大致范围来调节，例如，距离为50μm至2mm。太赫兹接收器90与入射到双层薄膜上的太赫兹脉冲的光斑正对，用来完全接收透过高含水原油的太赫兹波。附图2给出了某一厚度下不同含水率的原油在薄膜中的分布情况，根据本发明中提出的测量装置，可得到整个薄膜中不同位置处的太赫兹光谱，如图3所示。高含水原油的太赫兹光谱幅值与含水率之间存在对应关系，根据刻度，便可由其太赫兹光谱计算得到含水率值。

本发明通过对不同含水率的高含水原油进行太赫兹波扫描，可得到反应含水率精确信息的太赫兹波信号，对测量得到的包含丰富物理信息的太赫兹波信号进行数字信号处理和分析，可得到高含水原油的含水率信息，从而实现高含水原油含水率的在线测量。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种高含水原油含水率的太赫兹检测装置，其特征在于，所述高含水原油含水率的太赫兹检测装置包括：

飞秒激光器，发出激光；

太赫兹接收器，探测接收所述透射信号；

太赫兹分析装置，采集、处理和显示所述透射信号。

2.如权利要求1所述的高含水原油含水率的太赫兹检测装置，其特征在于，所述高含水原油含水率的太赫兹检测装置还包括：锁相放大器，所述锁相放大器设置在所述太赫兹接收器与太赫兹分析装置之间。

3.如权利要求1所述的高含水原油含水率的太赫兹检测装置，其特征在于，所述太赫兹分析装置为电脑，所述太赫兹分析装置将所述透射信号的强度进行刻度或标记或对比，并转换成原油含水率的信息。

4.如权利要求1所述的高含水原油含水率的太赫兹检测装置，其特征在于，所述第一镜片组包括：设置在所述太赫兹产生器下游的第一透镜、和设置在所述第一透镜下游的第一反射镜，所述太赫兹波经过所述第一透镜的聚焦由第一反射镜反射后照射在装有油水混合物的双层薄膜上。

5.如权利要求1所述的高含水原油含水率的太赫兹检测装置，其特征在于，所述高含水原油含水率的太赫兹检测装置还包括：第二镜片组，所述第二镜片组设置在所述锁相放大器与所述双层薄膜之间，所述第二镜片组包括：设置在所述双层薄膜下游的第二透镜、和设置在所述第二透镜下游的第二反射镜。

6.如权利要求1所述的高含水原油含水率的太赫兹检测装置，其特征在于，所述高含水原油含水率的太赫兹检测装置还包括：第三反射镜，所述第三反射镜设置在所述飞秒激光器与所述太赫兹产生器之间。

7.如权利要求1所述的高含水原油含水率的太赫兹检测装置，其特征在于，所述太赫兹产生器发出的太赫兹波的频带范围为0.1-10THz。

8.如权利要求1所述的高含水原油含水率的太赫兹检测装置，其特征在于，所述双层薄膜设置在可移动的薄膜支架上，所述飞秒激光器发出中心波长为800nm，脉冲持续时间为100飞秒，重复频率为80MHz的激光。

9.如权利要求1所述的高含水原油含水率的太赫兹检测装置，其特征在于，所述双层薄膜包括两层平行的且透明聚乙烯材料组成的薄膜，所述高含水原油均匀的分布在两层薄膜之间，并形成具有相同厚度的油膜层。

10.如权利要求1所述的高含水原油含水率的太赫兹检测装置，其特征在于，太赫兹分析装置在线分析处理和实时显示所述高含水原油含水率。