高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置的製作方法
2023-11-11 14:15:32 3
專利名稱：高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及石油檢測領域，具體涉及一種高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，其主要功能進行高含水油氣井的持率測量，是一種高靈敏度、寬頻帶、實時在線的井下持水率測量系統。
背景技術：
井下流體的持率測量是石油開發測井的一項重要任務，通過對不同層段產出液的含水率進行測量能夠得到這些層段的產液能力的具體信息，這些信息能夠為油田開發方案的調整和提高採收率提供決策依據。油氣的生成、運移和聚集與地下水的運動形式有著密切的關係。底水油氣藏是油氣藏的一種重要類型，特別是當油田進入中後期開發階段後，採出原油的含水率會增高，有的油田含水率甚至高達百分之九十。而現在普遍使用的電容持水率計在含水率超過50%時將失去油水分辨能力，顯然無法滿足高含水原油的持率測量。因此，高含水油氣井的持率測量成為各個油田井下測量中急需解決的難點問題。
發明內容
本發明提供一種高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，以解決高含水油氣井的持率測量無法滿足的問題。為此，本發明提出一種高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，所述高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置包括:飛秒雷射器，發出雷射；太赫茲產生器，接受飛秒雷射器發出的雷射，並發出太赫茲波；用於容納高含水原油的雙層薄膜，通過第一鏡片組的透射和/或反射接受所述太赫茲產生器發出的太赫茲波；所述太赫茲波垂直入射所述雙層薄膜，所述太赫茲波垂直入射所述雙層薄膜後產生透射信號；太赫茲接收器，探測接收所述透射信號；太赫茲分析裝置，採集、處理和顯示所述透射信號。進一步地，所述高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置還包括:鎖相放大器，所述鎖相放大器設置在所述太赫茲接收器與太赫茲分析裝置之間。進一步地，所述太赫茲分析裝置為電腦，所述太赫茲分析裝置將所述透射信號的強度進行刻度或標記或對比，並轉換成原油含水率的信息。進一步地，所述第一鏡片組包括:設置在所述太赫茲產生器下遊的第一透鏡、和設置在所述第一透鏡下遊的第一反射鏡，所述太赫茲波經過所述第一透鏡的聚焦由第一反射鏡反射後照射在裝有油水混合物的雙層薄膜上。進一步地，所述高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置還包括:第二鏡片組，所述第二鏡片組設置在所述鎖相放大器與所述雙層薄膜之間，所述第二鏡片組包括:設置在所述雙層薄膜下遊的第二透鏡、和設置在所述第二透鏡下遊的第二反射鏡。
進一步地，所述高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置還包括:第三反射鏡，所述第三反射鏡設置在所述飛秒雷射器與所述太赫茲產生器之間。進一步地，所述太赫茲產生器發出的太赫茲波的頻帶範圍為0.1-1OTHz0進一步地，所述雙層薄膜設置在可移動的薄膜支架上，所述飛秒雷射器發出中心波長為800nm，脈衝持續時間為100飛秒(或fs)，重複頻率為80MHz的雷射。進一步地，所述雙層薄膜包括兩層平行的且透明聚乙烯材料組成的薄膜，所述高含水原油均勻的分布在兩層薄膜之間，並形成具有相同厚度的油膜層。進一步地，太赫茲分析裝置在線分析處理和實時顯示所述高含水原油含水率。飛秒雷射器發出的雷射脈衝打在太赫茲產生器上產生穩定的太赫茲脈衝,太赫茲脈衝照射在裝有高含水原油的雙層薄膜上，雙層薄膜的組成材料本身對太赫茲波的吸收很小，可忽略不計。太赫茲接收器與入射到薄膜上的太赫茲脈衝的光斑正對，用來完全接收透過高含水原油的太赫茲波，太赫茲分析裝置，採集、處理和顯示所述透射信號形成太赫茲光譜。高含水原油的太赫茲光譜幅值與含水率之間存在對應關係，根據刻度或對應關係，便可由其太赫茲光譜計算得到含水率值，實現高含水原油持水率的精確測量。本發明能夠快速得到井下不同層段中流動剖面的含水率信息，為油田調整開發方案和實施增產措施提供決策依據。
圖1為根據本發明實施例的高含水原油含水率的太赫茲測量裝置整體結構示意圖；圖2為根據本發明實施例的高含水原油在雙層薄膜中的展開結構；圖3是附圖2中不同位置上各點的太赫茲光譜曲線。附圖標號說明:10、飛秒雷射器20、第三反射鏡30、太赫茲產生器40、第一透鏡50、第一反射鏡 60、雙層薄膜 70、第二透鏡 80、第二反射鏡90、太赫茲接收器 92、鎖相放大器91、太赫茲分析裝置圖2中:1、第一點，即雙層薄膜中高含水原油之外的點，該點為雙層薄膜中的空氣所在點2、第二點，即雙層薄膜中高含水原油內的點3、第三點，即雙層薄膜中高含水原油內的點4、第四點，即雙層薄膜中高含水原油內的點5、第五點，即雙層薄膜中高含水原油內的點6、第六點，即雙層薄膜中高含水原油內的點7、第七點，即雙層薄膜中高含水原油內的
佔.
600、支撐框圖3中:縱坐標為振幅或幅值，單位為伏特，橫坐標為時間，時間的單位為10的負12次方秒(PS)，即皮秒；曲線I對應圖2中第一點的太赫茲光譜曲線；曲線2對應圖2中第二點的太赫茲光譜曲線；曲線3對應圖2中第三點的太赫茲光譜曲線；曲線4對應圖2中第四點的太赫茲光譜曲線；曲線5對應圖2中第五點的太赫茲光譜曲線；
曲線6對應圖2中第六點的太赫茲光譜曲線；曲線7對應圖2中第七點的太赫茲光譜曲線。
具體實施例方式為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照
本發明的具體實施方式
。本發明採用的原理如下:太赫茲技術是上世紀八十年代末發展起來的一項新興高端技術，它具有時間解析度高、頻帶寬、能量低、相干性以及光波二相性的優點。非極性材料諸如塑料、紙張、陶瓷、編織物等對太赫茲波而言幾乎是透明的，與此相反，各種極性物質對太赫茲波具有較為強烈的吸收。即極性和非極性物質與太赫茲波之間的相互作用模式具有顯著的不同。原油是一種非常複雜的混合物，其組成成分甚至高達上千種，其主要組成物質為非極性的烴類物質，這些烴類物質對太赫茲波的吸收較小，在特定場合可以認為太赫茲波能夠在其中進行傳播。而水是一種極性介質，對太赫茲波有著較強的吸收，太赫茲波在其中進行傳播時，通常會造成很大的能量衰減。本發明利用原油和水對太赫茲波的這一顯著的吸收差異，將其開發成裝備用來對原油的含水率進行在線檢測。如圖1所示，根據本發明實施例的高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置包括:飛秒雷射器10、太赫茲產生器30、雙層薄膜60、太赫茲接收器90和太赫茲分析裝置91。飛秒雷射器10，發出雷射，用於激發太赫茲產生器產生太赫茲波；例如，所述飛秒雷射器發出中心波長為800nm，脈衝持續時間為lOOfs，重複頻率為80MHz的雷射，以產生太赫茲波；太赫茲產生器30，接受飛秒雷射器10發出的雷射，並發出太赫茲波；用於容納高含水原油的雙層薄膜60，通過第一鏡片組的透射和/或反射接受所述太赫茲產生器發出的太赫茲波；所述太赫茲波垂直入射所述雙層薄膜60，所述太赫茲波垂直入射所述雙層薄膜後產生透射信號；太赫茲接收器90，探測接收所述透射信號，即探測接收太赫茲波垂直入射所述雙層薄膜後產生的透射信號(例如為太赫茲波)；太赫茲分析裝置91，採集、處理和顯示所述透射信號，例如，將透射信號的強度進行刻度或標記，就可以轉換成原油含水率的信息，根據透射信號的數據或曲線或走向，可以對應得到原油含水率的信息，從而實現高含水原油持水率的精確測量。本發明利用太赫茲波進行測量，對高含水原油含水率測量快速、靈敏，有效。進一步地，如圖1所示，所述高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置還包括:鎖相放大器92，所述鎖相放大器92設置在所述太赫茲接收器與太赫茲分析裝置之間，以實現鎖相，實現透射信號(例如為太赫茲波)的穩定的採集。進一步地，所述太赫茲分析裝置為電腦，電腦通過傳感器或數據採集裝置，採集所述太赫茲分析裝置將所述透射信號的強度進行刻度或標記或對比，並轉換成原油含水率的信息。例如，可以通過分析軟體將所述透射信號的強度進行刻度或標記或對比，分析軟體可以為各種合適軟體，例如為LabVIEW軟體(虛擬儀器開發軟體)。進一步地，如圖1所示，所述第一鏡片組包括:設置在所述太赫茲產生器下遊的第一透鏡40、和設置在所述第一透鏡下遊的第一反射鏡50，所述太赫茲波經過所述第一透鏡40的聚焦由第一反射鏡50反射後照射在裝有油水混合物的雙層薄膜60上。這樣，可以聚焦太赫茲波，並可以改變調節太赫茲波入射雙層薄膜60的方向。進一步地，如圖1所示，所述高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置還包括:第二鏡片組，所述第二鏡片組設置在所述鎖相放大器與所述雙層薄膜之間，所述第二鏡片組包括:設置在所述雙層薄膜下遊的第二透鏡70、和設置在所述第二透鏡下遊的第二反射鏡80。第二透鏡70用於聚焦透射信號，第二反射鏡80用於改變調節太赫茲波進入太赫茲接收器90的方向。進一步地，如圖1所示，所述高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置還包括:第三反射鏡20，所述第三反射鏡20設置在所述飛秒雷射器10與所述太赫茲產生器30之間。本發明可以實現透射式的含水率測量，也可以設計成反射式來實現測量，以實現測量的靈活，適應各種工作環境。進一步地，所述太赫茲產生器發出的太赫茲波的頻帶範圍為0.1-1OTHz,以適於測量高含水原油。測量的高含水原油既可以是井下的高含水原油，也可以是室內配製的高含水原油，當然還可以是含水較高的鑽井液流體。進一步地，所述雙層薄膜60設置在可移動的薄膜支架上，以便調整測量位置。例如，如圖2所示，雙層薄膜60覆蓋在矩形支撐框600上，矩形支撐框600設置在可移動的薄膜支架上。矩形支撐框600為周向封閉的，雙層薄膜60覆蓋在矩形支撐框600的上下兩端，矩形支撐框600與雙層薄膜60之間則圍成一個長方體形樣品室，用於容納高含水原油，圖2顯示了高含水原油在雙層薄膜60之間展開後的形狀和結構。其中，圖2上標註的各點為高含水原油內外的不同點，各不同點的含水率不同，如圖3，各不同點處的太赫茲光譜曲線也不相同。即同一厚度下不同含水率的原油的太赫茲光譜曲線不同，高含水原油的太赫茲光譜幅值與含水率之間存在對應關係，根據對應關係和刻度，便可由其太赫茲光譜計算得到含水率值。圖2中:第一點1，即雙層薄膜中高含水原油之外的點，第二點2，即雙層薄膜中高含水原油內的點，第三點3，即雙層薄膜中高含水原油內的點，第四點4，即雙層薄膜中高含水原油內的點，第五點5，即雙層薄膜中高含水原油內的點，第六點6，即雙層薄膜中高含水原油內的點，第七點7，即雙層薄膜中高含水原油內的點；圖3中:曲線I對應圖2中第一點的太赫茲光譜曲線；曲線2對應圖2中第二點的太赫茲光譜曲線；曲線3對應圖2中第三點的太赫茲光譜曲線；曲線4對應圖2中第四點的太赫茲光譜曲線；曲線5對應圖2中第五點的太赫茲光譜曲線；曲線6對應圖2中第六點的太赫茲光譜曲線；曲線7對應圖2中第七點的太赫茲光譜曲線；上述曲線與高含水原油各不同點的對應關係說明:同一厚度下不同含水率的原油的太赫茲光譜曲線不同，高含水原油的太赫茲光譜幅值與含水率之間存在對應關係，根據對應關係和刻度，便可由其太赫茲光譜計算得到含水率值。具體地，將圖2中第一點I處的太赫茲光譜設置為參考信號EMf(第一點的太赫茲光譜曲線或第一點的太赫茲光譜函數)，在圖3中用標號I指代的曲線代表，這樣，被高含水原油覆蓋的其他各點處所得到的光譜信號為Esamp例如，圖3中標號2指代的曲線代表圖2中第二點2處的光譜信號Esamp (第二點的太赫茲光譜曲線或第二點的太赫茲光譜函數)，其他點依次類推，根據太赫茲波傳播理論，同時，由於所述油水混合物為高含水原油，原油所佔的體積較小,且原油的太赫茲吸收係數比水的要小很多，因此，高含水原油的太赫茲光譜信號可表示為:Esamp = Erefe-^d式中，α為水的太赫茲吸收係數，Φ為原油的含水率，d為雙層薄膜油膜層的厚度，e為常數(自然對數函數的底數)，從公式得知，只要測量得到了高含水原油的太赫茲光譜，便可求出其含水率Φ。而圖3中，第一點I處的太赫茲光譜Eref，以及被高含水原油覆蓋的各點處所得到的光譜信號為Esamp是可以通過測量或計算得到的。進一步地，所述雙層薄膜60包括兩層平行的且透明聚乙烯材料組成的薄膜，雙層薄膜的組成材料本身對太赫茲波的吸收很小，可忽略不計，所述高含水原油均勻的分布在兩層薄膜之間，並形成具有相同厚度的油膜層。矩形支撐框600能夠防止高含水原油的下漏。雙層薄膜60之間的距離為50 μ m至2mm，以實現高含水原油均勻的分布在兩層薄膜之間，並形成具有相同厚度的油膜層，並達到用太赫茲波測量的要求。進一步地，太赫茲分析裝置在線分析處理和實時顯示所述高含水原油含水率。這樣，可以及時快速的得到測量結果。本發明的工作過程如下:中心波長為800nm，脈衝持續時間為lOOfs，重複頻率為80MHz的飛秒雷射器10經第三反射鏡20打在太赫茲產生器30上產生穩定的寬頻太赫茲波，太赫茲波經過一對拋物面鏡後經過第一透鏡40的聚焦由第一反射鏡50反射後照射在裝有油水混合物雙層薄膜6 0上，雙層薄膜60豎直地安放在支架中以使得太赫茲波垂直入射薄膜，透射信號經過第一透鏡70和第一反射鏡80後由太赫茲接收器90探測接收，再經鎖相放大器92鎖相後經由太赫茲分析裝置91進行採集、處理和顯示。雙層油膜中放置的原油的含水率不同，會導致透射信號的強度存在差異，將透射信號的強度進行刻度，就可以轉換成原油含水率的信息，從而實現高含水原油持水率的精確測量。飛秒雷射器10發出的雷射脈衝打在太赫茲產生器上產生穩定的太赫茲脈衝,太赫茲脈衝照射在裝有高含水原油的雙層薄膜的幾何中心位置上，雙層薄膜的組成材料本身對太赫茲波的吸收很小，可忽略不計，兩片薄膜的下部緊密結合能夠防止高含水原油的下漏。實際操作中，兩個薄膜之間的距離(即含水原油的厚度)可根據高含水原油的實際含水率值的大致範圍來調節，例如，距離為50 μ m至2mm。太赫茲接收器90與入射到雙層薄膜上的太赫茲脈衝的光斑正對，用來完全接收透過高含水原油的太赫茲波。附圖2給出了某一厚度下不同含水率的原油在薄膜中的分布情況，根據本發明中提出的測量裝置，可得到整個薄膜中不同位置處的太赫茲光譜，如圖3所示。高含水原油的太赫茲光譜幅值與含水率之間存在對應關係，根據刻度，便可由其太赫茲光譜計算得到含水率值。 本發明通過對不同含水率的高含水原油進行太赫茲波掃描，可得到反應含水率精確信息的太赫茲波信號，對測量得到的包含豐富物理信息的太赫茲波信號進行數位訊號處理和分析，可得到高含水原油的含水率信息，從而實現高含水原油含水率的在線測量。 以上所述僅為本發明示意性的具體實施方式
，並非用以限定本發明的範圍。為本發明的各組成部分在不衝突的條件下可以相互組合，任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應屬於本發明保護的範圍。
權利要求
1.一種高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，其特徵在於，所述高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置包括: 飛秒雷射器，發出雷射； 太赫茲產生器，接受飛秒雷射器發出的雷射，並發出太赫茲波； 用於容納高含水原油的雙層薄膜，通過第一鏡片組的透射和/或反射接受所述太赫茲產生器發出的太赫茲波；所述太赫茲波垂直入射所述雙層薄膜，所述太赫茲波垂直入射所述雙層薄膜後產生透射信號； 太赫茲接收器，探測接收所述透射信號； 太赫茲分析裝置，採集、處理和顯示所述透射信號。
2.如權利要求1所述的高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，其特徵在於，所述高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置還包括:鎖相放大器，所述鎖相放大器設置在所述太赫茲接收器與太赫茲分析裝置之間。
3.如權利要求1所述的高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，其特徵在於，所述太赫茲分析裝置為電腦，所述太赫茲分析裝置將所述透射信號的強度進行刻度或標記或對比，並轉換成原油含水率的信息。
4.如權利要求1所述的高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，其特徵在於，所述第一鏡片組包括:設置在所述太赫茲產生器下遊的第一透鏡、和設置在所述第一透鏡下遊的第一反射鏡，所述太赫茲波經過所述第一透鏡的聚焦由第一反射鏡反射後照射在裝有油水混合物的雙層薄膜上。
5.如權利要求1所述的高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，其特徵在於，所述高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置還包括:第二鏡片組，所述第二鏡片組設置在所述鎖相放大器與所述雙層薄膜之間，所述第二鏡片組包括:設置在所述雙層薄膜下遊的第二透鏡、和設置在所述第二透鏡下遊的第二反射鏡。
6.如權利要求1所述的高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，其特徵在於，所述高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置還包括:第三反射鏡，所述第三反射鏡設置在所述飛秒雷射器與所述太赫茲產生器之間。
7.如權利要求1所述的高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，其特徵在於，所述太赫茲產生器發出的太赫茲波的頻帶範圍為0.1-1OTHz0
8.如權利要求1所述的高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，其特徵在於，所述雙層薄膜設置在可移動的薄膜支架上，所述飛秒雷射器發出中心波長為800nm，脈衝持續時間為100飛秒，重複頻率為80MHz的雷射。
9.如權利要求1所述的高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，其特徵在於，所述雙層薄膜包括兩層平行的且透明聚乙烯材料組成的薄膜，所述高含水原油均勻的分布在兩層薄膜之間，並形成具有相同厚度的油膜層。
10.如權利要求1所述的高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，其特徵在於，太赫茲分析裝置在線分析處理和實時顯示所述高含水原油含水率。
全文摘要
本發明提出一種高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置，所述高含水原油含水率的太赫茲檢測裝置包括飛秒雷射器，發出雷射；太赫茲產生器，接受飛秒雷射器發出的雷射，並發出太赫茲波；用於容納高含水原油的雙層薄膜，通過第一鏡片組的透射和/或反射接受所述太赫茲產生器發出的太赫茲波；所述太赫茲波垂直入射所述雙層薄膜，所述太赫茲波垂直入射所述雙層薄膜後產生透射信號；太赫茲接收器，探測接收所述透射信號；太赫茲分析裝置，採集、處理和顯示所述透射信號。本發明可得到反應含水率精確信息的太赫茲波信號，可得到高含水原油的含水率信息，從而實現高含水原油含水率的在線測量。
文檔編號G01N21/25GK103175788SQ20131006731
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月4日 優先權日2013年3月4日
發明者趙昆, 金武軍 申請人:中國石油大學(北京)