論文題目：Characterization of low-water-content crude oils under laser irradiation

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

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

作者列表：

1） 張善哲 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院 電子信息工程系 博18級

2） 苗昕揚 中國石油大學（北京）新能源與材料學院 材料系

3） 梁華慶 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院 電子信息工程系

4） 趙   昆 中國石油大學（北京）新能源與材料學院 材料系

文章簡介：

在這項工作中，我們采用激光誘導等離子體透射光譜（LIPTS）表征原油乳狀液中的含水率。原油乳狀液的LIPTS響應隨著含水率的變化而變化。我們通過研究水滴與油滴之間的分子間作用力，提出一種激光與物質相互作用的機理。實驗結果表明，LIPTS技術可以用于表征原油乳狀液的含水率。

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導致石油的采收率和石油的生產能力需要不斷提高。為了滿足該需求，我們執行了二次采油策略，主要是通過注水維持或增加儲層壓力。原油含水量的表征和評價在石油工業中具有重要意義。原油中的水分含量對于原油加工、運輸和銷售至關重要。此外，在精煉過程中，少量的水可能導致金屬部件的腐蝕。除這些問題外，油中水的存在還會引起油、水以及剩余油的分布問題。油水分布越來越復雜，剩余油也越來越分散。

近年來，光學方法在石油資源的評價方面起著關鍵作用。一種激光誘導的超聲波技術被用來表征油頁巖的熱解過程。此外，太赫茲（THz）技術被用來測量高含水原油中的水含量和油中水分的分布。此外，該技術還用于表征磁場環境下分子的團聚過程。另外，由于激光和液體之間的相互作用，當激光輻射液體表面時，液體中會產生等離子體。粒子通過碰撞釋放能量產生帶電物質。級聯反應和各種重組過程會促進等離子體的產生。在外部電場下，正電荷和負電荷的分離會產生電壓。我們在許多材料中都觀察到了激光誘導的響應。在此項研究中，我們采用LIPTS響應來表征原油中的低水含量。我們觀察到，由于分子間的作用力LIPTS信號的峰值（VP）隨著原油含水率（CW）的變化而變化。

研究方法：

圖1 實驗裝置示意圖。

原油樣品來自委內瑞拉。實驗設備示意圖如圖1所示。在實驗過程中，我們使用248 nm準分子激光輻射樣品。激光輻射在樣品表面的能量Ein是38.8 mJ。用于記錄LIPTS的示波器的帶寬為350 MHz，輸入阻抗為1MΩ。源表Keithley 2400被用作電壓源，偏置電壓Vb的調節范圍是60 V~200V。石英比色皿的尺寸是20 mm×45 mm，厚度為10 mm。

圖2 偏執電壓Vb對VP/Ein產生的影響。

圖3 VP/Ein（a）以及VP/Ein/Vb（b）隨原油含水率CW的變化。

圖4 根據分子間作用力擬合LIPTS響應隨原油含水率CW的變化關系。

當激光照射在樣品表面時，多光子吸收和級聯電離共同作用，從而導致液體中等離子體的產生。在原油乳狀液中，顆粒的聚集狀態主要受到分子間相互作用的影響，包括水滴與油滴之間的引力和斥力。由于引力和斥力之間的相互關系，當相互作用是引力時，粒子容易相互連接，而當相互作用是斥力時，粒子容易分散。因此，原油的LIPTS響應隨著原油含水率CW的變化而變化。

作者簡介

張善哲，博士，中國石油大學（北京），信息科學與工程學院控制理論與控制工程專業。研究方向：油氣光學探測技術、信號檢測與處理。聯系方式：Email：zhangshanzhe0910@163.com.

梁華慶，教授，中國石油大學（北京），信息科學與工程學院電子信息工程系，博士生導師，校級品牌課教師，中國電子教育學會信息與電子學科研究生教育委員會理事。主要研究方向：微弱信號檢測與處理、測控技術與石油儀器、油田自動化。主持國家科技重大專項子課題、北京市自然基金以及油田企業的橫向項目30多項，獲國家發明專利授權6件，計算機軟件著作權10余項，獲省部級技術發明一等獎1項，部級優秀教學成果二等獎1項、三等獎1項。發表論文50余篇，其中被SCI、EI檢索30余篇。聯系方式：Email：hqliang@cup.edu.cn.

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