專利名稱：烴源巖有機成熟度的測量裝置與方法
技術領域：
本發明涉及一種烴源巖有機成熟度的測量裝置與方法。
背景技術：
在石油勘探領域中，烴源巖指能生成石油與天然氣的巖石。烴源巖中有機質類型不同，其性質也不相同，含有機物類型不同的烴源巖，具有不同的生油潛力。而烴源巖的有機質類型，可從可溶有機質(瀝青)和不溶有機質(干酪根)的結構和組成來區分。根據干酪根熱降解機理，石油和天然氣是有機質被溫度作用達到一定的演化階段時產生的。數量可觀和性質良好的烴源巖有機質，還需經過成熟作用才能形成石油和天然氣。陸相與海相地層均可劃分為未成熟、成熟(進一步分為低、中、高成熟三個亞段)和過成熟三個階段。未成熟階段為產烴階段；成熟階段具有較強的生油能力，此階段可生成低成熟石油、成熟石油、凝析油和濕氣；過成熟階段具有很低的生成氣態烴的能力。勘探實踐證明，只有在成熟烴源巖分布區才有較高的油氣勘探成功率，所以烴源巖的成熟度評價也是決定油氣勘探成敗的關鍵。目前用于測量烴源巖成熟度的最普遍的光學方法有鏡質體反射率法。其缺點是當烴源巖對應地層深度較深時，由于烴源巖被氧化，盡管其有機質含量不同，但其鏡質體反射率不再發生變化。其它測量方法還有干酪根的物理-化學方法，干酪根的元素組成和紅外光譜法，可溶有機質的化學方法，熱解法，用C2-C7輕烴組成判斷有機質的成熟度，以及根據C15+烴類的特征鑒定成熟度等，其主要是成本高，方法較為復雜。
已有的測量生油巖成熟度的專利(ZH200420052821.1)，雖然能夠測量生油巖成熟度，但由于毛細管壁反射的光會被柱面透鏡再次反射而疊加在樣品的干涉圖樣上，會導致條紋對比度降低；另外由條紋反演折射率的算法要求所有條紋都要清晰，但對于較低透明度的液體，只有干涉圖樣外側的一些條紋是清晰的，中間的條紋是模糊的，這就給計算機圖像處理造成相當大的困難，也會影響測量精度。
發明內容
本本發明的目的是提供一種烴源巖有機成熟度的測量裝置與方法，以彌補現有技術的不足。
本發明是在已有專利的基礎上，對裝置進行了改進，并采用了新的依據干射圖樣反演折射率的方法，該方法僅與干射圖樣最左與最右的兩條也是最清晰的兩條條紋有關，與中間的條紋是否清晰無關。
為了便于理解，簡述本發明的測量原理是必要的。由于不同成熟度的烴源巖含有不同的可溶有機質，因而相應萃取液的折射率有所不同。根據光的干涉原理，樣品不同的折射率必然對應不同的干涉條紋，即成熟度不同的烴源巖，對應不同的干涉條紋。
本發明包括激光器在內的殼體中的凸透鏡和柱面透鏡產生的條形光束的共軸光學系統、處在柱面透鏡焦平面上的毛細管及其后的半透明屏以及高精度CCD照相機和導線電連接的含有軟件程序的計算機，其特征在于它還包括至少為三維精細調節架上裝有的顯微物鏡、微孔和置于毛細管前的光欄，該顯微物鏡的前焦點與微孔重合，微孔和凸透鏡的后焦點重合，毛細管豎直安放在五維精細調節架上，毛細管一半注有液體，另一半為空氣，且使條形光束照射在毛細管中間段上并分別形成清晰的干涉圖樣。
從已有的幾何光學得到待測液體的折射率公式為n=sin(b-c)sin(θ2-c)---(1)]]>式中θ為干涉圖樣最左或最右條紋(也是最亮最清晰的兩條條紋)對應的光線相對于光軸的偏折角，通過測量該條條紋相對于光軸的距離EF/2及毛細管軸線到半透明屏的距離DC就可以確定這個角度。b為毛細管中空氣產生的條紋(僅有一條)相對于毛細管中心所成的角度，是一個很小的常數。通過測量空氣條紋的寬度AB及毛細管中心到半透明屏的距離DC就可以確定這個常數，b＝AB/2DC。c可以通過已知折射率的一組標準液體(折射率范圍為1.33-1.80)確定，測出每一標準液體干涉圖樣對應的θ，建立標準液體的n與θ的標準曲線，同時通過最小二乘法可獲得c的值。對于未知折射率的低透明液體，只要測出其干涉圖樣最左或最右干涉條紋所對應的θ′，將b、c及θ′代入(1)式即可計算出折射率，或直接從標準曲線上讀出折射率。
烴源巖的可溶有機質是低透明液體，取成熟度范圍Ro在0.3-2.5的至少9個烴源巖標準樣品，以上述步驟測量其可溶有機質的折射率，建立成熟度Ro與折射率n的標準曲線，對未知成熟度烴源巖，以上述方法測量其可溶有機質折射率n，與標準曲線，即Ro-n曲線對比，即可獲得成熟度Ro。
利用本裝置可直接測量烴源巖萃取液折射率，進而得到相應的烴源巖有機成熟度，而且結構簡單，測量范圍大，成本低，光路無須精細校準，易操作。
圖1本發明的總體結構示意圖。
圖2確定常數b的示意圖。其中AB為空氣條紋的寬度，C為AB的中點，D為毛細管軸線與光軸的交點，CD為毛細管軸線到半透明屏的距離。
圖3標準液體的折射率n與最左或最右干涉條紋偏折角θ的標準曲線。
其中*為已知折射率的標準液體，□為未知折射率的液體。
圖4本發明的測量流程示意圖。
圖5用CCD照相機拍攝的柴油的干涉圖樣。
圖6干涉圖樣最左與最右條紋的細化示意圖。
其中，1激光器 2顯微物鏡 3微孔 4三維調節架 5凸透鏡 6柱面透鏡 7毛細管 8光欄 9五維調節架 10液體 11半透明屏 12殼體 13CCD照相機 14計算機具體實施方式
如圖1，本發明包括激光器1在內的殼體12中的凸透鏡5和柱面透鏡6產生的條形光束的共軸光學系統、處在柱面透鏡6焦平面上的毛細管7及其后的半透明屏11以及高精度CCD照相機13和導線電連接的含有軟件程序的計算機14，其特征在于它還包括三維調節架4上裝有的顯微物鏡2、微孔3，和置于毛細管7前的光欄8，該顯微物鏡2的前焦點與微孔3重合，微孔3和凸透鏡5的后焦點重合，毛細管7豎直安放在五維調節架9上，毛細管7一半盛有液體10，另一半為空氣，且使條形光束照射在毛細管7中間段上并分別形成清晰的干涉圖樣。
上述顯微物鏡2的放大倍數為20倍，用于擴展激光束，微孔3的孔徑為10-15微米，放置在顯微物鏡的前焦點上，用于濾波，以便得到光強均勻分布的光斑，以在技術上保證干涉圖樣具有高的條紋可見度，顯微物鏡與微孔安放在一個精細三維調節架上，微孔相對于顯微物鏡的位置可在空間三個方向上可調。凸透鏡的后焦點與微孔重合，擴束后的激光束經由凸透鏡變為平行光，平行光經由柱面透鏡聚焦變為條形光束。毛細管豎直地放置在精細五維調節架上，并使毛細管的軸處于柱面透鏡的焦平面上。通常選用毛細管內徑2-3mm，外徑3-4mm，長10cm。
對于低透明度液體，由于毛細管較細，如內徑2mm，透過毛細管的相干的兩光束的光強基本相等，因而即使光強較弱，條紋的對比度也會很好。考慮到毛細管管壁的反射光被柱面透鏡再次反射而疊加到半透明屏上，降低條紋的對比度，因而在毛細管前方設置一光欄8，以遮擋這部分反射光，從而提高條紋的對比度。
烴源巖有機成熟度的的測量方法(a)取己知折射率n的標準液體樣品，注入毛細管7中，使毛細管7一半盛有液體10，另一半為空氣，同時產生空氣與標準樣品的干涉圖樣于半透明屏11上；記錄毛細管7軸線到半透明屏11的距離DC，以便在計算中使用；(b)用CCD照相機分別拍攝半透明屏11上的坐標刻度尺和干涉圖樣(如圖5)，并存儲在計算機中；如果半透明屏周邊無坐標刻度，可在拍攝完干涉圖樣后，在半透明屏后緊附一張坐標紙，在不改變CCD照相機的位置及焦距的條件下，拍攝坐標紙并將圖像存儲在計算機中；(c)讀取坐標圖像的每厘米的象素值，讀取空氣干涉條紋的寬度AB，計算出常數b＝tg(AB/2DC)(如圖2)，細化標準液體干涉圖樣最左側與最右側的兩條干涉條紋(如圖6)，并讀取其間的距離EF，計算偏折角θ＝tg(EF/2DC)；(d)以同樣的方法用至少9個折射率范圍在1.33-1.80的標準液體樣品，建立標準液體折射率n與偏折角θ的標準曲線，即n-θ曲線(如圖3)，通過最小二乘法得到常數c；(e)再將未知折射率的低透明液體注入相同材質與規格的毛細管中，用CCD照相機拍攝半透明屏上的干涉圖樣，以上述同樣的步驟得出未知折射率的液體的偏折角θ′，將b、c及θ′代入(1)式算出折射率，或與標準曲線對比即可讀取未知液體的折射率；(f)取成熟度范圍Ro在0.3-2.5的至少9個烴源巖標準樣品，萃取其可溶有機質，以上述步驟((a)-(e))分別測量其可溶有機質的折射率n，建立成熟度Ro與折射率n的標準曲線，即Ro-n曲線；(g)對未知成熟度烴源巖，以上述步驟((a)-(e))測量其可溶有機質折射率n，與標準曲線即Ro-n曲線對比，即可獲得成熟度Ro。
所述已知折射率n的標準液體可選用蒸餾水，丙酮，無水乙醇，冰乙酸，乳酸，乙二醇，三氯甲烷，四氯化碳，液體石蠟，丙三醇，二硫化碳及二硫化碳與無水乙醇的混合物，其折射率n的范圍在1.33-1.62之間，折射率n與偏折角θ的標準曲線如圖3所示，其中未知折射率樣品為車輛齒輪油和石腦油，實測偏折角θ′分別為0.2351，0.2031，由標準曲線可得折射率分別是1.4851和1.3904。
權利要求
1.烴源巖有機成熟度的測量裝置，它包括激光器(1)在內的殼體(12)中的凸透鏡(5)和柱面透鏡(6)產生的條形光束的共軸光學系統、處在柱面透鏡(6)焦平面上的毛細管(7)及其后的半透明屏(11)以及高精度CCD照相機(13)和導線相連的含有軟件程序的計算機(14)，其特征是它還包括三維調節架(4)上裝有的顯微物鏡(2)、微孔(3)和置于毛細管(7)前的光欄(8)，該顯微物鏡(2)的前焦點與微孔(3)重合，微孔(3)和凸透鏡(5)的后焦點重合，毛細管(7)豎直安放在五維調節架(9)上，毛細管(7)一半注有液體(10)，另一半為空氣，且使條形光束照射在毛細管(7)中間段上并分別形成清晰的干涉圖樣。
2.如權利要求1所述的烴源巖有機成熟度的測量裝置，其特征在于上述毛細管(7)內徑為2-3mm，外徑為3-4mm，長8-10cm。
3.如權利要求1所述的烴源巖有機成熟度的測量裝置，其特征在于半透明屏(11)的周邊上有最小刻度為1mm坐標刻度尺。
4.如權利要求1所述的烴源巖有機成熟度的測量裝置，其特征在于上述激光器(1)是連續功率輸出的綠光或紅光激光器，激光器(1)的輸出功率大于40mW。
5.烴源巖有機成熟度的測量方法(a)取已知折射率n的標準液體樣品，注入毛細管(7)中，使毛細管(7)一半盛有液體(10)，另一半為空氣，同時產生空氣與標準樣品的干涉圖樣于半透明屏(11)上；記錄毛細管軸線到半透明屏(11)的距離DC，以便在計算中使用；(b)用CCD照相機拍攝干涉圖樣和半透明屏周邊上的坐標刻度尺，并存儲在計算機中；(c)讀取坐標圖像的每厘米的象素值，讀取空氣干涉條紋的寬度AB，計算出常數b＝tg(AB/2DC)，細化標準液體干涉圖樣最左側與最右側的兩條干涉條紋，并讀取其間的距離EF，計算偏折角θ＝tg(EF/2DC)；(d)以同樣的方法用至少9個折射率范圍在1.33-1.80的標準液體樣品，建立標準液體折射率n與偏折角θ的標準曲線，即n-θ曲線，通過最小二乘法得到常數c；(e)再將未知折射率的低透明液體注入相同材質與規格的毛細管中，用CCD照相機拍攝半透明屏上的干涉圖樣，以上述同樣的步驟得出未知折射率的液體的偏折角θ′，將b、c及θ′代入(1)式算出折射率，或與n-θ曲線對比即可讀取未知液體的折射率.(f)取成熟度范圍Ro在0.3-2.5的至少9個烴源巖標準樣品，萃取其可溶有機質，以上述步驟((a)-(e))分別測量其可溶有機質的折射率，建立成熟度Ro與折射率n的標準曲線，即Ro-n曲線；(g)對未知成熟度烴源巖，以上述步驟((a)-(e))測量其可溶有機質折射率n，與標準曲線即Ro-n曲線對比，即可獲得成熟度Ro。
全文摘要
一種烴源巖有機成熟度的測量裝置與方法。它包括激光器在內的殼體中的凸透鏡和柱面透鏡產生的條形光束的共軸光學系統、處在柱面透鏡焦平面上的毛細管及其后的半透明屏以及CCD照相機和導線相連的含有軟件程序的計算機，其特征在于它還包括精細三維調節架上裝有的顯微物鏡、微孔，和置于毛細管前的光欄，該顯微物鏡的前焦點與微孔重合，微孔和凸透鏡的后焦點重合，毛細管豎直安放在精細五維調節架上，且使條形光束照射在毛細管中間段上并分別形成干涉圖樣。在方法上能夠使用折射率公式(見上式)，依據烴源巖的萃取液的折射率n可知其成熟度Ro。本發明能測量透明液體折射率，也能測量低透明液體的折射率，且裝置簡單，成本低，易調節，精度高的特點。
文檔編號G01N21/01GK1936543SQ200610069290
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月10日 優先權日2006年10月10日
發明者楊愛玲, 張金亮, 劉宗林, 元光, 李文東 申請人:中國海洋大學