專利名稱：烴源巖有機(jī)成熟度的測量裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種烴源巖有機(jī)成熟度的測量裝置與方法。
背景技術(shù)：
在石油勘探領(lǐng)域中，烴源巖指能生成石油與天然氣的巖石。烴源巖中有機(jī)質(zhì)類型不同，其性質(zhì)也不相同，含有機(jī)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(jī)質(zhì)類型，可從可溶有機(jī)質(zhì)(瀝青)和不溶有機(jī)質(zhì)(干酪根)的結(jié)構(gòu)和組成來區(qū)分。根據(jù)干酪根熱降解機(jī)理，石油和天然氣是有機(jī)質(zhì)被溫度作用達(dá)到一定的演化階段時產(chǎn)生的。數(shù)量可觀和性質(zhì)良好的烴源巖有機(jī)質(zhì)，還需經(jīng)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(jìn)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(chǎn)烴階段；成熟階段具有較強(qiáng)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(tài)烴的能力?？碧綄?shí)踐證明，只有在成熟烴源巖分布區(qū)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(guān)鍵。目前用于測量烴源巖成熟度的最普遍的光學(xué)方法有鏡質(zhì)體反射率法。其缺點(diǎn)是當(dāng)烴源巖對應(yīng)地層深度較深時，由于烴源巖被氧化，盡管其有機(jī)質(zhì)含量不同，但其鏡質(zhì)體反射率不再發(fā)生變化。其它測量方法還有干酪根的物理-化學(xué)方法，干酪根的元素組成和紅外光譜法，可溶有機(jī)質(zhì)的化學(xué)方法，熱解法，用C2-C7輕烴組成判斷有機(jī)質(zhì)的成熟度，以及根據(jù)C15+烴類的特征鑒定成熟度等，其主要是成本高，方法較為復(fù)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(xì)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(dǎo)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(cè)的一些條紋是清晰的，中間的條紋是模糊的，這就給計算機(jī)圖像處理造成相當(dāng)大的困難，也會影響測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本本發(fā)明的目的是提供一種烴源巖有機(jī)成熟度的測量裝置與方法，以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足。
本發(fā)明是在已有專利的基礎(chǔ)上，對裝置進(jìn)行了改進(jìn)，并采用了新的依據(jù)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(guān)，與中間的條紋是否清晰無關(guān)。
為了便于理解，簡述本發(fā)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(jī)質(zhì)，因而相應(yīng)萃取液的折射率有所不同。根據(jù)光的干涉原理，樣品不同的折射率必然對應(yīng)不同的干涉條紋，即成熟度不同的烴源巖，對應(yīng)不同的干涉條紋。
本發(fā)明包括激光器在內(nèi)的殼體中的凸透鏡和柱面透鏡產(chǎn)生的條形光束的共軸光學(xué)系統(tǒng)、處在柱面透鏡焦平面上的毛細(xì)管及其后的半透明屏以及高精度CCD照相機(jī)和導(dǎo)線電連接的含有軟件程序的計算機(jī)，其特征在于它還包括至少為三維精細(xì)調(diào)節(jié)架上裝有的顯微物鏡、微孔和置于毛細(xì)管前的光欄，該顯微物鏡的前焦點(diǎn)與微孔重合，微孔和凸透鏡的后焦點(diǎn)重合，毛細(xì)管豎直安放在五維精細(xì)調(diào)節(jié)架上，毛細(xì)管一半注有液體，另一半為空氣，且使條形光束照射在毛細(xì)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(xué)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(yīng)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(xì)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(xì)管中空氣產(chǎn)生的條紋(僅有一條)相對于毛細(xì)管中心所成的角度，是一個很小的常數(shù)。通過測量空氣條紋的寬度AB及毛細(xì)管中心到半透明屏的距離DC就可以確定這個常數(shù)，b＝AB/2DC。c可以通過已知折射率的一組標(biāo)準(zhǔn)液體(折射率范圍為1.33-1.80)確定，測出每一標(biāo)準(zhǔn)液體干涉圖樣對應(yīng)的θ，建立標(biāo)準(zhǔn)液體的n與θ的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的θ′，將b、c及θ′代入(1)式即可計算出折射率，或直接從標(biāo)準(zhǔn)曲線上讀出折射率。
烴源巖的可溶有機(jī)質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)樣品，以上述步驟測量其可溶有機(jī)質(zhì)的折射率，建立成熟度Ro與折射率n的標(biāo)準(zhǔn)曲線，對未知成熟度烴源巖，以上述方法測量其可溶有機(jī)質(zhì)折射率n，與標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)而得到相應(yīng)的烴源巖有機(jī)成熟度，而且結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍大，成本低，光路無須精細(xì)校準(zhǔn)，易操作。


圖1本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2確定常數(shù)b的示意圖。其中AB為空氣條紋的寬度，C為AB的中點(diǎn)，D為毛細(xì)管軸線與光軸的交點(diǎn)，CD為毛細(xì)管軸線到半透明屏的距離。
圖3標(biāo)準(zhǔn)液體的折射率n與最左或最右干涉條紋偏折角θ的標(biāo)準(zhǔn)曲線。
其中*為已知折射率的標(biāo)準(zhǔn)液體，□為未知折射率的液體。
圖4本發(fā)明的測量流程示意圖。
圖5用CCD照相機(jī)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(xì)化示意圖。
其中，1激光器 2顯微物鏡 3微孔 4三維調(diào)節(jié)架 5凸透鏡 6柱面透鏡 7毛細(xì)管 8光欄 9五維調(diào)節(jié)架 10液體 11半透明屏 12殼體 13CCD照相機(jī) 14計算機(jī)具體實(shí)施方式
如圖1，本發(fā)明包括激光器1在內(nèi)的殼體12中的凸透鏡5和柱面透鏡6產(chǎn)生的條形光束的共軸光學(xué)系統(tǒng)、處在柱面透鏡6焦平面上的毛細(xì)管7及其后的半透明屏11以及高精度CCD照相機(jī)13和導(dǎo)線電連接的含有軟件程序的計算機(jī)14，其特征在于它還包括三維調(diào)節(jié)架4上裝有的顯微物鏡2、微孔3，和置于毛細(xì)管7前的光欄8，該顯微物鏡2的前焦點(diǎn)與微孔3重合，微孔3和凸透鏡5的后焦點(diǎn)重合，毛細(xì)管7豎直安放在五維調(diào)節(jié)架9上，毛細(xì)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(xì)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(shù)為20倍，用于擴(kuò)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(diǎn)上，用于濾波，以便得到光強(qiáng)均勻分布的光斑，以在技術(shù)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(xì)三維調(diào)節(jié)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(diào)。凸透鏡的后焦點(diǎn)與微孔重合，擴(kuò)束后的激光束經(jīng)由凸透鏡變?yōu)槠叫泄猓叫泄饨?jīng)由柱面透鏡聚焦變?yōu)闂l形光束。毛細(xì)管豎直地放置在精細(xì)五維調(diào)節(jié)架上，并使毛細(xì)管的軸處于柱面透鏡的焦平面上。通常選用毛細(xì)管內(nèi)徑2-3mm，外徑3-4mm，長10cm。
對于低透明度液體，由于毛細(xì)管較細(xì)，如內(nèi)徑2mm，透過毛細(xì)管的相干的兩光束的光強(qiáng)基本相等，因而即使光強(qiáng)較弱，條紋的對比度也會很好?？紤]到毛細(xì)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(xì)管前方設(shè)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(jī)成熟度的的測量方法(a)取己知折射率n的標(biāo)準(zhǔn)液體樣品，注入毛細(xì)管7中，使毛細(xì)管7一半盛有液體10，另一半為空氣，同時產(chǎn)生空氣與標(biāo)準(zhǔn)樣品的干涉圖樣于半透明屏11上；記錄毛細(xì)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(jī)分別拍攝半透明屏11上的坐標(biāo)刻度尺和干涉圖樣(如圖5)，并存儲在計算機(jī)中；如果半透明屏周邊無坐標(biāo)刻度，可在拍攝完干涉圖樣后，在半透明屏后緊附一張坐標(biāo)紙，在不改變CCD照相機(jī)的位置及焦距的條件下，拍攝坐標(biāo)紙并將圖像存儲在計算機(jī)中；(c)讀取坐標(biāo)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(shù)b＝tg(AB/2DC)(如圖2)，細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)液體干涉圖樣最左側(cè)與最右側(cè)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(biāo)準(zhǔn)液體樣品，建立標(biāo)準(zhǔn)液體折射率n與偏折角θ的標(biāo)準(zhǔn)曲線，即n-θ曲線(如圖3)，通過最小二乘法得到常數(shù)c；(e)再將未知折射率的低透明液體注入相同材質(zhì)與規(guī)格的毛細(xì)管中，用CCD照相機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)樣品，萃取其可溶有機(jī)質(zhì)，以上述步驟((a)-(e))分別測量其可溶有機(jī)質(zhì)的折射率n，建立成熟度Ro與折射率n的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)質(zhì)折射率n，與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)測偏折角θ′分別為0.2351，0.2031，由標(biāo)準(zhǔn)曲線可得折射率分別是1.4851和1.3904。
權(quán)利要求
1.烴源巖有機(jī)成熟度的測量裝置，它包括激光器(1)在內(nèi)的殼體(12)中的凸透鏡(5)和柱面透鏡(6)產(chǎn)生的條形光束的共軸光學(xué)系統(tǒng)、處在柱面透鏡(6)焦平面上的毛細(xì)管(7)及其后的半透明屏(11)以及高精度CCD照相機(jī)(13)和導(dǎo)線相連的含有軟件程序的計算機(jī)(14)，其特征是它還包括三維調(diào)節(jié)架(4)上裝有的顯微物鏡(2)、微孔(3)和置于毛細(xì)管(7)前的光欄(8)，該顯微物鏡(2)的前焦點(diǎn)與微孔(3)重合，微孔(3)和凸透鏡(5)的后焦點(diǎn)重合，毛細(xì)管(7)豎直安放在五維調(diào)節(jié)架(9)上，毛細(xì)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(xì)管(7)中間段上并分別形成清晰的干涉圖樣。
2.如權(quán)利要求1所述的烴源巖有機(jī)成熟度的測量裝置，其特征在于上述毛細(xì)管(7)內(nèi)徑為2-3mm，外徑為3-4mm，長8-10cm。
3.如權(quán)利要求1所述的烴源巖有機(jī)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(biāo)刻度尺。
4.如權(quán)利要求1所述的烴源巖有機(jī)成熟度的測量裝置，其特征在于上述激光器(1)是連續(xù)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(jī)成熟度的測量方法(a)取已知折射率n的標(biāo)準(zhǔn)液體樣品，注入毛細(xì)管(7)中，使毛細(xì)管(7)一半盛有液體(10)，另一半為空氣，同時產(chǎn)生空氣與標(biāo)準(zhǔn)樣品的干涉圖樣于半透明屏(11)上；記錄毛細(xì)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(jī)拍攝干涉圖樣和半透明屏周邊上的坐標(biāo)刻度尺，并存儲在計算機(jī)中；(c)讀取坐標(biāo)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(shù)b＝tg(AB/2DC)，細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)液體干涉圖樣最左側(cè)與最右側(cè)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(biāo)準(zhǔn)液體樣品，建立標(biāo)準(zhǔn)液體折射率n與偏折角θ的標(biāo)準(zhǔn)曲線，即n-θ曲線，通過最小二乘法得到常數(shù)c；(e)再將未知折射率的低透明液體注入相同材質(zhì)與規(guī)格的毛細(xì)管中，用CCD照相機(jī)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(biāo)準(zhǔn)樣品，萃取其可溶有機(jī)質(zhì)，以上述步驟((a)-(e))分別測量其可溶有機(jī)質(zhì)的折射率，建立成熟度Ro與折射率n的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)質(zhì)折射率n，與標(biāo)準(zhǔn)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(jī)成熟度的測量裝置與方法。它包括激光器在內(nèi)的殼體中的凸透鏡和柱面透鏡產(chǎn)生的條形光束的共軸光學(xué)系統(tǒng)、處在柱面透鏡焦平面上的毛細(xì)管及其后的半透明屏以及CCD照相機(jī)和導(dǎo)線相連的含有軟件程序的計算機(jī)，其特征在于它還包括精細(xì)三維調(diào)節(jié)架上裝有的顯微物鏡、微孔，和置于毛細(xì)管前的光欄，該顯微物鏡的前焦點(diǎn)與微孔重合，微孔和凸透鏡的后焦點(diǎn)重合，毛細(xì)管豎直安放在精細(xì)五維調(diào)節(jié)架上，且使條形光束照射在毛細(xì)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(jù)烴源巖的萃取液的折射率n可知其成熟度Ro。本發(fā)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(diào)節(jié)，精度高的特點(diǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2006年10月10日
發(fā)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(xué)