用太赫兹时域光谱法检测沙粒中的微量原油 下载: 633次
1 引言
现如今,大部分的人类能源需求由原油提供。由于沙漠地区地质松软,很容易提取石油,因此很多油井都位于沙漠地区[1-2]。然而,原油开采过程中的污染问题非常严重,会对沙漠生态造成破坏。原油泄漏在沙粒中会形成沙粒与原油的混合物。因此,可以通过检测存储在沙子中的微量原油来评估污染程度,同时可以确定在诸如输油管道等设施中是否存在微小裂缝。
已有一些方法被应用于检测沙粒中的有机物,例如X射线荧光光谱法(XRF)和电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)。这些方法具有高精度和高灵敏度,可用于检测样品中的主要元素和次要元素。激光诱导击穿光谱(LIBS)也被用于检测土壤样品中的油污染,可以区分受油污染的沙子和干净的沙子。但沙子中的有机物含量极少,同时要尽量避免测试过程对样品造成过度损坏。太赫兹(THz)波位于光谱的远红外波段和毫米波波段之间,具有穿透性强、能量低等优势。同时由于太赫兹波对极性分子极为灵敏,而许多的非金属非极性材料对其吸收较小。基于上述优势,太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)已被证明是石油和天然气光学工程中的有效工具,例如在原油和易燃油产品中的定性和定量检测[3-11]。
在这项研究中,太赫兹时域光谱技术被用于检测沙粒中的油污染。沙粒样品来自于新疆沙漠的石油勘探区。将沙粒与不同浓度的原油混合,通过太赫兹时域光谱分析,建立太赫兹衰减系数与沙粒中的微量原油浓度的模型。
1 实验方法
沙粒样品选自新疆沙漠地区,深度距地表1.5 m。为了进行太赫兹时域光谱测试,沙粒样品被筛至粒径在60 μm~70 μm之间,再与等质量的聚乙烯微粉混合均匀后,在20 Mpa的压力下被压制成直径为30 mm,厚度控制在2 mm左右的薄片。由于聚乙烯在太赫兹波段几乎没有吸收,因此可以用聚乙烯微粉来增加样品片的牢固程度。
图 1. THz-TDS of sands samples and reference signal
Fig. 1. THz-TDS of sands samples and reference signal
从位于中国的某油田选取2种原油,分别命名为油A和油B。实验流程如
本实验选用华讯方舟公司生产的CCT-1800太赫兹时域光谱仪进行测试,其成像扫描步长为40 μm,光谱范围在0.05 THz~5 THz之间,扫描速度为30 Hz。仪器的光路示意图如
图 2. Schematic diagram of experimental process
Fig. 2. Schematic diagram of experimental process
图 3. Schematic diagram of experimental device
Fig. 3. Schematic diagram of experimental device
2 结果与讨论
2种原油的太赫兹时域光谱如
对于含有不同浓度(0、20、40、60···200 )ppm的油A与油B的沙样,太赫兹衰减系数(σ/ d)与油浓度(C)呈现线性关系(其中σ=ERP/ESP,d为样品片测量位置厚度)。如
样品的颗粒结构是由原油和沙子的混合物构成的。Bruggeman(BR)提出的自洽有效介质理论已被广泛用于描述复合材料的光学性质,并可应用于随机分布和混合形成聚集结构的小颗粒[15-16]。在这种情况下,复合材料的有效介电常数满足以下关系:
图 6. Relationship betweenC and σ /d for sands samples mixed with oil A and oil B
Fig. 6. Relationship betweenC and σ /d for sands samples mixed with oil A and oil B
式中:P是介质1的体积分数;ε1和ε2是介质1和2的介电常数;εeff表示对应于2种复合介电材料的有效介电常数。根据太赫兹时域光谱测试得到的数据,油A,油B和沙粒样品的介电常数分别为~10、11、2.69。因此,可以通过上述公式获得油和沙两相系统的有效介电函数。将含有不同浓度原油的样品通过太赫兹分析获得的介电常数显示在
太赫兹波的光子能量大致相当于分子振动与旋转能级之间的跃迁能量,因此有机分子的振动和旋转跃迁、分子间的相互作用以及晶格振动都位于这个范围[17-19]。各种原油在太赫兹频率范围内的折射率和吸收系数谱均存在明显差异。因此,对于混有沙和油的样品,油浓度的变化是改变样品对太赫兹波的吸收强度的主要因素。同时,有许多因素会影响实验结果并导致误差。本文仅研究了近似均匀的沙样层产生的衰减。然而,对于非均匀层,衰减还受到在层中传播的太赫兹波所通过的不同长度和在可变样本边界上产生的漫散射等影响[20]。
图 7. Experimental (symbols) dielectric constant ε and calculated (lines) dielectric constant ε eff as a function of P for two-phase systems of two samples.
Fig. 7. Experimental (symbols) dielectric constant ε and calculated (lines) dielectric constant ε eff as a function of P for two-phase systems of two samples.
3 结论
实验结果表明,太赫兹时域光谱技术具有检测沙子中微量有机物的能力。样品对太赫兹波的吸收强度随含油量的增加而增加。同时介电常数的理论计算与由太赫兹仪器得到的介电常数进行对比,验证了太赫兹衰减系数与沙粒中原油浓度的线性关系。因此,太赫兹时域光谱技术可以用于检测沙子中低于200 ppm的原油泄漏。然而,有机物与沙粒之间的吸附模型尚未明确,还需要做进一步的研究,加以解决。
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