1 武汉理工大学理学院，湖北 武汉 430070
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
3 思达威（北京）能源科技有限公司，北京 100097
4 中国石油勘探开发研究院，北京 100083
随着人类能源需求的增长，油气钻井活动日益频繁。激光钻井在能源领域具有极大的应用价值，有望实现井下原位玻璃套管的制造，以替代传统金属套管，为油气钻井工程节省大量时间和资金。激光辐照岩石玻璃化的稳定形成是实现玻璃套管的关键因素。基于激光扫描花岗岩实验并结合物相检测和数值模拟方法，对激光烧蚀花岗岩玻璃化的影响因素和机理进行了研究。结果表明，受激光扫描后，花岗岩各组成矿物按熔化的难易程度分别发生熔化和碎裂现象，部分表面转化为深色玻璃；高速气流可有效清除岩石碎屑和粉尘，且能够提高激光作用效率和增加岩石玻璃的附着力；花岗岩易受温度作用而发生破裂，其较低的扫描速度和气流辅助条件有利于玻璃化的形成。在实际工程应用中，采用控制扫描速度和辅助高速气流的方法控制岩石的温度作用，形成稳定岩石玻璃和制造稳固覆盖于硬岩表面的原位玻璃化井壁。本研究探究了激光扫描作用岩石的玻璃化机理，为拓展激光钻井的工程应用提供了重要参考。
油气钻井 激光钻井 玻璃化 花岗岩 套管 温度应力 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0514002
1 西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500
2 中国石油集团川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川 成都 610056
3 中国石油集团西部钻探工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830000
针对多传感器管道缺陷检测数据融合精度不高的问题，提出了一种改进鸟群算法（IBSN）与加权正则化极限学习机（WRELM）相结合的多传感器检测管道缺陷数据融合方法。首先，利用电磁超声导波、漏磁以及涡流检测设备采集管道缺陷数据，将高斯核函数样本权重矩阵和正则化参数引入极限学习机中，建立WRELM数据融合模型；而后，通过引入混沌变量和高斯扰动、优化警惕行为以及改变飞行行为中步长因子来优化鸟群算法，采用IBSA优化WRELM输入层到隐含层的连接权值和隐含层的偏置；最后，利用多仪器检测管道缺陷数据融合平台进行实验分析。实验结果表明：采用IBSA-WRELM的多仪器检测管道缺陷数据融合模型的误差最小，仅为2.33%，有效提高了多仪器检测管道缺陷数据的融合精度。
油气管道腐蚀 多传感器 改进鸟群算法 加权极限学习机 数据融合 激光与光电子学进展
2023, 60(4): 0412001
1 河北泰恒安全评价咨询有限公司，河北 石家庄 050010
2 华北理工大学材料科学与工程学院，河北 唐山 063007
以37Mn5钢作为测试基材，利用选择性激光熔化（selective laser melting，SLM）工艺在基体表面制备WC/Co涂层，以恒电位方法测试了海水介质下的磨蚀性能。研究结果表明：WC/Co涂层产生（111）、（200）和（311）各晶面对应衍射峰。WC/Co涂层厚度约3 μm，形成较粗糙的表面结构，在载荷作用下发生划伤现象。当载荷为5 N时，极化曲线往右下角偏移，腐蚀电位也明显提高，得到更小的腐蚀电流密度，阳极区电流密度明显波动。提高阳极电位后，钝化膜已被击穿并产生了微孔，导致电流明显提高。当WC/Co涂层电位升高后，摩擦因数提高，引起涂层腐蚀现象，磨损量增加。电位0.5 V时涂层已经发生了磨穿，形成了大量点蚀形态凹坑结构，出现了划伤的犁沟，磨痕边界也发生了少数剥落。
油气管道 电位 选择性激光熔化 WC/Co涂层 微观组织 耐腐蚀性能 oil and gas pipelines potential selective laser melting WC/Co coatings microstructure corrosion resistant
拉曼光谱具有简单、 快速、 原位、 微区、 无损、 高分辨率和高灵敏度等优点, 可以分析物质的成分与分子结构信息, 是开展地质研究的有力工具。 通过回顾近年来拉曼光谱的研究进展, 结合实际的油气地质研究工作及分析测试经验, 对拉曼光谱在油气地质研究中的应用进行总结, 并讨论现阶段应用过程中存在问题及未来的发展方向。 拉曼光谱在油气地质中的应用主要分为三个方面: (1)矿物与流体包裹体分析, 可以确定成岩-成藏流体类型及组成、 成岩-成藏作用过程, 包括岩矿鉴定、 流体包裹体中流体体系分析、 水-岩相互作用过程研究、 地质样品同位素研究等; (2)不同类型有机质成熟度分析, 可以用于恢复热史、 油气成藏期次约束; (3)流体包裹体压力恢复, 可以研究油气藏的形成与演化过程。 主要方式为利用流体包裹体中气体的拉曼特征峰位移变化量、 气体溶解度恢复流体包裹体内压及捕获压力。 在实际油气地质研究中, 多种因素制约拉曼光谱的定量/半定量应用, 主要包括: 地质样品复杂性与特殊性、 样品处理方式、 拉曼测试参数与测试环境、 拉曼光谱数据处理与分析方式。 拉曼光谱分析测试流程标准化、 挑选和制备校准标样; 拉曼光谱与冷热台、 水热金刚石压腔(HDAC)、 高压可视反应腔(HPOC)、 扫描电镜(SEM)、 电子探针(EPMA)等仪器联用, 开展复杂体系原位、 实时、 不同温压条件下测试, 是进一步将拉曼光谱应用到油气地质中的研究方向。
拉曼光谱 油气地质 流体包裹体 有机质成熟度 压力恢复 Raman spectroscopy Petroleum geology Fluid inclusion Organic matter maturity Pressure recovery 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2679
1 中油国际管道公司，北京 102200
2 北京深蓝空间遥感技术有限公司，北京 100101
中缅油气管道的沉降导致管道弯曲、变形甚至破裂，因此开展管道沉降监测对于管道的建设与维护具有重要意义。永久散射体合成孔径雷达干涉测量（PS-InSAR）技术具有全天时、全天侯、监测范围广和精度高的优势，以中缅天然气管道——若开山段两侧3 km缓冲区范围为研究区域，采用PS-InSAR方法获取异常形变区域，然后进一步结合研究区的坡度、坡向、植被和土壤等多源数据信息建立风险判定模型对中缅油气管道进行滑坡风险评估，并判定滑坡及管道风险等级。主要结论为：1）基于升、降轨融合的PS-InSAR方法进行形变监测，共获取90个形变较大区域，平均形变量在-25~25 mm之间，大部分区域仍趋于稳定。2）基于坡度、坡向等多源数据进行滑坡风险等级划分、管道运行安全等级划分，结果显示滑坡一级风险区13个，二级风险区18个，三级风险区59个；管道一级风险区10个，二级风险区14个，三级风险区66个。
遥感与传感器 永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术 地面沉降 中缅油气管道 升降轨融合 风险等级 激光与光电子学进展
2022, 59(16): 1628007
1 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子国家重点实验室，吉林 长春 130012
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春 130033
温度和压力是石油开采过程中重要的参数，但油气井下高温高压环境苛刻，传统电子传感器很难实现长期稳定的工作。本文提出了一种基于碳纤维管增敏型的光纤光栅温度压力传感器。该传感器是以碳纤维丝编织成的中空管状结构作为骨架，通过耐高温环氧树脂固化成复合碳纤维管作为弹性体，并将表面嵌入耐高温光纤布拉格光栅作为感知元件，实现了井下温度和压力的同时测量。实验结果表明，该传感器可以在0~150 ℃和0~80 MPa环境下稳定工作，压力灵敏度最大可达到−50.02 pm/MPa，同时表现出很好的线性响应。通过外加参考光栅作为温度补偿光栅，解决了温度和压力同时测量过程中的交叉敏感问题，满足了井下开采过程中的精度要求，为油气井下高温高压光纤传感器的设计提供了实验依据。
油气井 碳纤维管 光纤布拉格光栅 压力传感器 oil and gas well carbon fiber tube fiber bragg grating pressure sensor
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院量子光学重点实验室，上海 201800
分布式光纤声波传感（DAS）技术以独特的动态在线监测、大范围密集测量、方便布设免维护等优势，获得了周界安防、结构健康、交通运输、油气勘探、海洋水声等多领域专家学者的广泛关注。同时，DAS技术可以方便地通过标准通信光缆或专用光缆形成大规模探测阵列，满足地球物理与自然灾害预测等领域的地震波检测需求，有望得到更广泛的应用。以新兴的地震波检测应用为切入点，结合调研情况，对DAS技术的基本传感原理、技术发展历程、地震波应用进展等进行论述，并分析DAS在地震波检测方向所面临的关键技术难题和未来发展趋势。
激光与光电子学进展
2021, 58(13): 1306006
中国石油华北油田公司勘探开发研究院, 河北 任丘 062552
快速准确确定油气成藏的时间及期次对于深入了解油气成藏机制与分布规律有着重要的意义。 储层沥青作为油气成藏的标志物, 通过对其分析有助于了解油气运移通道和准确判定油气成藏的时间。 以杨税务潜山为例对储层沥青进行了系统的拉曼光谱分析。 杨税务潜山储层沥青主要分布在最晚形成的裂缝中, 少数充填在孔隙中。 沥青在紫外光下基本不发荧光, 属于炭质沥青。 沥青的拉曼光谱特征相对比较稳定, 具有明显的D峰和G峰, 对于同一储层样品的不同测试点, D峰和G峰位置变化不大, 但是背景噪声影响比较明显, 拉曼谱图在1 500 cm-1之后具有明显的抬升。 首先扣除原始拉曼光谱的背景值, 然后采用洛伦兹分峰拟合方法对沥青拉曼光谱进行了分峰拟合, 直到拟合的谱图曲线与原始谱图形态基本一致为止。 在拟合好的谱图曲线上直接读取D峰和G峰的峰高(H)、 半高宽(FWHM), 峰位差(vG-vD)、 以及D峰和G峰之间的最低值(S)等参数, 计算双峰之间的鞍型指数(saddle index), 根据公式Ro%(cal)=-3.291+7.432log(vG-vD)-0.306log(saddle index)-2.935logFWHMG-3.118logFWHMD计算沥青的成熟度。 结果显示储层沥青具有非均一性, 指示油源具有混源特征, 成熟度主要分布在两个区间, Ro分别为1.00~1.37和1.44~1.94。 结合埋藏史确定杨税务潜山的油气成藏时间主要有两期, 第一期为东营期(35~25 Ma)阶段, 凝析油和湿气充注; 第二期为明化镇—现今(5 Ma~0)阶段, 以天然气为主充注。 研究结果与研究区烃源岩生排烃史吻合, 油气类型与杨税务潜山现今油气藏特征一致。 研究表明, 拉曼光谱技术可以对储层不同位置的沥青进行微区分析, 并可以获得高精度的光谱数据, 基于光谱数据可以准确确定沥青的成熟度。 因此, 基于储层沥青拉曼光谱定量表征和成熟度定量计算, 结合盆地埋藏史和热史模拟, 可以准确确定油气成藏的期次和时间。 该方法具有快速准确、 成本低的特点, 展示了很好的应用前景。
拉曼光谱 储层沥青 油气成藏 Raman spectroscopy Reservoir bitumen Hydrocarbon accumulation
齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院激光研究所, 济南 250000
针对油气井下油气水三相流的持气率测量, 设计开发了一种高可靠性的光纤探针。探针敏感探头采用锥形蓝宝石结构, 蓝宝石敏感探头与过渡管, 以及过渡管与保护套管间均采用金基焊料焊接密封。对研制的光纤探针进行了可靠性实验和油气水三相流持气率测试, 结果表明, 该光纤探针可以承受高温(150℃)、高压(100MPa)环境, 具有较高可靠性。管柱内的油气水三相流呈段塞流型, 持气率为46%。该研究验证了光纤探针应用于油气井持气率测量的可行性, 为后续的工程应用推广提供了理论依据和实际指导。
光纤探针 持气率 三相流 油气井 optical fiber probe void fraction three-phase flow oil and gas wells
