1 西安交通大学电气工程学院，电气绝缘与电力设备国家重点实验室，陕西 西安 710049
2 西安交通大学电子科学与工程学院，电子物理与器件教育部重点实验室，陕西 西安 710049
面向天然页岩与砂岩矿物元素组分快速定量分析的检测需求，笔者搭建了具有自动化分析功能的显微分析激光诱导击穿光谱系统，并采用该系统对油气页岩与砂岩天然岩石样本进行了快速检测。分析了砂岩与页岩光谱的不确定度差异，形成了流程化的包括光谱数据提取、筛选、校正、归一化的预处理方法，有效降低了单一样本与样本间光谱不确定度。基于偏最小二乘回归，形成了模型输入参数优化流程，避免了模型过拟合与欠拟合，提高了定量预测准确度。对岩石中的Si、Ca、Fe、Al、Mg等元素进行了定量分析，多数样本的平均预测均方根误差小于1%。本研究为天然岩石的矿物组分分析与岩性识别提供了技术支持。
光谱学 激光诱导击穿光谱 页岩 砂岩 光谱预处理 元素定量分析
1 中铁十八局集团有限公司, 天津 300222
2 天津大学, 天津 300192
为探索湖北省西部地区郑万高铁湖北段苏家岩隧道炭质页岩段围岩动态拉伸力学特性, 从而为层状岩体地层隧道爆破破岩机理研究提供依据, 采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置, 同时借助高速摄像及数字图像相关技术(DIC), 开展0°、30°、45°、60°和90°共5种不同冲击角度(冲击加载方向与试样层理面夹角)下鄂西炭质页岩动态巴西劈裂试验, 每个冲击角度工况采用0.1 MPa、0.2 MPa及0.3 MPa共3种冲击气压进行动态加载来达到不同冲击速率, 以研究冲击角度和冲击速度对炭质页岩动态抗拉强度及动态拉伸破坏模式的影响规律。研究结果表明: 不同冲击速度下, 随着冲击角度增加炭质页岩动态抗拉强度整体呈现出先减小后增大的趋势, 且冲击角度为30°时最小, 冲击角度为90°时最大, 页岩动态抗拉强度呈现出显著的各向异性特征, 且随着冲击速度增加页岩动态抗拉强度各向异性程度也随之降低; 随着冲击速度增加, 炭质页岩动态抗拉强度均相应增大, 且动态抗拉强度与冲击速度具有显著的线性关系; 此外, 冲击角度和冲击速度均对页岩动态拉伸破坏模式有较大的影响。
炭质页岩 霍普金森压杆 动态巴西劈裂 动态抗拉强度 动态拉伸破坏模式 carbonaceous shale split hopkinson pressure bar dynamic brazilian split dynamic tensile strength dynamic tensile failure mode
1 南京林业大学土木工程学院，南京 210037
2 东南大学材料科学与工程学院，南京 211189
轻质高性能混凝土(HPLC)具有密度小、强度高、耐久性优良的特点，在土木工程领域具有广阔的应用前景。根据改进的 Andreasen and Andersen模型设计HPLC初始配合比，探究不同掺量的页岩陶砂(SCS)对HPLC的工作性能、力学性能及耐久性的影响。此外，还探究了SCS对HPLC的微观形貌和孔结构的影响。研究表明：1)当SCS替代率为100%时，HPLC的表观密度为1 848.3 kg/m3，抗压强度达到123.22 MPa；2)掺入 SCS可以改善HPLC的力学性能，不同掺量的SCS使HPLC的抗压强度、抗折强度、弹性模量分别提高了8.88%~47.92%、22.50%~56.30%和3.49%~14.03%；3)掺入SCS可以改善HPLC的耐久性能，当SCS的替代率为100%时，HPLC的氯离子迁移系数较基准组降低了32.52%；4)由于SCS的掺入，HPLC的微观结构得到明显改善，使HPLC的孔隙率降低了14.86%~28.24%。
轻质高性能混凝土 页岩陶砂 力学性能 微观结构 干燥收缩 氯离子迁移系数 high performance lightweight concrete shale ceramic sand mechanical property microstructure drying shrinkage chloride migration coefficient
1 甘肃省交通投资管理有限公司, 兰州 730030
2 兰州交通大学土木工程学院, 兰州 730070
为探究热活化油页岩半焦对混凝土耐久性的影响, 进一步推广应用油页岩半焦-水泥混凝土, 本文采用混凝土碳化试验、抗氯离子渗透试验以及抗冻性试验, 探究不同活化煅烧温度(300、400、500和600 ℃)与不同掺量(0%、5%、10%、15%、20%和25%, 质量分数)油页岩半焦对混凝土耐久性的影响, 并采用核磁共振(NMR)测试分析混凝土内部孔径分布和孔隙度, 从孔径分布特征揭示油页岩半焦对混凝土耐久性的影响机理。结果表明: 相对于油页岩半焦活化煅烧温度, 油页岩半焦掺量对混凝土耐久性的影响更为显著; 油页岩半焦的掺入会降低混凝土的抗碳化性能, 但25%掺量下仍能满足规范设计值要求, 碳化深度远小于20 mm; 抗氯离子渗透性也会随油页岩半焦的掺入而降低, 掺量不高于25%时仍处于低渗透率区间; 5种油页岩半焦掺量的混凝土均能满足150次的冻融循环要求, 整体而言其具有较好的耐久性; 此外, 油页岩半焦的掺入明显改变了混凝土内部的孔径分布及孔隙数量, 因而对混凝土的耐久性产生不同程度的影响。
混凝土 油页岩半焦 耐久性 碳化深度 核磁共振 concrete oil shale semi-coke durability carbonation depth nuclear magnetic resonance
1 黑龙江八一农垦大学信息与电气工程学院, 黑龙江 大庆 163319
2 黑龙江八一农垦大学农学院, 黑龙江 大庆 163319
为了克服单一模型预测精度很难进一步提高的不足, 利用近红外光谱分析结合基于Stacking框架的异构集成学习模型实现对油页岩含油率的检测。 以松辽盆地某区块所取230个油页岩岩芯样本为研究对象, 使用低温干馏法测量油页岩样本的含油率, 同时扫描每个样本对应的近红外光谱数据。 样本使用蒙特卡洛算法进行异常样本剔除, 将剔除异常样本后的213个数据按照3∶1的比例随机划分为训练集和预测集。 利用去趋势加基线校正方法进行预处理消除光谱数据中噪声和基线漂移, 利用随机森林算法进行波长重要性排序并保留重要波长, 在此基础上采用CARS算法进行特征波长提取, 进一步降低数据维度。 最后, 构建以PLS, SVM, RF和GBDT为初级学习器, PLS回归模型为次级学习器的Stacking集成学习模型, 各初级学习器模型参数使用网格搜索进行寻优。 使用决定系数和预测均方根误差作为各模型的评价指标, 探究单一模型和集成学习模型对油页岩含油率预测的准确性。 研究结果表明, RF-CARS方法能够有效筛选重要波长, 进而提高模型效率。 基于Stacking的异构集成学习模型与单一模型(SVM和PLS)和同构集成学习模型(RF和GBDT)相比有更好的预测效果和更强的稳定性。 在多次随机划分数据集的基础上, Stacking集成学习模型的平均决定系数R2为0.894 2, 相比于其他单一模型平均提高了0.062 3； RMSEP为0.586 9, 比其他模型平均降低了0.147 4。 说明, 基于Stacking的异构集成学习模型能够组合初级学习器的优势, 提高油页岩含油率预测精度, 为油页岩含油率快速检测提供了一种新方法。
近红外光谱 集成学习 油页岩含油率 特征波长 随机森林特征选择 Near-infrared Integrated learning Oil content of oil shale Characteristic wavelength Random Forest feature selection 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1030
1 黑龙江八一农垦大学信息与电气工程学院, 黑龙江 大庆 163319
2 东北石油大学“陆相页岩油气成藏及高效开发”教育部重点实验室, 黑龙江 大庆 163318
为了快速检测油页岩总有机碳(TOC)含量, 以松辽盆地某区块所取岩芯为研究对象, 测量230个岩石样本的TOC含量和近红外光谱数据。 利用蒙特卡洛法剔除异常样本14个, 剩余的216个样本进行去趋势加基线校正方法预处理, 采用连续投影算法(SPA)、 无信息变量消除算法以及竞争自适应算法选取特征波长。 使用SPXY方法对样本按照2:1的比例划分为144个校正集和72个验证集, 然后建立线性的偏最小二乘(PLS)模型以及非线性的支持向量机(SVM)模型和随机森林(RF)模型对油页岩TOC含量进行预测。 采用测定系数(R2)和均方根误差(RMSE)作为模型的评价指标, 探究不同特征波长选择方法对油页岩总有机碳建模的影响, 比较不同建模方法对油页岩TOC含量预测的准确度。 结果表明, 特征波长提取能够起到优化模型的作用。 SPA, UVE和CARS分别提取了16, 253和65个波长, 经过特征波长提取后模型测定系数均有提高, 均方根误差均有下降, 这说明进行特征波长优选对于简化模型、 提高模型运算速度发挥着很重要的作用。 此外, 非线性的RF和SVM模型性能要优于线性模型PLS。 这是因为油页岩中的碳存在于各类烃的中, 不同类别含烃基团的吸收峰之间相互影响, 使得油页岩总有机碳含量和近红外光谱数据之间存在着复杂的非线性关系, 因此, 非线性的SVM和RF模型能够表现出更好的效果。 相比于其他模型, CARS-SVM模型验证集的测定系数($R_{v}^{2}$)和均方根误差(RMSEV)表现出的结果较好, 分别达到了0.906 6和0.222 0, 该模型能够用于油页岩总有机碳含量的快速检测。 研究结果说明, 近红外光谱分析应用于油页岩TOC含量快速检测是可行的; 建立的CARS-SVM模型能够表现出较好的预测效果, 为我国油页岩TOC含量快速检测提供了一种新的方法和思路。
近红外 油页岩总有机碳 特征波长 支持向量机 随机森林 Near-infrared Total organic carbon in oil shale Characteristic wavelength Support vector machine Random forest 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1691
1 兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，兰州 730070
2 甘肃省公路交通建设集团有限公司，兰州 730030
选取4种热解温度(300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃)半焦，通过扫描电镜(SEM)对油页岩半焦的微观结构进行分析，然后采用油页岩半焦等质量(0%、5%、10%、15%、20%、25%)替代水泥，测试标准稠度需水量、胶砂流动度和不同龄期的水泥胶砂的抗折、抗压强度。结果表明：油页岩半焦呈层片状、且表面多孔，随着热解温度的升高，微孔和小孔数量逐渐减少，中、大孔数量增加；掺入油页岩半焦会增加水泥标准稠度需水量，降低胶砂流动度，半焦替换量和水泥标准稠度需水量之间存在较强的线性关系；随着油页岩半焦热解温度的升高，水泥胶砂抗折和抗压强度先增大后减小，在500 ℃时力学性能达到最佳；随着油页岩半焦替换量的增加，水泥胶砂抗折和抗压强度都逐渐降低，当油页岩半焦替换量为15%时，500 ℃热解半焦水泥胶砂56 d力学性能与P·Ⅰ 42.5基准水泥胶砂接近。
油页岩半焦 水泥混合材 热解温度 强度 需水量 胶砂流动度 oil shale semi-coke cement admixture pyrolysis temperature strength water requirement mortar fluidity
1 陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院, 西安 710075
2 陕西省陆相页岩气成藏与开发重点实验室(筹), 西安 710075
为提高页岩油水平井上部固井质量, 通过浆体稳定性差异反向优化颗粒配比, 采用碱石灰和硫酸镁制备新型水化激活剂, 结合29Si NMR进行反应程度定量分析, 开发了一种粉煤灰-微硅-水泥三元复合低密度充填水泥浆, 并开展了五口井的工程试验。结果表明, 粉煤灰和微硅的最佳加量分别为40%、35%(质量分数), 碱石灰与硫酸镁的配比为3∶1(质量比)时组成的激活剂效果最好, 可将油井水泥的反应剩余量降低29.59%, 粉煤灰的反应剩余量降低68.61%, 常温下3 d、7 d抗压强度分别提升129%和92%, 三元复合体系的失水、游离液、稠化时间等均能满足固井充填需求, 现场应用表明固井合格井段占比超过90%, 体系具有良好的应用前景。
页岩油水平井 粉煤灰 微硅 低密度水泥浆 激活剂 常温 shale oil horizontal well fly ash micro silicon low density cement slurry activator room temperature
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国石油集团安全环保技术研究院有限公司石油石化污染物控制与处理国家重点实验室, 北京 102206
随着页岩气的开发, 传统的手持式甲烷测量仪无法继续应对复杂的开采工况。 针对页岩气开发过程中温室气体甲烷的浓度及排放速率难以实时在线监测的问题, 利用自主设计并搭建的开放光程傅里叶变换红外光谱(FTIR)测量系统, 对页岩气开采过程中各种工况下返排液进行实时在线测量。 其中FTIR分辨率为1 cm-1, 光程为50 m, 红外光源通过返排液正上方被光谱仪接收。 对测量所得的红外光谱进行多次平均, 提高光谱质量并进行反演计算。 从HITRAN数据库中提取甲烷特征吸收截面, 考虑环境与仪器等影响, 对测量温度进行修正, 选取合适的吸收波段, 与水汽的吸收截面进行吸收峰叠加, 合成标准光谱。 使用最小二乘法对实测光谱与标准光谱进行拟合, 从而反演出甲烷浓度。 并根据返排液排放速率, 结合光路通过返排池的距离及红外光谱反演浓度, 对页岩气开采过程中甲烷排放速率进行计算。 结果表明: 不同开采工况下, 光谱反演浓度呈明显起伏变化。 更换三项分离器时, 甲烷浓度有明显上升; 在点燃火炬时, 甲烷浓度持续低值; 其红外光谱反演浓度符合页岩气开采过程中甲烷排放情况。 改变测量光谱平均次数, 对返排液甲烷进行单位小时和连续80小时测量并分析。 在单位小时内, 甲烷浓度在100~800 μmol·mol-1范围内呈现明显起伏变化; 甲烷的排放速率在50~300 m3·h-1内波动。 对返排液进行80小时连续测量, 甲烷浓度最大值为936.4 μmol·mol-1, 其最大排放速率达到535.1 m3·h-1; 最低值为36.82 μmol·mol-1最小排放速率为18.63 m3·h-1。 反演数据结果说明: 在页岩气开发过程中, 其返排液为一个无组织甲烷排放源, 且排放速率在短时间内变化十分明显。 红外光谱反演浓度和传统手持式甲烷测量仪测量结果具有较好一致性, 相关系数为0.743 6。 相对于传统手持式甲烷测量仪器, 红外光谱反演法具有响应速度更快, 非接触远距离, 实时在线测量等优势。
页岩气 甲烷 红外反演 浓度 排放速率 Shale gas CH4 Spectral inversion Concentration Emission rate 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3717
中国石油大学(北京) 石油和化工行业油气太赫兹波谱与光电检测重点实验室，北京 102249
页岩是油气储层的主要类型之一，其微量有机质的准确表征是油气资源勘探中的一大热点和难点。利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对不同原油含量(ppm级)的页岩进行测试与分析，结果表明，太赫兹光谱响应与页岩有机质含量存在单调关系：随着原油浓度增加，单位厚度太赫兹时域光谱幅值衰减系数线性增加。结合有效介质理论，确定了太赫兹介电常数与200 ppm以下原油含量之间的线性关系。研究表明，太赫兹时域光谱技术可作为页岩中微量原油表征的有效方法，对提高油气资源勘探效率具有重要意义。
原油 页岩 太赫兹 定量分析 ：crude oil shale terahertz quantitative analysis 太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(5): 771
