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 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
1 中国科学院过程工程研究所, 多相复杂系统国家重点实验室, 北京100190
2 中国科学院研究生院, 北京100049
热化学转化是油页岩综合利用的关键技术。 用石英管反应器在500 ℃下热解吉林桦甸三个矿区(大城子四层、 公合四层、 公朗头十一层）的油页岩, 分别得到其热解半焦和页岩油, 并在600和700 ℃热解大城子四层油页岩, 以考察热解产物与热解温度的关系。 用红外光谱考察了原料及热解产物。 结果表明, 页岩油与油页岩有机质所含官能团相似, 主要都以脂肪烃为主, 而页岩油脂肪烃含量比油页岩高。 油页岩脂肪烃含量越大, 热解出油率也越高。 脂肪烃含量少, 芳香烃含量大的油页岩出油率相对低, 半焦中的稠环芳香结构更多。 热解温度500 ℃时油页岩有机质已经基本热解完全, 随着热解温度升高, 焦油产率不再增加, 二次裂解程度加强; 700 ℃碳酸盐开始分解。
油页岩 热解 半焦 页岩油 红外光谱 Oil shale Pyrolysis Coke Shale oil Infrared spectra
