科研動(dòng)態(tài)
油頁巖激光誘導(dǎo)電響應(yīng)原理及應(yīng)用
中文題目：油頁巖激光誘導(dǎo)電響應(yīng)原理及應(yīng)用
論文題目：Laser-induced electro-response of oil shale: Principles and applications
錄用期刊/會(huì)議：Chemical Engineering Journal （中科院SCI 1區(qū), JCR Q1, TOP）
原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152279
作者列表：
1） 劉學(xué)聰 中國石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博22
2） 焦鈺淇 中國石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院 材料科學(xué)與工程 碩23
3） 洪爭(zhēng)春 中國石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院 材料科學(xué)與工程 碩23
4） 彭 雪 中國石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院 材料科學(xué)與工程 碩19
5） 呂志清 中國石油大學(xué)（北京）理學(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心 工程師
6） 趙 昆 中國石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院 材料科學(xué)與工程系教師
7） 苗昕揚(yáng) 中國石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院 材料科學(xué)與工程系教師
摘要:
本文介紹了一種激光誘導(dǎo)電響應(yīng)（LIER）方法，基于激光等離子體和光電效應(yīng)，建立了脈沖激光輻照下油頁巖測(cè)量的等效電路模型，激光誘導(dǎo)的熱效應(yīng)是連續(xù)激光輻照下產(chǎn)生LIER的主要原因。利用LIER實(shí)現(xiàn)了油頁巖含油率的非熱解表征以及燃燒和熱解多級(jí)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有助于推動(dòng)油頁巖勘探的發(fā)展。
背景與動(dòng)機(jī):
在油頁巖轉(zhuǎn)化工程中，存在著檢測(cè)環(huán)境嚴(yán)苛、能源消耗等問題。我們提出了激光誘導(dǎo)電響應(yīng)（LIER）方法，為油頁巖的表征評(píng)價(jià)提供了一種全新的解決方案。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：
如圖1所示，油頁巖LIER測(cè)試系統(tǒng)由激光器（脈沖或穩(wěn)態(tài)）、分光鏡、光闌、示波器、數(shù)字源表、加熱器、溫度監(jiān)測(cè)、熱紅外成像儀、激光能量探測(cè)器等模塊組成。
圖1（a）紫外脈沖激光輻照、（b）穩(wěn)態(tài)激光輻照、（c）燃燒或熱解過程的油頁巖LIER測(cè)試分析系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
脈沖激光輻照下的LIER響應(yīng)機(jī)理
高能脈沖激光輻照在油頁巖表面產(chǎn)生的激光誘導(dǎo)等離子體（LIP）會(huì)在自身濃度、溫度梯度和外部電場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)（圖2），在外部電路可檢測(cè)到圖3所示的電信號(hào)。
圖2 激光誘導(dǎo)油頁巖等離子體的動(dòng)力學(xué)演化過程示意圖
圖3 脈沖激光照射下的LIER響應(yīng)波形
油頁巖中的干酪根、礦物、孔隙和裂紋，可以用電感器（Ls）、電阻（Rs）和寄生電容（Cs）表示。在LIP影響下，樣品上方形成放電通道，可等效為時(shí)變電阻Rp和時(shí)變電感Cp串聯(lián)，如圖4所示。
圖4 脈沖激光照射前后LIER測(cè)量的等效電路
穩(wěn)態(tài)激光輻照下油頁巖的LIER響應(yīng)機(jī)理
穩(wěn)態(tài)激光輻照會(huì)導(dǎo)致油頁巖表面溫度升高，將油頁巖看作理想的半無限傳導(dǎo)介質(zhì)，引入熱學(xué)參數(shù)矯正因子a，建立了油頁巖表面溫度T的演變方程為：
基于LIER響應(yīng)與表面溫度的依賴關(guān)系，可建立穩(wěn)態(tài)激光輻照下LIER的時(shí)間演化模型：
油頁巖含油率非熱解直接表征
如圖5所示，LIER響應(yīng)峰值與油頁巖含油率之間呈正相關(guān)關(guān)系。與熱重和低溫蒸餾等標(biāo)準(zhǔn)方法不同，LIER最重要的優(yōu)點(diǎn)是無需熱解過程即可直接檢測(cè)油頁巖含油率。
圖5 LIER信號(hào)峰值（Amp）與油頁巖含油率的關(guān)系
油頁巖熱解過程監(jiān)測(cè)
如圖6所示，利用LIER響應(yīng)，可將油頁巖的整個(gè)燃燒或熱解過程分為七個(gè)階段：I（室溫–100°C）和II（100°C–200°C）為油頁巖中自由水和結(jié)合水的蒸發(fā)階段；III（200°C–360°C）主要涉及羧基、羰基官能團(tuán)的分解和有機(jī)物中弱共價(jià)鍵的斷裂；IV（360°C–460°C）以干酪根分解為主，并具有熱解氣的顯著增加；在階段V（460 °C–560 °C），除了天然氣的損失外，石油和天然氣產(chǎn)量和半焦含量趨于穩(wěn)定；VI（560°C–660°C）和VII（660°C–780°C）主要為無機(jī)礦物的熱解階段。
圖6 油頁巖在空氣中燃燒和氮?dú)庵袩峤獾腖IER響應(yīng)
結(jié)論:
激光誘導(dǎo)電響應(yīng)（LIER）方法為解決油頁巖轉(zhuǎn)化工程中的挑戰(zhàn)提供了新思路。通過LIER技術(shù)，能夠更快速地評(píng)估含油率，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)質(zhì)和礦物分解的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為油頁巖的勘探開發(fā)提供了重要支持。
通訊作者簡(jiǎn)介:
趙昆，教授，控制科學(xué)與工程學(xué)科博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛蜌夤鈱W(xué)探測(cè)技術(shù)與智能制造。