分析油气水界面检测技术探究太赫兹技术应用的可能性

前言：

油气资源在演化和富集过程中发生了复杂的物理、化学变化，更是经历了亿万年的漫长时光，一旦被过度开采，在相当长的历史时期都无法得到补充。

因此，油气资源在地层中的储量是有限的，属于不可再生资源。油气资源是国家发展的重要能源物质，不仅直接服务于国民生产、生活，又是众多化工产品生产的基础性原料。因此，确保油气资源的充足供应对一个国家的经济、交通等发展以及国家安全等都具有十分重要的作用。

建国以来，我国的科研工作者开发出一大批储量丰富的常规油气田，为国家的油气勘探开发做出了巨大的贡献。随着社会的不断发展，人们对石油的消费量日益增加。

1985-2015年中国石油消费量和对外依存度

油气水界面的研究背景

自20世纪90年代开始，随着天然气开采水平的不断提高，我国的天然气产量逐年增加。

作为一种绿色能源，发展天然气产业对国家经济建设、绿化环境、缓解石油供给压力、实现可持续发展等都具有重要的现实意义。

2000年到2013年期间我国的天然气产量增长了近4倍。但是我国天然气的消耗量也与日俱增，从2007年开始我国就已经成为了天然气的净进口国。截止到2015年，有超过四分之一的天然气需要从国外进口，同时天然气对外依存度高达32.2%。

天然气对外依存消耗

总体来说，我国现有的常规油气资源无法满足现实需求，而对非常规油气资源的探索仍处于初级阶段。

因此，一方面需要对现有的油气田制订科学的开采方案，并对其进行油气资源潜力评估;与此同时，需要对未知的油田、气田加大勘探力度，不断提高石油、天然气的开采量；另一方面需要对非常规油气资源进行科学地勘探开发，对其进行统筹规划、系统管理，同时需要加强技术创新，推动非常规油气资源勘探开发技术的进步。

由于众多因素都会影响到油气资源的勘探开发，因此建立完整、系统的油气资源潜力评价体系有助于全面、深入地认识油气资源，同时将影响油气资源产生、富集、运移的成分、结构和理化性质都纳入该体系并通过一定的技术手段进行表征评价，是全面深刻认识油气资源的有效途径，也是实现油气资源潜力评价的重要工作。

油气水界面的检测方法

由于油气水界面的识别控制对于油气开采及储运等工作都具有十分重要的影响作用。因此，研发出高效、实用的油气水界面实时测量技术，对石油勘探开采、加工及运输都具有非常重要的指导作用。

传统的流体界面检测方法有岩心分析与试油法确定流体界面、基于测井资料确定流体界面等。

近年来随着众多高新技术的普及和应用，各种新型的检测方法不断涌现。目前新兴的油气水界面检测方法主要有MDT(模块式电缆地层动态测试仪)单压力点法、共等值线抽道集叠加法、手管压力曲线法、小波变换法等。

岩心分析与试油方法确定流体界面。

岩心是在钻井的过程中从地下取出的岩石样品，因此岩心最能反映储层中油、气、水的分布情况。

岩石样本

试油则是对初步确定的可能含油或含气层进行直接地测试。因此，将岩心分析与试油方法相结合则能够更加准确地探测到油气水界面。

如果取出的岩心呈现岩石的颜色，且没有任何油迹，测试产出水，那么该位置是水层;如果岩心呈现棕褐色或深棕鱼，岩心显示含油饱满，且测试产油，那么该位置是油层；如果岩心中含油不饱满，测试同时产出油和水，那么该位置则是油水过渡段;如果岩心颜色呈现棕黄色或者浅黄色，岩心中含有少量轻质油，但是滴水不渗，测试产气，则该位置是气层；如果岩心含油不饱满，测试油和气同时产出，那么该位置是油气过渡段。

（1）基于测井资料识别流体界面

在石油勘探开发中，常常使用电阻率测井方法来划分油气水层。电阻率小的物质导电性好，电阻率大的物质导电性差。如果储层孔隙中所含的流体不同，那么对应的电阻率也会有所不同。

一般情况下，含油和气的岩层电阻率高，含水的岩层电阻率相对较低。通过多条电阻率测井曲线对比分析，就可以判断油气层和水层，进而识别出油水界面。此方法适用于储层的岩性、物性、地层水矿化度相对稳定的情况。

MDT 压力数据预测油气水界面示意图

（2）MDT单压力点确定油气水界面

如果地层中的流体密度已经知道，在油气层的垂直方向上至少选取3个地层压力数据点，对其进行拟合得到油气层的压力梯度直线。同时在水层的垂直方向上至少选取3个地层压力数据点，也对其进行拟合得到水层的压力梯度直线。

通过这两条地层压力梯度直线就能够预测出油气水界面深度，该方法就是MDT 单床力点法。油气田应用证明，该方法很好地克服了合格压力数据点太少的问题，在一定程度上加快了油气藏勘探开发进程。

（3）共等值线抽道集叠加法识别油气水界面

共等值线抽道集叠加技术的理论基础是三维地震模型叠加。如图所示，通过合成构造等值线上的地震记录，当储层中的流体发生变化时对油气效应进行叠加，则由流体变化产生的振幅变化就能被监测到，进而检测出油气水界面。

太赫兹光谱技术

由于对油气水界面的评价参数较多，但是现在很多的检测技术存在精度较低，劳动强度大，工作效率低下等很多问题，同时油气水界面上的诸多问题需要被研究，大此亟需一种新型的检测技术对油气水界面进行表征，不断丰富完善油气水界面的评价体系。

引入新的检测技术，可以将获得的各种参数作为其他检测方法的对照和校正，并且和现有的检测技术相互印证，更有利于深化对油气水界面的认识，使得油气水界面的理论评价体系越来越丰富。

近几十年来，随着超快技术和半导体检测技术的发展，越来越多的光学新技术进入了大众的视野，受到人们的普遍关注。光学方法由于其不受电磁场干扰、非接触式等特点，是井下探测技术的选择之一。

太赫兹光谱图

（1）太赫兹光谱及其特点

太赫兹波也称作太赫兹辐射。如图所示，太赫兹波频率范围介于01至10THz之间。从频谱上看，太赫兹辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间:在电子学领域，太赫兹辐射被称为毫光波或亚毫米波。

与其他光学技术相比，太赫兹波具有时间分辨率高、频带宽、辐射能量低、穿透性强、可实现相干测量等优点。太赫兹光谱技术之所以能够引起人们广泛的关注，是因为太赫兹透射和反射光谱中包含着非常丰富的物理和化学信息，具有非常重要的学术和应用价值。

太赫兹波谱介于红外和微波之间，相比于红外辐射和微波，在太赫兹波段研究油气等物质具有一定的优势。油气等物质在太赫兹波段有较强的光学响应，且太赫兹波具有更高的信噪比，这些都是在油气物质的光学响应检测实验中需要考虑的因素。

（2）太赫兹成像技术

太赫兹成像技术也是太赫兹光谱技术大家庭中的一项关键技术。1995 年美国的 Hu和Nuss 等人首次提出了逐点扫描式太赫兹时域光谱成像技术，随后一系列的太赫兹成像技术如太赫兹实时成像、太赫兹层析成像等技术逐渐被提出。

自此，太赫兹成像技术也进入了成像这一技术密集的领域，受到了广泛地关注。作为一个非常重要的技术领域，太赫兹光谱成像技术给众多的科学研究提供了很好的选择。因为它能够探测到隐藏在材料内部的某些信息，便于对材料的结构等特性进行深入研究。

此外，太赫兹波的光子能量非常低，没有X射线的电离性质，不会对待测物质造成损害，可用来进行活体检测。因此，太赫兹光谱成像技术是一种新型的无损、安全检测技术，和

其他检测技术相比具有独特的优势。下图是玩具手枪的太赫兹光谱成像图，从图中可以很清楚地看到玩具手枪的结构。总体来说，THz 成像技术因其独特的性质在医学、公共安全、军事等应用领域发挥着巨大的作用，具有非常可观的应用前景。

结语：

作为一种新兴的光学检测技术，太赫兹光谱技术在材料、能源等领域具有良好的实用性和发展前景，且已经开展了对油气水方面的相关研究。

在石油工业中，原油乳状液的类型及其稳定性对于储层原油的驱替效果有着重要的影响。学者考察了油包水和水包油两种乳状液在太赫兹波段的光谱响应，实验结果表明不同类型的原油乳状液呈现不同的响应特征，上述研究有效证明了利用太赫兹时域光谱技术表征原油乳状液的稳定性具有可行性。

参考文献：

《我国石油储备发展的审视与对策分析》

《胜利油田油气勘探项目管理体系构建研究》

《中国油气资源研究现状与发展方向》

太赫兹技术的应用

随着技术的发展，应用可视光源检测的传统机器视觉检测技术无法解决工业自动化领域的一些特殊问题：例如，可视光无法穿透不透明的瓶子，就无法检测瓶子内部液体是否达到标准。此外，传统技术也面临着其他挑战，例如，无法直接测量封闭工件的内外直径，使用LED照明和相机传感器能够通过拍摄图像测量外直径，但无法测量内直径。
而太赫兹传感器可以解决以上问题，因为太赫兹波可以穿透不透明材料，如布料、纸张、木头和塑料，这些物体的缺陷可以通过百亿赫兹波长可视化。通过太赫兹技术可以探测成像的特点，以及测量物质成分的特性，实现对多种物体的检测。

太赫兹波(THz)的电磁波光谱介于微波和红外波之间，波长范围为1mm-100mm，频率从300GHz~3THz之间。相对于X光能量，由于THz波由于光子能量极低，所以具有无创性和非电离性特点。

太赫兹系统有连续波和脉冲波两种模式，脉冲波系统通过发送一个频段的频率来获取材料信息，连续波系统只能通竖销春过单一频率获取信息。太赫兹系统通过应用一个发射器和单点探测器来获取被测物体表面的频率轮廓，通过移动这些单点余耐探测器，进行二维线性扫描和三维阵列面扫描，从而获取被测物二维和三维的频率轮廓。

在自动化应用中的太赫兹系统中，被测物体通过传送带进入传感器的视场范围，太赫兹光波通过Vega控制盒的同轴电缆传送，一个光电机械延迟系统用于抓拍和处理接受到的高频率波形。信号被数字化后，通过以太网或其他船速协议传送到标准PLC控制器上。在测试时，时域波形可以用来表征产品的厚度，频率谱可以来识别所使用的聚合物的类型。

在测试不透明的塑料或橡胶产品瓶、管子的厚度时，运用非接触式和非创性的检测技术非常有必要。通过Vega提供的非接触式、非创性的太赫兹测量系统的测量精度可高达10um。具有能量低、对许多生物大分子表现出很强的吸收和谐振、能够以很小的衰减斗薯穿透物质、信噪比很高等特点，可以应用于国防、医疗、科研等诸多领域，具有巨大的市场价值。

在许多塑料分拣系统中，通过检测塑料材料反光的近红外电磁光谱即可进行材料分拣。近红外光技术仅仅在颜色较浅的塑料检测中有效，如果塑料薄片是黑色的，深色的或涂色的，近红外吸收和近红外分离是无效的，使用太赫兹的连续系统可以解决这些问题，通过太赫兹信号的幅度进行检测。

太赫兹的频率很高、波长很短，具有很高的时域频谱信噪比，且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，可以穿透墙体对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下寻敌成像的理想技术。借助太赫兹特有的"穿墙术"，对"墙后"物体进行三维立体成像，探测隐蔽的武器、伪装人员和显示沙尘中的坦克、火炮等装备，进而拨开战场迷雾。

近年来，随着超快激光技术的迅速发展，太赫兹脉冲的激发光源得以更加稳定和可靠，为进一步研究太赫兹波谱技术创造了条件。同时，各种机制的太赫兹辐射源、探测器等技术研究也在飞速发展，为太赫兹技术在国防、航空航天、通信等领域的应用奠定了基础，使得太赫兹技术有着广阔的应用前景。

太赫兹的应用

太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。 德国研究人员利用超级计算机计算发现，利用强烈的太赫兹辐射，可实现在不到万亿分之一秒内瞬间将微量水烧开。
太赫兹辐射是指频率从0．1太赫兹到10太赫兹，波长介于毫米波与红外线之间的电磁辐射区域。一太赫兹等于一万亿赫兹。
德国电子同步加速器研究所报告说，强烈的太赫兹辐射可引发水分子剧烈震动，打断水分子间的氢键。这种方法可将约一纳升（十亿分之一升）水在半皮秒（一皮秒为一万亿分之一秒）内加热至600摄氏度。
报告指出，一纳升水虽然听起来不多，但对很多实验来讲已经足够。一皮秒比一眨眼的时间还要快很多，因此这种烧开水的方法可称得上是迄今最快的。
虽然这一“烧水”法尚未投入实践，但研究人员表示，水在许多化学与生物过程中扮演重要角色，新发现或可为化学与生物领域提供更多实验可能。 中国工程院院士杜祥琬院士指出，在所有物理技术中，电磁波技术对医学的促进作用尤其突出。从1901年X线获得第一届诺贝尔物理竖誉学奖开始，已有5项与生物医学相关的诺贝尔奖授予了X光谱技术领域。
太赫兹技术在生物医学方面的应用，生物大分子相互作用是重大生命现象与病变产生的关键动因，而太赫兹光子能量覆盖了生物大分子空间构象的能级范围。该频段包含了其他电磁波侍纤悉段无法探测到的直接代表生物大分子功能的空间构象等重要信息。因此老乎，可以发展一种利用太赫兹探测和干预生物大分子相互作用过程的新理论和新技术，为当前重大疾病诊断、有效干预提供先进的技术手段。
中国工程物理研究院流体物理研究所李泽仁研究员也表示，目前通过国家对太赫兹源、探测器及成像系统等关键技术与仪器设备的大力支持，我国已基本具备开展太赫兹生物医学研究的基础。 此外，太赫兹在半导体材料、高温超导材料的性质研究等领域也有广泛的应用。研究该频段不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。
目前，笼统的说THz技术的研究主要围绕三大部分内容展开，THz产生源、THz探测和应用研究。目前最大的困难还是没有高功率便携式连续可调的成本较低的THz发射源和满足现实要求的滤光片，另外也没有能够常温下直接探测太赫兹射线的被动式探测器。