专利名称：一种烃源岩成熟度的测量装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种烃源岩成熟度的测量装置与方法。
背景技术：
在石油勘探领域中，烃源岩指能生成石油与天然气的岩石。烃源岩中有机质类型不同，其性质也不相同，含有机物类型不同的烃源岩，具有不同的生油潜力。而烃源岩的有机质类型，可从可溶有机质(沥青)和不溶有机质(干酪根)的结构和组成来区分。根据干酪根热降解机理，石油和天然气是有机质被温度作用达到一定的演化阶段时产生的。数量可观和性质良好的烃源岩有机质，还需经过成熟作用才能形成石油和天然气。陆相与海相地层均可划分为未成熟、成熟(进一步分为低、中、高成熟三个亚段)和过成熟三个阶段。未成熟阶段为产烃阶段；成熟阶段具有较强的生油能力，此阶段可生成低成熟石油、成熟石油、凝析油和湿气；过成熟阶段具有很低的生成气态烃的能力。勘探实践证明，只有在成熟烃源岩分布区才有较高的油气勘探成功率，所以烃源岩的成熟度评价也是决定油气勘探成败的关键。目前用于测量烃源岩成熟度的最普遍的光学方法有镜质体反射率法、透射光法。其缺点是当烃源岩对应地层深度较深时，由于烃源岩被氧化，尽管其有机质含量不同，但其镜质体反射率不再发生变化。而透射光法为定性判断，受人眼及周围环境光的影响。其它测量方法还有干酪根的物理-化学方法，干酪根的元素组成和红外光谱法，可溶有机质的化学方法，热解法，用C2-C7轻烃组成判断有机质的成熟度，以及根据C15+烃类的特征鉴定成熟度等，其主要是成本高，方法较为复杂。
已有的测量生油岩成熟度的专利(ZH200420052821.1)，虽然能够测量生油岩成熟度，但存在不足，如毛细管壁反射的光会被柱面透镜再次反射而叠加在样品的干涉图样上，会导致条纹对比度降低；另外由条纹反演折射率的算法要求所有条纹都要清晰，但对于较低透明度的液体，只有干涉图样外侧的一些条纹是清晰的，中间的条纹往往是模糊的，这就给计算机图像处理造成相当大的困难，也使测量精度不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种烃源岩成熟度的测量装置与方法，以弥补现有技术的不足。
本发明是在已有专利的基础上，对装置进行了改进，并采用了新的依据干射图样反演折射率的方法，该方法采用了理论模拟干涉条纹与样品干涉条纹对比的方法，且能选取干涉图样外侧20-30条清晰的条纹进行比较，而无需考虑中间的不清晰的干涉条纹。
为了便于理解，简述本发明的测量原理是必要的。由于不同成熟度的烃源岩含有不同的可溶有机质，因而相应萃取液的折射率有所不同。根据光的干涉原理，样品不同的折射率必然对应不同的干涉条纹，即成熟度不同的烃源岩，对应不同的干涉条纹。
本发明的装置包括激光器在内的壳体中的凸透镜和柱面透镜产生的条形光束的共轴光学系统、处在柱面透镜焦平面上的毛细管，及其后的半透明屏以及高精度CCD照相机和导线电连接的含有软件程序的计算机，其特征在于它还包括至少为精细三维调节架上装有的显微物镜、微孔，和置于毛细管前的光栏，该显微物镜的前焦点与微孔重合，微孔和凸透镜的后焦点重合，毛细管水平安放在精细五维调节架上，且使条形光束照射在毛细管中间段上至少在2cm以上，以照射到毛细管中部4-5cm为宜以形成清晰的干涉图样。
本发明的方法是用已知成熟度Ro的烃源岩标准样品的萃取液，以高精度CCD照相机记录萃取液的在半透明屏上的干涉图样，以及半透明屏上的坐标刻度的图像并存储在计算机中并读取坐标刻度每厘米的象素值p；读取标准样品的干涉图样，在其最宽处取一截线，并做出截线上各点的光强I随位置S的变化曲线(I-S曲线)，并使光强归一化；测量出柱面透镜的最大厚度T，柱面透镜的平面到毛细管轴线的距离L1，毛细管轴线到半透明屏的距离L2；将空气的折射率na、柱面透镜的折射率ncy及其曲率半径Rcy、毛细管的折射率ng、入射激光的波长λ、柱面透镜沿竖直方向平行分割的份数z、柱面透镜的最大高度Zmax、折射率的范围1.4-1.8、折射率的步长以及上述的T、L1、L2、p代入已有的毛细管干涉图样模拟程序，获得标品光强归一化的模拟曲线(I-S曲线)；将模拟的I-S曲线与样品的I-S曲线比较，当两曲线重叠最好时，程序就会给出被测液体的折射率n；取成熟度范围Ro在0.3-2.5的至少9个烃源岩标准样品，最后以上述步骤测量其可溶有机质的折射率，建立成熟度Ro与折射率n的标准曲线，即Ro-n曲线；对未知成熟度烃源岩，则以上述步骤测量其可溶有机质折射率n，与标准曲线对比，即可获得成熟度Ro。
利用本装置可直接测量烃源岩萃取液折射率，进而得到相应的烃源岩成熟度，而且本发明结构简单，测量范围大，成本低，光路无须精细校准，易操作。
图1本发明的总体结构示意图。
图2本发明根据样品干涉图样所得的光强-位置(I-S曲线)示意图。
图3本发明样品的模拟曲线(I-S曲线)示意图。
图4本发明成熟度Ro与折射率n的标准曲线，即Ro-n曲线.其中*为实验数据，实线为拟合曲线。
图5本发明的测量流程示意图。
其中，1激光器 2显微物镜 3微孔 4三维调节架 5凸透镜 6柱面透镜7毛细管 8光栏 9调节架 10半透明屏 11壳体 12CCD照相机 13计算机。
具体实施例方式
如图1所示，本发明的装置包括激光器1在内的壳体11中的凸透镜5和柱面透镜6产生的条形光束的共轴光学系统、处在柱面透镜6焦平面上的毛细管7及其后的半透明屏10以及高精度CCD照相机12和导线电连接的含有软件程序的计算机13，其特征在于它还包括三维调节架4上装有的显微物镜2、微孔3，和置于毛细管7前的光栏8，该显微物镜2的前焦点与微孔3重合，微孔3和凸透镜5的后焦点重合，毛细管7水平安放在五维调节架上，且使条形光束照射在毛细管7中间段上至少在2cm以上，以照射到毛细管中部4-5cm为宜以形成清晰的干涉图样。上述调节架4至少为三维，或五维的。
上述显微物镜2的放大倍数为20倍，用于扩展激光束，微孔3的孔径为10-15微米，放置在显微物镜2的前焦点上，用于滤波，以便得到光强均匀分布的光斑，以在技术上保证干涉图样具有高的条纹可见度，显微物镜2与微孔安放在一个三维精细调节架上，微孔相对于显微物镜的位置可在空间三个方向上可调。凸透镜的后焦点与微孔重合，扩束后的激光束经由凸透镜变为平行光，平行光经由柱面透镜聚焦变为条形光束。毛细管水平放置在五维毛细管支架上，并使毛细管的轴处于柱面透镜的焦平面上。通常选用毛细管内径2-3mm，外径3-4mm，长10cm。
对于低透明度液体，由于毛细管较细，如内径2mm，透过毛细管的相干的两光束的光强基本相等，因而即使光强较弱，条纹的对比度也会很好。考虑到毛细管管壁的反射光被柱面透镜再次反射而叠加到半透明屏上，会降低条纹的对比度，因而在毛细管前方设置一光栏8，以遮挡这部分反射光，从而提高条纹的对比度。
如图5，本发明的烃源岩成熟度的测量方法(a)测量柱面透镜的最大厚度T，柱面透镜的平面到毛细管中心的距离L1，毛细管中心到半透明屏的距离L2；(b)萃取已知成熟度Ro的烃源岩标准样品的可溶有机质，将其注入毛细管中；(c)用800万象素以上的CCD照相机分别拍摄标准样品的干涉图样及半透明屏上的坐标刻度；(d)将图像存储到计算机，读取坐标刻度每厘米的象素值p，读取标准样品的干涉图样，在干涉图样最宽处取一截线，并做出截线上各点的光强I随位置S的变化曲线(I-S曲线，如图2)，并使光强归一化；(e)将空气的折射率na、柱面透镜的折射率ncy、毛细管的折射率ng、入射激光的波长λ、柱面透镜沿竖直方向平行分割的份数z、柱面透镜的最大高度Zmax、折射率的范围1.4-1.8、折射率的步长以及上述的T、L1、L2、p代入已有的毛细管干涉图样模拟程序，即获得样品光强归一化的模拟曲线(I-S曲线，如图3)；(f)将模拟的I-S曲线与样品的I-S曲线比较，仅当模拟条纹的折射率与毛细管内液体的折射率一致时，两曲线才会重叠最好，也即当两者重叠最好时，计算机输出被测液体的折射率n；(g)取成熟度范围Ro在0.3-2.5的至少9个烃源岩标准样品，以上述步骤测量其可溶有机质的折射率，建立成熟度Ro与折射率n的标准曲线，即Ro-n曲线(如图4)；(h)最后对未知成熟度烃源岩，以上述方法测量其可溶有机质折射率n，与标准曲线对比，即可获得成熟度Ro。
上述的折射率的步长可根据折射率的精度要求来选择，可在0.1-0.00001的范围内选取.下表中的测量选取的步长为0.0001。
为保证测量的精度，样品的测量彼此是独立的，样品均在恒温下测量。应用本发明的装置与方法测量了下表所列的透明度较好的样品的折射率，同时用常规的阿贝折射仪也测量了这些样品的折射率，两者的测量结果极为相近。但是本发明的装置与方法既可测量透明液体的折射率，也可测量低透明液体的折射率。
权利要求
1.一种烃源岩成熟度的测量装置，它包括激光器(1)在内的壳体(11)中的凸透镜(5)和柱面透镜(6)产生的条形光束的共轴光学系统、处在柱面透镜(6)焦平面上的毛细管(7)及其后的带有刻度的半透明屏(10)以及高精度CCD照相机(12)和导线相连的含有软件程序的计算机(13)，其特征在于它还包括至少为三维调节架(4)上装有的显微物镜(2)、微孔(3)，和置于毛细管(7)前的光栏(8)，该显微物镜(2)的前焦点与微孔(3)重合，微孔(3)和凸透镜(5)的后焦点重合，已知折射率为ng毛细管(7)水平安放在五维调节架(9)上，且使条形光束照射在毛细管(7)中间段上至少在2cm以上以形成清晰的干涉图样。
2.如权利要求1所述的烃源岩成熟度的测量装置，其特征在于上述毛细管(7)一端封闭，一端开口，内径为2-3mm，外径为3-4mm，长8-10cm。
3.如权利要求1所述的烃源岩成熟度的测量装置，其特征在于半透明屏(10)的周边上带有最小刻度为1mm的坐标刻度尺。
4.如权利要求1所述的烃源岩成熟度的测量装置，其特征在于上述激光器(1)是连续功率输出的绿光或红光激光器，且激光器(1)的输出功率大于40mW。
5.烃源岩成熟度的测量方法(a)测量柱面透镜的最大厚度T，柱面透镜的平面到毛细管中心的距离L1，毛细管中心到半透明屏的距离L2；(b)萃取已知成熟度Ro的烃源岩标准样品的可溶有机质，将其注入毛细管中；(c)用CCD照相机分别拍摄标准样品的干涉图样及半透明屏上的坐标刻度；(d)将图像存储到计算机，读取坐标刻度每厘米的象素值p，读取标准样品的干涉图样，在干涉图样最宽处取一截线，并做出截线上各点的光强I随位置S的变化曲线(I-S曲线)，并使光强归一化；(e)将空气的折射率na、柱面透镜的折射率ncy及其曲率半径Rcy、的毛细管的折射率ng、入射激光的波长λ、柱面透镜沿竖直方向平行分割的份数z、柱面透镜的最大高度Zmax、折射率的范围1.4-1.8、折射率的步长0.1-0.00001以及上述的T、L1、L2、p代入已有的毛细管干涉图样模拟程序，即获得样品光强归一化的模拟曲线(I-S曲线)；(f)将模拟的I-S曲线与样品的I-S曲线比较，当两者重叠最好时，计算机输出被测液体的折射率n；(g)取成熟度范围Ro在0.3-2.0的至少9个烃源岩标准样品，以上述步骤测量其可溶有机质的折射率，建立成熟度Ro与折射率n的标准曲线，即Ro-n曲线；(h)最后对未知成熟度烃源岩，以上述方法测量其可溶有机质折射率n，与标准曲线对比，即可获得成熟度Ro。
全文摘要
一种烃源岩成熟度的测量装置与方法包括激光器在内的壳体中的凸透镜和柱面透镜产生的条形光束的共轴光学系统、处在柱面透镜焦平面上的毛细管，及其后的半透明屏以及高精度CCD照相机和导线电连接的含有软件程序的计算机，其特征在于它还包括至少为三维调节架上装有的显微物镜、微孔，和置于毛细管前的光栏，该显微物镜的前焦点与微孔重合，微孔和凸透镜的后焦点重合，毛细管水平安放在五维调节架上，且使条形光束照射在毛细管中间段上以形成清晰的干涉图样。通过模拟的I－S曲线与样品的I－S曲线比较，当两者重叠最好时，计算机输出烃源岩的可溶有机质折射率n，通过n可获得成熟度。
文档编号G01N21/01GK1936544SQ20061006929
公开日2007年3月28日 申请日期2006年10月10日 优先权日2006年10月10日
发明者杨爱玲, 张金亮, 董军宇, 李文东, 邓美寅 申请人:中国海洋大学