地球化学示踪论文（精选9篇）
地球化学示踪论文 篇1
天然河流水质模型是描述水体中污染物随时间和空间变化规律的数据模型。罗丹明B通常被用来作为示踪剂,测定天然河流水质模型的扩散系数,通过示踪实验来确定。示踪实验的罗丹明B通常采用分光光度法来确定。李光浩等[1]报道利用Cr(IV)化学发光流动注射法测定罗丹明B,但是其线性范围较窄,灵敏度较低,且干扰较严重。在2001年,Yebra-Biurrun[2]首次报道了可溶性锰(IV)的化学发光反应[3]。N.W.Barnett等[4]分别做了酸性KMnO4化学发光体系和可溶性的锰(IV)化学发光体系的流动注射(FIA)和顺序注射分析(SIA),通过比较发现利用可溶性锰(IV)化学发光体系,实验仪器、方法和试剂方面都更简单,分析速度更快(180次/h)。本文通过利用可溶性锰(IV)溶液和酸性高锰酸钾溶液做比较,建立了用可溶性锰(IV)溶液分析罗丹明B的新方法,克服了上述缺点,且在实际应用中获得满意的结果。并对锰(IV)及KMnO4发光体系的发光机理进行了研究。
1 实验部分
1.1 测定方法
a.氧化剂溶液;b.样品; V.进样阀; FC.流通池; PMT.光电倍增管;PC:电脑; P:蠕动泵; W:废液
按图1所示流路,光电倍增管高压为-800 V,阀池距为5 cm,管径为0.8 mm。待测罗丹明B试液注入锰(IV)溶液或高锰酸钾溶液中反应产生化学发光,测定发光信号,以化学发光强度定量。
1.2 仪器与试剂
IFFL-D型智能流动注射化学发光分析仪,西安瑞科电子设备有限公司生产。
锰(IV)溶液(4.6×10-3 mol/L):按Jaky和Zrinyi[5,6]的配制方法,取0.5 g高锰酸钾与过量甲酸钠反应制得大约0.2 g新生态的MnO2,用沙心漏斗抽滤,溶解于磷酸溶液中,超声处理30 min,放置24 h后使用。其浓度由碘量法确定。此标准溶液常温下放置一个月,浓度无明显变化;罗丹明B标准溶液(5×10-2 mol/L);磷酸溶液(3 mol/L);硫酸溶液(3 mol/L)。所用试剂均用分析纯,水为二次去离子水。
2 结果与讨论
2.1 化学发光反应的动力学性
用IFFL-D型多功能化学发光监测器的静态检测系统研究了锰(IV)和高锰酸钾与罗丹明B的化学发光反应动力学性质,化学发光动力曲线如图2,由图2可知锰(IV)溶液和高锰酸钾溶液都能与罗丹明B产生较强的化学发光。
(a)5×10-4mol/L罗丹明B与1×10-4mol/L锰(IV);(b)5×10-4mol/L罗丹明B与1×10-4mol/L高锰酸钾
2.2 氧化剂的浓度
锰(IV)在此化学发光反应中是氧化剂,其浓度的大小影响化学发光信号的强弱。本实验以5×10-5 mol/L罗丹明B为研究对象,在2.3×10-4～2.3×10-3 mol/L范围内考察了其浓度与化学发光强弱的关系,结果如图3所示:当锰(IV)溶液浓度为1.84×10-3 mol/L和高锰酸钾浓度为2.3×10-3 mol/L时,发光信号出现最高峰,所以本文分别选择锰(IV)浓度为1.84×10-3 mol/L,高锰酸钾浓度为2.3×10-3 mol/L。
2.3 阀池距的选择
阀池距的长短会影响到混合溶液进入监测器的时间,导致监测器检测不到最大的发光信号。本实验分别选择不同的的阀池距,实验结果如表1所示,由表去可知当阀池距为5 cm时,锰(IV)溶液和酸性高锰酸钾溶液都有最大的发光强度)。
2.4 反应介质及其浓度的选择
分别以硫酸、磷酸、盐酸为介质测定发光信号,结果表明锰(IV)体系磷酸作为介质时发光强度最大。高锰酸钾体系用硫酸作为介质时发光强度最大。以5×10-5 mol/L罗丹明B溶液为研究对象,磷酸浓度和硫酸浓度对发光反应的影响如图4所示(X轴是磷酸或者硫酸浓度),可见当磷酸浓度和硫酸浓度均为3 mol/L时,发光强度最强。
(C罗丹明=5×10-5mol/L;CKMnO4=2.3×10-3mol/L;CMn(IV)=1.84×10-3mol/L)
2.5 校准曲线、相关系数与检出限
在最佳条件下,锰(IV)溶液体系和酸性高锰酸钾体系分析的数据分别列于表2中。对浓度为5×10-5 mol/L的罗丹明B平行测定11次的相对标准偏差分别为2.5%和2.8%。
2.6 干扰实验
在选定的实验条件下,对5.0×10-6 mol/L罗丹明B溶液进行了干扰实验。结果表明,在保持相对测量误差在±5%范围内,以锰(IV)为氧化剂时,500倍的甲醛、麦芽糖、甲酸、乙醇、Cl+、β2环糊精、NH+4,100倍的Cu2+、Mg2+、Al3+、Fe3+、Br-,CO
3 机理探究
本实验用IFFL-D型多功能化学发光监测器的静态检测系统分别研究了锰(IV)和高锰酸钾与罗丹明B,罗丹明6G,丁基罗丹明B的化学发光反应动力学性质。发现罗丹明B和丁基罗丹明B与两种氧化剂反应均产生较强的化学发光信号,而罗丹明6G无明显的化学发光信号。比较罗丹明B,丁基罗丹明B,罗丹明6G的分子结构,发现罗丹明6G的醌式环中C12上带有一个甲基,而罗丹明B和丁基罗丹明B的醌式环上无取代基。已有人用荧光仪器测得罗丹明B的最佳发射波长为589 nm[7],可以根据理论推得罗丹明B的最佳激发波长大概为350 nm。
将罗丹明B分别和可溶性锰(IV)溶液及高锰酸钾溶液混合后,固定激发波长为350 nm,用FP-6200型荧光分光光度计测定混合溶液的最佳发射波长分别为538 nm和508 nm;且峰高也有明显的降低如图6所示。
a:5×10-6mol/L RDB;b:1×10-5mol/L RDB+1×10-5mol/LMn(IV)(混合30s);c:1×10-5mol/L RDB和1×10-5mol/L高锰酸钾(混合20 min);d:1×10-5mol/L RDB和1×10-5mol/LMn(IV)(混合20 min)
因此可以证明罗丹明B和氧化剂溶液发生氧化还原反应,最后的产物依然有荧光性。而罗丹明6G与氧化剂混合无明显的化学发光信号,证明其反应历程不同。也有学者[8]认为呫吨类染料在碱性溶液中被H2O2氧化,C16上的羧基可以降低C1的∏电子密度,增加化学发光信号的强度,这个结论指出一个新的反应路线即断开C1与C15之间的化学键。
首先,在酸性溶液中,罗丹明B容易发生如下转变:
因为罗丹明B和氧化剂的反应产物仍然有荧光性,所以产物应该有和罗丹明B类似的刚性平面结构。我们推测物质A和高锰酸钾生成一个复杂的中间产物(B)并发生氧化还原反应,同时生成一个激发态的离子自由基产生化学发光。反应历程如(3)、(4)和(5)。
可溶性锰(IV)溶液和罗丹明B反应机理和高锰酸钾类似,只是在第三步中是锰(IV)和罗丹明B生成一个中间体,发生氧化还原反应,然后放出化学发光信号,如(6)和(7)。
而罗丹明6G的C12上带一个甲基,该甲基更容易被强氧化剂氧化。高锰酸钾溶液及可溶性锰(IV)溶液均为较强的氧化剂,所以,当罗丹明6G和它们混合后将发生以下的反应(8):
可以看出在上述反应中,没有激发态的中间体生成,所以就没有化学发光信号产生。这也解释了为何罗丹明B和丁基罗丹明B能产生化学发光信号,而罗丹明6G却不能产生明显的发光信号。
4 结 论
实验结果表明,锰(IV)溶液和高锰酸钾溶液一样,都可以测定示踪剂罗丹明B,并得到令人满意的结果。据此建立了测定罗丹明B的新方法。研究表明:锰(IV)在化学发光分析研究中可以用作化学发光试剂,具有很好的分析前景。该发光试剂已经被用于测定抗坏血酸[4,5,6,7,8,9,10],酪胺酸[11], 安乃近[12],头孢菌类药物[13], 磺胺类药物[13],等物质, Neil W.Barnett[3]还利用锰(IV)溶液测定了锰(II), 铁(II), 吗啡, 可待因,得到令人满意的结果。对该体系的机理及分析应用的研究有助于拓宽化学发光分析的研究领域,而且有助于阐明锰的不同价态的化学行为及KMnO4化学发光体系的反应机理。因此,可溶性锰(IV) 化学发光体系具有广泛的应用前景,应该引起科研工作者的高度关注,成为环境分析研究领域中一个新的热点。
摘要：通过可溶性锰(IV)溶液和酸性高锰酸钾溶液做比较,建立了用可溶性锰(IV)溶液分析罗丹明B的新方法,克服了线性范围较窄,灵敏度较低,且干扰较严重等缺点,且在实际应用中获得满意的结果,并对锰(IV)及KMnO4发光体系的发光机理进行了深入研究。
关键词：化学发光,流动注射,锰(Ⅳ),酸性高锰酸钾
地球化学示踪论文 篇2
234Th作为海洋学中示踪剂的研究进展
234Th是海洋中日、周、月时间尺度上和颗粒物运动有关的过程的良好示踪剂,常用于海洋碳循环最为重要的区域--真光层中颗粒物的循环,以及和生物中介有关的及一些相对较快发生的海洋过程的研究.234Th对我们研究由CO2循环导致的全球变暖问题,了解各种元素和化合物在海洋中的`分布行为和最终归宿,促进全球质量平衡归宿模型的构建,研究某海域的生物泵与初级和新生产力,促进我们对海洋的进一步了解并引导它健康可持续地为人类所利用等方面有着重要的意义.简要论述了234Th作为海洋学中示踪剂的原理和发展过程,比较了目前所使用的各种采样和测量方法,详细介绍了它在垂直通量、颗粒物循环、水平传输和沉积物动力学等方面的应用,并针对目前存在的问题和不足简要归纳了未来研究的方向.到目前为止,234Th仍然是最快的自然颗粒物活性计时器,而样品处理、分辨率和处理量等方面的进步则推动了234Th在海洋学研究中更广泛的应用.开阔大洋中很多234Th工作都是在JGOFS计划的支持下进行的,因此,234Th应用的潜在前景可针对JGOFS计划未完成的问题而进行深入研究.
作 者：江巧文 倪建宇 JIANG Qiao-wen NI Jian-yu 作者单位：国家海洋局第二海洋研究所,国家海洋局海底科学重点实验室,杭州,310012刊 名：海洋地质动态 PKU英文刊名：MARINE GEOLOGY LETTERS年，卷(期)：24(7)分类号：P714关键词：234Th 颗粒物 示踪剂 海洋碳循环 全球变化
地球化学示踪论文 篇3
关键词：制革,酶制剂,蛋白质,传质,荧光示踪
用酶制剂替代污染性化学品及提高生产效率, 是制革工业推进清洁生产和降低能耗的重要发展方向[1]。近年来, 制革科技工作者对酶制剂在制革中的应用进行了大量的研究, 已将蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等用于浸水[2 - 3]、脱毛[4 - 6]、软化[7 - 8]和脱脂[9 - 10]等工序, 以去除皮内的非胶原蛋白质和脂肪[10 - 12], 为鞣制工段的顺利进行奠定基础。
酶制剂与动物皮之间的作用在宏观上可以分为传质和反应2 个过程。鉴于皮组织结构的复杂性和酶催化作用的高效性, 酶与皮之间的反应过程应为传质控制。因此, 明确认识皮内酶的传质机理, 是制革工业推广应用酶制剂的基础。但是, 目前关于制革过程酶传质机理的研究, 尚停留在根据生产实践进行“经验总结”的阶段[13 - 14]。虽然研究者也曾利用组织切片和染色技术在光学显微镜下观察酶作用前后皮的组织结构变化, 进而推测酶在皮内的传递途径[15], 但是这种间接分析方法得到的结果比较主观, 准确性欠佳。另外, 因为酶本身是一种蛋白质, 其许多物理化学性质与皮蛋白质相似, 所以无法用各种蛋白质定量测定技术, 来检测制革过程皮中或者浴液中的酶浓度, 进而获得酶传质的基本信息。由此可见, 建立准确观测酶在皮内传递情况的方法, 对系统研究酶的传质规律及作用机理具有重要意义。
荧光标记是利用能发射荧光的物质共价结合或物理吸附在待测物质上, 使待测物质具备荧光特性的一种技术。荧光标记的待测物质通过荧光检测仪器, 即可实现在细胞或组织中的定位和示踪, 并且灵敏性高、可视性强、所得结果客观[16 - 17]。蛋白质的氨基、巯基或羧基等基团能与荧光素发生共价结合, 从而获得荧光特性[18]。因此, 推测酶作为一种蛋白质, 利用荧光技术很可能实现其在皮内的准确定位, 进而直观、有效地观测制革过程酶在皮内的传质现象。
本论文拟考察用荧光示踪技术, 研究制革过程酶蛋白质传质现象的可行性。制革用酶制剂通常由酶 ( 蛋白质组分) 、酶激活剂、酶稳定剂、p H调节剂、稀释剂等组成[19], 而且酶的蛋白质组分并不单一。其中的非蛋白质组分可能影响标记物的荧光强度, 而多种蛋白质组分将使后期的纯化难度增大。因此, 首先选用高纯度的牛血清白蛋白 ( BSA) 作为酶制剂模型, 制备了荧光蛋白质FITC - BSA, 然后用其处理皮, 以考察荧光示踪的可行性, 期望为准确观测酶在皮内的传质现象及系统研究酶的传质机理提供指导。
1 试验部分
1. 1 主要材料和试剂
脱灰裸皮 ( 厚2. 0mm) , 由盐湿黄牛皮经常规工艺制备;
牛血清白蛋白 ( BSA) , 分子生物学级, 阿拉丁试剂 ( 上海) 有限公司;
异硫氰酸荧光素 ( FITC) , HPLC级, Sigma - aldrich公司;
葡聚糖凝胶G - 50, GE Healthcare公司;
其它试剂均为分析纯。
1. 2 荧光蛋白质FITC - BSA的制备及性质表征
1. 2. 1 FITC - BSA的制备
将文献所述的方法[20]稍作改进, 以制备荧光蛋白质FITC - BSA。
( 1) 标记: 用0. 1mol /L p H值9. 16的碳酸盐缓冲液配制5. 0mg/m L BSA溶液和5. 0mg/m L FITC溶液; 然后将BSA溶液和FITC溶液按照BSA / FITC摩尔比1∶20 的比例混合均匀, 于4℃避光反应10h。
( 2) 纯化: 将上述反应溶液移至Amicon Ultra - 15 超滤离心管中, 于4℃ 、5 000r / min离心35min, 进行浓缩; 然后采用葡聚糖凝胶层析柱 ( Sephadex G - 50) , 分离浓缩液中的标记产物FITC - BSA和游离的FITC, 洗脱液为0. 01mol /L p H值7. 4 的磷酸盐缓冲液; 将收集的洗脱组分FITC- BSA进行冷冻干燥, 并于- 20℃ 避光保存。
1. 2. 2 FITC - BSA的性质表征
( 1) 紫外- 可见吸收光谱的分析
用紫外- 可见分光光度计 ( W -1800 PC型, 中国上海美谱达公司) 于200 ~ 600nm波长范围内测定2. 0mg /m L BSA溶液、2. 0mg / m L FITC - BSA溶液和40μg/m L FITC溶液的紫外-可见吸收光谱。
( 2) 荧光素与蛋白质结合比率 ( F/P) 的测定
首先用紫外- 可见分光光度计于280nm测定1. 0mg / m L BSA溶液的吸光系数E0. 1%, 再分别于280nm和495nm测定1. 0mg / m L FITC - BSA溶液的吸光度值A280和A495。最后根据公式 ( 1) 计算荧光蛋白质FITC - BSA的F/P值:
Mw为蛋白质的分子质量, 389. 4为FITC的分子质量, 195 为FITC在495nm处的吸光系数。
( 3) 等电点的测定
采用纳米粒度及Zata电位分析仪 ( Nano S90 型, 英国马尔文公司) , 测定5. 0mg/m L BSA溶液和5. 0mg/m L FITC - BSA溶液在p H值3. 5 ~ 6. 5 时的Zata电位, 然后计算BSA和FITC -BSA的等电点。测试前, BSA溶液和FITC - BSA溶液于25℃ 平衡5min。
( 4) 分子质量的测定
采用高效体积排阻色谱法 ( HPSEC) 测定BSA和FITC - BSA的分子质量。所用仪器为高效液相色谱仪 ( Agilent 1100 型, 美国安捷伦科技有限公司) , 所用色谱柱为TSKgel Super SW2000 ( 4. 6mm × 300mm, 粒径4μm, 日本东曹公司) 。 将15. 6g Na2HPO4、8. 8g Na H2PO4及7. 1g Na2SO4溶于500m L 2 次蒸馏水中, 然后超声脱除气泡10min, 制得流动相。10mg/m L BSA和FITC - BSA溶液的进样体积为20μL, 流动相流速0. 35m L/min, 柱温25℃ , 紫外检测器波长为280nm。然后根据标准曲线计算BSA和FITC- BSA的分子质量[21]。
1. 3观察FITC - BSA在脱灰裸皮中的传质现象
用FITC - BSA/BSA的质量比为1∶1的蛋白质混合物处理脱灰裸皮, 工艺条件如下: 蛋白质混合物用量1% ( 以脱灰裸皮质量为基准) , 温度25℃ , 液比2. 0, 翻转式振荡器转速25r / min, 时间Xmin ( X = 5、30、60、120) 。作用完成后, 在裸皮上取大小约1cm × 1cm的皮样, 用冷冻切片机 ( CM1950 型, 德国徕卡公司) 切取厚度10μm的切片 ( 纵剖面) , 然后用倒置荧光显微镜 ( Ti - U型, 日本尼康公司) 观察组织切片, 获得蛋白质在皮中分布情况的荧光图像。此外, 取脱灰裸皮的组织切片进行HE染色, 并用生物显微镜 ( CX41 型, 日本奥林巴斯公司) 观察皮组织结构。
2 结果与讨论
2. 1 荧光蛋白质FITC - BSA的性质
有机化合物的紫外- 可见吸收光谱, 取决于分子结构以及分子轨道上电子的性质[22]。当有机化合物的分子结构改变时, 它的紫外- 可见吸收光谱通常会随之变化。因此, 本论文首先通过分析BSA、FITC - BSA和FITC的紫外- 可见吸收光谱, 来判断FITC是否成功标记了BSA。如图1 所示, BSA仅于278nm处有特征吸收峰, 而FITC - BSA则在496nm处也出现了特征吸收峰, 并且该特征吸收峰与FITC的最大吸收光谱490 ~495nm接近, 这说明FITC在碱性条件下 ( p H值9. 16) 易与BSA反应, 成功标记到了BSA上。
然后, 测定了FITC - BSA中荧光素与蛋白质的结合比率 ( F/P) , 结果见表1。将测试的相关数据按照公式 ( 1) 计算可得FITC - BSA的F/P值为2. 75, 即平均每个BSA分子上结合了2. 75 个FITC分子。 这说明FITC -BSA的荧光强度高, 有利于后期使用荧光显微镜进行观测。
正如前面提到的, 本论文的目的是考察应用荧光示踪技术研究制革过程酶蛋白质传质现象的可行性。而评价示踪技术可行的一个重要指标, 是被标记物的各种性质能基本保持不变。由于皮化材料的电荷性质和分子尺寸是影响传质的重要因素, 因此考察了FITC标记对BSA等电点和分子质量的影响。
通过测定物质溶液在不同p H时的Zeta电位, 可以推算出该物质的等电点, 即Zata电位为零时的溶液p H[23]。故试验测试了BSA溶液和FITC - BSA溶液在p H值3. 5 ~ 6. 5 时的Zata电位, 如图2 所示。FITC -BSA的等电点大约为4. 4, 略低于BSA的等电点 ( 约4. 6) , 这说明用FITC标记对BSA的等电点影响不大。而FITC- BSA的等电点略低于BSA的原因, 应该是BSA的自由氨基与FITC的异硫氰酸基发生了碳酰胺化反应[20], 氨基数量减少, 同时BSA分子中还引入了FITC的羧基 ( 反应式见图3) 。
BSA和FITC - BSA的HPSEC谱图如图4 所示。BSA和FITC - BSA的主体成分均集中在单一主峰中, 可见它们的纯度都很高。根据标准曲线计算得到的BSA和FITC - BSA的分子质量分别为66. 8k Da和67. 3k Da, 即FITC标记使BSA的分子质量增加了约0. 5k Da。由此可见, 荧光标记对蛋白质的分子质量影响较小。需要说明的是, 如果根据FITC - BSA的F /P =2. 75 进行计算, BSA的分子质量增加约1. 1k Da, 而采用HPSEC测得的BSA与FITC - BSA的分子质量差值却偏小, 应该是因为该差值超出了HPSEC的检测精度。
2. 2FITC - BSA在皮内的传质现象
因为FITC - BSA的荧光强度高 ( F/P值为2. 75 ) , 所以用FITC -BSA / BSA质量比1 ∶1 的蛋白质混合物处理脱灰裸皮 ( 系前期试验优化结果) , 然后通过荧光显微镜观察不同处理时间的裸皮纵剖面 ( 图5) , 评价了用荧光示踪技术研究制革过程酶蛋白质传质现象的可行性。
将图5 ( b) - 5 ( e) 中裸皮纵剖面的荧光显微照片, 与图5 ( a) 中HE染色法制得的脱灰裸皮纵剖面进行对照可以发现, 在蛋白质处理脱灰裸皮的初期, 裸皮粒面和肉面可以看到荧光, 且肉面的荧光强度更高, 而裸皮的中间层基本没有荧光。这说明蛋白质作用脱灰裸皮时, 首先附着在裸皮的粒面和肉面, 且在肉面附着的更多。随着处理时间的增加, 裸皮中间层的荧光强度逐渐增强, 这说明蛋白质从粒面和肉面2 个方向传递到了中间层。这些结果表明: 利用荧光示踪技术能直观、准确的观测制革过程中蛋白质在皮内的传递和分布情况。
3 结论
在碱性条件下, FITC容易与BSA反应得到荧光强度高的FITC - BSA。虽然FITC - BSA的等电点略低于BSA、分子质量略大于BSA, 但是差异不明显, 基本不会影响皮内蛋白质传质现象的准确观测。荧光示踪技术灵敏度高、标记的蛋白质分子易分辨, 能直观、准确地观测制革过程中蛋白质在皮内的传递和分布情况, 适用于研究制革过程酶蛋白质的传质规律及机理。
地球化学示踪论文 篇4
不同源区铅同位素的组成不同,因此可以利用铅同位素的这种“指纹”特征来示踪铅的不同源区.近年来铅同位素示踪在研究土壤中相关重金属来源及其运移途径起到独特的`作用.由于铊和铅具有相似的地球化学性质,并且在云浮硫铁矿区污染土壤中其分布与铅有很好的相关性,笔者利用铅同位素作为示踪工具探讨了土壤中铊的污染特征,初步研究表明铊污染物主要累积在土壤深度0～16.5 cm范围内,深度为16.5 cm以下土壤受到废渣中铊污染的影响较小,但废渣周围土壤深度约44 cm范围已经受到来自废渣中铊的影响.
作 者：刘敬勇 常向阳 涂湘林 LIU Jing-yong CHANG Xiang-yang TU Xiang-lin 作者单位：刘敬勇,LIU Jing-yong(中国科学院,广州地球化学研究所,广东,广州,510640;广州大学,环境科学与工程学院,广东,广州,510006;中国科学院,研究生院,北京,100039)常向阳,CHANG Xiang-yang(中国科学院,广州地球化学研究所,广东,广州,510640;广州大学,环境科学与工程学院,广东,广州,510006)
能谱连续示踪测井技术的应用 篇5
能谱连续示踪相关流量注入剖面测井技术是组合式测井方式, 在常规同位素示踪剂测井基础上融入了相关流量测井和能谱分析测井, 为复杂注水条件下注入剖面测井提供了新的思路和方法, 对于甄别、消除沾污的影响具有明显的技术优势。
1.1 相关流量测井技术的原理及特点
相关流量测井技术的基本原理是将活化的聚合物液体喷入井内, 用伽马仪器连续追踪其运行轨迹, 从而确定注入剖面各个位置的运行速度, 如图1所示。
从图1中可见, 放射性脉冲在不同曲线上所处的深度位置和时间各不相同, 可以根据这些不同的测量曲线确定测量分段及分层流量。
相关流量测井技术能避免大孔道、粘污、漏失等因素对同位素测井的影响, 使结果更为可信;能够有效确定套管漏点和封隔器漏失情况, 为修井作业提供依据[1]。
1.2 放射性同位素示踪法的原理及优缺点
同位素示踪测井是在注水条件下将同位素注入井内, 随着注入水的流入, 同位素滤积在注水层表面, 用伽马仪测取示踪曲线, 曲线上显示的放射性强度的差异就代表了注入量的大小 (图2) 。
优点:对合注井都适用, 应用比较广范。
缺点:1沾污:当油管和套管内壁有油污或放射性颗粒比重大于水较多时, 会造成油、套管壁和接箍工具严重粘污, 影响测量准确性。2大孔道:当地层射孔孔眼深度较大或地层孔隙大于放射性颗粒时, 其进入地层较深, 或在孔眼中分布不均匀。伽马仪测不到放射强度数据, 测量的数据受其与仪器水平距离影响, 造成严重误差, 以致数据无法使用。3管外窜槽:若存在管外窜槽, 同位素载体可沿着管外水泥环通道进入未射孔地层, 资料常显示曲线在未射孔层段有较大的幅度异常, 这种曲线特征与沾污相似。另外, 对于低注入量的笼统井, 上返距离较长 (大于100m) 。由于同位素比重不完全等于水的, 下部造成堆积, 向上无法到达最上面的吸水层, 对解释结果影响较大。
1.3 能谱测量原理
伽马能谱测井技术可以对同位素异常区域进行精确鉴定, 从而确定污染粘污位置, 完成异常粘污校正及判断窜槽, 提高解释精度。每种放射性核素都有自己的特征峰谱, 通过全谱分析法可以找到某种核素在某个位置的射线数量[2]。伽马射线通过套管水等物质时会产生光电效应、康普顿散射、俘获及衰减等各种核反应, 从而使不同能级的射线数量产生改变。对测量特定同位素的伽马射线进行全谱分析及强度累计, 可以得到同位素所在位置及射线强度大小。
1.4 一体化组合测试, 提高解释精度
相关流量测井和常规同位剖面测井进行归一改进, 一次下井实现两种测井方式, 基本解决了大孔道吸水、裂缝吸水和小层划分问题。但是由于对同位素沾污问题没有从根本上解决, 对窜槽、沾污以及工具在层上时是否有粘污等问题无法解释和评价。
在同位素异常位置配合自然伽马能谱测井仪, 可以定点采集其能谱, 经过解谱分析可识别此处同位素是层位吸水, 还是串槽、粘污, 并可定量消除沾污对解释结果造成的不良影响。对解决上述问题有了根本性突破, 3种井下测井仪器实现了配接一体化, 提高了测试效率和解释精度。
2 能谱连续示踪测井仪器及方法
2.1 测井仪器
测井仪器由地面操作系统和井下仪器组成。井下仪器为:能谱测井仪、四参数组合仪、双示踪释放器, 可测量压力、流量、温度、自然伽码、节箍5个参数。
地面操作系统与井下仪器可双向通讯, 仪器可工作于五参数连续测量和能谱定点测量两种状态。也可根据需要下挂持水、涡轮流量等参数进行产液剖面测量。
2.2 测井方法
1) 测井时先测温度、压力、磁定位、双伽玛曲线, 用于校深和比对。
2) 在定点处释放液体同位素, 释放后连续上提、下放, 追踪峰值 (不低于5条曲线) , 直至示踪剂峰值完全消失。放射性脉冲在不同曲线上所处的深度位置和时间各不相同, 可以根据这些不同的测量曲线计算注入井各个层段的注入量[3]。
3) 上提测取自然伽玛曲线基线 (如果没有液体同位素残留可以省略此步骤) 。
4) 定点释放固体同位素, 测量同位素分布曲线, 监测多条曲线, 最终选择最后的3条上提曲线作为正式资料进行解释, 定量解释水量[4,5]。
5) 用能谱仪识别同位素异常显示, 通过谱型判断粘污位置 (油管内、油管外、套管内) 。
2.3 能谱连续示踪测井技术的适用范围
1) 该技术的应用范围较广, 适用于合注井、分注井、注水井和注聚井。
2) 对二三类油藏 (高压, 低渗) 的测试具有很好的应用效果, 对调剖工作具有指导意义。
3) 测井解释成果可提供丰富的信息量。在提供地层吸入量 (地层的绝对、相对吸入量) 的同时, 还可以提供井下管柱结构及井下工具的工作状况。如配水器是否吸水情况, 以及吸水量的多少;封隔器是否密封完好, 如有漏失, 漏失量的多少;油套管是否有漏点以及漏失量的大小等。
3 能谱连续示踪测井技术的适用范围和应用效果分析
3.1 单井应用分析
3.1.1 应用实例1:大孔道井示踪相关流量与吸水剖面对比
XXX井为二级配注, 先后用示踪相关流量测井技术和其他吸水剖面测试技术进行了对比测试, 测试结果差异比较大 (图3) 。
示踪相关流量测井:P1、P2两个水嘴均吸水, 绝对吸水量分别为58m3/d和53.6m3/d, 两个水嘴之间的封隔器从下向上漏失。进入P2水嘴的水有39.2m3/d上返通过封隔器进入到1号层中, 进入P1水嘴的水全部进入1号层中, 此层为强吸水层 (大孔道层) 。
其他吸水剖面测试结果:在水嘴、封隔器、节箍等处均有粘污。解释结果为:1号层微吸, 2号层主吸, 对封隔器漏失情况不能给出正确判断;对于大孔道层解释误差很大;配注井粘污较严重。
3.1.2 应用实例2:同位素异常识别实例
XXX井在1 767m处同位素异常高值, 经能谱测试为悬浮粘污。图4是同位素异常测井图, 图5是该井在1 767m的点测能谱图。
3.1.3 应用实例3:井下结构漏失情况判断
XXX井为二级配注井, 2012年6月15日进行相关流量测试, 共释放二次示踪剂 (图6) 。
第1次在P2水嘴上方释放, 示踪剂全部进入P2水嘴后, 在油套环空上返越过了封隔器后又过了最上面的射孔层;第2次在P1水嘴上方释放, 示踪剂一部分进入P1水嘴, 一部分向下进入P2水嘴, 进入P1水嘴的水在油套环空中向上流动。
该井的井口注水40m3, 测试绝对吸水量7 m3, 判断上部套管有漏点。接着进行了找漏追踪测井, 追踪至374m处, 曲线出现异常峰, 示踪剂逐渐进入地层, 判断此处套管漏。继续追踪测试, 有一部分继续向上, 说明上面有窜槽 (图7) 。
2012年9月5日根据测试结果, 结合现场施工, 对该井实施了套补作业, 试压19MPa合格, 套补成功, 2013年8月的测试结果说明, 套管完好, 封隔器密封良好。
3.2 区块应用分析
采油二厂七东聚驱试验区在2006年注聚时, 因为缺乏合适注聚环境的测井技术, 因此在测试时都必须改注清水进行测试, 技术不完善。总结该技术在其他领域的成熟验证, 针对30×104t聚合物扩大区的测试问题, 采用了能谱连续示踪测井技术进行剖面测试, 实现了实境测试, 真实反映聚驱状态下的剖面动用。2014年选择调剖33口, 指导完成27口, 2015年对全区产聚浓度发生变化的52口井开展剖面测试, 其中37口井测试成果得到油藏管理人员应用, 用于指导调剖工作, 在全区见聚较高、注入压力较低的区域实现了调剖井的覆盖 (图8) 。
典型见效井T71748井:邻近水井于2015年4~7月调剖。调剖后, 油水井的剖面动用变好, 油井的含水下降, 油井呈上升趋势。
对比全区产液剖面, 高液量、高含水层产液量变化不大, 含水有所下降;低液层液量上升。
吸水厚度动用提高, 厚度动用由72.6%提高到84.2%, 剖面趋向均匀。
4 结论
连续示踪相关流量注入剖面测井技术从地面采集系统研发、测井软件编写、井下测井仪器研制、测井施工工艺的改进到资料解释方法研究、资料解释软件编写都应用了全新的设计理念, 形成了一套完整的测井新方法。解决了注聚井在黏稠的注聚液环境下测试难的问题, 为油田的三次开发和调整奠定了基础。
摘要：能谱连续示踪相关流量测井技术是一种提高油田注入剖面测井解释精度、对吸水剖面精细定量解释的新技术服务, 为注入剖面分层吸水、沾污校正、油层窜槽、大孔道吸水 (单层突进) 、工具失效漏失等提供准确的地质参数。首次将同位素示踪测井技术、相关流量测井技术、伽马能谱测井技术这三种方法融为一体, 实现了测井仪器的一体化, 实现了固液两种同位素同时下井、分次释放, 并结合伽马能谱测井技术, 实现了定量理论计算。三种测井方法相互校正, 从理论上实现了吸水剖面全定量精确解释的目的。
关键词：能谱测井,注聚井,注入剖面测井
参考文献
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双示踪液体源防护装置探讨 篇6
油田进入中后期采油后, 含水越来越高, 采油工艺也就越来越复杂, 为了提高油田的采收率, 驱油方式尤为重要。因此, 不仅有传统的注水驱油, 还有注聚驱油、三元复合驱油等驱油方式。而随着驱油技术难题的加大, 找到更好更有效的测试方法也成为摆在测试人面前的首要任务。针对上述问题, 双示踪测井工艺应运而出, 目前已经在各大队进行推广。但是由于双示踪测井液体源辐射极大, 对人体的危害便可想而知。为了减少双示踪液体源对人体的危害, 一种更好更有效的防护装置也就极其重要。双示踪液体源防护装置正是从这一问题出发, 有效的解决了测试过程中液体源对人体的辐射难题, 提高了测试成功率。
2 问题的提出
双示踪注入剖面测井有效的解决了注聚井的测试难题, 但是由于双示踪测井是采用固液双相。从仪器连接过程不难看出, 装完液体源后连接仪器又一次对人体造成辐射且至少两人。由此可见, 常规的组装仪器且没有防护措施时, 液体源的危害对人体极大。下面将从双示踪注入剖面测井组合仪的结构出发, 分析液体源对人体的危害:
双示踪注入剖面测井组合仪的结构如图1所示:
从结构图上我们不难看出, 液体源直接与电缆头连接, 故而每次加完液体源后连接仪器时都会对人体产生最直接的辐射。众所周知, 辐射三要素为时间、距离、屏蔽。如果按照常规方法连接仪器, 首先对液体源没有屏蔽作用:液体装入药仓后, 外面便是仪器外壳, 没有屏蔽物, 连接仪器时便直接对人体产生辐射。其次时间会更长:由于连接仪器花费大量时间且在仪器未装入防喷内如果没有屏蔽, 也会对人体造成辐射, 从而增加了辐射时间。最后更为重要的是连接仪器时需要两个人配合, 这样在同一口井液体源便会对更多人产生辐射, 也就间接增加了个人辐射时间。由此可见, 设计出一套有效合理的双示踪液体源防护装置极为重要。
3 双示踪液体源防护装置的设计
从连接双示踪组合测井仪出发, 设计出一套简单可靠、方便有效、便于操作且能大大减轻液体源对人体的辐射的双示踪液体源防护装置。其主要有两个部分组成:如图2所示:
(1) 支架:支架主要由两个四角凳组成, 如图2所示, 通过两个支架将仪器悬空, 将电缆头放入装有固定销的支架内, 再通过固定销将电缆头紧固。
(2) 铅筒:正如图2所示, 将铅筒包裹在液体源处。
以上两个步骤只需一人即可完成, 通过以上两个步骤, 再将仪器与电缆头连接在一起, 此过程也只需一人即可完成。仪器连接成功之后, 松开固定销, 将仪器插入防喷管内, 同时将铅筒取出。这一过程方便、快捷, 极大地减少了液体源对员工的辐射时间。
4 效果分析
经过多次试验对比分析, 使用铅筒与未使用铅筒液体源对人体辐射相差甚大, 统计得出结果, 使用铅筒辐射量为未使用铅筒的六分之一。也就是说使用该铅筒后大大减少了辐射量。
使用该装置, 原来需要两人才能连接仪器, 现在仅需一人即可完成, 而且所需时间也为原来的一半, 这也间接的减少了液体源对人体的辐射且降低了工作量。
火驱气体示踪剂性能评价及应用 篇7
辽河油区Du66块位于断鼻构造的最高部位,埋藏深度为1 116 m~1 298 m,原始地层压力10.82 MPa,油藏温度42.3 ℃。原油黏度1360 mPa·s,原油密度0.968 g/cm3。1985年之前利用自然能量采油,1987年进入全面蒸汽吞吐热采,截至2005年平均吞吐周期8.7周期,井组采出程度15.25%。2005年首次在Du 66北块进行了火烧油层先导试验,先后实施了16个井组的先导试验,取得了明显的增油效果。从试验现场的生产数据来看,一线井在大量排放废气(火驱产生的残余气体,主要含有N2、CO2、CO和少量O2)的同时,远处的二线井和三线井也有大量废气排出。统计发现,火驱阶段气窜严重的生产井大多可以追溯出蒸汽汽窜的井史。蒸汽吞吐后造成气体优势通道在火驱过程中气窜规律更为复杂,如此复杂的连通关系势必会对火线均匀推进产生负面效应。另外,蒸汽吞吐阶段的残余热可能会对火驱产生正向影响,但是没有相关观测数据,示踪剂是最为经济有效的监测气体走向方法。
火驱是一项蒸汽吞吐后提高稠油油藏采收率重要措施。在我国的辽河、胜利[1]、新疆和吉林等油田都在进行广泛的现场试验,已经形成了实验分析[2,3,4]、数值模拟[5]、效果预测[6]和动态分析[7,8,9,10]等系列技术。气窜是火驱过程中面临的主要问题,正确判断气窜方向和燃烧前缘位置是掌握火驱动态调整火驱政策的重要依据。准确客观地掌握气窜及地下燃烧状态需要根据火驱特点借助油藏监测方法取得地下信息,王史文等[11]在胜利油田火驱试验中尝试应用示踪剂监测气窜,阐述了示踪剂的筛选和施工办法,但是缺少监测数据结合火驱动态的综合分析与深入挖掘。笔者研究发现,全井组便宜简便的示踪剂监测可以确切得知地下气体窜进方向并能结合生产动态数据准确计算火驱前缘位置。
1 气体示踪剂的筛选与评价
因为气体可以随注入空气分配到各生产井,气体是最佳候选示踪剂种类。火驱示踪剂筛选应该结合火烧油层的特点,要求该气体示踪剂不参与火驱前缘的反应,检测方便,无毒,无腐蚀性、吸附量低的非燃烧气体。经过筛选后选用了一种在 500 ℃下化学性质稳定气体, 其最低检测浓度可达10—12 mg/L, 不溶于水。由于火驱高温特性,气体示踪计的要求要着重评价其稳定性和地层吸附性。
1.1 示踪剂的稳定性实验
为了考查该气体示踪计的稳定性,在火驱温度(300 ℃)对其进行稳定性测试,测试时间持续10 d,在不同时间点用气相色谱仪通过检测气体积分数来考察其稳定性,结果显示300 ℃下10 d内仍有98%性质稳定(图2),适合做气体示踪剂。
1.2 示踪剂的吸附性实验
用石英砂与火驱试验区含油污泥配置成典型砂岩样品,将砂岩样品填入高压气瓶,设置油浴温度为200 ℃并将气瓶置于油浴内,通气体示踪剂100 mL后充分振荡,静置1 h后测试其回收率为98.5%。气瓶中仅填充石英砂以考查其对示踪剂吸附性能,同样实验条件下测试示踪剂回收率为98.5%。从吸附实验结果看,该气体示踪剂在火驱典型砂岩样品中吸附较少,可以看成是不参加反应、不吸附的惰性气体。
示踪剂稳定性和吸附性实验表明,该气体示踪剂在高温状态性质稳定,地层吸附量低,是理想的火驱示踪剂,基于以上分析,Du66火驱试验区采用此气体进行火驱注气的监测。
2 示踪剂监测在火驱试验区中的应用
2.1 气体示踪剂的取样
由于气体的流度较大,故气体在油藏中的运移速度比液体要快得多,突破时间很短,因此气体示踪剂的取样频率比水溶性示踪剂要高,注入后要立即在对应监测井取样,每天2~3个样。取样周期为1~3个月,峰值过后,应继续取样一段时间后再停止。
2.2 气体示踪剂的检测
在现场监测样品中示踪剂浓度大致为10-9~10-10 g/L[11],对已知标准物质用色谱仪器检测,根据检测到的积分数据与标准物质含量绘制出标准工作曲线,并回归出标准工作曲线方程。在检测实际样品时,根据检测到峰面积积分数据在工作曲线上查出示踪剂在样品中含量或根据回归出标准工作曲线方程计算出示踪剂在样品中含量。参考火驱试验区典型的反9点井网和100 m井距计算,最后确定单井每次注入气体示踪剂200 kg。
2.3 示踪剂检测结果分析
火驱试验区位于油藏的西北部油层发育高部位,储层呈现典型的薄互层特点,火驱层位是上层系的下部,先期六个井组成功实施点火。为了检验气体示踪剂的性能,在试验区内某A井组进行了现场试验,由注气井A注入气体示踪剂,示踪剂产出时间与峰值的差异指示了地下连通情况的不同。
经分析,A试验井组46—40至46—041和47—041方向地下窜通程度较高,为燃烧前缘主推进方向;47—038方向地下连通性较好,没有形成直接的气窜通道,燃烧前缘为正常推进;47—38和47—39井方向,驱替程度差,燃烧前缘推进缓慢。
图2中从注气井A到各生产井的连线反映了他们之间的连通关系。在试验井组的施工和解释结果表明,该气体示踪剂可以应用于火驱气窜方向监测并指示出各生产井的分配比例,此结论是在单井组施工的情况下得出的。
目前该试验区有注气井6口,理论上每口生产井都有可能和任何一口注气井有连通关系,那么就需要对每口注气井都进行示踪剂监测才能清除掌握气体地下窜进方向和比例。
3示踪剂结合气体分析方法综合判断燃烧前缘位置
3.1 计算火烧前缘位置的物质平衡法
对于火驱而言,燃烧前缘的位置是一个重要参数,只有掌握了燃烧前缘位置才能准确掌握火驱动态并做出相应的调整。传统的物质平衡方法[12]通过计算生产井产出废气的量计算注气井到生产井之间的火驱前缘位置,油层燃烧后,某一油井方向上的火线前缘位置,按照燃烧反应的物质平衡关系推导,某一油井方向的火线位置可用式(1)表示[12]。
式(1)中:R为各油井方向的火线前缘位置,m;V为各油井方向的燃烧体积,m3;Q分为各油井方向的分配产出气量,m3;H为各井方向上的油层燃烧厚度,m;Y为各油井方向的氧气利用率,%;α为各油井方向的分配角度,As为燃烧率,由物理实验提供,m3/m3。
式(1)中Q分是各油井方向的分配产出气量,如果是单井组的话,Q分就是该井的产气量。如果是多井组同时注气生产则需要对不同注气井方向的来气量进行劈分才能计算。但是由于没有有效的办法判断多井组共同生产时生产井气体的来向,所以只能采用平均分配的办法进行近似计算。首先要统计出燃烧不同阶段的井组注气量(∑ Q注)和井组的产出气量(∑ Q产)。然后,根据不同阶段不同方向产气量(Q产)与井组产气量之比值,即外流气量的分配系数(K),求出各油井外流气量(Q外),最后求得各油井不同方向的分配气量(Q分)。其表达式如下:
Q分= Q产+(∑ Q注-∑ Q产)K (2)
式(2)中:K为井组外流气量的分配系数,无量纲。
为了准确地求的井组外流气量的分配系数K,应定期测量不同方向外围井的气量和气体组分的含量,及时掌握气流波及范围,以便对外流量的分配系数进行校对。计算结果见图3。
观察图3,发现火线发现方向比较均匀,尤其是中部的生产井,因为对于多向受效井采取了平均分割的方法,所以不能反映该井的真实来气方向。例如46X38井,对于46—039方向火线已经发展到距离生产井较近的位置,但是估算方法没有体现出该现象。示踪剂测试反应其主要来气方向是46—037井,而进行平均劈分估算后,不能反映46—037井对46—036井的贡献。
利用该试验井组的生产数据结合物质平衡方法(式1)分析火线位置,多向受效的生产井产气量按照受效方向进行平均劈分,不能反映该井的真实来气方向。
基于以上分析,考虑结合示踪剂、油藏地质等方面的资料综合分析气体的来向,对火线位置进行综合判断、综合计算。
3.2 示踪剂辅助计算火驱前缘
基于以上分析,考虑结合示踪剂、油藏地质等方面的资料综合分析气体的来向,对火线位置进行综合判断、综合计算。
定义示踪剂分配率为:
式(3)中:β为井组内示踪剂分配率,%;αi为某一测试井的示踪剂总量;n为井组内测试井总数。
则单井分配气量Q分可表示为:
Q分=(1-γ)Qβ (4)
式(4)中:γ为油藏存气率,%;Q为注气井总的注气量,m3。
设计示踪剂辅助分析火驱前缘步骤如下:
①确定示踪剂在井组内的分配率以及受效方向,按照分配率劈分注气井的注入气量;
②结合储层沉积相性质分析分析各生产井的排气状况验证示踪剂的分析结果;
③根据排气情况核算该井来气量和来气方向;
④确定生产井来气方向和气量计算燃烧距离;
⑤画出井组内燃烧前缘的位置等值图。
计算结果见表1(A井组的部分井结果)。
按照示踪剂监测结果绘制火线位置图(见图3),分析结果和图3有很大不同。观察图3的火驱前缘位置图发现,火驱前缘单向或两向发展较多,较少呈现多向均匀受效现象,下一步调整的重点应该放在几口明显出现火线突进的注气井调堵上,人为控制火线均匀发展,固体颗粒和空气泡沫是较为理想的调堵剂。
3.3 影响火线发展不均匀的因素分析
可以肯定,火线发展方向不均匀是地质和工程因素共同作用的结果,地质因素主要是注气井和生产井附近储层非均质性,而工程因素主要是点火和注气时受热不均和注气速度不协调。
火驱试验区内注气井都是采用注蒸汽预热方式进行点火,在注蒸汽阶段很容易出现蒸汽沿旧有的汽窜通道单方向汽窜过多的问题,导致这一侧热量积累过多,其他方向没有足够的热量点燃油层,进入正常注气阶段后,很容易形成火线的单侧推进;另外,注气速度设计的过大也会导致火线推进速度过快;而且气体超覆现象严重。
蒸汽吞吐后期,地下的情况比较复杂,把储层沉积相图和火驱前缘发展方向结合起来观察发现,火线的推进在很大程度上受控于储层沉积相。
图4中标识出了6口注气井与该层沉积相的相对位置,分析发现:E井处于分流河口坝微相内,周围一线井各方向上没有岩性明显变化,所以在注气受效井呈现多向受效方式;B井处于分流河口坝微相内,在东北方向上有心滩分布,所以注气受到阻挡;示踪剂测试显示在东北方向上没有示踪剂分配。D井位于分流河口坝的前端,因为这口井没有做示踪剂测试,从井组排气情况来看,和沉积相展布的方向是吻合的,东南方向上受阻。A井位于分流河口坝的前端,井的西部和南部被边滩包围,导致示踪剂测试时这两个方向受效微弱,注入气体主要向西部、北部发展。F井处于分流河口坝微相内,
周围一线井各方向上没有岩性明显变化,而排气量显示该井排气量稳定而且气量很大。可见火驱前缘发展方向和储层沉积相有很强的相关性,沉积相的类型和展布情况决定了气体的大致运动方向,这也间接地验证了示踪剂辅助分析结果的正确性。
4 结论
(1)对于蒸汽吞吐后地层流体分布复杂情况而言,多井组相邻进行火烧油层,常规生产井产气量劈分难以符合真实的情况,示踪剂辅助劈分能够考虑各井的见效方向的不同、各见效方向见气量不同的复杂情况,可以指示出火驱过程中气体连通方向和气体分配量,是火驱动态监测的有效办法,多井组示踪剂监测结果进行进一步分析后可以为计算火驱前缘位置提供有力依据。
(2)火驱前缘位置发展的不均匀性是工程和地质因素共同作用的结果,从分析结论来看,地质因素对火驱前缘发展方向起到主要控制作用。
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地球化学示踪论文 篇8
目前,荧光示踪检漏技术在柴油机出厂试验的泄漏测试中还没有普遍应用。柴油机泄漏检测主要还是对柴油机在测试过程中,在普通可见光下以人眼观察是否有泄漏点。这种做法主要有两个弊端:一是泄漏点难以观察,容易造成误判;二是在试车座台上冲洗柴油机后,带来柴油机表面锈蚀等一系列问题。为了解决以上存在的问题,在柴油机泄漏测试中运用荧光示踪检漏技术是提高检测效率和检测精度的重要手段。
1 荧光的简介
1.1 什么是荧光
一般来说,我们所说的光就是指可见光。光是一种电磁波能量,而可见光是电磁波谱中的能被人眼感受的部分,其波长范围仅仅占据电磁波谱的非常窄的一部分。一般以波长与频率来评价光的不同,光的波长与频率呈反比例关系,波长越短意味着其频率越高,相应的能量越高;波长越长其频率越低,相应的能量越小。光强、光通量、亮度也是评价光源或反射光功率大小的重要指标,见图1。
荧光是利用短波长的光或射线(称为激发光)来照射可以发光的材料,得到一种波长更长的介于可见光范围的单色光,停止照射时,这种光线马上或逐渐消失,这种受到激发而产生的光被称为荧光。为达到最佳的效率,激发光与荧光材料的吸收光谱尽可能地重叠在一起,也就是频率重叠,达到物理上的所谓“共振”效果。一般激发光的能量总是高于荧光的,而且基本上位于可见光与紫外线的边缘位置。一般激发光能量较高,对人眼有一定刺激和伤害。
荧光是可见光中的单色光或某一波段的混合光。为了保持检测的可靠性和高度的选择性,所以用于检测为目的的荧光要保持单色性能。
1.2 荧光的最佳颜色
人眼对不同波段的单色光的视觉灵敏度是不同的,见图2。人眼在明视觉条件下,感觉最灵敏的位于555 nm附近的黄色光;人眼在暗视觉条件下,感觉最灵敏的位于510 nm附近的绿光,这些光事实上也是人眼在可见光范围内感觉最舒服、最柔和的光。因此对于使用人眼来检测的荧光最好是“黄色光”或“黄绿色光”。
但是在实际的荧光示踪检测中,可能出现不可有效控制的黄色或黄绿色荧光性干扰。通常这些颜色的荧光存在于检测环境中的有机材料 (如油漆、密封胶等 ) 之中。在这种情况下,就需要换成其它波长范围的颜色光作为荧光示踪检漏的指示剂。
1.3 荧光材料的分类及特点
常规的荧光材料很多,从化学成分的角度分为无机荧光材料和有机荧光材料。从化学稳定性的角度来说,主要分为化学活性和化学惰性两类。化学活性也就是通常意义上人们所说的“有毒”、“有害”的概念。化学惰性则是指不会对人和常规材料造成任何超过标准的损害。化学活性的荧光材料基本上包含所有的无机荧光材料和大多数有机荧光材料。化学惰性的荧光材料只包含极少数有机荧光材料。应用于示踪检漏技术的荧光材料不仅需要无毒、无害,而且需要适应相应检测环境的特点。
2 荧光的示踪检漏
2.1 荧光示踪检漏的特点和方法
荧光示踪检漏方法的最大特点就是将光学、化学结合起来,利用荧光与检测面之间的强烈的光强度的反差。最大限度地利用人眼对光线变化极其敏感的特点,达到检漏的目的。按照工艺的不同,荧光示踪检漏分为荧光示踪渗透检漏和荧光示踪压差检漏。柴油机的机油循环系统和水循环系统的荧光泄漏检测为渗透检漏。
荧光示踪渗透检漏的方法非常简单,首先将荧光示踪剂按照合适的比例与系统介质调和,然后加入到系统内,给系统介质施加上合适的压力或开机运行,保持一定时间。再用特定波长的激发光照射检测位置,人眼带荧光增强保护眼镜后,对检测位置进行观察。此时泄漏点被激发出非常明亮清晰的荧光,从而准确判断所有泄漏点。
荧光示踪渗透检漏具体应用时主要包括以下设施:荧光材料、激发光源、保护或施工的工具。荧光材料必须与相应的检漏灯即激发光源配合使用,这样才能激发出强烈的荧光。激发光的光强度高,会使人眼睛不适。因此,在用人眼睛观测荧光时,需要配戴专用的可以截止激发光的眼镜。而荧光增强保护眼镜的另一个重要作用就是过滤掉检漏灯的单色光和其紫外线等,以防止干扰检测,同时眼镜还含有部分荧光材料,能将部分检漏灯光转换成波长和荧光波长相同的光。因此可以增强荧光的强度和检测的灵敏度。
2.2 影响荧光示踪检漏的因素
由于荧光示踪检漏技术是利用光学的方法达到检测的目的,因此下列因素会影响检测效果。
a. 示踪剂的类型和固有亮度。应用于不同介质的示踪剂必须试验确定其相容性和亮度,避免示踪剂与检测介质相溶后影响发光效率。
b. 荧光示踪剂本身的分子直径的大小适当,需要与被检测介质匹配,避免出现误判。
c. 使用合适的示踪剂浓度比例。荧光强度不是与浓度成正比的。在低浓度下成正比,但到达一定浓度后,随着示踪剂浓度的增加,荧光强度反而会持续下降,直至消失。
d. 环境的光的强度。在进行荧光检测时必须保证周围环境中的可见光的强度不能太强,否则荧光高灵敏度的特点就不能得到体现。
e. 使用合适功率的检漏灯和与之匹配的荧光增强保护眼镜。应选用波长与荧光示踪剂匹配的检漏灯和眼镜,最大限度增强荧光效果。
f. 被检测部位背景的亮度及颜色影响。如被检测件表面反光强烈,应喷涂薄层的白色显像剂。一般情况下深色的背景会吸收部分荧光,如果背景是黑色就会降低荧光的强度。必要时也可以喷涂薄层的白色显像剂。
g. 某些含有荧光性材料会干扰检测。因此要避免含有荧光材料的物质(如油漆、润滑油脂、密封胶等)接触被检测工件,或彻底去除后再检测,或者改用新型的其它颜色的荧光示踪剂。
h. 检漏灯及灯光的使用。检漏灯与检测位置之间的距离要合适,应保持灯光处于与被检测部位近似垂直但稍偏,并且检漏灯的发射光照不进眼睛的角度。而对于视力不可见或狭小的检测位置,检漏灯不能照射到的情况下,可以通过小镜片反射等方式检测。
i. 荧光剂加入系统的时间影响。对于密闭的系统,从示踪剂开始加入到检测的时间保持合适的水平,可以取得最大的效益。对于渗透型的检测,应该根据被检测系统的厚度和材料,在加压或系统正常工作的情况下保证足够的渗透时间。
j. 根据不同的被检测介质,选择相应的示踪剂。不同的介质对相同的示踪剂的渗透性能是不同的。
k. 系统的压力差影响。在保证被检测工件安全的情况下,应该保持一个比较高的内外压力差,或者直接在系统正常工作情况下进行泄漏检测。
l. 温度的影响。系统及检测部位或检测液的温度会对检测灵敏度产生一定的影响,一般温度的增加可以缩短检测的时间。
m. 施工工艺的影响。应保证在未进行可能产生覆盖涂层或粉末的生产工艺前进行荧光示踪检漏的操作。有时利用压差法检漏时,系统内某些部位会无荧光示踪剂,此时应采取措施将荧光示踪剂施加到所有部位。
2.3 应用于柴油机荧光示踪剂的特点
荧光示踪剂属于液体化学品,而荧光示踪剂最大的要求就是既达到检漏的目的,又无损系统的性能。因此应用于柴油机泄漏检测的荧光材料必须是化学惰性的有机型荧光材料,它必须满足以下要求:
a. 在相当高的温度范围内,对常规的金属材料要求无腐蚀、不会发生化学变化。
b. 在相当高的温度范围内,对大多数高分子材料、橡胶材料不会发生溶胀、腐蚀等物理、化学变化。
c. 对大多数特定环境下的化学物质应无化学变化。
d. 分子结构应无任何带有电荷的活性基团,无任何易于被氧化、还原的基团。
e. 针对不同系统特定介质(如机油、燃油和水)的相溶性应该非常良好。
3 荧光示踪检漏技术的试验及应用
一般柴油机出厂试验的泄漏检测存在两个问题,分别是泄漏点难以观察,容易造成误判;易引起柴油机表面锈蚀。针对这两个问题,进行了荧光示踪检漏的相关工艺试验,验证荧光示踪检漏技术在特定生产环境条件下应用的可行性。主要进行了以下几个试验环节,并取得了相应的试验结论:
3.1 荧光剂选型试验
分别对A,B,C三个公司的荧光剂产品进行试验,目的是考察不同厂家、不同型号的荧光剂在特定环境中的使用效果,选取最合适的荧光剂型号,各产品的荧光效果见图3、图4、图5、图6。
试验结论如下:A产品的荧光颜色与密封胶荧光颜色相似,难以辨识泄漏点;而其它两种荧光剂使用效果都很好,能准确辨识泄漏点。由于C产品价格最优,所以选择了C产品进行接下来的试验验证。
3.2 荧光剂浓度试验
分别选用0.1%,0.15%,0.2% 三种浓度比例进行试验,以确定最佳的使用浓度,使荧光检测效果和成本达到最佳,见图7。
试验结论如下:浓度过低时荧光效果非常不明显,当浓度比例在0.15%~0.2% 以上时,能够得到比较好的荧光效果,且荧光强度随着浓度的增加而增强。
3.3 荧光剂耐久循环试验
对添加了荧光剂的柴油机进行100 h长跑试验,试验后拆检各轴瓦、铜套,检查是否有异常腐蚀或磨损的现象。拆检结果表明,荧光剂对柴油机机油系统各零部件没有损伤。
3.4 荧光剂暗室检测试验
使用检漏灯和保护眼镜分别在自然光线环境下和暗室环境下检漏,测试环境光对检测精度的影响。试验结论如下:在自然光环境下也可以使用荧光检漏,但在暗室环境下荧光检漏效果更好。目前已经在生产环境下增加了暗室,进一步提高了泄漏检测精度和检测效率。
3.5 荧光剂清除试验
当采用荧光剂检测到产品有泄漏时,需要对产品进行返工处理。返工后需要将原泄漏的荧光效果清除,以便于下一次泄漏检测能够正常进行,见图8。所以需要寻找一种能有效去除荧光效果的产品。经过试验,选用755安全清洗剂能有效去除荧光效果。
4 总结
使用荧光示踪检漏技术来检测柴油机泄漏点,不仅对试车效率和产品质量有大幅提升,而且对柴油机各系统均无损伤。随着对荧光示踪剂认识的加深,相信我们在柴油机台架试验中对荧光示踪剂的试验、试用后,会逐步在全公司内进行大批量使用。
水文地质工程中示踪技术应用分析 篇9
关键词：水文地质,工程,示踪技术,应用,分析
0 引言
当前的水文地质工程领域, 示踪技术应用极为广泛。示踪技术能够有效测定水文地质的参数、地下水渗透流速以及地下水的来源等水文地质问题。此外, 还可以解决有关渗漏的问题, 例如大坝的渗漏、基坑渗漏等。示踪技术在运用的时候示踪剂的选择极为重要, 示踪剂的种类比较多, 因此具体选用何种示踪剂应依据工程的具体特点而定。总之, 示踪剂的选择要求其无毒无害, 成本低, 化学性能稳定, 且不受围岩石的干扰, 易于检测且灵敏度高等。
1 示踪技术的基本内容
所谓示踪技术主要是指依据物体的行径, 利用放射性的元素或者是非放射性标记物的方式转变以及代谢的过程。示踪技术的正常使用离不开示踪剂的选用。示踪剂主要分为人工示踪剂和天然示踪剂两种。人工示踪剂主要是指有人类意识参与的非天然成分的示踪剂, 例如荧光素、有机氯化物、甲基盐、伊红等;天然示踪剂主要包括了天然水中的环境同位素、温度、电导率、化学成分、水中稳定同位素等。
2 示踪技术的发展及其在水文地质中的具体应用
2.1 示踪技术的发展
截至目前, 示踪技术已经有几百年的发展历程, 主要用于描绘流动的路径以及测量地下水的流速。在历史上, 示踪技术主要用于确定岩溶地区的地下水流动情况。在20世纪60年代, 为了全面掌握地下水补给的主要因素, 人工示踪剂首次被研究出来并投入使用, 从而实现了对雨水达到潜水面时一系列流动路径的全面认识。目前, 示踪技术在具体的应用过程中, 受到实际条件以及成本的约束, 要求水文地质专家在有限的试验时间范围之内, 另外推出大尺度内的溶质运动位移结果。若遇到位移情况较为复杂时, 示踪结果的显示相对较为困难, 就需要采取复杂的数据解释方法和手段。因此, 示踪技术的发展还面临着诸多的困难, 需要水文地质专家在取得现场调查基础资料的基础上, 不断学习新技术新知识, 不断完善示踪技术。
2.2 示踪技术在水文地质工程中的具体应用
示踪技术广泛地应用于水文地质工程测量中, 能够比较精准地测量出地下水的特征以及原位测试。示踪技术在水文地质工程中的具体应用可以有力推动查明投放点与接收点之间地下河管道的轨迹、结构、规模, 确定地下水流向、流速、河管道间的水力联系, 为地下水库建设提供依据。具体的应用情况如下。
2.2.1 选择合适的投放地点
在进行示踪试验的时候, 应依据工程现场的具体情况, 选择合适的投放地点, 确保示踪剂能够被注入到重要的天然水流存在的钻孔内部。 (1) 应通过对工程现场的实地勘察后掌握周围地下水的流向情况, 宜选用上游作为示踪剂的投放地点。 (2) 因为示踪剂的投放地点要求具备较高的透水性能, 因此在进行示踪试验之前, 必须对投放地点的灵敏度进行测试, 依据测试的结果选择透水性能最佳的地点作为投放孔。 (3) 示踪剂的投放数量应依据试验仪器的灵敏度以及测量现象的水流规模进行综合考虑。
2.2.2 具体投放方式的选择
示踪剂的投入方式主要有连续注入法和瞬时注入法两种。连续注入法要求的试验精度比较高, 所需要的示踪剂的数量较多, 因此可以用于实验室内模拟试验或者用以研究流速较快且范围比较小的区域;而瞬时注入法则广泛用于广阔的施工现场。所谓连续注入法主要是在投放地点中以中等速率连续投放示踪剂, 然后在测量的期间, 确保流量匀速, 并且在下游合理的检测位置, 确保示踪剂能够和水流充分的进行混合。连续注入法获得的示踪剂浓度能够呈现出较为规整的曲线, 便于进行试验数据的计算, 连续注入示踪剂需要消耗大量的示踪剂, 施工成本相对较高;瞬时注入法则是将已知浓度的示踪剂在短时间内注入到钻孔内部, 并在下游测试地点测试其浓度, 投放的时间尽量短, 以便于形成一个高浓度团并随着地下水的流动而移动。
2.2.3 取样
在进行示踪试验过程中, 示踪剂投放之后需要立刻记录对应的时间, 并对检测点进行取样, 等到所有的测量点的示踪剂的强度都降到本底值为止。一般而言, 取样过程周期相对较长, 一般为1周甚至是高达几十天, 具体的时间间隔应遵循以下要求: (1) 若示踪剂到达检测点的用时较短, 则取样的时间间隔也比较短;若用时较长, 则取样的间隔时间也相对较长。 (2) 因受到施工现场测量情况的影响, 对部分重要的观测孔, 检测的密度应适当放大, 对应的取样间隔时间缩短。
2.2.4 示踪剂的检验
示踪剂投放完毕之后应对预定的检测点开始跟踪检测, 待检测仪器无法捕捉到示踪剂的强度为止。如果是针对一些重要的观测点, 为了确保试验结果的精确度, 需要对示踪剂的时间浓度曲线的全过程进行检测指导, 直到试验彻底结束为止。
3 工程实例分析
某工程大坝存在严重的渗漏问题, 利用同位素示踪技术对于其大坝渗漏的位置进行试验, 从而确定大坝渗漏位置。具体的试验步骤如下:第一, 将示踪剂倒入料桶中, 用四轮车将料桶吊着, 并在检测区域内匀速运行。第二, 利用氧气钢瓶进行加压, 通过喷嘴把示踪剂均匀的喷洒在水中, 使其扩散和沉淀。第三, 第2 d开始进行检测, 将核探测仪器固定在四轮车上面, 沿着坝区下滑, 并记录下走点的左边, 且每隔2 m测一条线, 在每条测线上隔2 m测一个点, 记录下每个测点的计数率。第四, 将本底设为10个最低计数率和平均值, 每隔测试点的计数率和本底之间的比值作为相对辐射强度值, 用N表示。第五, 根据所测各点的座标将其对应的N值填到方格纸上, 把N值相同的点连成由线, 此即为渗漏曲线图。将这个图按座标位置和比例彩置到水库平面图上, 就绘出了水库渗漏位置图。试验结果表明, 在N≤2的区域为无渗漏区域, 2≤N<3的位置为轻渗漏区域, 3≤N<4的区域为渗漏区域, N>5的区域为严重渗漏区。总之在渗漏极为严重的区域, 若选用具有吸附特性的同位素 (Ag I化合物) 等, 就能容易地找到渗漏点。这是示踪剂之外的其它水交物探方法所无法取代的。
4 结语
在水文地质工程中, 示踪技术正发挥着巨大的作用。人工示踪技术已经具备了较长的发展历程, 尤其是对于岩溶地质、大坝渗漏等水文地质的研究起到了极为重要的作用。示踪剂未来的研究重点应包含以下几点:第一, 示踪剂的种类繁多, 我们应不断研究不同示踪剂的应用范围, 同时借鉴其他领域的示踪剂, 例如军用和化工领域的示踪剂等。第二, 随着同位素失踪方法的不断发展, 更多的同位素将被用以水文地质中。第三, 应不断完善示踪设备以及相关实验技术标准和规范, 从而有效控制实验成本, 提高实验结果的准确率。
参考文献
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[3]崔中兴, 胡明星, 袁继国, 等.地质课程多媒体软件的开发[J].高校实验室工作研究, 2009 (11) .