頁巖中納米級孔隙的電子成像

巖流是天然氣的集合，其中富含有機物質(zhì)的巖流（泥巖）。隨著石油和天然氣需求的日益增長和采收方法的增加，它已成為天然氣的一個非常常見的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計,全球頁巖氣資源量為456.2×1012m3,超過全球常規(guī)天然氣資源量(436.1×1012m3),主要分布在北美、中亞、中國、拉美、中東、北非和前蘇聯(lián)。北美是全球目前唯一實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開采的地區(qū)。中國頁巖氣資源比較豐富,經(jīng)初步估算,主要盆地和地區(qū)的頁巖氣資源量約為15×1012~30×1012m,開采潛力巨大,但目前勘探研究還處于起步階段。頁巖氣的生烴、排烴、運移、聚集和保存,全部在烴源巖內(nèi)部完成,頁巖既是烴源巖、儲層,也是蓋層。頁巖氣的賦存形式具有多樣性,主要以游離態(tài)和吸附態(tài)形式存在,游離態(tài)的頁巖氣主要存在于巖石孔隙與裂隙中。吸附態(tài)頁巖氣吸附于有機質(zhì)顆粒、粘土礦物顆粒、干酪根顆粒以及孔隙表面之上。頁巖(泥巖)中的微孔隙、微裂隙是頁巖氣重要儲存空間與流通通道,所以孔隙發(fā)育程度直接關系到頁巖氣的儲量大小,是否具有勘探開發(fā)價值。通過掃描電子顯微鏡可以對這些微裂隙的微觀結(jié)構(gòu)進行更直觀的觀察,進一步了解孔隙的大小、形態(tài)、發(fā)育程度等,從而為研究頁巖氣的成藏機理,運移規(guī)律等進行更深入的了解,以及為將來的勘探開發(fā)提供可靠的依據(jù)。頁巖中的孔隙主要包括基質(zhì)內(nèi)孔隙及裂隙,有機質(zhì)內(nèi)孔隙,粘土礦物顆粒間孔隙等。應鳳祥等基于掃描電鏡背散射電子成像分析,將孔隙大小為5級:大孔>100μm,中孔50~100μm,小孔20~50μm,微細孔10~20μm,微孔<10μm。鄒才能利用場發(fā)射掃描電鏡在頁巖中發(fā)現(xiàn)了豐富的納米級孔隙,并把油氣儲層中的孔隙進一步劃分為微米級孔隙(1mm~1μm)和納米級孔隙(<1μm)。1電鏡能譜儀本實驗所用儀器為:FEIQuanta200F型掃描電鏡;EDAXGenesis型能譜儀;氬離子拋光儀(離子減薄儀),沈陽華業(yè)LJB-1A;LEICAEMSCD500型鍍膜儀。1.1新鮮斷面的觀察頁巖由于生成環(huán)境,埋藏深度等條件不同,孔隙發(fā)育程度有很大區(qū)別,既有微米級孔隙,也有納米級孔隙。微米級孔隙采用常規(guī)制樣方法,用掃描電鏡就能直接觀察到。常規(guī)制備掃描電鏡巖石樣品方法為:選取表面平整、大小合適的自然新鮮斷面,去油、固定后直接鍍膜觀察。這種直接觀察新鮮斷面的方法,對于孔隙比較發(fā)育的頁巖(圖1),和自然斷面比較光滑平整(圖2)的頁巖樣品都能比較容易的觀察到孔隙。圖1和圖2都是頁巖樣品新鮮斷面的SEM-SE像。圖1中孔隙主要是石英顆粒粒間孔隙,孔隙直徑1~8μm,表面有微裂隙,石英顆粒呈錐柱狀,粘土礦物為卷曲片狀伊利石,有機質(zhì)呈長條狀。圖2是方解石顆粒內(nèi)溶蝕孔隙,孔隙形狀不規(guī)則,直徑0.5~3μm,方解石外包覆層片狀粘土礦物。圖1和圖2都是二次電子像,這種成像方式的特點是圖像立體感強,可以通過形貌特征來鑒別一些礦物如石英、黃鐵礦和高嶺石、伊利石、綠泥石等粘土礦物。觀察自然斷面樣品一般都采用二次電子成像方式。1.2樣品的sem-bse分析頁巖結(jié)構(gòu)致密,孔隙微小,自然斷面樣品表面粗糙,還常常有脫落的碎屑覆蓋,很難觀察到納米級孔隙(尤其是小于100nm的孔隙),及其孔隙大小、形狀、分布特征等?？梢杂脷咫x子拋光的方法對預磨好的樣品表面進行處理,這樣可以除去樣品表面凹凸不平的部分及附著物,得到一個非常平的平面,實驗步驟為:(1)選取大小合適的頁巖塊,先用砂紙預磨,砂紙選用要由粗到細。把磨好的頁巖薄片放入離子減薄儀里,設定合適的工作參數(shù),用氬離子束轟擊樣品表面。(2)把氬離子拋光好的樣品用導電膠固定在樣品臺上,噴金處理。經(jīng)過上述處理過程,樣品表面變得非常光滑平整,這種平面樣品適宜采用SEM-BSE來觀察(見圖3)。背散射電子成像方式的特點是利用原子序數(shù)襯度成像,原子序數(shù)越高,亮度越大。金屬礦物(如黃鐵礦)在背散射電子像里亮度最高,有機質(zhì)亮度最低,而頁巖里的主要成分粘土礦物、石英、方解石和白云石等則亮度適中。采用背散射電子信號成像,可以很容易的區(qū)別有機質(zhì)與無機礦物質(zhì),也能利用亮度差異來判斷一些典型礦物,如黃鐵礦等。由于樣品表面很平整,孔隙的大小、形狀、分布狀況等信息能得到直觀的反應。背散射電子像的缺點是圖像立體感較差,再加上樣品表面經(jīng)過氬離子拋光,礦物的晶形受到破壞,很難僅憑形貌識別礦物,需要借助能譜儀來完成礦物識別和鑒定。頁巖(泥巖)中蘊含著豐富的微孔隙、微裂隙,這些微孔隙與微裂隙是頁巖氣重要的儲存空間與流通通道。這些孔隙有微米級別,也有納米級別,孔隙的分布狀況及存在形式多種多樣,主要有以下3種:(1)顆粒間孔隙(圖3a,3b),圖3a中孔隙為片狀菱鐵礦(顏色較亮)與粘土礦物之間孔隙和粘土礦物顆粒間孔隙,孔隙直徑100nm~1.5μm;圖3b為莓粒狀黃鐵礦內(nèi)晶間孔隙,孔隙直徑100~800nm。(2)礦物顆粒表面溶蝕孔隙(圖3c,3d),圖3c為白云石邊緣溶蝕孔隙,白云石有的呈規(guī)則的四邊形,有的形狀不規(guī)則,許多孔隙相連接,形成一條裂隙,孔隙直徑40~200nm;圖3d為石英表面溶蝕孔隙,孔隙形態(tài)有圓形、三角形及一些不規(guī)則孔隙,直徑50~200nm。(3)有機質(zhì)內(nèi)部孔隙,多為圓形,孔隙豐富,孔徑分布范圍廣,在30~700nm間;有機質(zhì)內(nèi)部孔隙是在有機質(zhì)演化過程中形成,多為排氣(油)孔,是頁巖(泥巖)中特有的孔隙。1.3層理層理微觀形貌頁巖是一種沉積巖,通常具有片理狀,受打擊容易按層理分裂成薄片,所以掃描電鏡樣品一般都是選取解理下來的薄片,即平行層理的方向,這種取樣方法更常用,但觀察到結(jié)果往往反應的是同一沉積環(huán)境信息。還有一種取樣方法是垂直層理方向取樣,由于樣品容易解理、分層,制樣難度比較大,但是能觀察到多層沉積層理微觀形貌,獲得信息量較多。這兩種取樣方法的制樣過程都是砂紙預磨,用氬離子拋光,然后利用背散射電子成像觀察。由于頁巖的層理狀結(jié)構(gòu)特點,掃描電鏡樣品大多是平行層理方向,觀察的的信息也只能反應某一沉積層理的形貌(圖2、圖3及圖4a),有機質(zhì)及礦物質(zhì)分布無規(guī)律,有機質(zhì)多呈片狀分布。圖4(b~d)是垂直層理方向取樣方法的掃描電鏡形貌,有機質(zhì)及礦物質(zhì)有一定的方向性,多呈條帶狀分布;比平行解理取樣方法,能觀察到的有機質(zhì)數(shù)目多(圖4b),能觀察到有機質(zhì)內(nèi)孔隙(圖4c);能觀察到較多層理間裂隙(圖4c、4d),這些裂隙廣泛并大量分布,這是平行層理取樣方法觀察不到的。兩種取樣方法分別反應頁巖不同方向的結(jié)構(gòu)特征,兩種方法相結(jié)合能更全面、準確地反應頁巖微觀形貌特征。2儲層研究對象(1)頁巖(泥巖)中蘊含著豐富的微孔隙、微裂隙,它們是頁巖氣的儲存空間,流通通道。孔隙的分布狀況及存在形式多種多樣,有顆粒(石英、方解石、白云石)表面溶蝕孔隙,有顆粒間孔隙(石英、粘土礦物、黃鐵礦),還有有機質(zhì)內(nèi)部孔隙等,孔徑分布范圍從幾十納米至幾微米。(2)頁巖新鮮斷面樣品表面凹凸不平,適合用二次電子成像來觀察,二次電子圖像立體感強,容易通過形貌區(qū)分礦物,但不適宜觀察孔隙(尤其是納米級孔隙)大小、形狀及分布特征;氬離子拋光的樣品表面光滑平整,適合用背散射電子成像來觀察;背散射電子像容易區(qū)分有機質(zhì)與礦物質(zhì),由于樣品表面光滑,