看看頁巖氣的“家”什么樣

楊玉茹 張春賀

“西氣東輸”“陜京三線”“川氣東送”……這些舉世矚目的天然氣輸送工程項目，使人們能夠輕松享受到來自遠方的潔凈能源。這類天然氣主要賦存（居住）于砂巖中，也被稱為常規天然氣；還有一種天然氣是賦存于泥頁巖中的，被稱為頁巖氣。由于開發頁巖氣資源需要配備較為特殊的壓裂改造技術，因此，頁巖氣通常又被稱為非常規天然氣。

雖然頁巖氣還沒有像常規天然氣那樣得到廣泛應用，但隨著美國掀起的頁巖氣革命，以及全球除北美之外最大的頁巖氣田—重慶焦石壩頁巖氣田的探明，使得頁巖氣近年來成為人們關注的熱點。

因為頁巖氣主要賦存于泥頁巖中，所以泥頁巖可以稱為是頁巖氣的“家”。人類社會的家，都以房子作為居住單元，但是每家的房子結構和大小卻各不相同，頁巖氣也是一樣，其賴以賦存的“家”或者說“房子”的結構和大小也各有不同。地質學家對泥頁巖的研究表明，頁巖氣所居住的空間范圍，最大的特征是處于微米至納米的空間尺度上。要知道，1微米是1米的百萬分之一，1納米又是1微米的千分之一，所以要想清楚地“看到”頁巖氣的“家”，即頁巖氣賦存的空間格局，利用一般的光學顯微鏡已經力不從心。

幸運的是，德國科學家恩斯特·魯斯卡和馬克斯·克諾爾在1931年研制出了第一臺透射電子顯微鏡。魯斯卡也因此在1986年獲得諾貝爾物理學獎。電子顯微鏡主要包括透射式電子顯微鏡（TEM）和掃描式電子顯微鏡（SEM）兩大類。透射電子顯微鏡通常用于物相分析和組織分析，而微區的顯微成像通常采用掃描電子顯微鏡獲得。目前，世界進行微區結構分析采用最多的是高分辨率場發射掃描電子顯微鏡，其特點是在真空、高壓場條件下，由電子槍發射電子束，在樣品表面激發出二次電子信號，逐點掃描并由探測器收集、處理，將信號轉換成圖像，進而獲取研究對象表面在微米至納米級別上的特征。

現在，我們就通過場發射掃描電子顯微鏡來看看頁巖氣的“家”是什么樣子。

首先，是特殊的樣品制備。利用場發射掃描電子顯微鏡觀測泥頁巖的微納米結構，通常是與氬離子拋光儀相結合，通過高速離子束轟擊泥頁巖樣品表面，消除泥頁巖樣品表面的粗糙而獲得高質量的平面，之后將泥頁巖樣品置于場發射掃描電子顯微鏡真空樣品倉，進而在場發射掃描電子顯微鏡中實現泥頁巖儲層中納米級微觀孔隙的觀察。

場發射掃描電子顯微鏡所揭示出的泥頁巖納米級結構形貌表明，頁巖氣賴以賦存的“房子”構成，有無機質和有機質兩大家族，我們分別稱之為“無機質孔隙家族（因為微縫常見，也被稱為基質孔縫家族）”和“有機質孔隙家族”。因為頁巖氣通常產生于有機質泥頁巖，所以，有機質孔隙家族是其主要的賦存空間。有機質孔隙家族的孔隙直徑一般在5～150納米，基質孔縫家族的孔縫一般在1～10微米。因為有機質孔太小，甚至小到幾個納米，按照吸附理論，一般在小于50納米的孔隙中頁巖氣以吸附方式存在，在大于50納米的孔隙中則多以游離狀態存在，所以頁巖氣往往是以吸附或游離狀態“居住”在有機質孔隙或基質孔縫中。

下面的電子顯微鏡圖像顯示的就是頁巖氣的“家”的格局。

看到了吧！有機質孔隙是以納米來衡量的！正因為頁巖氣的藏身之處非常細小，所以在泥頁巖中的滲透性非常差，我們必須采用較為復雜、先進的壓裂技術才能讓頁巖氣從地下達到地面，因此，開發頁巖氣的成本與常規天然氣相比還較高。但是頁巖氣是綠色能源，是有效利用地下資源保護環境的發展趨勢，所以我們應當倍加珍惜。