淺談掃描電鏡技術及其在膠結物類型識別中的應用

王鈺婷

（西安石油大學，西安 710000）

掃描電子顯微鏡也稱為掃描電鏡（SEM）。它是用細小聚焦的電子束轟擊其試樣的表面，并在電子與樣品相互作用下產生電子，即可對樣品表面或斷口的形貌進行觀察分析。

掃描電子顯微鏡的特點如下：樣品制備方法簡單、方便快捷，且不破壞原樣品、相對消耗小；放大范圍大，可連續調節5萬～30萬倍；分辨率對光學顯微鏡而言高出很多，且顯微圖像景深大；成像更加直觀立體，易于識別其形貌特征和進行解釋；保真程度好，可以直接觀察，無假像；可以對樣品表面進行綜合分析[1]。

1 掃描電子顯微鏡的原理與結構

如圖1所示，掃描電子顯微鏡是由四個基本部分組成，即電子光學系統、樣品室、信號探測、處理及顯示系統和真空系統。其中，電子光學系統包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈、消像散器和光闌等[2]。

其運行的基本原理是在電子槍發射電子束后，通過電磁透鏡的作用，以一定能量、束流強度和光束光斑縮小為細小的電子束，并在掃描線圈的驅動下，以一定時間和空間順序進行網格式掃描。而聚焦的電子束與樣品作用并發出各種物理信號。樣品表面不同的信號可以通過探測器收集并且轉換為電信號，然后在視頻放大以后輸入到管的柵極，即調制入射電子束同步掃描顯像管，便獲得試樣表面的形貌成像。

圖1 掃描電子顯微鏡結構

2 掃描電子顯微鏡在膠結物識別中的應用

膠結物是指孔隙溶液中過飽和組分的沉淀和疏松的沉積物固結成巖的作用。它主要發生在成巖作用早期和成巖作用晚期的各個階段。此外，膠結物的主要膠結作用類型有硅質膠結作用、黏土礦物膠結作用和碳酸鹽膠結作用。

2.1 硅質膠結

在成巖作用過程中，黏土礦物的轉化和長石的溶蝕可以生成SiO2[3]。而當孔隙流體中SiO2含量過飽和且在孔隙中發生沉淀時，可以形成硅質膠結物或石英次生加大邊。硅質膠結主要以石英的次生加大和晶體形式存在于殘余孔隙和溶孔中。換言之，再生長石和石英是硅質膠結物最常見的形式。其中，再生長的石英膠結在成分成熟度和結構成熟度較高的石英砂巖中最為發育，且往往能使得碎屑石英形成良好的自形晶體。這是由于孔隙空間的熱力學條件對重結晶更加有利。因此，硅質膠結物得含量越高，往往越會堵塞孔隙，使儲層的物性條件變差。

無論在單偏光鏡下還是在掃描電子顯微鏡下，人們都可以看到石英的次生加大現，同時也能發現單偏光鏡下的景象為平面，而掃描電鏡下則更加直觀，具有三維立體感。此外，掃描電子顯微鏡的放大倍數是單偏光顯微鏡遠遠所不及的。

2.2 黏土礦物膠結

黏土礦物是一種較為重要的膠結物，常見的有高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙皂石。且各類黏土礦物可以在一定的條件下相互轉化。譬如，綠泥石、伊利石可在酸性孔隙中轉化為高嶺石，因為高嶺石在酸性介質條件下相對穩定，但隨著介質環境從酸性逐漸變為堿性，高嶺石的穩定性逐漸變弱[4]。

2.2.1 高嶺石

在掃描電鏡下，人們很容易認出高嶺石，因為它的集合體通常呈手風琴狀或蠕蟲狀，其主要發育在長石砂巖中。孔隙填充或替換其他礦物或其他自生夾雜物。

2.2.2 伊利石

伊利石常呈不規則的細小晶片，其集合體包括網狀、頭發絲狀、絲密狀分布于孔隙中。其膠結后的結果是堵塞孔隙，大大增大孔隙的曲率，同時降低了滲透率，使儲層物性變差。

2.2.3 蒙皂石

蒙皂石在電子顯微鏡下常為皺紋狀或蜂窩狀。其一般發育在含火山物質的砂巖中。其在成巖作用的早期含量較豐富，但隨著成巖作用的加強，將轉變為其他種類的黏土礦物。

2.2.4 綠泥石

綠泥石其形態一般為針狀、片狀、絨球狀或玫瑰花朵狀[5]。其可從孔隙水中直接沉淀外，也可以由其他黏土礦物轉變而來。

綠泥石膠結物對致密性儲層的物性具有雙重性。一方面，在成巖早期，綠泥石起到了支撐粒間孔隙的作用，其保存了一些原生孔隙，增加了抗壓實能力。同時，降低了顆粒的接觸面積，從而減少了壓溶作用，即抑制了石英的次生加大。此外，綠泥石具有大量的晶間孔隙，可以為后期的酸性水流動提供有效的輸送通道，從而促進溶解作用的發生，這樣改善了儲層的孔隙度和滲透率，對儲層的物性具有建設性作用。另一方面，當綠泥石體積分數增加較大時，綠泥石將阻礙孔隙喉道的暢通，使得儲層孔滲性變差，對儲層的物性具有破壞作用。

2.3 碳酸鹽膠結

碳酸鹽膠結物發育十分普遍，如方解石、白云石、鐵白云石和文石等。最為廣泛分布和常見的是方解石，其次是白云石。方解石和白云石在掃描電子顯微鏡下都呈菱形，且光學性質十分相似，很難區分。因此，當需要辨別這兩種礦物時，人們通常會使用鐵氰化鉀+茜素紅進行染色，并且在單偏光鏡下進行觀察。對比發現，染色后的方解石在單偏光鏡下呈橙紅色，而白云石不變色。

3 結語

通過膠結物的掃描電子顯微鏡圖，人們可以發現：相對于單偏光、正交偏光，掃描電鏡圖更加直觀、立體，能直接觀察樣品的粗糙表面和斷口形態，使人具有親臨微觀現場之感；其分辨率非常高，可以看到超微結構的形態和組成。

此外，膠結物對儲層總體來說有破壞性作用。其中，硅質膠結和碳酸鹽膠結使得孔隙減小，儲層物性變差；而黏土礦物膠結由于自身有微裂縫等原因，其起雙重性作用，特別是綠泥石成巖作用早期對粒間孔隙起支撐作用，保存了一些原生孔隙，增加了巖石的壓實能力，減少了顆粒的接觸面積，有效地抑制了壓溶作用的發生，但是當綠泥石體積分數繼續增加到一定值時，綠泥石襯邊就會阻礙孔隙喉道的流通，從而使儲層性質變差。