環(huán)境掃描電鏡在地質(zhì)中的應(yīng)用與研究

鞏雪男

（大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712）

1 概述

環(huán)境掃描電鏡主要工作目的是通過電鏡利用激光聚焦的透射電子束對整個樣品上的化學(xué)信號結(jié)構(gòu)進(jìn)行環(huán)境掃描,激發(fā)其中所產(chǎn)生的各種化學(xué)信號經(jīng)過微機(jī)收集、處理并分析成像,從而將其作為信號反應(yīng)至整個樣品的表面和樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種化學(xué)分析的檢測手法。在地質(zhì)學(xué)中的研究與應(yīng)用領(lǐng)域,掃描電鏡主要的廣泛用于其配有的衍射二次電子(SE)衍射探頭、背散射微波探頭(BSE)、能量光譜衍射探頭(EDS)、波譜衍射探頭(WDS)、電子背散射發(fā)光衍射微波探頭(EBSD)、陽極電子發(fā)光衍射探頭(CL)以及與基于原位圖的拉普茲曼譜儀(Plama)等多種附件組合完成的淺層地質(zhì)分析樣品中,包含了礦物、巖石、火山口等的微型小區(qū)淺層地貌組織檢測(SE)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)(BSE/CL/EBSD)成像觀測、高強(qiáng)度精確性的微型小區(qū)地貌組織地質(zhì)成分結(jié)構(gòu)分析(EDS/WDS)[1]。

環(huán)境掃描電鏡應(yīng)用在石油地質(zhì)有幾個方面：粘土礦物分析、油氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)分析、儲層保護(hù)、巖相古地理分析、古微生物分析等等。本文著重對粘土礦物和對油氣層儲層保護(hù)兩個方面進(jìn)行分析和研究[2]。

2 環(huán)境掃描電鏡的機(jī)理研究

2.1 環(huán)境掃描電鏡在粘土礦物中應(yīng)用的機(jī)理研究

粘土礦物對于石油的生成、轉(zhuǎn)化、聚集以及油氣勘查開發(fā)的研究具有重大意義。以往關(guān)于粘土礦物的分析技術(shù)手段主要側(cè)重于準(zhǔn)確地分析粘土礦物的化學(xué)成分與晶體結(jié)構(gòu),對其分布的模型和形貌的特征研究相對比較少,粘土礦物在儲藏過程中的如何分布和存在的情況、對于油氣運(yùn)移和油氣開發(fā)具有重大的影響。粘土礦物主要計(jì)量單元質(zhì)點(diǎn)為微米,一般情況下，粘土礦物僅僅只有幾微米,很難用普通的光學(xué)顯微鏡辨識出粘土礦物的化學(xué)成分、形態(tài)和分布，使用環(huán)境掃描電鏡技術(shù)可以彌補(bǔ)該不足[3]。

（1）通過深入研究粘上成巖礦物質(zhì)的地理形狀及其地理分布,確定了次生成巖相互作用的發(fā)展過程、成巖生長階段和次生成巖質(zhì)量的相互變化。

（2）通過研究粘土礦物的共生結(jié)構(gòu)組合及其變化,確定了成巖環(huán)境和地球化學(xué)的背景,如溫度、壓力、酸堿度。

（3）通過對砂巖粘貼上表層礦物的衍射組成進(jìn)行分析(與激光X衍射組成分析相互的結(jié)合),確定了砂巖埋藏層的深度、恢復(fù)了我國盆地的砂巖埋藏形成歷史和熱巖的演化形成歷史、反映了我國油氣的成熟演化程度。

2.2 環(huán)境掃描電鏡在保護(hù)儲層中應(yīng)用的機(jī)理研究

儲層保護(hù)是石油勘探開發(fā)工作中的一項(xiàng)重要技術(shù),保護(hù)儲層技術(shù)通常做法是預(yù)防為主,解堵為輔。分析巖芯技術(shù)是我們掌握和認(rèn)識儲層巖石地質(zhì)情況的非常重要的根據(jù),對儲層敏感性評價、損害機(jī)理研究、儲層保護(hù)等，都必須建立在分析巖芯工作的基礎(chǔ)上。對儲層巖石微觀特性的分析同時也是目前在油氣層環(huán)保工作研究的另一個重點(diǎn)。因而使用掃描式電鏡分析對油氣儲層的保護(hù)工作的研究有著非常重要的指導(dǎo)作用和意義[4]。

（1）研究采用儲層掃描電鏡探測技術(shù)深入研究了位于儲層的膠質(zhì)巖石結(jié)構(gòu)地質(zhì)學(xué)物理特點(diǎn),從其膠質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和膠質(zhì)細(xì)胞微結(jié)構(gòu)區(qū)域的組成上對位于儲層的膠質(zhì)巖石結(jié)構(gòu)進(jìn)行了儲層礦物質(zhì)的化學(xué)成分和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析研究,膠質(zhì)粘結(jié)巖的特點(diǎn)及儲層充填孔隙效應(yīng)的現(xiàn)象分析,孔隙和儲層喉道的地質(zhì)連通性問題分析等,并準(zhǔn)確預(yù)測了其對儲層的地質(zhì)敏感度;

（2）對儲層薄膜敏感性樣品進(jìn)行掃描電鏡溫度分析,通過對酸、水、速、堿、鹽及其它不同溫度物質(zhì)敏感性的溫度試驗(yàn),利用掃描電鏡分析觀察儲層樣品對本次敏感性溫度試驗(yàn)前后的間接影響和反應(yīng)變化,分析了儲層樣品單元粘上儲層礦物質(zhì)含量的巨大變化,膠結(jié)物及其與儲層樣品單元間晶格架的變化改變,孔隙及儲層咽部及口喉道的變化改變,確定了本次儲層樣品敏感性試驗(yàn)可能直接發(fā)生的影響種類和嚴(yán)重影響程度,并分別提出了具體預(yù)防措施;

（3）通過對儲層巖芯樣品在石油天然氣田生產(chǎn)和開發(fā)的過程中,對巖芯樣進(jìn)行開發(fā)前和開發(fā)后的微觀性分析,可以準(zhǔn)確地判斷出儲層受損的嚴(yán)重程度,并提出相應(yīng)的改善技術(shù)方案,從而提高生產(chǎn)效率。尤其在注氣及酸化過程中,運(yùn)用環(huán)境掃描電鏡進(jìn)行分析,能夠非常清晰地觀察到粘土礦物的膨脹,粘土礦物和其它微顆粒的快速遷移,巖石與空氣反應(yīng)形成新型粘土物等各種現(xiàn)象,使粘土的喉道逐漸變小或被堵塞，從而非常嚴(yán)重地造成了儲層的損壞。進(jìn)而研究選擇減少或添加降粘劑,防止膨脹及控制溫度、酸堿性強(qiáng)弱的措施,而使儲層免受破壞。

3 應(yīng)用案例分析

3.1 沉積巖微觀形貌及成分分析

沉積巖俗稱水成巖(如圖1),為地球中三種巖類之一,是組成地球巖石體的主要巖石之一，另外兩種為變質(zhì)巖、巖漿巖。是在地層土壤和巖質(zhì)地殼的自然發(fā)育和發(fā)展演化過程中,在一定的土壤地殼或者地質(zhì)接近于一定地表地質(zhì)常溫、高度的地質(zhì)常壓應(yīng)力環(huán)境下的條件下,任何由于先天性成形的巖體或者遭受自然風(fēng)化和地質(zhì)剝蝕相互作用的破壞性形成產(chǎn)物,以及由于形成生物相互作用與形成火山相互作用的破壞性形成產(chǎn)物在其形成原地或者由于經(jīng)過各種境內(nèi)外力量的搬運(yùn)而融合形成的地質(zhì)沉積層,又經(jīng)由于成巖相互作用而融合形成的一種放射性形成巖石。在我們的整個地球上和它的土壤中,大約70%的全球地質(zhì)層和巖石都可能是地質(zhì)沉積巖,但如果從一個小小地球的地質(zhì)表面深度延伸至達(dá)到16km 深的整個全球地質(zhì)巖石圈深度來測量計(jì)算,沉積巖含量只能大約占5%[5]。

紋層主要是指沉積巖中最小、最薄原始的沉積巖層,紋層的產(chǎn)生大多是因?yàn)橐荒戤?dāng)中的自然季節(jié)性變化所引起、由于沉積物來源的不同而導(dǎo)致。通過圖像紋層,它們能夠反演出古環(huán)境、舊氣候等因素的變異。

通過環(huán)境掃描電鏡可以清楚地觀察到紋巖層紋理、顆粒的大小及形貌，進(jìn)而推算沉積年度，當(dāng)時氣候、降水情況等，如圖2所示。

3.2 壓裂液

壓裂液溶劑是一種由多種不同添加劑按照一定的化學(xué)配比程序制得而直接形成的一種非均質(zhì)不穩(wěn)定的化學(xué)物質(zhì)體系,它的主要作用功能就是將各種地面設(shè)備形成的高壓輸送至整個地層中,使得在地層中形成人工裂隙，并沿著裂縫輸送支撐劑從而填充人工裂隙。

地層的水力壓裂即在地表使用高壓大排量的泵，利用液體傳遞壓力能量的原理，將具有一定粘度和比重的壓裂液，以高于儲層吸收能力的壓力強(qiáng)行向儲層注入，使壓力集聚在井筒，壓力逐漸升高，一直在井筒內(nèi)憋著高壓，當(dāng)此壓力大于井壁周邊地應(yīng)力及地層巖石的抗張強(qiáng)度時，此時井底周邊地層會產(chǎn)生裂縫。打入含有支撐劑的攜砂液后，裂縫迅速向四周擴(kuò)散并同時填充滿了支撐劑，穩(wěn)壓及憋壓后，裂縫非常快地閉合在支撐劑上，從而使井筒周邊地層形成了具有一定尺寸和較高導(dǎo)流能力的填砂裂隙，這讓油氣井達(dá)到了增產(chǎn)和注水井增注的目的。

壓裂液性能的分析非常依靠壓裂液的微觀結(jié)構(gòu)表征。但由于壓裂液含有水、油等液體，不能使用掃描電鏡直接觀察，可使用配備溫控杯的掃描電鏡，對樣品快速冷凍后，進(jìn)行觀察，如圖3所示。

同時也可以通過孔徑統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)對壓裂液微觀孔洞尺寸及分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并生成報告，如圖4所示。

4 總結(jié)

隨著我國地質(zhì)行業(yè)科學(xué)研究的進(jìn)一步深入,對于微觀形貌、結(jié)構(gòu)、成分的研究和分析要求不斷提高,傳統(tǒng)的分析儀器已經(jīng)無法適應(yīng)這些條件,環(huán)境掃描電鏡,使用電子束對樣品進(jìn)行轟擊,激發(fā)并輸送帶有分析樣品相關(guān)信息的光學(xué)測試信號,在保證納米級分辨率的條件下,同時可以提供成分信息,同時高分辨的SEM圖對于樣品表面形貌分析提供了可行性,如表面孔洞分析及統(tǒng)計(jì)、表面顆粒統(tǒng)計(jì)及分析等。

環(huán)境掃描電鏡,對測定不同地質(zhì)樣本的油氣潛力,是非常有效的新技術(shù)手段。另外,掃描電鏡技術(shù)已經(jīng)在粘土礦物分析、礦物巖石科學(xué)、油氣存儲層保護(hù)、存儲層研究等方面都發(fā)揮了至關(guān)重要作用。環(huán)境掃描電鏡在反映化學(xué)物質(zhì)微區(qū)的信息性能方面具有圖像分辨率高、放大倍數(shù)多、景深大、立體感強(qiáng)、樣品設(shè)計(jì)制備簡便等諸多優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)研究,在地學(xué)微區(qū)信息的提取上也具有著無法代替的特殊性。隨著我國環(huán)境掃描電鏡技術(shù)性能的改善和提高,以及掃描式電鏡溫控樣品技術(shù)的使用,將我國環(huán)境掃描電鏡技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓寬。