掃描電鏡樣品制備——離子研磨儀處理頁巖樣品

頁巖氣是一種賦存于富有機(jī)質(zhì)頁巖為主的儲集巖系的非常規(guī)天然氣，以吸附態(tài)存在于干酪根、黏土顆粒表面，或以溶解態(tài)存在于干酪根、瀝青質(zhì)中，是一種具有商業(yè)價(jià)值的天然氣。我國的頁巖氣儲量較大，據(jù)國土部門預(yù)估，我國頁巖氣可采資源量約 25 萬億方，全國產(chǎn)能超過 100 億立方。

不同油氣類型的分布模式（來源網(wǎng)絡(luò)）

掃描電鏡具有分辨率高、景深好的優(yōu)點(diǎn)，常用來進(jìn)行礦物微觀形貌的分析，搭配能譜儀可進(jìn)行微區(qū)成分分析，能夠從巖石學(xué)角度對頁巖中有機(jī)質(zhì)和礦物接觸關(guān)系進(jìn)行分析，區(qū)分不同類型有機(jī)質(zhì)并研究各自的形態(tài)特征和空隙發(fā)育情況，對于進(jìn)一步理解頁巖內(nèi)部空隙形成和分布規(guī)律有重要意義。

在實(shí)際對頁巖進(jìn)行掃描電鏡觀察時(shí)，需要樣品制備，在頁巖氣領(lǐng)域中經(jīng)常要借助離子研磨儀處理頁巖樣品，也就是氬離子拋光進(jìn)行樣品處理來獲取更真實(shí)的礦物接觸關(guān)系、結(jié)晶情況、孔隙發(fā)育情況等信息。如下圖所示為離子研磨儀對樣品進(jìn)行氬離子拋光后觀察到的頁巖內(nèi)部不同黃鐵礦分析結(jié)果，可以得到不同黃鐵礦的聚焦?fàn)顟B(tài)、微晶形態(tài)和尺寸、微晶生長情況，以及黃鐵礦內(nèi)部孔隙和孔隙內(nèi)的有機(jī)質(zhì)組分。

用離子研磨儀對樣品進(jìn)行氬離子拋光后使用臺式掃描電鏡觀察到頁巖中的不同黃鐵礦晶體

相較于傳統(tǒng)的機(jī)械拋光，離子研磨儀的氬離子拋光可以有效的去除應(yīng)力破壞層，獲得更加真實(shí)、平整的拋光面，避免應(yīng)力造成的結(jié)構(gòu)變形、破壞，有利于頁巖中微孔的觀察。如下圖所示為氬離子拋光后觀察到的頁巖中的納米孔洞結(jié)構(gòu)。

離子研磨儀對樣品進(jìn)行氬離子拋光后觀察到頁巖中的孔隙結(jié)構(gòu)

掃描電鏡在頁巖氣中的應(yīng)用

上面我們介紹了掃描電鏡的優(yōu)勢，接下來我們來看看掃描電鏡在頁巖氣中的應(yīng)用

利用掃描電鏡對頁巖中的礦物如黃鐵礦、黏土礦物等的特征、分布研究也能為有機(jī)質(zhì)富集提供依據(jù)，為頁巖氣開發(fā)中的壓裂液設(shè)計(jì)、添加劑選擇和改造頁巖氣層提供參考。

富有機(jī)質(zhì)頁巖內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)分為干酪根和瀝青。干酪根是沉積巖中不溶于堿、非氧化型酸和非極性有機(jī)溶劑的分散有機(jī)質(zhì)，瀝青則常用來描述可溶于有機(jī)溶劑的部分如石油、瀝青礦和其他非烴組分。

根據(jù)有機(jī)質(zhì)與礦物間的接觸關(guān)系，可以判斷有機(jī)質(zhì)的相對形成時(shí)間，進(jìn)而對有機(jī)質(zhì)做進(jìn)一步的區(qū)分。如沉積有機(jī)質(zhì)的主要特征為與無機(jī)礦物之間的邊界清晰，并且有機(jī)質(zhì)的周圍沒有自生礦物，掃描電鏡的背散射電子（BSE）成像能夠同時(shí)反映出礦物的成分襯度和形貌襯度，利用 BSE 圖片可以清楚的識別出頁巖中這些有機(jī)質(zhì)組分的分布。

頁巖中觀察到的沉積有機(jī)質(zhì) SEM掃描電鏡圖像

黃鐵礦是頁巖中分布廣泛的一種自生礦物，根據(jù)其形成時(shí)期可分為沉積-成巖時(shí)期的黃鐵礦和后期填充的黃鐵礦。沉積-成巖時(shí)期的草莓狀黃鐵礦是由若干黃鐵礦微晶聚集形成的球狀集合體，如下圖所示，臺式掃描電鏡可以清楚的觀察到黃鐵礦微晶的形態(tài)和尺寸，黃鐵礦微晶粒徑、形態(tài)與頁巖沉積環(huán)境演化有一定關(guān)系，觀察結(jié)果對于古環(huán)境的還原有重要意義。

掃描電鏡頁巖中觀察到的“草莓狀” 黃鐵礦晶體