SEM掃描電鏡在地質研究方面應用
2020-10-10 飛納電鏡掃描電鏡粘土礦物中的應用
由於粘土礦物在石油生成、運移、聚集及油氣勘探開發研究中的重要作用。以往對粘土礦物的分析手段著重於精確分析粘土礦物的成分和晶體結構，對其形態特徵及分布方式研究較少,而粘土礦物在儲層中的分布及存在狀態、對油氣運移及開發有重要的影響。粘土礦物是以微米為計量單位的質點，一般粘土礦物僅為幾個微米，用普通的光學顯微鏡已經很難區分粘土礦物的成分、形態及分布特徵。利用SEM/EDS分析可以彌補這一不足之處。
（1）研究粘上礦物的形態及分布，確定成巖作用過程、成巖階段及次生變化；
（2）研究粘上礦物的共生組合及變化，確定成巖環境及地球化學背景，如溫度、壓力、酸鹼度；
（3）對粘上礦物的成分分析（結合X衍射分析），確定埋藏深度、恢復盆地埋藏史及熱演化史、反映油氣成熟度。
掃描電鏡在油氣層保護研究中的應用
保護油氣層是石油勘探開發過程中的重要技術措施，保護油氣層技術立足於預防為主，解堵為輔的原則。巖心分析是認識油氣層地質的基礎，油氣層敏感性評價、損害機理的研究、保護油氣層技術方案的設計都必須建立在巖心分析基礎上。而儲層巖石微觀特徵分析又是油氣層保護研究的重點，因此掃描電鏡微區分析在油氣層保護研究之中具有非常重要的作用。
（1）利用掃描電鏡研究儲層巖石學特徵，從微觀形態及微區成分上對儲層巖石進行巖石礦物成分及結構分析，膠結特徵及充填作用分析，孔隙及喉道連通性分析等，並預測儲層敏感性；
（2）儲層敏感性掃描電鏡分析，通過酸、水、速、鹼、鹽及溫度敏感性試驗，利用掃描電鏡分析儲層樣品敏感性試驗前後的變化，分析儲層樣品的粘上礦物的變化，膠結物及儲層格架的變化，孔隙及喉道的變化，確定儲層敏感性發生的類型和程度，並採取預防措施；
（3）在油氣田開發過程中，對儲層巖心樣品進行開發前後的微觀分析，可以判斷儲層損害程度，提出改進措施，提高產量。特別是注水、注氣開發中，運用掃描電鏡的分析，可以觀察到粘土礦物的膨脹，粘土礦物及其它微粒的遷移，水巖反應形成新礦物等各種現象，而使孔隙喉道變小或堵塞而造成儲層的損害，進而研究採用添加降粘劑，防膨脹劑及控制溫度、酸鹼度等措施，而使儲層損害的程度降到最低。掃描電鏡在油氣層保護研究上具有重要作用，應用前景十分廣闊，能夠解釋油氣開採中遇到的諸如引起孔喉堵塞、滲透率降低等原因，進而提出油氣層保護措施，提高採收率，降低成本，增加產量。
應用案例
1、壓裂液
壓裂液是指由多種添加劑按一定配比形成的非均質不穩定的化學體系，是對油氣層進行壓裂改造時使用的工作液，它的主要作用是將地面設備形成的高壓傳遞到地層中，使地層破裂形成裂縫並沿裂縫輸送支撐劑。
油層水力壓裂的過程是在地面採用高壓大排量的泵，利用液體傳壓的原理，將具有一定粘度的液體（通常稱之為壓裂液），以大於油層的吸收能力的壓力向油層注入，並使井筒內壓力逐漸升高，從而在井底憋起高壓，當此壓力大於井壁附近的地應力和地層巖石的抗張強度時，便在井底附近地層產生裂縫：繼續注入帶有支撐劑的攜砂液，裂縫向前延伸並填以支撐劑，關井後裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近地層內形成具有一定幾何尺寸和高導流能力的填砂裂縫，是井達到增產增注的目的。常用的支撐劑有石英砂，陶粒等。
由此看來壓裂液的微觀結構表徵對於壓裂液性能的分析具有重要的指導作用。但由於壓裂液含有水、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飛納電鏡，對樣品快速冷凍後，進行觀察。如下圖一所示，
圖一:壓裂液微觀形貌
同時也可以通過孔徑統計分析系統對壓裂液微觀孔洞尺寸及分布進行統計，並生成報告。如圖二所示，
圖二：壓裂液微觀孔徑分析
2、隕石微觀形貌及成分分析
圖三：隕石微觀形貌及EDS面掃
在掃描電鏡下，如圖三所示，可以看到隨著隕石中不同區域成分發生變化，相應灰度也會發生變化。
3、沉積巖微觀形貌及成分分析
沉積巖，三大巖類的一種，又稱為水成巖，是三種組成地球巖石圈的主要巖石之一（另外兩種是巖漿巖和變質巖）。是在地殼發展演化過程中，在地表或接近地表的常溫常壓條件下，任何先成巖遭受風化剝蝕作用的破壞產物，以及生物作用與火山作用的產物在原地或經過外力的搬運所形成的沉積層，又經成巖作用而成的巖石。在地球地表，有70%的巖石是沉積巖，但如果從地球表面到16公裡深的整個巖石圈算，沉積巖只佔 5%。沉積巖主要包括石灰巖、砂巖、頁巖等。沉積巖中所含有的礦產，佔全部世界礦產蘊藏量的80%。
紋層是沉積巖中最小最薄原始沉積層，紋層的形成大多與一年中的季節變化有關、由沉積物物源的變化而形成。通過紋層可以反演古環境和古氣候的變化。
圖四：沉積巖微觀形貌及EDS面掃
圖五：沉積巖微觀形貌
通過掃描電鏡可以清楚的觀察到紋巖層紋理、顆粒的大小及形貌，進而推算沉積年代，當時氣候、降水情況等。
4、其他地質類樣品SEM圖
圖六 礦石
圖七 硅藻土
圖九 土壤樣品
小結
隨著地質行業研究的深入，對微觀形貌，結構，成分的分析需求不斷增加，傳統的分析設備已無法滿足條件，掃描電子顯微鏡，使用電子束轟擊樣品，激發出帶有樣品信息的信號，在保證納米級解析度的條件下，同時可以提供成分信息，同時高分辨的SEM圖對於樣品表面形貌分析提供了可行性，如表面孔洞分析及統計，表面顆粒統計及分析等。
掃描電鏡，對於評價不同地質樣品的產氣潛力提供了一種行之有效的新手段。另外，掃描電鏡在礦物巖石學、粘土礦物分析、儲層研究、油氣層保護等方面已經發揮了重要作用。掃描電鏡在反映物質微區信息方面具有分辨高、放大倍數大、景深大、立體感強、樣品製備簡單的優點，因而廣泛應用於不同領域的研究，在地學微區信息提取方面有不可代替的優勢。隨著掃描電鏡性能的提高，掃描電鏡溫控樣品技術使用，環境掃描電鏡出現，使掃描電鏡在油氣領域中的應用進一步擴大。
用戶名單：
重慶市地質礦產勘查開發局208水文地質工程地質隊（208地質隊）
中國地質大學（武漢）
中國地質大學（北京）
北京科技大學
中國地質大學礦產資源研究所（3套）
河北地質大學
鄭州考古所
成都理工大學
中國石油集團川慶鑽探工程有限公司鑽井液技術服務公司
中國科學院地球環境研究所
中國石油勘探開發研究院廊坊分院
中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司化工廠
中國石油大學
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