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)價值的天然氣。我國的頁巖氣儲量較大，據(jù)國土部門預估，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）

掃描電鏡具有分辨率高、景深好的優(yōu)點，常用來進行礦物微觀形貌的分析，搭配能譜儀可進行微區(qū)成分分析，能夠從巖石學角度對頁巖中有機質(zhì)和礦物接觸關系進行分析，區(qū)分不同類型有機質(zhì)并研究各自的形態(tài)特征和空隙發(fā)育情況，對于進一步理解頁巖內(nèi)部空隙形成和分布規(guī)律有重要意義。

在實際對頁巖進行掃描電鏡觀察時，需要樣品制備，在頁巖氣領域中經(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行樣品處理來獲取更真實的礦物接觸關系、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狀態(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)的有機質(zhì)組分。

用離子研磨儀對樣品進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)的機械拋光，離子研磨儀的氬離子拋光可以有效的去除應力破壞層，獲得更加真實、平整的拋光面，避免應力造成的結(jié)構變形、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。

離子研磨儀對樣品進行氬離子拋光后觀察到頁巖中的孔隙結(jié)構

掃描電鏡在頁巖氣中的應用

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質(zhì)富集提供依據(jù)，為頁巖氣開發(fā)中的壓裂液設計、添加劑選擇和改造頁巖氣層提供參考。

富有機質(zhì)頁巖內(nèi)部的有機質(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溶劑的分散有機質(zhì)，瀝青則常用來描述可溶于有機溶劑的部分如石油、瀝青礦和其他非烴組分。

根據(jù)有機質(zhì)與礦物間的接觸關系，可以判斷有機質(zhì)的相對形成時間，進而對有機質(zhì)做進一步的區(qū)分。如沉積有機質(zhì)的主要特征為與無機礦物之間的邊界清晰，并且有機質(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質(zhì)組分的分布。

頁巖中觀察到的沉積有機質(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)其形成時期可分為沉積-成巖時期的黃鐵礦和后期填充的黃鐵礦。沉積-成巖時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