SEM掃描電鏡在地質(zhì)研究方面應(yīng)用

掃描電鏡粘土礦物中的應(yīng)用

由于粘土礦物在石油生成、運(yùn)移、聚集及油氣勘探開發(fā)研究中的重要作用。以往對(duì)粘土礦物的分析手段著重于精確分析粘土礦物的成分和晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)其形態(tài)特征及分布方式研究較少,而粘土礦物在儲(chǔ)層中的分布及存在狀態(tài)、對(duì)油氣運(yùn)移及開發(fā)有重要的影響。粘土礦物是以微米為計(jì)量單位的質(zhì)點(diǎn)，一般粘土礦物僅為幾個(gè)微米，用普通的光學(xué)顯微鏡已經(jīng)很難區(qū)分粘土礦物的成分、形態(tài)及分布特征。利用SEM/EDS分析可以彌補(bǔ)這一不足之處。

（1）研究粘上礦物的形態(tài)及分布，確定成巖作用過(guò)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(huán)境及地球化學(xué)背景，如溫度、壓力、酸堿度；

（3）對(duì)粘上礦物的成分分析（結(jié)合X衍射分析），確定埋藏深度、恢復(fù)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(hù)研究中的應(yīng)用?

保護(hù)油氣層是石油勘探開發(fā)過(guò)程中的重要技術(shù)措施，保護(hù)油氣層技術(shù)立足于預(yù)防為主，解堵為輔的原則。巖心分析是認(rèn)識(shí)油氣層地質(zhì)的基礎(chǔ)，油氣層敏感性評(píng)價(jià)、損害機(jī)理的研究、保護(hù)油氣層技術(shù)方案的設(shè)計(jì)都必須建立在巖心分析基礎(chǔ)上。而儲(chǔ)層巖石微觀特征分析又是油氣層保護(hù)研究的重點(diǎn)，因此掃描電鏡微區(qū)分析在油氣層保護(hù)研究之中具有非常重要的作用。?

（1）利用掃描電鏡研究?jī)?chǔ)層巖石學(xué)特征，從微觀形態(tài)及微區(qū)成分上對(duì)儲(chǔ)層巖石進(jìn)行巖石礦物成分及結(jié)構(gòu)分析，膠結(jié)特征及充填作用分析，孔隙及喉道連通性分析等，并預(yù)測(cè)儲(chǔ)層敏感性；?

（2）儲(chǔ)層敏感性掃描電鏡分析，通過(guò)酸、水、速、堿、鹽及溫度敏感性試驗(yàn)，利用掃描電鏡分析儲(chǔ)層樣品敏感性試驗(yàn)前后的變化，分析儲(chǔ)層樣品的粘上礦物的變化，膠結(jié)物及儲(chǔ)層格架的變化，孔隙及喉道的變化，確定儲(chǔ)層敏感性發(fā)生的類型和程度，并采取預(yù)防措施；

（3）在油氣田開發(fā)過(guò)程中，對(duì)儲(chǔ)層巖心樣品進(jìn)行開發(fā)前后的微觀分析，可以判斷儲(chǔ)層損害程度，提出改進(jìn)措施，提高產(chǎn)量。特別是注水、注氣開發(fā)中，運(yùn)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(yīng)形成新礦物等各種現(xiàn)象，而使孔隙喉道變小或堵塞而造成儲(chǔ)層的損害，進(jìn)而研究采用添加降粘劑，防膨脹劑及控制溫度、酸堿度等措施，而使儲(chǔ)層損害的程度降到最低。掃描電鏡在油氣層保護(hù)研究上具有重要作用，應(yīng)用前景十分廣闊，能夠解釋油氣開采中遇到的諸如引起孔喉堵塞、滲透率降低等原因，進(jìn)而提出油氣層保護(hù)措施，提高采收率，降低成本，增加產(chǎn)量。

應(yīng)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(zhì)不穩(wěn)定的化學(xué)體系，是對(duì)油氣層進(jìn)行壓裂改造時(shí)使用的工作液，它的主要作用是將地面設(shè)備形成的高壓傳遞到地層中，使地層破裂形成裂縫并沿裂縫輸送支撐劑。

油層水力壓裂的過(guò)程是在地面采用高壓大排量的泵，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），以大于油層的吸收能力的壓力向油層注入，并使井筒內(nèi)壓力逐漸升高，從而在井底憋起高壓，當(dāng)此壓力大于井壁附近的地應(yīng)力和地層巖石的抗張強(qiáng)度時(shí)，便在井底附近地層產(chǎn)生裂縫：繼續(xù)注入帶有支撐劑的攜砂液，裂縫向前延伸并填以支撐劑，關(guān)井后裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近地層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸和高導(dǎo)流能力的填砂裂縫，是井達(dá)到增產(chǎn)增注的目的。常用的支撐劑有石英砂，陶粒等。

由此看來(lái)壓裂液的微觀結(jié)構(gòu)表征對(duì)于壓裂液性能的分析具有重要的指導(dǎo)作用。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(duì)樣品快速冷凍后，進(jìn)行觀察。如下圖一所示，

圖一:壓裂液微觀形貌

同時(shí)也可以通過(guò)孔徑統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)對(duì)壓裂液微觀孔洞尺寸及分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并生成報(bào)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(qū)域成分發(fā)生變化，相應(yīng)灰度也會(huì)發(fā)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(zhì)巖）。是在地殼發(fā)展演化過(guò)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(fēng)化剝蝕作用的破壞產(chǎn)物，以及生物作用與火山作用的產(chǎn)物在原地或經(jīng)過(guò)外力的搬運(yùn)所形成的沉積層，又經(jīng)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公里深的整個(gè)巖石圈算，沉積巖只占 5%。沉積巖主要包括石灰?guī)r、砂巖、頁(yè)巖等。沉積巖中所含有的礦產(chǎn)，占全部世界礦產(chǎn)蘊(yùn)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(jié)變化有關(guān)、由沉積物物源的變化而形成。通過(guò)紋層可以反演古環(huán)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(guò)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(jìn)而推算沉積年代，當(dāng)時(shí)氣候、降水情況等。

4、其他地質(zhì)類樣品SEM圖

圖六 礦石

圖七 硅藻土

圖八

圖九 土壤樣品

小結(jié)

隨著地質(zhì)行業(yè)研究的深入，對(duì)微觀形貌，結(jié)構(gòu)，成分的分析需求不斷增加，傳統(tǒng)的分析設(shè)備已無(wú)法滿足條件，掃描電子顯微鏡，使用電子束轟擊樣品，激發(fā)出帶有樣品信息的信號(hào)，在保證納米級(jí)分辨率的條件下，同時(shí)可以提供成分信息，同時(shí)高分辨的SEM圖對(duì)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。

掃描電鏡，對(duì)于評(píng)價(jià)不同地質(zhì)樣品的產(chǎn)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(xué)、粘土礦物分析、儲(chǔ)層研究、油氣層保護(hù)等方面已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。掃描電鏡在反映物質(zhì)微區(qū)信息方面具有分辨高、放大倍數(shù)大、景深大、立體感強(qiáng)、樣品制備簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的研究，在地學(xué)微區(qū)信息提取方面有不可代替的優(yōu)勢(shì)。隨著掃描電鏡性能的提高，掃描電鏡溫控樣品技術(shù)使用，環(huán)境掃描電鏡出現(xiàn)，使掃描電鏡在油氣領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大。

用戶名單：

重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)（208地質(zhì)隊(duì)）

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）

北京科技大學(xué)

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)礦產(chǎn)資源研究所（3套）

河北地質(zhì)大學(xué)

鄭州考古所

成都理工大學(xué)

中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司

中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所

中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司化工廠

中國(guó)石油大學(xué)

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