台式扫描电镜和离子研磨仪在页岩气研究中的应用

页岩气是一种赋存于富有机质页岩为主的储集岩系的非常规天然气，以吸附态存在于干酪根、黏土颗粒表面，或以溶解态存在于干酪根、沥青质中，是一种具有商业价值的天然气。我国的页岩气储量较大，据国土部门预估，我国页岩气可采资源量约 25 万亿方，全国产能超过 100 亿立方。

不同油气类型的分布模式（来源网络）

扫描电镜具有分辨率高、景深好的优点，常用来进行矿物微观形貌的分析，搭配能谱仪可进行微区成分分析，能够从岩石学角度对页岩中有机质和矿物接触关系进行分析，区分不同类型有机质并研究各自的形态特征和空隙发育情况，对于进一步理解页岩内部空隙形成和分布规律有重要意义。同时，利用扫描电镜对页岩中的矿物如黄铁矿、黏土矿物等的特征、分布研究也能为有机质富集提供依据，为页岩气开发中的压裂液设计、添加剂选择和改造页岩气层提供参考。

富有机质页岩内部的有机质分为干酪根和沥青。干酪根是沉积岩中不溶于碱、非氧化型酸和非极性有机溶剂的分散有机质，沥青则常用来描述可溶于有机溶剂的部分如石油、沥青矿和其他非烃组分。

根据有机质与矿物间的接触关系，可以判断有机质的相对形成时间，进而对有机质做进一步的区分。如沉积有机质的主要特征为与无机矿物之间的边界清晰，并且有机质的周围没有自生矿物，扫描电镜的背散射电子（BSE）成像能够同时反映出矿物的成分衬度和形貌衬度，利用 BSE 图片可以清楚的识别出页岩中这些有机质组分的分布。

页岩中观察到的沉积有机质 SEM 扫描电镜图像

黄铁矿是页岩中分布广泛的一种自生矿物，根据其形成时期可分为沉积-成岩时期的黄铁矿和后期填充的黄铁矿。沉积-成岩时期的草莓状黄铁矿是由若干黄铁矿微晶聚集形成的球状集合体，如下图所示，利用 Phenom 飞纳台式扫描电镜可以清楚的观察到黄铁矿微晶的形态和尺寸，黄铁矿微晶粒径、形态与页岩沉积环境演化有一定关系，观察结果对于古环境的还原有重要意义。

页岩中观察到的“草莓状” 黄铁矿晶体扫描电镜图像

离子研磨仪

在实际对页岩进行扫描电镜观察时，经常要借助离子研磨仪氩离子抛光进行样品处理来获取更真实的矿物接触关系、结晶情况、孔隙发育情况等信息。

如下图所示为离子研磨仪对样品进行氩离子抛光后观察到的页岩内部不同黄铁矿分析结果，可以得到不同黄铁矿的聚焦状态、微晶形态和尺寸、微晶生长情况，以及黄铁矿内部孔隙和孔隙内的有机质组分。

离子研磨仪对样品氩离子抛光后使用飞纳台式扫描电镜观察到页岩中的不同黄铁矿晶体

相较于传统的机械抛光，氩离子抛光可以有效的去除应力破坏层，获得更加真实、平整的抛光面，避免应力造成的结构变形、破坏，有利于页岩中微孔的观察。如下图所示为氩离子抛光后观察到的页岩中的纳米孔洞结构。

离子研磨仪对样品氩离子抛光后观察到页岩中的孔隙结构