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                                           发布时间:2018年7月24日

                    来源: 中国自然资源报    作者:杨玉茹 吴燕辛 王玉静

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     图(放大倍数为2万倍):黑色为有机质,其中的孔隙是“有机质孔隙家族”;白色是层片状黏土矿物及石英,其中的孔缝是“矿物基质孔缝家族”——层间缝及晶间孔缝、成岩缝。

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     图(放大倍数为2万倍):浅色部分是无机矿物,其中发育“矿物基质孔缝家族”——晶间或晶内微孔;黑色部分为有机质,其中发育 “有机质孔隙家族”。

    页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中,以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气。通俗地说,页岩气就是存在于泥页岩中的天然气,大部分吸附在孔隙及细??帕1砻?,少部分游离在孔隙中。通常,常规天然气蕴藏在多孔隙岩层中,岩层可以是砂岩、碳酸岩以及裂缝性火成岩或变质岩,而泥页岩则是常规天然气的成烃源岩,富含有机质的泥岩中生成的天然气通过裂缝通道运移到以上多孔岩层中,就形成了常规天然气,而残留在泥页岩中,没参加运移的天然气,则在泥页岩中形成了页岩气。因此,泥页岩可以称为是页岩气的“家”。

    那么,页岩气的“家”是什么样子的呢?

    人类的家,以房子作为居住单元,每家的房子结构和大小各不相同。页岩气也是一样,其赖以存在的“家”或是房子也各不相同,其不同之处也表现在结构和大小。

    地质学家对泥页岩的研究认识表明,页岩气所居住的空间范围,最大的特征是“微小”,微小到纳米级尺度。也就是说,页岩气的家可以小到百万分之一毫米。那么,怎样才能看到这么微小的“房子”?怎样才能识别这些“房子”的不同结构、不同形态呢?

    1931年,德国科学家恩斯特·鲁斯卡和马克斯·克诺尔研制出了第一台电子显微镜。10年后,第一台扫描电子显微镜在英国诞生,英文名称为Scanning Electron Microscope,简称SEM。目前,世界上进行微区结构分析采用的仪器就是扫描电子显微镜,而当前在页岩气储集空间检测领域引用的,是最先进的、具有极高分辨率的场发射扫描电子显微镜,英文名称为Field emission scanning electron microscope,简称FESEM。我们用这种高真空度、极高分辨率的场发射扫描电镜FESEM,来放大、解剖页岩气微小的“家”。

    利用场发射扫描电子显微镜观测页岩的微纳米结构,首先要进行严格的样品制备。通常要与氩离子抛光仪相结合,通过高速离子束轰击泥页岩样品表面,消除页岩样品表面的粗糙而获得高质量的平面。每个样品要经过3道机械精磨,之后再经过2个小时的氩离子束高压磨蚀,这才具备场发射扫描电镜的观测条件。最后,将氩离子抛光后的样品置于场发射扫描电镜真空仓,进行1万倍率~10万倍率,甚至更大倍率的观测。

    通常,在1万倍率下,场发射扫描电子显微镜下可以清晰检测微米级别的孔缝,这是页岩气较大级别的“家”,一般主要包括无机矿物粒间或粒内孔,晶间或晶内孔,以及无机矿物成岩收缩缝,这一部分,我们可以称之为“无机”的页岩气家族;在2万倍率以上,所揭示出的页岩气的“家”就是纳米级别的了,而这个级别的孔隙空间主要发育在有机质中,也就是有机质孔隙,我们称之为“有机”的页岩气家族。因此,页岩气赖以生存的“家”由无机和有机两大家族系列构成。左下图的电子显微镜图像,显示的是页岩气其中两种形态的“家”。

    正因为页岩气的藏身之处非常细小,在泥页岩中的渗透性非常差,所以我们必须采用复杂、昂贵、先进的压裂技术才能让页岩气从地下上升到地面。因此,开发页岩气的成本比开发常规天然气的成本要高,我们应当倍加珍惜。

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