淺談掃描電鏡技術(shù)及其在膠結(jié)物類型識別中的應(yīng)用

王鈺婷

（西安石油大學(xué)，西安 710000）

掃描電子顯微鏡也稱為掃描電鏡（SEM）。它是用細(xì)小聚焦的電子束轟擊其試樣的表面，并在電子與樣品相互作用下產(chǎn)生電子，即可對樣品表面或斷口的形貌進(jìn)行觀察分析。

掃描電子顯微鏡的特點(diǎn)如下：樣品制備方法簡單、方便快捷，且不破壞原樣品、相對消耗小；放大范圍大，可連續(xù)調(diào)節(jié)5萬～30萬倍；分辨率對光學(xué)顯微鏡而言高出很多，且顯微圖像景深大；成像更加直觀立體，易于識別其形貌特征和進(jìn)行解釋；保真程度好，可以直接觀察，無假像；可以對樣品表面進(jìn)行綜合分析[1]。

1 掃描電子顯微鏡的原理與結(jié)構(gòu)

如圖1所示，掃描電子顯微鏡是由四個基本部分組成，即電子光學(xué)系統(tǒng)、樣品室、信號探測、處理及顯示系統(tǒng)和真空系統(tǒng)。其中，電子光學(xué)系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈、消像散器和光闌等[2]。

其運(yùn)行的基本原理是在電子槍發(fā)射電子束后，通過電磁透鏡的作用，以一定能量、束流強(qiáng)度和光束光斑縮小為細(xì)小的電子束，并在掃描線圈的驅(qū)動下，以一定時間和空間順序進(jìn)行網(wǎng)格式掃描。而聚焦的電子束與樣品作用并發(fā)出各種物理信號。樣品表面不同的信號可以通過探測器收集并且轉(zhuǎn)換為電信號，然后在視頻放大以后輸入到管的柵極，即調(diào)制入射電子束同步掃描顯像管，便獲得試樣表面的形貌成像。

圖1 掃描電子顯微鏡結(jié)構(gòu)

2 掃描電子顯微鏡在膠結(jié)物識別中的應(yīng)用

膠結(jié)物是指孔隙溶液中過飽和組分的沉淀和疏松的沉積物固結(jié)成巖的作用。它主要發(fā)生在成巖作用早期和成巖作用晚期的各個階段。此外，膠結(jié)物的主要膠結(jié)作用類型有硅質(zhì)膠結(jié)作用、黏土礦物膠結(jié)作用和碳酸鹽膠結(jié)作用。

2.1 硅質(zhì)膠結(jié)

在成巖作用過程中，黏土礦物的轉(zhuǎn)化和長石的溶蝕可以生成SiO2[3]。而當(dāng)孔隙流體中SiO2含量過飽和且在孔隙中發(fā)生沉淀時，可以形成硅質(zhì)膠結(jié)物或石英次生加大邊。硅質(zhì)膠結(jié)主要以石英的次生加大和晶體形式存在于殘余孔隙和溶孔中。換言之，再生長石和石英是硅質(zhì)膠結(jié)物最常見的形式。其中，再生長的石英膠結(jié)在成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度較高的石英砂巖中最為發(fā)育，且往往能使得碎屑石英形成良好的自形晶體。這是由于孔隙空間的熱力學(xué)條件對重結(jié)晶更加有利。因此，硅質(zhì)膠結(jié)物得含量越高，往往越會堵塞孔隙，使儲層的物性條件變差。

無論在單偏光鏡下還是在掃描電子顯微鏡下，人們都可以看到石英的次生加大現(xiàn)，同時也能發(fā)現(xiàn)單偏光鏡下的景象為平面，而掃描電鏡下則更加直觀，具有三維立體感。此外，掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)是單偏光顯微鏡遠(yuǎn)遠(yuǎn)所不及的。

2.2 黏土礦物膠結(jié)

黏土礦物是一種較為重要的膠結(jié)物，常見的有高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙皂石。且各類黏土礦物可以在一定的條件下相互轉(zhuǎn)化。譬如，綠泥石、伊利石可在酸性孔隙中轉(zhuǎn)化為高嶺石，因?yàn)楦邘X石在酸性介質(zhì)條件下相對穩(wěn)定，但隨著介質(zhì)環(huán)境從酸性逐漸變?yōu)閴A性，高嶺石的穩(wěn)定性逐漸變?nèi)鮗4]。

2.2.1 高嶺石

在掃描電鏡下，人們很容易認(rèn)出高嶺石，因?yàn)樗募象w通常呈手風(fēng)琴狀或蠕蟲狀，其主要發(fā)育在長石砂巖中。孔隙填充或替換其他礦物或其他自生夾雜物。

2.2.2 伊利石

伊利石常呈不規(guī)則的細(xì)小晶片，其集合體包括網(wǎng)狀、頭發(fā)絲狀、絲密狀分布于孔隙中。其膠結(jié)后的結(jié)果是堵塞孔隙，大大增大孔隙的曲率，同時降低了滲透率，使儲層物性變差。

2.2.3 蒙皂石

蒙皂石在電子顯微鏡下常為皺紋狀或蜂窩狀。其一般發(fā)育在含火山物質(zhì)的砂巖中。其在成巖作用的早期含量較豐富，但隨著成巖作用的加強(qiáng)，將轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌N類的黏土礦物。

2.2.4 綠泥石

綠泥石其形態(tài)一般為針狀、片狀、絨球狀或玫瑰花朵狀[5]。其可從孔隙水中直接沉淀外，也可以由其他黏土礦物轉(zhuǎn)變而來。

綠泥石膠結(jié)物對致密性儲層的物性具有雙重性。一方面，在成巖早期，綠泥石起到了支撐粒間孔隙的作用，其保存了一些原生孔隙，增加了抗壓實(shí)能力。同時，降低了顆粒的接觸面積，從而減少了壓溶作用，即抑制了石英的次生加大。此外，綠泥石具有大量的晶間孔隙，可以為后期的酸性水流動提供有效的輸送通道，從而促進(jìn)溶解作用的發(fā)生，這樣改善了儲層的孔隙度和滲透率，對儲層的物性具有建設(shè)性作用。另一方面，當(dāng)綠泥石體積分?jǐn)?shù)增加較大時，綠泥石將阻礙孔隙喉道的暢通，使得儲層孔滲性變差，對儲層的物性具有破壞作用。

2.3 碳酸鹽膠結(jié)

碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育十分普遍，如方解石、白云石、鐵白云石和文石等。最為廣泛分布和常見的是方解石，其次是白云石。方解石和白云石在掃描電子顯微鏡下都呈菱形，且光學(xué)性質(zhì)十分相似，很難區(qū)分。因此，當(dāng)需要辨別這兩種礦物時，人們通常會使用鐵氰化鉀+茜素紅進(jìn)行染色，并且在單偏光鏡下進(jìn)行觀察。對比發(fā)現(xiàn)，染色后的方解石在單偏光鏡下呈橙紅色，而白云石不變色。

3 結(jié)語

通過膠結(jié)物的掃描電子顯微鏡圖，人們可以發(fā)現(xiàn)：相對于單偏光、正交偏光，掃描電鏡圖更加直觀、立體，能直接觀察樣品的粗糙表面和斷口形態(tài)，使人具有親臨微觀現(xiàn)場之感；其分辨率非常高，可以看到超微結(jié)構(gòu)的形態(tài)和組成。

此外，膠結(jié)物對儲層總體來說有破壞性作用。其中，硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)使得孔隙減小，儲層物性變差；而黏土礦物膠結(jié)由于自身有微裂縫等原因，其起雙重性作用，特別是綠泥石成巖作用早期對粒間孔隙起支撐作用，保存了一些原生孔隙，增加了巖石的壓實(shí)能力，減少了顆粒的接觸面積，有效地抑制了壓溶作用的發(fā)生，但是當(dāng)綠泥石體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到一定值時，綠泥石襯邊就會阻礙孔隙喉道的流通，從而使儲層性質(zhì)變差。