隨著石油資源的消耗，油氣開采重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了頁巖油方向，高質(zhì)量的壓裂支撐劑可以提供更好的油氣滲透率，實(shí)現(xiàn)油氣增產(chǎn)。綠色低碳的發(fā)展理念也促使相關(guān)企業(yè)展開高效環(huán)保的石化催化劑、高附加值、高性能石化產(chǎn)品的研制。在石化產(chǎn)品的開采、煉制、生成過程中，掃描電子顯微鏡能夠同時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行微區(qū)形貌和成分分析，為生成工藝的改進(jìn)和產(chǎn)品研發(fā)提供參考。
沉積巖微觀形貌和成分分析
沉積巖，又稱水成巖，是三種組成地球巖石圈的主要巖石之一，主要包括石灰?guī)r、砂巖、頁巖等，是地殼發(fā)展演化的產(chǎn)物。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%，但其中所含有的礦產(chǎn)，占全部世界礦產(chǎn)蘊(yùn)藏量的 80%。
紋層是沉積巖中肉眼可見的最小層次結(jié)構(gòu)，紋層的形成大多跟一年的季節(jié)變化有關(guān)，由沉積物物源的變化而形成。頁巖紋層是控制頁巖油儲(chǔ)集層發(fā)育、石油運(yùn)聚和“甜點(diǎn)"分布等的重要因素[1]，通過掃描電鏡可以清楚的觀察紋巖層的紋理、顆粒大小及形貌[2]。
沉積巖微觀形貌
利用 SEM 能譜儀可以得到詳細(xì)的沉積巖成分信息，結(jié)合細(xì)粒沉積巖成分組分、結(jié)構(gòu)形態(tài)、顏色、平面上的展布規(guī)律、古生物和古植物化石等對(duì)古代湖泊沉積微環(huán)境劃分，對(duì)代湖泊的沉積環(huán)境與沉積特征進(jìn)行了細(xì)致解剖，可以預(yù)測(cè)生油巖與儲(chǔ)集巖分布
[3]。
沉積巖微觀形貌及 EDS 面掃分布圖
壓裂液及支撐劑的分析研究
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，包括常見的瓜爾膠、纖維素衍生物等等。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。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，配備溫控杯的飛納電鏡，可以對(duì)樣品快速冷凍后，觀察到更真實(shí)的壓裂液形貌。如下述案例中所示，是利用飛納電鏡溫控杯觀察到的壓裂液凝膠升華的動(dòng)態(tài)過程。同時(shí)，通過孔徑分析軟件可以對(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。
不同升華條件下壓裂液膠體的 SEM 形貌
壓裂液微觀孔徑分析
油層水力壓裂的過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，使油井達(dá)到增產(chǎn)增注的目的。高強(qiáng)度、低密度、粒徑均勻、球形度好的支撐劑可以使填充后的裂縫有更好的滲透性，常用的支撐劑有石英砂，陶粒等，利用掃描電子顯微鏡可以對(duì)支撐劑的形貌、尺寸進(jìn)行精確的觀察，并且結(jié)合 Phenom Particle Metric 顆粒統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)可以快速的對(duì)支撐劑的粒徑、圓度進(jìn)行分析。
陶瓷支撐劑 SEM 形貌分析
支撐劑全自動(dòng)顆粒統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)
石化催化劑的分析研究
石油的主要成分是烷烴，化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，沒有什么化學(xué)活性，除了燃燒外幾乎沒有其他作用。催化裂解是剪斷石油長(zhǎng)鏈分子的過程，同時(shí)還能生成不飽和烴和芳香烴，是石油化工的基石。因此，裂化可以說是從原油到化工產(chǎn)品無法缺失的一環(huán)，而在這個(gè)過程中，催化劑扮演著重要的角色。利用掃描電鏡可以檢測(cè)催化劑的表面和斷面的形貌，結(jié)合能譜可以對(duì)微區(qū)的成分進(jìn)行定性半定量的分析，給催化劑的研發(fā)和性能評(píng)定提供依據(jù)。
掃描電鏡下的催化劑晶體顆粒
石化產(chǎn)品的分析研究
以石油或石油氣為原料生產(chǎn)出的產(chǎn)品稱之為石油化工產(chǎn)品。石油化工產(chǎn)品多達(dá)數(shù)千種,其中最重要的有六大基礎(chǔ)原料（乙烯、丙烯、丁烯、苯、甲苯、二甲苯）,三大合成材料（塑料、合成纖維、合成橡膠）,十種基本有機(jī)原料（醇、醛、酸、酐、酯、醚、胺、腈、酚、酮）以及氮肥。在各種石油化工產(chǎn)品如塑料、合成纖維等的生成研發(fā)過程中，掃描電鏡微區(qū)顯微分析和成分分析的功能均有廣泛的用途。如下述案例中，圖 1、2 分別為在不噴金情況下直接對(duì)不定島超纖和定島超纖的 SEM 觀察，可以發(fā)現(xiàn)定島超纖島數(shù)固定、均勻且規(guī)則，不定島超纖島數(shù)不固定、纖度有差異且總體纖維更細(xì)。
圖1
圖2
圖 3 所示為一種工程塑料的異常分析結(jié)果，在背散射模式下可以看到該處存在明顯的成分異常區(qū)域，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行 EDS 面掃分析發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域?yàn)檠趸F顆粒形成的異物。
圖3. 塑料 EDS 面掃圖
石油化工產(chǎn)業(yè)是國家的重要支柱產(chǎn)業(yè)，從石化原料的開采、煉制到石化產(chǎn)品的生成加工，每一步都與國防、國民經(jīng)濟(jì)和人民生活息息相關(guān)。國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)的《“十四五"現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》提出，將加大國內(nèi)油氣勘探開發(fā)，堅(jiān)持常非并舉、海陸并重，強(qiáng)化重點(diǎn)盆地和海域油氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查和勘探，夯實(shí)資源接續(xù)基礎(chǔ)。加快推進(jìn)儲(chǔ)量動(dòng)用，抓好已開發(fā)油田“控遞減"和“提高采收率"，推動(dòng)老油氣田穩(wěn)產(chǎn)，加大新區(qū)產(chǎn)能建設(shè)力度，保障持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。積極擴(kuò)大非常規(guī)資源勘探開發(fā)，加快頁巖油、頁巖氣、煤層氣開發(fā)力度。
參考文獻(xiàn)
[1]. 李永良,翟秋敏,李容全.安古里淖沉積紋層的掃描電鏡研究[J].電子顯微學(xué)報(bào), 2001(04):387-388.
[2]. 葸克來,李克,操應(yīng)長(zhǎng),林敉若,牛小兵,朱如凱,魏心卓,尤源,梁曉偉,馮勝斌.鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7_3亞段富有機(jī)質(zhì)頁巖紋層組合與頁巖油富集模式[J].石油勘探與開發(fā),2020,47(06):1244-1255.
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