利用纳米透射X射线显微成像技术研究页岩有机孔三维结构特征

页岩纳米级孔隙的三维结构特征直接决定页岩气微观渗流机理,是完善页岩储层流动模型亟需解决的核心问题。本文以龙马溪组页岩有机孔样品(直径约7μm)为研究对象,分别利用同步辐射纳米CT和实验室纳米CT重建有机孔三维空间结构,针对两个装置获得的孔隙结构参数进行对比研究,结果表明:(1)龙马溪组页岩有机孔样品呈蜂窝状,孔隙度约60%,连通性较好;孔径分布呈双峰模式,集中于60~150nm和500~1400 nm;孔径大于500 nm的孔隙对样品的总孔隙度贡献较大。(2)同步辐射纳米CT与实验室纳米CT结果相较,孔隙度和孔隙总数两参数基本一致,喉道总数和喉道半径偏差较大;孔径分布和配位数分布规律虽然类似,但具体数值存在明显差异,值得进一步深入比较分析和研究。(3)纳米CT方法在页岩纳米孔隙三维结构表征方面存在阈值划分难度大与扫描视场过小的问题,可从切片重构算法、三维数据处理、表征单元体三方面进行改进。     

应用氩离子抛光-扫描电镜方法研究四川九老洞组页岩微观孔隙特征

微观孔隙结构是页岩储层研究的重点,而扫描电镜方法无法识别机械抛光中由于页岩硬度差异所造成的不规则形貌。本文利用氩离子抛光-扫描电镜方法对四川威远区块九老洞组页岩进行研究,发现了三种孔隙类型:1无机孔以粒间孔和黏土矿物层间孔为主,同时发育晶间孔和生物孔,孔径主体100~500 nm;2有机孔受控于热成熟度或有机黏土复合体,孔径范围数十纳米至数微米;3微裂缝包括成岩收缩裂缝、高压碎裂缝、构造裂缝和人为裂缝,缝宽数微米,缝长数微米至数十微米。研究表明无机孔和微裂缝是九老洞组页岩气的主要储集空间。     

基于聚焦离子束-扫描电镜方法研究页岩有机孔三维结构

页岩中纳米级有机孔的大小直接影响页岩气含气量,其连通性亦对气体运移和开采至关重要。本文选择漆辽地区龙马溪组富有机质页岩,利用聚焦离子束-扫描电镜(FIB-SEM)在纳米尺度上(10 nm)进行有机孔结构的三维重构。研究结果表明:(1)FIB-SEM方法适用于微米级页岩的纳米(3 nm)孔隙结构特征研究。(2)蜂窝状有机孔发育均匀,孔径集中于10~200 nm,连通性较差;界面有机孔孔径集中于200~300 nm,局部连通性较好。(3)页岩总孔隙度与有机质含量成正比。研究认为,对于以有机孔为重要储集空间的页岩,有机质分布越集中,连续性越好,研究孔隙度的表征单元体尺度越小。     

基于SEM图像灰度水平的页岩孔隙分割方法研究

微观孔隙结构是研究页岩气吸附运移机制和建立地质模型的基础,氩离子抛光-扫描电子显微镜(SEM)技术是开展此项研究的主要实验方法,但已有的研究大多是关注页岩孔隙分类,较少从定量角度表征其特征。为开展页岩微观孔隙结构定量研究,提高孔隙分割质量,本研究分别利用边缘检测分割法、流域分割法、手动和自动阈值分割法对页岩无机孔和有机孔二次电子图像进行分割实验,对比不同方法的分割效果。结果表明,通过选取合适的分割阈值,基于SEM图像的手动阈值分割法能够表征1 nm以上的孔隙,准确地识别有机质与脆性矿物边缘、孔隙与有机质边缘,使得页岩孔隙提取结果趋近于真实,能更有效地对页岩孔隙结构进行定量分析。     

高温改性锌铁尖晶石的晶体化学与磁性研究

尖晶石型矿物因其阳离子在氧四面体和氧八面体中所占比例的不同而分为正尖晶石、反尖晶石和过渡的无序结构尖晶石。本文以微米级锌铁正尖晶石(Zn Fe2O4)为初始研究对象,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线吸收精细结构谱(XAFS)、差热-热重分析(DTA-TGA)、磁性测试(M-H、ZFC-FC)等矿物学、热学和磁学测试手段综合分析了温度对其阳离子配位的影响。结果显示,随着温度的升高,原正尖晶石结构中四面体的ZnⅡ会逐渐与八面体中的FeⅢ发生交换,910℃左右时阳离子的交换速率出现最大值,并在1 200℃加热24 h后达到热动力学平衡,此时晶胞参数a从8.440 7减小到了8.437 2;同时尼尔温度(TN)由13 K升到了27 K,反映了由反铁磁性向亚铁磁性过渡的磁结构变化。本文研究认为,由粒径不同带来的体系能量的差异是造成微米级Zn Fe2O4在高温下阳离子交换行为与纳米级颗粒截然相反的根本原因。