趙日新，盧雙舫，薛海濤，田善思

[中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580]

美國海相頁巖氣藏的成功勘探開發(fā)，展現(xiàn)了頁巖氣的巨大潛力和發(fā)展空間，同時(shí)也極大地促進(jìn)了全球頁巖氣的勘探開發(fā)進(jìn)程[1-4]。其中最顯著的進(jìn)展主要表現(xiàn)在對(duì)頁巖微觀孔隙的研究已從微米級(jí)擴(kuò)展到納米級(jí)[5-10]。國內(nèi)外學(xué)者通過大量的實(shí)例和數(shù)據(jù)證實(shí)在頁巖內(nèi)部存在眾多的微米與納米級(jí)孔隙[11-13]，它們構(gòu)成了頁巖氣儲(chǔ)層中最重要的儲(chǔ)集空間，對(duì)天然氣的賦存和滲流起到了至關(guān)重要的作用[14-15]。因此加強(qiáng)對(duì)頁巖微觀儲(chǔ)集空間的刻畫，對(duì)于理解頁巖氣的賦存機(jī)理，正確評(píng)估頁巖氣系統(tǒng)生產(chǎn)力及提高開采效率都具有十分重要的意義[16-19]。

目前頁巖儲(chǔ)層微觀孔隙的表征方法主要有3種，以壓汞法和氣體等溫吸附為主的流體注入技術(shù)；以核磁共振、計(jì)算機(jī)斷層成像(CT)、小角中子散射實(shí)驗(yàn)為代表的非流體注入技術(shù)和以掃描電鏡等微區(qū)分析為主的圖像分析技術(shù)。其中以微區(qū)分析為主的圖像分析技術(shù)是目前頁巖氣儲(chǔ)層孔隙研究中應(yīng)用較為廣泛的方法之一[20]。該方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠直觀、方便、快捷地對(duì)泥頁巖中的孔隙進(jìn)行觀察，獲取圖像并進(jìn)行分析，以獲得泥頁巖中的孔隙大小、形狀、分布及顆粒的接觸情況等信息[20-22]。氬離子束拋光的樣品制備方法結(jié)合高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(Field Emission Scanning Electron Microscopy(FESEM))的試驗(yàn)方法能夠保證截面的平整度與圖像的高分辨率，更快速自由的對(duì)興趣點(diǎn)進(jìn)行深入觀察，并能根據(jù)需要對(duì)一定區(qū)域進(jìn)行二維或三維表征，是目前主流的圖像學(xué)研究手段[23-24]。此種方法在國內(nèi)外已有大量應(yīng)用，如Loucks等[25]利用FESEM技術(shù)研究Barnett頁巖，觀察到大量小至5 nm的孔隙。Chalmers等[26]，Loucks等[27]分別利用FESEM和FIB技術(shù)獲取了美國多套產(chǎn)氣頁巖的納米級(jí)孔隙圖像；Dewers等[28]，Bai等[29]分別利用FESEM和FIB技術(shù)對(duì)美國的典型頁巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行了三維結(jié)構(gòu)表征。但是隨著頁巖氣儲(chǔ)層微觀孔隙研究的進(jìn)一步發(fā)展，圖像學(xué)定性研究已無法滿足頁巖氣儲(chǔ)層研究與勘探開發(fā)的需要，圖像分析技術(shù)勢(shì)必向定量與三維表征的方向發(fā)展，以擴(kuò)展圖像學(xué)研究獲取的信息量與實(shí)用性。

而圖像學(xué)定量研究的可信度與精確度受儀器參數(shù)的影響很大。掃描電鏡實(shí)驗(yàn)的分析參數(shù)設(shè)置直接影響到拍攝圖像的質(zhì)量，同時(shí)也會(huì)對(duì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的定性及定量分析結(jié)果產(chǎn)生影響[30-32]。對(duì)于掃描參數(shù)的設(shè)置，前人多是基于經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)[24,30-31]，很少有人結(jié)合定量分析結(jié)果來探討掃描參數(shù)對(duì)圖像分析的影響。尤其是在沒有固定的提取掃描電鏡微觀孔隙方法的情況下，關(guān)于掃描電鏡的掃描分析參數(shù)對(duì)定量提取頁巖微觀孔隙影響方面的研究較少。基于此，筆者選取四川盆地龍馬溪組頁巖樣品進(jìn)行截面制備并進(jìn)行氬離子束拋光，在相同視域內(nèi)設(shè)置不同掃描參數(shù)得到掃描電鏡圖片，再通過MATLAB軟件圖像處理技術(shù)及“最佳閾值法”獲取頁巖孔隙的孔隙數(shù)量與孔徑分布等定量信息。以期通過對(duì)比不同掃描參數(shù)下得到的掃描電鏡圖像和頁巖孔隙的定量分析結(jié)果，探討掃描電鏡參數(shù)對(duì)提取頁巖微觀孔隙的影響，并為日后通過高分辨率掃描電鏡定量研究頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)提供參考與借鑒。

1 樣品和實(shí)驗(yàn)方法

中國南方地區(qū)廣泛分布的上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖是目前國內(nèi)海相頁巖氣勘探和開發(fā)的主要目標(biāo)層系之一[33-35]。本次研究的實(shí)驗(yàn)樣品取自四川盆地鄧探1井下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖。

樣品的掃描電鏡觀察及成像處理在SU-70日立分析型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡上完成。樣品的制備及SEM實(shí)驗(yàn)均在英國杜倫大學(xué)完成。為了減少頁巖表面形貌對(duì)圖像的影響，同時(shí)保證頁巖樣品觀察面的電鏡照片能更好地反應(yīng)出頁巖的裂縫形態(tài)、孔隙、有機(jī)質(zhì)及其他礦物結(jié)晶甚至充填形態(tài)，在拍攝SEM圖像前，首先需要對(duì)頁巖樣品進(jìn)行拋光處理。將頁巖樣品切割成合適的小塊，選定需要拋光的截面，用不同粒度的金剛砂(6,3,1 μm)對(duì)其表面進(jìn)行打磨。然后將打磨好的的頁巖樣品在GATAN 691型離子拋光儀(PIPSTM精密氬離子拋光系統(tǒng))上用寬氬離子束(BIB)進(jìn)行拋光。為了適應(yīng)拋光儀的樣品腔室，通過GATAN 601超聲波圓片切割機(jī)使用一種硝酸硼的水乳膠作為鋸子將樣品的尺寸切割至直徑為3毫米的圓盤狀。將切割后的樣品放入拋光儀樣品腔室內(nèi)，在真空狀態(tài)下(10～2 Pa)用氬離子轟擊6 h(角度為3°，5 kV，1～20 μA)[36]。

考慮到頁巖中的烴類流體主要集中在微孔與介孔中，為了能夠更好地觀察微小孔隙的發(fā)育特征，本次研究對(duì)拋光后的樣品進(jìn)行鍍膜處理，以增加樣品表面導(dǎo)電性，使得樣品能在高加速電壓下進(jìn)行觀察以增加電鏡的分辨率和信噪比，且對(duì)樣品表面不造成損傷。用于本文定量處理孔隙的SEM圖像是由SU-70日立分析型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的TLD檢測(cè)器在二次電子模式下拍攝，放大倍數(shù)分別為5 000倍(每個(gè)像素點(diǎn)代表6.25 nm×6.25 nm的區(qū)域)和35 000倍(每個(gè)像素點(diǎn)代表1.8 nm×1.8 nm的區(qū)域)。在拍攝前首先要找到一個(gè)孔隙發(fā)育較好且發(fā)育的孔隙大小范圍較廣的區(qū)域，在同一區(qū)域固定部分掃描電鏡參數(shù)不變，只改變某種參數(shù)，觀察同一區(qū)域電鏡圖像的變化。接下來使用MATLAB軟件的圖像處理功能，分別通過閾值提取和孔隙邊緣提取的方法提取出掃描電鏡圖像上的孔隙和孔隙邊緣，建立最佳閾值判別函數(shù)，即:

(1)

式中：(Sinside)nor為孔隙內(nèi)部面積，nm2，是閾值提取出的孔隙邊緣內(nèi)部的面積歸一化后的結(jié)果；(Soutside/Sinside)nor為誤差函數(shù)，nm2，是邊緣外部的面積與邊緣內(nèi)部面積的比值歸一化后的結(jié)果；Qt為最佳閾值判別函數(shù)，我們認(rèn)為當(dāng)這個(gè)判別函數(shù)值最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的閾值即為最佳閾值。

通過上述判別函數(shù)得到最佳閾值提取出掃描電鏡孔隙的二值化圖像，然后再根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法定量分析提取出的頁巖孔隙的孔徑分布、孔隙面積和孔隙數(shù)量的變化來判斷掃描電鏡參數(shù)對(duì)頁巖微觀孔隙提取的影響。

2 結(jié)果和討論

由于富有機(jī)質(zhì)頁巖具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，不同區(qū)域的孔隙存在較大差異，為了研究不同掃描參數(shù)對(duì)提取頁巖微觀孔隙的影響，本次研究選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象均為同一頁巖樣品，且都是在同一拍攝區(qū)域改變掃描參數(shù)的情況下拍攝。影響圖像質(zhì)量的掃描參數(shù)主要包括加速電壓、電子束流、掃描時(shí)間以及亮度對(duì)比度等[24,30-31]，具體對(duì)比試驗(yàn)條件見表1。筆者通過設(shè)置最佳閾值判別函數(shù)，保證不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下的電鏡圖片具有相同的灰度閾值選取條件，針對(duì)不同參數(shù)下的掃描電鏡圖片，分別對(duì)孔徑分布、提取出的孔隙數(shù)量及孔隙面積進(jìn)行定性及定量對(duì)比分析。

表1 掃描電鏡各組試驗(yàn)條件Table 1 SEM conditions of various groups

2.1 加速電壓對(duì)孔隙提取的影響

加速電壓是指電子槍陰陽極之間的電位差，用于加速電子使之具有高能量與樣品作用時(shí)產(chǎn)生各種有用的物理信號(hào)。一般情況下高加速電壓時(shí)，入射電子能量較高，能量分布范圍較窄，圖像分辨率較高[24]。提高加速電壓在可獲得較短波長聚焦電子束的同時(shí)，可激發(fā)樣品更多的電子信號(hào)，所得到的圖像是樣品表面形貌和內(nèi)部形貌的疊加后的形貌照片；同時(shí)也起到了提高圖像清晰度的作用。但是提高加速電壓也會(huì)帶來一些負(fù)面影響，如無法看到樣品表面的微細(xì)結(jié)構(gòu)、邊緣效應(yīng)、電荷累積和樣品損傷等[31-32]。因此，高的加速電壓不一定意味著高的圖像分辨率或更有利于孔隙的提取，而低的加速電壓也并非對(duì)測(cè)試不利。圖1a為加速電壓15 kV，電子束流86 PA，掃描時(shí)間10 μs的掃描電鏡圖片，本次研究選取的電鏡視域包含了有機(jī)質(zhì)區(qū)域和無機(jī)礦物區(qū)域，可以清晰地觀察到有機(jī)孔隙和無機(jī)孔隙(圖1b，c)。圖1d中標(biāo)紅區(qū)域?yàn)殡姾稍诳紫哆吘壏e累產(chǎn)生的荷電效應(yīng)現(xiàn)象。荷電效應(yīng)現(xiàn)象是由于掃描電鏡拍攝導(dǎo)電性能不佳的材料時(shí)，由于入射電荷與出射電荷不守恒導(dǎo)致電荷的積聚而產(chǎn)生的[32,37-39]。本次研究采用的孔隙邊緣提取法利用孔隙邊緣產(chǎn)生的荷電效應(yīng)作為二次電子圖像識(shí)別孔隙的依據(jù)，但是若荷電積累過多會(huì)導(dǎo)致閾值提取出的孔隙內(nèi)部面積變小，與真實(shí)孔隙面積產(chǎn)生偏差，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致掃描電鏡圖像產(chǎn)生反差、畸變和像散等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量[40]。圖1e中紅色區(qū)域?yàn)槔肕ATLAB軟件的圖像處理功能，通過最佳閾值分割法得到的孔隙區(qū)域，可以看到由于圖像灰度級(jí)別跳躍導(dǎo)致提取出的1～2像素點(diǎn)大小的誤差孔隙。通過產(chǎn)生的誤差孔隙的多少以及對(duì)較大孔隙提取的完整程度，即可判斷不同掃描電鏡參數(shù)對(duì)頁巖微觀孔隙提取的影響。

本次研究固定探針電流和掃描時(shí)間不變，對(duì)同一視域分別采用5，10，15 kV的加速電壓拍攝，觀察圖片效果。圖2a—c為電子束流5.4 PA、掃描時(shí)間10 μs、加速電壓分別為5、10、15 kV的掃描電鏡圖片?？梢园l(fā)現(xiàn)在固定低電子束流增大加速電壓時(shí)，圖像的質(zhì)量反而變差，且信噪比較低。圖2d為電子束流86 PA、掃描時(shí)間10 μs、加速電壓15 kV的掃描電鏡圖片?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)固定高電子束流及較大的加速電壓下，圖像清晰且信噪比較高，同時(shí)可以看到孔隙內(nèi)部的形貌也可以被拍攝出來。但在固定高電子束流和高加速電壓下，孔隙邊緣會(huì)產(chǎn)生較多的電荷積累，導(dǎo)致提取出的孔隙面積明顯小于原始孔隙面積。

圖3為采用最佳閾值判別法，提取固定掃描時(shí)間和電子束流不變，分別用不同加速電壓拍出的SEM灰度圖中的微觀孔隙，對(duì)提取出的孔隙進(jìn)行孔隙數(shù)量與孔徑分布定量分析，得到的定量數(shù)據(jù)對(duì)比圖。通過分析可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)將電子束流調(diào)整的很小時(shí)，較低的加速電壓下對(duì)微小孔隙的提取較為完整，但對(duì)大于160 nm左右的孔隙提取并不完全，導(dǎo)致提取出的定量數(shù)據(jù)中微小孔隙的數(shù)量和面積較大而大孔幾乎沒有。但當(dāng)將電子束流調(diào)整的較大超過170 PA時(shí)，較大的加速電壓提取出的誤差孔隙較多且提取的大孔面積小于低加速電壓下提取大孔的面積。隨著電子束流的逐漸增大，加速電壓的增大使得圖像質(zhì)量變好，對(duì)于孔隙的刻畫更為精細(xì)，提取出孔隙的孔徑分布更貼近原始孔隙的孔徑范圍，尤其是對(duì)大孔的提取逐漸完整。如圖4中為電子束流340 PA、掃描時(shí)間10 μs、加速電壓15 kV的掃描電鏡圖片?？梢钥吹疆?dāng)將電子束流調(diào)整的過大超過170 PA時(shí)，配合高的加速電壓，激發(fā)出的電子信號(hào)較多，使得孔隙內(nèi)部的形貌也被刻畫出來，孔隙內(nèi)部的灰度值變化使得大孔提取的不完整。同時(shí)大量的電荷在孔隙邊緣發(fā)生堆積，導(dǎo)致提取出的孔隙大小發(fā)生改變，影響孔徑分布結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 不同電子束流不同加速電壓下的頁巖微觀孔隙SEM圖像Fig.2 SEM images of shale micropores under different probe currents and different accelerating voltagesa，b，c.電子束流5.4 PA，掃描時(shí)間10 μs，加速電壓分別為5，10和15 kV的SEM圖像；d.電子束流86 PA，掃描時(shí)間10 μs，加速電壓15 kV的SEM圖像

根據(jù)圖3中不同掃描參數(shù)對(duì)應(yīng)的SEM圖像提取出的孔隙數(shù)量對(duì)比直方圖可以看出，當(dāng)將電子束流調(diào)整的較低時(shí)，低加速電壓時(shí)提取出的孔隙面積和孔隙數(shù)量較高，說明低加速電壓下孔隙提取的較為完整，但是孔隙數(shù)量較多說明對(duì)于微小孔隙提取的較為完整，卻將大孔提取成了多個(gè)小孔的組合，從而導(dǎo)致提取出的孔徑分布與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。而逐漸將電子束流調(diào)大，高的加速電壓下孔隙數(shù)量逐漸變多，這說明加速電壓升高導(dǎo)致圖像質(zhì)量變好，從而導(dǎo)致提取出的孔隙較為完整。而提取出的孔隙面積反而隨著加速電壓增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。這主要是由于加速電壓逐漸增大，大孔提取逐漸完整，導(dǎo)致提取出的孔面積隨著加速電壓的增大而變大。而當(dāng)電子束流超過170 PA時(shí)，高加速電壓反而導(dǎo)致提取出的孔面積變小很多，證實(shí)了過大的加速電壓配合高電子束流，反而不利于孔隙的提取。

2.2 電子束流對(duì)孔隙提取的影響

電子槍發(fā)射束流，經(jīng)過聚光鏡調(diào)節(jié)，會(huì)聚成更小的束斑尺寸入射到樣品表面，其對(duì)應(yīng)的束流稱為電子束流。電子束流與束斑尺寸有著一定的關(guān)系，隨著電子束流的增大，束斑尺寸明顯增大，而后隨著電子束流的繼續(xù)增大，束斑尺寸的變化趨于平緩，兩者并不呈線性關(guān)系[41-42]。圖5為掃描時(shí)間10 μs、加速電壓5 kV，電子束流分別為5.4,21,43,86 PA的掃描電鏡圖像?？梢园l(fā)現(xiàn)在低加速電壓的情況下隨著電子束流的增大，SEM圖像的質(zhì)量逐漸變好，孔隙越來越清晰。同時(shí)可以看出隨著電子束流的增大，對(duì)較大孔隙內(nèi)部的刻畫越來越精細(xì)，且孔隙內(nèi)部逐漸變亮。這主要由于有機(jī)質(zhì)孔隙內(nèi)部表面較為粗糙，容易產(chǎn)生荷電效應(yīng)現(xiàn)象[43]，從而導(dǎo)致大孔提取的不完整。

圖6為提取出的不同電子束流下拍攝的SEM圖像中的微觀孔隙定量數(shù)據(jù)對(duì)比圖。由孔徑分布圖可以明顯的看出當(dāng)控制加速電壓小于10 kV時(shí)，逐漸增大電子束流，微小孔和大孔提取的逐漸完整，尤其是對(duì)大于80 nm的孔隙提取的更加準(zhǔn)確。這說明當(dāng)控制加速電壓不超過10 kV時(shí)增大電子束流對(duì)于孔隙的提取有利，但要控制電子束流不要超過170 PA，防止荷電積累過多導(dǎo)致提取出的孔隙面積偏小(圖1)。當(dāng)調(diào)整加速電壓達(dá)到15 kV時(shí)，逐漸增大電子束流，提取出的孔隙的孔徑分布是先變好后變差的，這主要是由于在高的加速電壓下，電子束流過大會(huì)在孔隙邊緣產(chǎn)生大量的電荷積累，導(dǎo)致提取出的孔面積整體偏小，孔徑分布范圍失真。同時(shí)當(dāng)電子束流超過170 PA時(shí)對(duì)于較大孔隙內(nèi)部的形貌也會(huì)被表現(xiàn)出來，這反而不利于孔隙的提取。由提取出的孔隙數(shù)量累積直方圖也可以看出隨著電子束流的增大，提取出的孔隙數(shù)量逐漸減少但孔隙面積反而逐漸增大，這更說明隨著電子束流的增大，圖像質(zhì)量變好，較大的孔隙被提取出來，可以更好的反應(yīng)出真實(shí)情況下的孔隙。而當(dāng)加速電壓過大時(shí)，電子束流超過170 PA的SEM圖像提取出的孔隙數(shù)量和面積都較少，這也驗(yàn)證了筆者對(duì)孔徑分布變化的分析。

2.3 掃描時(shí)間對(duì)孔隙提取的影響

對(duì)于掃描電鏡而言，由其拍攝的電鏡圖片都是由像素點(diǎn)組成的，每個(gè)像素點(diǎn)都可以選擇不同的駐留時(shí)間，每幀圖像總像素點(diǎn)乘以駐留時(shí)間就是每掃描一幀圖像所需要的時(shí)間，這就是掃描時(shí)間又稱為掃描速度。掃描時(shí)間的選擇也會(huì)影響拍攝的電鏡圖像的質(zhì)量，掃描時(shí)間越短，信號(hào)強(qiáng)度越弱且噪音干擾越強(qiáng)導(dǎo)致圖像的分辨率就越低。延長掃描時(shí)間會(huì)使噪音相互平均而抵消，可提高信噪比增加圖像的清晰度。但是掃描時(shí)間越長，電子束駐留在樣品上的時(shí)間就越長，會(huì)使得材料發(fā)生變形產(chǎn)生假象并降低圖像分辨率，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的荷電現(xiàn)象使得孔隙邊緣發(fā)生變化影響孔隙提取[44]。特別是對(duì)易發(fā)生荷電現(xiàn)象的非導(dǎo)體試樣或易損傷的有機(jī)樣品，觀察時(shí)駐留時(shí)間不可太長。圖7為加速電壓5 kV，電子束流21 PA不同掃描時(shí)間下拍攝的SEM圖像?？梢悦黠@觀察到隨著掃描時(shí)間的延長，圖像的信噪比逐漸升高，噪音干擾逐漸減弱，圖像的清晰度逐漸變好。

圖3 不同加速電壓下的SEM圖像提取出的微觀孔隙孔徑分布及孔隙數(shù)量對(duì)比Fig.3 The pore-size distribution and pore volume comparisons of micropores extracted by SEM images under different accelerating voltagesa. 5.4 pA不同加速電壓提取孔徑分布及孔隙數(shù)量對(duì)比；b. 21 pA不同加速電壓提取孔徑分布及孔隙數(shù)量對(duì)比；c. 43 pA不同加速電壓提取孔徑分布及孔隙數(shù)量對(duì)比；d. 68 pA不同加速電壓提取孔徑分布及孔隙數(shù)量對(duì)比；e. 170 pA不同加速電壓提取孔徑分布及孔隙數(shù)量對(duì)比；f. 340 pA不同加速電壓提取孔徑分布及孔隙數(shù)量對(duì)比

圖4 高電子束流高加速電壓下的頁巖微觀孔隙SEM圖像Fig.4 SEM images of shale microscopic pores under high probe current and high accelerating voltagea,b.電子束流340 PA，掃描時(shí)間10 μs，加速電壓15 kV的SEM圖像； b.紅色區(qū)域?yàn)橥ㄟ^MATLAB軟件最佳閾值法提取出的孔隙區(qū)域

圖5 低加速電壓不同電子束流下的頁巖微觀孔隙SEM圖像Fig.5 SEM images of shale micropores under different probe currents and lower accelerating voltagea，b，c，d.加速電壓5 kV，掃描時(shí)間10 μs，電子束流分別為5.4，21，43和86 PA的SEM圖像

圖8為加速電壓5 kV，電子束流86 PA，掃描時(shí)間為45 μs時(shí)拍攝的SEM圖像。由8b，c兩張分別對(duì)無機(jī)孔隙和有機(jī)孔隙的放大圖可以明顯看出，當(dāng)掃描時(shí)間過長時(shí)，會(huì)導(dǎo)致孔隙邊緣產(chǎn)生大量的電荷積累，嚴(yán)重影響孔隙提取的準(zhǔn)確性，而且長時(shí)間掃描同一區(qū)域，也有可能損壞樣品。因此對(duì)樣品的掃描時(shí)間并非越長越好。

圖6 不同電子束流下的SEM圖像提取出的微觀孔隙孔徑分布及孔隙數(shù)量對(duì)比Fig.6 The pore-size distribution and pore volume comparisons of micropores extracted by SEM images under different probe currentsa,b,c分別為不同加速電壓，掃描時(shí)間10 μs，不同電子束流下的SEM圖像通過MATLAB軟件自動(dòng)最佳閾值判別方法提取的頁巖微觀孔隙的定量數(shù)據(jù)；其中折線圖為不同電鏡參數(shù)相同視域的SEM圖像對(duì)應(yīng)的孔徑分布，柱狀圖為提取出的不同電鏡參數(shù)相同視域內(nèi)的孔隙數(shù)量

圖9為提取出的不同掃描時(shí)間下拍攝的SEM圖像中的微觀孔隙定量數(shù)據(jù)對(duì)比圖。由孔徑分布圖可以看出當(dāng)探針電流較低時(shí)，隨著掃描時(shí)間的延長，孔隙的提取更加準(zhǔn)確，說明當(dāng)電子束流低于43 PA時(shí)，掃描時(shí)間越長，對(duì)孔隙的提取越有利。由孔隙數(shù)量累積直方圖也可看出，隨著掃描時(shí)間的增長，孔隙提取的越好。但當(dāng)電子束流達(dá)到86 PA時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，掃描時(shí)間的變化對(duì)于孔徑分布的影響變得越來越小，但是根據(jù)提取出的孔隙面積的大小可以看出隨著掃描時(shí)間的延長，提取出的孔隙面積仍在增多。綜上所述，掃描時(shí)間越長，對(duì)孔隙的提取越為有利，但是當(dāng)電子束流過大時(shí)，掃描時(shí)間的變化對(duì)于孔徑分布的影響逐漸變小，因此當(dāng)電子束流較大時(shí)，應(yīng)該縮短掃描時(shí)間，以防荷電效應(yīng)對(duì)提取出的孔隙面積產(chǎn)生影響。

2.4 亮度與對(duì)比度值對(duì)孔隙提取的影響

調(diào)節(jié)亮度與對(duì)比度是掃描電鏡觀察時(shí)最基本的操作之一，根據(jù)操作習(xí)慣，每個(gè)人都有不同的調(diào)整偏好，這里面存在很多主觀因素的影響。但對(duì)于富有機(jī)質(zhì)頁巖微觀孔隙的定量分析而言，匹配較好的亮度與對(duì)比度調(diào)整范圍對(duì)于孔隙的提取有著非常重要的作用。亮度是指畫面的明亮程度，通過改變圖像的偏壓可以達(dá)到改變圖像亮度的目的。對(duì)比度是指圖像中由黑到白的漸變層次。對(duì)比度值越大，由黑到白的漸變層次越多，從而灰度圖像的層次表現(xiàn)越豐富?？刂乒怆姳对龉芨邏喊l(fā)生器的參比電壓,使其發(fā)生電壓變化,改變二次電子探測(cè)器的增益,達(dá)到圖象對(duì)比度調(diào)整的目的。前人對(duì)于亮度對(duì)比度的調(diào)整主要基于經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，本次研究通過定量分析不同亮度對(duì)比度的SEM圖像,得到亮度與對(duì)比度值對(duì)孔隙提取的影響。圖10為加速電壓8 kV，電子束流86 PA，掃描時(shí)間5 μs，固定對(duì)比度值82.5，不同亮度值的SEM圖像?？梢钥闯鲭S著亮度值逐漸升高，圖像灰度值逐漸增大，但是定性的觀察難以判斷亮度大小是否會(huì)影響頁巖微觀孔隙的提取，仍需對(duì)孔隙定量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖7 不同掃描時(shí)間下的頁巖微觀孔隙SEM圖像Fig.7 SEM images of shale micropores taken under different scanning timesa，b，c，d.加速電壓5 kV，電子束流21 PA，掃描時(shí)間分別為1，3，6和20 μs的SEM圖像

圖8 掃描時(shí)間為45 μs拍攝的頁巖微觀孔隙SEM圖像Fig.8 The SEM image of shale micropores taken at a scanning time of 45 μs a.加速電壓5 kV，電子束流86 PA，掃描時(shí)間為45 μs的SEM圖像； b，c.分別為無機(jī)孔隙和有機(jī)孔隙的放大圖，可以明顯看到孔隙邊緣大量電荷積累產(chǎn)生的荷電效應(yīng)現(xiàn)象

圖9 不同掃描時(shí)間下的SEM圖像提取出的微觀孔隙孔徑分布及孔隙數(shù)量對(duì)比Fig.9 The pore-size distribution and pore volume comparisons of micropores extracted by SEM images under different scanning timea，b，c，d分別為加速電壓5 kV，不同電子束流，不同掃描時(shí)間下的SEM圖像通過MATLAB軟件自動(dòng)最佳閾值判別方法提取的頁巖微觀孔隙的定量數(shù)據(jù)；其中折線圖為不同電鏡參數(shù)相同視域的SEM圖像對(duì)應(yīng)的孔徑分布，柱狀圖為提取出的不同電鏡參數(shù)相同視域內(nèi)的孔隙數(shù)量

圖11為加速電壓8 kV，電子束流86 PA，掃描時(shí)間5 μs，固定亮度值47.5，不同對(duì)比度值的SEM圖像?？梢钥闯鲭S著對(duì)比度的增大，圖像逐漸變得清晰，但當(dāng)對(duì)比度值過大超過87.5時(shí)，圖像中較大孔隙的內(nèi)部細(xì)節(jié)被凸顯出來，同時(shí)在孔隙邊緣產(chǎn)生大量荷電積累，這對(duì)孔隙的提取而言是不利的。

圖12a，b為提取出的不同亮度值和對(duì)比度值下拍出的SEM灰度圖中的微觀孔隙定量數(shù)據(jù)對(duì)比圖。可以看出隨著亮度的增加，孔隙提取的越完整。但是當(dāng)亮度值超過47.5時(shí)，提取出的孔隙數(shù)量和孔隙面積逐漸變差，說明當(dāng)亮度超過一定范圍后，圖像灰度值過高，通過灰度分割閾值對(duì)孔隙的提取能力變差了。因此亮度值要盡量控制在47.5左右為最佳。同時(shí)隨著對(duì)比度值的增大，灰度圖像的層次更為清晰，圖像質(zhì)量變好，提取孔隙的能力也隨之增強(qiáng)。但當(dāng)對(duì)比度值過高超過85時(shí)，圖像細(xì)節(jié)過分突出，反而導(dǎo)致提取出的大孔不完整，同時(shí)電荷積累現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致提取出的孔隙面積相應(yīng)減小。因此圖像的對(duì)比度值應(yīng)該控制在85左右，對(duì)孔隙的提取最為有利。

圖10 不同亮度值拍攝的頁巖微觀孔隙SEM圖像Fig.10 SEM images of shale micropores taken under different luminancea，b，c，d.加速電壓8 kV，電子束流86 PA，掃描時(shí)間5 μs，固定對(duì)比度值為82.5，調(diào)整亮度值分別為42.5，45，47.5和50的SEM圖像

圖11 不同對(duì)比度拍攝的頁巖微觀孔隙SEM圖像Fig.11 SEM images of shale micropores taken under different contrast valuesa，b，c，d.加速電壓8 kV，電子束流86 PA，掃描時(shí)間5 μs，固定亮度值為47.5，調(diào)整對(duì)比度值分別為80，82.5，85和87.5的SEM圖像

圖12 不同亮度、對(duì)比度值下的SEM圖像提取出的微觀孔隙孔徑分布及孔隙數(shù)量對(duì)比Fig.12 The pore-size distribution and pore volume comparisons of micropores extracted by SEM images under different luminance and contrast valuesa，b.分別為加速電壓8 kV，電子束流86 PA，掃描時(shí)間5 μs，不同亮度值和對(duì)比度值下的SEM圖像通過MATLAB軟件自動(dòng)最佳閾值判別方法提取的頁巖微觀孔隙的定量數(shù)據(jù)；其中折線圖為不同電鏡參數(shù)相同視域的SEM圖像對(duì)應(yīng)的孔徑分布，柱狀圖為提取出的不同電鏡參數(shù)相同視域內(nèi)的孔隙數(shù)量

3 結(jié)論

1) 在固定低電子束流時(shí)，低的加速電壓下微小孔隙的提取較為完整，但對(duì)大孔的提取并不完全，導(dǎo)致提取出的定量數(shù)據(jù)中微小孔隙的數(shù)量和面積較大而大孔幾乎沒有；當(dāng)固定高電子束流時(shí)，加速電壓越大大孔提取的越完整，但當(dāng)電子束流過大超過170 PA時(shí)，高加速電壓下提取出的誤差孔隙較多且提取的大孔面積小于低加速電壓下提取大孔的面積。因此在拍攝電鏡照片時(shí)電子束流控制在170 PA以下時(shí)，適當(dāng)增大加速電壓更有利于富有機(jī)質(zhì)頁巖微觀孔隙定量數(shù)據(jù)的提取。

2) 在調(diào)整加速電壓小于10 kV時(shí)，固定較大的電子束流，微小孔和大孔提取的較為完整。而當(dāng)調(diào)整加速電壓超過15 kV時(shí)，逐漸增大電子束流，提取出的孔隙先逐漸變得完整，后由于提取出的誤差孔逐漸增多導(dǎo)致微小孔面積增多，大孔面積反而減小。因此在拍攝電鏡圖片時(shí)，如果加速電壓控制在10 kV以下，固定較大的電子束流可使得提取出的孔隙定量信息較準(zhǔn)確。若由于分辨率等原因加速電壓要超過15 kV時(shí)，為防止荷電效應(yīng)現(xiàn)象對(duì)孔隙提取產(chǎn)生影響，盡量將電子束流控制在170 PA以下。

3) 當(dāng)固定電子束流低于86 PA時(shí)，掃描時(shí)間越長，提取出的誤差孔隙越少，微小孔和大孔提取的越完整。但當(dāng)調(diào)整電子束流超過86 PA時(shí)，掃描時(shí)間的變化對(duì)提取出的孔隙的定量數(shù)據(jù)影響逐漸變小，同時(shí)較大的電子束流下，隨著掃描時(shí)間的延長，荷電效應(yīng)現(xiàn)象逐漸增多，提取出的孔隙面積變小，且較長的掃描時(shí)間有可能損害樣品表面。因此在拍攝電鏡圖片時(shí)，若電子束流低于86 PA，則掃描時(shí)間越長提取出的孔隙定量數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，但當(dāng)電子束流超過86 PA時(shí)，要盡量縮短掃描時(shí)間，以防荷電積累過多影響孔隙定量信息的提取效果且對(duì)樣品表面產(chǎn)生損害。

4) 隨著亮度值的增大，孔隙提取的越完整，但當(dāng)亮度值超過47.5時(shí)，提取出的孔隙數(shù)量和孔面積逐漸減少，說明當(dāng)亮度值過低或過高時(shí)對(duì)孔隙定量信息的提取不利。當(dāng)對(duì)比度值逐漸增大時(shí)，孔隙提取的逐漸完整，但當(dāng)對(duì)比度值超過85時(shí)，圖像細(xì)節(jié)過分突出，反而導(dǎo)致提取出的大孔變得不完整。因此在拍攝電鏡圖片時(shí)，光憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)整亮度對(duì)比度值是不行的，亮度值要盡量控制在47.5左右為最佳，對(duì)比度值要盡量控制在85左右對(duì)孔隙提取最有利。