魯 鋒，李照陽，楊 召，張劉平，劉 金，李璐璐，劉向軍

1.中國石油 新疆油田分公司 實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.新疆頁巖油勘探開發(fā)重點實驗室，新疆 克拉瑪依 834000；3.防災科技學院 地球科學學院，河北 三河 065201；4.中國科學院 地質(zhì)與地球物理研究所 油氣資源研究重點實驗室，北京 100029

頁巖油指頁巖層系(包含其中的致密碳酸鹽巖和碎屑巖夾層)中的石油[1]。亞微米級孔隙(100～1 000 nm)是頁巖油的重要儲集空間[2-3]。掃描電鏡可用來觀測亞微米甚至納米級孔隙，但難以觀測含油性。盡管用能譜可分析組分，但束斑為1～3 μm，分辨率仍較低[4]，且不能區(qū)分輕質(zhì)組分(主要指輕質(zhì)油，含飽和烴和芳烴)和重質(zhì)組分(包括重質(zhì)油、膠質(zhì)瀝青質(zhì)和生烴母質(zhì))。常規(guī)熒光顯微鏡的分辨率低，不能觀測亞微米孔隙的含油性。頁巖油勘探開發(fā)亟需一種新的孔隙含油性觀測技術。

激光掃描共聚焦顯微鏡(Laser Scanning Confocal Microscope，LSCM)采用共軛聚焦技術，可進行二維和三維掃描與成像, 可放大5 000～10 000倍[5]，因而可進行亞微米級觀測。其在石油地質(zhì)領域的應用主要包括孔隙結(jié)構(gòu)[6-16]、化石的顯微構(gòu)造[17-21]、烴源巖有機質(zhì)[6]、油層水淹狀況[20]、乳化油[7,20]和油包裹體[22-28]等。在孔隙結(jié)構(gòu)方面，前人[3-7,9]用熒光劑加入環(huán)氧樹脂, 并將其注入已洗油的樣品，進而制成鑄體薄片，通過熒光掃描進行孔隙觀測。但是，當孔喉小于2 μm或巖石滲透率低于0.1×10-3μm2時，環(huán)氧樹脂難以注入[3,7]，因此，該方法未充分發(fā)揮激光掃描共聚焦顯微鏡的高分辨優(yōu)勢，不能觀察亞微米孔隙，且不能觀測含油性。對含油巖石薄片進行激光共聚焦掃描，利用熒光信號可觀測含油性，且可區(qū)分輕、重質(zhì)組分[29]。然而，現(xiàn)有方法不能消除礦物所發(fā)熒光的干擾[20,29]，在熒光礦物較為發(fā)育的情況下，會得出錯誤的結(jié)果。

針對上述問題，2013年以來我們與德國卡爾蔡司(Carl Zeiss)公司合作，修改了激光掃描共聚焦顯微鏡的光路配置，使之能夠同步檢測反射光和多種波長的熒光信號，提高了觀測分辨率并消除了發(fā)熒光礦物的干擾，實現(xiàn)了亞微米級孔隙及其含油性的直接觀測。在準噶爾盆地吉木薩爾凹陷的應用中，發(fā)現(xiàn)輕、重質(zhì)組分含量及其比值的分布具有顯著的非均一性。輕、重質(zhì)組分含量及其比值是頁巖油勘探開發(fā)所需的重要信息，應用改造了的激光掃描共聚焦顯微鏡和反射光—熒光聯(lián)合掃描方法，對頁巖中的輕、重質(zhì)組分含量及其比值進行系統(tǒng)觀測與研究，可為頁巖油勘探開發(fā)提供重要的基礎依據(jù)。

1 儀器條件與觀測方法

激光掃描共聚焦顯微鏡主要分為反射光和熒光觀測兩類，分別用于材料和生命科學領域。而在石油地質(zhì)領域，只有通過反射光和多重熒光同步掃描，才能較好地觀測巖石孔隙及其含油性。為此，對卡爾蔡司公司激光掃描共聚焦顯微鏡(型號：LSM 700)中的主分光器(MBS)及檢測器(PMT1和PMT2)的前置濾光片配置進行了調(diào)整，使之能夠同時進行亞微米級的反射光和多重熒光掃描。改造后的設備既可對薄片樣品進行反射光單一掃描，觀測微米—亞微米孔隙，又可進行反射光和熒光的多重同步掃描，觀測微米—亞微米級孔隙的含油性。

1.1 亞微米孔隙單一觀測

亞微米級孔隙觀測需較高的分辨率，應選用倍數(shù)較高的物鏡(如100倍)、波長較短的激光光源(如405 nm)和較小的孔徑(0.3 AU)，根據(jù)需要，還可提高掃描區(qū)域的放大參數(shù)。采用一個檢測器(PMT)接收反射光，即短波部分(如405～420 nm)，同時濾掉長波熒光(如420～700 nm)；反射光遠強于熒光，沒濾掉的少量短波熒光被較強的反射光壓制，因此，以這種方式獲得的圖像為反射光圖像。圖像尺寸可設置為1 024×1 024像素。為確保亞微米級觀測的圖像質(zhì)量，需對激光強度、掃描增益和掃描速率進行優(yōu)化，三維逐層掃描的縱向間隔可設置為小于0.2 μm。礦物的表面具有較強的反射，而孔隙的反射光較弱或無反射，且其反射位置低于拋光面，因此利用反射光的強度圖像和三維顯微“地形圖”可鑒定孔隙(圖1)。

圖1a為反射光掃描的強度圖，綠色顯示樣品表面的強反射，反映巖石的礦物；黑色表示弱反射或無反射，可反映孔隙。但是，如果巖石中存在弱反射物質(zhì)，僅用強度圖判斷可能會得出錯誤的結(jié)論，因此，需用反射光掃描的顯微“地形圖”進一步確認。如前所述，激光掃描共聚焦顯微技術可記錄強、弱反射光的三維空間位置，孔隙在反射光“地形圖”中表現(xiàn)為“洼陷”。圖1b是圖1a的顯微“地形圖”，兩者看起來差異較大，但實際視域和分辨率相同。用“地形圖”進一步確認孔隙后，針對圖1a所示的孔隙，可用地質(zhì)顯微圖像分析軟件(如OLYCIA g3)進行定量分析。打開激光共聚焦掃描的反射光強度圖，用拾色工具和二值化工具進行分割，提取孔隙的分布區(qū)域；利用軟件功能，對孔隙的分布區(qū)域進行統(tǒng)計，可得到亞微米級分辨率的面孔率。

原油和膠質(zhì)瀝青質(zhì)的反射光遠比礦物的反射光弱，且在拋光片中以“洼地”的形式存在。用上述方法統(tǒng)計出的孔隙，包括了原油、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)占據(jù)的孔隙。因此，采用這種孔隙觀測方式，不需要事先抽提巖石樣品中的原油、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。

1.2 亞微米孔隙與含油性聯(lián)合觀測

觀測亞微米級孔隙與含油性時，需進行反射光—熒光聯(lián)合掃描，用2個檢測器(PMT)分別接收反射光(如405～420 nm)和熒光(如420～700 nm)信號。根據(jù)反射光和熒光信號的強度與清晰度，分別調(diào)節(jié)相應通道的激光強度和掃描增益，使掃描圖像能清晰反映孔隙和有機組分(包括原油、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和生烴母質(zhì))。

但是，碳酸鹽礦物有時也發(fā)熒光，對觀測輕、重質(zhì)組分構(gòu)成干擾。用反射光信號覆蓋熒光信號，可消除礦物所發(fā)熒光的干擾。如圖2a所示，熒光顯微鏡下碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)黃色熒光，孔隙中的原油發(fā)藍色熒光。應用激光掃描共聚焦顯微鏡進行了反射光—熒光聯(lián)合掃描，結(jié)果分別示于圖2b和圖2c。將反射光和熒光信號疊置，反射光信號覆蓋了礦物所發(fā)的熒光信號，從而消除了礦物所發(fā)熒光的干擾(圖2d)。其原因是，礦物對光的反射位置普遍高于其發(fā)熒光的位置，且反射光的信號遠強于熒光信號。反射光的波長比熒光短，因此，反射光掃描圖像的分辨率高于熒光掃描圖像。在反射光—熒光疊置圖中，用反射光圖像限定熒光的顯示邊界，還可在一定程度上提高熒光掃描結(jié)果的分辨率。

在反射光和熒光聯(lián)合掃描中，為獲得較高的分辨率，除選擇高放大倍數(shù)的物鏡外，也可調(diào)節(jié)掃描區(qū)域的放大參數(shù)，進行高分辨掃描。圖3a顯示熒光顯微鏡觀測的照片，受分辨率的限制，不能觀測亞微米級孔隙及其含油性。用激光掃描共聚焦顯微鏡觀測，放大5 000倍后，亞微米級孔隙的形狀、邊界及其中的原油已清晰可見(圖3b和3c)。圖3b中標出的原油在圖3a中發(fā)黃白色熒光，屬于原油或油質(zhì)瀝青的熒光顯示。

值得注意的是，薄片樣品的制備也十分重要。如果膠水發(fā)熒光，勢必對觀測構(gòu)成干擾。因此，在制備過程中，須選用不發(fā)熒光的膠水，并經(jīng)過嚴格的熒光測試，以排除膠水熒光的干擾。

頁巖亞微米孔隙中的重質(zhì)油，若不改質(zhì)，難以開采，而輕質(zhì)油(輕質(zhì)組分)較易開采。因此，頁巖孔隙中輕質(zhì)組分與重質(zhì)組分(重質(zhì)油、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和生烴母質(zhì))的含量及其比值，對于頁巖油勘探開發(fā)而言十分重要。藻類體是重要的生烴母質(zhì)，這里歸入重質(zhì)組分。頁巖油發(fā)出的熒光可反映原油的成熟度和密度。隨著成熟度的提高，較小的二、三環(huán)芳香烴(如萘)增多，較大的四、五環(huán)芳香烴(如芘)減少，油質(zhì)由重變輕，熒光顏色發(fā)生藍移，即褐色—橙色—黃色—藍色—亮藍色[30]。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和生烴母質(zhì)(包括藻類體)發(fā)出的熒光以褐色和橙色為主。我們研究過原油熒光與成熟度的關系，進一步證明用不同波長的熒光可區(qū)分輕、重質(zhì)組分[30]。前人[29,31]通過反復實驗，以 488 nm 和633 nm雙波長激光激發(fā)樣品，分別接收500～600 nm 和650～750 nm波段的熒光信號，實現(xiàn)了重質(zhì)組分和輕質(zhì)組分的觀測。

鑒于短波激光可激發(fā)出長波熒光，因此，僅用短波激光激發(fā)，分別接收長、短波熒光，也可觀測重質(zhì)組分和輕質(zhì)組分。要區(qū)分輕質(zhì)組分和重質(zhì)組分，需先確定兩者的熒光波長界線。本文應用高分辨微束熒光光譜儀(型號：Horiba iHR320)對吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖進行了微米級原位測試(圖4)。該光譜儀裝配有3個光柵、一個單色器和CCD檢測器。熒光光譜的測試范圍為400～700 nm?；跍y試的熒光光譜，可獲得主峰波長(λmax)和紅綠商(Q650/500)[30]。這2個參數(shù)可較好地反映前文所述的“藍移”或“紅移”。表1列出了吉41井頁巖樣品的熒光參數(shù)。圖5中，吉41井的樣品呈現(xiàn)出2個點群：其一，主峰波長較短且紅綠商偏低，主要發(fā)藍色熒光(圖4a)，為輕質(zhì)組分；其二，主峰波長較長且紅綠商偏高，主要發(fā)橙色熒光(圖4b)，是重質(zhì)組分。兩者之間的界限為560 nm。該界線與松遼盆地輕、重質(zhì)組分的劃分界限[29]有一定差異，可能是因為這2個盆地的生烴母質(zhì)不完全相同，熱演化歷史不同。

反射光—雙熒光掃描需要設置2個通道：通道1的檢測器仍接收反射光；通道2的2個檢測器(PMT1和PMT2)分別接收短波(如420或490～560 nm)和長波(如560～700 nm)熒光信號。熒光信號一般較弱，對長、短波熒光分別掃描，信號更弱。為實現(xiàn)亞微米級觀測，在確保分辨率的基礎上，可適當調(diào)大針孔。然后，根據(jù)樣品的反射光和熒光強度，分別調(diào)節(jié)2個通道的激光強度和掃描增益，使圖像清晰，并避免“過曝光”和“曝光不足”。最后設置縱向掃描的間隔，頁巖亞微米孔隙及其含油性觀測的掃描間隔一般小于0.2 μm。完成逐層掃描后，疊合反射光和長、短波2種熒光信號，得到孔隙、重質(zhì)組分和輕質(zhì)組分的特征(圖6)。疊合后的熒光顯示范圍(圖6d)小于疊置前(圖6b)，礦物所發(fā)熒光的干擾也已被排除。

輕質(zhì)組分(圖6d中的綠色部分)、重質(zhì)組分(圖6d中的黃色和橙色部分)的定量分析，也用地質(zhì)顯微圖像分析軟件(如OLYCIA g3)進行處理。打開激光共聚焦掃描的反射光—熒光疊合圖，用拾色工具和二值化工具進行分割，分別提取輕質(zhì)組分和重質(zhì)組分的分布區(qū)域。利用軟件功能，對不同組分的分布區(qū)域進行統(tǒng)計，得到輕、重質(zhì)組分的含量，并由此計算輕/重比。研究中發(fā)現(xiàn)，同一樣品、不同視域的輕、重質(zhì)組分含量變化較大，輕/重比的變化更加劇烈。為此，需測試多個視域，先計算多個觀測視域中輕、重質(zhì)組分含量的平均值，然后再計算均值的比值，暫稱輕重均值比。

通常，微米級孔隙需用偏光顯微鏡觀察鑄體薄片(參見石油天然氣行業(yè)標準SY/T 6103)，而含油性用熒光顯微鏡觀察熒光薄片(石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5614)。用激光掃描共聚焦顯微鏡對熒光薄片進行反射光—熒光聯(lián)合掃描，可同時觀測微米—亞微米級孔隙與含油性，觀測效率較高。

2 在頁巖油研究中的應用

自2010年以來，準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油的勘探取得了突破[32-33]，并在我國首次實現(xiàn)了工業(yè)化規(guī)模開發(fā)，井控甜點段資源量為11.1×108t，將建成我國首個百萬噸級頁巖油生產(chǎn)基地。輕質(zhì)組分含量和輕重均值比是頁巖油勘探開發(fā)所需的重要信息，觀測與研究其分布規(guī)律，可為進一步提高頁巖油勘探開發(fā)成效提供重要依據(jù)。

吉木薩爾凹陷是在中石炭統(tǒng)褶皺基底上發(fā)展起來的一個西斷東超箕狀凹陷，其西、北與南部邊界均為斷裂，沉降中心位于凹陷西部。蘆草溝組頂面構(gòu)造為一西傾單斜(圖7)。頁巖油儲層的巖石類型主要為砂質(zhì)、云質(zhì)和泥質(zhì)巖等[34-36]。蘆草溝組發(fā)育上下兩套甜點體[37-38]。下甜點體主要分布在蘆草溝組一段二砂組，該砂組進一步分為上、中、下3個組合。吉41井位于凹陷中部，上組合深度為4 027～4 042 m；中組合深度為4 042～4 068 m；下組合深度為4 068～4 094 m(圖8)。該井中、下組合水平井段(4 234.5～5 234.0 m)已獲工業(yè)油流，日產(chǎn)原油39.2 t。為進一步查明獲得較高產(chǎn)量的原因，在中組合采集樣品4件，下組合4件(圖8)。樣品的巖性為粉砂質(zhì)泥巖、白云質(zhì)泥巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖。

在圖9和圖10中，用綠色表示輕質(zhì)組分(發(fā)短波熒光)，紅色表示很重的重質(zhì)組分(發(fā)長波熒光)；黃色和橙色為綠色和紅色的混合色，反映較重的原油。圖9顯示，多數(shù)樣品的重質(zhì)組分(黃、橙、紅色)與輕質(zhì)組分(綠色)之間尚未完全互溶。吉41井4 053.65 m處的樣品中，輕質(zhì)組分相對較少，主要分布于較小的孔隙(<5 μm)，呈星點狀(圖9a)。但是，在圖10中，輕質(zhì)組分也呈斑塊狀分布；重質(zhì)組分較多，在較大孔隙(>5 μm)和較小孔隙中均有分布，以斑塊狀和星點狀為主(圖9和圖10)。

在同一樣品不同視域之間，輕、重質(zhì)組分的含量與輕/重比變化較大，輕質(zhì)組分含量的最小值和最大值之間相差5倍以上，輕/重比最小值和最大值之間相差可達4倍以上(表2)。為獲得代表性數(shù)據(jù)，每個樣品均觀測了5個視域，取其平均值為觀測結(jié)果。鑒于比值的相對誤差約是含量誤差的兩倍，且變化強烈，本文先計算含量的平均值，然后再計算均值的比值，即輕重均值比。

蘆草溝組頁巖中的生烴母質(zhì)以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，成熟度Ro為0.6%～1.1%，平均約0.9%[23]。在吉41井區(qū)，蘆一段二砂組的成熟度Ro約為1.0%。該套頁巖的輕質(zhì)組分平均含量為0.63%(0.00%～1.87%)，重質(zhì)組分平均含量為0.78%(0.10%～2.96%)，輕重均值比為0.80(0.00～3.14)。輕、重質(zhì)組分含量和輕重均值比在縱向上變化較大(圖8)。吉41井4 055 m處(中組合)的砂層，總組分含量較高，但輕質(zhì)組分和輕重均值比都低，頁巖油的可動性差，在不進行改質(zhì)的情況下，難以開采。但是，在中組合和下組合的界面附近(圖8)，輕質(zhì)組分含量較高，輕重均值比很高(3.14)，就油質(zhì)而言，可動性較強，有利于獲得較高的產(chǎn)量。隨埋藏進一步加深，有機質(zhì)成熟度會略有升高，但輕質(zhì)組分卻明顯降低(圖8)。因此，有機質(zhì)成熟度不是控制輕質(zhì)組分及輕重比分布的唯一因素，在頁巖層系內(nèi)部，運移會改變輕質(zhì)組分以及輕重均值比值原有的分布特征。提高激光掃描共聚焦顯微鏡觀測的樣品密度，結(jié)合其他地質(zhì)、地球化學資料，系統(tǒng)觀測與研究輕質(zhì)組分的分布規(guī)律與主控因素，能為頁巖油勘探開發(fā)提供重要依據(jù)。

3 認識與結(jié)論

(1)激光掃描共聚焦顯微鏡具有較高的分辨率，通過修改其光路配置，可進行反射光和雙熒光聯(lián)合掃描。將反射光和熒光聯(lián)合掃描生成的強度圖疊置，可直接獲取微米—亞微米級孔隙及其含油性信息，并消除礦物所發(fā)熒光的干擾。這種方法彌補了常規(guī)手段(掃描電鏡、偏光和熒光顯微鏡)不能有效觀測亞微米孔隙含油性的不足，而且可同時觀測孔隙與含油性，觀測效率較高。

(2)吉木薩爾凹陷吉41井蘆草溝組下甜點的頁巖油在中、下組合多呈不規(guī)則形狀、斑塊狀和星點狀；輕質(zhì)組分(熒光波長400～560 nm)的平均含量為0.63%，重質(zhì)組分(熒光波長560～700 nm)的平均含量為0.78%，輕重均值比的平均值為0.80。輕質(zhì)和重質(zhì)組分的分布具有顯著的非均一性，在中、下組合的界面附近，輕質(zhì)組分較為富集，應是該井獲得較高產(chǎn)量的一個重要原因。

(3)頁巖中輕、重質(zhì)組分含量和輕重均值比對于頁巖油勘探開發(fā)十分重要，但其分布具有較強的非均一性。系統(tǒng)觀測、研究輕、重質(zhì)組分和輕重均值比的主控因素與分布規(guī)律，可為頁巖油勘探開發(fā)提供重要依據(jù)。