看看頁(yè)巖氣的“家”什么樣

楊玉茹 張春賀

“西氣東輸”“陜京三線”“川氣東送”……這些舉世矚目的天然氣輸送工程項(xiàng)目，使人們能夠輕松享受到來(lái)自遠(yuǎn)方的潔凈能源。這類天然氣主要賦存（居住）于砂巖中，也被稱為常規(guī)天然氣；還有一種天然氣是賦存于泥頁(yè)巖中的，被稱為頁(yè)巖氣。由于開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣資源需要配備較為特殊的壓裂改造技術(shù)，因此，頁(yè)巖氣通常又被稱為非常規(guī)天然氣。

雖然頁(yè)巖氣還沒(méi)有像常規(guī)天然氣那樣得到廣泛應(yīng)用，但隨著美國(guó)掀起的頁(yè)巖氣革命，以及全球除北美之外最大的頁(yè)巖氣田—重慶焦石壩頁(yè)巖氣田的探明，使得頁(yè)巖氣近年來(lái)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

因?yàn)轫?yè)巖氣主要賦存于泥頁(yè)巖中，所以泥頁(yè)巖可以稱為是頁(yè)巖氣的“家”。人類社會(huì)的家，都以房子作為居住單元，但是每家的房子結(jié)構(gòu)和大小卻各不相同，頁(yè)巖氣也是一樣，其賴以賦存的“家”或者說(shuō)“房子”的結(jié)構(gòu)和大小也各有不同。地質(zhì)學(xué)家對(duì)泥頁(yè)巖的研究表明，頁(yè)巖氣所居住的空間范圍，最大的特征是處于微米至納米的空間尺度上。要知道，1微米是1米的百萬(wàn)分之一，1納米又是1微米的千分之一，所以要想清楚地“看到”頁(yè)巖氣的“家”，即頁(yè)巖氣賦存的空間格局，利用一般的光學(xué)顯微鏡已經(jīng)力不從心。

幸運(yùn)的是，德國(guó)科學(xué)家恩斯特·魯斯卡和馬克斯·克諾爾在1931年研制出了第一臺(tái)透射電子顯微鏡。魯斯卡也因此在1986年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。電子顯微鏡主要包括透射式電子顯微鏡（TEM）和掃描式電子顯微鏡（SEM）兩大類。透射電子顯微鏡通常用于物相分析和組織分析，而微區(qū)的顯微成像通常采用掃描電子顯微鏡獲得。目前，世界進(jìn)行微區(qū)結(jié)構(gòu)分析采用最多的是高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，其特點(diǎn)是在真空、高壓場(chǎng)條件下，由電子槍發(fā)射電子束，在樣品表面激發(fā)出二次電子信號(hào)，逐點(diǎn)掃描并由探測(cè)器收集、處理，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像，進(jìn)而獲取研究對(duì)象表面在微米至納米級(jí)別上的特征。

現(xiàn)在，我們就通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡來(lái)看看頁(yè)巖氣的“家”是什么樣子。

首先，是特殊的樣品制備。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測(cè)泥頁(yè)巖的微納米結(jié)構(gòu)，通常是與氬離子拋光儀相結(jié)合，通過(guò)高速離子束轟擊泥頁(yè)巖樣品表面，消除泥頁(yè)巖樣品表面的粗糙而獲得高質(zhì)量的平面，之后將泥頁(yè)巖樣品置于場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡真空樣品倉(cāng)，進(jìn)而在場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡中實(shí)現(xiàn)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中納米級(jí)微觀孔隙的觀察。

場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡所揭示出的泥頁(yè)巖納米級(jí)結(jié)構(gòu)形貌表明，頁(yè)巖氣賴以賦存的“房子”構(gòu)成，有無(wú)機(jī)質(zhì)和有機(jī)質(zhì)兩大家族，我們分別稱之為“無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙家族（因?yàn)槲⒖p常見(jiàn)，也被稱為基質(zhì)孔縫家族）”和“有機(jī)質(zhì)孔隙家族”。因?yàn)轫?yè)巖氣通常產(chǎn)生于有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，所以，有機(jī)質(zhì)孔隙家族是其主要的賦存空間。有機(jī)質(zhì)孔隙家族的孔隙直徑一般在5～150納米，基質(zhì)孔縫家族的孔縫一般在1～10微米。因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)孔太小，甚至小到幾個(gè)納米，按照吸附理論，一般在小于50納米的孔隙中頁(yè)巖氣以吸附方式存在，在大于50納米的孔隙中則多以游離狀態(tài)存在，所以頁(yè)巖氣往往是以吸附或游離狀態(tài)“居住”在有機(jī)質(zhì)孔隙或基質(zhì)孔縫中。

下面的電子顯微鏡圖像顯示的就是頁(yè)巖氣的“家”的格局。

看到了吧！有機(jī)質(zhì)孔隙是以納米來(lái)衡量的！正因?yàn)轫?yè)巖氣的藏身之處非常細(xì)小，所以在泥頁(yè)巖中的滲透性非常差，我們必須采用較為復(fù)雜、先進(jìn)的壓裂技術(shù)才能讓頁(yè)巖氣從地下達(dá)到地面，因此，開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣的成本與常規(guī)天然氣相比還較高。但是頁(yè)巖氣是綠色能源，是有效利用地下資源保護(hù)環(huán)境的發(fā)展趨勢(shì)，所以我們應(yīng)當(dāng)倍加珍惜。