看看页岩气的“家”什么样

杨玉茹 张春贺

“西气东输”“陕京三线”“川气东送”……这些举世瞩目的天然气输送工程项目，使人们能够轻松享受到来自远方的洁净能源。这类天然气主要赋存（居住）于砂岩中，也被称为常规天然气；还有一种天然气是赋存于泥页岩中的，被称为页岩气。由于开发页岩气资源需要配备较为特殊的压裂改造技术，因此，页岩气通常又被称为非常规天然气。

虽然页岩气还没有像常规天然气那样得到广泛应用，但随着美国掀起的页岩气革命，以及全球除北美之外最大的页岩气田—重庆焦石坝页岩气田的探明，使得页岩气近年来成为人们关注的热点。

因为页岩气主要赋存于泥页岩中，所以泥页岩可以称为是页岩气的“家”。人类社会的家，都以房子作为居住单元，但是每家的房子结构和大小却各不相同，页岩气也是一样，其赖以赋存的“家”或者说“房子”的结构和大小也各有不同。地质学家对泥页岩的研究表明，页岩气所居住的空间范围，最大的特征是处于微米至纳米的空间尺度上。要知道，1微米是1米的百万分之一，1纳米又是1微米的千分之一，所以要想清楚地“看到”页岩气的“家”，即页岩气赋存的空间格局，利用一般的光学显微镜已经力不从心。

幸运的是，德国科学家恩斯特·鲁斯卡和马克斯·克诺尔在1931年研制出了第一台透射电子显微镜。鲁斯卡也因此在1986年獲得诺贝尔物理学奖。电子显微镜主要包括透射式电子显微镜（TEM）和扫描式电子显微镜（SEM）两大类。透射电子显微镜通常用于物相分析和组织分析，而微区的显微成像通常采用扫描电子显微镜获得。目前，世界进行微区结构分析采用最多的是高分辨率场发射扫描电子显微镜，其特点是在真空、高压场条件下，由电子枪发射电子束，在样品表面激发出二次电子信号，逐点扫描并由探测器收集、处理，将信号转换成图像，进而获取研究对象表面在微米至纳米级别上的特征。

现在，我们就通过场发射扫描电子显微镜来看看页岩气的“家”是什么样子。

首先，是特殊的样品制备。利用场发射扫描电子显微镜观测泥页岩的微纳米结构，通常是与氩离子抛光仪相结合，通过高速离子束轰击泥页岩样品表面，消除泥页岩样品表面的粗糙而获得高质量的平面，之后将泥页岩样品置于场发射扫描电子显微镜真空样品仓，进而在场发射扫描电子显微镜中实现泥页岩储层中纳米级微观孔隙的观察。

场发射扫描电子显微镜所揭示出的泥页岩纳米级结构形貌表明，页岩气赖以赋存的“房子”构成，有无机质和有机质两大家族，我们分别称之为“无机质孔隙家族（因为微缝常见，也被称为基质孔缝家族）”和“有机质孔隙家族”。因为页岩气通常产生于有机质泥页岩，所以，有机质孔隙家族是其主要的赋存空间。有机质孔隙家族的孔隙直径一般在5～150纳米，基质孔缝家族的孔缝一般在1～10微米。因为有机质孔太小，甚至小到几个纳米，按照吸附理论，一般在小于50纳米的孔隙中页岩气以吸附方式存在，在大于50纳米的孔隙中则多以游离状态存在，所以页岩气往往是以吸附或游离状态“居住”在有机质孔隙或基质孔缝中。

下面的电子显微镜图像显示的就是页岩气的“家”的格局。

看到了吧！有机质孔隙是以纳米来衡量的！正因为页岩气的藏身之处非常细小，所以在泥页岩中的渗透性非常差，我们必须采用较为复杂、先进的压裂技术才能让页岩气从地下达到地面，因此，开发页岩气的成本与常规天然气相比还较高。但是页岩气是绿色能源，是有效利用地下资源保护环境的发展趋势，所以我们应当倍加珍惜。