浅谈扫描电镜技术及其在胶结物类型识别中的应用

王钰婷

（西安石油大学，西安 710000）

扫描电子显微镜也称为扫描电镜（SEM）。它是用细小聚焦的电子束轰击其试样的表面，并在电子与样品相互作用下产生电子，即可对样品表面或断口的形貌进行观察分析。

扫描电子显微镜的特点如下：样品制备方法简单、方便快捷，且不破坏原样品、相对消耗小；放大范围大，可连续调节5万～30万倍；分辨率对光学显微镜而言高出很多，且显微图像景深大；成像更加直观立体，易于识别其形貌特征和进行解释；保真程度好，可以直接观察，无假像；可以对样品表面进行综合分析[1]。

1 扫描电子显微镜的原理与结构

如图1所示，扫描电子显微镜是由四个基本部分组成，即电子光学系统、样品室、信号探测、处理及显示系统和真空系统。其中，电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈、消像散器和光阑等[2]。

其运行的基本原理是在电子枪发射电子束后，通过电磁透镜的作用，以一定能量、束流强度和光束光斑缩小为细小的电子束，并在扫描线圈的驱动下，以一定时间和空间顺序进行网格式扫描。而聚焦的电子束与样品作用并发出各种物理信号。样品表面不同的信号可以通过探测器收集并且转换为电信号，然后在视频放大以后输入到管的栅极，即调制入射电子束同步扫描显像管，便获得试样表面的形貌成像。

图1 扫描电子显微镜结构

2 扫描电子显微镜在胶结物识别中的应用

胶结物是指孔隙溶液中过饱和组分的沉淀和疏松的沉积物固结成岩的作用。它主要发生在成岩作用早期和成岩作用晚期的各个阶段。此外，胶结物的主要胶结作用类型有硅质胶结作用、黏土矿物胶结作用和碳酸盐胶结作用。

2.1 硅质胶结

在成岩作用过程中，黏土矿物的转化和长石的溶蚀可以生成SiO2[3]。而当孔隙流体中SiO2含量过饱和且在孔隙中发生沉淀时，可以形成硅质胶结物或石英次生加大边。硅质胶结主要以石英的次生加大和晶体形式存在于残余孔隙和溶孔中。换言之，再生长石和石英是硅质胶结物最常见的形式。其中，再生长的石英胶结在成分成熟度和结构成熟度较高的石英砂岩中最为发育，且往往能使得碎屑石英形成良好的自形晶体。这是由于孔隙空间的热力学条件对重结晶更加有利。因此，硅质胶结物得含量越高，往往越会堵塞孔隙，使储层的物性条件变差。

无论在单偏光镜下还是在扫描电子显微镜下，人们都可以看到石英的次生加大现，同时也能发现单偏光镜下的景象为平面，而扫描电镜下则更加直观，具有三维立体感。此外，扫描电子显微镜的放大倍数是单偏光显微镜远远所不及的。

2.2 黏土矿物胶结

黏土矿物是一种较为重要的胶结物，常见的有高岭石、伊利石、绿泥石和蒙皂石。且各类黏土矿物可以在一定的条件下相互转化。譬如，绿泥石、伊利石可在酸性孔隙中转化为高岭石，因为高岭石在酸性介质条件下相对稳定，但随着介质环境从酸性逐渐变为碱性，高岭石的稳定性逐渐变弱[4]。

2.2.1 高岭石

在扫描电镜下，人们很容易认出高岭石，因为它的集合体通常呈手风琴状或蠕虫状，其主要发育在长石砂岩中。孔隙填充或替换其他矿物或其他自生夹杂物。

2.2.2 伊利石

伊利石常呈不规则的细小晶片，其集合体包括网状、头发丝状、丝密状分布于孔隙中。其胶结后的结果是堵塞孔隙，大大增大孔隙的曲率，同时降低了渗透率，使储层物性变差。

2.2.3 蒙皂石

蒙皂石在电子显微镜下常为皱纹状或蜂窝状。其一般发育在含火山物质的砂岩中。其在成岩作用的早期含量较丰富，但随着成岩作用的加强，将转变为其他种类的黏土矿物。

2.2.4 绿泥石

绿泥石其形态一般为针状、片状、绒球状或玫瑰花朵状[5]。其可从孔隙水中直接沉淀外，也可以由其他黏土矿物转变而来。

绿泥石胶结物对致密性储层的物性具有双重性。一方面，在成岩早期，绿泥石起到了支撑粒间孔隙的作用，其保存了一些原生孔隙，增加了抗压实能力。同时，降低了颗粒的接触面积，从而减少了压溶作用，即抑制了石英的次生加大。此外，绿泥石具有大量的晶间孔隙，可以为后期的酸性水流动提供有效的输送通道，从而促进溶解作用的发生，这样改善了储层的孔隙度和渗透率，对储层的物性具有建设性作用。另一方面，当绿泥石体积分数增加较大时，绿泥石将阻碍孔隙喉道的畅通，使得储层孔渗性变差，对储层的物性具有破坏作用。

2.3 碳酸盐胶结

碳酸盐胶结物发育十分普遍，如方解石、白云石、铁白云石和文石等。最为广泛分布和常见的是方解石，其次是白云石。方解石和白云石在扫描电子显微镜下都呈菱形，且光学性质十分相似，很难区分。因此，当需要辨别这两种矿物时，人们通常会使用铁氰化钾+茜素红进行染色，并且在单偏光镜下进行观察。对比发现，染色后的方解石在单偏光镜下呈橙红色，而白云石不变色。

3 结语

通过胶结物的扫描电子显微镜图，人们可以发现：相对于单偏光、正交偏光，扫描电镜图更加直观、立体，能直接观察样品的粗糙表面和断口形态，使人具有亲临微观现场之感；其分辨率非常高，可以看到超微结构的形态和组成。

此外，胶结物对储层总体来说有破坏性作用。其中，硅质胶结和碳酸盐胶结使得孔隙减小，储层物性变差；而黏土矿物胶结由于自身有微裂缝等原因，其起双重性作用，特别是绿泥石成岩作用早期对粒间孔隙起支撑作用，保存了一些原生孔隙，增加了岩石的压实能力，减少了颗粒的接触面积，有效地抑制了压溶作用的发生，但是当绿泥石体积分数继续增加到一定值时，绿泥石衬边就会阻碍孔隙喉道的流通，从而使储层性质变差。