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飛納電鏡在石油化工中的應用

 釋出時間₪╃:2022-09-30 點選量₪╃:911
隨著石油資源的消耗↟✘◕,油氣開採重點轉移到了頁岩油方向↟✘◕,高質量的壓裂支撐劑可以提供更好的油氣滲透率↟✘◕,實現油氣增產▩·☁。綠色低碳的發展理念也促使相關企業展開高效環保的石化催化劑✘↟▩☁、高附加值✘↟▩☁、高效能石化產品的研製▩·☁。在石化產品的開採✘↟▩☁、煉製✘↟▩☁、生成過程中↟✘◕,掃描電子顯微鏡能夠同時對樣品進行微區形貌和成分分析↟✘◕,為生成工藝的改進和產品研發提供參考▩·☁。

沉積岩微觀形貌和成分分析

沉積岩↟✘◕,又稱水成岩↟✘◕,是三種組成地球岩石圈的主要岩石之一↟✘◕,主要包括石灰岩✘↟▩☁、砂岩✘↟▩☁、頁岩等↟✘◕,是地殼發展演化的產物▩·☁。在地球地表↟✘◕,有 70% 的岩石是沉積岩↟✘◕,但如果從地球表面到 16 公里深的整個岩石圈算↟✘◕,沉積岩只佔 5%↟✘◕,但其中所含有的礦產↟✘◕,佔全部世界礦產蘊藏量的 80%▩·☁。

紋層是沉積岩中肉眼可見的最小層次結構↟✘◕,紋層的形成大多跟一年的季節變化有關↟✘◕,由沉積物物源的變化而形成▩·☁。頁岩紋層是控制頁岩油儲集層發育✘↟▩☁、石油運聚和“甜點"分佈等的重要因素[1]↟✘◕,透過掃描電鏡可以清楚的觀察紋岩層的紋理✘↟▩☁、顆粒大小及形貌[2]▩·☁。

沉積岩3.jpg 沉積岩4.jpg

沉積岩微觀形貌

利用 SEM 能譜儀可以得到詳細的沉積岩成分資訊↟✘◕,結合細粒沉積岩成分組分✘↟▩☁、結構形態✘↟▩☁、顏色✘↟▩☁、平面上的展布規律✘↟▩☁、古生物和古植物化石等對古代湖泊沉積微環境劃分↟✘◕,對代湖泊的沉積環境與沉積特徵進行了細緻解剖↟✘◕,可以預測生油巖與儲集巖分佈[3]▩·☁。
 

沉積岩1.jpg 沉積岩2.jpg

沉積岩微觀形貌及 EDS 面掃分佈圖
 
壓裂液及支撐劑的分析研究

壓裂液是指由多種新增劑按一定配比形成的非均質不穩定的化學體系↟✘◕,是對油氣層進行壓裂改造時使用的工作液↟✘◕,包括常見的瓜爾膠✘↟▩☁、纖維素衍生物等等▩·☁。它的主要作用是將地面裝置形成的高壓傳遞到地層中↟✘◕,使地層破裂形成裂縫並沿裂縫輸送支撐劑▩·☁。壓裂液的微觀結構表徵對於壓裂液效能的分析具有重要的指導作用▩·☁。

但由於壓裂液含有水✘↟▩☁、油等液體↟✘◕,不能使用掃描電鏡直接觀察↟✘◕,配備溫控杯的飛納電鏡↟✘◕,可以對樣品快速冷凍後↟✘◕,觀察到更真實的壓裂液形貌▩·☁。如下述案例中所示↟✘◕,是利用飛納電鏡溫控杯觀察到的壓裂液凝膠昇華的動態過程▩·☁。同時↟✘◕,透過孔徑分析軟體可以對壓裂液微觀孔洞尺寸及分佈進行統計↟✘◕,並生成報告▩·☁。
 

壓裂液.jpg

不同昇華條件下壓裂液膠體的 SEM 形貌

壓裂液-孔徑.jpg 壓裂液-孔徑分析.png

壓裂液微觀孔徑分析

油層水力壓裂的過程是在地面採用高壓大排量的泵↟✘◕,利用液體傳壓的原理↟✘◕,將具有一定粘度的液體(通常稱之為壓裂液)↟✘◕,以大於油層吸收能力的壓力向油層注入↟✘◕,並使井筒內壓力逐漸升高↟✘◕,從而在井底憋起高壓↟✘◕,當此壓力大於井壁附近的地應力和地層岩石的抗張強度時↟✘◕,便在井底附近地層產生裂縫₪╃:繼續注入帶有支撐劑的攜砂液↟✘◕,裂縫向前延伸並填以支撐劑↟✘◕,關井後裂縫閉合在支撐劑上↟✘◕,從而在井底附近地層內形成具有一定幾何尺寸和高導流能力的填砂裂縫↟✘◕,使油井達到增產增注的目的▩·☁。高強度✘↟▩☁、低密度✘↟▩☁、粒徑均勻✘↟▩☁、球形度好的支撐劑可以使填充後的裂縫有更好的滲透性↟✘◕,常用的支撐劑有石英砂↟✘◕,陶粒等↟✘◕,利用掃描電子顯微鏡可以對支撐劑的形貌✘↟▩☁、尺寸進行精確的觀察↟✘◕,並且結合 Phenom Particle Metric 顆粒統計系統可以快速的對支撐劑的粒徑✘↟▩☁、圓度進行分析▩·☁。

陶瓷支撐器.jpg

陶瓷支撐劑 SEM 形貌分析

支撐劑7.jpg

支撐劑全自動顆粒統計系統

石化催化劑的分析研究

石油的主要成分是烷烴↟✘◕,化學性質十分穩定↟✘◕,沒有什麼化學活性↟✘◕,除了燃燒外幾乎沒有其他作用▩·☁。催化裂解是剪斷石油長鏈分子的過程↟✘◕,同時還能生成不飽和烴和芳香烴↟✘◕,是石油化工的基石▩·☁。因此↟✘◕,裂化可以說是從原油到化工產品無缺失的一環↟✘◕,而在這個過程中↟✘◕,催化劑扮演著重要的角色▩·☁。利用掃描電鏡可以檢測催化劑的表面和斷面的形貌↟✘◕,結合能譜可以對微區的成分進行定性半定量的分析↟✘◕,給催化劑的研發和效能評定提供依據▩·☁。

掃描電鏡下的催化劑晶體顆粒.png 掃描電鏡下的球形催化劑顆粒.png

掃描電鏡下的催化劑晶體顆粒

石化產品的分析研究

以石油或石油氣為原料生產出的產品稱之為石油化工產品▩·☁。石油化工產品多達數千種,其中最重要的有六大基礎原料(乙烯✘↟▩☁、丙烯✘↟▩☁、丁烯✘↟▩☁、苯✘↟▩☁、甲苯✘↟▩☁、二甲苯),三大合成材料(塑膠✘↟▩☁、合成纖維✘↟▩☁、合成橡膠),十種基本有機原料(醇✘↟▩☁、醛✘↟▩☁、酸✘↟▩☁、酐✘↟▩☁、酯✘↟▩☁、醚✘↟▩☁、胺✘↟▩☁、腈✘↟▩☁、酚✘↟▩☁、酮)以及氮肥▩·☁。在各種石油化工產品如塑膠✘↟▩☁、合成纖維等的生成研發過程中↟✘◕,掃描電鏡微區顯微分析和成分分析的功能均有廣泛的用途▩·☁。如下述案例中↟✘◕,圖 1✘↟▩☁、2 分別為在不噴金情況下直接對不定島超纖和定島超纖的 SEM 觀察↟✘◕,可以發現定島超纖島數固定✘↟▩☁、均勻且規則↟✘◕,不定島超纖島數不固定✘↟▩☁、纖度有差異且總體纖維更細▩·☁。

化纖2.jpg

圖1


化纖1.png

圖2

圖 3 所示為一種工程塑膠的異常分析結果↟✘◕,在背散射模式下可以看到該處存在明顯的成分異常區域↟✘◕,對該區域進行 EDS 面掃分析發現異常區域為氧化鐵顆粒形成的異物▩·☁。

合成纖維-EDS.jpg

圖3. 塑膠 EDS 面掃圖

石油化工產業是國家的重要支柱產業↟✘◕,從石化原料的開採✘↟▩☁、煉製到石化產品的生成加工↟✘◕,每一步都與國防✘↟▩☁、國民經濟和人民生活息息相關▩·☁。國家發展改革委✘↟▩☁、國家能源局印發的《“十四五"現代能源體系規劃》提出↟✘◕,將加大國內油氣勘探開發↟✘◕,堅持常非並舉✘↟▩☁、海陸並重↟✘◕,強化重點盆地和海域油氣基礎地質調查和勘探↟✘◕,夯實資源接續基礎▩·☁。加快推進儲量動用↟✘◕,抓好已開發油田“控遞減"和“提高採收率"↟✘◕,推動老油氣田穩產↟✘◕,加大新區產能建設力度↟✘◕,保障持續穩產增產▩·☁。積極擴大非常規資源勘探開發↟✘◕,加快頁岩油✘↟▩☁、頁岩氣✘↟▩☁、煤層氣開發力度▩·☁。

參考文獻

[1]. 李永良,翟秋敏,李容全.安古裡淖沉積紋層的掃描電鏡研究[J].電子顯微學報, 2001(04):387-388.

[2]. 葸克來,李克,操應長,林敉若,牛小兵,朱如凱,魏心卓,尤源,梁曉偉,馮勝斌.鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7_3亞段富有機質頁岩紋層組合與頁岩油富集模式[J].石油勘探與開發,2020,47(06):1244-1255.

[3]. 鍾大康,朱筱敏,王貴文,謝慶賓.塔里木盆地喀什凹陷侏羅紀古環境[J].古地理學報,2002(04):47-54.

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