含油岩心显微荧光成像光谱研究

摘要：本文发展了一种显微荧光光谱成像技术，并将其应用于天然岩心进行显微荧光成像光谱研究。利用这种技术同时采集含油岩心表面的荧光光谱信息和空间信息，并对获得的光谱像给予光谱学和地质学解释。结果表明，不但能显示岩心形貌和组分的大致趋势，而且能揭示其精细细节，为石油地质研究提供了一种新的研究方法，为今后的石油勘探开发工作提供了一个先进的技术指导手段。
关键词：含油岩心；显微镜；成像光谱；荧光
中图分类号：P583；O657.34 文献标识码：A

1引言
地层的岩性和物性是石油工作者非常关注的两个问题。通过岩屑录井和钻井取心可获得这方面的直接信息。通常的岩心物性实验是对岩心宏观小体积取统计平均值的结果，虽然能获得岩心孔隙度、渗透率和含油饱和度等参量，但这种物性分析对岩心孔隙结构、孔隙分布和表面形貌毫无反映，而岩性描述也只是对岩石矿物类型、胶结物类型、胶结程度等性质的笼统的定性描述。
常规岩矿鉴定与显微荧光观察相结合，在不破坏原岩结构状态的情况下，对烃类与岩心组构的同时观察，可直接地揭示岩心中石油烃类分布与岩心结构、构造、缝隙的关系。通常的显微荧光技术对岩心荧光特性的目视观察内容是发光的部位和亮度。对荧光的光谱分辨率过低，仅限于人的色觉对颜色的区分，对烃类不同成分的分析和排除干扰方面具有很大的局限性。近年来发展起来的油样三维荧光光谱分析方法对油样的定性和定量化分析是一种较为有效的鉴别方法，但这种方法却完全丢失了岩心的化学成分和物理状态在空间分布上的信息。
光学成像技术和光谱技术是光电技术中的两个历史悠久并应用广泛的重要领域。长期以来，它们沿着各自的道路发展，虽然它们都是接受来自目标的光辐射，但光学成像器获取目标的影像光强信息，追求高空间分辨率，而光谱仪器则把目标的光辐射分离成不同波长的光谱，追求高光谱分辨率。新发展起来的光谱成像分析系统【1】将光谱技术与成像技术有机地融为一体，可在光谱和空间两个方面对样品目标进行分析和识别。普通的光学成像积分涵盖了其接受器的整个光谱响应，而光谱成像（直接成像法）可以一次仅记录一个窄的波长范围的影像信息。普通的光谱分析积分涵盖了光谱仪的整个视场角所有像元的光谱，而光谱成像（间接成像法）可以在空间上逐点扫描进行光谱分析【2】。由此可见，光谱成像方法的核心是样品目标光辐射的空间信息和光谱信息的集成。样品目标的光谱与其化学组分紧密相关，所以有时称光谱成像为化学成像。光谱成像不仅提供样品目标的化学成分的空间分布，而且还提供了物质的结构、键力和物性参量等的空间分布，所以它的应用极其广泛，从大至天体小至细胞核，特别在矿物学和岩石学方面，对天然和合成样品的化学成分和矿物相的确认，结晶多形体，矿物包裹体，矿物学相图的相结构，相变等研究等方面均有重要意义。
本文工作发展了一种显微荧光光谱成像技术，并对胜利油田天然岩心进行了显微荧光成像光谱研究。它同时采集含油岩心表面的荧光光谱信息和空间信息，不但能显示岩心形貌和组分的大致趋势，而且能揭露其精细细节。
2．实验
本实验的研究目的是结合样品的形貌分布特征研究进行石油烃类的光谱特征研究，为石油地质研究提供一种新的研究方法，为今后的石油勘探开发工作提供一个先进的技术指导手段。
2．1原理
光谱成像方法在成像方式上基本上可以分成两大类，即直接（平行）成像（imaging）方法和间接（串行）成像（mapping）方法。直接成像是将整个样品的某一波长单色光直接产生完整的二维单色像，并顺序地改变光波长，则得到一系列单色像，即形成光谱立方体（spectral cube），它必须使用一个二维的接收器，如CCD二维光电阵列接收器，并需要光谱重构。间接成像是每次对视场角内的一个点或一条线的光同时获得整个光谱范围的光谱，并顺序地进行逐点扫描或逐行推扫，即形成像立方体（image cube），它可以用单元探测器，但需要图像重构。光谱成像在分光（光谱）方式上基本上也可以分成两大类，即空间色散型和非空间色散型。前者在空间上形成一个光谱的实像，如光谱仪或单色仪；而后者在空间上不存在一个实的光谱像，如干涉滤光片，时间或空间调制干涉仪，以及编码技术等。
2．2实验装置
本文实验仪器装置是天津市九维光电科技有限公司研制的“小型显微成像光谱仪”，如图1所示【3】。CCD像素尺寸为8.6μm × 8.3μm，像素数目为752×582（40万像素）。线形可变干涉滤光片的波长范围为400 nm～700nm。滤光片透过中心波长光谱带宽平均为16.4 nm。滤光片带通中心透过波长同位置是线性关系，线色散数值是7nm/mm。装载可变干涉滤光片的微动平台通过计算机控制步进电机驱动，精度为0.01mm，程长为50mm。图象采集卡使用美国NI公司的PCI－1407黑白图象采集卡。
仪器装置中，静止图像通过镜头成像在CCD上，利用微动平台带动滤光片，扫描波段从400nm到700nm。使用计算机通过采集卡得到各步扫描图像，再由相应程序完成图像的按光谱进行拆分和重构，得到各个波长单色像【4】。
仪器装置配用的激发光源是脉冲氙灯和具有光纤输出的单色仪组成，激发波长为250 nm～550nm连续可调，由计算机自动控制。
2．3样品
实验样品是来自胜利油田石油钻井的含油岩心，见图2所示。显微镜下肉眼观察，岩样新鲜断面为暗土红色石英质粉砂岩，石英矿物颗粒分选性好，颗粒磨圆度中等到良好，矿物颗粒粒径平均为20微米，夹杂以暗黑色有机质状物为主的杂色斑点，斑点大小差异较大，形状不规则，有明显的孔隙发育。
2．4实验方案确定以及实验过程
2．4．1实验方案确定
本实验成功的技术关键是正确选择激发光单色仪的出射波长，以及探测荧光的扫描波段。
众所周知，含有不饱和共轭化学键的有机物（如石油成份中的芳香烃及其衍生物）在不同波长的激发光（以短波长的紫外可见光为主）下，发射出光谱特征不同的荧光。但是，某些无机矿物成份也会被激发出类似的荧光，这就使单纯依靠没有精细光谱分辨本领的肉眼来分辨复杂无机物中的有机物荧光在样品形貌上的分布情况变得很困难。在若干工作中只有采用萃取方法才能对石油烃进行精确的定量荧光测试【5】。
但是随着激发光波长的变化，荧光发射光谱峰的位置也产生变化，这就决定了任何一种（或一类）物质都有一个它自己特有的三维荧光谱，在确定了适当的激发波长和荧光发射波长以后，就能够利用成像光谱的方法得到两张（甚至更多张）光谱差异明显的给定探测目标（如石油荧光物质）的荧光光谱单色像，进而得到高对比度的特定探测目标空间分布特征像，达到对给定探测目标的物理状态进行无干扰分析的目的。
所以，我们广泛查阅了原油的三维荧光谱，如图3所示【6】。当激发波长范围是300纳米～430纳米时原油的荧光效率比较高，在380纳米～450纳米范围接收荧光时能量差异变化比较大。

通过对几十处原油的三维荧光光谱分析 ,发现石油与天然气都存在共性峰 ,而不同属性的油气又存在不同的特征峰，如表 1所示【7】。
表1 各种油气的三维荧光光谱特征
Table1 Three dimension fluorescence spectra feature of various oil-gas
feature peak(λEx/λEm) 268/322 284/336 256/360 228/342
oil-gas attribute gas distillate condensate heavy oil general peak
表中，λＥx为激发波长 ,λＥm为荧光发射波长。随着由气到油、轻质油到重质油的变化 ,特征峰的发射波长由短波长向长波长方向移动。
结合本实验工作成像光谱仪的参数特点，我们确定了单色仪激发波长为380纳米，两个成像中心透过波长点选择为410纳米和440纳米。
2．4．2实验过程
（1）联机后，首先调节激发单色仪到380纳米；
（2）将样品放到显微镜头下，并调节好镜头焦距；
（3）启动步进电机，在两个预定成像波长范围内扫描，得到两个光谱重构的单色像。
（4）对两个单色像进行平面光谱差分数据处理，得到一张高空间对比度的原油空间分布图像，并进行地质分析。
3．结果与讨论
3．1实验结果
410纳米光谱重构的单色像，如图4所示。
440纳米光谱重构的单色像，如图5所示。
高空间对比度的原油空间分布图象，如图6所示。
3．2地质解释
3．2．1形貌学地质解释
由光谱重构后的单色图观察，石英矿物颗粒结晶状态很好，边界清楚，凹凸感较强，岩心有大量的不规则孔隙发育，大孔隙的联通性较好，部分孔隙被以含土红色铁质的硅质蛋白石胶结物为主的成岩矿物所充填，胶结物的再生成岩作用不明显，但是有一定的溶蚀现象，判断大孔隙为溶蚀作用的结果，为次生孔隙。
面积较大的孔隙基本由呈不规则带状痕迹的含油有机物充填，部分孔隙边界位置见到了有机质向成岩基质的浸染现象，孔隙的中间位置不发光，但靠近孔隙壁的基质附近发光好，且向外浸染，说明该缝曾有过饱含油的历史，由于水驱油的作用，水占据了缝内晶隙，由于表面张力的作用，使得水不易把贴近孔隙壁的这一部分原油驱走。
图区内没有见到明显的裂隙发育和应力变形构造，即没有明显的地质构造运动痕迹，也没有见到古生物化石。
3．2．2光谱学解释
由于410纳米和440纳米两个荧光波长点处的原油荧光强度变化较大，而其它成岩物质的荧光强度变化较小或者没有变化，故利用对两个单色像进行平面荧光光谱强度（即亮度）数据的差分处理，就得到了一张（不再直接含有光谱信息的）高空间对比度（即强度差或者亮度差）的原油空间分布图象，此图像为最终成果，它充分排除了非原油物质的图像干扰，极大地突出了被研究的目标物。
从图6可以看出，原油（图中白色部分）的分布呈连片性，从亮度差距上基本可以分成两种类型。从化学解像（注：化学成像的逆过程）的意义上，我们可以尝试地解释为两种类型组成成份的原油，即两种原油含有荧光物质－芳烃及其衍生物的丰度不一样。所以亮度较暗的部分为含有较多荧光物质的原油，偏向重油一方；亮度较强的部分为含有较少荧光物质的原油，偏向轻油一方。从孔隙壁向空隙中心亮度增加，偏重质原油多于偏轻质原油，与形貌学观察水驱油的结论观点一致。
3．2．3 与其它光谱方法的比较
除成像光谱方法以外，目前较成熟的对成岩岩心（岩屑）进行光（谱）学研究的手段主要有普通定量荧光方法、三维荧光光谱方法、（傅立叶）红外光谱方法、荧光显微镜方法、热红外成像方法等。通过普通定量荧光方法、三维荧光光谱方法、（傅立叶）红外光谱方法，可以判断油气成份和运移方向等；通过荧光显微镜方法和热红外成像方法可以在较宽的光谱波段范围内得到油气成份的宽波段光谱积分形貌学特征图像【8】。
但是上述方法都不能同时从形貌学和光谱学两方面对岩心样品进行分析，因为荧光显微镜方法和热红外成像方法是在较宽的光谱波段范围内得到油气成份的宽波段光谱积分形貌学特征图像，不能进行高分辨率（低光谱带宽）的光谱成像，而其它光谱方法又不能逐点得到高空间分辨率的光谱信息。而且，这两类方法简单相加也不可能达到真正意义上的光谱成像分析的效果。
4．结论
成像光谱分析方法同时具有样品形貌学特征分析和光谱学特征分析的能力。
在石油勘探钻井岩心的研究中，它可以完成如下工作：
（1） 形貌学（物理结构、孔洞、裂隙、溶蚀、古生物）地质分析；
（2） 岩矿物成份与空间分布特征（矿物相、次生矿物）分析；
（3） 有机物成份与空间分布特征（原油、沥青、干酪根）分析；
（4） 油层物理研究与储层评价（孔隙度、渗透率、含油饱和度）；
因为石油在紫外区还有丰富的荧光光谱信息，如果将成像光谱仪的荧光接收波长延伸到紫外区，可以得到被分析目标更丰富的光谱信息，对于研究岩心中的石油运移、判断原生油层等工作更为有利。