页岩的氩离子抛光制样研究

王 亮，章雄冬，曹海虹

(中国石化 华东分公司 石油勘探开发研究院， 江苏 扬州 225007)

页岩的氩离子抛光制样研究

王 亮，章雄冬，曹海虹

(中国石化 华东分公司 石油勘探开发研究院， 江苏 扬州 225007)

由于页岩结构的特殊性，其内部存在大量的微孔隙，借助于氩离子抛光技术能够揭示这些孔隙的真实结构。该文对不同加速电压、抛光时间、抛光角度及样品台转速等条件下氩离子束对页岩截面抛光处理的效果进行了研究，通过场发射扫描电镜观察，比较了不同抛光条件下页岩抛光面的形貌。研究表明：适当降低加速电压能够获得较好的抛光效果；抛光时间存在最佳值，并非越长越好；离子束入射角在一定范围内增大有利于平整度增加；较大的样品台转速会明显降低抛光效果。

氩离子抛光；扫描电镜(SEM)；页岩

近年来随着非常规油气资源勘探和开发的不断发展，页岩气已逐渐成为未来能源的主要形式之一[1-6]。扫描电镜一直是油气地质微观研究中的重要手段[7-8]。邹才能于2011年利用场发射扫描电镜(FESEM)首次在中国油气储层中发现纳米孔隙的存在[9]，揭开了国内对于页岩中纳米级微孔隙研究的序幕。结合最近兴起的氩离子抛光技术，能够进一步揭示页岩内部纳米级孔隙的真实形貌[10-12]，Bai Baojun等更是利用聚焦离子束—扫描电镜(FIB-SEM)技术重构出Fayetteville页岩的三维孔隙结构[13-14]。这些技术的兴起能够为研究页岩气的成藏机理、运移规律，以及为将来的勘探开发提供可靠的依据。

但是作为石油地质行业新兴的实验技术，氩离子抛光—扫描电镜制样方面依然是更多地借鉴材料等其他行业的方法[15-17]。由于页岩结构的特殊性，其内部存在大量纳米级的微孔隙，从原子力显微镜(AFM)图像来看，其深度多在数纳米至数十纳米之间(图1)，因此对于样品平整度的要求极高。

目前的制样方法是否适用于页岩结构的分析，还值得深入研究。本文从抛光过程入手，通过对照扫描电镜分析结果，对制样过程中的各类因素进行分析，以期找到更为适合的页岩抛光制样方法。

1 实验部分

实验用仪器：ZEISS SIGMA热场发射扫描电镜、HITACHI IM4000氩离子抛光仪、IsoMet 4000精密切片机。

氩离子抛光是利用高压电场使氩气电离产生离子态，产生的氩离子在加速电压的作用下，高速轰击样品表面，对样品进行逐层剥蚀而达到抛光的效果(图2)。

首先需要将页岩样品切割成合适的小块(约10 mm×10 mm×3 mm)，选定需要抛光的截面(一般为垂直于页岩层理，以获取页岩不同层理间的信息)，用不同粒度的砂纸(从粗到细)对其进行打磨。然后将样品固定在抛光仪上，抽真空，设置好加速电压等工作参数，利用高能氩离子束进行抛光处理。

图1 氩离子抛光页岩微孔隙原子力显微镜图像

图2 氩离子抛光示意图及实例

另外值得注意的是，虽然页岩样品抛光前采用砂纸打磨，但在电镜下依然可见大量微米级的假孔隙存在(图2)。这些孔隙主要来源于机械切割，孔径多在50 μm以下。因此在将页岩样品固定时，保证样品高出挡板100 μm左右，以避免假孔隙影响，才能获得页岩内部真实的孔隙截面形貌。

抛光处理后，本文采用场发射扫描电镜(二次电子SE2检测器)对页岩抛光表面进行分析对比。

2 结果和讨论

由于页岩较强的非均质性[18-20]，本实验中选取抛光对象均为同一页岩样本。抛光过程涉及到众多因素，主要包括加速电压、抛光时间、抛光角度、样品台转速及氩气流速等。由于仪器的特性，氩气流速可调范围较小，本文主要针对前四者进行分析。具体的对比实验条件见表1。

2.1 加速电压

加速电压决定了氩离子束的能量，直接关系到抛光过程能否完成及抛光的质量，是抛光制样中最为重要的因素。本实验中当加速电压低于3.5 kV时几乎无法对页岩样品进行抛光。主要原因在于页岩中含有大量的石英等矿物，其硬度较高，需要较高的能量对其进行切割抛光，即采用相对较高的加速电压。但是，随着加速电压的增大，抛光区域会略有增大，而抛光面的平整度却随之降低(图3)。4～5 kV加速电压下，页岩抛光面平整度较好，几乎未见条带状划痕(图3a,b)；高放大倍数下(图3d,e)，4kV加速电压的抛光效果略优于5kV。当加速电压增大至6 kV时，抛光面的划痕明显增加(图3c,f)。显然，加速电压越高，氩离子束所携带的能量也就越高，其轰击样品时所产生的破坏性也就越大。而较低的加速电压下，氩离子束的轰击更加“温和”，更容易获得平整的抛光截面。

表1 氩离子抛光各组实验条件

图3 不同加速电压下页岩抛光面二次电子像

另外，我们发现页岩抛光后，部分微孔隙背对离子束的一侧会出现较短的凹槽，方向与离子束方向一致(图3f左侧)。其原因可能在于：页岩抛光过程中会产生大量的直径为纳米级的细小颗粒，这些颗粒具有被高能氩离子轰击后获得向前的速度，同时由于重力的作用而下落，而孔隙的存在正好能为这些颗粒提供一个向下的空间。因此这些高能颗粒就会以一定的角度对孔隙另一侧进行“二次抛光”，直至其能量耗尽。这也表现在孔隙背后的凹槽随着距离的增大而变浅，直至消失。同样，凹槽的出现也与加速电压的大小息息相关，较低的加速电压能够明显降低凹槽出现的几率。

因此在实际工作中，在满足完成抛光所需能量的同时，尽可能选择相对较低的加速电压进行抛光制样。

2.2 抛光时间

不同的抛光时间，除了影响抛光区域的大小，也会影响抛光样品的平整度。从实验结果(图4)可以看出：经过2 h抛光后，页岩抛光面积较小，表面划痕明显；3 h获得的抛光效果最佳，4 h次之；当时间进一步延长达到8 h以后，抛光面积明显增大，但样品表面的划痕明显增多，平整度甚至逊于抛光2 h获得的结果。因此抛光时间并非越长越好，过长的抛光时间反而会导致抛光质量降低。

2.3 抛光角度

抛光角度与氩离子束的入射角，即离子束与样品间的夹角紧密相关。本组实验中，研究了离子束入射角为15°、30°、40°三种情况下页岩的抛光效果(图5)。由于抛光过程中，样品是随着样品台不停地左右转动的，因此实际上样品的抛光角度可以分别达到30°、60°和80°。

图4 不同抛光时间页岩抛光面二次电子像

图5 不同入射角条件下页岩抛光面二次电子像

图6 不同样品台转速条件下页岩抛光面二次电子像

从图5可以看出，离子束入射角为15°时，页岩截面的条带状抛光痕迹非常明显，平整度较差。而入射角为30°和40°时，这一情况得到明显改善。低放大倍数下，后者略优于前者；高放大倍数下，入射角为40°条件下几乎未见抛光划痕，平整度极好。另外，抛光的区域会随着抛光角度的增大而增大，如果需要较大的观测区域，那么可以在此范围内适当增大入射角度。但当入射角进一步增大时，抛光的深度会显著减少，导致抛光区域呈长条状，不利于后期的分析观察。

2.4 样品台转速

前文中提到，抛光过程中样品是随着样品台不停地左右转动的，即离子束抛光区域不停地左右变换，这里的转速就是指样品台左右变换的频率。实验选取了2种不同的样品台转速：3次/min及30次/min，结果如图6所示。显然较低样品台转速条件下，页岩抛光的效果更佳，抛光面的划痕远少于高样品台转速条件下的。

样品台的转速越快，则相当于在单位时间内抛光的次数越多，其实际效果等同于同转速下抛光时间的延长[21]。因此，在实验条件下，3 次/min的转速更有利于降低样品表面的粗糙度，获得更为平整的页岩抛光截面。

3 结论

较低的加速电压(4～5 kV)有利于获得较好的抛光质量；页岩抛光区域的平整度会随抛光时间的延长而变好，但到达一定的时间(4 h以后)，其平整度会逐渐降低；较大的离子束入射角(15°～40°范围内)更易获得较平整的抛光面；较低的样品台转速(3 次/min)条件下的抛光效果明显优于高转速(30 次/min)条件下的。在对上述条件进行优化后，能够获得更为平整的页岩抛光面，更有利于后期的分析工作。

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(编辑 徐文明)

Shale preparation using Ar-ion milling

Wang Liang, Zhang Xiongdong, Cao Haihong

(ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,SINOPECEastChinaCompany,Yangzhou,Jiangsu225007,China)

There are many micropores in shale, and the micropore structures can be exposed by Ar-ion milling technology. An Ar-ion beam was applied to treat a cross-section of shale with variable acceleration voltage, milling time, incidence angle and rotation speed of the sample holder. The milling effects were observed with a scanning electron microscope (SEM). The results show that appropriately lower voltage makes a smoother milling surface, and there is an optimal milling time. Meanwhile, a higher incidence angle and lower rotation speed of the holder can improve the milling effects.

Ar-ion milling; scanning electron microscope (SEM); shale

1001-6112(2015)04-0525-05

10.11781/sysydz201504525

2014-07-11；

2015-06-06。

王亮(1985—)，男，博士，工程师，从事非常规电镜及储层分析工作。E-mail：wangliang207@mails.ucas.ac.cn。

中国石化科技项目(P12014)资助。

TE135

A