荧光光谱分析与激光共聚焦技术在页岩地质评价中的应用

1. 引言

页岩地质评价在油气勘探开发中起着关键作用，影响资源评估、开发方案及效益。传统方法包括岩石薄片观察、扫描电镜和常规地球化学测试，但存在分辨率低、信息维度有限和定量分析能力不足的问题。例如，常规岩石薄片难以识别微观孔隙和有机质分布，扫描电镜虽提供高分辨率图像，但对有机质成分分析有限。传统地球化学测试仅能提供宏观参数，无法揭示页岩内部的微观非均质性。因此，开发先进技术手段成为必要。引入荧光光谱分析与激光共聚焦技术旨在提高页岩地质评价的精度与效率，为油气勘探开发提供依据[1]。荧光光谱分析能基于分子结构差异，利用荧光光谱特性精确表征有机质类型、丰度及成熟度。激光共聚焦技术则以高分辨率成像能力，实现微观孔隙和裂缝的三维可视化。这两项技术有助于深化地质特征认识，优化勘探开发策略，提升技术水平，推动相关领域发展。

2. 荧光光谱分析与激光共聚焦技术原理

2.1 荧光光谱分析技术原理

荧光光谱分析基于物质分子结构差异，在激发光下产生特定波长荧光。不同物质的分子能级结构使其吸收与发射荧光波长不同，形成特征光谱。在页岩地质评价中，该技术识别有机质与矿物成分。例如，页岩有机质富含荧光基团，激发后产生显著信号。对比样品与标准物质谱图，可判断有机质类型与成熟度。某些矿物如方解石、石英等特定条件下也有荧光特性，为研究页岩矿物组成提供依据。

2.2 激光共聚焦技术原理

激光共聚焦技术通过激光扫描样品表面，逐点接收荧光信号，生成高分辨率微观结构图像。逐层扫描结合空间滤波系统去除非焦平面信号，得到高对比度与分辨率三维图像。在页岩研究中，此技术清晰展示微米级孔隙与裂缝结构，分析储层特性。例如，对吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩样品的激光共聚焦实验发现，原油轻质组分多分布在较大孔隙，重质组分则在较小孔隙中。高分辨率成像使该技术在观测页岩微观结构方面优势显著，尤其在孔隙形态、大小及分布研究中具有独特应用价值。

3. 荧光光谱分析技术在页岩地质评价中的应用

3.1 有机质类型与丰度测定

荧光光谱分析技术可通过检测有机质分子在激发光下的特征荧光光谱，识别页岩中有机质的类型。如在北部湾盆地涠西南凹陷研究中，利用荧光薄片实验分析W-1 井和 A-1 井岩心样品，发现页岩油以吸附态和游离态存在，通过荧光信号可区分有机质成熟度。吉木萨尔凹陷芦草沟组的研究则表明，激光共聚焦扫描技术能观察微观孔隙中原油组分分布，为有机质类型判定提供依据。结合数据，荧光光谱分析技术可定性描述有机质类型并定量分析其丰度，支持页岩油气资源评估。

3.2 矿物成分识别

荧光光谱分析技术利用不同矿物成分对激发光响应的差异，识别页岩中的矿物组成。例如，在济阳坳陷古近系陆相页岩研究中，手持式 X 荧光光谱仪分析泥页岩岩心元素地球化学特征，明确不同岩性的XRF 响应。通过测定 SiO₂ ₂、 Al₂ ₂ O₃ ₃、TFe₂ O₃ ₃等21 个元素，发现熔融片法制样的X射线荧光光谱法准确度高，相对偏差小于 5% ，满足矿物成分分析需求[2]。图谱分析清晰展示石英、长石和黏土矿物等荧光特征，为页岩矿物组成研究提供依据，助力深入了解页岩岩石学特征及页岩油赋存机理。

4. 激光共聚焦技术在页岩地质评价中的应用

4.1 页岩孔隙结构观测

激光共聚焦技术为页岩孔隙结构研究提供了高分辨率成像手段，可获取三维图像，展示孔隙形态、大小及分布。在松辽盆地青山口组研究中，该技术发现纳米级孔隙占比 95% ，微米级孔隙虽少，但对储集空间贡献达 62.3% 。准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组的研究也表明，该技术结合其他方法能有效表征孔隙分布，其中长石岩屑粉细砂岩孔隙大于 300nm ，为页岩油主要赋存空间。这些实例证明，激光共聚焦技术在揭示页岩孔隙结构方面具有独特优势，对理解页岩油气赋存机制有重要意义。

4.2 裂缝发育情况研究

激光共聚焦技术不仅能观测页岩孔隙结构，还能清晰呈现裂缝走向、宽度及连通性。在松辽盆地青一段微晶碳酸盐岩研究中，该技术显示原油以喉道状和粒间吸附状存在，裂缝对油气运移和储集起关键作用。美国俄亥俄州阿巴拉契亚盆地的研究也表明，该技术能通过荧光成像展示裂缝网络分布，分析其对渗透性的影响。裂缝提高了页岩渗透率，提供油气运移通道，激光共聚焦技术在裂缝研究中为页岩地质评价提供重要支持。

5. 应用挑战与解决策略

5.1 技术成本问题

荧光光谱分析与激光共聚焦技术在页岩地质评价中面临技术成本高的挑战。设备昂贵，如激光共聚焦显微镜和场发射扫描电子显微镜，采购成本达数百万人民币，维护也需要高费用。技术操作需专业人员，进一步增加人力成本。为降低成本，设备共享和技术优化是有效途径。建立共享平台，多机构共用设备，分摊费用。改进实验流程和开发自动化软件，减少对高端硬件依赖。随着技术普及，设备成本有望下降[3]。

5.2 数据处理复杂性

荧光光谱分析与激光共聚焦技术在页岩地质评价中生成的数据量庞大且复杂。高维度、多模态数据难存储、管理，易导致“维数灾难”。页岩样品非均质性和实验条件差异使数据含噪声和异常值，增加处理难度。为提高数据处理效率，研究人员开发了多种方法。如用PCA 和 PLS 处理荧光光谱数据，用深度学习算法分析激光共聚焦图像。云计算和大数据技术也可构建分布式平台，高效处理数据。这些方法提升了效率，为地质评价提供可靠依据。

6. 结论

荧光光谱分析与激光共聚焦技术在页岩地质评价中的应用取得了显著成果，为页岩油气勘探开发提供了科学依据。荧光光谱分析能通过识别有机质和矿物的特征光谱，准确测定页岩中有机质的类型、丰度及成熟度，为烃源岩品质评价提供关键参数，同时在矿物成分识别上表现出色。激光共聚焦技术则以其高分辨率成像能力，在观测页岩孔隙结构和裂缝发育情况中展现了独特优势，获取孔隙结构三维图像，揭示其形态、大小及分布特征，探讨对页岩油气赋存的影响，并清晰呈现裂缝走向、宽度等，评估页岩渗透性。这些成果提升了页岩地质评价的精度，为资源开发奠定基础。

参考文献：

[1]胡德胜；游君君；孙文钊；白楠；周刚.涠西南凹陷流沙港组页岩油赋存特征及可动性评价[J].断块油气田，2024，31（1）：26-33.

[2]曹琰；金之钧；朱如凯；刘扣其；梁新平.富有机质泥页岩孔隙结构研究进展及展望[J].沉积与特提斯地质，2024，44（2）：231-252.

[3]李映艳；邓远；徐田录；彭寿昌；雷祥辉.吉木萨尔凹陷页岩油赋存特征及含油下限[J].东北石油大学学报，2022，46（6）：52-62.