拉曼光谱成像：揭示砂岩内甲烷与二氧化碳的动态

来自 实验室仪器网

研究人员使用拉曼光谱直接对砂岩内的气体运动进行成像。这项新研究揭示了地下深处甲烷和二氧化碳的行为。

天然气可以成为煤炭的更清洁替代品，有助于将燃料使用过渡到低碳未来。但是，虽然众所周知，甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）与地下岩层相互作用，它们如何穿过砂岩中的微小孔隙的精细细节仍不清楚。

这些地下深处的吸附和解吸机制对于提高油气采收率和长期一氧化碳至关重要2存储。现有方法可以估计孔隙体积和气体含量，但在直接观察气体在岩石中的行为方面存在不足。

传统方法，有限的观点

研究人员此前曾转向CO2氮气评估气藏中的微孔和中孔结构，通常通过吸附-解吸实验研究行为。较大的孔隙通常使用汞注入技术进行分析。

虽然这些方法可以测量总孔体积和分布，气相色谱法可以检测气体成分，但没有一种方法可以直接可视化孔隙内的气体本身。

为了解决这个问题，最近的一项研究证明了这一点，研究人员构建了一个定制的压力池，并将其与拉曼光谱系统配对。他们将一英寸的伯里亚砂岩岩芯样品放入其中，然后注入CH4和一氧化碳2受控压力下的气体。

该装置包括一个50×的长工作距离物镜，尽管电池结构如此，但可以精确聚焦。石英窗口让激光束畅通无阻地通过，从而实现准确的光谱读数。每次运行前都使用硅片校准拉曼系统。

每次扫描的曝光时间设置为一秒，2D和3D映射的步长范围为2到4微米。

微米尺度的气体测绘

团队专注于样品内估计深度为30μm的20×20μm区域。当CH4在0.3MPa下注入，拉曼信号显示出明显的振动峰，特别是在2917cm处-1.该峰用于创建岩石内气体的详细2D和3D地图。

在这种情况下，可视化的孔径约为10×8μm。查看CO2，团队追踪了1388厘米-1峰值并使用反射显微镜将气体信号叠加到矿物结构的图像上。

当两种气体一起注入时，压力传感器的固定体积意味着总体气体浓度较低。这降低了信号强度，并将生成类似质量的地图所需的曝光时间增加了两到三倍。

清晰的图像，微妙的限制

研究人员发现，CH4产生比CO更强的拉曼信号2由于灵敏度的差异。虽然该技术无法检测到精细尺度的异质性（它受到微米级分辨率的限制），但它仍然使研究人员能够可视化气体分布，即使两种气体同时存在。

反向散射电子成像和能谱法进一步增加了背景，以高分辨率揭示了孔隙结构和矿物成分。该研究展示了如何将拉曼光谱与精心设计的压力池相结合，用于观察气体在几微米到几十微米的岩石孔隙内的行为方式。它为更直接地比较不同类型储层岩石和气体成分的气体分布模式打开了大门，有可能增强能源开采和碳储存策略。

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