激光掃描共聚焦顯微鏡精確測量有機包裹體氣液比方法研究

1、激光掃描共聚焦顯微鏡精確測量有機包裹體氣液比方法研究王存武1.2 鄒華耀2 劉建章1 姜麗娜2(1中國地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院石油系，湖北武漢 430074；2中國石油大學(xué)石油與天然氣成藏機理教育部重點實驗室，北京102249)摘要 利用激光掃描共聚焦顯微鏡并結(jié)合三維重建軟件可以精確獲取有機包裹體的氣液比。有機包裹體氣泡部分采用透射光通道進行系列深度掃描，選取氣泡直徑最大處的掃描圖象進行直徑測量，并利用球體體積計算公式得到氣泡體積，避免了由于油包裹體液相石油所發(fā)出的強烈熒光的遮擋造成的氣泡體積偏?。粚⒐簿劢箳呙鑸D象進行三維重建獲取精確的有機包裹體總體積，與計算所得的氣泡體積共同確定出有機包裹體的氣液比

2、。利用該方法對渤海灣盆地渤中凹陷BZ25-1-3井的一塊流體包裹體樣品的氣液比進行了研究，測試的氣液比為6.85。精確獲取有機包裹體的氣液比不僅能為包裹體PVT性質(zhì)的研究提供精確參數(shù)，還對流體包裹體微觀性質(zhì)的對比研究提供了借鑒，具有重要意義。0 前言    近些年來，激光掃描共聚焦顯微鏡（Laser Confocal Scanning Microscope，簡稱LCSM）已廣泛應(yīng)用于細胞生物學(xué)、細胞生理學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)等幾乎所有設(shè)計涉及細胞研究的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生物研究領(lǐng)域1,2。激光掃描共聚焦顯微鏡具有高靈敏度和能觀察空間結(jié)構(gòu)的獨特優(yōu)點，從而對被檢樣品從停留

3、在表面、單層、靜態(tài)局面的觀察進展到立體、斷層掃描、動態(tài)全面的觀察，已成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域的新一代強有力的研究工具2。    然而，激光掃描共聚焦顯微鏡在地質(zhì)領(lǐng)域尤其是油氣勘探領(lǐng)域中的應(yīng)用才剛剛起步3-7。Aplin8最早報道了將激光掃描共聚焦顯微鏡用于精確獲取烴類包裹體的氣液比，并將獲取的這一參數(shù)應(yīng)用于流體包裹體古壓力求取的研究，取得了較好的效果，使得古流體壓力定量計算的精度有了較大飛躍。在此之后，Liu9、Thiéry10、Teinturier11等學(xué)者均運用激光掃描共聚焦顯微鏡精確獲取了烴類包裹體的氣液比，結(jié)合PVTsim軟件獲取了古流體壓力，并將結(jié)

4、果應(yīng)用于油氣運移和成藏方面的研究。但如何精確獲取烴類包裹體的氣液比仍然存在一些問題：烴類包裹體受激光照射時液體部分發(fā)出較強熒光，會使氣泡部分被照亮，從而使測試的氣液比偏小；由于有機包裹體形態(tài)的不規(guī)則性，利用圓臺體積公式計算氣液體積比時通常會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。本文作者利用中國石油大學(xué)（北京）最新引進的Olympus FV1000型激光掃描共聚焦顯微鏡進行了一系列實驗研究，提出了一種利用LCSM測試烴類包裹體氣液比的新方法，極大提高了測量精度。1原理1.1激光掃描共聚焦顯微鏡工作原理    激光掃描共聚焦顯微鏡是以激光作為光源，通過激光孔及物鏡的聚焦作用形成一個光點照射到

5、樣品上激發(fā)出熒光的一種光學(xué)顯微鏡。該系統(tǒng)主要包括激光光源、自動顯微鏡、掃描模塊(包括共聚焦光路通道和針孔、掃描鏡!檢測器)、數(shù)字信號處理器、計算機以及圖象輸出設(shè)備(顯示器!彩色打印機)等。物鏡的質(zhì)量決定了共聚焦光學(xué)切片及圖像的質(zhì)量，有自發(fā)熒光或可被熒光染料標記的樣品被激光激發(fā)而發(fā)出熒光通過光學(xué)路經(jīng)達到光電倍增管(PMT)，PMT可以檢測出發(fā)射光的波長及長度。其光學(xué)系統(tǒng)采用照明點和探測點共軛這一特殊結(jié)構(gòu)，使分辨率和成像的質(zhì)量大大提高。激光光點通過一個特殊的雙面反射鏡的移動以完成掃描樣品的過程，同時在光學(xué)路徑中PMT前方安裝了孔徑可調(diào)的共聚焦點孔，可使任何非焦平面反射來的光線被阻擋在PMT之外，不

6、能參與圖像的形成,使得共聚焦圖像比一般熒光顯微鏡的圖像的清晰度大大提高,取得更好的圖像效果12。1.2 有機包裹體氣液比測試原理    有機包裹體在受到紫外光、紫光、藍光或激光照射時會在極短的時間內(nèi)發(fā)射出比照射光波長更的光,這種光稱為有機包裹體的熒光13。這是因為，當有機分子受到這些短波長的光照射時,有機分子中原來處于基態(tài)的電子受到激發(fā)而躍遷到較高的能級軌道上，躍遷后處于激發(fā)態(tài)的電子通過發(fā)射出相應(yīng)的光量子釋放能量回到基態(tài),就發(fā)射出熒光。利用這一原理，將有機包裹體薄片置于激光掃描共聚焦顯微鏡下，確定出有機包裹體的頂?shù)捉绾筮M行“Z”軸掃描，得到不同深度的系列切片。利用

7、三維重建軟件對這些切片進行三維重建，獲取整個包裹體的體積，同時獲取油包裹體中氣泡部分的最大直徑，并按球體計算出氣泡體積，從而可以獲取有機包裹體的氣液比。2 方法    本研究使用的是中國石油大學(xué)（北京）最新引進的OLYMPUS FV1000型共聚焦顯微鏡，主要由激光照射系統(tǒng)、掃描檢測系統(tǒng)、全自動正置熒光顯微鏡系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及相關(guān)軟件等組成。配有FV10掃描單元，具有三熒光通道，采用多線氬離子激光光源可以產(chǎn)生458nm、488nm和514nm波成的激光，功率為20mW，顯微鏡水平（x-y）分辨率約是0.2m，垂向分辨率可達0.1m。顯微鏡系統(tǒng)為OLYMPUS BX

8、61型正置顯微鏡，配備60X高分辨率油鏡（數(shù)值孔徑為1.42）。    實驗樣品為渤海灣盆地渤中凹陷將流體包裹體雙面剖光巖石薄片置于激光掃描共聚焦顯微鏡的載物臺上，在紫外光照射下尋找可用于測試的氣液兩相有機包裹體，之后將待測樣品置于60X油鏡下進行激光掃描圖像的獲取，由于液體部分發(fā)熒光而氣體部分不發(fā)熒光從而使二者明顯的區(qū)分開來。之后，在激光掃描顯微鏡計算機控制軟件FV10-ASW1.5中，設(shè)置待掃描有機包裹體的頂?shù)捉纾认蛏弦苿与妱悠脚_時有機包裹體熒光消失時的深度為頂界，向下移動電動平臺時熒光消失時的深度為底界），設(shè)置垂向采樣間隔為0.1m，采用深度掃描模式進行掃

9、描，并使用透射光和熒光雙通道掃描，獲取垂向系列二維切片（如圖所示）。將獲取的系列二維圖片在商業(yè)化圖像處理軟件IPP（Image-Pro Plus 5.1）中打開，利用該軟件的三維重建功能進行三維圖像的重建。3 結(jié)果    圖1展示了部分掃描圖象，隨著掃描深度的增加，流體包裹體圖象經(jīng)歷了由小變大再變小的過程，氣泡只在前32張圖片中存在。由于氣泡部分部發(fā)熒光，但如果烴類包裹體液相部分的熒光較強，就會部分掩蓋氣泡，使觀測和計算的氣液比偏小。因此，本研究首先在透射光通道的圖象中確定氣泡部分的直徑（原則上是選擇系列掃描圖象中直徑最大時的圖象進行測量）。因為氣泡部分在自然狀態(tài)

10、下是球形或十分接近的球形，故可根據(jù)球形體積計算公式進行計算，得到氣泡體積。有機包裹體的總體積是IPP軟件三維重建時自動計算得到的。    據(jù)此，我們可根據(jù)測量或計算得到的氣泡體積和液相石油的體積計算氣液比，結(jié)果如表1所示。4 結(jié)論    通過激光掃描共聚焦顯微鏡進行有機包裹體氣液比的精確測量，可以得到如下認識：    1、由于有機包裹體氣泡部分常常受到液相部分較強的熒光的影響，用激光掃描圖象直接恢復(fù)氣液比會使結(jié)果偏小，因此采用透射光通道掃描圖象先進行氣泡直徑的測量，將其當做標準球體利用球體體積計算公式進行

11、氣泡體積的計算，使氣液比結(jié)果更為可靠；    2、將有機包裹體掃描圖象進行三維重建，可以得到精確的總體積數(shù)據(jù)，結(jié)合已計算的氣泡體積便可精確獲取有機包裹體的氣液比，其精度是目前最高的。    3、該方法測試的有機包裹體氣液比時需選取個體較大、形態(tài)規(guī)則并且氣泡部分較明顯的包裹體。參考文獻1 朱珊珊, 黃志江. 激光掃描共聚焦顯微鏡在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用. 國外醫(yī)學(xué). 2005, 26(2): 1181192 陳燕, 宋健, 汪浩等. 共聚焦掃描顯微鏡對厚樣本光學(xué)斷層及其三維重建. 解剖學(xué)雜志, 2005, 28(2): 1881923 王

12、金星. 共聚焦顯微掃描系統(tǒng)的新方法在地質(zhì)科學(xué)研究中的應(yīng)用. 地質(zhì)論評, 2004, 50(2): 2152174 應(yīng)鳳祥, 楊式升, 張 敏等. 激光掃描共聚焦顯微鏡研究儲層孔隙結(jié)構(gòu). 沉積學(xué)報, 2002, 20(1): 75795 孫先達, 索麗敏, 姜洪啟等. 激光掃描共聚焦顯微鏡在石油地質(zhì)上的應(yīng)用. 電子顯微學(xué)報, 23(4): 5175186 索麗敏, 孫先達, 張民志等. 激光共聚焦三維圖像技術(shù)在油田中的應(yīng)用. 儀器儀表學(xué)報, 2005, 26(8): 6146167 孫先達, 索麗敏, 張民志等. 激光共聚焦掃描顯微檢測技術(shù)在大慶探區(qū)儲層分析研究中的新發(fā)展. 巖石學(xué)報, 2005

13、, 21(5): 147914888 Aplin A C, Macleod G, Larter S R, et al. Combined use of Confocal Laser Microscopy and PVT simulation for estimating the composition and physical properties of petroleum in fluid inclusionsJ. Marine Petrolum Geo, 1999, 16: 971109 D.H. Liu, X.M. Xiao, J.K. Mi, et. al., Determinatio

14、n of trapping pressure and temperature of petroleum inclusions using PVT simulation softwarea case study of Lower Ordovician carbonates from the Lunnan Low Uplift, Tarim Basin. Marine and Petroleum Geology, 2003(20): 294310 R. Thiéry, J. Pironon, F. Walgenwitz et al., Individual characterizatio

15、n of petroleum fluid inclusions (composition and PT trapping conditions) by microthermometry and confocal laser scanning microscopy: inferences from applied thermodynamics of oils. Marine and Petroleum Geology 19 (2002) 84785911 Teinturier, J. Pironon, F. Walgenwitz. Fluid inclusions and PVTX modelling