CN101726556A - 一种单体油气包裹体烃组分分析装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单体油气包裹体烃组分分析装置，包括显微激光剥蚀系统、烃组分富集解吸系统和烃组分分离分析系统。应用此装置的分析方法为：在显微镜下确定用于实验的单体包裹体，使用激光剥蚀系统打开包裹体，无变化释放油气组分；释放的油气组分经过烃组分富集解吸系统处理后，随载气进入烃组分分离分析系统；根据分析需求，选择检测器对油气组分进行分析，确定其成分。通过此发明，能有效避免不同期次包裹体烃成分的混合，且在剥蚀过程中不使烃组分发生改变。此发明对痕量有机组分进行了有效富集以满足现有分析仪器的检测要求。另外，使用此发明还可以对单体油气包裹体进行气液态组分的全面分析，能更好地为油气地质勘探服务。

Description

一种单体油气包裹体烃组分分析装置和方法

技术领域

本发明属于测定岩石样品包裹体内有机成分分析领域，具体涉及一种单体油气包裹体烃组分分析装置及其方法。

背景技术

80年代以来，利用流体包裹体地球化学方法解决成藏和成岩作用等问题已成为热门的研究课题，研究中应用较多的是流体包裹体的特征(包裹体大小、形态及包裹体相态等)、温度和成分。对包裹体的成分研究主要有群体包裹体分析法和单体包裹体分析法。群体包裹体成分分析技术采用的是破坏性的分析方法，它包括压碎法和热爆裂法。通过压碎(热爆裂)装置和色谱质谱的在线连接可实现群体包裹体成分的分析。此方法的主要缺点是，在包裹体样品处理中，很难准确获取同期次的研究样品，这使得群体包裹体样品的分析结果代表性差，地质应用意义大受影响。为了克服群体包裹体分析技术代表性差的不足，针对单体包裹体的研究方法逐渐受到科研人员的重视，特别是随着微区微量分析技术的发展，对单体包裹体的成分分析技术有了很快的发展。目前，进行单体油气包裹体成分分析的技术主要有以下几类：①显微激光拉曼光谱技术。其原理是当一定波长的激光通过样品物质时，其散射光中有部分光的频率发生了变化，这就是“拉曼现象”，改变了频率的光谱就是拉曼光谱，它是由物质分子中引起分子极化率变化的振动产生的。利用激光拉曼技术对流体包裹体的拉曼活性成分进行定性分析非常方便，但定量分析则比较困难，而且现有的研究多是针对气态成分。②傅里叶变换红外光谱法分析。傅里叶变换红外和拉曼光谱中峰都是由分子在振动能级之间的跃迁造成的，但其物理原理却有着不同，在拉曼实验中谱带的强度和位置时基于分子极化率的变化，而在红外实验中则是基于分子偶极矩的变化，因此红外光谱可以获取包裹体有机组分的基团，但要获取详细的有机组分的准确定性和定量结果是非常困难的。③激光剥蚀电感耦合等离子质谱(La-ICP-MS)分析。它是近几年发展迅速的微区微量元素分析新技术，具有高灵敏度、低检出限和多元素同时检测的特性。其是由激光器(紫外或红外波长)和ICPMS(四极，多接受或磁扇域)构成。应用于地球科学研究的标准仪器的激光器为具有266nm四倍频率的Nd:YAG激光器，或者是具有193nm波长的ArF激态原子激光器。激光器熔融样品，并通过运载气体将熔融的样品物质传送到ICP，而不是将样品溶解后，通过雾化器和雾化室将样品传输给ICP。由于不用考虑化学成分的变化，只分析化学物质元素本身，因而其分析手段容易实现，在国际上应用较为普遍。

但是，现有技术都无法满足单体油气包裹体烃组分分析的需要。实现单体油气包裹体烃组分分析的技术难点在于：如何实现不同期次包裹体的独立研究；在打开包裹体的过程中，如何控制不使烃组分发生改变；如何对痕量有机组分进行有效富集使其能达到现有分析仪器的检测要求；如何对包裹体内的有机烃组分进行包括气液态组分的全面分析。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种对单体油气包裹体烃组分进行定量和定性分析的装置及其方法，能对不同期次包裹体独立研究、在打开包裹体的过程中不改变烃组分，且对痕量有机组分进行有效富集以满足现有分析仪器的检测要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种单体油气包裹体烃组分分析装置，包括显微激光剥蚀系统、烃组分富集解吸系统和烃组分分离分析系统。应用此套装置，单体油气包裹体在所述显微激光剥蚀系统中被剥蚀打开后释放油气组分，此油气成分进入所述烃组分富集解吸系统，经过处理后再进入烃组分分离分析系统进行在线分析，最终得到各个组分的含量。

所述显微激光剥蚀系统包括激光器、显微镜和样品剥蚀池。将所述激光器和所述显微镜组装在同一平台上，这样，激光器产生的激光光束能通过所述显微镜的光路调节反射镜折射到显微镜的样品台上。样品台设计成三维可控移动，用于放置所述样品剥蚀池。所述样品剥蚀池设有进气口和排气口。样品剥蚀池既是显微激光剥蚀系统的关键组件，也是烃组分富集解吸系统的组成部分。此系统中，在所述显微镜上还装有汞灯、投射光系统，用于快速确定油气包裹体位置，并且便于对后续实验过程进行清晰观察。另外，在此系统上还装有CCD图像系统，便于研究人员在计算机上进行图像观测和样品定位。

所述烃组分富集解吸系统包括进样器、收集用载气控制装置、可控富集解析器、分析用载气控制装置和排气装置。

所述收集用载气控制装置包括收集用载气源和加热部件，通过管路，所述收集用载气气源依次与所述加热部件和样品剥蚀池的进气口相连通。所述收集用载气控制装置有两个作用，一个是对样品进行去污处理，另一个是作为载气用于对油气组分的收集。因为在包裹体样品剥蚀前所有样品系统都要进行去污处理，所以利用所述加热部件对收集用载气进行加热，加热后的载气再进入样品剥蚀池，对样品进行清扫。在加热部件和样品剥蚀池进气口之间的管路采用金属管线，为了防止有机质在管线上吸附，管线上装有保温设施。

所述可控富集解析器采用可控温冷阱，用来实现收集富集和可控制释放有机质。为了将所述可控富集解析器释放的有机质输入所述烃组分分离分析系统，需要利用载气来完成这个输送过程。所述分析用载气控制装置就是用来提供分析用载气的，其包括分析用载气源，通过管路，所述分析用载气源与所述进样器相连。所述排气装置包括抽气泵，通过管路，所述排气泵与所述进样器相连，用于对富集系统的排污，另外，载气携带烃类组分在可控温冷阱富集后剩余载气也通过此气路口排放。为了控制气体的流量，在所述收集用载气控制装置、分析用载气控制装置和排气装置管路中都分别装有一个流量控制阀，用于控制气体的流量。具体说来，收集用载气控制装置中的流量控制阀和排气装置中的流量控制阀配合使用来控制改变收集载气的流速，以满足去污处理和样品富集步骤中对不同流速的要求，而分析用载气控制装置中的流量控制阀用于控制色谱分析载气流量。另外，所述收集用载气源和分析用载气源都采用氦气。

所述烃组分分离分析系统包括快速富集解析器、色谱柱箱、分析毛细柱和检测器。为了对油气组分作快速的富集和解吸，在油气组分进入所述分析毛细柱之前装有快速富集解析器，其采用冷阱，并安装在所述色谱柱箱内，通过管路，所述快速富集解析器一端与所述进样器相连，另一端依次与所述分析毛细柱和检测器相连。在所述快速富集解析器和分析毛细柱之间的管路中还装有分流放空阀，用于分流放空多余的气体。所述检测器包括氢焰检测器和质谱检测器，根据分析需要的不同，可以在这两种检测器间进行选择，也就是说，在所述分析毛细柱和两种检测器之间的管路中装有一个转换联结装置，用于实现氢焰检测器和质谱检测器之间的单独使用或同时使用。具体来说，所述转换联结装置可以实现分析毛细柱流出物质单独进FID检测器检测或单独进MS检测器检测，也可根据需要同时进FID检测器和MS检测器检测，并对进入不同检测器的流出物质进行比例分配。

所述可控富集解析器和快速富集解析器的使用，实现了对痕量有机组分的有效富集以满足现有分析仪器的检测要求。

在此装置中，所述进样器是连通所述三个系统的重要部件，所述显微激光剥蚀系统通过进样器一个接口和烃组分富集解吸系统连通，烃组分富集解吸系统再通过进样器另一个接口和烃组分分离分析系统连通。具体来说，所述进样器采用六通阀，其六个接口分别与所述样品剥蚀池的排气口、排气装置、可控富集解析器的两端、分析用载气控制装置和快速富集解析器一端相连接；所述六通阀具有收集和分析两个状态。这样，经过显微激光剥蚀系统产生的油气组分通过所述六通阀就可以进入烃组分富集解吸系统，在烃组分富集解吸系统中经过处理的油气组分再通过所述六通阀进入烃组分分离分析系统系统，最后得到分析结果。

本发明另一个技术方案为应用所述单体油气包裹体烃组分分析装置的一种分析方法，其特征在于所述方法包括

(1)激光剥蚀步骤，用于对烃包裹体宿主矿物进行激光剥蚀；

(2)烃组分富集解吸步骤，用于富集和解吸烃包裹体被打开后受热释放的油气组分；

(3)烃组分分离分析步骤，用于对烃类组分进行色谱质谱分析，确定单体油气包裹体的成分。

具体来讲，所述(1)激光剥蚀步骤，包括

(11)样品去污处理步骤，样品置于所述样品剥蚀池内，用加热的氦气吹扫清洗样品；

(12)确定实验用烃包裹体步骤，把实验用烃包裹体置于视阈中心；

(13)剥蚀步骤，用激光对烃包裹体宿主矿物进行激光剥蚀；激光能量控制在200mJ以下；

通过步骤(13)就实现了对不同期次包裹体的独立研究，有效避免了不同期次包裹体烃成分的混合，提高了地质解释精度。同时，在激光剥蚀时控制激光能量在200mJ以下实现了在打开包裹体的过程中烃组分没有发生改变，保证了分析的有效性。

所述(2)烃组分富集解吸步骤收集和解析所述步骤(13)中产生的油气组分，并将其导入所述烃组分分离分析系统；

所述(3)样品分析步骤，包括

(31)快速解吸所述步骤(2)生成的油气组分；

(32)色谱分离步骤，将所述步骤(31)生成的烃类组分通过所述分析毛细柱进行色谱分离；

(33)检测步骤，将经过步骤(32)分离的烃类组分输入选定的所述检测器，确定烃类物质各个组分的含量。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)实现了对不同期次包裹体的独立研究，有效避免了不同期次包裹体烃成分的混合，提高了地质解释精度；(2)在打开包裹体的过程中烃组分没有发生改变，保证了分析的有效性；(3)实现了对痕量有机组分的有效富集以满足现有分析仪器的检测要求；(4)实现了对包裹体内的有机烃组分包括气液态组分的全面分析，提供了丰富的有机地球化学信息，更好地为油气地质勘探提供了服务。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

图1：本发明单体油气包裹体烃组分分析装置示意图。

图2：激光器和显微镜组合原理图

具体实施方式

如图1所示，本发明的单体油气包裹体烃组分分析装置包括显微激光剥蚀系统、烃组分富集解吸系统和烃组分分离分析系统。

所述显微激光剥蚀系统包括激光器101、显微镜102和样品剥蚀池103。根据研究需要，采用Olympus显微镜(Olympus显微镜型号是BX51，激光剥蚀镜头20倍物镜，带反射、透射和荧光观察光源，制造厂商是Olympus公司)，激光器采用GeoLasPro准分子气体激光器(GeoLasPro准分子气体激光器型号是variolas D，激光波长193nm，制造厂商是德国Coherent公司)，激光波长为193nm，激光束斑小于10um。将所述激光器101与所述显微镜102组装在同一平台上，激光器和显微镜组合的工作原理如图2所示。这样，激光器101产生的激光光束能通过所述显微镜102的光路调节反射镜折射到显微镜的样品台上。样品台设计成三维可控移动，用于放置所述样品剥蚀池103。所述样品剥蚀池103如图3所示，设有进气口和排气口。样品剥蚀池既是显微激光剥蚀系统的关键组件，也是烃组分富集解吸系统的组成部分。此系统中，在所述显微镜102上还装有汞灯、投射光系统，用于快速确定油气包裹体位置，并且便于对后续实验过程进行清晰观。另外，在此系统上还装有CCD图像系统，便于研究人员在计算机上进行图像观测和样品定位。

所述烃组分富集解吸系统包括进样器、收集用载气控制装置、可控富集解析器、分析用载气控制装置和排气装置。

所述收集用载气控制装置包括收集用载气源104和加热部件106，通过管路，所述收集用载气气源104依次与所述加热部件106和样品剥蚀池103的进气口相连通。所述收集用载气控制装置有两个作用，一个是对样品进行去污处理，另一个是作为载气用于对油气组分的收集。因为在包裹体样品剥蚀前所有样品系统都要进行去污处理，所以利用所述加热部件106对收集用载气进行加热，加热后的载气再进入样品剥蚀池103，对样品进行清扫。在加热部件106和样品剥蚀池103进气口之间的管路采用金属管线，为了防止有机质在管线上吸附，管线上装有保温设施。

所述可控富集解析器采用可控温冷阱108，用来实现收集富集和可控制释放有机质。为了将所述可控温冷阱108释放的有机质输入所述烃组分分离分析系统，需要利用载气来完成这个输送过程。所述分析用载气控制装置就是用来提供载气的，其包括分析用载气源111，通过管路，所述分析用载气源111与所述进样器107相连。为了将进样器107中的排污气体和富集后剩余载气排出，所述排气装置包括抽气泵110，通过管路，所述抽气泵110与进样器107相连，用于对富集系统的排污，另外，载气携带烃类组分在可控温冷阱富集后剩余的载气也通过此气路口排放。为了控制气体的流量，在所述收集用载气控制装置、分析用载气控制装置和排气装置管路中都分别装有一个流量控制阀，用于控制气体的流量，具体说来，收集用载气控制装置中的流量控制阀105和排气装置中的流量控制阀109配合使用来控制改变收集载气的流速，以满足去污处理和样品富集步骤中对不同流速的要求，而分析用载气控制装置中的流量控制阀112用于控制色谱分析载气流量。另外，所述收集用载气源104和分析用载气源111采用氦气。

所述烃组分分离分析系统包括快速富集解析器、色谱柱箱、分析毛细柱115和检测器。快速富集解析器采用冷阱113。为了对油气组分作快速的富集和解吸，，在油气组分进入所述分析毛细柱115之前装有冷阱113，所述冷阱113安装在色谱柱箱内，通过管路，冷阱113一端与所述进样器107相连，另一端依次与所述分析毛细柱115和检测器相连。在所述冷阱113和分析毛细柱115之间的管路中还装有分流放空阀114，用于分流放空管路中多余的气体。所述检测器包括氢焰检测器117和质谱检测器118。根据分析需要的不同，可以在这两种检测器间进行转换或同时使用，具体来讲，在所述分析毛细柱115和两种检测器之间的管路中装有转换联结装置116，用于实现氢焰检测器117和质谱检测器118的单独使用或同时使用。

在此装置中，进样器107是连通所述三个系统的重要部件。所述进样器采用六通阀107，其具有收集和分析两个状态。六通阀107有A-F六个接口，并两两相通。在收集状态下，B-C，D-E，F-A是相通的，载气104经样品剥蚀池从B接口进入六通阀，并经过C接口进入冷阱108，再由冷阱108另一端经接口F入六通阀，并通过接口A排出；载气111经过接口E进入六通阀并由接口D流出六通阀进入冷阱113。转动六通阀107到分析状态，此时，B-A，C-D，E-F则转入相通状态，载气104经样品剥蚀池从接口B进入六通阀，并从接口A流出；而载气111则从接口E进入六通阀，并从接口F流入冷阱108中，并将冷阱108中的有机质带入接口C，并从六通阀的接口D流出，进入烃组分分离分析系统，最后得到分析结果。

应用此套装置，单体油气包裹体在所述显微激光剥蚀系统中被剥蚀打开后释放油气组分，此油气组分通过所述六通阀由冷阱108富集，并以在线方式解吸冷阱108中的油气组分，再通过六通阀分次导入冷阱113中，经过冷阱113再次解吸的油气组分通过分析毛细柱115进行色谱分离，然后进入选定的检测器中进行测定，最终得到各个组分的含量。

所述激光剥蚀系统见图2。激光激发器201产生的激光通过安全门202后射到光路调整反射镜214-1上，并改变方向进入衰减器203中改变能量后射到光路调整反射镜214-2上，并经过棱镜204和均质器205射到光束分配器215上。激光在215上一部分被分配到激光能量检测器210上，210检测到激光能量后传输信号给激光能量衰减控制器211，由衰减控制器211控制衰减器203改变其输出激光的能量，由衰减器203改变能量后的激光射出到光路调整反射镜214-2后一直重复这一能量再检测控制循环过程，始终保持激光能量满足工作要求；由激光分配器215分配的另一路激光通过激光聚焦镜206聚焦后，通过激光光斑尺寸转化器213射到光路调整反射镜214-3上，并改变方向通过显微镜激光物镜207后对样品208进行激光剥蚀。激光光斑尺寸转换器213上有大小不等的激光通过孔，最大为80um，最小为4um，可根据包裹体的大小灵活选择激光光斑尺寸。显微镜三维平台209用于调整样品在物镜下的位置以利于观察和激光剥蚀，显微镜CCD摄像机212可实现样品剥蚀过程的在线实时观测。

应用所述单体油气包裹体烃组分分析装置的一种分析方法包括以下步骤：

(1)激光剥蚀步骤，用于对烃包裹体宿主矿物进行激光剥蚀；

(2)烃组分富集解吸步骤，用于富集和解吸烃包裹体被打开后受热释放的油气组分；

(3)烃组分分离分析步骤，用于对烃类组分进行色谱质谱分析，确定单体油气包裹体的成分。

具体来讲，所述(1)激光剥蚀步骤，包括

(11)样品去污处理步骤，样品置于所述样品剥蚀池内，用加热的氦气吹扫清洗样品；

(12)确定实验用烃包裹体步骤，把实验用烃包裹体置于视阈中心；

(13)剥蚀步骤，用激光对烃包裹体宿主矿物进行激光剥蚀；激光能量控制在200mJ以下；

所述(2)烃组分富集解吸步骤收集和解析所述步骤(13)中产生的油气组分，并将其导入所述烃组分分离分析系统；

所述(3)样品分析步骤，包括

(31)快速解吸所述步骤(2)生成的油气组分；

(32)色谱分离步骤，将所述步骤(31)生成的烃类组分通过所述分析毛细柱进行色谱分离；

(33)检测步骤，将经过步骤(32)分离的烃类组分输入选定的所述检测器，确定烃类物质各个组分的含量。

Claims (7)

1.一种单体油气包裹体烃组分分析装置，其特征在于，所述单体油气包裹体烃组分分析装置包括显微激光剥蚀系统、烃组分富集解吸系统和烃组分分离分析系统；

所述显微激光剥蚀系统包括激光器、显微镜和样品剥蚀池；所述激光器与所述显微镜组装在同一台面上，所述激光器产生的激光光束通过所述显微镜的光路调整反射镜折射到显微镜的样品台上；所述样品剥蚀池设有进气口和排气口，并置于所述样品台上；

所述烃组分富集解吸系统包括进样器、收集用载气控制装置、可控富集解析器、分析用载气控制装置和排气装置；所述收集用载气控制装置包括收集用载气源和加热部件，通过管路，所述收集用载气气源依次与所述加热部件和样品剥蚀池的进气口相连通；所述可控富集解析器采用可控温冷阱；所述分析用载气控制装置包括分析用载气源，通过管路，所述分析用载气源与所述进样器相连；所述排气装置包括抽气泵，通过管路，所述排气泵与所述进样器相连；

所述烃组分分离分析系统包括快速富集解析器、色谱柱箱、分析毛细柱和检测器；所述快速富集解析器采用冷阱，安装在所述色谱柱箱内，通过管路，所述快速富集解析器一端与所述进样器相连，另一端依次与所述分析毛细柱和检测器相连；所述检测器包括氢焰检测器和质谱检测器；

所述显微激光剥蚀系统通过进样器一个接口和烃组分富集解吸系统连通，烃组分富集解吸系统再通过进样器另一个接口和烃组分分离分析系统连通；单体油气包裹体在所述显微激光剥蚀系统中被剥蚀打开后释放油气组分，此油气成分进入所述烃组分富集解吸系统，经过处理后再进入烃组分分离分析系统进行在线分析，最终得到各个组分的含量。

2.根据权利要求1所述的单体油气包裹体烃组分分析装置，其特征在于，在所述收集用载气控制装置、分析用载气控制装置和排气装置管路中都分别装有一个流量控制阀，用于控制气体的流量；所述收集用载气源和分析用载气源采用氦气。

3.根据权利要求1所述的单体油气包裹体烃组分分析装置，其特征在于，在所述快速富集解析器和分析毛细柱之间的管路中还装有分流放空阀，用于分流放空多余的气体；在所述分析毛细柱和两种检测器之间的管路中还装有转换联接装置，用于实现氢焰检测器和质谱检测器之间的单独使用或同时使用。

4.据权利要求1所述的单体油气包裹体烃组分分析装置，其特征在于，所述进样器采用六通阀，其六个接口分别与所述样品剥蚀池的排气口、排气装置、可控富集解析器的两端、分析用载气控制装置和快速富集解析器一端相连接；所述六通阀具有收集和分析两个状态。

5.据权利要求1所述的单体油气包裹体烃组分分析装置，其特征在于显微激光剥蚀系统还装有汞灯、投射光系统、CCD图像系统，用于样品定位和实验观测；所述样品台三维可控移动。

6.应用根据权利要求1-5之一所述的单体油气包裹体烃组分分析装置的一种分析方法，其特征在于所述方法包括

(1)激光剥蚀步骤，用于对烃包裹体宿主矿物进行激光剥蚀；

(2)烃组分富集解吸步骤，用于富集和解吸烃包裹体被打开后受热释放的油气组分；

(3)烃组分分离分析步骤，用于对烃类组分进行色谱质谱分析，确定单体油气包裹体的成分。

7.据权利要求6所述的单体油气包裹体烃组分分析装置，其特征在于，

其中，所述(1)激光剥蚀步骤，包括

(11)样品去污处理步骤，样品置于所述样品剥蚀池内，用加热的氦气吹扫清洗样品；

(12)确定实验用烃包裹体步骤，把实验用烃包裹体置于视阈中心；

(13)剥蚀步骤，用激光对烃包裹体宿主矿物进行激光剥蚀；激光能量控制在200mJ以下；

所述(2)烃组分富集解吸步骤，收集和解析所述步骤(13)中产生的油气组分，并将其导入所述烃组分分离分析系统快速富集解析器中；

所述(3)样品分析步骤，包括

(31)快速解吸所述步骤(2)生成的油气组分；

(32)色谱分离步骤，将所述步骤(31)生成的烃类组分通过所述分析毛细柱进行色谱分离；

(33)检测步骤，将经过步骤(32)分离的烃类组分输入选定的所述检测器，确定烃类物质各个组分的含量。

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