Strukturen af ​​sten fra fossile brændstoffer er endelig afkodet

De fossile brændstoffer, der leverer meget af verdens energi, orginat i en stenart kaldet kerogen, og potentialet for genvinding af disse brændstoffer afhænger afgørende af størrelsen og sammenhængen mellem klippernes indre porerum.

Nu, for første gang, et team af forskere på MIT og andre steder har taget tredimensionelle billeder af kerogens interne struktur, med et detaljeringsniveau mere end 50 gange større end tidligere er opnået. Disse billeder bør give mere præcise forudsigelser af, hvor meget olie eller gas der kan indvindes fra en given formation. Dette ville ikke ændre evnen til at genvinde disse brændstoffer, men det kunne, for eksempel, føre til bedre skøn over de genvindelige reserver af naturgas, som ses som et vigtigt overgangsbrændstof, når verden forsøger at bremse brugen af ​​kul og olie.

Resultaterne rapporteres i denne uge i Procedurer fra National Academy of Science , i et oplæg af MIT Senior Research Scientist Roland Pellenq, MIT-professor Franz-Josef Ulm, og andre på MIT, CNRS og Aix-Marseille Université (AMU) i Frankrig, og Shell Technology Center i Houston.

Holdet, som offentliggjorde resultater for to år siden om en undersøgelse af kerogenporestruktur baseret på computersimuleringer, brugte en relativt ny metode kaldet elektrontomografi til at producere de nye 3D-billeder, som har en opløsning på mindre end 1 nanometer, eller milliarddel af en meter. Tidligere forsøg på at studere kerogenstruktur havde aldrig afbildet materialet under en opløsning på 50 nanometer, Siger Pellenq.

Fossile brændstoffer, som deres navn antyder, dannes, når organisk stof som døde planter bliver begravet og blandet med finkornet silt. Når disse materialer bliver begravet dybere, i løbet af millioner af år bliver blandingen kogt til en mineralsk matrix spækket med en blanding af kulstofbaserede molekyler. Over tid, med mere varme og tryk, karakteren af ​​den komplekse struktur ændres.

Processen, en langsom pyrolyse, involverer "tilberedning af ilt og brint, og til sidst, du får et stykke trækul, "Forklarer Pellenq." Men ind i mellem, du får hele denne graduering af molekyler, "mange af dem er nyttige brændstoffer, smøremidler, og kemiske råvarer.

De nye resultater viser for første gang en dramatisk forskel i nanostrukturen af ​​kerogen afhængigt af dets alder. Relativt umoden kerogen (hvis faktiske alder afhænger af kombinationen af ​​temperaturer og tryk, det har været udsat for) har tendens til at have meget større porer, men næsten ingen forbindelser mellem disse porer, gør det meget sværere at udvinde brændstoffet. Modent kerogen, derimod, har en tendens til at have meget mere porer, men disse er godt forbundet i et netværk, der tillader gas eller olie at flyde let, gør meget mere af det genvindeligt, Forklarer Pellenq.

Undersøgelsen afslører også, at de typiske porestørrelser i disse formationer er så små, at normale hydrodynamiske ligninger, der bruges til at beregne den måde, væsker bevæger sig gennem porøse materialer, ikke virker på. I denne skala er materialet i så tæt kontakt med porevæggene, at interaktioner med væggen dominerer dets adfærd. Forskergruppen skulle således udvikle nye måder at beregne strømningsadfærden på.

"Der er ingen væskedynamikligning, der virker i disse subnanoskala -porer, "siger han." Ingen kontinuumfysik fungerer i den skala. "

For at få disse detaljerede billeder af strukturen, holdet brugte elektron tomografi, hvor en lille prøve af materialet roteres i mikroskopet, da en elektronstråle undersøger strukturen for at tilvejebringe tværsnit i den ene vinkel efter den anden. Disse kombineres derefter for at producere en fuldstændig 3-D rekonstruktion af porestrukturen. Mens forskere havde brugt teknikken i et par år, de havde ikke anvendt det på kerogenstrukturer før nu. Billeddannelsen blev udført på CINaM lab af CNRS og AMU, i Frankrig (i gruppen af ​​Daniel Ferry), som en del af et langsigtet samarbejde med MultiScale Materials Science for Energy and Environment, det fælles laboratorium MIT/CNRS/AMU placeret på MIT.

"Med denne nye nanoskala tomografi, vi kan se, hvor carbonhydridmolekylerne faktisk sidder inde i klippen, "Siger Pellenq. Når de fik billederne, forskerne var i stand til at bruge dem sammen med molekylære modeller af strukturen, at forbedre troværdigheden af ​​deres simuleringer og beregninger af strømningshastigheder og mekaniske egenskaber. Dette kan belyse, hvordan produktionen falder i olie- og gasboringer, og måske om, hvordan man kan bremse dette fald.

Indtil nu, teamet har undersøgt prøver fra tre forskellige kerogenplaceringer og fundet en stærk sammenhæng mellem formationens modenhed og dens porestørrelsesfordeling og poreløftforbindelse. Forskerne håber nu at kunne udvide undersøgelsen til mange flere steder og udlede en robust formel til at forudsige porestruktur baseret på et givet stedets modenhed.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.