Forskere udvikler miniaturiseret kernemagnetisk resonans til olie- og gasudforskning

Donhee skinke, Gordon McKay professor i elektroteknik og anvendt fysik, er blevet tildelt 1,7 millioner dollars fra det amerikanske energiministeriums Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) for at udvikle miniaturiseret kernemagnetisk resonans (NMR) elektronik. Enhedernes lille størrelse og lave pris giver mulighed for bred udbredelse i Jordens dybe undergrund, muliggør billeddannelse af klippeformationer til olie- og gasefterforskning.

NMR er en teknik, der forstyrrer protoner i et molekyle for at få vigtige spor om dets struktur og bevægelse. Det kan identificere ukendte stoffer, registrere meget små variationer i kemisk sammensætning med atomopløsning, og måle, hvordan molekyler bevæger sig og interagerer, gør det til et vigtigt værktøj i organisk kemi, strukturel biologi, og opdagelse af lægemidler.

Siden 1990'erne, NMR har været et vigtigt værktøj til olieefterforskning i olie- og gasindustrien. Det bruges til at undersøge væskesammensætninger samt molekylære interaktioner mellem klippeoverflader og væsker og har hjulpet med at opdage store olie- og skiferreservoirer i Brasilien og USA.

Imidlertid, nuværende NMR-elektronik, der bruges til olie- og gasopdagelse, er omfangsrig, tung og dyr. De er mere end 12 fod høje og vejer mere end 200 pund. Ham og hans team søger at ændre det ved at integrere den omfangsrige NMR-elektronik i en halvlederchip, der kan holdes ved håndfladen.

"Sådan lille NMR-elektronik kan spredes langt bredere gennem geologiske formationer, muliggør langsigtet distribueret overvågning af jordens undergrund, transformation af oliefund og produktion på tværs af modne felter, dybe vandfelter, og ukonventionelle olie/gas reservoirer, " sagde Ham. "Sådan distribueret overvågning er som at afbilde Jordens undergrund, ligesom de samme NMR-fysikbilleder inde i den menneskelige krop i MRI."

I løbet af de sidste 10 år, Ham og hans team har krympet NMR-enheder til bærbar diagnostisk biomolekylær sensing og biomolekylær spektroskopi ved hjælp af silicium-integreret kredsløbsteknologi - teknologien, der er ansvarlig for computermikroprocessorer. Nærværende projekt bygger på denne ekspertise.

Den nye udfordring for dybe undergrundsapplikationer er at lave chip-skala elektronik, der kan modstå de høje temperaturer i det underjordiske miljø. Nuværende generation af integrerede siliciumkredsløb er ikke udelukket til sådanne højtemperaturapplikationer. For at overkomme denne udfordring, Ham og hans team vil bruge gallium-nitrid (GaN) integreret kredsløbsteknologi, som ikke kun hjælper med miniaturisering, men også tillader systemet at fungere ved høje temperaturer.

Ud over opdagelse af olie og gas under jorden, denne miniature-NMR-enhed kunne distribueres bredt for at overvåge kvalitet og forbedre effektiviteten i downstream-elementer af energikæden, inklusive forsendelse, rørledninger, blanding, raffinaderi, opbevaring, og distribution.

Denne forskning er en del af et fortsat samarbejde med Schlumberger, en af ​​verdens største oliefeltservicevirksomheder. Finansieringen er gennem ARPA-E OPEN-programmet, som har til formål at identificere potentielt forstyrrende nye teknologier på tværs af hele spektret af energianvendelser.