Undersøgelse af porøsiteten af ​​sedimentær bjergart med neutroner

Hvorvidt sedimentære bjergarter opbevarer fossile kulbrinter eller fungerer som uigennemtrængelige lag for at forhindre stigningen af ​​olie, naturgas eller lagret kuldioxid - alt afhænger af deres porøsitet. Størrelsen, formen, organisationen og forbindelsen af ​​porerummene er afgørende.

Ved Heinz Maier-Leibnitz Research Neutron Source (FRM II) ved det tekniske universitet i München (TUM) blev netværkene af mikroporer karakteriseret ved brug af neutronspredning med lille og meget lille vinkel.

Tæt, mørk, kompakt – ved første øjekast er de sedimentære stenprøver, som Dr. Amirsaman Rezaeyan har på sit laboratoriebord, kun lidt anderledes. Porer er ikke synlige for det blotte øje.

Ikke desto mindre er det netop porerne, der giver mudderstenene deres særlige egenskaber:Porerne, der spænder fra få mikrometer til sub-nanometer i størrelse, dannes under sedimentering og komprimeres over tid, hvilket bestemmer permeabiliteten. Disse porer er den afgørende faktor for bjergartens evne til at opholde sig i olie og naturgas eller danne uigennemtrængelige lag, som de fossile brændstoffer samler sig under.

"Afhængigt af porernes fordeling, størrelse og struktur er de finkornede sedimentære bjergarter også velegnede til at bortskaffe radioaktivt affald eller forsegle kuldioxidlagring," forklarer Dr. Amirsaman Rezaeyan, en forsker ved University of Calgary i Canada. "Porestrukturen af ​​muddersten og dens indflydelse på permeabiliteten for væskestrømning er næppe blevet undersøgt til dato, men er enormt vigtige, hvis du vil vurdere mudderstens potentiale som oliereservoirer eller uigennemtrængelige lag."

Men hvordan måler man porer, der ikke er større end bakterier? Der er faktisk forskellige metoder, der kan bruges til at kvantificere porevolumenet, men de fleste af dem kan kun detektere større strukturer eller begrænsede porestørrelser.

"Kun lille og meget lille vinkel neutronspredning er velegnet til fuldt ud at kvantificere porer mellem nogle få nanometer og mikrometer," siger Rezaeyan, der sammen med et internationalt team ved Heinz Maier-Leibnitz Research Neutron Source (FRM II) ved TUM har analyseret porøsiteten af ​​et dusin sedimentære bjergarter fra Europa og Amerika.

Måler porer med nanometerpræcision

Der er kun få målefaciliteter for Small Angle Neutron Scattering (SANS) og Very Small Angle Neutron Scattering (VSANS) rundt om i verden. To af dem, KWS-1 og KWS-3, drives af Forschungszentrum Jülich ved Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ).

MLZ er det videnskabelige samarbejde mellem TUM, Forschungszentrum Jülich og Helmholtz-Zentrum Hereon, som gør neutronerne i FRM II tilgængelige for gæsteforskere i form af videnskabelige instrumenter.

Så Rezaeyan fra Lyell Centret ved Heriot-Watt University i Edinburgh, Skotland, hvor han arbejdede på det tidspunkt, rejste til Garching med sine stenprøver – alle tyndpolerede og uden gas- eller væskeindeslutninger – for at opdage mikroporer.

Prøverne blev bestrålet med neutroner fra reaktoren i småvinklede spredningsinstrumenter ved FRM II. Da neutroner kun interagerer med atomkerner, kan diffraktionsmønsteret registreret af detektoren bruges til at udlede arrangementet af atomerne og dermed - indirekte - arrangementet af de atomfrie porer.

Tilbage i Skotland korrelerede forskerne målingerne med stenprøvernes mikroskopiske egenskaber. Resultatet er nu publiceret i to artikler, den ene i tidsskriftet Energy og den anden i Energi og brændstoffer .

Forskerne fandt ud af, at porøsiteten af ​​de finkornede muddersten er afhængig af andelen af ​​lermineraler, der er indeholdt i sedimenterne:Jo mere ler, jo større er sandsynligheden for mindre porer, som har en diameter på mindre end 50 nanometer. Sten med et højt lerindhold er derfor potentielt velegnet til at tætne et bortskaffelses- eller opbevaringssted under jorden som et uigennemtrængeligt lag.

"Men lerindholdet er kun en brik i puslespillet:Der er en lang række faktorer, der skal tages i betragtning, når man vælger passende mudderfjeldslag til produktion af olie og gas eller CO₂ opbevaring," understreger Rezaeyan. "Vi har derfor inkluderet andre faktorer i dataanalysen, såsom stenkomprimering og organisk stof. Ved at gøre dette var vi i stand til at etablere korrelationer af høj statistisk signifikans."

Ved hjælp af disse sammenhænge skulle det være muligt i fremtiden at estimere de fysiske egenskaber af finkornede sedimentære bjergarter ud fra sedimentationsforholdene og finde ud af, om de er egnede som uigennemtrængelige lag for atomaffaldsdepoter og CO ₂ lagerpladser.

Flere oplysninger: Amirsaman Rezaeyan et al., Komprimering og lerindhold kontrollerer mudderstens porøsitet, Energi (2023). DOI:10.1016/j.energy.2023.129966

Amirsaman Rezaeyan et al., Evolution of pore Structure in Organic-lean and Organic-rich mudrocks, Energy &Fuels (2023). DOI:10.1021/acs.energyfuels.3c02180

Journaloplysninger: Energi og brændstoffer

Leveret af Technical University München