化石燃料烃源岩的结构最终被解码

这种化石燃料在一种被称为干酪根的岩石中提供了世界上大部分的能量，并且回收这些燃料的潜力在很大程度上取决于岩石内部孔隙空间的大小和连通性。

现在，麻省理工学院和其他地方的一个研究小组第一次捕获了干酪根内部结构的三维图像，其细节水平比以前高出50倍。这些图像应该能够更准确地预测从任何给定地层中回收多少石油或天然气。这不会改变回收这些燃料的能力，但它可以，例如，可以更好地估计天然气的可采储量，这被视为世界试图遏制煤炭使用的重要过渡燃料。油。

本周在麻省理工学院高级研究科学家Roland Pellenq，麻省理工学院教授Franz-Josef Ulm和麻省理工学院，CNRS和法国Aix-MarseilleUniversité(AMU)的论文中报道了这些研究结果。和休斯顿壳牌技术中心。

两年前根据计算机模拟研究干酪根孔隙结构的研究小组使用了一种相对较新的方法 - 电子断层扫描技术来生成新的三维图像，其分辨率小于1纳米或十亿分之一一米。Pellenq说，之前研究干酪根结构的尝试从未对低于50纳米分辨率的材料进行成像。

化石燃料，顾名思义，当有机物质如死植物被埋没并与细粒淤泥混合时形成。随着这些材料深埋，数百万年后，混合物被煮熟成矿物基质，散布着碳基分子的混合物。随着时间的推移，随着热量和压力的增加，复杂结构的性质也会发生变化。

这个过程，一个缓慢的热解，涉及“烹饪氧气和氢气，最后，你得到一块木炭，”Pellenq解释说。“但在这两者之间，你可以得到整个分子级别，”其中许多是有用的燃料，润滑剂和化学原料。

新的结果首次显示干酪根的纳米结构取决于其年龄的显着差异。相对不成熟的干酪根(其实际年龄取决于它所经受的温度和压力的组合)往往具有更大的孔隙，但这些孔隙之间几乎没有连接，使得更难以提取燃料。相比之下，成熟的干酪根往往具有更多更细小的孔隙，但这些孔隙在网络中连接良好，允许气体或油轻易流动，使其更多可回收，Pellenq解释说。

该研究还表明，这些地层中的典型孔径非常小，以至于用于计算流体穿过多孔材料的方式的常规流体动力学方程将不起作用。在这种规模下，材料与孔壁紧密接触，与壁的相互作用决定了它的行为。因此，研究团队必须开发计算流动行为的新方法。

“在这些亚纳米尺度的孔隙中没有流体动力学方程，”他说。“没有连续统物理学在那种规模上有效。”

为了获得这些结构的详细图像，该团队使用电子断层扫描，其中一小部分材料样本在显微镜内旋转，因为电子束探测结构以提供一个接一个的角度的横截面。然后将它们组合以产生孔结构的完整3-D重建。虽然科学家们已经使用这种技术已有几年了，但直到现在他们还没有将它应用于干酪根结构。成像在法国CNRS和AMU的CINaM实验室(Daniel Ferry集团)进行，作为与MultiScale能源与环境材料科学，MIT / CNRS / AMU联合实验室长期合作的一部分。位于麻省理工学院。

“通过这种新的纳米级断层扫描，我们可以看到碳氢化合物分子实际上位于岩石内的位置，”佩伦克说。一旦他们获得了图像，研究人员就可以将它们与结构的分子模型一起使用，以提高模拟的保真度以及流速和机械性能的计算。这可以揭示石油和天然气井的生产率下降，以及如何减缓这种下降。

到目前为止，该团队已经研究了三个不同干酪根位置的样品，发现地层成熟度与孔径分布和孔隙空隙连通性之间存在很强的相关性。研究人员现在希望将该研究扩展到更多的地点，并根据给定地点的成熟度推导出一个可靠的预测孔隙结构的公式。