Mer än 30 stater har skifferformationer som har naturgas under jorden, enligt Energiinformationsförvaltningen. Men branschexperter kan inte enas om exakt hur mycket bränsle som finns inuti. Det beror på att naturgas och andra kolväten ligger inuti nanoskala, svårt att mäta porer i skifferstenar, som har egenskaper som ännu inte är förstådda.

"Om du vill uppskatta lagringskapaciteten för skiffergas, du måste förstå material som lagrar dem, "sa Yun Liu, en ansluten docent i kemiteknik vid University of Delaware och en fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) Center for Neutron Research.

Nu, använder neutronspridning, Liu och ett team av forskare från UD, NIST och Aramco Services Company har utvecklat en ny icke-invasiv metod för att mäta variationen i ytegenskaper djupt inuti porösa material.

Denna metod kan hjälpa naturgassexperter att bättre förstå skifferprover genom att undersöka kompositionsfördelningen på porösa ytor inuti skifferna som direkt påverkar lagring och transport av kolväten. Detta skulle så småningom hjälpa dem att bestämma om de skulle investera tid och resurser för att utvinna gas från formationen som proverna kom ifrån. Resultaten av denna studie, publicerad torsdag, 22 februari i tidningen Naturkommunikation , kan också användas för att förstå många andra olika typer av porösa material med hjälp av neutronspridning eller röntgenspridning.

Undersöker porer

Det är inte bara storleken på porerna som spelar roll, men ytstrukturen och ytkemin, eftersom naturgas interagerar med ytterkanterna på varje liten pore i berget. Egenskaperna hos porerna avgör också hur gas kommer att flöda ut ur formationen.

För att förstå dessa porer, forskargruppen började med prover av isolerat skifferkerogen, ett organiskt material som lagrar majoriteten av kolväten som naturgas i skiffer. Att kika inuti kerogen, de använde liten vinkel neutronspridning, skjuta en stråle av subatomära neutroner genom ett ämne och samla information om neutronernas beteende för att bestämma porernas egenskaper. Neutronspridning är icke-destruktiv, till skillnad från elektronmikroskopi, en annan vanlig metod som används för att undersöka porösa material.

Därefter mätte gruppen förändringen av neutronspridningssignaler med gassorption vid olika tryck. Förändringen av neutronintensiteten återspeglar den sammansatta fördelningen på ytorna inuti ett prov.

Denna nya metod kan avslöja ny information som andra metoder inte gör, såsom ytens heterogenitet. Enkelt uttryckt, den ger information som hjälper forskare att bättre förstå vad de arbetar med. När den läggs till annan information som samlats in från en webbplats, det kan underlätta beslutsfattandet.

"De flesta andra tekniker som används inom petroleumfältet ger" genomsnittliga "värden för provparametrar, "sa studieförfattaren Wei-Shan Chiang, en postdoktor i kemisk och biomolekylär teknik vid UD som arbetar på plats vid NIST Center for Neutron Research och på Aramco Services Company. "Vår metod ger både" genomsnitt "och" avvikelse "(fördelningsbredden) för materialegenskaperna."

Denna metod bör också fungera på många andra material, som cement, och kanske till och med biologiska material som blod, sa Liu. Teamet ser fram emot att tillämpa sin metod på nya system.