Som visas i den här illustrationen, som kol som det som finns i alger, marina plankton- och kustlandväxter rör sig närmare jordens kärna, det utsätts för högre temperaturer och tryck som förändrar dess kemi, reflekteras av en mätning som kallas "termisk mognad". Forskarna tittade på kolprover över en rad olika typer och termiska löptider för att belysa hur olja och naturgas bildas och färdas i skiffer. Kredit:Terry Anderson/SLAC National Accelerator Laboratory
Naturgas och råolja låst inuti lager av skiffer, en typ av sedimentär bergart, är en av landets största och snabbast växande energikällor. Enligt Drew Pomerantz, en vetenskapsman vid Schlumberger, ett oljefältsserviceföretag, två av de mest fascinerande vetenskapliga frågorna relaterade till skiffer är vad de består av och hur olja och gas lagras och transporteras i klipporna.
För att ta itu med dessa frågor, Pomerantz och hans team inledde ett samarbete med Dimosthenis Sokaras, en forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory. Med hjälp av SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), forskarna utvecklar tekniker för att undersöka naturligt förekommande former av kol som den som finns i skiffer.
Tidigare i år, de publicerade en tidning i Energi &Bränsle om en mängd olika former av kol som finns i naturen, inklusive kerogen, vilket är organiskt kol som finns i sedimentära bergarter och är den vanligaste formen av naturligt förekommande organiskt kol i jordskorpan.
Dessa material kan antingen vara mestadels aromatiska, som innehåller kolatomer förbundna med starka, stela bindningar, som i grafit eller kol, eller mestadels alifatisk, som innehåller kolatomer förbundna med svaga, flexibla bindningar, som i vax eller olja. Forskarna fann att trots dessa grundläggande skillnader, det aromatiska kolet är alltid strukturerat på samma sätt.
Varför är det viktigt att studera kol?
Sokaras:Kol finns överallt, och det finns i så många olika former. Även om alla dessa former är sammansatta av samma element, arrangemanget av deras elektroner, och därav deras bindning, leder till väldigt olika egenskaper
Pomerantz:I naturen, du har lite kol i luften och på jordens yta, lite kol i sjöar och hav, men lejonparten av planetens organiska kol är faktiskt under jord. Och ju närmare du kommer jordens centrum, ju högre temperaturer och tryck blir, som förändrar materialens kemi. Dessa förändringar, som i slutändan kan leda till bildning av olja och gas, resultat av en process som kallas "termisk mognad". Vi ville studera representativa prover av de många olika formerna av naturligt förekommande organiskt kol, inklusive prover med olika termiska löptider.
Vår förhoppning är att om vi kan förstå strukturen av kolformationer där olja produceras och de kemiska och fysikaliska processer som sker i dem, vi kan göra bättre förutsägelser om var man kan hitta olja och hur man utvinner den från marken. Detta kan också lära oss om vad som händer när vi försöker ta bort koldioxid från atmosfären genom att begrava den under jorden, där det interagerar med organiskt kol som redan finns där.
Vilka framsteg har gjorts på denna front vid SSRL hittills?
Pomerantz:År 2018, vi publicerade en grundläggande artikel i Journal of Physical Chemistry A där vi upptäckte att strukturen hos aromatiskt kol reflekteras i dess röntgenspektra och att strukturen kunde mätas experimentellt med en unik form av röntgenspektroskopi vid SSRL.
I vår senaste tidning, vi tog det vi lärde oss i vårt tidigare arbete och tillämpade det på material från verkliga världen för att se om vi kunde använda vår teknik för att skilja mellan dem. Förutom att titta på prover av kerogen över en rad olika typer och termiska löptider, vi tittade på former av kol från en mängd olika färska material – som i alger och växtmaterial – och från kol och petroleumbaserade material. Vi visade att alla dessa material har en gemensamhet:för den del av materialen som består av aromatiskt kol, att aromatiskt kol alltid har samma struktur. Eftersom strukturen hos aromatiskt kol styr dess egenskaper och reaktivitet, dessa resultat hjälper till att förklara några av de kemiska reaktioner som sker i naturen, inklusive de som är involverade i att skapa olja.
Vad gjorde det möjligt för dig att uppnå dessa resultat?
Sokaras:Genom åren, forskare har utvecklat ett antal tekniker som känsligt kan separera de olika formerna av kol i modellsystem. Dock, när du flyttar till verkliga naturliga exemplar, saker och ting kan bli lite rörigare. Faktiskt, sådana prover kan bestå av komplexa inhomogena blandningar av organiska material och ofta vara i en icke-fast, tjock-vätskefas. Sådana fall är svåra att studera med mer traditionella tekniker med ultrahöga vakuumkrav eller ytkänslighet. På SSRL, vi har utvecklats hårt, eller hög energi, Röntgenoelastiska spridningstekniker som tillåter oss att kemiskt analysera dessa former av kol i naturligt förekommande prover "i befintligt skick", ger insikt i kemin hos organiskt material som skiffer.
Vad är nästa steg? Vart hoppas du att denna forskning leder?
Pomerantz:Dessa studier har gett en begreppsmässig förståelse av strukturen hos en bred klass av organiska molekyler och kommer förhoppningsvis att användas i framtiden för att förbättra inte bara processen för att producera olja och gas från skiffer utan också processen att lagra koldioxid i skiffer .
Sokaras:Ur ett SLAC-perspektiv, vi försöker också se hur vi kan engagera andra forskare inom energigemenskapen och visa värdet av våra experimentella metoder. Vi hoppas att genom att ge viktiga insikter om oljerelaterade föreningar och visa hur de tekniker vi utvecklar här är tillämpbara på verkliga problem som oljebolag är intresserade av, vi kan utöka vårt energifokuserade vetenskapsprogram ytterligare.
