Simuleringsögonblicksbilder av Rice Universitys ingenjörer visar n-heptanmolekyler (grön) under olika grader av inneslutning i en polymermatris av molekyler (svart), där den högviskösa polymeren är en modell för omogen kerogen. Den vänstra panelen visar molekyler under extrem inneslutning och den högra panelen visar molekyler som är relativt fria. Kredit:Arjun Valiya Parambathu/Rice University
Rice Universitys ingenjörer har lagt ner en långvarig teori om upptäckten av olja och gas som gömmer sig inuti nanoskaliga porer i skifferformationer.
Rice-forskarna fastställde att förbryllande indikatorer från kärnmagnetisk resonans (NMR)-verktyg inte beror på, som tänkt, till bergartens paramagnetiska egenskaper men enbart till storleken på utrymmet som fångar petrokemikalierna.
Teamet förväntar sig att upptäckten kommer att leda till bättre tolkning av NMR-loggar av olje- och gasindustrin, speciellt i okonventionella skifferformationer.
Studiens författare - seniorforskarna Dilip Asthagiri, Philip Singer, George Hirasaki och Walter Chapman och doktorand Arjun Valiya Parambathu, alla Brown School of Engineerings avdelning för kemi och biomolekylär teknik - har legat i framkant när det gäller att använda atomistiska simuleringar för att förfina hur man tolkar NMR-relaxationsbeteende.
Deras papper i Journal of Physical Chemistry B bygger på tidigare arbete från samma grupp och belyser den kritiska rollen av molekylär inneslutning på NMR-relaxationsrespons.
NMR-relaxation är ett viktigt verktyg för att oförstörande mäta dynamiken hos molekyler i porösa material. NMR används ofta för att upptäcka sjuka vävnader i människokroppen, men används också för att hjälpa till att utvinna olja och gas på ett säkert och ekonomiskt sätt genom att karakterisera sedimentära bergarter för att se om de innehåller kolväten.
NMR manipulerar de nukleära magnetiska momenten hos vätekärnor genom att applicera externa magnetfält och mäta tiden det tar för ögonblicken att "slappna av" tillbaka till jämvikt. Eftersom avslappningstiderna varierar beroende på molekylen och dess miljö, den information som samlats in av NMR, speciellt avslappningstiderna som kallas T1 och T2, kan hjälpa till att identifiera om en molekyl är gas, olja eller vatten och storleken på porerna som innehåller dem.
Rice University-forskare använde storskaliga simuleringar för att eliminera paramagnetismens roll i NMR-karakterisering av olje- och skifferavlagringar i nanoporösa skifferformationer. Under stark instängdhet, de fann att volymfraktionen av heptan i en modellpolymer är låg, som om det lätta kolvätet löses i den inneslutande matrisen. Figuren visar mätningar (öppna cirklar) och simuleringsresultat (fyllda cirklar) av T1/T2-förhållandet för ytrelaxation för en applicerad magnetfältstyrka. Kredit:Arjun Valiya Parambathu/Rice University
Ett pussel på området har varit att förklara det stora T1/T2-förhållandet mellan lätta kolväten inneslutna i sådant nanoporöst material som kerogen eller bitumen (aka asfalt) och mekanismen bakom NMR-ytrelaxation, ett fenomen som uppstår när tidigare fria molekyler finns intill de ytor som begränsar dem.
Specifikt, forskarna konstaterar, T1/T2-förhållandet av kolväten i kerogen visar sig vara mycket större än T1/T2-förhållandet för vatten i leror. Även om denna kontrast i T1/T2 har potential att förutsäga kolvätereserver i okonventionella skifferformationer, den grundläggande mekanismen bakom det förblev svårfångad.
Den konventionella förklaringen av det stora T1/T2-förhållandet i kerogen åberopade paramagnetismens fysik som dikterar hur material reagerar på magnetfält.
Genom storskaliga atomistiska simuleringar av Valiya Parambathu, Chapman och Asthagiri och experiment av Singer och Hirasaki, Rice-teamet visade att förklaringen inte är korrekt.
I studien, teamet visade istället att det stora T1/T2-förhållandet uppstår som en konsekvens av att kolvätet begränsas i ett trångt utrymme.
"I fysiska termer, under stark instängdhet, korrelationstiderna för de molekylära rörelserna blir längre, " sa Asthagiri.
"Dessa längre korrelationstider resulterar i snabbare NMR-relaxation - det vill säga kortare T1- och T2-tider, " tillade Singer. "Denna effekt är mer uttalad för T2 än för T1, vilket resulterar i ett stort T1/T2-förhållande."
Chapman noterade att teamet också är intresserade av att utforska idéer som presenteras i tidningen i samband med medicinsk MRI.
