Huruvida sedimentära bergarter lagrar fossila kolväten eller fungerar som ogenomträngliga skikt för att förhindra uppkomsten av olja, naturgas eller lagrad koldioxid - allt beror på deras porositet. Storleken, formen, organisationen och anslutningen av porutrymmen är avgörande.
Vid Heinz Maier-Leibnitz forskningsneutronkälla (FRM II) vid Tekniska universitetet i München (TUM) karakteriserades nätverken av mikroporer med neutronspridning med liten och mycket liten vinkel.
Tät, mörk, kompakt – vid första anblicken skiljer sig de sedimentära stenproverna som Dr. Amirsaman Rezaeyan har på sitt labbbord bara något. Porerna är inte synliga för blotta ögat.
Ändå är det just porerna som ger lerstenarna deras speciella egenskaper:Porerna, som sträcker sig från några mikrometer till sub-nanometer i storlek, bildas under sedimentering och komprimeras med tiden, vilket bestämmer permeabiliteten. Dessa porer är den avgörande faktorn för bergets förmåga att befinna sig i olja och naturgas eller bilda ogenomträngliga lager under vilka de fossila bränslena samlas.
"Beroende på porernas fördelning, storlek och struktur är de finkorniga sedimentära bergarterna också lämpliga för att kassera radioaktivt avfall eller försegla koldioxidlagring", förklarar Dr Amirsaman Rezaeyan, forskare vid University of Calgary i Kanada. "Porstrukturen hos lerstenar och dess inverkan på permeabiliteten för vätskeflöde har knappast studerats hittills men är enormt viktiga om du vill bedöma potentialen hos lerstenar som oljereservoarer eller ogenomträngliga skikt."
Men hur mäter man porer som inte är större än bakterier? Det finns faktiskt olika metoder som kan användas för att kvantifiera porvolymen, men de flesta av dem kan bara detektera större strukturer eller begränsade porstorlekar.
"Endast liten och mycket liten vinkel neutronspridning är lämplig för att fullständigt kvantifiera porer mellan några få nanometer och mikrometer", säger Rezaeyan, som tillsammans med ett internationellt team vid Heinz Maier-Leibnitz Research Neutron Source (FRM II) vid TUM har analyserade porositeten hos ett dussin sedimentära bergarter från Europa och Amerika.
Det finns bara ett fåtal mätanläggningar för Small Angle Neutron Scattering (SANS) och Very Small Angle Neutron Scattering (VSANS) runt om i världen. Två av dem, KWS-1 och KWS-3, drivs av Forschungszentrum Jülich vid Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ).
MLZ är det vetenskapliga samarbetet mellan TUM, Forschungszentrum Jülich och Helmholtz-Zentrum Hereon, som gör neutronerna i FRM II tillgängliga för gästforskare i form av vetenskapliga instrument.
Så Rezaeyan från Lyell Centre vid Heriot-Watt University i Edinburgh, Skottland, där han arbetade vid den tiden, reste till Garching med sina stenprover – alla tunt polerade och utan gas- eller vätskeinneslutningar – för att upptäcka mikroporer.
Proverna bestrålades med neutroner från reaktorn i de små vinklarna spridningsinstrumenten vid FRM II. Eftersom neutroner endast interagerar med atomernas kärnor, kan diffraktionsmönstret som registreras av detektorn användas för att härleda atomernas arrangemang och därmed – indirekt – de atomfria porerna.
Tillbaka i Skottland korrelerade forskarna mätningarna med de mikroskopiska egenskaperna hos stenproverna. Resultatet har nu publicerats två artiklar, en i tidskriften Energy och den andra i Energi och bränslen .
Forskarna fann att porositeten hos de finkorniga lerstenarna är beroende av andelen lermineral som finns i sedimenten:Ju mer lera, desto större är sannolikheten för mindre porer, som har en diameter på mindre än 50 nanometer. Bergarter med hög lerhalt är därför potentiellt väl lämpade för att täta en avfalls- eller lagringsplats under jord som ett ogenomträngligt lager.
"Men lerinnehållet är bara en pusselbit:det finns en hel rad faktorer som måste beaktas när man väljer lämpliga lerbergsskikt för produktion av olja och gas eller CO2 lagring", betonar Rezaeyan. "Vi inkluderade därför andra faktorer i dataanalysen, såsom bergkomprimering och organiskt material. Genom att göra detta kunde vi fastställa korrelationer med hög statistisk signifikans."
Med hjälp av dessa korrelationer bör det i framtiden vara möjligt att utifrån sedimentationsförhållandena uppskatta de fysikaliska egenskaperna hos finkorniga sedimentära bergarter och ta reda på om de är lämpliga som ogenomträngliga skikt för kärnavfallsförvar och CO 2 lagringsplatser.
Mer information: Amirsaman Rezaeyan et al., Compaction and clay content control mudrock porosity, Energy (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
Journalinformation: Energi och bränslen
Tillhandahålls av Technical University Munich
