Le gaz naturel et le pétrole brut enfermés dans des couches de schiste, un type de roche sédimentaire, est l'une des sources d'énergie les plus importantes et à la croissance la plus rapide du pays. Selon Drew Pomerantz, un scientifique chez Schlumberger, une société de services pétroliers, deux des questions scientifiques les plus fascinantes liées aux schistes sont de savoir de quoi ils sont composés et comment le pétrole et le gaz sont stockés et transportés dans les roches.

Pour aborder ces questions, Pomerantz et son équipe ont noué une collaboration avec Dimosthenis Sokaras, un scientifique du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie. En utilisant la source lumineuse à rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC, les chercheurs développent des techniques pour étudier les formes naturelles de carbone telles que celle trouvée dans le schiste.

Plus tôt cette année, ils ont publié un article dans Énergie et carburants sur une grande variété de formes de carbone présentes dans la nature, y compris le kérogène, qui est le carbone organique trouvé dans les roches sédimentaires et est la forme la plus abondante de carbone organique naturellement présent dans la croûte terrestre.

Ces matériaux peuvent être soit principalement aromatiques, contenant des atomes de carbone reliés par de forts, liens rigides, comme dans le graphite ou le charbon, ou majoritairement aliphatique, contenant des atomes de carbone reliés par des faibles, obligations souples, comme dans la cire ou l'huile. Les chercheurs ont découvert qu'en dépit de ces différences fondamentales, le carbone aromatique est toujours structuré de la même manière.

Pourquoi est-il important d'étudier le carbone ?

Sokaras :Le carbone est partout, et il se présente sous tant de formes différentes. Bien que toutes ces formes soient composées du même élément, l'arrangement de leurs électrons, et de là leur attachement, conduit à des propriétés très différentes

Pomerantz :Dans la nature, vous avez un peu de carbone dans l'air et à la surface de la Terre, un peu de carbone dans les lacs et les océans, mais la part du lion du carbone organique de la planète est en fait souterraine. Et plus tu te rapproches du centre de la Terre, plus les températures et les pressions augmentent, qui modifie la chimie des matériaux. Ces changements, qui peut conduire à terme à la formation de pétrole et de gaz, résulter d'un processus connu sous le nom de "maturation thermique". Nous voulions étudier des échantillons représentatifs des nombreuses formes différentes de carbone organique naturel, y compris des échantillons de différentes maturités thermiques.

Notre espoir est que si nous pouvons comprendre la structure des formations de carbone où le pétrole est produit et les processus chimiques et physiques qui s'y produisent, nous pouvons faire de meilleures prédictions sur l'endroit où trouver le pétrole et comment l'extraire du sol. Cela peut également nous apprendre ce qui se passe lorsque nous essayons d'éliminer le dioxyde de carbone de l'atmosphère en l'enfouissant sous terre, où il interagit avec le carbone organique qui s'y trouve déjà.

Quels progrès ont été réalisés sur ce front chez SSRL jusqu'à présent ?

Pomerantz :En 2018, nous avons publié un article fondateur dans le Journal de chimie physique A dans lequel nous avons découvert que la structure du carbone aromatique se reflète dans ses spectres de rayons X et que la structure pourrait être mesurée expérimentalement en utilisant une forme unique de spectroscopie de rayons X au SSRL.

Dans notre plus récent article, nous avons pris ce que nous avons appris dans nos travaux précédents et l'avons appliqué à des matériaux du monde réel pour voir si nous pouvions utiliser notre technique pour les différencier. En plus d'examiner des échantillons de kérogène sur une gamme de types et de maturités thermiques, nous avons examiné les formes de carbone provenant d'une variété de matériaux frais, tels que les algues et les matières végétales, et de matériaux à base de charbon et de pétrole. Nous avons montré que tous ces matériaux partagent un point commun :pour la partie des matériaux composée de carbone aromatique, que le carbone aromatique a toujours la même structure. Puisque la structure du carbone aromatique contrôle ses propriétés et ses réactivités, ces résultats aident à expliquer certaines des réactions chimiques qui se produisent dans la nature, y compris ceux impliqués dans la création du pétrole.

Qu'est-ce qui vous a permis d'atteindre ces résultats ?

Sokaras :Au fil des années, les chercheurs ont développé un certain nombre de techniques qui peuvent séparer avec sensibilité les différentes formes de carbone dans les systèmes modèles. Cependant, lorsque vous vous déplacez vers des spécimens naturels du monde réel, les choses peuvent devenir un peu plus compliquées. En réalité, de tels échantillons peuvent être constitués de mélanges complexes et hétérogènes de matières organiques et être souvent sous forme non solide, phase liquide épaisse. De tels cas sont difficiles à étudier en utilisant des techniques plus traditionnelles avec des exigences d'ultravide ou une sensibilité de surface. Chez SSRL, nous nous sommes développés dur, ou à haute énergie, Techniques de diffusion inélastique des rayons X qui nous permettent d'analyser chimiquement ces formes de carbone dans des échantillons naturels « tels quels », donnant un aperçu de la chimie des matières organiques comme le schiste.

Quelles sont les prochaines étapes? Où espérez-vous mener cette recherche ?

Pomerantz :Ces études ont fourni une compréhension conceptuelle de la structure d'une large classe de molécules organiques et, espérons-le, seront utilisées à l'avenir pour améliorer non seulement le processus de production de pétrole et de gaz à partir des schistes, mais également le processus de stockage du dioxyde de carbone dans les schistes. .

Sokaras :Du point de vue du SLAC, nous essayons également de voir comment nous pouvons impliquer d'autres scientifiques dans la communauté énergétique et démontrer la valeur de nos méthodes expérimentales. Nous espérons qu'en fournissant des informations clés sur les composés liés au pétrole et en montrant comment les techniques que nous développons ici sont applicables aux problèmes du monde réel qui intéressent les compagnies pétrolières, nous pouvons développer davantage notre programme scientifique axé sur l'énergie.