Des instantanés de simulation réalisés par les ingénieurs de l'Université Rice montrent des molécules de n-heptane (vert) sous différents degrés de confinement dans une matrice polymère de molécules (noir), où le polymère à haute viscosité est un modèle pour le kérogène immature. Le panneau de gauche montre des molécules soumises à un confinement extrême et le panneau de droite montre des molécules relativement libres. Crédit :Arjun Valiya Parambathu/Université du riz
Les ingénieurs de l'Université Rice ont mis au repos une théorie de longue date sur la détection du pétrole et du gaz qui se cache à l'intérieur des pores nanométriques des formations de schiste.
Les chercheurs de Rice ont déterminé que les indicateurs déroutants des outils de résonance magnétique nucléaire (RMN) ne sont pas dus, comme pensée, aux propriétés paramagnétiques de la roche mais uniquement à la taille de l'espace qui piège les produits pétrochimiques.
L'équipe s'attend à ce que la découverte conduise à une meilleure interprétation des journaux RMN par l'industrie pétrolière et gazière, en particulier dans les formations de schiste non conventionnelles.
Les auteurs de l'étude—les chercheurs principaux Dilip Asthagiri, Philippe Chanteur, George Hirasaki et Walter Chapman et l'étudiant diplômé Arjun Valiya Parambathu, tous les départements de génie chimique et biomoléculaire de la Brown School of Engineering ont été à l'avant-garde dans l'utilisation de simulations atomistiques pour affiner la façon d'interpréter le comportement de relaxation RMN.
Leur papier dans le Journal de chimie physique B s'appuie sur des travaux antérieurs du même groupe et élucide le rôle critique du confinement moléculaire sur la réponse de relaxation RMN.
La relaxation RMN est un outil important pour mesurer de manière non destructive la dynamique des molécules dans les matériaux poreux. La RMN est couramment utilisée pour détecter les tissus malades dans le corps humain, mais est également utilisé pour aider à extraire le pétrole et le gaz de manière sûre et économique en caractérisant les roches sédimentaires pour voir si elles contiennent des hydrocarbures.
La RMN manipule les moments magnétiques nucléaires des noyaux d'hydrogène en appliquant des champs magnétiques externes et en mesurant le temps qu'il faut aux moments pour « se détendre » jusqu'à l'équilibre. Parce que les temps de relaxation diffèrent selon la molécule et son environnement, les informations recueillies par RMN, plus précisément les temps de relaxation appelés T1 et T2, peut aider à identifier si une molécule est un gaz, l'huile ou l'eau et la taille des pores qui les contiennent.
Les chercheurs de l'Université Rice ont utilisé des simulations à grande échelle pour éliminer le rôle du paramagnétisme dans la caractérisation RMN des gisements de pétrole et de schiste dans les formations de schiste nanoporeuses. Sous fort confinement, ils ont trouvé que la fraction volumique d'heptane dans un polymère modèle est faible, comme si l'hydrocarbure léger était dissous dans la matrice de confinement. La figure montre les mesures (cercles vides) et les résultats de simulation (cercles pleins) du rapport T1/T2 pour la relaxation de surface pour une intensité de champ magnétique appliquée. Crédit :Arjun Valiya Parambathu/Université du riz
Une énigme sur le terrain a consisté à expliquer le grand rapport T1/T2 des hydrocarbures légers confinés dans des matériaux nanoporeux tels que le kérogène ou le bitume (alias asphalte) et le mécanisme derrière la relaxation de surface RMN, un phénomène qui apparaît lorsque des molécules autrefois libres sont adjacentes aux surfaces qui les confinent.
Spécifiquement, les chercheurs notent, le rapport T1/T2 des hydrocarbures dans le kérogène s'avère être beaucoup plus grand que le rapport T1/T2 de l'eau dans les argiles. Bien que ce contraste en T1/T2 ait le potentiel de prédire les réserves d'hydrocarbures dans les formations de schiste non conventionnelles, le mécanisme fondamental derrière cela restait insaisissable.
L'explication conventionnelle du grand rapport T1/T2 dans le kérogène invoquait la physique du paramagnétisme qui dicte la façon dont les matériaux réagissent aux champs magnétiques.
Grâce aux simulations atomistiques à grande échelle de Valiya Parambathu, Chapman et Asthagiri et les expériences de Singer et Hirasaki, l'équipe Rice a montré que l'explication n'est pas correcte.
Dans l'étude, l'équipe a plutôt montré que le grand rapport T1/T2 émerge en conséquence du confinement de l'hydrocarbure dans un espace restreint.
« En termes physiques, sous fort confinement, les temps de corrélation des mouvements moléculaires s'allongent, " dit Asthagiri.
"Ces temps de corrélation plus longs entraînent une relaxation RMN plus rapide, c'est-à-dire des temps T1 et T2 plus courts, " Le chanteur a ajouté. " Cet effet est plus prononcé pour le T2 que pour le T1, ce qui se traduit par un rapport T1/T2 important."
Chapman a noté que l'équipe est également intéressée à explorer les idées présentées dans le document dans le contexte de l'IRM médicale.
