Les combustibles fossiles qui fournissent une grande partie de l'énergie mondiale proviennent d'un type de roche connu sous le nom de kérogène, et le potentiel de récupération de ces combustibles dépend de manière cruciale de la taille et de la connectivité des espaces poreux internes des roches.

Maintenant, pour la première fois, une équipe de chercheurs du MIT et d'ailleurs a capturé des images tridimensionnelles de la structure interne du kérogène, avec un niveau de détail plus de 50 fois supérieur à celui atteint auparavant. Ces images devraient permettre des prévisions plus précises de la quantité de pétrole ou de gaz pouvant être récupérée d'une formation donnée. Cela ne changerait rien à la capacité de récupération de ces carburants, mais ça pourrait, par exemple, conduire à de meilleures estimations des réserves récupérables de gaz naturel, qui est considéré comme un important combustible de transition alors que le monde essaie de réduire l'utilisation du charbon et du pétrole.

Les résultats sont rapportés cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , dans un article du chercheur principal du MIT Roland Pellenq, Professeur du MIT Franz-Josef Ulm, et d'autres au MIT, CNRS et Aix-Marseille Université (AMU) en France, et Shell Technology Center à Houston.

L'équipe, qui a publié il y a deux ans les résultats d'une étude de la structure des pores du kérogène basée sur des simulations informatiques, utilisé une méthode relativement nouvelle appelée tomographie électronique pour produire les nouvelles images 3D, qui ont une résolution inférieure à 1 nanomètre, ou milliardième de mètre. Les tentatives précédentes pour étudier la structure du kérogène n'avaient jamais imagé le matériau à une résolution inférieure à 50 nanomètres, dit Pellenq.

Combustibles fossiles, comme leur nom l'indique, se forment lorsque la matière organique telle que les plantes mortes est enfouie et mélangée à du limon à grain fin. Au fur et à mesure que ces matériaux sont enfouis plus profondément, sur des millions d'années, le mélange est cuit dans une matrice minérale entrecoupée d'un mélange de molécules à base de carbone. Heures supplémentaires, avec plus de chaleur et de pression, la nature de cette structure complexe change.

Le processus, une pyrolyse lente, implique "la cuisson de l'oxygène et de l'hydrogène, et à la fin, vous obtenez un morceau de charbon de bois, " explique Pellenq. " Mais entre les deux, vous obtenez toute cette gradation de molécules, " beaucoup d'entre eux sont des carburants utiles, lubrifiants, et les matières premières chimiques.

Les nouveaux résultats montrent pour la première fois une différence dramatique dans la nanostructure du kérogène en fonction de son âge. Le kérogène relativement immature (dont l'âge réel dépend de la combinaison de températures et de pressions auxquelles il a été soumis) a tendance à avoir des pores beaucoup plus gros mais presque pas de connexions entre ces pores, rendant beaucoup plus difficile l'extraction du carburant. Kérogène mature, par contre, a tendance à avoir des pores beaucoup plus petits, mais ceux-ci sont bien connectés dans un réseau qui permet au gaz ou au pétrole de circuler facilement, en faire beaucoup plus récupérable, Pellenq explique.

L'étude révèle également que les tailles de pores typiques dans ces formations sont si petites que les équations hydrodynamiques normales utilisées pour calculer la façon dont les fluides se déplacent à travers les matériaux poreux ne fonctionneront pas. A cette échelle, le matériau est en contact si étroit avec les parois des pores que les interactions avec la paroi dominent son comportement. L'équipe de recherche a donc dû développer de nouvelles méthodes de calcul du comportement de l'écoulement.

"Il n'y a pas d'équation de la dynamique des fluides qui fonctionne dans ces pores à l'échelle subnano, ", dit-il. "Aucune physique du continu ne fonctionne à cette échelle."

Pour obtenir ces images détaillées de la structure, l'équipe a utilisé la tomographie électronique, dans lequel un petit échantillon du matériau est mis en rotation dans le microscope alors qu'un faisceau d'électrons sonde la structure pour fournir des sections transversales à un angle après l'autre. Ceux-ci sont ensuite combinés pour produire une reconstruction 3D complète de la structure des pores. Alors que les scientifiques utilisaient la technique depuis quelques années, ils ne l'avaient pas appliqué aux structures de kérogène jusqu'à présent. L'imagerie a été réalisée au laboratoire CINaM du CNRS et de l'AMU, en France (dans le groupe de Daniel Ferry), dans le cadre d'une collaboration à long terme avec MultiScale Materials Science for Energy and Environment, le laboratoire commun MIT/CNRS/AMU situé au MIT.

"Avec cette nouvelle tomographie à l'échelle nanométrique, nous pouvons voir où se trouvent réellement les molécules d'hydrocarbures à l'intérieur de la roche, " dit Pellenq. Une fois les images obtenues, les chercheurs ont pu les utiliser avec des modèles moléculaires de la structure, pour améliorer la fidélité de leurs simulations et calculs de débits et de propriétés mécaniques. Cela pourrait faire la lumière sur la façon dont les taux de production diminuent dans les puits de pétrole et de gaz, et peut-être sur la façon de ralentir ce déclin.

Jusque là, l'équipe a étudié des échantillons provenant de trois emplacements de kérogène différents et a trouvé une forte corrélation entre la maturité de la formation et la distribution de la taille de ses pores et la connectivité des pores vides. Les chercheurs espèrent maintenant étendre l'étude à de nombreux autres sites et en déduire une formule robuste pour prédire la structure des pores en fonction de la maturité d'un site donné.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.