Aardgas en ruwe olie opgesloten in lagen schalie, een soort sedimentair gesteente, is een van de grootste en snelst groeiende energiebronnen van het land. Volgens Drew Pomerantz, een wetenschapper bij Schlumberger, een olievelddienstenbedrijf, twee van de meest fascinerende wetenschappelijke vragen met betrekking tot schalies zijn waaruit ze zijn samengesteld en hoe olie en gas worden opgeslagen en getransporteerd in de rotsen.

Om deze vragen aan te pakken, Pomerantz en zijn team zijn een samenwerking aangegaan met Dimosthenis Sokaras, een wetenschapper bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy. Met behulp van SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), de onderzoekers ontwikkelen technieken om natuurlijk voorkomende vormen van koolstof te onderzoeken, zoals die in schalie.

Eerder dit jaar, ze publiceerden een paper in Energie en brandstoffen over een grote verscheidenheid aan vormen van koolstof in de natuur, inclusief kerogeen, dat is organische koolstof die wordt aangetroffen in sedimentaire gesteenten en is de meest voorkomende vorm van natuurlijk voorkomende organische koolstof in de aardkorst.

Deze materialen kunnen ofwel overwegend aromatisch zijn, met koolstofatomen verbonden door sterke, stijve banden, zoals in grafiet of steenkool, of meestal alifatisch, met koolstofatomen verbonden door zwakke, flexibele bindingen, zoals in was of olie. De onderzoekers ontdekten dat ondanks deze fundamentele verschillen, de aromatische koolstof is altijd hetzelfde gestructureerd.

Waarom is het belangrijk om koolstof te bestuderen?

Sokaras:Koolstof is overal, en het komt in zoveel verschillende vormen. Hoewel al deze vormen uit hetzelfde element zijn samengesteld, de rangschikking van hun elektronen, en vandaar hun binding, leidt tot enorm verschillende eigenschappen

Pomerantz:In de natuur, je hebt een beetje koolstof in de lucht en op het aardoppervlak, een beetje koolstof in meren en oceanen, maar het leeuwendeel van de organische koolstof van de planeet bevindt zich eigenlijk ondergronds. En hoe dichter je bij het middelpunt van de aarde komt, hoe hoger de temperaturen en drukken worden, die de chemie van materialen verandert. Deze veranderingen, wat uiteindelijk kan leiden tot de vorming van olie en gas, resultaat van een proces dat bekend staat als "thermische rijping". We wilden representatieve monsters bestuderen van de vele verschillende vormen van natuurlijk voorkomende organische koolstof, inclusief monsters met verschillende thermische looptijden.

We hopen dat als we de structuur van koolstofformaties waar olie wordt geproduceerd en de chemische en fysische processen die daarin plaatsvinden, kunnen begrijpen, we kunnen betere voorspellingen doen over waar we olie kunnen vinden en hoe we deze uit de grond kunnen halen. Dit kan ons ook leren wat er gebeurt als we proberen koolstofdioxide uit de atmosfeer te verwijderen door het ondergronds te begraven, waar het interageert met organische koolstof die er al in zit.

Welke vooruitgang is er tot nu toe op dit front geboekt bij SSRL?

Pomerantz:In 2018, we publiceerden een fundamentele paper in de Journal of Physical Chemistry A waarin we ontdekten dat de structuur van aromatische koolstof wordt weerspiegeld in de röntgenspectra en dat de structuur experimenteel kan worden gemeten met behulp van een unieke vorm van röntgenspectroscopie bij SSRL.

In ons meest recente artikel, we namen wat we in ons vorige werk leerden en pasten het toe op materialen uit de echte wereld om te zien of we onze techniek konden gebruiken om er onderscheid tussen te maken. Naast het bekijken van monsters van kerogeen over een reeks van soorten en thermische looptijden, we keken naar vormen van koolstof uit een verscheidenheid aan verse materialen, zoals in algen en plantaardig materiaal, en uit steenkool en op aardolie gebaseerde materialen. We toonden aan dat al deze materialen een gemeenschappelijkheid delen:voor het deel van de materialen dat bestaat uit aromatische koolstof, dat aromatische koolstof altijd dezelfde structuur heeft. Omdat de structuur van aromatische koolstof de eigenschappen en reactiviteiten regelt, deze resultaten helpen bij het verklaren van enkele van de chemische reacties die in de natuur voorkomen, inclusief degenen die betrokken zijn bij het maken van olie.

Wat heeft u in staat gesteld om deze resultaten te bereiken?

Sokaras:Door de jaren heen, onderzoekers hebben een aantal technieken ontwikkeld die de verschillende vormen van koolstof in modelsystemen gevoelig kunnen scheiden. Echter, wanneer je naar in de echte wereld voorkomende exemplaren gaat, dingen kunnen een beetje rommeliger worden. In feite, dergelijke monsters kunnen bestaan ​​uit complexe inhomogene mengsels van organische materialen en bevinden zich vaak in een niet-vaste, dikvloeibare fase. Dergelijke gevallen zijn moeilijk te bestuderen met behulp van meer traditionele technieken met ultrahoge vacuümvereisten of oppervlaktegevoeligheid. Bij SSRL, we hebben ons hard ontwikkeld, of hoge energie, Inelastische röntgenverstrooiingstechnieken waarmee we deze vormen van koolstof in natuurlijk voorkomende monsters chemisch kunnen analyseren 'zoals ze zijn', inzicht geven in de chemie van organisch materiaal zoals schalie.

Wat zijn de volgende stappen? Waar hoop je dat dit onderzoek toe leidt?

Pomerantz:Deze studies hebben een conceptueel begrip opgeleverd van de structuur van een brede klasse van organische moleculen en zullen hopelijk in de toekomst worden gebruikt om niet alleen het proces van het produceren van olie en gas uit schalie te verbeteren, maar ook het proces van het opslaan van koolstofdioxide in schalie .

Sokaras:vanuit een SLAC-perspectief, we proberen ook te zien hoe we andere wetenschappers in de energiegemeenschap kunnen betrekken en de waarde van onze experimentele methoden kunnen aantonen. We hopen dat door belangrijke inzichten te verschaffen in oliegerelateerde verbindingen en door te laten zien hoe de technieken die we hier ontwikkelen toepasbaar zijn op echte wereldproblemen waarin oliemaatschappijen geïnteresseerd zijn, we kunnen ons op energie gerichte wetenschapsprogramma verder laten groeien.