Ingenieurs van Rice University hebben een lang gekoesterde theorie over de detectie van olie en gas die zich verbergt in de nanoschaalporiën van schalieformaties tot rust gebracht.

De Rice-onderzoekers hebben vastgesteld dat raadselachtige indicatoren van nucleaire magnetische resonantie (NMR) -hulpmiddelen niet nodig zijn, zoals gedacht, aan de paramagnetische eigenschappen van het gesteente, maar alleen aan de grootte van de ruimte die de petrochemicaliën opsluit.

Het team verwacht dat de ontdekking zal leiden tot een betere interpretatie van NMR-logboeken door de olie- en gasindustrie, vooral in onconventionele schalieformaties.

De auteurs van het onderzoek - senior onderzoekers Dilip Asthagiri, Filip Zanger, George Hirasaki en Walter Chapman en afgestudeerde student Arjun Valiya Parambathu, alle afdelingen van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering van de Brown School of Engineering hebben een voortrekkersrol gespeeld bij het gebruik van atomistische simulaties om de interpretatie van NMR-relaxatiegedrag te verfijnen.

Hun krant in de Journal of Physical Chemistry B bouwt voort op eerder werk van dezelfde groep en verduidelijkt de cruciale rol van moleculaire opsluiting op de NMR-relaxatierespons.

NMR-relaxatie is een belangrijk hulpmiddel om de dynamiek van moleculen in poreuze materialen niet-destructief te meten. NMR wordt vaak gebruikt om zieke weefsels in het menselijk lichaam op te sporen, maar wordt ook gebruikt om olie en gas veilig en economisch te winnen door sedimentaire gesteenten te karakteriseren om te zien of ze koolwaterstoffen bevatten.

NMR manipuleert de kernmagnetische momenten van waterstofkernen door externe magnetische velden aan te leggen en de tijd te meten die nodig is voor de momenten om weer te "ontspannen" tot evenwicht. Omdat relaxatietijden verschillen afhankelijk van het molecuul en zijn omgeving, de door NMR verzamelde informatie, specifiek de relaxatietijden bekend als T1 en T2, kan helpen bepalen of een molecuul gas is, olie of water en de grootte van de poriën die ze bevatten.

Een raadsel in het veld was om de grote T1/T2-verhouding van lichte koolwaterstoffen opgesloten in nanoporeus materiaal als kerogeen of bitumen (ook bekend als asfalt) en het mechanisme achter NMR-oppervlakterelaxatie te verklaren, een fenomeen dat optreedt wanneer voorheen vrije moleculen grenzen aan de oppervlakken die ze begrenzen.

specifiek, de onderzoekers merken op, de T1/T2-verhouding van koolwaterstoffen in kerogeen blijkt veel groter te zijn dan de T1/T2-verhouding van water in klei. Hoewel dit contrast in T1/T2 potentieel heeft voor het voorspellen van koolwaterstofreserves in onconventionele schalieformaties, het fundamentele mechanisme erachter bleef ongrijpbaar.

De conventionele verklaring van de grote T1/T2-verhouding in kerogeen riep de fysica van paramagnetisme op die dicteert hoe materialen reageren op magnetische velden.

Door grootschalige atomistische simulaties door Valiya Parambathu, Chapman en Asthagiri en experimenten van Singer en Hirasaki, het Rice-team liet zien dat de uitleg niet klopt.

In de studie, het team toonde in plaats daarvan aan dat de grote T1/T2-verhouding ontstaat als gevolg van het opsluiten van de koolwaterstof in een krappe ruimte.

"In fysiek opzicht onder strenge opsluiting, de correlatietijden van de moleculaire bewegingen worden langer, ' zei Asthagiri.

"Deze langere correlatietijden resulteren in snellere NMR-relaxatie - dat is kortere T1- en T2-tijden, " Singer toegevoegd. "Dit effect is meer uitgesproken voor T2 dan voor T1, wat resulteert in een grote T1/T2-verhouding."

Chapman merkte op dat het team ook geïnteresseerd is in het verkennen van ideeën die in de paper worden gepresenteerd in de context van medische MRI.