Wetenschap
Onderzoek naar de porositeit van sedimentair gesteente met neutronen
Of sedimentaire gesteenten fossiele koolwaterstoffen opslaan of fungeren als ondoordringbare lagen om de opkomst van olie, aardgas of opgeslagen koolstofdioxide te voorkomen - het hangt allemaal af van hun porositeit. De grootte, vorm, organisatie en connectiviteit van de poriënruimten zijn doorslaggevend.
Bij de Heinz Maier-Leibnitz Research Neutron Source (FRM II) aan de Technische Universiteit van München (TUM) werden de netwerken van microporiën gekarakteriseerd met behulp van kleine en zeer kleine hoekneutronenverstrooiing.
Dicht, donker, compact – op het eerste gezicht zijn de sedimentaire gesteentemonsters die Dr. Amirsaman Rezaeyan op zijn laboratoriumtafel heeft liggen slechts een klein beetje anders. Poriën zijn niet zichtbaar voor het blote oog.
Niettemin zijn het juist de poriën die de moddergesteenten hun bijzondere eigenschappen geven:de poriën, variërend van enkele micrometers tot sub-nanometers groot, worden gevormd tijdens sedimentatie en worden in de loop van de tijd verdicht, waardoor de doorlaatbaarheid wordt bepaald. Deze poriën zijn de beslissende factor voor het vermogen van het gesteente om olie en aardgas vast te houden of om ondoordringbare lagen te vormen waaronder de fossiele brandstoffen zich verzamelen.
"Afhankelijk van de verdeling, grootte en structuur van de poriën zijn de fijnkorrelige sedimentaire gesteenten ook geschikt voor het afvoeren van radioactief afval of het afdichten van de opslag van kooldioxide", legt Dr. Amirsaman Rezaeyan uit, een onderzoeker aan de Universiteit van Calgary in Canada. "De poriënstructuur van moddergesteenten en de invloed ervan op de permeabiliteit voor vloeistofstroming zijn tot nu toe nauwelijks bestudeerd, maar zijn enorm belangrijk als je het potentieel van moddergesteenten als oliereservoirs of ondoordringbare lagen wilt beoordelen."
Maar hoe meet je poriën die niet groter zijn dan bacteriën? Er zijn eigenlijk verschillende methoden die kunnen worden gebruikt om het porievolume te kwantificeren, maar de meeste kunnen alleen grotere structuren of beperkte poriegroottes detecteren.
"Alleen kleine en zeer kleine hoekneutronenverstrooiing is geschikt voor het volledig kwantificeren van poriën tussen enkele nanometers en micrometers", zegt Rezaeyan, die samen met een internationaal team van de Heinz Maier-Leibnitz Research Neutron Source (FRM II) bij TUM heeft analyseerde de porositeit van een tiental sedimentair gesteente uit Europa en Amerika.
Poriën meten met nanometerprecisie
Er zijn wereldwijd slechts enkele meetfaciliteiten voor Small Angle Neutron Scattering (SANS) en Very Small Angle Neutron Scattering (VSANS). Twee daarvan, KWS-1 en KWS-3, worden beheerd door Forschungszentrum Jülich in het Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ).
De MLZ is de wetenschappelijke samenwerking tussen TUM, Forschungszentrum Jülich en Helmholtz-Zentrum Hereon, die de neutronen van de FRM II in de vorm van wetenschappelijke instrumenten beschikbaar stelt aan gastonderzoekers.
En dus reisde Rezaeyan van het Lyell Centre van de Heriot-Watt Universiteit in Edinburgh, Schotland, waar hij destijds werkte, naar Garching met zijn gesteentemonsters – allemaal dun gepolijst en zonder gas- of vloeistofinsluitingen – om microporiën te detecteren.
De monsters werden bestraald met neutronen uit de reactor in de kleine-hoekverstrooiingsinstrumenten van de FRM II. Omdat neutronen alleen interactie hebben met de atoomkernen, kan het diffractiepatroon dat door de detector wordt geregistreerd, worden gebruikt om de rangschikking van de atomen af te leiden en dus – indirect – die van de atoomvrije poriën.
Terug in Schotland correleerden de onderzoekers de metingen met de microscopische eigenschappen van de gesteentemonsters. Het resultaat is nu gepubliceerd in twee artikelen, één in het tijdschrift Energy en de andere in Energie en brandstoffen .
De onderzoekers ontdekten dat de porositeit van de fijnkorrelige moddergesteenten afhankelijk is van het aandeel kleimineralen in de sedimenten:hoe meer klei, hoe groter de kans op kleinere poriën, die een diameter hebben van minder dan 50 nanometer. Gesteenten met een hoog kleigehalte zijn daarom potentieel goed geschikt om een bergings- of opslagplaats ondergronds als ondoordringbare laag af te sluiten.
"Het kleigehalte is echter slechts één stukje van de puzzel:er is een hele reeks factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van geschikte mudrocklagen voor de productie van olie en gas of CO2 opslag”, benadrukt Rezaeyan. “Daarom hebben we ook andere factoren meegenomen in de data-analyse, zoals gesteenteverdichting en organisch materiaal. Door dit te doen, konden we correlaties van hoge statistische significantie vaststellen."
Met behulp van deze correlaties zou het in de toekomst mogelijk moeten zijn om de fysische eigenschappen van fijnkorrelig sedimentair gesteente te schatten op basis van de sedimentatieomstandigheden en om uit te zoeken of ze geschikt zijn als ondoordringbare lagen voor opslagplaatsen voor kernafval en CO 2 opslagplaatsen.