石油和天然气的来源干酪根的详细3D成像可以提高对可采储量的估计

最后对化石燃料源岩的结构进行了分析

石油和天然气的来源干酪根的详细3D成像可以提高对可采储量的估计

化石燃料在一种被称为干酪根的岩石中提供了世界上大部分的能源，而这些燃料的回收潜力关键取决于岩石内部孔隙空间的大小和连通性。现在，麻省理工学院(MIT)和其他地方的一个研究小组首次捕捉到了干酪根内部结构的三维图像，其细节水平是之前的50多倍。这些图像应该能够更准确地预测任何给定的地层可以开采出多少石油或天然气。这不会改变回收这些燃料的能力，但它可以，例如，导致更好的估计天然气的可采储量，这被视为一个重要的过渡燃料，因为世界试图限制使用煤炭和石油。

研究小组两年前发表了一项基于计算机模拟的干酪根孔隙结构研究结果，他们使用了一种相对较新的方法——电子断层扫描(electronic tomography)——来生成新的三维图像，其分辨率不到1纳米，也就是十亿分之一米。Pellenq说，以前研究干酪根结构的尝试从未将这种材料成像到50纳米分辨率以下。正如它们的名字所暗示的那样，化石燃料是在有机物(如死去的植物)被掩埋并与细粒淤泥混合时形成的。随着这些物质被埋得更深，经过数百万年的时间，混合物会被加热成一种矿物基质，其间夹杂着一些碳基分子。随着时间的推移，随着更多的热量和压力，复杂结构的性质会发生变化。这个过程是一个缓慢的热解过程，包括“烹饪氧气和氢气，最后，你会得到一块木炭，”佩伦克解释说。“但在这两者之间，你得到的是分子的整个层次，”其中许多是有用的燃料、润滑剂和化学原料。

新结果首次表明，干酪根的纳米结构因其年龄而有显著差异。相对不成熟的干酪根(其实际年龄取决于它所受到的温度和压力的组合)往往有更大的气孔，但这些气孔之间几乎没有连接，使得提取燃料更加困难。相比之下，成熟干酪根的孔隙要小得多，但这些孔隙是紧密连接在一起的，使得天然气或石油可以很容易地流动，从而使更多的天然气或石油可回收利用，Pellenq解释说。该研究还表明，这些地层中典型的孔隙大小非常小，以至于用于计算流体通过多孔材料的方式的正常流体动力学方程都不起作用。在这种尺度下，材料与孔壁的接触非常紧密，与孔壁的相互作用决定了材料的行为。因此，研究小组不得不开发新的方法来计算流动行为。

为了获得这些结构的详细图像，研究小组使用了电子断层扫描技术。在该技术中，材料的一个小样本在显微镜中旋转，就像一束电子束探测结构，以提供一个又一个角度的横截面。然后将它们组合在一起，生成孔隙结构的完整三维重建。虽然科学家们已经使用这项技术几年了，但直到现在他们才将其应用到干酪根结构中。成像是在法国CNRS和AMU的CINaM实验室(Daniel Ferry的团队)进行的，这是与麻省理工学院/CNRS/AMU联合实验室的多尺度能源与环境材料科学长期合作的一部分。

Pellenq说:“通过这种新的纳米层析成像技术，我们可以看到碳氢化合物分子实际上在岩石内部的位置。”一旦获得了这些图像，研究人员就可以将它们与结构的分子模型一起使用，以提高模拟的逼真度，并计算流速和机械性能。这可能有助于了解油气井的产量如何下降，以及如何减缓产量下降。到目前为止，研究小组已经研究了来自三个不同干酪根位置的样品，发现其成熟度与其孔隙大小分布和孔隙连通性之间存在很强的相关性。研究人员现在希望将这项研究扩展到更多的地点，并根据某一地点的成熟度，推导出预测孔隙结构的可靠公式。