Las instantáneas de simulación de los ingenieros de la Universidad de Rice muestran moléculas de n-heptano (verde) bajo diferentes grados de confinamiento en una matriz polimérica de moléculas (negro), donde el polímero de alta viscosidad es un modelo de kerógeno inmaduro. El panel de la izquierda muestra moléculas en confinamiento extremo y el panel de la derecha muestra moléculas que están relativamente libres. Crédito:Arjun Valiya Parambathu / Rice University
Los ingenieros de la Universidad de Rice han descartado una teoría de larga data sobre la detección de petróleo y gas que se esconde dentro de los poros a nanoescala de las formaciones de esquisto.
Los investigadores de Rice determinaron que los indicadores desconcertantes de las herramientas de resonancia magnética nuclear (RMN) no se deben, como pensaba, a las propiedades paramagnéticas de la roca, pero únicamente al tamaño del espacio que atrapa a los petroquímicos.
El equipo espera que el descubrimiento conduzca a una mejor interpretación de los registros de RMN por parte de la industria del petróleo y el gas. especialmente en formaciones de lutitas no convencionales.
Los autores del estudio, los investigadores principales Dilip Asthagiri, Philip Singer, George Hirasaki y Walter Chapman y el estudiante de posgrado Arjun Valiya Parambathu, todos los miembros del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Escuela de Ingeniería de Brown han estado a la vanguardia en el uso de simulaciones atomísticas para refinar cómo interpretar el comportamiento de relajación de la RMN.
Su papel en el Revista de química física B se basa en trabajos anteriores del mismo grupo y aclara el papel fundamental del confinamiento molecular en la respuesta de relajación de RMN.
La relajación por RMN es una herramienta importante para medir de forma no destructiva la dinámica de moléculas en materiales porosos. La RMN se usa comúnmente para detectar tejidos enfermos en el cuerpo humano, pero también se emplea para ayudar a extraer petróleo y gas de manera segura y económica mediante la caracterización de rocas sedimentarias para ver si contienen hidrocarburos.
La RMN manipula los momentos magnéticos nucleares de los núcleos de hidrógeno aplicando campos magnéticos externos y midiendo el tiempo que tardan los momentos en "relajarse" y volver al equilibrio. Debido a que los tiempos de relajación difieren según la molécula y su entorno, la información recopilada por RMN, específicamente los tiempos de relajación conocidos como T1 y T2, puede ayudar a identificar si una molécula es gas, aceite o agua y el tamaño de los poros que los contienen.
Los investigadores de la Universidad de Rice utilizaron simulaciones a gran escala para eliminar el papel del paramagnetismo en la caracterización por RMN de los depósitos de petróleo y esquisto en formaciones de esquisto nanoporoso. Bajo fuerte confinamiento, encontraron que la fracción de volumen de heptano en un polímero modelo es baja, como si el hidrocarburo ligero se disolviera en la matriz de confinamiento. La figura muestra mediciones (círculos abiertos) y resultados de simulación (círculos rellenos) de la relación T1 / T2 para la relajación de la superficie para una fuerza de campo magnético aplicada. Crédito:Arjun Valiya Parambathu / Rice University
Un enigma en el campo ha sido explicar la gran relación T1 / T2 de hidrocarburos ligeros confinados en un material nanoporoso como el kerógeno o el betún (también conocido como asfalto) y el mecanismo detrás de la relajación de la superficie de RMN. fenómeno que surge cuando moléculas anteriormente libres se encuentran adyacentes a las superficies que las confinan.
Específicamente, los investigadores señalan, la relación T1 / T2 de los hidrocarburos en el kerógeno es mucho mayor que la relación T1 / T2 del agua en las arcillas. Si bien este contraste en T1 / T2 tiene potencial para predecir reservas de hidrocarburos en formaciones de lutitas no convencionales, el mecanismo fundamental detrás de él seguía siendo esquivo.
La explicación convencional de la gran relación T1 / T2 en el kerógeno invoca la física del paramagnetismo que dicta cómo responden los materiales a los campos magnéticos.
A través de simulaciones atomísticas a gran escala de Valiya Parambathu, Chapman y Asthagiri y experimentos de Singer e Hirasaki, el equipo de Rice demostró que la explicación no es correcta.
En el estudio, el equipo demostró en cambio que la gran relación T1 / T2 surge como consecuencia de confinar el hidrocarburo en un espacio reducido.
"En términos físicos, bajo fuerte confinamiento, los tiempos de correlación de los movimientos moleculares se alargan, "Dijo Asthagiri.
"Estos tiempos de correlación más largos dan como resultado una relajación de RMN más rápida, es decir, tiempos T1 y T2 más cortos, "Singer agregó." Este efecto es más pronunciado para T2 que para T1, lo que da como resultado una gran relación T1 / T2 ".
Chapman señaló que el equipo también está interesado en explorar las ideas presentadas en el documento en el contexto de la resonancia magnética médica.
