Los combustibles fósiles que proporcionan gran parte de la energía del mundo se originan en un tipo de roca conocida como kerógeno, y el potencial de recuperación de estos combustibles depende fundamentalmente del tamaño y la conexión de los espacios porosos internos de las rocas.

Ahora, por primera vez, un equipo de investigadores del MIT y otros lugares ha capturado imágenes tridimensionales de la estructura interna del kerógeno, con un nivel de detalle 50 veces superior al alcanzado anteriormente. Estas imágenes deberían permitir predicciones más precisas de la cantidad de petróleo o gas que se puede recuperar de una formación determinada. Esto no cambiaría la capacidad para recuperar estos combustibles, pero podría por ejemplo, conducir a mejores estimaciones de las reservas recuperables de gas natural, que se considera un importante combustible de transición a medida que el mundo intenta frenar el uso de carbón y petróleo.

Los hallazgos se informan esta semana en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , en un artículo del científico investigador principal del MIT, Roland Pellenq, Profesor del MIT Franz-Josef Ulm, y otros en MIT, CNRS y Aix-Marseille Université (AMU) en Francia, y Shell Technology Center en Houston.

El equipo, que publicó los resultados hace dos años sobre una investigación de la estructura de los poros del kerógeno basada en simulaciones por computadora, utilizó un método relativamente nuevo llamado tomografía electrónica para producir las nuevas imágenes en 3-D, que tienen una resolución de menos de 1 nanómetro, o mil millonésima parte de un metro. Los intentos anteriores de estudiar la estructura del kerógeno nunca habían obtenido imágenes del material con una resolución inferior a 50 nanómetros, Pellenq dice.

Combustibles fósiles, como sugiere su nombre, se forman cuando la materia orgánica, como las plantas muertas, se entierra y se mezcla con limo de grano fino. A medida que estos materiales se entierran más profundamente, Durante millones de años, la mezcla se cuece en una matriz mineral intercalada con una mezcla de moléculas a base de carbono. Tiempo extraordinario, con más calor y presión, la naturaleza de esa compleja estructura cambia.

El proceso, una pirólisis lenta, implica "cocinar oxígeno e hidrógeno, Y al final, obtienes un trozo de carbón, "Explica Pellenq." Pero en el medio, obtienes toda esta gradación de moléculas, "muchos de ellos combustibles útiles, lubricantes y materias primas químicas.

Los nuevos resultados muestran por primera vez una diferencia dramática en la nanoestructura del kerógeno dependiendo de su edad. El kerógeno relativamente inmaduro (cuya edad real depende de la combinación de temperaturas y presiones a las que ha sido sometido) tiende a tener poros mucho más grandes pero casi ninguna conexión entre esos poros. lo que dificulta mucho la extracción del combustible. Kerógeno maduro, por el contrario, tiende a tener poros mucho más pequeños, pero estos están bien conectados en una red que permite que el gas o el petróleo fluya fácilmente, haciendo mucho más recuperable, Pellenq explica.

El estudio también revela que los tamaños de poros típicos en estas formaciones son tan pequeños que las ecuaciones hidrodinámicas normales utilizadas para calcular la forma en que los fluidos se mueven a través de materiales porosos no funcionarán. A esta escala, el material está en contacto tan estrecho con las paredes de los poros que las interacciones con la pared dominan su comportamiento. Por tanto, el equipo de investigación tuvo que desarrollar nuevas formas de calcular el comportamiento del flujo.

"No hay una ecuación de dinámica de fluidos que funcione en estos poros de subnanoscala, ", dice." Ninguna física continua funciona a esa escala ".

Para obtener estas imágenes detalladas de la estructura, el equipo utilizó tomografía electrónica, en el que una pequeña muestra del material se hace girar dentro del microscopio mientras un haz de electrones sondea la estructura para proporcionar secciones transversales en un ángulo tras otro. A continuación, se combinan para producir una reconstrucción tridimensional completa de la estructura de los poros. Si bien los científicos habían estado usando la técnica durante algunos años, no lo habían aplicado a las estructuras de kerógeno hasta ahora. La imagen se realizó en el laboratorio CINaM de CNRS y AMU, en Francia (en el grupo de Daniel Ferry), como parte de una colaboración a largo plazo con MultiScale Materials Science for Energy and Environment, el laboratorio conjunto MIT / CNRS / AMU ubicado en MIT.

"Con esta nueva tomografía a nanoescala, podemos ver dónde se encuentran realmente las moléculas de hidrocarburos dentro de la roca, "Dice Pellenq. Una vez que obtuvieron las imágenes, los investigadores pudieron utilizarlos junto con modelos moleculares de la estructura, para mejorar la fidelidad de sus simulaciones y cálculos de caudales y propiedades mecánicas. Esto podría arrojar luz sobre cómo disminuyen las tasas de producción en los pozos de petróleo y gas, y quizás sobre cómo frenar ese declive.

Hasta aquí, El equipo ha estudiado muestras de tres ubicaciones de kerógeno diferentes y ha encontrado una fuerte correlación entre la madurez de la formación y la distribución del tamaño de sus poros y la conectividad de los huecos de los poros. Los investigadores ahora esperan expandir el estudio a muchos más sitios y derivar una fórmula sólida para predecir la estructura de los poros en función de la madurez de un sitio determinado.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.