這種化石燃料在一種被稱(chēng)為干酪根的巖石中提供了世界上大部分的能量，并且回收這些燃料的潛力在很大程度上取決于巖石內(nèi)部孔隙空間的大小和連通性。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和其他地方的一個(gè)研究小組第一次捕獲了干酪根內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維圖像，其細(xì)節(jié)水平比以前高出50倍。這些圖像應(yīng)該能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)從任何給定地層中回收多少石油或天然氣。這不會(huì)改變回收這些燃料的能力，但它可以，例如，可以更好地估計(jì)天然氣的可采儲(chǔ)量，這被視為世界試圖遏制煤炭使用的重要過(guò)渡燃料。油。

本周在麻省理工學(xué)院高級(jí)研究科學(xué)家Roland Pellenq，麻省理工學(xué)院教授Franz-Josef Ulm和麻省理工學(xué)院，CNRS和法國(guó)Aix-MarseilleUniversité(AMU)的論文中報(bào)道了這些研究結(jié)果。和休斯頓殼牌技術(shù)中心。

兩年前根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬研究干酪根孔隙結(jié)構(gòu)的研究小組使用了一種相對(duì)較新的方法 - 電子斷層掃描技術(shù)來(lái)生成新的三維圖像，其分辨率小于1納米或十億分之一一米。Pellenq說(shuō)，之前研究干酪根結(jié)構(gòu)的嘗試從未對(duì)低于50納米分辨率的材料進(jìn)行成像。

化石燃料，顧名思義，當(dāng)有機(jī)物質(zhì)如死植物被埋沒(méi)并與細(xì)粒淤泥混合時(shí)形成。隨著這些材料深埋，數(shù)百萬(wàn)年后，混合物被煮熟成礦物基質(zhì)，散布著碳基分子的混合物。隨著時(shí)間的推移，隨著熱量和壓力的增加，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。

這個(gè)過(guò)程，一個(gè)緩慢的熱解，涉及“烹飪氧氣和氫氣，最后，你得到一塊木炭，”Pellenq解釋說(shuō)。“但在這兩者之間，你可以得到整個(gè)分子級(jí)別，”其中許多是有用的燃料，潤(rùn)滑劑和化學(xué)原料。

新的結(jié)果首次顯示干酪根的納米結(jié)構(gòu)取決于其年齡的顯著差異。相對(duì)不成熟的干酪根(其實(shí)際年齡取決于它所經(jīng)受的溫度和壓力的組合)往往具有更大的孔隙，但這些孔隙之間幾乎沒(méi)有連接，使得更難以提取燃料。相比之下，成熟的干酪根往往具有更多更細(xì)小的孔隙，但這些孔隙在網(wǎng)絡(luò)中連接良好，允許氣體或油輕易流動(dòng)，使其更多可回收，Pellenq解釋說(shuō)。

該研究還表明，這些地層中的典型孔徑非常小，以至于用于計(jì)算流體穿過(guò)多孔材料的方式的常規(guī)流體動(dòng)力學(xué)方程將不起作用。在這種規(guī)模下，材料與孔壁緊密接觸，與壁的相互作用決定了它的行為。因此，研究團(tuán)隊(duì)必須開(kāi)發(fā)計(jì)算流動(dòng)行為的新方法。

“在這些亞納米尺度的孔隙中沒(méi)有流體動(dòng)力學(xué)方程，”他說(shuō)。“沒(méi)有連續(xù)統(tǒng)物理學(xué)在那種規(guī)模上有效。”

為了獲得這些結(jié)構(gòu)的詳細(xì)圖像，該團(tuán)隊(duì)使用電子斷層掃描，其中一小部分材料樣本在顯微鏡內(nèi)旋轉(zhuǎn)，因?yàn)殡娮邮綔y(cè)結(jié)構(gòu)以提供一個(gè)接一個(gè)的角度的橫截面。然后將它們組合以產(chǎn)生孔結(jié)構(gòu)的完整3-D重建。雖然科學(xué)家們已經(jīng)使用這種技術(shù)已有幾年了，但直到現(xiàn)在他們還沒(méi)有將它應(yīng)用于干酪根結(jié)構(gòu)。成像在法國(guó)CNRS和AMU的CINaM實(shí)驗(yàn)室(Daniel Ferry集團(tuán))進(jìn)行，作為與MultiScale能源與環(huán)境材料科學(xué)，MIT / CNRS / AMU聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期合作的一部分。位于麻省理工學(xué)院。

“通過(guò)這種新的納米級(jí)斷層掃描，我們可以看到碳?xì)浠衔锓肿訉?shí)際上位于巖石內(nèi)的位置，”佩倫克說(shuō)。一旦他們獲得了圖像，研究人員就可以將它們與結(jié)構(gòu)的分子模型一起使用，以提高模擬的保真度以及流速和機(jī)械性能的計(jì)算。這可以揭示石油和天然氣井的生產(chǎn)率下降，以及如何減緩這種下降。

到目前為止，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研究了三個(gè)不同干酪根位置的樣品，發(fā)現(xiàn)地層成熟度與孔徑分布和孔隙空隙連通性之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。研究人員現(xiàn)在希望將該研究擴(kuò)展到更多的地點(diǎn)，并根據(jù)給定地點(diǎn)的成熟度推導(dǎo)出一個(gè)可靠的預(yù)測(cè)孔隙結(jié)構(gòu)的公式。