Le istantanee di simulazione degli ingegneri della Rice University mostrano molecole di n-eptano (verde) sotto diversi gradi di confinamento in una matrice polimerica di molecole (nero), dove il polimero ad alta viscosità è un modello per il cherogeno immaturo. Il pannello di sinistra mostra le molecole sotto confinamento estremo e il pannello di destra mostra le molecole che sono relativamente libere. Credito:Arjun Valiya Parambathu/Rice University
Gli ingegneri della Rice University hanno messo a tacere una teoria di vecchia data sulla rilevazione di petrolio e gas che si nascondono all'interno dei pori su scala nanometrica delle formazioni di scisto.
I ricercatori della Rice hanno stabilito che gli sconcertanti indicatori degli strumenti di risonanza magnetica nucleare (NMR) non sono dovuti, come pensavo, alle proprietà paramagnetiche della roccia ma unicamente alle dimensioni dello spazio che intrappola i prodotti petrolchimici.
Il team prevede che la scoperta porterà a una migliore interpretazione dei registri NMR da parte dell'industria petrolifera e del gas, soprattutto nelle formazioni di scisto non convenzionali.
Gli autori dello studio, i ricercatori senior Dilip Asthagiri, Filippo Cantante, George Hirasaki e Walter Chapman e lo studente laureato Arjun Valiya Parambathu, tutto il dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare della Brown School of Engineering è stato in prima linea nell'uso di simulazioni atomistiche per perfezionare l'interpretazione del comportamento di rilassamento NMR.
La loro carta nel Journal of Physical Chemistry B si basa sul lavoro precedente dello stesso gruppo e chiarisce il ruolo critico del confinamento molecolare sulla risposta di rilassamento NMR.
Il rilassamento NMR è uno strumento importante per misurare in modo non distruttivo la dinamica delle molecole nei materiali porosi. L'NMR è comunemente usato per rilevare i tessuti malati nel corpo umano, ma è anche impiegato per aiutare a estrarre petrolio e gas in modo sicuro ed economico caratterizzando le rocce sedimentarie per vedere se contengono idrocarburi.
L'NMR manipola i momenti magnetici nucleari dei nuclei di idrogeno applicando campi magnetici esterni e misurando il tempo necessario ai momenti per "rilassarsi" all'equilibrio. Poiché i tempi di rilassamento variano a seconda della molecola e del suo ambiente, le informazioni raccolte da NMR, in particolare i tempi di rilassamento noti come T1 e T2, può aiutare a identificare se una molecola è gas, olio o acqua e la dimensione dei pori che li contengono.
I ricercatori della Rice University hanno utilizzato simulazioni su larga scala per eliminare il ruolo del paramagnetismo nella caratterizzazione NMR dei depositi di petrolio e scisto nelle formazioni di scisto nanoporoso. Sotto forte confinamento, hanno scoperto che la frazione volumetrica di eptano in un polimero modello è bassa, come se l'idrocarburo leggero si stesse dissolvendo nella matrice di confinamento. La figura mostra le misurazioni (cerchi aperti) ei risultati della simulazione (cerchi pieni) del rapporto T1/T2 per il rilassamento della superficie per un'intensità di campo magnetico applicata. Credito:Arjun Valiya Parambathu/Rice University
Un enigma nel campo è stato spiegare il grande rapporto T1/T2 di idrocarburi leggeri confinati in un materiale nanoporoso come il cherogeno o il bitume (noto anche come asfalto) e il meccanismo alla base del rilassamento superficiale NMR, fenomeno che emerge quando molecole precedentemente libere sono adiacenti alle superfici che le confinano.
Nello specifico, notano i ricercatori, il rapporto T1/T2 degli idrocarburi nel cherogeno risulta essere molto maggiore del rapporto T1/T2 dell'acqua nelle argille. Mentre questo contrasto in T1/T2 ha il potenziale per prevedere le riserve di idrocarburi nelle formazioni di scisto non convenzionali, il meccanismo fondamentale dietro di esso è rimasto inafferrabile.
La spiegazione convenzionale del grande rapporto T1/T2 nel cherogeno ha invocato la fisica del paramagnetismo che detta il modo in cui i materiali rispondono ai campi magnetici.
Attraverso simulazioni atomistiche su larga scala di Valiya Parambathu, Chapman e Asthagiri e gli esperimenti di Singer e Hirasaki, il team di Rice ha mostrato che la spiegazione non è corretta.
Nello studio, il team ha mostrato invece che il grande rapporto T1/T2 emerge come conseguenza del confinamento dell'idrocarburo in uno spazio ristretto.
"In termini fisici, sotto forte confinamento, i tempi di correlazione dei moti molecolari si allungano, " ha detto Asthagiri.
"Questi tempi di correlazione più lunghi si traducono in un rilassamento NMR più rapido, ovvero tempi T1 e T2 più brevi, " Ha aggiunto Singer. "Questo effetto è più pronunciato per T2 che per T1, che si traduce in un grande rapporto T1/T2."
Chapman ha notato che il team è anche interessato a esplorare le idee presentate nel documento nel contesto della risonanza magnetica medica.
