狭小的空间暴露了石油化工产品的存在

莱斯工程师的研究揭示了分子约束在核磁共振解释中的关键作用

莱斯大学(Rice University)的工程师们推翻了长期以来关于探测隐藏在页岩地层纳米级孔隙内的石油和天然气的理论。

莱斯大学的研究人员断定，核磁共振(NMR)工具得出的令人费解的指标并不像人们认为的那样，是由于岩石的顺磁性，而仅仅是由于捕获石油化学物质的空间大小。

该团队预计，这一发现将有助于更好地解释油气行业的核磁共振测井，尤其是非常规页岩地层的核磁共振测井。

莱斯大学工程师的模拟快照显示了不同程度约束下的正庚烷分子(绿色)在聚合物分子基质中(黑色)，其中高粘度聚合物是未成熟干酪根的模型。左边的图显示了极端约束下的分子，右边的图显示了相对自由的分子。由Arjun Valiya Parambathu绘制

该研究的作者——高级调查员Dilip Asthagiri菲利普•歌手乔治·Hirasaki和沃尔特·查普曼和研究生Arjun Valiya Parambathu,布朗工程学院的化学与生物分子工程系
2一直使用前沿的原子论的模拟来优化如何解释NMR弛豫行为。

他们在《物理化学杂志B》上发表的论文建立在同一小组的早期工作基础上，阐明了分子约束对核磁共振弛豫反应的关键作用。

核磁共振弛豫是多孔材料分子动力学无损检测的重要手段。核磁共振通常被用来检测人体的病变组织，但也被用来帮助提取石油和天然气安全和经济的特征沉积岩，看看它们是否含有碳氢化合物。

Arjun Valiya Parambathu

核磁共振通过施加外部磁场，测量氢原子核的磁矩从“弛豫到”恢复平衡所需要的时间，从而对氢原子核的磁矩进行操作。因为弛豫时间的不同取决于分子和它的环境，通过核磁共振收集的信息，特别是T1和T2的弛豫时间，可以帮助识别一个分子是气体、石油还是水，以及包含它们的孔隙的大小。

这一领域的一个难题是，如何解释限制在纳米孔材料(如干酪根或沥青(又名沥青))中的轻质碳氢化合物在T1/T2中的比例，以及核磁共振表面弛豫背后的机制，即当以前的自由分子靠近限制它们的表面时出现的一种现象。

研究人员特别指出，在粘土中，干酪根中碳氢化合物的T1/T2比水的T1/T2比要大得多。虽然T1/T2对比具有预测非常规页岩储层油气储量的潜力，但其背后的基本机理仍不清楚。

对干酪根中T1/T2比值大的传统解释援引了顺磁性的物理原理，该原理规定了材料如何对磁场做出反应。

通过Valiya Parambathu、Chapman和Asthagiri的大规模原子模拟以及Singer和Hirasaki的实验，Rice团队证明了这种解释是不正确的。

莱斯大学的研究人员——从左至右分别是乔治·平崎、菲利普·辛格、沃尔特·查普曼和迪利普·埃斯特拉基里——已经推翻了长期以来关于利用核磁共振来探测页岩地层纳米孔隙中的油气沉积物的理论。杰夫·菲特洛拍摄

在这项研究中，研究小组发现，大的T1/T2比是由于碳氢化合物被限制在一个密闭的空间。

“在物理条件下，在强约束条件下，分子运动的相关时间会变长，”Asthagiri说。

” Singer补充说，这些较长的相关时间会导致更快的核磁共振弛豫，即较短的T1和T2时间。“这种效应在T2时比T1时更明显，导致T1/T2比很大。”

查普曼指出，研究小组还对在医学MRI背景下探索论文中提出的观点感兴趣。

辛格是一名水稻研究科学家。Asthagiri是一名副教授。查普曼是威廉·w·阿克斯化学和生物分子工程学教授。Hirasaki是化学和生物分子工程的A.J. Hartsook退休教授。

雪佛龙公司、莱斯大学多孔介质工艺协会和美国化学学会石油研究基金支持了这项研究。计算时间和支持由国家能源研究科学计算中心提供，该中心由美国能源部科学办公室和得克萨斯大学奥斯汀分校的得克萨斯高级计算中心提供支持。