Исследование инженеров из университета Райс выявляет критическую роль молекулярного заточения в интерпретации ЯМР-спектрометрии
Дата:
13 апреля 2020 года
Источник:
Университет Райс ( Rice University)
Резюме:
Инженеры положили конец давно устоявшейся теории об использовании ядерного магнитного резонанса для обнаружения нефтяных и газовых залежей в наноразмерных порах сланцевых образований.
Статья:
Инженеры Университета Райс( Rice University) положили конец давно устоявшейся теории обнаружения нефти и газа, которые скрываются в наноразмерных порах сланцевых пластов.
Исследователи Райс определили, что загадочные индикаторы от инструментов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) обусловлены, как полагают, не парамагнитными свойствами породы, а только размерами пространства, которое улавливает нефтехимические продукты.
Группа ожидает, что открытие приведет к лучшей интерпретации каротажа ЯМР-индикаторов нефтегазовой промышленностью, особенно в нетрадиционных сланцевых пластах.
Авторы исследования - старшие исследователи Дилип Астагири (Dilip Asthagiri), Филип Сингер (Philip Singer), Джордж Хирасаки (George Hirasaki ) и Уолтер Чепмэн (Walter Chapman), и аспирантАрджун Валия Парамбату ( Arjun Valiya Parambathu), все из факультета Химической и Биомолекулярной Инженерии Брауновской Школы Инженерии - были на переднем плане в использовании атомистических симуляций для уточнения как интерпретировать поведение релаксации ЯМР-спектроскопии.
Их статья в журнале "Физическая химия B" основана на более ранних работах из той же группы и проливает свет на критическую роль молекулярного заточения в реакции ЯМР-релаксации.
ЯМР-релаксация является важным инструментом неразрушающего измерения динамики молекул в пористых материалах. ЯМР-спектрометры обычно используются для обнаружения пораженных тканей в организме человека, но также используются для безопасной и экономичной добычи нефти и газа, характеризуя осадочные породы, чтобы определить, содержат ли они углеводороды.
ЯМР манипулирует ядерными магнитными моментами ядер водорода, применяя внешние магнитные поля и измеряя время, необходимое для того, чтобы моменты "расслабились" и вернулись к равновесию. Поскольку время релаксации отличается в зависимости от молекулы и окружающей среды, информация, собранная ЯМР, а именно время релаксации, известное как Т1 и Т2, может помочь определить, является ли молекула газом, нефтью или водой, а также размер пор, которые их содержат.
Головоломка в этой области заключалась в объяснении большого соотношения Т1/Т2 легких углеводородов, содержащихся в таком нанопористом материале, как кероген или битум (он же асфальт), и механизма релаксации поверхности ЯМР, явления, которое возникает, когда бывшие свободные молекулы примыкают к граничащим с ними поверхностям.
В частности, исследователи отмечают, что соотношение Т1/Т2 углеводородов в керогене гораздо больше, чем соотношение Т1/Т2 воды в глинах. Хотя этот контраст в T1/T2 имеет потенциал для прогнозирования запасов углеводородов в нетрадиционных сланцевых формациях, фундаментальный механизм, лежащий в его основе, остался недостижимым.
Традиционное объяснение большого соотношения T1/T2 в керогенах ссылается на физику парамагнетизма, которая диктует, как материалы реагируют на магнитные поля.
Благодаря крупномасштабным атомистическим симуляциям Валии Парамбату, Чапмана и Астхагири и экспериментам Зингера и Хирасаки, команда Райса показала, что объяснение не является правильным.
Вместо этого команда показала, что большое соотношение T1/T2 возникает в результате ограничения углеводородов в ограниченном пространстве.
"В физических терминах, при сильном ограничении, корреляционные времена молекулярных движений становятся длиннее", - сказал Астагири.
"Эти более длительные корреляционные времена приводят к более быстрой ЯМР релаксации - то есть к более коротким временам T1 и T2", - добавил Зингер. "Этот эффект более выражен для Т2, чем для Т1, что приводит к большому соотношению Т1/Т2".
Чепмен отметил, что команда также заинтересована в изучении идей, представленных в статье в контексте медицинской МРТ.
Источник истории:
Материалы предоставлены Университетом Райс.