Instantâneos de simulação por engenheiros da Rice University mostram moléculas de n-heptano (verde) sob diferentes graus de confinamento em uma matriz de polímero de moléculas (preto), onde o polímero de alta viscosidade é um modelo para querogênio imaturo. O painel esquerdo mostra moléculas sob confinamento extremo e o painel direito mostra moléculas que são relativamente livres. Crédito:Arjun Valiya Parambathu / Rice University
Os engenheiros da Rice University acabaram com uma teoria de longa data sobre a detecção de petróleo e gás que se escondem dentro dos poros em nanoescala das formações de xisto.
Os pesquisadores do Rice determinaram que indicadores intrigantes de ferramentas de ressonância magnética nuclear (NMR) não são necessários, como pensamento, às propriedades paramagnéticas da rocha, mas apenas ao tamanho do espaço que aprisiona os produtos petroquímicos.
A equipe espera que a descoberta leve a uma melhor interpretação dos registros de NMR pela indústria de petróleo e gás, especialmente em formações de xisto não convencionais.
Os autores do estudo - pesquisadores sênior Dilip Asthagiri, Philip Singer, George Hirasaki e Walter Chapman e o estudante de graduação Arjun Valiya Parambathu, todos do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Brown School of Engineering - estiveram na vanguarda no uso de simulações atomísticas para refinar como interpretar o comportamento de relaxamento de NMR.
Seu papel no Journal of Physical Chemistry B baseia-se em trabalhos anteriores do mesmo grupo e elucida o papel crítico do confinamento molecular na resposta de relaxamento de NMR.
O relaxamento de NMR é uma ferramenta importante para medir de forma não destrutiva a dinâmica das moléculas em materiais porosos. NMR é comumente usado para detectar tecidos doentes no corpo humano, mas também é empregado para ajudar a extrair petróleo e gás com segurança e economia, caracterizando rochas sedimentares para ver se elas contêm hidrocarbonetos.
O NMR manipula os momentos magnéticos nucleares dos núcleos de hidrogênio aplicando campos magnéticos externos e medindo o tempo que leva para os momentos "relaxarem" de volta ao equilíbrio. Porque os tempos de relaxamento diferem dependendo da molécula e seu ambiente, as informações coletadas por NMR, especificamente os tempos de relaxamento conhecidos como T1 e T2, pode ajudar a identificar se uma molécula é gás, óleo ou água e o tamanho dos poros que os contêm.
Os pesquisadores da Rice University usaram simulações em grande escala para eliminar o papel do paramagnetismo na caracterização NMR de depósitos de óleo e xisto em formações de xisto nanoporosas. Sob forte confinamento, eles descobriram que a fração de volume de heptano em um polímero modelo é baixa, como se o hidrocarboneto leve estivesse sendo dissolvido na matriz de confinamento. A figura mostra medições (círculos abertos) e resultados de simulação (círculos preenchidos) da razão T1 / T2 para relaxamento de superfície para uma força de campo magnético aplicada. Crédito:Arjun Valiya Parambathu / Rice University
Um quebra-cabeça no campo foi explicar a grande razão T1 / T2 de hidrocarbonetos leves confinados em materiais nanoporosos como querogênio ou betume (também conhecido como asfalto) e o mecanismo por trás do relaxamento de superfície de NMR, um fenômeno que surge quando moléculas antes livres estão adjacentes às superfícies que as confinam.
Especificamente, os pesquisadores observam, a razão T1 / T2 dos hidrocarbonetos no querogênio é considerada muito maior do que a razão T1 / T2 da água nas argilas. Embora este contraste em T1 / T2 tenha potencial para prever reservas de hidrocarbonetos em formações de xisto não convencionais, o mecanismo fundamental por trás disso permaneceu indefinido.
A explicação convencional da grande razão T1 / T2 no querogênio invocou a física do paramagnetismo que dita como os materiais respondem aos campos magnéticos.
Por meio de simulações atomísticas em grande escala por Valiya Parambathu, Chapman e Asthagiri e experimentos de Singer e Hirasaki, a equipe do Rice mostrou que a explicação não é correta.
No estudo, a equipe mostrou, em vez disso, que a grande proporção T1 / T2 emerge como consequência do confinamento do hidrocarboneto em um espaço apertado.
“Em termos físicos, sob forte confinamento, os tempos de correlação dos movimentos moleculares ficam mais longos, "Asthagiri disse.
"Esses tempos de correlação mais longos resultam em relaxamento de NMR mais rápido - ou seja, tempos de T1 e T2 mais curtos, "Singer acrescentou." Este efeito é mais pronunciado para T2 do que para T1, o que resulta em uma grande proporção T1 / T2. "
Chapman observou que a equipe também está interessada em explorar as idéias apresentadas no artigo no contexto da ressonância magnética médica.
