Öl lebt in einem „Schlafzimmer“ im Nanomaßstab? Schauen wir uns den Schiefer in millionenfacher Vergrößerung genauer an.

Die Kernbibliothek des Daqing-Ölfelds ist mit ordentlich angeordneten grauschwarzen zylindrischen Steinen gefüllt. Es handelt sich dabei um zylindrische Steine, die mit Spezialwerkzeugen aus dem Brunnen gebohrt werden. Sie sind wichtige physikalische Materialien für das Verständnis und die Untersuchung der unterirdischen Bedingungen und Mineralsituationen und sind außerdem die „Heimat“ des unterirdischen Gulong-Schieferöls. Auf der einen Seite befindet sich ein schwarzer Kern mit fast keinen Poren an der Oberfläche, wie bei einer Eisenplatte. Auf der anderen Seite befindet sich hellgelbes, klares Öl. Was ist die Verbindung zwischen ihnen?

Um das Geheimnis des Gulong-Schiefers zu lüften, verwendeten Erdölwissenschaftler hochpräzise Instrumente und Geräte, um uns die Tür zu dieser wunderbaren mikroskopischen Welt zu öffnen. Es stellte sich heraus, dass diese schwarzen Schiefer, die wie Eisenplatten aussehen, unzählige winzige, mit bloßem Auge nicht sichtbare Poren enthalten, die dem Öl einen Lebensraum bieten.

Gulong-Schieferöl lebt in einem nanometergroßen „Schlafzimmer“

Die Poren und Risse unterschiedlicher Größe im Gestein bieten Öl- und Gasmolekülen ein Zuhause. Der Gulong-Schiefer ist keine Ausnahme, aber im Vergleich zu herkömmlichen Öl- und Gaslagerstätten ist der Lagerraum des Gulong-Schiefers extrem klein und das meiste Öl „lebt“ in den unterirdischen nanometergroßen „Schlafzimmern“ (Poren) und mikrometergroßen „Korridoren“ (Rissen).

Wissen Sie, wie klein diese Poren sind? Mit herkömmlichen Mikroskopen sind sie nicht mehr zu beobachten. Nur mit Hilfe eines hochauflösenden Rasterelektronenmikroskops, das das Bild hunderttausendfach oder sogar millionenfach vergrößern und eine Auflösung von 1 Nanometer erreichen kann, können wir das wahre Erscheinungsbild der Poren erkennen. Dadurch können wir einen detaillierten Blick aus der Nähe auf die mikroskopische Welt werfen und sehen, wie die Poren in diesen Schiefern verteilt sind.

Der Durchmesser der Poren im Gulong-Schiefer beträgt grundsätzlich weniger als 100 Nanometer. Der Durchmesser eines menschlichen Haares beträgt üblicherweise 70 Mikrometer, und die Porengröße des uralten Drachenschiefers beträgt nur ein Siebenhundertstel oder sogar ein Tausendstel eines menschlichen Haares. Vergleicht man ein menschliches Haar mit der Größe eines Fußballfeldes, entspricht die effektive Porengröße des Gulong-Schiefers der Größe des Fußballs auf dem Fußballfeld.

Schieferöltransport hat einen "Kanal"

Da das „Schlafzimmer“ so klein ist, wie können wir Öl aus dem Boden fördern? Wenn Sie sich Schiefer als großes Haus vorstellen, sind die Poren im Inneren unabhängige „Schlafzimmer“ und der Hals ist der „Gang“, der die Schlafzimmer verbindet. Beim unterirdischen Transport muss das Öl aus unzähligen „Schlafzimmern“ in die „Gänge“ fließen. Das „Schlafzimmer“ spielt eine entscheidende Rolle dabei, wie viel Öl gespeichert werden kann, und der „Gang“ spielt eine Schlüsselrolle dabei, ob das Öl fließen und transportiert werden kann.

Die Studie ergab, dass das Volumen der einzelnen Poren im Gulong-Schiefer zwar sehr gering ist, das kumulierte Gesamtporenvolumen jedoch relativ groß ist, was bedeutet, dass genügend „Schlafzimmer“ vorhanden sind und der Gesamtraum groß ist. der einzige Nachteil besteht darin, dass es weniger „Gänge“ gibt, was die Bildung eines kontinuierlichen Strömungskanals erschwert. Dies ist ein sehr ungünstiger Faktor für die Ölförderung.

Wie also löst Gulong-Schieferöl dieses Problem? Im Gulong-Schiefer sind Schichtungsbrüche, Strukturbrüche und Überdruckbrüche entstanden, von denen die Schichtungsbrüche am stärksten ausgeprägt sind. Aufgrund der vorhandenen Schichtungsbrüche können die Gesteine ​​entlang dieser Brüche leicht abgelöst werden und so „Tausend-Schichten-Pfannkuchen“ bilden. Schichtbrüche im Meter- bis Millimeterbereich sind mit bloßem Auge erkennbar, für die Identifizierung von Schichtbrüchen im Mikro- und Nanobereich ist jedoch ein Rasterelektronenmikroskop erforderlich. Die Dichte dieser mikro- und nanoskaligen Schichtbrüche ist extrem hoch und erreicht Hunderttausende pro Meter.

Mikro- und Nanoskalige Schichtbrüche sind wie dichte Landstraßen. Obwohl sie schmal sind, gibt es viele davon und sie sind weit verteilt und können Öl von Landstraßen zu Provinzstraßen transportieren. Kleinere und größere Schichtbrüche sind mit Provinz- oder Nationalstraßen vergleichbar. Obwohl es nur relativ wenige von ihnen gibt, verfügen sie über breite Straßen, die sich über weite Entfernungen erstrecken, und sie bieten bessere Transportmöglichkeiten für vorbeifahrende Fahrzeuge. Sie verbessern die Durchlässigkeit zwischen Reservoirs und erleichtern den Fluss der Ölmoleküle.

Apropos tektonische Brüche und Überdruckbrüche: Sie bilden außerdem Brücken zwischen verschiedenen Schieferkanälen und sorgen so für eine stärkere Vernetzung der „Straßen“ im Schiefer. Auf diese Weise kann das „Ölbaby“ „stolz voranschreiten“ und frei im Schieferreservoir fließen.

Unter dem Nano-Confinement-Effekt kann die "Ölpuppe" leicht ihr Gesicht verändern

Die in den Mikro- und Nanoporen lebenden „Ölpuppen“ sind sehr ungezogen und lassen sich nicht leicht herausbekommen. Hier muss noch ein weiterer Effekt diskutiert werden – der Nano-Confinement-Effekt. Vereinfacht ausgedrückt bezeichnet der Nano-Confinement-Effekt die Tatsache, dass sich im Nano-Raum aufgrund der Begrenzungen des engen Raums die Eigenschaften von Materialien verändern oder sogar physikalische oder chemische Reaktionen auftreten.

In großflächigen Poren kann die Wechselwirkung zwischen Fluidmolekülen und Porenwänden im Vergleich zu den Wechselwirkungskräften zwischen Fluidmolekülen vernachlässigt werden. Im Nanomaßstab sind die Wechselwirkungskräfte zwischen den Feststoffmolekülen an der Porenwand und den Flüssigkeitsmolekülen jedoch relativ groß. Wenn die durchschnittliche Weglänge der Kollision zwischen den Flüssigkeitsmolekülen und der Porenwand vergleichbar mit der Porengröße ist, wird die freie thermische Bewegung der Flüssigkeitsmoleküle erheblich beeinträchtigt.

Das ist wie die „Ölbabys“, die in der Pause auf dem Schulhof spielen. Da der Platz groß genug ist, können sie einander fröhlich hinterherjagen, ohne zusammenzustoßen. Als es zum Unterricht klingelte, stürmten die „öligen Kinder“ in den engen Flur. Während sie sich gegenseitig schubsten und schubsten, wurde der Widerstand gegen ihr Vorankommen plötzlich größer und sie konnten den Korridor eine Zeit lang nicht passieren.

Dieser Einschlusseffekt wirkt sich auch auf den Wechsel der Fluidphase aus und bringt Schwierigkeiten bei der Ölförderung und -ausbeute mit sich. Unter diesem Einschlusseffekt springt der Phasenzustand der Gulong-Schieferölflüssigkeit zwischen den beiden Zuständen „flüchtiges Öl“ und „Kondensatgas“ hin und her. Es ist, als würden sich die „Ölpuppen“ in „Sun Wukong“ verwandeln. Wenn sie sich in einem engen Raum befinden, weil der „Raum“ überfüllt und stickig ist, „zischen“ sie zu einer Rauchwolke; Wenn sie in eine andere Pore eindringen, verwandeln sie sich aufgrund der Temperatur- und Druckänderungen wieder in Öltröpfchen. Die Herausforderungen, die die frechen „Ölpuppen“ mit sich bringen, sind weitaus größer und stellen die Weisheit der Erdölgeologen und -ingenieure Schritt für Schritt auf die Probe.

Autor: Wu Songtao (Chinesisches Forschungsinstitut für Erdölexploration und -entwicklung), Jiang Xiaohua (Chinesisches Forschungsinstitut für Erdölexploration und -entwicklung), Gao Bo (Daqing Oilfield Co., Ltd.)