Le kérogène est une substance organique cireuse et insoluble dispersée dans les roches sédimentaires et est le précurseur du pétrole et du gaz. Dans une nouvelle étude, publiée dans le Proceedings of the National Academy of Sciencedes chercheurs du MIT et d’ailleurs ont capturé des images en 3D de la structure interne du kérogène, avec un niveau de détail plus de 50 fois supérieur à ce qui avait été réalisé auparavant.
En utilisant la tomographie électronique, Pellenq et al. ont sondé un échantillon de kérogène pour déterminer sa structure interne. À gauche, l’échantillon vu de l’extérieur, et à droite, l’image 3D détaillée de la structure interne des pores. Crédit image : Pellenq et al, doi : 10.1073/pnas.1808402115.
Le kérogène est un mélange de matières organiques, principalement les restes de microbes, de plantes et d’animaux morts qui se sont décomposés et ont été enterrés profondément sous terre et comprimés.
Ce processus – une pyrolyse lente – forme un matériau riche en carbone et dur comme de la roche, criblé de pores de différentes tailles.
Lorsqu’elles sont transformées sous l’effet de la pression ou de la chaleur géothermique, les molécules d’hydrocarbures contenues dans le kérogène se décomposent en gaz ou en pétrole. Ceux-ci s’écoulent à travers les pores et peuvent être libérés par forage.
“Ce processus implique la cuisson de l’oxygène et de l’hydrogène, et à la fin, vous obtenez un morceau de charbon de bois”, a déclaré l’auteur principal, le Dr Roland Pellenq, chercheur principal au MIT.
“Mais entre les deux, vous obtenez toute cette gradation de molécules, dont beaucoup sont des carburants, des lubrifiants et des matières premières chimiques utiles.”
Pour obtenir des images détaillées de la structure du kérogène, le Dr Pellenq et ses co-auteurs ont utilisé la tomographie électronique, dans laquelle un petit échantillon du matériau est mis en rotation dans le microscope tandis qu’un faisceau d’électrons sonde la structure pour fournir des coupes transversales sous un angle après l’autre.
Celles-ci sont ensuite combinées pour produire une reconstruction 3D complète de la structure du pore.
“Avec cette nouvelle tomographie à l’échelle nanométrique, nous pouvons voir où les molécules d’hydrocarbures se trouvent réellement à l’intérieur de la roche”, a déclaré le Dr Pellenq.
Les résultats de l’équipe montrent pour la première fois une différence spectaculaire dans la nanostructure du kérogène en fonction de son âge.
Le kérogène relativement immature – dont l’âge réel dépend de la combinaison de températures et de pressions auxquelles il a été soumis – a tendance à avoir des pores beaucoup plus grands mais presque aucune connexion entre ces pores, ce qui rend l’extraction du combustible beaucoup plus difficile.
Le kérogène mature, en revanche, a tendance à avoir des pores beaucoup plus petits, mais ceux-ci sont bien connectés dans un réseau qui permet au gaz ou au pétrole de s’écouler facilement, ce qui en rend la récupération beaucoup plus facile.
L’étude révèle également que les tailles de pores typiques de ces formations sont si petites que les équations hydrodynamiques normales utilisées pour calculer la façon dont les fluides se déplacent à travers les matériaux poreux ne fonctionnent pas.
À cette échelle, le matériau est en contact si étroit avec les parois des pores que les interactions avec les parois dominent son comportement.
“Il n’y a aucune équation de dynamique des fluides qui fonctionne dans ces pores subnanoscientifiques. Aucune physique du continuum ne fonctionne à cette échelle”, a déclaré le Dr Pellenq.
