En ny model for kapillær stigning i nanokanaler giver indsigt i fracking

I de sidste årtier har hydraulisk brud eller "fracking, "en metode til olie- og gasudvinding, har revolutioneret den globale energiindustri. Det indebærer brud på sten med en væske under tryk eller "fracking fluid" (vand indeholdende sand suspenderet ved hjælp af fortykningsmidler) for at trække små olie- og gasaflejringer, der er fanget i stenformationer, ud.

Efter at vandmolekylerne i frackingvæsken er injiceret i disse formationer, de rejser sig op ad stenvæggene i de små kanaler, hvor de er strømmet. De kan derefter gennemgå "imbibition, "en form for diffusion, der involverer dem, der absorberes via nano-porer i de nærliggende lommer, hvor olien og gassen opholder sig. Efterhånden som vandmolekylerne absorberes, olie- og gasmolekylerne forskydes og kan derefter pumpes til overfladen. Denne aktivitet er drevet af kapillarkraften mellem vandet og olien, som skyldes spændingen genereret ved grænsefladen eller det punkt, hvor de to væsker mødes.

Forskere har typisk beregnet det forventede niveau for kapillærstigning under disse forhold med Lucas-Washburn-ligningen, en matematisk model, hvis tidligste parametre først blev udtænkt for næsten et århundrede siden. Udfordringen, imidlertid, er, at ligningen ikke har været helt nøjagtig ved at forudsige den faktiske stigning observeret i nano-kapillære laboratorieforsøg.

"Højden på kapillærstigningen, der blev observeret i disse forsøg, var lavere end hvad Lucas-Washburn-modellen ville have forudsagt, "forklarede Anqi Shen, en doktorand ved Kinas Northeast Petroleum University, der arbejder tæt sammen med Yikun Liu, professor ved universitetet. "At forstå, hvad der forårsagede denne afvigelse, blev et vigtigt fokuspunkt for mine kolleger og mig."

Forskerne beskriver deres fund i denne uge i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver .

"Der er blevet givet mange forklaringer på den lavere end forventede kapillærstigning. Et diskussionsområde har fokuseret på væskens viskositet. En anden har været de klæbrige lag af olie, der dannes på kapillærernes vægge og indsnævrer deres diameter, hvilket er et problem, som vi også har undersøgt, "Shen sagde, hvis arbejde også er finansieret af Major Projects Program for National Science and Technology of China.

"Vi kiggede på mange faktorer og fandt ud af, at kapillærernes overfladeruhed var hovedårsagen til det lavere resultat end forventet. Specifikt, vi indså, at modellen bedre kunne bestemme det faktiske niveau for kapillærstigning, hvis vi justerede parametrene for at tage højde for friktionsmotstanden, der skyldes den iboende ruhed af overfladen af ​​kapillærvæggene. Da vi så, hvordan dette gjorde modellen mere præcis, vi vidste, at vi ikke kunne ignorere det, "Sagde Shen.

I øvrigt, kapillærernes minimale størrelse betyder, at selv små stigninger i overfladeruhed kan have en betydelig indvirkning på beregningerne.

"Faktorer, der måske ignoreres under normale forhold, kan have betydelige virkninger på et mikro- eller nano -niveau. F.eks. en relativ ruhed på 5 procent, i et rør med en radius på 100 cm, hvor forhindringshøjden er 5 cm, påvirker næppe væskestrømmen i røret. Imidlertid, med en rørradius på 100 nm og forhindringshøjde på 5 nm, det kan påvirke væskestrømmen i røret væsentligt "Sagde Shen.

I øjeblikket, der er kun få laboratorier, der udfører nano-kapillære stigningsforsøg. Som resultat, Shen og hendes kolleger kunne kun arbejde med resultaterne fra et laboratorium i Holland. Fremadrettet, de agter at verificere deres matematiske formel ved at undersøge dens effektivitet ved at simulere resultaterne af andre eksperimenter.

Selvom Shens forskning fokuserer på olie- og gasudvikling, hun og hendes kolleger håber, at deres arbejde kan være til nytte for forskere, der arbejder på andre områder.

"Kapillær stigning er en grundlæggende, fysiske fænomen, der forekommer i jorden, papir, og andre biologisk relevante områder "Shen sagde." At forstå, hvordan det potentielt påvirkes på nano-kapillært niveau af friktionsmotstand, kunne kaste lys i en række videnskabelige discipliner. "