Hvordan væsker strømmer gennem skifer

De fleste af verdens olie- og naturgasreserver kan være låst inde i de små porer, der omfatter skifersten. Men de nuværende bor- og brudmetoder kan ikke udvinde dette brændstof særlig godt, kun at genvinde anslået 5 procent olie og 20 procent gas fra skifer. Det skyldes dels en dårlig forståelse for, hvordan væsker strømmer gennem disse små porer, som kun måler nanometer på tværs.

Men nye computersimuleringer, beskrevet i denne uge i journalen Væskers fysik , bedre kan undersøge den underliggende fysik, potentielt føre til mere effektiv udvinding af olie og gas.

Med mere porøse klipper som sandsten, hvor porerne er så store som et par millimeter, olie- og gasselskaber kan lettere udvinde brændstoffet ved at injicere vand eller damp i jorden, tvinger olie eller gas ud.

"Deres fysiske egenskaber er godt forstået, "sagde Yidong Xia, en beregningsforsker ved Idaho National Laboratory. "Der er en masse velkalibrerede matematiske modeller til at designe de tekniske værktøjer til at udvinde olien."

Men det er ikke tilfældet for skifer.

"Vanskeligheden er, at porestørrelsen er meget lille, og de fleste af dem er spredt - de er isolerede, "Sagde Xia." Så hvis du kan fylde en del af porerne med vand, der er ingen måde det kan bevæge sig ind i andre porer. "

Hydraulisk brud kan skabe revner, der forbinder disse porer, men uden en solid forståelse af skiferens porefordeling og struktur, olie- og gasvirksomheder arbejder blinde.

For bedre at forstå fysikken i, hvordan væsker kan lide vand, olie og gas strømmer gennem sådanne små porer, forskere har i stigende grad vendt sig til computersimuleringer. Men også disse har været begrænsede. Når porerne er store, væske bevæger sig som et glat kontinuum, og modeller kan behandle det som sådan. Men med nanoskala porer i skifer, væsken virker mere som en samling partikler.

I princippet, en computer kan simulere adfærd for hvert enkelt molekyle, der udgør væsken, Sagde Xia. Men det ville tage for meget computerkraft til at være praktisk.

I stedet, Xia og hans kolleger brugte det, der kaldes en grovkornet tilgang. De modellerede væsken som en samling af partikler, hvor hver partikel repræsenterer en klynge af nogle få molekyler. Dette skærer dramatisk ned på, hvor meget beregningsmuskel der er nødvendig.

Det, der også adskiller disse nye resultater, er inkorporering af billeder i høj opløsning af skiferprøver. Forskere ved University of Utah brugte fokuseret ionstrålescannende elektronmikroskopi på et stykke Woodford -skifer et par millimeter i diameter. Ionstrålen i denne metode skærer gennem prøven, scanning af hver skive for at generere et 3D-billede af klippen og dens detaljerede porestruktur i nanometerskalaen. Disse billeder føres derefter ind i computermodellen for at simulere væskestrøm gennem de scannede nanostrukturer.

"Kombinationen [af mikroskopi og simuleringer] er det, der virkelig producerer meningsfulde resultater, " sagde Xia.

Stadig, den slags simuleringer alene vil ikke revolutionere udvinding af skiferolie og gas, han sagde. Du har brug for en bredere forståelse af hele skiferstrukturen, ikke kun små prøver. Men, han sagde, du kunne tage flere prøver i hele skiferen og køre computersimuleringer for at få mere indsigt i dens fysik.

For at være klar, Xia tilføjede, de støtter ikke nogen bestemt teknologi eller energikilde. Som forskere, deres fokus er simpelthen bedre at forstå den grundlæggende fysik i skifer.