Hundrede år gammel lov om væskestrøm omstødt af ny forskning

Ingeniører fra Imperial College London har fordrevet en 100 år gammel videnskabelig lov, der bruges til at beskrive, hvordan væske strømmer gennem klipper.

Opdagelsen af ​​forskere fra Imperial kan føre til en række forbedringer, herunder fremskridt inden for Carbon Capture and Storage (CCS). Det er her, industrielle emissioner vil blive opfanget af CCS-teknologi, før de når atmosfæren, og sikkert opbevaret i sten dybt under jorden.

Mile under jordens overflade strømmer forskellige typer væsker gennem de mikroskopiske mellemrum mellem kornene inde i klipperne.

Forskere fra College har brugt Diamond Light Source-faciliteten i Storbritannien til at lave 3D-videoer, der viser mere detaljeret end nogensinde før, hvordan væsker bevæger sig gennem sten.

I over hundrede år, ingeniører har modelleret, hvordan flere væsker strømmer gennem klipper af en række årsager. For eksempel, modellering af væskeflow gør det muligt for ingeniører at bestemme, hvordan man udvinder olie og gas. At forstå, hvordan havvand strømmer gennem klipper, giver indsigt i jordskorpens flygtighed, og forudsige, hvordan ferskvand strømmer gennem klipper, gør det muligt for ingeniører at styre vandressourcerne. For nylig, ingeniører har modelleret hvordan CO? flyder gennem sten som en del af CCS.

Tidligere, forskere har brugt en formel til at modellere, hvordan væsker bevæger sig gennem klipper. Det kaldes Darcy's Extended Law, og forudsætningen for den er, at gasser bevæger sig gennem sten via deres egen separate, stabil, kompleks, mikroskopiske veje. Dette har været den grundlæggende tilgang, som ingeniører har brugt til at modellere væskeflowet i de sidste 100 år.

Imidlertid, de kejserlige videnskabsmænd har opdaget, at i stedet for at flyde i et relativt stabilt mønster gennem klipper, strømmene er faktisk meget ustabile. De veje, som væsker strømmer igennem, varer faktisk kun i en kort periode, højst ti sekunder, før de omarrangeres og formes til forskellige. Teamet har kaldt denne proces for dynamisk forbindelse.

Vigtigheden af ​​opdagelsen af ​​dynamisk forbindelse er, at ingeniører over hele verden nu vil være i stand til mere præcist at modellere, hvordan væsker strømmer gennem sten.

Dr. Catriona Reynolds, hovedforfatter på undersøgelsen, der afsluttede sin ph.d. i Institut for geovidenskab og teknik på Imperial, sagde:"At prøve at modellere, hvordan væsker strømmer gennem sten i stor skala, har vist sig at være en stor videnskabelig og ingeniørmæssig udfordring. Vores evne til at forudsige, hvordan disse væsker strømmer i undergrunden, er ikke meget bedre end for 50 år siden på trods af store fremskridt inden for computermodelleringsteknologi. Ingeniører har længe haft mistanke om, at der var nogle store huller i vores forståelse af den underliggende fysik af væskeflow. Vores nye observationer i denne undersøgelse vil tvinge ingeniører til at revurdere deres modelleringsteknikker, øge deres nøjagtighed."

For at skabe 3D-billederne brugte forskerne i dagens undersøgelse synkrotronpartikelacceleratoren ved Diamond Light Source. Synkrotronen gør det muligt for forskerne at tage 3D-billeder med hastigheder meget hurtigere end et konventionelt laboratorie røntgeninstrument - omkring 45 sekunder sammenlignet med timer for et laboratoriebaseret instrument. Dette satte dem i stand til at se dynamikken, som ikke tidligere var observeret.

Imidlertid, en endnu højere tidsopløsning ville forbedre observationerne væsentligt. Disse væskebaner omarrangerer sig hurtigt, så ideelt set ville holdet gerne have, at observationerne fangede hvert 100. sekund. Denne tidsopløsning er kun mulig lige nu ved hjælp af optisk lys fra mikroskoper kombineret med højhastighedskameraer. Imidlertid, de er begrænset i deres evne til at observere væsker, der bevæger sig gennem rigtige klipper.

De næste trin vil se holdet forsøge at overvinde denne teknologiske hindring ved hjælp af en kombination af nye optiske og røntgenbilledteknikker. Dette kunne sætte dem i stand til at modellere væskeflow i stor skala, som ville være nyttigt til modellering af CO2-lagring, produktion af olie og gas, og migration af væsker dybt i jordskorpen.

Forskningen er offentliggjort i dag i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences og finansieret af Engineering and Physical Science Research Council's Doctoral Training Scholarship Scheme og støttet af Qatar Carbonates and Carbon Storage Research Centre, finansieret i fællesskab af Qatar Petroleum, Shell og Qatar Science and Technology Park.