Как флуидите текат през шисти

Credit: Yidong Xia
Credit: Yidong Xia

Нови методи за моделиране на шисти могат да доведат до по-добро извличане на нефт и природен газ.

Повечето от световните запаси на нефт и природен газ могат да бъдат „заключени” в малки тесни пори, изграждащи шистовите скали. Но сегашните методи за сондиране и фрактуриране (разбиване) на скалите не могат да извлекат много добре това гориво, като възстановяват само около 5% от петрола и 20% от газа от шисти. Това от части се дължи на лошото разбиране за това как флуидите текат през тези малки пори, които се измерват в нанометри.

Но някои нови компютърни симулации, описани през април в списание “Физика на флуидите” (Physics of Fluids) от AIP Publishing, могат да позволят много по-добро изследване на основните физични характеристики, а това от своя страна би довело до по-ефективното извличане на нефта и газа.

Компаниите, занимаващи се с нефт и газ могат много по-лесно да извлекат горивото от по-порестите скали като пясъчници, където порите са с големина от няколко милиметра,  чрез впръскване на вода или пара в земните недра, като по този начин се изтласква нефтът или газът към земната повърхност.

“Техните физични характеристики са добре известни”, казва Yidong Xia, стастик в Националната лаборатория в Айдахо. „Има множество добре калибрирани математични модели за проектиране на инженерните инструменти за извличане на нефта.”


РЕКЛАМА:

***

Но този случай не се отнася за шистите.

„Трудността произлиза от факта, че размерът на порите е много малък и повечето от тях са разпръснати – те са изолирани”, казва Xia. „Значи, ако могат част от порите да се запълнят с вода, то няма начин тя да се премести и в другите пори.”

Хидравличното фрактуриране може да създаде пукнатини, които свързват тези пори, но тъй като няма ясна представа за разпределението на порите и структурата на шистите, то нефтените компании работят на сляпо.

За по-доброто разбиране на физиката на това как флуидите като вода, нефт и газ преминават през такива малки пори, изследователите все по-често се обръщат към използването на компютърни симулации. И все пак те са ограничени. Когато порите са големи, флуидите може да се движат като гладък поток и моделите може да ги възприемат като такъв. Но с наномащабните пори в шистите флуидът може да прилича  повече на колекция от частици.

По принцип компютър може да симулира поведението на всяка една отделна молекула, която изгражда флуида, казва Xia. Но това би отнело твърде много компютърни изчисления, за да е практично.

Вместо това, Xia и неговите колеги използват така наречения груб зърнен подход. Те моделират флуида като множество от частици и всяка една от тях представлява клъстер от няколко молекули. Това драстично намалява броя на изчислителните молекули, които са необходими.

Това, което отличава тези нови резултати, е включването на изображения с висока резолюция на образци от шисти. Изследователи от университета в Юта са използвали фокусирана йоннолъчева сканираща електронна микроскопия върху парче шисти от Уудфорд с диаметър няколко милиметра. Йонният лъч при този метод преминава през пробата, сканирайки всеки разрез, за ​​да генерира триизмерно изображение на скалата и подробната структура на порите ѝ. Тези изображения след това се вкарват в компютърния модел, за да симулират потока на флуида през сканираните наноструктури. “Комбинацията от микроскопия и симулации е това, което наистина води до смислени резултати”, каза Xia. И все пак, тези видове симулации сами по себе си няма да революционизират нефтодобива и добива на шистов газ, казва той. Ще е необходимо по-широко разбиране за цялата структура на шистите, а не само за малки проби. Но той казва, че бихме могли да вземем много проби от целия обем на шистите и да се стартират компютърни симулации, за да се получи по-добра представа за физиката им. Xia отбелязва, че екипът му не се застъпва за конкретна технология или енергиен източник. Като изследователи, те се фокусират върху основната физика на шистите, за да може тя да се разбере по-добре.

Превод: Силвия Чавдарова

Източник: Science Daily


Европейска нощ на учените 2022 г.: