В последние десятилетия гидроразрыв пласта или «фрекинг», метод добычи нефти и газа, произвел революцию в мировой энергетике. Он включает в себя гидроразрыв породы с помощью жидкости под давлением или «жидкости для гидроразрыва» (вода, содержащая песок, взвешенный с помощью загустителей) для извлечения небольших залежей нефти и газа, заключенных в каменных образованиях.
После того как молекулы воды из жидкости для гидроразрыва закачиваются в эти пласты, они поднимаются вверх по каменным стенкам небольших каналов, по которым текли. Затем они могут подвергнуться «впитыванию», типу диффузии, при котором они поглощаются через нанопоры в соседние карманы, где находятся нефть и газ. Когда молекулы воды поглощаются, молекулы нефти и газа вытесняются и затем могут выкачиваться на поверхность. Эта активность обусловлена капиллярной силой между водой и нефтью, возникающей из-за напряжения, возникающего на границе раздела или в точке, где встречаются две жидкости.
Ученые обычно рассчитывали ожидаемый уровень капиллярного подъема в этих условиях с помощью уравнения Лукаса-Уошберна, математической модели, самые ранние параметры которой были впервые разработаны почти столетие назад. Проблема, однако, заключается в том, что уравнение не было полностью точным в предсказании фактического подъема, наблюдаемого в лабораторных экспериментах с нанокапиллярами.
«Высота капиллярного подъема, наблюдаемая в этих экспериментах, была ниже, чем предсказывала модель Лукаса-Уошберна», - объясняет Анци Шэнь, докторант Северо-восточного нефтяного университета Китая, который тесно сотрудничает с Икунь Лю., профессор университета.«Понимание того, что вызвало это отклонение, стало важным моментом для меня и моих коллег».
Исследователи описывают свои выводы на этой неделе в журнале Applied Physics Letters издательства AIP Publishing.
Много объяснений было предложено более низкому, чем ожидалось, капиллярному подъему. Одна область обсуждения была сосредоточена на вязкости жидкости. Другой был липкий слой масла, который образуется на стенках капилляров. и сузить их диаметр, что является проблемой, которую мы также изучили», - сказал Шен, чья работа также финансируется Программой крупных проектов для национальной науки и технологий Китая.
Мы рассмотрели многие факторы и обнаружили, что шероховатость поверхности капилляров была основной причиной более низкого, чем ожидалось, результата. В частности, мы поняли, что модель может лучше определять фактический уровень капиллярного подъема, если мы скорректировали параметры, чтобы учесть сопротивление трения, вызванное присущей шероховатостью поверхности стенок капилляра. Когда мы увидели, как это сделало модель более точной, мы поняли, что не можем игнорировать это», - сказал Шен.
Кроме того, микроскопический размер капилляров означает, что даже небольшое увеличение шероховатости поверхности может существенно повлиять на расчеты.
Факторы, которыми можно пренебречь в нормальных условиях, могут оказывать существенное влияние на микро- или наноуровень. Например, относительная шероховатость 5 процентов в трубе радиусом 100 см, где высота препятствия составляет 5 см почти не влияет на течение жидкости в трубке. Однако при радиусе трубки 100 нм и высоте препятствия 5 нм это может существенно повлиять на течение жидкости в трубке», - сказал Шен.
В настоящее время существует всего несколько лабораторий, проводящих эксперименты по нанокапиллярному подъему. В результате Шен и ее коллеги могли работать только с результатами одной лаборатории в Нидерландах. В будущем они намерены проверить свою математическую формулу, изучив ее эффективность при моделировании результатов других экспериментов.
Хотя исследования Шен сосредоточены на разработке нефти и газа, она и ее коллеги надеются, что их работа может быть полезна ученым, работающим в других областях.
«Капиллярный рост - это основное физическое явление, которое происходит в почве, бумаге и других биологически значимых сферах», - сказал Шен. «Понимание того, как сопротивление трения потенциально влияет на нанокапиллярный уровень, может пролить свет на различные научные дисциплины».