De meeste van 's werelds olie- en aardgasreserves kunnen worden opgesloten in de kleine poriën die schaliegesteente vormen. Maar de huidige boor- en breekmethoden kunnen deze brandstof niet goed extraheren, slechts naar schatting 5 procent van de olie en 20 procent van het gas terugwinnen uit schalie. Dat komt deels door een slecht begrip van hoe vloeistoffen door deze kleine poriën stromen, die slechts nanometers breed meten.

Maar nieuwe computersimulaties, deze week beschreven in het journaal Fysica van vloeistoffen , kan de onderliggende fysica beter onderzoeken, mogelijk leiden tot een efficiëntere winning van olie en gas.

Met meer poreuze rotsen zoals zandsteen, waar de poriën zo groot zijn als enkele millimeters, olie- en gasmaatschappijen kunnen de brandstof gemakkelijker onttrekken door water of stoom in de grond te injecteren, de olie of het gas eruit te persen.

"Hun fysieke kenmerken zijn goed begrepen, " zei Yidong Xia, een computationele wetenschapper bij Idaho National Laboratory. "Er zijn veel goed gekalibreerde wiskundige modellen om de technische hulpmiddelen te ontwerpen voor het extraheren van de olie."

Maar dat geldt niet voor schalie.

"De moeilijkheid is dat de poriegrootte erg klein is, en de meeste van hen zijn verspreid - ze zijn geïsoleerd, "Zei Xia. "Dus als je een deel van de poriën met water kunt vullen, het kan op geen enkele manier in andere poriën terechtkomen."

Hydraulisch breken kan scheuren veroorzaken die deze poriën verbinden, maar zonder een goed begrip van de porieverdeling en structuur van de schalie, olie- en gasmaatschappijen werken blind.

Om de fysica van vloeistoffen zoals water beter te begrijpen, olie en gas stromen door zulke kleine poriën, onderzoekers hebben zich steeds meer tot computersimulaties gewend. Maar ook die zijn beperkt gebleven. Als de poriën groot zijn, vloeistof beweegt als een vloeiend continuüm en modellen kunnen het als zodanig behandelen. Maar met poriën op nanoschaal in schalie, de vloeistof werkt meer als een verzameling deeltjes.

In principe, een computer kan het gedrag simuleren van elk individueel molecuul waaruit de vloeistof bestaat, zei Xia. Maar dat zou te veel rekenkracht vergen om praktisch te zijn.

In plaats daarvan, Xia en zijn collega's gebruikten een zogenaamde grofkorrelige benadering. Ze modelleerden de vloeistof als een verzameling deeltjes waarin elk deeltje een cluster van een paar moleculen vertegenwoordigt. Dit vermindert drastisch hoeveel computationele spierkracht nodig is.

Wat deze nieuwe resultaten ook onderscheidt, is de opname van afbeeldingen met hoge resolutie van schaliemonsters. Onderzoekers van de Universiteit van Utah gebruikten gefocusseerde ionenbundel-scanning-elektronenmicroscopie op een stuk Woodford-schalie met een diameter van enkele millimeters. De ionenbundel in deze methode snijdt door het monster, elk plakje scannen om een ​​3D-beeld van het gesteente en zijn gedetailleerde poriestructuur op nanometerschaal te genereren. Die afbeeldingen worden vervolgens in het computermodel ingevoerd om de vloeistofstroom door de gescande nanostructuren te simuleren.

"De combinatie [van microscopie en simulaties] is wat echt zinvolle resultaten oplevert, ' zei Xia.

Nog altijd, dit soort simulaties alleen zullen geen revolutie teweegbrengen in de winning van schalieolie en gas, hij zei. Je zou een breder begrip van de hele structuur van de schalie nodig hebben, niet alleen kleine steekproeven. Maar, hij zei, je zou meerdere monsters in de schalie kunnen nemen en computersimulaties kunnen uitvoeren om meer inzicht te krijgen in de fysica ervan.

Om duidelijk te zijn, Xia heeft toegevoegd, ze onderschrijven geen bepaalde technologie of energiebron. Als onderzoekers, hun focus is om simpelweg de basisfysica van schalie beter te begrijpen.