In de laatste decennia, hydraulisch breken of "fracking, " een methode van olie- en gaswinning, heeft een revolutie teweeggebracht in de wereldwijde energie-industrie. Het omvat het breken van gesteente met een vloeistof onder druk of "fracking fluid" (water dat zand bevat dat is gesuspendeerd met behulp van verdikkingsmiddelen) om kleine olie- en gasafzettingen die in steenformaties vastzitten, te verwijderen.

Nadat de watermoleculen van de frackvloeistof in deze formaties zijn geïnjecteerd, ze stijgen op tegen de stenen muren van de kleine kanalen waar ze zijn gestroomd. Ze kunnen dan "imbibitie ondergaan, " een soort diffusie waarbij ze via nanoporiën worden geabsorbeerd in de aangrenzende zakken waar de olie en het gas zich bevinden. Terwijl de watermoleculen worden geabsorbeerd, de olie- en gasmoleculen worden verplaatst en kunnen vervolgens naar de oppervlakte worden gepompt. Deze activiteit wordt aangedreven door de capillaire kracht tussen het water en de olie, die het gevolg is van de spanning die wordt gegenereerd op het grensvlak of het punt waar de twee vloeistoffen elkaar ontmoeten.

Wetenschappers hebben doorgaans het verwachte niveau van capillaire stijging in deze omstandigheden berekend met de Lucas-Washburn-vergelijking, een wiskundig model waarvan de vroegste parameters bijna een eeuw geleden voor het eerst werden bedacht. De uitdaging, echter, is dat de vergelijking niet helemaal nauwkeurig is geweest bij het voorspellen van de werkelijke stijging die wordt waargenomen in nano-capillaire laboratoriumexperimenten.

"De hoogte van de capillaire stijging die werd waargenomen in deze experimenten was lager dan wat het Lucas-Washburn-model zou hebben voorspeld, " legde Anqi Shen uit, een doctoraatsstudent aan de Chinese Northeast Petroleum University die nauw samenwerkt met Yikun Liu, een professor aan de universiteit. "Begrijpen waardoor deze afwijking werd veroorzaakt, werd een belangrijk aandachtspunt voor mijn collega's en mij."

De onderzoekers beschrijven hun bevindingen deze week in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

"Er zijn veel verklaringen gegeven voor de lager dan verwachte capillaire stijging. Een gebied van discussie was gericht op de viscositeit van de vloeistof. Een ander was de plakkerige olielagen die zich op de wanden van de haarvaten vormen en hun diameter verkleinen, dat is een kwestie die we ook hebben onderzocht, "Shen zei, wiens werk ook wordt gefinancierd door het Major Projects-programma voor de National Science and Technology of China.

"We hebben naar veel factoren gekeken en ontdekten dat de oppervlakteruwheid van de haarvaten de belangrijkste reden was voor het lager dan verwachte resultaat. we realiseerden ons dat het model het werkelijke niveau van capillaire stijging beter zou kunnen bepalen als we de parameters zouden aanpassen om rekening te houden met de wrijvingsweerstand die wordt veroorzaakt door de inherente ruwheid van het oppervlak van de capillaire wanden. Toen we zagen hoe dit het model nauwkeuriger maakte, we wisten dat we het niet konden negeren, ' zei Sheen.

Bovendien, de minuscule grootte van de capillairen betekent dat zelfs kleine verhogingen van de oppervlakteruwheid een aanzienlijke impact kunnen hebben op berekeningen.

"Factoren die onder normale omstandigheden genegeerd kunnen worden, kunnen significante effecten hebben op micro- of nanoniveau. een relatieve ruwheid van 5 procent, in een buis met een straal van 100 cm waarbij de hindernishoogte 5 cm is, heeft nauwelijks invloed op de vloeistofstroom in de buis. Echter, met een buisstraal van 100 nm en een hindernishoogte van 5 nm, het kan de vloeistofstroom in de buis aanzienlijk beïnvloeden, ' zei Sheen.

Momenteel, er zijn maar een paar laboratoria die experimenten met nanocapillaire opstijging uitvoeren. Als resultaat, Shen en haar collega's konden maar met de resultaten van één laboratorium in Nederland aan de slag. Vooruit gaan, ze zijn van plan hun wiskundige formule te verifiëren door de effectiviteit ervan te onderzoeken bij het simuleren van de resultaten van andere experimenten.

Hoewel Shens onderzoek zich richt op olie- en gasontwikkeling, zij en haar collega's hopen dat hun werk nuttig kan zijn voor wetenschappers die op andere gebieden werkzaam zijn.

"Capillaire stijging is een basis, natuurkundig fenomeen dat voorkomt in de bodem, papier, en andere biologisch relevante gebieden, " Zei Shen. "Begrijpen hoe het potentieel wordt beïnvloed op het nanocapillaire niveau door wrijvingsweerstand, zou licht kunnen werpen in een verscheidenheid aan wetenschappelijke disciplines."