En las últimas décadas, la fracturación hidráulica o "fracking", un método de extracción de petróleo y gas, ha revolucionado la industria energética mundial. Implica fracturar la roca con un líquido presurizado o "fluido de fracking" agua que contiene arena suspendida con la ayudade agentes espesantes para extraer pequeños depósitos de petróleo y gas atrapados en formaciones de piedra.
Después de que las moléculas de agua del fluido de fracturación hidráulica se inyectan en estas formaciones, se elevan por las paredes de piedra de los pequeños canales por donde han fluido. Luego pueden sufrir "imbibición", un tipo de difusión que implica que se absorban a través de nano-poros en los bolsillos vecinos donde residen el petróleo y el gas. A medida que las moléculas de agua se absorben, las moléculas de petróleo y gas se desplazan y luego se pueden bombear a la superficie. Esta actividad es impulsada por la fuerza capilar entre el agua y el petróleo,que resulta de la tensión generada en la interfaz o el punto donde se encuentran los dos fluidos.
Los científicos han calculado típicamente el nivel esperado de aumento capilar en estas condiciones con la ecuación de Lucas-Washburn, un modelo matemático cuyos primeros parámetros se idearon por primera vez hace casi un siglo. Sin embargo, el desafío es que la ecuación no ha sido completamenteprecisa para predecir el aumento real observado en experimentos de laboratorio nanocapilares.
"La altura del aumento capilar que se observó en estos experimentos fue menor de lo que el modelo Lucas-Washburn habría predicho", explicó Anqi Shen, estudiante de doctorado en la Universidad del Petróleo del Nordeste de China que trabaja en estrecha colaboración con Yikun Liu, profesoren la universidad. "Comprender qué estaba causando esta desviación se convirtió en un punto importante de enfoque para mis colegas y para mí".
Los investigadores describen sus hallazgos esta semana en la revista letras de física aplicada , de AIP Publishing.
"Se han ofrecido muchas explicaciones para el aumento capilar por debajo de lo esperado. Un área de discusión se ha centrado en la viscosidad del fluido. Otra han sido las capas pegajosas de aceite que se forman en las paredes de los capilares y reducen suDiámetro, que es un tema que también hemos explorado ", dijo Shen, cuyo trabajo también está financiado por el Programa de Grandes Proyectos para la Ciencia y Tecnología Nacional de China.
"Observamos muchos factores y descubrimos que la rugosidad de la superficie de los capilares era la razón principal del resultado inferior al esperado. Específicamente, nos dimos cuenta de que el modelo podría determinar mejor el nivel real de aumento capilar si ajustamos elparámetros para tener en cuenta el arrastre de fricción causado por la aspereza inherente de la superficie de las paredes capilares. Cuando vimos cómo esto hizo que el modelo fuera más preciso, supimos que no podíamos ignorarlo ", dijo Shen.
Además, el tamaño minúsculo de los capilares significa que incluso pequeños aumentos en la rugosidad de la superficie pueden tener un impacto significativo en los cálculos.
"Los factores que pueden ignorarse en condiciones normales pueden tener efectos significativos en un nivel micro o nano. Por ejemplo, una rugosidad relativa del 5 por ciento, en un tubo con un radio de 100 cm donde la altura del obstáculo es de 5 cm apenas afectael flujo de fluido en el tubo. Sin embargo, con un radio de tubo de 100 nm y una altura de obstáculo de 5 nm, podría afectar significativamente el flujo de fluido en el tubo ", dijo Shen.
Actualmente, solo hay unos pocos laboratorios que llevan a cabo experimentos de aumento de nanocapilares. Como resultado, Shen y sus colegas solo pudieron trabajar con los resultados de un laboratorio en los Países Bajos. En adelante, tienen la intención de verificar su fórmula matemática medianteexaminando su efectividad para simular los resultados de otros experimentos.
Aunque la investigación de Shen se centra en el desarrollo de petróleo y gas, ella y sus colegas esperan que su trabajo pueda ser útil para los científicos que trabajan en otros campos.
"El aumento capilar es un fenómeno físico básico que ocurre en el suelo, el papel y otros reinos biológicamente relevantes", dijo Shen. "Comprender cómo se ve potencialmente afectado a nivel nanocapilar por el arrastre por fricción podría arrojar luz en una variedadde disciplinas científicas "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física AIP . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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