Under de senaste decennierna, hydraulisk frakturering eller "fracking, "en metod för olje- och gasutvinning, har revolutionerat den globala energiindustrin. Det handlar om att spricka sten med en trycksatt vätska eller "fracking fluid" (vatten som innehåller sand suspenderat med hjälp av förtjockningsmedel) för att dra ut små olje- och gasavlagringar som är fångade i stenformationer.

Efter att vattenmolekylerna i frackingvätskan har injicerats i dessa formationer, de reser sig uppför stenväggarna i de små kanalerna där de har flutit. De kan sedan genomgå "imbibition, " en typ av diffusion som innebär att de absorberas via nanoporer i de närliggande fickorna där oljan och gasen finns. När vattenmolekylerna absorberas, olje- och gasmolekylerna förskjuts och kan sedan pumpas upp till ytan. Denna aktivitet drivs av kapillärkraften mellan vattnet och oljan, som härrör från spänningen som genereras vid gränsytan eller punkten där de två vätskorna möts.

Forskare har vanligtvis beräknat den förväntade nivån av kapillärstegring under dessa förhållanden med Lucas-Washburn-ekvationen, en matematisk modell vars tidigaste parametrar först utarbetades för nästan ett sekel sedan. Utmaningen, dock, är att ekvationen inte har varit helt korrekt när det gäller att förutsäga den faktiska ökningen som observerats i laboratorieexperiment med nanokapillärer.

"Höjden på kapillärstigningen som observerades i dessa experiment var lägre än vad Lucas-Washburn-modellen skulle ha förutspått, " förklarade Anqi Shen, en doktorand vid Kinas Northeast Petroleum University som arbetar nära Yikun Liu, en professor vid universitetet. "Att förstå vad som orsakade denna avvikelse blev en viktig fokuspunkt för mina kollegor och mig."

Forskarna beskriver sina fynd den här veckan i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik .

"Många förklaringar har getts till den lägre än förväntade kapillärhöjningen. Ett diskussionsområde har fokuserat på vätskans viskositet. Ett annat har varit de klibbiga lager av olja som bildas på kapillärernas väggar och smalnar av deras diameter, vilket är en fråga som vi också har utforskat, "Shen sa, vars arbete också finansieras av Major Projects Program for National Science and Technology of China.

"Vi tittade på många faktorer och fann att kapillärernas ytråhet var huvudorsaken till det lägre än förväntade resultatet. Specifikt, vi insåg att modellen bättre kunde bestämma den faktiska nivån av kapillärhöjning om vi justerade parametrarna för att ta hänsyn till friktionsmotståndet som orsakas av den inneboende grovheten hos kapillärväggarnas yta. När vi såg hur detta gjorde modellen mer exakt, vi visste att vi inte kunde ignorera det, " sa Shen.

Dessutom, kapillärernas ringa storlek gör att även små ökningar i ytjämnhet kan ha en betydande inverkan på beräkningarna.

"Faktorer som kan ignoreras under normala förhållanden kan ha betydande effekter på mikro- eller nanonivå. Till exempel, en relativ grovhet på 5 procent, i ett rör med en radie på 100 cm där hinderhöjden är 5 cm påverkar knappast vätskeflödet i röret. Dock, med en rörradie på 100 nm och hinderhöjd på 5 nm, det kan avsevärt påverka vätskeflödet i röret, " sa Shen.

För närvarande, det finns bara ett fåtal labb som utför experiment med nano-kapillär höjning. Som ett resultat, Shen och hennes kollegor kunde bara arbeta med resultaten från ett laboratorium i Nederländerna. Går framåt, de avser att verifiera sin matematiska formel genom att undersöka dess effektivitet när det gäller att simulera resultaten av andra experiment.

Även om Shens forskning fokuserar på olje- och gasutveckling, hon och hennes kollegor hoppas att deras arbete kan vara till nytta för forskare som arbetar inom andra områden.

"Kapillärhöjning är en grundläggande, fysiska fenomen som uppstår i marken, papper, och andra biologiskt relevanta områden, "Shen sa. "Att förstå hur det potentiellt påverkas på nano-kapillärnivå av friktionsmotstånd kan kasta ljus i en mängd olika vetenskapliga discipliner."