De flesta av världens olje- och naturgasreserver kan vara låsta inne i de små porerna som består av skiffersten. Men nuvarande borrnings- och sprickmetoder kan inte extrahera detta bränsle särskilt bra, återvinner endast uppskattningsvis 5 procent av oljan och 20 procent av gasen från skiffer. Det beror delvis på en dålig förståelse för hur vätskor strömmar genom dessa små porer, som endast mäter nanometer.

Men nya datasimuleringar, beskrivs i veckan i tidningen Vätskans fysik , bättre kan undersöka den underliggande fysiken, vilket kan leda till effektivare utvinning av olja och gas.

Med mer porösa stenar som sandsten, där porerna är så stora som några millimeter, olje- och gasföretag kan lättare utvinna bränslet genom att injicera vatten eller ånga i marken, tvinga ut olja eller gas.

"Deras fysiska egenskaper är väl förstådda, "sa Yidong Xia, beräkningsvetare vid Idaho National Laboratory. "Det finns många välkalibrerade matematiska modeller för att utforma de tekniska verktygen för att utvinna oljan."

Men det är inte fallet för skiffer.

"Svårigheten är att porstorleken är mycket liten, och de flesta är spridda - de är isolerade, "Sa Xia." Så om du kan fylla en del av porerna med vatten, det går inte att flytta in i andra porer. "

Hydraulisk sprickbildning kan skapa sprickor som förbinder dessa porer, men utan en gedigen förståelse för porfördelningen och skifferens struktur, olje- och gasföretag arbetar blinda.

För att bättre förstå fysiken för hur vätskor gillar vatten, olja och gas flödar genom så små porer, forskare har alltmer vänt sig till datasimuleringar. Men även de har varit begränsade. När porerna är stora, vätska rör sig som ett smidigt kontinuum och modeller kan behandla det som sådant. Men med nanoskala porer i skiffer, vätskan fungerar mer som en samling partiklar.

I princip, en dator kan simulera beteendet hos varje enskild molekyl som utgör vätskan, Sa Xia. Men det skulle ta för mycket datorkraft för att vara praktiskt.

Istället, Xia och hans kollegor använde det som kallas en grovkornig metod. De modellerade vätskan som en samling partiklar där varje partikel representerar ett kluster av några få molekyler. Detta minskar dramatiskt hur mycket beräkningsmuskler som behövs.

Det som också särskiljer dessa nya resultat är införlivandet av högupplösta bilder av skifferprover. Forskare vid University of Utah använde fokuserad jonstrålande elektronmikroskopi på en bit Woodford -skiffer några millimeter i diameter. Jonstrålen i denna metod skär igenom provet, skanna varje skiva för att generera en 3D-bild av berget och dess detaljerade porstruktur i nanometerskalan. Dessa bilder matas sedan in i datormodellen för att simulera vätskeflöde genom de skannade nanostrukturerna.

"Kombinationen [av mikroskopi och simuleringar] är det som verkligen ger meningsfulla resultat, "Sa Xia.

Fortfarande, den här typen av simuleringar enbart kommer inte att revolutionera utvinning av skifferolja och gas, han sa. Du skulle behöva en bredare förståelse av hela skifferstrukturen, inte bara små prover. Men, han sa, du kan ta flera prover genom hela skiffern och köra datasimuleringar för att få mer inblick i dess fysik.

För att vara tydlig, Xia tillade, de stöder inte någon särskild teknik eller energikälla. Som forskare, deras fokus är att helt enkelt bättre förstå skifferens grundläggande fysik.