Au cours des dernières décennies, fracturation hydraulique ou « fracking, " une méthode d'extraction de pétrole et de gaz, a révolutionné l'industrie mondiale de l'énergie. Elle consiste à fracturer la roche avec un liquide sous pression ou « fluide de fracturation » (eau contenant du sable en suspension à l'aide d'agents épaississants) pour extraire de petits gisements de pétrole et de gaz piégés dans des formations rocheuses.

Après que les molécules d'eau du fluide de fracturation aient été injectées dans ces formations, ils s'élèvent sur les murs de pierre des petits canaux où ils ont coulé. Ils peuvent alors subir "l'imbibition, " un type de diffusion qui implique leur absorption via des nano-pores dans les poches voisines où résident le pétrole et le gaz. Au fur et à mesure que les molécules d'eau sont absorbées, les molécules de pétrole et de gaz sont déplacées et peuvent ensuite être pompées vers la surface. Cette activité est entraînée par la force capillaire entre l'eau et l'huile, qui résulte de la tension générée à l'interface ou au point de rencontre des deux fluides.

Les scientifiques ont généralement calculé le niveau attendu d'élévation capillaire dans ces conditions avec l'équation de Lucas-Washburn, un modèle mathématique dont les premiers paramètres ont été conçus pour la première fois il y a près d'un siècle. Le défi, cependant, est que l'équation n'a pas été complètement précise pour prédire l'augmentation réelle observée dans les expériences de laboratoire nano-capillaire.

"La hauteur de la remontée capillaire observée dans ces expériences était inférieure à ce que le modèle Lucas-Washburn aurait prédit, " a expliqué Anqi Shen, un doctorant à l'Université chinoise du pétrole du Nord-Est qui travaille en étroite collaboration avec Yikun Liu, un professeur à l'université. « Comprendre ce qui causait cet écart est devenu un point d'intérêt important pour mes collègues et moi. »

Les chercheurs décrivent leurs découvertes cette semaine dans le journal Lettres de physique appliquée .

"De nombreuses explications ont été proposées pour la montée capillaire plus faible que prévu. Un domaine de discussion s'est concentré sur la viscosité du fluide. Un autre a été les couches collantes d'huile qui se forment sur les parois des capillaires et rétrécissent leur diamètre, qui est une question que nous avons également explorée, " Shen a dit, dont les travaux sont également financés par le Programme des grands projets pour la science et la technologie nationales de Chine.

« Nous avons examiné de nombreux facteurs et avons constaté que la rugosité de la surface des capillaires était la principale raison du résultat inférieur aux attentes. Plus précisément, nous avons réalisé que le modèle pourrait mieux déterminer le niveau réel d'élévation capillaire si nous ajustions les paramètres pour tenir compte de la traînée de friction causée par la rugosité inhérente de la surface des parois capillaires. Quand nous avons vu comment cela rendait le modèle plus précis, nous savions que nous ne pouvions pas l'ignorer, " dit Shen.

De plus, la taille minuscule des capillaires signifie que même de petites augmentations de la rugosité de surface peuvent avoir un impact significatif sur les calculs.

"Les facteurs qui pourraient être ignorés dans des conditions normales peuvent avoir des effets significatifs au niveau micro ou nano. Par exemple, une rugosité relative de 5 pour cent, dans un tube d'un rayon de 100 cm où la hauteur d'obstacle est de 5 cm n'affecte guère l'écoulement du fluide dans le tube. Cependant, avec un rayon de tube de 100 nm et une hauteur d'obstacle de 5 nm, cela pourrait affecter de manière significative le débit de fluide dans le tube, " dit Shen.

Actuellement, il n'y a que quelques laboratoires réalisant des expériences de montée nano-capillaire. Par conséquent, Shen et ses collègues n'ont pu travailler qu'avec les résultats d'un seul laboratoire aux Pays-Bas. Aller de l'avant, ils ont l'intention de vérifier leur formule mathématique en examinant son efficacité à simuler les résultats d'autres expériences.

Bien que la recherche de Shen se concentre sur le développement du pétrole et du gaz, elle et ses collègues espèrent que leurs travaux pourront être utiles aux scientifiques travaillant dans d'autres domaines.

"La remontée capillaire est une base, phénomène physique qui se produit dans le sol, papier, et d'autres domaines biologiquement pertinents, " a déclaré Shen. " Comprendre comment il est potentiellement affecté au niveau nano-capillaire par la traînée de friction pourrait faire la lumière dans une variété de disciplines scientifiques. "