Лаура Пайрак-Нолти и Дэвид Нолти, оба профессора физики в Университете Пердью, обнаружили почти универсальную масштабную зависимость между жесткостью трещин и потоком жидкости, которая применима к породам с низкой пористостью, или примерно более чем 50 процентам всех пород на Земле.Посредством этого математического соотношения пара создала инструмент, который по жесткости и глубине трещины может выявить потенциальный расход жидкости, который можно использовать для прогнозирования пути потока и оценки гидравлической целостности участка.
Было сложно создать универсальный способ оценки трещин из-за широкого диапазона размеров, от микрон до километров. Кроме того, трещины на Земле динамичны и подвержены частым изменениям напряжений, химического состава и давления жидкости, сказал Пирак-Нолти, руководивший работой.«Когда вы смотрите на все эти очень разные трещины, кажется, что все они будут разными, и скорость, с которой жидкость может протекать через них, будет различной», — сказала она. «Теперь мы нашли единственный фундаментальный физический принцип, который объясняет их все».Команда также показала, что измерение высокочастотных волн, в которых сейсмические волны используются как радар для определения основных размеров трещины, можно использовать для определения жесткости трещины.
Когда эта технология сочетается с новым законом масштабирования, она позволяет удаленно сканировать трещину, чтобы выявить потенциальный поток жидкости на определенном участке, а также отслеживать потенциальные изменения потока жидкости на участке с течением времени, сказал Пайрак-Нолти.Результаты подробно описаны в статье журнала Nature Communications, который в настоящее время доступен в Интернете.
На протяжении своей карьеры Пирак-Нолти изучала трещины в недрах Земли, разрабатывала инструменты и собирала информацию, которая привела к этому открытию.«Благодаря десятилетиям изучения трещин и связанных с ними наук мы смогли собрать воедино все нити и увидеть узор на гобелене», — сказал Пирак-Нолти, который также имеет приемы вежливости в Школе гражданского строительства Лайлса и Департаменте инженерных наук. Науки о Земле, атмосфере и планетах. «Я думаю, что это хороший пример важности долгосрочного финансирования.
Без долгосрочной поддержки со стороны Министерства энергетики я бы не получил постоянного воздействия в этой области, необходимого для создания очень полезный и практичный инструмент ".По словам Нолти, заслуженного профессора физики Эдварда М. Перселла из Purdue, при проведении геологоразведочных работ трещины считались одной из самых сложных проблем, с которыми приходится иметь дело, и их изучение было основным направлением деятельности Министерства энергетики.«Единицы измерения, которые описывают различные свойства трещин, охватывают 10 порядков величины, что означает, что поток жидкости изменяется на 10 порядков и более — трещины математически повсюду», — сказал он. «Если бы вы спросили меня всего год назад, я бы сказал, что, возможно, не существует единой взаимосвязи, объединяющей все это воедино. Мы думали, что она может быть разной для каждого класса переломов.
Однако, как только мы выяснили параметры и ключи чтобы связать их вместе, данные сжались в одну красивую кривую. Удивительно, насколько радикально разные топологии могут быть и при этом описываться одним и тем же физическим принципом ».Исследователи создали математические функции, связывающие механические и гидравлические свойства трещин. На основе этих математических функций они смогли построить график, на котором можно использовать жесткость трещины, чтобы точно определить, где она попадает на кривую, описывающую поток жидкости.
Информация и график находятся в свободном доступе.Команда также изучила, что произойдет, если трещина разрушится, что может произойти во время связывания углерода, и обнаружила, что закон масштабирования все еще сохраняется, сказал Пайрак-Нолти.
Жесткость перелома зависит от точек соприкосновения двух задействованных поверхностей. Чем больше точек соприкосновения, тем стабильнее или жестче трещина.
Ключом к увязке этой жесткости с расходом жидкости была геометрия, потому что обе характеристики зависели от общей геометрии, сказал Нолти.Дуэт провел более 3600 симуляций для каждого типа трещин с использованием центра перспективных вычислений Purdue Rosen Center.«В течение многих лет это было нашей гипотезой, и теперь она, наконец, была продемонстрирована», — сказал он. «В прошлом люди использовали средние значения из множества различных классов трещин для обоснования своих решений, но эти средние значения упускали из виду ключевые моменты.
Теперь у нас есть функциональная основа того, как лечить трещины разной глубины, которая фиксирует важные нюансы».В будущем команда надеется продолжить валидацию методов на промысловой площадке с известными трещинами и продолжить создание аналогичной основы для поведения сетей трещин.