Un equipo de investigadores ha creado una forma de evaluar rápida y remotamente el flujo de fluido en fracturas subterráneas que podrían afectar a los acuíferos, la extracción de petróleo y gas, el secuestro de gases de efecto invernadero o desechos nucleares y la remediación de contaminantes filtrados.
Laura Pyrak-Nolte y David Nolte, ambos profesores de física en la Universidad de Purdue, encontraron una relación de escala casi universal entre la rigidez de fractura y el flujo de fluido que se aplica a la roca de baja porosidad, o aproximadamente más del 50 por ciento de toda la roca en la Tierra.
A través de esta relación matemática, el par creó una herramienta que, a través de la rigidez y la profundidad de una fractura, puede revelar su tasa de flujo de fluido potencial, que puede usarse para predecir la ruta de flujo y evaluar la integridad hidráulica de un sitio.
Ha sido difícil crear una forma universal de evaluar las fracturas debido a la amplia gama de tamaños, desde micras hasta kilómetros. Además, las fracturas en la Tierra son dinámicas y están sujetas a cambios frecuentes en el estrés, la química y las presiones de los fluidos, dijoPyrak-Nolte, quien dirigió el trabajo.
"Cuando observa todas estas fracturas muy diferentes, parece que cada una sería diferente y las tasas a las que el fluido podría fluir a través de ellas serían diferentes", dijo. "Ahora hemos encontrado el principio físico subyacente único quelos explica a todos "
El equipo también demostró que la medición de ondas de alta frecuencia, en la que las ondas sísmicas se utilizan como radar para proporcionar las dimensiones básicas de una fractura, se puede utilizar para obtener la rigidez de una fractura. Cuando esta tecnología se combina con la nueva ley de escala, permite un escaneo remoto de una fractura para revelar el flujo potencial de fluido en un sitio en particular y también para monitorear los cambios potenciales en el flujo de fluido en un sitio a lo largo del tiempo, dijo Pyrak-Nolte.
Los resultados se detallan en un artículo en la revista Comunicaciones de la naturaleza que actualmente está disponible en línea.
A lo largo de su carrera, Pyrak-Nolte ha estudiado fracturas en el subsuelo de la Tierra y ha desarrollado herramientas y recopilado información que condujo a este hallazgo.
"A través de décadas de estudio de fracturas y ciencias relacionadas, pudimos juntar todos los hilos y ver el patrón en el tapiz", dijo Pyrak-Nolte, quien también tiene citas de cortesía en la Escuela de Ingeniería Civil de Lyles y elDepartamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias. "Creo que este es un buen ejemplo de la importancia de la financiación a largo plazo. Sin el apoyo a largo plazo del Departamento de Energía, no hubiera tenido una exposición constante en esta áreanecesario para llegar a la creación de una herramienta muy útil y práctica "
Las fracturas se han considerado una de las cosas más difíciles de tratar en las actividades subterráneas y su estudio ha sido un área importante de enfoque para el DOE, dijo Nolte, profesor distinguido de física de Edward M. Purcell en Purdue.
"Las unidades de medida que describen las diferentes propiedades de fractura abarcan 10 órdenes de magnitud, lo que significa que el flujo de fluido varía en 10 órdenes de magnitud o más, las fracturas son matemáticamente en todo el lugar", dijo. "Si hubiera preguntadoHace apenas un año, habría dicho que puede que no haya una sola relación para unir todo. Pensamos que podría ser diferente para cada clase de fractura. Sin embargo, una vez que descubrimos los parámetros y las claves para vincularlos,los datos se colapsaron en una hermosa curva. Es sorprendente lo radicalmente diferentes que pueden ser las topologías y, sin embargo, seguir siendo descritas por el mismo principio físico ".
Los investigadores crearon funciones matemáticas que unen las propiedades mecánicas e hidráulicas de las fracturas. A partir de estas funciones matemáticas, pudieron crear un gráfico en el que se puede usar la rigidez de una fractura para determinar dónde cae en una curva que describe el flujo de fluido.La información y el gráfico están disponibles gratuitamente.
El equipo también observó lo que sucedería si una fractura se erosionara, como podría ocurrir durante el secuestro de carbono, y descubrió que la ley de escala aún se mantenía, dijo Pyrak-Nolte.
La rigidez de una fractura depende de los puntos de contacto de las dos superficies involucradas. Cuantos más puntos de contacto, más estable o rígida es la fractura. La clave para vincular esta rigidez con el flujo de fluido fue la geometría, porque ambas característicasdependía de una geometría compartida, dijo Nolte.
El dúo ejecutó más de 3.600 simulaciones para cada tipo de fractura utilizando el Centro Rosen de Computación Avanzada de Purdue.
"Durante años esta fue nuestra hipótesis y ahora finalmente se ha demostrado", dijo. "En el pasado, las personas usaban promedios de entre las muchas clases diferentes de fracturas para informar sus decisiones, pero estos promedios omitieron puntos clave. Ahoratener un marco funcional de cómo tratar fracturas de diferentes profundidades que capturan matices importantes "
En el futuro, el equipo espera validar aún más los métodos en un sitio de campo con fracturas conocidas y buscar la creación de un marco similar para el comportamiento de las redes de fracturas.
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Materiales proporcionado por Universidad de Purdue . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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