Morphology-Adaptive Curvature Analysis of Fluid–Fluid Interfaces in Porous Media

Diep in de aarde, in de kleine, verstrengelde poriën van gesteenten zoals zandsteen en kalksteen, strijden vloeistoffen zoals olie, water en gas voortdurend om ruimte. Deze vloeistoffen mengen zich niet; in plaats daarvan ontmoeten ze elkaar bij scherpe grenzen waar ze tegen elkaar aan duwen. De kracht die deze strijd beheerst, wordt capillaire druk genoemd, een fysieke duw die bepaalt of een druppel olie in een rots gevangen blijft of wordt weggeblazen door stromend water. Om te begrijpen hoeveel druk er nodig is om deze vloeistoffen te verplaatsen, moeten wetenschappers de kromming van de grens meten waar de twee vloeistoffen elkaar ontmoeten. Als de grens strak gekromd is, zoals een kleine bel, is de druk hoog. Als deze platter is, is de druk lager. Deze relatie is een fundamentele natuurkundige wet, maar het meten van de vorm van deze onzichtbare grenzen binnen een rots is ongelooflijk moeilijk. De rots wordt afgebeeld met krachtige röntgenstralen, die een digitaal beeld creëren dat bestaat uit kleine kubussen. Wanneer wetenschappers proberen de vloeistofgrens vanuit deze kubussen te traceren, is het resultaat vaak een ruw, grillig oppervlak vol digitale ruis, waardoor het bijna onmogelijk is om te bepalen of een kromming echt is of slechts een artefact van de meting.

Een team van onderzoekers heeft een nieuwe manier ontwikkeld om dit probleem op te lossen, waarbij een methode wordt gecreëerd die zich aanpast aan de specifieke vorm van de vloeistofgrens in plaats van elke vorm in dezelfde mal te dwingen. In een studie gepubliceerd in Research Article laten Faisal Aljaberi, Martin Blunt en Mohammed Al Kobaisi zien dat er geen enkel wiskundig hulpmiddel bestaat dat voor elke situatie het beste werkt. Net zoals een timmerman een beitel kan gebruiken voor rechte lijnen en een raspa voor krommingen, ontdekten de onderzoekers dat verschillende vloeistofvormen verschillende manieren vereisen om hun kromming te berekenen. Door hun benadering te testen op perfecte geometrische vormen en vervolgens op echte gesteentemonsters, toonden zij aan dat hun adaptieve methode de meetfouten met 45 procent vermindert vergeleken met de beste enkele methode die momenteel beschikbaar is. Deze verbetering stelt wetenschappers in staat om de werkelijke druk binnen de rots met veel meer helderheid te zien, waardoor ze ontdekken hoe olie en water zich gedragen op manieren die voorheen verborgen bleven door de ruis van de gegevens.

De onderzoekers begonnen met de erkenning dat de standaardinstrumenten die worden gebruikt om kromming te meten, faalden omdat ze alle vloeistofgrensvlakken hetzelfde behandelden. In de complexe wereld van poreus gesteente kunnen vloeistofgrenzen drie verschillende vormen aannemen. Soms vormt een gevangen klodder olie een gladde, ronde kap, zoals een bel. Op andere tijden kleeft de vloeistof aan de hoeken van de rots, waardoor een lange, dunne boog ontstaat. In complexere situaties, met name in gesteenten die zijn aangetast door ruwe olie, kan de grens zich draaien in een zadelvorm, waarbij deze in de ene richting omhoog buigt en in de andere omlaag. Het team testte verschillende wiskundige technieken op computermodellen van deze drie vormen. Ze ontdekten dat een methode gebaseerd op het middelen van het oppervlak goed werkte voor de ronde kappen en de hoekbogen, waarbij de digitale ruis werd gladgestreken om de ware vorm te onthullen. Echter, diezelfde middelende methode verpest de meting van de zadelvormen, door hun unieke krommingen af te vlakken en hun ware aard te verbergen. Daarentegen werkte een andere techniek die een gladde laag op het oppervlak paste beter voor de zadelvormen, maar was te gevoelig voor ruis voor de andere vormen.

Om dit op te lossen, bouwde het team een slimme workflow die fungeert als een vormdetector. Wanneer de computer een vloeistofinterface analyseert, identificeert deze eerst of het oppervlak overwegend rond, overwegend boogvormig of overwegend zadelvormig is. Zodra de vorm is geïdentificeerd, selecteert het systeem automatisch het beste wiskundige hulpmiddel voor die specifieke geometrie en past het aan hoeveel het de gegevens gladstrijkt. Het leerde ook om de randen te negeren waar de vloeistof de vaste rots en de andere vloeistof ontmoet, een gebied waar het digitale beeld vaak het meest vervormd is. Door deze problematische randen uit te sluiten en het juiste hulpmiddel toe te passen op de juiste vorm, konden de onderzoekers een schoon, nauwkeurig beeld van de kromming extraheren. Ze testten dit nieuwe systeem op twee verschillende soorten zandsteen: één die van nature olie afstoot (water-wet) en één die is aangetast om olie vast te houden (mixed-wet).

De resultaten waren opmerkelijk. In de water-wet rots, waar de vloeistofgrenzen grotendeels glad en rond zijn, produceerde de nieuwe methode resultaten die overeenkwamen met onafhankelijke metingen die met druksensoren buiten de rots zijn genomen. De datapunten klonterden dicht bij elkaar en toonden een duidelijke en consistente relatie tussen hoeveel olie er in de rots achterbleef en de druk die het daar vasthield. Echter, het verschil werd nog dramatisser even groot in de mixed-wet rots. In deze complexe omstandigheden draaien de vloeistofgrenzen in die moeilijke zadelvormen. De standaard commerciële software, die een vaste methode gebruikt voor alle vormen, berekende een veel hogere druk dan er feitelijk bestond, waardoor het de werkelijke, lage druktoestand van de verbonden olie niet kon vatten. De nieuwe adaptieve methode identificeerde er daarente_gens juist correct dat de druk naar nul daalde terwijl het water de olie wegduwde. Het onthulde dat de standaardinstrumenten de kracht die nodig is om de olie te verplaatsen overschatten, simpelweg omdat ze de complexe geometrie van de mixed-wet rots niet aankonden.

De studie keek ook naar de kleine, losgekoppelde klodders olie die tijdens het proces gevangen raken. De onderzoekers ontdekten dat deze geïsoleerde druppels hun eigen onderscheidende druktoestanden hebben, die verschillen van de hoofdstroom van de olie. Wanneer de nieuwe methode alle olie-interfaces samen mat, inclusief deze gevangen druppels, schoot de berekende druk omhoog, wat aantoonde dat het systeem twee verschillende fysieke realiteiten met elkaar mengde. Dit onderscheid is cruciaal omdat het bewijst dat de druk die de stroming van olie beheerst, anders is dan de druk die de gevangen druppels op hun plaats houdt. Bovendien ontdekten het team, door duizenden van deze gevangen druppels te analyseren, een duidelijk patroon: kleinere druppels, die vroeg in het proces gevangen raken, hebben zeer sterk gekromde oppervlakken en een hoge druk, terwijl grotere druppels, die later gevangen raken, vlakkere oppervlakken en een lagere druk hebben. Dit gedetailleerde beeld van de microscopische wereld binnen de rots biedt een veel dieper begrip van hoe vloeistoffen door de aarde bewegen, wat een betrouwbaardere manier biedt om te voorspellen waar olie te vinden is en hoe deze kan worden gewonnen.

Het succes van dit werk ligt in het weigeren om een oplossing van één maat voor iedereen toe te passen op een probleem dat inherent divers is. Door te erkennen dat de vorm van het vloeistofinterface de beste manier bepaalt om het te meten, hebben de onderzoekers een instrument gecreëerd dat de rots helderder ziet dan ooit tevoren. Deze helderheid is niet slechts een academische oefening; het vertaalt zich direct naar een beter begrip van de krachten die diep onder de grond spelen. Of het nu gaat om het beheren van waterbronnen, het opslaan van koolstofdioxide of het winnen van energie, weten wat de werkelijke druk binnen de rots is, is essentieel. De nieuwe methode biedt een manier om die waarheid te zien, door de ruis van de gegevens te snijden om de fysieke realiteit van de vloeistoffen die door de poriën van de aarde bewegen, te onthullen.