Ученые из Индийского института науки и образования и исследований (IISER) в Бхопале обнаружили более точный метод для картографирования подземных систем в одном из важнейших угольных регионов Индии. Изучая микроскопические трещины в угольных пластах в бассейне Джария, исследователи создали новую математическую основу, объясняющую движение метана и углекислого газа в земной коре.
Значение открытия для энергетики
Это открытие предоставляет инженерам более точный набор инструментов для добычи топлива, которое сгорает чисто, а также, что не менее важно, для безопасного захоронения парниковых газов глубоко под землей в борьбе с изменением климата.
Характеристики угольного бассейна Джария
Угольный бассейн Джария, расположенный в штате Джаркханд, известен своим высококачественным коксующимся углем. Этот регион также содержит метан в угольных пластах (Coal-Bed Methane, CBM) — форму природного газа, заключенную внутри самого угля. Поскольку мир переходит к возобновляемым источникам энергии, CBM выступает в роли критически важного переходного топлива, так как он сгорает чище, чем уголь или нефть.
Более того, эти же угольные пласты могут функционировать как гигантские поглотители углерода. При закачке углекислого газа в неразрабатываемые угольные слои газ может быть навсегда сохранен, предотвращая попадание его в атмосферу и глобальное потепление.
Проблема моделирования потоков
Для реализации любой из этих технологий инженерам необходимо точно знать скорость, с которой жидкости могут перемещаться через уголь. В отличие от обычной трубы, уголь представляет собой систему двойной пористости. Это означает, что газ хранится в твердой матрице угля, но может двигаться только через сеть крошечных естественных трещин, называемых щелями. Эти щели служат магистралями угольного пласта.
На протяжении десятилетий ученые использовали стандартную формулу, известную как кубический закон, для прогнозирования этого потока. Этот закон предполагает, что объем жидкости, проходящей через трещину, пропорционален кубу ее ширины, или апертуры. Однако команда IISER Bhopal выяснила, что это стандартное правило не совсем соответствует уникальной, напряженной среде бассейна Джария.
Новый подход к измерению потока
Для подтверждения своих выводов исследователи собрали образцы из различных условий региона, включая глубокие подземные шахты и обширные открытые карьеры, что отражает различные глубины и геологическое давление. Используя микроскопию и метод 1D сканирования, они измерили тысячи мельчайших трещин. Они обнаружили, что в районе Джария поток газа гораздо более чувствителен к ширине трещин, чем считалось ранее.
Вместо степени три, предложенной кубическим законом, они установили, что поток фактически масштабируется с пятой степенью. Конкретно, для разных типов щелей в регионе поток следовал степенному показателю от 4,38 до 5,08.
Применение новой модели
Исследователи полагают, что зависимость от пятой степени связана с формой и способом роста трещин. В Джарии миллионы лет тектонической активности, включая складчатость и разломы земной коры, сжимали и растягивали уголь. Это создало сложную сеть, где ширина трещины тесно связана с ее длиной в определенной масштабирующей зависимости. Понимая эту связь, ученые смогли переписать уравнения потока таким образом, чтобы они больше не зависели от длины трещины.
В геологии измерение длины трещины является крайне сложной задачей. Когда инженеры бурят землю для отбора проб, они получают лишь небольшой цилиндр породы, называемый керн. Эти керны часто слишком узкие, чтобы показать полную длину трещины, что приводит к недостаточному отбору проб и неточным данным. Создавая модель, которая требует измерения только ширины трещины, легко видимой даже на малых образцах, исследователи значительно упростили возможность для полевых инженеров создавать динамические модели потока жидкости без необходимости получения недоступных данных.
Данное исследование может укрепить энергетическую безопасность Индии, сделав добычу отечественного природного газа более предсказуемой и эффективной. Оно также предлагает научную дорожную карту для крупномасштабного секвестрации углерода. Зная точно, как мигрирует шлейф углекислого газа через угольный пласт, ученые могут гарантировать, что газ останется там, куда его поместили, превращая старые угольные шахты в постоянные хранилища мирового углеродного отходов. По мере того как мировое сообщество движется к нулевому уровню выбросов, такие специфичные для региона научные знания являются жизненно важными механизмами, которые заставят работать механизм зеленой экономики.
