帝国理工推翻了持续数百年关于流体流动的定律

来自伦敦帝国理工的工程师们打破了一个持续了100年的描述流体流过岩石的科学定律。用3个3D模型展示了在不同微观维度上流体流过岩石的状况。

帝国理工研究人员所得发现将可能导致一系列的技术推进改革，其中包括对碳捕集与封存(CCS)技术的推动。CCS技术指的就是在产业所排放的二氧化碳进入大气之前将其捕集，并安全的将二氧化碳封存到地下岩层深处。

地球表面数英里以下的不同类型流体会在岩石内部的微粒间流动。

帝国理工的科学家们在英国使用钻石光源设备制作3D影片，从而能比以前更加精细地展示流体是如何流过岩石的。

100多年来，有很多原因驱使工程师们一直在模拟多种流体流过岩石使得状态。例如，有的原因是模拟流体流动能够使工程师们确定如何提取石油和天然气。而有的就是为了能了解海水是如何流过岩石从而引起地壳的波动，还有的就是为了预测淡水是如何流过岩石从而使工程师们能够更好地管理水资源。最近，工程师们一直在模拟二氧化碳是如何流过岩石的，该模拟工作是CCS研究工作的一部分。

以前，科学家们使用一个公式来模拟流体是如何流过岩石。该公式叫作达西定律，而使用该公式的前提是气体流经岩石时是以独立的、稳定的、复杂的、微观的方式流过的。这是过去100年里，工程师们在模拟流体流动时会使用到的基础方法。

然而，帝国理工的科学家们发现这些流体不是以相对稳定的方式流过岩石的，而实际上是以一种非常不稳定的方式流过。流体流过的路径实际上是不断改变的，一个路径仅持续非常短的时间，最多持续几十秒，然后就会重新排列形成不同的流动路径。该团队称这个过程为动态连接。

动态连接的发现的重要性在于世界各地的工程师们将能够更加精确地模拟流体是如何流过岩石的。

在帝国理工学院地球科学与工程学院的卡塔尔碳酸盐和碳封存研究中心中完成了博士学位，并是该研究主要作者之一的Catriona Reynolds博士表示：“试图对大规模流体流过岩石时的状况建模已经是科学界和工程界公认的一个巨大的挑战。因为尽管现在计算机模拟技术取得了重大的进展，但是预测流体在地表下的岩石中如何流动的能力并没有比50年前好很多。长期以来，工程师们就怀疑是在对流体流动基础物理的理解方面存在一些重大偏差。因此，我们最新的研究观察结果将促使工程师们重新评估他们的建模方法，以提高他们的准确性。”

研究人员为了创造3D图像，所以在这个研究中使用了钻石光源的同步粒子加速器。该同步加速器使研究人员能够比常规实验室利用X射线仪以更快的速度拍摄3D图像——大约只需要45秒时间，而常规实验室仪器则需要数小时。这样使他们能够看到之前所没有看到的动态情况。

然而，更高的时间分辨率将能显著提高观察效果。因为这些流体路径的重排是非常快速的，所以在理想情况下，团队希望能1/100秒拍摄一次。为了达到这种时间分辨率只能将光学显微镜与高速摄像机联用。但是它们在观察流体流过真实岩石时的情况的能力受到了限制。

下一步

下一步，团队将尝试联合利用新型光学技术和X射线成像技术来克服该技术障碍。这可以使研究人员建立大规模流体流动的模型，从而可以用于二氧化碳封存研究、石油和天然气采收研究，以及地壳中深层流体迁移研究。

该研究报告发表在美国国家科学院的院刊上，该研究得到了工程与物理科学研究委员会博士生训练奖学金计划资助、卡塔尔碳酸盐和碳封存研究中心的支持、以及卡塔尔石油、壳牌和卡塔尔科技园的共同资助。