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Il modello di conducibilità termica delle rocce utilizzato dalle compagnie petrolifere e del gas e geotermiche si rivela inaffidabile

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Configurazione sperimentale unica che ha consentito misurazioni laser non distruttive ad alta precisione delle proprietà termiche delle rocce. L’apparato ad alto rendimento funziona su campioni di roccia di diverse dimensioni e con proprietà che variano in un’ampia gamma di valori. Credito: Evgeny Popov et al./IOP Serie di conferenze: Scienze della terra e dell’ambiente

I ricercatori Skoltech hanno sfruttato i loro dati sperimentali unici e la loro esperienza nella modellazione delle rocce per testare un modello teorico di conducibilità termica delle rocce comunemente utilizzato per la ricerca, l’esplorazione e lo sviluppo di giacimenti di petrolio, gas e geotermici e nello smaltimento dei rifiuti radioattivi. Lo studio, che descrive un modo per migliorare significativamente il modello, è stato pubblicato sulla rivista Geotermia.

Le rocce sono difficili da studiare e modellare a causa delle loro diverse composizioni e tessuti (caratteristiche strutturali), che riflettono le loro condizioni di formazione nel corso di milioni di anni. Le loro proprietà sono molto più difficili da studiare rispetto a quelle dei materiali industriali, poiché le rocce sono eterogenee e strutturate in modo univoco per natura. La situazione è ulteriormente complicata dalla carenza di campioni di roccia per esperimenti di laboratorio, quindi non sorprende che gli scienziati debbano accontentarsi di modelli teorici utilizzando approssimazioni che semplificano ampiamente sia la struttura che le proprietà delle rocce. Ciò si traduce in una scarsa qualità dei dati di input e in una bassa affidabilità degli strumenti di modellazione utilizzati nelle industrie del petrolio e del gas e dell’energia geotermica, nello smaltimento dei rifiuti radioattivi e da altri professionisti che si basano su approfondimenti sul regime termico sotterraneo.

Gli attuali approcci alla previsione della conducibilità termica delle rocce si basano su modelli teorici semplificati che non rendono giustizia alla varietà di fattori che determinano questa proprietà della roccia. Di conseguenza, le valutazioni della conducibilità termica possono differire di centinaia di punti percentuali tra i vari modelli teorici. Nel loro articolo pubblicato in Geotermiai ricercatori Skoltech ei loro colleghi sostengono che il modello di conducibilità termica più popolare è piuttosto inaffidabile, soprattutto per quanto riguarda le rocce porose.

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“Abbiamo testato le prestazioni del modello teorico più popolare della conducibilità termica delle rocce e abbiamo riscontrato errori importanti nei suoi risultati, che ci hanno portato a descrivere un modo per migliorare la modellazione della conducibilità termica,” Yuri Popov, coautore dell’articolo e professore di Skoltech, afferma. “Il nostro studio riguardava la vasta esperienza teorica di Skoltech e un esperimento su larga scala, che prevedeva misurazioni non distruttive ad alta precisione delle proprietà termofisiche delle rocce. Abbiamo utilizzato la nostra esclusiva attrezzatura interna su una vasta gamma di campioni, studiando fino a 1.750 rocce provenienti da diverse regioni, una preziosa raccolta di materiale naturale che abbiamo ricevuto dai partner industriali di Skoltech grazie alla nostra stretta collaborazione.”

Gli errori nel modello precedente di conducibilità termica delle rocce porose derivavano dall’estrema semplificazione della roccia come mezzo, poiché il modello ignorava le caratteristiche strutturali della roccia e spiegava solo la conduttività termica dei suoi componenti e le loro frazioni di volume. In parte, ciò è accaduto perché l’ottenimento di dati sperimentali affidabili sulla conducibilità termica delle rocce sedimentarie per testare il modello è rimasto un problema intrattabile fino a tempi recenti. I dati precedenti sulla conducibilità termica delle rocce ottenuti con tecniche convenzionali e citati nei libri di riferimento e nelle banche dati esistenti richiedono nella maggior parte dei casi una revisione completa. La mancanza di un rigoroso controllo di qualità dei dati sperimentali sulla conducibilità termica ha portato a una falsa comprensione degli intervalli delle variazioni spaziotemporali di questa caratteristica, con conseguenti gravi problemi nell’applicazione dei moderni software di simulazione termoidrodinamica.

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“L’affidabilità dei dati di conducibilità termica è spesso trascurata nella pratica: alcuni ritengono che un errore in questi valori abbia scarso effetto sui risultati del calcolo, mentre altri sostengono di sapere tutto sulla conducibilità termica delle rocce e di poterla facilmente calcolare. Altri ancora ricorrono ai valori predefiniti nei loro simulatori. In precedenza, abbiamo dimostrato che la mancanza di proprietà termofisiche aggiornate potrebbe portare a gravi errori di diverse decine di percento, ad esempio, nelle previsioni sulla produzione di petrolio pesante, una brutta sorpresa per molti esperti. Se, invece, i miglioramenti che proponiamo vengono implementati nella modellazione della conducibilità termica nei simulatori, l’affidabilità delle previsioni di produzione aumenterà sostanzialmente,” Note di Evgeny Chekhonin, ricercatore leader di Skoltech.

“Sebbene i nostri suggerimenti per migliorare la qualità della modellazione della conducibilità termica rendano tale processo più complicato, ciò porta tuttavia in modo dimostrabile a stime significativamente più affidabili del parametro target. Quando si tratta di rocce porose e fratturate, tali previsioni sono importanti non solo per l’estrazione di idrocarburi, ma anche per l’energia geotermica. Oltre a ciò, stime affidabili della conducibilità termica sono fondamentali per lo stoccaggio sotterraneo dei rifiuti radioattivi, poiché ciò riduce al minimo il rischio di surriscaldamento della roccia, che potrebbe portare a ulteriori fratture e perdite di fluidi pericolosi verso la superficie terrestre,” Il professor Popov aggiunge.


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