Компютърен модел решава мистерията за това как газовите мехурчета изграждат големи отлагания на метан хидрат

Компютърен модел решава мистерията за това как газовите мехурчета изграждат големи отлагания на метан хидрат
Компютърен модел решава мистерията за това как газовите мехурчета изграждат големи отлагания на метан хидрат
Anonim

Ново изследване от Тексаския университет в Остин обясни важна мистерия за образуванията на хидрат на природен газ и по този начин разбирането на напреднали учени за това как газовите хидрати могат да допринесат за изменението на климата и енергийната сигурност.

Изследването използва компютърен модел на газови мехурчета, преминаващи през хидратни отлагания, често срещано явление, което според съществуващите модели не би трябвало да е възможно въз основа на физиката. Новият модел помага да се обясни как някои находища се превръщат в масивни резервоари за хидрат на природен газ, като тези, открити под Мексиканския залив.

Доклад, описващ изследването, беше публикуван на 16 февруари 2020 г. в списание Geophysical Research Letters.

Газовите хидрати са ледено вещество, в което газовите молекули, обикновено метан, се улавят във водно-ледени клетки под високо налягане и ниска температура. Те се срещат широко в природата, съдържат значителна част от световния органичен въглерод и могат да се превърнат в бъдещ енергиен ресурс. Въпреки това остават много въпроси за това как се образуват и развиват хидратните отлагания.

Един такъв въпрос беше повдигнат от наблюдения в полето, които забелязаха метан, който тече свободно като газ през хидратни отлагания в подземните слоеве. Това, което озадачи учените е, че при условия, при които се появяват хидрати, метанът трябва да съществува само като хидрат, а не като свободен газ. За да разреши мистерията на свободно течащия газ, екип от изследователи от UT, ръководен от Дилън Майер, студент в Училището по геонауки в Джаксън, пресъздаде в лабораторията това, което видяха на терен.

Използвайки тези данни, те предположиха, че тъй като хидратът се образува в находището, той също действа като бариера между газа и водата, ограничавайки скоростта, с която се образува новият хидрат, и позволявайки на голяма част от газа да пропуска през депозита. Те разработиха тази идея в компютърен модел и откриха, че моделът съвпада с експерименталните резултати. Когато са увеличени, те съпоставиха и доказателства от теренни проучвания, което го прави първият модел на явленията, който успешно прави и двете. Най-важното е, че моделът предполага, че газът, протичащ през подземния слой, може да се натрупва в големи, концентрирани хидратни резервоари, които биха могли да бъдат подходящи цели за бъдещи енергийни източници.

"Моделът убедително възпроизвежда редица независими експериментални резултати, които силно подкрепят основните концепции зад него", каза Майер. „Вярваме, че този модел ще бъде основен инструмент за бъдещи проучвания, изследващи еволюцията на големи, силно концентрирани хидратни резервоари, които изпитват относително бърз газов поток през пореста среда.„

Изследването е първият път, когато този вид модел е изграден с помощта на данни от експерименти, предназначени да имитират процеса на газовия поток. Екипът е създал собствен хидратен депозит в лабораторията, използвайки смес от пясък, вода и газ и пресъздавайки екстремните условия в природата. Техните усилия им предоставиха реалистични и подходящи данни, от които да разработят своя модел.

Съавторът Питър Флемингс, професор в училището Джаксън, каза, че разбирането на това как газът метан преминава през хидратните слоеве в подземните слоеве е важно за разбирането на ролята на метана във въглеродния цикъл и потенциалния му принос за глобалното затопляне.

"Хартията дава елегантен и прост модел за обяснение на някои много предизвикателни експерименти", каза Флемингс.

Експериментите на изследването са проведени в специализирани лаборатории в училището Jackson, но моделът е резултат от сътрудничество между две училища в UT, Jackson School и Cockrell School of Engineering.

Meyer, Flemings и Kehua You, изследовател в Института по геофизика на Тексаския университет (UTIG), бяха разработили оригиналния компютърен код, за да обяснят експерименталните си резултати, но едва когато се обединиха с Дейвид ДиКарло, доцент в Инженерното училище UT Cockrell, който им показа как резултатите могат да бъдат представени с помощта на аналитична математика, че могат успешно да се справят с проблема по начин, който отразява това, което виждат в природата.

Докладът е кулминацията на дипломните изследвания на Майер и се основава на две публикувани по-рано статии, фокусирани върху резултатите от неговите лабораторни експерименти. Майер завършва през 2018 г. с докторска степен от Jackson School и сега е постдокторант в Academia Sinica в Тайпе.

Изследването е финансирано от Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) и е част от по-широко партньорство между DOE и Тексаския университет в Остин за изследване на находищата на метан хидрат в Мексиканския залив.

Много от лабораторните експерименти, включени в настоящото изследване, бяха извършени от Майер в UT Pressure Core Center, лаборатория в училището Джаксън, оборудвана да съхранява и изучава ядра под налягане, взети от естествени отлагания на метан хидрат през 2017 г. остава единственото подобно съоръжение, базирано на университет.

Популярна тема