Hydraulisch breken draagt ​​aanzienlijk bij aan de Amerikaanse energieproductie. Het werkt door moeilijk bereikbare olie- en aardgasbronnen af ​​te tappen waar meer traditionele boormethoden tekortschieten. Echter, het proces vereist grote hoeveelheden water en chemicaliën, die een negatieve invloed kunnen hebben op de volksgezondheid en het milieu.

Een team van onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's) gebruikt een combinatie van neutronen- en röntgenverstrooiing om het proces veiliger en efficiënter te maken. Ze willen hydraulisch breken verbeteren, of fracken, door putoppervlakken te stralen, of boringen, met akoestische energie, wat het vermogen van fracking om breuken in putten te penetreren zou verbeteren en de benodigde hoeveelheden water en chemicaliën drastisch zou verminderen.

"Er is een enorm voordeel voor het fracken van olie- en gasbronnen met minder chemicaliën en water, " zei Richard Hale, een onderzoeker bij ORNL's Nuclear Science and Engineering Directorate die onderzoekt of akoestische energie daarvoor kan worden gebruikt.

Hale zegt dat het idee is om de essentiële structuur van een put te veranderen met ultrasone trillingen om olie en gas effectiever te laten stromen. voornamelijk, akoestische energie is gebruikt om puin in en rond het oppervlak van de put op te ruimen, maar Hale en het team willen dat concept naar een hoger niveau tillen om te zien of akoestische energie de porositeit en permeabiliteit van formaties ver onder het oppervlak kan veranderen om meer geïsoleerde zakken olie en aardgas te bereiken.

"Het draait allemaal om het leveren van energie aan de formatie om koolwaterstoffen vrij te maken, ", legt ORNL-onderzoeker Joanna McFarlane uit.

"Denk aan een spons gevuld met water, ' voegde Hale eraan toe. 'Het water komt pas uit de poriën als je erin knijpt. Akoestische energie is echt, echt goed in het knijpen van deze poriën. In kleine kernmonstergrootte-experimenten geplaatst in akoestische baden, we kunnen zien dat de olie gemakkelijk en snel uit de rots stroomt."

Neutronen zijn uniek in staat om diep in materialen door te dringen, waardoor ze perfect zijn voor het soort experimenten dat het team wil uitvoeren. Met behulp van de Cold Neutron Imaging-bundellijn CG-1D bij ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR) kon het team fundamentele interacties op atomaire schaal bestuderen. Wanneer de ertsmonsters in een waterbad worden geplaatst en worden blootgesteld aan ultrasone trillingen, beelden gemaakt van neutronengegevens laten de onderzoekers in ongekend detail zien hoe de vloeistoffen reageren op en bewegen door de poriën in het gesteente.

"HFIR is als een grote zaklamp, en met die grote zaklamp - die grote gestage stroom neutronen - kunnen we de interactie tussen vloeistoffen en structuren duidelijker zien, ' zei Hale.

Hale merkt ook op dat het uitvoeren van het onderzoek bij ORNL het team toegang geeft tot vooraanstaande experts op een overvloed aan complementaire gebieden, waardoor zijn onderzoeksgroep een team van wereldklasse is van vooraanstaande wetenschappers en ingenieurs.

"Het wonderlijke is, welk idee je ook hebt, er is hier iemand in het lab die een expert is. Je moet ze alleen nog vinden, " hij zei. " Ik bedoel, deze hele zaak begon tijdens een lunchpauze-gesprek."

Hale zegt dat het onderzoeken van dit concept niet mogelijk zou zijn zonder expertise op gebieden die zo gevarieerd zijn als geologie, neutronenwetenschap, röntgenstralen, en ultrasone akoestiek.

Het analyseren van de vloeibare en structurele dynamische gegevens die uit de experimenten worden gegenereerd, kan rekenkundig veeleisend zijn. Voor een betere analyse, Jean Bilheux, van ORNL's Neutron Data Sciences, ontwikkelde software met Jupyter Notebook, een open-source programmeerplatform waarmee het team de gegevens kon visualiseren en ermee kon communiceren kort nadat het experiment was afgerond.

"De Jupyter Notebooks vergemakkelijken de data-analyse enorm, "Zei McFarlane. "Hoewel we veranderingen in de schaliemonsters in realtime op de röntgenfoto's kunnen waarnemen, het zullen de kwantitatieve resultaten zijn die ons toekomstige financiering zullen opleveren."

Naast Hale en McFarlane, het onderzoeksteam omvat Stephen Oliver, Ayyoub M. Momen, Bruce Patton, Larry Anovitz, Philip Bingham, en de beamline-staf bij het HFIR CG-1D Imaging Instrument - Hassina Bilheux, Jean Christophe Bilheux, en Parijs Cornwell.

Als het team met succes kan aantonen dat akoestische energie een haalbare methode is voor fracking, ze hopen een industriepartner te vinden die hen kan helpen het idee naar de volgende ontwikkelingsfase te brengen.

Het onderzoek werd ondersteund door DOE's Office of Science, Bureau voor basisenergiewetenschappen, Chemische Wetenschappen, Geowetenschappen, en de afdeling Biowetenschappen.