Onderzoekers van EPFL hebben een nieuw model ontwikkeld om hydraulische breukvoortplanting te berekenen. Geprezen om zijn nauwkeurigheid door experts, het model voorspelt beter de breukgeometrie en de energiekosten van hydraulisch breken - een veel gebruikte techniek op gebieden zoals CO ₂ opslag, koolwaterstofwinning, dammen en monitoring van vulkaangevaar.

Hydraulisch breken heeft een breed scala aan toepassingen, zoals het verbeteren van de productiviteit van putten die worden gebruikt voor vloeistofextractie en injectie in poreuze rotsformaties. Het is een routinematig onderdeel van de winning van koolwaterstoffen, maar ook van diepe geothermische energieactiviteiten, ondergrondse CO ₂ opslag en door zwaartekracht ondersteunde mijnbouw. Ingenieurs gebruiken de techniek om gebouwen opnieuw te egaliseren via compensatievoegen, voorkomen dat scheuren zich rond dammen verspreiden, en zelfs de veiligheid in diepe ondergrondse tunnels te verbeteren. Deze breuken komen ook in de natuur voor, zoals wanneer magma stijgt in de aardkorst in de buurt van vulkanen of bij gletsjerbeddingen als gevolg van het plotseling vrijkomen van smeltwatermeer aan de oppervlakte.

Het industriële proces omvat de injectie van vloeistof onder hoge druk om scheuren in ondergrondse rotsformaties te creëren. "Er is veel onzekerheid over het effect van turbulente stroming wanneer een vloeistof met een lage viscositeit wordt gebruikt als breekvloeistof, " zegt Brice Lecampion, die aan het hoofd staat van EPFL's Geo-energy Laboratory (GEL). "We wilden een nauwkeurig open-sourcemodel ontwikkelen dat voor eens en voor altijd een einde maakt aan deze onzekerheid." Lecampion's papier, waarvan hij samen met onderzoeker Haseeb Zia schreef, werd gepubliceerd in Journal of Fluid Mechanics in oktober 2019. In januari 2020, dit toonaangevende tijdschrift op het gebied van vloeistofmechanica heeft het gekozen voor een Focus on Fluids met een uitgebreid commentaar op het artikel van een deskundige, in een bewijs van de relevantie van het model ontwikkeld bij EPFL.

Veiligheid en energiekosten

Om diep onder de grond vloeistof te injecteren of te produceren, ingenieurs boren een put met een diameter van ongeveer tien centimeter die zich vaak twee tot drie kilometer onder het oppervlak uitstrekt. Volgende, ze injecteren een mengsel van water en zand in de put in de loop van 30 tot 45 minuten. Hierdoor ontstaat een breuk in de rots die wel 500 meter lang en 100 meter hoog kan worden. Het zand werkt als een proppant - een vast materiaal dat wordt gebruikt om de breuk open te houden, zodat vloeistoffen tussen de put en de rots kunnen stromen. De helft van het geïnjecteerde water wordt meestal teruggewonnen, gefilterd en opnieuw geïnjecteerd in volgende pompfasen, terwijl de andere helft ondergronds blijft.

Ingenieurs moeten kunnen berekenen hoe deze breuken zich voortplanten, zodat ze precies kunnen bepalen hoeveel vloeistof ze moeten injecteren. en schat de geometrie - of lengte - van de resulterende breuken. Een betere schatting van de vermeerdering is ook van vitaal belang om de veiligheid van het proces te waarborgen, en helpt ingenieurs de energiekosten in te schatten.

Voorspellingen verbeteren

Voor stimulering van schaliegasbronnen, de geïnjecteerde vloeistof is 99% water. De resterende 1% is een wrijvingsverminderend additief, een speciaal polymeer dat turbulente stroming drastisch vermindert door de vorming van wervelingen te stoppen. Het additief, die veel wordt gebruikt in de industrie, vermindert aanzienlijk de hoeveelheid energie die nodig is voor hogedrukpompen. Tot nu, echter, het effect op de voortplanting van breuken was niet gekwantificeerd.

"We ontdekten dat het additief de voortplanting van breuken onder turbulente stromingsomstandigheden aanzienlijk verandert, " legt Lecampion uit. "Toch houdt het effect slechts de eerste vijf tot zes minuten van injectie aan en heeft het weinig invloed op de uiteindelijke breukgeometrie." daarom, hoeveel water kan in en uit de rots worden gepompt, en tegen welk tarief. "Zeer weinig modellen van dit type zijn open-source, " voegt Lecampion toe. "De industrie wordt gedomineerd door particuliere bedrijven die de neiging hebben hun berekeningen en beoordelingen voor zichzelf te houden."