Een nieuw rekenmodel zou de efficiëntie en winst bij de productie van aardgas kunnen verhogen door eerder verborgen breukmechanica beter te voorspellen en tegelijkertijd nauwkeurig rekening te houden met de bekende hoeveelheden gas die tijdens het proces vrijkomen.

"Ons model is veel realistischer dan de huidige modellen en software die in de industrie worden gebruikt, " zei Zden?k Baant, McCormick Institute Professor en Walter P. Murphy Professor of Civil and Environmental Engineering, Machinebouw, en Materials Science and Engineering aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. "Dit model kan de industrie helpen de efficiëntie te verhogen, kosten verlagen, en winstgevender worden."

Ondanks de groei van de sector, een groot deel van het frackingproces blijft mysterieus. Omdat fracken diep onder de grond plaatsvindt, onderzoekers kunnen het breukmechanisme van hoe het gas uit de schalie vrijkomt niet observeren.

"Dit werk biedt verbeterde voorspellende mogelijkheden die een betere controle van de productie mogelijk maken en tegelijkertijd de ecologische voetafdruk verkleinen door minder breekvloeistof te gebruiken, " zei Hari Viswanathan, computationeel geowetenschapper bij Los Alamos National Laboratory. "Het moet het mogelijk maken om verschillende parameters te optimaliseren, zoals pompsnelheden en -cycli en veranderingen van de eigenschappen van de breekvloeistof, zoals viscositeit. Dit zou kunnen leiden tot een groter percentage gaswinning uit de diepe schalielagen, die momenteel op ongeveer 5 procent staat en zelden hoger is dan 15 procent."

Door rekening te houden met de sluiting van reeds bestaande breuken die zijn veroorzaakt door tektonische gebeurtenissen in het verre verleden en door rekening te houden met waterkwelkrachten die niet eerder zijn overwogen, onderzoekers van Northwestern Engineering en Los Alamos hebben een nieuw wiskundig en computationeel model ontwikkeld dat laat zien hoe takken zich vormen van verticale scheuren tijdens het frackingproces, waardoor er meer aardgas vrijkomt. Het model is de eerste die deze vertakking voorspelt, terwijl het consistent is met de bekende hoeveelheid gas die vrijkomt uit de schalie tijdens dit proces. Het nieuwe model zou de efficiëntie van de industrie kunnen verhogen.

De resultaten zijn gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences op 7 januari

Begrijpen hoe de schaliefracturen ontstaan, zou ook het beheer van sekwestratie kunnen verbeteren, waar afvalwater van het proces weer ondergronds wordt gepompt.

Aardgas winnen door middel van fracken, er wordt een gat geboord tot in de schalielaag - vaak enkele kilometers onder het oppervlak - en vervolgens wordt de boor kilometers horizontaal uitgestrekt. Wanneer water met toevoegingen onder hoge druk in de laag wordt gepompt, het veroorzaakt scheuren in de schalie, het vrijgeven van aardgas uit zijn poriën van nanometer-afmetingen.

Klassiek onderzoek naar breukmechanica voorspelt dat die scheuren, die vanuit de horizontale boring verticaal lopen, mag geen takken hebben. Maar deze scheuren alleen kunnen niet verantwoordelijk zijn voor de hoeveelheid gas die vrijkomt tijdens het proces. In feite, de gasproductiesnelheid is ongeveer 10, 000 keer hoger dan berekend op basis van de doorlaatbaarheid gemeten op gewonnen schaliekernen in het laboratorium.

Andere onderzoekers veronderstelden eerder de hydraulische scheuren die verband houden met reeds bestaande scheuren in de schalie, waardoor het beter doorlaatbaar wordt.

Maar Baant en zijn collega-onderzoekers ontdekten dat deze tektonisch scheuren veroorzaakten, die ongeveer 100 miljoen jaar oud zijn, moet zijn gesloten door de stroperige stroom van schalie onder stress.

In plaats daarvan, Baant en zijn collega's veronderstelden dat de schalielaag zwakke lagen microscheuren had langs de nu gesloten scheuren, en het moeten deze lagen zijn geweest die ervoor zorgden dat er takken van de hoofdscheur werden gevormd. In tegenstelling tot eerdere onderzoeken, ze hielden ook rekening met de kwelkrachten tijdens diffusie van water in poreuze schalie.

Toen ze een simulatie van het proces ontwikkelden met behulp van dit nieuwe idee van een zwakke laag, samen met de berekening van alle kwelkrachten, ze vonden dat de resultaten overeenkwamen met die in de werkelijkheid.

"We laten zien, Voor de eerste keer, dat scheuren zijdelings kunnen vertakken, wat niet mogelijk zou zijn als de schalie niet poreus was, ' zei Bant.

Na het vaststellen van deze basisprincipes, onderzoekers hopen dit proces op grotere schaal te kunnen modelleren.