Un nuovo modello computazionale potrebbe potenzialmente aumentare l'efficienza e i profitti nella produzione di gas naturale prevedendo meglio i meccanismi di frattura precedentemente nascosti, tenendo conto con precisione delle quantità note di gas rilasciate durante il processo.

"Il nostro modello è molto più realistico degli attuali modelli e software utilizzati nel settore, " ha detto Zden?k Baant, Professore del McCormick Institute e Walter P. Murphy Professore di Ingegneria Civile e Ambientale, Industria meccanica, e Scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern. "Questo modello potrebbe aiutare l'industria ad aumentare l'efficienza, diminuire il costo, e diventare più redditizio."

Nonostante la crescita del settore, gran parte del processo di fracking rimane misterioso. Perché il fracking avviene in profondità nel sottosuolo, i ricercatori non possono osservare il meccanismo di frattura di come il gas viene rilasciato dallo scisto.

"Questo lavoro offre una migliore capacità predittiva che consente un migliore controllo della produzione riducendo l'impatto ambientale utilizzando meno fluidi di fratturazione, " disse Hari Viswanathan, geoscienziato computazionale presso il Los Alamos National Laboratory. "Dovrebbe consentire di ottimizzare vari parametri come velocità e cicli di pompaggio e cambiamenti delle proprietà del fluido di fratturazione come la viscosità. Ciò potrebbe portare a una maggiore percentuale di estrazione di gas dagli strati profondi di scisto, che attualmente si attesta a circa il 5% e raramente supera il 15%".

Considerando la chiusura di fratture preesistenti causate da eventi tettonici in un lontano passato e tenendo conto delle forze di infiltrazione d'acqua non precedentemente considerate, i ricercatori della Northwestern Engineering e di Los Alamos hanno sviluppato un nuovo modello matematico e computazionale che mostra come i rami si formino da crepe verticali durante il processo di fratturazione, consentendo il rilascio di più gas naturale. Il modello è il primo a prevedere questa ramificazione pur essendo coerente con la quantità nota di gas rilasciata dallo scisto durante questo processo. Il nuovo modello potrebbe potenzialmente aumentare l'efficienza del settore.

I risultati sono stati pubblicati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze il 7 gennaio

Capire come si formano le fratture da scisto potrebbe anche migliorare la gestione del sequestro, dove le acque reflue del processo vengono pompate di nuovo nel sottosuolo.

Per estrarre il gas naturale attraverso il fracking, viene praticato un foro fino allo strato di scisto, spesso diversi chilometri sotto la superficie, quindi il trapano viene esteso orizzontalmente per miglia. Quando l'acqua con additivi viene pompata nello strato ad alta pressione, crea crepe nello scisto, liberando gas naturale dai suoi pori di dimensioni nanometriche.

La ricerca classica sulla meccanica della frattura prevede che quelle crepe, che corrono verticalmente dal foro orizzontale, non dovrebbe avere rami. Ma queste crepe da sole non possono spiegare la quantità di gas rilasciata durante il processo. Infatti, il tasso di produzione del gas è di circa 10, 000 volte superiore a quello calcolato dalla permeabilità misurata sui nuclei di scisto estratti in laboratorio.

Altri ricercatori in precedenza avevano ipotizzato le crepe idrauliche collegate a crepe preesistenti nello scisto, rendendolo più permeabile.

Ma Baant e i suoi colleghi ricercatori hanno scoperto che queste crepe tettonicamente prodotte, che hanno circa 100 milioni di anni, deve essere stato chiuso dal flusso viscoso di scisto sotto stress.

Anziché, Baant e i suoi colleghi hanno ipotizzato che lo strato di scisto avesse strati deboli di microfessure lungo le fessure ora chiuse, e devono essere stati questi strati a causare la formazione di rami dalla fessura principale. A differenza degli studi precedenti, hanno anche preso in considerazione le forze di infiltrazione durante la diffusione dell'acqua nello scisto poroso.

Quando hanno sviluppato una simulazione del processo utilizzando questa nuova idea di strati deboli, insieme al calcolo di tutte le forze di infiltrazione, hanno trovato che i risultati corrispondevano a quelli trovati nella realtà.

"Noi mostriamo, per la prima volta, che le crepe possono diramarsi lateralmente, che non sarebbe possibile se lo scisto non fosse poroso, " ha detto Baant.

Dopo aver stabilito questi principi di base, i ricercatori sperano di modellare questo processo su scala più ampia.