I ricercatori dell'EPFL hanno sviluppato un nuovo modello per calcolare la propagazione della frattura idraulica. Acclamato per la sua accuratezza dagli esperti, il modello prevede meglio la geometria della frattura e il costo energetico della fratturazione idraulica, una tecnica ampiamente utilizzata in aree come la CO ₂ Conservazione, estrazione di idrocarburi, dighe e monitoraggio del rischio vulcanico.

La fratturazione idraulica ha una vasta gamma di applicazioni, come il miglioramento della produttività dei pozzi utilizzati per l'estrazione e l'iniezione di fluidi in formazioni rocciose porose. È una parte ordinaria dell'estrazione di idrocarburi ma anche delle operazioni di geotermia profonda, CO . sotterranea ₂ stoccaggio e estrazione a gravità. Gli ingegneri usano la tecnica per livellare gli edifici tramite stuccatura di compensazione, evitare che le crepe si diffondano intorno alle dighe, e persino migliorare la sicurezza nei tunnel sotterranei profondi. Queste fratture si verificano anche in natura, come quando il magma sale nella crosta terrestre vicino ai vulcani o ai letti dei ghiacciai a causa dell'improvviso rilascio del lago di acqua di fusione superficiale.

Il processo industriale prevede l'iniezione di fluido ad alta pressione per creare crepe nelle formazioni rocciose sotterranee. "C'è una grande incertezza che circonda l'effetto del flusso turbolento quando un liquido a bassa viscosità viene utilizzato come fluido di frattura, "dice Brice Lecampion, che dirige il Laboratorio di geoenergia dell'EPFL (GEL). "Volevamo sviluppare un modello open source accurato che ponesse fine a questa incertezza una volta per tutte". carta di Lecampion, di cui è stato coautore con il ricercatore Haseeb Zia, è stato pubblicato in Journal of Fluid Mechanics a ottobre 2019. A gennaio 2020, questa prestigiosa rivista nel campo della meccanica dei fluidi l'ha scelta per un Focus on Fluids pubblicando un esteso commento dell'articolo di un esperto, a testimonianza della pertinenza del modello sviluppato all'EPFL.

Sicurezza e costo energetico

Per iniettare o produrre fluido in profondità nel sottosuolo, gli ingegneri perforano un pozzo di circa dieci centimetri di diametro e spesso si estendono da due a tre chilometri sotto la superficie. Prossimo, iniettano una miscela di acqua e sabbia nel pozzo nel corso di 30-45 minuti. Questo crea una frattura nella roccia che può raggiungere fino a 500 metri di lunghezza e 100 metri di altezza. La sabbia funge da supporto, un materiale solido utilizzato per mantenere aperta la frattura in modo che i fluidi possano fluire tra il pozzo e la roccia. La metà dell'acqua iniettata viene in genere recuperata, filtrato e reiniettato nelle successive fasi di pompaggio, mentre l'altra metà rimane sottoterra.

Gli ingegneri devono essere in grado di calcolare come si propagano queste fratture in modo da poter determinare con precisione la quantità di liquido da iniettare, e stimare la geometria, o la lunghezza, delle fratture risultanti. Anche una migliore stima della propagazione è vitale per garantire la sicurezza del processo, e aiuta gli ingegneri a stimare il suo costo energetico.

Migliorare le previsioni

Per la stimolazione del pozzo con gas di scisto, il fluido iniettato è al 99% di acqua. Il restante 1% è un additivo riduttore di attrito, uno speciale polimero che riduce drasticamente il flusso turbolento bloccando la formazione di vortici. L'additivo, che è ampiamente utilizzato nell'industria, riduce sostanzialmente la quantità di energia richiesta per il pompaggio ad alta pressione. Fino ad ora, però, il suo effetto sulla propagazione della frattura non era stato quantificato.

"Abbiamo scoperto che l'additivo altera significativamente la propagazione della frattura in condizioni di flusso turbolento, " spiega Lecampion. "Tuttavia l'effetto dura solo per i primi cinque-sei minuti di iniezione e ha poca influenza sulla geometria finale della frattura." Il modello sviluppato all'EPFL consente agli ingegneri di prevedere con maggiore precisione la dimensione delle fratture indotte e, perciò, quanta acqua può essere pompata dentro e fuori dalla roccia, e a che velocità. "Pochissimi modelli di questo tipo sono open-source, " aggiunge Lecampion. "Il settore è dominato da aziende private che tendono a tenere per sé i propri calcoli e valutazioni".