Gode ​​vibrationer:Neutroner giver indsigt i akustisk fracking

Hydraulisk frakturering bidrager væsentligt til amerikansk energiproduktion. Det virker ved at tappe svært tilgængelige lommer af olie og naturgas, hvor mere traditionelle boremetoder kommer til kort. Imidlertid, processen kræver store mængder vand og kemikalier, som kan påvirke folkesundheden og miljøet negativt.

Et team af forskere ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) bruger en kombination af neutron- og røntgenspredning for at gøre processen sikrere og mere effektiv. De ønsker at forbedre hydraulisk frakturering, eller fracking, ved at sprænge brøndoverflader, eller boringer, med akustisk energi, hvilket ville øge frackings evne til at penetrere sprækker i brønde og drastisk reducere mængden af ​​vand og kemikalier, der er nødvendige.

"Der er en enorm fordel ved fracking af olie- og gasbrønde med færre kemikalier og vand, " sagde Richard Hale, en forsker i ORNL's Nuclear Science and Engineering Directorate, der undersøger, om akustisk energi kan bruges til det formål.

Hale siger, at ideen er at ændre den væsentlige struktur af en brønd med ultralydsvibrationer for at tillade olie og gas at strømme mere effektivt. Primært, akustisk energi er blevet brugt til at fjerne affald i og omkring overfladen af ​​brønden, men Hale og holdet ønsker at tage det koncept til næste niveau for at se, om akustisk energi kan ændre porøsiteten og permeabiliteten af ​​formationer langt under overfladen for at nå mere isolerede lommer af olie og naturgas.

"Det handler om at levere energi til formationen for at frigive kulbrinter, " forklarede ORNL-forsker Joanna McFarlane.

"Tænk på en svamp fyldt med vand, " tilføjede Hale. "Vandet kommer ikke ud af porerne, før du klemmer det. Akustisk energi er virkelig, rigtig god til at klemme disse porer. I små kerneprøvestørrelseseksperimenter placeret i akustiske bade, vi kan se, at olien flyder let og hurtigt fra klippen."

Neutroner er unikt i stand til at trænge dybt ind i materialer, hvilket gør dem perfekte til den slags eksperimenter, holdet ønsker at udføre. Brug af Cold Neutron Imaging beamline CG-1D ved ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR) gjorde det muligt for holdet at studere fundamentale interaktioner på atomær skala. Når malmprøverne placeres i et vandbad og udsættes for ultralydsvibrationer, billeder lavet ud fra neutrondata viser forskerne i hidtil uset detalje, hvordan væskerne reagerer på og bevæger sig gennem porerne i klippen.

"HFIR er som en stor, stor lommelygte, og med den store lommelygte – den store konstante strøm af neutroner – kan vi se samspillet mellem væsker og strukturer tydeligere, " sagde Hale.

Hale bemærker også, at udførelsen af ​​forskningen på ORNL giver holdet adgang til førende eksperter inden for et væld af komplementære områder, gør hans forskergruppe til et verdensklassehold af fremtrædende videnskabsmænd og ingeniører.

"Det vidunderlige er, uanset hvilken idé du har, der er nogen her på laboratoriet, der er ekspert. Du skal bare finde dem, " han sagde. " Jeg mener, Det hele startede under en frokostpausesamtale."

Hale siger, at det ikke ville være muligt at undersøge dette koncept uden ekspertise inden for så forskellige områder som geologi, neutron videnskab, røntgenstråler, og ultralydsakustik.

At analysere de flydende og strukturelle dynamiske data genereret fra eksperimenterne kan være beregningskrævende. For forbedret analyse, Jean Bilheux, fra ORNL's Neutron Data Sciences, udviklet software ved hjælp af Jupyter Notebook, en open source-programmeringsplatform, der gjorde det muligt for teamet at visualisere og interagere med dataene kort efter, at eksperimentet var afsluttet.

"Jupyter Notebooks letter i høj grad dataanalyse, " sagde McFarlane. "Selvom vi kan observere ændringer i skiferprøverne i realtid på røntgenbillederne, det vil være de kvantitative resultater, der vil give os fremtidig finansiering."

Ud over Hale og McFarlane, forskerholdet omfatter Stephen Oliver, Ayyoub M. Momen, Bruce Patton, Larry Anovitz, Philip Bingham, og beamline-personalet på HFIR CG-1D Imaging Instrument—Hassina Bilheux, Jean-Christophe Bilheux, og Paris Cornwell.

Hvis teamet med succes kan demonstrere, at akustisk energi er en levedygtig metode til fracking, de håber at finde en industripartner, der kan hjælpe dem med at tage ideen ind i den næste udviklingsfase.

Forskningen blev støttet af DOE's Office of Science, Kontoret for Grundlæggende Energividenskab, Kemividenskab, Geovidenskab, og Biovidenskabsafdelingen.