Forudsige hydraulisk brududbredelse mere præcist

Forskere ved EPFL har udviklet en ny model til at beregne hydraulisk brududbredelse. Rost for sin nøjagtighed af eksperter, modellen forudsiger bedre brudgeometri og energiomkostningerne ved hydraulisk frakturering - en meget brugt teknik i områder som CO ₂ opbevaring, kulbrinteekstraktion, dæmninger og overvågning af vulkanfare.

Hydraulisk frakturering har en bred vifte af applikationer, såsom forbedring af produktiviteten af ​​brønde, der anvendes til væskeudvinding og injektion i porøse klippeformationer. Det er en rutinemæssig del af kulbrinteudvinding, men også af dybe geotermiske kraftoperationer, underjordisk CO ₂ oplagring og gravitationsassisteret minedrift. Ingeniører bruger teknikken til at nivellere bygninger via kompensationsfugning, forhindrer revner i at sprede sig omkring dæmninger, og endda forbedre sikkerheden i dybe underjordiske tunneler. Disse brud forekommer også i naturen, som når magma stiger op i jordskorpen nær vulkaner eller ved gletsjerlejer på grund af den pludselige frigivelse af overfladesmeltevandssø.

Den industrielle proces involverer injektion af væske under højt tryk for at skabe revner i underjordiske klippeformationer. "Der er stor usikkerhed omkring effekten af ​​turbulent flow, når en lavviskositetsvæske bruges som fraktureringsvæske, " siger Brice Lecampion, som leder EPFL's Geo-Energy Laboratory (GEL). "Vi ønskede at udvikle en præcis open source-model, der afslutter denne usikkerhed én gang for alle." Lecampions papir, som han har skrevet sammen med forskeren Haseeb Zia, blev udgivet i Journal of Fluid Mechanics i oktober 2019. I januar 2020 dette førende tidsskrift inden for fluidmekanik har valgt det til et fokus på væsker, der udgiver en udvidet kommentar til papiret fra en ekspert, i et vidnesbyrd om relevansen af ​​modellen udviklet på EPFL.

Sikkerhed og energiomkostninger

For at injicere eller producere væske dybt under jorden, ingeniører borer en brønd på omkring ti centimeter i diameter og strækker sig ofte to til tre kilometer under overfladen. Næste, de sprøjter en blanding af vand og sand ind i brønden i løbet af 30 til 45 minutter. Dette skaber et brud i klippen, der kan blive op til 500 meter langt og 100 meter højt. Sandet fungerer som et proppant - et fast materiale, der bruges til at holde bruddet åbent, så væsker kan strømme mellem brønden og klippen. Halvdelen af ​​det injicerede vand genvindes typisk, filtreret og geninjiceret i efterfølgende pumpefaser, mens den anden halvdel forbliver under jorden.

Ingeniører skal være i stand til at beregne, hvordan disse brud udbreder sig, så de kan bestemme præcist, hvor meget væske de skal injicere, og estimer geometrien - eller længden - af de resulterende brud. Forbedret estimering af udbredelsen er også afgørende for at sikre processens sikkerhed, og hjælper ingeniører med at vurdere dets energiomkostninger.

Forbedring af forudsigelser

Til stimulering af skifergasbrønd, den indsprøjtede væske er 99 % vand. De resterende 1% er et friktionsreducerende additiv, en speciel polymer, der drastisk reducerer turbulent flow ved at stoppe dannelsen af ​​hvirvler. Tilsætningsstoffet, som er meget udbredt i industrien, reducerer den mængde energi, der kræves til højtrykspumpning. Indtil nu, imidlertid, dets effekt på sprækkeudbredelsen var ikke blevet kvantificeret.

"Vi fandt ud af, at tilsætningsstoffet signifikant ændrer sprækkeudbredelsen under turbulente strømningsforhold, " forklarer Lecampion. "Alligevel varer effekten kun i de første fem til seks minutter af injektionen og har ringe betydning for den endelige brudgeometri." Modellen udviklet på EPFL giver ingeniører mulighed for mere præcist at forudsige størrelsen af ​​de inducerede brud og, derfor, hvor meget vand kan pumpes ind og ud af klippen, og med hvilken hastighed. "Meget få modeller af denne type er open source, " tilføjer Lecampion. "Branchen er domineret af private firmaer, som har en tendens til at holde deres beregninger og vurderinger for sig selv."