Los investigadores de EPFL han desarrollado un nuevo modelo para calcular la propagación de la fractura hidráulica. Aclamado por su precisión por los expertos, el modelo predice mejor la geometría de la fractura y el costo energético de la fracturación hidráulica, una técnica ampliamente utilizada en áreas como el CO ₂ almacenamiento, extracción de hidrocarburos, presas y monitoreo de peligros volcánicos.

La fracturación hidráulica tiene una amplia gama de aplicaciones, como mejorar la productividad de los pozos utilizados para la extracción e inyección de fluidos en formaciones rocosas porosas. Es una parte rutinaria de la extracción de hidrocarburos, pero también de las operaciones de energía geotérmica profunda, CO subterráneo ₂ almacenamiento y minería asistida por gravedad. Los ingenieros utilizan la técnica para volver a nivelar los edificios mediante lechada de compensación, evitar que las grietas se extiendan alrededor de las presas, e incluso mejorar la seguridad en túneles subterráneos profundos. Estas fracturas también ocurren en la naturaleza, como cuando el magma se eleva en la corteza terrestre cerca de los volcanes o en los lechos de los glaciares debido a la liberación repentina de un lago de agua de deshielo de la superficie.

El proceso industrial implica la inyección de fluido a alta presión para crear grietas en formaciones rocosas subterráneas. "Existe una gran incertidumbre en torno al efecto del flujo turbulento cuando se utiliza un líquido de baja viscosidad como fluido de fracturación, "dice Brice Lecampion, quien dirige el Laboratorio de Geoenergía de la EPFL (GEL). "Queríamos desarrollar un modelo de código abierto preciso que acabe con esta incertidumbre de una vez por todas". El papel de Lecampion, del que fue coautor con el investigador Haseeb Zia, fue publicado en Revista de mecánica de fluidos en octubre de 2019. En enero de 2020, esta revista líder en el campo de la mecánica de fluidos lo ha elegido para un Focus on Fluids publicando un comentario extenso del artículo de un experto, en testimonio de la relevancia del modelo desarrollado en EPFL.

Costo de seguridad y energía

Para inyectar o producir fluido a gran profundidad bajo tierra, Los ingenieros perforan un pozo de unos diez centímetros de diámetro y que a menudo se extiende de dos a tres kilómetros por debajo de la superficie. Próximo, inyectan una mezcla de agua y arena en el pozo en el transcurso de 30 a 45 minutos. Esto crea una fractura en la roca que puede alcanzar hasta 500 metros de largo y 100 metros de alto. La arena actúa como apuntalante, un material sólido que se utiliza para mantener la fractura abierta para que los fluidos puedan fluir entre el pozo y la roca. La mitad del agua inyectada se recupera típicamente, filtrado y reinyectado en las siguientes fases de bombeo, mientras que la otra mitad permanece bajo tierra.

Los ingenieros deben poder calcular cómo se propagan estas fracturas para poder determinar con precisión cuánto líquido inyectar. y estimar la geometría (o longitud) de las fracturas resultantes. La estimación mejorada de la propagación también es vital para garantizar la seguridad del proceso. y ayuda a los ingenieros a estimar su costo energético.

Mejorando las predicciones

Para la estimulación de pozos de gas de esquisto, el líquido inyectado es 99% de agua. El 1% restante es un aditivo reductor de fricción, un polímero especial que reduce drásticamente el flujo turbulento al detener la formación de remolinos. El aditivo que es ampliamente utilizado en la industria, Reduce sustancialmente la cantidad de energía necesaria para el bombeo a alta presión. Hasta ahora, sin embargo, su efecto sobre la propagación de la fractura no se había cuantificado.

"Descubrimos que el aditivo altera significativamente la propagación de la fractura en condiciones de flujo turbulento, "explica Lecampion." Sin embargo, el efecto solo dura los primeros cinco a seis minutos de la inyección y tiene poca relación con la geometría de la fractura final ". El modelo desarrollado en EPFL permite a los ingenieros predecir con mayor precisión el tamaño de las fracturas inducidas y, por lo tanto, cuánta agua se puede bombear dentro y fuera de la roca, ya qué ritmo. "Muy pocos modelos de este tipo son de código abierto, "agrega Lecampion." La industria está dominada por firmas privadas que tienden a guardar sus cálculos y evaluaciones para sí mismas ".