La fracturación hidráulica contribuye significativamente a la producción de energía de EE. UU. Funciona aprovechando bolsas de petróleo y gas natural de difícil acceso donde los métodos de perforación más tradicionales se quedan cortos. Sin embargo, el proceso requiere grandes cantidades de agua y productos químicos, que pueden tener un impacto negativo en la salud pública y el medio ambiente.

Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) está utilizando una combinación de dispersión de neutrones y rayos X para hacer que el proceso sea más seguro y eficiente. Quieren mejorar la fracturación hidráulica, o fracking, mediante voladura de superficies de pozos, o aburridos, con energía acústica, lo que mejoraría la capacidad del fracking para penetrar fracturas en pozos y reducir drásticamente las cantidades de agua y productos químicos necesarios.

"Hay un gran beneficio para el fracking de pozos de petróleo y gas con menos productos químicos y agua, "dijo Richard Hale, un investigador de la Dirección de Ingeniería y Ciencia Nuclear de ORNL que investiga si la energía acústica se puede utilizar para ese propósito.

Hale dice que la idea es alterar la estructura esencial de un pozo con vibraciones ultrasónicas para permitir que el petróleo y el gas fluyan de manera más efectiva. Ante todo, Se ha utilizado energía acústica para eliminar los escombros dentro y alrededor de la superficie del pozo. pero Hale y el equipo quieren llevar ese concepto al siguiente nivel para ver si la energía acústica puede alterar la porosidad y la permeabilidad de las formaciones muy por debajo de la superficie para llegar a bolsas más aisladas de petróleo y gas natural.

"Se trata de suministrar energía a la formación para liberar hidrocarburos, "explicó la investigadora de ORNL Joanna McFarlane.

"Piense en una esponja llena de agua, "Hale agregó." El agua no sale por los poros hasta que la aprietas. La energía acústica es realmente realmente bueno apretando estos poros. En experimentos con muestras de núcleos pequeños colocados en baños acústicos, podemos ver que el petróleo fluye fácil y rápidamente desde la roca ".

Los neutrones son los únicos capaces de penetrar profundamente en los materiales, haciéndolos perfectos para el tipo de experimentos que el equipo quiere realizar. El uso de la línea de haz de imágenes de neutrones fríos CG-1D en el reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) de ORNL permitió al equipo estudiar interacciones fundamentales a escala atómica. Cuando las muestras de mineral se colocan en un baño de agua y se exponen a vibraciones ultrasónicas, Las imágenes obtenidas a partir de datos de neutrones muestran a los investigadores con un detalle sin precedentes cómo los fluidos reaccionan y se mueven a través de los poros de la roca.

"HFIR es como una gran linterna, y con esa gran linterna, ese gran flujo constante de neutrones, podemos ver la interacción entre los fluidos y las estructuras con mayor claridad, "Dijo Hale.

Hale también señala que la realización de la investigación en ORNL le da al equipo acceso a los principales expertos en una plétora de campos complementarios, haciendo de su grupo de investigación un equipo de clase mundial de científicos e ingenieros distinguidos.

"Lo maravilloso es que no importa la idea que tengas, hay alguien aquí en el laboratorio que es un experto. Sólo tienes que encontrarlos, " él dijo. " Quiero decir, todo esto comenzó durante una conversación a la hora del almuerzo ".

Hale dice que investigar este concepto no sería posible sin experiencia en campos tan variados como la geología, ciencia de neutrones, rayos X, y acústica ultrasónica.

Analizar los datos dinámicos de fluidos y estructurales generados a partir de los experimentos puede ser computacionalmente exigente. Para un análisis mejorado, JeanBilheux, de Neutron Data Sciences de ORNL, software desarrollado utilizando Jupyter Notebook, una plataforma de programación de código abierto que permitió al equipo visualizar e interactuar con los datos poco después de que concluyera la experimentación.

"Los cuadernos de Jupyter facilitan enormemente el análisis de datos, ", Dijo McFarlane." Aunque podemos observar cambios en las muestras de lutita en tiempo real en las radiografías, serán los resultados cuantitativos los que nos permitirán obtener financiación en el futuro ".

Además de Hale y McFarlane, el equipo de investigación incluye a Stephen Oliver, Ayyoub M. Momen, Bruce Patton, Larry Anovitz, Philip Bingham, y el personal de la línea de luz en el Instrumento de Imagen HFIR CG-1D — Hassina Bilheux, Jean-Christophe Bilheux, y Paris Cornwell.

Si el equipo puede demostrar con éxito que la energía acústica es un método viable para el fracking, esperan encontrar un socio de la industria que pueda ayudarlos a llevar la idea a la siguiente fase de desarrollo.

La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del DOE, Oficina de Ciencias Básicas de la Energía, Ciencias Químicas, Geociencias, y División de Biociencias.