Modelo computacional para un fracking más eficiente y rentable

Un nuevo modelo computacional podría potencialmente aumentar la eficiencia y las ganancias en la producción de gas natural al predecir mejor las mecánicas de fractura previamente ocultas y al mismo tiempo dar cuenta de las cantidades conocidas de gas liberadas durante el proceso

---

Al considerar el cierre de las fracturas preexistentes causadas por eventos tectónicos en el pasado distante y al considerar las fuerzas de infiltración de agua que no se consideraron anteriormente, los investigadores de Northwestern Engineering y Los Alamos desarrollaron un nuevo modelo matemático y computacional que muestra cómo las ramas se forman fuera de las grietas verticales durante el Proceso de fracking, permitiendo la liberación de más gas natural.

El modelo es el primero en predecir esta ramificación y es consistente con la cantidad conocida de gas liberado de la lutita durante este proceso. El nuevo modelo podría potencialmente aumentar la eficiencia de la producción de gas. Los resultados fueron publicados en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos.

Nuestro modelo es mucho más realista que los modelos actuales y el software utilizado en la industria. Este modelo podría ayudar a la industria a aumentar la eficiencia, disminuir los costos y ser más rentable.

—Zdeněk Bažant, profesor del Instituto McCormick y profesor Walter P. Murphy de Ingeniería Civil y Ambiental, Ingeniería Mecánica y Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern

A pesar del crecimiento de la industria, gran parte del proceso de fracking sigue siendo misterioso. Debido a que el fracking ocurre a gran profundidad, los investigadores no pueden observar el mecanismo de fractura de cómo se libera el gas de la lutita.

Este trabajo ofrece una capacidad predictiva mejorada que permite un mejor control de la producción al tiempo que reduce la huella ambiental al usar menos fluido de fracturamiento. Debería posibilitar la optimización de diversos parámetros, como las tasas de bombeo y los ciclos, y los cambios en las propiedades del fluido de fracturamiento, como la viscosidad. Esto podría llevar a un mayor porcentaje de extracción de gas de los estratos de lutita profunda, que en la actualidad es de alrededor del 5 por ciento y rara vez supera el 15 por ciento.

—Hari Viswanathan, geocientífico computacional en el Laboratorio Nacional de Los Álamos

La comprensión de cómo se forman las fracturas de esquisto también podría mejorar la gestión del secuestro, donde las aguas residuales del proceso se bombean de nuevo bajo tierra.

Para extraer gas natural a través del fracking, se perfora un agujero en la capa de lutita (a menudo, varios kilómetros debajo de la superficie), luego el taladro se extiende horizontalmente por millas. Cuando el agua con aditivos se bombea hacia la capa a alta presión, crea grietas en la lutita, liberando gas natural de sus poros de dimensiones nanométricas.

La investigación clásica en mecánica de fracturas predice que esas grietas, que se extienden verticalmente desde el orificio horizontal, no deberían tener ramas. Pero estas grietas por sí solas no pueden explicar la cantidad de gas liberado durante el proceso. De hecho, la tasa de producción de gas es aproximadamente 10,000 veces más alta que la calculada a partir de la permeabilidad medida en los núcleos de esquisto extraídos en el laboratorio.

Otros investigadores previamente plantearon la hipótesis de que las grietas hidráulicas conectadas con grietas preexistentes en el esquisto, lo hacen más permeable.

Bažant y sus colegas investigadores descubrieron que estas grietas producidas tectónicamente, que tienen aproximadamente 100 millones de años, deben haber sido cerradas por el flujo viscoso de esquisto bajo estrés.

En cambio, Bažant y sus colegas plantearon la hipótesis de que la capa de lutita tenía capas débiles de microfisuras a lo largo de las grietas ahora cerradas, y debieron ser estas capas las que causaron que las ramas se formaran fuera de la grieta principal. A diferencia de los estudios anteriores, también tuvieron en cuenta las fuerzas de filtración durante la difusión del agua en lutitas porosas.

Cuando desarrollaron una simulación del proceso utilizando esta nueva idea de capas débiles, junto con el cálculo de todas las fuerzas de infiltración, encontraron que los resultados coincidían con los encontrados en la realidad.

Mostramos, por primera vez, que las grietas pueden ramificarse lateralmente, lo que no sería posible si el esquisto no fuera poroso.

—Zdeněk Bažant

Después de establecer estos principios básicos, los investigadores esperan modelar este proceso a mayor escala.

Esta investigación fue financiada por el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, y el equipo colaborador en Los Álamos fue financiado por la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía del Departamento de Energía.