Новая вычислительная модель потенциально может повысить эффективность и прибыльность добычи природного газа за счет более точного прогнозирования ранее скрытой механики гидроразрыва. Он также точно учитывает известное количество газа, выделяющегося во время процесса.«Наша модель гораздо более реалистична, чем текущие модели и программное обеспечение, используемое в отрасли», - сказал Зденок Бажант, профессор Института Маккормика и профессор Уолтера П. Мерфи в области гражданского и экологического проектирования, машиностроения, материаловедения и инженерии в McCormick Northwestern. Инженерная школа. «Эта модель может помочь отрасли повысить эффективность, снизить затраты и стать более прибыльной».
Несмотря на рост отрасли, большая часть процесса гидроразрыва пласта остается загадочной. Поскольку фрекинг происходит глубоко под землей, исследователи не могут проследить механизм разрушения газа, высвобождаемого из сланца.
«Эта работа предлагает улучшенные возможности прогнозирования, которые позволяют лучше контролировать добычу при одновременном снижении воздействия на окружающую среду за счет использования меньшего количества жидкости для гидроразрыва пласта», - сказал Хари Вишванатан, специалист по геофизике из Лос-Аламосской национальной лаборатории. «Это должно позволить оптимизировать различные параметры, такие как скорости и циклы закачки, изменение свойств жидкости для гидроразрыва, таких как вязкость и т. д. Это может привести к увеличению процента добычи газа из глубоких сланцевых пластов, который в настоящее время составляет около 5 процентов и редко превышает 15 процентов».
Принимая во внимание закрытие ранее существовавших разломов, вызванных тектоническими событиями в далеком прошлом, и принимая во внимание силы просачивания воды, которые ранее не учитывались, исследователи из Northwestern Engineering и Лос-Аламоса разработали новую математическую и вычислительную модель, которая показывает, как разветвления образуют вертикальные трещины в процессе фрекинга, что позволяет высвобождать больше природного газа. Эта модель впервые предсказывает это разветвление, но при этом согласуется с известным количеством газа, выделяемого из сланца во время этого процесса. Новая модель потенциально может повысить эффективность отрасли.
Результаты были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences 11 января в статье под названием «Ветвление гидравлических трещин в газовом или горючем сланце с закрытыми естественными трещинами: как управлять проницаемостью».
Понимание того, как образуются трещины в сланцах, может также улучшить управление секвестрацией, когда сточные воды откачивают обратно под землю.
Для извлечения природного газа путем гидроразрыва скважины бурят скважину до сланцевого слоя - часто на несколько километров ниже поверхности - затем бур расширяют по горизонтали на многие мили. Когда вода с добавками закачивается в пласт под высоким давлением, она создает трещины в сланцах, высвобождая природный газ из его пор нанометровых размеров.
Классические исследования механики разрушения предсказывают, что трещины, идущие вертикально от горизонтального ствола, не должны иметь ответвлений. Но сами по себе эти трещины не могут объяснить количество газа, выделяющегося в процессе. На самом деле, скорость добычи газа примерно в 10 000 раз выше, чем рассчитанная по проницаемости, измеренной на извлеченных сланцевых кернах в лаборатории.
Другие исследователи ранее предполагали, что гидравлические трещины связаны с ранее существовавшими трещинами в сланце, что делает его более проницаемым.
Но Бажан и его коллеги-исследователи обнаружили, что эти тектонические трещины, возраст которых составляет около 100 миллионов лет, должно быть, были закрыты вязким потоком сланца под напряжением.
Вместо этого Бажан и его коллеги предположили, что сланцевый слой имел слабые слои микротрещин вдоль ныне закрытых трещин, и, должно быть, именно эти слои вызвали образование ответвлений от основной трещины. В отличие от предыдущих исследований, они также учитывали фильтрационные силы при диффузии воды в пористый сланец.
Когда они разработали симуляцию процесса, используя эту новую идею слабых слоев, наряду с расчетом всех сил просачивания, они обнаружили, что результаты совпадают с реальными.
«Мы впервые показываем, что трещины могут разветвляться в стороны, что было бы невозможно, если бы сланец не был пористым», - сказал Бажан.