Un nouveau modèle informatique pourrait potentiellement augmenter l'efficacité et les bénéfices de la production de gaz naturel en prédisant mieux les mécanismes de fracture précédemment cachés tout en tenant compte avec précision des quantités connues de gaz libérées au cours du processus.

"Notre modèle est bien plus réaliste que les modèles et logiciels actuels utilisés dans l'industrie, " dit Zden?k Baant, Professeur à l'Institut McCormick et professeur Walter P. Murphy de génie civil et environnemental, Génie mécanique, et la science et l'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern. « Ce modèle pourrait aider l'industrie à accroître son efficacité, diminuer les coûts, et devenir plus rentable."

Malgré la croissance de l'industrie, une grande partie du processus de fracturation reste mystérieuse. Parce que la fracturation se produit profondément sous terre, les chercheurs ne peuvent pas observer le mécanisme de fracture de la façon dont le gaz est libéré du schiste.

« Ce travail offre une capacité prédictive améliorée qui permet un meilleur contrôle de la production tout en réduisant l'empreinte environnementale en utilisant moins de fluide de fracturation, " dit Hari Viswanathan, géoscientifique computationnel au Laboratoire national de Los Alamos. « Il devrait permettre d'optimiser divers paramètres tels que les débits et les cycles de pompage et les changements de propriétés des fluides de fracturation comme la viscosité. Cela pourrait conduire à un plus grand pourcentage d'extraction de gaz des couches profondes de schiste, qui se situe actuellement à environ 5 pour cent et dépasse rarement 15 pour cent. »

En considérant la fermeture de fractures préexistantes causées par des événements tectoniques dans un passé lointain et en tenant compte des forces d'infiltration d'eau non prises en compte auparavant, des chercheurs de Northwestern Engineering et de Los Alamos ont développé un nouveau modèle mathématique et informatique qui montre comment les branches se forment à partir de fissures verticales pendant le processus de fracturation, permettant de libérer plus de gaz naturel. Le modèle est le premier à prédire cette ramification tout en étant cohérent avec la quantité connue de gaz libéré par le schiste au cours de ce processus. Le nouveau modèle pourrait potentiellement augmenter l'efficacité de l'industrie.

Les résultats ont été publiés dans le Actes de l'Académie nationale des sciences le 7 janvier.

Comprendre comment se forment les fractures de schiste pourrait également améliorer la gestion de la séquestration, où les eaux usées du processus sont pompées sous terre.

Pour extraire le gaz naturel par fracturation, un trou est foré jusqu'à la couche de schiste—souvent à plusieurs kilomètres sous la surface—puis le forage est étendu horizontalement sur des kilomètres. Lorsque l'eau avec des additifs est pompée dans la couche sous haute pression, il crée des fissures dans le schiste, libérant du gaz naturel de ses pores de dimensions nanométriques.

La recherche classique sur la mécanique de la rupture prédit que ces fissures, qui partent verticalement de l'alésage horizontal, ne devrait pas avoir de branches. Mais ces fissures ne peuvent à elles seules expliquer la quantité de gaz libérée au cours du processus. En réalité, le taux de production de gaz est d'environ 10, 000 fois supérieure à celle calculée à partir de la perméabilité mesurée sur des carottes de schiste extraites en laboratoire.

D'autres chercheurs ont précédemment émis l'hypothèse des fissures hydrauliques liées à des fissures préexistantes dans le schiste, le rendant plus perméable.

Mais Baant et ses collègues chercheurs ont découvert que ces fissures produites tectoniquement, qui ont environ 100 millions d'années, doit avoir été fermé par l'écoulement visqueux du schiste sous contrainte.

Au lieu, Baant et ses collègues ont émis l'hypothèse que la couche de schiste avait de faibles couches de microfissures le long des fissures maintenant fermées, et ce doit être ces couches qui ont provoqué la formation de branches hors de la fissure principale. Contrairement aux études précédentes, ils ont également pris en compte les forces d'infiltration lors de la diffusion de l'eau dans les schistes poreux.

Lorsqu'ils ont développé une simulation du processus en utilisant cette nouvelle idée de couches faibles, ainsi que le calcul de toutes les forces d'infiltration, ils ont trouvé que les résultats correspondaient à ceux trouvés dans la réalité.

"Nous montrons, pour la première fois, que les fissures peuvent se ramifier latéralement, ce qui ne serait pas possible si le schiste n'était pas poreux, " a déclaré Baant.

Après avoir établi ces principes de base, les chercheurs espèrent modéliser ce processus à plus grande échelle.