La fracturation hydraulique contribue de manière significative à la production d'énergie aux États-Unis. Il fonctionne en puisant dans des poches de pétrole et de gaz naturel difficiles à atteindre là où les méthodes de forage plus traditionnelles ne suffisent pas. Cependant, le processus nécessite de grandes quantités d'eau et de produits chimiques, qui peuvent avoir un impact négatif sur la santé publique et l'environnement.

Une équipe de chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) utilise une combinaison de diffusion de neutrons et de rayons X pour rendre le processus plus sûr et plus efficace. Ils veulent améliorer la fracturation hydraulique, ou la fracturation hydraulique, en dynamitant les surfaces des puits, ou des alésages, avec de l'énergie acoustique, ce qui améliorerait la capacité de la fracturation à pénétrer les fractures dans les puits et réduirait considérablement les quantités d'eau et de produits chimiques nécessaires.

« La fracturation des puits de pétrole et de gaz avec moins de produits chimiques et d'eau présente d'énormes avantages, " a déclaré Richard Hale, un chercheur de la Direction des sciences et de l'ingénierie nucléaires de l'ORNL qui étudie si l'énergie acoustique peut être utilisée à cette fin.

Hale dit que l'idée est de modifier la structure essentielle d'un puits avec des vibrations ultrasonores pour permettre au pétrole et au gaz de s'écouler plus efficacement. Principalement, l'énergie acoustique a été utilisée pour éliminer les débris à l'intérieur et autour de la surface du puits, mais Hale et l'équipe veulent faire passer ce concept au niveau supérieur pour voir si l'énergie acoustique peut modifier la porosité et la perméabilité des formations bien sous la surface pour atteindre des poches plus isolées de pétrole et de gaz naturel.

"Il s'agit de fournir de l'énergie à la formation pour libérer des hydrocarbures, " a expliqué Joanna McFarlane, chercheuse de l'ORNL.

"Pensez à une éponge remplie d'eau, " Hale a ajouté. " L'eau ne sort pas des pores jusqu'à ce que vous la pressiez. L'énergie acoustique est vraiment, vraiment bon pour resserrer ces pores. Dans des expériences de petite taille de carottes placées dans des bains acoustiques, nous pouvons voir que le pétrole s'écoule facilement et rapidement de la roche."

Les neutrons sont particulièrement capables de pénétrer profondément dans les matériaux, ce qui les rend parfaits pour le type d'expériences que l'équipe souhaite effectuer. L'utilisation de la ligne de lumière d'imagerie à neutrons froids CG-1D du réacteur isotopique à haut flux (HFIR) de l'ORNL a permis à l'équipe d'étudier les interactions fondamentales à l'échelle atomique. Lorsque les échantillons de minerai sont placés dans un bain d'eau et exposés à des vibrations ultrasonores, des images réalisées à partir de données neutroniques montrent aux chercheurs avec des détails sans précédent comment les fluides réagissent et se déplacent à travers les pores de la roche.

« HFIR est comme une grande lampe de poche, et avec cette grosse lampe de poche - ce gros flux constant de neutrons - nous pouvons voir plus clairement l'interaction entre les fluides et les structures, " a déclaré Hale.

Hale note également que la conduite de la recherche à l'ORNL donne à l'équipe l'accès à des experts de premier plan dans une pléthore de domaines complémentaires, faisant de son groupe de recherche une équipe de classe mondiale composée de scientifiques et d'ingénieurs distingués.

"La chose merveilleuse est quelle que soit l'idée que vous avez, il y a quelqu'un ici au labo qui est un expert. Vous n'avez plus qu'à les trouver, " il a dit. " Je veux dire, tout a commencé lors d'une conversation pendant la pause déjeuner."

Hale dit qu'étudier ce concept ne serait pas possible sans une expertise dans des domaines aussi variés que la géologie, sciences neutroniques, radiographies, et l'acoustique ultrasonore.

L'analyse des données dynamiques fluides et structurelles générées à partir des expériences peut être exigeante en termes de calcul. Pour une meilleure analyse, Jean Bilheux, des sciences des données neutroniques de l'ORNL, logiciel développé à l'aide de Jupyter Notebook, une plate-forme de programmation open source qui a permis à l'équipe de visualiser et d'interagir avec les données peu de temps après la fin de l'expérimentation.

"Les Jupyter Notebooks facilitent grandement l'analyse des données, " a déclaré McFarlane. " Bien que nous puissions observer des changements dans les échantillons de schiste en temps réel dans les radiographies, ce seront les résultats quantitatifs qui nous permettront d'obtenir des financements futurs. »

En plus de Hale et McFarlane, l'équipe de recherche comprend Stephen Oliver, Ayyoub M. Momen, Bruce Patton, Larry Anovitz, Philippe Bingham, et le personnel de la ligne de lumière de l'instrument d'imagerie HFIR CG-1D—Hassina Bilheux, Jean-Christophe Bilheux, et Paris Cornwell.

Si l'équipe parvient à démontrer que l'énergie acoustique est une méthode viable pour la fracturation hydraulique, ils espèrent trouver un partenaire industriel qui pourrait les aider à faire passer l'idée à la prochaine phase de développement.

La recherche a été soutenue par le Bureau des sciences du DOE, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie, Sciences chimiques, Géosciences, et Division des sciences biologiques.