O fraturamento hidráulico contribui significativamente para a produção de energia nos Estados Unidos. Ele funciona explorando bolsões de petróleo e gás natural de difícil acesso, onde os métodos de perfuração mais tradicionais são insuficientes. Contudo, o processo requer grandes quantidades de água e produtos químicos, que podem impactar negativamente a saúde pública e o meio ambiente.

Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) está usando uma combinação de espalhamento de nêutrons e raios-X para tornar o processo mais seguro e eficiente. Eles querem melhorar o fraturamento hidráulico, ou fracking, explodindo as superfícies do poço, ou furos, com energia acústica, o que aumentaria a capacidade do fracking de penetrar nas fraturas dos poços e reduzir drasticamente as quantidades de água e produtos químicos necessários.

"Há um enorme benefício em fraturar poços de petróleo e gás com menos produtos químicos e água, "disse Richard Hale, um pesquisador da Diretoria de Ciência e Engenharia Nuclear do ORNL, investigando se a energia acústica pode ser usada para esse fim.

Hale diz que a ideia é alterar a estrutura essencial de um poço com vibrações ultrassônicas para permitir que o óleo e o gás fluam com mais eficácia. Principalmente, energia acústica tem sido usada para limpar detritos dentro e ao redor da superfície do poço, mas Hale e a equipe querem levar esse conceito para o próximo nível para ver se a energia acústica pode alterar a porosidade e permeabilidade das formações muito abaixo da superfície para atingir bolsões mais isolados de petróleo e gás natural.

"É tudo uma questão de fornecer energia para a formação para liberar hidrocarbonetos, "explicou a pesquisadora do ORNL Joanna McFarlane.

"Pense em uma esponja cheia de água, "Hale acrescentou." A água não sai pelos poros até que você a espreme. A energia acústica é realmente, muito bom em apertar esses poros. Em experimentos de pequeno tamanho de amostra de núcleo colocados em banhos acústicos, podemos ver que o óleo flui fácil e rapidamente da rocha. "

Os nêutrons são os únicos capazes de penetrar profundamente nos materiais, tornando-os perfeitos para os tipos de experimentos que a equipe deseja realizar. Usando a linha de luz de Cold Neutron Imaging CG-1D no High Flux Isotope Reactor (HFIR) do ORNL permitiu que a equipe estudasse interações fundamentais em escala atômica. Quando as amostras de minério são colocadas em um banho de água e expostas a vibrações ultrassônicas, imagens feitas a partir de dados de nêutrons mostram aos pesquisadores com detalhes sem precedentes como os fluidos reagem e se movem através dos poros da rocha.

"HFIR é como uma grande lanterna, e com aquela grande lanterna - aquele grande fluxo constante de nêutrons - podemos ver a interação entre fluidos e estruturas mais claramente, "Hale disse.

Hale também observa que a realização da pesquisa no ORNL dá à equipe acesso aos principais especialistas em uma infinidade de campos complementares, tornando seu grupo de pesquisa uma equipe de classe mundial de cientistas e engenheiros ilustres.

"O maravilhoso é que não importa a ideia que você tenha, há alguém aqui no laboratório que é especialista. Você apenas tem que encontrá-los, " ele disse. " Quero dizer, tudo isso começou durante uma conversa no intervalo do almoço. "

Hale diz que investigar este conceito não seria possível sem experiência em campos tão variados como a geologia, ciência de nêutrons, raios X, e acústica ultrassônica.

Analisar os dados dinâmicos de fluido e estruturais gerados a partir dos experimentos pode ser computacionalmente exigente. Para uma análise melhorada, JeanBilheux, da Neutron Data Sciences do ORNL, desenvolveu software usando Jupyter Notebook, uma plataforma de programação de código aberto que permitiu à equipe visualizar e interagir com os dados logo após o término da experimentação.

"Os Notebooks Jupyter facilitam muito a análise de dados, "McFarlane disse." Embora possamos observar mudanças nas amostras de xisto em tempo real nas radiografias, serão os resultados quantitativos que nos trarão financiamento futuro. "

Além de Hale e McFarlane, a equipe de pesquisa inclui Stephen Oliver, Ayyoub M. Momen, Bruce Patton, Larry Anovitz, Philip Bingham, e a equipe da linha de luz no instrumento de imagem HFIR CG-1D - Hassina Bilheux, Jean-Christophe Bilheux, e Paris Cornwell.

Se a equipe puder demonstrar com sucesso que a energia acústica é um método viável para fracking, eles esperam encontrar um parceiro da indústria que possa ajudá-los a levar a ideia para a próxima fase de desenvolvimento.

A pesquisa foi apoiada pelo Office of Science do DOE, Escritório de Ciências Básicas de Energia, Ciências Químicas, Geociências, e Divisão de Biociências.