En ny beräkningsmodell skulle potentiellt kunna öka effektiviteten och vinsten i naturgasproduktion genom att bättre förutsäga tidigare gömd sprickmekanik samtidigt som den noggrant redovisar de kända mängderna gas som frigörs under processen.

"Vår modell är mycket mer realistisk än nuvarande modeller och mjukvara som används i branschen, sade Zden?k Baant, McCormick Institute professor och Walter P. Murphy professor i civil- och miljöteknik, Maskinteknik, och materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. "Denna modell kan hjälpa industrin att öka effektiviteten, minska kostnaden, och bli mer lönsamma."

Trots branschens tillväxt, mycket av frackingprocessen förblir mystisk. Eftersom fracking sker djupt under jorden, forskare kan inte observera sprickmekanismen för hur gasen frigörs från skiffern.

"Detta arbete erbjuder förbättrad prediktiv förmåga som möjliggör bättre kontroll över produktionen samtidigt som det minskar miljöavtrycket genom att använda mindre sprickvätska, " sa Hari Viswanathan, beräkningsgeoforskare vid Los Alamos National Laboratory. "Det borde göra det möjligt att optimera olika parametrar som pumphastigheter och cykler och förändringar av sprickvätskans egenskaper som viskositet. Detta kan leda till en större andel av gasutvinningen från de djupa skifferlagren, som för närvarande ligger på cirka 5 procent och sällan överstiger 15 procent."

Genom att överväga stängningen av redan existerande sprickor orsakade av tektoniska händelser i det avlägsna förflutna och ta hänsyn till vattenläckagekrafter som inte tidigare beaktats, forskare från Northwestern Engineering och Los Alamos har utvecklat en ny matematisk och beräkningsmodell som visar hur grenar bildas av vertikala sprickor under frackingprocessen, så att mer naturgas kan släppas ut. Modellen är den första som förutsäger denna förgrening samtidigt som den överensstämmer med den kända mängden gas som frigörs från skiffern under denna process. Den nya modellen skulle potentiellt kunna öka branschens effektivitet.

Resultaten publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences den 7 januari.

Att förstå hur skifferfrakturer bildas kan också förbättra hanteringen av sekvestrering, där avloppsvatten från processen pumpas tillbaka under jorden.

Att utvinna naturgas genom fracking, ett hål borras ner till skifferlagret – ofta flera kilometer under ytan – sedan förlängs borren horisontellt i flera kilometer. När vatten med tillsatser pumpas ner i lagret under högt tryck, det skapar sprickor i skiffern, frigör naturgas från dess porer med nanometerdimensioner.

Klassisk sprickmekanisk forskning förutspår att dessa sprickor, som löper vertikalt från det horisontella hålet, ska inte ha några grenar. Men dessa sprickor kan inte ensamma förklara mängden gas som frigörs under processen. Faktiskt, gasproduktionshastigheten är cirka 10, 000 gånger högre än beräknat från permeabiliteten uppmätt på utvunna skifferkärnor i laboratoriet.

Andra forskare har tidigare antagit de hydrauliska sprickorna i samband med redan existerande sprickor i skiffern, gör den mer genomsläpplig.

Men Baant och hans forskarkollegor fann att dessa tektoniskt producerade sprickor, som är cirka 100 miljoner år gamla, måste ha stängts av det viskösa flödet av skiffer under stress.

Istället, Baant och hans kollegor antog att skifferlagret hade svaga lager av mikrosprickor längs de nu stängda sprickorna, och det måste ha varit dessa lager som fick grenar att bildas utanför huvudsprickan. Till skillnad från tidigare studier, de tog även hänsyn till läckande krafter under diffusion av vatten till porös skiffer.

När de utvecklade en simulering av processen med hjälp av denna nya idé om ett svagt lager, tillsammans med beräkningen av alla sippkrafter, de fann att resultaten stämde överens med de som hittades i verkligheten.

"Vi visar, för första gången, att sprickor kan förgrena sig i sidled, vilket inte skulle vara möjligt om skiffern inte var porös, sa Baant.

Efter att ha fastställt dessa grundläggande principer, forskare hoppas kunna modellera denna process i större skala.