Hydraulisk sprickbildning bidrar avsevärt till amerikansk energiproduktion. Det fungerar genom att knacka på svåråtkomliga fickor med olja och naturgas där mer traditionella borrmetoder blir korta. Dock, processen kräver stora mängder vatten och kemikalier, som kan påverka folkhälsan och miljön negativt.

Ett team av forskare vid Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) använder en kombination av neutron- och röntgenspridning för att göra processen säkrare och effektivare. De vill förbättra hydraulisk sprickbildning, eller fracking, genom att spränga brunnytor, eller uttråkning, med akustisk energi, vilket skulle öka frackingens förmåga att tränga igenom sprickor i brunnar och drastiskt minska mängden vatten och kemikalier som behövs.

"Det finns en enorm fördel med fracking av olje- och gasbrunnar med mindre kemikalier och vatten, "sade Richard Hale, en forskare vid ORNL:s kärnvetenskapliga och tekniska direktorat som undersöker om akustisk energi kan användas för detta ändamål.

Hale säger att tanken är att ändra den väsentliga strukturen i en brunn med ultraljudsvibrationer så att olja och gas kan flöda mer effektivt. Först och främst, akustisk energi har använts för att rensa bort skräp i och runt brunnens yta, men Hale och teamet vill ta det konceptet till nästa nivå för att se om akustisk energi kan förändra porositet och permeabilitet hos formationer långt under ytan för att nå mer isolerade fickor av olja och naturgas.

"Det handlar om att tillföra energi till formationen för att släppa ut kolväten, "förklarade ORNL -forskaren Joanna McFarlane.

"Tänk på en svamp fylld med vatten, "Tillade Hale." Vattnet kommer inte ut ur porerna förrän du klämmer på det. Akustisk energi är verkligen, riktigt bra på att klämma ihop dessa porer. I experiment med små kärnprover i akustiska bad, vi kan se oljan rinna lätt och snabbt från berget. "

Neutroner har en unik förmåga att tränga djupt in i material, vilket gör dem perfekta för den typ av experiment teamet vill utföra. Med hjälp av Cold Neutron Imaging beamline CG-1D vid ORNL:s High Flux Isotope Reactor (HFIR) fick teamet studera grundläggande interaktioner i atomskala. När malmproverna placeras i ett bad med vatten och utsätts för ultraljudsvibrationer, bilder gjorda av neutrondata visar forskarna i oöverträffad detalj hur vätskorna reagerar på och rör sig genom porerna i berget.

"HFIR är som en stor stor ficklampa, och med den stora ficklampan - den där stora stabila neutronströmmen - kan vi se samspelet mellan vätskor och strukturer tydligare, Sa Hale.

Hale noterar också att genomförandet av forskningen vid ORNL ger teamet tillgång till ledande experter på en mängd kompletterande områden, gör hans forskargrupp till ett team i världsklass av framstående forskare och ingenjörer.

"Det underbara är oavsett vilken idé du har, Det finns någon här på labbet som är expert. Du måste bara hitta dem, " han sa. " Jag menar, det hela började under ett lunchpaussamtal. "

Hale säger att undersökning av detta koncept inte skulle vara möjligt utan expertis inom så varierade områden som geologi, neutronvetenskap, röntgen, och ultraljudsakustik.

Att analysera den flytande och strukturella dynamiska data som genereras från experimenten kan vara beräkningskrävande. För förbättrad analys, JeanBilheux, från ORNL:s Neutron Data Sciences, utvecklat programvara med Jupyter Notebook, en öppen källkodsprogrammeringsplattform som gjorde det möjligt för teamet att visualisera och interagera med data strax efter att experimentet avslutats.

"Jupyter Notebooks underlättar mycket dataanalys, "Sade McFarlane." Även om vi kan observera förändringar i skifferproven i realtid i röntgenbilderna, Det kommer att vara de kvantitativa resultaten som kommer att ge oss framtida finansiering. "

Förutom Hale och McFarlane, forskargruppen inkluderar Stephen Oliver, Ayyoub M. Momen, Bruce Patton, Larry Anovitz, Philip Bingham, och beamline-personalen vid HFIR CG-1D Imaging Instrument — Hassina Bilheux, Jean-Christophe Bilheux, och Paris Cornwell.

Om laget framgångsrikt kan visa att akustisk energi är en livskraftig metod för fracking, de hoppas kunna hitta en branschpartner som kan hjälpa dem att ta idén till nästa utvecklingsfas.

Forskningen stöddes av DOE's Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Kemiska vetenskaper, Geovetenskap, och biovetenskapsavdelningen.