Fracking – la pressione è alta
Contrariamente alla credenza largamente diffusa, la fratturazione idraulica non è un processo di foratura. Eseguita dopo che la perforazione del pozzo è completata, questa tecnica comporta l’iniezione di grandi quantità di fluidi ad alta pressione. Creando fratture nelle rocce serbatoio, si creano percorsi aggiuntivi che consentono all’estrazione di idrocarburi di aumentare. Anche se questa tecnologia può essere retrodatata al 1930, è stato negli ultimi venti anni che l’hydrofracturing è diventata una pratica comune. Il fracking è molto controverso: chi lo avversa sostiene che mette l’ambiente a rischio, mentre i suoi sostenitori ne sottolineano i benefici economici. Non sorprende che questa tecnica abbia stimolato molte ricerche, in cui la modellazione matematica del processo fisico sottostante gioca un ruolo importante. I risultati hanno dimostrato che vi è necessità di simulazioni più accurate dell’accoppiamento tra la propagazione della frattura e il flusso del fluido. Inoltre, l’impatto fondamentale della ricerca va ben al di là del processo di fracking. Il fenomeno è stato utilizzato anche in altri processi tecnologici (come il sequestro della C02) e osservato in natura (intrusioni magmatiche nella crosta terrestre, drenaggio subglaciale di acqua). Lo studio HYDROFRAC (Enhancing hydraulic fracturing on the basis of numerical simulation of coupled geomechanical, hydrodynamic and microseismic processes) ha risposto a questa esigenza. Nel corso di questo progetto quadriennale, i ricercatori hanno sviluppato modelli matematici di processi geomeccanici, idrodinamici e microsismici per contribuire a migliorare la progettazione delle operazioni di fratturazione idraulica. Nuovi risultati fondamentali sono stati ottenuti nel corso del progetto in merito alle proprietà di base dei rispettivi modelli matematici, che hanno permesso di sviluppare algoritmi di calcolo altamente efficienti, flessibili e precisi. Le prestazioni dei rispettivi simulatori 1D e 2D sono state verificate sulla base di parametri di riferimento dedicati e confrontati con i dati disponibili in letteratura. In una situazione generica, la propagazione della frattura è stata tracciata utilizzando modelli ad elementi di contorno 3D di sostanze poroelastiche combinati con modelli alle differenze finite per i flussi di liquidi non newtoniani. I ricercatori del progetto HYDROFRAC hanno implementato nuovi metodi per risolvere le equazioni integrali al contorno. Tra gli altri, un veloce metodo multipolare ha contribuito ad accelerare i calcoli con precisione ancora maggiore. Inoltre, i ricercatori hanno sviluppato un programma informatico dedicato per simulare eventi microsismici indotti da variazioni nelle sollecitazioni locali. La microsismicità è stato simulata mediante il seeding di difetti iniziali con parametri di distribuzione statistica predefiniti. I dati raccolti dagli eventi simulati sono stati attentamente analizzati per stimare resistenza e stabilità dei difetti nel tempo. Tutti i codici sono stati adeguati per soddisfare le esigenze pratiche in stretta collaborazione con il partner industriale del progetto. In particolare, la microsismicità sintetica è stata confrontata con quella osservata durante la fratturazione idraulica per calibrare i parametri di ingresso e di migliorare i risultati di modellazione. I parametri modello sono stati finemente perfezionati basandosi sul volume previsto di petrolio o gas, rispetto a quello osservato sul campo. Le conoscenze acquisite all’interno del progetto HYDROFRAC sono state condivise con la comunità scientifica attraverso pubblicazioni peer-reviewed, riviste ad accesso aperto e presentazioni a congressi internazionali.
Parole chiave
Modelli matematici, fratturazione idraulica, idrocarburi, HYDROFRAC, liquido non newtoniano, microsismicità
