Ezio Mesini

L'attività scientifica di Ezio MESINI è documentata da 10 libri a stampa e da oltre 200 memorie, molte delle quali pubblicate sulle migliori Riviste internazionali o presentate a Congressi internazionali. Questa attività si è incentrata: (1) inizialmente (anni '80 e '90) sui temi tipici del settore scientifico disciplinare degli Idrocarburi e fluidi del sottosuolo; (2) successivamente (anni '10 e '20), su temi relativi alla interazione energia-ambiente orientando gli studi alla sicurezza delle operazioni industriali e alla protezione dell'ambiente. 

PARTE PRIMA: anni '80 e '90 - sono stati affrontati in particolare studi che hanno interessato:

1. Fenomeni di subsidenza indotti da cause antropiche - Lo studio della subsidenza dovuta allo sfruttamento del sottosuolo si sta mostrando di sempre maggiore attualità, stante l'entità degli abbassamenti e l'estensione delle aree di volta in volta interessate. In questo contesto, è importante prevedere l'entità degli abbassamenti del suolo, specialmente quando sono interessate zone costiere, onde poter valutare su dati oggettivi l'opportunità dell'utilizzo di georisorse. Nelle ricerche condotte su questo tema, si sono tenuti in conto gli effetti conseguenti alla coltivazione di materiale solido e di fluidi in genere, con particolare riferimento ai casi italiani. In particolare, per quanto concerne la coltivazione di fluidi dal sottosuolo, la ricerca si è sviluppata nella realizzazione di modelli di simulazione numerica agli elementi finiti, in cui si sono considerati gli effetti dovuti sia alla geometria del serbatoio poroso e permeabile, sia alle disomogeneità ed anisotropie. Nel contempo, visto che per la modellizzazione del fenomeno è indispensabile la conoscenza dei parametri geomeccanici, sono state effettuate ed analizzate criticamente indagini mediante tecniche di misura in situ e di laboratorio. Per quanto riguarda le misure in situ sono stati considerati apparati estensimetrici a filo sull'esempio di analoghi apparati installati per il controllo degli abbassamenti dei campi di gas di Groningen (Olanda) e Niigata (Giappone), e dei campi di olio di Wilmington (California). Sono state altresì analizzate criticamente misure in situ basate sull'impiego di marker radioattivi (radioactive marker bullet); in particolare, sono stati riportati i risultati delle prime applicazioni in Italia. Da tali misure è stato possibile confrontare i valori del coefficiente di compressibiltà uniassiale in situ con quelli ottenuti da misure dirette mediante prove edometriche di laboratorio. I risultati di queste ricerche, con riferimento a rilievi eseguiti in Italia, oltre che a mostrare la complementarietà delle misure in laboratorio e di quelle in situ , suggeriscono alcune linee guida per la misura del compattamento in aree soggette a subsidenza da produzione di acqua o idrocarburi. In particolare, come è recentemente emerso nel corso di alcune Giornate di studio, di cui Ezio MESINI è stato co-editor nella stesura degli Atti, in Italia va sempre più affermandosi il principio secondo il quale per lo sfruttamento del sottosuolo è necessario uno studio preventivo di impatto ambientale, allo scopo di definire la sostenibilità dell'utilizzo di georisorse.
   
   
2. Modelli numerici per la simulazione di giacimenti di idrocarburi - La modellizzazione numerica dei giacimenti di idrocarburi è da anni uno strumento di uso corrente nell'industria petrolifera. In questo contesto si sono inquadrate le ricerche svolte, finalizzate alla realizzazione di modelli alle differenze finite, ed agli elementi finiti. Nella realizzazione di questi modelli si è pervenuti a formulazioni matematiche originali, ove la discretizzazione spaziale porta a matrici elementari espresse in forma analitica polinomiale; successivamente, dalla discretizzazione nello spazio si giunge ad un sistema quasi lineare di equazioni differenziali alle derivate ordinarie che viene integrato nel tempo utilizzando schemi alle differenze finite completamente impliciti. I modelli realizzati riguardano sistemi monofasici e polifasici, comprimibili e non comprimibili, miscibili e non miscibili, in cui si sono considerati gli effetti gravitativi e capillari. Dal loro uso possono essere tratte indicazioni di carattere strategico ai fini della coltivazione dei giacimenti di idrocarburi, per quanto riguarda non solo uno sfruttamento primario, ma anche e soprattutto nella moderna ottica di una sfruttamento "migliorato" (Improved Oil Recovery) del giacimento. In particolare, nell'ambito di progetti miranti allo sfruttamento mediante tecniche di iniezione di acqua (waterflooding), vista l'importanza che riveste la compatibilità chimica fra l'acqua di iniezione e quella di strato, sono stati messi a punto modelli in grado di valutare eventuali variazioni della permeabilità degli strati interessati.
   
   
3. Problematiche inerenti la tecnica dei sondaggi - Su questo tema sono state proposte opportune tecniche di perforazione per lo sfruttamento di risorse di gas naturale, dell'alto Appennino bolognese. Le modeste, seppur frequenti, mineralizzazioni in questione sono caratterizzate dalla difficoltà della loro individuazione e dalla semplicità dei metodi di perforazione e di produzione attualmente in uso. Si è poi cercato di porre in risalto quegli aspetti legati all'impiego ricorrente delle tecniche di perforazione idrocarburistiche che potrebbero essere opportunamente adattate al caso di indagini geotecniche ed idrogeologiche. Successivamente, sono stati analizzati vantaggi, svantaggi, potenzialità e limiti di carotaggi meccanici e di tecniche di registrazione dei parametri di perforazione, al fine di ottimizzare in termini economici le operazioni di perforazione. Inoltre, allo scopo di avere un quadro sufficientemente rappresentativo per quanto riguarda informazioni di carattere geotecnico-idrogeologico, è stata messa a punto una banca dati che consente di raccogliere sistematicamente e di restituire graficamente le informazioni. Da questo studio, che si riferisce all'alta pianura bolognese, possono essere tratte informazioni che investono non solo le georisorse, ma anche il territorio in genere. Sono state inoltre prese in considerazione le prestazioni tecniche sia di scalpelli tricono ad ugelli prolungati, sia di scalpelli monoblocco ad inserti di diamante sintetico PDC (Polycrystalline Diamond Compact). In particolare, sono state illustrate le caratteristiche ed i principi di funzionamento degli scalpelli PDC, evidenziando da un lato i vantaggi e gli svantaggi della loro applicazione nel campo della perforazione per la ricerca di idrocarburi, dall'altro gli sviluppi tecnologici relativi a nuovi tipi di materiali ed a modifiche strutturali. Altri studi hanno analizzato le modalità di usura di scalpelli triconici utilizzati per la perforazione di un serbatoio geotermico, allo scopo di definire i meccanismi che portano all'usura precoce, con conseguente aumento del costo-metro perforato. In particolare, si è rilevato come le particolari condizioni del foro, l'alta temperatura della formazione ed il tipo di cuscinetto utilizzato interagiscano tra di loro determinando drastiche riduzioni dell'economia della perforazione. Ulteriori ricerche hanno indagato sperimentalmente l'effetto inibente sulle argille indotto da fluidi di perforazione a base acquosa addittivati di glicoli e di ioni potassio. I risultati delle indagini consentono di affermare che i fluidi così confezionati sono caratterizzati da valori di inibizione prossimi a quelli mostrati dai fanghi a base di olio, ma presentano, rispetto a questi ultimi, un basso grado di tossicità, compatibile con le attuali normative. Sono stati infine esaminati criticamente i sistemi di misura combinata Geosteering che hanno visto recentemente ampio sviluppo in campo petrolifero. Tali sistemi sono costituiti da equipaggiamenti utilizzati nella perforazione direzionata che, insieme alla possibilità di guidare in tempo reale la traiettoria del foro, rilevano misurazioni a quota scalpello, permettendo di perforare pozzi direzionati non in base alla traiettoria geometrica di progetto, ma seguendo l'obiettivo minerario sulla base dei dati geologici e litologici acquisiti in tempo reale.
   
   
4. Indagini di laboratorio su mezzi porosi: core analysis - Sono state indagate le caratteristiche di compressibilità di campioni di natura arenacea e carbonatica, giungendo ad investigare campi di pressioni di confinamento particolarmente spinti (sino a 150 MPa). In particolare, si sono state condotte misure di tipo statico (attraverso test di deformazione) per la determinazione della comprimibilità dei pori e di quella bulk, e di tipo dinamico (attraverso test di tipo acustico) per la determinazione della compressibilità non drenata. Infine, si è cercato di correlare le misure di tipo statico con quelle di tipo dinamico, giungendo a buoni risultati soprattutto per le rocce a comportamento elastico. Altre indagini sperimentali di laboratorio hanno interessato alcune metodologie convenzionali, sviluppate in ambito prevalentemente petrolifero, per la misura in laboratorio di porosità e permeabilità. Punto di partenza per la misura di queste grandezze, fondamentali nello studio del moto dei fluidi nei mezzi porosi, è la disponibilità di campioni rappresentativi del mezzo in esame. Le indagini di laboratorio eseguite su questi campioni, hanno mostrato che in alcuni casi esse possono essere più convenienti, nonché più precise, rispetto alle misure indirette (prove in situ , log, etc.). Sono state altresì impiegate e indagate tecniche di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) per lo studio della interconnessione tra proprietà strutturali, superficiali e di trasporto in sistemi ad alto rapporto superficie/volume (rocce serbatoio sature di acqua e/o idrocarburi); in particolare, tale tecnica è stata applicata per lo studio di grandezze petrofisiche, quali permeabilità, porosità, bagnabilità e saturazioni irriducibili. L'interesse scientifico e tecnologico nei confronti delle tecniche NMR è mostrato dai centri di ricerca di importanti compagnie petrolifere o compagnie di servizi a livello mondiale. Tale interesse concerne sia le applicazioni in laboratorio, sia le applicazioni di pozzo con particolare riferimento ai log.  Altri studi teorici e sperimentali si sono rivolti alla definizione e alla misura del regime di flusso Non-Darcy all’interno di mezzi porosi naturali e artificiali, con particolare riferimento alle applicazioni nell’ambito della produzione di gas naturale.
   
   
   
5. Misure, controlli e produzione nei giacimenti di idrocarburi - Sono state evidenziate le modalità di impiego del dipmeter illustrando le recenti evoluzioni di questo strumento, nato per la misura della direzione (azimut) e della immersione (pendenza) delle formazioni attraversate dalla perforazione. In particolare, si sono descritti i principi di funzionamento e di utilizzazione del dipmeter ed è stata posta evidenza alla fase di elaborazione dei dati raccolti in pozzo, al fine di ottenere l'interpretazione delle pendenze ed azimut degli eventi registrati. Ulteriori ricerche hanno affrontato le problematiche relative alle procedure operative che consentono di giungere, attraverso l'interpretazione manuale di un set di log, alle informazioni necessarie sia al riconoscimento degli intervalli su cui effettuare le prove di produzione, sia alla conoscenza dei parametri fondamentali per l'ingegnere di giacimento ai fini del calcolo delle riserve. In particolare, il set di log considerato comprende misure di resistività elettrica, misure soniche e radioattive registrate in un pozzo offshore del medio Adriatico. Sempre su questo tema, è stato inoltre dato alle stampe un volume ove sono stati analizzati gli aspetti teorici ed applicativi relativi ai log registrati in pozzo. Il volume è stato pensato per essere di carattere formativo ed al tempo stesso di approfondimento tecnico-scientifico per studenti, per cultori delle scienze della terra e per i tecnici delle georisorse. Ancora in tema di misure in pozzo, è stato proposto un metodo pratico per la valutazione della anisotropia elastica del sottosuolo mediante l'elaborazione di profili sismici verticali in pozzo (VSP Walkaway). I risultati ottenuti mostrano che l'introduzione dei fattori di anisotropia porta ad un sensibile miglioramento della definizione dell'immagine soprattutto in aree poste ad una certa distanza dal pozzo, mentre in aree vicine al pozzo stesso l'impiego di questi fattori non porta ad alcun miglioramento. Sono stati inoltre illustrati criticamente i sistemi di misura combinata, denominati Logging While Drilling (LWD) che recentemente hanno visto ampio sviluppo in campo petrolifero. I sistemi LWD permettono l'acquisizione in tempo reale di misure di inclinazione, direzione, temperatura e diametria del foro, il rilievo di parametri petrofisici tramite log di resistività, densità, raggi gamma e radioattivi, la valutazione dei parametri di perforazione (peso, giri, torsione, vibrazioni e impatti). Studi rivolti al campo della produzione hanno affrontato i problemi legati alla cristallizzazione e deposizione di paraffine in giacimento e lungo le condotte. In particolare, sono stati esaminati gli interventi tecnici volti ad inibire la precipitazione dei composti paraffinici, ed a fare fronte alla loro eventuale rimozione. Gli interventi di inibizione possono essere distinti in metodi termici, basati fondamentalmente sul mantenimento della temperatura del greggio al di sopra del Cloud Point, e metodi chimici, basati sulla modificazione del comportamento di fase del greggio. Nell'ambito dei problemi relativi al moto polifasico in condotte orizzontali, sono stati ottenuti valori sperimentali del coefficiente di comprimibiltà di miscele acqua-carbone concentrate. Allo scopo, è stato appositamente messo a punto un apparato sperimentale di laboratorio la cui taratura è stata effettuata per confronto con valori del coefficiente di comprimibilità dell'acqua, tratti dalla letteratura. Inoltre, sono state individuate metodologie per la caratterizzazione di miscele acqua-carbone-additivi, mediante l'analisi del rilassamento magnetico del nucleo di idrogeno in condizioni di risonanza, allo scopo di migliorare la conoscenza di base del sistema, e di definire con migliore precisione le procedure pratiche per il controllo di qualità del prodotto.

PARTE SECONDA: anni '10 e '20 - sono stati affrontati in particolare studi che in estrema sintesi hanno interessato:

• Analisi delle tecniche di cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica prodotta da impianti industriali (tecniche CCS, Carbon Capture and Storage). Valutazione delle potenzialità di stoccaggio in acquiferi salini profondi della Regione Lombardia e sviluppo di un modello numerico preliminare relativo allo studio idrodinamico del sottosuolo.
  

• Analisi delle problematiche ambientali e normative (salute e sicurezza dei lavoratori e protezione ambientale) derivanti dall’attività di esplorazione produzione di idrocarburi, con particolare riferimento ai giacimenti di petrolio greggio e gas naturale a terra e a mare.

• Analisi sulla riflessione etica contemporanea (rapporto uomo-natura, logiche applicative per la salvaguardia della biosfera e dei diritti delle generazioni future, radici storico-culturali dei dissesti ambientali, etc.); analisi di alcuni aspetti più strettamente legati agli approcci progettuali, di ricerca e di studio delle logiche di prevenzione.
  

Inoltre, sin dagli inizi della sua attività di ricerca, Ezio Mesini continua a mostrare interessi per studi di storia della scienza e della tecnica, con particolare riferimento: 

1. ad alcuni aspetti delle Scienze della Terra e dell'Ingegneria a partire dal XVI sec - facendo luce sull'opera fondamentale di Giorgio Agricola (1494-1555) - illustrando l'importanza del corpus delle opere geologiche, minerarie e metallurgiche nella storia della tecnologia.
   
   
2. alla storia del petrolio, ove ha condotto ricerche volte a fare luce sulla documentazione relativa alle sostanze petrolifere del periodo pre-industriale, sia a illustrare i primi studi che ha aperto la strada alla moderna industria petrolifera.
   
   
3. a oltre 90 conferenze organizzate a partire dal 2005 presso la Facoltà/Scuola di Ingegneria nate dalla constatazione che la dimensione storica degli insegnamenti scientifici e tecnici delle facoltà di Ingegneria, è parte integrante dell’evoluzione della nostra civiltà e che alla dimensione storica andrebbero accompagnati elementi di tipo filosofico ed epistemologico che necessariamente si coniugano al sapere tecnico e scientifico. Tuttavia, nelle società di oggi è però assai facile scorgere schematismi che dividono le due culture e che creano falsi confini laddove invece bisognerebbe individuare unità. La storia della scienza e della tecnica, la storia dell’impresa sono altrettanti schemi che tentano di aprire nuovi fronti di ricerca, a fianco delle discipline “classiche”. Ma esse sono scienze giovani, spesso ricche di entusiasmi e di fermenti che le allontanano dal rigore di una maturità più saggia. La tecnica è ormai diventata il soggetto della storia. In una società che non può non dirsi tecnologica, l’intersezione tra le culture deterministiche, delle scienze più o meno esatte, e le culture umane, che sono di loro natura euristiche e per molti versi casuali, è tale che parlare di macchine e sistemi di produzione significa anche parlare di uomini e di filosofie.