Новые тенденции в технологиях бурения геотермальной энергии

Геотермальная энергия, полученная из внутреннего тепла Земли, является краеугольным камнем глобального портфеля возобновляемых источников энергии. В отличие от солнечной или ветровой, она предлагает генерацию энергии с базовой нагрузкой и прямое нагревание с минимальными выбросами углерода. Поскольку мир ускоряет переход к устойчивым энергетическим системам, эффективность и экономическая эффективность геотермальных проектов зависят от одного критического фактора: бурение. Буровые работы могут составлять от 40 до 50% от общих затрат проекта, и они сталкиваются с огромными техническими проблемами, такими как экстремальные температуры, высокое давление и абразивные горные породы. Поэтому новые тенденции в геотермальных методах бурения являются не просто постепенными улучшениями - они являются преобразующими инновациями, которые обещают разблокировать огромные неиспользованные геотермальные ресурсы, уменьшить экологические следы и сделать геотермальную энергию конкурентоспособной с ископаемым топливом.

Справочная информация и проблемы геотермального бурения

Геотермальные резервуары обычно находятся на глубинах 1-5 километров, где температура горных пород колеблется от 150°C до более чем 4000°C. Обычные роторные бурения, адаптированные от нефтегазовой промышленности, были рабочей лошадкой для геотермальных скважин.

• Высокие температуры ухудшают обычные буровые жидкости и электронику, ограничивая срок службы бита и производительность датчика.
• Тяжелая, сломанная и абразивная порода (например, гранит, базальт) ускоряет износ бита и вызывает нестабильность скважины.
• Коррозионно-образующие жидкости, содержащие сероводород, углекислый газ и кислые рассолы, атакуют сталь и цемент.
• Потеря циркуляции происходит, когда буровая жидкость выходит в трещины, что приводит к потере давления и потенциальным выдуваниям.

Решение этих проблем имеет важное значение для снижения уравновешенной стоимости геотермальной энергии и расширения ее географической применимости за пределами тектонически активных регионов.

Последние достижения в технологиях бурения

За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в адаптации и совершенствовании технологий бурения специально для геотермальных применений, которые направлены на продление срока службы инструмента, повышение скорости проникновения и поддержание стабильности скважины в экстремальных условиях.

Усовершенствованное геотермальное бурение (EGD) с высокотемпературными компонентами

Улучшенное геотермальное бурение включает в себя набор материалов и конструктивных инноваций, которые позволяют оборудованию выдерживать длительное воздействие экстремальной жары.

• Высокотемпературные сверла , оснащенные резаками с поликристаллическим алмазным компактом (PDC), спроектированными для твердости и термостойкости до 350°C.
• Передовые системы охлаждения с использованием паро-сжатия или тепловых контуров для поддержания забойной электроники при рабочих температурах.
• Телеметрия в реальном времени с датчиками с высоким температурным рейтингом, которые передают данные о давлении, температуре и вибрации на поверхность, обеспечивая адаптивные параметры бурения.
• Гибридные грязевые системы , которые используют термически стабилизирующие полимеры и наночастицы для повышения смазки и контроля потери жидкости.

Эти улучшения были подтверждены в полевых испытаниях в рамках проекта глубокого бурения в Исландии и проекта «За пределами Бриттла» в Японии, где скважины достигли температуры, превышающей 450 ° C.

Манипулирование давлением (MPD) для геотермальных скважин

Манипулируемое бурение под давлением (MPD) - это метод, который точно контролирует профиль давления в скважине для поддержания тонкого баланса между давлением пор образования и градиентом разрушения. В геотермальном бурении MPD предлагает несколько критических преимуществ:

• Снижает потерянную циркуляцию , избегая избыточного давления, которое открывает переломы.
• Предотвращает выдувание , немедленно компенсируя удары газа или притоки.
• Улучшает стабильность отверстия в трещинах, под давлением или опухающих образованиях.
• Позволяет проводить более глубокое бурение в высокотемпературные зоны высокого давления, которые были бы небезопасны с использованием обычных методов.

Системы MPD используют вращающееся устройство управления (RCD) на скважине, коллекторы удушья и насосы обратного давления для поддержания системы замкнутого цикла циркуляции. Вариант метода замкнутой циркуляции (CCCM) успешно развернут на геотермальных полях на Филиппинах и в Калифорнии.

Направленное бурение и многосторонние скважины

Направленное бурение позволяет операторам направлять скважину на пересечение нескольких трещин или целевых зон резервуара с одного колодца. Последние достижения в управляемых двигательных системах и поворотных управляемых инструментах повысили точность и уменьшили крутящий момент и сопротивление. Многосторонние скважины - где несколько боковых скважин ветвятся от одного основного скважины - расширяют контакт резервуара без дополнительного поверхностного следа. Эта техника была применена на месторождении Гейзерс в Калифорнии и месторождении Лардерелло в Италии для увеличения производства пара из трещинных образований.

Новые технологии и будущие направления

Помимо постепенных улучшений, изучается и тестируется новое поколение технологий бурения, которые направлены на фундаментальное изменение скорости, стоимости и воздействия на окружающую среду доступа к геотермальной теплу.

Лазерное и плазменное бурение

Лазерное бурение использует мощные лазерные лучи для распыления, плавления или испарения породы, в то время как плазменное бурение использует электрические дуги или микроволновую плазму для разрушения образования. Оба метода предлагают потенциальные преимущества:

• Более высокая скорость проникновения в твердые породы (до 10 × быстрее, чем механические биты в некоторых тестах).
• Сниженный механический износ, поскольку нет физических режущих элементов.
• Более устойчивый датчик отверстия и меньшее повреждение скважины.
• Низкое воздействие на окружающую среду без буровых вырубок или проблем с удалением грязи при использовании с системой циркуляции на основе газа.

Проблемы остаются: лазерные и плазменные системы требуют массивного ввода мощности (до 10 МВт для практической скорости бурения), и доставка этой энергетической скважины через оптические волокна или кабели затруднена. Исследования в отделе энергетики на сайте FORGE и стартапами, такими как EnergieDrift ] исследует импульсно-лазерную разбивку и микроволновые плазменные головки, которые снижают потребности в энергии.

Искусственный интеллект и оптимизация, основанная на данных

Машинное обучение и искусственный интеллект трансформируют геотермальное бурение с помощью прогнозной аналитики, оптимизации в реальном времени и автоматизированного принятия решений.

• Предиктивные модели технического обслуживания анализируют исторические данные датчиков для прогнозирования износа бита, отказа подшипника или остановки двигателя, что позволяет проактивную замену инструмента до отказа.
• Оптимизация параметров дриллинга использует обучение усилению для динамической настройки веса на бит, вращательной скорости, потоке грязи и давлении для максимальной скорости проникновения при минимизации вибраций.
• Геоуправление интегрирует данные в режиме реального времени с геологическими моделями, чтобы направить путь к высокопроизводительным переломам.
• Автоматизированные буровые системы могут выполнять рутинные операции без вмешательства человека, снижая изменчивость скважин и затраты на рабочую силу.

Такие компании, как Schlumberger и Baker Hughes, разработали геотермальные цифровые платформы, но внедрение в геотермальный сектор отстает от нефти и газа из-за меньших наборов данных и менее стандартизированной геологии.