För att utnyttja geotermiska reservoarer, borrhål måste borras djupt i jordskorpan. På grund av de extrema tryck och temperaturer som är inblandade, detta är dyrt och tidskrävande. Ett forskargrupp från Fraunhofer IEG har nu utvecklat en testrigg som simulerar bottenhålsförhållanden på flera tusen meter under jordens yta. Genom att analysera dessa experiment kan operatörer optimera borrningen under planeringen och driftsteget och hjälper dem att utveckla och testa nya borrverktyg, vilket minimerar kostnader och ekonomiska risker. Detta kommer att göra geotermisk teknik mer effektivt, hjälper till att påskynda övergången till ett nytt, hållbar energiekonomi.

När kolproduktionstiden nått sitt slut, geotermisk energi får mer uppmärksamhet som nästa huvudresurs för att tillhandahålla praktiskt taget outtömliga mängder energi. Det kan utnyttjas i form av värme eller användas för att generera el, oavsett väderförhållanden eller tid på dygnet. Djup geotermisk teknik innebär att man borrar borrhål upp till flera tusen meters djup under jordytan där temperaturen kan nå 100 grader Celsius. Borrprocessen kan stöta på flera typer av berg, var och en med olika egenskaper som hårdhet, styrka och densitet. Varje bergart kan interagera helt annorlunda med borrhålet och utrustningen i borrhålet. Med tanke på alla dessa faktorer, hela borrprocessen och dess krav på ytutrustning, som pumpning, är komplexa förfaranden som kräver noggrann planering.

i.BOGS simulerar extrema reservoarförhållanden

Som svar på denna utmaning, Fraunhofer forskningsinstitution för energiinfrastrukturer och geotermiska system IEG, har utvecklat och driver en ny testrigg, namngiven match.BOGS. Detta är utformat för att simulera situationer på plats under borrhål och borrning. Testriggen består av tre huvudmoduler:i.BOGS, ett autoklavsystem; borrar.BOGS, en borrmodul; och vätska.BOGAR, en modul för att producera syntetiska vätskor. match.BOGS kan användas för att fysiskt simulera och möjliggöra undersökning av alla processer som är involverade i borrning av ett borrhål upp till 5000 meters djup. Övervakningssystemet har en rad sensorer inklusive akustiska, termiska och optiska mätsystem.

Analys av övervakningssystemdata ger insikter om installation och optimering av borrverktyg. "Detta gör det lättare att planera borrverksamhet och bestämma, i förväg, parametrar som typ av borrverktyg, borrprocessparametrar och erforderliga tryck, "förklarar Volker Wittig, chef för Advanced Drilling Technologies på Fraunhofer IEG.

I.BOGS autoklavsystem utvecklades och konstruerades exklusivt för Fraunhofer IEG -forskargrupp enligt dess exakta specifikationer. Den kan hantera bergprover i en längd av 3 meter och till en diameter på upp till 25 centimeter. Tryckkärlet i autoklavsystemet utsätter dessa prover för tryck på upp till 1250 bar och temperaturer upp till 180 grader Celsius. Detta simulerar bottenhålsförhållanden som motsvarar dem på 5000 meters djup under jordens yta. Tryckkärlet har en väggtjocklek på 20 centimeter och säkras med totalt 25 bultar, varje väger 9 kilo. Således klarar teststället att tåla extrema förhållanden på ett säkert sätt. Speciella borrhålsverktyg eller pumpar kan också införlivas för att testa specifika krav.

Borrverktyg med laser- och högspänningspulser

BOGS -modulen har två hydraulcylindrar som levererar en matningskraft på upp till 400 kilonewtons (kN). En elmotor driver in borrstången i bergprovet med vridmomentvärden upp till 12 kilonewtonmeter (kNm). Integrerad mät- och processstyrningsteknik gör denna process helautomatisk.

Denna modul kan utrustas med en mängd olika borrverktyg för att göra det möjligt för forskarna vid Fraunhofer IEG att testa inte bara konventionella verktyg, som fungerar med mekanisk bergupplösning, men också nya borrtekniker. Ny teknik kan använda, som ett exempel, utbrott av högspänning, en laserstråle eller en flamstråle för att lättare tränga in i bergytan. "Dessa kontaktfria borrtekniker resulterar i en betydande minskning av höga slitage på dyra borrverktyg, och därmed förlänga deras livslängd, "Förklarar Wittig. Som sådan, testningen som utförts vid Fraunhofer IEG hjälper också till att utveckla konventionella och nya borrverktyg.

Syntetiska vätskor underlättar borrprocessen

För att utnyttja geotermisk energi, varmt vatten från underjordiska reservoarer pumpas via en sluten krets till ytan, där den används antingen för att producera värme eller för att driva ångturbiner för att generera el. Den kylda vätskan matas sedan tillbaka till den underjordiska reservoaren för att värma upp reservoarstenarna. "Därför behöver vi också tester för att simulera vätskans beteende under reservoarförhållanden när de pumpas till ytan, "säger Tilman Cremer, forskare vid Fraunhofer IEG. Förutom sådana geotermiska tillämpningar, det kan också vara möjligt att utvinna värdefulla råvaror som metaller, tungmetaller, och sällsynta mineraler från dessa geofluider.

Fluid.BOGS -modulen producerar dessa syntetiska vätskor. Forskare använder sedan i.BOGS -modulen för att undersöka deras flödesegenskaper när de interagerar med bergproverna. Experter på Fraunhofer IEG kan därför studera antingen verkliga vätskeprover tagna från specifika reservoarer eller geofluider, som har skapats syntetiskt. Dessa kan innefatta en exakt beräknad blandning av vatten med, till exempel, klor, kalcium, magnesium och olika andra mineraler inuti autoklaven på i.BOGS -modulen. Följaktligen, dessa vätskor kan sedan undersökas för sina flödesegenskaper.

När det gäller faktiska borroperationer, speciella vätskor som kallas borrslam spelar en oumbärlig roll. "Dessa vätskor smörjer, skölj och kyla borrverktygen, och de bär också bort berget som tagits bort under borrning, "Förklarar Wittig.

Kombinationen av de tre modulerna i.BOGS, borr.BOGS och vätska.BOGS, och alla deras olika konfigurationer, gör matchen.BOGS testrigg till en unik anläggning. Som Jascha Börner, teammedlem och forskare vid Fraunhofer IEG, förklarar:"Vi kan individuellt ställa in var och en av de olika parametrarna - tryck, temperatur, flödeshastighet, bergprovets sammansättning, och blandningsförhållandet för vätskorna. "Det är därför möjligt att simulera de mest olika förhållandena och producera exakta planeringsdata för riktiga borrprojekt.

Ett lyft för geotermisk teknik

Att förbereda sig för testning vid den nya anläggningen är en komplicerad process. För det första, autoklavsystemen måste vara utrustade med bergprover. Tryck och temperatur ökas sedan successivt. Sålänge, borrverktygen sätts upp och nödvändiga vätskor förbereds. Tumregel, det tar nästan en hel dag att förbereda sig för simuleringsstart. Ansträngningen är värd eftersom den ger en rad fördelar för borrindustrins framsteg. Genom att använda simuleringstekniker för att testa de verkliga förhållandena på en specifik plats, borroperatörer kan planera för själva borrverksamheten med mer förtroende. Detta ökar effektiviteten i operationen eftersom alla borrverktyg kan ställas in korrekt i förväg, vilket resulterar i besparingar på miljoner euro. Dessa åtgärder för att optimera geotermisk teknik hjälper till att göra övergången till ett hållbart energisystem mer ekonomiskt och mer effektivt.