Simulator til boring i dybder op til 5, 000 meter

For at tappe ind i geotermiske reservoirer, boringer skal bores dybt ned i jordskorpen. På grund af det ekstreme tryk og temperaturer, der er involveret, dette er dyrt og tidskrævende. Et forskerhold fra Fraunhofer IEG har nu udviklet en testrig, der simulerer forhold i nede i hullet flere tusinde meter under jordens overflade. Ved at analysere disse eksperimenter kan operatører optimere boringen under planlægningen og driftsfasen og hjælper dem med at udvikle og teste nye boreværktøjer, dermed minimere omkostninger og økonomiske risici. Dette vil gøre geotermisk teknik mere effektivt, hjælper med at fremskynde overgangen til en ny, bæredygtig energiøkonomi.

Da kulproduktionstiden nåede sin ende, geotermisk energi får større opmærksomhed som den næste hovedressource til at levere praktisk talt uudtømmelige mængder energi. Det kan udnyttes i form af varme eller bruges til at generere elektricitet, uanset vejrforholdene eller tidspunktet på dagen. Dyb geotermisk teknik involverer boring af boringer op til flere tusinde meters dybde under jordens overflade, hvor temperaturen kan nå 100 grader Celsius. Boreprocessen kan støde på flere typer sten, hver med forskellige egenskaber som hårdhed, styrke og tæthed. Hver stentype kan interagere fuldstændigt forskelligt med borhullet og udstyret nede i hullet. I betragtning af alle disse faktorer, hele boreprocessen og dens krav til overfladeudstyr, såsom pumpning, er komplekse procedurer, der kræver omhyggelig planlægning.

i.BOGS simulerer ekstreme reservoirforhold

Som svar på denne udfordring, Fraunhofer forskningsinstitution for energiinfrastrukturer og geotermiske systemer IEG, har udviklet og driver en ny testrig, navngivet match.BOGS. Dette er designet til at simulere in situ -forhold under downhole og boreoperationer. Testriggen består af tre hovedmoduler:i.BOGS, et autoklavsystem; drill.BOGS, et boremodul; og væske.BOGS, et modul til fremstilling af syntetiske væsker. match.BOGS kan bruges til fysisk at simulere og muliggøre undersøgelse af alle processer involveret i boring af et borehul op til en dybde på 5000 meter. Overvågningssystemet har en række sensorer, herunder akustisk, termiske og optiske målesystemer.

Analyse af overvågningssystemdata giver indsigt i opsætning og optimering af boreværktøjets drift. "Dette gør det lettere at planlægge boreoperationer og bestemme, på forhånd, parametre som f.eks. boreværktøj, boreprocessparametre og nødvendige tryk, "forklarer Volker Wittig, leder af Advanced Drilling Technologies hos Fraunhofer IEG.

I.BOGS autoklavsystemet blev udviklet og konstrueret udelukkende til Fraunhofer IEG -forskerteamet i henhold til dets præcise specifikationer. Det kan håndtere stenprøver i en længde på 3 meter og til en diameter på op til 25 centimeter. Trykbeholderen i autoklavsystemet udsætter disse prøver for tryk på op til 1250 bar og temperaturer på op til 180 grader Celsius. Dette simulerer nede i hullet forhold svarende til dem i en dybde på 5000 meter under jordens overflade. Trykbeholderen har en vægtykkelse på 20 centimeter og er fastgjort med i alt 25 bolte, hver vejer 9 kilo. Teststanderen er således i stand til sikkert at modstå ekstreme forhold. Særlige borehulsværktøjer eller pumper kan også inkorporeres med henblik på at teste specifikke krav.

Boreværktøjer med laser- og højspændingsimpulser

BOGS -modulet har to hydrauliske cylindre, der leverer en fødekraft på op til 400 kilonewtons (kN). En elektrisk motor driver borestangen ind i stenprøven med momentværdier på op til 12 kilonewton meter (kNm). Integrerede måle- og processtyringsteknologier gør denne proces fuldautomatisk.

Dette modul kan udstyres med en række boreværktøjer, så forskerne ved Fraunhofer IEG ikke kun kan teste konventionelle værktøjer, som fungerer ved hjælp af mekanisk stenopløsning, men også nye boreteknologier. Nye teknologier kan bruge, som et eksempel, højspændingsudbrud, en laserstråle eller en flamstråle for lettere at trænge ind i stenoverfladen. "Disse kontaktfrie boreteknologier resulterer i en betydelig reduktion af høje slidhastigheder på dyre boreværktøjer, derved forlænge deres levetid, "Forklarer Wittig. Som sådan, test udført på Fraunhofer IEG hjælper også med at fremme udviklingen af ​​konventionelle og nye boreværktøjer.

Syntetiske væsker hjælper boreprocessen

For at udnytte geotermisk energi, varmt vand fra underjordiske reservoirer pumpes via et lukket kredsløb til overfladen, hvor den bruges enten til at producere varme eller til at drive dampturbiner til at generere elektricitet. Den afkølede væske føres derefter tilbage til det underjordiske reservoir for at genopvarme reservoirklipperne. "Derfor har vi også brug for tests for at simulere væskens adfærd under reservoirforhold, når de pumpes til overfladen, "siger Tilman Cremer, stipendiat ved Fraunhofer IEG. Ud over sådanne geotermiske anvendelser, det kan også være muligt at udvinde værdifulde råvarer som metaller, tungmetaller, og sjældne mineraler fra disse geofluider.

Fluid.BOGS -modulet producerer disse syntetiske væsker. Forskere bruger derefter i.BOGS -modulet til at undersøge deres strømningsegenskaber, når de interagerer med stenprøverne. Eksperter ved Fraunhofer IEG kan derfor undersøge enten reelle væskeprøver taget fra bestemte reservoirer eller geofluider, som er skabt syntetisk. Disse kan omfatte en præcist beregnet blanding af vand med, for eksempel, chlor, kalk, magnesium og forskellige andre mineraler inde i autoklaven på i.BOGS -modulet. Følgelig, disse væsker kan derefter undersøges for deres strømningsegenskaber.

Når det kommer til egentlige boreoperationer, særlige væsker kendt som boremudder spiller en uundværlig rolle. "Disse væsker smører, skyl og afkøl boreværktøjerne, og de bærer også den fjernede sten væk under boring, "Forklarer Wittig.

Kombinationen af ​​de tre moduler i.BOGS, drill.BOGS og væske.BOGS, og alle deres forskellige konfigurationer, gør kampen.BOGS testrig til en unik facilitet. Som Jascha Börner, teammedlem og forsker ved Fraunhofer IEG, forklarer:"Vi kan individuelt indstille hver af de forskellige parametre - tryk, temperatur, strømningshastighed, sammensætningen af ​​stenprøven og blandingsforholdet mellem væskerne. "Det er derfor muligt at simulere de mest forskelligartede forhold og producere præcise planlægningsdata for rigtige boreprojekter.

Et boost til geotermisk teknik

Forberedelse til test på det nye anlæg er en kompliceret proces. Først og fremmest, autoklavsystemerne skal være udstyret med stenprøver. Tryk og temperatur øges derefter successivt. I mellemtiden, boreværktøjerne sættes op og de nødvendige væsker tilberedes. Som en tommelfingerregel, det tager næsten en hel dag at forberede starten på simulering. Indsatsen er værd, da den bringer en lang række fordele til fremskridt inden for boreindustrien. Ved at bruge simuleringsteknikker til at teste de reelle forhold på et bestemt sted, boreoperatører kan planlægge de faktiske boreoperationer med større tillid. Dette øger effektiviteten af ​​operationen, da alle boreværktøjer kan opsættes korrekt på forhånd, resulterer i besparelser på millioner af euro. Disse foranstaltninger til optimering af geotermisk teknik vil bidrage til at gøre overgangen til et bæredygtigt energisystem mere økonomisk og mere effektivt.