Микробуровые турбины для геотермальных систем

Геотермальные системы становятся все более важным источником чистой и, прежде всего, стабильной энергии. Но скважины, глубина которых может достигать нескольких тысяч метров, являются сложными и небезопасными, и иногда все может пойти не по плану. Ученые из общества Фраунгофера разработали инновационный инструмент, который позволяет бурить дополнительные ответвления от основной скважины. Это снижает риск возникновения сухих скважин и повышает производительность.

Геотермальная энергия — это неисчерпаемый источник. Горячая вода из резервуаров, расщелин и трещин обнаруживается глубоко в земной коре, толщина которой составляет около 30 километров. На глубине 5000 метров температура воды уже достигает 200 °C. В геотермальные установки она закачивается с помощью эксплуатационной скважины. Затем эта вода может приводить в действие паровые турбины для выработки электроэнергии или обогревать здания с помощью коллекторных систем. Охлажденная вода возвращается в земную кору через вторую скважину — нагнетательную, где она снова нагревается в горячей породе. Это полный, замкнутый цикл. Эта возобновляемая энергия и она может сыграть важную роль в борьбе с изменением климата.

Но скважины, глубина которых достигает нескольких тысяч метров, связнаы одновременно со значительными затратами и рисками. Риск ошибиться и ничего не найти (то, что эксперты называют риском разведки) составляет около 30 процентов. Именно на этот фактор хотят повлиять специалисты научно-исследовательского института Фраунгофера по энергетическим инфраструктурам и геотермальным системам IEG в Бохуме. Их идея заключается в использовании мини-бура для перфорации области вокруг скважины в радиусе 50 метров и гидравлического соединения окружающих заполненных водой трещин и разломов со скважиной. Это открывает путь для поступления воды в эксплуатационную скважину, откуда ее можно откачивать.

Вторичное бурение

Технология микротурбинного бурения (MTD) была разработана Никласом Гайслером, который проводит исследования в IEG Фраунгофера в Бохуме и Исследовательском центре промышленной математики Фраунгофера-Чалмерса FCC в Швеции. «Скважины, уходящие на несколько километров в земную кору, стоят миллионы евро. Дополнительные ответвления от основной скважины с помощью MTD увеличивают площадь водосбора для горячей воды, и риск разведки значительно снижается», — объясняет Гайслер.

Ключом к MTD является компактная микробуровая турбина, оснащенная специальным буровым долотом. Она очень маленькая, ее диаметр составляет всего 3,6 сантиметра, а длина — 10 сантиметров. Микротурбина прикреплена к шлангу высокого давления, через который на нее подается до 200 литров воды в минуту при давлении на входе около 100 бар, что заставляет долото вращаться. Долото состоит из матрицы карбида вольфрама с вкраплениями алмазных зерен и вгрызается в породу со скоростью до 80 000 оборотов в минуту. Поэтому оно прекрасно подходит для твердых кристаллических пород, таких как гранит. Кроме того, он также способен бурить сталь. Это важно, поскольку скважины обычно обсаживаются стальными обсадными трубами для укрепления. Не меняя бурового инструмента, MTD может сначала пробурить стальную обсадную трубу, а затем породу за один шаг.

«Мы можем пробурить два-три метра за один час. Вода, которая питает микротурбину, служит как охлаждающая жидкость, чтобы бур не перегревался, а также промывает отверстие для удаления бурового шлама», — говорит Гейслер. Подобные технологии с использованием воды под давлением существовали и ранее, например, радиально-струйное бурение. Однако до сих пор с помощью этих технологий можно было бурить только мягкие породы. В частности, для геотермальной энергетики необходим метод бурения твердых пород, в которых часто встречаются геотермальные резервуары.

Одна из проблем в этом процессе заключается в том, чтобы отклонить микробуровую турбину из основной скважины и загнать ее в окружающую породу под относительно большим рабочим углом. Поэтому исследователи IEG разработали специальное отклоняющее устройство. С помощью этого «дефлекторного башмака» компактный инструмент можно вывести из основной скважины под углом около 45 градусов. Таким образом, буровой инструмент открывает новые трещины и расщелины с горячей водой вокруг основной скважины. Использование гидравлического давления означает, что при нагнетании воды вода вытекает из трещин и расщелин в основную скважину.

«В течение последних месяцев мы успешно протестировали технологию в рамках пробного проекта в подземной лаборатории Бедретто (BUL) в Швейцарии, недалеко от Готардского тоннеля. Процесс уже очень стабилен и надежен», — поделился радостью Гайслер.

Аудиозаписи шумов при бурении

Следующий шаг — запись шумов бурения. Звук микробуровой турбины, лопасти которой при вращении издают характерный импульс, также может служить акустическим эталоном для анализа. Анализируя аудиозаписи, можно определить, вращается ли бур с нужной скоростью, застрял ли он или даже работает вхолостую. Шум передается по стальным трубам и записывается на поверхности.

Технология полезна не только в разрезе геотермального применения. «В целом, MTD может использоваться в любом глубоком бурении, где важно исследовать окрестности скважины с потенциально неоднородными типами пород, например, в нефтегазовой промышленности. В области геотехнологий или строительства туннелей, например, эта технология микробурения может использоваться для бурения анкерных отверстий в труднодоступных местах, где объем доступного пространства не позволяет использовать традиционное оборудование», — объясняет Гайслер.

Однако одним из основных применений технологии, патентная заявка на которую была подана в 2020 году, безусловно, является добыча геотермальной энергии. По оценкам экспертов, в ближайшие пять-восемь лет количество геотермальных электростанций в Европе удвоится. Микротурбинное бурение от Fraunhofer IEG может сыграть важную роль в том, чтобы сделать добывающие скважины менее рискованными, менее дорогостоящими и даже более эффективными.

Такая технология найдет применение в многих отраслях промышленности. А мы, в свою очередь, предлагаем тем, кто реализует проекты в данной индустрии, богатый выбор разнообразных доменных зон.