Il personale del dipartimento di geotecnologie prepara l'impianto per le prove. Attestazione:Fraunhofer-Gesellschaft
Per attingere a bacini geotermici, i fori devono essere perforati in profondità nella crosta terrestre. A causa delle pressioni e delle temperature estreme coinvolte, questo è costoso e richiede tempo. Un team di ricerca del Fraunhofer IEG ha ora sviluppato un banco di prova che simula le condizioni di fondo pozzo a diverse migliaia di metri sotto la superficie terrestre. L'analisi di questi esperimenti consente agli operatori di ottimizzare la perforazione durante la pianificazione e la fase operativa e li aiuta a sviluppare e testare nuovi strumenti di perforazione, minimizzando così costi e rischi economici. Ciò renderà l'ingegneria geotermica più efficiente, contribuendo ad accelerare la transizione verso un nuovo, economia energetica sostenibile.
Con la fine dell'era della produzione di carbone, l'energia geotermica sta guadagnando sempre più attenzione come la prossima risorsa principale per fornire quantità di energia virtualmente inesauribili. Può essere sfruttato sotto forma di calore o essere utilizzato per generare energia elettrica, indipendentemente dalle condizioni meteorologiche o dall'ora del giorno. L'ingegneria geotermica profonda prevede la perforazione di pozzi fino a profondità di diverse migliaia di metri sotto la superficie terrestre, dove le temperature possono raggiungere i 100 gradi Celsius. Il processo di perforazione può incontrare più tipi di roccia, ognuno con proprietà diverse come durezza, forza e densità. Ogni tipo di roccia può interagire in modo completamente diverso con la punta e l'attrezzatura di perforazione del pozzo. Dati tutti questi fattori, l'intero processo di perforazione e i suoi requisiti di attrezzatura di superficie, come il pompaggio, sono procedure complesse che richiedono un'attenta pianificazione.
i.BOGS simula condizioni estreme del serbatoio
In risposta a questa sfida, l'istituto di ricerca Fraunhofer per le infrastrutture energetiche e i sistemi geotermici IEG, ha sviluppato e gestisce un nuovo banco di prova, denominato match.BOGS. Questo è progettato per simulare le condizioni in situ durante le operazioni di trivellazione e perforazione. Il banco prova è composto da tre moduli principali:i.BOGS, un sistema di autoclave; trapano.BOGS, un modulo di perforazione; e fluido.BOGS, un modulo per la produzione di fluidi sintetici. match.BOGS può essere utilizzato per simulare fisicamente e consentire l'indagine di tutti i processi coinvolti nella perforazione di un pozzo fino a una profondità di 5000 metri. Il sistema di monitoraggio è dotato di una gamma di sensori tra cui acustico, sistemi di misura termici e ottici.
L'analisi dei dati del sistema di monitoraggio offre approfondimenti sulla configurazione e l'ottimizzazione del funzionamento degli strumenti di perforazione. "Ciò semplifica la pianificazione delle operazioni di perforazione e la determinazione, in anticipo, parametri come il tipo di utensile di foratura, parametri del processo di perforazione e pressioni richieste, " spiega Volker Wittig, capo delle tecnologie di perforazione avanzate presso Fraunhofer IEG.
Il sistema autoclave i.BOGS è stato sviluppato e costruito esclusivamente per il team di ricerca Fraunhofer IEG secondo le sue precise specifiche. Può trattare campioni di roccia fino a 3 metri di lunghezza e fino a 25 centimetri di diametro. Il recipiente a pressione all'interno del sistema dell'autoclave sottopone questi campioni a pressioni fino a 1250 bar e temperature fino a 180 gradi Celsius. Questo simula condizioni di fondo pozzo equivalenti a quelle a una profondità di 5000 metri sotto la superficie terrestre. Il recipiente a pressione ha uno spessore della parete di 20 centimetri ed è fissato da un totale di 25 bulloni, ciascuno del peso di 9 chilogrammi. In questo modo il banco prova è in grado di resistere in sicurezza a condizioni estreme. È inoltre possibile incorporare strumenti o pompe speciali per fori di trivellazione allo scopo di testare requisiti specifici.
Test di fondo pozzo:match.BOGS simula le condizioni del serbatoio fino a diverse migliaia di metri. Attestazione:Fraunhofer-Gesellschaft
Utensili di foratura con laser e impulsi ad alta tensione
Il modulo drill.BOGS è dotato di due cilindri idraulici che forniscono una forza di avanzamento fino a 400 kilonewton (kN). Un motore elettrico spinge l'asta di perforazione nel campione di roccia con valori di coppia fino a 12 kilonewton metri (kNm). Le tecnologie integrate di misurazione e controllo del processo rendono questo processo completamente automatico.
Questo modulo può essere dotato di una varietà di strumenti di perforazione per consentire ai ricercatori del Fraunhofer IEG di testare non solo strumenti convenzionali, che operano mediante disgregazione meccanica della roccia, ma anche nuove tecnologie di perforazione. Le nuove tecnologie possono utilizzare, come esempio, esplosioni di alta tensione, un raggio laser o un getto di fiamma per penetrare più facilmente nella superficie rocciosa. "Queste tecnologie di perforazione senza contatto si traducono in una significativa riduzione dei tassi di usura elevati su costosi strumenti di perforazione, prolungando così la loro vita utile, " spiega Wittig. Come tale, i test condotti al Fraunhofer IEG stanno anche aiutando a far progredire lo sviluppo di strumenti di perforazione convenzionali e nuovi.
I fluidi sintetici aiutano il processo di perforazione
Per sfruttare l'energia geotermica, l'acqua calda proveniente da serbatoi sotterranei viene pompata in superficie tramite un circuito chiuso, dove viene utilizzato per produrre calore o per azionare turbine a vapore per generare elettricità. Il liquido raffreddato viene quindi riportato al serbatoio sotterraneo per riscaldare le rocce del serbatoio. "Ecco perché abbiamo anche bisogno di test per simulare il comportamento dei fluidi in condizioni di giacimento mentre vengono pompati in superficie, "dice Tilman Cremer, ricercatore presso Fraunhofer IEG. Accanto a tali applicazioni geotermiche, può anche essere possibile estrarre materie prime pregiate come metalli, metalli pesanti, e minerali rari da questi fluidi geografici.
Il banco di prova Fraunhofer IEG consente l'esame rapido ed economico del comportamento delle rocce in condizioni molto estreme. Attestazione:Fraunhofer-Gesellschaft
Il modulo fluid.BOGS produce questi fluidi sintetici. I ricercatori utilizzano quindi il modulo i.BOGS per studiare le loro proprietà di flusso mentre interagiscono con i campioni di roccia. Gli esperti del Fraunhofer IEG possono quindi studiare sia campioni di fluidi reali prelevati da specifici serbatoi che geofluidi, che sono stati creati sinteticamente. Questi potrebbero comprendere una miscela calcolata con precisione di acqua con, Per esempio, cloro, calcio, magnesio e vari altri minerali all'interno dell'autoclave del modulo i.BOGS. Di conseguenza, questi fluidi possono quindi essere studiati per le loro proprietà di flusso.
Quando si tratta di operazioni di perforazione reali, fluidi speciali noti come fanghi di perforazione svolgono un ruolo indispensabile. "Questi fluidi lubrificano, sciacquare e raffreddare gli utensili di perforazione, e portano via anche la roccia rimossa durante la perforazione, "Spiega Wittig.
La combinazione dei tre moduli i.BOGS, drill.BOGS e fluid.BOGS, e tutte le loro varie configurazioni, rendono il banco di prova match.BOGS una struttura unica. Come Jascha Börner, membro del team e ricercatore presso Fraunhofer IEG, spiega:"Possiamo impostare singolarmente ciascuno dei vari parametri:pressione, temperatura, velocità di flusso, la composizione del campione di roccia, e il rapporto di miscelazione dei fluidi." È quindi possibile simulare le condizioni più diverse e produrre dati di pianificazione precisi per progetti di perforazione reali.
Una spinta per l'ingegneria geotermica
La preparazione per i test nella nuova struttura è un processo complicato. Prima di tutto, i sistemi di autoclave devono essere dotati di campioni di roccia. Successivamente pressione e temperatura vengono aumentate. Intanto, gli strumenti di perforazione sono impostati e i fluidi necessari preparati. Come regola generale, ci vuole quasi un'intera giornata per prepararsi all'inizio della simulazione. Lo sforzo è utile poiché porta tutta una serie di vantaggi per il progresso dell'industria della perforazione. Utilizzando tecniche di simulazione per testare le condizioni reali in un sito specifico, gli operatori di perforazione possono pianificare le operazioni di perforazione effettive con maggiore sicurezza. Ciò aumenta l'efficienza dell'operazione poiché tutti gli strumenti di perforazione possono essere impostati correttamente in anticipo, con conseguente risparmio di milioni di euro. Queste misure per ottimizzare l'ingegneria geotermica contribuiranno a rendere più economica ed efficiente la transizione verso un sistema energetico sostenibile.
