Норвежский исследовательский институт SINTEF делится своим взглядом на сверхгорячие породы как на будущее геотермальной энергетики и на технологические проблемы, которые необходимо преодолеть.
99 процентов земного шара имеет температуру более 1000 градусов по Цельсию. Это остаточное тепло, исходящее от земли и от распада радиоактивных веществ, которое можно преобразовать в возобновляемую, стабильную энергию без CO2. И чем глубже, тем большее количество такой энергии можно получить. Норвежская исследовательская компания SINTEF, обладающая передовым международным опытом в области технологий, естественных и социальных наук опубликовала статью, в которой рассматриваются возможности для реализации подобных возобновляемых проектов.
«Если нам удастся извлечь лишь небольшую часть существующего геотермального тепла, этого уже будет достаточно для того, чтобы обеспечить всех жителей Земли чистой и безопасной энергией», - говорит представитель SINTEF Хиеу Нгуен Хоанг.
Исландия – страна, использующая сегодня геотермальное тепло в качестве важной части своей энергетической системы. Благодаря вулканической активности здесь есть все условия для извлечения геотермального тепла, поэтому наибольшая доля электроэнергии в Исландии производится за счет геотермальной энергии.
Но существует большой потенциал и для других частей света, особенно, если будет возможность для извлечения геотермального тепла как можно ближе к жидкой мантии.
С каждым километром продвижения вглубь к ядру Земли температура повышается. По словам исследователя и руководителя проекта SINTEF, внутри самого ядра температура достигает 5000 градусов Цельсия.
Опыт нефтяной отрасли.
Совместно с исследователями из нескольких стран, а также с норвежской компанией Equinor была разработана технология скважин, которая выдерживает экстремально высокие температуры - проект HotCase.
Необходимое условие для получения тепла с глубины - это когда вода, находящаяся в самом пласте, могла поступать в скважину и подниматься на поверхность.
«Вот почему работы должны проводиться в относительно пористых пластах, в которых достаточно естественных трещин для перемещения воды», - объясняет Стурла Сётер из Equinor.
Цель проекта заключается в создании такой конструкции скважины, которая сможет выдерживать как высокие температуры, так и геологические образования, которые являются пористыми и, следовательно, могут двигаться. Исследовательской группе это удалось на основе технологий нефтяной промышленности.
Если эта конструкция не выдержит суровых условий окружающей среды, то может произойти несколько вещей: оборудование может подвергнуться воздействию водорода, который разъедает сталь и снижает прочность обсадной трубы, что, в свою очередь, может привести к обрушению всей скважины.
«Исландская скважина IDDP-2 (Iceland Deep Drilling Project-2) используется для сбора данных, которые составляют основу расчетов в Hot Case», - говорит Стурла Сётер, которая принимала участие в проекте IDDP-2 в Исландии, где цель состояла в том, чтобы узнать больше о продуктивности глубоких и чрезвычайно горячих геотермальных резервуаров.
Но HotCase также может внести свой вклад в работу по обеспечению безопасного хранения CO2 в недрах, так называемый CCS (улавливание и хранение углерода).
«Такое хранение требует, чтобы резервуар оставался полностью герметичным и не протекал в будущем. Таким образом, знания, полученные в HotCase, будут важны, когда мир действительно начнет работать с CCS, так как это поможет в достижении климатических целей», - говорит исследователь SINTEF Хоанг.
Высокие инвестиции - большой потенциал.
Извлечение геотермального тепла требует больших затрат на разведку, картирование и бурение скважин. Однако в случае успеха электричество, произведенное из геотермального тепла, может стать выгодной альтернативой солнечной и ветряной энергии.
Стоимость геотермальной энергии может быть еще ниже при условии, что удастся пробурить резервуары, содержащие «сверхкритическую воду» под высоким давлением, которая выходит на поверхность в виде перегретого пара. И именно это является целью проекта.
«Сверхкритическая вода содержит огромное количество энергии, намного больше, чем традиционная геотермальная энергия, где это смесь воды и пара, выходящая на поверхность. В таких глубоких резервуарах жидкость содержит столько энергии, что можно рассчитывать на производство в 5-10 раз больше электроэнергии, чем генерируют обычные геотермальные скважины», - говорит Сётер.
Технологии на грани возможностей.
Для извлечения тепла, содержащегося в действительно глубоких геологических формациях, требуется «технология, позволяющая продлить срок службы скважины без разрушения», которая в настоящее время еще не разработана.
Исландия уже предпринимала несколько попыток, которые оказались безуспешными. Поэтому без преувеличения можно сказать, что HotCaSe - это проект на грани технологических возможностей. Условия, существующие в недрах Земли, сами по себе особенные.
Одно дело - температура 5-600 градусов Цельсия. Но когда температура на термометре проходит критическую точку в 374 градусов и давление увеличивается в 218 раз по сравнению с давлением воздуха на поверхности, вода становится «сверхкритической» и переходит из жидкого состояния в газ после вытекания из скважины. В сверхкритической фазе жидкость может быть очень агрессивной при определенных химических условиях. Это чрезвычайно сложно.
«Немного упрощая, обсадную трубу можно охарактеризовать как внешнюю оболочку самого большого и выносливого подземного термоса», - говорит исследователь SINTEF.
Геотермальная скважина должна быть спроектирована с учетом экстремальных условий. Материалы, которые будут использоваться в наружной стене геотермальной скважины, должны иметь особые свойства, а скважина должна прослужить не менее 20 лет и выдерживать повышение температуры в тепловом резервуаре за короткий период времени, чтобы быть коммерчески выгодной.
Опасность обрушения скважины.
Центральная часть геотермальной скважины - это система обсадных труб. Это «внешние стены» скважины, которые обычно состоят из стальной обсадной трубы и цемента. Стены предназначены для защиты скважины от внешнего воздействия.
Обсадная труба должна быть спроектирована таким образом, чтобы скважина оставалась стабильной в геологической формации. Она также должна защищать системы контроля и буровое оборудование.
В случае, если конструкция не выдержит суровых условий окружающей среды, то может произойти несколько вещей: оборудование может подвергнуться водородной коррозии, которая разъедает сталь и снижает прочность корпуса, что может привести к обрушению всей скважины.
Следовательно, используемые материалы должны обладать особыми свойствами, а скважина должна быть спроектирована и построена так, чтобы срок ее службы составлял не менее 20 лет и она могла выдерживать непредвиденные обстоятельства, которые могут вызвать экстремальные температуры в течение коротких периодов времени.
Конструкция скважины, способная выдержать небольшое «землетрясение».
После четырех лет работ с различными технологическими концепциями и тестированием материалов у команды появилось готовое решение: «гибкость при строительстве скважин», которое было передано нефтяной промышленностью и доработано партнером проекта ISOR.
Высокие температуры означают, что конструкция скважины подвергается воздействию высокого напряжения. Если обсадная труба не может сдвинуться при запуске скважины, это может иметь серьезные последствия, о которых известно по другим геотермальным скважинам, которые разрушились из-за геологического напряжения.
«Поэтому сейчас планируется построить гибкую скважину, которая допускает значительное смещение, что снижает напряжение в конструкции, так как мы хотим избежать обрушения», - говорит Хиеу Нгуен Хоанг.
База важных данных как основа.
Важной частью проекта была разработка инструмента анализа Casinteg. Это компьютерная программа, содержащая информацию обо всем, от материалов до химических реакций и, следовательно, об опыте работы с исландской скважиной IDDP-2.
Этот инструмент позволил лучше понять физические явления, происходящие в недрах земли. Но это также дает важную информацию, которая позволяет выбрать правильные материалы для обсадных труб. Все это сначала моделируется, а затем сверяется с фактическими условиями и параметрами работы для предотвращения обрушения скважины в будущем.
HotCase прокладывает путь к следующему поколению геотермальной энергии.
В 2017 году была завершена геотермальная скважина IDDP-2 в Исландии, которую пробурили норвежская компания Equinor совместно с исландскими партнерами. После бурения температура в скважине составила 427°С, и предполагается, что в пласте вокруг скважины температура превышает 500 градусов Цельсия.
Таким образом, скважина стала одной из первых в мире, которая достигла сверхкритической температуры. К сожалению, система обсадных труб быстро повредилась. Поэтому измерить условия в скважине и провести запланированные эксплуатационные испытания не удалось.
Но партнер проекта Reykjavik Energy, который участвует в HotCaSe, планирует через 2 года пробурить следующую скважину IDDP3.
Опыт первых двух скважин, IDDP-1 и IDDP-2, показал, что самым большим препятствием является обсадная колонна. Теперь исследовательская группа надеется, что технология и инструменты расчета, разработанные в HotCaSe, ликвидируют технологические проблемы и следующий проект будет успешным. И здесь Casinteg сыграет важную роль. «Этот инструмент - один из самых важных результатов проекта для Equinor и всех, кто работает с геотермальной энергией», - говорит Стурла Сётер. Casinteg может быстро рассчитать тепловые и механические нагрузки на обсадную трубу геотермальной скважины.
На шаг ближе к хранению CO2.
Теперь технология этого проекта будет продолжена в новом проекте - IntoWell, который запускается. Этот проект частично финансируется Equinor и Исследовательским советом, и его цель - разработать прочные, безопасные и рентабельные скважины для хранения CO2 в недрах земли.
Это обеспечит возможность в обозримом будущем улавливать CO2 в больших масштабах. Поэтому знания, полученные в этом проекте, будут важны, когда мир начнет работать с CCS, и тогда Casinteg будет использоваться для оценки различных концепций скважин для хранения CO2.