Норвезький дослідний інститут SINTEF ділиться своїм поглядом на надгарячі породи як на майбутнє геотермальної енергетики та на технологічні проблеми, які необхідно подолати.
99% земної кулі має температуру понад 1000 градусів за Цельсієм. Це залишкове тепло, що виходить від землі і від розпаду радіоактивних речовин, яке можна перетворити в поновлювану, стабільну енергію без CO2. І чим глибше, тим більша кількість такої енергії можна отримати. Норвезька дослідницька компанія SINTEF, що володіє передовим міжнародним досвідом в області технологій, природних і соціальних наук опублікувала статтю, в якій розглядаються можливості для реалізації подібних поновлюваних проектів.
«Якщо нам вдасться витягти лише невелику частину існуючого геотермального тепла, цього вже буде достатньо для того, щоб забезпечити всіх жителів Землі чистої і безпечної енергією», - говорить представник SINTEF Хіеу Нгуєн Хоанг.
Ісландія - країна, яка сьогодні використовує геотермальне тепло в якості важливої частини своєї енергетичної системи. Завдяки вулканічної активності тут є всі умови для отримання геотермального тепла, тому найбільша частка електроенергії в Ісландії проводиться за рахунок геотермальної енергії.
Але існує великий потенціал і для інших частин світу, особливо, якщо буде можливість для вилучення геотермального тепла якомога ближче до рідкої мантії.
З кожним кілометром просування вглиб до ядра Землі температура підвищується. За словами дослідника і керівника проекту SINTEF, всередині самого ядра температура сягає 5000 градусів Цельсія.
Досвід нафтової галузі.
Спільно з дослідниками з декількох країн, а також з норвезькою компанією Equinor була розроблена технологія свердловин, яка витримує екстремально високі температури - проект HotCase.
Необхідна умова для отримання тепла з глибини - це коли вода, що знаходиться в самому пласті, могла надходити в свердловину і підніматися на поверхню.
«Ось чому роботи повинні проводитися у відносно пористих пластах, в яких досить природних тріщин для переміщення води», - пояснює Стурла Сётер з Equinor.
Мета проекту полягає в створенні такої конструкції свердловини, яка зможе витримувати як високі температури, так і геологічні утворення, які є пористими і, отже, можуть рухатися. Дослідницькій групі це вдалося на основі технологій нафтової промисловості.
Якщо ця конструкція не витримає суворих умов навколишнього середовища, то може статися кілька речей: обладнання може зазнати впливу водню, який роз'їдає сталь і знижує міцність обсадної труби, що, в свою чергу, може привести до обвалення всієї свердловини.
«Ісландська свердловина IDDP-2 (Iceland Deep Drilling Project-2) використовується для збору даних, які складають основу розрахунків в Hot Case», - каже Стурла Сётер, яка брала участь в проекті IDDP-2 в Ісландії, де мета полягала в тому, щоб дізнатися більше про продуктивність глибоких і надзвичайно гарячих геотермальних резервуарів.
Але HotCase також може внести свій вклад в роботу по забезпеченню безпечного зберігання CO2 в надрах, так званий CCS (уловлювання та зберігання вуглецю).
«Таке зберігання вимагає, щоб резервуар залишався повністю герметичним і не протікав в майбутньому. Таким чином, знання, отримані в HotCase, будуть важливі, коли світ дійсно почне працювати з CCS, так як це допоможе в досягненні кліматичних цілей», - каже дослідник SINTEF Хоанг.
Високі інвестиції - великий потенціал.
Витяг геотермального тепла вимагає великих витрат на розвідку, картування і буріння свердловин. Однак в разі успіху електрика, вироблена з геотермального тепла, може стати вигідною альтернативою сонячної і вітряної енергії.
Вартість геотермальної енергії може бути ще нижче за умови, що вдасться пробурити резервуари, що містять «надкритичну воду» під високим тиском, яка виходить на поверхню у вигляді перегрітої пари. І саме це є метою проекту.
«Надкритична вода містить величезну кількість енергії, набагато більше, ніж традиційна геотермальна енергія, де це суміш води і пара, що виходить на поверхню. У таких глибоких резервуарах рідина містить стільки енергії, що можна розраховувати на виробництво в 5-10 разів більше електроенергії, ніж генерують звичайні геотермальні свердловини», - каже Сётер.
Технології на межі можливостей.
Для отримання тепла, що міститься в дійсно глибоких геологічних формаціях, потрібно «технологія, що дозволяє продовжити термін служби свердловини без руйнування», яка в даний час ще не розроблена.
Ісландія вже робила декілька спроб, які не мали успіху. Тому без перебільшення можна сказати, що HotCaSe - це проект на межі технологічних можливостей. Умови, що існують в надрах Землі, самі по собі особливі.
Одна справа, коли температура 5-60 градусів Цельсія. Але коли температура на термометрі проходить критичну точку в 374 градусів і тиск збільшується в 218 разів у порівнянні з тиском повітря на поверхні, вода стає «сверхкритической» і переходить з рідкого стану в газ після витікання з свердловини. У сверхкритической фазі рідина може бути дуже агресивною при певних хімічних умовах. Це надзвичайно складно.
«Трохи спрощуючи, обсадних труб можна охарактеризувати як зовнішню оболонку найбільшого і витривалого підземного термоса», - каже дослідник SINTEF.
Геотермальна свердловина повинна бути спроектована з урахуванням екстремальних умов. Матеріали, які будуть використовуватися в зовнішній стіні геотермальної свердловини, повинні мати особливі властивості, а свердловина повинна прослужити не менше 20 років і витримувати підвищення температури в тепловому резервуарі за короткий період часу, щоб бути комерційно вигідною.
Небезпека обвалення свердловини.
Центральна частина геотермальної свердловини - це система обсадних труб. Це «зовнішні стіни» свердловини, які зазвичай складаються зі сталевої обсадної труби і цементу. Стіни призначені для захисту свердловини від зовнішнього впливу.
Обсадна труба повинна бути спроектована таким чином, щоб свердловина залишалася стабільною в геологічній формації. Вона також повинна захищати системи контролю й бурове устаткування.
У разі, якщо конструкція не витримає суворих умов навколишнього середовища, то може статися кілька речей: обладнання може піддатися водневої корозії, яка роз'їдає сталь і знижує міцність корпусу, що може привести до обвалення всієї свердловини.
Отже, використовувані матеріали повинні володіти особливими властивостями, а свердловина повинна бути спроектована і побудована так, щоб термін її служби становив не менше 20 років і вона могла витримувати непередбачені обставини, які можуть викликати екстремальні температури протягом коротких періодів часу.
Конструкція свердловини, здатна витримати невеликий «землетрус».
Після чотирьох років робіт з різними технологічними концепціями і тестуванням матеріалів у команди з'явилося готове рішення: «гнучкість при будівництві свердловин», яке було передано нафтовою промисловістю і доопрацьовано партнером проекту ISOR.
Високі температури означають, що конструкція свердловини піддається впливу високої напруги. Якщо обсадна труба не може зрушити при запуску свердловини, це може мати серйозні наслідки, про які відомо з інших геотермальних свердловинах, які зруйнувалися через геологічного напруги.
«Тому зараз планується побудувати гнучку свердловину, яка допускає значний зсув, що знижує напругу в конструкції, так як ми хочемо уникнути обвалення», - каже Хіеу Нгуєн Хоанг.
База важливих даних як основа.
Важливою частиною проекту була розробка інструменту аналізу Casinteg. Це комп'ютерна програма, що містить інформацію про все, від матеріалів до хімічних реакцій і, отже, про досвід роботи з ісландської свердловиною IDDP-2.
Цей інструмент дозволив краще зрозуміти фізичні явища, що відбуваються в надрах землі. Але це також дає важливу інформацію, яка дозволяє вибрати правильні матеріали для обсадних труб. Все це спочатку моделюється, а потім звіряється з фактичними умовами та параметрами роботи для запобігання обвалення свердловини в майбутньому.
HotCase прокладає шлях до наступного покоління геотермальної енергії.
У 2017 році була завершена геотермальна свердловина IDDP-2 в Ісландії, яку пробурили норвезька компанія Equinor спільно з ісландською партнерами. Після буріння температура в свердловині склала 427 ° С, і передбачається, що в пласті навколо свердловини температура перевищує 500 градусів Цельсія.
Таким чином, свердловина стала однією з перших в світі, яка досягла надкритичної температури. На жаль, система обсадних труб швидко ушкодилася. Тому виміряти умови в свердловині і провести заплановані експлуатаційні випробування не вдалося.
Але партнер проекту Reykjavik Energy, який бере участь в HotCaSe, планує через 2 роки пробурити наступну свердловину IDDP3.
Досвід перших двох свердловин, IDDP-1 і IDDP-2, показав, що найбільшою перешкодою є обсадна колона. Тепер дослідницька група сподівається, що технологія і інструменти розрахунку, розроблені в HotCaSe, ліквідують технологічні проблеми і наступний проект буде успішним. І тут Casinteg зіграє важливу роль. «Цей інструмент - один з найважливіших результатів проекту для Equinor і всіх, хто працює з геотермальної енергії», - говорить Стурла Сётер. Casinteg може швидко розрахувати теплові і механічні навантаження на обсадних труб геотермальної свердловини.
На крок ближче до зберігання CO2.
Тепер технологія цього проекту буде продовжена в новому проекті - IntoWell, який запускається. Цей проект частково фінансується Equinor і Дослідницьким радою, і його мета - розробити міцні, безпечні і рентабельні свердловини для зберігання CO2 в надрах землі.
Це забезпечить можливість в доступному для огляду майбутньому вловлювати CO2 в великих масштабах. Тому знання, отримані в цьому проекті, будуть важливі, коли світ почне працювати з CCS, і тоді Casinteg буде використовуватися для оцінки різних концепцій свердловин для зберігання CO2.