Geothermie erfordert extreme Werkzeuge, aber welche werden wirklich benötigt?

Derzeit ist Geothermie ein winziger Markt mit einer umfangreichen Wunschliste an Hochtemperaturgeräten und anderen Werkzeugideen.

Oberflächlich betrachtet übersteigt das Bohren und Fertigstellen von langlebigen Bohrlöchern mit hoher Kapazität in extrem hartem, heißem Gestein die Möglichkeiten eines Großteils der verfügbaren Hardware und Materialien.

„Viele Leute denken: Okay, Sie versuchen, geothermische Bohrlöcher hydraulisch aufzubrechen. Wissen Sie, das erste, was ihnen in den Sinn kommt, ist, wie soll das bei hohen Temperaturen gemacht werden? Funktionieren Ihre Bohrlochwerkzeuge … Wireline, Frac-Stecker usw.“, sagte Jack Norbeck, Mitbegründer und CTO von Fervo Energy.

Dies brachte er während der Eröffnungs-Podiumsdiskussion auf der jüngsten SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference and Exhibition (HFTC) zum Ausdruck, als er einen Fall beschrieb, bei dem kostengünstigere Alternativen zu einem Stopfen gefunden wurden, der für extrem heiße Bedingungen entwickelt wurde.

Das heißt nicht, dass keine neuen Werkzeuge benötigt werden, um Wasser durch Risse in heißem, trockenem Gestein zu injizieren und Dampf für die Stromerzeugung und andere Zwecke zu erzeugen.

In diesem frühen Teststadium ist jedoch nicht klar, was letztendlich erforderlich sein wird, wenn Testprogramme versuchen, Hardware und Methoden zu verbessern und neue zu entwickeln.

Die Mittel des US-Energieministeriums (DOE) für Utah FORGE finanzieren Tests an einem hochinstrumentierten Geothermie-Teststandort sowie die Suche und Bewertung von Werkzeugen für Arbeiten unter der Oberfläche in zukünftigen Bohrlöchern, die wahrscheinlich heißer sind als das Gestein an aktuellen Teststandorten.

„Die Zukunft der Geothermie ist tiefer und heißer, was zu einer deutlich höheren Stromproduktion führen wird“, sagte John McLennan, außerordentlicher Professor an der University of Utah, der sich bei FORGE mit Reservoirmanagement beschäftigt.

Aktuelle Problemumgehungen, die die hohen Testkosten reduzieren, funktionieren möglicherweise nicht, wenn zukünftige Bohrlöcher heißeren Dampf mit höherem Wert produzieren.

„Wir befinden uns derzeit am unteren Ende der geothermischen Temperaturskala für EGS (Enhanced Geothermal Systems)“, sagte McLennan.

Zu den langfristigen Bedenken gehört der Bedarf an Labormethoden und -instrumenten zum Testen von Geräten und Materialien, die für diese extremen Bohrlöcher verwendet werden sollen.

In einem auf dem 48. Workshop über geothermische Reservoirtechnik im Februar an der Stanford University gehaltenen Vortrag wurde eine „Einrichtung zur Untersuchung des Verhaltens von Gesteinen, Stützmitteln, Umleitern, Zementen, Instrumenten und Geräten“ für Geothermiebrunnen gefordert.

„Derzeit verfügbare Labortestgeräte sind im Allgemeinen auf Temperaturen von 300 °C oder darunter beschränkt, am häufigsten auf Temperaturen unter 200 °C“, heißt es in dem Papier von AltaRock Energy und Blade Energy, das hinzufügt, dass mit den verfügbaren Geräten oft nur kleine Tests durchgeführt werden können. große Proben.

Aber Ingenieure werden nie aufhören, nach kostengünstigeren, bewährten Methoden zu suchen.

Am FORGE-Geothermie-Teststandort haben sie gezeigt, dass es möglich ist, mit einer Methode, die von Fred Dupriest, einem texanischen A&M-Professor, der sie während seiner Zeit bei ExxonMobil entwickelt hat, entwickelt wurde, deutlich schneller durch hartes Gestein zu bohren. Diese Prozessverbesserungsmethode führte zu Bohrermodifikationen, aber nichts wirklich Neuem und Anderem.

Fervo sagte über seinen Teststandort in Nevada: „Das Projekt wurde mit Bohr- und Fertigstellungswerkzeugen und -technologie abgeschlossen, die in der Branche bereits üblich sind“, in einem auf dem Stanford-Workshop vorgestellten Papier.

Einige Bedürfnisse

Die Ausrüstungswunschliste von FORGE ist seit der ersten Bohrung gewachsen. Als McLennan am HFTC einen im vergangenen Frühjahr am FORGE-Standort durchgeführten Bruchtest beschrieb, gab er einige Ratschläge zu Geophonen. Sie können „sehr temperaturempfindlich“ sein (SPE 212346).

Sein Kommentar basierte auf Geophonausfällen, die die mikroseismische Datenerfassung während des Bohrlochbruchs vor einem Jahr einschränkten. Seitdem haben sie ein Projekt gestartet, um für die Datenerfassung im Bohrloch auf hitzebeständigere Glasfaserkabel umzusteigen.

An diesem Problem arbeiten zwei Partnerpaare: Rice University und Shell gehören zum einen Team, und zum anderen Team gehören die University of Texas in Austin und Silixa, ein Glasfaserunternehmen.

Eine weitere Herausforderung für FORGE bestand darin, Gele zu finden, die der hohen Hitze standhalten, und Ingenieure mit Erfahrung in heißem Gestein zu finden.

„Einige alte Optionen sind nicht mehr verfügbar und einige Fachexperten (KMU) sind nicht mehr verfügbar“, sagte McLennan während einer HFTC-Präsentation.

Nach dem Vortrag begab er sich in eine Lobby außerhalb der Räume, die für technische Sitzungen genutzt wurden, wo er mit Fragen zu FORGE und einigen Vorschlägen ein Magnet für KMU war.

Ein KMU mit langjähriger Erfahrung in der Frakturchemie erzählte ihm von einem Hochtemperaturgel, das er vor Jahren patentieren ließ und das möglicherweise in noch heißeren Bohrlöchern funktioniert. Dazu wäre jedoch ein Deal mit dem großen Dienstleistungsunternehmen erforderlich, das seinen früheren Arbeitgeber und dessen geistiges Eigentum erworben hat.

Der Bedarf an Gel hängt möglicherweise von den Ergebnissen einer Phase der ersten Bruchtests von FORGE ab, bei denen gepumpt wurde, um zu sehen, ob es ihnen ermöglichte, das Bruchwachstum besser zu steuern.

Basierend auf dem, was sie während des Tests beobachten konnten, könnte ein vernetztes Polymergel geholfen haben. McLennan sagte, sie hätten auf der Grundlage ihrer Bruchmodellierung ein größeres Höhenwachstum und die Entstehung einfacher planarer Brüche beobachtet.

Aber das ist ein erster Eindruck eines einstufigen Tests, der stark auf mikroseismischer Bildgebung basiert. Was sie aus dem Bohren eines Brunnens durch den Bruchbereich und der Durchführung von Injektionstests lernen, wird ihnen mehr verraten.

Steckerprobleme

Für die Ingenieure von Fervo und FORGE sind Stecker ein Problem. Wenn sie der Hitze in einem 400 °F heißen Bohrloch ausgesetzt werden, werden die meisten Elastomere steif und können auf einer unregelmäßigen Oberfläche keine dichte Abdichtung bilden.

Zu den Experten, die McLennan in der Lobby des HFTC traf, gehörte Robert Coon, der Betriebsleiter von PetroQuip Energy Services, der sein Treffen am Vortag weiterverfolgen wollte, um sich zwei Werkzeuge anzusehen, die sie für Bohrlöcher mit Temperaturen bis zu 475 °F bauen. McLennan konnte sich ein Isolationswerkzeug und einen Openhole-Packer ansehen, die sie im Waller-Werk des Unternehmens für FORGE bauen und testen.

Der Gerätehersteller sieht in der Geothermie eine Chance für Lieferanten mit Ideen, wie man es besser machen kann. Dies bringt jedoch eine gewisse Unsicherheit darüber mit sich, was die Kunden letztendlich benötigen werden.

„Niemand hat einen definitiv besten Weg gefunden“, um die Brunnen fertigzustellen, die für die Injektion und Förderung von Wasser erforderlich sind, das durch heißes Gestein fließt, sagte Coon.

Für FORGE baut PetroQuip einen Openhole-Packer mit einem 12 Zoll langen Dichtungselement und einem Brückenstopfen unter Verwendung von Thermoplasten zur Abdichtung bei dieser extremen Temperatur.

FORGE möchte den Brückenstopfen ersetzen, den es bei seinem ersten Frakturierungstest zur Isolierung der Stufen verwendet hat, da dieser mithilfe von Bohrgestängen gesetzt werden musste, was die Kosten für den Einsatz einer Bohranlage für die Frakturierung erhöhte, sagte McLennan.

Was sie bei PetroQuip bauen, kann mit Spiralrohren betrieben werden, sodass keine Bohranlage erforderlich ist, und könnte möglicherweise über eine elektrische Leitung abgepumpt werden.

Alles andere als ein Spiralschlauch für einen Stecker, der für 7 Zoll ausgelegt ist. Das Gehäuse macht Coon Sorgen, weil er noch nie erlebt hat, dass dies bei einem so großen Seitenteil effektiv umgesetzt wurde.

Kühler beim Frakturieren

Zuvor durchlief Fervo einen ähnlichen Plug-Entwicklungsprozess. Das Unternehmen arbeitete mit einem Lieferanten zusammen, um mit Mitteln des DOE einen Stopfen zu bauen, der für Bohrlöcher mit einer Temperatur von 400 °F ausgelegt ist. Es wurden aber auch kostengünstigere handelsübliche Stopfen für die Frakturierung in Öl- und Gasquellen mit höheren Temperaturen gefunden.

„Wir streben im Allgemeinen 375 bis 425 °F an. Wir sprechen also nicht von extremen Temperaturen, aber Sie wissen schon, höher als selbst in den heißesten Öl- und Gasfeldern wie Haynesville“, sagte Norbeck.

Basierend auf dem Glasfaserkabel von Fervo in ihrem Testbohrloch in Nevada betrug die höchste Temperatur im Inneren des Gehäuses etwa 250 °F. Das öffnete die Tür zu mehreren günstigeren Teilen.

Um sicherzustellen, dass ihre Zahlen richtig waren, verwendeten sie Bohrlochdaten, um zu modellieren, wie stark die Temperatur anstieg, wenn eine Stufe nicht gepumpt wurde.

Basierend auf dieser Arbeit, bei der davon ausgegangen wurde, dass die Temperatur im Reservoir 400 °F betrug, könnte die Temperatur ihren Höhepunkt bei 265 °F erreichen, selbst wenn die Pumpen während der Frakturierung ausgeschaltet waren.

„Wir waren eigentlich ziemlich zuversichtlich, dass wir diese Zündkerzen für niedrigere Temperaturen einsetzen könnten, die standardmäßiger (und kostengünstiger) sind. Und wir wären in Ordnung“, sagte er.

Anschließend verwendeten sie erfolgreich mehrere kostengünstigere Stecker.

„Ich führe dies nur als Beispiel für etwas an, bei dem die erste Intuition der Menschen darin besteht, zu sagen: Okay, das war aufgrund der hohen Temperaturen eine wirklich herausfordernde Angelegenheit.“

Doch als die Ingenieure die Bohrlochdaten untersuchten, erkannten sie, dass es Möglichkeiten zur Kosteneinsparung gab.

ZUM WEITEREN LESEN

Notwendigkeit der Entwicklung einer Anlage zur Untersuchung des Verhaltens von Gesteinen, Stützmitteln, Umleitern, Zementen, Instrumenten und Geräten bei überkritischen Bedingungen von Susan Petty, Matthew Uddenberg und Geoffrey Garrison et al., AltaRock Energy.

Ein Überblick über Bohrungen, Fertigstellung und Stimulation eines horizontalen geothermischen Bohrlochsystems in Nord-Zentral-Nevada von Jack Norbeck, Timothy Latimer und Christian Gradl et al., Fervo Energy.

SPE 212346 Stimulation eines Hochtemperatur-Granitreservoirs am Utah FORGE-Standort von John McLennan, University of Utah; Kevin England, EK Petro Consulting LLC; Peter Rose, Joseph Moore und Ben Barker, Energy & Geoscience Institute, University of Utah.