地熱には究極のツールが必要ですが、実際に必要なのはどれでしょうか?

今のところ、地熱エネルギーは、高温機器やその他のツールに関するアイデアの広範な希望リストを抱える小さな市場です。

一見すると、非常に硬い高温の岩石に長期にわたる大容量の井戸を掘削して完成させることは、入手可能なハードウェアや供給品の多くでは能力を超えています。

「多くの人は、地熱井を水力で破砕しようとしているのではないかと考えています。最初に頭に浮かぶのは、高温の中でどうやってそれを行うのかということです。ダウンホールのツールは機能するでしょうか…有線、frac プラグなどです」と、Fervo Energy の共同創設者兼 CTO である Jack Norbeck 氏は述べています。

同氏は、最近開催されたSPE油圧破砕技術会議・展示会（HFTC）のオープニングパネルディスカッションで、極度の高温条件用に開発されたプラグのより低コストの代替品を見つけた事例について説明し、その点を述べた。

これは、熱く乾燥した岩石の亀裂に水を注入し、発電やその他の用途に使用する蒸気を生成するために新しいツールが必要ないということではありません。

しかし、テストのこの初期段階では、ハードウェアとメソッドを改善し、新しいものを開発しようとするテストプログラムに基づいて、最終的に何が必要になるかは明らかではありません。

米国エネルギー省 (DOE) のユタ FORGE への資金提供は、高度に機器が装備された地熱試験場での試験と、現在の試験場の岩石よりも高温になる可能性が高い将来の坑井での地下作業のためのツールの発見と評価に支払われています。

FORGEで貯留層管理に取り組むユタ大学准教授のジョン・マクレナン氏は、「地熱の将来はより深く、より高温になり、発電量の大幅な増加につながるだろう」と述べた。

高額な試験コストを削減する現在の回避策は、将来の坑井でより高温で高価値の蒸気が生成される場合には機能しない可能性があります。

「現時点では、EGS（改良型地熱システム）の地熱温度スケールの下限に位置しています」とマクレナン氏は語った。

長期的な懸念には、これらの極端な井戸に使用される機器や材料をテストするための実験室の方法や機器の必要性が含まれます。

2月にスタンフォード大学で開催された第48回地熱貯留層工学ワークショップで発表された論文では、地熱井用に建設された「岩石、プロパント、ダイバータ、セメント、計器類、機器の挙動を研究する施設」の建設が求められている。

AltaRock Energy と Blade Energy の論文によると、「現在利用可能な実験室試験装置は一般に 300°C 以下の温度に制限されており、ほとんどの場合は 200°C 以下の温度で使用されます。」と、入手可能なものでは小規模な試験しかできないことが多いと付け加えています。サイズのサンプル。

しかし、エンジニアは、より低コストで実証済みの方法を探すことを決してやめません。

FORGE地熱試験場では、エクソンモービル時代に開発したテキサス工科大学教授フレッド・デュプリースト氏が開発した方法を使用すると、硬い岩石を大幅に高速で掘削できることが示された。このプロセス改善方法によりドリルビットの変更が行われましたが、実際に新しいものや変わったものは何もありませんでした。

ファーボはスタンフォードのワークショップで発表した論文の中で、ネバダ州の試験場について「プロジェクトは業界ですでに一般的に存在する掘削および仕上げツールと技術を使用して完了した」と述べた。

一部のニーズ

FORGE が最初の坑井を掘削して以来、装備の希望リストは増え続けています。 HFTC で昨年の春に FORGE サイトで実施された破壊テストについて説明している間、マクレナン氏は受振器についていくつかのアドバイスを提供しました。これらは「温度に非常に敏感」である可能性があります (SPE 212346)。

同氏のコメントは、1年前の井戸の破砕作業中に受振器が故障し、微小地震データの収集が制限されたことに基づいていた。それ以来、彼らはダウンホールのデータ収集のために、より耐熱性の高い光ファイバーケーブルに移行するプロジェクトを開始しました。

この問題には 2 組のパートナーが取り組んでいます。1 つのチームにはライス大学とシェルが所属し、もう 1 つのチームはテキサス大学オースティン校と光ファイバー会社のシリクサで構成されています。

FORGE のもう 1 つの課題は、高熱に耐えられるゲルとホットロックの経験を持つエンジニアを見つけることでした。

マクレナン氏はHFTCのプレゼンテーションで、「一部の古いオプションは利用できなくなり、一部の主題専門家（SME）も利用できなくなった」と述べた。

講演の後、彼は技術セッションに使用される部屋の外のロビーに移動し、そこで中小企業を惹きつけて FORGE に関する質問やいくつかの提案をしました。

破砕化学で長い経験を持つ中小企業は、彼が数年前に特許を取得した、さらに高温の井戸でも機能する可能性のある高温ゲルについて彼に話しました。ただし、そうするには、彼の元雇用主とその知的財産を買収した大手サービス会社との契約が必要となる。

ゲルの必要性は、FORGE の最初の破壊テストで、ポンプを使用して破壊の成長をより適切に管理できるかどうかを確認する 1 つの段階の結果に依存する可能性があります。

テスト中に観察できた内容に基づくと、架橋ポリマーゲルが役に立った可能性があります。マクレナン氏は、骨折モデリングに基づいて、より大きな高さの成長と単純な平面骨折の生成を観察したと述べた。

しかし、それは微小地震画像に大きく基づいた単一段階のテストの初期の印象です。亀裂が入った領域に井戸を掘削し、注入試験を行うことで何が分かるか、さらに多くのことが分かるだろう。

プラグの問題

Fervo と FORGE のエンジニアにとって、プラグは問題です。 400°F の井戸内で熱にさらされると、ほとんどのエラストマーが硬くなり、凹凸のある表面にしっかりとシールを形成できなくなります。

マクレナン氏がHFTCのロビーで会った専門家の中には、ペトロクイップ・エネルギー・サービス社の運営担当副社長ロバート・クーン氏もいた。彼は前日の会議をフォローアップし、最大475°Fの温度に対応する井戸用に開発中の2つのツールを視察した。マクレナン氏は、FORGE 用に同社のウォーラー施設で構築およびテスト中の分離ツールとオープンホールパッカーを見ることができました。

機器メーカーは、物事をより良くするためのアイデアを持つサプライヤーにとって、地熱はチャンスであると考えています。しかしそれには、顧客が最終的に何を必要とするかについて、ある程度の不確実性が伴います。

クーン氏は、熱い岩石の中を流れる水を注入して生産するために必要な井戸を完成させるための「明確な最善の方法を誰も思いついていない」と述べた。

FORGE 向けに、PetroQuip は、長さ 12 インチのシール要素と、その極端な温度でのシールに熱可塑性プラスチックを使用したブリッジプラグを備えたオープンホールパッカーを構築しています。

FORGEは、最初の破砕試験でステージを隔離するために使用したブリッジプラグを交換したいと考えている。ブリッジプラグはドリルパイプを使用して設置する必要があったため、破砕に掘削リグを使用する費用が追加されたとマクレナン氏は述べた。

彼らが PetroQuip で構築しているものは、コイル状のチューブを使用して実行できるため、リグは必要なく、電線を使用してポンプダウンできる可能性があります。

7 インチ用に設計されたプラグ用のコイル状チューブ以外のもの。クーン氏はケーシングを心配しています。なぜなら、これほど大きな直径の横方向のケーシングで効果的に行われているのを見たことがなかったからです。

破砕中の冷却

以前、Fervo は同様のプラグ開発プロセスを経ました。 DOE からの資金提供を受けて、サプライヤーと協力して 400°F の坑井に対応するプラグを製造しました。しかし、高温の油井やガス井での破砕用に、より低コストの既製プラグも発見しました。

「私たちは一般的に375°Fから425°Fを目標にしています。つまり、極端な温度について話しているわけではありませんが、ご存知のとおり、ヘインズビルのような最も暑い油田やガス田よりも高い温度です」とノーベック氏は述べた。

Fervo のネバダ州の試験井の光ファイバーケーブルに基づくと、ケーシング内の最高温度は約 250°F でした。これにより、いくつかの低コストの製品への扉が開かれました。

数値が正しいことを確認するために、彼らはダウンホールのデータを使用して、ステージにポンプを送っていないときに温度がどの程度上昇するかをモデル化しました。

貯留層内の温度が 400°F であると仮定したその研究に基づくと、破砕中にポンプが停止している場合でも、温度は 265°F で最高に達する可能性があります。

「私たちは実際、より標準的な（そして）低コストのこれらの低温プラグを使用できるというかなりの自信を持っていました。そして、大丈夫です」と彼は言いました。

その後、いくつかの低コストのプラグを使用することに成功しました。

「私がこれを取り上げたのは、人々が最初に直観的に、高温条件のため、これは非常に困難な問題だったと言うことです。」

しかし、エンジニアが坑井内のデータを調査したところ、コストを節約できる選択肢があることがわかりました。

さらに読むために

超臨界条件を超える岩石、プロパント、ダイバーター、セメント、計装、機器の挙動を研究する施設の開発の必要性、AltaRock Energy の Susan Petty、Matthew Uddenberg、Geoffrey Garrison らによる。

ジャック・ノーベック、ティモシー・ラティマー、クリスチャン・グラドルら、Fervo Energy によるネバダ中北部の水平地熱井システムの掘削、完成、刺激に関するレビュー。

SPE 212346 ユタ大学の John McLennan によるユタ FORGE サイトの高温花崗岩貯留層の刺激。ケビン・イングランド、EK Petro Consulting LLC、ユタ大学エネルギー・地球科学研究所のピーター・ローズ、ジョセフ・ムーア、ベン・バーカー。