Para acessar reservatórios geotérmicos, poços devem ser perfurados profundamente na crosta terrestre. Devido às pressões e temperaturas extremas envolvidas, isso é caro e demorado. Uma equipe de pesquisa do Fraunhofer IEG desenvolveu agora uma plataforma de teste que simula as condições do fundo do poço a vários milhares de metros abaixo da superfície da terra. A análise desses experimentos permite que os operadores otimizem a perfuração durante o planejamento e a fase operacional e os ajuda a desenvolver e testar novas ferramentas de perfuração, minimizando custos e riscos econômicos. Isso tornará a engenharia geotérmica mais eficiente, ajudando a acelerar a transição para um novo, economia de energia sustentável.

Com a era da produção de carvão chegando ao fim, a energia geotérmica está ganhando mais atenção como o próximo recurso principal a fornecer quantidades virtualmente inesgotáveis ​​de energia. Pode ser explorado na forma de calor ou usado para gerar eletricidade, independentemente das condições meteorológicas ou da hora do dia. A engenharia geotérmica profunda envolve a perfuração de poços até profundidades de vários milhares de metros abaixo da superfície da Terra, onde as temperaturas podem chegar a 100 graus Celsius. O processo de perfuração pode encontrar vários tipos de rocha, cada um com propriedades diferentes, como dureza, força e densidade. Cada tipo de rocha pode interagir de maneira completamente diferente com a broca de perfuração de fundo de poço e o equipamento. Dados todos esses fatores, o processo completo de perfuração e seus requisitos de equipamentos de superfície, como bombeamento, são procedimentos complexos que requerem um planejamento cuidadoso.

i.BOGS simula condições extremas de reservatório

Em resposta a este desafio, a Instituição de Pesquisa Fraunhofer para Infraestruturas de Energia e Sistemas Geotérmicos IEG, desenvolveu e está operando um novo equipamento de teste, nomeado match.BOGS. Isso é projetado para simular condições in situ durante as operações de fundo de poço e perfuração. A bancada de teste consiste em três módulos principais:i.BOGS, um sistema de autoclave; broca.BOGS, um módulo de perfuração; e fluido.BOGS, um módulo para a produção de fluidos sintéticos. match.BOGS pode ser usado para simular fisicamente e permitir a investigação de todos os processos envolvidos na perfuração de um poço até uma profundidade de 5000 metros. O sistema de monitoramento apresenta uma variedade de sensores, incluindo acústicos, sistemas de medição térmica e óptica.

A análise dos dados do sistema de monitoramento oferece insights sobre a configuração e otimização da operação das ferramentas de perfuração. "Isso torna mais fácil planejar as operações de perfuração e determinar, antecipadamente, parâmetros como o tipo de ferramenta de perfuração, parâmetros do processo de perfuração e pressões necessárias, "explica Volker Wittig, chefe de Tecnologias Avançadas de Perfuração na Fraunhofer IEG.

O sistema de autoclave i.BOGS foi desenvolvido e construído exclusivamente para a equipe de pesquisa do Fraunhofer IEG de acordo com suas especificações precisas. Ele pode lidar com amostras de rochas com um comprimento de 3 metros e um diâmetro de até 25 centímetros. O vaso de pressão dentro do sistema de autoclave sujeita essas amostras a pressões de até 1250 bar e temperaturas de até 180 graus Celsius. Isso simula condições de fundo de poço equivalentes àquelas em uma profundidade de 5.000 metros abaixo da superfície da terra. O vaso de pressão tem uma espessura de parede de 20 centímetros e é preso por um total de 25 parafusos, cada um pesando 9 quilos. Assim, a bancada de teste é capaz de resistir a condições extremas com segurança. Ferramentas de perfuração especiais ou bombas também podem ser incorporadas com a finalidade de testar requisitos específicos.

Ferramentas de perfuração com laser e pulsos de alta tensão

O módulo drill.BOGS possui dois cilindros hidráulicos que fornecem uma força de alimentação de até 400 kilonewtons (kN). Um motor elétrico aciona a haste de perfuração na amostra de rocha com valores de torque de até 12 quilonewton metros (kNm). As tecnologias integradas de medição e controle de processo tornam esse processo totalmente automático.

Este módulo pode ser equipado com uma variedade de ferramentas de perfuração para permitir que os pesquisadores da Fraunhofer IEG testem não apenas as ferramentas convencionais, que operam por meio de desintegração mecânica de rochas, mas também novas tecnologias de perfuração. Novas tecnologias podem usar, como um exemplo, rajadas de alta tensão, um feixe de laser ou um jato de chama para penetrar na superfície da rocha mais facilmente. "Essas tecnologias de perfuração sem contato resultam em uma redução significativa das taxas de alto desgaste em ferramentas de perfuração caras, estendendo assim sua vida útil, "Wittig explica. Como tal, os testes conduzidos no Fraunhofer IEG também estão ajudando a avançar no desenvolvimento de ferramentas de perfuração convencionais e inovadoras.

Fluidos sintéticos auxiliam no processo de perfuração

Para explorar a energia geotérmica, a água quente de reservatórios subterrâneos é bombeada por meio de um circuito fechado para a superfície, onde é usado para produzir calor ou para acionar turbinas a vapor para gerar eletricidade. O líquido resfriado é então enviado de volta ao reservatório subterrâneo para reaquecer as rochas do reservatório. "É por isso que também precisamos de testes para simular o comportamento dos fluidos nas condições do reservatório à medida que são bombeados para a superfície, "diz Tilman Cremer, bolsista de pesquisa no Fraunhofer IEG. Junto com essas aplicações geotérmicas, também pode ser possível extrair matérias-primas valiosas, como metais, metais pesados, e minerais raros desses geofluidos.

O módulo fluid.BOGS produz esses fluidos sintéticos. Os pesquisadores então usam o módulo i.BOGS para investigar suas propriedades de fluxo à medida que interagem com as amostras de rocha. Os especialistas do Fraunhofer IEG podem, portanto, estudar amostras reais de fluidos retiradas de reservatórios específicos ou geofluidos, que foram criados sinteticamente. Estes podem incluir uma mistura calculada com precisão de água com, por exemplo, cloro, cálcio, magnésio e vários outros minerais dentro da autoclave do módulo i.BOGS. Consequentemente, esses fluidos podem então ser investigados por suas propriedades de fluxo.

Quando se trata de operações reais de perfuração, fluidos especiais conhecidos como lamas de perfuração desempenham um papel indispensável. "Esses fluidos lubrificam, enxágue e resfrie as ferramentas de perfuração, e também carregam a rocha removida durante a perfuração, "Wittig explica.

A combinação dos três módulos i.BOGS, broca.BOGS e fluido.BOGS, e todas as suas várias configurações, faça do equipamento de teste match.BOGS uma instalação única. Como Jascha Börner, membro da equipe e pesquisador do Fraunhofer IEG, explica:"Podemos definir individualmente cada um dos vários parâmetros - pressão, temperatura, velocidade do fluxo, a composição da amostra de rocha, e a relação de mistura dos fluidos. ”Portanto, é possível simular as mais diversas condições e produzir dados de planejamento precisos para projetos reais de perfuração.

Um impulso para a engenharia geotérmica

A preparação para o teste na nova instalação é um processo complicado. Em primeiro lugar, os sistemas de autoclave devem ser equipados com amostras de rocha. A pressão e a temperatura são aumentadas sucessivamente. Enquanto isso, as ferramentas de perfuração são configuradas e os fluidos necessários preparados. Como um princípio básico, leva quase um dia inteiro para se preparar para o início da simulação. O esforço vale a pena, pois traz toda uma gama de benefícios para o avanço da indústria de perfuração. Usando técnicas de simulação para testar as condições reais em um local específico, os operadores de perfuração podem planejar as operações de perfuração reais com mais confiança. Isso aumenta a eficiência da operação, uma vez que todas as ferramentas de perfuração podem ser configuradas adequadamente com antecedência, resultando em economias de milhões de euros. Essas medidas para otimizar a engenharia geotérmica ajudarão a tornar a transição para um sistema de energia sustentável mais econômica e eficiente.