تحقیقات سندیا برجستگی مته‌های برتر برای حفاری زمین‌گرمایی به‌صرفه‌تر را نشان می‌دهد
در مهندسی، ابزارهای دقیق به اندازه ابزارهایی که جراح برای انجام جراحی‌های پیچیده به‌کار می‌گیرد، مهم است تا با دقت بالا و نرخ موفقیت بالا انجام شوند.
یک مطالعه اخیر که توسط آزمایشگاه‌های ملی سندیا انجام شده، سوابق حفاری از رصدخانه فرانتیر برای تحقیقات در انرژی زمین‌گرمایی (FORGE) را بررسی کرده تا هنر انتخاب مته مناسب برای حفاری چاه‌های زمین‌گرمایی را مسلط کند.
این تحقیق حیاتی، که با بودجه وزارت انرژی تأمین می‌شود، هدف دارد تا با مشورت درباره بهترین انتخاب مته بر اساس مکان و عمق خاص، هزینه‌های حفاری را کاهش دهد. FORGE به عنوان یک آزمایشگاه کلیدی در جنوب‌غربی یوتا عمل می‌کند و متعهد به بهبود فناوری زمین‌گرمایی، کاهش خطرات، و افزایش قابلیت تجاری از طریق آزمایش‌های دقیق است.
حفاری پیشرفته زمین‌گرمایی در FORGE
نیروگاه‌های زمین‌گرمایی با ارائه برق تمیز و قابل اعتماد به صورت شبانه‌روزی، به عنوان یک مکمل پایدار برای منابع انرژی تجدیدپذیر متغیرتر مانند خورشیدی و بادی برجسته هستند. با وجود این مزایا، هزینه‌های اولیه بالا مرتبط با دستیابی به مکان‌های مناسب و حفاری چاه‌ها موانع قابل توجهی برای پذیرش گسترده‌تر انرژی زمین‌گرمایی ایجاد می‌کنند. ابتکار FORGE، همراه با کار تحلیلی توسط سندیا، هدف دارد تا کارایی مته‌ها را در محیط‌های چالش‌برانگیز سایت‌های زمین‌گرمایی بهبود بخشد و در نتیجه هزینه‌های حفاری را کاهش دهد.
دیوید ریموند، مهندس مکانیک سندیا که این تحلیل را هدایت کرده، می‌گوید: «در سایت FORGE، چاه‌های متعددی تا عمق حدودا 10,000 فوتی حفاری کردیم که عمدتاً از مته‌های کامپکت الماس پلی‌کریستالی استفاده شده است. این یکی از گسترده‌ترین استفاده‌ها از این مته‌ها در حفاری زمین‌گرمایی در چهار دهه گذشته است.»
تیم به‌طور دقیق عملکرد مته‌های مختلف را مستندسازی کرد، و یک جمع‌بندی جامع تهیه کرد که اخیراً در جامعه زمین‌گرمایی توزیع شده است. بینش‌های حاصل از این تلاش نشان می‌دهند که مته‌های کامپکت الماس پلی‌کریستالی نسبت به مته‌های سنتی رولر برای حفاری نفت و گاز هزینه‌کمتری دارند و می‌توانند به‌طور مشابه به کاهش هزینه‌ها در حفاری زمین‌گرمایی منجر شوند.
بهبود عملکرد چاه‌های زمین‌گرمایی با مته‌های الماسی
فناوری نوآورانه مته در FORGE
در سایت FORGE که تحت مدیریت دانشگاه یوتا است، تلاش‌ها با حفاری چهار چاه اختصاصی برای تزریق، تولید و نظارت شدت یافته است. ابزار اصلی انتخابی مته‌های کامپکت الماس پلی‌کریستالی (PDC) است. این مته‌ها از استحکام الماس‌های مصنوعی بهره می‌برند که به صورت برش‌دهنده‌های دیسک‌مانند شکل گرفته و در درون مته تعبیه شده‌اند تا بهینه‌سازی برش سنگ انجام شود. الماس‌های مصنوعی در آزمایشگاه‌ها پرورش می‌یابند و بر دوام بیش از زیبایی‌شناسی تمرکز دارند تا شرایط سخت حفاری را تحمل کنند.
پیشرفت‌های فناورانه و استراتژیک
داگ بلنکنشیپ، یک کارشناس زمین‌گرمایی در سان دیا و یک مشاور با دفتر فناوری‌های زمین گرمایی DOE، بر دو پیشرفت تاکید دارد که حفاری موثر در FORGE را امکان‌پذیر می‌سازد. "توسعه فناوری مته که ظرفیت مته‌ها را برای نفوذ در سازه‌های سنگی سخت و گرم بهبود می‌بخشد، و تکنیک‌های پیشرفته عملیات مته که توسط فرد دوپریست و سم نوی نیرت از دانشگاه تگزاس ای‌اند‌ام معرفی شده‌اند، بسیار کلیدی بوده‌اند." این نوآوری‌ها حفاری چاه‌های زمین‌گرمایی را با استفاده از استراتژی‌های حفاری محکم‌تر و کارآمدتر تسهیل می‌کنند.
تصمیم‌گیری‌های حفاری بر اساس داده‌ها
تیم تحقیقاتی، از جمله ریموند و مهندس مکانیک ملانی اشنایدر، اطلاعات روزانه عملیاتی از FORGE را به‌دقت تجزیه و تحلیل کردند. با نظارت بر نیروی وارد بر مته، سرعت‌های چرخش و حفاری، و توان موردنیاز، توانستند تعامل بین مته و سازه‌های زمین‌شناسی را شبیه‌سازی کنند. این رویکرد داده‌محور به بهبود مشخصات مته و رویه‌های حفاری، اطمینان از عملکرد بهینه کمک می‌کند.
صرفه‌جویی در هزینه در حفاری
در حالی که سرعت حفاری و کارایی عملیاتی مهم است، تیم سندیا همچنین به موضوعات اقتصادی مانند پیامدهای هزینه‌ای اجاره دکل‌های حفاری—یکی از بزرگترین هزینه‌ها در حفاری زمین گرمایی—توجه می‌کند. "این فقط درباره حفاری سریع‌تر نیست بلکه به حداکثر رساندن طول عمر و کارایی هر مته نیز توجه دارد،" اشنایدر اشاره کرد. هدف دستیابی به تعادلی است که هزینه به ازای هر فوت حفاری شده را با توجه به عمق و زمانی که برای تعویض مته لازم است، کاهش دهد.
بهینه‌سازی عملکرد مته
تمرکز اصلی کاهش زمانی است که برای تعویض مته در عمق‌های قابل توجه صرف می‌شود، که می‌تواند یکی از عوامل عمده هزینه‌زا باشد. "یافته‌های ما بر اهمیت نه صرفاً تمرکز بر سرعت یا نیرو، بلکه بر طولانی‌تر کردن عمر عملیاتی مته‌ها تاکید می‌کند،" اشنایدر نتیجه‌گیری کرد. این رویکرد استراتژیک باعث بهبودهای قابل توجهی در عملکرد حفاری در چاه‌های FORGE شده، و ظرفیت برای کارایی بهتر و کاهش هزینه‌ها در استخراج انرژی زمین گرمایی را نشان می‌دهد.
پیشرفت‌ها در فناوری مته‌های الماسه
پیدایش مته‌های الماسی به اوایل 1980s بازمی‌گردد زمانی که ایالات متحده با بحران‌های عمده انرژی مواجه بود که وزارت انرژی (DOE) را به حمایت از تحقیقات در آزمایشگاه‌های ملی سندیا تحریک کرد. این تحقیقات هدف داشت تا مته‌های محکم بر پایه الماس را توسعه دهد که بتواند محیط‌های چالش‌برانگیز سیستم‌های زمین‌گرمایی را نفوذ کند. دیوید ریموند، یکی از شخصیت‌های برجسته در سندیا، بر نقش محوری این پیشرفت‌ها در ارتقا فناوری‌های حفاری تاکید کرد.
این مته‌ها به‌ویژه به دلیل ساختارشان برجسته هستند، شامل تعداد زیادی برش‌دهنده الماسی که در یک ترتیب منحصر به فرد در درون مته قرار داده شده‌اند. هر برش‌دهنده، ساخته شده از الماس مصنوعی و معمولاً ضخیم‌تر از 1/16 اینچ نیست، به یک میخ تنگستن-کبیده متصل می‌شود تا حداکثر دوام و کارایی اطمینان حاصل شود.
بیش از چهار دهه پیش، محقق دیوید گلوکا و تیمش در سندیا به تست این برش‌دهنده‌های الماسی پرداختند، و نیروی لازم برای نفوذ به انواع مختلف سنگ‌ها را بر اساس زاویه‌های برش و سایر پارامترهای مهم تحلیل کردند. یافته‌های آن‌ها به‌طور خاص به مدل کامپیوتری که تعامل این مته‌ها با سطوح سنگی را شبیه‌سازی می‌کند، تغذیه شد. این مدل سپس با صنعت به اشتراک گذاشته شد و به‌طور قابل توجهی بر طراحی و کارایی مته‌های بعدی تأثیر گذاشت.
با وجود دوام‌شان، مته‌های الماسی اولیه اغلب تحت شرایط سخت سایت‌های زمین‌گرمایی—سنگ‌های سخت و گرم و دماهای بالای—سریعاً خراب می‌شدند. علاوه بر این، همانطور که بلنکنشیپ یادآور می‌شود، ساختار زمین‌شناختی این سایت‌ها اغلب شامل شکست‌های غیرقابل پیش‌بینی است، که مانند روبرویی با یک چاله ناگهانی حین دوچرخه‌سواری، ممکن است تجهیزات را خراب کند.
تعهد سندیا به بهبود این ابزارها پایدار باقی مانده است. تیم مدل‌های محاسباتی را برای حساب کردن ارتعاشات و سایر عوامل استرس‌زا که ممکن است باعث خرابی مته‌ها شود پالایش کرده است. تست‌های میدانی نیز انجام شده تا استفاده و...
