Le personnel du département de géotechnologies prépare la plate-forme pour les tests. Crédit :Fraunhofer-Gesellschaft
Pour puiser dans les réservoirs géothermiques, les forages doivent être forés profondément dans la croûte terrestre. En raison des pressions et des températures extrêmes impliquées, cela coûte cher et prend du temps. Une équipe de recherche de Fraunhofer IEG a maintenant développé un banc d'essai qui simule les conditions de fond de trou à plusieurs milliers de mètres sous la surface de la terre. L'analyse de ces expérimentations permet aux opérateurs d'optimiser le forage en phase de planification et d'exploitation et les aide à développer et tester de nouveaux outils de forage, minimisant ainsi les coûts et les risques économiques. Cela rendra la géothermie plus efficace, contribuer à accélérer la transition vers un nouveau, économie énergétique durable.
Alors que l'ère de la production de charbon touche à sa fin, l'énergie géothermique retient de plus en plus l'attention en tant que prochaine ressource principale pour fournir des quantités d'énergie pratiquement inépuisables. Il peut être exploité sous forme de chaleur ou être utilisé pour produire de l'électricité, quelles que soient les conditions météorologiques ou l'heure de la journée. L'ingénierie géothermique profonde consiste à forer des trous de forage jusqu'à des profondeurs de plusieurs milliers de mètres sous la surface de la terre où les températures peuvent atteindre 100 degrés Celsius. Le processus de forage peut rencontrer plusieurs types de roches, chacun avec des propriétés différentes telles que la dureté, force et densité. Chaque type de roche peut interagir de manière complètement différente avec le trépan et l'équipement de forage de fond. Compte tenu de tous ces facteurs, le processus de forage complet et ses besoins en équipements de surface, comme le pompage, sont des procédures complexes qui nécessitent une planification minutieuse.
i.BOGS simule des conditions de réservoir extrêmes
En réponse à ce défi, l'Institut de recherche Fraunhofer pour les infrastructures énergétiques et les systèmes géothermiques IEG, a développé et exploite un nouveau banc d'essai, nommé match.BOGS. Ceci est conçu pour simuler les conditions in situ pendant les opérations de fond et de forage. Le banc d'essai se compose de trois modules principaux :i.BOGS, un système d'autoclave ; perceuse.BOGS, un module de forage; et fluide.BOGS, un module de production de fluides synthétiques. match.BOGS peut être utilisé pour simuler physiquement et permettre l'investigation de tous les processus impliqués dans le forage d'un trou de forage jusqu'à une profondeur de 5000 mètres. Le système de surveillance comprend une gamme de capteurs, notamment acoustiques, systèmes de mesure thermique et optique.
L'analyse des données du système de surveillance offre des informations sur la configuration et l'optimisation du fonctionnement des outils de forage. « Cela permet de planifier plus facilement les opérations de forage et de déterminer, en avance, des paramètres tels que le type d'outil de forage, paramètres du processus de forage et pressions requises, " explique Volker Wittig, responsable des technologies de forage avancées chez Fraunhofer IEG.
Le système d'autoclave i.BOGS a été développé et construit exclusivement pour l'équipe de recherche Fraunhofer IEG selon ses spécifications précises. Il peut traiter des échantillons de roche d'une longueur de 3 mètres et d'un diamètre allant jusqu'à 25 centimètres. Le récipient sous pression à l'intérieur du système d'autoclave soumet ces échantillons à des pressions allant jusqu'à 1250 bars et à des températures allant jusqu'à 180 degrés Celsius. Cela simule des conditions de fond de trou équivalentes à celles à une profondeur de 5 000 mètres sous la surface de la terre. Le récipient sous pression a une épaisseur de paroi de 20 centimètres et est fixé par un total de 25 boulons, pesant chacun 9 kilogrammes. Ainsi, le banc d'essai est capable de résister à des conditions extrêmes en toute sécurité. Des outils de forage spéciaux ou des pompes peuvent également être incorporés dans le but de tester des exigences spécifiques.
Essais en fond de trou :match.BOGS simule des conditions de réservoir jusqu'à plusieurs milliers de mètres. Crédit :Fraunhofer-Gesellschaft
Outils de perçage avec laser et impulsions haute tension
Le module drill.BOGS comprend deux vérins hydrauliques délivrant une force d'avance allant jusqu'à 400 kilonewtons (kN). Un moteur électrique entraîne la tige de forage dans l'échantillon de roche avec des valeurs de couple allant jusqu'à 12 kilonewton mètres (kNm). Les technologies de mesure et de contrôle de processus intégrées rendent ce processus entièrement automatique.
Ce module peut être équipé d'une variété d'outils de forage pour permettre aux chercheurs de Fraunhofer IEG de tester non seulement des outils conventionnels, qui fonctionnent au moyen de la désintégration mécanique de la roche, mais aussi de nouvelles technologies de forage. Les nouvelles technologies peuvent utiliser, par exemple, des sursauts de haute tension, un faisceau laser ou un jet de flamme pour pénétrer plus facilement dans la surface rocheuse. "Ces technologies de perçage sans contact entraînent une réduction significative des taux d'usure élevés sur les outils de perçage coûteux, prolongeant ainsi leur durée de vie, " explique Wittig. A ce titre, les tests menés à Fraunhofer IEG contribuent également à faire progresser le développement d'outils de forage conventionnels et novateurs.
Les fluides synthétiques facilitent le processus de forage
Pour exploiter l'énergie géothermique, l'eau chaude des réservoirs souterrains est pompée via un circuit fermé vers la surface, où il est utilisé soit pour produire de la chaleur, soit pour entraîner des turbines à vapeur pour produire de l'électricité. Le liquide refroidi est ensuite réinjecté dans le réservoir souterrain afin de réchauffer les roches du réservoir. "C'est pourquoi nous avons également besoin de tests pour simuler le comportement des fluides dans des conditions de réservoir lorsqu'ils sont pompés vers la surface, " dit Tilman Cremer, chercheur à Fraunhofer IEG. Parallèlement à ces applications géothermiques, il peut également être possible d'extraire des matières premières précieuses telles que des métaux, métaux lourds, et les minéraux rares de ces géo fluides.
Le banc d'essai Fraunhofer IEG permet l'examen rapide et économique du comportement de la roche dans des conditions très extrêmes. Crédit :Fraunhofer-Gesellschaft
Le module fluid.BOGS produit ces fluides synthétiques. Les chercheurs utilisent ensuite le module i.BOGS pour étudier leurs propriétés d'écoulement lorsqu'ils interagissent avec les échantillons de roche. Les experts de Fraunhofer IEG peuvent ainsi étudier soit des échantillons de fluides réels prélevés dans des réservoirs spécifiques, soit des géofluides, qui ont été créés synthétiquement. Ceux-ci pourraient comprendre un mélange calculé avec précision d'eau avec, par exemple, chlore, calcium, magnésium et divers autres minéraux à l'intérieur de l'autoclave du module i.BOGS. Par conséquent, ces fluides peuvent ensuite être étudiés pour leurs propriétés d'écoulement.
Lorsqu'il s'agit d'opérations de forage réelles, des fluides spéciaux appelés boues de forage jouent un rôle indispensable. "Ces fluides lubrifient, rincer et refroidir les outils de perçage, et ils emportent aussi la roche enlevée lors du forage, ", explique Wittig.
La combinaison des trois modules i.BOGS, perceuse.BOGS et fluide.BOGS, et toutes leurs diverses configurations, faire du banc d'essai match.BOGS une installation unique. Comme Jascha Börner, membre de l'équipe et chercheur au Fraunhofer IEG, explique :« Nous pouvons régler individuellement chacun des différents paramètres :pression, Température, vitesse d'écoulement, la composition de l'échantillon de roche, et le rapport de mélange des fluides. » Il est ainsi possible de simuler les conditions les plus diverses et de produire des données de planification précises pour des projets de forage réels.
Un coup de pouce pour la géothermie
La préparation des tests dans la nouvelle installation est un processus compliqué. Tout d'abord, les systèmes d'autoclave doivent être équipés d'échantillons de roche. La pression et la température sont alors successivement augmentées. En attendant, les outils de forage sont mis en place et les fluides nécessaires préparés. En règle générale, il faut presque une journée entière pour préparer le début de la simulation. L'effort en vaut la peine car il apporte toute une gamme d'avantages pour l'avancement de l'industrie du forage. En utilisant des techniques de simulation pour tester les conditions réelles sur un site spécifique, les opérateurs de forage peuvent planifier les opérations de forage réelles avec plus de confiance. Cela augmente l'efficacité de l'opération puisque tous les outils de forage peuvent être configurés correctement à l'avance, se traduisant par des économies de plusieurs millions d'euros. Ces mesures d'optimisation de la géothermie contribueront à rendre la transition vers un système énergétique durable plus économique et plus efficace.
