Для производства электроэнергии из геотермальной энергии необходимо пробурить глубокие скважины (4–6 км) с помощью традиционных методов роторного бурения в абразивных и твёрдых породах. Износ буровой головки в таких сложных условиях и, как следствие, необходимость частой замены приводят к увеличению времени простоя во время бурения. Затраты на бурение составляют основную часть расходов (до 70 %) на строительство геотермальной электростанции. Одним из способов сделать глубокую геотермальную энергетику конкурентоспособной по сравнению с другими источниками энергии является снижение затрат на бурение.

«Термическое отслаивающее бурение» (в естественных условиях) известно как перспективная технология бурения неглубоких скважин в твердых породах при атмосферном давлении. Этот метод бурения основан на свойстве некоторых типов горных пород непрерывно распадаться на мелкие частицы под воздействием высоких тепловых нагрузок, создаваемых струей пламени. Ожидается, что основными преимуществами этого метода станут повышение скорости бурения и снижение износа буровой головки, что в конечном итоге приведет к снижению затрат на бурение. Коэффициент теплопередачи между струей пламени и породой был определен как ключевой параметр в процессе бурения. В наших экспериментальных установках для бурения с разрушением породы в окружающей среде мы в первую очередь уделяем внимание изучению явлений теплопередачи при воздействии струй пламени и исследованию механизмов термического разрушения породы.


Возможная гидротермальная буровая головка в действии
Тем не менее для бурения скважин глубиной в несколько километров необходим буровой раствор на водной основе, который выполняет несколько важных задач в процессе бурения, например, удаляет буровой шлам. В заполненных водой скважинах на определенной глубине давление превышает критическое давление воды (220,64 бар), поэтому для термического разрушения породы используется гидротермальное пламя. Передача тепла и импульса от горячей струи к породе считается важнейшим параметром в процессе бурения. При внедрении «поверхностного» гидроразрыва пласта в технологию бурения на глубине («гидротермальный гидроразрыв пласта») необходимо решить ряд проблем, таких как унос холодной буровой жидкости, воспламенение и горение в водной среде, а также оптимизация теплопередачи в породу. На нашей экспериментальной установке для гидротермального гидроразрыва пласта можно смоделировать реалистичные гидродинамические условия, а также температуру и давление, характерные для глубоких скважин. Наконец, с помощью экспериментов на этой экспериментальной установке будет доказана целесообразность и перспективность гидротермального гидроразрыва пласта. Основное внимание в этом проекте уделяется разработке гидротермальной горелки, определению характеристик теплопередачи в сверхкритических условиях для воды и созданию датчиков теплового потока, применимых в сложных условиях на забое скважины.

Майкл Кант