圖1 PetroQuip能源服務公司的羅伯特·庫恩(左)展示猶他州的約翰·麥克倫南鍛造的12英寸，可承受極高溫度，用于裸眼封隔器的彈性體密封件。資料來源:PetroQuip。
 
目前，地熱能是一個很小的市場，有大量的高溫設備和其他關于工具的想法。
 
從表面上看，在極硬、極熱的巖石中鉆完持久、大容量的井超出了現(xiàn)有硬件和供應的能力。
很多人認為，你是在嘗試水力壓裂地熱井。他們想到的第一件事是如何在高溫下做到這一點? Fervo能源聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術官杰克·諾貝克表示:“你的井下工具包括電纜、壓裂橋塞等是否有效?
 
在最近的SPE水力壓裂技術會議和展覽(HFTC)上，他在開場小組討論中闡述了這一點，當時他們介紹了一個實例，即他們發(fā)現(xiàn)了一種成本更低的替代方案，可以用于極端高溫條件下的橋塞。
 
這并不是說不需要新的工具來通過干熱巖石的裂縫注水，并產生用于發(fā)電和其他用途的蒸汽。
 
但在測試的早期階段，尚不清楚基于試圖改進硬件和方法并開發(fā)新方法的測試項目最終需要什么。
 
美國能源部為Utah FORGE提供資金，用于在一個高度儀器化的地熱試驗點進行測試，并為未來井的地下工作尋找和評估工具，這些工具可能比當前試驗點的巖石更熱。
 
“地熱的未來會更深、更熱，這將導致電力產量顯著提高，”猶他大學在FORGE研究儲層管理的副教授約翰·麥克倫南說。
 
如果未來的油井產出的蒸汽溫度更高、價值更高，那么目前降低測試成本的變通辦法可能就行不通了。麥克倫南說:“目前我們處于EGS(增強型地熱系統(tǒng))地熱溫度范圍的低端。”
 
長期的擔憂包括需要實驗室方法和儀器來測試用于這些極端井的設備和材料。
 
今年2月在斯坦福大學舉行的第48屆地熱油藏工程研討會上發(fā)表的一篇論文呼吁為地熱井建造一個“研究巖石、支撐劑、分流劑、水泥、儀器儀表和設備行為的設施”。
 
AltaRock能源公司和Blade能源公司的論文稱:“目前可用的實驗室測試設備通常僅限于300°C或更低的溫度，通常溫度低于200°C。”該論文補充說，現(xiàn)有設備通常只能測試小尺寸樣品。
 
但工程師們永遠不會停止尋找成本更低的可靠方法。
 
在FORGE地熱試驗點，他們已經(jīng)證明，使用弗雷德•杜普里斯特教授在埃克森美孚工作期間開發(fā)的方法，可以在堅硬巖石中更快地鉆孔。這種工藝改進方法導致了鉆頭的改進，但并沒有什么真正的創(chuàng)新和不同。
 
在斯坦福大學研討會上發(fā)表的一篇論文中，F(xiàn)ervo談到了其內華達州的測試基地，“該項目使用了業(yè)內普遍存在的鉆井和完井工具和技術”。
 
圖2 由PetroQuip為FORGE設計和制造的橋塞將在Waller工廠進行測試，溫度超過400°F。來源:PetroQuip。
 
一些需要
 
自從鉆下第一口井以來，F(xiàn)ORGE的設備需求清單不斷增加。在HFTC上描述了去年春天在FORGE現(xiàn)場進行的壓裂測試時，麥克倫南提出了一些關于地震檢波器的建議。它們可以“對溫度非常敏感”
 
他的評論是基于地震檢波器故障，這限制了一年前壓裂井時微地震數(shù)據(jù)的收集。從那時起，他們啟動了一個項目，轉向更耐熱的光纖電纜，用于井下數(shù)據(jù)收集。
 
有兩對合作伙伴正在研究這個問題:萊斯大學和殼牌公司組成一個團隊，另一個團隊由德克薩斯大學奧斯汀分校和光纖公司sililixa組成。
 
FORGE面臨的另一個挑戰(zhàn)是找到能夠承受高溫的凝膠，以及具有熱巖石經(jīng)驗的工程師。
 
麥克倫南在HFTC的一次演講中表示:“一些舊的選擇不再可用，一些主題專家也不再可用。”
 
一位在壓裂化學方面有長期經(jīng)驗的中小企業(yè)員工告訴他，他多年前申請了一種高溫凝膠專利，這種凝膠可能在更熱的井中工作。不過，這樣做需要與收購了他前雇主及其知識產權的大型服務公司達成協(xié)議。
 
對凝膠的需求可能取決于FORGE首次壓裂測試的一個階段的結果，在該測試中，他們通過泵注來觀察凝膠是否能更好地控制裂縫生長。
 
根據(jù)他們在測試中觀察到的情況，交聯(lián)聚合物凝膠可能有所幫助。麥克倫南說，基于他們的裂縫建模，他們觀察到更高的高度和簡單平面裂縫的形成。
 
但這僅僅是基于微地震成像的單級測試的早期印象。他們從壓裂區(qū)域的鉆井和注入測試中學到的東西會告訴他們更多信息。
 
插頭的問題
 
對于Fervo和FORGE的工程師來說，插頭是個問題。暴露在400°F的高溫下，大多數(shù)彈性體會變得堅硬，無法在不規(guī)則的表面形成緊密的密封。
 
麥克倫南在HFTC大廳會見的專家中包括PetroQuip能源服務的運營副總裁羅伯特·庫恩，他在前一天的會議上參觀了他們正在為溫度高達475°F的井建造的兩種工具。麥克倫南看到了他們正在為FORGE公司的Waller工廠建造和測試的隔離工具和裸眼封隔器。
 
這家設備制造商將地熱視為供應商的一個機會，他們有更好的想法。但這也帶來了一些不確定性，即客戶最終需要什么。
 
庫恩說，“還沒有人提出一個明確的最佳方法”來完成通過熱巖石注入和生產水所需的井。
 
對于FORGE，PetroQuip正在制造一種12英寸裸眼封隔器。-長密封件和使用熱塑料在極端溫度下密封的橋塞。
 
麥克倫南說，在首次壓裂測試中，F(xiàn)ORGE希望更換用于隔離壓裂段的橋塞，因為橋塞必須使用鉆桿進行坐封，這增加了使用鉆機進行壓裂的費用。
 
他們在PetroQuip建造的設備可以使用連續(xù)油管運行，因此不需要鉆機，并且可以使用電線泵送。
 
設計用于7英寸插頭的任何小于連續(xù)油管的材料，套管讓庫恩感到擔憂，因為他從未見過在如此大直徑的分支管中如此有效的套管。
 
壓裂時冷卻
 
之前，F(xiàn)ervo也經(jīng)歷過類似的插頭開發(fā)過程。它與一家供應商合作，利用美國能源部的資助，建造了一個額定溫度為400華氏度的油井堵塞器。但它也發(fā)現(xiàn)了用于高溫油氣井壓裂的成本更低的現(xiàn)成塞子。
 
“我們的目標通常是375°F到425°F。所以我們說的不是極端溫度，而是比海恩斯維爾等最熱的油氣田還要高。”麥克倫南說道。
 
根據(jù)Fervo在內華達州測試井中的光纖電纜，套管內的最高溫度約為250°F。這為幾個低成本部分打開了大門。
 
 
為了確保數(shù)據(jù)正確，他們使用井下數(shù)據(jù)來模擬不泵入一級時的溫度上升幅度。
 
在此基礎上，假設儲層溫度為400°F，即使在壓裂過程中關閉泵，溫度也可以達到265°F。“實際上，我們有信心能夠使用這些更標準、成本更低的低溫橋塞。我們會沒事的，”他說。隨后，他們成功地使用了幾種低成本的插頭。
 
“我只是舉個例子，人們的第一直覺是說，好吧，由于高溫條件，這是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題。”但當工程師們研究井內數(shù)據(jù)時，他們發(fā)現(xiàn)有節(jié)省成本的選擇。
 
麥克倫南說，F(xiàn)ORGE公司希望更換其第一次壓裂測試中用于隔離各階段的橋塞，因為它必須使用鉆桿進行設置，這增加了使用鉆機進行壓裂的費用。