Как пробурить сверхглубокую шахту с помощью плазмы: геотермальная энергия на службе человечеству

Но это при условии, что мы сможем добраться до этого неиссякаемого ресурса. Наиболее легкодоступная геотермальная энергия Земли находится там, где она находится ближе всего к поверхности — как правило, в геологически нестабильных районах вблизи вулканов и высокой сейсмической активности, что составляет всего около 3% поверхности Земли. В противном случае вы не сможете добраться до этой жары, не пробурив милю за милей сверхтвердой породы.

Температура и давление, возникающие при сверхглубоком бурении, быстро разрушают даже самые высококачественные буровые долота. Замена долота означает, что вам нужно вытащить буровую головку обратно из-под земли, смонтировать новое, а затем снова опустить установку в скважину и заново начать бурение. Этот процесс отнимает много времени, а значит и очень много денег.

В результате геотермальная энергия действительно вносит значительный вклад в энергосистему только в таких местах, как Исландия, Сальвадор, Новая Зеландия и других регионах, где она доступна на более мелких глубинах. В глобальном масштабе геотермальная энергия вносит менее 100 ГВт-ч ежегодно в общемировое энергоснабжение, составляющее 166,7 миллионов ГВт-ч.

Словацкая компания GA Drilling ранее была известна как Geothermal Anywhere – и это идеальное воплощение цели компании: сделать геотермальное тепло намного дешевле, быстрее и доступнее везде, где оно необходимо.

Компания разработала две ключевые технологии, которые работают с существующей буровой инфраструктурой и оборудованием. Первая — это система ходячих якорей, которую она называет Anchorbit.

В системе Anchorbit позади бурового долота размещаются две секции муфты, каждая из которых оснащена выдвижными поршнями, способными выдвигаться и захватывать ствол скважины. Когда верхняя муфта захватывает отверстие, нижняя выдвигается вниз ближе к буровому долоту, а затем выталкивает свои захватные поршни, позволяя верхней муфте опуститься и проскользить вниз, чтобы встретить ее. Процесс показан в этом видео:

Эти анкерные муфты стабилизируют буровое долото, предотвращая вибрации, возникающие при работе с вращающимся буровым оборудованием на конце многокилометрового кабеля. Они также позволяют оказывать на долото дополнительное давление. GA заявляет, что ожидает, что система Anchorbit удвоит не только скорость проходки через твердую породу, но и срок службы уже существующих буровых долот, что позволит операторам бурить быстрее и дольше.

Anchorbit ускорит первые 6 с лишним километров бурения, но целевая глубина GA для геотермального тепла больше похожа на 10 км под землей. Для достижения этого уровня будет представлена вторая ключевая технология компании — Plasmabit.

Plasmabit также может быть подключена к стандартной буровой установке. Но на этот раз это система импульсного плазменного бурения, в которой используется вращающаяся электродуговая горелка для уничтожения породы ионизированным газом. Воздействие при температуре 6000 °C позволяет ослабить породу и вызвать трещины, а струйная обработка водой под высоким давлением способствует механическому удалению осколков породы для того, чтобы их можно было отправить их обратно вверх по трубе на поверхность. По сути, это дальнобойная версия плазменного «факела» для прокладки туннелей, который делают такие компании, как Petra и Earthgrid для работ ближе к поверхности.

Поскольку это бесконтактное сверло, необходимости вытаскивать и заменять его не должно возникать практически никогда. GA утверждает, что система будет относительно легко продвигаться по твердому граниту до 10-километровой отметки, проходя значительно глубже и дешевле, чем обычная буровая установка, и прижигая скважину по ходу движения. На такой глубине вы можете ожидать температуру выше 350 °C в большинстве областей, что и делает скважину пригодной для использования в качестве основы для геотермальной электростанции.

Если вы хотите забуриться еще глубже, вам потребуются гораздо более экзотические технологии. Дочерняя компания Массачусетского технологического института Quaise пытается пробурить вдвое большую глубину, используя гиротроны, которые изначально были разработаны для перегрева плазмы в термоядерных экспериментах. На глубине 20 км температура достигает 500 °C, что значительно превышает точку, при которой вода становится сверхкритической жидкостью. Электростанции, использующие сверхкритически нагретую воду, должны быть в состоянии извлекать до 10 раз больше энергии из заданного объема.

Quaise планирует бурить шахты прямо под старыми угольными и газовыми электростанциями, когда те будут выведены из эксплуатации. Это позволить заменить ископаемое тепло на чистое геотермальное, но также использовать преимущества уже существующих турбин, сетевых подключений и другой инфраструктуры, которая в противном случае оказалась бы заброшенной после закрытия завода.

Но все это зависит от некоторых довольно экзотических и передовых технологий. Команда Quaise в настоящее время «занимается строительством пары полевых демонстрационных установок в Хьюстоне», — сообщает генеральный директор и соучредитель Карлос Араке. — На данный момент говорить не о чем, но если все пойдет по плану, мы начнем бурить первые скважины под открытым небом в течение года».

Недавно GA провела первую «публичную демонстрацию» своей системы Anchorbit в технологическом центре Nabors в Хьюстоне. Точные данные глубины шахты инженеры пока скрывают, равно как и то, насколько сильно износилось в процессе оборудование и можно ли считать запуск проекта успешным. Что ж, ждем дальнейших новостей!