Published March 28, 2022 | Version v1
Publication Open

Plasma Pulse Geo-Drilling as a Low-cost Drilling Technology for Deep-geothermal Energy Utilization: Status and Challenges

  • 1. Mansoura University
  • 2. Fraunhofer Research Institution for Energy Infrastructures and Geothermal Systems
  • 3. ETH Zurich
  • 4. University of Minnesota

Description

Geothermal energy can be a limitless and CO2-free energy resource. However, moderate geothermal temperature gradients of ∼30 oC/km in most regions typically require employing so-called "Advanced" or "Enhanced" geothermal systems, called AGS and EGS, respectively, which require reservoirs with temperatures >150 oC. To access such high temperatures, we need to drill deeper than 5 km, i.e., in hard rock. The costs of drilling to such depths, using traditional rotary drilling, increase exponentially with depth and can be up to 80% of the total geothermal project investment. These high drilling costs can be reduced significantly with contactless drilling technologies (e.g., thermal spallation drilling, laser drilling, microwave drilling, and Plasma Pulse Geo-Drilling), as they avoid the lengthy tripping times associated with drill-bit damage.

PPGD uses high-voltage pulses of a few microseconds duration to fracture the rock, thereby drilling without any mechanical abrasion. Future PPGD costs may be as low as 10% of mechanical rotary drilling costs (Schiegg et al., 2015). Our PPGD research addresses two outstanding questions: (1) Understand the fundamental physics of the electric breakdown inside the rock and associated rock fracturing processes, which we investigate numerically (Ezzat et al., 2022, 2021; Vogler et al., 2020; Walsh and Vogler, 2020). (2) Evaluate the PPGD performance under deep-wellbore conditions of  ~5 km (i.e., high pore and lithostatic pressures, and high temperatures). Our ongoing numerical and experimental studies are expected to provide further insights into the applicability of PPGD for geothermal energy utilization.

First, we numerically model the formation of a plasma in rock pores, which constitutes the onset of rock failure during the PPGD process. These numerical models show the significant effect of the pore characteristics on the PPGD process and give insight into how future PPGD operations should be designed. Second, we conduct PPGD physical experiments, where we employ lithostatic pressures of up to 1500 bar, pore pressures of up to 500 bar, temperatures of up to 80 oC, and voltages of up to 300 kV. Concluding these experiments with the associated challenges shall demonstrate whether PPGD is efficient at great depths of up to 5 km. Combining our numerical and experimental results allows optimizing future PPGD operations.

 

References

Ezzat, M., Adams, B. M., Saar, M. O., and Vogler, D. (2022). Numerical modeling of the effects of pore characteristics on the electric breakdown of rock for plasma pulse geo drilling. Energies, 15(1).

Ezzat, M., Vogler, D., Saar, M. O., and Adams, B. M. (2021). Simulating plasma formation in pores under short electric pulses for plasma pulse geo drilling (ppgd). Energies, 14(16).

Schiegg, H. O., Rødland, A., Zhu, G., and Yuen, D. A. (2015). Electro-pulse-boring (epb): Novel super-deep drilling technology for low cost electricity. Journal of Earth Science, 26(1):37–46.

Vogler, D., Walsh, S. D., and Saar, M. O. (2020). A numerical investigation into key factors controlling hard rock excavation via electropulse stimulation. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 12(4):793–801.

Walsh, S. D. and Vogler, D. (2020). Simulating electropulse fracture of granitic rock. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 128:104238.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

< يمكن أن تكون الطاقة الحرارية الأرضية مورد طاقة لا حدود له وخالٍ من ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، فإن التدرجات الحرارية الأرضية المعتدلة من &# 8764;30 < em> < sup> o C/km في معظم المناطق تتطلب عادة استخدام ما يسمى " المتقدم " أو " المحسن " أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية، التي تسمى AGS و EGS، على التوالي، والتي تتطلب خزانات ذات درجات حرارة > 150 < em> < sup> o C. للوصول إلى درجات الحرارة المرتفعة هذه، نحتاج إلى الحفر أعمق من 5 كم، أي في الصخور الصلبة. تزداد تكاليف الحفر إلى هذه الأعماق، باستخدام الحفر الدوار التقليدي، بشكل كبير مع العمق ويمكن أن تصل إلى 80 ٪ من إجمالي الاستثمار في مشروع الطاقة الحرارية الأرضية. يمكن تقليل تكاليف الحفر المرتفعة هذه بشكل كبير باستخدام تقنيات الحفر بدون تلامس (على سبيل المثال، حفر التشظي الحراري، والحفر بالليزر، والحفر بالموجات الدقيقة، والحفر الأرضي لنبض البلازما)، لأنها تتجنب أوقات التعثر الطويلة المرتبطة بتلف لقمة الحفر. < p> يستخدم PPGD نبضات عالية الجهد لمدة بضع ميكروثانية لكسر الصخور، وبالتالي الحفر دون أي تآكل ميكانيكي. قد تكون تكاليف PPGD المستقبلية منخفضة تصل إلى 10 ٪ من تكاليف الحفر الدوارةالميكانيكية ( Schiegg et al., 2015 ). يتناول بحث PPGD سؤالين بارزين: (1) فهم الفيزياء الأساسية للانهيار الكهربائي داخل الصخور وعمليات تكسير الصخور المرتبطة بها، والتي نتحقق منها رقميًا ( Ezzat et al.، 2022، 2021 ؛ فوغلر وآخرون.، 2020 ؛ والش وفوغلر، 2020 ). (2) تقييم أداء PPGD في ظل ظروف حفرة بئر عميقة من &# 160 ;~5 كم (أي، ضغوط المسام العالية والضغط الصخري، ودرجات الحرارة العالية). من المتوقع أن توفر دراساتنا العددية والتجريبية المستمرة مزيدًا من الرؤى حول إمكانية تطبيق PPGD لاستخدام الطاقة الحرارية الأرضية.

أولاً، نقوم بنمذجة تكوين البلازما رقميًا في مسام الصخور، مما يشكل بداية فشل الصخور أثناء عملية PPGD. تُظهر هذه النماذج العددية التأثير الكبير لخصائص المسام على عملية PPGD وتعطي نظرة ثاقبة حول كيفية تصميم عمليات PPGD المستقبلية. ثانيًا، نجري تجارب فيزيائية على PPGD، حيث نستخدم ضغوط صخرية تصل إلى 1500 بار، وضغوط مسامية تصل إلى 500 بار، ودرجات حرارة تصل إلى 80 < em>< sup> o C، وجهد يصل إلى 300 كيلو فولت. يجب أن يوضح اختتام هذه التجارب بالتحديات المرتبطة بها ما إذا كان PPGD فعالًا على أعماق كبيرة تصل إلى 5 كم. يسمح الجمع بين نتائجنا العددية والتجريبية بتحسين عمليات PPGD المستقبلية.

&# 160; < p> < strong> المراجع < p> Ezzat, M., Adams, B. M., Saar, M. O., and Vogler, D. (2022). النمذجة العددية لتأثيرات خصائص المسام على الانهيار الكهربائي للصخور للحفر الجيولوجي لنبض البلازما. < em> الطاقات , 15(1). < p>Ezzat, M., Vogler, D., Saar, M. O., and Adams, B. M. (2021). محاكاة تكوين البلازما في المسام تحت نبضات كهربائية قصيرة للحفر الأرضي لنبض البلازما (ppgd). الطاقات , 14(16). < p> Schiegg, H. O., R&amp ;#248; dland, A., Zhu, G., and Yuen, D. A. (2015). الحفر بالنبضات الكهربائية (EPB): تقنية حفر جديدة فائقة العمق للكهرباء منخفضة التكلفة. < em>مجلة علوم الأرض , 26(1):37 &# 8211;46. < p>Vogler, D., Walsh, S. D., and Saar, M. O. (2020). تحقيق رقمي في العوامل الرئيسية التي تتحكم في حفر الصخور الصلبة عن طريق تحفيز النبضات الكهربائية. < em> مجلة ميكانيكا الصخور والهندسة الجيوتقنية , 12(4):793 –801.

Walsh, S..D. and Vogler, D. (2020). محاكاة الكسر الكهربائي للصخور الجرانيتية.< em> المجلة الدولية لميكانيكا الصخور وعلوم التعدين , 128: 104238.

Translated Description (French)

150 < em&gt ; < sup&gt ; o&lt ;/sup&gt ;

Translated Description (Spanish)

La energía geotérmica puede ser un recurso energético ilimitado y libre de CO2. Sin embargo, los gradientes de temperatura geotérmica moderados de & #8764;30 < em> < sup> o C/km en la mayoría de las regiones generalmente requieren el empleo de los llamados sistemas geotérmicos " Avanzados" o " Mejorados", llamados AGS y EGS, respectivamente, que requieren depósitos con temperaturas > 150 < em> < sup> o C. Para acceder a temperaturas tan altas, debemos perforar a más de 5 km de profundidad, es decir, en roca dura. Los costos de perforación a tales profundidades, utilizando la perforación rotativa tradicional, aumentan exponencialmente con la profundidad y pueden ser de hasta el 80% de la inversión total del proyecto geotérmico. Estos altos costos de perforación se pueden reducir significativamente con las tecnologías de perforación sin contacto (por ejemplo, perforación por espalación térmica, perforación láser, perforación por microondas y geoperforación por pulsos de plasma), ya que evitan los largos tiempos de disparo asociados con el daño de la broca.

< p>PPGD utiliza pulsos de alto voltaje de unos pocos microsegundos de duración para fracturar la roca, perforando así sin ninguna abrasión mecánica. Los costes futuros de PPGD pueden ser tan bajos como el 10% de los costes de perforación mecánica rotativa (Schiegg et al., 2015 ). Nuestra investigación PPGD aborda dos cuestiones pendientes: (1) Comprender la física fundamental de la ruptura eléctrica dentro de la roca y los procesos de fracturación de rocas asociados, que investigamos numéricamente (Ezzat et al., 2022, 2021; Vogler et al., 2020; Walsh y Vogler, 2020). (2) Evaluar el rendimiento de PPGD en condiciones de pozo profundo de& #160;~5 km (es decir, altas presiones de poro y litostáticas, y altas temperaturas). Se espera que nuestros estudios numéricos y experimentales en curso proporcionen más información sobre la aplicabilidad de PPGD para la utilización de energía geotérmica.

< p>Primero, modelamos numéricamente la formación de un plasma en los poros de la roca, lo que constituye el inicio de la falla de la roca durante el proceso de PPGD. Estos modelos numéricos muestran el efecto significativo de las características de los poros en el proceso de PPGD y dan una idea de cómo se deben diseñar las futuras operaciones de PPGD. En segundo lugar, realizamos experimentos físicos de PPGD, donde empleamos presiones litostáticas de hasta 1500 bar, presiones de poro de hasta 500 bar, temperaturas de hasta 80 o C, y voltajes de hasta 300 kV. Al concluir estos experimentos con los desafíos asociados, se demostrará si la PPGD es eficiente a grandes profundidades de hasta 5 km. La combinación de nuestros resultados numéricos y experimentales permite optimizar futuras operaciones de PPGD.

< p> & #160;

< p> < strong> Referencias

< p>Ezzat, M., Adams, B. M., Saar, M. O. y Vogler, D. (2022). Modelado numérico de los efectos de las características de los poros en la ruptura eléctrica de la roca para la geoperforación por pulso de plasma. < em> Energies, 15(1).

< p>Ezzat, M., Vogler, D., Saar, M. O. y Adams, B. M. (2021). Simulación de la formación de plasma en poros bajo pulsos eléctricos cortos para la geoperforación por pulso de plasma (ppgd). < em> Energies, 14(16).

< p>Schiegg, H. O., Rø dland, A., Zhu, G. y Yuen, D. A. (2015). Electro-pulse-boring (epb): Nueva tecnología de perforación súper profunda para electricidad de bajo costo. < em>Journal of Earth Science, 26(1):37 & #8211;46.

< p>Vogler, D., Walsh, S. D., y Saar, M. O. (2020). Una investigación numérica sobre los factores clave que controlan la excavación de rocas duras a través de la estimulación por electropulso. < em>Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 12(4):793 & #8211;801.

< p>Walsh, S. D. y Vogler, D. (2020). Simulación de la fractura por electropulso de roca granítica. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 128:104238.

Files

EGU22-6705-print.pdf.pdf

Files (442.0 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:3fd3fdc5a7f8f5c03be65a6c4027fed0
442.0 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
الحفر الأرضي لنبض البلازما كتقنية حفر منخفضة التكلفة لاستخدام الطاقة الحرارية العميقة: الحالة والتحديات
Translated title (French)
Le géoforage par impulsions de plasma en tant que technologie de forage à faible coût pour l'utilisation de l'énergie géothermique profonde : état et défis
Translated title (Spanish)
La geoperforación de pulso de plasma como tecnología de perforación de bajo costo para la utilización de energía geotérmica profunda: estado y desafíos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4220966656
DOI
10.5194/egusphere-egu22-6705

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt