Technology platform for research-based innovations in deep geothermal drilling

Det primære målet til det 4-årige KPN prosjektet INNO-Drill (startet i 2016) har vært å utvikle og gjøre tilgjengelig en forskningsbasert teknologiplattform som muliggjør en signifikant mer kostnadseffektiv boring av dype geotermiske brønner i harde bergformasjoner. Prosjektet, som ble ledet av SINTEF Industri, har i tillegg forskningspartnere fra NORCE og NTNU som benytter en multiskala og multifysikk tilnærming for å forbedre borehastighet, redusere slitasje på borekrone, og bidra til utvikling av innovative boreløsninger. Denne forskningsgruppen er forsterket med et fruktbart internasjonalt samarbeid med forskere fra Finland (TUT), USA (University of Minnesota) og Frankrike (Mines ParisTech). Prosjektet samler også nasjonale og internasjonale aktører fra industrien langs verdikjeden fra borekrone fabrikanter til sluttbrukere. Fra 2016: Prosjektresultater har blitt formidlet ved deltagelse på forskjellige konferanser og ved vitenskapelige publikasjoner. Årlige samlinger har blitt arrangert, med prosjektpartnerne og eksterne bidragsytere, for å utveksle erfaringer, kunnskap og utfordringer knyttet til dyp geotermisk boring. INNO-Drill konsortiet har identifisert og vurdert forsknings- og innovasjonsbehov for teknologi knyttet til slagboring og rotasjonsboring anvendt mot dype og harde bergformasjoner. Potensialet for alternative borekonsepter og mulige framtidige teknologier, som kombinert termisk og mekanisk belastning for effektiv oppbrytning av berget, har også blitt undersøkt. For slagboringsteknologi: - Dr. kandidaten fra NTNU har utvidet en dynamisk modell for nedihulls slagboring til å inkludere den kombinerte effekten av slagboresystemet, grenseflaten mellom borehodet og berget, og dynamikken i borestrengen. Modellen, utviklet i samarbeid med prof. E. Detournay (fra University of Minnesota), viser at en optimal vekt på borekronen maksimerer energioverføringen mellom borekronen og berget. - Forståelsen av prosessene for oppbrytning av berg ved slag og støt er undersøkt ved laboratorietester og med hjelp av avansert numerisk FEM-analyse. - SINTEF har tilpasset laboratorietester for å undersøke slitasjemotstand av ulike materialer for borekroneinnsatser beregnet på hardt berg. Testene har vist hvordan forskjellige materialers mikrostruktur påvirker slitasjemotstanden til borekroneinnsatser. Det er påvist at komposittmaterialer forsterket med diamanter har et lovende potensial. - En semi-analytisk modell for slagboring og transport av borekaks er utviklet. Den vil være et pragmatisk verktøy for å kunne anslå borehastighet, arbeidstrykk for hammer og maksimal boredybde som er oppnåelig for gitte driftsparametre (som lufttrykk fra kompressor, partikkelstørrelse av kaks). For rotasjonsboreteknologi: - Potensialet for boreinnsatser av PDC sammenlignet kjegle boreinnsatser (hovedsaklig brukt i dype geotermiske brønner) har blitt undersøkt i felttester (instrumentert med ned-i-hulls sensorer) gjennomført i Larderello regionen i Italia. I 2018 ble to vertikale seksjoner av en geotermisk brønn boret i metamorfe bergarter med bruk av to ulike PDC boreinnsatser som industrielle partnere skaffet tilveie. To felttester ble også gjennomført i første og tredje kvartal av 2019. Resultatene bekrefter et signifikant potensiale til å forbedre boreeffektivitet med bruk av hensiktsmessige PDC boreinnsatser (materialvalg og design). - Basert på de gjennomførte felttestene har forskere ved NORCE og en postdoc ved SINTEF utviklet modeller for vekselvirkningen mellom borekrone og berg (tre ulike modeller ble tatt i bruk ved Norce som inkluderer PDC skrapeborekrone, PDC borekrone med kjegleformede innsatser og rullemeisel-borekrone). Resultatene viser pålitelige prediksjoner av borehastighet, men også muligheten for å få fram sanntids data for slitasje av borekroner. - Forståelsen av oppbrytningsprosesser av berg basert på interaksjonen mellom boreverktøy og berg ble studert med FEM-analyse. Alternative borekonsepter og nye teknologier: Fordelen med å kombinere mekanisk og termisk belastning ble undersøkt, i samarbeid med TUT, på kuru granitt materiale som var pre-eksponert for støtoppvarming med enten flamme eller plasma. Multiskala-modeller har blitt etablert for å undersøke effekten av mikrostruktur og bruddmekanismer (for eksempel oppsprekking langs korngrenser). Mini-bore tester gjennomført på dette materialet samt granitt som ikke var termisk eksponert viste forbedringer i oppbrytningen av steinen selv om resultatene spriket grunnet steinens heterogene egenskaper. Vi har her også utnyttet synergien med prosjektet Novock som undersøker effekten av kombinert elektrisk og mekanisk belastning under boring (Prosjekt finansiert av NFR under Energix).

The project will benefit the hard rock drilling research by providing fundamental insights on: - the bit/rock interface laws (for roller-cones, PDC, and percussion bit) - the rock fragmentation mechanisms under cutting, impact and thermo-mechanical loading - the drilling data (and interpretation) to improve the ROP and mitigate the bit damage - the identification of optimal control parameters (the so-called sweet spot) as a fct of the rock properties and bit characteristics - the influence of bit design and material on the drilling response The project results open for new R & I perspectives to further improve the cost-efficiency of deep hard rock drilling to develop real time monitoring technologies and models which enable to optimize the ROP and track bit wear, for both percussive drilling and rotary drilling. Results and framework established will also support the research and innovation for the emergence new technologies combining mechanical and non-mechanical loading.

Research has been instigated in the project KPN NEXT-Drill (2012?2015), funded by the RENERGI programme of the Research Council of Norway and a broad industrial consortium. This project has covered modelling and characterization of tool/rock interaction in percussive drilling (rock breaking and the tool degradation), and field technology performance (from laboratory conditions to field application). This work needs further attention and extension, in particular relating to multiphysics phenomena influencing the tool/rock interaction and the resulting drilling performance. The industrial consortium backing this new initiative further provides access to deep geothermal fields for technology demonstration and trials. It is a common understanding that major cost reduction in hard rock drilling must be achieved by a combination of increased ROP efficiency (i.e. more efficient rock breaking and cutting transport), significant reductions in tool wear and equipment failure with associated downtime, and by the introduction of innovative technologies. To make advances in accordance with these challenges, the following scientific research questions will be addressed: ? What are the tool/rock materials response under representative loading and relevant environmental conditions? ? What are the proper modelling tools and strategies to represent the rock breaking process, the rock debris removal and the tool behaviour and degradation? ? How can we estimate the drilling performance in field conditions? ? What are the limitations of existing technology and what is the potential for introduction of radical, new technologies?