Novel concept for energy efficient hard rock drilling towards cost-effective geothermal energy harvesting

I Novock-prosjektet ble et konsept for å kombinere vekselspenning (AV) og mekanisk knusing for hybrid rotasjonsboring undersøkt ved å eksperimentelt og numerisk studere den mulige svekkelsen av granitt. Bergprøver, omsluttet av dielektrisk væske, har blitt utsatt for elektrisk feltbelastning for å undersøke hvorvidt en vekselspenning kan brukes til å myke opp Kuru-granitt. En stor testmatrise er utført (i 2018-2021) for å studere borbarheten for et bredt spekter av vekslende elektrisk felt (forskjellige spenninger, frekvenser og eksponeringstid). Miniatyrboretester ble således utført på ubehandlede prøver, prøver utsatt for dielektrisk væske, og prøver omsluttet av dielektrisk væske og utsatt for vekslende elektrisk felt. Resultatene viser (utover spredningen mellom testrepetisjoner) en bimodal fordeling av borbarhet kun for prøvene utsatt for vekselspenning. Denne fordelingen viser at borbarheten, etter påført vekselspenning, kan øke med minst en faktor 2,5 sammenlignet med ubehandlet bergmateriale og med minst en faktor 2 sammenlignet med granitt utsatt for dielektrisk væske. Disse resultatene bekrefter en preliminær intern studie (utført av SINTEF i 2017) hvor en økning i borbarhet med minst en faktor 2 ble oppnådd på den samme Kuru-granitten. Også eksperimentelle observasjoner av mulige mikrosprekk-nettverk er gjort på bergprøver før og etter påført vekselspenning. Overflateobservasjoner ble gjort med bruk av polarisert lysmikroskopi og sveipeelektronmikroskopi. EBSD og Raman-spektroskopi ble også anvendt for å evaluere mulige endringer i restspenning og tøyninger indusert i bergprøven etter påført vekselspenning. Resultatene viser mikrosprekker som kan observeres på overflatene til både behandlede og ubehandlede prøver. På grunn av spredning i sprekkfordelingen (og mikrostrukturegenskaper) mellom prøver, er det imidlertid ikke mulig på dette stadiet å slå fast (og å kvantifisere) en økning i sprekk etter påført vekselspenning. Testmatrisen er komplettert med 3-punkts bøyetester. Disse testene klarte ikke å fange opp noe svekkelse av steinen. Spenningen under bøying virker å være for lokalisert til å nå områder med mikro-skade tilfeldig fordelt i materialet (hvor man antar at skaden er avhengig av fordelingen av kornorientering og faser). Borbarhetstester har blitt utført på disse bøyeprøvene og viser økning i borebarhet (med minst faktor 3) sammenlignet med referansematerialet og med omtrent en faktor 2 sammenlignet med prøver kun utsatt for dielektrisk væske. En mulig korrelasjon mellom den bimodale fordelingen av borbarhets-resultater og mikrostrukturelle egenskaper innenfor borehullet er undersøkt. Resultatene viser en ganske homogen fordeling av mineralfaser (andel kvarts, plagioklas) i de forskjellige hullene. Dette indikerer at kornorienteringer i forhold til retningen på det elektriske feltet muligens bestemmer hvor svekkelse oppstår. Eksistensen av kritiske terskler (avstand til elektroder, frekvens og eksponeringstid) for effektiv knusing av granitten er evaluert for et gitt feltnivå (2kV/mm). I området undersøkt fra 4 mm til 10 mm ble det ikke påvist noen kritisk avstand I tillegg indikerte resultatene (hittil ved 50 Hz) en terskel på minimum 10 minutter for å svekke bergarten. Variasjonen av denne terskelen forblir likevel avhengig av de iboende bergartens mikrostrukturelle heterogeniteter. Dette indikerer imidlertid et godt potensial for tidsreduksjon som kan muliggjøre praktiske boreapplikasjoner. Det ble også etablert et fruktbart samarbeid med Tampere University of Technology om en numerisk metode, basert på endelige-element-metoden for å løse det koblede piezoelektro-mekaniske problemet. Basert på disse foreløpige simuleringene, som viser lokalisering og sprekkdannelse ved korngrenser, synes prinsippet om å aktivere de piezoelektriske egenskapene til kvarts som er tilstede i harde krystallinske bergarter, som granitt, å være en gjennomførbar metode for å svekke bergarter og dermed lette mekanisk knusing. Denne modellen utvides til å ta hensyn til syklisk (vekslende) belastning. Resultatene ble formidlet gjennom tre konferansebidrag. Behovet for ytterligere avklaring og forståelse av de grunnleggende mekanismene i svekking av stein har også blitt behandlet av TUT og Sintef i et forskningsprosjekt kalt Piezodrill bevilget i April 2021 av "Targeted Academy Project 2020: International Co-Investigator Scheme for Finnish-Norwegian research cooperation in engineering".

The project revealed that electromechanical fatigue loading can be used for more efficient rock breaking. This will naturally create a major impact in the broad research field of rock drilling and excavation, notably in hard rock formations often met in Scandinavia. The confirmation of minidrill increase of efficiency by a factor 2 after AV pave the way for a transfer of knowledge for further development and design of the concept in engineering practice. The results indicate a dominant effect of stresses localisation at the grains boundaries triggered by the piezoelectric response of Quartz mineral. This is opening for new questions to address for instance the characterization and prediction of grain interfaces evolution during AV.This point has been further addressed by TUT and Sintef in a project called Piezodrill granted in April 2021 by the International Co-Investigator Scheme for Finnish-Norwegian research cooperation in engineering. The project of 3 years started in Oct. 2021.

The project will reveal how an electromechanical-fatigue loading can be used for more efficient rock breaking by taking advantage of the weak tensile rock properties, heterogeneities of the rock microstructure and the ability to apply high frequency alternating electric fields triggering an electromechanic effect through a piezoelectric properties of one of the rocks constituents. A preliminary (funded internally at SINTEF, during all 2016) study performed without further parametric investigation has already shown significant improvement of the drillability in hard rock. Such type of experimental investigation on rock material cannot be found in the literature, Therefore, the panel of scientists from SINTEF and NTNU behind this application is convinced that this unprecedented result in its field of research, exhibiting rock softening by AC electric fields , builds the basis for a totally new approach to hard rock material excavation efficiency. However, at this stage, more experimental data and analytical and/or numerical models are needed to provide valuable insights into the combined mechanisms responsible for the rock fracturing process under AV exposure , their scale of activation, and their link to macroscopic strength of the rock material.