Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die zuverlässige und wirtschaftliche Produktivität von Geothermiebohrungen wird in hohem Maße durch Unsicherheiten der Reservoirqualität beeinflusst. Die Konstruktion von Multilateraleralbohrungen ist als effizientes Konzept bekannt, um den Herausforderungen der Reservoirheterogeneität zu begegnen. Die Bohrkosten für diese Lateralbohrungen sind jedoch sehr hoch. Das Hochdruck-Stahlkugelbohrsystem von Canopus hat das Potenzial, die Konstruktion von Multilateralbohrungen erheblich zu vergünstigen, so dass dieses Konzept auch wirtschaftlich in der mitteltiefen Geothermie eingesetzt werden kann. Das Potenzial dieser neuen Bohrmethoden für die Schweiz erscheint gross. Durch Feldversuche, Produktivitätsmodellierung und wirtschaftliche Analysen wird das Potenzial bewertet werden. Mehrere Schweizer Geothermieunternehmen sind an dieser Studie beteiligt und in Zusammenarbeit werden Leitlinien für die Anwendungen in mittlerer Tiefe (z. B. für Fernwärme) entwickelt und Folgeprojekte eruiert.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Reliable delivery of economic well performance of mid-deep geothermal projects is affected to a high degree by uncertain reservoir quality. Construction of multi-lateral wells is well known as an effective concept to overcome the challenges of reservoir heterogeneity by increasing the reservoir contact. However, the drilling costs for these structures are very high and multi-lateral well construction with standard rotary steerable systems is complex. Canopus’ directional steel shot drilling system has the potential to enable construction of multi-laterals at rates attractive for geothermal applications. The operational performance and economic impact of Canopus’ novel drilling technology for Swiss appli-cations will be assessed by conducting field trials, productivity models and economic analyses. Several Swiss operators are involved in this study and in collaboration with them guidance for mid-deep geothermal applications (e.g. district heating) will be developed and follow-up projects scoped
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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La productivité fiable et économique des forages géothermiques est fortement influencée par les incertitudes liées à la qualité des réservoirs. La construction de puits latéraux multilatéraux est connue comme une approche efficace pour relever les défis de l'hétérogénéité des réservoirs. Cependant, les coûts de forage de ces puits latéraux sont très élevés. Le système de forage sphérique en acier à haute pression de Canopus a le potentiel de réduire considérablement le coût de la construction de puits multilatéraux, de sorte que ce concept peut également être utilisé de manière économique dans la géothermie de moyenne profondeur. Le potentiel de ces nouvelles méthodes de forage pour la Suisse semble important. Des essais sur le terrain, une modélisation de la productivité et des analyses économiques permettront d'évaluer ce potentiel. Plusieurs entreprises suisses de géothermie participent à cette étude et une collaboration permettra de développer des lignes directrices pour les applications à moyenne profondeur (par exemple pour le chauffage urbain) et d'identifier des projets de suivi.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Directional Steel Shot Drilling (DSSD), eine neuartige, von Canopus Drilling Solutions B.V. entwickelte Richtbohrtechnologie, bietet eine innovative Lösung zur Steigerung der Produktivität und Kosteneffizienz von Geothermiebohrungen. Die DSSD-Technologie ermöglicht den kosteneffizienten Bau von Multilateral-Bohrungen, um den Kontakt zum Reservoir zu erhöhen. Hierdurch können die Herausforderungen geringer Reservoirqualität minimiert werden, vor allem wenn diese auf größere Heterogenität und geringe Durchlässigkeit des Reservoirs zurückzuführen sind. Die DSSD-Technologie kombiniert das konventionelle mechanische Bohren mit der erosiven Wirkung von Stahlkugeln, die im Bohrmeissel beschleunigt werden. Die Wirkung der Stahlkugeln kann in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Bohrmeißels gesteuert werden, wodurch ein neuartiges Richtbohrsystem entsteht, das die Herstellung komplexer Bohrlochgeometrien vereinfacht. Im Rahmen des EU-GEOTHERMICA-Projekts DEPLOI the HEAT wurde die DSSD-Technologie von Canopus umfangreichen Labortests unterzogen, ein Prototyp wurde gebaut und in einem Feldversuch in der Schweiz eingesetzt. Der Feldversuch und eine begleitende Modellierungsstudie, die den Einfluss der Technologie auf mitteltiefe Geothermieprojekte in der Schweiz untersucht, werden im Rahmen des Schweizer Beitrags zum GEOTHERMICA-Projekt durchgeführt. Der vorliegende Bericht fasst die Aktivitäten des ersten Projektjahres zusammen. Die Durchführung des Feldversuchs sowie die Status der Modellierungsstudie werden in diesem Bericht zusammengefasst. Nachfolgend sind die wichtigsten Ergebnisse des Feldversuchs:
1. Ein sicherer Betrieb (mit hohem Druck) konnte realisiert werden; weder Zwischenfälle noch Schäden sind aufgetreten.
2. Das DSSD-System wurde erfolgreich in den normalen Bohrbetrieb integriert.
3. Mit dem DSSD-System wurden zwei Horizontalbohrungen mit einer Länge von ~125 m erbohrt.
4. Mit der Stahlkugel-Bohrtechnik konnte eine ROP-Verbesserung um den Faktor 3 erzielt werden.
5. Tangentiale Abschnitte ohne Steuerung wurden mit minimaler Abweichung gebohrt. Die Abweichung lag innerhalb von 0,3deg/30m (DLS).
6. Insgesamt wurden vier beabsichtigte Richtungsänderungen durch Einsatz der Stahlkugel-Bohrtechnik mit einer DLS von 4-7 Grad/30m realisiert. Dies entspricht der maximalen Richtungsänderung, die die Steifigkeit des Bohrsystems zulässt.
7. Mit einer Spülungsrate von 600 l/min wurde eine ausreichende Bohrlochreinigung erzielt. Bei diesen Spülungsraten besteht die Gefahr von Auswaschungen, wenn der Bohrvortrieb unterbrochen wird, um Bohrgestänge hinzuzufügen.
8. Die Betriebsdrücke konnten für das gebohrte Gestein (Schiefer) auf 150-200 bar reduziert werden. Das System war für höhere Drücke bis zu 300 bar einsatzfähig.
9. Mit der Stahlkugelinjektionseinheit (SIU) konnte eine stabile Injektion realisiert werden. Die SIU erforderte einen Pulsationsdämpfer und einen Strömungsbypass, um voll funktionsfähig zu sein.
10. Die Richtbohrung arbeitete mit einer Stahlkugelkonzentration von 0,5 %, was der Kapazität der SIU entspricht. Für den nächsten Feldversuch mit einer 6-Zoll-Bohrung ist keine Aufrüstung der SIU erforderlich. In harten Gesteinen oder bei großer Tiefe wäre eine höhere Konzentration interessant, um die Bohrgeschwindigkeit und Lebensdauer des Meißels zu erhöhen.
11. Der Stellmotor, die Sensoren, die Kommunikation im Bohrloch und die Steuereinheit des Steuermoduls funktionierten wie gewünscht. Die Konzentrationsimpulse der Stahlkugeln im Bohrfluid entsprachen den Erwartungen. Allerdings muss der Verschleiß eines Kommunikationskabels im Bohrsystem in Zukunft verhindert werden.
12. Die elektromagnetische Telemetrie mit dem Bohrsystem von der Oberfläche aus funktionierte nicht aufgrund von unerwarteten elektromagnetischen Störungen. Für zukünftige Anwendungen sollte ein anderes Telemetriesystem eingesetzt werden. Für den geplante 6-Zoll-Feldversuch können Standard-Spülungsimpulssysteme integriert werden.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Directional Steel Shot Drilling (DSSD), a novel directional drilling technology developed by Canopus Drilling Solutions B.V., offers an innovative solution to enhance the productivity and cost-effectiveness of geothermal drilling. The DSSD technology allows for the cost-effective construction of multilateral wells to increase the reservoir contact and overcome thereby challenges of reservoir quality, primarily due to heterogeneity and low permeability of the reservoir. The DSSD technology combines conventional mechanical drilling action with the erosive action of pressure accelerated steel shots. The steel shot action can be controlled with respect to the orientation of the drilling bit resulting in a novel rotating directional drilling system that simplifies the creation of complex borehole geometries. As part of the EU GEOTHERMICA project DEPLOI the HEAT, Canopus’ DSSD technology underwent extensive lab testing and a prototype has been constructed and deployed in a full operational field trial in Switzerland. The technology trial in Switzerland and a supporting modelling study investigating the technology impact for Swiss medium deep geothermal projects are performed withing the Swiss contribution of the GEOTHERMICA project. This report summarizes the activities of the first project year covering the technology trial execution and evaluation as well as the data collection and workflow development for the modelling study. Below are the key results per aspect of the technology trial are summarized:
1. Safe operations (with high pressure) could be realized, no incidents, no damage.
2. Integration DSSD system was successfully integrated in standard drilling operations.
3. Two horizontal wellbores have been drilled with the DSSD system, each 125 m long.
4. ROP enhancement of factor 3 could be realized with steel shots.
5. Tangent sections without steering have been drilled with minimum deviation from the straight trajectory; DLS within 0.3deg/30m.
6. Four intended turns in total with DLS of 4-7 deg/30m have been realized while circulating steel shot, consistent with stiffness of the drilling assembly.
7. Hole cleaning was sufficient at 600 l/min while these flow rates pose a risk of wash-outs when progression is stooped for making connections or while reciprocating.
8. operating pressures could be reduced to 150-200 bar range for the drilled rock type (slate). System was operational for higher pressures up to 300bar.
9. Stable injection with the steel shot injection unit (SIU) could be realized. The SIU required a pulsation dampener and a flow by-pass to be fully functional.
10. The directional drilling action worked at a steel shot concentration of 0.5%, which is the injection capacity of the existing SIU. No SIU upgrade is required for the planned for 6 inch wellbore trial. In hard rock formations or at large depth, a higher concentration would be attractive for increasing the rate of penetration and the bit longevity.
11. The actuator, sensors, down hole communication, and control unit of the steering module worked as desired. The steering sub created concentration pulses and the solids handling was as expected. However, the wear on a communication cable must be prevented in future.
12. The electro-magnetic telemetry with the downhole assembly from surface wasn’t operational due to unexpected noise. For future application a different telemetry system should be deployed. For 6 inch applications standard mud-pulse systems can be integrated.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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Le forage directionnel à la grenaille d'acier (DSSD), une nouvelle technologie de forage directionnel mise au point par Canopus Drilling Solutions B.V., offre une solution innovante pour améliorer la productivité et la rentabilité des forages géothermiques. La technologie DSSD permet la construction rentable de puits multilatéraux afin d'augmenter le contact avec le réservoir et de surmonter ainsi les défis liés à la qualité du réservoir, principalement en raison de l'hétérogénéité et de la faible perméabilité du réservoir. La technologie DSSD combine l'action mécanique conventionnelle du forage avec l'action érosive des grenailles d'acier accélérées par la pression. L'action de la grenaille d'acier peut être contrôlée en fonction de l'orientation du trépan, ce qui permet d'obtenir un nouveau système de forage directionnel rotatif qui simplifie la création de géométries de forage complexes. Dans le cadre du projet européen GEOTHERMICA DEPLOI the HEAT, la technologie DSSD de Canopus a fait l'objet d'essais approfondis en laboratoire et un prototype a été construit et déployé dans le cadre d'un essai de terrain pleinement opérationnel en Suisse. L'essai technologique en Suisse et une étude de modélisation à l'appui, qui examine l'impact de la technologie pour les projets géothermiques suisses de moyenne profondeur, sont réalisés dans le cadre de la contribution suisse au projet GEOTHERMICA. Ce rapport résume les activités de la première année du projet couvrant l'exécution et l'évaluation de l'essai technologique ainsi que la collecte de données et le développement du flux de travail pour l'étude de modélisation. Les principaux résultats par aspect de l'essai technologique sont résumés ci-dessous:
1. Des opérations sûres (à haute pression) ont pu être réalisées, sans incident ni dommage.
2. Intégration Le système DSSD a été intégré avec succès dans les opérations de forage standard.
3. Deux puits horizontaux ont été forés avec le système DSSD, chacun d'une longueur de 125 mètres.
4. Une amélioration du ROP d'un facteur 3 a pu être réalisée avec des tirs d'acier.
5. Des sections tangentes sans direction ont été forées avec une déviation minimale par rapport à la trajectoire droite ; DLS dans les 0,3deg/30m.
6. Quatre virages intentionnels au total avec une DLS de 4-7 deg/30m ont été réalisés en faisant circuler de la grenaille d'acier, ce qui est cohérent avec la rigidité de l'assemblage de forage.
7. Le nettoyage du trou a été suffisant à 600 l/min, alors que ces débits présentent un risque d'érosion lorsque la progression se fait en position penchée pour effectuer des raccordements ou pendant les mouvements de va-et-vient.
8. Les pressions de fonctionnement ont pu être réduites à 150-200 bars pour le type de roche forée (ardoise). Le système était opérationnel pour des pressions plus élevées, jusqu'à 300 bars.
9. Une injection stable avec l'unité d'injection de grenaille d'acier (SIU) a pu être réalisée. Le SIU a nécessité un amortisseur de pulsations et un by-pass de débit pour être pleinement opérationnel.
10. Le forage directionnel a fonctionné à une concentration de grenaille d'acier de 0,5 %, ce qui correspond à la capacité d'injection de l'unité d'injection de grenaille d'acier existante. Aucune amélioration du SIU n'est nécessaire pour l'essai de forage de 6 pouces prévu. Dans les formations de roches dures ou à grande profondeur, une concentration plus élevée serait intéressante pour augmenter le taux de pénétration et la longévité du trépan.
11. L'actionneur, les capteurs, la communication en fond de trou et l'unité de commande du module de pilotage ont fonctionné comme prévu. Le module d'orientation a créé des impulsions de concentration et la manipulation des solides s'est déroulée comme prévu. Toutefois, l'usure d'un câble de communication doit être évitée à l'avenir.
12. La télémétrie électromagnétique avec l'assemblage de fond de puits depuis la surface n'était pas opérationnelle en raison d'un bruit inattendu. Pour les applications futures, un système de télémétrie différent devrait.
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