DE112021004675T5

DE112021004675T5 - Kühlung für geothermiebohrung

Info

Publication number: DE112021004675T5
Application number: DE112021004675.6T
Authority: DE
Inventors: Matthew Toews; Michael Holmes; Ariel Torre; Aleksandr Vetsak; Mark Hodder
Original assignee: Eavor Technologies Inc
Current assignee: Eavor Technologies Inc
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2021-08-27
Publication date: 2023-06-15
Also published as: CO2023003293A2; AU2021330699A1; EP4204658A1; DE202021004372U1; PE20230970A1; MX2023002407A; CN116096982A; CL2023000463A1; WO2022043947A1; JP2023539504A; KR20230039737A; CA3191883A1; US20230228155A1

Abstract

Ein Verfahren zum Bohren einer Geothermiebohrung in einer unterirdischen Zone umfasst das Bohren eines Bohrlochs der Geothermiebohrung in der unterirdischen Zone mit einem Bohrstrang. Die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins an einem abwärtigen Ende des Bohrlochs beträgt mindestens 250 Grad Celsius. Während des Bohrens wird eine Bohrflüssigkeit mit einer solchen Temperatur an die Gesteinsfläche fließengelassen, dass die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche mindestens 100 Grad Celsius beträgt.

Description

Technisches Gebiet
Diese Offenbarung betrifft Geothermiebohrungen.
Stand der Technik
Bei Bohrungen für Geothermiesysteme können hohe Formationstemperaturen auftreten. Solch hohe Temperaturen können zu Herausforderungen in Bezug auf die Eindringgeschwindigkeit, das Funktionieren der Elektronik im Bohrloch und andere Faktoren führen.
Kurzdarstellung
Diese Offenbarung betrifft Geothermiebohrungen.
Bestimmte Aspekte des vorliegenden Gegenstands können als Verfahren zum Bohren einer Geothermiebohrung in einer unterirdischen Zone implementiert werden. Das Verfahren beinhaltet das Bohren eines Bohrlochs der Geothermiebohrung in der unterirdischen Zone mit einem Bohrstrang. Die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins am abwärtigen Ende des Bohrlochs beträgt mindestens 250 Grad Celsius. Während des Bohrens wird eine Bohrflüssigkeit mit einer solchen Temperatur an die Gesteinsfläche fließengelassen, dass die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche mindestens 100 Grad Celsius beträgt.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche verursacht eine thermisch induzierte Spannung im Gestein an der Gesteinsfläche, die größer als die Zugfestigkeit des Gesteins an der Gesteinsfläche ist.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Das abwärtige Ende des Bohrlochs befindet sich in einer gemessenen Tiefe von mindestens 4000 Metern.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Das abwärtige Ende des Bohrlochs befindet sich in einer vertikalen Tiefe von mindestens 6000 Metern.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche beträgt mindestens 175 Grad Celsius.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins beträgt mindestens 350 Grad Celsius, und die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche beträgt mindestens 200 Grad Celsius.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins beträgt mindestens 500 Grad Celsius, und die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche beträgt mindestens 350 Grad Celsius.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Das Bohrloch ist ein Seitenbohrloch.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Das abwärtige Ende des Bohrstrangs besteht aus einem Drehbohrmeißel.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Das abwärtige Ende des Bohrers umfasst einen berührungslosen Bohrmeißel, der dazu ausgelegt ist, Formationsmaterial an der Gesteinsfläche auszubrechen, ohne dass ein Kontakt zwischen dem Meißel und der Gesteinsfläche erforderlich ist.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Es wird ein Geothermiebohrungssystem mit geschlossenem Kreislauf gebildet, welches das Bohrloch enthält.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Das Bohrloch ist ein Seitenbohrloch. Das Erstellen des geschlossenen Kreislaufsystems beinhaltet das Bohren des Seitenbohrlochs von einem ersten Oberflächenbohrloch aus und das Verbinden des ersten Oberflächenbohrlochs mit einem zweiten Oberflächenbohrloch durch das Seitenbohrloch.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche führt zu radialen Zugbrüchen in mindestens einem Abschnitt der Bohrlochwand. Das Verfahren beinhaltet auch das Abdichten der radialen Zugbrüche mit einem Dichtungsmaterial.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Der Bohrstrang enthält eine Vielzahl von Rohrsegmenten. Mindestens eines der Rohrsegmente weist eine Beschichtung auf, die mindestens teilweise eine Umfangsfläche des Rohrsegments bedeckt. Der längennormierte Wärmewiderstand eines beschichteten Wandabschnitts des Rohrstrangs beträgt mindestens 0,002 Meter Kelvin pro Watt.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Der längennormierte Wärmewiderstand des beschichteten Wandabschnitt beträgt mindestens 0,01 Meter Kelvin pro Watt.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Die Vielzahl von Rohrsegmenten sind an Anschlussfugen miteinander verbunden. Die Beschichtung bedeckt mindestens teilweise eine Umfangsfläche einer oder mehrerer der Anschlussfugen.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Das Bohrloch ist ein erstes Bohrloch. Das Verfahren beinhaltet ferner die Bildung eines zweiten Bohrlochs, das das erste Bohrloch schneidet. Ein zweiter Strom von Bohrflüssigkeit wird durch das zweite Bohrloch fließengelassen, und der zweite Strom liefert mindestens einen Teil der Bohrflüssigkeit, die an der Gesteinsfläche fließt. Zusätzlich zu oder anstelle des zweiten Stroms wird ein Rückstrom der Bohrflüssigkeit vom abwärtigen Ende des ersten Bohrlochs in das zweite Bohrloch umgeleitet.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Das Verfahren beinhaltet auch das Positionieren eines Zwischenrohrstrangs im Bohrloch und das Positionieren des Bohrstrangs innerhalb des Zwischenrohrstrangs. Auf diese Weise wird ein innerer Ringraum zwischen der Außenseite des Bohrstrangs und der Innenseite des Zwischenrohrstrangs gebildet, der sich im Bohrloch mindestens teilweise über die Länge des Bohrstrangs erstreckt. Das Verfahren beinhaltet auch das mindestens teilweise Füllen des inneren Ringraums mit einem Isoliermaterial.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Das Isoliermaterial ist oder enthält ein Gas.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Das Verfahren beinhaltet auch das Zugeben eines Phasenwechselmaterials zu der Bohrflüssigkeit, das dazu vorgesehen ist, in der Nähe des abwärtigen Endes des Bohrstrangs eine Phasenänderung zu durchlaufen.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Der Bohrstrang enthält einen aufwärtigen Abschnitt mit einer ersten Vielzahl von Rohrsegmenten und einen abwärtigen Abschnitt mit einer zweiten Vielzahl von Rohrsegmenten. Eine Mehrheit der ersten Vielzahl von Rohrsegmenten weist eine Zugfestigkeit auf, die mindestens 25 % höher als die Zugfestigkeit der Mehrheit der zweiten Vielzahl von Rohrsegmenten ist. Ein Mehrheit der zweiten Vielzahl von Rohrsegmenten ist mindestens 35 % leichter als die Mehrheit der ersten Vielzahl von Rohrsegmenten.
Bestimmte Aspekte des vorliegenden Gegenstands können als Verfahren zum Bilden eines Geothermiesystems in einer unterirdischen Zone implementiert werden. Das Verfahren beinhaltet das Bohren eines ersten Oberflächenbohrlochs und eines zweiten Oberflächenbohrlochs. Von dem ersten Oberflächenbohrloch wird ein Seitenbohrloch gebohrt, um das erste Oberflächenbohrloch mit dem zweiten Oberflächenbohrloch in der unterirdischen Zone zu verbinden. Das Bohren des Seitenbohrlochs beinhaltet das Positionieren eines Bohrstrangs in einem Seitenbohrloch. Der Bohrstrang definiert eine Leitung, durch die eine Bohrflüssigkeit zu einer Gesteinsfläche an einem abwärtigen Ende des Seitenbohrlochs fließt, um aufgebrochenes Formationsmaterial von der Gesteinsfläche zu lösen. Das Verfahren beinhaltet auch das Bohren des Seitenbohrlochs mit dem Bohrstrang weiter in die unterirdische Zone. Die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins am abwärtigen Ende des Seitenbohrlochs beträgt mindestens 250 Grad Celsius. Die Bohrflüssigkeit fließt in das Seitenbohrloch mit einer Temperatur an der Gesteinsfläche, die mindestens 100 Grad Celsius weniger als die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins beträgt. Der Bohrstrang wird aus dem Seitenbohrloch entfernt, und eine Arbeitsflüssigkeit wird in einem geschlossenen Kreislauf im ersten Oberflächenbohrloch, dem zweiten Oberflächenbohrloch und dem Seitenbohrloch zirkuliert.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Der Arbeitsflüssigkeit wird Wärmeenergie entzogen.
Bestimmte Aspekte des vorliegenden Gegenstands können als System zum Bohren eines Bohrlochs in einer Geothermiebohrung in einer unterirdischen Zone implementiert werden. Die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins am abwärtigen Ende des Bohrlochs beträgt mindestens 250 Grad Celsius. Das System enthält einen Bohrstrang mit einem Bohrmeißel zum Aufbrechen einer Formation an der Gesteinsfläche und eine Bohrflüssigkeit, die an der Gesteinsfläche mit einer solchen Temperatur zirkuliert, dass die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche mindestens 100 Grad Celsius beträgt.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche verursacht eine thermisch induzierte Spannung im Gestein an der Gesteinsfläche, die größer als die Zugfestigkeit des Gesteins an der Gesteinsfläche ist.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Das abwärtige Ende des Bohrlochs befindet sich in einer gemessenen Tiefe von mindestens 4000 Metern.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche beträgt mindestens 175 Grad Celsius.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins beträgt mindestens 350 Grad Celsius, und die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche beträgt mindestens 200 Grad Celsius.
Ein Aspekt, der mit jedem der anderen Aspekte kombinierbar ist, kann die folgenden Merkmale umfassen. Das Bohrloch ist ein Seitenbohrloch.
Figurenliste

1A ist eine schematische Darstellung eines Geothermiesystems mit geschlossenem Kreislauf gemäß den hier vorgestellten Konzepten.
1B ist eine Draufsicht auf das in 1A dargestellte Geothermiesystem mit geschlossenem Kreislauf.
2 ist eine schematische Darstellung eines Bohrsystems gemäß den hier vorgestellten Konzepten.
3A ist eine schematische Darstellung eines Bohrmeißels gemäß den hier dargestellten Konzepten.
3B ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Bohrmeißelkegels gemäß den hier vorgestellten Konzepten.
4A ist eine grafische Darstellung der Temperatur-Druck-Beziehung für den Übergang von sprödem zu halbsprödem Gestein in duktilem oder plastischem Gestein gemäß den hier vorgestellten Konzepten.
4B ist eine grafische Darstellung des Übergangs von sprödem zu halbsprödem Gestein in sprödem Vulkangestein gemäß den hier vorgestellten Konzepten.
5 ist eine grafische Darstellung der Auswirkung von Dehnung und Spannung auf sprödes und duktiles Gestein gemäß den hier vorgestellten Konzepten.
6A ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Sprödigkeit des Gesteins und der Eindringgeschwindigkeit.
6B zeigt die Beziehung zwischen Gesteinsschäden durch Bohrarbeiten und einer Kühltemperaturdifferenz.
7 ist eine grafische Darstellung der Ergebnisse von Labortests zur Eindringgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Bohrflüssigkeit und dem zu bohrenden Gestein.
8A ist eine Darstellung beschichteter Rohrsegmente eines Rohrstrangs zum Bohren gemäß den hier vorgestellten Konzepten.
8B ist eine Darstellung beschichteter Rohrsegmente eines Rohrstrangs zum Bohren gemäß den hier vorgestellten Konzepten.
Die 9A-9D zeigen den Zusammenhang zwischen vertikaler Tiefe und Temperatur von Bohrgestänge, Ringraum und Gestein bei Rohrsegmenten mit verschiedenen Beschichtungskonfigurationen gemäß den hier vorgestellten Konzepten.
10 ist eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der maximalen bohrbaren Gesteinstemperatur und dem Wärmegradienten für verschiedene Rohrsegmentbeschichtungskonfigurationen gemäß den vorliegenden Konzepten.
11 ist eine schematische Darstellung des Wärmeübergangswiderstands durch den Ringraum und verschiedene Rohrkonfigurationen gemäß den hier vorgestellten Konzepten.
12 ist eine schematische Darstellung eines Bohrlochsystems mit einem zweiten isolierenden Ringraum gemäß den hier vorgestellten Konzepten.
Die 13A-13B zeigen die Wärmewirkung des zweiten isolierenden Ringraums aus 12.
14 ist eine schematische Darstellung eines Bohrlochsystems zum Bohren mit einem zweiten Bohrloch, das als Einlass und/oder Auslass für Bohrflüssigkeit gemäß den hier vorgestellten Konzepten dient.

Ausführliche Beschreibung
1A zeigt ein Geothermiesystem mit geschlossenem Kreislauf gemäß den hier vorgestellten Konzepten. Bei dem geothermischen Bohrlochsystem mit geschlossenem Kreislauf kann es sich beispielsweise um ein System wie das von Eavor Technologies Inc. aus Calgary, Alberta, Kanada entwickelte System handeln, das ein Netz von abgedichteten horizontalen Bohrlöchern umfasst, die als Kühler oder Wärmetauscher mit der Formation im Bohrloch fungieren. Beschreibungen der Verfahren und Vorrichtungen, die in einigen Fällen eines solchen Geothermiesystems mit geschlossenem Kreislauf verwendet werden, finden sich z. B. in US-Pat.-Anm. Pub. Nr. 20190154010A1 , 20190346181A1 und 20200011151A1 , deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Bezugnehmend auf 1A umfasst das Geothermiesystem 100 mit geschlossenem Kreislauf ein Einlass-Oberflächenbohrloch 104 und ein Auslass-Oberflächenbohrloch 106, die innerhalb der unterirdischen Zone 108 durch ein Netz von Seitenbohrlöchern 110 verbunden sind. Die unterirdische Zone 108 ist eine geologische Formation, Teil einer geologischen Formation oder mehrere geologische Formationen. Im dargestellten Fall sind die Oberflächenbohrlöcher 104 und 106 im Wesentlichen vertikal; in anderen Fällen der vorliegenden Offenbarung können ein oder beide der Oberflächenbohrlöcher gegebenenfalls nicht im Wesentlichen vertikal verlaufen. Im dargestellten Fall sind die Seitenbohrlöcher 110, die die Oberflächenbohrlöcher 104 und 106 verbinden, im Wesentlichen horizontal; in einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung können einige oder alle Seitenbohrlöcher gegebenenfalls nicht im Wesentlichen horizontal, sondern im Wesentlichen gerade oder gekrümmt verlaufen oder eine spiralförmige oder andere Konfiguration aufweisen. Die Seitenbohrlöcher 110 können abgedichtet sein, und dem geschlossenen Kreislauf kann eine Arbeitsflüssigkeit als Zirkulationsflüssigkeit zugegeben sein. Eine Stromerzeugungsanlage 112 ist an der Oberfläche 114 zwischen dem Einlass-Oberflächenbohrloch 104 und dem Auslass-Oberflächenbohrloch 106 angeordnet, um den geschlossenen Kreislauf zu vervollständigen. Die Wärme aus der unterirdischen Zone 108 wird aus der im Kreislauf 116 zirkulierenden Arbeitsflüssigkeit zurückgewonnen und anschließend zur Stromerzeugung mit einem Generator (nicht gezeigt) in der Stromerzeugungsanlage 112 genutzt. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung können die Seitenbohrlöcher 110 eine Länge von 2000 Metern bis 8000 Metern oder mehr und eine Tiefe von 1000 Metern bis 20000 Metern von der Oberfläche 114 aufweisen.
1B ist eine Draufsicht auf die Seitenbohrlöcher 110, die Teil des Geothermiesystems mit geschlossenem Kreislauf 100 von 1A sind. Bezugnehmend auf 1B sind die Seitenbohrlöcher 110 in der unterirdischen Zone 108 radial beabstandet. Jedes der Seitenbohrlöcher 110 ist in der Regel mit dem Einlassbohrloch 104 und dem Auslassbohrloch 106 in einem geschlossenen Kreislauf verbunden. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung sind das Einlassbohrloch 104 und das Auslassbohrloch 106 teilweise oder vollständig mit einem Futterrohr ausgekleidet. Die Seitenbohrlöcher 110 sind in einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung nicht mit einem Futterrohr ausgekleidet, sondern werden stattdessen ohne Verwendung von Futterohren abgedichtet, indem eine für Flüssigkeiten im Wesentlichen undurchlässige Grenzfläche zwischen dem Seitenbohrloch und der Formation gebildet wird.
Obwohl die 1A und 1B das Einlassbohrloch 104 in einem großen Abstand vom Auslassbohrloch 106 zeigen, können in anderen Fällen der vorliegenden Offenbarung die Bohrlöcher 104 und 106 nahe beieinander liegen, und das Netz der Seitenbohrlöcher 110 kann gestapelt oder verschachtelt sein und sich an ihren Spitzen schneiden.
Das Bohren eines Geothermiesystems, wie es in den 1A und 1B dargestellt ist, kann das Bohren durch sehr hartes polykristallines Gestein, wie beispielsweise Granit, bei sehr hohen Temperaturen (über 250 °C und in einigen Umgebungen über 400 °C oder über 800 °C) beinhalten. Solch hartes Gestein mit hohen Temperaturen kann zum Beispiel beim Bohren von tiefen horizontalen Bohrlochsegmenten angetroffen werden, wie in den 1A und 1B dargestellt.
2 ist eine schematische Darstellung eines Bohrlochbohrsystems 200 gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung, das zum Bohren des Einlass-Oberflächenbohrlochs 104, des Auslass-Oberflächenbohrlochs 106 und/oder der Seitenbohrlöcher 110 der 1A und 1B geeignet sein kann. Wie in 2 dargestellt, wird das Bohrloch 202 in einer unterirdischen Zone 204 durch Bohren mit einem im Bohrloch 202 positionierten Bohrstrang 206 hergestellt. Der Bohrstrang 206 umfasst an seinem abwärtigen Ende eine Bohrlochsohlenanordnung (BHA) 210. Die BHA 210 enthält den Bohrmeißel 208 und kann darüber hinaus Bohrkragen, Richtungsbohrinstrumente und verschiedene elektrische und elektronische Komponenten für den Betrieb und/oder die Steuerung des Bohrmeißels 208 umfassen. Das Innere des Bohrstrangs 206 definiert eine Leitung, durch die eine Bohrflüssigkeit 212 zum abwärtigen Ende des Bohrlochs fließt, um aufgebrochenes Formationsmaterial von der Gesteinsfläche 214 zu lösen, das dann durch die Bohrflüssigkeit 212 über den Ringraum 216 nach oben getragen wird, der zwischen der Außenseite des Bohrstrangs 206 und der Innenfläche des Bohrlochs 202 definiert ist.
Der Bohrstrang 206 enthält eine Vielzahl von Rohrsegmenten 220, die an Anschlussfugen 222 miteinander verbunden sind. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung bestehen die Anschlussfugen 222 aus Schraubverbindungen oder anderen geeigneten Verbindungen.
Die Wärmeübertragung - dargestellt durch die Pfeile 224 - kann von der unterirdischen Zone 204 in den Ringraum 216 sowie vom Ringraum 216 in das Innere des Bohrstrangs 206 und in die Bohrflüssigkeit 212 erfolgen, die den Bohrstrang 206 hinunter fließt. Dementsprechend trägt die Wärmeübertragung von der unterirdischen Zone 108 zum Ringraum 216 und vom Ringraum 216 ins Innere des Bohrstrangs 206 zur Temperaturerhöhung der Bohrflüssigkeit 212 vor ihrer Zuführung zum Bohrmeißel 208 durch den Gegenstromaustauschmechanismus bei.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung ist der Bohrmeißel 208 ein Kontaktbohrmeißel, wie z. B. ein Bohrmeißel aus polykristallinem Diamant (PDC), ein Drehbohrmeißel und/oder eine andere Art von Bohrmeißel, der zum Bohren auf dem Kontakt mit dem Gestein beruht. Ein Beispiel für einen geeigneten Kontaktbohrmeißel ist der in den 3A und 3B gezeigte Tricone-Bohrmeißel 300. Wie in 3A gezeigt, umfasst der Tricone-Bohrmeißel 300 drei Kegel 302, die jeweils eine Vielzahl von Schneidelementen 304 aufweisen. 3B zeigt eine Detailansicht eines Schnitts entlang der Linie 305A - 305B aus 3A. In diesem Beispiel enthält jeder Kegel 302 eine Vielzahl von beabstandeten Schneidelementen 304 in einer bestimmten beabstandeten Anordnung über die Fläche jedes Kegels. Um eine längere Lebensdauer und ein längeres ununterbrochenes Bohren zu ermöglichen, kann eine Reihe von zusätzlichen Schneidelementen 306 vorgesehen sein. In diesem Beispiel sind die zusätzlichen Schneidelemente 306 unterhalb der Schneidelemente 304 so angeordnet, dass die Spitzen der zusätzlichen Schneidelemente 306 an den Kontaktpunkt der Basen der darüber liegenden Schneidelemente 304 angrenzen. Bei dieser Anordnung treten mit der Abnutzung der Elemente 304 allmählich die Spitzen der zusätzlichen Schneidelemente 306 hervor. Dies lässt sich weiter beschleunigen, indem zumindest in die Zwischenräume 310 zwischen benachbarten Elementen 304 und 306 ein Material verschiedener Härte eingebracht wird. Bei dieser Anordnung erneuert sich die Schneide eines jeden Kegels selbst. Zu den weiteren Vorzügen dieses Merkmals gehört der Vorteil einer gleichmäßigeren Abnutzung des Meißels 300, um einen exzentrischen Bohrfortschritt und die Möglichkeit des Verklemmens oder des Steckenbleibens in der entstehenden Bohrung zu verringern.
In anderen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann der Bohrmeißel 208 aus 2 ein berührungsloser Bohrmeißel sein, der dazu ausgelegt ist, Formationsmaterial an der Gesteinsfläche 214 der unterirdischen Zone 204 am abwärtigen Ende des Bohrlochs 202 aufzubrechen, ohne dass ein Kontakt zwischen dem Meißel 208 und der Gesteinsfläche 214 erforderlich ist, und in einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann der Bohrmeißel einen Elektrobrechmeißel für Elektroimpulsbohren umfassen. Beispiele für berührungslose Bohrsysteme sind das Plasmabohren (z. B. das durch GA Drilling, A.S. entwickelte Plasmabohrsystem), das Laserbohren (z. B. das durch Foro Energy entwickelte Laserbohrsystem), das Mikrowellenbohren (z. B. das durch Quaise entwickelte Mikrowellen-Bohrsystem), thermische Spallationsverfahren wie das überkritische Wasserstrahlen oder Flammenstrahlen und das Elektroimpulsbohren (z. B. die durch die Tetra Corporation entwickelten Elektroimpulsbohrsysteme). (Es versteht sich, dass Teile eines berührungslosen Bohrmeißels während des Bohrvorgangs periodisch gegen die Formation stoßen, diese streifen oder anderweitig mit ihr in Kontakt kommen können.)
Bei Elektroimpulsbohrsystemen, wie dem durch die Tetra Corporation entwickelten System, wird ein Elektrobrechmeißel verwendet, der mehrere Elektroden aufweist, die hochenergetische Funken zum Aufbrechen von Formationsmaterial erzeugen, sodass es anschließend aus dem Weg der Bohranordnung abgeführt werden kann. Der Meißel kann mehrere Funken pro Sekunde erzeugen, wobei ein bestimmtes Erregerstromprofil verwendet wird, das einen kurzlebigen Funken erzeugt und einen Lichtbogen durch den am stärksten leitenden Abschnitt der Gesteinsfläche am abwärtigen Ende des Bohrlochs schlägt. Der Lichtbogen bewirkt, dass der durch den Lichtbogen durchdrungene Abschnitt der Gesteinsfläche zerfällt oder zersplittert und durch den Fluss der Bohrflüssigkeit weg gespült wird. Für das Elektroimpulsbohren wird eine hochohmige Bohrflüssigkeit verwendet. Beschreibungen einiger Elektroimpulsbohrmeißel, Bohrflüssigkeiten und zugehöriger Systeme und Verfahren finden sich beispielsweise in US-Pat. Nr. 4.741.405 , US-Pat. Nr. 9.027.669 , US-Pat. Nr. 9.279.322 , US-Pat. Nr. 10.060.195 , US-Pat. Pub. Nr. 20200299562A1 , und die PCT-Patentanmeldungen WO 2008/003092 , WO 2010/027866 , WO 2014/008483 , WO 2018/136033 und WO 2020/236189 , deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Da beim Elektroimpulsbohren und anderen Formen des berührungslosen Bohrens das Gestein auf Zug (und nicht auf Druck oder Scherung) nachgibt, kann ein weiterer Synergieeffekt mit den weiter unten näher beschriebenen Kühleffekten auftreten.
Die Eindringgeschwindigkeit (ROP) kann reduziert werden, wenn das Gestein einen sehr hohen allseitigen Druck aufweist und/oder aufgrund der hohen Temperaturen, die beim Bohren in tiefen geothermischen Umgebungen auftreten können, duktile/plastische Eigenschaften aufweist, wie beim Bohren von (beispielsweise) Seitenbohrlöchern 110 eines geschlossenen Kreislaufsystems, wie in den 1A und 1B dargestellt. Diese hohen Temperaturen können auch das Funktionieren der Elektronik und/oder der Sensoren im Bohrloch beeinträchtigen. Darüber hinaus kann das Bohren mehrerer Seitenbohrlöcher, wie in 1B gezeigt, den aufwendigen Einsatz von Richtungsbohrtechnik erfordern. Die Magnetometer und andere Bohrlochausrüstungen, die für solche Richtungsbohrungen verwendet werden, können durch hohe Temperaturen im Bohrloch beeinträchtigt werden. Einige Bohrlochkomponenten von Richtungsbohrsystemen haben eine Temperaturgrenze von 150-250 °C. Andere Bohrlochkomponenten können eine andere (höhere oder niedrigere) Temperaturgrenze oder einen anderen Temperaturbereich aufweisen.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung, die im Folgenden beschrieben werden, werden Beschichtungskombinationen, Bohrlochgeometrien, Bohrlochvorrichtungen und/oder Zusatzstoffe verwendet, um den Fluss der Bohrflüssigkeit am abwärtigen Ende des Bohrlochs bei einer solchen Bohrtemperatur zu gewährleisten, dass die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins (d. h. der Temperatur des Gesteins vor dem Bohrmeißel, das immanent durchbohrt wird, jedoch ohne die Kühlwirkung der Bohrflüssigkeit) und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche mindestens 100 °C beträgt. Die Temperatur der Flüssigkeit an der Gesteinsfläche ist die Temperatur der Flüssigkeit an der Stelle, an der die konvektive Abkühlung der Gesteinsfläche stattfindet, z. B. innerhalb von ca. 1 cm der zu bohrenden Gesteinsfläche. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann eine solche Temperaturdifferenz in geothermischen Umgebungen auftreten, in denen die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins mindestens 250 °C in einer gemessenen Tiefe von 4000 Metern oder mehr beträgt, d. h. in der gemessenen Tiefe durch das Oberflächenbohrloch und das Seitenbohrloch. (Wie hier verwendet, ist die gemessene Tiefe die Länge entlang des Weges eines Bohrlochs und unterscheidet sich somit von der vertikalen Tiefe eines Bohrlochs, außer bei einem wirklich vertikalen Bohrloch.) In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann die Temperaturdifferenz größer sein. In einem Fall der vorliegenden Offenbarung, in dem die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins mindestens etwa 500 °C beträgt, kann die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche beispielsweise mindestens etwa 350 °C betragen. In anderen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann die Temperaturdifferenz größer oder kleiner sein. Eine solch große Temperaturdifferenz kann die ROP erhöhen, da sich die Gesteinsfläche durch den Schockkühleffekt thermisch zusammenzieht. Dadurch wird das Gestein auf Spannung beansprucht und der effektive allseitige Druck an der Gesteinsfläche verringert. Sie kann auch zu zugbedingten Mikrobrüchen in der Gesteinsmatrix führen.
4A ist beispielsweise eine grafische Darstellung der Temperatur-Druck-Beziehung für den Übergang von spröde zu halbspröde in duktilem oder plastischem Gestein. Duktiles Gestein geht in einen spröden Zustand über, wenn die Temperatur gesenkt oder der Druck verringert wird. Wenn heißes, sprödes Gestein einer schnellen thermischen Abkühlung unterzogen wird, sinkt die Innentemperatur des Gesteins, und das Gestein geht im Vergleich zum unbehandelten Gestein in einen spröderen Zustand über. 4B veranschaulicht dieses Ergebnis allgemein. Dementsprechend führt diese zonale Verschiebung von duktil zu halbspröde und jede Kombination innerhalb der Zone durch Temperaturmanipulation zu einer Versprödung des behandelten Gesteins im Vergleich zu seinem unbehandelten Ausgangszustand.
Die Gesteinsfestigkeit (die Spannung, die erforderlich ist, um eine irreversible Verformung zu bewirken) ändert sich nicht notwendigerweise mit zunehmender Sprödigkeit, wie in 5 gezeigt. Der Verformungsmodus eines spröden Gesteins ist jedoch plötzliches Nachgeben und Bruch, während bei duktilem Gestein der Nachgabemodus darin besteht, vor dem Nachgeben eine stärkere plastische Verformung zu erfahren.
Wie in 6A gezeigt, nimmt die Eindringgeschwindigkeit unabhängig vom Bohrverfahren im Allgemeinen mit der Sprödigkeit des Gesteins zu. Das Impulselektrobohrsystem oder ein anderes berührungsloses Bohrsystem kann insbesondere für sprödes Gestein geeignet sein.
6B zeigt den Zusammenhang zwischen der inneren Schädigung des Gesteins in Abhängigkeit von der Kühltemperatur (z. B. bei Bohrarbeiten). Es ist zu beachten, dass die innere Schädigung ein separater und zusätzlicher Effekt ist, der zu dem bereits erwähnten Versprödungsmechanismus hinzukommt. Im Gegensatz zur einfachen Versprödung ist eine höhere Temperaturdifferenz beim Abkühlen erforderlich, um irreversible Schäden im Gestein zu verursachen. Die irreversiblen Schäden äußern sich in Form von Mikrorissen, Brüchen und Verschiebungen zwischen und in den Gesteinskörnern aufgrund der unterschiedlichen thermischen Kontraktion. Bei ausreichender thermischer Abkühlung können sowohl die Versprödung als auch die anschließende irreversible Schädigung des zu bohrenden Gesteins induziert werden.
7 ist eine grafische Darstellung der Ergebnisse von Labortests zur Eindringgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Bohrflüssigkeit und dem zu bohrenden Gestein. Die Labortests wurden an Granitblöcken mit einem Durchmesser von 10 Zoll durchgeführt, die in einem Ofen auf die Solltemperatur erhitzt wurden. Die Blöcke wurden anschließend in einer Druckkammer platziert, die unter Druck gesetzt wurde, um eine Tiefe von etwa 1000 m sowohl in Bezug auf den allseitigen Druck (der auf eine die Gesteinsprobe umgebende Hülse ausgeübt wird) als auch auf den hydrostatischen Druck der Bohrflüssigkeit zu simulieren. Die Gesteinsproben wurden dann mit gleichbleibendem Gewicht am Meißel, Drehzahl und Durchflussrate unter Verwendung von Bohrflüssigkeit bei Umgebungstemperatur gebohrt. Wie aus 7 ersichtlich, nimmt die Eindringgeschwindigkeit (ROP) erheblich zu, wenn die Differenz zwischen der Temperatur des zu bohrenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit etwa 175 Grad Celsius übersteigt. Bei einer solchen Temperaturdifferenz kann die thermisch induzierte Spannung im Gestein an der Gesteinsfläche größer als die Zugfestigkeit des Gesteins an der Gesteinsfläche sein, was zu einer Schwächung und zu Rissen im Gestein führen kann, die die Eindringgeschwindigkeit erhöhen. Eine weitere Erhöhung der Temperaturdifferenz führt zu einer größeren Verbesserung der ROP.
Darüber hinaus kann die Schockkühlung den effektiven lithostatischen allseitigen Druck an der Gesteinsfläche durch thermische Kontraktion verringern. Bei Versuchen auf dem Prüfstand ohne Schockkühlung sinkt die ROP mit zunehmendem allseitigen Druck. Daher kann die Schockkühlungswirkung allein schon eine bessere Leistung in tiefem Gestein unter hohem allseitigem Druck ermöglichen.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung reicht die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche aus, um eine Versprödung der Formation an der Gesteinsfläche zu bewirken. Wenn ein versprödetes Gestein nachgibt, kann es plötzlich und ohne materielle plastische Verformung brechen.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung reicht die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche aus, um die Zugfestigkeit des Gesteins zu verringern und/oder die Mikrostruktur des Gesteins zu schädigen (was die Festigkeit des Gesteins aufgrund von kleinen Mikrobrüchen und Schwachstellen in der Gesteinsmatrix verringern kann) und/oder Abplatzungen an der Gesteinsfläche aufgrund der thermischen Kontraktion des Gesteins zu verursachen. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung reicht die Temperaturdifferenz aus, um den allseitigen Druck an der Gesteinsfläche (durch thermische Kontraktion des Gesteins und Induktion von Rissen)zu verringern. Wenn die thermische Kontraktion so weit geht, dass Risse in der Gesteinsfläche entstehen, verliert das Gestein an allseitigem Druck und ist leichter aufzubrechen.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung reicht die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche aus, um die Bohrlochsohleanordnung (BHA) kühl und auf einer relativ konstanten Temperatur zu halten, selbst wenn Gestein mit Temperaturen von 250 °C bis 500 °C oder höher und in Tiefen von 2-14 km oder mehr gebohrt wird. Eine solche Kühlung kann insbesondere beim Elektroimpulsbohren von Vorteil sein, da diese Technologie von Natur aus eine Stromerzeugung und - übertragung in der BHA erfordert und der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. Unabhängig vom Gesteinsbrechverfahren können einige Elektronikbauteile, Leiterplatten, Batterien und andere Komponenten im Bohrloch eine Temperaturgrenze von 150-200 °C aufweisen. (Einige Komponenten im Bohrloch können eine andere (höhere oder niedrigere) Temperaturgrenze aufweisen.) Durch Verwendung eines Kühlsystems der vorliegenden Offenbarung werden diese Komponenten auch beim Bohren von sehr heißem Gestein unterhalb ihrer Temperaturgrenzen gehalten.
Durch Kühlen der Magnetometer und anderer Bohrlochkomponenten von Richtungsbohrsystemen können einige der in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Fälle den Einsatz von Richtungsbohrungen in Gesteinsumgebungen mit höheren Temperaturen ermöglichen, als dies bisher möglich war.
Durch Bereitstellen einer großen Temperaturdifferenz zwischen dem an die Gesteinsfläche angrenzenden Gestein und der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche können die hier offenbarten verbesserten Kühlsysteme und -verfahren die Verwendung eines Bohrsystems (wie z. B. eines Elektroimpulsbohrsystems) und von Richtungsbohrkomponenten ermöglichen, um die mehreren horizontalen Bohrlöcher eines Geothermiesystems mit geschlossenem Kreislauf in einer Umgebung mit hoher Formationstemperatur (wie in 1B dargestellt) mit einer besseren Leistung der Elektronik im Bohrloch und einer höheren ROP zu bohren.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann eine verstärkte Kühlung zum Bohren aller Bohrlöcher der in den 1A und 1B dargestellten Systeme verwendet werden. Da das Gestein mit der höchsten Temperatur in den Formationen angetroffen werden kann, durch die die Seitenbohrlöcher 110 gebohrt werden, kann in einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung eine konventionelle Bohrung ohne fortschrittliche Kühlung zum Bohren der vertikalen Bohrlochkomponenten der 1A und 1B und eine verstärkte Kühlung zum Bohren einiger oder aller Seitenbohrlöcher 110 verwendet werden. Die Schockkühlung kann eine größere Auswirkung auf die ROP haben, wenn das Gestein heiß ist, z. B. über 250 °C; daher eignet sich die verstärkte Kühlung besonders für Bohrlöcher, bei denen die Mehrheit der Bohrungen in sehr heißem Gestein erfolgt. Der ROP-Vorteil kann bei einem einzelnen vertikalen oder abgelenkten Bohrloch geringer ausfallen. Der Vorteil kann jedoch beträchtlich sein, wenn ein Netz von Bohrlöchern in der Tiefe in heißem Gestein gebohrt wird, wie in den Beispielen in den 1A und 1B gezeigt.
8A zeigt Kühlbeschichtungen, die auf Rohrsegmente 220 des Bohrstrangs 206 aus 2 gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung aufgebracht wurden. Rohrsegmente 220 sind an den Anschlussfugen 222 miteinander verbunden und bestehen aus einem Hauptkörper 802. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung besteht der Hauptkörper 802 aus einem Kohlenstoffstahlkörper. In anderen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann der Hauptkörper 802 eine Aluminiumlegierung, eine Titanlegierung und/oder einen Faserverbundstoff (z. B. einen Verbundstoff aus einem Polymerbindemittel mit Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Glasfasern, E-Glasfasern und/oder anderen Strukturfasern) umfassen, wie im Folgenden näher beschrieben. Die innere Beschichtung 804 bedeckt mindestens teilweise die innere Umfangsfläche der Rohrsegmente 220. Im dargestellten Fall bedeckt die innere Beschichtung die gesamte Länge der Rohrsegmente 220 und auch die Innenfläche der Anschlussfuge 222. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung können die Anschlussfugen 222 einen bedeutenden Bereich der Wärmeübertragung darstellen. Durch Abdeckung der Innenfläche der Anschlussfuge 222 mit der inneren Beschichtung 804 wird der Wärmeübergang an der Anschlussfuge 222 reduziert.
Die äußere Beschichtung 806 bedeckt mindestens teilweise die äußere Umfangsfläche des Rohrsegments 220. Im gezeigten Fall hat die Anschlussfuge 222 einen größeren Durchmesser als der Hauptabschnitt des Körpers 802 und kann daher einem stärkeren Kontakt und einer größeren Reibung mit der Bohrlochwand oder anderen Komponenten des Bohrlochsystems ausgesetzt sein. Im dargestellten Fall bedeckt die äußere Beschichtung 806 den Abschnitt der Rohrsegmente 220 zwischen den Anschlussfugen 222, nicht aber den Bereich mit dem größeren Durchmesser um die Anschlussfugen 222. Auf diese Weise ist die äußere Beschichtung 806 weniger der Reibung ausgesetzt, die an den Anschlussfugen 222 auftritt.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung umfasst die innere Beschichtung 804 eines oder mehrere der Epoxid-Novolakharze TK340XT und CP-2060 sowie die Epoxid-Phenolharze TK34XT und CP-2050. Die TK-Produkte sind von NOV, Inc. erhältlich, während die CP-Produkte von Aremco Products Inc. erhältlich sind. Die Dicke der inneren Beschichtung 804, die das Epoxid-Phenolharz enthält, kann zwischen 150 und 250 um liegen, während die Dicke der inneren Beschichtung 804, die die Epoxid-Novolakharze enthält, zwischen 400 und 1270 um liegen kann. Die Epoxid-Phenolharze können eine durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit von ~ 0,8 K/W m aufweisen, während das Epoxid-Novolakharz eine durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit von - 0,4 K/W m aufweisen kann. Diesen oder anderen Harzen können isolierende Partikel zugesetzt werden, um die Wärmeleitfähigkeit weiter zu verringern.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung umfasst die äußere Beschichtung 806 eine Umhüllung aus einem Faserverbundwerkstoff (wie z. B. Kohlefaser, einem E-Glas-Verbundstoff und/oder einem anderen Faserverbundstoff) mit einer Dicke von etwa 2540 um. Diese Beschichtungen sind von ACPT Inc. und/oder Seal for Life Industries erhältlich. E-Glas kann eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,288 W/K m aufweisen, während Kohlefaser eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,8 W/K m aufweisen kann.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung beträgt der längennormierte Wärmewiderstand einer Wand des Rohrstrangs mindestens etwa 0,002 Kelvin-Meter pro Watt. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung beträgt der längennormierte Wärmewiderstand einer Wand des Rohrstrangs mindestens etwa 0,01 Kelvin-Meter pro Watt. Wie in 8A dargestellt, wird die Dicke 810 der Wand durch die Innenfläche der inneren Beschichtung 804 und die Außenfläche der äußeren Beschichtung 806 definiert. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung ist der „längennormierte Wärmewiderstand“ der effektive Wärmeleitungswiderstand des Strangs für die radiale Wärmeübertragung unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Materialien entlang ihrer Länge und ist die Temperaturdifferenz, die erforderlich ist, um 1 Watt Energie über eine axiale Materiallänge von 1 Meter zu übertragen.
Nachstehend ist der längennormierte Wärmewiderstand der Wand des Rohrstrangs in einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung mit einem inneren Stahlkörper 802 und einer inneren Beschichtung 804 aus den angegebenen Materialien und Dicken (aber ohne äußere Beschichtung 806) dargestellt:

Längennormierter

Beschichtung Wärmewiderstand

TK34 (100 µm) 0,00062

TK34 (250 µm) 0,0010

TK340XT (250 µm) 0,0017

TK340XT (400 µm) 0,0024

Nachstehend ist der längennormierte Wärmewiderstand der Wand des Rohrstrangs in einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung mit einem inneren Stahlkörper 802 und einer inneren Beschichtung 804 aus den angegebenen Materialien und Dicken zuzüglich einer äußeren Beschichtung 806 („Mantel“) aus E-Glas einer Dicke wie angegeben dargestellt:

	Längennormierter
Beschichtungen	Wärmewiderstand
TK34 (100 µm) + 2,5 mm Mantel	0,0032
TK34 (100 µm) + 5 mm Mantel	0,0034
TK34 (250 µm) + 2,5 mm Mantel	0,0048
TK34 (250 µm) + 5 mm Mantel	0,0054
TK340XT (250 µm) + 2,5 mm Mantel	0,0070
TK340XT (250 µm) + 5 mm Mantel	0,0082
TK340XT (400 µm) + 2,5 mm Mantel	0,0092
TK340XT (400 µm) + 5 mm Mantel	0,011

In einem Fall der vorliegenden Offenbarung umfasst der Bohrstrang 206 von 2 Rohrsegmente 220, wie in 8A dargestellt, die eine innere Beschichtung 804 aus einem Epoxid-Novolakharz TK340XT mit einer Dicke von etwa 400 Mikrometer und eine äußere E-Glas-Beschichtung 806 mit einer Dicke von etwa 5 Millimetern umfassen. Geht man in einem solchen Fall von einer unterirdischen Zone mit einem Wärmegradienten von etwa 60 °C/km und einem Bohrstrang mit einer Länge von etwa 8.000 m sowie einer wasserbasierten Bohrflüssigkeit mit einer Zirkulationsrate von etwa 3 m³/min und einer Temperatur an der Gesteinsfläche von etwa 490 °C aus, so kann ein Bohrstrang 206, der aus solchen Rohrsegmenten 220 besteht, zu einer Temperaturdifferenz zwischen dem an die Gesteinsfläche angrenzenden Gestein und der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche von etwa 346 °C führen.
In einem weiteren Fall der vorliegenden Offenbarung umfasst der Bohrstrang 206 von 2 Rohrsegmente 220, wie in 8A dargestellt, die eine innere Beschichtung 804 aus einem Epoxid-Novolakharz TK34XT mit einer Dicke von etwa 250 Mikrometer und eine äußere E-Glas-Beschichtung 806 mit einer Dicke von etwa 2,5 Millimetern umfassen. Geht man in einem solchen Fall von einer unterirdischen Zone mit einem Wärmegradienten von 40 °C/km und einem Rohrstrang mit einer Länge von etwa 9.000 m sowie einer wasserbasierten Bohrflüssigkeit mit einer Zirkulationsrate von etwa 3,5 m³/min und einer Temperatur an der Gesteinsfläche von etwa 370 °C aus, so kann ein Bohrstrang 206, der aus solchen Rohrsegmenten 220 besteht, zu einer Temperaturdifferenz zwischen dem an die Gesteinsfläche angrenzenden Gestein und der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche von etwa 196 °C führen.
In anderen Fällen der vorliegenden Offenbarung können die innere Beschichtung 804 und/oder die äußere Beschichtung 806 eine größere oder geringere Dicke aufweisen und/oder andere Arten von Beschichtungen, z. B. keramische anorganische Beschichtungen wie silikatgebundene Keramiken, umfassen.
8B zeigt Kühlbeschichtungen, die auf Rohrsegmente 220 eines Bohrstrangs 206 aus 2 gemäß einem anderen Fall der vorliegenden Offenbarung aufgebracht wurden. In dem in 8B gezeigten Fall sind die Rohrsegmente 220 Verbundrohrsegmente, die einen Verbundhauptkörper 850 (der aus Stahl, Titan, Aluminium, Faserverbundwerkstoff oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann) umfassen, der mit Anschlussfugen 222 verbunden ist, die ebenfalls aus Stahl, Titan, Aluminium, Faserverbundstoff oder einem anderen geeigneten Material bestehen können.
Wie in 8B dargestellt, bedeckt die innere Beschichtung 854 mindestens teilweise eine innere Umfangsfläche der Rohrsegmente 220. Im dargestellten Fall bedeckt die innere Beschichtung 854 nur die innere Umfangsfläche der Rohrsegmente 220 an und in der Nähe der Anschlussfuge 222. Durch Bedecken des Bereichs der inneren Umfangsfläche des Segments 220 an und in der Nähe der Anschlussfuge 222 mit der inneren Beschichtung 854 wird die Wärmeübertragung an der Anschlussfuge 222 verringert. In anderen Fällen der vorliegenden Offenbarung bedeckt die innere Beschichtung 854 die gesamte innere Umfangsfläche der Rohrsegmente 220.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann die innere Beschichtung 854 von 8B die gleichen Materialien und Dicken umfassen, wie sie in Bezug auf die innere Beschichtung 804 von 8A beschrieben sind. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann die innere Beschichtung 854 aus anderen geeigneten Materialien oder Dicken bestehen. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung können Rohrsegmente 220 vakuumisolierte Rohre (VIT) umfassen, bei denen die Isolierung durch eine Vakuumschicht innerhalb des Rohrsegments 220 anstelle oder zusätzlich zu der inneren Beschichtung 804 (oder 854) und der äußeren Beschichtung 806 bereitgestellt wird.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann der Hauptkörper 802 und/oder der Hauptkörper 850 ein Stahlbohrstrang mit einem hohen Festigkeit-Gewicht-Verhältnis umfassen, wie z. B. den von NOV, Inc. erhältlichen Stahlbohrstrang UD 165. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann ein solcher Stahlbohrstrang ein UD-165-Stahlbohrstrang sein, der eine Streckgrenze von etwa 165.000 psi (1.138 MPa), eine Rohrzugfestigkeit von etwa 1.000.000 lbf (4.45 MN), ein längennormalisiertes Verbindungsluftgewicht von 24,76 lbf/ft (361,3 N/m) und ein Verhältnis von Verbindungsfestigkeit zu Gewicht von etwa 900 lbf/lbf (900 N/N) in einem Bohrstrang mit einem Außendurchmesser von 5,875 Zoll (14,92 cm) aufweisen kann.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann der Hauptkörper 802 und/oder der Hauptkörper 850 eine Bohrgestänge aus einer Titanlegierung umfassen. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann ein solches Bohrgestänge aus Titanlegierung die Titanlegierung Ti-6Al-4V und eine Streckgrenze von etwa 120.000 psi (827 MPa), eine Rohrzugfestigkeit von etwa 750.000 lbf (3.34 MN), ein längennormalisiertes Verbindungsluftgewicht von 16 lbf/ft (233,8 N/m) und ein Verhältnis von Verbindungsfestigkeit zu Gewicht von etwa 1.000 lbf/lbf (1000 N/N) in einem Bohrgestänge mit einem Außendurchmesser von 5,875 Zoll (14,92 cm) umfassen.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann der Hauptkörper 802 und/oder der Hauptkörper 850 ein Bohrgestänge aus einer Aluminiumlegierung umfassen. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann ein solches Bohrgestänge aus Aluminiumlegierung eine Al-Zn-Mg II-Aluminiumlegierung umfassen und eine Streckgrenze von etwa 70.000 psi (483 MPa), eine Rohrzugfestigkeit von etwa 600.000 lbf (2,67 MN), ein längennormalisiertes Verbindungsluftgewicht von 15,5 lbf/ft (226 N) und ein Verhältnis von Verbindungsfestigkeit zu Gewicht von etwa 825 lbf/lbf (825 N/N) in einem Bohrgestänge mit einem Außendurchmesser von 5,787 Zoll (14,699 cm) aufweisen. In einigen Fällen kann ein solches Rohr aus Aluminiumlegierung ein FarReach™-Bohrgestänge sein, das von Alcoa Energy Systems erhältlich ist. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann ein solches Bohrgestänge aus Aluminiumlegierung ein Aluminiumbohrgestänge umfassen, das von Aluminum Drill Pipe, Inc erhältlich ist.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann der Hauptkörper 802 und/oder der Hauptkörper 850 ein Bohrgestänge aus Kohlefaserverbundstoff umfassen. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann ein solches Bohrgestänge aus Kohlefaserverbundstoff aus Advance Composite Drill Pipe bestehen, das von Advance Composite Products & Technology, Inc erhältlich ist.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann der Bohrstrang 206 von 2 Rohrsegmente 220 umfassen, die jeweils Hauptkörper 802 und/oder 250 aus Stahl, Titan, Aluminium und/oder Faserverbundstoff umfassen, wie oben beschrieben. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung besteht beispielsweise jedes Segment des Bohrstrangs 206 aus Hauptkörpern 802 und/oder 250 aus einem einzigen Material, beispielsweise einer Aluminiumlegierung. In anderen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann der Bohrstrang 206 aus verschiedenen Abschnitten bestehen, von denen jeder eine Vielzahl von Segmenten 220 umfasst, die aus einem anderen Material bestehen. Zum Beispiel können in einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung einige der Rohrsegmente 220 des Bohrstrangs 206 aus einem Hauptkörpermaterial (z. B. Aluminiumlegierung) und der Rest der Rohrsegmente 220 des Bohrstrangs 206 aus einem anderen Hauptkörpermaterial (z. B. Stahl) bestehen. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann der Bohrstrang 206 aus zwei, drei oder mehr Abschnitten bestehen, von denen jeder Rohrsegmente 220 mit Hauptkörpern aus anderen Materialien als die anderen Abschnitte umfasst.
In einem anderen Fall besteht eine Mehrheit der Segmente 220 in einem Abschnitt nahe des Bohrmeißels 208 aus Hauptkörpern aus einem leichteren Material als der Abschnitt weiter oben im Bohrloch vom Bohrmeißel 208, auf Basis des längennormierten Luftgewichts. Bei den oben genannten Beispielen ist ein Titanbohrgestänge etwa 35 % leichter als Stahl und ein Aluminiumbohrgestänge etwa 37 % leichter. Die Segmente 220 in einem Abschnitt, der sich weiter oben im Bohrloch vom Bohrmeißel 208 befindet, können Hauptkörper aus einem Material mit höherer Festigkeit aufweisen. Bei den oben genannten Beispielen hat das UD-165-Bohrgestänge eine um 67 % höhere Zugfestigkeit als Aluminium und das Titan-Bohrgestänge eine um 25 % höhere Zugfestigkeit als Aluminium. Die Differenz in der Zugfestigkeit und im längennormierten Gewicht kann auch mit einem einzigen Material erreicht werden, allerdings mit unterschiedlichen Dicken/Durchmessern des Bohrgestänges im aufwärtigen Abschnitt im Vergleich zum abwärtigen Abschnitt des Bohrlochs in Form von Teleskopen. In einem Fall der vorliegenden Offenbarung ist die Mehrheit der Segmente 220 im bohrmeißelnahen Abschnitt um etwa 35 % leichter als die Mehrheit der Segmente 220 im aufwärtigen Abschnitt des Bohrlochs, und eine Mehrheit der Segmente 220 im aufwärtigen Abschnitt des Bohrlochs hat eine um etwa 25 % höhere Zugfestigkeit als eine Mehrheit der Segmente 220 im bohrmeißelnahen Abschnitt. Die Verwendung unterschiedlicher Bohrstrangmaterialien kann das Bohren in Gesteinen mit viel höheren Temperaturen ermöglichen, die in größeren Tiefen vorkommen, und erfordert daher einen isolierten Bohrstrang, der über eine ausreichende Zugfestigkeit verfügt, um bis in solche Tiefen vorzudringen. Die oben genannten Materialien ermöglichen in geeigneter Kombination Bohrungen in Tiefen von mehr als 9 km, einschließlich bis zu 14 km oder mehr. Der geothermische Gradient der Erde führt dazu, dass das Gestein in größeren Tiefen höhere Temperaturen aufweist. Die vorliegende Schockkühlungstechnologie bietet ein Verfahren zur Erhöhung der Eindringgeschwindigkeit und der Bohrleistung in Hochtemperaturgestein. Daher ergibt sich ein Synergieeffekt aus der Kombination von tieferen Bohrungen, die durch die Kombination von Bohrgestängesegmenten mit unterschiedlichem Gewicht/Festigkeit ermöglicht werden, mit der hier beschriebenen Kühltechnologie. Die vielfachen Seitenbohrlöcher mit geschlossenem Kreislauf können in einer ausreichenden Tiefe (und damit mit einer ausreichenden Gesteinstemperatur) gebohrt werden, sodass der Schockkühleffekt aktiviert wird, was die Zeit und Kosten für das Bohren der vielfachen Seitenbohrlöcher erheblich reduziert.
9A zeigt die Ergebnisse einer thermodynamischen Simulation der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten, die in einem abwärtigen Bohrstrang mit einem Standard-Kohlenstoffstahlrohr in einem mit Futterrohr ausgekleideten Bohrloch in einer unterirdischen Zone fließen. Die Simulation geht von einer wässrigen Bohrflüssigkeit aus, die mit 3,5 Kubikmetern pro Minute durch den Rohrstrang gepumpt wird, und von einem Temperaturgradienten von der Oberfläche (d. h. von der Oberflächenposition am aufwärtigen Ende des Bohrlochs) zur Gesteinsfläche (am abwärtigen Ende des Bohrlochs) von 50 °C/km. In 9A ist die Kurve mit der Bezeichnung „Bohrgestänge“ die Temperatur der Flüssigkeit, die in einer bestimmten Tiefe im Bohrstrang fließt, die Kurve mit der Bezeichnung „Ringraum“ die Temperatur der Flüssigkeit, die in einer bestimmten Tiefe im Ringraum zwischen dem Rohr und dem Futterrohr fließt, und die Kurve mit der Bezeichnung „Gestein“ die Eigentemperatur des Gesteins in einer bestimmten Tiefe. Wie in 9A gezeigt, ist eine gewisse Isolierung gegen die Wärmeübertragung vorgesehen, sodass die Temperatur der Bohrflüssigkeit am Boden des Bohrlochs an der Gesteinsfläche etwa 206 °C beträgt, während die Gesteinstemperatur 260 °C beträgt, was eine Temperaturdifferenz von etwa 54 °C darstellt. Eine solche Temperaturdifferenz reicht jedoch möglicherweise nicht aus, um einen ausreichend kalten Fluss von Bohrflüssigkeit zu erzeugen, der die Elektronik im Bohrloch oder die Richtungsbohrausrüstung kühlt, oder um einen Schockkühleffekt an der Gesteinsfläche oder andere Vorteile eines kühlen Bohrflüssigkeitsflusses für das Bohren am abwärtigen Ende des Bohrlochs, wie oben beschrieben, zu erzielen. In 9A ist die Temperatur der Flüssigkeit an der Gesteinsfläche gleich der Ringraumtemperatur am Boden des Bohrlochs, nachdem die Flüssigkeit aus dem Bohrmeißel ausgetreten ist.
Die in den 8A und 8B beschriebenen Beschichtungen und Beschichtungsgeometrien können den Wärmeaustausch zwischen der kälteren Flüssigkeit, die den Rohrstrang hinab fließt, und der heißeren Flüssigkeit, die während des Bohrens in den Ringraum zurückkehrt, verringern und zu einer Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche von mindestens 100 °C führen, selbst in geothermischen Umgebungen, in denen die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins mindestens 250 °C beträgt. Die 9B - 9D veranschaulichen beispielsweise die Ergebnisse einer thermodynamischen Simulation der Wärmeübertragung auf ein Bohrlochrohr, wobei von Rohrsegmenten wie in 8A in verschiedenen Fällen der vorliegenden Offenbarung, wie nachstehend beschrieben, ausgegangen wird. Bei den in den 9B-9D dargestellten Simulationen bedeckt die innere Beschichtung 804 die gesamte Länge der Rohrsegmente einschließlich der Innenfläche der Anschlussfugen. In den 9B - 9D ist die Kurve mit der Bezeichnung „Rohr“ die Temperatur der Flüssigkeit, die in einer bestimmten Tiefe im Bohrstrang fließt, die Kurve mit der Bezeichnung „Futterrohr“ die Temperatur der Flüssigkeit, die in einer bestimmten Tiefe im Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und dem Futterrohr fließt, und die Kurve mit der Bezeichnung „Gestein“ die innewohnende Gesteinstemperatur in einer bestimmten Tiefe. Die Bohrflüssigkeit fließt in das Rohr an der Oberfläche, durch die BHA, durch den Bohrmeißel, an der Gesteinsfläche vorbei und in den Ringraum. Die Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche ist annähernd gleich der Temperatur der Flüssigkeit im Ringraum am Boden des Bohrlochs.
9B zeigt eine thermodynamische Wärmeübertragungssimulation für einen Fall, der ein Standard-Kohlenstoffstahlrohr mit einer Innenbeschichtung 804 umfasst, die aus 400 um dickem Epoxid-Novolak TK340XT (und ohne Außenbeschichtung 2806) besteht. Die Simulation geht von einer wässrigen Bohrflüssigkeit, die mit etwa 3,5 Kubikmetern pro Minute gepumpt wird, und von einem Temperaturgradienten von der Erdoberfläche zur Gesteinsfläche von etwa 50 °C/km aus. Wie in 9B zu sehen ist, ergibt sich in diesem Fall eine höhere Temperaturdifferenz als in 7, d. h. etwa 91 °C in 5000 Metern.
9C zeigt eine thermodynamische Wärmeübertragungssimulation für einen Fall, der ein Standard-Kohlenstoffstahlrohr mit einer Innenbeschichtung 804, bestehend aus 400 um dickem Epoxid-Novolak TK340XT, und einer Außenbeschichtung 806, bestehend aus einem 5 mm dicken E-Glasmantel, umfasst. Die Simulation geht von einer wässrigen Bohrflüssigkeit, die mit etwa 3 Kubikmetern pro Minute gepumpt wird, und von einem Temperaturgradienten von der Oberfläche bis zur Gesteinsfläche von etwa 60 °C/km aus. Wie in 9C dargestellt, ergibt sich in diesem Fall eine Temperaturdifferenz von etwa 346 °C in 8000 Metern.
9D zeigt eine thermodynamische Wärmeübertragungssimulation für einen Fall, der ein Standard-Kohlenstoffstahlrohr mit einer Innenbeschichtung 804, bestehend aus 250 um dickem Epoxid-Novolak TK34, und einer Außenbeschichtung 806, bestehend aus einem 2,5 mm dicken E-Glasmantel, umfasst. Die Simulation geht von einer wässrigen Bohrflüssigkeit, die mit etwa 3,5 Kubikmetern pro Minute gepumpt wird, und von einem Temperaturgradienten von der Oberfläche bis zur Gesteinsfläche von etwa 40 °C/km aus. Wie in 9D dargestellt, ergibt sich in diesem Fall eine Temperaturdifferenz von etwa 196 °C in 9000 Metern.
10 zeigt die maximale Gesteinstemperatur, bei der ein Bohrloch für die in den 9C und 9D beschriebenen Fälle gebohrt werden kann, in Abhängigkeit vom Wärmegradienten von der Erdoberfläche zur Gesteinsfläche (am abwärtigen Ende des Bohrlochs), wobei davon ausgegangen wird, dass die Temperatur der Bohrflüssigkeit, die den Bohrmeißel an der Gesteinsfläche verlässt, etwa 150 °C nicht überschreiten sollte. Die obere Kurve 1002 entspricht dem mit Bezug auf 9C beschriebenen Fall. An Punkt 1004 beispielsweise beträgt der Temperaturgradient etwa 60 °C/km und die maximale Temperatur des bohrbaren Gesteins etwa 483 °C, wenn man das unter 9C beschriebene Beispiel zugrunde legt. Die untere Kurve 1006 entspricht dem mit Bezug auf 9D beschriebenen Fall. An Punkt 1008 beispielsweise beträgt der Temperaturgradient etwa 40 °C/km und die maximale Temperatur des bohrbaren Gesteins etwa 335 °C, wenn man das unter 9D beschriebene Beispiel zugrunde legt.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann anstelle von oder zusätzlich zu den Beschichtungen 804 und 806 auf den Rohrsegmenten 220 ein Phasenwechselmaterial, wie z. B. Wassereis oder Trockeneis, der Bohrflüssigkeit eines Bohrsystems (z. B. der Bohrflüssigkeit 212 von 2) zugesetzt werden. Die Phasenwechselmaterialien können beim Durchlaufen eines Phasenwechsels (z. B. beim Schmelzen) Wärmeenergie absorbieren. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann die Bohrflüssigkeit mit einer ausreichenden Durchflussrate gepumpt werden, sodass die Phasenwechselmaterialien nahe am Bohrmeißel einen Phasenwechsel durchlaufen.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann ein Wärmetauscher zu dem System von 2 hinzugefügt werden, um die Bohrflüssigkeit 212 zu kühlen, wenn sie aus dem Bohrloch 202 zurückkehrt und im Bohrloch rezirkuliert wird. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann ein solcher Wärmetauscher an der Oberfläche positioniert werden.
Die gesamte Bohrflüssigkeit muss nicht unbedingt durch den Bohrmeißel fließen, um die hier beschriebenen Ergebnisse zu erzielen. Ein Teil der Bohrflüssigkeit kann auch durch eine Öffnung oder eine andere Vorrichtung, die sich nahe des Meißels oder der BHA befindet, vom Rohr in den Ringraum gelangen. Eine solche Konfiguration kann eine höhere Durchflussrate ermöglichen, wenn Komponenten innerhalb der Bohrlochsohleanordnung Verengungen aufweisen.
11 zeigt den Wärmeübergangswiderstand, d. h. den Wärmewiderstand, durch den Ringraum und vier verschiedene Konfigurationen von Rohren. Wenn die kühle Bohrflüssigkeit im Bohrloch durch das Rohr und wieder durch den Ringraum nach oben zirkuliert, wird die Bohrflüssigkeit im Ringraum durch das umgebende Gestein der unterirdischen Zone auf T_RINGRAUM erhitzt. Die Bohrflüssigkeit im Ringraum erhitzt die Bohrflüssigkeit im Innern des Rohres auf T_ROHR. In jedem Fall besteht der primäre Wärmeübertragungsmechanismus durch den mit Bohrflüssigkeit gefüllten Ringraum aus Konvektion. Die fließende Bohrflüssigkeit, ein unvollkommenes Konvektionsmedium, weist einen Wärmewiderstand R_KONVEKTION, _RINGRAUM auf. Bei einem Abschnitt aus unisoliertem Kohlenstoffstahlrohr (KOHLENSTOFFSTAHL) ist der Stahl ein unvollkommen leitendes Medium und weist einen additiven (seriellen) Wärmewiderstand R_LEITUNG, _STAHL auf. Der primäre Wärmeübertragungsmechanismus innerhalb des mit Bohrflüssigkeit gefüllten Rohrs, der die fließende Bohrflüssigkeit selbst erwärmt, besteht aus Konvektion. Die Bohrflüssigkeit weist einen additiven (seriellen) Wärmewiderstand R_LEITUNG, _ROHR auf. Wenn das Rohr vollständig mit einer isolierenden Beschichtung (BESCHICHTETER KOHLENSTOFFSTAHL) bedeckt ist, stellt die Beschichtung einen zusätzlichen (seriellen) Wärmewiderstand R_LEITUNG, _BESCHICHTUNG dar. Bei der Verwendung von Verbundstoffrohren mit Stahlkragen (ANSCHLÜSSE) (VERBUNDSTOFF und VERBUNDSTOFF + BESCHICHTER KRAGEN) weisen das Verbundstoffrohr und der Kohlenstoffstahl parallele Wärmewiderstände (R_LEITUNG, _VERBUNDSTOFF bzw. R_LEITUNG, _STAHLKRAGEN) auf. Mit anderen Worten, das Material mit dem niedrigeren Wärmewiderstand (d. h. das weniger isolierende Material) hat einen größeren Einfluss auf den Gesamtwärmewiderstand des Rohrsegments. Da Verbundstoffe in der Regel einen höheren Wärmewiderstand als Stahl aufweisen, kann ein Beschichten lediglich der Stahlkragen den Gesamtwärmewiderstand des Rohrsegments erheblich erhöhen.
12 veranschaulicht die Herstellung eines zweiten isolierenden Ringraums gemäß einem Fall der vorliegenden Offenbarung. Der unter Bezugnahme auf 12 beschriebene Fall der vorliegenden Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die Komponenten des Bohrsystems 200 aus 2 beschrieben. Wie in 12 dargestellt, wird das Bohrloch 202 mit einem Bohrmeißel 208 am abwärtigen Ende eines Bohrstrangs 206 gebohrt. Die Bohrflüssigkeit 212 fließt den Bohrstrang 206 hinunter und tritt aus dem Bohrmeißel 208 aus. Der Ringraum 216 ist im unteren Abschnitt des Bohrlochs 202 zwischen der Außenseite des Bohrstrangs 206 und dem Bohrloch 202 definiert. Ein Zwischenrohrstrang 1202 ist innerhalb des Bohrlochs so positioniert, dass sich der Bohrstrang 206 innerhalb des Zwischenrohrstrangs 1202 befindet, wodurch ein innerer Ringraum 1204 zwischen der Außenseite des Bohrstrangs 206 und der Innenseite des Zwischenrohrstrangs 1202 und ein äußerer Ringraum 1206 zwischen der Außenseite des Zwischenrohrstrangs 1202 und dem Bohrloch 202 gebildet wird, wobei sich sowohl der innere Ringraum 1204 als auch der äußere Ringraum 1206 mindestens teilweise entlang der Länge des Bohrstrangs 206 im Bohrloch erstrecken. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann der innere Ringraum 1204 mit einem Isoliermaterial gefüllt werden. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung ist das Isoliermaterial ein Gas, wodurch eine „Gasdecke“ entsteht In anderen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann der innere Ringraum 1204 anstelle von oder zusätzlich zu einem Gas mit Schaum oder Isolieröl oder einem anderen Fluid oder Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt werden.
Der innere Ringraum 1204 isoliert die abwärts fließende Bohrflüssigkeit 212 von der erhitzten, aufwärts fließenden Flüssigkeit im äußeren Ringraum 1206. Die 13A und 13B zeigen einen Vergleich der Temperaturen der Bohrlochflüssigkeit in einem Bohrlochsystem. 13A veranschaulicht die vorhergesagten Bohrflüssigkeitstemperaturen in Abhängigkeit von der Tiefe in einem Bohrsystem ohne isolierenden Zwischenrohrstrang, und 13B veranschaulicht die Bohrflüssigkeitstemperaturen in Abhängigkeit von der Tiefe in einem Bohrsystem mit einem isolierenden Zwischenrohrstrang, das einen mit einem isolierenden Gas gefüllten inneren Ringraum bereitstellt, wie in 12 beschrieben. Obwohl sich der untere Abschnitt des Bohrlochs ohne Isolierung unterhalb der Gasdecke weiter erwärmt, kühlt sich die Temperatur an der Gesteinsfläche drastisch ab. Der innere Ringraum 1204 erstreckt sich in diesem Beispiel nur bis zum Boden des letzten Futterrohrstrangs; dennoch wird eine erhebliche Kühlung an der Gesteinsfläche (eines Hauptbohrlochs und/oder eines von einem Hauptbohrloch aus gebohrten Seitenbohrlochs) erreicht. Die Isolierflüssigkeitsdecke bleibt aufgrund der viel geringeren Dichte an Ort und Stelle und schwimmt somit quasi auf der Bohrflüssigkeit.
Aufgrund der geringeren Dichte der „Deckflüssigkeit“ wird sie am Bohrlochkopf an der Oberfläche unter Druck gesetzt (nicht abgebildet). Die Managed-Pressure-Drilling(MPD)-Technologie ist ein System, das den Druck in einem Ringraum um ein rotierendes Bohrgestänge aufrechterhält. Die größte Herausforderung besteht darin, das Austreten von Flüssigkeit am rotierenden Rohr zu verhindern. MPD-Systeme sind in letzter Zeit so weit verbessert worden, dass sie die unter Druck stehende Flüssigkeitsdecke an Ort und Stelle halten können. Wenn die Flüssigkeitsdecke den inneren Ringraum konzentrisch zu einem rotierenden Bohrgestänge füllt, kann daher vorzugsweise ein modernes MPD-System verwendet werden.
Eine Variante davon ist die Installation eines weiteren Futterrohrstrangs, um zwei innere Ringräume zu schaffen (nicht abgebildet). Ein innerer Ringraum befindet sich konzentrisch und angrenzend an ein rotierendes Bohrgestänge, einen zweiten inneren Ringraum, der mit der Deckenflüssigkeit gefüllt werden kann, und einen äußeren Ringraum, in den die erhitzte Bohrflüssigkeit zurückgeführt wird. Dieser Aufbau erfordert die Kosten und Komplikationen eines größeren Bohrlochs, um Platz für den zusätzlichen Ringraum zu schaffen, vermeidet jedoch die Verwendung eines Hochdruck-MPD-Systems, da der innere Ringraum mit Bohrflüssigkeit gefüllt werden kann.
Gemäß einem alternativen Fall der vorliegenden Offenbarung zur Verringerung der Gegenstrom-Wärmeübertragung vom Ringraum zum Futterrohr ist die Verwendung eines zweiten Bohrlochs, das als Einlass und/oder Auslass von Bohrflüssigkeiten dient. 14 zeigt eine schematische Darstellung dieses „Windschatten-Bohrlochs“.
Wie in 14 dargestellt und auch mit Bezug auf 2 beschrieben, wird das Bohrloch 202 mit einem Bohrmeißel 208 am abwärtigen Ende eines Bohrstrangs 206 gebohrt. Die Bohrflüssigkeit 212 fließt den Bohrstrang 206 hinunter zum Bohrmeißel 208. Der Ringraum 216 ist zwischen der Außenseite des Rohrstrangs und dem Bohrloch 202 definiert. Das Bohrloch 202 kann aus einem Hauptbohrloch und/oder einem Seitenbohrloch bestehen.
In dem in 14 dargestellten Fall ist das Bohrloch 202 ein erstes Bohrloch, und ein zweites Bohrloch 1402 wird so gebohrt, dass es das erste Bohrloch 202 schneidet. Ein zweiter Strom von Bohrflüssigkeit 1404 wird das zweite Bohrloch 1402 hinunter fließengelassen. Der zweite Bohrflüssigkeitsstrom 1404 liefert zumindest einen Teil der Bohrflüssigkeit, die am abwärtigen Ende des Bohrlochs 202, d. h. an der Gesteinsfläche nahe des Bohrmeißels 208, fließt. Das zweite Bohrloch 1402 ist weit genug vom ersten Bohrloch 202 entfernt, um die Wärmeübertragung zu reduzieren oder zu eliminieren, sodass der zweite Bohrflüssigkeitsstrom 1404 für zusätzliche Kühlung am abwärtigen Ende des Bohrlochs 202 sorgt.
In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung können die Bohrflüssigkeit und das Abraummaterial so geleitet werden, dass sie aus dem zweiten Bohrloch 1402 wieder an die Oberfläche gelangen. Bei dieser Variante gibt es keine Aufwärtsströmung der erhitzten Flüssigkeit in den Ringraum 216, sodass oberhalb des Schnittpunkts 1406 kein Gegenstromwärmeaustausch stattfindet. Diese Strömungsrichtung ist durch die gestrichelte Linie mit der Zahl 1408 gekennzeichnet.
Es versteht sich, dass das zweite Bohrloch 1402 zur Kühlung einer beliebigen Anzahl zusätzlicher Bohrungen/Leitungen von der Oberfläche aus gebohrt und verwendet werden kann. Ein Geothermiebohrungssystem mit geschlossenem Kreislauf kann zum Beispiel durch das Bohren von vier Eckbohrlöchern realisiert werden. Nach dem Bohren eines der vier Eckbohrlöcher wird der „Windschatten“, der das Bohrloch schneidet, verschlossen und aufgegeben, und ein weiteres Segment wird gebohrt, um ein weiteres der Eckbohrlöcher zu schneiden. Auf diese Weise kann ein einziges Bohrloch mehrmals zur Kühlung anderer Bohrlöcher verwendet werden, und jedes Mal muss nur das verbindende Segment gebohrt werden.
Das Schockkühlen von heißem Gestein mit den hier beschriebenen Techniken kann zu verschiedenen Herausforderungen beim Bohrprozess hinter dem Meißel führen. Kühlen erhöht zwar die Druckfestigkeit des Bohrlochs, verringert jedoch die Zugfestigkeit. Die erhebliche Temperaturdifferenz zwischen der zirkulierenden Bohrflüssigkeit und der Bohrlochwand kann zu kühlungsinduzierten Zugbrüchen radial vom Bohrloch weg führen. Diese Zugbrüche müssen unter Umständen mit bohrlochverstärkenden Materialien wie Graphit oder Kalziumkarbonat oder anderen verlustbehafteten Materialien abgedichtet oder kontrolliert werden. Ferner müssen die Brüche möglicherweise mit einem chemischen Versiegelungsmittel, z. B. Natriumsilikat oder Kaliumsilikat, abgedichtet werden. Das Bohren mit Untergewicht ist ein weiteres Verfahren, das allein oder in Verbindung mit den anderen offenbarten Techniken eingesetzt werden kann, um die Auswirkungen von Zugbrüchen hinter dem Bohrer abzuschwächen. Ein für das Elektroimpulsbohren besonders geeigneter Systemaufbau wäre die Verwendung eines Managed-Pressure-Drilling-Systems und einer ölbasierten Bohrflüssigkeit mit hohem elektrischem Widerstand und einer äquivalenten Zirkulationsdichte unterhalb des hydrostatischen Drucks. Dies würde Flexibilität bei der Steuerung des Abwärtsdrucks ermöglichen und dennoch eine geeignete Bohrflüssigkeit für die Elektrozerkleinerung liefern.
Eine weitere Herausforderung im Zusammenhang mit Schockkühlung ist die Möglichkeit, dass sich induzierte Zugbrüche zu Scherbrüchen ausbreiten oder zu weiterer Komplexität führen, was zu erheblichem Abraummaterial oder zum Ablösen von Gesteinsfragmenten unterschiedlicher Größe von der Bohrlochwand hinter dem Bohrer führt. Die Verbindung der anderen Verfahren mit einer zähflüssigen Bohrflüssigkeit und einer hohen Durchflussrate (> 2,5 m³/min) kann die zusätzlichen Fragmente, die durch den Schockkühlungsprozess entstehen, beseitigen. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung kann die Bohrflüssigkeit eine Marsh-Trichterviskosität von mindestens 80 bis 100 Sekunden aufweisen. Verschiedene Durchläufe von hochviskosen Flüssigkeiten durch das System helfen ebenfalls, die zusätzlichen Fragmente zu entfernen. Die erfolgreiche Zirkulation größerer Fragmente an die Oberfläche kann von zwei Hauptparametern abhängen: der Geschwindigkeit der Ringraumflüssigkeit (die von der Durchflussrate und den Ringraumkapazitäten bestimmt wird) und der Flüssigkeitsrheologie (plastische Viskosität/Streckgrenze (PV/NP), um die Tragfähigkeit zu erhöhen bzw. die Gleitgeschwindigkeit zu verringern, und der Gelstärke, um beim Herstellen von Verbindungen zu schweben). Durch regelmäßige Zirkulation von Spülungen mit hohem Volumen und hoher Viskosität können große Fragmente an die Oberfläche transportiert und dort suspendiert werden. In einigen Fällen der vorliegenden Offenbarung können die Fragmente an der Oberfläche aufgefangen (d. h. gefiltert und entfernt) werden, um eine Verunreinigung der Grundbohrflüssigkeit zu verhindern oder zu verringern.
Durch Verringerung des Wärmeaustauschs zwischen der kälteren Flüssigkeit, die den Rohrstrang hinunter fließt, und der heißeren Flüssigkeit, die während des Bohrens in den Ringraum zurückkehrt, können die unter Bezugnahme auf die 8A und 8B beschriebenen Beschichtungen und Beschichtungsgeometrien sowie die unter Bezugnahme auf die 12 und 14 beschriebenen Verfahren und Systeme auch die negativen Auswirkungen höherer Formationstemperaturen auf die Zugfestigkeit und andere Eigenschaften der Rohrsegmente des Rohrstrangs (wie die Rohrsegmente 220 des Bohrstrangs 206 von 2) verringern.
Die oben beschriebenen Verfahren, Systeme und Vorrichtungen zur verbesserten Kühlung der Bohrflüssigkeit können allein oder in Kombination miteinander verwendet werden.
In dieser Offenbarung werden die Begriffe „ein/eine“ oder „der/die/das“ verwendet, um eines oder mehr als eines einzuschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt. Der Begriff „oder“ bezieht sich auf ein nicht ausschließendes „oder“, sofern nichts anderes angegeben ist. Die Aussage „mindestens eines von A und B“ hat dieselbe Bedeutung wie „A, B oder A und B“. Darüber hinaus ist zu verstehen, dass die in dieser Offenbarung verwendete Phraseologie oder Terminologie, die nicht anderweitig definiert ist, nur zur Beschreibung und nicht zur Einschränkung dient. Die Verwendung von Abschnittsüberschriften soll das Lesen des Schriftstücks erleichtern und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Informationen, die für eine Abschnittsüberschrift relevant sind, können innerhalb oder außerhalb des jeweiligen Abschnitts vorkommen.
Diese Offenbarung enthält zwar viele spezifische Implementierungsdetails, diese sollten jedoch nicht als Einschränkungen des Gegenstands oder der beanspruchten Elemente verstanden werden, sondern vielmehr als Beschreibungen von Merkmalen, die für bestimmte Implementierungen spezifisch sein können. Bestimmte Funktionen, die in dieser Offenbarung im Zusammenhang mit einzelnen Implementierungen beschrieben sind, können auch in Kombination oder in einer einzigen Implementierung umgesetzt werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzigen Implementierung beschrieben sind, auch in mehreren Implementierungen, getrennt oder in jeder geeigneten Unterkombination implementiert werden. Darüber hinaus können, obwohl zuvor beschriebene Merkmale als in bestimmten Kombinationen wirkend beschrieben und anfänglich sogar als solche beansprucht werden, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination herausgelöst werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination gerichtet sein.
Es wurden bestimmte Implementierungen des Gegenstands beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass verschiedene Modifikationen, Ersetzungen und Änderungen vorgenommen werden können. Auch wenn die Operationen in den Zeichnungen und Ansprüchen in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, sollte dies nicht so verstanden werden, dass diese Operationen in der gezeigten Reihenfolge oder in sequentieller Reihenfolge durchgeführt werden müssen oder dass alle dargestellten Operationen durchgeführt werden müssen (einige Operationen können als optional betrachtet werden), um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Dementsprechend definieren oder beschränken die zuvor beschriebenen Beispielimplementierungen diese Offenbarung nicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20190154010 A1 [0033]
US 20190346181 A1 [0033]
US 20200011151 A1 [0033]
US 4741405 [0043]
US 9027669 [0043]
US 9279322 [0043]
US 10060195 [0043]
US 20200299562 A1 [0043]
WO 2008/003092 [0043]
WO 2010/027866 [0043]
WO 2014/008483 [0043]
WO 2018/136033 [0043]
WO 2020/236189 [0043]

Claims

Verfahren zum Bohren einer Geothermiebohrung in einer unterirdischen Zone, umfassend: Bohren eines Bohrlochs der Geothermiebohrung in der unterirdischen Zone mit einem Bohrstrang, wobei eine Eigentemperatur des an eine Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins an einem abwärtigen Ende des Bohrlochs mindestens 250 Grad Celsius beträgt; und beim Bohren Fließenlassen einer Bohrflüssigkeit mit einer solchen Temperatur an die Gesteinsfläche, dass eine Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche mindestens 100 Grad Celsius beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche eine thermisch induzierte Spannung im Gestein an der Gesteinsfläche verursacht, die größer als die Zugfestigkeit des Gesteins an der Gesteinsfläche ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das abwärtige Ende des Bohrlochs sich in einer gemessenen Tiefe von mindestens 4000 Metern befindet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das abwärtige Ende des Bohrlochs sich in einer vertikalen Tiefe von mindestens 6000 Metern befindet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche mindestens 175 Grad Celsius beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins mindestens 350 Grad Celsius beträgt, und die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche mindestens 200 Grad Celsius beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins mindestens 500 Grad Celsius beträgt, und die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche mindestens 350 Grad Celsius beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bohrloch ein Seitenbohrloch ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei das abwärtige Ende des Bohrstrangs einen Drehbohrmeißel umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei das abwärtige Ende des Bohrers einen berührungslosen Bohrmeißel umfasst, der dazu ausgelegt ist, Formationsmaterial an der Gesteinsfläche aufzubrechen, ohne dass ein Kontakt zwischen dem Meißel und der Gesteinsfläche erforderlich ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-7 ferner umfassend das Bilden eines Geothermiebohrungssystems mit geschlossenem Kreislauf, wobei das Geothermiebohrungssystem mit geschlossenem Kreislauf das Bohrloch umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Bohrloch ein Seitenbohrloch ist und wobei das Bilden des geschlossenen Kreislaufsystems das Bohren des Seitenbohrlochs von einem ersten Oberflächenbohrloch aus und das Verbinden des ersten Oberflächenbohrlochs mit einem zweiten Oberflächenbohrloch durch das Seitenbohrloch umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche zu radialen Zugbrüchen in mindestens einem Abschnitt einer Bohrlochwand führt, und ferner das Abdichten der radialen Zugbrüche mit einem Abdichtmaterial umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei der Bohrstrang eine Vielzahl von Rohrsegmenten umfasst, wobei mindestens eines der Rohrsegmente eine Beschichtung umfasst, die mindestens teilweise eine Umfangsfläche des Rohrsegments bedeckt, und wobei ein längennormierter Wärmewiderstand eines beschichteten Wandabschnitts des Rohrstrangs mindestens 0,002 Kelvin-Meter pro Watt beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei der längennormierte Wärmewiderstand des beschichteten Wandabschnitts mindestens 0,01 Kelvin-Meter pro Watt beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die Vielzahl von Rohrsegmenten an Anschlussfugen miteinander verbunden sind, und wobei die Beschichtung mindestens teilweise eine Umfangsfläche einer oder mehrerer der Anschlussfugen bedeckt.
Verfahren gemäß Anspruch 1-7, wobei das Bohrloch ein erstes Bohrloch ist und ferner Folgendes umfasst: Bilden eines zweiten Bohrlochs, das das erste Bohrloch schneidet; und mindestens eines von: Fließenlassen eines zweiten Stroms von Bohrflüssigkeit durch das zweite Bohrloch, wobei der zweite Strom mindestens einen Teil der an der Gesteinsfläche fließenden Bohrflüssigkeit liefert, und Umleiten eines Rückstroms von Bohrflüssigkeit vom abwärtigen Ende des ersten Bohrlochs in das zweite Bohrloch.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: Positionieren eines Zwischenrohrstrangs im Bohrloch; Positionieren des Bohrstrangs innerhalb des Zwischenrohrstrangs, wodurch ein innerer Ringraum zwischen der Außenseite des Bohrstrangs und der Innenseite des Zwischenrohrstrangs gebildet wird, der sich im abwärtigen Bohrloch mindestens teilweise über die Länge des Bohrstrangs erstreckt; und mindestens teilweises Füllen des inneren Ringraums mit einem Isoliermaterial.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Isoliermaterial ein Gas umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-7, ferner umfassend das Zugeben eines Phasenwechselmaterials zur Bohrflüssigkeit, das dazu vorgesehen ist, in der Nähe des abwärtigen Endes des Bohrstrangs eine Phasenänderung zu durchlaufen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Bohrstrang einen aufwärtigen Abschnitt des Bohrlochs mit einer ersten Vielzahl von Rohrsegmenten und einen abwärtigen Abschnitt mit einer zweiten Vielzahl von Rohrsegmenten umfasst und wobei eine Mehrheit der ersten Vielzahl von Rohrsegmenten eine Zugfestigkeit aufweist, die mindestens 25 % größer als die Zugfestigkeit der Mehrheit der zweiten Vielzahl von Rohrsegmenten ist, und eine Mehrheit der zweiten Vielzahl von Rohrsegmenten mindestens 35 % leichter als die Mehrheit der ersten Vielzahl von Rohrsegmenten ist.
Verfahren zum Bilden eines Geothermiesystems in einer unterirdischen Zone, umfassend: Bohren eines ersten Oberflächenbohrlochs und eines zweiten Oberflächenbohrlochs; Bohren eines Seitenbohrlochs vom ersten Oberflächenbohrloch, um das erste Oberflächenbohrloch mit dem zweiten Oberflächenbohrloch in der unterirdischen Zone zu verbinden, wobei das Bohren des Seitenbohrlochs Folgendes umfasst: Positionieren eines Bohrstrangs im Seitenbohrloch, wobei der Bohrstrang eine Leitung definiert, durch die eine Bohrflüssigkeit zu einer Gesteinsfläche an einem abwärtigen Ende des Seitenbohrlochs fließt, um aufgebrochenes Formationsmaterial von der Gesteinsfläche abzuführen; Bohren des Seitenbohrlochs mit dem Bohrstrang weiter in die unterirdische Zone, wobei die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins an einem abwärtigen Ende des Seitenbohrlochs mindestens 250 Grad Celsius beträgt; und Fließenlassen der Bohrflüssigkeit in das Seitenbohrloch mit einer Temperatur an der Gesteinsfläche, die mindestens 100 Grad Celsius weniger als die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins beträgt; Entfernen des Bohrstrangs aus dem Seitenbohrloch; und Zirkulieren einer Arbeitsflüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf in dem ersten Oberflächenbohrloch, dem zweiten Oberflächenbohrloch und dem Seitenbohrloch.
Verfahren gemäß Anspruch 22, ferner umfassend das Entziehen von Wärmeenergie aus der Arbeitsflüssigkeit.
System zum Bohren eines Bohrlochs in einer Geothermiebohrung in einer unterirdischen Zone, wobei eine Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins an einem abwärtigen Ende des Bohrlochs mindestens 250 Grad Celsius beträgt, umfassend: einen Bohrstrang mit einem Bohrmeißel zum Aufbrechen einer Formation an der Gesteinsfläche; und eine Bohrflüssigkeit, die an der Gesteinsfläche mit einer solchen Temperatur zirkuliert, dass die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche mindestens 100 Grad Celsius beträgt.
System gemäß Anspruch 24, wobei die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche eine thermisch induzierte Spannung im Gestein an der Gesteinsfläche verursacht, die größer als die Zugfestigkeit des Gesteins an der Gesteinsfläche ist.
System gemäß Anspruch 24, wobei das abwärtige Ende des Bohrlochs sich in einer gemessenen Tiefe von mindestens 4000 Metern befindet.
System gemäß Anspruch 24, wobei die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche mindestens 175 Grad Celsius beträgt.
System gemäß Anspruch 24, wobei die Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins mindestens 350 Grad Celsius beträgt und die Differenz zwischen der Eigentemperatur des an die Gesteinsfläche angrenzenden Gesteins und der Temperatur der Bohrflüssigkeit an der Gesteinsfläche mindestens 200 Grad Celsius beträgt.
System gemäß Anspruch 24, wobei das Bohrloch ein Seitenbohrloch ist.