Le forage par micro-ondes ressemble à de la science-fiction, mais il en va de même pour le forage jusqu'à la roche la plus chaude

Lorsqu'on lui a demandé de décrire Quaise Energy, le directeur financier, Kevin Bonebrake, a déclaré: "Dans sa forme la plus simple, nous fabriquerons de la vapeur."

Leur objectif est de produire de la vapeur suffisamment chaude pour alimenter un générateur électrique conçu pour fonctionner au combustible fossile. Ils prévoient de le faire en injectant de l'eau sur 10 à 20 km jusqu'à un endroit où la température de la roche est de 400 à 500 °C.

La motivation pour forer des puits dans la roche extrêmement dure du sous-sol est de rendre l'énergie électrique géothermique abordable en produisant de la vapeur qui pourrait être utilisée pour réalimenter les anciennes centrales connectées aux réseaux électriques desservant les principaux marchés.

Dans le passé, l'énergie géothermique a été peu utilisée parce qu'il y a peu d'endroits dans le monde avec la bonne combinaison de roche chaude, d'eau et de perméabilité requise pour fournir une vapeur de haute qualité.

La roche chaude et sèche est couramment disponible, mais la production de la vapeur supercritique nécessaire nécessite des forages à des profondeurs de 10 à 20 km, selon le gradient de température dans cette partie des États-Unis. À cette profondeur, le foreur sera confronté à des roches telles que le granit et le basalte. La roche est capable à la fois de produire de la vapeur surchauffée et de détruire les micropuces et les joints nécessaires au forage directionnel.

Quaise prévoit de forer des trous ultraprofonds en générant des micro-ondes à haute puissance sur le site de forage. Les micro-ondes seront transmises au fond du trou pour créer un trou en faisant fondre et en vaporisant la roche du sous-sol. Le seul équipement de fond est un long tube pour guider les vagues vers leur cible.

C'est l'une de ces idées où la première réaction de la plupart des gens est "cela ressemble à de la science-fiction", qui parle à la fois du problème et de la solution proposée.

"Vous devez penser différemment pour faire face à ce type de température", a déclaré Henry Phan, vice-président de l'ingénierie chez Quaise, dont le travail consiste à transformer cette invention en réalité technique.

Les barrières élevées au forage de puits de 10 à 20 km de profondeur (33 000 à 66 000 pieds) soulèvent la question, n'y a-t-il pas une alternative ?

Une option plus simple, plus rapide et moins chère serait d'utiliser des méthodes de forage éprouvées pour atteindre des niveaux moins profonds où la vapeur produite n'est pas aussi chaude. Phan l'a décrit comme "une vapeur plus froide, à basse pression et plus humide".

Ce type d'énergie géothermique peut être utile à des fins telles que la fourniture de chaleur pour le dessalement ou l'énergie pour les systèmes de refroidissement centraux, selon une analyse des efforts d'Oman pour exploiter l'énergie des zones d'eau chaude sous les champs de pétrole. Ces zones n'étaient pas assez chaudes pour produire de l'électricité.

Il est question d'utiliser de la vapeur provenant de zones moins profondes, mais l'analyse de Quaise a conclu que les investissements importants nécessaires pour construire des centrales électriques capables d'utiliser cette vapeur pour la production d'électricité rendraient la production trop coûteuse.

Quaise soutient que trouver un moyen de forer des puits extrêmes vaut le coût et les risques techniques associés aux nouvelles technologies et au forage dans des formations peu connues, car cela permettrait d'économiser le coût de construction d'une centrale électrique. Son objectif est d'approvisionner les anciennes centrales à combustible fossile dont les propriétaires seraient désireux de se convertir à la vapeur géothermique en raison du coût faramineux de la conformité aux réglementations environnementales.

Sur la base de l'analyse des coûts de Quaise, le coût de la durée de vie par kWh des centrales électriques converties fonctionnant sur sa vapeur géothermique serait compétitif avec le coût du charbon et du gaz et une fraction du coût de la vapeur géothermique à basse température.

Cela suppose qu'ils peuvent développer une méthode pour forer de manière fiable un puits de forage de grand diamètre (environ 8,5 pouces) aussi loin pour un prix qui n'est pas un tueur d'affaire.

Pour en faire une réalité, ils prévoient d'utiliser une combinaison de méthodes de forage conventionnelles et micro-ondes. Ils utiliseraient le forage rotatif, qui est plus rapide et moins cher, jusqu'à ce que la combinaison de chaleur extrême, de roche dure et de longs temps de déclenchement en fasse une option coûteuse.

"Nous forerons aussi profondément que possible en utilisant le moyen le moins cher et le plus économique", a déclaré Phan. Alors que des tests récents ont montré qu'il est possible de forer plus rapidement et plus longtemps avec un trépan PDC dans le granit, "à un moment donné, l'économie (du forage rotatif) ne fonctionne pas et nous allons alors échanger", a-t-il déclaré.

Le forage par micro-ondes n'est pas aussi rapide, mais la simplicité de l'équipement de fond de trou - un long tube droit appelé guide d'ondes qui se termine à une distance de sécurité du fond du puits pendant le forage - devrait limiter le temps non productif par rapport au forage rotatif dans le granit, qui use rapidement les forets. À 30 000 pieds, les réparations matérielles prennent du temps.

L'énergie des micro-ondes serait générée à la surface avec une unité appelée gyrotron alimentée par des générateurs diesel portables ou par le réseau électrique.

Les foreurs décriraient probablement un guide d'ondes, qui fournit l'énergie micro-onde au fond du trou avec un minimum d'énergie perdue, comme ressemblant à une tige de forage mince.

Deux des principaux investisseurs de Quaise ont également des liens étroits avec le secteur pétrolier. Il s'agit du grand entrepreneur de forage, Nabors Industries, et du fournisseur d'équipements, TechEnergy Ventures, qui fait partie du groupe Techint. Tenaris, un important fabricant de tubes pour champs pétrolifères, fait partie de Techint. Si le forage par micro-ondes décolle un jour, les guides d'ondes et les équipements automatisés de forage ultra-profond pourraient être un moyen pour eux de profiter de la transition énergétique.

Les composants de base utilisés pour le forage par micro-ondes ont fait leurs preuves, mais pas pour le forage de puits.

Le gyrotron a été un outil essentiel dans la recherche d'un moyen efficace de générer de l'énergie en fusionnant des atomes d'hydrogène pour créer de l'hélium et de l'énergie. Son rôle a été de créer le plasma à ultra-haute température contenu dans un champ magnétique.

La méthode que Quaise tente de commercialiser a été développée par Paul Woskov, ingénieur de recherche au Plasma Science and Fusion Center du Massachusetts Institute of Technology (MIT). À l'époque, il cherchait une application de la technologie des micro-ondes à haute énergie, plus susceptible d'être utilisée de son vivant que l'énergie de fusion.

"J'ai pensé pourquoi ne pas diriger ces faisceaux de haute puissance, au lieu de dans le plasma de fusion, dans la roche et vaporiser le trou?", A déclaré Woskov dans un article en ligne du MIT.

Des recherches antérieures sur le forage par micro-ondes utilisaient des micro-ondes à faible énergie pour stresser la roche, permettant à une foreuse de la broyer plus rapidement avec moins d'usure.

La méthode envisagée par Woskov serait conceptuellement similaire à l'utilisation d'un laser pour la découpe, mais les micro-ondes de taille millimétrique plus grandes conviendraient mieux pour créer des trous de plus grande taille.

Les échantillons de roche dure utilisés pour les tests ont montré chacun un trou rond avec un périmètre sombre avec la texture de la lave durcie ou de la roche, selon la roche. Si la roche est uniformément à grain fin, la chaleur extrême peut la vitrifier, créant une paroi de verre.

Quaise a été co-fondée par Carlos Araque, son PDG, un ancien ingénieur de Schlumberger avec une expérience en développement de produits. Il a découvert la méthode de forage par micro-ondes lorsqu'il était directeur technique de la société de capital-risque du MIT, The Engine.

La société détient les droits exclusifs sur le brevet du MIT sur l'utilisation des micro-ondes pour le forage et a demandé et obtenu des brevets supplémentaires sur la base de ce qu'elle a appris depuis ses débuts en 2018.

L'objectif de Quaise est de forer les puits nécessaires pour alimenter une centrale électrique pilote d'ici 2026 et de livrer un système commercial d'ici 2028. Pour l'instant, l'équipe d'ingénieurs de 28 membres, située près de Houston, à Boston, et à Cambridge, au Royaume-Uni, travaille sur le forage des trous plus longs dans le laboratoire et la préparation des tests sur le terrain dans les deux prochaines années.

Cette année, leur objectif est de forer un trou 100/1, c'est-à-dire un trou de 100 pouces de long et 1 pouce de diamètre, soit dix fois leur meilleur précédent. En même temps, ils conçoivent l'équipement plus puissant et durable nécessaire pour forer des trous plus grands et plus longs sur le terrain.

Pour ce faire, ils ont commandé un gyrotron de 1 MWh qui leur permettra d'évoluer sur un site où la plate-forme de forage qui a foré le trou supérieur gérerait le guide d'ondes au fur et à mesure que le puits s'approfondissait.

"Nous concevons la plate-forme pour prendre tout cet équipement qu'ils ont utilisé dans les expériences de fusion et le rendre plus robuste et le faire de sorte qu'il puisse être utilisé avec une plate-forme terrestre typique", a déclaré Bonebrake.

Comparé au forage rotatif, faire un trou avec des micro-ondes semble aussi simple que de tirer avec un pistolet à rayons.

Le seul équipement de fond est le guide d'onde. Le tube nécessaire pour un guide d'ondes est considérablement plus léger que celui utilisé pour le forage car le diamètre du tube est plus étroit et pas aussi épais. Ceci est possible car le poids sur le trépan et le couple ne sont pas des facteurs dans les performances de forage par micro-ondes.

Il n'y a pas de pièces mobiles au fond du trou, mais il y a beaucoup d'éléments de conception exclusifs dans le guide d'ondes, de la façon dont il s'élargit au point de sortie pour stimuler une zone de taille constante aux modifications à l'intérieur du tube pour limiter la perte d'énergie.

Le maintien d'un chemin de puits droit est essentiel car les coudes peuvent interférer avec un faisceau d'énergie qui se déplace en ligne droite.

Cela nécessiterait une gestion stricte des problèmes de qualité des puits de forage que l'on trouve couramment dans les puits de pétrole, où les relevés de trajectoire de puits basés sur des mesures de fond de puits pendant le forage incluent une zone appelée le « cône d'incertitude ».

Les préoccupations concernant les interférences affectent également les plans de gestion du nettoyage des puits. Lors du passage au forage par micro-ondes, ils prévoient d'utiliser un flux de gaz à haute pression pour éliminer les débris de forage, que Bonebrake a décrits comme des "particules fines vaporisées".

Deux options en jeu sont l'azote et l'air. L'air est moins cher mais contient un peu d'eau.

Le faisceau micro-ondes peut traiter de petites quantités d'eau rencontrées lors du forage; Phan a déclaré que "les micro-ondes peuvent le vaporiser". Mais cela ne fonctionnerait pas s'ils foraient dans une grande faille remplie d'eau à haute perméabilité. De tels dangers sont "peu susceptibles de se produire dans la roche profonde du sous-sol", a déclaré Bonebrake.

Un professeur dont les travaux se sont concentrés sur les propriétés des formations à ces profondeurs a déclaré que la roche chaude et sèche n'est pas totalement sèche.

"Il y a des indications de fluides dans toute la croûte cassante (généralement les 15 à 20 km supérieurs)", a déclaré Mark Zoback, professeur de géophysique à l'Université de Stanford. Il a ajouté que "l'eau est concentrée dans les fractures et les failles, mais la matrice est également saturée, bien que la porosité et la perméabilité soient assez faibles".

Zoback a co-écrit un article dans Geology (2000) qui citait plusieurs études mesurant la perméabilité dans la roche du sous-sol. Il a signalé de grandes différences dans la perméabilité observée dans de petits échantillons de roche par rapport à des mesures à plus grande échelle basées sur des tests de pression. Il a expliqué cet écart en soulignant que les vastes zones comprenaient des fractures et des failles, certaines isolées et d'autres reliées à de plus grands réseaux de fissures.

"La perméabilité élevée, de trois à quatre ordres de grandeur supérieure à celle mesurée sur les carottes, semble être maintenue par des failles soumises à des contraintes critiques et facilite grandement le mouvement des fluides à travers la croûte fragile", ont écrit les auteurs.

Tout en décrivant les sources de données, les auteurs ont montré combien peu de puits de recherche ont été forés à ces profondeurs. Bien que des puits de pétrole extrêmement profonds aient été forés, ils n'étaient pas dans le granit car il est très peu probable qu'il y ait des hydrocarbures.

L'objectif de Quaise est de forer bien au-delà du plus profond des puits de recherche mentionnés dans l'article, le Kola Superdeep Borehole en Russie, d'une profondeur de 12,2 km. Tout le reste était à moins de 10 km de profondeur.

S'ils heurtaient une faille remplie d'eau dans une roche extrêmement profonde pendant le forage par micro-ondes, Phan a déclaré que leur première option serait de sceller le puits "pendant que nous forons et de garder l'eau derrière le mur vitrifié. Si le volume d'eau est nettement supérieur à nous pouvons sceller, puis nous pouvons transformer cela en un puits hydrothermal traditionnel."

La roche vraiment chaude et sèche présente ses propres défis. La production de vapeur nécessitera de trouver des moyens de créer des voies d'écoulement entre les puits d'injection d'eau et les producteurs de vapeur. Ces fractures devront être suffisamment resserrées pour garantir que l'eau est exposée suffisamment longtemps à la roche pour devenir surchauffée. Le volume compte également car ils doivent limiter le nombre de puits coûteux nécessaires.

Du côté positif, le document sur la perméabilité profonde a déclaré qu'il existe des fractures naturelles pour aider à créer de tels réseaux. Bonebrake et Phan ont déclaré que la société est en contact avec plusieurs sociétés travaillant sur le problème, qui est également au centre d'un projet de recherche financé par le gouvernement fédéral dans les installations Utah FORGE du Département américain de l'énergie.

"C'est tout ce qui doit être prouvé", a déclaré Phan.

Comment les failles maintiennent la croûte solide par John Townend et Mark D. Zoback. Géologie (2000) 28(5): 399–402.