تستغل التكنولوجيا الحرارية الأرضية الحرارة من الصخرة المنصهرة ، أو الصهارة ، أسفل قشرة الأرض. يقوم بذلك عن طريق استخدام البخار المنتجة عندما يتم إدخال الماء إلى هذه البيئات الساخنة للغاية لتحويل التوربينات ، والتي تولد الكهرباء بعد ذلك.
هناك نوعان رئيسيان من الأنظمة الحرارية الأرضية. في حالة الأنظمة الحرارية المائية ، فإن الماء الذي يتم إنشاؤه من البخار موجود بالفعل تحت القشرة. في المقابل ، تتطلب أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المعززة الحقن الدقيق للمياه في تكوين الصخور الساخنة لإنشاء البخار ، مما يجعل من الممكن توليد الطاقة الحرارية الأرضية حتى عندما لا يوجد خزان مائي طبيعي.
نظرًا لأن الصهارة الموجودة أسفل قشرة الأرض تحدث بشكل طبيعي ولا يتضمن حصاد الطاقة الحرارية الأرضية إزالة مادة مصدر الصخور المنصهرة ، فهو مصدر طاقة لا ينضب إلى حد ما. علاوة على ذلك ، فإن انبعاثات غازات الدفيئة التي تم إنشاؤها عن طريق الوصول إلى مصدر الطاقة هذا ضئيل مقارنة بتلك المنتجة من زيت التعدين والغاز. ومع ذلك ، فإن جمع الطاقة الحرارية الأرضية قد يخلق بيئة خدمة حامضة للغاية (SS). يمكن أن يسبب هذا أضرارًا جسيمة لحفرة البئر ورأس البئر ، ناهيك عن البيئة المحيطة ، خاصةً إذا تم استخدام المواد غير الصحيحة.
في هذه المدونة ، سنستكشف الأنواع المختلفة من المواد المستخدمة لدعم التكنولوجيا الحرارية الأرضية ، بالإضافة إلى منهجية اختيار المواد أو مجموعة من المواد المناسبة لعمليات التشغيل الخاصة بك.
تحليل المواد: الحفر للطاقة الحرارية الأرضية
مواد معدنية
المعادن الناعمة والمنخفضة ،مثل الفولاذ المنخفض الكربون ، يتم استخدامه بشكل أفضل في الأنظمة والبيئات ذات الجدران السميكة مع درجة الحموضة أكبر من 6 وتركيز أيون كلوريد منخفض (أقل من 2 ٪). إنها تعمل بشكل جيد عندما يكون معدل التآكل معتدلًا (1-10 mpy) وهي مناسبة لشروط التدفق التي يتم التحكم فيها (5-7 fps). استخدام الطلاء الواقي مفيد لمنع التآكل على الأسطح الخارجية.
هذه المعادن ليست مناسبة للأنظمة ذات الجدران الرقيقة بسبب مخاطر التآكل العالية ، بما في ذلك تكوين الكراك والحفر. في البيئات ذات مستويات عالية من الكلوريد ، يزيد وجود كبريتيد الهيدروجين أو انخفاض مستويات الأكسجين بشكل كبير من خطر التآكل المحلي والموحد. كما أنه لا ينصح بظروف معدل التدفق المرتفعة أو في حالة الصلب مع أكثر من 1 ٪ من محتوى النيكل بسبب زيادة خطر التآكل والمشكلات المتعلقة بالتوتر.
فولاذ مقاوم للصدأقلل من احتمال التآكل الموحد في بيئات الحفر الحرارية الأرضية. تعتمد مقاومتهم للحفر وتآكل تكسير على محتوى الكروم والموليبدينوم (MO) ، وخاصة في الظروف الخالية من الأكسجين. أداء الفولاذ المقاوم للصدأ من AISI 300 في مكثفات الطاقة الحرارية الأرضية في درجات حرارة منخفضة وفي السوائل الحرارية الأرضية الخالية من الأكسجين. سلسلة AISI 400 ، وخاصة 13 ٪ من الكروم ، فعالة لشفرات التوربينات والمضخات ومواد الصمام.
ومع ذلك ، يمكن أن يواجه الفولاذ المقاوم للصدأ العديد من تحديات التآكل ، بما في ذلك تآكل الحفرة ، وتكسير التآكل ، والخرق من تآكل الإجهاد. زيادة تركيز أيون كلوريد وارتفاع درجات الحرارة يمكن أن يؤدي إلى تفاقم هذه المشكلات. علاوة على ذلك ، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستينيتيك عرضة لتكسير التآكل في بيئات عالية الحرارة ، غنية بالكلوريد ، في حين أن الفولاذ المقاوم للصدأ الحديدي أكثر قوة. لوحظ التآكل بين الجسيمات في كل من الفولاذ الوليس والريك ، وخاصة أثناء اللحام. ينصح سبائك محددة ، مثل AISI 430 (الفريت) ، للمكونات في بيئات السوائل الحرارية الأرضية عالية الكلوريد لمنع تآكل الحفرة.
سبائك التيتانيوم وتيتانيومتتفوق في المبادلات الحرارية المبردة بالهواء أو المبرد بالزيت ، والتي تُظهر معدلات التآكل عمومًا أقل من 0. 3 mpy في السوائل الحرارية الأرضية. يظل معدل التآكل مستقرًا حتى مع زيادة درجة الحرارة أو ارتفاع تركيزات كلوريد (CL). التيتانيوم مقاوم أيضًا للتغليف وتأثير الضرر ، كما أن معدلات التدفق التي تصل إلى 30 إطارًا في الثانية لا تؤثر على مقاومة التآكل العامة. تُظهر سبائك التيتانيوم ، مثل Ti-Code -7 ، Ti-Code -12 ، و Ti-Code -29 ، مقاومة محسنة للتآكل المحلي مقارنة بالتيتانيوم الخالص ، وخاصة في بيئات CL عالية.
يمكن أن تحدث حفرة وتآكل التآكل في التيتانيوم في درجات حرارة عالية وتركيزات أيونية تزيد عن 10 ٪. يمكن أن تسبب طبيعة التيتانيوم الكاثودية التآكل الجلفاني عند إقرانها بالمعادن الأخرى ، وهي عرضة للتنقل الهيدروجيني. ينصح سبائك التيتانيوم عندما يتجاوز تركيز كلوز في السائل الحراري الأرضي 5000 جزء في المليون ودرجات الحرارة أعلى من 100 درجة مئوية. فهي فعالة بشكل خاص في الأنظمة ذات التسلل الأكسجين ، حيث قد تفشل سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ والنيكل بسبب التآكل المحلي. تشمل التطبيقات المثالية لسبائك التيتانيوم صمامات رأس البئر ، ومقاييس الضغط ، والأنابيب ، ومنعات الانفجار. بالنسبة للظروف القاسية للغاية ، مثل المواد الصلبة ذات الذوبان العالي ، وانخفاض درجة الحموضة ، ودرجات الحرارة التي تزيد عن 230 درجة مئوية ، يفضل رمز التيتانيوم 29 لنقل الأنابيب ، مع عمر خدمة تتجاوز 15 عامًا ولا تكاليف تجديد. كما أنه يساعد على منع توصيل جيد وتلف ، وخاصة من تراكمات السيليكات المخصبة للحديد.
سبائك النيكل ،وخاصة سبائك NI-CR-MO ، يوصى بشدة للاستخدام مع السوائل الحرارية الأرضية عالية الحرارة بسبب مقاومة التآكل القوية. سبائك محددة مثل Inconel -625 و Hastelloy C -256 توضح قوة استثنائية ضد التآكل. في بعض الحالات ، تفضل سبائك مماثلة مع عناصر الحديد لخصائصها الميكانيكية وقوتها الفائقة مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ.
قد تفتقر بعض سبائك النيكل إلى مقاومة تكسير كبريتات الإجهاد أو تحضرة الهيدروجين ، وخاصة في وجود كبريتيد الهيدروجين. سبائك Ni-Cu ، على وجه الخصوص ، ليست مناسبة للاستخدام حتى في البيئات ذات المستويات المنخفضة من كبريتيد الهيدروجين. يستلزم هذا القيد اختيارًا دقيقًا لسبائك النيكل بناءً على الظروف البيئية المحددة والخصائص المطلوبة.
سبائك النحاس القائمة على النحاسيعد استخدامه في الإعدادات ذات محتوى الكبريت العالي أمرًا نادرًا بسبب قابليتها للتآكل. من المعروف أن سبائك النحاس تطور تشققات عند تعرضها للأمونيا أو مواد مماثلة. عندما تكون مستويات الأمونيا والأمونيوم منخفضة ، يتم تقليل حدوث تشققات على أسطح سبيكة النحاس. في سبائك النحاس والزنك ، يزداد خطر الانهيار مع ارتفاع محتوى الزنك.
مواد أخرى تشبه المعادن، مثل سبائك الألومنيوم ، لديك تطبيقات محدودة في حصاد الطاقة الحرارية الأرضية بسبب حساسيةها للتآكل. ومع ذلك ، تبرز سبائك الكوبالت لتطبيقها في المناطق التي تتطلب متانة عالية ، وخاصة لقوة التآكل ومقاومة تكسير كبريت الإجهاد. تعتبر هذه السبائك أيضًا لاستخدامها في أجزاء معرضة لخطر الزركونيوم وحمض التانتالوم.
المواد غير المعدنية
تستخدم هذه المواد ، مثل تركيبات الخرسانة والبوليمرات والمرفق ، بشكل متزايد في الحقول الحرارية الأرضية وعمليات الحفر. غالبًا ما يظهرون مقاومة تآكل متفوقة بالمقارنة مع المعادن والسبائك. بالإضافة إلى ذلك ، فهي توفر فوائد مالية ، بما في ذلك انخفاض تكاليف الاستثمار الأولية وفترات التشغيل والصيانة الموسعة ، مما يجعلها فعالة من حيث التكلفة على المدى الطويل.
على الرغم من هذه المزايا ، فإن المواد غير المعدنية ليست مناسبة للاستخدام في معدات نقل الحرارة. قد لا تلبي خصائصها ووظائفها في مثل هذه التطبيقات المعايير المطلوبة ، مما يحد من استخدامها إلى مناطق أخرى في العمليات الحرارية الأرضية.
فلسفة اختيار المواد
عند اتخاذ قرار بشأن ما إذا كانت المواد مناسبة للأغراض (FFP) لعملية الطاقة الحرارية الأرضية ، من المهم أولاً جمع المعلومات حول تحديات التآكل ذات الصلة. سيتضمن ذلك مراجعة لبيانات البئر وخطوط الأنابيب وتحديد ممارسات تخفيف التآكل القياسية.
بعد الحصول على معلومات حول ظروف البئر/التدفق ، ستتمكن من تطوير قائمة مختصرة من المواد المراد اختبارها. لإجراء اختبار FFP ، ستحتاج إلى محاكاة معلمات التآكل ، مثل الرقم الهيدروجيني والغازات الحمضية ودرجة الحرارة وما إلى ذلك ، في ظل أسوأ الظروف الممكنة. يجب إجراء اختبار FFP على هذا الأساس لكل من التدفق والإغلاق في الظروف.
يجب أن تشمل اختبارات FFP لـ SS التآكل العام ، وتكسير إجهاد الكبريتيد (إذا كانت H₂s موجودة) وتكسير تآكل الإجهاد في تدفق/ظروف بئر محددة. إذا كان تلوث الأكسجين يعتبر خطرًا ، فيجب إجراء اختبار للتآكل المترجمة SS ، مثل تآكل الشقوق. علاوة على ذلك ، إذا كانت الرمال تعتبر في التدفق ، فقد تكون هناك حاجة إلى اختبارات التآكل التآكل أيضًا.
بمجرد الانتهاء من هذا الاختبار ، يجب أن يكون لديك المعلومات التي تحتاجها لتقييم ما إذا كانت مواد واحدة أو أكثر من المواد المختصرة مناسبة. إذا لم يتم اعتبار أي مرشح مناسبًا ، فاستخدم النتائج الخاصة بك لتطوير قائمة مختصرة جديدة وتكرار عملية اختبار FFP.
حفر الطاقة الحرارية الأرضية والأوكت جي
تتطلب الظروف القاسية للحقول الحرارية الأرضية مواد يمكنها تحمل درجات الحرارة القصوى والسوائل المسببة للتآكل ومستويات الضغط المتغيرة. تشبه هذه البيئات المتطايرة تلك التي تعمل فيها صناعة النفط والغاز بشكل يومي ، مما يجعل Octg و Linepipe مناسبًا جيدًا للمساعدة في حصاد الطاقة الحرارية الأرضية. هذا ينطبق بشكل خاص على Octg في بيئات SS ، حيث أصبحت مقاومة هذه المنتجات للتآكل والقدرة على تحمل الضغط العالي والحفاظ على النزاهة في درجات حرارة مرتفعة لا تقدر بثمن.
كما اكتشفنا ، فإن المواد مثل الفولاذ المقاوم للصدأ ، وسبائك التيتانيوم ، وسبائك النيكل ، وحتى البدائل غير المعدنية كلها لها دور في دعم مشاريع الحفر الحرارية الأرضية ، مع الاختيار الدقيق للمواد التي تحكمها خصائص العملية والبيئة. لا يعزز الاختيار الدقيق لهذه المواد وتكامله من كفاءة العمليات الحرارية الأرضية وطول العمر فحسب ، بل يهدف أيضًا إلى إنتاج طاقة أكثر استدامة وموثوقية ، مما يتوافق مع تحرك الصناعة نحو مصادر الطاقة الأنظف والمتجددة.
نظرًا لأن الطاقة الحرارية الأرضية تكتسب بروز عالمي ، يتم محور حيوية في عام 2024 إلى رواد البحث والتطوير لهذا المورد النظيف. تبنى فريقنا التحديات التقنية ، والتغلب على عقبات صارمة لتحقيق ابتكارات اختراق. مجهزة الآن بحلول متطورة ، ندعو الشركاء ذوي التفكير الأمامي للتعاون. انضم إلى ثورة الطاقة الحرارية الأرضية في Vigor-خبراءنا للحصول على الدعم المخصص والتكنولوجيا المتميزة.
لمزيد من المعلومات ، يمكنك الكتابة إلى صندوق البريد الخاص بناinfo@vigorpetroleum.com & mail@vigorpetroleum.com
