La technologie géothermique exploite la chaleur de la roche fondue, ou magma, sous la croûte terrestre. Il le fait en utilisant la vapeur produite lorsque de l'eau est introduite dans ces environnements extrêmement chauds pour transformer les turbines, qui produisent ensuite de l'électricité.
Il existe deux principaux types de systèmes géothermiques. Dans le cas des systèmes hydrothermaux, l'eau à partir de laquelle la vapeur est générée est déjà présente sous la croûte. En revanche, les systèmes géothermiques améliorés nécessitent une injection minutieuse d'eau dans la formation de roche chaude pour créer de la vapeur, ce qui permet de générer de l'énergie géothermique même lorsqu'aucun réservoir d'eau naturel n'est présent.
Parce que le magma sous la croûte terrestre se produit naturellement et que la récolte de l'énergie géothermique n'implique pas l'élimination du matériau de la source de roche foncière, il s'agit plus ou moins d'une source d'énergie inépuisable. De plus, les émissions de gaz à effet de serre générées par l'accès à cette source d'énergie sont négligeables par rapport à celles produites à partir de l'huile et du gaz miniers. Cela étant dit, la collecte d'énergie géothermique peut créer un environnement de service aigre (SS) extrêmement corrosif. Cela peut causer de graves dommages au puits de forage et à la tête de puits, sans parler de l'environnement environnant, surtout si des matériaux incorrects sont utilisés.
Dans ce blog, nous explorerons les différents types de matériaux utilisés pour soutenir la technologie géothermique, ainsi que la méthodologie de sélection du matériau ou de la combinaison de matériaux appropriés pour votre opération donnée.
Analyse des matériaux: forage pour l'énergie géothermique
Matériaux métalliques
Métaux alliés doux et bas,Comme les aciers à faible teneur en carbone, sont mieux utilisés dans des systèmes et des environnements à parois épaisses avec un pH supérieur à 6 et une faible concentration en ions de chlorure (inférieur à 2%). Ils fonctionnent bien lorsque le taux de corrosion est modéré (1-10 MPY) et conviennent aux conditions d'écoulement contrôlées (5-7 FPS). L'utilisation de revêtements protecteurs est bénéfique pour prévenir la corrosion sur les surfaces externes.
Ces métaux ne conviennent pas aux systèmes à parois minces en raison de risques élevés de corrosion, y compris la formation de fissures et de puits. Dans les environnements à haut niveau de chlorure, la présence de sulfure d'hydrogène ou de faibles niveaux d'oxygène augmente considérablement le risque de corrosion locale et uniforme. Ils ne sont pas non plus recommandés pour des conditions d'écoulement élevés ou dans le cas d'acier avec plus de 1% de teneur en nickel en raison du risque accru de corrosion et de problèmes liés au stress.
Aciers inoxydablesRéduisez la probabilité de corrosion uniforme dans les environnements de forage géothermique. Leur résistance à la corrosion de la fosse et de la fissuration dépend de la teneur en chrome et en molybdène (MO), en particulier dans des conditions sans oxygène. Les aciers inoxydables de la série AISI 300 fonctionnent bien dans les condensats géothermiques à basse température et dans les liquides géothermiques sans oxygène. La série AISI 400, en particulier 13% de chrome, est efficace pour les lames de turbine, les pompes et les matériaux de soupape.
Cela étant dit, l'acier inoxydable peut faire face à plusieurs défis de corrosion, notamment la corrosion des fosses, la corrosion de fissuration et la rupture de la corrosion des contraintes. Une concentration accrue en ions de chlorure et des températures plus élevées peuvent exacerber ces problèmes. De plus, les aciers inoxydables austénitiques sont sujets à la fissuration de la corrosion de stress dans des environnements riches en chlorure à haute température, tandis que les aciers inoxydables ferriques sont généralement plus robustes. La corrosion entre les particules est observée dans les aciers austénitiques et ferriques, en particulier pendant le soudage. Des alliages spécifiques, comme l'AISI 430 (ferrite), sont recommandés pour les composants dans des environnements de liquide géothermique élevés pour empêcher la corrosion des fosses.
Alliages en titane et en titaneExcel dans les échangeurs de chaleur refroidis par air ou refroidis à l'huile, montrant les taux de corrosion généralement inférieurs à 0. 3 MPY dans les fluides géothermiques. Leur taux de corrosion reste stable même avec des augmentations de température ou des concentrations d'ions chlorure (CL) plus élevées. Le titane est également résistant aux dommages à la cavitation et à l'impact, et les débits allant jusqu'à 30 ips n'affectent pas sa résistance générale de corrosion. Les alliages de titane, tels que Ti-Code -7, Ti-Code -12 et Ti-Code -29, démontrent une résistance accrue à la corrosion locale par rapport au titane pur, en particulier dans des environnements CL élevés.
Les corrosions de fosse et de fissuration dans le titane peuvent se produire à des températures élevées et des concentrations de clôture supérieures à 10%. La nature cathodique du titane peut provoquer une corrosion galvanique lorsqu'elle est associée à d'autres métaux, et elle est sujette à une fragilisation de l'hydrogène. Les alliages de titane sont recommandés lorsque la concentration en clatic dans le liquide géothermique dépasse 5000 ppm et que les températures sont supérieures à 100 ° C. Ils sont particulièrement efficaces dans les systèmes avec intrusion d'oxygène, où l'acier inoxydable et les alliages de nickel peuvent échouer en raison de la corrosion locale. Les applications idéales pour les alliages de titane comprennent des vannes de tête de puits, des manomètres, des tuyaux et des préventifs de l'éruption. Pour des conditions très difficiles, comme les solides dissous élevés, le pH faible et les températures supérieures à 230 ° C, le code de titane 29 est préféré pour le transport de tuyaux, avec une durée de vie dépassant 15 ans et aucun coût de renouvellement. Il aide également à prévenir le bouchage et les dommages du puits, en particulier des accumulations de silicate enrichies en fer.
Alliages nickel,En particulier les alliages Ni-Cr-MO, sont fortement recommandés pour une utilisation avec des fluides géothermiques à haute température en raison de leur résistance robuste sur la corrosion. Des alliages spécifiques comme Inconel -625 et Hastelloy C -256 démontrent une force exceptionnelle contre la corrosion. Dans certains cas, des alliages similaires avec des éléments de fer sont préférés pour leurs propriétés mécaniques et leur résistance supérieure par rapport à l'acier inoxydable.
Certains alliages de nickel peuvent manquer de résistance aux fissures de soufre de stress ou à l'embrimassage de l'hydrogène, en particulier en présence de sulfure d'hydrogène. Les alliages Ni-Cu, en particulier, ne conviennent pas à une utilisation, même dans des environnements à faible niveaux de sulfure d'hydrogène. Cette limitation nécessite une sélection minutieuse d'alliages de nickel en fonction des conditions environnementales spécifiques et des propriétés souhaitées.
Alliages à base de cuivreÊtre utilisé dans des contextes à forte teneur en soufre est rare en raison de leur sensibilité à la corrosion. Les alliages de cuivre sont connus pour développer des fissures lorsqu'ils sont exposés à l'ammoniac ou à des substances similaires. Lorsque les niveaux d'ammoniac et d'ammonium sont faibles, l'incidence des fissures sur les surfaces en alliage de cuivre est réduite. Dans les alliages de cuivre-zinc, le risque de dégradation augmente avec un contenu en zinc plus élevé.
Autres matériaux en forme de métal, comme les alliages d'aluminium, ont des applications limitées dans la récolte de l'énergie géothermique en raison de leur sensibilité à la corrosion. Cependant, les alliages de cobalt se distinguent par leur application dans des zones qui nécessitent une durabilité élevée, en particulier pour la résistance à l'abrasion et la résistance à la fissuration du soufre. Ces alliages sont également pris en compte pour une utilisation dans des parties à risque de zirconium et d'acidisage du tantale.
Matériaux non métalliques
Ces matériaux, tels que les compositions de béton et de polymère et les élastomères, sont de plus en plus utilisés dans les champs géothermiques et les opérations de forage. Ils démontrent souvent une résistance à la corrosion supérieure par rapport aux métaux et aux alliages. De plus, ils offrent des avantages financiers, notamment des coûts d'investissement initiaux et des périodes d'exploitation et de maintenance prolongées, ce qui les rend rentables à long terme.
Malgré ces avantages, les matériaux non métalliques ne conviennent pas à une utilisation dans l'équipement de transfert de chaleur. Leurs propriétés et fonctionnalités dans ces applications peuvent ne pas respecter les normes requises, limitant leur utilisation à d'autres domaines des opérations géothermiques.
Philosophie de sélection des matériaux
Lorsque vous décidez si les matériaux sont en forme pour votre fonctionnement (FFP) pour votre opération énergétique géothermique, il est d'abord important de collecter des informations sur les défis de corrosion pertinents. Cela impliquera un examen des données de puits et de pipelines et l'identification des pratiques d'atténuation de la corrosion standard.
Après avoir obtenu des informations sur les conditions de puits / flux, vous pourrez développer une liste restreinte de matériaux à tester. Pour entreprendre des tests FFP, vous devrez simuler les paramètres de corrosion, tels que le pH, les gaz acides, la température, etc., dans les pires conditions possibles. Les tests FFP doivent être effectués sur cette base à la fois pour le débit et la fermeture dans des conditions.
Les tests FFP pour SS doivent inclure la corrosion générale, la fissuration de la contrainte de sulfure (si H₂s existe) et la fissuration de la corrosion de contrainte dans des conditions d'écoulement / puits spécifiques. Si la contamination par l'oxygène est considérée comme un risque, les tests pour la corrosion localisée par SS, comme la corrosion des crevasses, doivent également être effectués. De plus, si les sables sont considérés comme dans l'écoulement, des tests d'érosion-corrosion peuvent également être nécessaires.
Une fois que vous avez terminé ce test, vous devriez avoir les informations dont vous avez besoin pour évaluer si un ou plusieurs de vos documents présélectionnés sont appropriés. Si aucun candidat n'est jugé approprié, utilisez vos résultats pour développer une nouvelle liste restreinte et répéter le processus de test FFP.
Forage géothermique et OCTG
Les conditions difficiles des champs géothermiques exigent des matériaux qui peuvent résister à des températures extrêmes, des fluides corrosifs et des niveaux de pression variables. Ces environnements volatils sont analogues à ceux dans lesquels l'industrie pétrolière et gazière opère quotidiennement, ce qui rend les OCTG et les tuyaux bien adaptés à la récolte de l'énergie géothermique. Cela est particulièrement vrai pour l'OCTG dans les environnements SS, où la résistance de ces produits à la corrosion et la capacité à résister à la haute pression et à maintenir l'intégrité à des températures élevées est devenue inestimable.
Comme nous l'avons exploré, des matériaux comme l'acier inoxydable, les alliages de titane, les alliages de nickel et même les alternatives non métalliques jouent tous un rôle dans le soutien des projets de forage géothermique, avec le choix précis de matériaux régis par les caractéristiques de l'opération et de l'environnement. La sélection et l'intégration minutieuses de ces matériaux améliorent non seulement l'efficacité et la longévité des opérations géothermiques, mais ouvrent également la voie à une production d'énergie plus durable et fiable, s'alignant sur le passage de l'industrie vers des sources d'énergie plus propres et renouvelables.
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