桑迪亚国家实验室和一家商业公司设计了一种可以承受地热钻探的高温的钻井工具。
井下锤附着在钻杆柱的末端，以与手提钻类似的快速锤击动作切割岩石。井下锤并不是什么新东西——石油、天然气和采矿业从20世纪50年代就开始使用了——但老式的设计依赖于油基润滑剂、塑料和橡胶o形环，不适合地热钻探的高温环境。
机械工程师Jiann Su说:“新锤背后的技术基本上是相同的，但桑迪亚与瑞典的阿特拉斯科普柯在材料选择和高温环境下工作的干式润滑剂技术方面进行了合作。”他是桑迪亚与阿特拉斯科普柯项目的首席研究员，阿特拉斯科普柯在全球运营，为钻井、采矿和建筑制造专业设备和系统。
美国能源部(DOE)地热技术办公室资助Atlas Copco作为该项目的主承包商，该公司与Sandia作为分包商合作。
桑迪亚地热研究部门的研究员苏说:“能源部地热项目的部分目的是帮助降低客户获得地热能源的成本。”降低成本的方法之一就是降低勘探和开发成本，这也是我们正在帮助解决的问题之一。”
地热能协会2016年年度生产报告称，截至2015年底，美国的净地热产能约为27亿瓦。此外，报告称，美国市场正在开发约1.25亿瓦的地热发电，而加州和夏威夷等州新的可再生能源组合标准可能为地热能源创造机会。
苏说，高温锤有助于实现这些发展目标。
新的井下锤将是钻工的加分项
Su认为这个为期三年的项目是成功的，并表示该团队和阿特拉斯科普柯正在寻找使用该工具的机会。
他说:“我们开发了一种可以在高温环境下使用的工具，可以帮助提高钻井速度和钻进速度，这可能是传统钻井作业的5到10倍，这对钻井公司来说是一个很大的优势。”“这增加了钻井公司的可用选项。这并不一定是所有钻井情况下的最终选择，但它确实在合适的情况下提供了一个很好的选择。”
阿特拉斯·科普柯向桑迪亚寻求材料方面的专业知识，了解移动表面如何相互作用以及高温测试和操作。“阿特拉斯·科普柯是设计和制造锤子的专家，但桑迪亚在应对高温挑战、润滑和材料方面有更好的装备，”苏说。“高温测试不是阿特拉斯·科普柯公司通常做的事情。”
该项目的一个关键部分是开发有色涂层，它有助于减少部件之间的摩擦，这在地热作业中很重要。“随着温度的升高，油基本上会被煮熟，里面就会变成一团黑烟。这就像你的车开太久而不换油一样。”锤子内部的运动部件需要润滑，类似于汽车发动机中的活塞。
他的团队在材料和彩色涂料方面的工作建立在桑迪亚在这些领域几十年的研究基础上。该团队与桑迪亚公司的材料科学与工程中心合作，开发了一种能够在高温下工作的多层固体润滑剂。类似的固体润滑剂在商业上也有应用，例如，提高汽车中移动部件的使用寿命，但苏的团队采用了一种适合操作条件和基础材料的配方。
“如果我们从头开始，难度会很高，但由于桑迪亚在这一领域有经验，我们对如何开始有了一些想法，”他说。“这让事情容易多了。”
开发耗时三年
该项目开始于确定高温锤是否可行。桑迪亚团队最初测试了能够在预期环境中生存的材料和涂层组合，而阿特拉斯·科科设计了一款没有塑料部件的锤子，苏说。他们验证了这一概念，并在接下来的两年里建造了锤子和高温测试设备。
锤子被证明是成功的。苏说:“我们能够达到钻井速度，材料支撑住了，涂层也很好。”
Sandia的新设备旨在在真实的操作条件下测试锤子，包括高达572华氏度(300摄氏度)的温度，而传统钻井的温度通常低于320华氏度(160摄氏度)。
高温(HOT)测试设施是一个三面开放式混凝土结构，内有一个20英尺高的钻机、加热室和工艺气体加热器。研究人员可以模拟地下深处的情况以及影响锤子的高温，并可以钻入不同类型的岩石，比如在地热丰富地区常见的花岗岩。该设备配备了测量钻井参数的仪器。
HOT本身就是一个大项目。“我们在开发过程中多花了一点时间，但当我们把所有东西放在一起时，一切都像我们预期的那样运行，”苏说。这项工作需要集成多个子系统，包括电气、机械、气动和控制系统。桑迪亚还与阿特拉斯·科普柯合作，研究需要什么仪器来收集必要的数据。
苏说:“我们正在将该设施用于目前正在进行的其他活动，”比如开发钻井自动化。“这对桑迪亚来说是一个加分项。”
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