Publié le 05 décembre 2012 par Jeff Hecht
Le plus gros projet du premier cycle de subventions pour l’énergie dans le cadre du programme Advanced Research Projects Agency (ARPA-E) du ministère de l’Énergie des États-Unis, annoncé il y a trois ans, pourrait être très rentable pour l’industrie du laser. Foro Energy (Littleton, CO et Houston, TX) a démontré qu'un pointeur laser puissant de 20 kW délivrée via une fibre optique spéciale peut percer des roches dures. «Nous avons terminé les tests de validation de concept et développons actuellement du matériel déployable sur le terrain», a déclaré Mark Zediker, responsable technique de Foro. Il prévoit des applications dans l’énergie géothermique et la production de pétrole et de gaz naturel.
Le forage mécanique est la norme dans la production de pétrole et de gaz depuis plus d'un siècle. Cependant, pour pénétrer dans les roches les plus dures, telles que le granit et le basalte, il faut appliquer des dizaines de tonnes de poids pour appuyer sur la foreuse et user rapidement les trépans. Cela peut rendre le forage peu rentable pour de nombreux sites potentiels d’énergie géothermique, ou pour les champs de pétrole et de gaz coiffés de roches dures.
En 2009, ARPA-E a octroyé à Foro une subvention de 9,14 millions de dollars pour développer une technologie de forage «à faible contact» afin de favoriser le développement de l’énergie géothermique, qui doit souvent être extraite de roches volcaniques très dures. L’agence avait pour objectif de réduire les coûts de forage jusqu’à 10 fois, contribuant à rendre l’énergie géothermique sans carbone compétitive par rapport à la production d’énergie à partir de combustibles fossiles. Avec des fonds privés, Foro étudie la même technologie pour la production de pétrole et de gaz.
Le procédé Foro fournit le faisceau laser de grande puissance à la surface de la roche, la chauffant rapidement à des centaines de degrés Celsius. La puissance laser est intégrée à un foret mécanique. Le choc thermique «éclate» et ramollit la roche de quelques millimètres dans la surface, puis la perceuse mécanique la nettoie.
Ce processus laser-mécanique hybride réduit considérablement les besoins en énergie. Les gros appareils de forage nécessitent environ 2 000 HP, soit 1,5 MW. L'alimentation d'un laser à fibre de 20 kW ne nécessite que 100 kW, et la perceuse nécessaire pour retirer la roche ramollie ne nécessite que 10 HP, ou 7,5 kW.
Les propositions de forage au pointeur laser pour le pétrole remontent à presque cinq décennies, mais il manquait de lasers à haute puissance et d’autres technologies. Le laser le plus puissant du marché en 1980 était un laser au dioxyde de carbone de 10 kW de la taille d'une pièce, comprenant une soufflerie. Les lasers de recherche militaire ont atteint un mégawatt, mais étaient des monstres économiques qui ne fonctionnaient que pendant de brefs intervalles. Le développement de lasers à fibre de haute puissance, tels que le laser à fibre de 20 kW acheté à IPG Photonics (Oxford, MA), a contribué à la rentabilité commerciale du système de Foro. «Ces lasers ont considérablement amélioré la viabilité commerciale du programme», explique Zediker.
Une autre technologie clé est la fibre optique spéciale Foro développée pour transporter l'énergie du laser placé à la surface sur au moins 4 km dans le sol. Le transport jusqu’à 20 kW sur des distances aussi longues a nécessité de réduire la diffusion de Brillouin stimulée, qui limite la transmission de l’énergie dans les fibres classiques. La société ne décrit pas sa recette exacte, car elle fait l’objet de plusieurs demandes de brevet en instance, mais Zediker affirme qu’il faut augmenter la taille du cœur, utiliser une transmission multimode, éviter la polarisation du cœur, utiliser une source laser multimode incohérente et faire varier la température et la mécanique. Contraintes sur la longueur de la fibre.
Le câble de fibre est enfilé dans la foreuse et protégé par une gaine métallique, comme celles utilisées sur les capteurs à fibre dans les puits de pétrole et de gaz. Un gel entoure la fibre dans une gaine en métal de 0,125 pouce; le câble a été testé à des températures de 200 ° C et les pressions prévues à des profondeurs allant jusqu'à 4 km. L'atténuation de la fibre est proche de la limite de diffusion de Rayleigh à la longueur d'onde de 1070 nm du laser à fibre, soit environ 0,7 dB / km, ce qui correspond à une atténuation de 3 dB dans une fibre de 4 km. Ils ont transmis plus de 20 kW sur une longueur de 1,5 km.
Une autre innovation importante est un connecteur de fibre optique conçu pour résister aux températures et à la pression élevées dans un puits profond - sans nécessiter le refroidissement par eau vive normalement nécessaire à une puissance de 20 kW, ce qui n’est pas pratique au fond d’un puits. Le port de sortie est monté dans le foret afin que la lumière laser chauffe la roche juste sous la perceuse. L’extrémité fond du trou comprend également une bague collectrice optique qui a également été testée à 20 kW. Cette flexibilité est importante pour les applications futures, telles que celles utilisées dans les forages dirigés, dans lesquels le foret tourne sous terre pour forer en dehors du forage principal.
100 kW bientôt
Foro a déjà obtenu plus de 3 800 revendications de brevets américaines et étrangères en instance. Les plans à court terme incluent le test du système à des puissances plus élevées. Passer du laboratoire au monde réel est un défi, mais Foro a suscité un vif intérêt chez les sociétés de forage intéressées à travailler avec elles, notamment la société pétrolière brésilienne Petrobras (Rio de Janeiro, Brésil).
Le succès commercial pourrait mettre en ligne d'importantes nouvelles ressources géothermiques, réduisant les émissions de carbone et les coûts énergétiques. Cela pourrait également ouvrir des réserves de pétrole et de gaz auparavant inaccessibles. Et Zediker prédit que le forage au laser «créera un puissant attrait sur le marché pour des puissances laser de 20 kW et plus, la première application véritablement commerciale de la puissance laser très élevée».
Foro étudie d’autres moyens de combiner sa technologie de transmission de faisceaux de fibres optiques avec des outils mécaniques pour rendre l’extraction des ressources naturelles plus rapide, plus sûre, moins chère et plus efficace. Les industries pétrolière, gazière, géothermique et minière consacrent plus de 100 milliards de dollars par an à l’extraction des ressources. C’est donc un grand marché offrant de nombreuses opportunités.