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NASA低调进军压裂界 传统技术压力山大

NASA低调进军压裂界 传统技术压力山大

美国宇航局最初打算用于太空的一项技术已经准备在地球上产生重大影响。

来自 | R&D
编译 | 影子

这种被称为形状记忆合金岩石压裂系统的(SMARS)技术提供了一种环境友好型的方法,可以在不使用爆炸物或液压系统的情况下以可控的方式分开岩层。 SMARS成功入围2017年度R&D 100大奖,可以应用在水力压裂、石油钻探、采矿、地质研究、土木工程、古生物、考古挖掘和搜救任务等方面。

这项创新来自美国宇航局格伦研究中心形状记忆合金团队的研究,该团队花费了十多年的时间用来开发独特的合金配方。

“当时我们的团队正在实验室测试一种材料新的形态时,恰巧我们发现这种作用力比我们之前看到的任何材料高出两到三倍,”材料研究的Othmane Benafan博士也是美国宇航局格伦研究中心的工程师和SMARS的创造者之一在接受R&D杂志的采访中说道。“当我看到产生的这种作用力时,最初认为这可以用于行星上的地面探测和岩石破碎,如火星和小行星以及太空中的物体,我们就是这样开始探索研究的。”

Benafan和他的团队很快就意识到,这种创新技术可能会在其他众多行业中带来颠覆性的变革而不仅局限于太空中,这些行业都需要强而稳定的作用力。

“我们开始反问自己,’我们能否产生这种可以破碎岩石的力量,而不必携带爆炸物或液压装置或其他手段?’我们发现,其实这并不是遥不可及的。现在我们仅使用一种特殊材料就可以将其实现—也就是现在我们要讨论的SMA。”

工作原理

SMA配方中SMARS的核心是用镍-钛-铪,镍-钛-锆或二者组合设计的。该设计还具有通过化学控制和热处理实现的二次纳米级析出相。这些材料然后被“训练”,能够在加热时产生最大的作用力。这些材料被置于设备的中心,SMARS系统能够在100℃以上的温度下激活并产生巨大的作用力。

Benafan说:“合金配方能够实现这一过程。在实验室里,我们拿一根杆子和一块材料,并且按照我所说的“训练”方法来做。从字面上来看,就是这样,我们训练它,以便在加热或冷却它时,它会扩大或缩小。”

当SMA随后被插入岩壁内,诸如钻孔或裂缝之类的密闭空间中,并被加热到激活温度时,它会释放出强度递增的力,直至岩层破裂。随着SMA材料逐渐冷却,它会慢慢恢复到原来的形状,等待被再次重复使用。SMARS系统可以在很短的时间内(通常不到一分钟)裂开岩层。

SMARS系统可以提供超过1.5GPa的可控应力—能量比同等尺寸的液压系统高出100倍,而且不会对周围区域造成任何破坏。此外,与液压破岩设备相比,SMARS系统非常小巧轻便,便于搬运和使用,特别是在液压设备难以进入的狭窄或地下环境中。系统中SMA的组合成分也可以调节至多达400℃的激活温度,这在使用多个SMARS器件的情况下特别有效。通过简单地更换SMA组合成分,SMARS也可以调整用于寒冷环境(<0℃),例如用于分解冰块等。

Benafan说,SMARS系统最大的优点之一就是环保。

“谈到挖掘和岩石压裂时最大的挑战之一就是碎片残骸”,他说,“形状记忆合金不会产生碎片,它们非常可控,没有耗材,没有压裂油或水力工具等一类有可能导致场地或人员受损的事物。在某种程度上,我们甚至可以说,SMARS不需要任何耗材,且不存在任何浪费的元素。”

NASA低调进军压裂界 传统技术压力山大

SMARS的发明人在实验室中使用该系统

SMARS在地球上的应用

在地球上,SMARS在很多行业中具有巨大的潜力。Benafan表示,“拿油气行业来说,石油钻探可以从SMARS系统探索地下区域的能力中受益,而不会造成类似化学处理方法中常见的破坏。”

“当你到达关键区域时,形状记忆合金的工作方式非常可控,没有爆炸或碎片,”他说道,“因此你可以真正‘打开’裂缝,探索油井或探索需要进一步挖掘的区域以查看岩石背后或区域后是否有油气。”

“SMARS对于需要控制裂缝的领域也很有用,”他补充道,“它提供了看似很小,但又非常强大的裂缝启动压力。”

在水力压裂行业—一种使用高压泵注入流体能够引发和延伸含气岩层裂缝的行业,SMARS也可对其产生巨大影响。SMARS装置可以在难以操作泵的空间中分割岩层,或在目标区域更精确地启动裂缝。消除使用液压油可大大降低压裂过程对环境的影响。

SMARS的另外一个兴趣点是搜索和救援。SMARS曾被用来移动碎片残骸。在人们被倒塌建筑物或岩石滑坡中的碎片困住时,SMARS设备凭借其便携性,能够迅速投入使用,并且该系统可以实现位移,而不会进一步危及被困人员。

Benafan说:“目前看,若想完成这项工作,搜索/救援队通常需要大量的人员或设备。而如果换做SMARS技术,就像可以破碎岩石一样,它同样能以类似的方式,移开一根柱子把人就出来,或是打开一扇被卡住的门。”

SMARS在太空中的应用

在太空中使用SMARS的设想仍然意义重大,但想要将其变为现实,却不得不面临着一个最艰难的技术挑战—太空中岩石的尺寸问题。

“我们已经证实,如果我们有一块重达30磅的岩石,我们可以破碎它;但现在我们面临的是需要用SMARS技术来破碎重达300磅的岩石,并能够控制这一数量的载荷,”Benafan提到,“5个SMARS应该是串联还是并联?又或者我们其实需要用一些新理念来解决这个问题?无论是火星还是其他地方,在将SMARS用于太空任务之前,我们都需要首先解决这个问题。”

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下一步

很多行业对SMARS的兴趣都正在迅速增长。目前,NASA正在推进SMARS技术在油气行业方面的合作。

“在我们报道了SMARS之后,当然尤其是在获得了R&D 100奖之后,人们开始意识到了这项技术的很多方面的应用潜力。”Benafan如此说道。

“我们正在与合作方合作构建技术原型,试图将SMARS引向特定的应用环境中。但我们仍然坚持最初的理念:无论应用环境多么严苛,我们都要保证材料能够完全释放出其应有的‘威力’。”

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