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NASA低調進軍壓裂界 傳統技術壓力山大

NASA低調進軍壓裂界 傳統技術壓力山大

美國宇航局最初打算用于太空的一項技術已經準備在地球上產生重大影響。

來自 | R&D
編譯 | 影子

這種被稱為形狀記憶合金巖石壓裂系統的(SMARS)技術提供了一種環境友好型的方法,可以在不使用爆炸物或液壓系統的情況下以可控的方式分開巖層。 SMARS成功入圍2017年度R&D 100大獎,可以應用在水力壓裂、石油鉆探、采礦、地質研究、土木工程、古生物、考古挖掘和搜救任務等方面。

這項創新來自美國宇航局格倫研究中心形狀記憶合金團隊的研究,該團隊花費了十多年的時間用來開發獨特的合金配方。

“當時我們的團隊正在實驗室測試一種材料新的形態時,恰巧我們發現這種作用力比我們之前看到的任何材料高出兩到三倍,”材料研究的Othmane Benafan博士也是美國宇航局格倫研究中心的工程師和SMARS的創造者之一在接受R&D雜志的采訪中說道?!爱斘铱吹疆a生的這種作用力時,最初認為這可以用于行星上的地面探測和巖石破碎,如火星和小行星以及太空中的物體,我們就是這樣開始探索研究的?!?/span>

Benafan和他的團隊很快就意識到,這種創新技術可能會在其他眾多行業中帶來顛覆性的變革而不僅局限于太空中,這些行業都需要強而穩定的作用力。

“我們開始反問自己,’我們能否產生這種可以破碎巖石的力量,而不必攜帶爆炸物或液壓裝置或其他手段?’我們發現,其實這并不是遙不可及的?,F在我們僅使用一種特殊材料就可以將其實現—也就是現在我們要討論的SMA?!?/span>

工作原理

SMA配方中SMARS的核心是用鎳-鈦-鉿,鎳-鈦-鋯或二者組合設計的。該設計還具有通過化學控制和熱處理實現的二次納米級析出相。這些材料然后被“訓練”,能夠在加熱時產生最大的作用力。這些材料被置于設備的中心,SMARS系統能夠在100℃以上的溫度下激活并產生巨大的作用力。

Benafan說:“合金配方能夠實現這一過程。在實驗室里,我們拿一根桿子和一塊材料,并且按照我所說的“訓練”方法來做。從字面上來看,就是這樣,我們訓練它,以便在加熱或冷卻它時,它會擴大或縮小?!?/span>

當SMA隨后被插入巖壁內,諸如鉆孔或裂縫之類的密閉空間中,并被加熱到激活溫度時,它會釋放出強度遞增的力,直至巖層破裂。隨著SMA材料逐漸冷卻,它會慢慢恢復到原來的形狀,等待被再次重復使用。SMARS系統可以在很短的時間內(通常不到一分鐘)裂開巖層。

SMARS系統可以提供超過1.5GPa的可控應力—能量比同等尺寸的液壓系統高出100倍,而且不會對周圍區域造成任何破壞。此外,與液壓破巖設備相比,SMARS系統非常小巧輕便,便于搬運和使用,特別是在液壓設備難以進入的狹窄或地下環境中。系統中SMA的組合成分也可以調節至多達400℃的激活溫度,這在使用多個SMARS器件的情況下特別有效。通過簡單地更換SMA組合成分,SMARS也可以調整用于寒冷環境(<0℃),例如用于分解冰塊等。

Benafan說,SMARS系統最大的優點之一就是環保。

“談到挖掘和巖石壓裂時最大的挑戰之一就是碎片殘骸”,他說,“形狀記憶合金不會產生碎片,它們非??煽?,沒有耗材,沒有壓裂油或水力工具等一類有可能導致場地或人員受損的事物。在某種程度上,我們甚至可以說,SMARS不需要任何耗材,且不存在任何浪費的元素?!?/span>

NASA低調進軍壓裂界 傳統技術壓力山大

SMARS的發明人在實驗室中使用該系統

SMARS在地球上的應用

在地球上,SMARS在很多行業中具有巨大的潛力。Benafan表示,“拿油氣行業來說,石油鉆探可以從SMARS系統探索地下區域的能力中受益,而不會造成類似化學處理方法中常見的破壞?!?/span>

“當你到達關鍵區域時,形狀記憶合金的工作方式非??煽?,沒有爆炸或碎片,”他說道,“因此你可以真正‘打開’裂縫,探索油井或探索需要進一步挖掘的區域以查看巖石背后或區域后是否有油氣?!?/span>

“SMARS對于需要控制裂縫的領域也很有用,”他補充道,“它提供了看似很小,但又非常強大的裂縫啟動壓力?!?/span>

在水力壓裂行業—一種使用高壓泵注入流體能夠引發和延伸含氣巖層裂縫的行業,SMARS也可對其產生巨大影響。SMARS裝置可以在難以操作泵的空間中分割巖層,或在目標區域更精確地啟動裂縫。消除使用液壓油可大大降低壓裂過程對環境的影響。

SMARS的另外一個興趣點是搜索和救援。SMARS曾被用來移動碎片殘骸。在人們被倒塌建筑物或巖石滑坡中的碎片困住時,SMARS設備憑借其便攜性,能夠迅速投入使用,并且該系統可以實現位移,而不會進一步危及被困人員。

Benafan說:“目前看,若想完成這項工作,搜索/救援隊通常需要大量的人員或設備。而如果換做SMARS技術,就像可以破碎巖石一樣,它同樣能以類似的方式,移開一根柱子把人就出來,或是打開一扇被卡住的門?!?/span>

SMARS在太空中的應用

在太空中使用SMARS的設想仍然意義重大,但想要將其變為現實,卻不得不面臨著一個最艱難的技術挑戰—太空中巖石的尺寸問題。

“我們已經證實,如果我們有一塊重達30磅的巖石,我們可以破碎它;但現在我們面臨的是需要用SMARS技術來破碎重達300磅的巖石,并能夠控制這一數量的載荷,”Benafan提到,“5個SMARS應該是串聯還是并聯?又或者我們其實需要用一些新理念來解決這個問題?無論是火星還是其他地方,在將SMARS用于太空任務之前,我們都需要首先解決這個問題?!?/span>

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下一步

很多行業對SMARS的興趣都正在迅速增長。目前,NASA正在推進SMARS技術在油氣行業方面的合作。

“在我們報道了SMARS之后,當然尤其是在獲得了R&D 100獎之后,人們開始意識到了這項技術的很多方面的應用潛力?!盉enafan如此說道。

“我們正在與合作方合作構建技術原型,試圖將SMARS引向特定的應用環境中。但我們仍然堅持最初的理念:無論應用環境多么嚴苛,我們都要保證材料能夠完全釋放出其應有的‘威力’?!?/span>

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