BE1022154B1 - Geothermische inrichting die een fractuurzone in een warm droog gesteente gebruikt - Google Patents

Abstract

De uitvinding betreft een inrichting en werkwijze voor exploitatie van geothermische energie door circulatie van een fluïdum doorheen een geologische formatie. De inrichting omvat een aanvoerboring die naar de geologische formatie leidt, een terugvoerboring voor transport van opgewarmd fluïdum naar het oppervlak, en een inrichting die de aanvoer- en terugvoerboring verbindt, welke hydraulisch parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken in de formatie omvat, waarover warmte wordt overgedragen. Een bodemboring vertrekt vanaf de bodem van de aanvoerboring; een tweede bodemboring vertrekt vanaf de bodem van de terugvoerboring. Beiden zijn in de horizontale en verticale richtingen gescheiden. De warmteoverdrachtsoppervlakken zijn verbonden met de bodemboringen.

Description

Geothermische inrichting die een fractuurzone in een warm droog gesteente gebruikt

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het exploiteren van geothermische energie en op een werkwijze voor het genereren van een dergelijke inrichting met gebruikmaking van een geologische formatie op diepte.

Achtergrond WO 96/23181 beschrijft een poging om verlaten offshore olieputten te gebruiken voor het extraheren van thermische energie, welke op haar beurt geacht wordt omgezet te worden naar elektrisch vermogen en aan een eindgebruiker te worden geleverd. Er worden twee 3000 m diepe putten gebruikt als respectievelijk aanvoer- en terugvoergat, welke aan hun onderste uiteinde met elkaar verbonden zijn door middel van een in hoofdzaak horizontaal geboorde lus die 1000 m lang is en een diameter van 21,5 cm heeft. Een debiet van 700 m3/h aan water wordt door de lus gecirculeerd met een aanvoertemperatuur van 20°C. De publicatie gaat er eenvoudigweg van uit dat het water zal terugkeren aan een temperatuur van 90°C, hetgeen de temperatuur is van de formatie waar de verbindingslus gesitueerd is, en aldus 40 MW aan thermisch vermogen zal leveren. Deze veronderstelling wordt onnauwkeurig bevonden. Bij gebruik van de beschreven werkwijze waaraan hierboven werd gerefereerd, is gebleken dat de terugvoertemperatuur van het water slechts enkele graden boven de aanvoertemperatuur zou zijn en dat de lus meer dan 60 keer langer zou moeten zijn om 40 MW te kunnen leveren.

Samenvatting van de uitvinding

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het exploiteren van geothermische energie door het circuleren van een fluïdum zoals water doorheen een geologische formatie, ten minste 700 m, of 1000, 3000 of 4000 m onder het aardoppervlak, omvattende ten minste één aanvoerboring die van het oppervlak tot de geologische formatie leidt, ten minste één terugvoerboring voor het transport van opgewarmd fluïdum, zoals water, van de geologische formatie naar het oppervlak, en een warmteabsorberende inrichting die de aanvoer- en terugvoerboring met elkaar verbindt, welke warmteabsorberende inrichting een serie hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken omvat in de geologische formatie, waarover warmte wordt overgedragen van de geologische formatie naar het fluïdum, zoals water.

In het algemeen kunnen dergelijke geothermische energie-inrichtingen, welke barsten in het gesteente genereren om toegang te verkrijgen tot ondergrondse warmtereservoirs, aardbevingen uitlokken, en uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvindingen zijn ontworpen om het risico op aardbevingen de beperken. Voorts beperkt een geothermische inrichting volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding het risico dat men er niet in slaagt een hydraulische verbinding tot stand te brengen tussen de aanvoer- en terugvoerboringen doorheen de warme gesteentemassa.

De onderhavige uitvinding heeft ook betrekking op een werkwijze voor het creëren van een van barsten voorziene geologische formatie voor gebruik met een inrichting voor het exploiteren van geothermische energie door een fluïdum zoals water te circuleren doorheen de van barsten voorziene geologische formatie, ten minste 700 m, of 1000, 3000 of 4000 m onder het aardoppervlak, welke werkwij ze omvat : - het boren van ten minste één aanvoerboring die van het oppervlak naar de geologische formatie leidt; - het vormen van een eerste boring vanaf de bodem van de aanvoerboring, welke in een hoek staat ten opzichte van de aanvoerboring, optioneel in hoofdzaak horizontaal; - het boren van ten minste één terugvoerboring voor het transport van verwarmd fluïdum, zoals water, vanuit de geologische formatie naar het oppervlak, waarbij de terugvoerboring optioneel minder diep is dan de aanvoerboring; - het vormen van een tweede boring vanaf de bodem van de terugvoerboring, welke in een hoek staat ten opzichte van de terugvoerboring, optioneel in hoofdzaak horizontaal, en welke van de eerste boring gescheiden is door een afstand in horizontale en verticale richting; - het genereren van barsten voorziene zones in de geologische formatie tussen de eerste en de tweede boring, ten einde een serie hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken te vormen, die toelaten dat warmte wordt overgedragen van de geologische formatie naar het fluïdum, zoals water, wanneer dit tussen de aanvoer- en terugvoerboringen circuleert.

De onderhavige uitvinding is bijvoorbeeld toepasbaar op de exploitatie van geothermische energie uit formaties van warme droge gesteenten (HDR). Om te compenseren voor het lage thermische geleidingsvermogen van dergelijke formaties, onttrekt de onderhavige uitvinding thermische energie via een zeer groot warmteoverdrachtsoppervlak dat ter beschikking wordt gesteld in de geologische formatie en gerelateerd is aan de serie van talrijke hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken.

Overeenkomstig uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, wordt een dergelijk zeer groot warmteoverdrachtsoppervlak gecreëerd door van barsten voorziene zones tussen de onder een hoek staande horizontale secties van de aanvoer- en terugvoerboring, welke van elkaar zijn gescheiden door een afstand in horizontale en verticale richting, zoals 200 tot 1000 m of 250 tot 800 of 300 tot 750 m. De van barsten voorziene zones kunnen bijvoorbeeld worden gegenereerd door hetzij bestaande barsten uit te breiden, door het gesteente tussen de onder een hoek staand, bv. horizontale eerste en tweede boringen op te blazen met gebruik van explosieven, of door barsten aan te brengen tussen de onder een hoek staande of horizontale secties van de aanvoer- en terugvoerboring, welke van elkaar gescheiden zijn door een afstand in de horizontale en verticale richting, zoals 200 tot 1000 m of 250 tot 800 of 300 tot 750 m, door het afkoeling en verhitting en/of door gebruik van hydrostatische druk op het gesteente, waarvan de laatste de voorkeur draagt. Om te vermijden dat de stromingscondities voor het circulerende fluïdum onvoorspelbaar worden ten gevolge van verschillen in hydraulische weerstand tussen hydraulisch parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken, kan de onderhavige uitvinding gebruik maken van een meerstapsproces om de hydraulische parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken te creëren. Voorts kan stromingsmeting gebruikt worden om de stromingsweerstand te bepalen in fissuren die de verschillende secties van de boringen snijden.

In een geothermische inrichting volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, bevindt een groot volume van warm gesteente zich in directe nabijheid van de warmteoverdrachtsoppervlakken. Een geothermische inrichting volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, bijvoorbeeld ontworpen voor het opwarmen van een fluïdum zoals water en om warm water te genereren, heeft bij voorkeur ten minste 20.000 m3 gesteente binnen een bereik van 10 m van elk warmteoverdrachtsoppervlak voor elke kW die de inrichting moet kunnen leveren.

Bijgevolg wordt in één aspect van de uitvinding een centrale voorzien voor het exploiteren van geothermische energie van het type dat in de inleidende paragraaf hierboven werd gedefinieerd, met het kenmerk dat deze een gegeven nominaal vermogen heeft in MW, gedefinieerd als de door de inrichting uit de van barsten voorziene formatie geabsorbeerde warmte per seconde, dat de meerdere en hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken ten minste één geboord warmte-absorptiegat omvatten, en dat het volume aan gesteente van de genoemde formatie ten minste ongeveer 15.000.000 m3 bedraagt, bij voorkeur ten minste 20.000.000 m3, vermenigvuldigd met het genoemde nominale vermogen.

Deze getallen vertegenwoordigen een veel grotere massa gesteente dan door enige inrichting volgens de stand van de techniek voor een economisch haalbare exploitatie werd mogelijk geacht.

De uitvinders hebben gevonden dat de efficiëntste manier om warmte-extractie uit een voldoende groot volume aan gesteente in te zetten erin bestaat een serie hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken te creëren op diepte in warm gesteente. De term "hydraulisch parallel" betekent dat fluïdumstromen in parallel bestaan, hoewel de geometrische vorm van deze interfaces niet noodzakelijk mathematisch evenwijdig is.

De onderhavige uitvinding is gedeeltelijk gebaseerd op de vaststelling dat gesteente op een afstand van tientallen meters van een warmteoverdrachtsoppervlak niet veel warmte-energie zal bijdragen, ten gevolge van het geringe warmtegeleidingsvermogen van gesteenten. Aldus was, vanuit een warmteoverdrachtsoogpunt, een groot aantal relatief dicht bij elkaar geplaatste hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken veel efficiënter.

Overeenkomstig uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, zouden boringen voor aanvoer en terugvoer van het fluïdum normaal 3 km in diepte overschrijden, bij voorkeur 5 km in diepte, en bij grootste voorkeur meer dan 6 km. Voorts, overeenkomstig uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, worden meerdere quasi-parallelle of hydraulisch parallelle warmteoverdrachtsinterfaces gecreëerd op deze diepte in droog gesteente, teneinde een voldoende groot volume van warm gesteente beschikbaar te maken om de gewenste warmte aan te voeren gedurende de vereiste levensduur van de inrichting.

Aldus voorziet de uitvinding, volgens een tweede aspect, een inrichting voor het exploiteren van geothermische energie door het circuleren van een fluïdum, zoals water, doorheen een geologische formatie, ten minste 700 m, of meer dan 1000 m, 3000 m, 4000 m onder het aardoppervlak, omvattende de geologische formatie met van barsten voorziene zones zoals hierboven vermeld. Het minimale dieptebereik wordt bepaald door het feit dat de uitvinding gebaseerd is op de creatie van een serie hydraulisch paralellel subverticale breuken met behulp van hydraulische technieken. Hydraulisch gevormde barsten worden gevormd in de richting die loodrecht staat op de richting van de minste spanning. Op basis van ervaring, zullen horizontale fracturen voorkomen op diepten van minder dan ongeveer 600 tot 700 m omdat de bovenbelasting van de aarde op deze diepten de minste overheersende spanning voorziet. Indien ruk wordt uitgeoefend beneden deze relatief ondiepe omstandigheden, is het het meest waarschijnlijk dat de barsten worden gevormd langs een horizontaal vlak, omdat het gemakkelijker zal zijn het gesteente te splijten in deze richting dan in eender welke andere richting. Naarmate de diepte toeneemt voorbij 700 m, heeft de bovenbelastingsspanning de neiging de overheersende spanning te worden. Aangezien hydraulisch geïnduceerde breuken worden gevormd in de richting die loodrecht staat op de richting van de minste spanning, hebben de resulterende breuken op diepten van meer dan 700 m de neiging om georiënteerd te zijn in de verticale richting.

Volgens een verder aspect van de onderhavige uitvinding, heeft een inrichting voor het exploiteren van geothermische energie van het bovenbeschreven type het kenmerk dat de warmteabsorberende inrichting meerdere hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsinterfaces omvat, aangebracht in een parallelle stromingsrelatie van de onder een hoek staande of horizontale sectie van de aanvoerboring tot aan de onder een hoek staande of horizontale sectie van de terugvoerboring en gelokaliseerd op diepte.

Aangezien de gesteentetemperatuur toeneemt met toenemende diepte, zal het laten vloeien van fluïdum door de hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken op de maximale diepte toelaten om de grootste temperatuurtoename in het fluïdum dat wordt gebruikt om warmte uit het warme gesteente te onttrekken, zoals water, te bereiken, en dus ook de grootste opname van warmte-energie.

De afstand tussen naburige warmte-interfacelagen die hydraulisch parallelle stroming voorzien, is ongeveer 15 m, bijvoorbeeld 5 tot 25 m, bij voorkeur ten minste 10 m. Anderzijds is de spatiëring liefst minder dan ongeveer 50 m om de fysieke afmeting van de inrichting te beperken. Een inrichting volgens de uitvinding kan een enkele aanvoerboring en een enkele terugvoerboring hebben. De inrichting kan echter meerdere aanvoerboringen hebben, aangebracht, bij voorkeur op circumferentieel gelijke afstanden, rond een gemeenschappelijke terugvoerboring. In een specifieke uitvoeringsvorm kunnen bijvoorbeeld drie aanvoerboringen worden aangebracht rond een enkele terugvoerboring. Er dient te worden opgemerkt dat de terugvoerboring een enkele geboorde boring kan zijn of een cluster van dicht bij elkaar geplaatste boringen met kleinere diameter, die in hoofdzaak dezelfde warmte- en drukverlieskarakteristieken vertonen als een enkele boring met grotere diameter.

De bovenste uiteinden van de aanvoerboring en de terugvoerboring worden bij voorkeur dicht bij elkaar geschikt, waarbij de boringen optioneel neerwaarts divergeren, zodanig dat een substantiële afstand wordt gecreëerd tussen de uiteinden van de aanvoer- en terugvoerboring. Deze afstand is bij voorkeur ongeveer 500 tot 1000 m. Een dergelijke opstelling van de inrichting laat een compacte constructie van de inrichting aan het oppervlak toe, terwijl de noodzakelijke omvang van de warmteoverdrachtsinterfaces op diepte wordt mogelijk gemaakt.

Over het algemeen worden boringen verticaal geboord in de geologische formatie tot een hard gesteente wordt bereikt dat een gemakkelijke afleiding van de boorrichting toelaat. De afleiding begint ten minste 100 m, bij voorkeur 500 m boven de beoogde diepte van de (semi)horizontale sectie van de boringen, waarbij het eigenlijke beginpunt wordt bepaald door de technisch haalbare opbouwhoek van de gebruikte boortechniek onder de lokale geologische omstandigheden. De put die uiteindelijke zal dienen als injectieput wordt verticaal over een bijkomende afstand van 500 tot 2000 m uitgebreid. Over het algemeen zijn, op diepten van kilometers, waar de meeste HDR formaties bestaan, de vlakken langs welke deze formaties fractureren richtingsgewijs georiënteerd en gealigneerd in een bij benadering verticaal vlak. Sommige dergelijke formaties zijn in die mate bestudeerd dat de kompasrichting van het verticale vlak langs hetwelk de formatie met de grootste waarschijnlijkheid zal fractureren, vooraf bekend is. Als dit niet bekend is, of bij wege van bijkomende maatregel, kan op richtinggetrouwe wijze een kernstaal uit de bodem van ten minste één verticale put worden genomen (welke hetzij de aanvoerboring of de terugvoerboring kan zijn), en deze kern en de vrijgemaakte holte kunnen worden geanalyseerd volgens granulaire oriëntatie en tektonische spanning, welke in samenspel met andere beschikbare geofysische gegevens over de formatie toelaten de richting te bepalen van het vlak langs hetwelk een verticale fractuur met de grootste waarschijnlijkheid zal optreden. Andere alternatieve werkwijzen kunnen worden gebruikt om de richting van het fractuurvlak te bepalen, zoals geofysische aantekeningen, de installatie van optische vezels om vervorming van de verbuizing te meten, drukvervaltesten of het creëren van een testfractuur waarvan de richting wordt bepaald door de injectie van radioactieve tracers.

Nadat de richting van het meest waarschijnlijke fractuurvlak voor de formatie is bepaald, worden één of meer bijkomende boringen geboord in een richting die bij benadering loodrecht is op de kompasrichting van dergelijke vlakken. Hoewel het de voorkeur geniet loodrechtheid te bereiken tussen de eerste en tweede onder een hoek staande of in hoofdzaak horizontale boringen en het fractuurvlak, is absolute loodrechtheid niet essentieel. De eerste en tweede onder een hoek staande of in hoofdzaak horizontale boringen kunnen de verwachte fractuurvlakken snijden onder een hoek die tot 45 graden afwijkt van de loodlijn. De term bij benadering loodrecht is bedoeld om een dergelijke afwijking te omvatten. De afwijkingshoek van de verticale van de barsten kan variëren van slechts 0 graden tot wel 60 graden, zoals tussen 30 graden en ongeveer 45 graden. De precieze opstelling van de boringen hangt af van een afweging bepaald door de temperatuurgradiënt van de formatie en de boorkost van de operatie. Aangezien het over het algemeen de voorkeur geniet om de eerste en tweede onder een hoek staande of in hoofdzaak horizontale boringen uit te breiden dooreen de HDR-formatie tot dat, in werking, een temperatuur van ten minste ongeveer 125°C wordt bereikt in het gecirculeerde fluïdum, is de omvang van het bijkomende boren een functie van de temperatuurgradiënt van de formatie. De minimale afstand waarover de eerste en tweede onder een hoek staande of in hoofdzaak horizontale boringen worden uitgebreid doorheen de HDR-formatie moet voldoende zijn om de meerdere hydraulisch parallelle warmte-overdrachtsoppervlakken te accommoderen, die vervolgens zullen worden geïnduceerd langs de eerste en tweede onder een hoek staande of in hoofdzaak horizontale boringen. De minimale afstand is een functie van het aantal gewenste warmteoverdrachtsoppervlakken vermenigvuldigd met de afstand tussen de warmteoverdrachtsoppervlakken.

Korte beschrijving van de figuren

Voor een beter begrip van de uitvinding, wordt deze beschreven onder verwijzing naar de in de bijgevoegde tekeningen getoonde uitvoeringsvoorbeelden, waarin: FIG. 1 een schematisch zijaanzicht is van een geothermische inrichting volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, FIG. 2 een schematisch plan is van een geologische formatie met de warmteoverdrachtsinterfaces van de inrichting van FIG. 1.

Beschrijving van de uitvoeringsvormen

De onderhavige uitvinding zal worden beschreven op basis van specifieke uitvoeringsvormen en onder verwijzing naar bepaalde tekeningen, maar de uitvinding wordt daar niet door beperkt, doch enkel door de conclusies. De beschreven tekeningen zijn enkel schematisch en niet-beperkend. In de tekeningen kan de afmeting van sommige elementen om illustratieve redenen overdreven zijn en niet op schaal. Waar in de huidige beschrijving en conclusies de term "omvatten" wordt gebruikt, sluit dit andere elementen of stappen niet uit. Waar een onbepaald of bepaald lidwoord wordt gebruikt verwijzend naar een enkelvoudig substantief, bv. "een" of "de", sluit dit een meervoud van dat substantief in, tenzij er specifiek iets anders wordt vermeld.

Voorts worden de termen "eerste", "tweede", "derde" en dergelijke in de beschrijving en de conclusies gebruikt om gelijkaardige elementen te onderscheiden, en niet noodzakelijk om een sequentiële of chronologische volgorde te beschrijven. Het moet worden begrepen dat de termen die aldus worden gebruikt onder de relevante omstandigheden uitwisselbaar zijn en dat de hierin beschreven uitvoeringsvormen van de uitvinding in staat zijn te functioneren in andere sequenties dan die welke hierin beschreven of geïllustreerd worden.

Figuren 1 en 2 zijn schematisch en tonen elementen op verschillende diepten alsof het tussenliggende gesteente transparant was. De in figuren 1 en 2 geïllustreerde geothermische inrichting heeft een serie hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken 10, gelokaliseerd in een geologische formatie onder het aardoppervlak. De warmteoverdrachtsoppervlakken zijn gelokaliseerd tussen horizontale bodemsecties 6, 8, beschreven als de eerste en tweede horizontale bodemsecties van respectievelijk aanvoer- en terugvoerboringen 2, 4; de horizontale bodemsecties 6, 8 van aanvoer- en terugvoerboringen 2, 4 zijn van elkaar gescheiden door een afstand in de horizontale richtingen ("X" en "Z") en verticale richting ("Y"), zoals 200 tot 1000 m of 250 tot 800 m of 300 tot 750 m. De warmteoverdrachtsoppervlakken 10 vormen daarom een structuur die zich in alle drie de orthogonale X, Y, Z uitstrekt. De warmteoverdrachtsoppervlakken 10 worden schematisch weergegeven als evenwijdige, platte vlakken; in de praktijk zal de exacte vorm van deze oppervlakken echter worden bepaald door de manier waarop het gesteente barst. De van barsten voorziene zones worden zo gekozen dat parallelle stromingspaden worden gegenereerd, hetgeen warmteoverdracht bevordert.

De inrichting omvat een aanvoerboring 2 met een binnendiameter van ten minste 15,0 cm, bijvoorbeeld 15,0 cm of 19,0 cm of 21,2 cm of 31,3 cm, lopende vanaf een injectieputkop 16, en een terugvoerboring 4 met een binnendiameter van ten minste 15,0 cm, bijvoorbeeld 15,0 cm of 19,0 cm of 21,2 cm of 31,3 cm, lopende vanaf een productieputkop 18. De aanvoerboring 2 wordt dieper gevormd dan de terugvoerboring 4 over een afstand van bijvoorbeeld 250 m, bijvoorbeeld 250 tot 500 m. De terugvoerboring kan echter ook dieper worden gevormd dan de aanvoerboring. In hoofdzaak horizontale bodemsecties 6, 8 worden gevormd aan de bodem van respectievelijk de aanvoer- en terugvoerboringen 2, 4. De bodemsecties 6, 8 van de aanvoer- en terugvoerboringen 2, 4 zijn met elkaar verbonden door de serie van parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken 10, waarbij de spatiëring van deze interfaces wordt bepaald door de manier waarop het omliggende gesteente fractureert. De van barsten voorziene zone wordt bij voorkeur in dit gebied opgezet om vloeibare communicatie te voorzien tussen de aanvoer- en terugvoerboring. Zoals weergegeven in Figuur 2, zijn de putkoppen 16, 18 gelokaliseerd op hoeken volgens een diagonaal van de fractuurzone met de hydraulisch parallelle warmteoverdrachtsinterfaces 10.

De boringen 2, 4 worden in hoofdzaak verticaal in de geologische formatie geboord tot een gewenst hard gesteente wordt bereikt dat een veilige opbouw toelaat van de afleiding ten opzichte van de verticale van de bodemsecties, en bij voorkeur 100 m, meer bij voorkeur 500 m boven de beoogde diepte van de (semi)horizontale bodemsecties: het eigenlijke beginpunt van de afleiding wordt bepaald door de technisch haalbare opbouwhoek van de gebruikte boortechniek onder de lokale geologische omstandigheden. De boring die uiteindelijk als aanvoerboring zal dienen wordt verticaal uitgebreid over een bijkomende afstand D, van bijvoorbeeld 200 tot 1500 m, of 250 tot 2000 m, of 300 m tot 3000 m, afhankelijke van het volume aan gesteente dat nodig is om het beoogde nominale vermogen te behalen. Over het algemeen zijn, op diepten van kilometers, waar de meeste HDR formaties bestaan, de vlakken langs welke deze formaties fractureren richtingsgewijs georiënteerd en gealigneerd in een bij benadering verticaal vlak. Sommige dergelijke formaties zijn in die mate bestudeerd dat de kompasrichting van het verticale vlak langs hetwelk de formatie met de grootste waarschijnlijkheid zal fractureren, vooraf bekend is. Als dit niet bekend is, of bij wege van bijkomende maatregel, kan op richtinggetrouwe wijze een kernstaal uit de bodem van ten minste één verticale put worden genomen, en deze kern en de vrijgemaakte holte kunnen worden geanalyseerd volgens granulaire oriëntatie en tektonische spanning, welke in samenspel met andere beschikbare geofysische gegevens over de formatie toelaten de richting te bepalen van het vlak langs hetwelk een verticale fractuur met de grootste waarschijnlijkheid zal optreden. Andere alternatieve werkwijzen kunnen worden gebruikt om de richting van het fractuurvlak te bepalen, zoals geofysische aantekeningen, de installatie van optische vezels om vervorming van de verhuizing te meten, drukvervaltesten of het creëren van een testfractuur waarvan de richting wordt bepaald door de injectie van radioactieve tracers.

Nadat de richting van het meest waarschijnlijke fractuurvlak voor de formatie is bepaald, worden één of meer bijkomende boringen geboord in een richting die bij benadering loodrecht is op de kompasrichting van dergelijke vlakken. Hoewel het de voorkeur geniet loodrechtheid te bereiken tussen de eerste en tweede boringen en het verwachte fractuurvlak, is absolute loodrechtheid niet essentieel. De afgeleide putten kunnen de verwachte fractuurvlakken snijden onder een hoek die tot 45 graden afwijkt van de loodlijn. De term bij benadering loodrecht is bedoeld om een dergelijke afwijking te omvatten. De minimale afstand waarover de afgeleide eerste en tweede bodemsecties 6, 8 worden uitgebreid doorheen de HDR-formatie moet voldoende zijn om de veelheid aan quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken te accommoderen die vervolgens langs de eerste en tweede bodemsecties 6, 8 zullen worden geïnduceerd. De minimale afstand is een functie van het aantal gewenste warmteoverdrachtsoppervlakken en de afstand tussen de warmteoverdrachtsoppervlakken.

De bovenste gedeelten van de aanvoer- en terugvoerboringen 2, 4 kunnen worden voorzien met een één of meer blinde verhuizingen om de boringen in dit gebied te verzegelen ten opzichte van de omringende grondwaterlagen. De keuze van de diepte, afmetingen en sterkte van de verbuizingssecties dient te gebeuren aan de hand van de lokale geologische omstandigheden, de integriteit van de boring en de regelgeving. Iedere boring wordt geboord in één of meer secties van verschillende diameters. Alle secties, behalve de laatste, worden voltooid door een blinde verhuizing te installeren en te cementeren ten einde een stabiele boring te creëren, die behoorlijk verzegeld is van de omgevende formaties, voor de volgende sectie wordt geboord. Bijgevolg vermindert de diameter van de opeenvolgende secties gradueel. Aldus moet met de minimale interne diameter van de laatste sectie rekening worden gehouden wanneer de diameters van de andere boringsecties worden gekozen.

De lengte van elke sectie wordt bepaald door het dieptebereik dat op een veilige en milieuvriendelijke manier kan worden geboord, rekening houdend met lokale geologische omstandigheden, de integriteit van de boring en de regelgeving.

Aan het oppervlak worden de aanvoer- en terugvoerboring 2, 4 met elkaar verbonden door lijn 12 aan één zijde van een behuizing 14 die een scheidingswarmtewisselaar heeft. Een productiepomp, zoals een elektrische dompelpomp of lijnschachtpomp, wordt in het verticale gedeelte van de terugvoerboring 4 geïnstalleerd. Een hulpcirculatiepomp (niet weergegeven) kan tussen de scheidingswarmtewisselaar en de putkop van de aanvoerboring 16 geplaatst worden.

De andere kant van de scheidingswarmtewisselaar is bij voorkeur in vloeibare communicatie met diverse warmteconsumerende toestellen, bijvoorbeeld een radiator, een warmeluchtverwarmer en een warmwaterreservoir, een stadsverwarmingssysteem en/of een opweksysteem voor elektrisch vermogen.

De werkwijze om een serie hydraulisch parallelle of quasi -parallelle warmteoverdrachtsinterfaces te creëren, gelokaliseerd in een geologische formatie onder het aardoppervlak, bv. op een diepte van tot 6 km, is als volgt. Nadat de horizontale bodemsectie van de boring geboord is, worden geofysische hulpmiddelen toegepast om de vorm van de horizontale sectie te bepalen, om eventuele vooraf bestaande barsten de lokaliseren en om de sterkte van de formatie te identificeren. Deze informatie wordt samen met spanningsmetingen gebruikt om de operationele parameters voor een meerstappenproces voor het uitbreiden of creëren van artificiële barsten te bepalen, zoals de openings- of breekdruk en de op te bouwen druk en de hoeveelheden fluïdum en opvulmiddel die naar beneden moeten worden gepompt om de barsten te openen of te creëren en ze open te houden. Eens de operationele parameters gekend zijn, wordt een deel van de horizontale bodemsectie verzegeld, bv. door gebruik te maken van een open-boorgatpacker of cement, en de druk binnen de verzegelde sectie wordt verhoogd door een fluïdum zoals water in de verzegelde sectie te pompen tot de openings- of breekdruk word bereikt en het gesteente het begeeft. Op dat ogenblik wordt een opvulmiddel, zoals gegradeerd zand of een door de mens vervaardigd ceramisch materiaal, samen met het fluïdum geïnjecteerd om de gecreëerde barsten open te houden eens de druk wordt verminderd. Uiteindelijk wordt de druk in de verzegelde sectie verminderd door het fluïdum naar buiten te laten stromen. Dit proces wordt meerdere keren herhaald tot de volledige lengte van de horizontale bodemsectie voltooid is, of tot een voldoende groot warmte- uitwisselingsoppervlak gecreëerd is, waarbij de minimale afmeting van de gefractureerde gesteentemassa ten minste 15.000.000 m3, en bij voorkeur ten minste 20.000.000 m3 per MW nominaal vermogen bedraagt, met een voorkeursspatiëring van de barsten van ongeveer 15 m, zoals 5 m tot 25 m, en minder dan 50 m.

Nadat de hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsinterfaces gecreëerd zijn in de aanvoer- en terugvoerboring, wordt een stromingstest uitgevoerd door een fluïdum, zoals water, in de aanvoerboring te injecteren en het fluïdum door de terugvoerboring op te halen. Tijdens deze test wordt de snelheid van het fluïdum langs ten minste de horizontale bodemsecties gemeten, bv. door een stromingsmeter te laten lopen of door stromingsmeters te installeren langs ten minste de horizontale secties van de boringen, teneinde de stromingsweerstand te bepalen van de hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken die de boringen snijden. Op plaatsen waar een warmteoverdrachtsoppervlak met lage stromingsweerstand een boring snijdt, zal de snelheid van het fluïdum abrupt veranderen. Om een ongewenste afkoeling van het opgehaalde fluïdum, ten gevolge van een kortsluiting, te vermijden, zouden de warmteoverdrachtsoppervlakken gelijkaardige stromingsweerstanden moeten hebben: de stromingsweerstand van de 10 warmteoverdrachtsoppervlakken met de laagste stromingsweerstand zou minder dan een factor 10 moeten verschillen, bij voorkeur minder dan een factor 5, bij voorkeur minder dan een factor 2. Indien de stromingsweerstand van één of meer van de warmteoverdrachtsoppervlakken te laag is, wordt het gedeelte van de boring dat wordt gesneden door het warmteoverdrachtsoppervlak verzegeld, bv. door gebruik te maken van een open-boorgatpacker of cementeren, en wordt een blokkeermiddel, zoals cement, kleipillen, of een zelfhardend materiaal, geïnjecteerd om het warmteoverdrachtsoppervlak te blokkeren. Nadat het blokkeermiddel is geïnjecteerd, wordt het zegel verwijderd en de boring schoongemaakt om eventueel achtergebleven blokkeermiddel uit de boring te verwijderen.

De onderhavige uitvinding heeft het voordeel dat het niet nodig is een ondergrondse warmtewisselaar te construeren door een groot aantal geboorde gaten. Volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding wordt het van barsten voorzien van gesteente gebruikt om meerdere warmteoverdrachtsoppervlakken te creëren in een economische en veilige manier, i.e. met een vermindering van aardbevinggevaar.

Het moet worden ingezien dat de uitvinding op generlei wijze beperkt is door de hierboven beschreven voorbeelduitvoeringsvormen, maar integendeel op verschillende manieren kan gevarieerd en gewijzigd worden zonder af te wijken van de geest van de uitvinding en de beschermingsomvang van de bijgevoegde conclusies.

Claims (15)

1. Conclusies

   1. Inrichting voor het exploiteren van geothermische energie door het circuleren van een fluïdum doorheen een geologische formatie, omvattende : ten minste één aanvoerboring die van het oppervlak tot aan de geologische formatie leidt, ten minste één terugvoerboring voor het transporteren van opgewarmd fluïdum vanuit de geologische formatie naar het oppervlak, en een warmteabsorberende inrichting die de aanvoer- en terugvoerboring verbindt, welke warmteabsorberende inrichting een serie hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken in de geologische formatie omvat, over welke warmte wordt overgedragen van de geologische formatie naar het fluïdum; verder omvattende : een eerste bodemboring vanaf de bodem van de aanvoerboring, die zich weg van de aanvoerboring uitstrekt; een tweede bodemboring vanaf de bodem van de terugvoerboring, die zich weg van de terugvoerboring uitstrekt, en die van de eerste bodemboring gescheiden is door een afstand in de horizontale en verticale richtingen (X, Y, Z), waarbij de hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken in vloeibare verbinding staan met de eerste en tweede bodemboring.
2. 2. Inrichting volgens conclusie 1, waarbij de afstand 200 tot 1000 m bedraagt.
3. 3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, waarbij de geologische formatie zich op een diepte van ten minste 700 m, optioneel meer dan 4 km onder het aardoppervlak, bevindt.
4. 4. Inrichting volgens eender welke voorgaande conclusie, waarbij het fluïdum water is.
5. 5. Inrichting volgens eender welke voorgaande conclusie, waarbij de eerste en tweede bodemboring zich uitstrekken in een richting die bij benadering loodrecht is op de kompasrichting van de fractuurvlakken van de geologische formatie.
6. 6. Inrichting volgens eender welke voorgaande conclusie, waarbij de eerste en tweede bodemboring zich uitstrekken in een horizontale richting.
7. 7. Inrichting volgens eender welke voorgaande conclusie, waarbij de afstand tussen naburige warmte-interfacelagen die hydraulisch parallelle stroming voorzien, 10 tot 25 m bedraagt.
8. 8. Werkwijze voor het vormen van een geologische formatie voor gebruik met een inrichting voor het exploiteren van geothermische energie door het circuleren van een fluïdum doorheen de geologische formatie onder het aardoppervlak, welke werkwijze omvat : het boren van ten minste één aanvoerboring dat van het oppervlak naar de geologische formatie leidt; het vormen van een eerste boring vanaf de bodem van de aanvoerboring die zich weg van de aanvoerboring uitstrekt; het boren van ten minste één terugvoerboring voor het transporteren van opgewarmd fluïdum van de geologische formatie naar het oppervlak; het vormen van een tweede boring vanaf de bodem van de terugvoerboring die zich weg van de terugvoerboring uitstrekt en die van de eerste boring gescheiden is door een afstand in de horizontale en verticale richtingen (X,Y,Z); het genereren van fractuurzones in de geologische formatie tussen de eerste en tweede boring ten einde een serie hydraulisch parallelle of quasi-parallelle warmteoverdrachtsoppervlakken te vormen die de overdracht van warmte toelaten van de geologische formatie naar het fluïdum wanneer dit tussen de aanvoer- en terugvoerboring circuleert.
9. 9. Werkwijze volgens conclusie 8, waarbij de afstand 200 tot 1000 m bedraagt.
10. 10. Werkwijze volgens conclusie 8 of conclusie 9, waarbij de geologische formatie zich op een diepte van ten minste 700 m, optioneel meer dan 4 km onder het aardoppervlak, bevindt.
11. 11. Werkwijze volgens eender welke van conclusies 8 tot 10, waarbij het fluïdum water is.
12. 12. Werkwijze volgens eender welke van conclusies 8 tot 11, waarbij de eerste en tweede bodemboring zodanig gevormd worden dat ze zich uitstrekken in een richting die bij benadering loodrecht is op de kompasrichting van de fractuurvlakken van de geologische formatie.
13. 13. Werkwijze volgens eender welke van conclusies 8 tot 12, waarbij de eerste en tweede bodemboring zodanig gevormd worden dat ze zich uitstrekken in een horizontale richting.
14. 14. Werkwijze volgens eender welke van conclusies 8 tot 13, waarbij de afstand tussen naburige warmte-interfacelagen die hydraulisch parallelle stroming voorzien, 10 tot 25 m bedraagt.
15. 15. Gebruik van het systeem volgens eender welke van conclusies 1 tot 7 of de werkwijze volgens eender welke van conclusies 8 tot 14 voor de productie van elektriciteit, de verdeling van warmte in een stadsverwarmingssysteem, of voorziening van warmte aan commerciële of particuliere gebouwen of voor industriëlen processen.