CN114391083A - 用于收集产热地层的操作方案 - Google Patents

Abstract

公开了用于从产热地层回收能量的操作方案序列。利用按照用于井形成的预定顺序的密封、钻探、多角度布置、电力生产和分配技术来回收能量，而与热梯度变化、地层深度和渗透性以及其它异常或阻抗无关。

Description

用于收集产热地层的操作方案

技术领域

本发明涉及从产热地层回收能量的操作序列，并且更具体地，本发明涉及以预定序列采用新技术来回收能量，而与热梯度变化、地层深度和渗透率以及其它异常或阻抗无关。

背景技术

在涉及从产热地层收集或回收热能的技术领域中，存在需要考虑的因素。在产热区域中，地质参数在回收的可能性中起重要作用。地层可以是高温地层，具有不规则/不连续/不一致的热梯度、可变孔隙度的多种岩石类型、未固结砂区及许多其它地质异常。这些因素中的每一个都需要一个单元操作或一系列单元操作减轻回收并发问题。

当回收与地热能回收合并，随后转化为热或电时，出现需要解决的进一步问题。就设置和机械组成以及多边定向钻探而言，钻井孔配置成为与热回收效率相关的最重要的工程关注点。

在现有技术中，已经公布了许多技术来解决这些因素中的一些。

Shulman在1996年5月14日授权的美国专利No.5,515,679中教导了一种在较高温度下在多种岩石类型中的闭合环路热能回收布置，其中一种是固体岩石，其在Shulman的公开中有所区别：

“本发明涉及在闭合管道环路系统中采用液体循环的新颖方法和装置，通过该方法和装置提取地下热岩中的热能，即开采热能，并将其带到地表以供利用。所述热岩石可以是固体的、裂隙的或裂缝的，并且是干的或湿的，但基本上不含流动流体。通过本发明，热能从热岩石传递到在多个间隔开的导热管环路中的一个或多个中流动的相对冷的液体，所述导热管环路从地面处的歧管下降到热岩石中，然后与立管的底部结合在一起，加热的流体通过所述立管的底部返回到地面。”

没有详细讨论具有热回收管道的复杂模式或设置的钻井孔配置。该布置依赖于钻井孔配置中的管道，其用于流体输送通过该布置以从地层进行热回收。

Moe，在2001年6月19日授权的美国专利No.6,247,313号公开了一种钻井孔配置，其包括在地热区域内的多个热吸收孔。本公开内容没有提及套管或衬管；然而，它被限制于利用断裂区，吸热孔的角度设置彼此平行，并且还有进一步的限制。教导具体陈述如下：

“倾斜角的大小将取决于几个因素，例如岩石中的温度梯度、热吸收孔的长度和水流速。计算角度将完全在技术人员的能力范围内，因此在此不作详细描述。该角度通常在20°与50°之间，优选地为大约40°。

此外，为了使从给定体积的岩石中提取的热量最大化，吸热孔的至少相当大的部分彼此平行地延伸。更优选地，热吸收孔被布置在一层中，或者如果需要，布置在多个竖直间隔层中。提供竖直间隔层的阵列，每层具有多个热吸收孔，允许增加设备的容量而不将孔散布在宽区域上。如果可用于开采的地球体积不大，这是相当重要的。

供应孔3和返回孔4通过四个吸热孔5相互连接，每个吸热孔的直径为10cm，长度约为2000m。这些孔5之间的间距可以是100-150m，它们从供应孔3开始钻探并且终止于返回孔4处或附近。在该区域中已经建立了断裂区6，以便在孔4与5之间提供流动连通，因为当钻探吸热孔5时，将难以直接撞击返回孔4。”

该教导还教导了关于如所强调的入口和出口的连接的困难。

作为缺点，Moe布置将不提供关于对梯度的不受限制的访问的充分教导而不管其异常，并且因此本公开被限制于特定场景。

Brown在2003年12月30日授权的美国专利No.6,668,554中教导了一种用于在干热岩石中形成断裂区的断裂工艺。超临界CO2被用作工作流体以从地热地层传送吸收的能量。流体连通不在闭合环路中，在该闭合环路中存在在入口井与出口井之间流体连通的互连区间，其中工作流体与地层隔离。在Brown布置中，地层本身与入口井和出口井无区别地连通。这进一步通过Brown教导的事实证明：

“最后，通过钻探两个或更多个生产井以在由限定断裂的干热岩储层的形状的微震事件位置的“云”限定的细长储层区域的每一端附近与储层相交，完成干热岩循环系统。所有井都将被适当地完成，利用套管到地面，然后再次使用气态二氧化碳清除钻井液和其它水基材料。”

根据该段，套管的使用被标识为井的交叉，而不是如在闭合环路中那样彼此交叉，而是与地层内的人造储层交叉。

转向地质产热/发电技术，这个领域已经被很好地证明。早期示例之一在Vaughan等人在2012年7月12日公布的美国专利公开20120174581中被找到。

其它示例包括Mickelson在2004年4月21日公布的美国专利公开2007024572、McHargue在2009年8月26日公布的美国专利公开201100480、以及Lakic在2012年10月9日授权的美国专利No.8,281,591。

Sonju在2019年4月16日授权的美国专利No.10,260,778公开了一种地热场。在该专利中存在关于配置的生产区间相对于同心入口/出口井布置处于特定设置的特定要求的教导。本公开没有提供关于在钻探期间或之后调节钻井孔或者用于互连区间以不受约束地开采产热区的可能方向的指令。

Muir等人在2020年1月7日授权的美国专利No.10,527,026中教导了一种用于将热量从井套管传递到流体中的闭合环路热回收布置。

该文本指示：

“本文中公开的实施例涉及通过使用闭合环路设计从不可渗透的地质资源发电的方法和装置，其中流体与闭合环路井中的地层完全隔离，并且热量通过井套管传递到流体中。”

“如上文背景技术部分所述，典型的水热系统以及闭合环路系统已经集中于从自然或通过模拟产生的裂缝或孔隙的可渗透地质资源中提取热量。相反，本文中公开的实施例可以从低渗透性岩石，诸如塑性区中的岩石，高效且有效地提取热量。通过使流体穿过资源而流体与岩石之间没有直接接触，由此热量直接从岩石通过井套传递到流体中，有利地使用包括较高温度的低渗透岩石的地质层。”

“然后可以基于地下地层的所确定的温度分布和地下地层的所确定的热补充分布在地下地层中设置闭合环路地热热交换系统。闭合环路地热热交换系统的安置可包括钻井、套管、射孔、固井、膨胀具有裂缝的无套管井壁、密封无套管井壁和与钻探过程和在其中安置井环相关联的其它步骤，如所属领域的技术人员已知。在一些实施例中，该安置可以包括将闭合环路井系统的热交换区设置在地层的塑性区或脆性-延性过渡区内。在一些实施例中，安置可以包括或另外包括将闭合环路井系统的热交换区设置在地层的脆性区内，以及模拟紧邻热交换区的脆性区。”

文本提供了关于密封的一般教导，但是包括在钻井孔配置的热回收区段中的套管。该文本指示：

“根据一些实施例，本文中所述的用于产生地热能的方法可以包括未利用金属管加套管的井的部分，但是，替代地，这些部分的壁可以是已经利用硬化的密封剂密封的地层岩石，并且这些部分中的井壁由这些硬化的密封剂的边界限定，在一些实施例中，这些硬化的密封剂将使这些部分中的井的直径比这些井的金属加套管的部分中的井的直径大，并且在一些情况下，比这些井的金属加套管的部分中的井的直径大得多。”

该参考文献反映了上述Shulman的教导，并且没有提供关于井交叉、没有套管和/或衬管或者在钻井孔布置的热回收部分的设置中几何变化以适应任何热梯度模式的指导。

关于钻井孔配置和钻探，已经提出了许多参考文献，其涉及多侧钻井和与多侧地层相关联的轨迹问题。作为第一示例，Clark等人在2009年10月15公布的美国专利公开No.US2009/0255661教导了一种通过钻探母钻井孔并且对其加套管来钻探多边井的方法，其中在母钻井孔中安装了多边连接。从多边连接开始的第一横向井被钻探并且被加套管。随后，在钻探的同时使用磁性测距从该多边连接钻探第二横向井，使得该第二横向井具有相对于第一横向井的受控关系。该方法集中在石油工业，因此没有描述关于多个横向井的任何进一步的细节。没有具体解决轨迹偏差。

在Donderici等人在2018年11月1日公布的美国专利公开US2018/0313203中教导了一种利用来自第一井的电磁和勘测测量以校准地层模型的有效系统。这然后被用于改进对来自第二井的测量的解释。该方法被指示为使用相对方法。因此，即使每个钻井孔的精确位置可能不能被精确地标识，它们的相对位置也能被精确地标识。这导致井对的更好安置。

在Donderici等人于2016年9月22日公布的美国专利公开No.2016/0273345中公开了一种用于磁性测距和地质导向的方法和系统。在本公开中，其在段落[0019]中指示：

“如本文中所述，本公开描述了利用磁偶极子信标将一个钻井孔导向另一钻井孔的说明性测距方法和系统。在一般化的实施例中，信标从第一钻井孔将低频磁场感应到地层中，然后由第二钻井孔中的一个或多个偶极子(充当(多个)接收器)感测低频磁场。信标和/或接收偶极子是磁偶极子，并且在某些实施例中，一个或两个可以是三轴磁偶极子。然而，在任一实施例中，从信标发射的磁场形成接近第一钻井孔的自然路径。结果，第二钻井孔能够被操纵以与磁场方向对准，这将自动建立朝向第一钻井孔的理想方法。”

该系统清楚地可用于在钻探期间维持一致性的双井系统。

在进一步的发展中，Yao等人在于2017年5月4日公布的美国公开No.US2017/0122099中提供了用于使用空间变换的多个井下传感器数字对准的系统和方法。该布置结合传送最终用于数学变换的数据的多个传感器节点，以确保井下钻探的精度。

在2013年11月7日公布的PCT/US2012/036538中公开了用于水平井的最佳间距的系统和方法。该方法和系统采用磁偶极子信标来引导一个钻井孔朝向另一钻井孔。一个实施例包括用于从第一钻井孔将低频磁场感应到地层中的信标。然后，这些被第二钻井孔中的一个或多个偶极子感测。信标和/或接收偶极子是磁偶极子，并且本公开陈述在一些实施例中，一个或两个可以是三轴磁偶极子。从信标发射的磁场形成接近第一钻井孔的自然路径。因此，第二钻井孔能够被操纵以与磁场方向对准，这建立了朝向第一钻井孔的优选方法。

Rodney在于2017年2月28日授权的美国专利No.9,581,718中教导了一种在钻探的同时测距的具有钻柱的系统，该钻柱具有在套管柱中引起磁矩的磁源。该磁源包括至少一个偶极子，其相对于钻柱的纵向轴线具有非正交的倾斜。提供了三轴磁力计，其检测来自感应磁矩的场，并且具有提供指示磁源的旋转定向的信号的传感器。处理器根据传感器和三轴磁力计的测量来确定套管柱的相对距离和方向。

累积地，现有技术已经提出了针对当从生产地层回收热能时遇到的具体问题的个别建议。仍然需要一种具有动态适应性的操作方案，其内聚性地解决与收集热回收相关联的所有问题。最期望的解决方案是允许在具有不一致岩石类型、渗透性、梯度内不连续的变化热梯度和/或多个地理上散布的梯度、高温、显著深度等的复杂地层中进行自适应热回收的解决方案。

本发明的方案包括新颖操作，以适应性地控制和利用可变地层条件，从而从生产地层连同电分配方面有效地收集热能。

发明内容

本发明的一个实施例的一个目的是提供自适应方案以从产热地层收集可回收能量而不受挑战性地层特性的限制。

本发明的一个实施例的另一目的是提供一种用于从具有预定可用潜在热容量的地质地层中进行能量回收的方法，包括：

以预定顺序的钻探和密封使用破坏机制钻入所述地层中，以在其中形成主钻井孔，该主钻井孔在钻井孔和地层之间具有基本上不可渗透的界面；

通过至少来自所述主钻井孔的电磁引导来钻探后续钻井孔；

选择性地利用累积信号和来自所钻探的后续钻井孔的个体信号中的至少一个来在地层内形成钻井孔的预定样式时引导钻探；

通过入口井和出口井将地层的热区域内的闭合环路布置中的所述钻井孔的所述预定样式链接到能量回收设备，以从井与设备之间的闭合环路中的环路布置回收能量，所述闭合环路布置具有在所述地层的所述可用潜在热容量内的预定能量输出；

在闭合环路布置内在预定停留时间内使具有预定成分的流体成分循环以形成能量充注流体，以及

通过被充注的工作流体与能量回收设备之间的相互作用向终端用户按需产生能量。

方便地，所排序的钻探操作密封任何，如果有的话，预先存在的裂缝、断裂、裂纹或其它地质异常以及由于钻探而形成的任何裂缝、断裂、裂纹或其它地质异常以形成界面。

该方法在地层温度至少为50℃至超过400℃的地层中有效。

与方案的适应性性质一致，在钻探操作期间可以选择性地修改特定单元操作。这些包括i)钻探钻进速率；ii)利用活性冷却剂进行预处理的钻探面；iii)钻探破坏机制选择；iv)所选择的钻井孔之间的电磁通信；v)所述钻井孔的钻探方向；vi)闭合环路布置的联网；vii)闭合环路布置的接近度；viii)循环流体成分、流动方向、停留时间、流速；viv)在成分上不同的循环流体的流动循环；x)循环在成分上不同的循环流体的停留时间；和xi)i)至x)以任何数量和顺序的组合。

鉴于给定地层内的某些区域能够呈现任何数量的不规则部的事实，该方法允许基于地层岩石孔隙度、地层岩石类型、地层温度、钻探深度、地壳构造、所述地层中的断层、地质异常以及在方法的实施期间遇到的组中的每一个或至少一些中的变化来选择修改。

为了某些场景下的效率，可以合并用于回收可用潜在热容量的多个闭合环路布置。

环路可以以预定样式与闭合环路布置的离散预定样式链接。作为示例，可以以以下各项中的至少一个来链接离散预定样式的闭合环路布置：局部网络，分散网络，与邻近的闭合环路布置形成热接触的巢状群组，以及它们的组合。

为了进一步的适应性，闭合环路布置可以是通过一个闭合环路布置的入口井与邻近的闭合环路布置的出口井布置。

在本技术的电力生产方面，工作流体可以在闭合环路布置环路中以预定停留时间循环以通过从所述地层的传导对循环流体进行热加载。作为一个特别优点，所述环路内的热加载流体的流速可以基于用户能量需求而变化。

与用户需求相称，循环流体可以利用来自在地层中安置的相邻闭合环路布置的能量充注流体来补充。

该方法允许在按照预定时间表来维持所输送的能量输出平均水平等于可用潜在热容量的同时，通过将发电装置中的、临时超过预定能量输出的流体热排放到终端用户来促进按需输送。

在需要的情况下，具有入口井、出口井和在其间用于流体连通的互连区间的闭合环路布置可以具有加套管的、未加套管的、加衬里的、化学处理的、化学密封的、热密封的互连区间，包括连续或不连续配置的单管、同轴管及其组合。这种灵活性减轻了如上所述的形成挑战。

本发明的一个实施例的另一目的是提供一种用于优化预先存在的电网上的功率分配的方法，包括：

在预先存在的电网上提供具有设计的最大发电量和第二有效发电量的间歇发电布置；

在与所述间歇发电布置相邻的热承载地质地层内安置能量回收和产生闭合环路，所述环路包括入口井、出口井、在入口井与出口井之间的互连区间，该互连区间被安置在地层中以促进地层中的热回收，该地层具有可用潜在热容量，所述闭合环路根据权利要求1所述的方法形成；

将闭合环路安置在地层内的配置中，以从可用潜在热容量中产生预定能量输出；

在环路内以预定停留时间使工作流体循环，以通过来自地层的传导对循环工作流体进行热充注；以及

通过间歇发电布置选择性地热排放工作流体，以使发电增加到在第二有效发电量以上并且在设计的最大发电量以下的量，由此使用所述预先存在的电网来优化总体发电。

本发明的一个实施例的另一目的是提供一种能量收集农场，包括：

在利用工作流体回收热能的产热地质地层内的能量回收和产生闭合环路系统；

间歇发电布置，其在预先存在的电网上具有设计的最大发电量和第二有效发电量；

用于处理回收的热能的能量处理设备，其可操作地连接到闭合环路系统；以及

分配控制系统，其用于通过所述间歇发电布置选择性地热排放工作流体，以使发电增加到在第二有效发电量以上并且在设计的最大发电量以下的量，由此使用预先存在的电网来优化总体发电。

为了设计方便，闭合环路系统可以包括多个闭合环路，所述多个闭合环路具有以下中的至少一个：共置的入口井、共置的出口井、公共入口井、公共出口井、公共连接到相应闭合环路的出口井和入口井的多个横向互连井、竖直堆叠的闭合环路、具有连接到第二闭合环路的入口井的第一闭合环路的出口井的闭合环路、相邻闭合环路系统的叉指的多个横向互连井及其组合。

间歇发电布置可以包括以下中的至少一个：太阳能回收布置、风能回收布置、电池能量布置及其组合。

本发明的一个实施例的又一目的是提供一种能量收集农场，包括：

在利用工作流体回收热能的产热地质地层内的能量回收和产生闭合环路系统，该地层具有可用潜在热容量；

预先存在的电网；

用于处理回收的热能的能量处理设备，其可操作地连接到所述闭合环路系统；

分配控制系统，其用于通过能量处理设备选择性地热排放工作流体；

输送系统，其用于通过将所述能量处理设备中的流体热排放到终端用户来促进按需能量输送，热排放临时超过地层的预定能量输出，同时维持所输送的能量输出平均水平等于可用潜在热容量达预定时间表。

分配控制系统和输送系统中的至少一个能够可操作地被连接到多个能量回收和产生闭合环路系统。

最后，对于农场网络，中央传输集线器可以可操作地被连接到多个离散能量收集农场以用于在农场之间重定向可输送能量。

当用于收集热能的操作方案与发电农场方面集成时，结果是完全可扩展的以使用现有电网来适应电力用户需求而没有负担传统电力分配的另外的占地面积和基础设施要求的高效热回收技术包。

附图说明

图1是对于各种流体配方根据时间的平方根的滤液体积的图形表示；

图2是示例1中描绘的化学密封岩芯注水(core flood)测试的根据时间的压力差和渗透性数据的图形表示；

图3是入口井与出口井之间的横向区间中没有套管的情况下密封的井的示意性截面图示；

图4与图3相似的视图，其图示了横向区间中的套管柱部和其与密封剂的关系；

图5是与图4相似的视图，其图示了以具有裂纹的可忽略渗透性地层的密封的钻井孔布置；

图6是横向互连井区段的多边布置的示意性图示；

图7是图6中参考的密封的多边钻井孔区间的放大的示意性图示；

图8是替代地热井配置的示意性图示；

图9是地热井配置的另一替代实施例的示意性图示；

图10是地热井配置的另一替代实施例的示意性图示；

图11是地热井配置的另一替代实施例的示意性图示；

图12是地热井配置的另一替代实施例的示意性图示；

图13是图12的俯视图；

图14是地热井配置的另一替代实施例的示意性图示；

图15是地热井配置的另一替代实施例的示意性图示；

图16是图示未反应的密封剂的储备在高渗透性地层内的钻探的钻井孔的截面；

图17是与图16相似的视图，其图示了与工作流体循环接触之后的钻井孔界面的转化；

图18是图示了在低渗透性地层中的钻井钻井孔以及与周围地层的界面的示意性截面；

图19是地热钻井孔方法的电力循环实施方式的示意性图示；

图20和图21是图19的替代实施例的示意性图示；

图22是整合由地热工作流体直接驱动的涡轮和发电机的集成地热路线的示意性图示；

图23是图22的替代实施例的示意性图示；

图24是不同工作流体的随距离变化的温度数据的图形表示；

图25是W形或菊花式链接的地热井配置的示意性图示；

图25A是图25的互连井地层的放大的视图；

图26是图25的替代实施例的示意性图示；

图27是图25的替代实施例的示意性图示；

图28是图25的替代实施例的示意性图示；

图29是示出典型的钻探操作、流体流动和热传递的表示；

图30是水和本文中公开的基于PCM的钻井液沿着井长度的系统温度的图形表示；

图31是冷却岩石面以削弱机械强度从而在由钻头破坏之前进行预处理的效果的图形表示；

图32是示出PCM(液体或固体)对于临界流速以上和以下的不同流速沿井长度的相态的图形表示；

图33是由压力控制的管道和环形空间中的融合温度范围的图形表示；

图34是示出BHAΔP对冷却性能的影响的图形表示；

图35是指示该方法的一般步骤的流程图；

图36是根据一个实施例的多边井布置的示意性图示；

图37是图36的俯视平面图；

图38是根据另一实施例的井布置的变型；

图39是根据另一实施例的井布置的另一变型；

图40是多边布置的井设置的又一变型；

图41是多边布置的井设置的再一变型；

图42是多边布置的井设置的还一变型；

图43是其中多边井具有充分减少的表面占地面积的本发明的另一实施例；

图44是适用于地热实施例的闭合环路系统的示意性图示；

图45是设置在热承载地质地层中的能量回收布置的示意性图示；

图46A至46D是用在回收布置中的替代互连区间或多边区间的示意性图示；

图47是用于回收布置的替代方案；

图48是使用该方法生成的热力学数据的描绘；

图49是图48中的数据的详细版本；

图50是本发明的又一实施例的示意性图示；

图51是本发明的另一实施例的示意性图示；以及

图52是本发明的又一实施例的示意图。

具体实施方式

作为初步概述，本文中的技术涉及用于钻井孔地层的操作方案和用于从产热地层回收热能的设计。描述了用于闭合环路地热钻井孔的示例。具有多角度引导技术的钻井方案被集成到方案中，并且与电力输送方案和系统合并。

最初讨论将针对用于形成有效钻井孔布置的钻井/密封方案。

总体步骤包括：

i).在钻井的同时密封钻井孔，利用相变材料钻井，随后顺序密封；

ii).在钻井之后利用化学处理增强密封；以及

iii).利用循环工作流体替换钻井液，该循环工作流体利用自我修复任何剩余或产生的渗透性而增强和维持密封，并维持钻井孔完整性。

方法的灵活性允许这些方面中的每一个被分开使用，取决于地层的特定地质学，然而，它们在集成并协同工作以创建并维持闭合环路的地热系统时是最有效的。

钻井孔能够是任意数量的配置，诸如：具有入口/出口的单个U型管；其中入口井和出口井位于相同表面的U型管；“管中管”配置，其可以是竖直、倾斜或水平的；并且包括将这些钻井孔中的若干个“雏菊花式链接”在一起；L形等等。这些是示例，并且不旨在是限制性的。其他适当布置将被本领域技术人员理解。

以上提出的方面在用于形成多边钻井孔时是特别有效的，其中多个横向部被连接到竖直井，通常在具有连接竖直套管的入口井和竖直套管的出口井的多个水平横向部的U型管配置中。当用于多边配置中时，实现了本领域中未认识到的若干优点。这些包括：

i)能够裸孔(open hole)发起、钻探并完成横向部，避免与安装套管相关联的花费和时间；

ii)能够在钻井时在单个步骤中创建和密封“裸孔”连接件。

这避免了复杂机械连接件、水泥放置、钻出塞或金属区间、到表面的多个起下钻(trip)，以及总体上与错综复杂的井下工艺相关联的复杂性和花费和造成的向前钻井的推迟；

iii)不存在内直径中的材料减少，这使无限制数量的横向部能够被钻探；

iv)不存在由隔热水泥层或钢衬管与岩石之间的停滞环形空间产生的热导率上的下降；以及

v)能够利用磁性测距设备重进入多边，以交叉其他横向钻井孔并创建闭合U型管钻井孔配置。这将在下文中更详细地讨论。

关于在钻井的同时密封的方面，这可以通过在钻井液自身中包括添加剂实现，添加剂导致不可逆地层损伤并且将渗透性降为零或可忽略水平。

添加剂可以是生物生长促进剂，诸如微生物促进采油回收(Microbial EnhancedOil Recovery)中使用的技术，创建不可渗透滤饼的物理微粒，或化学密封剂，其一经接触并穿透到地理地层中即反应，诸如时间凝固或热凝固的树脂和环氧树脂、凝胶，以及聚合物。

在钻井时密封钻井孔的另一方法利是用熔化钻井孔壁的极高温度来热密封岩石表面，例如通过使用高温等离子体或基于激光的钻头。

优选的方法是使用化学密封剂，例如具有大于10.5的pH的基于碱式硅酸盐的钻井液，其在钻井孔内仍然是液态，但一经与岩石接触并穿透到岩石中即沉淀为固态。相对于不可渗透岩石，诸如硬页岩或粉砂岩，钻井液的技术功能在可渗透岩石中(例如砂岩或压裂的岩基(basement))不同。在可渗透地层中，液态碱式硅酸盐钻井液在反应和凝固为固态之前穿透任何可用流动路径。得到的固态沉淀被浸入并融合到岩石自身内的孔隙空间和自然裂缝中，并且在钻井孔与地理地层之间创建流体不可渗透屏障。

相反，在具有接近零的渗透性的诸如页岩的岩石中，钻井液的功能不是密封渗透性——岩石已经没有渗透性。反之，钻井液的功能是在岩石与钻井孔之间提供机械和化学屏障，并且填充任何自然裂缝、裂纹或劈裂平面。最终结果是相同的，在钻井孔与地理地层之间创建流体不可渗透屏障。

密封剂还可以被用来加固疏松砂，提高岩石的抗压强度，并且防止砂产生和塌陷。

如已知的，可溶硅酸盐包含三种成分，即，硅土、碱，以及水。硅土(二氧化硅，SiO₂)是可溶硅酸盐的主要成分，并且由碱稳定。碱可以选择自钠、钾或锂氧化物(Na₂O、K₂O，或Li₂O)，并且有助于维持硅土的溶解度。

适当硅酸盐包括钾、钠和铝硅酸钠。这些产品以液态和粉末形式可用。在该技术中期望使用硅酸盐，因为它们能够经历不同类型的化学反应，即，凝胶化(pH下降)，其是可溶硅酸盐结构的自聚合或凝聚，以形成硅酸盐的水合的、非晶凝胶结构。凝胶化由pH的下降带来，而聚合在低于10.5的pH下开始迅速发生。

硅酸盐能够经历的另一类型的反应是与诸如钙的阳离子沉淀。硅酸盐的沉淀是硅酸盐分子通过多价阳离子(即，Ca⁺²、Mg⁺²、Al⁺³、Fe⁺³等)的交联。这些阳离子存在于地层水—因此钻井液对地层流体相互作用导致孔隙空间内的固体沉淀。

硅酸盐经历的另一类型的反应是脱水。随着水被从液态硅酸盐移除，硅酸盐逐渐地变得有粘性且更加粘稠，并且最终变为玻璃状(glassy)膜。这些是随着来自钻井液的滤液与岩石基质内的流体混合而发生在钻井孔附近的反应。

硅酸盐对此地热应用尤其有吸引力，因为它们在环境条件下并且在极高温下是稳定的密封剂。例如，在铸造(foundry)和液态金属熔铸(casting)行业中，碱式硅酸盐和砂在650℃和以上的温度下被使用，并且该基本化学反应还被采用在环境温度下密封混凝土结构。

碱式硅酸盐钻井液被配制为不含固体且低粘度，以最大化钻井孔流体侵入和喷溅(spurt)损失，从而化学地密封钻井孔。对于多边水平井区段，摩擦力是显著的挑战，因此添加与硅酸盐盐水兼容的润滑剂，并且物质上不干扰密封剂性质。

活性碱式硅酸盐在水中以质量计的浓度能够为0.3％-10％，但更可能为3％-6％。最优浓度一定程度上取决于地理性质，诸如原位盐水成分和温度。更高的岩石温度可能导致沉淀反应上的推迟。同样，其中原位盐水具有低浓度，例如，低于1000mg/L，的多价阳离子的地层会导致较慢反应。因此，随着岩石温度提高和多价阳离子浓度降低，碱式硅酸盐的浓度应当被增大。

硅酸盐盐水的附属的益处包含增强的钻进速率(ROP)，以及提高的钻头寿命。

组合岩石/密封剂材料的物理性质主要衍生自岩石，但能够通过小心地选择密封剂的性质而改变。导热的添加剂，诸如石墨烯纳米颗粒，可以被包括在钻井液中，从而得到的密封剂具有高热导率。

闭合环路的地热系统的能量输出能够使用热动力学钻井孔模型来确定，其由离散化的钻井孔组成，具有流体温度与远场岩石温度之间的多个热阻。每个离散化的区段具有进行的能量和质量平衡，其中流体性质和计算利用状态热动力学方程处理。热传递阻抗包括岩石、水泥、钢套管，以及钻井孔自身内的对流热传递阻抗。

作为数量性示例，使用7”套管的(7”cased)且注水泥的井，其与地理地层接触，具有3W/m K的热导率，5年操作之后岩石、水泥、套管和管流对流的热阻分别为2.2E-02、2.1E-03、2.9E-05和5.0E-5。热传递受穿过岩石的径向传导支配，并且全部其他热阻相比之下是可忽略的。使用本文中描述的化学密封剂，不存在来自套管或水泥的热传递的阻抗，因此热效率近似高于现有技术方法的9％。套管增强全岩(bulk rock)/密封剂材料的热导率，热传递能够被进一步提高。

碱式硅酸盐密封剂能够通过整合固体微粒被进一步增强，该固体微粒被配制为化学嵌入/结合在碱式硅酸盐沉淀内，以提高密封性能和机械完整性。诸如剥离型粉灰、表面活化的石墨烯和氧化石墨烯、碳纤维及其他的加强材料可以被整合到钻井液中。这些可以处于纳米分散或微分散状态，并且与沉淀的硅土化学地结合。

在钻井的同时进行初始密封之后，密封的完整性被测试。通常，这是通过加压钻井孔系统并监测降压(如果存在)的速率进行的，如行业中常见的。另一方法是通过长期测量循环操作期间的泄漏速率。在这种情况下，钻井液被移除并替换为工作流体，该工作流体的首要目的是向表面传递能量，并且在常规操作期间测量泄漏速率。

尽管密封将实质上在钻井之后完成，但是可能存在一些具有剩余较小渗透性的小区域，诸如在钻井时未被充分密封的压裂区或高度可渗透通道。因此，能够在进行或返回正常操作之前使用化学冲洗或处理来增强密封。

当采用如前描述的碱式硅酸盐钻井液时，钻井液与原位地层流体反应为胶体，并且最终固化为硬的、高强度的固体。这些反应发生在硅酸盐钻井液与地层流体之间的混合界面处。在高渗透性通道或裂缝中，钻井液可以如此之快地迁移通过地层，使得地层流体被替换离开钻井孔，并且混合界面被实质上推到岩石中，或地层盐水可以是极淡的，使得硅酸盐变成胶体，但不完全地沉淀。

在这些场景下，部分或基本上的密封深入岩石内被实现，但近钻井孔区域包含“未用尽的”或未反应的液态碱式硅酸盐钻井液，而没有与之反应的地层盐水。因此，化学冲洗的目的是利用足够压力将化学处理剂泵送通过钻井孔系统，以造成从钻井孔到近钻井孔地层中的泄漏，接触从钻井过程剩余的未用尽的液态碱式硅酸盐，并且发起沉淀反应。适当的化学物质是氯化钙盐水、酸、CO₂、表面活性剂、酯以及其他行业已知物。

在增强密封的另一实施例中，化学处理剂可以以足够压力被泵送通过钻井孔系统，以造成从钻井孔泄漏到近钻井孔地层中，其中化学处理剂由“塞(plug)”或一定体积的碱式硅酸盐构成，随后是由氯化钙盐水、酸、CO2、表面活性剂、酯或其他行业中已知物构成的反应化学物质。两种化学物质能够被交替地泵送若干次，导致近钻井孔区域中实质上的混合。碱式硅酸盐和反应物的体积可以利用隔离剂被分开，以防止在钻井孔内混合或直接接触。

转到在操作期间维持密封和钻井孔完整性，如油、气和地热行业中通常采用的钻井过程，要求维持钻井孔完整性和部分钻井孔密封(即，滤饼)，以用于直至在孔眼中套管被注水泥或安装衬管的临时持续时间。通过适当的工程学和应用钻井液创建裸孔(在安装套管或衬管之前)钻井孔完整性和部分密封。

相反，本文中公开的发明要求维持裸孔密封和钻井孔完整性达到热设施的操作寿命，其通常为50年或更长。

除在钻井时创建密封并可选地以分开的化学处理增强密封之外，操作工作流体自身在维持密封和维持钻井孔完整性中起到关键作用。工作流体的首要功能是从地表下岩石运输能量到表面，能量在表面处被直接使用或被转化为电力或冷却。因此，工作流体必须具有用于能量传递并且使系统的热动力学效率最大化的关键物理性质。例如，流体可以具有选自以下组的至少一种性质，该组包括：

a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度，入口井与出口井之间的横向互连区间内的实质上非线性温度焓关系，以使流体与围绕的井下热源之间的温差和热传递最大化；

b)能够经历压敏可逆反应，其在升高的压力下吸热，并且在低于升高的压力的压力下放热；

c)流体混合物，包含化学吸收反应，其在横向互连部内吸热；

d)水性电解质溶液，具有温度和压力相关的溶解度，导致横向互连部内的吸热效应；

e)水基流体，包含湍流减阻成分；

f)超临界流体，诸如CO₂；

g)氨-乙烷混合物；以及

h)a)至g)的功能组合。

除了使热动力学效率最大化之外，工作流体还具有钻井液的许多性质，即，用于：

i)将可能聚集在钻井孔中的固体微粒输送到表面，在表面通常利用沉降池、过滤器，或水力旋流器(hydrocyclone)将固体微粒移除；

ii)维持钻井孔的密封，使得其对流体基本上不可渗透；以及

iii)维持钻井孔稳定性和完整性。

在一个实施例中，可以通过在工作流体内提供固体微粒来维持密封，所述固体微粒沿着钻孔壁形成滤饼或者弥合并堵塞自然裂缝。这些微粒可以是碳纤维、矿物纤维、纤维素纤维、硅土、粉灰、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳酸钙、膨润土或行业中已知的其他微粒。如果是水基的，则这些固体通常以工作流体的0.5与2.0％重量比之间和对于其他工作流体等同的体积浓度被添加。

当采用如前述的碱式硅酸盐钻井液时，钻井液与原位地层流体反应为胶体，并且最终固化为硬的、高强度的固体。这些反应发生在硅酸盐钻井液与地层流体之间的混合界面处。在高渗透性通道或裂缝中，钻井液可以如此快地迁移通过地层，使得地层流体被替换离开钻井孔，并且混合界面实质上被推到岩石中，或地层盐水可能是极淡的，导致硅酸盐变成胶体但不完全沉淀。在这些场景下，部分或基本上的密封被实现在岩石内深处，但近钻井孔区域包含“未用尽的”或未反应的液态碱式硅酸盐钻井液，并且没有其他地层盐水与之反应。因此，维持密封的另一方法是包括反应物添加剂，其一经从钻井孔泄漏到近钻井孔地层中，就接触从钻井过程剩余的未用尽的液态碱式硅酸盐，并且发起沉淀反应。

由定义，钻井孔的在钻井之后继续存在渗透性的任何区域将会具有碱式硅酸盐的可观的流入，并且在近钻井孔地层中包含未用尽的液态碱式硅酸盐。因此，在工作流体内包括反应物将自然地密封剩余的可渗透区间。适当的化学物质为氯化钙盐水、酸、CO2、表面活性剂、酯以及其他行业已知的物质。

为维持钻井孔稳定性和完整性，除密封岩石之外，工作流体必须在地层上施加足够压力，以提供足够抗压强度来防止破口(breakout)、塌陷，以及岩石部分坍塌到钻井孔中。操作工作流体提供的压力能够使用集成的热动力学钻井孔模型来计算，该模型包括要考虑相变的状态的等式、流体性质随着压力和温度的改变，以及水力摩擦损失。当适当地设计时，工作流体必须通过在入口井的顶部施加足够高的压(加压的流体)，或通过改变工作流体的密度，而在整个钻井孔上供应最小抗压强度。流体密度能够通过添加诸如重晶石的配重剂、或通过可溶盐、以及其他技术行业已知的物质而被增大。

维持钻井孔稳定性的另一方法是在工作流体内包括页岩抑制剂化学物质。该化学物质具有阻止粘土和页岩的水合、膨胀和解体的功能，并且是钻井液中的常见添加剂。适当的添加剂是基于胺类的化学物质、乳胶，或钾盐的水性溶液，以及其他行业已知的物质。

上述添加剂和功能的组合得到工作流体，其不仅将能量高效地输送到表面，还加强并维持钻井孔密封，“自我修复”任何产生的渗透性，并且维持钻井孔稳定性和完整性，以保护对流体基本上不可渗透的闭合环路的地热钻井孔系统。

至关重要的要求是，密封剂添加剂不干扰工作流体的热动力学性质。在一个实施例中，工作流体由以下构成：水、1至10L/m³之间的商业可得腐蚀抑制剂、0.05至0.3mol/L之间的溴化钾、3至7mM之间的十六烷基三甲基铵盐(cetyltrimethylammonium)表面活性剂、8至16mM之间的水杨酸钠、以及0.5重量％的碳酸钙固体微粒。

上述溶液在适用于直接使用的地热热供应温度范围上维持大于60％的湍流减阻，这对于热动力学地高效运行是关键的。其在根据API RP 13i通过热滚动(Hot Rolling)的页岩分散(Shale Dispersion)过程测试时还具有40％以上的回收率，与未用尽的碱式硅酸盐反应以形成强壮的固体材料，并且碳酸钙颗粒桥堵并堵塞自然裂缝和基质渗透性。

在另一实施例中，工作流体自身简单地是改性碱式硅酸盐盐水。

在另一实施例中，工作流体是超临界CO₂，其尤其有价值，因为在许多地热场景下，超临界CO₂具有优越于水的热动力学效率，并且其还是使碱式硅酸盐液体固化为强固体材料的极佳反应物。

现将在以下示例中描绘各种密封机制。

示例1

化学密封

在渗透性堵塞装置中进行硅酸盐系统的密封能力的初始测试。

渗透性堵塞装置测试：

-20μm，3000mD盘(由OFITE提供)在30％氯化钙溶液中被浸泡过夜(近16小时)，以便使空隙利用盐水充分饱和，并且创建‘重症(severe case)’原位流体，以用于硅酸盐钻井液与之反应

-根据OFITE指令手册和API RP 13i–钻井液的实验室测试的推荐实践(Recommended Practice for Laboratory Testing of Drilling Fluids)，运行渗透性堵塞测试(PPT)

-250mL的下述测试流体被转移到PPT单元(cell)，并且预浸泡的盘被放置在装置中。在加压设备和开始测试之前，钻井液被允许接触盘45分钟

-在室温温度和500psi下进行测试达30分钟

-在1、5、7.5、15，和30分钟之后记录滤液体积

图2是一些数据的绘图，其是在1/4”厚的过滤盘上的典型的测试。聚合物控制流体被流动通过，并且不存在滤液体积的物质上的减少。当不同类型的硅酸盐被添加时，过滤速率随着沉淀发生而急剧减慢。注意，即使在具有渗透性的3000mD的1/4”厚盘中，渗透性也已经接近被消除。

流体制备：

-通过将黄原胶(xanthan gum)(Kelzan XCD^TM)使用Silverson混合器在中等剪切速率下混合到淡水中近似30分钟，制备了1000mL的5kg/m³聚合物流体。

-控制流体为以上聚合物流体。

-配方A，30mL的Ecodrill^TM 317，来自PQ公司的商业可得产品与270mL的以上聚合物流体组合，以产生300mL份的3％活性可溶硅酸钾。

-配方B，30mL的Ecodrill^TM K45，来自PQ公司的商业可得产品与270mL的以上聚合物流体，以产生300mL份的3％(V/V)活性可溶硅酸盐。

对于配方A，总PPT体积为273.8mL，计算出了257mL的喷溅损失(spurt loss)，并且计算出了3.1mL/min的静态过滤速率。对于配方B，总PPT体积为103.8mL，计算出了103.8mL的喷溅损失，并且计算出了3.7mL/min的静态过滤速率。使用API 13i中表达的公式来计算值。

还进行了岩芯注水/重获渗透性/岩芯损伤研究。这些类型的测试通常被用来研究钻井液或钻井液添加剂对获得自关注的目标生产区的岩芯的渗透性的效果。通常，研究的目标是为了使损伤最小化或使重获渗透性最大化。通过使岩芯利用本地盐水、油或一些盐水/油混合物饱和，并且使(多种)地层流体在储层压力和温度条件下流动通过岩芯，初始渗透性被建立并测量。然后将测试流体注入到岩芯表面上一定时间，可以测量滤液的体积、流体的侵入，以及滤饼的厚度。然后在流动的相逆方向上将地层流体注入，以确定渗透性在暴露于测试流体之后可能已经下降的程度或甚至提高的程度。在该研究中，目标是借助于硅酸盐测试流体与合成盐水饱和的岩芯的胶体化和沉淀反应来损伤岩芯。

岩芯注水/重获渗透性/岩芯损伤研究被执行如下：

具有近似30mD的渗透性的贝雷(Berea)砂岩岩芯被在真空下利用合成盐水饱和，并且利用3％溶液的硅酸钾并且包含2％的专用润滑剂测试。

以下阐述了测试过程、参数以及结果。

过程：

1)将塞称重并在15inHg真空下利用盐水预饱和达一周。

2)放置在岩芯流中，并且测试对盐水的渗透性。

3)将硅酸钾泥浆混合并加热到95℃。

4)以3mL/min的连续速率将泥浆注入到岩芯中。

5)随时间监测压力。

6)压力差随时间指数地积累，直至～2500psi。观察到流体的突破。

7)岩芯不完全堵塞，然而失去～99％的渗透性。

8)收集流出物以确定流体替换(侵入的深度)。

参数：

仪器：Chandler地层响应测试器

岩芯塞：1.5”x3.0”砂岩

温度：95℃

测试流体：3％硅酸钾与2％润滑剂

孔隙体积：16.78

初始渗透性：对盐水28.32mD

在泥浆处理之后的渗透性：0.197mD

渗透性降低：>99％

流率：3mL/min

盐水成分：

NaCl-230.303g

CaCl₂-79.054g

KCl-8.346g

MgCl₂-13.79g

然后进行页岩分散测试，以确定碱式硅酸盐溶液与润滑剂对页岩样本密封和提供机械完整性的能力。方法是如下根据API RP 13i用于通过热滚动的页岩分散的过程：

·将近似2kg的一片皮埃尔(Pierre)页岩碾碎，以获得近似900g的-5/+10网目(Mesh)(2-4mm)的片。皮埃尔页岩远比通常存在于适用于地热的深度的成熟、硬的页岩地层更高的反应性和更易受水影响。其被选择作为保守基线，对成熟页岩的实际性能将更好

·-5/+10网目的片使用ASTM筛和Ro-Tap摇筛器被筛2分钟

·近似10g的页岩被放置在250mL的测试流体中

·样本在120℃下被滚动达24小时

·然后在滚动之后将样本倒入20网目筛网

·陈化单元利用抑制流体(7％KCl)被冲洗，以逐出粘附到内壁的任何材料

·在20网目上回收的材料的总量在炉中以100℃被烘干至恒定质量

·然后将每个样本重筛并且记录-5/+10分量的质量

以下展示了若干不同流体配方的结果。

实现了97％以上的回收率，这指示页岩的极佳的密封和强度。矿物油不具有与页岩的反应性，而仅回收～85％的质量。质量的损失是由于滚动期间的机械降解。因此，高的97％回收率指示不仅形成了化学密封，而且还实现了机械硬度提高。具有添加的页岩抑制剂的工作流体也具有44％回收率，其从具有1％回收率的淡水被大大改善。

示例2

测试工作流体，其由以下构成：水、商业可得的腐蚀抑制剂、溴化钾、十六烷基三甲基铵盐表面活性剂、水杨酸钠，以及0.5重量％的碳酸钙固体微粒。

使用2”的200L容量加热的流测试了湍流的特征和压力下降(i.e.，阻力)的测量值。环路被配备有离心机(GIW，LCC-M 50-230)和螺杆腔泵(Moyno^TM，2F090)，其分别具有高和低剪切力。最大雷诺数(Re number)达到500,000，并且环路能够以15％体积浓度的固体运行。压力下降利用淡水被校准，并且与使用工作流体在相同流率下的摩擦压力降作比较。在适用于直接使用热量应用的温度范围上实现63％的湍流减阻。

为测试与近钻井孔中的未用尽的碱式硅酸盐的反应性，将Ecodrill^TM317，比例为2.5的SiO₂:K₂O的29.1％活性溶液混合到工作流体的样本中。使用NaOH来调整pH至11-12，并且在温和搅拌下将碱式硅酸盐溶液注入到工作流体的样本中，以得到3％(v/v)和1％(v/v)溶液。选择这些低浓度，以保守地表示近钻井孔未用尽的碱式硅酸盐钻井液。在每种情况下，将硅酸盐溶液添加到工作流体中造成沉淀，并且在24小时之后，硅酸盐被固化。结果证明，工作流体将加强并增强钻井孔密封，使得其对流体基本上不可渗透。

为评估工作流体维持钻井孔完整性和稳定性的能力，进行了改性页岩分散测试。测试方法涉及以相同样本的背靠背的2个页岩分散运行。首先，样本在密封剂中被热滚动，如上所述，然后重新浸泡在工作流体中，以确定页岩在密封之后的机械强度和化学隔离。在利用钻井液密封剂的初始页岩分散运行之后，样本被烘干、称重，并且被浸没在工作流体化学物质中，并且被滚动达24小时。

在滚动之后，然后将样本倒入20网目筛网，并且将在20网目上回收的材料的总量在炉中以100℃干燥至恒定质量。然后将每个样本重筛，并且记录-5/+10分量的质量，并且与密封并烘干之后的样本的质量作比较。有趣地，来自多个运行的结果显示96％以上的质量回收率，指示工作流体维持钻井孔完整性的极佳能力。

示例3

机械方法

在一个实施例中，可以通过将固体颗粒添加到钻井液中实现该机制，固体颗粒自然地迁移到孔隙空间/裂缝中，以降低渗透性。这总体上已知为损失循环材料(LCM)。

固体颗粒可以是粒状材料、纤维材料和片状材料及其组合，并且以降低渗透性所必需的尺寸存在(被分散在钻井液中)。适当尺寸可以在尺寸上为纳米至毫米。

Abrams规则和/或理想堆积理论(Ideal Packing Theory)概念对于创建最适当材料是有用的。Abrams规则提出，桥堵剂的颗粒尺寸应当等于或稍大于目标地层的中孔喉尺寸的1/3。

理想堆积理论提出全范围的颗粒尺寸分布，以有效地密封全部空隙，包括那些由桥堵剂创建的空隙。

颗粒还可以被确定尺寸为在桥堵之前穿透到孔隙空间中。

此外，钻井岩屑能够增强LCM并且充当堵塞材料。

在完成钻井过程之后，任意这些LCM产品可以被用于修复钻井孔泄漏。利用LCM的进一步粘稠扫掠(sweep)可以在降低的速率下被泵送通过裸孔区间，以允许LCM侵入并密封任何泄漏。

最终，固体硅酸盐(可能是封装的)也可以提供有效的化学/机械组合机制以密封储层。

示例4

生物方法

微生物增强石油回收(MEOR)是一种工程领域，其管理微生物的设计、生长和刺激，以提高石油回收。最深的地理地层在孔隙空间内包含厌氧细菌。与近表面微生物相比，这些细菌具有非常低的能量和营养供给，并且因此具有低的种群密度。

一种MEOR技术是利用营养物处理原生微生物，以刺激它们的生长并最终利用生物材料堵塞岩石孔隙。营养物可以是任意化学物质，但通常包含硝酸钾和磷酸一钠。由于细菌生长是指数的，如果供应以足够原材料和适当条件，则能够诱发细菌生长并完全堵塞它们居住于其中的孔隙空间，使得岩石对流体基本上不可渗透。

另一技术是引入新的微生物到岩石地层中并同时为它们供应营养物。这些微生物可以被工程化为仅在特定温度下生长，并且因此能够通过注入到热地层中而被激活。

任意技术能够被应用于常规钻井液，使得岩石对流体基本上不可渗透，并且形成闭合环路的地热系统。

示例5

热方法

地理地层具有变化的化学物质，并且因此具有变化的熔点，尽管多数沉积地层在1200℃或以下熔化。若干技术处于研究、开发和测试阶段，其能够使用热解体而非机械接触来穿透岩石。

一种方法是通过电流或核能创造等离子体。等离子体熔化岩石并能够连续钻井。

另一方法是发射激光到岩石的表面，提高温度直至岩石开始剥落(spall)、解体，并最终熔化。

另一方法是发射高速率抛射物，其在撞击时释放足够能量，提高温度达数百度。

这些技术中的每一种具有在钻井时熔化孔隙和可渗透岩石的能力，然后其能够被冷却并退火以形成对流体基本上不可渗透的硬的、持久的屏障。

已经讨论了技术的方法细节，现将参考附图参考特定实施方式。

现参考图1，所示的是对于不同配方根据时间平方根的滤液体积的图形表示。

图2是对于示例1中所描绘的化学密封岩芯注水测试根据时间的函数的压力差和渗透性数据的图形表示。

图3是井的截面，其具有入口井10，入口井10具有用于地表水保护的表面套管12。中间套管14被注水泥就位，如图示。全部这些组件为本领域已知。从中间套管14延伸的是横向段16，其在该示例中不包含套管，而是开放的密封的钻井孔。围绕横向区间16的孔隙空间利用密封剂被密封，如本文前面所描述的。密封的孔隙空间由附图标记18表示。密封的横向区间连续到中间套管14。后者套管然后与出口井20连续地连接。出口井以套管12完成。

图4图示了替代场景。在该示例中，横向区间16可以被间断地密封，得到未密封的岩石表面22。在该情况下，套管24被示出为衬管，意味着没有水泥。衬管22从而改良未密封的岩石表面，并且维持从入口10到出口20的连续线路。这可以与连续地密封的区间结合使用。这将取决于地层的特定地质学。

关于多孔或压裂的岩石中的密封的区域，密封剂不与岩石表面融合，而是在以上讨论的化学示例中被嵌入到岩石内。总体上，图2和图3描绘了硬的岩石。

现参考图5，所示的是一示例，其中井被设置在地层内的较低渗透性区间中，其示例是沉积页岩或泥岩区间。在该场景下，地层可能具有少见的裂纹、裂缝、劈裂平面等，其总体上由附图标记26表示。可以采用化学衬管28以完成入口10与出口20之间的连续性，其中化学衬管成分28填充裂纹、裂缝和劈裂平面，如所示。

转到图6，示出了井配置的第一示例。在示例中，入口10和出口20中的每一个包括常规套管的区间30，其与多边井系统36的入口32和出口34连通。系统被设置在地热地层38内。系统36包括多个横向井16，其可以被部分地套管，取决于如关于图3和图4概述的情况。在地层38中可以采用任意数量的井系统36。这竖直地和水平地由附图标记6n表示，其中“n”指示以系统36的形状的或任意其他适当配置的任意数量的其他井。

入口32和出口34在多边连接件中以套管的区间30被集成，其现将参考后面的附图。

图7图示了一种可能的多边布置。入口32与密封的多边钻井孔连接件40连接，横向区间16从该多边钻井孔连接件40连续地延伸。横向区间16彼此间隔开，以使从地层38内的热回收(图6)最大化。横向区间16可以包括套管，如关于图3至图5所讨论的。系统36的出口34将包括相似的连接件40(未示出)。

转到图8，示出了L形井配置，总体上由附图标记42表示。在该示例中，井具有延伸段44，其具有末端46裸孔钻井孔，其如前述示例被密封。隔离的管48在井内延伸，以用于流体递送。延伸区间44可以处于任意选择的角度。

图9图示了竖直定向的示例。

在图10中，提供了W形井，其由附图标记50表示。表面由附图标记52指代。在该示例中，来自一个井的输出成为其他井的输入。流动方向以箭头示出。能够重复该模式以用于另外的循环。在该示例中，裸孔钻井孔16如以前面的附图所讨论而被密封，并且可以整合套管的区间与简单地密封的钻井孔区间的交替模式。这将取决于地层地质学。

图11图示了多边系统的其他变化，类似于在图3中初始参考的，其将入口和出口管路组合为单个钻井孔，多边区间的设置可以处于地层内的任意角度。在该示例中，横向区间16会聚在末端54处。

图12是单个场布置56的侧视图，其中入口井10和出口井20总体上接近。为横向区间16示出了流体线路。如之前的示例，裸孔钻井孔在进行钻井时被密封，而围绕孔隙空间在过程期间被密封。附图标记12n具有与图6中表示的6n相同的含义。

图13中图示了其他变型。示出了多边井布置的俯视图。示出了共用共同入口井10的多个井中的个体井16，延伸出地层的地热区域(在此附图中未示出)内，并且在闭合路线中返回到共同出口井20。流动方向利用箭头示出，并且流动能够被隔离为每个个体环路或分开的环路之中的雏菊花式链接。这对于小的占地面积(footprint)同时允许地热区域内的最大热开采是有利的。

图14描绘了其他变型，其中存在提供的多个井布置，同时维持归因于图13的实施例的小的占地面积。

图15将多边井系统50整合以结合图13中初始呈现的井配置。在该配置中，两个离散的单个场56能够以最小的表面侵袭性跨越大的面积，来开采大的地下地热区域。流动方向利用箭头被示出，并且流动能够被隔离为每个个体环路或雏菊花式链接以及其他在分开的环路。本文中所讨论的密封技术的有效性许可提供这样的混合配置的灵活性。这进而允许在各种地理情况下进行热开采，允许实践本文中的方法的另一自由度。

在更关注的细节中，图16图示了钻井的钻井孔的截面，本文中也称为横向区间16。地热地层38在该示例中是高渗透性地层。由于渗透性，散播出地层中的孔隙空间并紧邻钻井孔16的密封剂仍然未反应，由附图标记60表示。从未反应的密封剂空间向外是利用密封剂密封的孔隙空间，如之前的示例中，由附图标记18表示。

图17图示了将来自图16的钻井孔暴露于工作流体的结果。在该处理之后，围绕钻井孔的地层区域变得密封，形成钻井孔自身的内部体积与围绕其的地层之间的不可渗透界面。这是尤其有利的，由于密封的钻井孔16被未反应的密封剂60的储备围绕。在钻井孔密封由地震活动或其他有害活动损害时，钻井孔能够通过可用反应物的储备与工作流体之间的反应进行自我修复来维持其完整性和密封能力。就降低随时间的运行和维持成本而言，这显然具有非常显著的优势，其当然大大减轻了与初始合成井系统相关联的资本开支。

关于具有低或平均渗透性的岩石，其示例是花岗岩、泥岩或页岩，可以利用密封剂围绕钻井孔16外围填充孔隙空间、裂缝、裂纹、劈裂平面等，以在单个步骤中形成抗渗界面，而不需要反应性工作流体或进一步处理。相应地，将认识到，考虑到本文中所讨论的方法，地质渗透性不呈现任何地热热开采问题。

作为附属的益处，技术能够扩展到修复和翻新(retrofit)领域。本文中的技术的基础之一是环境友好溶液，用于在地热田中的能量创建，其规避要求无吸引力的流体处理的压裂。第二基础是，该技术提供真正闭合的环路系统，其与现有技术中已经不恰当地表征为闭合环路的系统不同。

由于技术允许高度有效密封方案，其具有许多地热回收益处，已经发现，技术能够被应用于修复无效的、未使用的或其他不可操作的地热井。这些井可能由于任意数量的问题而不可用或不可操作，诸如低流速、无效裂缝、疏松地层和随之发生的砂产生问题、来自盐水或由于浸出问题的过度腐蚀，以及其他。

相应地，在不可能翻新如本文中所讨论的新的非压裂地热布置的情况下，或利用需昂贵且环境争议操作，诸如压裂或潜在通过重钻整个井的可能修复的情况下，不可操作的现场将被通过移除不必要的套管和附属的组件而被废弃。鉴于渗透性程度不是问题的事实，密封技术呈现有吸引力的修复益处。

关于转化或翻新现有的地热井，预先存在的井允许技术以显著经济优势被部署，消除对压裂流体管理的需要、诱发地震以及环境风险，并且使翻新现场，之前普遍认为是环境不友好的能量源，作为从之进一步建造的绿色能量平台来呈现。

就技术范围的另外的实施方式而言，现将参考之后的附图。

在图19中，井环路64包括闭合环路系统，其具有设置在地理地层内的入口井10和出口井20，地理地层可以是，例如，地热地层、低渗透性地层、沉积地层、火山地层或“岩基(basement)”地层，其更恰当地被描述为产生在沉积盆(sedimentary basin)下方的晶体岩石(均未示出)。

井环路64和电力循环66通过换热器68处于热接触，该换热器68从地层中的环路64中的工作流体循环回收热量，热量随后被用来利用循环66中的发电机70生成功率。作为示例，地层的温度可以在80℃与150℃之间的范围内，或者它可以在150℃以上，并且甚至在400℃以上。

在所图示的布置中，使用两种不同的工作流体。将在后文中讨论关于流体的其他细节。改变系统的井环路操作中使用的工作流体在低环境温度下是可能的。

如此，当前可用的功率生成模块通常将电力循环工作流体的输入温度在初级换热器中限制为0℃以上。通过将工作流体温度降至零以下，能够实现较高的涡轮压力比。然而，常规地热项目受地热流体在换热器另一侧上潜在冻结的限制。

本技术中的这些限制通过实施与闭合环路井组合的隔离电力循环系统而被克服。

流体可以利用添加剂被改性，以防止在0℃以下的温度冻结。适当的添加剂包含抗结垢剂、抗腐蚀剂、摩擦力降低剂，以及抗冻结化学物质、制冷剂、杀菌剂、烃类、醇类、有机流体及其组合。

与隔离电力循环组合的定制井-环路工作流体的实质上的益处是，其不受很冷的环境温度的影响，并且因此在结合图19中提出的井环路使用时，有助于使用任何一般的电力循环(包括ORC、卡林那循环、碳载体循环、CTPC)来增加更高的净发电。在该布置中，当第二工作流体温度为0℃或0℃以下时，从第一工作流体向第二工作流体传递热量。

具有隔离线路的可选的布置在图20和图21中被图示。

图20图示了整合了井环路12的隔离线路，井环路12与两个不同的换热器18热接触，每个换热器18具有其自己的发电机22，其形成并联布置。相似地，图21图示了串联布置。

集成的井环路电力循环是闭合环路系统，其中所选择的工作流体在井环路内循环，并且然后流入到地面的涡轮中，如图22所示。附图标记72表示总体工艺示意。在该工艺中，使用单个流体而非具有离散井环路流体和次级电力循环工作流体。在该闭合环路中的工作流体能够操作为跨临界循环，由此流体在高的工作压力是超临界的，而在低的工作压力是亚临界的，或者操作为完全超临界循环，由此流体在低工作压力仍然是超临界。

如已知的，跨临界循环是其中工作流体经历亚临界和超临界状态两者的热动力学循环。设备还包括冷却装置，在示例中示出为空气冷却器74和具有发电机78的涡轮76。空气冷却器74被用来将工作流体冷却到环境温度以上的1℃与15℃之间的温度。还应注意，工作流体能够被冷却到0℃以下的温度。参考图24描绘了性能数据。

该集成的循环中的驱动机制是非常强的温差环流系统(thermosiphon)，其由于入口竖直井10与出口竖直井20之间的密度差而产生。流体在入口井10中处于超临界流体状态，随着其沿着横向互连区间80行进而被加热，并且在出口井20中以超临界状态离开，其创建显著的压力。

温差环流效应能够完全消除除起动期间之外对在正常操作条件下的表面泵的需求。有利地，这消除了对操作泵的功率需求并增大净电功率输出。

与井环路路线协同工作的是定制化流体和混合物的使用，其对钻井孔布置、深度、长度以及环境温度进行定制。现有技术仅讨论使用二氧化碳或纯烃类流体。利用诸如本文中所讨论的闭合环路的系统，流体混合物的初始成本和复杂度仅是总体经济性中的次要因素。因此能够使用其他流体，诸如在压力大于10MPa和温度小于180℃时在入口井与出口井之间的互连区段内具有非线性温度焓关系以流体与周围井下热源，即围岩，之间的温差和热传递的流体最大化。

已经发现，在井环路的横向部分内展现实质上非线性的温度-焓关系的流体和/或展现压敏可逆反应，其在升高的压力下吸热并且在压力低于升高的压力放热，能够可观地增加发电。该进展是因为远场岩石温度与循环流体温度平均温差被增大，驱动来自地理地层的增大的热传递。

用于隔离配置中的该类型的流体的示例是具有温度相关的溶解度的水性沉淀/电解质溶液，其中水在入口井顶部是超饱和的。固体颗粒以抗结垢剂(抗絮凝剂)并以湍流(类似于钻井泥浆)保持悬浮。在横向区间中，温度升高，因此悬浮中保持的固体的溶解度也提高。这允许溶液随着固体颗粒溶解到水中吸热地从岩石吸收热量(基本上提高了流体的有效热容量)。在向隔离的热-电力循环的换热器中，温度下降，因此固体物质放热地沉淀。

有用的流体包含水性溶液和作为示例的以下溶质：乙酸铵、磷酸二氢铵、甲酸铵、硝酸铵、溴化钾、氯化钾、甲酸钾、碳酸氢钾、硝酸钾、乙酸钠、碳酸钠以及磷酸一钠。

使用单个涡轮并且在环境条件的整个范围上具有足够的效率是有问题的。已经发现，串联或并联的针对不同环境条件优化的两个或更多个涡轮的使用解决了该问题。在较冷的温度期间，控制逻辑(未示出)自动地将工作流体切换到合适的涡轮，以整年维持高效率。

现参考图25和图25A，所示的是井的雏菊花式链接的示意性图示，全局地由附图标记82表示。在该实施例中，每个表面位置，总体上由附图标记84表示，包括连接到横向井管路或互连区段88和生产井90的注入井86。以这种方式，连续井结构呈总体上U型结构。横向井区段可以包括井系统36，如图3中讨论的或之前讨论的任意其他配置。

如图示，每个位置84是离散的并且以简练和有利的方式被链接到附近位置。作为示例，位置之间的距离可以是3,500米至6000米。当然，这将依情况变化。

在操作中，工作流体在一个位置84的注入井86中被循环，可选地通过，例如，发电装置(未示出)处理，以回收热能量并且随后作为输出蒸汽通过，以作为附近位置84的注入井86的入口馈送蒸汽。链线92图示了该中继或雏菊花式链接序列。由于不是全部热量被回收，附近位置的井86的入口给送蒸汽被预加热，以用于注入到横向管路88中。然后重置过程，以用于下一位置84中的重复。

现在转向图26，示出的是本发明的其他实施例，例如8,000kW至12,000kW系统。在该示例中，个体环路可以在集中位置94被连接，以便集中发电装置(未示出)来提高功率和效率。

图27和图28图示了较小规模的操作，4,000kW-6,000kW(图27)和2,000kW-3,000kW(图28)。

现在转向本发明的相变方面，现在将参考一种钻井液成分，该钻井液成分比现有技术更有效地冷却钻柱、底孔组件和岩面(均未示出)。冷却钻井液采用相变材料(PCM)以减轻标准钻井液中所见的逆流热交换问题。如已知的，PCM在几乎恒定的温度下经历融合(熔化和固化)—因此，它们吸收和释放热能而物质上不改变温度。与在顺序钻井时的密封与利用PCM进行钻井和后续密封的这些特性的结合对在高温地层中使用常规钻井设备的高效钻井产生了巨大积极影响，否则不能利用标准设备实现。

参照图29，将PCM添加到钻井液中，并且以足够的流速泵送流体，使得PCM在整个系统中(或至少在接近底钻井组件(未示出)处)经历相变。

在钻柱96的顶部(系统的入口)，也称为管道，PCM以固态(或主要是固态)被泵送。当流体98下降钻柱96的管道100时，热量从环形空间104中的返回流体102被传递—然而，由于环形空间104与管道100之间的紧密温度匹配(低ΔT)，热传递速率小。管道100中的流体98在下降的同时吸收热能，并且熔化而没有物质上改变温度，并且以完全固态或具有比管道100的顶部处更高的液体分数离开钻头106。当流体102在环形空间104中返回时，它继续从岩石108吸收热量，直到近钻井孔岩石温度低于流体温度。系统的热力学被设计成使得钻柱96中的流动PCM浆液在底钻组件(未示出)处或其附近至少部分地仍然是固态。该操作可以利用钻井来排序，而密封操作可以以如本文中先前所参考的任何顺序进行。

水具有逐渐减少的返回。虽然在某一点上有效，但是增加水的流速对底孔温度具有微小的进一步影响。这是由于逆流热传递，其在下降的水甚至到达钻头之前就加热下降的水(图29)。这在图30中图示了当在4500m深度处钻入340℃的岩石中时的情况。相变浆液(PCS)套管是当PCS以4m³/min流动时在套管26 112与钻柱10 96之间的环形空间24 110中的返回流体的浆液温度。当水以4m³/min流动时，BHA(未示出)处的温度为大约222℃。将水流速增加至5m³/min仅将BHA冷却至209℃。PCS流体能够以4m³/min冷却至160℃，远低于利用水可实现的温度。

如本领域已知的，钻探钻进速率ROP是岩石强度的函数。已经发现，在利用钻头进行物理破坏之前，通过引起快速冷却冲击，这里能够弱化岩石，或“预调节”岩石。通过维持比现场岩石温度低得多的循环流体温度，冷却的钻井液在钻头面(未示出)附近的岩石中引起局部热收缩。这种收缩造成岩石弱化，甚至能够造成拉伸破坏。

在学术文献中，Energies 2019年的Yan-Jun Shen等人的在不同冷却冲击处理下 高温花岗岩对温度变化和裂纹扩展的实验研究(Experimental Study on Temperature Change and Crack Expansion of High Temperature Granite under Different Cooling Shock Treatments)讨论弱化效应与冷却量的关系。为了实现对ROP的材料影响，需要大于50℃的冷却。在150℃的冷却下会发生显著的弱化和拉伸破坏，这仅利用水不能实现。美国专利No.9,758,711公开了一种冷却钻头和底孔组件的PCS钻井液。该公开内容指出，与水相比仅能实现稍微更好的冷却效果(大约5℃)。

当应用这里描述的方法时，岩石能够被冷却大于100℃。参考图30示出了190℃的冷却，图31描绘了根据冲击冷却ΔT，即PCM钻井液与原始岩石温度之间的温度差，的岩石机械强度。

本发明的一个特别有用的应用是用于构造如申请人的共同未决申请中所公开的闭合环路、仅传导地热系统。这些系统通常需要具有遥测的磁性测距工具和定向MWD系统，以能够使各个钻井孔相交以创建闭合系统。在操作的测距阶段期间，保持磁性测距接收器和其它电子器件(未示出)低于其温度限制是关键的。接收器能够被放置在钻柱(管道)的端部上，并且被配置成允许流体流过工具并且流出管道的端部。以这种方式，使用本文中所述的设计和操作方法，通过以高速泵送PCM通过工具并且使其返回环形空间，能够主动地冷却磁性测距设备。

在这种应用中，冷却不是用于钻井，而是仅仅用于冷却底孔电子设备。

PCM被设计和选择为具有低于钻柱和BHA内的设备、电子器件和传感器的最大温度限制的融合温度。因此，即使岩石温度能够显著高于设备最大温度限制，但是钻井液温度仍然在PCM融合温度。能够利用标准定向钻井设备、电子设备等钻探200℃以上至400℃以上的岩石温度。此外，一些井目前利用高达250℃的昂贵高温工具来钻探。相反，本文中公开的技术能够实现更便宜、更可靠和有效的设备，从而节省大量成本。

如上所述，美国专利No.9,758,711公开了一种冷却钻头和底孔组件的PCM钻井液。然而，本公开不能够实现充分冷却以弱化岩石以实现更快的ROP，或解决实现大量冷却效果所必需的操作挑战。

重要的是维持PCM在钻柱内的分散，以防止流动路径的结块和潜在堵塞。本文中的教导提供了具有固相PCM颗粒的稳定乳液。然而，在若干熔化/固化循环之后，PCM颗粒倾向于附聚并且长大。重要的是，当流体处于湍流状态并且处于高剪切速率下时发生固化过程，这将附聚限制到某个的最大粒径。

已经发现，需要临界流速来实现显著的冷却效果，该冷却效果能够弱化岩石、增加ROP并且能够实现高温岩石中的地热闭合环路系统的磁测距。临界流速由PCM在整个钻柱中仍然是至少部分固态(因此经历熔合)并且以部分固态形式离开钻头(或底孔组件)的流速来限定。不需要在环形空间中具有固体形式的PCM，而仅在管道中具有固体形式的PCM。

现在参考图32，图示了在4500m深度处钻探340℃岩石(线性75℃/km地热梯度)的场景的不同流速，其中，熔合温度为150℃。对于每个流速，底孔组件处的温度对于2.5、2.9、3.0m³/min分别为180、150、150℃。因此，在这种场景下，临界流速是2.9m³/min，因为任何较低流速导致BHA处的较高温度，而任何较高流速不导致另外的冷却。

对于与地热项目相关的深度和温度，通常，临界流速在2m³/min与6m³/min之间。

为了实现期望的冷却效果，重要的是使管道和环形空间之间的热传递最小化。如果BHA压力没有被适当地控制，在环形空间中的熔化PCM的融合温度高于在管道中的融合温度，造成从环形空间到管道的显著的不期望的热传递。融合温度是压力的函数。必须将管道与环形空间之间的压差ΔP控制得足够高，以使管道中的最低融合温度高于环形空间中的最大融合温度，如图33所描绘的。

图34示出了显示适当地设计BHA上的ΔP的重要性的图形表示。它描绘了两种情况，每种情况具有相同的流速、钻井液成分、井尺寸和岩石温度。情况1没有跨管柱的底部(底孔组件)处的设备和部件上的压降或ΔP。情况2具有显著压降。钻头处的流体温度分别为230℃和160℃。

需要移除被输送到地面的岩石表皮以维持钻井液的所需固体含量/密度。在许多地热应用中，尤其是在申请人的共同未决申请中公开的应用中，透明流体是理想的—意味着具有非实质固体含量的流体。当通过筛网/振动器移除较大表皮时，利用离心机移除较小固体，该离心机分离较高密度的材料。因此，PCM应该被选择为具有与基础载液相似的密度，并且理想地稍微低于载液，以能够在离心机中移除表皮，但是将PCM颗粒留在流体内。

将固体PCM加入到基础载液例如水中显著增加了有效体积粘度。随着粘度增加，通过钻井孔的水力摩擦压力也下降。高压损失通常将要求巨大的表面泵送功率和高压设备。然而，能够选择在液态与固态之间具有显著密度差的PCM。通过将该PCM特性与优化的流体成分和流速结合，系统被设计/操作成使得PCM在钻柱中比在环形空间中具有显著更高的％固相，因此在钻柱与环形空间之间创建大密度差，从而能够实现显著的虹吸效应。虹吸效应给系统增加了大压力驱动，这部分地克服了来自PCM的增加的粘度的影响。

密度差不是典型的热虹吸管，因为管道/环形空间中的温度基本上相同。相反，虹吸是由环形空间与管道之间的PCM的相对相态引起的。

采用雏菊花式链接实施方式的一个显著特征是不需要近地表返回管路。当需要时，如在常规井环路布置中，资本成本超出总项目资本的10％，可能需要协商通行权(rights of way)，并且～3℃热损失和压力损失结果造成较低效率。

相比之下，由于井环路从前链接到后，雏菊花式链接消除对近地表返回管路的需求。另外，配对的环路充当彼此的返回管路，其中该对使用废热作为输入，以产生上述预热的蒸汽。

其他优点包括增加的发电而没有表面破坏(占地面积)，由于全部都是在地下已经减小的位置84之间的距离。如果由于预加热的馈送蒸汽设计的提高的温度能够使用较短的管路88，则这相应地降低成本。

示例中的井通过以所描述的方法钻井同时采用密封而形成。应当理解，井配置的任意组合能够被合并在雏菊花类型布置中。另外，破坏性技术的任意组合可以被用来形成雏菊花示例中的钻井孔以及全部附图中所示的任意其他配置。在一些附图中，连同附图标记包括参考“n”的指定。示例是图6，其具有表示为6n的区域。这是表示任意数量，因此n，的另外的井可以竖直地被堆叠或被安置为并联关系或利用一个示出两者。井类型可以与另外的井不同或相同。

如示例所列举的，本文中提出的技术是基于将地热地层形成为最大传导性的能量高效钻井孔的能力，而与渗透性无关。当与高度有效工作流体耦合时，该能力导致卓越的方法。

井内的流体循环可以以促进效率的任意模式和方向发生。这将部分地由地层的性质决定，并且将被本领域技术人员确定和理解。

现在转到本发明方案的多测距方面，图35描绘了多测距方法中的全部步骤的一般流程图。

图36是通常由附图标记114表示的本发明的一个实施例的示意图。在该实施例中，U型井包括一对间隔开的竖直井10(入口)和20(出口)以及互连井16，其示出为与前述实施例一样的互连井10和20的水平井。该井可以是从未使用的井中预先存在的，即SAGD布置，或者可以是新钻探的。本文中进一步讨论的技术特别适用于重新利用未使用的油井，并且在即将到来的公开内容中将变得明显的是，所公开的技术的许多方面可以容易地被附加或替换到现有油气环境中，如同其在地热产业中安置一样容易。

在所示的示例中，多个辅助横向水平井16A、16B、16C和16D从连接40和40'延伸。这样，所有井16A、16B、16C和16D共同地被连接到各自的竖直井10或20。在U型井预先存在的情况下，信号设备可以沿竖直井10、20和互连井16被安置。这些示意性地图示并由数字116表示。合适的信号设备可以从本领域已知的万能设备中选择并且可以包括接收器、发射器、收发器等等。为了合适的设备示例的目的，可以参考Baker Hughes、Scientific Drilling、Halliburton等。

设备能够被修改或被选择为能够监测以下中的至少一个：钻井速率、井之间的间距、井与连接连接完整性、钻头磨损、钻井内的温度和流体流速。

该领域在现有技术中是成熟的，因此不需要详细描述。

在U型井不是预先存在的情况下，能够将井作为初始基础井钻探，在该过程中的适当时间将信号设备设置在井中，以便将它们永久地留在原处或者安置以用于取决于时间的取回。

一旦安置，这就为与第二横向(水平)井16B的定向钻井的信号通信提供了“主设备(master)”。钻井布置(未示出)能够包括从信号设备116接收引导信号并且沿水平井16B的路线离开其它的信号设备118的能力。与钻井布置和信号设备116和118的另外的通信也是可能的。

在已经建立了具有信号设备118的第二井16B之后，这能够用作第三横向(水平)井16C的引导信号的主设备。前面提到的钻井设备以类似的方式起作用用于该钻井过程。其它信号设备120沿着水平井16C的路线被安置。通过这种布置，第二井受益于以任何连续或不连续的顺序一起或独立地引导信号设备116和118。如将理解的，由于多个传感器位置和安置，这具有显著地减少钻井期间的轨迹漂移的效果。

相对于第三横向(水平)井16C。钻井布置能够包括从信号设备116、118和120接收引导信号作为从设备(slave)并且沿水平井16C的路线离开其它信号设备122的能力。与前面的示例一样，该井受益于设备116、118和120的引导。

最后，在上述示例的精神中，信号设备124能够被安置于第四横向(水平)井16D中，并且与设备116、118、120和122通信。

应当理解，由于信号设备对于最后的多边井是累积的，因此它们逐渐减小了每个附加多边区段的漂移。这允许使用预先存在的/未使用的/废弃的井，由于初始井在多边场景中不太重要。随着更多的横向井被增强以形成多边布置，初始“主设备”状态的重要性降低。

如现有技术中所叙述的，该技术领域中的许多现有技术集中在SAGD环境中固有的双井或注射和生产井系统上。然而，与该技术相关联的精度允许在地热技术领域的特殊应用，并且现在将阐述该能力的表示。

图37是井的设置的顶部平面图。

现在参考图38，示出了位于地热梯度G内的通常称为“堆叠”布置的井布置的变型。在该实施例中，堆叠中的每个多边36系统可以具有其自己的入口井10、10’、10”、10”’和出口井20、20’和20”。如果可行，则堆叠中的每一个可以共同被连接到单个入口井10和单个出口井20。堆叠布置的吸引力是在较小占地面积中实现更高的热回收的可能性。

图39图示了称为“叉”布置的另一变型。在该布置中，多边井系统36可以以间隔开的共面关系或间隔开的平行平面布置来布置。这种布置适合于系统的整体占地面积不是问题的情况。

现在转向图40，示出了多边井16B、16C、16D、16E和16F的布置，这些井相对于上文引用的互连井16以径向间隔开的阵列分散。该示例中的布置是同轴的，然而本领域技术人员将理解其他变型。

为了清楚起见，已经移除了一些部分，但是应当理解，井16B、16C、16D、16E和16F都与竖直井11和20以及连接40和40’具有共同的连接，没有示出井和连接。这种径向分散在地热环境中特别有价值，因为在给定的产热体积内能够提取更大量的热。鉴于本公开中阐述的定向钻井进展，这种布置是可能的并且可取决于周围环境定制。

图41图示了又一变型。在该实施例中，图40所示的一对布置与类似的井16A’、16B’、16C’、16D’和16E’叉指。归因于本文中建立的钻井方法的精度促进了叉指。该布置增强了例如地热区域内的热回收，而不影响占地面积。这显然具有资本开支益处，而在给定区域内允许甚至更大的能量服务能力。

图42示意性地图示了其中图41的一对布置被间隔开但是热接触的另一变型。

为了减轻从井的跟部到其趾部的温度偏差，图41和42中描绘的布置是有用的。作为示例，参照图41，井16A、16B、16C、16D和16E内的流体流动方向可以与井16A’、16B’、16C’、16D’和16E’内的流动方向相反。以这种方式，一个井的跟部将与另一个井的趾部热接触。

现在参照图43，示出了本发明的另一实施例。在该实施例中，分开的多横向井40可以在地层38内在地理上分散开。该实施例连接诸如36和36’的多边系统以在终点37处一起环回以与出口井20连接。第二组多边36”和36”’可以与多边36和36”共面或在平行平面中，并且在39处环回。这种布置的优点是入口/出口占地面积48相对较小，然而热能回收能力非常显著。这允许在占地面积48处的一个现场的产量增加而不需要大地块。

在所有的示例中，入口10和出口20将包括已知的辅助组件，即发电设备、能量存储设备、到电网的链接布置(在下文中讨论)、热电联产系统等等。为了清楚起见，这已经被省略。此外，应当理解，地热系统将是闭合环路，这意味着入口、连接、多边中间发电设备等和出口井将形成连续线路，其中最少的连接管道设置在超地海位置中。对此的一般表示能够参考图10。

辅助或中间设备利用附图标记50表示，其被安置于地平面52之上，地平面52之下的闭合环路在该示例中被夸大。

现在参考本发明方案的功率和可调度方面，图45图示了用于实践本文中描述的方法的实施例的总体布置。附图标记130全局性地表示整个布置。地质地层38具有温度至少为90℃的热能并且该温度可以是并且通常高于150℃，或者甚至600℃或更高，该地质地层38包括具有入口井10和出口井20的地下环路布置，该入口井和出口井可以是共置的，与至少一个互连区间16互连。在该示例中，如关于附图的先前讨论那样描绘了若干区间16A、16B、16C。

在地面52，入口10和出口20被连接到发电设备50。设备50将环路布置完成为闭合环路，为了简单起见，该闭合环路将被表示为L。显然，为了从周围地层38回收热能的目的，将区间16、16A等设置在地质地层中。为了清楚起见，闭合环路L，特别是段18可以包括其中可以传输流体的裂缝、断裂、裂纹，然而，这将不会降低闭合环路概念的观点；尽管事实上可能存在局部多方向的流动异常，但是在入口10、互连16、出口20、发电设备50的元件组合中，流动模式仍然闭合。

地质地层可以是提供如上所述的温度的任何地层。在这方面，示例包括地热地层，低渗透性地层、热干岩、沉积地层、火山岩地层、高温地层、可变渗透性地层及其组合。这些仅是示例；任何数量的其它地层都在本发明的范围内。

地层取决于其性质将具有预定的潜在热输出能力，该热输出能力能够预先通过本领域技术人员已知的适当技术进行分析。当然，每个地层将具有不同的输出容量。

考虑到这一点，每个环路L将具有反映其设计参数的预定潜在热输出容量，诸如区间18的数量、其几何布置、深度、长度、地层温度、地层岩石性质等。所有这些参数对于本领域技术人员来说是明显的。

潜在热输出容量是系统的最大可持续热能输出。热输出可以利用本文中公开的方法暂时改变，但是(即，在数月或数年内平均的)长期平均输出不能超过潜在热输出容量。系统的总效率等于平均热输出除以潜在热输出容量，这通常被称为“容量因数”。它有利于具有高容量因数或对可用的潜在热输出容量的高利用率。通常，这是通过在潜在热输出容量处或附近的恒定热输出来实现的。许多地热系统以这种方式以大于90％的容量因数运行，有时称为“基本负载”运行。所公开的方法能够实现高容量因数，同时还提供灵活的按需能量输出而不是恒定输出。

为了回收，工作流体循环通过环路L，并且离开出口井20使发电设备50流动，该发电设备将热能和/或动能转换成电力，以供整体上利用附图标记132表示的终端用户使用，和/或在134处被重新分配，以供下文将讨论的替代使用。一旦如所指示地循环，工作流体被重新引入到入口10。

通过在充注(charge)期间使工作流体以相对较低的流速循环通过闭合环路L，工作流体被热“充注”或被加载。工作流体在地下流动路径内的停留时间增加，并且因此流体经由与周围地层38的传导热传递而被加热到高温。

通过显著增加流速并且冲洗闭合环路L的热地下部分内的受热工作流体的体积来“排放(discharged)”系统。在排放循环期间，由于热带电流体的大量地下体积和系统的瞬态性质，热输出能够在相对短持续时间(<24小时)内暂时超过潜在热输出容量。

工作流体可以包括水、超临界二氧化碳等，并且包括减阻添加剂，诸如表面活性剂、聚合物、悬浮液、生物添加剂、稳定剂、防垢剂、防腐蚀剂、减摩剂、防冻化学品、生物杀灭剂、烃、醇、有机流体及其组合。其它合适的示例将被本领域技术人员理解。可以设想，工作流体可以在改变地下热特性的情况下在成分上被动态地修改。

现在参考图46A、46B、46C和46D，示出互连区间16的可能布置和组合的示意图，先前被称为多边系统36，该图示通常示出相邻互连区间可以是对称的、相对于相邻互连区间不对称、与相邻互连区间的叉指关系、与相邻互连区间的共面关系、与相邻互连区间的平行平面关系、隔离的或分组的网络及其组合。具体几何设置将随温度梯度特性而变化。这些图仅是示例性的；设计者将理解合适的变型。

图47图示其中环路L包括多个互连区间16或多边系统36的示例，其中一个区间16/36的输出136在发电设备50处用作具有共同集合的相邻区间16/36的输入10。以这种方式，环路L被细分成用于该方法的操作的雏菊花链配置。

图48图示出使用在申请人的共同未决PCT/CA2019000076等中描述的闭合环路多边系统的示例。热充注或热加载循环包括使工作流体以大约40L/s的流量循环16小时(通常这将在上午12:00至下午4:00完成)，工作流体的示例可以是如上所述的水。这允许互连区间16等(在前面的附图中提及)从地层中回收热能。时间表是预定驻留时间的一个可能的示例，并且仅用于指导目的。

排放循环由在8小时内将流速增加到约160L/s组成。在该示例中，这将发生在从下午4:00到上午12:00的高峰夜晚用户电力需求期间，并且与电网(未示出)上的太阳能随着太阳落下而快速下降的时段一致。

图49图示了在3天的时间范围内的集中细节。流速(黑色)图示出充注和排放循环。WHT是离开出口井16的流体温度，dH是指焓的变化。

根据该图，如果系统以基本负载方式被操作，则在组合的充注/排放循环内的平均流速近似等于最佳固定流速。在该示例中，如果以基本负载方式操作，当流量等于80L/s时，如在先前图中所提到的相同地下井布置将产生最大电力。在本国语中，系统将在全地下潜在热输出容量下运行。这是与一些现有技术(在Puna的Ormat)的关键区别，在现有技术中，在组合的“充注”和“排放”循环上的平均地热输出显著低于长期容量。

充注循环建立了强热虹吸管，该热虹吸管由入口井10中的冷流体与出口井20中的热流体的密度差驱动。在充注循环期间，热虹吸管压力驱动高于维持期望流速所需的压力。因此，通过使用流量控制阀或其它装置(未示出)施加压降来阻塞出口井20下游的流动，从而控制流速。

当排放时，通过释放阻气门(打开控制阀)能够立即地增加流速。流速的这种接近瞬时的增加能够实现快速斜坡变化能力。流速能够被增大直到通过闭合环路的液压损失等于热虹吸管压力驱动。

使用泵能够将流量增加到超过该水平，这将需要寄生功率负载。然而，只要大部分压力驱动是由热虹吸效应产生的，寄生负载实际上是可接受的。

使用这些方法，通过充注和排放循环以及工作流体在环路中的停留时间，能够控制流速以使功率输出与终端用户需求相匹配。

在现有技术中，传统开放式地热系统或多孔介质中的流动，在排放时达到高流速所需的泵送压力造成不可接受的高寄生泵负载，并且大幅度地减少或消除净功率输出的任何增益。已经发现，当环路中的压力损失与热虹吸管压力驱动的比率为大约1.5时，实现了实际限制。该系统必须设计成具有小于热虹吸管压力驱动的1.5倍的液压损失。理想地，压力损失小于热虹吸管驱动的1倍，并且整个流动由热虹吸管驱动。因此，不存在寄生泵负载。

能量被存储在工作流体本身内。在充注循环期间，需要足够的停留时间来加热工作流体，以足够适应排放循环。例如，如果排放循环通常为8小时长，则流体环路通过时间必须为至少8小时(在排放和充注循环两者上平均)。

在充注循环期间，能量也能够被临时存储在邻近地下流动路径和出口井16的岩石中。在低流速下，热量从地层12中的较热岩石传导地传递到工作流体中，并且当流体前进通过系统时，它遇到较冷岩石(通常较浅，例如在出口井16中)，在那里能量从流体被传递到较冷岩石并且被临时存储。在排放循环期间，平均流体温度下降，并且所存储的热量被传递回工作流体中。

闭合环路避免了传统地热系统的操作问题，当如本文中所述大幅度地改变流量时，操作问题加剧。例如，常见操作问题由盐水、固体、结垢、堵塞和溶解的气体引起。

本文中公开的可调度性与低温空气存储(CES)很好地结合。以下示出了该工艺流程的示例。CES充注循环可以使用来自电网或协同安置的可再生资源(例如，在白天的高峰时间的太阳能)的便宜的过剩电力。CES还可以使用产生的地热电力来充注，但这不是必需的。在一个实施例中，地热系统将在整个充注和排放循环中产生固定量电力。在排放循环期间产生的热能的增加被引导以在涡轮机中的膨胀之前加热来自CES过程的空气流。

当使用具有可调度地热的CES时存在若干优点：

热力发动机(其将热能转换为电)仅被确定大小用于充注循环，而不是排放循环的峰值输出，从而显著地降低了设备和资本成本。

需要较少另外的设施来向CES设施供应热量。CES在一天中仅在几个高峰小时内排放。可调度地热系统排放循环可与CES排放循环相匹配。

图50图示了本发明的一个实施例，其被设计成利用间歇的电源来减轻电网饱和。在该示例中，太阳能回收布置138被可操作地连接到环路L(环路布置或方案)，并且更具体地在142处连接到阵列140。发电设备50与具有特定容量的电网(未示出)电通信。这通常由附图标记144表示。

对于以下示例，环路布置或环路解决方案旨在涵盖本文中先前讨论的布置，即，可以包括发电设备22的热承载地质地层中的井10、20和互连16。

太阳能在当今向更新的更清洁形式的电力转变中具有领先的地位。然而，成功能够带来其自身的并发症。许多电网现在充满了风和太阳能，达到了难以吸收更多间歇性电力源的程度。所需要的是一种可缩放形式的绿色可调度功率。幸运的是，该解决方案现在已经实现。它被称为Eavor-Light，并且与我们的一些其它解决方案不同，它被专门设计来补充新的或者甚至现有的太阳能厂。

典型的10MW环路L单元将5MW地下基本负载解决方案与按比例缩放到10MW的ORC和地面设施组合。这是为了促进由环路产生的能量的固有可调度性，然后这可以通过简单地添加更多的环路布置L来进一步缩放。例如，200MW环路L布置具有以下运行数据。

示例-电网饱和减轻

仅太阳能的解决方案

对于200MW的太阳能农场，由于其间歇性的性质，其平均仅产生40MW。在希望将平均发电量增加3.5倍或平均增加100MW的情况下，出于太阳能负载因数将在10％与25％之间的范围内的简单原因，将必须增加另外的500MW太阳能农场和另外的500MW传输容量。不幸的是，这不仅涉及将表面占地面积增加3.5倍，而且还需要将传输网络升级3.5倍(或者更不期望地，将新传输线建造到新太阳能农场)。这进一步被恶化，因为大多数增加的容量将在一天中的可实现远低于平均价格的时间被生产。

环路解决方案

相反，通过在当前或计划的太阳能农场的现有表面占地面积正下方合并200MW环路解决方案，可以实现相同的结果。有利地，不会需要新土地获取。此外，因为环路布置将使用其固有的可调度性来产生太阳能农场的20％负载因数附近的功率，所以将不需要任何另外的传输容量-节省时间和金钱。最后，虽然环路在大约中午的太阳能生产高峰期间将不具有生产很多的传输能力，但是由于定价额外费用要被实现用于可调度的而不是间歇的或基本负载电力，中午生产(其通常价值很小)可能被转移到有吸引力的货币化。

太阳能+电池解决方案

当然，太阳能可以通过添加足够电池来模拟环路解决方案，但是成本相当高。代替仅添加200MW的环路解决方案，太阳能开发者将需要添加500MW的太阳能容量，从而需要大规模扩展的表面占地面积及200MW的8小时电池存储-导致不可避免的增加的成本和延迟。

作为该示例的变型，图51描绘了使用风车146作为原动机的布置。

现在参考图52，示出该实例的又一变型。附图标记150表示在其上配电中心152被布置成经由154向输电网(未示出)提供电力输送的地理区域。如已知的，电网具有输出容量。中心152以设计的最大发电量和电网上的第二有效或“真实”发电量对地理区域150上的发电系统做出贡献。

显然，在中心152之间的区域150的范围上，偶尔会出现由于技术人员已知的各种原因而发生的“断电(brounouts)”或其他输送异常，诸如用户需求剧增或中心152之间的再分配。。

为了减轻不一致的输送问题，环路布置L可以被集成在中心152的电路上，例如在相邻的电通信中心152之间。与本文中的先前和说明一样，能够在下面的地质地层内提供闭合环路配置，以从归因于地层的可用潜在热容量产生预定的能量输出。

然后，工作流体能够如上所述循环，并且通过所述发电布置50选择性地热排放，以将发电维持到整个所述输电网中的容量。这相应地减轻了上述异常或不规则。

取决于地理区域和其它因素，包括多个环路布置L的主分配集线器156可以增加或替换中心152和单独安置的环路L中的一些或全部。

Claims (40)

1.一种用于从具有预定可用潜在热容量的地质地层中进行能量回收的方法，包括：

以预定顺序的钻探和密封来使用破坏机制钻入所述地层中，以在其中形成主钻井孔，所述主钻井孔具有在所述钻井孔和所述地层之间的基本上不可渗透的界面；

通过至少来自所述主钻井孔的电磁引导来钻探后续钻井孔；

选择性地利用来自所钻探的后续钻井孔的个体信号和累积信号中的至少一种，来在所述地层内形成预定样式的钻井孔中引导钻探；

经由入口井和出口井将所述地层的热区域内的闭合环路布置中的所述预定样式的所述钻井孔链接到能量回收设备，以从在所述井与所述设备之间的闭合环路中的所述环路布置来回收能量，所述闭合环路布置具有在所述地层的所述可用潜在热容量内的预定能量输出；

在所述闭合环路布置内以预定停留时间使具有预定成分的流体成分循环以形成能量充注流体，以及

通过所述充注工作流体与所述能量回收设备之间的相互作用，向终端用户按需产生能量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

所排序的钻探操作密封任何，如果有的话，预先存在的裂缝、断裂、裂纹或其它地质异常以及由于钻探而形成的任何裂缝、断裂、裂纹或其它地质异常，以形成所述界面。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：

在至少50℃的地层温度下进行所述方法。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，还包括：

在大于400℃的地层温度下进行所述方法。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，还包括在钻探操作期间选择性地修改至少一个参数，所述至少一个参数包括：

i)钻探钻进速率；

ii)利用活性冷却剂进行预处理的钻探面；

iii)钻探破坏机制选择；

iv)所选择的钻井孔之间的电磁通信；

v)所述钻井孔的钻探方向；

vi)闭合环路布置的联网；

vii)闭合环路布置的接近度；

viii)循环流体成分、流动方向、停留时间、流速；

viv)在成分上不同的循环流体的流动循环；

x)对于被循环的在成分上不同的循环流体的停留时间；以及

xi)以任何数量和顺序的i)至x)的组合。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，

所述钻探钻进速率参数包括钻探设备在钻探期间的变化的冲击力和旋转速度。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，

所述利用活性冷却剂进行预处理的钻探面参数包括利用相变材料进行冷却。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括以下各项中的至少一项：

i)在钻探之前利用所述相变材料对于要被钻探的岩石面进行预先冷却，

ii)在钻探期间利用所述相变材料进行冷却，

iii)i)和ii)的连续的被排序的组合，以及

iv)i)和ii)的不连续的被排序的组合。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述钻探破坏机制选择包括：

在钻探所述钻井孔期间，在使用热机制、机械机制、化学机制和生物机制中的至少一种在钻探所述钻井孔的同时，通过对所述钻井孔引起不可逆的地层损伤而在正被钻探的钻井孔与正被钻探的地层之间形成对流体基本上不可渗透的导热界面，在形成的界面与所述钻井孔之间不存在辅助材料。

10.根据权利要求5所述的方法，其中，所选择的钻井孔之间的所述电磁通信参数包括：

a)提供U型井，所述U型井具有间隔开的、与水平井互连的竖直钻井孔；

b)在所述U型井内建立信号路径；

c)从所述竖直钻井孔中的至少一个钻探第二水平井；

d)感测来自所述U型井的信号；

e)基于来自步骤d)的感测信号，沿着相对于所述第一水平井的预定路径，来引导所述第二水平井的所述钻探；

f)利用钻探的第一井和第二井形成信号对；

g)从所述竖直钻井孔中的至少一个来钻探第三水平井；

h)感测来自所述信号对、所述U型井和所述第二井中的至少一方的信号；以及

i)基于来自步骤h)的感测信号，沿着相对于所述第一水平井和所述第二水平井的预定路径，来引导所述第三水平井的所述钻探。

11.根据权利要求5所述的方法，其中，所选择的钻井孔之间的所述电磁通信参数包括：

建立与竖直井连接的主水平钻孔；

利用来自所述前导水平钻孔的累积和组合的传感器引导，从所述主水平钻井孔的所述竖直井来钻探每个后续水平钻孔，由此相对于第一钻探的水平钻井孔实质性地减小从最终钻探的钻井孔的轨迹漂移。

12.根据权利要求5所述的方法，其中，

闭合环路布置的联网参数包括在中心位置处共同地连接出口井。

13.根据权利要求5所述的方法，其中，

闭合环路布置的联网参数包括将闭合环路布置的出口井与在第二位置处的第二闭合环路布置的入口井连接。

14.根据权利要求5所述的方法，其中，所述闭合环路布置的接近度参数包括以下各项中的至少一项：

竖直堆叠的闭合环路布置，

叉指的闭合环路布置，以及

它们的组合。

15.根据权利要求1至14中的任一项所述的方法，其中，所述钻探操作包括：

在对地层中的孔空间进行密封的情况下进行排序钻探，其中，利用相变材料来进行钻探以及随后密封所述孔空间；以及

利用所述相变材料来冷却在所述地层中正被钻探的岩石面，以相对于没有所述相变材料时的钻进速率而增加在钻探所述地层期间的钻进速率。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

密封所述地层中预先存在的或由钻探产生的裂缝、裂纹和空隙的步骤。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，

在密封孔空间的同时进行排序钻探的操作利用钻探液中的碱式硅酸盐成分。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，以交替顺序进行排序。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，

密封所述孔空间形成在所钻探的地层和所钻探的钻孔的周边之间的界面。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括以下步骤：

在所述钻孔内使化学成分循环，所述化学成分能够利用所述界面引起沉淀物形成，以增强所述界面的密封能力和机械完整性。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤：

在所密封的钻孔内使流体循环，所述钻孔包含界面维护添加剂以用于在所述钻孔内循环所述工作流体期间维持不渗透性。

22.根据权利要求15所述的方法，其中，钻探进入所述地层包括：

钻探入口井、出口井和互连井以与辅助设备形成闭合环路，至少所述互连井被布置在所述地层的产热区域内。

23.根据权利要求5所述的方法，还包括选择基于在所述方法的实施期间遇到的以每一种或者作为群组中的至少一部分的以下各项的修改：

地层岩石孔隙度、地层岩石类型、地层温度、钻探深度、地壳构造、所述地层中的断层、地质异常以及变化。

24.根据权利要求1至23中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

形成用于回收可用潜在热容量的多个闭合环路布置。

25.根据权利要求24所述的方法，还包括以下步骤：

以预定样式链接所述多个闭合环路布置。

26.根据权利要求25所述的方法，还包括以下步骤：

链接离散的预定样式的闭合环路布置。

27.根据权利要求26所述的方法，还包括以以下各项中的至少一种来链接离散的预定样式的闭合环路布置的步骤：

局部网络，

分散网络，

以与邻近的闭合环路布置形成热接触的巢状群组，以及

它们的组合。

28.根据权利要求26所述的方法，还包括以下步骤：

通过一个闭合环路布置的入口井与邻近的闭合环路布置的出口井来链接离散的预定样式的闭合环路布置。

29.根据权利要求1至28中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

以预定停留时间使所述流体在所述闭合环路布置环路中循环，以通过从所述地层的传导对循环流体进行热加载；以及

基于用户能量需求，来调整所述环路内的热加载流体的流速。

30.根据权利要求1至29中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

利用来自所述地层中的相邻闭合环路布置的能量充注流体来补充所述流体。

31.根据权利要求1至30中的任一项所述的方法，其中，

所述闭合环路布置包括入口井、出口井和在其间用于流体连通的互连区间，

其中，所述互连区间是被加套管的、未加套管的、加衬里的、化学处理的、化学密封的、热密封的，包括以连续或不连续配置的单管、同轴管及其组合。

32.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

在按照预定时间表来维持所输送的能量输出平均水平等于所述可用潜在热容量的同时，通过将发电装置中的、临时超过所述预定能量输出的所述流体进行热排放到终端用户来促进按需能量输送。

33.根据权利要求32所述的方法，其中，

在临时持续时间内的能量输送是用户需求相对于整个预定时间表为高时的期间的时间表。

34.一种用于优化预先存在的电网上的功率分配的方法，包括：

在所述预先存在的电网上提供具有设计的最大发电量和第二有效发电量的间歇发电布置；

在与所述间歇发电布置相邻的热承载地质地层内安置能量回收和产生闭合环路，所述环路包括入口井、出口井、在所述入口井与所述出口井之间的互连区间，所述互连区间被安置在所述地层中以促进所述地层中的热回收，所述地层具有可用潜在热容量，所述闭合环路是根据权利要求1所述的方法被形成的；

在所述地层内按照用以从所述可用潜在热容量中产生预定能量输出的配置来安置所述闭合环路；

以预定停留时间使工作流体在所述环路内循环，以通过来自所述地层的传导对循环工作流体进行热充注；以及

通过所述间歇发电布置来选择性地热排放所述工作流体，以使发电增加到在所述第二有效发电量以上并且在所述设计的最大发电量以下的量，由此使用所述预先存在的电网来优化总体发电。

35.一种能量收集农场，包括：

利用工作流体回收热能的、在产热地质地层内的能量回收和产生闭合环路系统；

间歇发电布置，其在预先存在的电网上具有设计的最大发电量和第二有效发电量；

用于处理回收的热能的能量处理设备，其能够被操作地连接到所述闭合环路系统；以及

分配控制系统，所述分配控制系统用于通过所述间歇发电布置来选择性地热排放所述工作流体，以使发电增加到在所述第二有效发电量以上并且在所述设计的最大发电量以下的量，由此使用所述预先存在的电网来优化总体发电。

36.根据权利要求35所述的能量收集农场，其中，

所述闭合环路系统包括多个闭合环路，所述多个闭合环路具有以下各项中的至少一种：

共置的入口井，

共置的出口井，

公共入口井，

公共出口井，

被公共连接到相应闭合环路的出口井和入口井的多个横向互连井，

竖直堆叠的闭合环路，

具有与第二闭合环路的入口井相连接的第一闭合环路的出口井的闭合环路，

相邻闭合环路系统的叉指的多个横向互连井，以及

它们的组合。

37.根据权利要求35或36所述的能量收集农场，其中，所述间歇发电布置包括以下各项中的至少一种：

太阳能回收布置，

风能回收布置，

电池能量布置，以及

它们的组合。

38.一种能量收集农场，包括：

在产热地质地层内的能量回收和产生的闭合环路系统，其利用工作流体以回收热能，所述地层具有可用潜在热容量；

预先存在的电网；

用于处理回收的热能的能量处理设备，其能够被操作地连接到所述闭合环路系统；

分配控制系统，所述分配控制系统用于通过所述能量处理设备来选择性地热排放所述工作流体；

输送系统，所述输送系统用于：在按照预定时间表来维持所输送的能量输出的平均水平等于所述可用潜在热容量的同时，通过将所述能量处理设备中的、临时超过所述地层的预定能量输出的所述流体进行热排放到终端用户来促进按需能量输送。

39.根据权利要求38所述的能量收集农场，其中，

所述分配控制系统和所述输送系统中的至少一个能够被操作地连接到多个能量回收和产生的闭合环路系统。

40.根据权利要求39所述的能量收集农场，还包括：

中央传输集线器，所述中央传输集线器能够被操作地连接到多个离散的能量收集农场以用于在农场之间重定向可输送能量。

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