ITCO20110023A1 - METHOD OF PREPARATION OF GEOTHERMAL FIELDS - Google Patents

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ITCO20110023A1
ITCO20110023A1 IT000023A ITCO20110023A ITCO20110023A1 IT CO20110023 A1 ITCO20110023 A1 IT CO20110023A1 IT 000023 A IT000023 A IT 000023A IT CO20110023 A ITCO20110023 A IT CO20110023A IT CO20110023 A1 ITCO20110023 A1 IT CO20110023A1
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well
preparation
fractures
geothermal
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Sergio Bonfiglio
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Description

Descrizione della domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: Description of the patent application for industrial invention entitled:

METODO DI PREPARAZIONE DI CAMPI GEOTERMALI METHOD OF PREPARATION OF GEOTHERMAL FIELDS

CAMPO DELL'INVENZIONE FIELD OF THE INVENTION

La presente invenzione riguarda un metodo di preparazione di campi geotermali. La presente invenzione trova quindi applicazione nel settore della geotermia. The present invention relates to a method of preparing geothermal fields. The present invention therefore finds application in the geothermal sector.

STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE

Tipicamente, per applicazioni geotermiche, la terra (in particolare il sottosuolo) viene usata come è; l’unica modifica che viene fatta, secondo certe tecnologie geotermiche note, è la trivellazione di pozzi. Inoltre, è prassi comune effettuare prospezioni geologiche per definire le proprietà fisiche, chimiche ed energetiche di un'area geografica che si intende usare come campo geotermale. Typically, for geothermal applications, the earth (particularly the subsoil) is used as it is; the only modification that is made, according to certain known geothermal technologies, is the drilling of wells. Furthermore, it is common practice to carry out geological prospecting to define the physical, chemical and energy properties of a geographical area that is to be used as a geothermal field.

SOMMARIO SUMMARY

Il Richiedente ha pensato che fosse molto importante modificare il sottosuolo di un’area geografica in modo tale da renderla maggiormente efficace per applicazioni geotermiche. The Applicant thought that it was very important to modify the subsoil of a geographical area in such a way as to make it more effective for geothermal applications.

Scopo generale della presente invenzione è quello di fornire un metodo per effettuare tale modifica. The general purpose of the present invention is to provide a method for carrying out this modification.

Tale scopo è raggiunto dal metodo innovativo avente le caratteristiche tecniche esposte nelle rivendicazioni qui annesse che formano parte integrante della presente invenzione. This object is achieved by the innovative method having the technical characteristics set out in the appended claims which form an integral part of the present invention.

Inoltre, il Richiedente ha concepito un materiale innovativo (che verrà delineato e descritto nel seguito) che può essere usato vantaggiosamente per tale metodo innovativo. Furthermore, the Applicant has conceived an innovative material (which will be outlined and described below) which can be used advantageously for this innovative method.

In generale, il metodo innovativo di preparazione di un campo geotermale comprende le fasi di: In general, the innovative method of preparing a geothermal field includes the phases of:

A) realizzare almeno un pozzo che raggiunga strati rocciosi caldi del campo geotermale; A) build at least one well that reaches hot rock layers of the geothermal field;

B) creare fratture in detti strati rocciosi caldi mediante cariche esplosive all'interno di detto un o ciascun pozzo; B) creating fractures in said hot rock layers by means of explosive charges inside said one or each well;

C) infiltrare in dette fratture materiale ad elevata conducibilità termica in modo tale da riempirle; C) infiltrate said fractures with material with high thermal conductivity in such a way as to fill them;

detto materiale essendo atto a fissarsi in dette fratture; said material being able to fix itself in said fractures;

tipicamente, per tali infiltrazioni si possono utilizzare vantaggiosamente i pozzi di prospezione. typically, prospecting wells can be used advantageously for such infiltrations.

E’ da notare che gli strati rocciosi caldi si trovano in profondità, tipicamente ad una profondità di variabile tra 500 m e 3500 m. It should be noted that the hot rock layers are found in depth, typically at a depth ranging between 500 m and 3500 m.

Tipicamente, il metodo innovativo comprende una fase finale di realizzare un pozzo termo-estrattore per l'inserimento di un sistema di estrazione di calore che raggiunga strati rocciosi caldi del campo geotermale. Typically, the innovative method includes a final step of making a thermo-extractor well for the insertion of a heat extraction system that reaches hot rock layers of the geothermal field.

Il metodo innovativo può comprendere ulteriormente, dopo detta fase C, la fase di: D) riempire e sigillare detto un o ciascun pozzo. The innovative method can further comprise, after said step C, the step of: D) filling and sealing said one or each well.

Il metodo innovativo può comprendere ulteriormente, dopo detta fase D, la fase di: E) realizzare un ulteriore pozzo per un sistema di estrazione di calore che raggiunga strati rocciosi caldi del campo geotermale; The innovative method can further comprise, after said phase D, the phase of: E) building a further well for a heat extraction system that reaches hot rock layers of the geothermal field;

detto ulteriore pozzo essendo nelle vicinanze di detto un o ciascun pozzo. said further well being in the vicinity of said one or each well.

Vantaggiosamente, la pluralità di pozzi per infiltrazioni si trova attorno ad detto ulteriore pozzo, in particolare in un’area a forma di corona circolare, a formare uno o più linee chiuse. Advantageously, the plurality of infiltration wells is located around said further well, in particular in an area in the shape of a circular crown, to form one or more closed lines.

Detto ulteriore pozzo può essere un pozzo guida; in questo caso, il metodo innovativo comprende ulteriormente, dopo detta fase E, la fase di: Said further well can be a guide well; in this case, the innovative method further includes, after said phase E, the phase of:

F) realizzare un pozzo termo-estrattore per l'inserimento di un sistema di estrazione di calore che raggiunga strati rocciosi caldi del campo geotermale; detto pozzo termo-estrattore essendo sostanzialmente concentrico a detto pozzo guida. F) to create a thermo-extractor well for the insertion of a heat extraction system that reaches hot rocky layers of the geothermal field; said thermo-extractor well being substantially concentric to said guide well.

Il metodo innovativo può comprendere ulteriormente, dopo detta fase E e prima di detta fase F, le fasi di: The innovative method can further comprise, after said phase E and before said phase F, the phases of:

creare fratture in detti strati rocciosi caldi mediante cariche esplosive all’interno di detto ulteriore pozzo; creating fractures in said hot rock layers by means of explosive charges inside said further well;

infiltrare in dette fratture materiale ad elevata conducibilità termica in modo tale da riempirle; infiltrate said fractures with material with high thermal conductivity in such a way as to fill them;

detto materiale essendo atto a fissarsi in dette fratture. said material being able to fix itself in said fractures.

Dette cariche esplosive per detta fase B possono essere poste in una pluralità di punti lungo detto un o ciascun pozzo. Said explosive charges for said phase B can be placed in a plurality of points along said one or each well.

Detta fase C può comprendere una pluralità di operazioni di infiltrazioni successive anche effettuate a profondità differenti. Said step C can comprise a plurality of successive infiltration operations also carried out at different depths.

Detto materiale è vantaggiosamente un nanofluido comprendente nanoparticelle metalliche; più in particolare, le nanoparticelle possono essere, nella totalità (o quasi totalità) oppure in gran parte, metalliche. Said material is advantageously a nanofluid comprising metal nanoparticles; more particularly, the nanoparticles can be, in totality (or almost totality) or in large part, metallic.

In generale, il materiale innovativo per infiltrazioni termicamente conduttive è un nano fluido (un nanofluido è un materiale costituito da una miscela di un fluido ospitante e di nanoparticelle in sospensione) comprendente: In general, the innovative material for thermally conductive infiltrations is a nano fluid (a nanofluid is a material consisting of a mixture of a host fluid and suspended nanoparticles) comprising:

- un liquido di sospensione, - a suspension liquid,

- una prima pluralità di nanoparticelle di materiale metallico atta a fornire conducibilità termica. - a first plurality of nanoparticles of metallic material suitable for providing thermal conductivity.

Detto liquido di sospensione può essere acqua o una soluzione acquosa; preferibilmente si tratta di acqua. Said suspension liquid can be water or an aqueous solution; preferably it is water.

Dette nanoparticelle di detta prima pluralità possono essere di rame e/o alluminio e/o ottone e/o ferro. Said nanoparticles of said first plurality can be of copper and / or aluminum and / or brass and / or iron.

Il materiale innovativo può comprendere ulteriormente: The innovative material may further include:

- una seconda pluralità di nanoparticelle di materiale metallico atta a fornire un effetto legante perfusione delle stesse. - a second plurality of nanoparticles of metallic material capable of providing a binding perfusion effect thereof.

Dette nanoparticelle di detta seconda pluralità possono essere di stagno e/o piombo e/o zinco e/o una lega metallica di stagno e/o piombo e/o zinco. Said nanoparticles of said second plurality can be tin and / or lead and / or zinc and / or a metal alloy of tin and / or lead and / or zinc.

Detto materiale metallico di dette nanoparticelle di detta seconda pluralità può avere una temperatura di fusione predeterminata. Said metal material of said nanoparticles of said second plurality can have a predetermined melting temperature.

Dette nanoparticelle di detta prima pluralità possono avere granulometria differente e predeterminata. Said nanoparticles of said first plurality can have different and predetermined granulometry.

Il materiale innovativo può comprendere ulteriormente: The innovative material may further include:

- materiale legante chimico. - chemical binder material.

Detto materiale legante può essere una resina preferibilmente epossidica. Said binder material can be a preferably epoxy resin.

La descrizione che segue si riferisce ad una situazione vantaggiosa in cui il metodo innovativo (delineato in precedenza) ed il materiale innovativo (delineato in precedenza) sono combinati tra loro; tuttavia, ciò non è indispensabile ai fini della presente invenzione. The following description refers to an advantageous situation in which the innovative method (outlined above) and the innovative material (outlined above) are combined with each other; however, this is not indispensable for the purposes of the present invention.

ELENCO DELLE FIGURE LIST OF FIGURES

Nei disegni qui annessi, In the drawings attached here,

Fig. 1 mostra (schematicamente dal lato) un gruppo di pozzi di prospezione in cui vengono effettuate delle esplosioni a varie profondità, Fig. 1 shows (schematically from the side) a group of prospecting wells in which explosions are carried out at various depths,

Fig. 2 mostra (schematicamente dall’alto), un gruppo di pozzi di prospezione, un pozzo guida ed un pozzo primario Fig. 2 shows (schematically from above), a group of prospecting wells, a guide well and a primary well

Fig. 3 mostra (schematicamente dal lato) un gruppo di pozzi di prospezione attraverso cui vengono effettuate delle infiltrazioni in fratture di strati rocciosi caldi a varie profondità, Fig. 3 shows (schematically from the side) a group of prospecting wells through which infiltrations are carried out in fractures of hot rock layers at various depths,

Fig. 4 mostra un sistema di estrazione di calore geotermico, e Fig. 4 shows a geothermal heat extraction system, e

Fig. 5 mostra il bulbo del sistema di Fig.4. Fig. 5 shows the bulb of the system of Fig.4.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA PREMESSE DETAILED DESCRIPTION PREMISES

Sia tale descrizione che tali disegni sono da considerare solo a fini illustrativi e quindi non limitativi; pertanto, la presente invenzione potrà essere implementata secondo altre e diverse forme realizzative. Both this description and these drawings are to be considered for illustrative purposes only and therefore not for limitation purposes; therefore, the present invention can be implemented according to other and different embodiments.

La metodo qui descritto è inteso a migliorare la conducibilità termica (a livello macro) dei terreni geotermali profondi. The method described here is intended to improve the thermal conductivity (at the macro level) of deep geothermal soils.

Nello sfruttamento dell’energia geotermica esiste il problema della massimizzazione della superficie di scambio termico tra le rocce calde che si trovano in profondità ed il mezzo di trasporto del calore. In the exploitation of geothermal energy, there is the problem of maximizing the heat exchange surface between the hot rocks found in depth and the means of transporting heat.

Il metodo qui descritto può essere impiegato con grande vantaggio nella preparazione di pozzi geotermali, anche detti "pozzi primari”, adatti a ricevere un sistema come quello oggetto della domanda di brevetto italiano n° C02011A000005 dello stesso Richiedente parzialmente incorporata alla fine della presente descrizione. Tuttavia, la presente invenzione non è limitata a tale impiego e quindi si applica ad altri tipi di pozzi geotermali. The method described here can be used with great advantage in the preparation of geothermal wells, also called "primary wells", suitable for receiving a system such as the one object of the Italian patent application n ° C02011A000005 of the same Applicant partially incorporated at the end of the present description. However, the present invention is not limited to such use and therefore applies to other types of geothermal wells.

CONFORMAZIONE DELLA STRUTTURA DI UN CAMPO GEOTERMALE CONFORMATION OF THE STRUCTURE OF A GEOTHERMAL FIELD

La struttura di un campo geotermale si presenta come un’insieme di strati rocciosi permeabili e fratturati che vengono sfruttati, nelle metodiche di produzione energetica geotermale tradizionale, come un sistema lamellare dentro il quale iniettare acqua ad elevata pressione. L'acqua viene iniettata in appositi pozzi trivellati fino agli strati rocciosi fratturati caldi dove si converte in vapore a causa dell’elevato calore presente nelle rocce. The structure of a geothermal field looks like a set of permeable and fractured rock layers that are exploited, in traditional geothermal energy production methods, as a lamellar system into which water at high pressure is injected. The water is injected into special boreholes drilled up to the hot fractured rock layers where it converts to steam due to the high heat present in the rocks.

Il vapore risultante viene raccolto attraverso altri pozzi trivellati nelle vicinanze per essere usato nella produzione di energia elettrica mediante l’uso di turbine. The resulting steam is collected through other nearby boreholes to be used in the production of electricity through the use of turbines.

Nel sistema di produzione energetica descritto nella domanda di brevetto italiano n° C02011A000005 non viene fatto uso di acqua iniettata direttamente negli strati geotermali, ma viene impiegato un circuito chiuso nel quale circola un fluido di scambio. In the energy production system described in the Italian patent application n ° C02011A000005, no use is made of water injected directly into the geothermal layers, but a closed circuit is used in which an exchange fluid circulates.

Il fluido entra nel circuito discendente, raggiunge il sistema di estrazione del calore dove si scalda e poi risale in superficie dove cede il calore al circuito del vapore per ridiscendere, poi, nuovamente in profondità per il nuovo ciclo. The fluid enters the descending circuit, reaches the heat extraction system where it heats up and then rises to the surface where it transfers the heat to the steam circuit to then descend again in depth for the new cycle.

Al fine di aumentare la superficie esposta del sistema di estrazione del calore a contatto con le rocce calde viene proposto il metodo qui descritto. In order to increase the exposed surface of the heat extraction system in contact with hot rocks, the method described here is proposed.

Per chiarezza il metodo viene esposto in fasi operative che potrebbero anche variare in funzione delle caratteristiche del terreno geotermale da sfruttare. For the sake of clarity, the method is presented in operational phases that could also vary according to the characteristics of the geothermal ground to be exploited.

FASE 1 : PROCEDIMENTO DI PREPARAZIONE DEL CAMPO GEOTERMALE Al fine di comprendere la struttura cristallina e le caratteristiche chimico fisiche delle rocce geotermali profonde vengono effettuate prospezioni (ad esempio mediante tecniche radar, sonar, microonde, ...) e trivellazioni alla profondità di progetto atte alle verifiche chimico-fisiche ed al prelievo di campioni (carotaggi) di roccia; si può ottenere in questo modo una mappatura del campo geotermale. FASE 2 : PROGETTO DEL CAMPO GEOTERMALE MIGLIORATO PHASE 1: PREPARATION PROCEDURE OF THE GEOTHERMAL FIELD In order to understand the crystalline structure and the chemical-physical characteristics of deep geothermal rocks, prospecting (for example by means of radar, sonar, microwave, ...) and drilling at the project depth are carried out. the chemical-physical checks and the sampling (core boring) of rock; in this way a mapping of the geothermal field can be obtained. PHASE 2: IMPROVED GEOTHERMAL FIELD PROJECT

Le informazioni fornite dalle prospezioni geologiche e dai carotaggi servono a definire la mappa delle proprietà fisico-chimico-energetiche del campo geotermale. Questa mappa fornisce informazioni precise delle caratteristiche di resistenza, permeabilità, fatturazione naturale, possibili flussi termici e di tutti quei dati che servono per ottenere un quadro completo e preciso del campo geotermale sul quale si dovrà operare. The information provided by geological prospecting and coring are used to define the map of the physical-chemical-energetic properties of the geothermal field. This map provides precise information on the characteristics of resistance, permeability, natural billing, possible thermal flows and all the data needed to obtain a complete and precise picture of the geothermal field on which to operate.

Questa mappa permette il progetto dell’intervento di miglioramento che consisterà neH’aumentare la naturale fatturazione profonda e la permeabilità ai fluidi per permettere l’iniezione di un materiale di infiltrazione ad elevata conducibilità termica. This map allows the project of the improvement intervention which will consist in increasing the natural deep billing and the permeability to fluids to allow the injection of an infiltration material with high thermal conductivity.

FASE 3 : MIGLIORAMENTO DELLA PERMEABILITÀ’ DEGLI STRATI ROCCIOSI PROFONDI PHASE 3: IMPROVEMENT OF THE PERMEABILITY OF THE DEEP ROCKY LAYERS

Cariche di esplosivo ad alto potenziale verranno inserite nei fori delle trivellazioni impiegate per le prospezioni (Fig.1). Queste cariche saranno dimensionate in base ai parametri di resistenza, permeabilità e fatturazione naturali. Le cariche saranno, inoltre, sistemate e fatte brillare (Fig.1) a profondità variabili in modo da ottenere una ottimale distribuzione delle sollecitazioni ed ottenere una uniforme fatturazione della struttura geologica. High explosive charges will be inserted into the boreholes used for prospecting (Fig. 1). These fillers will be sized according to natural strength, permeability and billing parameters. The charges will also be arranged and made to shine (Fig. 1) at variable depths in order to obtain an optimal distribution of the stresses and obtain a uniform billing of the geological structure.

Grande attenzione al livello di permeabilità sarà posto in relazione a tutta la zona circostante ciascun "pozzo primario”, ossia un pozzo atto a ricevere un sistema di estrazione di calore dalle rocce calde. In Fig.2, si vede schematicamente un "pozzo primario” PP al centro del quale vi è un “pozzo guida” PG (naturalmente, la trivellazione del pozzo PP viene effettuata dopo la trivellazione del pozzo PG e quindi il pozzo PG viene “assorbito” da pozzo PP); attorno al pozzo PP vi è una serie di “pozzi di prospezione” PR che verranno utilizzati per la fratturazione degli strati rocciosi caldi e profondi e per la infiltrazione materiale di infiltrazione ad elevata conducibilità termica; i pozzi PR si trova attorno al pozzo PP, in particolare in un’area a forma di corona circolare (raggio interno R1 e raggio esterno R2), e formano una linea chiusa; i pozzi PR di Fig.2 si trovano all’incirca su una medesima circonferenza concentrica al pozzo PP. Great attention will be paid to the level of permeability in relation to the entire area surrounding each "primary well", ie a well capable of receiving a system for extracting heat from hot rocks. In Fig. 2, a "primary well" is schematically seen PP in the center of which there is a “guide well” PG (of course, the drilling of the PP well is carried out after the drilling of the PG well and therefore the PG well is “absorbed” by the PP well); around the PP well there is a series of PR “prospecting wells” which will be used for the fracturing of the hot and deep rock layers and for the infiltration of infiltrating material with high thermal conductivity; the wells PR is located around the well PP, in particular in an area in the shape of a circular crown (internal radius R1 and external radius R2), and form a closed line; the wells PR of Fig. 2 are located on approximately the same concentric circumference to the well PP.

Una volta ottenuto il livello di fatturazione e di permeabilità previsto dal progetto si passa alla fase successiva, il riempimento delle fratture mediante l’impiego di materiale di infiltrazione ad elevata conducibilità termica. Once the billing and permeability level required by the project has been obtained, the next step is the filling of the fractures through the use of infiltration material with high thermal conductivity.

Questo materiale verrà iniettato nelle trivellazioni di prospezione ad altissima pressione e attraverso l’impiego di sistemi di costipazione a vibrazione costretto a riempire ogni frattura del campo geotermale profondo. This material will be injected into very high pressure prospecting drilling and through the use of vibration compaction systems forced to fill every fracture of the deep geothermal field.

FASE 4 : RIEMPIMENTO DELLE FRATTURE DEGLI STRATI ROCCIOSI PROFONDI PHASE 4: FILLING OF THE FRACTURES OF THE DEEP ROCKY LAYERS

Gli strati rocciosi profondi fratturati devono essere saturati di materiale ad elevata conducibilità termica mediante un processo di iniezione ad alta pressione. Deep fractured rock layers must be saturated with high thermal conductivity material by a high pressure injection process.

L’iniezione del materiale viene effettuata attraverso i pozzi precedentemente trivellati per le prospezioni (Fig.3). Il processo prevede l'inserimento preventivo di una tubazione in ferro analoga a quella impiegata come asta di trivellazione. Entro questa tubazione viene quindi pompato il materiale ad elevata conducibilità termica ad alta pressione. The injection of the material is carried out through the wells previously drilled for prospecting (Fig. 3). The process involves the preventive insertion of an iron pipe similar to that used as a drilling rod. The material with high thermal conductivity at high pressure is then pumped into this pipe.

L’iniezione del materiale viene fatta per fasi successive, lasciando riposare l'iniezione precedente in modo da permettere alle nanoparticelle di depositarsi in modo progressivo e stabile; durante la fase di riposo la pressione viene mantenuta al fine da garantire la infiltrazione del materiale, la sua compattazione e la sua coesione; dopo ogni iniezione effettuata ad una certa quota, una volta raggiunto il massimo livello di saturazione per quella quota, il tubo viene alzato ad una quota più elevata al fine di procedere ad una nuova iniezione omogenea. The injection of the material is carried out in successive phases, leaving the previous injection to rest in order to allow the nanoparticles to settle in a progressive and stable way; during the rest phase the pressure is maintained in order to guarantee the infiltration of the material, its compaction and its cohesion; after each injection carried out at a certain altitude, once the maximum saturation level for that altitude has been reached, the tube is raised to a higher altitude in order to proceed with a new homogeneous injection.

Nel caso in cui il materiale ad elevata conducibilità sia un nanofluido, la concentrazione di nanoparticelle viene aumentata progressivamente tra una iniezione e quella successiva. If the high conductivity material is a nanofluid, the concentration of nanoparticles is progressively increased between one injection and the next.

La densità del fluido iniettato passa gradualmente da molto bassa nelle prime iniezioni (circa da 1 a 10 percento) a molto elevata (80 percento ed oltre) in quelle successive e finali; la bassa densità permette l’infiltrazione del materiale nelle fenditure e nei pori più piccoli della roccia; la densità maggiore riempie le fenditure più grandi; la gradualità della densità garantisce che anche la più piccola porosità e la più sottile frattura siano convenientemente riempite dal materiale. The density of the injected fluid gradually changes from very low in the first injections (about 1 to 10 percent) to very high (80 percent and more) in the following and final ones; the low density allows the infiltration of the material into the smallest cracks and pores of the rock; the higher density fills the larger cracks; the gradualness of the density ensures that even the smallest porosity and the thinnest fracture are conveniently filled by the material.

Volendo mantenere la fluidità del nanofluido durante l’iniezione fino a che anche gli spazi più piccoli delle fratture della roccia si siano riempiti, si può mantenere il fluido di sospensione (tipicamente acqua) in forma liquida ossia evitare che passi allo stato di vapore o gas. Wanting to maintain the fluidity of the nanofluid during injection until even the smallest spaces of the rock fractures are filled, it is possible to keep the suspension fluid (typically water) in liquid form, that is to prevent it from passing to the state of vapor or gas. .

Questo è possibile, ad esempio e vantaggiosamente, iniettando (nella zona dove si inietta il nanofluido nelle fratture della roccia) azoto compresso attraverso un tubo apposito munito, ad un suo estremo, di ugello d’espansione; l’azoto viene iniettato a grande pressione e, attraversando l’ugello, si espande violentemente raffreddandosi di colpo; questo provoca un raffreddamento locale della roccia per un breve tempo (ad esempio qualche minuto), il che permette di mantenere liquido il fluido di sospensione del nanofluido. This is possible, for example and advantageously, by injecting (in the area where the nanofluid is injected into the rock fractures) compressed nitrogen through a special tube equipped, at one end, with an expansion nozzle; nitrogen is injected under high pressure and, passing through the nozzle, it expands violently, cooling suddenly; this causes a local cooling of the rock for a short time (for example a few minutes), which allows the suspension fluid of the nanofluid to be kept liquid.

Al fine di ottenere una migliore costipazione delle nanoparticelle, una vibrazione verrà applicata alla tubazione metallica di iniezione, una volta termitano il flusso di materiale. In order to obtain a better constipation of the nanoparticles, a vibration will be applied to the metal injection pipe, once the material flow is terminated.

La frequenza di vibrazione ed il tempo di applicazione più adatti ad ottenere il miglior livello di costipazione possono essere stabiliti in laboratorio in funzione della granulometria e della composizione delle nanoparticelle. The vibration frequency and application time most suitable for obtaining the best level of constipation can be established in the laboratory according to the particle size and composition of the nanoparticles.

Il processo di iniezione verrà ripetuto secondo il metodo cosiddetto “a rifiuto” ovvero sino a quando ciascun pozzo sarà in grado di ricevere materiale. The injection process will be repeated according to the so-called “rejection” method, ie until each well will be able to receive material.

FASE 5 : SIGILLATURA DEI POZZI DI PROSPEZIONE PHASE 5: SEALING THE PROSPECTION WELLS

Ultimata la fase di iniezione i tubi verranno svuotati, rimossi dai pozzi di prospezione ed in seguito riempiti di calcestruzzo cementizio sino alla completa sigillatura. Once the injection phase is completed, the pipes will be emptied, removed from the prospecting wells and then filled with cementitious concrete until they are completely sealed.

FASE 6 : PERFORAZIONE DEL POZZO GUIDA PHASE 6: DRILLING THE GUIDE WELL

Concluso il processo di preparazione si procederà alla trivellazione del pozzo guida del pozzo geotermale primario. Once the preparation process is completed, the guide well of the primary geothermal well will be drilled.

La trivellazione di questo pozzo guida (o di più pozzi guida tra loro ravvicinati) permetterà di ripetere l’operazione di fratturazione e di riempimento delle fratture anche in reazione al pozzo guida, quindi proprio nei punti dove si verrà a trovare il pozzo primario e, di conseguenza, il sistema di estrazione di calore. The drilling of this guide well (or of several guide wells close together) will allow to repeat the operation of fracturing and filling the fractures also in reaction to the guide well, therefore precisely in the points where the primary well will be found and, consequently, the heat extraction system.

Attraverso la preparazione di questo pozzo guida sarà possibile ottenere un livello di distribuzione reticolare del materiale ad elevata conducibilità termica estremamente estesa. Through the preparation of this guide well it will be possible to obtain a reticular distribution level of the material with extremely high thermal conductivity.

FASE 7 : PERFORAZIONE DEL POZZO (GEOTERMALE) PRIMARIO PHASE 7: DRILLING THE PRIMARY (GEOTHERMAL) WELL

Una volta terminata la preparazione del pozzo guida e provveduta la saturazione della zona geotermale adiacente viene effettuata la trivellazione primaria a grande diametro. Once the preparation of the guide well has been completed and the adjacent geothermal zone has been saturated, the primary large-diameter drilling is carried out.

Completata la trivellazione primaria, può essere installato un sistema di estrazione di calore e tutto il volume non occupato dal sistema stesso può essere saturato di materiale ad elevata conducibilità termica (vantaggiosamente dei tipi descritti nel paragrafo seguente) sino al raggiungimento di un blocco monolitico con il sistema al centro. Once the primary drilling is completed, a heat extraction system can be installed and all the volume not occupied by the system itself can be saturated with material with high thermal conductivity (advantageously of the types described in the following paragraph) until a monolithic block is reached with the system in the center.

MATERIALE DI RIEMPIMENTO AD ELEVATA CONDUCIBILITÀ TERMICA Al fine di ottenere un uniforme e quanto più denso riempimento delle fratture degli strati rocciosi caldi e profondi verrà usato di un “calcestruzzo metallico” non cementizio; si tratta di un nano fluido a base di nanoparticelle metalliche. FILLING MATERIAL WITH HIGH THERMAL CONDUCTIVITY In order to obtain a uniform and denser filling of the fractures of the hot and deep rock layers, a non-cementitious “metallic concrete” will be used; it is a nano fluid based on metal nanoparticles.

Il calcestruzzo tradizionale - altrimenti denominato “conglomerato minerale cementizio” è formato da materiali inerti, tipicamente sabbia e ghiaia di pezzatura variabile, e da un materiale (solitamente cemento idraulico o calce idraulica) che funge da adesivo e legante per i materiali inerti. Traditional concrete - otherwise called "cementitious mineral conglomerate" is made up of inert materials, typically sand and gravel of varying sizes, and a material (usually hydraulic cement or hydraulic lime) that acts as an adhesive and binder for inert materials.

La conformazione a pezzatura variabile ha la precisa funzione di ottenere il miglior riempimento possibile di tutti gli spazi vuoti che si formano tra i vari materiali inerti. Allo stesso modo, il “nanocalcestruzzo metallico” possiede caratteristiche granulometriche studiate in modo preciso (in particolare granulometria differenziata), che garantiscono il migliore riempimento possibile e la più grande superficie di contatto tra nanogranuli. The variable size conformation has the precise function of obtaining the best possible filling of all the empty spaces that form between the various inert materials. In the same way, the “metallic nano-concrete” has precisely studied particle size characteristics (in particular differentiated particle size), which guarantee the best possible filling and the largest contact surface between nano granules.

Nel calcestruzzo per l'edilizia il legante impiegato è il cemento idraulico: a contatto con l’acqua il cemento idraulico reagisce e solidifica generando una forte azione adesiva. In concrete for construction, the binder used is hydraulic cement: in contact with water, the hydraulic cement reacts and solidifies, generating a strong adhesive action.

Nel “nanocalcestruzzo metallico” il legante è costituito da altre nanoparticelle metalliche che una volta raggiunta la temperatura di esercizio che si trova nello strato roccioso caldo e profondo si ammorbidisce e lega le prime nanoparticelle metalliche anche attraverso l’azione della pressione esercitata in fase di iniezione. L’acqua presente nel “nanocalcestruzzo metallico” evapora per effetto del calore. Mentre nel calcestruzzo cementizio la presenza del legante è fondamentale, nel “nanocalcestruzzo metallico” non lo è, poiché l’attrito esercitato dalle prime nanoparticelle metalliche e la grande capacità che queste hanno di agglomerarsi in modo indissolubile (data l’estrema irregolarità di forma). In the "metal nanocecrete" the binder is made up of other metal nanoparticles which, once the operating temperature found in the hot and deep rocky layer is reached, softens and binds the first metal nanoparticles also through the action of the pressure exerted during the injection phase . The water present in the "metallic nano-concrete" evaporates due to the effect of heat. While the presence of the binder is fundamental in cementitious concrete, it is not essential in the "metallic nanoceccrete", since the friction exerted by the first metallic nanoparticles and the great ability they have to agglomerate indissolubly (given the extreme irregularity of shape) .

Data la granulometria variabile delle prime nanoparticelle metalliche, data l’assenza di materiale cementizio come legante, data la possibile presenza di un legante costituito da seconde nanoparticelle metalliche progettato per fondere alle temperature che si troveranno in profondità, questo materiale può essere “nanocalcestruzzo metallico non-cementizio”. Given the variable particle size of the first metal nanoparticles, given the absence of cementitious material as a binder, given the possible presence of a binder made up of second metal nanoparticles designed to melt at temperatures that will be found in depth, this material can be "non-metallic nanoceccrete. - cement ".

Per riempire le fratture ottenute dalla fratturazione del terreno geotermale in profondità (roccia di tipo magmatico, metamorfico, ...) con un materiale che garantisca un migliore flusso termico si usa un materiale metallico che ha conduttività termica superiore a quella dell’ambiente circostante, ossia delle rocce. Il materiale iniettato sarà, quindi, metallico ed altamente termoconduttivo. To fill the fractures obtained from the fracturing of the geothermal soil in depth (magmatic, metamorphic rock, ...) with a material that guarantees a better thermal flow, a metallic material is used that has a thermal conductivity higher than that of the surrounding environment, that is, of the rocks. The injected material will therefore be metallic and highly thermally conductive.

Tra i metalli a più alto grado di termoconduttività vi è il rame con 390W/m-K (Watt per metro/Kelvin). Altri materiali più economici anche se non altrettanto efficienti sono l’alluminio (236W/m-K), alcune leghe del rame quali l’ottone (111 W/m-K), il ferro (80 W/m-K). Among the metals with the highest degree of thermal conductivity there is copper with 390W / m-K (Watts per meter / Kelvin). Other cheaper materials although not as efficient are aluminum (236W / m-K), some copper alloys such as brass (111 W / m-K), iron (80 W / m-K).

Per ottenere la migliore trasmissione possibile del calore all’interno delle fratture nelle rocce geotermiche è necessario raggiungere anche la più alta densità possibile del materiale iniettato. To obtain the best possible heat transmission within the fractures in geothermal rocks, it is also necessary to achieve the highest possible density of the injected material.

Allo scopo si intende usare un “nanofluido” ovvero un fluido composto da un liquido di sospensione (acqua) e nanoparticelle di metalli altamente termoconduttivi. For this purpose we intend to use a "nanofluid" or a fluid composed of a suspension liquid (water) and highly thermally conductive metal nanoparticles.

Le nanoparticelle prendono il loro nome dalle loro dimensioni estremamente ridotte. Nanoparticles get their name from their extremely small size.

Un nanometro equivale ad un miliardesimo di metro, o un milionesimo di millimetro. Al fine di ottenere il massimo livello di densità verrà adottato un nanoconglomerato multi-granulare, altrimenti detto “nanocalcestruzzo". One nanometer equals one billionth of a meter, or one millionth of a millimeter. In order to obtain the maximum level of density, a multi-granular nanoconglomerate, otherwise known as "nanocecrete", will be adopted.

Il materiale multigranulare è composto da particelle di diametro diverso. The multigranular material is composed of particles of different diameters.

I diametri delle particelle possono essere selezionati in base ad un preciso calcolo che stabilisce la “curva granulometrica” che garantisce il miglior livello di densità possibile. The diameters of the particles can be selected on the basis of a precise calculation that establishes the "granulometric curve" which guarantees the best possible density level.

II nanocalcestruzzo contiene un legante costituito da nanoparticelle di metallo, che fonderanno esattamente alla temperatura di esercizio degli strati geotermali. The nano-concrete contains a binder consisting of metal nanoparticles, which will melt exactly at the operating temperature of the geothermal layers.

Una volta arrivato in profondità, infatti, il materiale legante (ossia le seconde nanoparticelle) fonde infiltrandosi nei vuoti lasciati liberi dalle nano particelle (ossia le prime nanoparticelle). L’alta pressione di iniezione permette di raggiungere un'elevata libertà di circolazione del legante tra i vuoti, una volta raggiunto il punto di fusione. Once it reaches the depth, in fact, the binding material (i.e. the second nanoparticles) melts by infiltrating the voids left free by the nano particles (i.e. the first nanoparticles). The high injection pressure allows to reach a high freedom of circulation of the binder between the voids, once the melting point is reached.

Una volta in esercizio, la temperatura del nanocalcestruzzo tenderà ad abbassarsi a seguito, tra l’altro, del transito del calore raccolto e, di conseguenza, il legante ritornerà allo stato solido, aderendo alle nanoparticelle e conferendo solidità e capacità antidilavamento alla struttura. Once in operation, the temperature of the nano-concrete will tend to drop as a result, among other things, of the transit of the heat collected and, consequently, the binder will return to the solid state, adhering to the nanoparticles and giving solidity and anti-washout capacity to the structure.

Materiali adatti per il legante (ossia le seconde nanoparticelle) sono, ad esempio, il piombo e lo zinco. Suitable materials for the binder (i.e. the second nanoparticles) are, for example, lead and zinc.

Occorre anche dire che la presenza del materiale legante non è necessaria in quelle applicazioni dove non sia necessario mantenere un fattore di forma; ad esempio nei campi geotermali “secchi”, dove non vi è circolazione di vapore acqueo tra le rocce, l'agglomerazione delle nano particelle e la loro adesione alle pareti rocciose è sufficiente a tenere in forma la infiltrazione di materiale dopo che la pressione di iniezione è finita. It must also be said that the presence of the binder material is not necessary in those applications where it is not necessary to maintain a form factor; for example in "dry" geothermal fields, where there is no circulation of water vapor between the rocks, the agglomeration of nano particles and their adhesion to the rock walls is sufficient to keep the infiltration of material in shape after the injection pressure it's over.

E’ possibile anche operare il riempimento con un nano fluido metallico avente particelle metalliche di diametro identico cioè "monogranulare”. Questa soluzione può essere adottata dove il fattore costi è rilevante. Un materiale monogranulare è, infatti, meno costoso perché il processo produttivo non prevede l'aggiunta di particelle più piccole e non prevede una fase di miscelazione proporzionale secondo una curva granulometrica. It is also possible to fill with a metallic nano fluid having metal particles of identical diameter, that is "monogranular". This solution can be adopted where the cost factor is relevant. A monogranular material is, in fact, less expensive because the production process does not foresee the addition of smaller particles and does not require a proportional mixing phase according to a granulometric curve.

Un conglomerato composto da elementi di diametro diverso, invece, (ovvero dal diametro pari allo spazio lasciato dagli elementi del grado superiore), tende a costiparsi riempiendo i vuoti in modo prossimo al 99,9% ottenendo un livello di densità media superiore ed una più vasta superficie di contatto tra i singoli nanogranuli. A conglomerate composed of elements of different diameters, on the other hand, (i.e. with a diameter equal to the space left by the elements of the higher grade), tends to become compacted by filling the voids close to 99.9%, obtaining a higher average density level and a more large contact surface between the individual nanogranules.

E’ bene chiarire che il metodo descritto in precedenza può essere implementato con materiali ad elevata conducibilità termica di vario genere e non solamente con quelli appena descritti. Ad esempio si potrebbe utilizzare un materiale a base metallica (contenente particelle o nano particellemetalliche) ma con un legante chimico, ad esempio una resina preferibilmente epossidica. Nei nanoconglomerati resinosi il legante mantiene la sua liquidità per un certo periodo di tempo il che permette l'applicazione; una volta indurito il materiale assume caratteristiche di solidità strutturale proprie dei materiali che lo compongono. It should be clarified that the method described above can be implemented with materials with high thermal conductivity of various kinds and not only with those just described. For example, a metal-based material (containing metal particles or nano particles) could be used but with a chemical binder, for example a preferably epoxy resin. In resinous nanoconglomerates the binder maintains its liquidity for a certain period of time which allows application; once hardened, the material assumes characteristics of structural solidity typical of the materials that compose it.

Nei nanoconglomerati integralmente metallici il materiale legante, costituito da nanoparticelle metalliche, contenuto nella sospensione acquosa fonde assumendo lo stato liquido, e si infiltra nei vuoti presenti tra le altre nanoparticelle metalliche; una volta raffreddato il materiale legante ritorna solido garantendo stabilità strutturale all’applicazione ed imprigionando le particelle metalliche. In integrally metal nanoconglomerates, the binder material, consisting of metal nanoparticles, contained in the aqueous suspension melts into the liquid state, and infiltrates the voids present among the other metal nanoparticles; once cooled, the binder material returns solid ensuring structural stability to the application and trapping the metal particles.

SISTEMA di ESTRAZIONE di CALORE GEOTERMICO GEOTHERMAL HEAT EXTRACTION SYSTEM

In precedenza si è parlato di un “pozzo primario”, ossia di un pozzo termoestrattore per l'inserimento di un sistema di estrazione di calore che raggiunge strati rocciosi caldi che si trovano in profondità in corrispondenza del campo geotermale. Previously we talked about a "primary well", that is a thermo-extractor well for the insertion of a heat extraction system that reaches hot rock layers that are located in depth in correspondence with the geothermal field.

Una possibile e vantaggiosa forma di realizzazione di un tale sistema di estrazione di calore verrà descritta nel seguito con riferimento a Fig.4 e di Fig.5. A possible and advantageous embodiment of such a heat extraction system will be described below with reference to Fig.4 and Fig.5.

In Fig.4, si vede un pozzo 1 derivante da una trivellazione (cilindrica e sostanzialmente verticale) in cui è inserito un esempio di realizzazione di un sistema 2 di estrazione di calore. In superficie, sul terreno, si trovano un insieme 3 di macchine collegate al sistema 2 ed atte a trasformare il calore estratto dal sistema 2 prima in energia meccanica e poi in energia elettrica; come risulterà più chiaro nel seguito, l’insieme 3 corrisponde alla sezione di trasformazione di un impianto geotermico. Si nota che, in questa figura, il sistema 2 non raggiunge esattamente l’estremo inferiore, ossia il fondo, del pozzo 1 e non raggiunge esattamente l'estremo superiore del pozzo 1 ; ciò non è particolarmente rilevante in questa sede. In Fig.4, we see a well 1 deriving from a drilling (cylindrical and substantially vertical) in which an embodiment example of a heat extraction system 2 is inserted. On the surface, on the ground, there are a set 3 of machines connected to the system 2 and suitable for transforming the heat extracted from the system 2 first into mechanical energy and then into electrical energy; as will become clearer below, set 3 corresponds to the transformation section of a geothermal plant. It is noted that, in this figure, system 2 does not exactly reach the lower end, ie the bottom, of well 1 and does not exactly reach the upper end of well 1; this is not particularly relevant here.

E’ bene subito chiarire che Fig.4 non è in scala (in particolare la larghezza è stata aumentata rispetto alla altezza) ed è molto semplificata; ciò è stato fatto per facilitare la leggibilità del disegno. It is good to immediately clarify that Fig. 4 is not to scale (in particular the width has been increased compared to the height) and is very simplified; this was done to facilitate the legibility of the drawing.

In corrispondenza del fondo del pozzo 1, al suo esterno, vi è uno strato 4 di rocce molto calde, ad esempio ad una temperatura di 300-450 °C. At the bottom of the well 1, outside it, there is a layer 4 of very hot rocks, for example at a temperature of 300-450 ° C.

In corrispondenza del fondo del pozzo 1, al suo interno, vi è un bulbo 5 del sistema 2 che è cilindrico e cavo; il bulbo 5 è, per quanto possibile, in contatto con le rocce calde dello strato 4; il bulbo 5 collegato ad un primo condotto 6 e ad un secondo condotto 7; entrambi i condotti 6 e 7 si trovano all’interno del pozzo 1, in particolare sostanzialmente paralleli, e sono circondati da mezzi di isolamento termico che li isolano termicamente tra loro e da terreno (nella parte superficiale del pozzo 1) e da rocce (nella parte profonda del pozzo 1). At the bottom of the well 1, inside it, there is a bulb 5 of the system 2 which is cylindrical and hollow; the bulb 5 is, as far as possible, in contact with the hot rocks of the layer 4; the bulb 5 connected to a first conduit 6 and to a second conduit 7; both ducts 6 and 7 are located inside the well 1, in particular substantially parallel, and are surrounded by thermal insulation means that thermally insulate them from each other and from the ground (in the superficial part of the well 1) and from rocks (in the deep part of the well 1).

I mezzi di isolamento termico corrispondono essenzialmente a due lunghi strati 81 di ghiaia o sabbia. Tuttavia, in aggiunta, sono stati previsti tre brevi strati 82 di materiale sigillante: uno vicino al bulbo 5, uno vicino alla superficie del pozzo 1 ed uno intermedio; in altre parole gli strati sigillanti si alternano agli strati isolanti; naturalmente, il numero e la dimensione degli strati dipende dalla particolare realizzazione del sistema, anche se è vantaggioso prevedere almeno uno strato sigillante in superficie e/o uno strato sigillante sul fondo. Come già detto, Fig.4 mostra un esempio di realizzazione semplificato; più realìsticamente, 100 metri di mezzi di isolamento termico comprendono ad esempio una decina di strati di materiale sigillante dello spessore di 1-3 metri che quindi risultano distanziati tra loro da strati di materiale isolante dello spessore di 9-7 metri; l'ultimo tratto del pozzo, ad esempio gli ultimi 100 metri, è vantaggiosamente riempito interamente di materiale sigillante; un materiale sufficientemente sigillante e sufficientemente economico è il calcestruzzo. The thermal insulation means essentially correspond to two long layers 81 of gravel or sand. However, in addition, three short layers 82 of sealing material have been provided: one close to the bulb 5, one close to the surface of the well 1 and an intermediate one; in other words, the sealing layers alternate with the insulating layers; of course, the number and size of the layers depends on the particular embodiment of the system, even if it is advantageous to provide at least one sealing layer on the surface and / or a sealing layer on the bottom. As already said, Fig.4 shows a simplified example of embodiment; more realistically, 100 meters of thermal insulation means comprise for example a dozen layers of sealing material with a thickness of 1-3 meters which are therefore spaced apart by layers of insulating material with a thickness of 9-7 meters; the last section of the well, for example the last 100 meters, is advantageously filled entirely with sealing material; a sufficiently sealing and sufficiently cheap material is concrete.

L’insieme del condotto 6, del bulbo 5 e del condotto 7 costituisce un circuito idraulico chiuso atto alla circolazione di un fluido per trasporto di calore; tale fluido viene immesso nel condotto 6 in superficie a bassa temperatura (ad esempio 150-300°C), scende lungo il condotto 6, entra nel bulbo 5; circola nel bulbo 5 e quindi si scalda ad una temperatura vicina a quella dello strato 4 (ad esempio 300-450°C), esce dal bulbo 5, sale lungo il condotto 7 ed esce dal condotto 7 in superficie ad alta temperatura; se i mezzi dì isolamento termico sono ben fatti, il fluido non perderà molta temperatura da quando esce dal bulbo 5 a quando esce dal condotto 7 in superficie; tale perdita potrebbe essere ad esempio di 10-20°C. In Fig.4, il bulbo 5 ed mezzi di isolamento 81 e 82 sono perfettamente cilindrici, allineati e del medesimo diametro, ed occupano esattamente lo spazio cilindrico del pozzo 1; in altre parole, il diametro del pozzo, il diametro del bulbo 5 ed il diametro dei mezzi di isolamento 81 e 82 sono uguali. The whole of the duct 6, the bulb 5 and the duct 7 constitutes a closed hydraulic circuit suitable for the circulation of a fluid for heat transport; this fluid is introduced into the duct 6 on the surface at a low temperature (for example 150-300 ° C), goes down along the duct 6, enters the bulb 5; it circulates in the bulb 5 and then heats up to a temperature close to that of the layer 4 (for example 300-450 ° C), exits the bulb 5, rises along the duct 7 and exits the duct 7 on the surface at a high temperature; if the thermal insulation means are well made, the fluid will not lose much temperature from when it leaves the bulb 5 to when it leaves the duct 7 on the surface; this loss could be, for example, 10-20 ° C. In Fig.4, the bulb 5 and the insulating means 81 and 82 are perfectly cylindrical, aligned and of the same diameter, and occupy exactly the cylindrical space of the well 1; in other words, the diameter of the well, the diameter of the bulb 5 and the diameter of the insulation means 81 and 82 are the same.

Naturalmente, nella realtà tale situazione ideale non si verifica. Il pozzo 1 deriva da una trivellazione che tipicamente avviene in parte in terreno ed in parte in rocce e quindi non può essere perfettamente cilindrico; tra l’altro, se il pozzo attraversa strati di terreno sarà probabilmente necessario effettuare un scavo assai maggiore del pozzo e realizzare una fodera, realizzata tipicamente in forma di rivestimento della parete del pozzo, ad esempio in calcestruzzo e/o in lastra metallica, per contenere il terreno e permettere la continuazione della trivellazione e l'inserimento di un sistema 2. Il bulbo 5, per poter scendere lungo il pozzo 1, avrà tipicamente un diametro un po’ inferiore a quello del pozzo, ad esempio fino al 20% inferiore; alla luce di tale considerazione, è da prevedere che tra il bulbo 5 e la parete interna del pozzo 1 , nello spazio che rimane, venga posto del materiale ad elevata conducibilità termica (vantaggiosamente dei tipi descritti nel paragrafo precedente) per ottenere una buona efficienza termica e resa del sistema 2. I mezzi di isolamento 81 e 82, per come saranno tipicamente realizzati, andranno a riempire interamente il pozzo 1 e quindi, pur non essendo perfettamente cilindrici avranno dimensioni, in particolare diametro, pressoché uguali a quelle del pozzo. Questa soluzione è stata studiata per geotermia ad alta entalpia; pertanto, il pozzo I raggiunge strati rocciosi molto caldi, ad esempio ad una temperatura di 300-450°C; strati di questo tipo si trovano in genere ad un profondità variabile tra 500 m e 3500 m, a seconda della zona geografica; la lunghezza dei mezzi di isolamento termico sarà quindi circa pari a quella del pozzo meno la lunghezza del bulbo che, come si spiegherà meglio in seguito, sarà tipicamente di 10-100 m. II bulbo è fatto in modo tale da assorbire molto calore dalle rocce circostanti e cederlo efficacemente al fluido che circola al suo interno; dettagli del bulbo 5 di Fig.4 sono mostrati in Fig.5 e verranno descritti nel seguito con riferimento a tale figura. Of course, in reality this ideal situation does not occur. Well 1 derives from drilling which typically takes place partly in the ground and partly in rocks and therefore cannot be perfectly cylindrical; among other things, if the well crosses layers of soil it will probably be necessary to excavate much more than the well and create a lining, typically made in the form of a lining of the well wall, for example in concrete and / or metal plate, to contain the soil and allow the continuation of drilling and the insertion of a system 2. The bulb 5, in order to descend along the well 1, will typically have a diameter a little less than that of the well, for example up to 20% less ; in light of this consideration, it is to be envisaged that between the bulb 5 and the internal wall of the well 1, in the space that remains, a material with high thermal conductivity (advantageously of the types described in the previous paragraph) is placed in order to obtain a good thermal efficiency and yield of the system 2. The insulation means 81 and 82, as they will typically be made, will completely fill the well 1 and therefore, although not perfectly cylindrical, they will have dimensions, in particular diameter, almost equal to those of the well. This solution has been studied for high enthalpy geothermal; therefore, well I reaches very hot rock layers, for example at a temperature of 300-450 ° C; strata of this type are generally found at a depth varying between 500 m and 3500 m, depending on the geographical area; the length of the thermal insulation means will therefore be approximately equal to that of the well minus the length of the bulb which, as will be explained better later, will typically be 10-100 m. The bulb is made in such a way as to absorb a lot of heat from the surrounding rocks and effectively transfer it to the fluid that circulates inside it; details of the bulb 5 of Fig.4 are shown in Fig.5 and will be described in the following with reference to this figure.

Il bulbo 5 è sostanzialmente cilindrico; in particolare, superiormente presenta una calotta per favorire il convogliamento del fluido caldo nel condotto 7 di salita; esso è cavo e presenta una cavità 9 interna atta fare circolare il fluido per trasporto di calore; la cavità 9 è in comunicazione con il condotto 6 di discesa del fluido e con il condotto 7 di salita del fluido; il condotto 6 è collegato ad un condotto 10 centrale atto a condurre il fluido (freddo) in una zona 11 interna del bulbo 5 ad un suo estremo inferiore; il condotto 10 (assieme alle pareti perimetrali del bulbo 5) definisce quindi nella cavità 9 una zona 12 anulare compresa tra la zona 11 estrema inferiore ed una zona 13 estrema superiore (nell’esempio di Fig.5 all’interno della calotta); nella la zona 12 avviene la salita del fluido ed il suo riscaldamento del fluido per effetto del contatto con le pareti perimetrali del bulbo 5; come risulterà più chiaro dal seguito, nella zona 12 avvengono vari tipi di moto del fluido, tra cui moti convettivi naturali e moti turbolenti indotti. The bulb 5 is substantially cylindrical; in particular, it has a cap at the top to facilitate the conveyance of the hot fluid into the rising duct 7; it is hollow and has an internal cavity 9 suitable for circulating the fluid by transporting heat; the cavity 9 is in communication with the fluid descent conduit 6 and with the fluid ascent conduit 7; the duct 6 is connected to a central duct 10 adapted to conduct the (cold) fluid in an internal area 11 of the bulb 5 to its lower end; the duct 10 (together with the perimeter walls of the bulb 5) therefore defines in the cavity 9 an annular area 12 between the extreme lower area 11 and an extreme upper area 13 (in the example of Fig.5 inside the shell); in the zone 12 the rising of the fluid and its heating of the fluid take place due to the effect of the contact with the perimeter walls of the bulb 5; as will become clearer from the following, various types of fluid motion occur in zone 12, including natural convective motions and induced turbulent motions.

Nella zona 11, è montato un rimescolatore 14 rotante passivo. Esso è suddiviso fondamentalmente in due parti; la parte centrale è una girante atta a riceve il fluido proveniente dal condotto 10 ed a fare ruotare l’intero rimescolatore 14 per effetto della pressione esercitata dal fluido sulle sue palette; la parte periferica serve ad impartire un moto turbinante e turbolento al fluido; in particolare, la parte periferica comprende una pluralità di coppette forate montate su una fascia perimetrale della parte centrale - la forma può sembrare quella di un anemometro, ma l’effetto sul fluido è ben diverso. Il fluido proveniente dal condotto 10 attraversa la parte centrale del rimescolatore 14 e, in tal modo provoca la sua rotazione; oltrepassato il rimescolatore 14, il fluido viene a contatto con la parete inferiore interna del bulbo 5 ed inverte il suo moto, ma a causa di una particolare conformazione di tale parete viene anche deviato radialmente e quindi sale in corrispondenza della parte periferica del rimescolatore 14; in tal moto di salita, il fluido viene intercettato dagli elementi rotanti forati della parte periferica del rimescolatore 14 che impartiscono al moto una componente turbinante; inoltre, utilizzando elementi forati, si creano anche dei moti turbolenti e convettivi (per "effetto Venturi”). Il rimescolatore 14 è detto “passivo” in quanto non necessita di alcun tipo di motore per operare, ma sfrutta semplicemente l’energia cinetica del fluido che deve rimescolare. In the zone 11, a passive rotating scrambler 14 is mounted. It is basically divided into two parts; the central part is an impeller designed to receive the fluid coming from the duct 10 and to make the entire mixer 14 rotate due to the pressure exerted by the fluid on its vanes; the peripheral part serves to impart a swirling and turbulent motion to the fluid; in particular, the peripheral part includes a plurality of perforated cups mounted on a perimeter band of the central part - the shape may seem that of an anemometer, but the effect on the fluid is quite different. The fluid coming from the duct 10 passes through the central part of the remixer 14 and, in this way, causes its rotation; after passing the remixer 14, the fluid comes into contact with the lower internal wall of the bulb 5 and reverses its motion, but due to a particular conformation of this wall it is also radially deviated and therefore rises in correspondence with the peripheral part of the remixer 14; in this upward motion, the fluid is intercepted by the perforated rotating elements of the peripheral part of the remixer 14 which impart a swirling component to the motion; moreover, by using perforated elements, turbulent and convective motions are also created (due to the "Venturi effect"). The mixer 14 is called "passive" as it does not need any type of motor to operate, but simply exploits the kinetic energy of the fluid to be remixed.

E’ evidente che vi sarebbe trasferimento di calore tra le pareti perimetrali del bulbo 5 ed il fluido che sale nella zona 12 anulare intermedia anche se non si utilizzasse un rimescolatore nella zona 11 estrema inferiore; tuttavia, grazie ad un tale dispositivo, l’efficienza del trasferimento termico è di molto aumentata poiché si favorisce un riscaldamento uniforme di tutto il fluido che esce dal condotto 10. I condotti 6 e 7 terminano entrambi in corrispondenza della parete superiore del bulbo 5, che nel caso deH’esempìo di Fig.5 ha forma di calotta; quindi, in tal modo, il collegamento di tali condotti e del bulbo può essere realizzato senza l’uso di componenti che sporgano radialmente rispetto al bulbo; ne deriva che il diametro del pozzo dipende solo dal diametro del bulbo (e naturalmente dal tipo di terreno e rocce in cui si effettua la perforazione) e non dalle dimensioni di altri elementi. It is evident that there would be heat transfer between the perimeter walls of the bulb 5 and the fluid that rises in the intermediate annular area 12 even if a scrambler was not used in the extreme lower area 11; however, thanks to such a device, the efficiency of the thermal transfer is greatly increased since uniform heating of all the fluid exiting from the duct 10 is favored. The ducts 6 and 7 both terminate at the upper wall of the bulb 5, which in the case of the example of Fig. 5 has the shape of a cap; therefore, in this way, the connection of these ducts and the bulb can be made without the use of components that protrude radially with respect to the bulb; it follows that the diameter of the well depends only on the diameter of the bulb (and of course on the type of soil and rocks in which the drilling is carried out) and not on the size of other elements.

Preferibilmente, l’asse del condotto 6 coincide con l’asse del bulbo 5 in modo tale da ottenere la maggior potenza di caduta possibile. Preferably, the axis of the duct 6 coincides with the axis of the bulb 5 in such a way as to obtain the greatest possible fall power.

Il bulbo da utilizzare per la presente invenzione ha tipicamente un diametro compreso tra 1 m e 2 m. Per quanto riguarda la lunghezza del bulbo, si ha una maggior variabilità e tipicamente tra 10 m e 100 m; infatti, questa dipende dalla temperatura delle rocce dello strato roccioso con il quali viene messo a contatto, dallo spessore di tale strato roccioso, dalla quantità di calore che si desidera estrarre da tale strato roccioso. In senso relativo, il bulbo ha tipicamente un rapporto tra lunghezza e diametro compreso tra 10 e 100. Il diametro del condotto interno è tipicamente compreso tra 25 cm e 60 cm. Il bulbo è vantaggiosamente fatto di materiale metallico, in particolare rame, leghe di rame o acciaio; il bulbo può anche essere realizzato da più strati sovrapposti di materiale. The bulb to be used for the present invention typically has a diameter between 1 m and 2 m. As regards the length of the bulb, there is a greater variability and typically between 10 m and 100 m; in fact, this depends on the temperature of the rocks of the rocky layer with which it is brought into contact, on the thickness of this rocky layer, on the quantity of heat that is desired to extract from this rocky layer. In a relative sense, the bulb typically has a length to diameter ratio between 10 and 100. The diameter of the internal duct is typically between 25 cm and 60 cm. The bulb is advantageously made of metallic material, in particular copper, copper alloys or steel; the bulb can also be made from several superimposed layers of material.

Al fine di proteggere il bulbo dagli agenti corrosivi presenti in profondità è vantaggioso che esso sia ricoperto esternamente da uno strato di protezione; il materiale di tale strato di protezione sarà tipicamente materiale ceramico compatto e resistente, come ad esempio il “grès”, in particolare il “grès porcellanato a tutta massa”; lo spessore di tale strato di protezione può essere di 1-5 cm e dipende dalle condizioni sul fondo del pozzo. Tale strato di protezione può anche essere armato con rete metallica, possibilmente acciaio, singola o doppia, per aumentarne la resistenza, ad esempio in caso di bulbi di grandi dimensione e/o sottoposti a temperature particolarmente elevate. In order to protect the bulb from corrosive agents present in depth, it is advantageous that it is externally covered with a protective layer; the material of this protective layer will typically be compact and resistant ceramic material, such as "stoneware", in particular "full body porcelain stoneware"; the thickness of such a protective layer can be 1-5 cm and depends on the conditions at the bottom of the well. This protection layer can also be reinforced with metal mesh, possibly steel, single or double, to increase its resistance, for example in the case of large bulbs and / or subjected to particularly high temperatures.

I due condotti 6 e 7 possono avere diametri diversi per compensare le perdite di carico introdotte dal bulbo e la dilatazione del fluido causata dal suo riscaldamento. Per regolare la circolazione del fluido nel circuito del sistema 2 è tipicamente necessario un dispositivo di pompaggio, eventualmente controllato elettronicamente, in modo tale da avere all'uscita del condotto 7 una pressione ed una velocità che ricadano in intervalli predeterminati. The two ducts 6 and 7 can have different diameters to compensate for the pressure drops introduced by the bulb and the expansion of the fluid caused by its heating. To regulate the circulation of the fluid in the circuit of the system 2, a pumping device, possibly electronically controlled, is typically required in such a way as to have at the outlet of the duct 7 a pressure and a speed that fall within predetermined intervals.

La velocità nel bulbo, e più in generale nel circuito, sarà tipicamente nell'intervallo da 0,5 m/s a 10 m/s, quindi relativamente alta. La pressione nel circuito, e nel bulbo in particolare, sarà tipicamente molto alta; tenendo conto che per ogni 100 m di pozzo si crea una pressione idrostatica di circa 10 atm, nel caso di un pozzo di 3000 m si avrà nel bulbo una pressione di almeno 300 atm. The speed in the bulb, and more generally in the circuit, will typically be in the range from 0.5 m / s to 10 m / s, therefore relatively high. The pressure in the circuit, and in the bulb in particular, will typically be very high; taking into account that for every 100 m of well a hydrostatic pressure of about 10 atm is created, in the case of a well of 3000 m there will be a pressure of at least 300 atm in the bulb.

Si possono adottare altre misure per l’efficienza del trasferimento termico, le quali possono essere usate in alternativa o vantaggiosamente in combinazione con un rimescolatore inferiore. Other measures can be adopted for the efficiency of the thermal transfer, which can be used alternatively or advantageously in combination with a lower remixer.

Una prima misura che può essere usata con successo per favorire il trasferimento termico dalle pareti perimetrali del bulbo al fluido che circola al suo interno sono elementi, in particolare alette o lamelle, sporgenti verso l'interno del bulbo ed atti ad aumentare la superficie di trasferimento termico con il fluido; tali elementi, fatti tipicamente di materiale buon conduttore termico, possono essere integrati nelle pareti perimetrali del bulbo oppure essere semplicemente appoggiati a queste in modo tale da trasmettere rapidamente calore per conduzione fino a zone interne della cavità del bulbo dove fluisce fluido. A first measure that can be used successfully to favor the thermal transfer from the perimeter walls of the bulb to the fluid that circulates inside it are elements, in particular fins or blades, protruding towards the inside of the bulb and able to increase the transfer surface. thermal with fluid; these elements, typically made of good thermal conducting material, can be integrated into the perimeter walls of the bulb or simply be placed on them in such a way as to rapidly transmit heat by conduction to internal areas of the bulb cavity where fluid flows.

Tali sporgenze possono essere vantaggiosamente realizzate mediante un tratto di tubo cilindrico infilato all’interno del bulbo 5 in modo tale da essere a contato con le pareti perimetrali del bulbo 5; al lato interno del tubo sono unite una pluralità di lamelle disposte radialmente e che si estendono fino ad una predeterminata distanza dall’asse del tubo; tale distanza è in funzione del diametro del condotto 10 interno (non vi è contatto tra lamelle e tubo); per aumentare la densità delle lamelle (e quindi la superficie di scambio termico), queste sono di lunghezze diverse; in particolare, si possono alternare una lamella corta ed una lamella lunga; si realizza, in tal modo, un elemento lamellare; tubo e lamelle sono fatte tipicamente di materiale buon conduttore termico, preferibilmente rame. These protrusions can be advantageously made by means of a section of cylindrical tube inserted inside the bulb 5 in such a way as to be in contact with the perimeter walls of the bulb 5; to the inner side of the tube are joined a plurality of lamellae arranged radially and which extend up to a predetermined distance from the axis of the tube; this distance is a function of the diameter of the internal duct 10 (there is no contact between the lamellae and the pipe); to increase the density of the lamellae (and therefore the heat exchange surface), these are of different lengths; in particular, a short and a long lamella can be alternated; in this way, a lamellar element is formed; tube and lamellae are typically made of good heat conducting material, preferably copper.

Le lamelle o alette di elementi lamellari possono avere superfici di tipo diverso: liscia, scanalata, bugnata (ossia contenente una pluralità di sporgenze affiancate in particolare a forma di semisfera o semiellissoide), a “microcrateri” (ossia contenente una pluralità di rientranze affiancate in particolare a forma di semisfera o semiellissoide) e mista; le diverse superfici hanno rendimenti di scambio termico e costi realizzativi diversi; le superfici miste (e quindi molto variegate) sono le più efficienti perché espongono un’area superficiale maggiore ma sono anche le più costose perché prevedono la presenza di tutte le lavorazioni meccaniche in un solo prodotto. Se si usa una superficie a "microcrateri” si ottiene un incremento di 2/3 della superficie esposta a parità di superficie piana. Una superficie a '‘microcrateri”, ad esempio del diametro di 0,1-0,01 mm, può essere vantaggiosamente realizzata mediante proiezione ad alta velocità di flussi micronebulizzati di soluzioni acide. The lamellae or fins of lamellar elements can have surfaces of different types: smooth, grooved, embossed (ie containing a plurality of side-by-side projections in particular in the shape of a hemisphere or semi-ellipsoid), with "microcraters" (ie containing a plurality of side-by-side recesses in detail in the shape of a hemisphere or semi-ellipsoid) and mixed; the different surfaces have different heat exchange yields and construction costs; mixed surfaces (and therefore very varied) are the most efficient because they expose a greater surface area but they are also the most expensive because they require the presence of all the mechanical processes in a single product. If a "microcrater" surface is used, an increase of 2/3 of the exposed surface is obtained with the same flat surface. A "microcrater" surface, for example with a diameter of 0.1-0.01 mm, can be advantageously carried out by high-speed projection of micro-atomized flows of acid solutions.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI 1. Metodo di preparazione di un campo geotermale comprendente le fasi di: A) realizzare almeno un pozzo che raggiunga strati rocciosi caldi del campo geotermale; B) creare fratture in detti strati rocciosi caldi mediante cariche esplosive all’interno di detto un o ciascun pozzo; C) infiltrare in dette fratture materiale ad elevata conducibilità termica in modo tale da riempirle; detto materiale essendo atto a fissarsi in dette fratture. CLAIMS 1. Method for preparing a geothermal field comprising the steps of: A) making at least one well that reaches hot rock layers of the geothermal field; B) create fractures in said hot rock layers by means of explosive charges within said one or each well; C) infiltrate said fractures with material with high thermal conductivity in such a way as to fill them; said material being able to fix itself in said fractures. 2. Metodo di preparazione secondo la rivendicazione 1, comprendente ulteriormente, dopo detta fase C, la fase di: D) riempire e sigillare detto un o ciascun pozzo. Preparation method according to claim 1, further comprising, after said step C, the step of: D) fill and seal said one or each well. 3. Metodo di preparazione secondo la rivendicazione 2, comprendente ulteriormente, dopo detta fase D, la fase di: E) realizzare un ulteriore pozzo per un sistema di estrazione di calore che raggiunga strati rocciosi caldi del campo geotermale; detto ulteriore pozzo essendo nelle vicinanze di detto un o ciascun pozzo. Preparation method according to claim 2, further comprising, after said step D, the step of: E) building an additional well for a heat extraction system that reaches hot rock layers of the geothermal field; said further well being in the vicinity of said one or each well. 4. Metodo di preparazione secondo la rivendicazione 3, in cui detta pluralità di pozzi si trova attorno ad detto ulteriore pozzo, in particolare in un'area a forma di corona circolare, a formare uno o più linee chiuse. 4. Preparation method according to claim 3, wherein said plurality of wells are located around said further well, in particular in an area shaped like a circular crown, to form one or more closed lines. 5. Metodo di preparazione secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detto ulteriore pozzo è un pozzo guida, e comprendente ulteriormente, dopo detta fase E, la fase di: F) realizzare un pozzo termo-estrattore per l'inserimento di un sistema di estrazione di calore che raggiunga strati rocciosi caldi del campo geotermale; detto pozzo termo-estrattore essendo sostanzialmente concentrico a detto pozzo guida. 5. Preparation method according to claim 3 or 4, wherein said further well is a guide well, and further comprising, after said step E, the step of: F) to create a thermo-extractor well for the insertion of a heat extraction system that reaches hot rocky layers of the geothermal field; said thermo-extractor well being substantially concentric to said guide well. 6. Metodo di preparazione secondo la rivendicazione 5, comprendente ulteriormente, dopo detta fase E e prima di detta fase F, le fasi di: creare fratture in detti strati rocciosi caldi mediante cariche esplosive all’interno di detto ulteriore pozzo; infiltrare in dette fratture materiale ad elevata conducibilità termica in modo tale da riempirle; detto materiale essendo atto a fissarsi in dette fratture. 6. Preparation method according to claim 5, further comprising, after said step E and before said step F, the steps of: creating fractures in said hot rock layers by means of explosive charges inside said further well; infiltrate said fractures with material with high thermal conductivity in such a way as to fill them; said material being able to fix itself in said fractures. 7. Metodo di preparazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette cariche esplosive per detta fase B sono poste in una pluralità di punti lungo detto un o ciascun pozzo. Method of preparation according to any one of the preceding claims, wherein said explosive charges for said phase B are placed in a plurality of points along said one or each well. 8. Metodo di preparazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase C comprende una pluralità di operazioni di infiltrazioni successive anche effettuate a profondità differenti. Preparation method according to any one of the preceding claims, wherein said step C comprises a plurality of successive infiltration operations also carried out at different depths. 9. Metodo di preparazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto materiale è un nanofluido comprendente nanoparticelle metalliche.Method of preparation according to any one of the preceding claims, wherein said material is a nanofluid comprising metal nanoparticles.
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