JP2010502860A

JP2010502860A - 深地下貯留槽内に分離された温室効果ガスを貯蔵する方法

Info

Publication number: JP2010502860A
Application number: JP2009526730A
Authority: JP
Inventors: ビー．カーレットハリー
Original assignee: Terrawatt Holdings Corp
Current assignee: Terrawatt Holdings Corp
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2010-01-28
Also published as: WO2008027506A2; EP2064135A2; WO2008027506A3; CA2661606A1; US20080112760A1; AU2007290460A1

Abstract

貯留槽が水圧で密閉され分離されるように十分な温度と圧力の組み合わせを達成するのに必要な最も浅い深さの岩の地下貯留槽に温室効果ガス、具体的にはＣＯ₂ガスを蓄積するシステム及び方法。深い岩層に達するために必要な深い抗井を掘削する経済的なプロセスを提供する粒子噴射掘削法が利用される。地下貯留槽は、岩層内の既存の節理の水圧拡張によって形成される。

Description

関連出願の相互参照
本特許出願は、２００６年９月１日に出願された米国仮特許出願第６０／８４１，８７５号から優先権を主張しまた参照によりこの米国仮特許出願第６０／８４１，８７５号の開示全体を含む。本特許出願は、２００４年６月２３日に出願された米国仮特許出願第６０／５８２，６２６号、２００５年２月７日に出願された米国仮特許出願第６０／６５０，６６７号、及び２００６年６月１日に出願された米国特許出願番号１０／５８１，６４８号の開示全体を参照により含む。本特許出願は、２００７年５月１６日に出願された米国仮特許出願６０／９３０，４０３号の優先順位を請求しまた参照によりこの米国仮特許出願６０／９３０，４０３号の開示全体を含む。

本発明は、分離した温室効果ガス（「ＧＨＧ」）の貯蔵に関し、より詳細には、粒子噴射掘削法による抗井作成（掘削）を利用する結晶質岩内の深地下貯留槽の開発に関するが、これに限定されない。

現在、大部分又は世界のエネルギー需要は、主に、石炭、石油、ガス等の化石燃料によって供給されている。その１つの理由は、経済的に採算の取れる代替エネルギー源が現在入手できないからである。残念ながら、化石燃料の使用は、特定のＧＨＧや他の有害物質の生成によって深刻な環境問題を引き起こすと考えられている。大気が「温室効果」のために暖まることがあり、これは、化石燃料を燃やすことによって、大気に放出される大量の二酸化炭素によって引き起こされることがある。長期的な温室効果の結果は、現在議論されている問題であり、そのような温室効果が長期的に保持された結果として、極氷冠の溶融や、極氷冠の溶融の結果起こる海面上昇と海岸都市の洪水、及び地球の砂漠化の増大が挙げられるかもしれない。温室効果による温暖化を示す証拠には、過去一世紀における大気の二酸化炭素含有量の増大や、大気温度の上昇傾向を示すような気象記録が挙げられる。これらの事実は、我々が自らの排気ガスに襲われる前に直ちに緩和対策を検討する必要性を指摘している。

これらのポイントの幾つかは、２００６年９月号用に２００６年８月又はその前後に公開された「A Plan To Keep Carbide In Check」と題するScientific Americanの論文に記載されより詳しく述べられている。Robert H.SocolowとStephen W.Pacalaによるこの論文内で、温室効果ガスの影響が扱われており、１９５６年〜２００６年のグラフに示されたような温室効果ガスの一定増加に対する解決策を得る重要性が述べられている。そのような研究と論文は、２００６年に広まった。実際に、アメリカ合衆国元副大統領Al Goreによる「An Inconvenient Truth... The Planetary Emergency of Global Warming and What We Can Do About It」と題する温室効果に関する書籍においても、そのような問題を指摘しており、地球の大気中におけるＣＯ₂レベルの増加の深刻さを示す他のデータを提供している。

温室効果を軽減する１つのアイディアは、枯渇油田やガス田のような地下にＣＯ₂を永久的に貯蔵することである。そのような方法は、米国特許第７，０４３，９２０号に開示されており、この特許は、燃焼ガスからＣＯ₂を収集し、収集したＣＯ₂を圧縮してガスを地球の地層に送り込む方法を開示しており、そのような地層には、海洋、深部帯水層、並びに枯渇した油層又はガス層、岩塩空洞、硫黄空洞、及び貯蔵用の硫黄ドーム等の多孔性地質層がある。

また、米国特許第６，６６８，５５４号（５５４’）には、地下貯留槽にＣＯ₂を貯蔵するアイディアが開示されている。この特許は、ＣＯ₂を深部岩層に貯蔵して地球温暖化の問題に取り組むことができることを開示している。

別の例としては、米国特許第６，６０９，８９５号（８９５’）が挙げられる。この特許は、濃密相ガス、具体的にはＣＯ₂を油又はガス貯留槽に送り込む方法を開示している。また、この特許は、貯蔵のためにＧＨＧを貯留槽又は水中に送ることを開示している。

また、別の例は、米国特許第６，５９８，４０７号が挙げられる。この特許は、ＣＯ₂を、液体ＣＯ₂、ＣＯ₂水和物、及び少なくとも７００〜１５００メートルの深さの海水の密度より大きい密度を有する水流に変換する方法を開示している。この混合物は、７００〜１５００メートルの深海で解放されると、底に沈んで安定し、また海洋水中の自由ＣＯ₂ガスの有害な影響を減少させる。この方法により、ＣＯ₂を効率的且つ永久的に貯蔵することができる。

これと関連したアイディアは、米国特許第５，６８５，３６２号（３６２’特許）に開示されている。この特許は、高温乾燥岩体貯留槽に水を送り込むことを伴う発電方法を開示している。この特許は、電力消費のオフピーク期間中に、後で使用するために水を貯留槽に貯蔵し、貯留槽の弾性を利用して再利用可能なこの水から電力を生成することを開示している。

２００１年２月１日付けのPaul PreussによるScience Beatの論文では、米国エネルギー省が、枯渇ガス田、採掘不可能な石炭層、及び深海水充填層中の分離ＣＯ₂ガスに焦点を当てたＧｅｏ−ＳＥＱとして知られる事業を開始したことが報告された。

２００１年６月５日付けのAnna Sallehによる「Forcing CO₂ underground 'unsustainable」と題するNews in Scienceの記事では、オーストラリアにおいて、Greenpeaceが、地球温暖化ガス排出を実質的に変化させる可能性を有する温室効果ガスの地下貯蔵機能を調査していると報告された。しかしながら、Greenpeaceは、これが長期的利点のはっきりしない高いコストの選択肢であるとも述べている。

２００２年９月１７日付けのM2 Communicationsにより公開されたCO2e.comで入手可能な記事では、英国の温室効果ガスの削減に関する研究として、二酸化炭素の捕獲と貯蔵の研究を含まれていることが報告された。この方法は、北海の枯渇油田とガス田にガスを貯蔵することを含む。この研究は、そのような作業を実行する技術の開発、そのような作業の法的意味、及び経済コストに焦点を当てている。また、エネルギー省大臣Brian Wilsonは、油田内にＣＯ₂を送り込むことにより実際に採掘可能な石油の量を増やすことができると述べている。

「JEFI: The UK carbon capture and storage consortium」と題するEngineering Physics and Sciences Research CouncilによるImperial College Londonへの譲与証書は、一番上に浸透性の低い岩の封止層のある砂岩等の多孔質貯留岩内にＣＯ₂を貯蔵するために１ｋｍ以上の深さまで特別な抗井を掘削する研究を開示している。代替として、海水を含む沖合の岸帯水層内にＣＯ₂を貯蔵することも検討される。被譲与者は、ＣＯ₂をそのような帯水層中に貯蔵する実現可能性、漏れが起こる可能性、及び海洋生態系への影響を研究しようとしている。

「Developing Effective Adsorbant Technology for the Capture of CO₂」と題するEngineering Physics and Sciences Research CouncilによるUniversity of Nottinghamへの別の譲与証書は、発電所生成からＣＯ₂ガスを捕獲するより経済的な方法の発見を目的とした研究を開示している。このUniversity of Nottinghamは、現在、多孔質構造を有する安定ポリマーからなる固体を使用してＣＯ₂ガスを閉じ込め、ＣＯ₂ガスを捕獲後に貯蔵するアイディアを追求している。ポリマーは、ポリマーに適合した穴構造を与えるために「ナノキャスティング」として知られる技術を使用して形成される。

現在、堆積岩層は、貯留槽に不可欠な多孔性と浸透性を自然に示すことが知られているので、ＧＨＧを貯蔵できる場所として広範囲に研究されている。堆積岩層に関して多くのことが知られているが、その情報のほとんどは、地層内に含まれる可能性のある石油、ガス又は水の生産と獲得に関するものである。ＧＨＧの永久貯蔵は、多孔性と浸透性を必要とするだけでなく、ＣＯ₂又はＧＨＧが地層から漏れるのを防ぐために地層が効果的に密閉されることを必要とする。この密閉は不可欠であり、従って、漏れがあると、そのような努力を追求する利点が否定されることになる。

岩層は、一般に、脆いと考えられており、即ち、機械的又は水圧式に応力を受けたときに脆性破壊する。堆積岩層は、例外でなく、脆い地層と考えられており、従って、過去と未来の両方で機械的に断層作用と断裂作用を生じる地殻応力の影響を受けやすい。堆積岩層のそのような脆性破壊の側面は、堆積岩層システムからのＧＨＧの漏れと浸出を生成する可能性を提供する。即ち、必要とされる多孔性、浸透性及び非漏れ封止システムを有する堆積岩層を見つけることはきわめて難しく、永久的にＣＯ₂及びＧＨＧを貯蔵するための実現可能な貯留槽と考えられる必要な全ての態様を有する場所はほとんどない。更に、そのような堆積岩層の脆性により、将来の地殻変動の力、石油とガスの採掘により生じる沈下力、又は流体の注入により起こる断裂作用が、貯留槽の状態、具体的には貯留槽封止機構に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明の１つの目的は、堆積岩層の潜在的な欠点なしに大量のＣＯ₂を貯蔵することができる地下貯留槽を提供することである。この貯留槽は、貯留槽が水圧で確実に封止されるような温度と圧力の組み合わせを実現するのに必要な最も浅い深さになけばならない。

本発明は、漏れの危険性なしに長期間貯蔵することができる地下の人工的に作成された貯留槽にＧＨＧを貯蔵するシステム及び方法に関する。より詳細には、本発明の一実施形態は、粒子噴射掘削法等の非回転機械式掘削法を使用して、水圧で粉砕できる結晶質岩層の利用が改善された深い抗井を作成して、大量のＣＯ₂を貯蔵できる人工貯留槽を作成することに関する。岩層は、密閉水圧貯留槽内に貯留槽流体を収容できるように十分な岩塑性を保証する十分な温度と圧力の組み合わせを実現するのに必要な最も浅い深さであることが好ましい。更に、そのような貯留槽状態は、ＣＯ₂等のＧＨＧの超臨界流体状態を提供し、その結果大量のＧＨＧを注入し拡散させ貯蔵することができる。

浸透性の地質学的地層は、地球のまわりの多くの特定の場所に見られ、ＣＯ₂ガスを貯蔵するための場所の１つの候補である。ＣＯ₂隔離用の地下貯留槽の仕様が決定されているが、一般に永久的貯蔵の基準を満たす浸透性の地質の場所はほとんどない。その場所は、特定の多孔性と浸透性を備えていなければならないだけでなく、ＧＨＧが再び地表に漏れ大気中に放散しないように貯留槽のまわりが永久的に密閉されなければならないからである。現在、様々な地層と場所が評価されている。最も有望な適切な地下地層には地域性があり、この地域性によって、貯蔵のための特定の適応性の予測が極めて困難になる。そのような地層内にＧＨＧを貯蔵した結果は、ＧＨＧを注入する費用をかけた後数年間分からない場合があり、このことは、貯留槽の密閉漏れによるものだけでなく、適切な地層を見つけ試験した後でも、ＧＨＧを貯蔵場所まで送ることが非経済的な場合があるＧＨＧ獲得源までの近さからも大きなリスクとなる。

本発明の一実施形態は、漏れのない人工的な貯留槽を生成することができる深い結晶質岩内に、世界のほとんど全ての地域で使用可能なＣＯ₂貯蔵用の場所を提供する。そのような地層は、一般に、地球のまわりのほとんどどこにでも見られ且つ一般に堆積地質層より深い場所にある先カンブリア代の岩である。結晶質岩内のそのような深い人工貯留槽は、幾つかの理由のために有益である。第１に、深い場所にある結晶質岩層は、熱の影響と、地球表面へのＣＯ₂の漏れの心配なしに大量のＣＯ₂を収容するために拡大させることができる地層節理の存在により比較的可塑性が高い。結晶質岩層内に人工水圧をかけることによる貯留槽形成は、様々な高温乾燥岩体の実験的操作で実証されている。極めて深い抗井の別の利点には、ＧＨＧの超臨界流体状態の存在があり、それにより、作成された貯留槽内に実質的に低粘性で拡散させることができる。

本発明の方法及び装置のより完全な理解は、以下の詳細な説明を参照し、添付図面と関連して解釈されるときに得ることができる。

結晶質岩層内のＣＯ₂の地下貯蔵のシステム例の概略図である。適所のブリッジ・プラグとキャップにより結晶質岩層内にＣＯ₂を地下貯蔵するためのシステム例の概略図である。複数の土層内の抗井の掘削の概略図である。本発明の原理の一実施形態の流れ図である。粒子噴射掘削ヘッドアッセンブリの等角図である。粒子噴射掘削ヘッドアッセンブリの分解図である。粒子噴射掘削ヘッドアッセンブリの軸方向断面図である。粒子噴射掘削ヘッドアッセンブリの平面図である。粒子噴射掘削ヘッドアッセンブリの正面図である。粒子噴射掘削ヘッドアッセンブリの端面図である。抗井の下側端と粒子噴射掘削ヘッドアッセンブリの断面図である。抗井を掘削中の側面ジェットの使用の操作の予想結果を示す図である。側面ジェットを使用して抗井を調整する操作を示す図である。粒子噴射掘削ヘッドから出る円錐切削ジェットの切断操作の一部を示す図である。

次に、添付図面を参照して本発明の様々な実施形態をより詳しく説明する。しかしながら、本発明は、様々な形態で実施することができ、また本明細書に記載された実施形態に限定されるように解釈されるべきでない。

深い抗井の掘削は、回転機械式掘削システムを使用すると法外に高価であることが分かっている。従って、出願人は、非回転機械式掘削法が経済的に採算がとれる場合には、その非回転機械式掘削法によってそのような深い貯留槽システムを利用すべきであることを提案する。結晶質岩中に深い貯留槽を経済的に作成する１つの方法は、前に参照した６４８’特許に詳しく記載されている粒子噴射掘削法によって抗井を掘削することである。本発明の方法の新規性は２つの領域にある。新規性の第１の主な領域は、水圧で分離された貯留槽内、即ち堆積岩層と同程度の脆性破壊に耐えることができる安全な容器内にＧＨＧを貯蔵することである。この状態は、密閉された水圧貯留槽を作成するのに必要な岩可塑性を保証するのに十分な温度と圧力の組み合わせを達成するのに必要な最も浅い深さに岩層があることを必要とする。例えば、そのような代表的な温度は、方解石層では約２５０℃、石英層では３００℃、長石層では５００℃でよい。これらの高い温度と圧力で、結晶質岩層は、水圧で密閉された貯留槽を形成できる限界の可塑性を有する。これより低い温度と圧力では、岩層は、時間の経過によりＧＨＧが貯留槽から表面に漏れる危険を伴う予測できない形で破壊することになる。新規性の第２の領域は、貯留槽の抗井が作成される方法を含む。貯留槽を必要とされる温度で作成するには、通常、抗井は、従来の手段によって経済的に掘削できる深さより深くなければならない。最も経済的な掘削方法は、粒子噴射掘削等の従来と異なる回転機械式掘削法である。

本発明の方法の利点は、非回転機械式掘削法、具体的には粒子噴射掘削法を使用して、ＧＨＧを永久的に貯蔵するための深い抗井を掘削する経済的な方法を提供することである。非回転機械式掘削法の経済的特徴により、貯留槽を実質的に任意の場所に作成することができる。具体的には、これにより貯留槽をＧＨＧの捕獲源の近くに配置することができ、これにより、貯留槽へのガス輸送がより経済的になる。更に、深い貯留槽は、大規模なオーバーバーデンや周囲の岩の比較的可塑的性質による表面への漏れの危険性なしに多量のＧＨＧを保持することができる。更に、浅い堆積岩層の幾つかには、超臨界流体状態を作り出すのに役立つ深い貯留槽内にある現場地層温度がない。ＣＯ₂は、３１．１℃の温度と１０５９ＰＳＩで超臨界状態に達する。これは、２，６５０フィートのポテンシャル深さに相当する。その結果、比較的浅い堆積岩層は、具体的にはＣＯ₂が超臨界状態に達する状態を作り出す。これは、相変化点であり、温度と圧力を更に高めると、温度と圧力の割合に従ってＣＯ₂の物理的影響が生じ続ける。

堆積岩層と対照的に、地球のマントルまで拡がる先カンブリア代及びHadenの結晶質岩層には、一般に、結晶質岩層の上にある上側堆積岩層と同じ相対的な固有の多孔性や浸透性がない。堆積岩層は、石油とガスの一定の探索により広範囲に調査研究されてきており、そのような堆積岩層についてはよく理解されている。これに対して、そのような堆積岩層より下ではほとんど掘削が行われず、従って結晶質岩層についはほとんど知られていない。回転機械式掘削コストが深さと共に指数関数的に増大するという事実が、更に、結晶質岩層の掘削に関する情報をかなり少なくしている。更に、結晶質岩層は、極めて固く研磨性が高く、そのため、このタイプの岩層を回転機械式掘削法で掘削するコストが更に高くなる。

また、結晶質岩層は、応力を受けたときに脆性破壊状態になる。しかしながら、結晶質岩層を含む花崗岩が高温状態になると、破壊状態の変質が起こり、脆性破壊から塑性破壊に移行する。結晶質岩から熱を取り出す能力を知るために行なわれた研究から、結晶質岩が、一般に時間の経過と共に化学的に固められた冷却地殻として生成された節理を自然に形成することが分かった。そのような節理を水圧応力下で拡大させて、相互接続され拡大された節理の一体型マトリックスを形成することができる。この新しく形成された拡大節理のマトリックスは、流体が貯留槽に通るのに十分な人工的な多孔性と浸透性を作り出し、通る流体に貯留槽が熱を伝えることを可能にし、従って熱交換器の役割をする。更に、十分な温度と圧力下の結晶質岩が、温度上昇と共に脆性破壊状態から塑性破壊状態への徐々に移る応力破壊状態に遷移することが分かった。これは、そのような高温条件下で、多孔性、浸透性、及び有効な貯留容積封止特性を有する有効な水圧容器を作成できるので重要である。この場合も、例えば、そのような代表的な温度は、方解石層では２５０℃、石英層では３００℃、及び長石層では５００℃の範囲でよい。更に、これらの条件下では、ＧＨＧとＣＯ₂を超臨界流体状態で人工貯留槽に注入することができ、それによりＣＯ₂は、液体の密度を有するが、ガス状流体の粘性を有する。深さ（水圧ヘッド）と温度の組み合わせは、注入されるＧＨＧ又はＣＯ₂の超臨界流体状態を生成し、これにより、最低圧力でガスの注入が可能になり、更に貯留槽システム内の拡散係数が最大になる。

粒子噴射掘削、高出力パルス・レーザ掘削技術、熱破砕掘削技術、又はこれらを組み合わせた技術等の非回転機械式掘削手段を利用することによって、掘削コストを、かなり深い硬質で研磨性の結晶質岩層でも、深さに比例させることができる可能性がある。非回転機械式掘削手段を使用することによって、貯留槽を構成するために必要な特性を有する結晶質岩層に達するのに必要な深さまでコスト効果の高い掘削を行うことができる。そのような特性には、多孔性、浸透性、及び水圧封止を形成するのに十分な温度と圧力がある。そのような永久隔離保存貯留槽を構成するのに必要な結晶質岩が、事実上地表下のどこにもあれば、ガスが捕獲される発生源の近くの場所にＧＨＧとＣＯ₂隔離貯留槽を設けることは、堆積岩層を使用するよりもかなり優れた利点を提供し、そのような発生源は、貯留槽までガスを送るために大規模なパイプライン構造を必要とする場合がある。

最初に図１を参照すると、本発明の全体構成が示される。堆積系岩層と結晶系岩層として大雑把に分類される一連の地下地層がある。一般に、堆積岩層は、地表１７の近くにあり、一般に深い結晶層１３を覆っている。堆積岩層は、泥岩１６、砂岩１５、及び石灰岩１４、並びにそれらの様々な中間的な種類のような岩層のサブグループからなる。

ケーシング入り抗井７が、ＧＨＧ獲得手段１のすぐ近くに配置される。ケーシング入り抗井７は、粒子噴射掘削手段を利用して、地表１７から、堆積岩層１６、１５及び１４を通り、先カンブリア代結晶層１３内に、許容不可能なレベルの脆性破壊状態から一般に少なくとも２５０℃の温度であると考えられる許容可能な塑性破壊状態への遷移を実現するのに十分な温度と圧力の組み合わせを達成するのに必要な最も浅い深さまで掘削される。抗井７は、ケーシングに入れられ、貯留槽９は、ＧＨＧ貯蔵に必要な多孔性と浸透性を提供する任意の手段によって形成される。人工貯留槽９を生成するそのような手段には、高温乾燥岩体（Hot Dry Rock）貯留槽生成方法から地下の従来の爆発又は熱核爆発から生成される高エネルギー・パルス応力破壊力等で使用されるような地層内の既存の節理を水圧で拡張させる流体の注入があるがこれらに限定されない。人工貯留槽９が生成された後で、抗井水頭及び／又は水圧を低下させ、人工貯留槽に蓄えられ且つ貯留槽形成プロセスで生成された弾性応力によって抗井から作業液を放出させることによって、貯留槽形成流体を除去することができる。更に、水圧を低下させることによって、高い貯留槽温度と抗井からの漏れにより作業液を低密度ガスの形で排出することができる。射出ヘッド５は、抗井ケーシング７に取り付けられた抗井頭部６に取り付けられる。

ＣＯ₂等のＧＨＧを捕獲する手段は、１によって表わされる。例えば、捕獲するＧＨＧの生産は、発電のための石炭の燃焼や、ＣＯ₂を出す電気分解による水素の生産等によるものである。ＣＯ₂が収集され、管路２を通してポンプ３に送られ、ポンプ３は、ＣＯ₂を、ＣＯ₂を抗井頭部インジェクタ・ポート５から抗井頭部６を通り、ケーシング入り抗井７を通り、抗井ケーシング７の遠位端８から結晶貯留槽９に注入るのに必要な圧力レベルまで圧縮する。ＧＨＧは、流体のタイプ、貯留槽９の深さ、土層の温度勾配、及び結晶層１３の温度により、超臨界流体状態で、抗井頭部６と抗井７の遠位端８の間のどこかにある。

ＧＨＧが貯留槽９に注入されるとともに、貯留槽は、時間と共に大きな容積まで徐々に段階的に大きくなり続ける。これは、温度吸収並びに貯留槽拡大容積１０、１１及び１２によって示されているように、ＧＨＧの拡散と別の体積のＧＨＧ流体の注入によって起こる拡張によるものである。

図２は、それぞれの貯留槽９、１０、１１及び１２に十分なＧＨＧが貯蔵された後の隔離貯留槽の完成を示す。完成した後、抗井は、穴開け可能な永久ブリッジ・プラグ２０と、永久ブリッジ・プラグ２０の上に配置されるセメント柱１９の任意の組み合わせで塞がれる。抗井頭部は、抗井頭部キャップ１８で覆われる。このシステムが完成すると、隔離貯留槽内にＧＨＧを永久且つ安全に貯蔵することができ、また将来ＧＨＧの使用が決定された場合に抗井に再び入りセメント栓とブリッジ・プラグを穴開けしてＧＨＧを利用することができる。そのような将来の用途は、高い圧力と温度でニッケル触媒によりＣＯ₂とＨ₂を結合させてメタンと水を生成するサバティエ・プロセスや、貯留槽環境を利用して化学的プロセスを生成するなど、便利な最終生成物へのＧＨＧの化学的処理の可能性がある。

以下の考察は、本明細書に示したような抗井生成技術について述べるときに、具体化のために提示される。抗井は、抗井を掘るＰＪＤ法を利用して生成される。これは、先カンブリア岩に大きな直径の深い抗井を掘ることが、一般の回転機械式土層掘削法ではかなり高価であることが一般に知られている。先カンブリア岩の回転機械式掘削と関連する遅い貫入速度と高いコストは、そのような深さまでの掘削を妨げる要因であった。粒子噴射掘削（ＰＪＤ）技術及び方法の使用は、貫入速度を高め、且つ全ての地層、特に結晶質岩層の掘削のコストを削減する手段を提供する。この効率向上は、地下貯留槽を作成する際に必要な深い抗井の作成を可能にする。

先カンブリア代又は冥王代の地層で終わる抗井を掘削するコストを削減するためのＰＪＤ法の使用は、ＨＤＲポテンシャルの広範囲の開発に必須であり、ＧＨＧ隔離の広範囲の開発にとって不可欠であることが分かる。具体的には、ＰＪＤは、ＨＤＲ生産用の大きな直径で極めて深い注入及び生産抗井を経済的に掘削する手段を提供する。ＰＪＤ技術と関連して使用される特定の抗井形状は、貫入実行速度に最適なレベルでＰＪＤ技術を実行する環境の作成に特有のものである。

次に図３を参照すると、複数の土層内に掘削された抗井の概略図が示される。デリックの概略図によって表わされた抗井頭部４００において、第１の土層４０４に抗井４０２が貫通している。この特定の地層内で利用されるドリル・ビットのタイプは、通常浅い抗井に使用される従来の機械式ドリル・ビット及び／又は本明細書で参照される粒子噴射支援回転機械式掘削（ＰＪＡＲＭＤ）でよい。下側の土層４０６内には、ドリル・ビット４１２と同じ且つ／又は類似のドリル・ビット４１４が概略的に示されているが、ドリル・ビット４１４は、本発明の原理により、土区間４０６に見られる土構造のタイプにより異なってもよい。同様に、土区間４０８は、抗井４０２の延長部分であり、本発明の原理により土層４０８と嵌合する構造のタイプによる様々な方法のものでよいドリル・ビット４１６を概略的に示す。最後に、土層４１０は、図では先カンブリア代且つ／又は冥王代の結晶質岩として表わされており、抗井区間４３０は、後の水圧破砕と本発明の原理による前述の充填と放出によって抗井内の場所にアクセスしその場所を設立するために、先カンブリア代又は冥王代結晶質岩層を貫通する本発明の原理によるＰＪＤを利用する掘削ツール４１８に見られる水圧掘削方法によって貫入され示される。

次に図４を参照すると、本発明の原理の一実施形態の流れ図が示される。この特定の流れ図で、前述の方法が分かりやすく説明され示され、ステップ５０１は、本発明の原理による抗井掘削システムの設立を含む。ステップ５０３は、ＰＪＡＲＭＤ法による第１の抗井区間の掘削を示す。この方法は、図４に図示したような特定のタイプの土層により異なってもよい。

更に図４を参照すると、ステップ５０５は、先カンブリア代又は冥王代の結晶質岩層に達する抗井を表わし、使用されるドリル・ビットのタイプは、本発明の原理により異なってもよい。段階５０７は、水圧ボーリング法により先カンブリア代又は冥王代の結晶質岩層に第２の低い抗井区間を掘削することを示す。ステップ５０９は、拡張節理の破砕雲（fracture cloud）を作成するＨＤＲの水圧破砕を示す。ステップ５１３は、破砕雲内にＧＨＧを貯蔵することを示す。

図３と図４が、２００６年６月１日に出願され前述の先行出願された米国特許出願番号１０／５８１，６４８号から名目で得られたことに特に注意されたい。６４８の出願では、図３と図４は、特定の修正が行われた図７及び図８と対応し、より具体的には本出願で使用されるような親出願の技術を参照する。

図５と図６は、ＰＪＤに使用されるヘッド・アッセンブリの構造と動作をより詳細に考察する。装置の詳しい考察は、２００７年５月１６日に出願され参照により本明細書に組み込まれた「Particle Jet Drilling Method and Apparatus」と題する本明細書と同じ発明者の米国仮特許出願第６０／９３０４０３号に見ることができる。

図５ａは、噴射ヘッド・アッセンブリ８００の一実施形態の等角図を示す。図６ｂは、本発明の噴射ヘッド・アッセンブリ８００の構成要素の分解図を示す。噴射ヘッド・ハウジング８０１は、ステータ８０３を収容するステータ・ハウジング８０２を収容する。ステータ８０３には、ステータの外側面に沿って軸方向に延在するステータ・チャネル６２０が形成される。ステータ８０３の遠位端から渦流セントラライザ及びスタビライザ８１４が突出する。ステータ８０３のステムには、取り出し用の回収ツール（図示せず）がステータ組立体とラッチできるようにする凹状断面８１３が作成される。ステータ８０３は、ステータ・ハウジング８０２に永久的に接合される。ステータ・ハウジング８０２は、噴射ヘッド・ハウジング８０１と取り外し可能にラッチされる（ラッチは図示せず）。ステータ・ハウジング８０２には、噴射ヘッド・ハウジング８０１内の対応する典型的なポート８０６及び８０７を通ってステータ・アセンブリの内部から流体が循環できるようにする典型的なポート８０４及び８０５が設けられる。ノズル８０９とノズル止め８０８は、ノズルの典型的なものであり、流体ポート８０６及び８０７によって代表される全て半径方向に離間された流体ポートを保持し、図５ｂにその設置位置に示されている。

図５ｃは、図５ｄの切断線ＡＡに沿った断面を示す。ノズル８０９とノズル止め８０８によって代表されるノズルは、噴射ヘッド・ハウジング８０１内に適所に示される。ステータ８０３とステータ・ハウジング８０２は、噴射ヘッド・ハウジング８０１内の適所にある。面８１４及び８１０は、ステータ組立体の断面を通る流体に渦運動を与える第１の内部空洞を構成する。面８１２及び８１４は、渦スラリー塊を安定化するための第２の内部円筒渦空洞を形成する。ステータ・ハウジング８０２の内側面は、出口オリフィス８１１を構成し、円筒状渦安定化チャンバを通った流体は、出口オリフィス８１１から出る。出口オリフィス８１１領域は、渦スラリー塊の遠心力が、拡張円錐ジェット形状を構成する直線接線で解放される領域を提供する。図５ｅは、噴射ヘッド８０１とドリル・パイプ２００の側面図を示す。図５ｆは、噴射ヘッド８０１の端面図を示す。図５ｄは、断面切断線ＡＡが見える噴射ヘッド８０１の端面図である。

図６ａは、セメント・シース７２１によって地層７０８内に接合された抗井ケーシング７２０の一実施形態を示す抗井の下側区間の断面を示す。修正された抗井壁面８７１は、地層７０８の変化していない地層６７０の隣りに示される。切削ジェット６３０の切断操作によって形成された抗井壁８７４が示されている。修正された抗井８７１の隣りに自然破砕７１１が示される。ドリル・パイプ２００と噴射ヘッド・アッセンブリ８００の一部分の断面図が示される。ドリル・パイプ２００の内部を通り、加圧掘削流体３８０に渦運動を与える静翼６２０を通るインパクタ３３５を含む加圧掘削流体３８０の循環が示される。下側ステータ・ハウジング８０２を通り、次に図５ｃの出口オリフィス８１１を通る加圧掘削流体３８０が示される。図５ｃの出口オリフィス８１１内で、加圧掘削流体３８０は、切削操作が最下部穴パターン７３２を形成する地層７０８を切削する拡大円錐形切削ジェット６３０を構成する。円錐形ジェット６３０の切削操作は、地層面７３０を切削して地層切削屑２５９を生成し、地層切削屑２５９は、噴射ヘッド本体８０２、外部ドリル・パイプ２００、及び抗井壁８７４とケーシング７２０の内側壁７２２の間の環状スペースを戻り掘削流体スラリー２５５として上昇する掘削流体によって運ばれる。インパクタと地層切断屑を含む戻り掘削流体スラリー２５５は、分かりやすくするために抗井環の片側だけを上へ流れる断面で示される。

図６ｂは、再入環状流体機構８３２に流れ込む拡大円錐形切断ジェット６３０の操作の作用を示す。インパクタ３３５を含む流体ジェット６３０は、図６ｄの地層面７３０を切断し、地層切断屑２５９を再入環状流８３２に入れ、そこで、掘削流体屑、インパクタ３３５、地層切断屑２５９及び７３３が、地層形成面８３２を切断し続ける。地層切断屑２５９とインパクタ３３５は、環状流８３２で循環して地層を切断し続け、最終的に、処理のために抗井環内で掘削装置の坑外設備まで上方に循環される環状流８３２から出される。

図６ｃは、抗井壁８７４に衝撃を与える円形側面ジェット８６１を示し、抗井壁８７４は、抗井壁に衝撃を与えるインパクタの噴射作用によって修正される。修正された抗井壁８７１は、高密度地層物質８７２の薄層からなる新しい抗井壁を構成する。地層領域６７０は、地層７０８の変化していない近くの抗井領域である。

図６ｄは、割れ目７１１の内部経路を抗井と抗井７０８内の掘削流体２５５から分離するために側面ジェット８６１と修正された地層物質８７２によって封止された自然の地層の割れ目７１１を示す。

図５と図６が、２００７年５月１６日に出願された前述の先行出願の米国仮特許出願第６０／９３０，４０３号から名目で得られたことに特に注意されたい。４０３’出願では、図５（ａ〜ｅ）と図６（ａ〜ｄ）が、いくつかの修正が行われた図５（ａ〜ｅ）と図６（ａ〜ｄ）と対応し、より具体的には本出願で使用されているような特許出願の技術を指す。

以上の詳細な説明は本発明の実施形態に基づくものである。本発明の範囲は、必ずしもこの説明によって限定されるべきでない。

１ＧＨＧ獲得手段
２管路
３ポンプ
５インジェクタ・ポート
６抗井頭部
７抗井
８遠位端
９貯留槽
１０、１１、１２貯留槽拡大容積
１３結晶層
１４、１５、１６堆積岩層
１７地表

Claims

地下の人工的に作成された安全な水圧分離された貯留槽内に温室効果ガスを貯蔵する方法であって、
抗井を作成する掘削システムを提供する工程と、
前記掘削システムを利用して前記抗井を生成する工程と、
前記抗井を、水圧で密閉された貯留槽を作成するのに十分な温度と圧力の組み合わせを達成するのに必要な最も浅い深さにある岩層内に作成し続ける工程と、
前記岩層内に、温室効果ガスを貯蔵することができる人工貯留槽を作成する工程と、
前記人工的に作成された貯留槽内に前記温室効果ガスを貯蔵する工程とを含む方法。
前記掘削システムは、回転機械式掘削システムからなる、請求項１に記載の方法。
前記掘削システムは、非回転機械式掘削システムからなる、請求項１に記載の方法。
前記非回転機械式掘削システムは、粒子噴射掘削システムからなる、請求項３に記載の方法。
前記非回転機械式掘削システムは、パルス・レーザ掘削システムからなる、請求項３に記載の方法。
前記非回転機械式掘削システムは、熱破砕システムからなる、請求項３に記載の方法。
前記人工貯留槽を作成する工程は、前記岩層を水圧で粉砕する工程を含み、前記岩層は、複数の既存の節理を有する、請求項１に記載の方法。
前記岩層を水圧で粉砕する工程は、前記既存の節理を流体で拡大する工程を含む、請求項１４に記載の方法。
前記温室効果ガスを貯蔵する工程は、
前記温室効果ガスを前記貯留槽内に注入する工程と、
前記抗井に栓をする工程と、
前記抗井の近位端に抗井頭部キャップを取り付ける工程とを含む、請求項１に記載の方法。
前記抗井に栓をする工程は、前記抗井に穴開け可能な永久ブリッジ・プラグを挿入する工程を含む、請求項９に記載の方法。
前記抗井に栓をする工程は、前記抗井内にセメント柱を配置する工程を含む、請求項９に記載の方法。
前記温室効果ガスを後で使用するために取り出す工程を更に含む、請求項９に記載の方法。
前記温室効果ガスは、ＣＯ₂である、請求項１に記載の方法。
前記岩層は、２５０℃の温度である、請求項１に記載の方法。
前記岩層は、３００℃の温度である、請求項１に記載の方法。
前記岩層は、５００℃の温度である、請求項１に記載の方法。
地下の人工的に作成された安全な水圧分離された貯留槽内に温室効果ガスを貯蔵するシステムであって、
前記温室効果ガスを捕獲するように適応された装置と、
複数の岩層内に配置された貯留槽であって、前記岩層が、前記貯留槽が水圧で密閉されるのに十分な温度と圧力の組み合わせを達成するのに必要な最も浅い深さにある貯留槽と、
抗井であって、前記貯留槽に流体的に結合された遠位端と、インゼクタ・ヘッドが取り付けられた近位端とを有する抗井と、
前記温室効果ガスを捕獲するように適応された前記装置と前記インゼクタ・ヘッドとを流体的に結合するパイプとを備えたシステム。
前記温室効果ガスは、ＣＯ₂である、請求項１７に記載のシステム。
前記抗井は、回転機械式掘削システムを使用して作成される、請求項１７に記載のシステム。
前記抗井は、非回転機械式掘削システムを使用して作成される、請求項１７に記載のシステム。
前記非回転機械式掘削システムは、粒子噴射掘削システムからなる、請求項２０に記載のシステム。
前記粒子噴射掘削システムは、更に、掘削ヘッド・アッセンブリを有し、前記掘削ヘッド・アッセンブリは、
噴射ヘッド・ハウジングと、
前記噴射ヘッド・ハウジング内に取り外し可能に配置されたステータ・ハウジングと、
前記ステータ・ハウジング内に配置され且つ前記ステータ・ハウジングに堅く接続されたステータであって、前記ステータの表面に軸方向に配置された複数のステータ・チャネルを有するステータとを備えた、請求項２１に記載のシステム。
前記非回転機械式掘削システムは、パルス・レーザ掘削システムからなる、請求項２１に記載のシステム。
前記非回転機械式掘削システムは、熱破砕システムからなる、請求項２１に記載のシステム。
前記人工貯留槽を作成する工程は、前記岩層を水圧で破砕する工程を含み、前記岩層は、複数の既存の節理を有する、請求項１７に記載のシステム。
前記岩層を水圧で粉砕する工程は、前記既存の節理を流体で拡大する工程を含む、請求項２５に記載のシステム。
前記温室効果ガスを貯蔵する工程は、
前記温室効果ガスを前記貯留槽内に注入する工程と、
前記抗井に栓をする工程と、
抗井頭部キャップを前記抗井の近位端に取り付ける工程とを含む、請求項１７に記載のシステム。
前記抗井に栓をする工程は、前記抗井に穴開け可能な永久ブリッジ・プラグを挿入する工程を含む、請求項２７に記載のシステム。
前記抗井に栓をする工程は、前記抗井内にセメント柱を配置する工程を含む、請求項２７に記載のシステム。
温室効果ガスを安全な水圧分離された貯留槽内に貯蔵する方法であって、
前記温室効果ガスを貯蔵するのに適し且つ水圧で密閉された人工貯留槽を作成するのに十分な温度と圧力の組み合わせを達成するのに必要な最も浅い深さにある地下岩層を探す工程と、
前記岩層内で終端する抗井を作成する工程と、
前記岩層内に前記人工貯留槽を作成する工程と、
前記温室効果ガスを前記人工貯留槽内に注入する工程とを含む方法。
前記抗井を作成する工程は、回転機械式掘削システムを用いる、請求項３０に記載の方法。
前記抗井を作成する工程は、非回転機械式掘削システムを用いる、請求項３０に記載の方法。
前記非回転機械式掘削システムは、粒子噴射掘削システムからなる、請求項３２に記載の方法。
前記非回転機械式掘削システムは、熱破砕システムからなる、請求項３２に記載の方法。
前記人工貯留槽を作成する工程は、複数の既存の節理を有する岩層を水圧で粉砕する工程を更に含む、請求項３０に記載の方法。
前記岩層を水圧で粉砕する工程は、前記既存の節理を流体で拡大する工程を含む、請求項３５に記載の方法。
前記温室効果ガスを貯蔵する工程は、
前記温室効果ガスを前記貯留槽内に注入する工程と、
前記抗井に栓をする工程と、
前記抗井の近位端に抗井頭部キャップを取り付ける工程とを含む、請求項３０に記載の方法。
前記抗井に栓をする工程は、前記抗井に穴開け可能な永久的ブリッジ・プラグを挿入する工程を含む、充填請求項３７に記載の方法。
前記抗井に栓をする工程は、前記抗井内にセメント柱を配置する工程を含む、請求項３７に記載の方法。
前記温室効果ガスを後で使用するために取り出す工程を更に含む、請求項３７に記載の方法。
前記温室効果ガスは、ＣＯ2である、請求項３７に記載の方法。
安全で水圧分離された貯留槽を形成する方法であって、
抗井を形成する工程と、
前記抗井と流体連通する内部貯留槽を、前記内部貯留槽を水圧で密閉するのに十分な温度と圧力の組み合わせを達成するのに必要な最も浅い深さに形成する工程と、
前記抗井を介して前記内部貯留槽内にガスを注入する工程と、
前記内部貯留槽の完全性を保証するように前記抗井に栓をする工程とを含む方法。
前記抗井を形成する工程は、回転機械式掘削システムを用いる、請求項４２に記載の方法。
前記抗井を形成する工程は、非回転機械式掘削システムを用いる、請求項４２に記載の方法。
前記非回転機械式掘削システムは、粒子噴射掘削システムをからなる、請求項４４に記載の方法。
前記非回転機械式掘削システムは、パルス・レーザ掘削システムをからなる、請求項４４に記載の方法。
前記非回転機械式掘削システムは、熱破砕システムをからなる、請求項４４に記載の方法。
前記人工貯留槽を作成する工程は、前記岩層を水圧で粉砕する工程を有し、前記岩層は、複数の既存の節理を有する、請求項４２に記載の方法。
前記岩層を水圧で粉砕する工程は、前記既存の節理を流体で拡大する工程を有する、請求項４８に記載の方法。
前記ガスは、温室効果ガスである、請求項４２に記載の方法。
前記ガスは、ＣＯ2である、請求項４２に記載の方法。
前記ガスを注入する工程は、前記ガスを高圧ポンプで注入する工程を含む、請求項４２に記載の方法。
前記抗井に栓をする工程は、前記抗井に穴開け可能な永久的ブリッジ・プラグを挿入する工程を含む、請求項４２に記載の方法。
前記抗井に栓をする工程は、前記抗井内にセメント柱を配置する工程を含む、請求項４２に記載の方法。
後で使用するために前記温室効果ガスを取り出す工程を更に含む、請求項４２に記載の方法。