JP2014047808A - 地熱井から蒸気を回収する多重管とシステム - Google Patents

Abstract

【課題】耐酸性の単管の内面に耐アルカリ性の被膜を塗装等で形成してできる中和管の有する様々な課題を全て解消することのできる、地熱井から蒸気を回収する多重管とシステムを提供すること。
【解決手段】地熱井ＧＴから蒸気を回収する多重管１０であり、外側のケーシング管１と、ケーシング管１内で相対的にスライド自在でかつケーシング管１の内面との間に第１の隙間５を有する二重管４であって、耐酸性の外管２と耐アルカリ性の内管３から構成され、外管２と内管３の間に第２の隙間６を有する二重管と、を備え、内管３の中空７を介してアルカリ薬液を酸性地熱井ＧＴに貯留される酸性熱水に注入することによって該酸性熱水を中和し、中和された熱水Ｖを地上に噴出させることによってフラッシュした蒸気を第１の隙間５を介して回収するようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸性地熱井にアルカリ薬液を注入することによって地熱井に貯留された酸性熱水を中和する二重管と、中和された熱水を地上に噴出させることによってフラッシュした蒸気を回収するケーシング管と、からなる多重管と、この多重管を具備するシステムに関するものである。

地熱井のpHは場所によって異なるものの、強酸性の地熱流体を噴出する地熱井の場合にはその開発が中止されるのが一般的である。しかしながら、稀にこのような地熱井にアルカリ薬液を注入して酸性熱水を中和しながら蒸気を生産している例もあり、たとえば非特許文献１〜３にその例が紹介されている。

この酸性地熱井は一般に、温度が200〜300℃程度、pHが2程度の高温強酸性雰囲気であり、一方で注入されるアルカリ薬液は20〜50質量%の高濃度でpH14に及ぶものもある。

このアルカリ薬液の注入に使用する薬液注入管は、ケーシング管内に挿入して酸性の地熱井にアルカリ薬液を注入して中和を図ることから中和管と称されることもあり、その材質は耐酸性能と耐アルカリ性能をともに有する必要があることからNi系合金素材の単管が一般に用いられている。

ところで、このようなNi系合金素材の単管は、地熱井の有する高温強酸性環境における単管素材の耐食性が十分でないことが分かっており、したがって現在は、Ni系合金素材の単管を使用しながら、1〜2ヶ月といった比較的短い期間で単管の取替えをおこなっている。そのため、単管の取替えに要するコストが大きな問題となっているのが現状である。

そこで、高温強酸性の環境にも耐え得るTi系素材の単管を使用することが考えられる。しかしながら、Tiは高温アルカリ環境で腐食し易いことから、アルカリ溶液が流通する単管の内面に耐高温アルカリ素材からなる被膜を形成等する対策が必要になる。

たとえば特許文献１，２には、チタン管の内面に耐高温アルカリ素材であるフッ素樹脂塗装をおこなう技術が開示されている。また、特許文献３には、金属管の内側にフッ素樹脂が被覆された被覆管が開示されている。

しかしながら、特許文献１〜３で開示されるように、単管の内側にフッ素樹脂塗装をおこなったり、フッ素樹脂を被覆する技術においては以下のような課題がある。

すなわち、課題の一つは、直径50mm以下の比較的細く、2000〜3000mにも及ぶ長尺の鋼管の内側に所望の厚み（たとえば0.2mm以上）のフッ素樹脂被膜をピンホールなく被覆する技術が確立されていないことである。

また、他の課題は、フッ素樹脂層を介してアルカリ薬液中の水分が透過し、フッ素樹脂層と鋼管の間の接触界面に溜まり、この薬液溜まりが徐々に大きくなることによってフッ素樹脂層を損傷させたり、フッ素樹脂層が膨れて単管内部の中空を閉塞してアルカリ薬液の流通を阻害する懸念があることである。

また、さらに他の課題は、中和管の一部が損傷した場合はその部位に関わらず2000〜3000mにもおよぶ挿入管全体を地上に抜き取り、新たな中和管と取り換える必要があることである。

Proceedings World Geothermal Congress 2010, Acid Well Utilisation Study: Well MG-9D, Philippines Proceedings World Geothermal Congress 2010,Performance of Calcium Carbonate Inhibition and Neutralization Systems for Production Wells at the Miravalles Geothermal Field SAUDI ARAMCO OF TECHNOLOGY SUMMER 2008, Case Studies and Best Practices of Refinery Caustic Injection Systems

特開平３−２６８９４０号公報 特開昭６３−１７６８９４号公報 特開平７−１８０７９３号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、耐酸性の単管の内面に耐アルカリ性の被膜を塗装等で形成してできる中和管の有する様々な課題、すなわち直径50mm以下の比較的細く、長尺（2000〜3000m）な鋼管に所望の厚み・強度でピンホールなく被覆する技術が確立されていないこと、被覆を透過して界面に溜まった水分で被膜が膨れて中和管の中空を閉塞すること、中和管の一部が損傷した場合も中和管全体を取り換えなければならないこと、といった様々な課題を全て解消することのできる、地熱井から蒸気を回収する多重管とシステムを提供することを目的としている。

前記目的を達成すべく、本発明による地熱井から蒸気を回収する多重管は、地熱井から蒸気を回収する多重管であって、外側のケーシング管と、ケーシング管内において該ケーシング管に対して相対的にスライド自在で、かつケーシング管の内面との間に第１の隙間を有する二重管であって、耐酸性の外管と耐アルカリ性の内管から構成され、外管と内管の間に第２の隙間を有する二重管と、を備え、内管の内部を介してアルカリ薬液を酸性地熱井に貯留される酸性熱水に注入することによって該酸性熱水を中和し、第１の隙間を介して中和された熱水を地上に噴出させることによってフラッシュした蒸気を回収するものである。

本発明の多重管は、鋼管等からなる外側のケーシング管と内側の二重管から構成され、従来の耐アルカリ性能と耐酸性能が十分でない単管からなる中和管に代えて、二重管を適用したことにその特徴がある。

二重管を構成する外管は耐酸性の管であり、その内側にある内管は耐アルカリ性の管である。たとえば、外管および内管の実施の形態として、外管の素材がチタンを主成分とする合金であり、内管の素材がフッ素系樹脂である形態を挙げることができる。

すなわち、単管の内面に耐アルカリ素材の被膜を形成するのではなくて、耐酸性の外管の内側に耐アルカリ性の内管を配設してなる二重管を採用したことにより、直径50mm以下の比較的細く、2000〜3000mにも及ぶ長尺の耐酸性の管の内側に、従来の被膜技術では得られなかった厚みの耐アルカリ素材による保護層（管）を設けることができ、所望する強度および耐久性を備えることができる。

また、二重管を構成する耐アルカリ性の内管の外面と、耐酸性の外管の内面の間に隙間（第２の隙間）を設けることにより、内管の挿入をより容易なものとするとともに、内管を介して提供するアルカリ薬液中の水分が内管を浸透して第２の隙間に液溜まりし、徐々に大きくなった場合であっても、従来技術の被膜と比較して内管は十分な強度を有すること、および液溜まりの逃げ道が十分に確保されていることから内管の損傷や内管の流路閉塞は生じ難い。

また、本発明による地熱井から蒸気を回収する多重管の好ましい実施の形態は、二重管において内管の先端が外管の先端から突出しているものである。

外管の先端から内管が突出していない形態の二重管の場合には、二重管の先端を酸性熱水に浸した状態で内管からアルカリ薬液を放出した際に、外管の先端領域が放出されたアルカリ薬液やこの薬液によって形成されたアルカリ雰囲気に曝され易くなり、外管の腐食を避けるのが難しい。そこで、内管の先端を外管の先端から突出させた構成とすることにより、地熱井に内管から注入されたアルカリ薬液に外管の先端領域が曝されないようにすることができ、アルカリ薬液による外管の腐食を効果的に解消することができる。

ここで、「内管の先端が外管の先端から突出している」に関し、内管の先端の突出長は特に限定されるものではない。一般に、強酸性の地熱井を構成する地熱流体の比重は、各種イオンやガスによって変化するものの常温で1.0程度（100℃で0.968、200℃で0.85程度）であるのに対して、水酸化ナトリウム等からなるアルカリ薬液の比重は薬液含有率50質量%で常温1.525であり、アルカリ薬液の比重が相対的に高い。したがって、外管の先端に比して内管の先端がわずかでも突出していれば内管から注出されたアルカリ薬液は下方に沈みながら広がっていくため、外管の先端領域がアルカリ雰囲気に曝される可能性は極めて低くなる。

内管から注入された苛性ソーダ等のアルカリ薬液によって酸性地熱井に貯留される酸性熱水が中和され、中和された熱水がケーシング管と二重管の間の第１の隙間を介して上昇し、地上に噴出されることによってフラッシュした蒸気が回収されることになる。

本実施の形態の多重管によれば、地熱井に対するいわゆる中和管に二重管を適用したこと、二重管を構成する耐酸性の外管に比して耐アルカリ性の内管を突出させた構成を適用したことにより、内管の中空が確保されてアルカリ薬液の継続的な提供が保証でき、内管と外管双方の耐性（一方は耐アルカリ性、他方は耐酸性）を十分に発揮させながら、アルカリ薬液による外管の劣化を解消することができる。

また、本発明は地熱井から蒸気を回収するシステムにも及ぶものであり、このシステムは、前記多重管と、二重管において外管の先端から内管の先端が突出した状態を保持しながら、該二重管を地熱井に送り出す送り出し装置と、からなるものである。

本発明のシステムでは、外管の先端から内管の先端が突出した状態を保持しながら、送り出し装置にて二重管をケーシング管内に送り出すものである。

ここで、送り出し装置は特に限定されるものではないが、たとえば二重管を巻装したドラムと、ドラムを回転駆動するモータ等のアクチュエータから構成することができる。

本発明者等の知見によれば、耐酸性の外管の腐食（劣化）が内管に比して先行して生じるのが一般的であることから、当初の二重管の送り出しの際に外管から内管を突出させた姿勢で地熱井に二重管を送り出して所定深度に保持しておけば、供用過程で内管に比して外管が先行して劣化することから内管と外管を相対的にスライド等することなく、内管の突出姿勢を常に維持することができる。

また、内管もしくは外管が劣化した際には、二重管を地上に引き上げるのではなくて、送り出し装置によって二重管を地中に送り出すことにより、所望深度において常に劣化のない健全な二重管を配設しておくことができる。

さらに、二重管が劣化した際に地上に引き上げてメンテナンスをおこない、再度地中へ挿入する必要がないことから、メンテナンスに要する費用は格段に廉価となる。

以上の説明から理解できるように、本発明の地熱井から蒸気を回収する多重管とこの多重管を備えたシステムによれば、多重管が、外側のケーシング管と、耐酸性の外管および耐アルカリ性の内管から構成された二重管とから構成されたことにより、内管の中空が確保されてアルカリ薬液の継続的な提供が保証でき、内管と外管双方の耐性を十分に発揮させることができる。

本発明の多重管の実施の形態１と、この多重管を備えたシステムの実施の形態１を説明した模式図である。 本発明の多重管の実施の形態２と、この多重管を備えたシステムの実施の形態２を説明した模式図である。 本発明の多重管の有効性確認試験で使用した装置の概要図である。

以下、図面を参照して本発明の地熱井から蒸気を回収する多重管とこの多重管を備えたシステムの実施の形態を説明する。

（多重管とシステムの実施の形態１）
図１は本発明の多重管と、多重管を備えたシステムの実施の形態１を説明した模式図である。同図で示すシステム１００は、地盤Ｇの地下2000m程度以深にある強酸性の地熱井ＧＴまで延設している多重管１０と、多重管１０を構成する二重管４を巻装して適宜これを送り出す送り出し装置２０から大略構成されている。なお、図示を省略するが、多重管１０の地上部分にはマスターバルブが設けられ、マスターバルブの上方は二股に分かれ、一方はバルブを介して気液分離へ向かう管路が通じ、他方は頂上バルブを介して二重管４が上方に延びた構成を有している。この頂上バルブから上方へ出た二重管４は１つもしくは２以上の滑車を介して送り出し装置２０に通じている。

多重管１０は、鋼管等から構成された外側のケーシング管１と、ケーシング管１内においてケーシング管１に対して相対的にスライド自在で、かつケーシング管１の内面との間に第１の隙間５を有する二重管４から構成されている。

二重管４は、耐酸性の外管２と耐アルカリ性の内管３から構成され、外管２と内管３の間に第２の隙間６が画成されている。たとえば、外管２の内径が50mm以下でたとえば7mm程度、内管３の外径が6mm程度で厚みが0.2mm以上の内外管を使用することで、内管３をアルカリ薬液中の水分が浸透してもこの十分な逃げ道を確保できる隙間が保証される。なお、「耐酸性」、「耐アルカリ性」に関して言及するに、地熱井の温度である200〜300℃程度の高温雰囲気下での耐酸性、耐アルカリ性を有していることが重要である。

耐酸性の外管２の素材としては、チタンやその合金のほか、Ni合金の中でも耐熱性に優れたインコロイ825、インコネル625、ステンレス、ジルコニウム、タンタルなどを挙げることができるが、材料コストと耐熱強酸性に優れているという観点で言えば、チタンやその合金が好適である。

一方、耐アルカリ性の内管３の素材としては、パーフルオロアルコキシ(PFA)、パーフルオロエチレンプロピレン(FEP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリイミド（PI）などの熱可塑性樹脂や、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などを挙げることができる。

送り出し装置２０は、二重管４を巻装したドラムと、ドラムを回転駆動するモータ等のアクチュエータから構成されており、アクチュエータの駆動によって巻装された二重管４がケーシング管１内を下方へ送り出され、二重管４の先端がケーシング管１の先端内、もしくは先端から突出した位置（図示例）まで送り出される。

ケーシング管１内に二重管４を所定深度まで送り出した状態で、ケーシング管１と二重管４の間には発生蒸気を地上へ流通させる第１の隙間５が形成される。

そして、二重管４の送り出しに当たっては、外管２の先端２ａと内管３の先端３ａを面一に保持した状態で二重管４の送り出しがおこなわれ、二重管４の先端が地熱井ＧＴの所定深度位置に配設される。

不図示のアルカリ薬液注入タンクより、内管３の中空７を介してアルカリ薬液を酸性地熱井ＧＴに貯留される酸性熱水に注入し（Ｘ１方向）、地熱井ＧＴに中和領域ＮＥを形成する。なお、このアルカリ薬液を酸性熱水へ注入する際には、二重管４の先端は酸性熱水中に位置決めされる。

そして、この中和領域ＮＥから中和された熱水Ｖをケーシング管１と二重管４の間の第１の隙間５を介して上昇させ（Ｘ２方向）、地上に噴出させることによって熱水がフラッシュしてなる蒸気を回収する。なお、フラッシュポイントとなる液面は第１の隙間５の途中位置に存在する。

供用中に二重管４を構成する外管２と内管３のいずれか一方もしくは双方が劣化した際には、二重管４を引き上げてメンテナンスする代わりに、送り出し装置２０にて二重管４をさらに地中へ送り出すことにより、所定深度において健全な二重管４の先端を位置決めさせる。

このように、二重管４が劣化した際に地上に引き上げてメンテナンスをおこない、再度地中へ戻す必要がないことから、このように手間とコストのかかるメンテナンスそのものを不要にすることができる。

（多重管とシステムの実施の形態２）
図２は本発明の多重管と、多重管を備えたシステムの実施の形態２を説明した模式図である。同図で示すシステム１００Ａと実施の形態１にかかるシステム１００の違いは、システム１００Ａが具備する多重管１０Ａを構成する二重管４Ａにおいて、外管２の先端２ａから内管３Ａの先端３ａが所定長tだけ突出していることである。

この二重管４Ａの送り出しに当たっては、外管２の先端２ａから内管３Ａの先端３ａが所定長tだけ突出した姿勢を保持した状態で二重管４Ａの送り出しがおこなわれ、二重管４Ａの先端が所定深度位置に送り出された図示例の状態において、外管２から内管３Ａが突出した状態で二重管４Ａの先端が地熱井ＧＴ内に配設される。

強酸性の地熱井を構成する地熱流体の比重は、各種イオンやガスによって変化するものの常温で1.0程度（100℃で0.968、200℃で0.85程度）であるのに対して、水酸化ナトリウム等からなるアルカリ薬液の比重は薬液含有率50質量%で常温1.525であり、アルカリ薬液の比重が相対的に高い。したがって、外管２の先端２ａに比して内管３Ａの先端３ａがわずかでも突出していれば内管３Ａから注出されたアルカリ薬液は下方に沈みながら広がっていくため、外管２の先端領域がアルカリ雰囲気に曝される可能性は極めて低くなる。そのため、アルカリ薬液による外管２の腐食を効果的に解消することができる。

尤も、地盤性状や地熱流体の流れの態様の多様性を勘案して、突出長tを20mm以上に設定しておくのが好ましく、50mm以上に設定しておくのが望ましい。

また、供用中に二重管４Ａを構成する外管２と内管３Ａのいずれか一方もしくは双方が劣化した際には、二重管４Ａを引き上げてメンテナンスする代わりに、送り出し装置２０にて二重管４Ａをさらに地中へ送り出すことにより、所定深度において健全な二重管４Ａの先端を位置決めさせることは実施の形態１と同様である。この点に関し、本発明者等の知見によれば、外管２の腐食（劣化）が内管３Ａに比して先行して生じるのが一般的であることから、当初の二重管４Ａの送り出しの際に外管２から内管３Ａを突出させた姿勢で地熱井ＧＴに二重管４Ａを送り出して所定深度に保持しておけば、供用過程で内管３Ａに比して外管２が先行して劣化することから内管３Ａと外管２を相対的にスライド等することなく、内管３Ａの突出姿勢を常に維持することができる。

[本発明の多重管の有効性確認実験、および内管の厚みの最適範囲を特定した実験とその結果]
本発明者等は、本発明の多重管の有効性を確認するとともに、内管の厚みの最適範囲を特定するべく、図３で模式的に示す装置を使用して3種の実験を実施した。

[試験その１]
第３図で模式的に示す装置を用い、試験管の外面はpH2のHCl水溶液中に30000ppmのCl-を含む腐食液を入れ、250℃に密封加熱し、高温酸性環境を形成した。さらに、試験管の内面はpH14に調整した水酸化ナトリウム水溶液を入れ、250℃に加熱し、高温アルカリ環境を形成した。試験管は、以下の第１表に示すように、径が10mmで１mm厚さの金属管を外面とし、内面にはフッ素樹脂管を挿入したものと、挿入しないものの2種類とした。168時間の試験に供した後、試験管の腐食状況を観察した結果を第１表に示す。

試験管外面の高温酸性環境において、チタンの腐食は認められなかったが、Ni合金のアロイ825やステンレス材料のSUS316Lでは著しい腐食が認められた。また、試験管内面の高アルカリ環境において、フッ素樹脂（PFA）を施したものは、初期からの変状は認められず良好な耐性が確認された。フッ素樹脂を施さなかった場合、チタン、Ni合金のアロイ825、SUS316Lはいずれも腐食が認められた。

この試験結果より、チタンにフッ素樹脂管を挿入することにより、外面の高温酸性環境、内面の高温アルカリ環境において十分な耐性を示すことが確認された。

[試験その２]
試験その１と同様の方法で、試験管の内面はpH14に調整した水酸化ナトリウム水溶液を入れ、250℃に加熱し、高温アルカリ環境を形成させた。試験管としては、内面にフッ素樹脂被覆厚みを変えたチタン管を用いて試験を行った。フッ素樹脂の厚みは0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mmとした。試験結果を以下の表２に示す。

表２より、いずれの試験片でもフッ素樹脂は、チタンからの膨れ（剥離）が認められ、厚みの薄い0.1mmでは被覆の破れが認められた。0.2mm以上のものは、被覆の損傷は認められなかった。

[試験その３]
水平に設置した、外径9mmで内径7mmのチタン管に、外径6mmのフッ素樹脂管を挿入した。フッ素樹脂管の厚みは0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mmとした。試験結果を以下の表３に示す。

表３より、厚さ1.0mmの樹脂管では300ｍまで挿入できたが、厚み0.1mmでは20ｍまでしか挿入できず、ねじれなどによって閉塞し易かった。したがって、フッ素樹脂管を挿入して二重管を構成することはできなかった。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…ケーシング管、２…外管、２ａ…外管の先端、３，３Ａ…内管、３ａ…内管の先端、４，４Ａ…二重管、５…第１の隙間、６…第２の隙間、７…内管の中空、１０，１０Ａ…多重管、２０…送り出し装置、１００，１００Ａ…システム、Ｇ…地盤、ＧＴ…（酸性）地熱井、ＮＥ…中和領域、Ｖ…熱水

Claims (6)

1. 地熱井から蒸気を回収する多重管であって、
   外側のケーシング管と、
   ケーシング管内において該ケーシング管に対して相対的にスライド自在で、かつケーシング管の内面との間に第１の隙間を有する二重管であって、耐酸性の外管と耐アルカリ性の内管から構成され、外管と内管の間に第２の隙間を有する二重管と、を備え、
   内管の内部を介してアルカリ薬液を酸性地熱井に貯留される酸性熱水に注入することによって該酸性熱水を中和し、第１の隙間を介して中和された熱水を地上に噴出させることによってフラッシュした蒸気を回収する、地熱井から蒸気を回収する多重管。
2. 外管の素材がチタンを主成分とする合金であり、内管の素材がフッ素系樹脂である、請求項１に記載の地熱井から蒸気を回収する多重管。
3. 二重管において内管の先端が外管の先端から突出している、請求項１または２に記載の地熱井から蒸気を回収する多重管。
4. 酸性熱水よりも比重の重いアルカリ薬液を注入するようになっている、請求項１〜３のいずれかに記載の地熱井から蒸気を回収する多重管。
5. 外管の内径が50mm以下であり、内管の厚みが0.2mm以上であり、二重管の長さが2000〜3000mである、請求項１〜４のいずれかに記載の地熱井から蒸気を回収する多重管。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の多重管と、
   二重管において外管の先端から内管の先端が突出した状態を保持しながら、該二重管を地熱井に送り出す送り出し装置と、からなる地熱井から蒸気を回収するシステム。

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