JP2016026280A - エネルギー抽出のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地中の熱を回収するために、ケーシングを通して圧送される、別の源からの付加的な水が必要とされる。水の回収の改善、および効率向上を図った地熱エネルギー抽出システムを提供する。
【解決手段】井戸ボア１６を通して、地下熱貯留層から地熱エネルギーを効率的に抽出するための方法および装置であって、そこでは、熱交換流体が、流体が抽出される速度よりも遅い速度で導入される。方法および装置は、井戸ボアの上部近傍にガス帯をさらに備え、熱交換流体の熱損失を低減させる。井戸ボアのケーシング１８の一部は、熱伝導性改良のために、直接、地下環境に接触することができる。代替として、熱伝導性材料を備える熱伝導性壁は、井戸ボアのケーシングの一部を囲むことができる。さらに、開示される方法および装置のパイプおよび導管の内側および／または外側表面は、熱伝達効率改良のために、表面積を増大させる特徴を含むことができる。
【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／４５８０５６号（２０１０年１１月１６日出願、名称「Ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ Ｗｅｌｌ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ」）の優先権を主張し、この出願の開示内容は、その全体が参照することにより本明細書に援用される。

本発明は、概して、エネルギーを抽出するためのシステムおよび方法に関し、具体的には、電気の生成、または他の作業の実行において使用するための高温流体を地表まで送達するために地熱井戸を使用して熱エネルギーを抽出するシステムおよび方法に関する。

地表下の熱を収集して、モータを駆動させ、電気を発生させ、または他の作業を行うための公知の方法が存在する。あるタイプの地熱システムは、地下地層中に既に存在する温水および／または蒸気を生成するステップを含む。別のタイプの地熱システムは、直接、流体を地下地層中に導入し、熱を吸収し、吸収された熱と一緒に流体を回収するステップを含む。これらのタイプの地熱システムの典型的な開示は、特許文献１、特許文献２、および特許文献３、ならびにＣａｌｉｆｏｒｎｉａおよびＩｃｅｌａｎｄにおける実機操業において提供されている。

この熱を収集する他の方法は、地殻の高温区画中まで延在するボアホールの中のケーシングを通して、水等の作業流体を圧送する地熱システムを含む。地中の熱は、作業流体を蒸気に変え、これは、地表で生成され、次いで、液化および浄化されて、ケーシングの中へと戻るように圧送される。このタイプの典型的開示は、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７および特許文献８に見出される。

このタイプの地熱システムは、地熱井戸に隣接する岩石中の地盤沈下または地震活動および生成される流体の廃棄の問題の最小化等、直接、加熱された地層流体を生成するか、または地層中に流体を導入し、生成させるステップに勝るある利点を有する。これは改良点であるが、このタイプの地熱システムは、依然として、ある不利点に悩まされる。例えば、これらの地熱システムは、多くの場合、ケーシングを穿孔し、地層と作業流体との間の熱交換を促進する。したがって、井戸、湖、または公共設備等の別の源からの付加的な水が、多くの場合、ケーシングを通して圧送され、地中の熱を回収するために必要とされる。さらに、ケーシングの穿孔が、周囲環境から加熱された流体に微粒子を導入するので、このタイプの地熱システムはまた、多くの場合、再び、循環させ得る前に、加熱された流体を処理するための浄化システムを必要とする。

米国特許第４，０８２，１４０号明細書 米国特許第４，２０１，０６０号明細書 米国特許第４，３５７，８０２号明細書 米国特許第３，４７０，９４３号明細書 米国特許第４，０８５，７９５号明細書 米国特許第５，０７２，７８３号明細書 米国特許第５，５１５，６７９号明細書 米国特許第６，３０１，８９４号明細書

本開示の一側面によると、大地の表面またはその上方の場所から地下環境まで延在する井戸が提供され、井戸は、大地の表面上またはその上方の井戸上部と、大地の表面から地下場所まで延在する井戸ボアと、井戸ボアの中に配置される注入導管であって、その一部が地表から地下環境の中の第１の場所まで延在させられ、第１の内径を有する、注入導管とを備える。井戸は、井戸ボアの中に配置される生成導管をさらに備え、生成導管の一部は、地表から地下環境の中の第２の場所まで延在させられ、生成導管は、第２の内径を有し、生成導管は、井戸ボアを介して注入導管に流動的に連結され、第１の内径は、第２の内径よりも大きい。

一実施形態では、地下環境の一部は、少なくとも約３００°Ｆの温度を備え、井戸は、熱交換流体をさらに備える。別の実施形態では、熱伝達流体は、水、アルコール、冷却剤、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される流体を備える。さらに別の実施形態では、井戸ボアは、液体形態におけるある体積の熱交換流体と、その体積の熱交換流体の上方に位置するガス帯とをさらに備える。一実施形態では、ガス帯は、大気圧よりも大きい圧力にある。別の実施形態では、ガス帯は、空気、窒素、アルゴン、他の好適なガス、およびそれらの組み合わせから成る群から選択されるガスを備える。

一実施形態では、第１の内径と第２の内径とは、８．３、１よりも大きい、１．５よりも大きい、２よりも大きい、および２．５よりも大きい、から成る群から選択される比を有する。

別の実施形態では、井戸は、生成導管に流動的に連結されたエネルギー抽出システムをさらに備える。

一実施形態では、生成導管は、その長さの少なくとも一部のための熱的絶縁材料を備える。

一実施形態では、井戸は、井戸ボアと大地との間にケーシングをさらに備え、ケーシングの少なくとも一部は、地下環境に直接接触する。別の実施形態では、ケーシングの少なくとも一部は、熱伝導性壁によって囲まれている。さらに別の実施形態では、ケーシングは、無孔である。

一実施形態では、該注入導管および該生成導管のうちの少なくとも１つは、表面特徴を備える。別の実施形態では、表面特徴は、陥凹を備える。

本開示の別の側面によると、熱エネルギーを収集する方法が提供され、第１の速度で、熱交換流体を注入導管を通して井戸ボアの中へ導入するステップであって、井戸ボアの一部は、地下環境の中に配置される、ステップと、第２の速度で、熱交換流体を井戸ボアから生成導管を通して抽出するステップとを備え、第２の速度は、第１の速度よりも速い。

一実施形態では、地下環境の一部は、少なくとも約３００°Ｆの温度を備える。別の実施形態では、熱伝達流体は、水、アルコール、冷却剤、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される流体を備える。

一実施形態では、方法は、井戸ボアの中のある体積の熱交換流体の上方にガス帯を維持するステップであって、ある体積の熱交換流体は、液体形態である、ステップをさらに備える。別の実施形態では、ガス帯は、大気圧よりも大きい圧力にある。さらに別の実施形態では、ガス帯は、空気、窒素、アルゴン、他の好適なガス、およびそれらの組み合わせから成る群から選択されるガスを備える。

一実施形態では、第１の速度よりも速い第２の速度は、少なくとも、生成導管の直径と異なる直径を有する注入導管によって達成される。別の実施形態では、注入導管の直径は、生成導管の直径よりも大きい。さらに別の実施形態では、注入導管の直径および生成導管の直径は、８．３、１よりも大きい、１．５よりも大きい、２よりも大きい、および２．５よりも大きい、から成る群から選択される比を有する。

一実施形態では、方法は、抽出される熱交換流体からエネルギーを生成するステップをさらに備える。

別の実施形態では、方法は、生成導管の一部を絶縁するステップをさらに備える。

さらに別の実施形態では、方法は、井戸ボアと大地との間にケーシングを提供するステップと、ケーシングの一部の周囲に熱伝導性壁を提供するステップとをさらに備える。別の実施形態では、方法は、井戸ボアと大地との間にケーシングを提供するステップと、ケーシングの外部の一部を地下環境に暴露するステップとをさらに備える。さらに別の実施形態では、ケーシングは、無孔である。

一実施形態では、方法は、注入導管および生成導管のうちの少なくとも１つに、表面積の増大を提供するステップをさらに備える。

前述は、以下の発明を実施するための形態が、より理解され得るように、本発明の特徴および技術的利点を多少広義に概略した。本発明の付加的な特徴および利点は、以下に説明され、本発明の請求項の主題を形成するであろう。開示される概念および具体的実施形態が、本発明の同一目的を実行するための他の構造を修正または設計するための基礎として容易に利用され得ることは、当業者により理解されるはずである。また、そのような同等構造は、添付の請求項に記載される発明の精神および範囲から逸脱しないことも、当業者によって認識されるはずである。その編成および動作方法の両方について、本発明の特性であると考えられる、新規特徴は、さらなる目的および利点とともに、添付図と併せて検討されることによって、以下の説明からより理解されるであろう。しかしながら、図はそれぞれ、例示および説明の目的のためだけに提供され、本発明の限定の定義として意図されるものではないことは、明示的に理解されるはずである。

ここで、本発明のより完全な理解のために、添付図面と関連して検討される以下の説明に対して参照がなされる。
本発明は、例えば、以下のものを提供する。
（項目１）
大地の表面におけるまたはその上方の場所から地下環境まで延在する井戸であって、
該井戸は、
大地の該表面におけるまたはその上方の井戸上部と、
大地の該表面から地下場所まで延在する井戸ボアと、
該井戸ボアの中に配置される注入導管であって、該注入導管の一部は、該表面から該地下環境の中の第１の場所まで延在させられ、該注入導管は、第１の内径を有する、注入導管と、
該井戸ボアの中に配置される生成導管であって、該生成導管の一部は、該表面から該地下環境の中の第２の場所まで延在させられ、該生成導管は、第２の内径を有する、生成導管と
を備え、該生成導管は、該井戸ボアを介して該注入導管に流動的に連結され、該第１の内径は、該第２の内径をよりも大きい、井戸。
（項目２）
前記井戸は、熱交換流体をさらに備える、項目１に記載の井戸。
（項目３）
熱伝達流体は、水、アルコール、冷却剤、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される流体を備える、項目２に記載の井戸。
（項目４）
前記井戸ボアは、
液体形態にある、ある体積の熱交換流体と、
該体積の熱交換流体の上方に位置するガス帯と
をさらに備える、項目２に記載の井戸。
（項目５）
前記ガス帯は、大気圧よりも大きい圧力にある、項目４に記載の井戸。
（項目６）
前記ガス帯は、空気、窒素、アルゴン、他の好適なガス、およびそれらの組み合わせから成る群から選択されるガスを備える、項目４に記載の井戸。
（項目７）
前記第１の内径と前記第２の内径とは、８．３、１よりも大きい、１．５よりも大きい、２よりも大きい、および２．５よりも大きい、から成る群から選択される比を有する、項目１に記載の井戸。
（項目８）
前記生成導管に流動的に連結されたエネルギー抽出システムをさらに備える、項目２に記載の井戸。
（項目９）
前記生成導管は、その長さの少なくとも一部のための熱的絶縁材料を備える、項目２に記載の井戸。
（項目１０）
前記井戸ボアと前記大地との間にケーシングをさらに備え、該ケーシングの少なくとも一部は、該地下環境に直接接触する、項目１に記載の井戸。
（項目１１）
前記ケーシングは、無孔である、項目１０に記載の井戸。
（項目１２）
前記井戸ボアと前記大地との間にケーシングをさらに備え、該ケーシングの少なくとも一部は、熱伝導性壁によって囲まれている、項目１に記載の井戸。
（項目１３）
前記ケーシングは、無孔である、項目１２に記載の井戸。
（項目１４）
前記注入導管および前記生成導管のうちの少なくとも１つは、表面特徴を備える、項目１に記載の井戸。
（項目１５）
前記表面特徴は、陥凹を備える、項目１２に記載の井戸。
（項目１６）
熱エネルギーを収集する方法であって、
該方法は、
第１の速度で、熱交換流体を注入導管を通して井戸ボアの中へ導入することであって、該井戸ボアの一部は、地下環境の中に配置される、ことと、
第２の速度で、該熱交換流体を該井戸ボアから生成導管を通して抽出することと
を備え、該第２の速度は、該第１の速度よりも速い、方法。
（項目１７）
熱伝達流体は、水、アルコール、冷却剤、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、項目１６に記載の方法。
（項目１８）
前記井戸ボアの中のある体積の熱交換流体の上方にガス帯を維持するステップであって、該体積の熱交換流体は、液体形態にある、ステップをさらに備える、項目１６に記載の方法。
（項目１９）
前記ガス帯は、大気圧よりも大きい圧力にある、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
前記ガス帯は、空気、窒素、アルゴン、他の好適なガス、およびそれらの組み合わせから成る群から選択されるガスを備える、項目１８に記載の方法。
（項目２１）
前記第１の速度よりも速い前記第２の速度は、少なくとも、前記生成導管の直径と異なる直径を有する前記注入導管によって達成される、項目１６に記載の方法。
（項目２２）
前記注入導管の直径と前記生成導管の直径とは、８．３、１よりも大きい、１．５よりも大きい、２よりも大きい、および２．５よりも大きい、から成る群から選択される比を有する、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
前記抽出された熱交換流体からエネルギーを生成するステップをさらに備える、項目１６に記載の方法。
（項目２４）
前記生成導管の一部を絶縁するステップをさらに備える、項目１６に記載の方法。
（項目２５）
前記井戸ボアと前記大地との間にケーシングを提供するステップと、
該ケーシングの一部の周囲に熱伝導性壁を提供するステップと
をさらに備える、項目１６に記載の方法。
（項目２６）
前記ケーシングは、無孔である、項目２５に記載の方法。
（項目２７）
前記井戸ボアと前記大地との間にケーシングを提供するステップと、
該ケーシングの外部の一部を前記地下環境に暴露するステップと
をさらに備える、項目１６に記載の方法。
（項目２８）
前記ケーシングは、無孔である、項目２７に記載の方法。
（項目２９）
前記注入導管および前記生成導管のうちの少なくとも１つに、表面積の増大を提供するステップをさらに備える、項目１６に記載の方法。

図１は、図式的に図示される例示的エネルギー抽出システムに接続される、本開示の第１の実施形態による、井戸の断面を示す。 図２は、図１に示される本開示の第１の実施形態による、井戸内の熱交換流体の流路を図示する。 図３Ａおよび３Ｂは、本開示による、第１の例示的井戸構成を図示する。 図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃは、本開示による、第２の例示的井戸構成を図示する。 図５Ａおよび５Ｂは、本開示の実施形態による、井戸の熱伝達効率を改善する、例示的特徴を図示する。

本明細書で使用されるように、「ａ」および「ａｎ」は、別様に記載されない限り、１つ以上を意味する。

本開示は、湿潤または乾燥地熱層に有用な閉ループ地熱システムであるシステムを提供する。一実施形態では、井戸は、底部におけるコンクリートのプラグ、井戸上部、および少なくとも２つの導管を有する井戸上部を通って井戸の中へと通過する、全体的または部分的にコンクリートで覆われた井戸を備える。２つの導管のうち、１つ目は、好ましくは、大地の温度が井戸の中の熱交換流体を加熱するために十分に高い層のレベルまたは井戸の深度まで走行する注入導管である。２つ目は、好ましくは、注入導管より長く、井戸の底部近傍まで走行する出口導管である。一実施形態では、出口または生成導管は、プラグを腐食させないように、井戸の底部におけるコンクリートプラグの手前で終端する。一実施形態では、注入導管の直径は、出口導管の直径よりも大きい。サイズ（例えば、長さおよび直径）の差異は、表面に戻る熱交換流体の速度に影響を及ぼし、例えば、流出流体の速度を増加させ、それによって、加熱された流体が、熱交換流体が流入する井戸の上側部分の中のより冷たい領域等、井戸のより低温の表面と接触する時間を短縮させる。

代替実施形態では、注入導管は、出口導管よりも長く、井戸の底部近傍まで走行し、コンクリートプラグの手前で終端する。本実施形態では、注入導管の直径および出口導管は、好ましくは、同一または実質的に同一である。別の実施形態では、注入導管と出口導管とは、同一の長さを有することができる。

さらに熱損失を低減させるために、井戸は、ある実施形態では、上側領域の中のガス帯を使用して、２つの入口および出口導管を相互に絶縁する。加えて、このガス帯はさらに、高圧力下にあることにより、井戸の中の地熱エネルギーによって加熱された熱交換流体の沸騰温度を上昇させて、流出熱交換流体を液相に保ち、システムを均衡状態に維持する。大地からの熱エネルギーを含有する、生成された熱交換流体は、流体の最終表面温度に応じて、任意の数の電力生成プロセスにおいて使用されることができる。熱エネルギーが十分なレベルまで使用されると、流体が孔の下方へと戻され、再加熱され、サイクルが、再び開始する。本開示の井戸システムは、熱エネルギーの取出しまたは抽出に照らして論じられるが、開示される井戸システムは、他の用途において使用されることができることが想定される。

具体的実施形態では、図１を参照すると、井戸システム１０は、熱交換または作業流体によって吸収されるために十分な高温を有する領域または層まで、地中まで延在する１つ以上の井戸１２を含む。これらの十分に高温の領域の深度および場所は、概して、既知であるか、または公知の方法に従って決定することができる。井戸１２のうちの１つ以上と関連付けられるのは、井戸１２からより高い温度熱交換流体を受容し、流体の熱エネルギーをより望ましいタイプのエネルギー、通常、電気に変換するエネルギー抽出システム１４である。一実施形態では、着目層温度は、好ましくは、少なくとも約３００°Ｆである。しかしながら、他の実施形態では、周囲環境の温度は、温度が熱エネルギーを生成するために有用である限り、より低くあることができる。例えば、好適な熱交換流体、例えば、冷却剤は、３００°Ｆよりも低い温度を有する環境から熱エネルギーを抽出するために使用することができる。

図１を参照すると、井戸１２は、少なくとも所望の温度を有する高温領域または領域まで地中まで延在するボアホール（ｂｏｒｅ ｈｏｌｅ）または井戸ボア（ｗｅｌｌｂｏｒｅ）１６を含む。好ましくは、ボアホールまたは井戸ボア１６は、温度が少なくとも約４００°Ｆである地中の少なくとも加熱された層まで延在する。図１では、ケーシングまたはパイプ列１８が、セメントシース２０によって、井戸ボア１６内に固結されている。ケーシング１８は、好ましくは、無孔であることにより、ケーシングにわたって熱伝達を提供する一方、大地からケーシング１８の中への流体の流入またはケーシング１８から地中への作業流体の漏出を防止する。一実施形態では、ケーシング１８は、鉄鋼材料を備える。さらに、ある実施形態では、ケーシングは、耐腐食性であって、循環される熱交換流体が周囲環境によって汚染されないか、または周囲環境中に漏出しないよう保証する材料で補強されるか、またはそのような材料から作製されることができる。高温パイプおよびセメントは、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａにおける現在の地熱操業におけるように、当技術分野において公知である。好ましい実施形態では、これらの高温パイプおよびセメントは、システム１０において使用される。代替実施形態では、他の好適な高温パイプおよびセメント材料が、システム１０において使用されることができる。

井戸１２は、垂直であってもよく、あるいは計算、経験、および／または地層の特性に基づいて、井戸１２の一部は、高温領域における実質的距離に対して延在する１つ以上の水平区画を含むことができる。パイプ列１８の底部または端部は、プラグ２２等の好適なキャップまたはブルプラグによって閉鎖され、地中に閉鎖チャンバ２４を提供し、それを通して熱交換流体が循環してもよい。熱交換流体は、任意の好適なタイプであることができる。好ましい実施形態では、液体は、少なくとも、ある体積の液体がガス相における同等体積の同一材料より熱を吸収する能力が高いという理由から使用される。好ましい実施形態では、熱交換流体は、水を備える。代替実施形態では、アルコールおよび冷却剤等、他の好適なタイプの熱交換流体またはそれらの組み合わせが使用される。

図１を参照すると、入口または注入導管２６は、井戸上部２８を通って延在し、より低い温度の熱交換流体をエネルギー抽出システム１４からチャンバ２４の中へと送達する。出口または生成導管３０もまた、井戸上部２８を通って延在し、大地からのエネルギーを吸収した熱交換流体を井戸１２からエネルギー抽出システム１４まで送達する。図１に図示されるように、入口導管２６は、好ましくは、大地の温度が熱エネルギーを熱交換流体に伝達するために十分に高い区域３２まで、井戸１２の中まで延在する。好ましい実施形態では、区域３２は、大地の温度が井戸１２の最大持続可能温度の約４０−６０％である場所である。井戸１２の最大持続可能温度を決定する方法の１つは、井戸１２の底部近傍の持続可能温度を決定することである。

例えば、一実施形態では、区域３２は、井戸１２の底部近傍の大地の温度が、約８００°Ｆであるとき、周囲環境の温度が４００°Ｆの範囲内にある深度にほぼ位置する。別の実施形態では、区域３２は、井戸１２の底部近傍の最高持続可能温度が、約４００°Ｆの範囲内のあるとき、周囲環境の温度が約２００°Ｆの範囲内にある深度に位置する。区域３２の場所の決定は、井戸１２の底部近傍の最高持続可能温度およびシステム１０内の熱交換流体の予期される体積等、いくつかの要因に依存する。したがって、区域３２の深度は、その特定の井戸の動作条件に応じて、個々の井戸に対して構成される。

図１を参照すると、好ましい実施形態では、入口導管２６は、出口導管３０より容量が大きい。一実施形態では、入口導管２６は、出口導管３０の直径より大きい直径を有することによって、より大きな容量を有する。入口導管２６と出口導管３０との間の容量の差異は、出口導管３０を通るより速い加熱された作業流体の速度を可能にし、それによって、井戸１２からの熱交換流体の走行時間、その結果、入口導管２６からの流入熱交換流体による熱損失を最小にする。加えて、導管２６および３０のうちの少なくとも１つは、好ましくは、部分的に熱的に絶縁され、出口導管３０から入口導管２６まで熱伝達を回避または最小にする。例えば、一実施形態では、出口導管３０は、熱交換流体から周囲への熱の正味損失が存在するレベルを上回って熱的に絶縁することができる。出口導管３０の一部を絶縁する方法の１つは、導管の外径の一部または全部の周囲に熱外被（図示せず）を提供することである。一実施形態では、外被は、低い熱伝導性の材料を備える。別の実施形態では、絶縁は、その長さの少なくとも一部に対して、二重壁導管（図示せず）を備える生成導管３０を介して達成される。外側壁と内側壁との間の環状空間は、空気、窒素、アルゴン、他の好適または類似ガス、あるいはそれらの組み合わせ等、壁の間の熱交換を低減させるためのガスを備えることができる。代替として、環状空間は、真空または略真空であることができる。好ましい実施形態では、生成導管のみが絶縁される。加えて、図１を参照すると、入口導管２６および出口導管３０は、好ましくは、これらの導管２６の壁と導管３０の壁とが相互に接触せず、さらに、入口導管２６の中の比較的に冷たい流入流体と出口導管３０の中の比較的に温かい流出流体との間の熱エネルギー交換を低減させるように配列される。

図１を参照すると、出口導管３０は、入口導管２６よりさらに井戸１２の中まで延在し、熱交換流体が、井戸１２の中において熱エネルギーを大地から吸収することに費やす時間を最適化する。この時間は、熱交換流体の滞留時間と称される。滞留時間を決定するための方法の１つは、液体レベル３８の下方のケーシング１８の体積を、流体が入口導管２６を通って送達される速度で除算することである。他の実施形態では、滞留時間は、他の手段によって決定されることができる。図１では、液体レベル３８は、熱エネルギー抽出動作の間、井戸１２の中で維持される熱交換流体のレベルである。一実施形態では、液体レベル３８は、出口導管３０からの温度損失が過剰になる場所またはその周囲にある。熱交換チャンバの中の流体の有効滞留時間はまた、入口および出口導管のサイズおよび場所を構成し、流体が地熱井戸を通って循環する速度を調整することによって、制御されることができる。少なくとも、地層温度および／または地表における所望の流体温度は、滞留時間に影響を及ぼす。例えば、より高い温度を有する地層は、より短い滞留時間を可能にする一方、より低い温度地層は、より長い滞留時間およびより遅い流速を要求し得る。同様に、地表における熱交換流体のより高い所望の温度が、より長い滞留時間を要求し得る一方、より短い滞留時間が、より低い所望の温度を得るために十分であり得るか否かは地層温度に依存する。

別の実施形態では、井戸１２は、液体レベル３８の上方にガスで充填された領域をさらに備えることにより、付加的に、出口導管３０を通って地表へと流動する熱交換流体の熱損失を低減させる。図１を参照すると、システム１０は、井戸１２の中の液体レベル３８の場所を決定するための井戸上部２６上のセンサ４２と、液体レベル３８の高さを制御し、液体レベル３８を所望のレベルに維持するためのガス注入／放出システム４４とを備える。センサ４２は、音発生器およびエコー受信機等、任意の好適なタイプであることができる。一実施形態では、センサ４２は、弁４８を操作し、井戸上部２８を通して、源５０からガスを送達するために、システム４４の一部であるモータ弁４８に接続される出力ワイヤまたは導線４６を含む。一実施形態では、弁４８は、必要または所望に応じて、井戸１２からガスを放出するために、大気中に開放されるポート５２を有する三方型弁である。弁４８の動作は、システム４４が井戸１２の中の液体レベル３８の高さを制御することを可能にする。例えば、センサ４２が、液体レベル３８が所望のレベルまたは高さを上回ることを検出する場合、システム４４にアラートし、弁４８を開放し、ガスを井戸１２内に注入することができる。井戸１２へのガスの添加は、井戸１２の中の液体を押し下げ、それによって、液体レベル３８を低下させる。一方、センサ４２が、液体レベル３８が所望のレベルまたは高さを下回ることを検出する場合、アラートシステム４４にアラートし、弁４８を設定し、ガスを井戸１２から大気中に放出させることができる。井戸１２からのガスの放出は、井戸１２の中の液体に作用する圧力を減少させ、それによって、液体レベル３８を上昇させる。液体レベル３８の所望の高さは、特定の井戸の種々の動作要因に基づいている。液体レベル３８の上方に維持されるガス帯は、好ましくは、井戸１２の上側部分の中に、比較的に低速の熱伝達の領域を提供し、それによって、流出熱交換流体の高温を維持する。

一実施形態では、井戸１２の中へ注入されるガスは、空気、窒素、アルゴン、任意の他の好適または類似ガス組成物、あるいはそれらの組み合わせを備える。注入されるガスのタイプまたは組成は、少なくとも、井戸の特定の条件、周囲環境、および／または利用可能な資源に依存することができる。好ましい実施形態では、注入されるガスは、例えば、大気圧よりも高い高圧力下にあり、液体レベル３８の上方の高圧力ガス帯を確立および維持する。圧力は、少なくとも、特定の井戸の動作条件および／または所望の出力温度によって決定されることができる。高圧力区域は、水等の熱交換流体の沸点を上昇させるので、高圧力区域は熱交換液体の早期フラッシングを防止する。したがって、高圧力区域は、出口導管３０を通って井戸１２から流出するとき、熱交換流体を液相に維持するレベルに維持することができる。高圧力区域が採用される実施形態では、熱交換液体の圧力もまた、所望の領域に液体レベル３８を維持するように調節することができる。液体レベル３８上方の高圧力ガス帯はまた、熱交換流体を液相に保ち、それによって、流入流体を流出流体と同相に維持することによって、システム１０を均衡状態に保つことを支援をする。さらに、液体レベル３８上方の高圧力ガス帯はまた、外被（ｊａｃｋ）または二重壁部分等、採用され得る任意の他の絶縁機構に加えて、入口導管２６と出口導管３０との間の熱エネルギー交換を最小にするための絶縁を提供する。最適または所望の圧力は、井戸毎に変動し、動作条件および／または地表における熱交換流体の所望の温度に依存する。

エネルギー抽出システム１４は、流出熱交換流体から蒸気をフラッシングするために、出力導管３０に接続されるフラッシュドラム５４を備える従来のタイプであることができる。フラッシュドラム５４は、ある別の方法では、蒸気によって作動される発電機タービンアセンブリ５６またはある別の機構に接続されることにより、エネルギーを生成するか、または熱エネルギーを収集することができる。熱エネルギーの収集に加え、エネルギー抽出システム１４は、より低い圧力構成要素を含み、所望の領域において抽出される流体から付加的な仕事量を生成することができる。例えば、第２のプロセスを使用して、フラッシュドラム５４を通過した後に、より低い温度のより低い圧力熱交換流体を収集し、例えば、より低い沸点を有する熱交換器を介して、残留熱の少なくとも一部を付加的な仕事量に変換することができる。

フラッシュドラム５４通過後に、生成された熱交換流体はすべて、入口導管２６を通って井戸１２に戻る。システム１０は、井戸１２に戻す前に熱交換流体を処理するために使用される、図１において要素６０として表される、復水器および／またはポンプ等、他の構成要素を含むことができる。機器のタイプは、少なくとも、特定の井戸の動作条件、周囲環境、および／または利用可能な資源に基づくことができる。

図２Ａは、本開示の例示的井戸を通る熱交換流体の流動を図示する。図２Ａでは、セメントシース２４０によって固結され、キャップまたはプラグ２２０によって塞栓される、ケーシング２６０内の垂直井戸２００が存在する。入口導管２０５は、入口導管２０５を通って走行し、入口導管２０５の端部２１５から流出し、井戸２００に流入し、井戸２００の底部に向かって流動する作業流体または熱交換流体２１０を供給する。熱交換流体２１０は、井戸２００の中にあるとき、大地から熱エネルギーを吸収する。熱エネルギーを吸収した後に、熱交換流体２１０は、出口導管２３０を通って地表に戻る。示されるように、出口導管２３０の入口２３５は、入口導管２０５の端部２１５よりも地下領域の中のより深くにある（すなわち、表面２４０からより遠い）。また、出口導管２３０の直径は、入口導管２３０の直径よりも小さい。

一実施形態では、地下地層は、大地から熱交換流体までの熱エネルギーの伝達を向上させる地下水２４５を有する。別の実施形態では、井戸２００は、液体レベル２７０の上方に高圧力ガス帯２５０をさらに備える。前述のように、高圧力ガス帯２５０は、少なくとも絶縁を提供し、流出熱交換流体を液相に保つことによって、システムの動作を改善する。前述および図２Ｂに示されるように、出口導管２３０の直径は、好ましくは、入口導管２０５の直径よりも小さい。入口導管２０５と出口導管２３０との間の容量の差異は、出口導管２３０を通る加熱された作業流体２１０のより速い速度を可能にし、それによって、井戸２００からの熱交換流体２１０の走行時間、その結果、入口導管２０５からの流入熱交換流体２１０による熱損失を最小にする。好ましい実施形態では、ケーシング２６０は、無孔であり、それによって、熱交換流体２１０の周囲環境の中への漏出あるいは周囲環境からの微粒子または流体による熱交換流体２１０のいかなる汚染をも防止する。

前述のように、井戸２００は、少なくとも出口導管２３０に対して、熱絶縁をさらに備えることができる。図２Ａは、相互に隣接する井戸２００上方の入口導管２０５および出口導管２３０の部分を示すが、他の実施形態は、導管のこれらの部分が離れるように、および／または絶縁されるように配列されることができる。出口導管２３０の長さは、少なくとも、流速、導管の直径、および／またはそのシステムのためのモデル化データに基づいて決定されることができる。

図３Ａおよび３Ｂは、本開示による、地熱井戸の構造の一実施形態を実証する。図３Ａでは、開放孔３１０の中にケーシング３００が存在する。ケーシング３００は、好ましくは、鉄鋼から作製される。多くの場合、従来の方法において行われる、ケーシング３００の実質的に全長に沿って、開放孔３１０内にケーシング３００を固結する代わりに、ケーシング３００は、図３Ｂに示され、さらに以下に論じられるように、上部近傍において固結され、底部におけるセメントによって塞栓され、これは、ケーシング３００を開放孔または井戸ボア３１０の中の適所に保持するために十分である。図３Ａおよび３Ｂを参照すると、ケーシング３００の選択的な固結を達成するための方法の１つは、導管３２０をケーシング３００の中へ挿入し、最初に、開放孔３１０とケーシング３００の外側壁との間の環状空間３８０の中へセメントを導入し、固結された上部領域３６０を形成することである。続いて、熱伝導性材料３４０が、導管３２０を通して環状空間３８０の中へ導入され、実質的に環状空間３８０を充填し、ケーシング３００の少なくとも一部を囲む壁３７０を形成する。壁３７０は、熱伝導性材料３４０を備える。十分なまたは所望の量の熱伝導性材料３４０が、環状空間３８０に送達された後、セメント３３０は、次いで、導管３２０を通して、送達され、ケーシング３００の底部にセメント基部３５０を形成する。図３Ａおよび３Ｂに示される井戸構成は、非熱伝導性セメント材料をより熱伝導性の材料と置換することによって、より熱伝導性であるシステムを提供する一方、開放孔３１０の上部および底部近傍におけるケーシング３００の十分な固結によって、依然として、ケーシング３００を開放孔３１０の中の適所に保持することを可能にする。

図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃも同様に、図３Ａおよび３Ｂに示される井戸構成の別の実施形態を実証する。本実施形態では、熱伝導性壁を形成する熱伝導性材料は、淡水を備える。図４Ａ−４Ｃを参照すると、淡水を備える熱伝導性壁を達成する方法の１つは、最初に、セメント４３０を導管４２０を通して、開放孔４１０とケーシング４００の外側壁との間の環状空間４８０の中へ導入し、固結された上部領域４６０を形成することである。続いて、淡水が、導管４２０を通して環状空間４８０の中へ導入され、実質的に環状空間４８０を囲み、ケーシング４００の少なくとも一部を囲む壁４７０を形成する。淡水は、多くの場合、地層水の高塩分含有量と淡水との結果として生じる浸透圧によって、地層内に急速に吸収されるので、本開示のあるシステムにおいて、利点を提供し得る。その結果、淡水が周囲地層によって吸収されると、地熱井戸が位置する地下環境の少なくとも一部がケーシング４００上に圧潰または膨張し、それによって、図４Ｃに示されるように、地熱資源とケーシング４００との間に直接熱接触を提供する。十分なまたは所望の量の淡水が環状空間４８０に送達された後に、または周囲地層の所望の圧潰または膨張が達成された後に、付加的セメント４３０が導管４２０を通して送達されることにより、ケーシング４００の底部にセメント基部４５０を形成する。図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃに示される井戸構成は、大地と熱抽出システムとの間の熱伝導性を増加させ、大地とケーシングとの間の中間流体または材料の必要性を排除する。これは、ケーシング４００を囲む実質的量のセメントを置換することによって達成される一方、開放孔４１０の上部および底部近傍におけるケーシング４００の十分な固結によって、依然として、ケーシング４００を開放孔４１０の中の適所に保持可能にする。代替として、地層条件または他の事業計画上の配慮によってそのように要求される場合、中間流体または他の材料も、依然として使用さることができる。

一実施形態では、Ａ：Ｂとして表される、本開示の種々の実施形態の注入導管の内径（「Ａ」と示される）と生成導管の内径（「Ｂ」と示される）の比は、１よりも大きい。一実施形態では、Ａ：Ｂは、１．５よりも大きい。別の実施形態では、Ａ：Ｂは、２よりも大きい。好ましくは、Ａ：Ｂは、２．５よりも大きい。以下に提供される実施例では、Ａ：Ｂは、２．６６７（すなわち、８：３）に等しい。しかしながら、別の実施形態では、Ａ：Ｂは、３よりも大きい。さらに別の実施形態では、Ａ：Ｂは、３．５よりも大きい。他の実施形態では、Ａ：Ｂは、４よりも大きいか、５よりも大きく、いくつかの他の実施形態では、Ａ：Ｂは、それぞれ、６、７、８、９、１０、２０、５０、および１００よりも大きい。

（実施例）
（実施例１）
好ましい実施形態の実施例は、以下に提供される。本実施例では、注入導管直径と生成導管直径の比は、８：３であって、貯留層として、１７インチのケーシングされた井戸パイプを使用する。この実施例は、内径（ＩＤ）によって画定される３つのパイプサイズを使用する。ケーシングされた井戸パイプとしての役割を果たす１７インチ（４３．１８ｃｍ）パイプ、注入導管としての役割を果たす８インチ（２０．３２ｃｍ）パイプ、および生成管状導管としての役割を果たす３インチ（７．６２ｃｍ）パイプを使用する。

１７インチのケーシングされたパイプに関しては、直線フィート当たり２７２４．８０７６立方インチを有する。１ガロン中に２３１立方インチの液体が存在し、１７インチのケーシングされたパイプの直線フィート当たり約１１．７９５７ガロンをもたらす。５，２８０フィート／マイルの存在があるので、１マイル中に６２，２８１．２９６ガロンが存在する。１分当たり１０００ガロンの流量において、水分子が１７インチのケーシングされた井戸の１マイルを通って走行するために、６２．２８１分かかる。これは、１時間当たり０．９６マイルの速度をもたらす。

８インチ注入管状導管に関しては、導管は、直線フィート当たり６０３．４１７６立方インチを有する。再び、１ガロン中に２３１立方インチの液体が存在し、したがって、直線フィート当たり２．６１２１９ガロンをもたらす。これは、８インチ注入管状導管の１マイル中に１３７９２．３６３２ガロンをもたらす。１分当たり１０００ガロンの流量では、水分子が８インチ注入管状導管の１マイルを通って走行するために、約１３．７６２分かかり、１時間当たり４．３５９８マイルの速度に対応する。

３インチ生成管状導管は、直線フィート当たり８４．８５５６立方インチを有する。１ガロン中に２３１立方インチの液体を使用すると、直線フィート当たり約０．３６７３４ガロンを得る。これは、３インチ生成管状導管の１マイル中１９３９．５５２ガロンをもたらす。１分当たり１０００ガロンの流量では、水分子が３インチ生成管状導管の１マイルを通って走行するために１．９３９分かかり、１時間当たり３０．９４３７マイルの速度に対応する。

生成管状導管と注入管状導管との差速は、貯留層から地表までの貯留層熱の熱伝達の効率を改善する。特に、差速は、生成管状導管内の作業流体の比較的に短い滞留時間を提供し、熱伝達損失を低下させ、より大きな熱捕捉効率をもたらす。

本発明は、貯留層から、水等の貯留層流体を抽出することなく、貯留層から熱のみを抽出するために使用することができるという点において有利である。リサイクルされる作業流体を熱伝達媒体として使用し、浅部および深部熱資源の両方に有用である。好ましい実施形態は、垂直井戸を利用して、高圧力下において、貯留層の中への作業流体のための流路を生み出す。しかしながら、本発明は、任意の他の井戸幾何学形状に適用可能であることを理解されたい。好ましい実施形態は、外部環境からの絶縁のために、底部にプラグを有するケーシングされた井戸を使用する。

加えて、ある実施形態は、表面積が増大したパイプまたは導管を採用し、より大きな熱伝達効率を提供することができる。一実施形態では、より大きなまたは増大した表面積は、パイプまたは導管表面の「陥凹」によって達成される。一つの例示的な「陥凹」構成が図５Ａに図示されている。一実施形態では、陥凹５１０を備えるパイプ５００が図５Ａに図示されている。別の実施形態は、図５Ｂに示されており、陥凹５１０の空洞５２０は、矢印によって示されるような流動パターンを達成する曲率を有するように構成される。この流動構成は、それを通って流体が流動することができるチャネル５３０を提供する。このチャネル５３０は、流体とパイプの内側表面との間の摩擦を低減し、かつ効果的により小さい流動径を提供することによって、流体の流動を改善し、流体の速度を増加させることができる。パイプの陥凹は、好ましくは、表面積を増加させる他の表面特徴もまた、使用され得ることを理解されたい。パイプの両壁（内部および外部）における表面積の増加に加え、陥凹または他の表面積増大表面特徴の使用もまた、作業流体が内部表面特徴５２０に遭遇したときにもたらす乱流を介して、作業流体の効率的な熱混合をもたらす。代替として、導管の壁に取着された金属（または、他の組成物）フィンが、熱伝達を向上させるために土壌の中に延在する。

本発明およびその利点が、詳細に説明されたが、種々の変更、代用、および改変が添付の請求項によって定義されるように、発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書において行うことができることを理解されたい。さらに、本願の範囲は、本明細書に説明されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者が、本発明の本開示から容易に理解するであろうように、本明細書で説明される対応する実施形態と実質的に同一機能を果たすか、または実質的に同一の結果を達成する、現在既存であるか、あるいはそのように後に開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法、またはステップが、本発明に従った利用されてもよい。故に、添付の請求項は、その範囲内にそのようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法、またはステップを含むことが意図される。

Claims (24)

1. 大地の表面における場所またはその上方の場所から地下環境まで延在する井戸であって、前記井戸は、
   大地の前記表面における井戸上部またはその上方の井戸上部と、
   大地の前記表面から地下場所まで延在する井戸ボアと、
   前記井戸ボアと前記大地との間のケーシングと、
   前記ケーシングの中に配置された注入導管であって、前記注入導管の一部は、前記表面から前記地下環境の中の第１の場所まで延在させられ、前記注入導管は、第１の内径を有する、注入導管と、
   前記ケーシングの中に配置された生成導管であって、前記生成導管の一部は、前記表面から前記地下環境の中の第２の場所まで延在させられ、前記生成導管は、第２の内径を有する、生成導管と、
   前記ケーシングの遠位端と前記井戸ボアとの間のプラグであって、前記ケーシングと前記井戸上部と前記プラグとは、閉鎖チャンバを提供し、前記生成導管は、前記チャンバ内で前記注入導管に流動的に結合され、前記第１の内径は、前記第２の内径よりも大きい、プラグと、
   液体形態にある、ある体積の熱交換流体と、
   前記体積の熱交換流体の上方に位置するガス帯であって、前記ガス帯は、前記ケーシングの中に配置されている、ガス帯と
   を備える、井戸。
2. 前記熱交換流体は、水、アルコール、冷却剤、それらの組み合わせから成る群から選択される流体を含む、請求項１に記載の井戸。
3. 前記ガス帯は、大気圧よりも大きい圧力にある、請求項１に記載の井戸。
4. 前記ガス帯は、空気、窒素、アルゴン、それらの組み合わせから成る群から選択されるガスを含む、請求項１に記載の井戸。
5. 前記第１の内径の前記第２の内径に対する比は、８．３、１よりも大きい、１．５よりも大きい、２よりも大きい、２．５よりも大きい、から成る群から選択される、請求項１に記載の井戸。
6. 前記生成導管に流動的に結合されたエネルギー抽出システムをさらに備える、請求項１に記載の井戸。
7. 前記生成導管は、前記生成導管の長さの少なくとも一部のための熱的絶縁材料を備える、請求項１に記載の井戸。
8. 前記ケーシングの少なくとも一部は、前記地下環境に直接接触する、請求項１に記載の井戸。
9. 前記ケーシングは、無孔である、請求項１に記載の井戸。
10. 前記ケーシングの少なくとも一部は、熱伝導性壁によって囲まれている、請求項１に記載の井戸。
11. 前記注入導管および前記生成導管のうちの少なくとも１つは、前記それぞれの導管の内壁の中に配置された１つ以上の修正された表面特徴を備え、前記１つ以上の修正された表面特徴は、前記熱交換流体と前記注入導管および前記生成導管のうちの少なくとも１つの内側表面との間の摩擦を低減するように構成されている、請求項１に記載の井戸。
12. 前記表面特徴は、陥凹を備える、請求項１１に記載の井戸。
13. 熱エネルギーを収集する方法であって、前記方法は、
    第１の速度で、熱交換流体を井戸ボアのケーシングの中に配置された注入導管を通して前記井戸ボアの中に導入することであって、前記井戸ボアの一部は、地下環境の中に配置される、ことと、
    前記ケーシングの外部の前記地下環境から前記熱交換流体の中に熱を伝達することと、
    第２の速度で、前記熱交換流体を前記井戸ボアから前記ケーシングの中に配置された生成導管を通して抽出することであって、前記第２の速度は、前記第１の速度よりも速い、ことと、
    前記ケーシング内の中で、ある体積の熱交換流体の上方にガス帯を維持することであって、前記体積の熱交換流体は、液体形態にある、ことと
    を含む、方法。
14. 前記熱交換流体は、水、アルコール、冷却剤、それらの組み合わせから成る群から選択される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記ガス帯は、大気圧よりも大きい圧力にある、請求項１３に記載の方法。
16. 前記ガス帯は、空気、窒素、アルゴン、それらの組み合わせから成る群から選択されるガスを含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記第１の速度よりも速い前記第２の速度は、少なくとも、前記生成導管の直径と異なる直径を有する前記注入導管によって達成される、請求項１３に記載の方法。
18. 前記注入導管の直径の前記生成導管の直径に対する比は、８．３、１よりも大きい、１．５よりも大きい、２よりも大きい、２．５よりも大きい、から成る群から選択される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記抽出された熱交換流体からエネルギーを生成するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
20. 前記生成導管の一部を絶縁するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
21. 前記ケーシングの一部の周囲に熱伝導性壁を提供するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
22. 前記ケーシングは、無孔である、請求項１３に記載の方法。
23. 前記ケーシングの外部の一部を前記地下環境に暴露するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
24. 前記注入導管および前記生成導管のうちの少なくとも１つに、前記それぞれの導管の内壁の中に配置された増大された表面積を提供するステップをさらに含み、前記増大された表面積は、前記熱交換流体と前記注入導管および前記生成導管のうちの少なくとも１つの内側表面との間の摩擦を低減するように構成された少なくとも１つの修正された表面特徴を含む、請求項１３に記載の方法。

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