JP2017525870A - 地熱ループエネルギー生産システム - Google Patents

Abstract

層状または積層地熱ループエネルギーシステムは、熱生成地層内に配置された閉ループパイプシステムを含んでいてもよい。パイプシステムは、局所的な層特性を効率的にかつ効果的に利用するように掘削された坑井内に据え付けられる。

Description

背景
米国では、地熱で加熱された岩石層における地下水の加熱からのエネルギー生産が、大量の電力を担っている。２０１４年には、米国の地熱電気容量の推定値は約３４４２ＭＷであり、さらに１０００ＭＷが何らかの開発段階にあった。これらのプロジェクトの多くにおける電力生産は、大量の水を層を通して地表まで移動させた後に再注入することを伴う。その電力生成方法の１つの結果は、通常、所与の場所に１つの電力生産設備しか可能ではない、ということである。これは、必要とされる蒸気を生成するために、その場所の熱水の非常に多くが冷却されるためである。

熱伝導流体として水ではなく超臨界二酸化炭素を使用する閉ループ地熱システムが、現在開発中である。そのようなプロセスの概略図を図１に示す。一般に、超臨界ＣＯ_２（ｓＣＯ２）は、注入井１０を下降し、十分な熱を含む地下ゾーン１２内で活性化される。上昇した温度および増加した圧力を有し得る活性化されたＣＯ_２は、生産井１４を介して回収される。活性化されたＣＯ_２は次に、ｓＣＯ２タービン１６および発電機１８を介して、電気などのエネルギーに変換される。このシステムはまた、概して１９で示された圧力調整および注入制御機器を含んでいてもよい。

図１に示されたものなどの地熱システムは一般に、地熱貯留層の「ホットゾーン」内のどこかに到達するという一般的な目的で掘削された坑井（wellbore）を介して、地熱貯留層内に配置される。その結果、現在の地熱エネルギー生産システムは一般に、所与の地熱エリアからの利用可能エネルギーを効果的に利用していない。

請求された実施形態の概要
ここに開示された実施形態は、エネルギーを生産するためにｓＣＯ２地熱システムをより効果的に利用するための方法およびシステムに関する。より特定的には、ここに開示された実施形態は、所与の層で利用可能な地熱をより効果的に利用するための方法およびシステムに関する。

一局面では、ここに開示された実施形態は、地熱エネルギーを効率的に得る（harvest）方法に関する。この方法は、地下地層内に第１の坑井を掘削するステップを含んでいてもよい。第１の坑井を掘削している間に、データが地下地層から収集されてもよい。収集されたデータは次に、目標ゾーンを識別するために分析されてもよい。いったん識別されると、第２の坑井が識別された目標ゾーンまで掘削され、目標ゾーンからエネルギーを得るために、閉ループパイプシステムが第２の坑井内に据え付けられてもよい。

別の局面では、ここに開示された実施形態は、地熱エネルギーを生産するためのシステムに関する。このシステムは、熱生成地層の対流ゾーン内に据え付けられた第１の閉ループパイプシステムを含んでいてもよい。このシステムはまた、熱生成地層の対流ゾーン内の断層内、または対流ゾーンの近傍の帽岩ゾーン内の断層内に据え付けられた第２の閉ループパイプシステムを含んでいてもよい。

別の局面では、ここに開示された実施形態は、地熱エネルギーを生産する方法に関する。この方法は、ドリルビットで地下地層内に坑井を掘削するステップを含んでいてもよい。坑井を掘削している間に、地下地層の特性が計測される。地下地層の計測された特性は目標ゾーンを識別するために分析され、識別された目標ゾーン内に、または当該目標ゾーンを貫通するように坑井を通すように、ドリルビットの軌道が調節される。目標ゾーンからエネルギーを得るために、閉ループパイプシステムが次に坑井内に据え付けられてもよい。

別の局面では、ここに開示された実施形態は、地熱エネルギーを生産する方法に関する。この方法は、対流地熱目標ゾーンを識別するために、地層の掘削同時計測（measurement while drilling：ＭＷＤ）データまたは掘削同時検層（logging while drilling：ＬＷＤ）データを分析するステップを含んでいてもよい。坑井が次に、識別された対流地熱目標ゾーンまで掘削されてもよく、対流地熱目標ゾーンからエネルギーを得るために、閉ループパイプシステムが坑井内に据え付けられてもよい。

別の局面では、ここに開示された実施形態は、地熱エネルギーを生産する方法に関する。この方法は、地層内の異なる対流熱流特性を有する目標場所に、２つ以上の閉ループパイプシステムを配置するステップを含んでいてもよい。地層からのエネルギーが次に、２つ以上の閉ループパイプシステムを介して得られ、２つ以上の閉ループパイプシステムを層状の態様で利用するように構成された変換システムを介して変換されてもよい。

別の局面では、ここに開示された実施形態は、地熱エネルギーを生産する方法に関する。この方法は、異なる対流熱流特性を有する２つ以上の目標場所を判断するために、層のデータを分析するステップを含んでいてもよい。第１の坑井が第１の目標場所まで掘削されてもよく、層からエネルギーを得るために、第１の閉ループパイプシステムが第１の坑井内に配置されてもよい。第２の坑井が第２の目標場所まで掘削されてもよく、層からエネルギーを得るために、第２の閉ループパイプシステムが第２の坑井内に配置されてもよい。

他の局面および利点は、以下の説明および添付された請求項から明らかとなるであろう。

一般的な地熱ループエネルギー生産システムの簡略化されたフローチャートである。 ここに開示された実施形態に従った層状または積層地熱ループエネルギー生産システムが据え付けられ得る地層の断面図である。 ここでの実施形態に従った層状または積層地熱ループエネルギー生産システムを設置するための方法ステップを示すフローチャートである。 ここでの実施形態に従った層状または積層地熱ループエネルギー生産システムを設置するための方法ステップを示すフローチャートである。 ここでの実施形態に従った層状または積層地熱ループエネルギー生産システムを設置するための方法ステップを示すフローチャートである。

詳細な説明
上述のように、図１に示されたものなどの地熱システムは一般に、地熱貯留層の「ホットゾーン」内のどこかに到達するという一般的な目的で掘削された坑井を介して、地熱貯留層内に配置される。場合によっては、坑井の掘削後、層は、対流を向上させるために刺激される。ホットゾーンに到達して坑井の周囲のエリアを刺激することは一般に、地熱ループエネルギー生産システムに何らかの熱を提供するのに十分である。しかしながら、層熱利用の効率は一般に、刺激しても低い。

ここに開示された実施形態は、エネルギーを生産するためにｓＣＯ２地熱システムをより効果的に利用するための方法およびシステムに関する。より特定的には、ここに開示された実施形態は、所与の層で利用可能な地熱をより効果的に利用するための方法およびシステムに関する。また、ここに開示された実施形態は、坑井の近傍での対流を強化するための刺激プロセスをそれほど必要とすることなく、または使用することなく、エネルギー回収の強化を提供し得る。

地下層の一般的概念は、それらが１つの大きいセルであるということであった。しかしながら、これは全体の過度の単純化であり（gross oversimplification）、おそらく現在の地熱プロジェクトにおける低エネルギー利用をもたらす。この一般的概念とは対照的に、地熱層エリアは、層内の岩石の非常に局所的な多孔性に依存して、高い対流の個別ゾーンと低い対流の個別ゾーンとを含み得る。十分な地熱を有する、ある特定の体積の岩石は、より高いおよびより低い一次および二次多孔性、より高いおよびより低い局所温度、対流または移流によって循環するより多いおよびより少ない量の水、ならびに他のさまざまな特性を有する岩石のゾーンを含み得る。

何らかの水流を含み得る広いエリアを目的とするのではなく、ここに開示された実施形態は、自然対流をすでに含む地熱地帯の部分内への閉ループパイプシステムの配置を目標とする。目標とされた配置はこのため、地帯の十分な開発を提供してもよく、最も多いエネルギーを効果的に引き出し得る場所にパイプシステムを配置する。また、自然対流ゾーン内への目標とされた配置は、エネルギー生産システムに関連付けられた刺激（すなわち浸透性強化）動作の減少または排除を可能にし得る。世間一般がすべての刺激を水圧破砕（fracking）であると考えるようであること、および、水圧破砕の認識は世間一般のかなりの反対を引き起こすことを考慮すると、これは付加価値である。刺激は対流または流れを局所的に強化するために使用され得るものの、むやみやたらに配置された坑井の刺激は局所的な強化をもたらすに過ぎず、地帯の他のエリアに自然に存在する循環のほんの一部しか提供しないかもしれない。ここに開示された実施形態は、１つまたは複数の坑井の配置を目標とし、地熱地帯の対流エリアの近傍に坑井を有利に配置する。ここでの実施形態に従って据え付けられたパイプシステムを含む、結果として生じる層状または積層地熱ループエネルギー生産システムはこのため、地帯からエネルギーを効果的に引き出し得る。

ここで図２を参照して、ここでの実施形態に従った積層ループシステムの断面図を示す。図示されたような地下環境は、帽岩ゾーン２０の区分または地層を含む。帽岩ゾーン２０は、大部分が、ｓＣＯ２または他の流体を活性化するために閉ループパイプシステムで使用するのに通常適さない。たとえば、帽岩２０は不浸透性かもしれず、または、それはずっと下から湧き出る熱水の領域を有していないかもしれない。

帽岩ゾーン２０より下には、ここに対流ゾーン２２と呼ばれる、浸透性の岩石を含む地層があり得る。帽岩ゾーン２０と対流ゾーン２２との間には境界２４があり、そこに、対流ゾーン２２のより深いホットゾーン２６から熱水または他の熱い流体が対流によって移動され得る。１つ以上の断層線２８もあってもよく、それは、地熱塩水がより深いホットゾーン２６から対流ゾーン２２内に、および／または帽岩ゾーン２０内に急上昇するための導管として機能してもよい。

ここに開示された実施形態は、地熱塩水からｓＣＯ２などのパイプシステムの伝達流体への効率的な伝達を提供するように、地層の特定の目標エリア内への閉ループパイプシステムの配置を目標とする。地下目標エリアは、以下の位置のうちのいずれかまたはそれらの組合せを含み得る：
（Ａ） 目標エリア３０といった、断層２８内の浅い深さでの位置。この位置は、地表に近いため、適温のみを有しており、水平配管が実際に断層ゾーンにあることを確実にするように慎重に掘削されなければならない。しかしながら、深さが比較的浅いため、掘削がより容易であり、費用もより安価である；
（Ｂ） 目標エリア３２といった、帽岩ゾーン２０と対流ゾーン２２との間の境界２４の近傍の位置。境界はかなり大きい場合があるため、この位置は精密な掘削を必要としない。それはまた、高い水温を特徴とする。一方、掘削はより深く、より費用がかかるかもしれない；
（Ｃ） 目標エリア３４といった、断層２８内のより深い深さでの位置。この位置は、最も熱い層水へのアクセスを可能にする。なぜなら、断層線を通って地熱塩水が層内へと急上昇するためである。この利点は、断層２８と交差するために深くかつ非常に精密に掘削するための要件によって相殺される。

総合すると、図１に示すエネルギー生産システム用の閉ループシステムの水平配管といったパイプシステムを据え付けるためのこれら３つの可能な目標エリアまたは位置は、１つまたはいくつかの水平レベルでの熱だけではなく、地熱エネルギー生産に使用される特性の地下部分全体の活用を可能にする。さらに、大抵の地熱エネルギープロセスは断層線でのまたはその近くでの生産を避けるものの、ここでの実施形態は、断層線の独特の特性を有利に利用する。断層線および帽岩境界は、地熱塩水または他の地下流体の流れが層内に自然に存在する自然対流を提供し、ここでの実施形態は、この備わった自然対流を有利に利用して、それと関連付けられたエネルギー生産システムの有効性を高める。

ここに開示された実施形態に従った地熱エネルギーを生産するためのシステムはこのため、熱生成地層内に配置された１つ以上のパイプシステムを含んでいてもよい。たとえば、ここでの実施形態に従った地熱エネルギーを生産するためのシステムは、（Ａ）帽岩ゾーンと対流ゾーンとの間の境界の近傍など、熱生成地層の対流ゾーン内に据え付けられた第１の閉ループパイプシステム、（Ｂ）対流ゾーン内の断層内に据え付けられた第２の閉ループパイプシステム、（Ｃ）対流ゾーン内の深部の断層内に据え付けられた第３の閉ループパイプシステム、および／または（Ｄ）対流ゾーンの近傍の断層内など、帽岩ゾーン内の断層内に据え付けた第４の閉ループパイプシステム、のうちの１つ以上を含んでいてもよい。（Ａ）〜（Ｄ）のうちの２つ以上の組合せは、ある特定の地熱エリアの十分な活用を可能にし得る。

ここでの実施形態に従ったパイプシステムの据え付けは、偶然ベースでは行なわれない。むしろ、パイプシステムの据え付けは、坑井の掘削中に収集されたデータに少なくとも部分的に基づいて行なわれる。

たとえば、いくつかの実施形態では、坑井がドリルビットで地下地層内に掘削されてもよい。掘削している間に、層、掘削する流体、または掘削された固体のサンプリング、掘削同時計測（ＭＷＤ）ツール、または掘削同時検層（ＬＷＤ）ツールを介して得られ得る計測値の中でも、温度、圧力、ドリルビットおよび／または計測ツールの位置、ドリルストリングの近傍の層または層流体の伝導性または組成、層の浸透性（岩石タイプなど）、および微小振動データといった、地下地層の特性が計測されてもよい。

掘削プロセス中に収集された、計測された特性および他のデータは、目標ゾーンを識別するために、リアルタイムまたはほぼリアルタイムなどで分析されてもよい。たとえば、分析は、帽岩ゾーンと対流ゾーンとの間の境界を示してもよい。いったん識別されると、識別された目標ゾーン内に、または当該目標ゾーンを貫通するように坑井を通すように、および／または、目標ゾーンに沿って、または目標ゾーンの近傍に、たとえば帽岩ゾーンと対流ゾーンとの間の境界の近傍に坑井の経路を維持するように、ドリルビットの軌道が調節されてもよい。坑井の少なくとも一部が目標ゾーン内にある、または目標ゾーンを貫通する状態で坑井が完成された後に、閉ループパイプシステムが、目標ゾーンから熱を得るために坑井内に据え付けられてもよい。

地表振動データといった、地層に関する基本データが、１つ以上の方法を介して取得されてもよい。しかしながら、このデータは、掘削プロセス中に遭遇すると予想され得ることの一般的概要を提供するに過ぎないかもしれず、大部分が、上述の基本的な「ホットゾーン」目標設定に伝統的に使用される。そのようなデータおよびモデル化の精度は向上しているが、掘削プロセス中に計測して分析し、掘削プロセス中にドリルビットの経路を調節して、著しい自然対流を有する目標ゾーンに到達する能力は、当業者であれば確実に理解するであろうような有意な利点を提供する。

ある特定の地層またはエリアに関する追加のまたは代替的なデータも、対象エリアの近傍に掘削された以前の井などから入手可能かもしれない。たとえば、坑井は、深い油含有層まで掘削されたものかもしれない。油坑井の掘削中、収集されたデータは、閉ループｓＣＯ２エネルギー生産のための十分な熱を有する１つ以上の水含有層を示したかもしれない。このデータは、地熱エネルギー生産のための閉ループパイプシステムの据え付けのための目標エリアを判断するために、単独でまたは他の振動データとともに分析されてもよい。

また、目標ゾーンまでの第１の坑井の掘削が、層に関するさらなる情報を提供してもよい。第１の坑井の掘削中に収集された計測値またはデータの分析はこのため、第２の目標ゾーンの判断を可能にしてもよい。たとえば、第１の坑井は、帽岩ゾーンと対流ゾーンとの間の境界の近傍に閉ループパイプシステムを据え付けるために掘削されてもよい。振動データといった、第１の坑井の掘削中に集められたデータの分析が、断層線の存在を示してもよい。第２の坑井が次に、断層線、識別された第２の目標ゾーンまで掘削されてもよく、第２の閉ループパイプシステムが、第２の目標ゾーンの近傍の層からエネルギーを得るために第２の坑井内に据え付けられてもよい。

第１の目標が境界であることに関して上述されたが、第１の目標は、帽岩ゾーンにおける断層線、対流ゾーン内の深部の断層線、さらには一般的な「ホットスポット」タイプの掘削であってもよい。その目的は、（図２に示すような目標３５といった）対流ゾーン内のどこかに到達し、情報を集めて、層の自然対流エリアを有利に目標とするように第１の坑井の掘削に基づいてエリアにループシステムを積層することである。

同様に、第２の目標ゾーンまでの第２の坑井の掘削が、地質エリアに関するさらなる情報を提供してもよい。付近のさまざまな以前の動作からの蓄積したデータが、層の極めて正確な描写を提供してもよく、層の非常に精密なモデルが生成されることを可能にしてもよい。より多くのことがわかり、モデルが改良されるにつれて、非常に高い層温度と良好な循環とを有する、対流ゾーン内の深部の断層線といった、層の自然対流エリアを精密に目標とする能力が向上し、そのような層構造を目標とすることに関連する掘削リスクとコストとを減少させる。

上述のように層状または積層閉ループパイプシステムを据え付ける態様はこのため、当初に利用可能な情報およびプロセス全体にわたって生成された情報の量に依存し得る。にもかかわらず、ここに開示された実施形態は、エネルギーを有利に得るために、層の特定の自然対流エリアを目標とする。

ここでの実施形態に従った地熱エネルギーを生産する方法は、図３に示すようなステップを含んでいてもよい。この方法は、地下地層内に第１の坑井を掘削する第１のステップ１００を含んでいてもよい。第１の坑井は、たとえば、油井、水井、地熱エネルギー生産システム用の閉ループパイプシステムの据え付けのための第１の坑井、または試掘井であってもよい。

ステップ１０５は、第１の坑井を掘削している間に地下地層からデータを収集するステップを含んでいてもよい。第１の坑井の掘削中にデータを収集するステップは、地下地層の温度を記録するステップ、地下地層の圧力を記録するステップ、掘削中の微小振動データを記録するステップ、掘削中の坑井内でのドリルビットの位置を記録するステップ、のうちの１つ以上を含んでいてもよく、実際の掘削プロセス中の方向データ、掘削穴傾斜、および方位角を含む。データを収集するステップはまた、計測ツールを使用して、地下層の特性を計測するステップを含んでいてもよい。とりわけ、伝導性、組成、硬度、岩石のタイプ、密度、抵抗率、および多孔性または浸透性のうちの１つ以上といった、層のさまざまな特性を計測するために、たとえば測定ツールまたはＭＷＤツールが使用されてもよい。

ステップ１１０で、収集されたデータが分析され、ステップ１１２で、目標ゾーンが識別される。収集されたデータを分析するステップは、対流ゾーンと帽岩ゾーンとの間の境界の場所を判断するステップ、帽岩ゾーンにおける断層の場所を判断するステップ、対流ゾーン（移流ゾーン）における断層の場所を判断するステップ、層水の移動にとって好適な浸透性を有する岩石を含むゾーンを判断するステップ、のうちの１つ以上を含んでいてもよい。分析はまた、地層のモデルを生成するステップと、地層のモデルを表示するステップと、目標ゾーンを判断するためにモデルを分析するステップとを含んでいてもよい。

上述のように、対流ゾーン内でさえ、水平および垂直双方において短距離にわたって変わり得る、岩石の局所的な浸透性に基づいた、非常に局所的な対流経路があるかもしれない。分析は、層水の有意の移動にとって好適な浸透性を有する岩石を有するゾーンを判断するために使用されてもよく、少なくとも７５ダルシー、少なくとも９０ダルシー、または少なくとも１００ダルシーといった、少なくとも５０ダルシーの浸透性を有する１つ以上のゾーンを識別するステップを含んでいてもよい。十分な浸透性のエリアは、地熱塩水または他の層流体の良好な流れを提供してもよく、据え付けられる閉ループパイプシステムを介してはるかにより良好なエネルギー除去効率を提供する。

ステップ１１５で、第２の坑井が、識別された目標ゾーンまで掘削される。上述のように、第２の坑井の掘削は、第１の坑井を掘削する前に生成された地表振動データまたは他のデータ、および第１の坑井の掘削中に収集されたデータに基づいていてもよい。また、データは第２の坑井の掘削中に収集され分析されてもよく、必要であれば、掘削中のリアルタイムまたはほぼリアルタイムのデータを使用する改良された分析に基づいて、ドリルビット軌道修正が行なわれてもよい。坑井配置のモデルおよび精度の改良は、当初の目標と比べてより高い浸透性および対流を有するゾーンに到達することなどによって、据え付けられる閉ループパイプシステムを介した熱伝達効率をさらに高め得る。

ステップ１２０で、目標ゾーンからエネルギーを得るために、閉ループパイプシステムが第２の坑井内に据え付けられてもよい。閉ループパイプシステムを据え付けるステップは、識別された目標ゾーンを少なくとも部分的に通過する、水平の、垂直の、または傾斜した配管を配置するステップを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、第２の坑井は、２インチ〜２４インチの範囲の直径を有していてもよく、閉ループパイプシステムは、第２の坑井の直径よりも小さい外径を有する１つ以上のパイプを含んでいてもよい。他の実施形態では、第２の坑井は、４インチ〜１４インチ、または６インチ〜１２インチといった、３インチ〜１６インチの範囲の直径を有していてもよく、閉ループパイプシステムは、第２の坑井の直径よりも少なくとも２インチ小さい外径を有する１つ以上のパイプを含んでいてもよい。

閉ループパイプシステムの据え付けの後、ステップ１２５で、活性化された流れを生成するために、ｓＣＯ２などの伝達流体が閉ループパイプシステムに通されてもよい。ｓＣＯ２を使用する場合、たとえば、活性化された流れは、注入井を通して導入されたｓＣＯ２に比べて増加した温度および圧力双方を有し得る。ステップ１３０で、活性化された流れは次に、別の形のエネルギーに変換されてもよい。エネルギー変換プロセスは、たとえば、線形または非線形運動から電力または機械力を導き出すものを含む、タービン、タービンおよび発電機、ＣＯ２タービン、擬タービン、ランキンサイクル発電システムにおける熱交換器、ブレイトンサイクルタービン、もしくは熱から有用な作業または電力を生成する他の機構、のうちの１つ以上といった、電力生産ユニットを含んでいてもよい。伝達流体に含まれるエネルギーの変換後、伝達流体は、サイクルを再開するために、電力生産ユニットから注入井に送られてもよい。

いくつかの実施形態では、所望の層状または積層ループシステムをもたらすために、１つ以上の追加の目標ゾーンまで掘削することが望ましいかもしれない。そのような場合、追加の目標ゾーンまでの掘削の前、最中、または後に、ステップ１２０、１２５および１３０が行なわれてもよい。

１つ以上の追加の目標ゾーンまで掘削することが望ましい場合、据え付けられる追加のループについての目標設定および掘削の精度は、第２の坑井を掘削している間に地下地層からデータを収集するステップ１５０と、第２の坑井を掘削している間に収集されたデータを分析するステップ１５５と、第２の目標ゾーンを識別するステップ１６０とによって強化されてもよい。いったん識別されると、ステップ１６５で、第３の坑井が、識別された第２の目標ゾーンまで掘削されてもよく、それは、第２の坑井に関して上述したようなリアルタイムまたはほぼリアルタイムの分析によって強化されてもよい。ステップ１７０で、第２の目標ゾーンからエネルギーを得ることを容易にするために、第２の閉ループパイプシステムが次に第３の坑井内に据え付けられてもよい。いったん据え付けられると、ステップ１７５で、ＳＣＯ２または別の伝達流体が次に第２の閉ループパイプシステムに通されてもよく、ステップ１８０で、活性化されたＳＣＯ２または伝達流体は、１つ以上のエネルギー変換プロセスを介して変換されてもよい。

上述のように、第１の坑井はまた、いくつかの実施形態では、地熱エネルギー生産システム用の閉ループパイプシステムの据え付けに使用されてもよい。この坑井は、概して「ホットゾーン」に向けられた試掘井であってもよい。他の実施形態では、対流ゾーンと帽岩ゾーンとの間の境界の場所を識別するなどのために、第１の坑井の掘削前に、地層についてのデータが分析されてもよい。第１の坑井は、第１の坑井が、対流ゾーンと帽岩ゾーンとの間の識別された境界の場所の近傍に配置されるように掘削されてもよく、その間、層に関する追加のデータが上述のように取得され、使用される。閉ループパイプシステムはまた、層からエネルギーを得るために、第１の坑井内に据え付けられてもよい。

上述のように、掘削プロセス中のデータ収集を介して達成可能なモデル改良に基づいて目標ゾーンを調節することが望ましいかもしれない。地熱エネルギーを生産する方法はまた、図４に示すようなステップを含んでいてもよい。ステップ２００は、ドリルビットで地下地層内に坑井を掘削するステップを含んでいてもよい。掘削プロセス中、ステップ２１０は、坑井を掘削している間に地下地層の特性を計測するステップを含んでいてもよい。ステップ２１５で、地下地層の計測された特性が分析されてもよく、ステップ２２０で、目標ゾーンが識別されてもよい。

分析および識別に基づいて、ステップ２２５は、識別された目標ゾーン内に、または当該目標ゾーンを貫通するように結果として生じる坑井を通すように、ドリルビットの軌道を調節するステップを含んでいてもよい。次に、ステップ２３０で、目標ゾーンからエネルギーを得るために、閉ループパイプシステムが坑井内に据え付けられてもよい。ステップ２３５で、活性化されたｓＣＯ２流をもたらすために、ｓＣＯ２が次にパイプシステムに通されてもよく、それは次にステップ２４０で変換されてもよく、たとえば電気を生成するために、または上述の他の変換プロセスで使用される。

図４に概説された方法から生じる層状または積層ループシステムはまた、追加の閉ループパイプシステムを含んでいてもよい。上述のように、坑井の掘削中に集められた地下地層の計測された特性が、第２の目標ゾーンを識別するために分析されてもよい。第２の坑井が次に、識別された第２の目標ゾーンまで掘削されてもよく、第２の閉ループパイプシステムが、第２の目標ゾーンからエネルギーを得るために第２の坑井内に据え付けられてもよい。ここでの実施形態に従った地熱エネルギーを生産するための方法はこのため、対流地熱目標ゾーンを識別するために、地層の掘削同時計測（ＭＷＤ）データまたは掘削同時検層（ＬＷＤ）データを分析するステップと、識別された対流地熱目標ゾーンまで坑井を掘削するステップと、対流地熱目標ゾーンからエネルギーを得るために、坑井内に閉ループパイプシステムを据え付けるステップとを含んでいてもよい。

さらに別の実施形態では、地熱エネルギーを生産する方法は、図５に示すようなステップを含んでいてもよい。図５に概説されるように、この方法は、異なる対流熱流特性を有する２つ以上の目標場所を判断するために、層のデータを分析するステップ３００を含んでいてもよい。第１の目標場所が識別された後、ステップ３１０で、第１の坑井が第１の目標場所まで掘削されてもよい。ステップ３１５で、層からエネルギーを得るために、第１の閉ループパイプシステムが次に第１の坑井内に配置されてもよい。第２の目標場所が識別された後、ステップ３２０で、第２の坑井が第２の目標場所まで掘削されてもよい。ステップ３２５で、層からエネルギーを得るために、第２の閉ループパイプシステムが次に第２の坑井内に配置されてもよい。この方法はさらに、第１および第２の閉ループパイプシステムを介して得られたエネルギーを変換するステップ３３０を含んでいてもよい。

上述のように、ここでの実施形態に従った地熱エネルギーを生産するためのシステムは、異なる層からのさまざまな熱を利用するように構成されており、こうして積層または層状エネルギーシステムを提供する。たとえば、ここに開示された実施形態に従った層状または積層ループシステムは、適度な温度で浅い深さの断層ゾーン目標３０（図２）までの第１の閉ループパイプシステムと、高温で適度な深さの境界ゾーン目標３２までの第２の閉ループパイプシステムと、非常に高温で比較的深い断層ゾーン目標３４までの第３の閉ループパイプシステムとを含んでいてもよい。ここでの実施形態に従った地熱エネルギーを生産する方法はまた、地層内の異なる対流熱流特性を有する目標場所に、２つ以上の閉ループパイプシステムを配置するステップを含んでいてもよい。次に、地層からのエネルギーが、２つ以上の閉ループパイプシステムを介して得られてもよく、得られたエネルギーは、変換システムを介して、電気などに変換されてもよい。

ｓＣＯ２といった循環する伝達流体によって得られたエネルギーを変換するために地表に位置するエネルギー変換システムも、得られたエネルギーを効率的に利用するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、３つのループを含む層状または積層ループエネルギー生産システムは、得られたエネルギーを電気に変換するための３つの別個のトレーンを含んでいてもよく、ｓＣＯ２タービンおよび関連付けられた発電機は、それぞれの目標ゾーンから予想されるエネルギー生産に対してサイズ決めされる。他の実施形態では、活性化されたｓＣＯ２流は、共通のエネルギー変換システムに供給する組合わせた活性化流を形成するために、組合わされてもよい。このように、非常に高温のループがより低温のループを補償し、許容してもよく、地帯からのエネルギー獲得の有効性を高め、全体的なシステム効率を高める。

これに代えて、変換システムは、２つ以上の閉ループパイプシステムを層状の態様で利用するように構成されてもよい。地熱ループエネルギー生産システムは、それぞれの目標ゾーンの各々からの予想される獲得に基づいて、最小エネルギー生産から最大エネルギー生産までといった順序で積層されたループを漸進的に利用する、単一のエネルギー変換システムを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、層状または積層ループシステムは、２つ以上の異なるタイプのエネルギー変換システムを含み得るエネルギー変換システムと関連付けられてもよく、全体的なエネルギー変換効率が最適化されることを可能にする。たとえば、システムが非常に高温のループと１つ以上の適温ループおよび／または高温ループとを含む場合、エネルギー変換システムはｓＣＯ２流のエネルギーに整合されてもよく、この例では、より高温で優れた効率を有する１つ以上のＣＯ２タービンを含んでいてもよく、また、有機ランキンサイクル（organic Rankine cycle：ＯＲＣ）システムに供給する１つ以上のループを含んでいてもよい。

上述のように、ここに開示された実施形態は、層状または積層地熱ループエネルギー生産システムを提供する。これらのシステムは、対流または移流を自然に提供する層内の目標場所に閉ループパイプシステムを有利に据え付け、こうして層流体から閉ループパイプシステムを通る伝達流体への間接的な熱伝導を強化する。自然対流および移流ゾーンを目標とすることにより、エネルギー伝達能力が強化されるだけでなく、その強化は、熱伝導を向上させるための刺激プロセスの必要性を減少させて達成されてもよく、または、刺激プロセスの必要性を完全に排除してもよい。ここに開示された実施形態はさらに、強化されたエネルギー伝達を提供し得る地質エリアの部分を正確に目標とするように層のモデルを改良して強化するために、ＭＷＤまたはＬＷＤデータを有利に利用する。そのような目標設定は、掘削プロセス自体の最中だけでなく、掘削に先立って行なわれてもよい。全体として、ここでの実施形態は、層エネルギーの向上した使用を、高価な刺激プロセスの必要性の減少という追加の副産物とともに提供し得る。

この開示は限られた数の実施形態を含むものの、この開示の利点を有する当業者であれば、本開示の範囲から逸脱しない他の実施形態が考案され得ることを理解するであろう。したがって、範囲は添付された請求項によってのみ限定されるべきである。

Claims (24)

1. 地下地層内に第１の坑井を掘削するステップと、
   前記第１の坑井を掘削している間に前記地下地層からデータを収集するステップと、
   目標ゾーンを識別するために、収集された前記データを分析するステップと、
   識別された前記目標ゾーンまで第２の坑井を掘削するステップと、
   前記目標ゾーンからエネルギーを得るために、前記第２の坑井内に閉ループパイプシステムを据え付けるステップとを含む、地熱エネルギーを効率的に得る方法。
2. 前記データを収集するステップは、
   前記地下地層の温度を記録するステップ、
   前記地下地層の圧力を記録するステップ、
   掘削中の微小振動データを記録するステップ、
   掘削中の前記坑井内でのドリルビットの位置を記録するステップ、
   計測ツールを使用して、地下層の特性を計測するステップ、のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載の方法。
3. 収集された前記データを分析するステップは、
   対流ゾーンと帽岩ゾーンとの間の境界の場所を判断するステップ、
   帽岩ゾーンにおける断層の場所を判断するステップ、
   対流ゾーン（移流ゾーン）における断層の場所を判断するステップ、
   地熱塩水の移動にとって好適な浸透性を有する岩石を含むゾーンを判断するステップ、のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載の方法。
4. 地熱塩水の移動にとって好適な浸透性を有する岩石を含むゾーンを判断するステップは、少なくとも５０ダルシーの浸透性を有するゾーンを識別するステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. 地熱塩水の移動にとって好適な浸透性を有する岩石を含むゾーンを判断するステップは、少なくとも７５ダルシーの浸透性を有するゾーンを識別するステップを含む、請求項３に記載の方法。
6. 活性化された二酸化炭素流を生成するために、超臨界二酸化炭素を前記閉ループパイプシステムに通すステップと、
   前記活性化された二酸化炭素流を別の形のエネルギーに変換するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記第２の坑井を掘削している間に前記地下地層からデータを収集するステップと、
   第２の目標ゾーンを識別するために、前記第２の坑井を掘削している間に収集された前記データを分析するステップと、
   識別された前記第２の目標ゾーンまで第３の坑井を掘削するステップと、
   前記第２の目標ゾーンからエネルギーを得るために、前記第３の坑井内に第２の閉ループパイプシステムを据え付けるステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 活性化された二酸化炭素流を生成するために、超臨界二酸化炭素を前記閉ループパイプシステムに通すステップと、
   第２の活性化された二酸化炭素流を生成するために、超臨界二酸化炭素を前記第２の閉ループパイプシステムに通すステップと、
   前記活性化された二酸化炭素流および前記第２の活性化された二酸化炭素流を別の形のエネルギーに変換するステップとをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記閉ループパイプシステムを据え付けるステップは、識別された目標対流ゾーンを少なくとも部分的に通過する、水平の、垂直の、または傾斜した配管を配置するステップを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記第２の坑井は、２インチ〜２４インチの範囲の直径を有し、前記閉ループパイプシステムは、前記第２の坑井の前記直径よりも小さい外径を有するパイプを含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記第２の坑井は、４インチ〜１４インチの範囲の直径を有し、前記閉ループパイプシステムは、前記第２の坑井の前記直径よりも少なくとも２インチ小さい外径を有するパイプを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 対流ゾーンと帽岩ゾーンとの間の境界の場所を識別するために、地層についてのデータを分析するステップをさらに含み、
    前記第１の坑井は、前記第１の坑井が、前記対流ゾーンと前記帽岩ゾーンとの間の識別された前記境界の場所の近傍に配置されるように掘削される、請求項１に記載の方法。
13. 前記第１の坑井内に第２の閉ループパイプシステムを据え付けるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 熱生成地層の対流ゾーン内に据え付けられた第１の閉ループパイプシステムと、
    前記熱生成地層の前記対流ゾーン内の断層内、または前記対流ゾーンの近傍の帽岩ゾーン内の断層内に据え付けられた第２の閉ループパイプシステムとを含む、地熱エネルギーを生産するためのシステム。
15. 前記第２の閉ループパイプシステムは、前記第１の閉ループパイプシステム用の坑井の掘削中に収集されたデータに少なくとも部分的に基づいて掘削された坑井内に据え付けられる、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記第１の閉ループパイプシステムは、帽岩層と対流ゾーンとの間の境界の近傍に配置される、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記対流ゾーン内の深部の断層内に据え付けられた第３の閉ループパイプシステムをさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
18. ドリルビットで地下地層内に坑井を掘削するステップと、
    前記坑井を掘削している間に前記地下地層の特性を計測するステップと、
    目標ゾーンを識別するために、前記地下地層の計測された前記特性を分析するステップと、
    識別された前記目標ゾーン内に、または当該目標ゾーンを貫通するように前記坑井を通すように、前記ドリルビットの軌道を調節するステップと、
    前記目標ゾーンからエネルギーを得るために、前記坑井内に閉ループパイプシステムを据え付けるステップとを含む、地熱エネルギーを生産する方法。
19. 第２の目標ゾーンを識別するために、前記地下地層の計測された前記特性を分析するステップと、
    識別された前記第２の目標ゾーンまで第２の坑井を掘削するステップと、
    前記第２の目標ゾーンからエネルギーを得るために、前記第２の坑井内に第２の閉ループパイプシステムを据え付けるステップとをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 対流地熱目標ゾーンを識別するために、地層の掘削同時計測（ＭＷＤ）データまたは掘削同時検層（ＬＷＤ）データを分析するステップと、
    識別された前記対流地熱目標ゾーンまで坑井を掘削するステップと、
    前記対流地熱目標ゾーンからエネルギーを得るために、前記坑井内に閉ループパイプシステムを据え付けるステップとを含む、地熱エネルギーを生産する方法。
21. 地層内の異なる対流熱流特性を有する目標場所に、２つ以上の閉ループパイプシステムを配置するステップと、
    前記２つ以上の閉ループパイプシステムを介して前記地層からエネルギーを得るステップと、
    前記２つ以上の閉ループパイプシステムを層状の態様で利用するように構成された変換システムを介して、得られた前記エネルギーを変換するステップとを含む、地熱エネルギーを生産する方法。
22. 前記２つ以上の閉ループパイプシステムは、より高温のループと、より低温のループとを含み、前記変換システムは、前記より高温のループに関連付けられたＣＯ２タービンと、前記より低温のループに関連付けられたランキンサイクルシステムとを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 異なる対流熱流特性を有する２つ以上の目標場所を判断するために、層のデータを分析するステップと、
    第１の目標場所まで第１の坑井を掘削するステップと、
    前記層からエネルギーを得るために、前記第１の坑井内に第１の閉ループパイプシステムを配置するステップと、
    第２の目標場所まで第２の坑井を掘削するステップと、
    前記層からエネルギーを得るために、前記第２の坑井内に第２の閉ループパイプシステムを配置するステップとを含む、地熱エネルギーを生産する方法。
24. 前記第１および第２の閉ループパイプシステムから得られたエネルギーを別の形のエネルギーに変換するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。

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