JP2020041398A - 地熱井における熱プロファイル制御およびエネルギー回収の方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地熱エネルギー生産が経済的に最高のエネルギー生産方法になり得る程度に現在の制限に対して有効な解決策を提供する。【解決手段】地熱坑井のラテラル部においてヒールからトウの温度最大値および最小値を制御する方法。該方法は、熱的接触が可能な程度に近接して少なくとも一対の坑井を配置するステップを含む。作動流体は、一対の坑井の一方において１つの方向に循環し、第２の坑井の作動流体は第１の方向と逆方向に循環する。この方法で、温度平衡が得られ、最大値および最小値を軽減してそれぞれの坑井およびそれらの間の岩石地層領域において実質的により均一な温度の作動流体がもたらされる。熱エネルギー回収を最大化するための温度制御を有する特定の動作プロトコルが開示される。【選択図】なし

Description

本発明は、坑井内の吸収熱エネルギーの熱制御に関し、より詳細には、地熱井内の温度散逸の制御および効率的なエネルギー回収、ならびに閉ループ地熱坑井システムの設計および動作の最適化に関する。

現在、米国は、８つの州で３，３００メガワットを超える設置済み地熱発電容量において世界トップである。これらの大部分はカリフォルニアに位置している。

知られているように、地熱エネルギー熱はマグマ層内で放射性崩壊を通して絶えず発生している。地球表面から１０，０００メートル以内の熱の量は、世界のすべての石油および天然ガス資源の５０，０００倍以上のエネルギーを含んでいると報告されている。明らかに、これはエネルギー開発者コミュニティ内の関心点である。

これらの深さでは、装置を損傷する高温に関する問題が以前に報告されている。いくつかのケースでは、これらは軽減されているか、または十分に許容できるものになっている。

地熱エネルギー生産における重要なポイントの１つは、坑井内の熱損失を管理すること、つまり捕獲および輸送媒体として使用される作動流体で熱を採掘する能力である。

従来技術は、記載された文献によって明らかにされているように、この分野において発展してきた。

１９９６年５月１４日に発行された米国特許第５５１５６７９号において、Ｓｈｕｌｍａｎは、地熱熱採掘および回収されたエネルギーの利用のための方法を提供している。マニホールド構成は、地層内に分散された坑井のネットワークを受け入れる。坑井の様々な構成またはアレイが提供され、坑井は各特定の坑井の構成内に分散されている。この文献は、坑井の長さにわたる熱放散に関しては開示していない。

２０１７年１月３１日に発行された米国特許第９５５６８５６号において、Ｓｔｅｗａｒｔらは、地熱エネルギーシステムおよび操作方法を提供している。図１５を参照した開示では、特許権者は次のように述べている。

「内側管３０４は、管３０４に沿って間隔を置いて配置されたセントラライザフィン３１８によって外側ケーシング３０２内に集中され、かつ熱エネルギー伝達媒体として作用する作動流体（水ベース）の循環のための効率的な閉ループ経路を達成するように底栓３１４の上方の短距離が「開放端」にされている。これらのフィン３１８はまた、圧力損失を最小限に抑えながら地層へのまたは地層からの地熱エネルギーの伝達を適度に高める、外側ケーシング３０２と内側管３０４との間のボアホール熱交換環状部３２０内の流れ特性を引き起こす機械的「タービュレータ」としても作用する。典型的には、作動流体は、表面制御モジュールの制御下で環状部３２０を下り（矢印Ａ）、内側管３０４を上に向かって表面へと（矢印Ｂ）ポンプで流され、最適なパフォーマンスを提要するために場合によっては循環方向は逆にされ得る。」

この一節は、単一の坑井内での作動流体の流れの逆転を教示しているが、熱採掘が行われている地層内の熱の問題を制御するためのいかなる機構にも対処していない。

Ｇｕｏｄｏｎｇらは、「Ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｈｏｔ ｄｒｙ ｒｏｃｋｓ ｖｉａ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎ ａ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｅｌｌ」、Ｅｎｅｒｇｙ １２８（２０１７）ｐ３６６−３７７において、特定の作動流体を使用することによって閉ループ坑井の長い水平セグメントを介して熱交換岩盤間の熱交換が強化され、水平方向の坑井の長さと断熱管の流体の注入量を増やすと、熱採掘速度が上がり、多分岐の水平セグメントを使用する利点があると結論付けている。

まとめると、従来技術の教示は有用であるが、次のような問題に対処していない：複数分岐した水平坑井に固有の大きな占有面積、強化された熱採掘のための所与の岩石層体積内での坑井配置および構成、または坑井長さに沿った温度最高点および最小点。

これらの欠点を認識して、本明細書に記載の技術は、地熱技術をさらに一歩進め、勾配の品質および変動、地層の間隙率、周囲条件、地理的位置に特に関係なく地温勾配内で熱エネルギーを効率的に回収するために独自の限定的ユニット操作を組み合わせる。

石油およびガス産業からの並行する先行技術では、多面的坑井、特定の掘削流体などのための掘削技術は十分に確立されているが、地熱探査および回収への単純な移行は現実的ではなく、実行不可能であり、地熱エネルギー回収はそれ自身の複雑さを示す。実行可能な回収プロトコルを合成するためには、いくつかの要因を考慮する必要がある。これには、エネルギー回収中に熱力学的パラメータを動的に調整し、坑井の完全性または性能の問題を軽減し、作動流体の流れを逆転、経路変更または停止し、作動流体組成を変更する能力が必要である。正しい順序で統一するには、多数の技術を広く理解していることを前提とした分析が必要であり、それがない場合には回答を得るのが困難になる。

これは、掘削の問題、作動流体の配合、坑底と地表の両方の位置決めを伴う複雑な熱交換器の配置、勾配の質と位置、連続および不連続ループ、坑井ケーシング、およびそれらの変形に取り組んできた無数の地熱の先行技術において明らかにされている。

地熱の従来技術の展望のために、普遍的な解決策のためにそれらを回避するために上記の問題をナビゲートする技術は有益であろう。

本発明は、地熱エネルギー生産が経済的に最高のエネルギー生産方法になり得る程度に現在の制限に対して有効な解決策を提供する。

本発明の１つの目的は、地熱井を取り囲む岩石の温度プロファイルの制御を提供することである。

本発明の１実施形態のさらなる目的は、地熱勾配を有する地層内の地熱エネルギー回収を最大化する方法を提供することであり、該方法は、
前記地層の岩石体積内の地熱勾配を決定するステップと、
最大の熱回収のために決定された地熱勾配に基づく坑井の構成を有する前記岩石体積内の位置および配置の坑井の構成を形成するステップであって、坑井の構成が、入口坑井および出口坑井、並びに流体連通しているラテラル相互接続部を有する閉ループを含み、前記構成の前記ラテラル部が前記岩石体積内に配置される、ステップと、
坑井の構成、
地熱勾配の変化、および
地層地質
に基づいて、前記構成内を所定の順序で循環する少なくとも１つの作動流体を選択するステップと、
前記坑井の構成内の順序付けられた循環から作動流体の温度を決定するステップと、
前記構成内での作動流体のルート変更および分配、
作動流体の組成、
前記構成内の作動流体の流量、
作動流体の流れ方向、および
前記岩石体積からの前記作動流体によるエネルギー回収を最大化するためのそれらの組み合わせ
の少なくとも１つを選択するステップと、
を含む。

岩石からの熱伝達は、坑井内の作動流体の温度に反比例する。熱伝達の最大値は、坑井内の作動流体の温度が最小になる入口坑井の「ヒール」で起こる。作動流体は、坑井の水平部を坑井の「トウ」に向かって移動するときに加熱される。これは、熱プロファイルデータによって証明される。熱伝達プロファイルは、一般に、ヒールからトウへと先細りとして観察され、出口坑井で最小値を有する。

組み合わせたウェルのさまざまな構成がプロファイルに有益な効果をもたらし、所与の岩石体積からより高い熱抽出を可能にし、坑井の建設コストと熱抽出が非効率的な「デッドスポット」を低減することが見出された。

隣接する坑井の水平部分のインターデジタル配置またはかみ合わせは、ウェルの温度の最大値と最小値を相殺することが見出された。この効果は、坑井間の熱接触に十分な近接度で実現される。近接した坑井間で作動流体が逆に流れると、１つの坑井の最大値が近接した坑井の最小値を相殺または緩和するように、地熱層に温度平衡が引き起こされ得る。

地層内からの熱エネルギーの抽出をさらに高めるために、坑井構成ネットワークは、坑井のラテラル部にケーシングを有さず掘削中に坑井をシールすることにより形成され得る。これは明らかに、有利な熱力学とともに顕著なコストメリットをもたらす。これは、プロトコルの普遍的な適用性に貢献し、この構成は、高温勾配、低温勾配、勾配内の伝導ゾーン、勾配内の対流ゾーン、地層内の高透水性ゾーン、地層内の低透水性ゾーン、およびそれらの組み合わせのいずれか１つにおいて利用することができる。

シーリング組成物は、シールの熱伝導率を高めるための材料を含んでもよい。適切な組成物は、典型的にはハリバートン、ベイカー・ヒューズなどによる知られている技術に見られる。

さらに、作動流体の組成は、構成における坑井の完全性および構成における坑井の圧縮強度のための流体密度を維持するための添加剤を含んでもよい。

坑井の完全性を維持するために、補助的な機械的または化学的ユニット操作およびそれらの組み合わせが含まれ得る。これは、要件に応じて、単一操作および逐次段階操作の少なくとも１つにおいて、所定の位置で坑井構成に導入される化学シーラントおよび高密度化剤の使用を含み得る。

機械的操作に関しては、必要に応じて所定の場所にケーシング／マルチラテラル接合部を組み込むことができる。

熱力学的性能を向上させ、寄生ポンプ負荷を低減または排除し、最適な油圧性能を維持しながらより大きな坑井ネットワークを掘削するために、抗力低減剤またはその他の添加剤を作動流体に添加することができる。

さらに、この方法は、各ラテラル部に十分な油圧摩擦圧力損失を提供して、前記構成内のラテラル部内の流れ分配を受動的に制御することを容易にする。

坑井の構成に関しては、エネルギー抽出を最大化するために、岩石体積内で個別の間隔をあけ、角度を付け、積み重ね、集塊化し、相互嵌合し、相互接続し、それらを組み合わせてもよい。方向付けは、熱干渉または「デッドスポット」を緩和するだけでなく、所定の時間枠で静止作動流体の流れを伴う非アクティブにする必要がある個々の坑井の熱リチャージの潜在的な必要性も軽減し得る。

構成における入口坑井および出口坑井は、少なくともいくつかの近接した坑井の構成に共通であり得る。単一または複数のサイトも考えられる。これに加えて、坑井の構成の閉ループは地表サイトの上または下にあってよい。これは、個々の状況の詳細に依存し得る。

このように本発明を一般的に説明したが、次に添付の図面を参照する。

水平坑井に沿った軸方向位置に対する坑井中心線からの半径方向距離における温度を示す温度プロファイルである。 一対の離間した水平坑井の熱のために採掘された岩石の半径方向体積の熱の図である。 一対の水平坑井の作動流体の流れが逆転している図２と同様の図である。 入口坑井および出口坑井に共通に接続された複数の水平坑井を有する坑井システムの概略図である。 本発明の一実施形態によるインターデジット型坑井システムを示す図４と同様の図である。 本発明の他の実施形態の平面図である。 坑井配置の断面図である。 別の坑井配置の断面図である。 本発明の他の実施形態の平面図である。 図９の９‐９線に沿った断面図である。 岩層の地熱勾配内の坑井構成ネットワークの概略図である。 構成ネットワークの坑井システム内の循環シーケンスの概略図である。 プロトコルに関与する事象のフローチャートである。 地層温度分布図に重ね合わされた閉ループ坑井ネットワークである。

図中で使用されている同様の符号は同様の要素を指す。

ここで図１を参照すると、所与の周囲の岩石体積について水平坑井の軸方向位置に沿って温度が漸減することを示す熱的説明図が示されている。注目すべきは、坑井のヒールからトウまで作動流体の加熱があるという事実である。岩石からの熱伝達はこの作動流体の温度に反比例する。従って、熱エネルギーの大部分は最大のヒールと最小のトウで得られる。最大値と最小値が形成されるため、これには明らかに効率の制限がある。

ここで図２を参照すると、地熱地層１４内に配置された２つの離間した水平坑井１０および１２の平面図が示されている。坑井１０および１２は離間しているが熱的に接触した状態であり、この例では、図に示されているのと同じ方向の作動流体の流れを有する。図１を参照して説明した熱プロファイルは、各坑井１０および１２について描かれており、したがってプロファイルは互いに発散し、したがって関連する時間枠内で熱エネルギーが抽出されない「デッドスポット」領域１６を残す。

図３は、図２に関して提起された抽出問題に対する第１の解決策を示す。この図では、水平坑井１０と１２との間の流れの方向は図示されるように逆になっている。このようにして、各坑井１０および１２について最大温度および最小温度は平衡化され、２つの坑井１０および１２の間の岩石体積は、「デッドスポット」または「未採掘」領域、すなわち領域１６を有さない。こうして、坑井１０および１２が配置されている岩石の所与の体積について、半径方向の体積がより大きな岩石を熱のために採掘することができるほど、単位面積当たりより多くの量の熱を回収することができる。坑井もまた互いに接近して配置され、坑井の掘削／建設費用を著しく減少させる。

図４は、従来技術のマルチラテラルまたは水平坑井システムの概略図であり、全体を符号１８で示す。この実施形態では、水平坑井２０から３２は、共通の入口坑井３４および出口坑井３６をすべてが共有し、半径方向に離間した関係にある。この実施形態では、水平坑井は、一例として、長さが２０００ｍから８０００ｍの間である。

図５は、２つの坑井システム１８のインターデジット型またはメッシュ型配置を示す。図３に関して説明した配置の有効性により、２つの坑井システム１８を間隔を置いて熱的に接触して配置することで、図３に関して説明した利点を表すことが見出された。第２の坑井システム１８は、水平坑井３８から５０を含み、図４と同様に、共通の入口坑井５２と共通の出口坑井５４とを有する。この配置によって、隣接する坑井、例えば２２、３８；２２、４０；２４、４２などはそれぞれ、互いに反対の作動流体の流れ方向を有し、したがって図３に関して述べたような結果を達成する。当然ながら、これは、地熱地層内の所与の体積の岩石についての坑井密度、したがって作動流体へと抽出される熱エネルギーの量を実質的に増加させる。

ここで図６を見ると、坑井システム１８が反転配置で並んで配置されている本発明の別の実施形態が示されている。この構成では、第１の坑井システム１８は、入口坑井６２および共通出口坑井６４に共通に接続された複数の坑井５６、５８および６０を含む。入口６２から出口６４まで、複数の坑井５６、５８および６０は一点に集中するため、それらの間の間隔は６２から６４まで変化する。示されているように、作動流体の流れ方向は６２から６４である。複数の坑井５６、５８、６０と協働するのは、第２の組の複数の坑井６６、６８、７０である。複数の坑井５６、５８および６０と協働するのは第２の組の複数の坑井６６、６８および７０である。後者は、共通の入口７２と共通の出口７４を共有する。この配置は、第１の坑井システム１８と集中点が逆である、すなわち流体の流れが７２から７４の方向であることを除いて、坑井５６、５８および６０と同じである。さらに複数の坑井６６は、複数の坑井６０から離間しているが熱的に近接している。坑井システム１８の各々は、それらの間の流体交換のために７６と７８で連結されている。前述のように、これは、岩石体積に生じる最大および最小温度プロファイルを緩和するための代替の構成である。

図７は、出口坑井の近くの、図６に関連して説明した収束点における７つの坑井の断面図を示しており、複数の坑井８２から９２の間の間隔は、距離Ｘによって表されるように類似することが示されており、距離の例は２０ｍから８０ｍである。坑井は紙面の外である。図８は、８０ｍから１２０ｍの間の等距離である例示的な間隔「Ｙ」で、入口坑井の近くの分岐点における７つの複数の坑井８２から９２の断面を示す。

この配置は、図５に関して説明したものの代替であるが、複数の坑井の流体の流れ方向と熱的近接性により、同じ熱的利益を達成する。

図９を参照すると、図６の配置の代替実施形態が示されている。この実施形態では、インターデジタル接続が提供される。この例では、複数の坑井９４、９６および９８は、共通の入口坑井１００および共通の出口坑井１０２を有し、１００から１０２まで分岐している。複数の坑井９４、９６および９８は、複数の坑井１０４、１０６および１０８と互いに組み合わせられている。後者は共通の坑井入口１１０および共通の坑井出口１１２を共有する。坑井パターンは、１１０から１１２まで分岐している。熱捕獲結果を達成するために、前述の実施形態と同様に間隔関係が観察される。各坑井システムは、１１４および１１６で流体交換のために連結されている。

図１０は、坑井１２４、１２６、および１２８と同様の離間関係および熱的接触状態にある坑井１１８、１２０、および１２２のシステムの断面の概略図である。１１８、１２０、および１２２の作動流体の流れは、坑井１２４、１２６、および１２８の流れと逆である。坑井間の間隔はいくつかの要因に依存する。

ここで図１１を参照すると、符号１３０で示される可変地熱勾配を有する岩層内の計画された坑井構成ネットワークの略図が示されている。例に示されているように、ラテラル坑井システムは、先に説明された図面において付された符号１８で示され、本明細書で前述した構成のいずれか１つまたはそれらの組み合わせに従うことができる。参照符号は、単に明確にするために付したものである。

坑井システムの配置に関して、エネルギー抽出を最大化するために、岩石体積内に同じものを間隔をあけ、角度を付け、積み重ね、集塊化し、互いに組み合わせ、相互接続し、それらの組み合わせにすることができる。地熱勾配が決定されると、岩の熱伝導率とともに、配置が実現される。方法論におけるこの柔軟性は、ケーシングのない坑井を封止しながら坑井の掘削を行うことができるという事実によってさらに強化される。特定の概要では、ネットワーク内の所定の場所でケーシングを使用することができる。

構成は、入口３６および出口３８と、勾配１３０内に配置されたラテラル２０から３２（図３においてより明確に示される）とを有する個別の閉ループ坑井構成を含むことができ、および／またはネットワーク内の構成間の入口３６および出口３８の共通接続と相互接続することができる。共通の入口接続は、符号１３２で示され、共通の出口は符号１３４で示される。さらに、共通出口１３４または個々の出口３８は、符号１３６で参照される隣接または近接した坑井構成にネットワーク接続され得る。これは、破線および符号１３８で示される。

勾配は、高温勾配、低温勾配、前記勾配内の伝導ゾーン、前記勾配内の対流ゾーン、地層内の高透水性ゾーン、地層内の低透水性ゾーンおよびそれらの組み合わせを含むことができる。

図１２は、ネットワーク内の作動流体の相互交換を概略的に示している。このようにして、坑井のネットワーク内の生産中の熱変動が回避される。したがって、作動流体を構成内で再ルーティングおよび分配し、作動流体組成を完全に変更するかまたは添加剤で修飾し、流体流量を変更し、方向を変更し、それらの組み合わせにより、地熱勾配からの作動流体によるエネルギー回収を最大化することができる。さらに、作動流体の流れは、性能および／または熱的問題に応じて、ネットワーク内の所定の位置で完全に停止する場合がある。この手順は、坑井またはそのシステムの熱リチャージを促進する。

図１１に戻ると、閉ループ坑井１８は、図示されるように、表面Ｓの上または下で閉じられ得る。これは、周囲条件、および当業者の権限内の他の可変要素に依存する。流体供給、温度監視、流体サンプリング、方向、速度などの動作制御は、所望の結果を達成するために当技術分野で周知の適切なメカニズムおよび機器を使用して、表面Ｓ上の１４０で実行できる。回収された熱エネルギーは、分配のために適切なエネルギー変換器１４２に伝達され、かつ／または後に使用するために貯蔵装置１４４に貯蔵される。有利には、回収されたエネルギーを使用して、工業プロセスで使用する蒸気を生成することができる。特定の条件に応じて、坑井ネットワークは既存の産業プロジェクトに隣接または近接して設置することができる。

図１３は、個々のフェーズが描かれたプロトコル全体を示す。フェーズ２から４の中で、事象シーケンスは、周囲の条件、地質、勾配、岩石の種類、変動性などによって異なり得る。目的は、本技術の顕著な特徴である条件にかかわらず熱回収を最大化するために必要なキー操作を有するプロトコルの簡潔さを明らかにすることである。

図１４は、等温線によって示され、対象層内の可変温度分布において前述の概念がどのように配置されるかを示している。最適な坑井ネットワークの構成、ラテラル間の間隔、流れの方向、および流量は、地熱勾配および対象ゾーンの温度分布によって異なる。

ここで、プロトコルの例を参照する。

一般に、閉ループシステムを最適化する第１のステップは、領域の地熱温度勾配の決定である。勾配は、典型的に、堆積盆地では２８〜３５℃／ｋｍであるが、浅いキュリー点深さ（薄い地殻）を有する堆積盆地では最大５０℃上昇し、高熱流の領域では最大１５０℃／ｋｍとなり得る。

地熱坑井を配置するために、対象ゾーンが特定される。従来の地熱技術とは異なり、閉ループシステムでは、浸透性、多孔性、またはまれな地質特性が必要ないため、任意の岩盤が利用可能なゾーンである。対象ゾーンは、砂岩、頁岩、シルト岩、泥岩、ドロマイト、炭酸塩、または結晶質基盤岩であり得る。

温度分布、熱伝導率、および貫通の掘進率の組み合わせのために、いくつかの対象ゾーンが好ましい。したがって、次のステップは、図１４に示すように、地熱勾配を使用して岩石体積の温度分布を確認することである。図１４は、特定の地層の温度等高線（等温線）のトップダウンマップを示す。適切な温度は、８５℃から２５０℃まで、または３５０℃までであり得る。

岩石体積内の熱伝導率分布が推定される。これは、直接測定値、推定実験室データ、または音速、鉱物学、もしくは岩石タイプなどの間接データから計算されたものに基づき得る。熱伝導率の範囲は、柔らかい頁岩の１．７Ｗ／ｍＫから、石英が豊富な砂岩の４Ｗ／ｍＫ以上にわたる。

次のステップは、対象ゾーンの非圧縮強度（ＵＣＳ）を決定し、次いで非圧縮強度の強力な関数である貫通の掘進率を推定することである。

従来の地熱技術は、熱水ゾーンを探索し、次に資源の計画と開発を最適化することを伴う。対照的に、任意の地層が閉ループシステムに適しているため、対象ゾーンの選択は、最適な貫通の掘進率に部分的に基づくことができる。ＵＣＳは貫通の速度を管理し、通常、弱い頁岩の４０ＭＰａから結晶質基盤岩の３００ＭＰａまでの範囲にわたる。掘削中の掘進速度は、一般に、硬岩の場合の５ｍ／ｈから軟岩の場合の３００ｍ／ｈ以上である。

すべての機械的および化学的ユニット操作は、閉ループシステムの坑井の完全性を維持するために考慮される。岩の種類と非制限圧縮強度が、主に最適な解決策を決定し得る。シーラントおよび／または作動流体添加物が十分であるかどうか、ケーシングおよび／または機械的接合部が必要かどうか、またはこれらの任意の組み合わせが決定される。

地下の設計入力が大部分特定されると、次のステップは、エンドユーザーが必要とする温度依存エネルギープロファイルを分析することである。これは、熱エネルギー、冷却力、電力、またはその組み合わせのプロファイルであり得る。典型的に、プロファイルは１日を通して、また季節を通して異なる。同様に、地表サイトの周囲条件と時間ベースの価格設定は、１日および季節を通して変化する可能性があり、任意選択的に分析することができる。

三次元の坑井ネットワーク構成は、岩石体積からの有用なエネルギー抽出を最大化するように設計される。この設計の一部では、熱干渉と「デッドスポット」、またはエネルギーが効率的に抽出されない岩石体積の領域を最小限に抑えるために、ネットワーク内の坑井間の相対的な間隔を決定する。最適な間隔は、対象ゾーンの温度分布、熱伝導率、作動流体の特性と流量の関数である。掘削コストも考慮する必要がある。間隔は、典型的に、坑井間の２０ｍから１２０ｍの間である。ネットワーク内の隣接する坑井間の間隔は、パフォーマンスを最大化し、干渉を最小化し、「デッドスポット」を最小化するために、坑井の長さに沿って変化し得る。

また、坑井ネットワーク構成は、構成内の様々なラテラル間の流れ分布を受動的に制御するために、各ラテラルで十分な油圧摩擦圧力損失を提供するように設計される。

地表インフラストラクチャからの出口は地下の閉ループシステムへの単なる入力であるため、坑外設備はシステム設計に統合されるべきである。したがって、坑外設備の設計と性能は、地下の設計と性能に影響を及ぼし、逆もまた同様である。例として、出口温度が７０℃の熱機関は、出口温度が９０℃の熱機関に結合した場合とは異なる最適な地下坑井ネットワーク設計となり得る。

坑井ネットワーク内の作動流体組成は、経時的な最適流量とともに決定される。作動流体組成は、最適な熱力学的性能と坑井の完全性を維持するために選択される。作動流体は、水、超臨界流体、炭化水素、冷媒、またはその他の流体であってもよい。坑井保全添加剤は、シーラント、反応物、固体微粒子、架橋剤、逸泥材、坑井で十分な圧縮強度を維持するための高密度化剤、または任意の組み合わせから構成され得る。油圧限界に達したりまたは全体の熱力学効率に影響を及ぼしたりすることなく、より大きな坑井ネットワーク構成を可能にするために、作動流体に抗力減少剤が添加され得る。

作動流体は、ネットワーク内で循環される。流量は、通常、直列の坑井ネットワークを通して４０Ｌ／ｓから２００Ｌ／ｓ水当量の間である。坑井ネットワークが並列坑井ループ、または直列もしくは並列の坑井ループの組み合わせで配置されている場合、合計流量はそれに応じて調整される。

熱エネルギーは、閉ループ坑井ネットワークを循環する作動流体から回収される。任意選択的に、性能を最大化するためにネットワーク内で流れを再分散することができる。

回収されたエネルギーは、分配され、貯蔵され、かつ／または電気に変換される。さまざまな形態のエネルギーと貯蔵の間の変換は、エンドユーザーの要求および／または動的価格設定によって決定され得る。

動作中、流体温度および組成異常を監視し、任意選択的にネットワーク内の坑井の熱プロファイルを監視および／または推定し、任意選択的にネットワーク内の坑井の完全性を監視および／または推定する。

リアルタイムの監視および推定に基づいて、熱力学的性能を最適化するための操作を実施することができる。例として、これらには、ネットワーク内の坑井間の流量、流れの方向、および流れの分布の変更が含まれる。例えば、ネットワークの一部の出口の流体温度は予想よりも高く、ネットワークの別の部分の流体温度は低い場合があり、それに応じて流量を調整することができる。

坑井の完全性は、坑井ネットワーク全体の測定された圧力降下、測定された作動流体の体積バランス（漏れまたは体積の追加）、組成の変動、ならびに生成された固体の体積および特性を介して監視することができる。作動流体添加剤、反応物などを使用して、またはシーラント、架橋剤、もしくは逸泥材を含む流体スラグを循環させることにより、坑井の動的修復を開始することができる。

上述のユニット操作は、統合された反復プロセスで直列もしくは並列に、または組み合わせて実行できることが理解されよう。

１０、１２ 水平坑井
１４ 地熱地層
１６ デッドスポット
１８ 水平坑井システム
２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２ 水平坑井
３４ 入口坑井
３６ 出口坑井
３８、４０、４２、４４、４６、４８、５０ 水平坑井
５２ 入口坑井
５４ 出口坑井
５６、５８、６０、６６、６８、７０ 坑井
６２、７２ 入口坑井
６４、７４ 出口坑井
８０、８２、８４、８６、８８、９０、９２ 坑井
９４、９６、９８、１０４、１０６、１０８ 坑井
１００、１１０ 入口坑井
１０２、１１２ 出口坑井
１１４、１１６ 流体連結
１１８、１２０、１２２ 坑井
１２４、１２６、１２８ 坑井

Claims (23)

1. 地熱勾配を有する地層内で地熱エネルギーの回収を最大化する方法であって、
   前記地層の岩石体積内の地熱勾配を決定するステップと、
   最大の熱回収のために決定された地熱勾配に基づく坑井の構成を有する前記岩石体積内の位置および配置の坑井の構成を形成するステップであって、前記坑井の構成が、入口坑井および出坑井並びに流体連通しているラテラル相互接続部を有する閉ループを含み、前記構成の前記ラテラル部が前記岩石体積内に配置される、ステップと、
   坑井の構成、
   地熱勾配の変化、および
   地層地質
   に基づいて、前記構成内を所定の順序で循環する少なくとも１つの作動流体を選択するステップと、
   前記坑井の構成内の順序付けられた循環から作動流体の温度を決定するステップと、
   前記構成内での作動流体のルート変更および分配、
   作動流体の組成、
   前記構成内の作動流体の流量、
   作動流体の流れる方向、および
   前記岩石体積からの前記作動流体によるエネルギー回収を最大にするためのそれらの組み合わせ
   の少なくとも１つを選択するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記坑井の構成が、坑井のラテラル部におけるケーシングのない掘削中に坑井をシールすることにより形成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記勾配の決定が、前記岩石体積内の温度分布を決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記岩石体積内の岩石の種類および熱伝導率を特徴付けるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 作動流体の組成の選択が、前記構成における坑井の完全性および前記坑井の構成の圧縮強度のための流体密度を維持するための添加剤を組み込むことを含む、請求項１に記載の方法。
6. 作動流体温度、前記構成における坑井の完全性、および作動中の前記構成における坑井の熱リチャージのうちの少なくとも１つを制御するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 坑井の完全性を維持するために、補助的な機械的または化学的ユニット操作およびそれらの組み合わせを任意選択的に導入するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記補助的な機械的操作が、所定の位置で前記坑井の構成にケーシングおよびマルチラテラル接合部を導入することを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記補助的な化学的操作が、化学シーラント、高密度化剤、および架橋剤のうちの少なくとも１つを、単一操作および逐次段階操作の少なくとも１つにおいて所定の位置で前記坑井の構成に導入することを含む、請求項７に記載の方法。
10. エネルギー抽出を最大化するために、前記岩石体積内の前記構成における個々の坑井の間隔形成、角度付け、積層、集塊化、相互嵌合および相互接続、ならびにそれらの組み合わせの少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. １つまたは複数の地上の位置で前記構成における所定の位置の入口坑井と出口坑井を選択的に接続するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 坑井の構成を形成するステップが、地上の位置で坑井に接続された共通の入口坑井および共通の出口坑井を任意選択的に有する坑井のネットワークを前記地層の前記岩石体積内に形成することを含む、請求項１に記載の方法。
13. 順序付けられた循環が、流量変化、流れ方向、静止、およびそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記坑井の構成内の所定の位置で前記作動流体をサンプリングして、循環されていない作動流体に対する組成の変化を決定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記組成の変化が化学的または機械的な坑井の要因に関連するか否かを決定するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 高温勾配、低温勾配、前記勾配内の伝導ゾーン、前記勾配内の対流ゾーン、前記地層内の高透水性ゾーン、前記地層内の低透水性ゾーンおよびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つの中に前記構成を形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記構成における近接する坑井間の熱プロファイルの変動を制御するステップをさらに含み、前記制御するステップは、
    前記岩石体積内の温度分布に基づいて、前記岩石体積内の前記坑井の構成を選択するステップと、
    前記構成の坑井の間隔を空けて、近接する坑井間の熱干渉および非効率的な熱回収を低減するステップと、
    を含む、請求項１に記載の方法。
18. 前記坑井の第１の坑井に第１の作動流体を導入して、前記坑井を通して最大から最小までの前記勾配において周囲の地層岩から熱エネルギーを吸収するステップと、
    前記坑井の第２の坑井に第２の作動流体を導入して、前記坑井を通して最大から最小まで前記地層の周囲の地層岩から熱エネルギーを吸収するステップであって、熱の極小値と極大値がない前記坑井に近接する岩石体積内の熱的一貫性を誘導するために、第１流体の流れが前記第２の流体の流れと逆方向である、ステップと、
    を任意選択的に含む、請求項１７に記載の方法。
19. 回収された熱エネルギーを利用するために地表の装置を前記ループと統合するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
20. 前記地表の装置が、工業的工程において使用するための蒸気発生装置、発電装置、電力貯蔵装置、リンクされた坑井の構成へのエネルギーの選択的分配のための分配ネットワーク、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 最適な油圧性能を維持しながら拡張された坑井ネットワーク構成を可能にするために、抗力低減剤を前記作動流体に導入するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
22. 前記構成内のラテラル部内の流れ分配を受動的に制御するために、各ラテラルに十分な油圧摩擦圧力損失を提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
23. 前記岩石体積内での前記坑井の配置および位置のために熱伝導率と掘進率との間の相互作用を決定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

Images