JP6884811B2 - 発電環境における使用のための流体 - Google Patents

Description

本発明は、様々な地熱及びウェル（ｗｅｌｌ）環境における発電のための流体に関するものであり、より具体的には、本発明は、発電に関する方法において用いられる流体のクラスの使用に関する。

地熱エネルギーの利益は、よく知られており、多くの出版物及び特許の主題となっている。一般的な概念は、層内へ掘削してそこから熱を抽出して、発生した蒸気及び水を、蒸気が例えば発電装置を駆動する表面へ戻すことである。従来の工業的地熱技術は、珍しい地質学的条件を要求し、技術を世界規模でニッチのままに維持させている。

従来技術の領域では、問題を緩和するために提案が公布されてきた。岩盤から海水が抽出されない閉ループ地熱システムが考えられており、地熱勾配を利用する可能性を評価するためにシステムが試験される。熱を吸収するためにチューブ内の水に関して地面に挿入されることになる一連のチューブを使用し、それを表面へ、その後熱の使用のために回収装置内へ再循環することが議論されてきた。

地熱勾配は一般的には、地球内部における深さの増加に対する温度上昇の速度として定義される。定量的には、これは、各キロメートルに関しておよそ２５℃を表す。このように、エネルギーの量は未使用のままにするには実質的過ぎる。

Ｒｏｕｓｓｙは、２０１２年３月１３日に発行された米国特許第８，１３２，６３１号公報において、地面内へ採掘ストリングを回転し振動させるための音波ドリルが提供される地熱ループ設備を教示する。流体が、ストリングの内部容積内に提供される。地熱伝達ループは、掘削ストリングの内部容積内に位置付けられ、掘削ストリングは、地面から除去される。

特定のシナリオでは有用であるが、この配置による制限は、ループの小さな領域のみが地熱ゾーンに晒されることである。これは本質的に効率的な熱伝達を制限する。

ウェルの相互接続は、１９７６年３月２日に発行された米国特許第３，９４１，４２２号公報において、Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎによって認識される。技術では、２つのウェルが、塩床内に掘削され、１つは本質的に垂直に配され、第１のウェルから遠位に掘削され、曲げられたウェルの底部が、第１のウェルの底部の選択された距離内に近づくように第１のウェルに向かって曲げられる。その後、２つのウェルの内の１つ又は他方又は両方において液体破砕技術の使用により塩は破砕されて、２つのウェルの間で流体が流れることを可能にする。塩は、他のウェルから、飽和した塩溶液の回収と共に淡水注入によって採掘される。

Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎが、一般的に接続された対のウェルを教示することは明らかであるが、教示は、地熱エネルギーによって駆動されるエネルギー回収又は熱交換システムを検討していない。

ＷｅｌｌＳｔａｒ Ｅｎｅｒｇｙは、２０１６年１２月１日付けのプレスリリースにおいて、エネルギー回収のために地熱ループによって未使用のウェルを組み込むことの可能性に簡単に触れているが、特定の詳細は、これに関して又は熱管理に関するウェルの相互接続に関して言及されない。

Ｃｈｅｖｒｏｎは、日付の無いビデオ開示において、Ｃｏｎｇｏ Ｒｉｖｅｒ Ｃａｎｙｏｎ Ｃｒｏｓｓｉｎｇ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｐｒｏｊｅｃｔでのガスウェル相互接続を教示した。ガスを供給するために相互接続パイプラインが川の一方の側から他方へかけられた。再び、これは、ウェル相互接続に関する特定の使用であった。地熱ループにおけるウェルリサイクル及び相互接続は議論されなかった。

ＧｒｅｅｎＦｉｒｅ Ｅｎｅｒｇｙは、２０１７年付けの文献において、ループされた地熱エネルギー回収システムを議論する。別の目的で使うために既存のガス／油井を用いるよりむしろ、新しいウェルが掘削される。これは、不適切に維持された未使用のウェルを制御するものではなく、実際には新たな問題に寄与し得る。本開示は、ループを実現するために用いられる技術については言及しておらず、さらに、最大効率に必要なクラスタリング及び統合を検討していない。さらに、検討された作動流体は、ＣＯ２及び他の冷媒からなり、それらの内のいずれも、地熱勾配からのエネルギー生産のための関連性の圧力及び温度での実質的に非線形の温度−エンタルピー関係を示さない。

Ｈａｌｆｆは、２００１年１０月１６日に発行された米国特許第６，３０１，８９４号公報において、一般的なフラッシュ地熱プラントを教示する。特許は、発電機の位置、水の保全及び純度及び複数のループによる効率に関連する利点に焦点を当てる。特許権者は以下を示す：
「本発明はこれらの困難を克服し、その目的の１つに関して、高温岩盤地層から熱を得る水が、それがリサイクルされ得るように、汚染されず、標準的なボイラー水処理で使用されるものを超える化学処理を必要とせず、使用される水の量が経済的である、改良された地熱発電システムの提供を有する。本発明の他の１つの目的は、蒸気を動力源とする発電機又は他のメカニズムを回すタービンが、地面内へ水を受け取るために使用される入力ウェルの近くに配置される必要がなく、且つ、ウェルから離れた場所であり得る、改良された地熱発電システムの提供である。本発明の他の１つの目的は、システムがより効率的である改良された地熱発電システムの提供である。本発明の他の１つの目的は、石油産業で一般的に使用される水平ウェル掘削技術によってウェルが掘削され得るので、システムの設置が容易である改良された地熱発電システムの提供である。改良された地熱発電システムは使用するのにシンプルである。本発明の他の１つの目的は、地層における圧力が維持されるように、地層から水を引き出すことなくシステムが維持されることである。」

Ｈａｌｆｆは一般的にはシステムにおける複数のレッグを議論するが、この複雑な領域において詳細は提供されない。文書において以下が示されている：
「上述したシステムの変形は図に示される。図１に示されるシステムのすべての要素が存在する。同じ結果が、単一の垂直なウェル及び一以上の水平なウェルによって得られる。水は、ケーシングの下に伸び且つケーシングの端部で排出されるチューブによって、ウェルの水平リーチへ戻る。水は、それが単一のウェルから、それゆえタービンへ流れ戻るときに、蒸気へ変換される。
いずれかの実施形態では、処理された水は、温水レッグのいずれかの端部で、又は、温水レッグのすべて若しくはその一部に沿って分布し得る。
図面では、一以上のホットレッグが存在することが理解されるであろう。ホットレッグは、同時にすべて動作し得る、又は、それらは、他のレッグが準備できて且つ連続してサービスを開始できるまで他のレッグが加熱される間に、一つのホットレッグが動作する順番で用いられ得る。」

この過剰な単純化は、コストを追加するいくつかの新しいウェルが必要とされるという事実に対処せず、複数の供給流れの接続又は熱的管理に関する指示を提供しない。さらに、Ｈａｌｆｆは、作動流体として水を参照するのみであり、蒸気へ遷移する水を参照し、本発明において目標とされるよりもかなり高い温度を必要とする。

２００１年３月３日に発行された米国特許出願公開第２０１１００４８００５号公報で、ＭｃＨａｒｇｕｅ は、層内の温度変動に対処するために生産流体選択における変形を提供する。文書は、以下を述べる：
「この実施形態の新規な態様は、生産流体としての幅広い潜在的な流体を用いることを可能にする機会と、地下温度変化として又は発電所の変化における条件として迅速に且つ容易に生産流体を変化させる能力である。ユーザーは、発電所の熱的要件、及び、地球の表面下の局所的な熱的条件に対する生産流体の熱的特性を最適化するために、生産流体として水以外の流体又は気体を用いるためのオプションを有する。例えば、発電所に供給するための生産流体として超臨界流体（Ｄ．Ｗ．Ｂｒｏｗｎによる米国特許第６，６６８，５５４号公報、２００３）又は任意の炭化水素若しくは冷媒を利用すること選択し得る。生産流体として水以外の流体又は気体を用いることの可能性は、多孔性及び浸透性が高い、より浅い負荷さで、より冷たい地下岩盤を掘削するための可能性を提供することによって、及び地下岩盤層を人為的に破砕するための必要性を低減することによって費用を節約するであろう。」

文献は、石油産業において用いられる技術を示唆しているが、既存の油田を別の目的で使うこと又は既存のウェルの使用に関する議論は存在しない。参照文献は、幅広い方法において、地熱環境における使用のための単純な非反応性流体を議論する。岩盤からの熱伝達を根本的に増加させることによる増加した効率に関する教示は存在せず、ウェルの側方部分内に実質的に非線形の温度プロファイルを生成することに関する高度な詳細がない。

Ｍｉｃｋｅｌｓｏｎは、２００７年１０月２５日に公開された米国特許出願公開第２００７０２４５７２９号公報において、複数のレッグ地熱回収システムを教示する。刊行物は、地球流体損失、それゆえ温度損失について懸念を表しており、方向性掘削に関連する東西の問題、つまり、とりわけ層における磁気干渉、魚、重鉄濃度を緩和するための如何なる教示を提供しない。

Ｇｏｓｗａｍｉ等によって２０１３年８月２２日に公開された米国特許出願公開第２０１３０２１３０４号公報では、低い及び中程度の温度の熱源から発電するための方法及びシステムが提供される。

著者は、顕熱源から熱を交換することによって超臨界状態へ加熱される作動流体として非共沸混合物を教示する。教示は、超臨界ランキンサイクル及び非共沸混合物を組み合わせる。作動流体は、液体から超臨界状態へ直接加熱され、顕熱源と作動流体との間の熱的マッチングを改善する。作動流体として非共沸混合物を用いることは、作動流体と冷却剤との間のより良い熱的マッチを生成する。本発明は、熱源と流体との間の温度差が、マッチされるよりもむしろ最大化される反対のアプローチをとる。

ＧｒｅｅｎＦｉｒｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｃ．は、２０１５年９月１１日に公開された国際公開２０１５／１３４９７４号において、地熱出力を生産するためのプロセス及び方法を教示する。

著者は、閉ループ地熱システムを教示する：
「システムを通って循環する熱伝達流体は、二酸化炭素、窒素、アンモニア、及び／又は、炭素数ＣｉからＣ６を有するアミン、炭素数ＣｉからＣ８を有する炭化水素、炭素数ＣｉからＣｉ０を有する炭化水素の内の一以上を含み得、一以上の水素が塩素又はフッ素によって置換される。いくつかの実施形態では、循環する流体は、超臨界二酸化炭素である。」岩盤からの熱伝達を根本的に増加させることによる増加した効率に関する教示は存在しない。さらに、検討されるすべての流体は、それぞれ１０ＭＰａより大きい及び１８０℃未満の、地熱勾配からのエネルギー生産に関連する圧力及び温度で、非線形の温度エンタルピー関係を示さない。

地熱領域における従来技術のかなり有意な容積のサンプルのみとしての代表であり、異なる地熱及びウェル環境のホストにおいて好ましい熱力学を可能にする流体に関する必要性がいまだに存在することは明らかである。本明細書で説明されることになる本技術は、この必要性に対処する。

本発明は、様々な地熱及びウェル環境に含まれる熱力学の明確な理解によって、統合されたサイクル及び分離されたサイクルによる出力の生産のための新規な用途における流体クラスを提供する。

多数の優位点が技術から明らかであり、例えば以下を含む：
Ａ）技術は、化石燃料燃焼が徐々に廃止されると、エネルギー生産に関する実行可能な代替手段を提供する；
Ｂ）方法に関する地熱駆動力は、風速又は曇天に関わらず２４時間連続的に利用可能である；
Ｃ）技術は、太陽及び風力エネルギー生産に関連する断続的な供給を不要にする；
Ｄ）地熱勾配は、広大な領域全体で実質的に均一であり、それゆえ、従来の地熱が不可能であった領域へ技術の幅広い適用を可能にする；
Ｅ）閉ループシステムは、熱力学的効率を増加し得る本明細書で記載される新規の流体の使用を可能にする。これらの新規の流体は、地熱層から回収されるエネルギーを根本的に増加する；
Ｆ）技術は、任意の計算された環境違反を完全に回避する；
Ｇ）所定の領域において最大数のウェルの使用を可能にするために、集約されたウェルのサテライト構成が可能である；
Ｈ）老朽化し得る、漏洩し得る、又はそうでなければ危険にされ得る既存のウェル又はウェルサイトを組み込むことによって、方法を実施することにおいて用いられるときにこれらは修正され得る。

利点のこの列挙は網羅的とは対照的に例示的である。

本発明の全体的な目的は、最大のエネルギー回収のために様々なウェル及び地熱環境における熱及び発電のための流体クラスを提供することである。

本発明の一実施形態の他の１つの目的は、入口ウェル、出口ウェル及び間の側方相互接続を有するウェルシステムにおけるエネルギー回収使用のための流体を提供することであり、流体が：
ａ）流体と周囲のダウンホール熱源との間の温度差及び熱伝達を最大化するための、１０ＭＰａより大きい圧力且つ１８０℃未満の温度で前記側方相互接続内の、実質的に非線形の温度エンタルピー関係と；
ｂ）高圧で吸熱性であり且つ高圧よりも低い圧力で発熱性である感圧可逆反応を受けることが可能であり；
ｃ）側方相互接続内で吸熱性である化学吸収反応を含む流体混合物と；
ｄ）側方相互接続内で吸熱効果をもたらす、温度及び圧力依存性溶解度を有する水系電解質溶液と；を含む群から選択された少なくとも１つの特性を有し、且つ
前記流体から直接的に熱エネルギーを利用する段階、及び／又は、前記流体からのエネルギーを電力へ変換する段階と、を含む。

上述した特性に加入する化合物のクラスは、遠距離場の岩盤温度と循環する流体温度との間の温度差を増加させるので、地層からのより高い熱伝達を駆動する。

より低い圧力（深さ）で、気体へ沸騰する液体は、非線形の温度エンタルピー関係を示す。しかしながら、単純な液体／気体は、それぞれ１０ＭＰａより大きい及び１８０℃未満の、地熱勾配からのエネルギー生産に関連する圧力及び温度で、この特性を有さない。

一つの形態では、流体は、硫酸マグネシウムの水溶液を含み得る。

本発明の一実施形態のさらに別の目的は：
地層内で側方導管に接続された出口及び入口を有する閉ウェルループ回路を提供する段階と；
ウェルループと作動的に連絡している発電装置を提供する段階と；
前記層から熱エネルギーを回収するために前記回路を通して１０ＭＰａより大きい圧力及び１８０℃未満の温度で前記側方導管内にて、実質的に非線形の温度エンタルピー関係を有する流体を循環させて、流体と周囲のダウンホール熱源との間の温度差及び熱伝達を最大化する段階と；
入口で前記ループにおける再循環の前に流体を冷却する段階と；
前記流体からのエネルギーを電力へ変換する段階と；を含む、発電方法を提供することである。

本発明の一実施形態のさらに別の１つの目的は、熱エネルギーを捉えるために層における離間関係にある既存の生産ウェル及び注入ウェルを有する油田を別の目的で使う方法であって、
発電装置と流体連通している第１の注入ウェル及び生産ウェルを有する第１のノードを提供する段階と；
前記第１のノードに対して離間関係にある発電装置と流体連通している第２の注入ウェル及び生産ウェルを有する第２のノードを提供する段階と；
地下水平接続において前記第１のノード及び前記第２のノードを接続する段階と；
地下接続による前記第２のノードの前記発電装置の入力へ前記第１のノードの前記発電装置からの加熱された出口流体を循環する段階であって、前記流体が、前記層から熱エネルギーを回収するために１０ＭＰａより大きい圧力及び１８０℃未満の温度で前記地下水平接続内に、実質的に非線形の温度エンタルピー関係を有して、前記流体と周囲のダウンホール熱源との間で温度差及び熱伝達を最大化する、段階と；
前記流体から直接的に熱エネルギーを利用する段階、及び／又は、前記流体からのエネルギーを電力へ変換する段階と；を含む、方法を提供することである。

本発明の一実施形態のさらなる目的は：
注入及び生産ウェルペアを有する停止した油田を提供する段階と；
１つのウェルペアの生産ウェルと地下ループにおける隣接したウェルペアの注入ウェルとの間で発電装置を接続する段階であって、前記ループが、前記生産ウェルと前記注入ウェルとの間で少なくとも１つの側方相互接続を有する、段階と；
地下熱エネルギーを回収するために前記ループを通して流体を循環する段階であって、前記流体が：
ａ）流体と周囲のダウンホール熱源との間の温度差及び熱伝達を最大化するための、１０ＭＰａより大きい圧力且つ１８０℃未満の温度で前記側方相互接続内の、実質的に非線形の温度エンタルピー関係と；
ｂ）高圧で吸熱性であり且つ高圧よりも低い圧力で発熱性である感圧可逆反応を受けることが可能であり；
ｃ）側方相互接続内で吸熱性である化学吸収反応を含む流体混合物と；
ｄ）側方相互接続内で吸熱効果をもたらす、温度及び圧力依存性溶解度を有する水系電解質溶液と；を含む群から選択された少なくとも１つの特性を有し、且つ
前記流体から直接的に熱エネルギーを利用する段階、及び／又は、前記流体からのエネルギーを電力へ変換する段階と；を含む、エネルギー生産方法を提供することである。

有利には、流体は、効率を最大化するために、ウェルの構成、とりわけ熱源品質に基づいて選択され得る。

本発明の一実施形態のさらに別の目的は：
地層内に第１の一般的にはＵ字型掘削孔、及びそこから離間関係にある第２の一般的にはＵ字型掘削孔を掘削する段階と；
発電装置を提供する段階と；
地下位置において前記第１のＵ字型掘削孔の出口及び前記第２のＵ字型掘削孔の入口へ前記装置を接続する段階と；
各前記掘削孔を通して流体を循環する段階であって、前記流体が：
ａ）流体と周囲のダウンホール熱源との間の温度差及び熱伝達を最大化するための、１０ＭＰａより大きい圧力且つ１８０℃未満の温度で側方相互接続内の、実質的に非線形の温度エンタルピー関係と；
ｂ）高圧で吸熱性であり且つ高圧よりも低い圧力で発熱性である感圧可逆反応を受けることが可能であり；
ｃ）側方相互接続内で吸熱性である化学吸収反応を含む流体混合物と；
ｄ）側方相互接続内で吸熱効果をもたらす、温度及び圧力依存性溶解度を有する水系電解質溶液と；を含む群から選択された少なくとも１つの特性を有する段階と、
前記流体からのエネルギーを電力へ変換する段階と；を含む、地熱法を提供することである。

方法が実行される環境の詳細に応じて、適切な流体は、前述したようなクラスによって包含されるものから選択され得る。

本発明の一実施形態の他の１つの目的は：
地層内に第１の一般的にはＵ字型掘削孔、及びそこから離間関係にある第２の一般的にはＵ字型掘削孔を掘削する段階と；
発電装置を提供する段階と；
地下位置において第１のＵ字型掘削孔の出口及び第２のＵ字型掘削孔の入口へ装置を接続する段階と；
各掘削孔を通して流体を循環する段階と；
前記流体からのエネルギーを電力へ変換する段階と；を含む、地熱法を提供することである。

本発明の一実施形態のさらなる目的として：
未使用の掘削ウェルを提供する段階と；
前記未使用のウェルに対して離間関係にある第２のウェルを掘削する段階と；
少なくとも１つの側方リンク相互接続を有する連続ループにおいて地熱ゾーン及びそこから間隔があけられた第２のゾーン内で前記未使用の掘削ウェル及び前記第２のウェルをつなぐ段階と；
前記ループ内の熱交換のために前記ループを通して作動液体を循環する段階であって、前記流体が：
ａ）流体と周囲のダウンホール熱源との間の温度差及び熱伝達を最大化するための、１０ＭＰａより大きい圧力且つ１８０℃未満の温度で側方相互接続内の、実質的に非線形の温度エンタルピー関係と；
ｂ）高圧で吸熱性であり且つ高圧よりも低い圧力で発熱性である感圧可逆反応を受けることが可能であり；
ｃ）側方相互接続内で吸熱性である化学吸収反応を含む流体混合物と；
ｄ）側方相互接続内で吸熱効果をもたらす、温度及び圧力依存性溶解度を有する水系電解質溶液と；を含む群から選択された少なくとも１つの特性を有する段階と、
前記流体から直接的に熱エネルギーを利用する段階、及び／又は、前記流体からのエネルギーを電力へ変換する段階と；を含む、地熱熱交換器を形成する方法の提供が存在する。

本発明の一実施形態のさらに別の目的は：
受入ハブとして第１の未使用のウェルを指定する段階と；
前記ハブに隣接した第２の新しいウェルを掘削する段階と；
ハブ及び第２の新しいウェルから間隔があけられた少なくとも第３の新しいウェルを掘削する段階と；
少なくとも１つの側方相互接続、地熱ゾーン内である各ループの第１のセクション、及び、前記地熱ゾーンより上である第２のセクションを各々有する個別の閉ループにおいて前記ハブによって第２の新しいウェル及び第３のウェルの各々を流体連結において接続する段階と；
ループ内で作動流体を循環する段階であって、流体が：
ａ）流体と周囲のダウンホール熱源との間の温度差及び熱伝達を最大化するための、１０ＭＰａより大きい圧力且つ１８０℃未満の温度で側方相互接続内の、実質的に非線形の温度エンタルピー関係と；
ｂ）高圧で吸熱性であり且つ高圧よりも低い圧力で発熱性である感圧可逆反応を受けることが可能であり；
ｃ）側方相互接続内で吸熱性である化学吸収反応を含む流体混合物と；
ｄ）側方相互接続内で吸熱効果をもたらす、温度及び圧力依存性溶解度を有する水系電解質溶液と；を含む群から選択された少なくとも１つの特性を有する段階と、
前記地熱ゾーンから移される熱エネルギーを捉える段階と；を含む、未使用の掘削ウェルをリサイクルするための方法を提供することである。

本発明の一実施形態のさらに他の１つの目的は：
第１の作動流体並びに地層内で側方導管に接続された出口及び入口を有する閉ウェルループ回路を提供する段階と；
第２の作動流体を有する発電回路を提供する段階であって、回路がウェルループ回路と熱伝達連結にある、段階と；
個別の回路内で第１の作動流体及び第２の作動流体を循環する段階と；
第１の作動流体から第２の作動流体へ熱を移す段階と；
回収された熱エネルギーから発電する段階と；を含む、発電方法を提供することである。

流体の熱力学的特性の理解によって、技術は、非常に有益な発電及び直接的な熱使用環境における広い適用性を可能にする。

技術の他の目的及び特徴は、文章をさらに熟読することで明らかになるであろう。

発明をこのように一般的に記載することで、添付の図面への参照が今から為されるであろう。

図面において用いられる同様の数字は、同様の構成要素を示す。

一実施形態における、分離されたウェルループ及び動力サイクルの概略図である。 並列の動力回路を有する、分離されたウェルループ及び動力サイクルの概略図である。 直列の動力回路を有する、分離されたウェルループ及び動力サイクルの概略図である。 マルチ側部導管システムの概略図である。 地層内で自然の位置でのウェルループ及びマルチラテラルの断面図である。 一実施形態における、統合されたウェルループ動力サイクルの概略図である。 第２の実施形態における、統合されたウェルループ動力サイクルの概略図である。 従来技術において記載されるシンプルな流体、及び、非線形温度エンタルピー関係を示す本明細書で記載される新規な流体に関する、ウェルループの側方部分内での流体温度の一般図である。 第１の実施形態における連鎖したウェルの上面図である。［図９Ａ］配置において採用された導管のマルチ側部配置の拡大図である。 １つのウェルの入口と隣接したウェルの出口との間に配されるような発電装置の拡大図である。 統合された２つの連鎖したウェルループの上面図である。 本発明の他の１つの実施形態の上面図である。 発明のさらに他の１つの実施形態の上面図である。 未使用のウェルのアレイの概略図である。 未使用のウェル内に配された新しいウェルの位置決めを示す図１４と同様の図である。 新しいウェルが未使用のウェルとクラスタ化した、本発明の一実施形態の第１の概略図である。 クラスタが集約された概略図発明である。 ４０ＭＰａの高圧で２０％硫酸マグネシウムを含む水系電解質溶液に関する非線形の温度エンタルピー関係の図例である。

図１では、発明の第１の実施形態の概略図が示される。これは、分離されたウェルループ及び動力サイクルと呼ばれる。動力サイクル１０は、ウェルループサイクル１２によって統合される。動力サイクル１０は、とりわけ、スターリングサイクル、カーボンキャリアサイクル、カリーナサイクル、有機ランキンサイクル、二酸化炭素トランスクリティカル動力サイクル等の適切且つ既知のものの内のいずれかから選択され得る。

図面では、ウェルループ１２は、例えば、地熱層、低浸透層、堆積層、火山層、又は、堆積盆地の下に生じる結晶質岩としてより適切に記載される「基盤」層（いずれも図示されない）であり得る、地層内に典型的には配される、入口ウェル１４及び出口ウェル１６を有する閉ループシステムを含む。

ウェルループ１２及び動力サイクル１０は、サイクル１０における発電機２２によって発電するためにその後用いられる、層におけるループ回路２０において循環する作動流体から熱を回収する熱交換１６によって熱的接触している。例として、層の温度は、８０℃と２５０℃との間の範囲であり得る。

示される配置では、２つの異なる作動流体が用いられる。ウェルループ内で用いられる作動流体を修正することによって、システムの動作は、より効率的になり得る。

既存の上記動力サイクルは、岩盤から熱を吸収し、その後熱交換器においてこの熱を二次的動力サイクル作動流体内へ移すウェルループ自身内でシンプルな水系流体を必要とする。従来の地熱プロジェクトでは、水の化学的性質は貯留層条件によって設定される。大部分の場合では、水は、２つの問題、つまり腐食及びスケーリングを引き起こす１０，０００ｐｐｍより上の高い全溶解固形分（ＴＤＳ）を有する重い海水である。ダウンホールパイプ、ツールにおける並びに地上施設及び地上フローライン内の腐食問題は、一般的であり且つ管理するのに費用がかかる。加えて、容器条件では溶液において通常はかなりのシリカ又は他の沈殿物が存在する。海水が地表へ持ってこられ、（動力サイクルの作動流体内へエネルギーを移すために）一次の熱交換器において冷却されるとき、シリカ又は他のミネラルは溶液から沈殿し、且つ、パイプ、バルブ、熱交換器等の内部表面へ付着する。これらのスケールは、管理するのに非常に費用がかかり、通常は、どれくらいの熱が源水から抽出され得るかに制限を設定する。

このように、現在利用可能な発電モジュールは通常、一次の熱交換器において０℃より上へ動力サイクル作動流体の入力温度を制限する。より高いタービン圧力比率は、ゼロより下に作動流体温度を下げることによって可能にされる。しかしながら、従来の地熱プロジェクトは、熱交換器の他方側上の地熱流体の、可能性のある凍結及びスケーリングによって制限される。

現在の技術におけるこれらの制限は、閉ループウェルと組み合わされた、分離された動力サイクルシステムを実装することによって越えられる。ウェルループサイクルにおける作動流体が考案され、それが０℃より下で凍結しないように、且つ、本発明では：
ａ）流体と周囲のダウンホール熱源との間の温度差及び熱伝達を最大化するための、１０ＭＰａより大きい圧力且つ１８０℃未満の温度で側方相互接続内の、実質的に非線形の温度エンタルピー関係と；
ｂ）高圧で吸熱性であり且つ高圧よりも低い圧力で発熱性である感圧可逆反応を受けることが可能であり；
ｃ）側方相互接続内で吸熱性である化学吸収反応を含む流体混合物と；
ｄ）側方相互接続内で吸熱効果をもたらす、温度及び圧力依存性溶解度を有する水系電解質溶液と；を含む群から選択された少なくとも１つの特性を有するようになる。

流体は、効率及び信頼性を増加するために添加物によって修正され得る。適切な添加物は、抗スケーリング剤、抗腐食剤、摩擦低減剤及び抗凍結化学物質、冷媒、殺生物剤、炭化水素、アルコール、有機流体並びにそれらの組み合わせを含む。

分離された回路を有する任意の配置は、図２及び３に示される。

図２は、並列配置を形成するそれ自身の発電機２２を各々備える２つの異なる熱交換器１８と熱的接触しているウェルループ１２を組み込む分離された回路を示す。同様に、図３は、直列配置を示す。

図４を最初に参照すると、概略的に示されているのは、全体的に数字２４によって示される、マルチ側部ウェルループシステムの部分的に切り取られた図である。この配置では、複数の水平ウェルループセグメント２０は、間隔があけられた一般的には並列の関係で層（図示されない）内に配される。セグメント２０の各々は一般的に、閉ループにおいて入口ウェル１４及び出口ウェル１６に接続される。

地層は、例えば、地熱層、低浸透層、堆積層、火山層、又は、堆積盆地の下に生じる結晶質岩としてより適切に記載される「基盤」層（いずれも図示されない）であり得る。

図５は、地層２６内の構成要素の配置を概略的に示す。

例として、水平セグメント２０は、長さが２０００メートルから８０００メートル以上まで、及び、地表２８からの深さが１０００メートルから６０００メートルまでのどこでもであり得る。地表２８上の発電回路２２は、入口ウェル１４と出口ウェル１６との間に配されて、閉ループシステムを完結する。

寸法は、例示的のみであり、層、エリア、地熱勾配、地表異常、地殻変動等の特性に応じて変わるであろうことが当業者によって理解されるであろう。

明らかなように、工学の進歩のおかげで、マルチ側部配置を確立するための煩わしさは最小限であり、ループが層に接触するための表面積における実質的な増加を提供するために単純化される。さらに、未使用の又は停止した油井に関して、無視できる程度の環境の影響で同じものを別の目的で使う改良用途が可能である。

統合されたウェルループ動力サイクルは、選択された作動流体がウェルループ内で循環され、その後図６に示されるように地表上でタービン内に流れる閉ループシステムである。数字３０は、全体のプロセス概要を示す。このプロセスでは、用心深いウェルループ流体及び二次的動力サイクル作動流体を有するよりもむしろ単一の流体が用いられる。この閉ループサイクルにおける作動流体は、流体が、より高い作動圧力では超臨界であり、より低い作動圧力では亜臨界であるトランスクリティカルとして、又は、流体が、より低い作動圧力で超臨界のままである完全に超臨界サイクルとしてのいずれかで動作し得る。

知られるように、トランスクリティカルサイクルは、作動流体が亜臨界及び超臨界状態の両方を通り抜ける熱力学的サイクルである。

装置は、空気冷却器３２、及び、発電機３６を備えたタービン３４として例では示される、冷却装置をさらに含む。空気冷却器３２は、作動流体を周囲温度より１℃と１５℃との間の上の温度へ冷却するために用いられる。作動流体がサブゼロ℃の温度へ冷却され得ることにも留意されたい。

加えて、本明細書で説明された技術における使用のための適切な流体は、出口ウェルでの超臨界状態から、膨張及び冷却後のトランスクリティカル状態へ遷移することが可能であり、出口ウェルを出る流体は、温度−エントロピーグラフ上の二相領域の右へと過熱蒸気状態へ膨張させるのに十分に高いエントロピーを有し、冷却時にはその臨界点よりも実質的に低い。

この統合されたサイクルにおける駆動メカニズムは、入口垂直ウェル１４と出口垂直ウェル１６との間の密度差に起因して上昇する非常に強い熱サイフォンである。流体は、入口ウェル１４において超臨界液体状態であり、それが側方セクション１２に沿って進むときに熱くなり、出口ウェル１６において超臨界状態で出て、かなりの圧力を生成する。

図７は、図６に示されるフロー図の変形であり、複数のタービン３４及び発電機３６が、並列関係で配される。直列及び並列の組み合わせを含む他の変形は、当業者によって理解されるであろう。

図８は、従来技術において記載されるシンプルな流体、及び、非線形温度エンタルピー関係を示す本明細書で記載される新規な流体に関する、ウェルループの側方部分内での流体温度の説明図である。岩盤から移される熱は、岩盤温度と流体温度との間の累積領域に比例する。表１はデータを一覧にする。

熱サイフォン効果は、スタートアップの間を除いて通常の動作条件下での地表ポンプに関する必要性を完全に除外し得る。有利には、これは、ポンプを動作するために必要とされる出力を除外し、且つ、正味電力出力を増加させる。

ウェルループ回路と協力した仕事は、裸孔レイアウト、深さ、長さ及び周囲温度へ適合した、カスタマイズされた流体及び混合物の使用である。１０ＭＰａより大きい高圧力及び１８０℃未満の温度での関連ある従来技術は、水、二酸化炭素、冷媒又は炭化水素流体等の、線形温度エンタルピー関係を有する流体の使用を議論するのみである。本明細書で議論されるもののような閉ループシステムによって、流体混合物の初期コスト及び複雑さは、全体的な経済的意味においてほんの小さな要因である。そのため：
ａ）流体と周囲のダウンホール熱源との間の温度差及び熱伝達を最大化するための、１０ＭＰａより大きい圧力且つ１８０℃未満の温度で側方相互接続内の、実質的に非線形の温度エンタルピー関係と；
ｂ）高圧で吸熱性であり且つ高圧よりも低い圧力で発熱性である感圧可逆反応を受けることが可能であり；
ｃ）側方相互接続内で吸熱性である化学吸収反応を含む流体混合物と；
ｄ）側方相互接続内で吸熱効果をもたらす、温度及び圧力依存性溶解度を有する水系電解質溶液と；を含む群から選択される少なくとも１つの特性を有する流体等の他の流体が用いられ得る。

ウェルループの側方部分内で実質的に非線形の温度エンタルピー関係を示す、及び／又は、高圧で吸熱性であり且つ高圧よりも低い圧力で発熱性である感圧可逆効果を示す流体が、発電を大幅に増加され得ることが見出された。遠距離場の岩盤温度と循環する流体温度との間の平均温度差が増加して、地層からの増加した熱伝達を駆動するので、これは発達する。

このタイプの流体の例は、温度依存性の溶解度を有する水系沈殿物／電解質溶液であり、水は、入口ウェルの頂部で過飽和である。固体粒子は、抗スケーリング剤（抗凝集剤）を有し且つ（掘削泥水と同様の）乱流を有する懸濁液において保持される。側方セクションでは、温度は増加しており、それゆえ、懸濁液に保持される固体の溶解度もまた増加している。これは、固体粒子が水中に溶解するときに、溶液が岩盤から熱を吸熱的に吸収することを可能にする（基本的に流体の有効熱容量を増加させる）。分離された熱電サイクルへの熱交換器において、温度は減少しており、そのため、固体物質は発熱的に沈殿している。熱交換器は、内部表面へ付着する沈殿物を回避するように処理され得る。

閉ループ地熱システムにおける用途に関する流体は、例として以下の溶質：臭化カリウム、硫酸マグネシウムを有する水系溶液を含む。

単一のタービンを用い、且つ、全範囲の周囲条件にわたって十分な効率を有することは問題がある。異なる周囲状況に関して最適化された直列又は並列の二以上のタービンの使用が問題に対処することが見出された。より冷たい温度の期間の間、制御ロジック（図示されない）は、年間を通じて高い効率を維持するために、作動流体を適切なタービンへ自動的にシフトする。

ここで図９、９Ａ及び１０を集合的に参照すると、全体が数字４４によって示されたウェルの連鎖の概略図が示される。この実施形態では、数字４６によって一般的には示される各表面位置は、側方ウェル導管５０及び生産ウェル５２に接続された注入ウェル４８を含む。このように、連続ウェル構造は、一般的にはＵ字型構造に加入する。

図９に示されるように、各位置４６は、離散的であり、且つ、エレガント且つ有利な方法において近接位置につながれる。例として、位置間の距離は５０００メートルであり得る。これはもちろん状況によって変わるであろう。

図１０では、数字５４は、発電装置を表す。装置５４に関する選択は、後で本明細書で議論されることになるが、議論の目的に関して、装置５４は、蒸気を電気エネルギーへ変換する役割を担う。各位置４６で、注入ウェル４８及び生産ウェル５２が存在する。マルチ側部導管３８は、同様に地下であるが、層４８の地熱ゾーン４６内にもある。

動作に関して、図１０もまた参照され得る。適切な熱容量を有する流体は、１つの位置４６の注入ウェル４８において循環され、熱エネルギーを回収するために発電装置５４を通して処理され、その後、近接位置４６の注入ウェル４８に関する入口供給流れになるように出口流れとして送られる。鎖線６２は、このリレー又は連鎖シークエンシングを示す。すべての熱が回収されるわけではないので、近接位置のウェル４８に関する入口供給流れは、側方導管５０内への注入のために予熱される。プロセスはその後、次の位置４６における繰り返しのためにリセットされる。修理、分析等の便宜上、発電装置は、装置５４をバイパスするためのバイパスループ６４を含む。

地質学的、環境的、熱的等の可変条件に適合するために、導管５０のアレイが、図９Ａに示されるように採用され得る。アレイは、マルチ側部アレイ６６として参照されることになり、近接導管５０から間隔があけられた環状パターンで配される。他のパターンは、状況の詳細に応じて採用され得る。アレイ６６の個別の導管５０間の接続は、単一の導管５０と同様の様式で作用する合併で単純に統合されるであろう。位置４６の内のすべて又はそのいくつかは、その例が上記で参照されてきた条件に応じて、このように製造され得る。単数の導管配置がアレイ６６と交互に起こり得ることがさらに検討される。アレイ６６は、全体の流量及び発電を増加させる。いくつかの位置４６が共に近い状況では、より多数のアレイ６６が、熱回収バランスを維持するために用いられ得る。図９に示される配置は、１２，０００ｋＷから２０，０００ｋＷシステムの例である。

ここで図１１を参照すると、示されているのは発明のさらなる実施形態であり、例えば８，０００ｋＷから１２，０００ｋＷシステムである。この例では、個別のループは、増加した電力及び効率のために発電装置（図示されない）を集中させるために、集中した位置６８で合流され得る。

図１２及び１３は、より小さいスケールの動作、４，０００ｋＷ−６，０００ｋＷ（図１２）及び２，０００ｋＷ−３，０００ｋＷ（図１３）を示す。

連鎖実装を採用する重要な特徴の内の一つは、表面近くの戻し導管に関する要件がないことである。必要に応じて、従来のウェルループ配置におけるように、資本コストが総プロジェクト資本の１０％を超え、方法の権利を交渉するための必要性が存在し得、３−５℃の熱損失及び圧力損失が、より低い効率をもたらす結果になる。

対照的に、連鎖は、ウェルループが前後につながれるので、表面近くの戻し導管に関する必要性を除外する。さらに、ペアのループは、上記の予熱された流れを生成するための入力として廃熱を用いるペアによって互いに戻し導管としての役割を果たす。

他の優位点は、すべてが表面下であるので地表の混乱（接地面積）無しでの増加した発電、及び、位置４６間の減少した距離を含む。これは、予熱された供給流れ設計の増加した温度のおかげで、より短い導管５０が用いられ得る場合に、コストをそれに応じて減少させる。

ここで図１４を参照すると、示されているのは、複数の分散した未使用のウェル７２を有する、数字７０によって一般的に示される掘削領域の概略図である。

ここで図１５を参照すると、示されているのは、図１４と同様の図であるが、複数の新しいウェル７４から８８が、個別の未使用のウェル７２の近くで掘削されている。

図１６を参照すると、メインハブ９０が提供される。具体的に示されていないが、ハブ９０は効率的に、新しいウェル、例えば７４、７６、７８及び８０の各々が、本明細書で後により詳細に議論される流体連結であるマニホールド配置である。ハブ９０から、新しいウェル７４、７６及び７８の各々が、互いに間隔があけられ、未使用のウェル７２がハブ９０に関連する。各新しいウェル７４、７６及び７８は、単一の近接した未使用のウェル７２と流体連通している。流体連結は、パイピング９２及び９４によって達成される。パイピング９２は、地表９６の下、より具体的には、一般的には数字９８によって示される、地熱ゾーン内に配される。示されるように、パイピング９２は、例では地表９６の上に配されているが、それは地表９６の下に配され得、進む図面に示されるであろう。

都合よく、例では新しいウェル７４、７６及び７８を有するハブ９０は、個別の未使用のウェル７２に接続されて、リサイクルされた未使用のウェルのクラスタを形成する。

明確化のために、図１６及び１７は一緒に参照され得、ループ９２及び９４は、明確化の目的のために図１７において存在しない。クラスタは、数字１００によって示される図１６において参照され得る。クラスタリングは、図１７に示されるような追加のクラスタ１００をつなぐのに有効である。所与のハブ９０に関連した新しいウェル７４、７６及び７８は、隣接したクラスタ１００からの未使用のウェル７２によって他のクラスタ１００とつながる。このようなリンクは、説明の目的のために１０２として参照される。このように、クラスタ１００は、図１５に示される未使用のウェル７２のランダムで非生産的なアレイとは対照的に、エネルギー収集システムとして集約される。これは、表面設計に対して閉ループ表面において地熱エネルギーを収集するための高効率な配置を提供する。

地熱ループは、上記で議論された従来技術において表面的には提案されているが、モザイクでは、従来技術は、地表エネルギー回収に対する地表、集約されたリサイクルと統合された最小の地質学的及び環境的侵襲性に関する適正なガイダンスを提供していない。

ここで図１８を参照すると、示されているのは、４０ＭＰａでの２０質量パーセント硫酸マグネシウムの水系溶液の非線形の温度エンタルピー関係である。これは、現在の発明において記載される流体の熱力学的挙動のタイプの例として示される。実際に利用される特定の流体化学は、他の要因の中でも特に、岩盤温度、直接的な熱又は電気用途、特定の入口／出口温度、ウェル長さ及び構成等のプロジェクト詳細に依存する。

結論では、新しい技術が、固有の作動流体を用いて様々な地層内での固有の閉ループ配置において発電に関して与えられる。

改善した流体を有する統合され且つ分離されたループは輪郭が描かれて、従来技術と比較して強化された熱捕捉をもたらす。

ループの入口及び出口に一般的に接続されたループにおけるマルチ側部セグメントは、多くの用語において議論されてきており、その内のいずれも既存のループ配置に対する改善である。

Claims (10)

1. 入口ウェル、出口ウェル、及び、前記入口ウェルと前記出口ウェルとの間の且つダウンホール熱源内の側方相互接続を有する閉ウェルシステムにおけるエネルギー回収使用のための流体であって、前記流体が、流体と周囲のダウンホール熱源との間の温度差及び熱伝達を最大化するために、１０ＭＰａより大きい圧力且つ１８０℃未満の温度で前記側方相互接続内にて、非線形の温度エンタルピー関係を有し、
   前記流体が、硫酸マグネシウム及び／又は臭化カリウムを有する水系溶液を含む、流体。
2. 地熱エネルギー含有層内で側方導管に接続された出口及び入口を有する閉ウェルループ回路を提供する段階と；
   前記閉ウェルループ回路と作動的に連絡している発電装置を提供する段階と；
   前記層から熱エネルギーを回収するために前記閉ウェルループ回路を通して１０ＭＰａより大きい圧力及び１８０℃未満の温度で前記側方導管内にて、非線形の温度エンタルピー関係を有する作動流体を循環させて、前記作動流体と周囲の層との間の温度差及び熱伝達を最大化する段階と；
   前記入口で前記閉ウェルループ回路における再循環の前に前記作動流体を臨界点よりも低い温度へ冷却する段階と；
   前記作動流体からのエネルギーを電力へ変換する段階と；を含む、発電方法。
3. 前記作動流体が、サブゼロ℃温度へ冷却される、請求項２に記載の方法。
4. 循環が、熱サイフォン作用によって駆動される、請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記入口及び前記出口各々に接続された、離間関係にある複数の側方導管を提供する段階をさらに含む、請求項２から４の何れか一項に記載の方法。
6. 熱エネルギーを捉えるために地熱含有層における離間関係にある既存の生産ウェル及び注入ウェルを有する油田を別の目的で使う方法であって、
   発電装置と流体連通している第１の注入ウェル及び生産ウェルを有する第１のノードを提供する段階と；
   前記第１のノードに対して離間関係にある発電装置と流体連通している第２の注入ウェル及び生産ウェルを有する第２のノードを提供する段階と；
   前記地熱含有層内で地下水平接続において前記第１のノード及び前記第２のノードを接続する段階と；
   地下接続による前記第２のノードの前記発電装置の入力へ前記第１のノードの前記発電装置からの加熱された出口の流体を循環する段階であって、前記流体が、前記地熱含有層から熱エネルギーを回収するために１０ＭＰａより大きい圧力及び１８０℃未満の温度で前記地下水平接続内にて、非線形の温度エンタルピー関係を有して、前記流体と周囲の前記地熱含有層との間で温度差及び熱伝達を最大化する、段階と；
   前記流体を臨界点よりも低い温度へ冷却する段階と；
   前記流体からのエネルギーを電力へ変換する段階と；を含む、方法。
7. エネルギー生産方法であって、
   注入及び生産ウェルペアを有する停止した油田を提供する段階と
   １つのウェルペアの生産ウェルと地下ループにおける隣接したウェルペアの注入ウェルとの間で発電装置を接続する段階であって、前記ループが、前記生産ウェルと前記注入ウェルとの間で少なくとも１つの側方相互接続を有し、前記側方相互接続が、地下熱源内である、段階と；
   地下熱エネルギーを回収するために前記ループを通して流体を循環する段階であって、前記流体が、流体と周囲のダウンホール熱源との間の温度差及び熱伝達を最大化するために、１０ＭＰａより大きい圧力且つ１８０℃未満の温度で前記側方相互接続内にて、非線形の温度エンタルピー関係を有する、段階と；
   前記流体を臨界点よりも低い温度へ冷却する段階と；
   前記流体から直接的に熱エネルギーを利用する段階、及び／又は、前記流体からのエネルギーを電力へ変換する段階と、を含む、方法。
8. 地層内に第１のＵ字型掘削孔、及びそこから離間関係にある第２のＵ字型掘削孔を掘削する段階であって、前記地層がダウンホール熱源を有する、段階と；
   発電装置を提供する段階と；
   地下位置において側方相互接続によって前記第１のＵ字型掘削孔の出口及び前記第２のＵ字型掘削孔の入口へ前記装置を接続する段階と；
   各前記掘削孔を通して流体を循環する段階であって、前記流体が、流体と周囲のダウンホール熱源との間の温度差及び熱伝達を最大化するために、１０ＭＰａより大きい圧力且つ１８０℃未満の温度で前記側方相互接続内にて、非線形の温度エンタルピー関係を有する、段階と；
   前記流体を臨界点よりも低い温度へ冷却する段階と；
   前記流体から回収されたエネルギーを電力へ変換する段階と；を含む、地熱使用方法。
9. 地熱熱交換器を形成する方法であって、
   未使用の掘削ウェルを提供する段階と；
   前記未使用のウェルに対して離間関係にある第２のウェルを掘削する段階と；
   少なくとも１つの側方相互接続を有する連続ループにおいて地熱ゾーン及びそこから間隔があけられた第２のゾーン内で前記未使用の掘削ウェル及び前記第２のウェルを接続する段階と；
   前記連続ループ内の熱交換のために前記連続ループを通して作動流体を循環する段階であって、前記作動流体が、前記作動流体と周囲の地熱ゾーンとの間の温度差及び熱伝達を最大化するために、１０ＭＰａより大きい圧力且つ１８０℃未満の温度で前記側方相互接続内にて、非線形の温度エンタルピー関係を有する、段階と；
   前記作動流体を臨界点よりも低い温度へ冷却する段階と；
   を含む、方法。
10. 未使用の掘削ウェルをリサイクルするための方法であって、
    受入ハブとして第１の未使用のウェルを指定する段階と；
    前記ハブに隣接した第２の新しいウェルを掘削する段階と；
    前記ハブ及び前記第２の新しいウェルから間隔があけられた少なくとも第３の新しいウェルを掘削する段階と；
    少なくとも１つの側方相互接続を各々有する個別の閉ループにおいて前記ハブによって前記第２の新しいウェル及び前記第３のウェルの各々を流体連結において接続する段階であって、各ループの第１のセクションが地熱ゾーン内であり、第２のセクションが前記地熱ゾーンより上である、段階と；
    前記ループ内で作動流体を循環する段階であって、前記作動流体が、前記作動流体と周囲のダウンホール熱源との間の温度差及び熱伝達を最大化するために、１０ＭＰａより大きい圧力且つ１８０℃未満の温度で前記側方相互接続内にて、非線形の温度エンタルピー関係を有する、段階と；
    前記作動流体を臨界点よりも低い温度へ冷却する段階と；
    前記地熱ゾーンから移される熱エネルギーを捉える段階と；を含む、方法。

Images