JPH04503543A - 軟弱層（深度１３〜３０ｋｍ）における地熱の一般利用と鉱物獲得のための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 軟弱層（Ｒ度１３〜３０ｋｍ）における地熱の一般利用と鉱物獲得のための方法 先行技術の説明 近年、地熱エネルギー回収のため、１９６０年代に米国ニューメキシコ州のロス アラモス研究所の科学者が開発した高温乾燥した結晶状の岩屑に大きな発熱表面 を作り出す、いわゆるホットドライロック法が知られている。

この「ホットドライロック法」という言葉はその意味通りに発明者の目標を表し たものであり、地殻に変動が起きているものの自然による蒸気回収が不可能であ る、地球の伝統的な地熱の活性地帯などの地点において地熱を回収するために、 地表水、鉱泉水の自然流入が一切ない高温乾燥した岩屑に、相互連絡する人工の 破砕領域を作り出すものである。

ホットドライロック法は、石油業界で過去はぼ３０年間にわたって利用されてい る、枯渇しそうな油井や天然ガス井を再活性化するための、ハイドロフラッフ法 に準拠したものである。ホットドライロック法において、前層分裂が望まれる深 度に当るポーリング孔の下部はシールされ、静水圧力が加えられる。この静水圧 はハイドロフラッフ効果により周辺の岩盤を破砕する。岩盤に太き軟弱層（深度 １３〜３０ｋｍ）における地熱の一般利用と鉱物獲得のための方法発明の背景 先行技術の説明 近年、地熱エネルギー回収のため、１９６０年代に米国ニューメキシコ州のロス アラモス研究所の科学者が開発した高温乾燥した結晶状の岩屑に大きな発熱表面 を作り出す、いわゆるホットドライロック法が知られている。

この「ホットドライロック法」という言葉はその意味通りに発明者の目標を表し たものであり、地殻に変動が起きているものの自然による蒸気回収が不可能であ る、地球の伝統的な地熱の活性地帯などの地点において地熱を回収するために、 地表水、鉱泉水の自然流入が一切ない高温乾燥した岩屑に、相互連絡する人工の 破砕領域を作り出すものである。

ホットドライロック法は、石油業界で過去はぼ３０年間にわたって利用されてい る、枯渇しそうな油井や天然ガス井を再活性化するための、ハイドロフラッフ法 に準拠したものである。ホットドライロック法において、前層分裂が望まれる深 度に当るポーリング孔の下部はシールされ、静水圧力が加えられる。この静水圧 はハイドロフラッフ効果により周辺の岩盤を破砕する。岩盤に太きな発熱面積を 有す裂目を形成するために、静水圧は岩盤の剪断強度を明らかに上回ったもので なければならない。

この方法は米国ロスアラモス近郊のフェントンヒルズにおいて３，０００ｍまで の深度で試験が行なわれている。深度４．０００ｍにおける試験は、一旦は成功 したもののすぐその後で、ポーリング孔終端部で圧力ニニットが高い静水圧力下 で故障したため、失敗に終わっている。岩盤の剪断強度は表土の増加に伴って増 大する。このことからも、いわゆる「パッカ」によってシールされるポーリング 孔の部位において、技術的に実現可能な圧力よりも岩盤の剪断強度が大きくなる 深度では、ホットドライロック法の応用に限界がある。深いポーリングや地震研 究における測定で観察されているように、表土の増加にほぼ比例した岩盤の剪断 強度の増大には、大きなばらつきがある。ある地層において、剪断強度の増大比 は極端に大きくなり、深度３．０００ｍでピーク値２．０００バールに到達する 。このような異常な剪断強度の増大により、ホットドライロック法の応用範囲は さらに制限を受けてしまう。最新の地質学上の調査結果や地震研究、そして１７ 年間に及ぶ掘削作業で深度１３．６００ｍに達しているソ連のコラ半島の、いわ ゆるコラの深井戸の結果から、大陸の地殻を形成している岩盤の剪断強度は、一 部の岩屑における微細な局地的増大を例外とし、深度約１３ｋｍまでは表土にほ ぼ比例することか証明されている。深度が１３ｋｍを越えると３０ｋｍまでは、 表土の増加に伴った剪断強度増大率は突然下落する。結晶性岩盤のこの性質は、 局所的な温度、圧力条件における結晶水の漏出で説明できる。これにより自然界 のマイクロフラッフ機構が作用し、以前は凝固していた岩盤が破砕され、その結 果岩屑の剪断強度が大幅に低下している。

地殻の大陸プレートの、剪断強度が減少したこの細かく破砕された区域は専門家 の間では「軟弱層」として知られている。軟弱層の上部温度は約５００°Ｃに達 し、また深度約３０ｋｍ地点における温度は１，０００’　Ｃ前後と予想される 。

発明の概要 上記の調査結果からも本発明の目的は、地熱（約５００°Ｃの過熱水）の効率的 な利用と同時に、可能性のある「軟弱層」の鉱物資源の採取のための方法を提供 することにある。その方法は低コストで全ての希望する地理的場所で応用できる ものでなければならない。

この目的は、地底深度１３ｋｍから３０ｋｍの間に横たわる大陸岩石層の、岩盤 の剪断強度が表土との関係で突然減少する深い地層において、高温岩盤に十分な 大きさの破砕された発熱ゾーンを作り出すために必要なハイドロフラッフ効果が 、ライニングを施されたポーリング孔内の水柱の底の静水圧と、冷水圧力立坑と して機能するポーリング孔を通して地表のポンプにより加えられる必要な補助圧 力により実現されることを特徴とする、「軟弱層」の地熱及び鉱物資源回収方法 によって達成される。この方法はほかにも、岩盤から熱を回収した後、第一の軸 から所定の間隔を置いたところに位置している少なくとももう一本の別の立坑を 通って、供給された水が地表に戻されることを特徴としている。さらには、採取 された熱が水中に溶解された鉱物成分とともに地表で回収されることを特徴とし ている。

地底深くて大きな発熱表面を作り出す作業の今日未解決である技術的問題は、ド イツ特許第２５５４１０１Ｃ２号及び国際出願ＰＣＴ／ＤＥ８８１０００１Ｂに 従った融解掘削技術手段による複数の直径の大きな大型ポーリング孔が「軟弱層 」に到達することで解決される。ポーリング孔は、ハイドロフラッフ効果による 岩盤の分裂が実施される最後の２ｋｍを除いて、孔の全長にわたりライニングが 施されている。既に地質の自然工程によりあらかじめ破砕されている「軟弱層」 の岩盤は、冷水柱の圧力で分裂される。上記の融解掘削法手段によってのみ実現 可能であるポーリング孔の直径の大きさは、次に上げる重要な２つの機能を有し ている。

１、ポーリング孔の直径と、ハイドロフラッフ法により高温岩盤に作り出される 裂目の長さ、すなわち開坑される地熱だまりの大きさとの間には一定の関係があ る。

現在の調査結果では、裂目の伝播距離はポーリング長さの約６００倍に相当する ことが分かっている。

２、ポーリング孔の直径は、ポーリング孔を通る流出容量と、エネルギー需要の ピークを補償するための短期貯蔵緩衝領域としてのポーリング孔の保持能力を決 定する。

本方法は、「ホットドライロック」法という言葉に類似した「ホットウィークロ ック」法と名付けられている。

ドイツ特許第２５５４１０１Ｃ２号及び国際特許ＰＣＴ／ＤＥ８８１０００１３ に従った融解掘削法手段によって実現される第一ポーリング孔は、冷水軸として 機能する。このポーリング孔は直径が１〜２ｍであるのが望ましく、地底１３〜 １５ｋｍのいわゆる「軟弱層」まで掘下げられる。この中央ポーリング孔の周囲 には、そこから約１００ｍの間隔をおいて、直径およそ１ｍの複数のポーリング 孔が掘下げられる。この立坑は、下部が中央の冷水軸から約１．０００ｍのとこ ろに位置するよう、若干角度を設けて掘下げられる。これにより大きな発熱面積 をカバーすることができる。深度１５ｋｍにおける１、０００ｍ台のポーリング 孔のずれは問題なく実現できる。回転ポーリング技術を採用し、孔道修正の可能 性が制限されている前述のコラの深井戸の例では、ずれを最小限に抑える処置が とられたにもかかわらず、８４０ｍの偏向が起きてしまっている。　中央ポーリ ング孔の直径の約６００倍の長さを有するハイドロフラッフ法によって作られる 裂目は、様々なポーリング孔にはさまれた区域を十分にカバーできる。全てのポ ーリング孔は深度１３ｋｍまで、すなわちポーリング孔の全長より２ｋｍ短いと ころまで、鋼鉄製の圧力スリーブで内張すされている。このようなライニングは 掘削技術で知られているものである。搬送坑として使用されるライニングを施さ れたポーリング孔の少なくとも上半分は断熱材が巻かれている。ポーリング孔の 残りの、ライニングが施されていない下２ｋｍが、ハイドロフラッフ法により高 温岩屑に大きな発熱表面を作り出すための、岩盤へのアクセスとなる。周辺の戻 り立坑は中央の冷水圧立坑と地表の熱交換設備を介して連絡している。熱交換設 備は、地熱による３００”Ｃ以上の過熱水をまずプロセス蒸気発生のために使用 する設計となっている。第二の利用法は発電であるが、現在の商業、農業、及び 家庭における需要など比較的大きなエネルギー需要はこの蒸気の供給によって直 接まかなえるため、電気エネルギー需要は小さいものであろう。

運転行程は最初に熱交換施設に通じる全てのバルブを閉じると同時に全ての立坑 に冷水を流すことで開始される。「軟弱層」に当る深度の岩盤は、その区域の自 然界のマイクロフラッフ効果によって剪断強度が大幅に減少しているため、中央 ポーリング孔の水柱により生じる静水圧力が、ポーリング孔下端部でハイドロフ ラッフ効果を引き起こすためのほぼ十分な大きさになっている。大きな発熱面積 を形成するため岩盤を分裂し、その裂目を維持するために、ごく僅かな付加圧力 が必要である。

１５００〜１７００／（−ルの圧力で始まるハイドロフラッフ現象は、２００バ ールのポンプで補足される高さ１５ｋｍの冷水柱によって誘発される。フラッフ 効果は、十分な大きさの蒸気だまりができ、かつ裂目の形成により各軸立坑の連 絡が確立するまで、持続される。中央冷水圧立坑を除いて全ての冷水供給が終了 し、その状態が完了した後、熱交換器につながるバルブが開かれる。周辺立坑内 部の地熱による過熱水は、中央立坑を通して加えられる継続圧力により上昇する 。この過熱水は、周辺立坑内のエネルギーが定格レベルに到達するまで、ハイド ロフラッフ行程で立坑内に残留しているより冷たい水を押し上げて排出し、熱交 換器を通して中央立坑のポンプに戻している。これによりエネルギー回収行程が 開始される。第一行程において、立坑内の堆積物形成を避けるため、水を水蒸気 に変換させてはならない。ほかにも閉鎖循環系統に適切な電気集塵装置を設ける ことで、地熱による過熱水内のイオン沈殿物の形成を防ぐことができる。熱水か ら貴金属などの価値のあるガスや鉱物を抽出、回収するため、特殊な装置が設計 されている。鉱物含有物に富んだ地熱水では、鉱物の採集をエネルギー生産機能 に取って代えることもできる。このように１つのプラントが発電と鉱物採集の２ つの機能を果たすことが可能である。

ポーリング孔内の水柱により生じる静水圧の利用を特徴とする本発明に従った方 法は、ほかにも、ポーリング孔が鋼鉄製のバイブで内張すされている場合、従来 のホットドライロック法による有効範囲を、供給圧力によってさらに拡大するこ とができる。この新方法により、閉ループ地熱システムが実現可能となり、それ により大気圏や生活圏への汚染物質の放出を防ぐことができる。この事例におい て、熱水立坑、冷水立坑は熱交換器を通過する閉鎖加圧された管で接続されてお り、地熱による過熱水は熱エネルギーが回収された後、直接給水圧立坑に戻され る。システム内の損失を補償するため十分量の水が補充され、蒸気だまりの中に 既にできている裂目を開いた状態に維持し、かつ既にある蒸気だまりに新しい裂 目を作るために必要な、適切な圧力が加えられ、ポンプで循環される。地熱エネ ルギー回収の実現のためには、この生態学的局面がきわめて重要な意味を持つ。

すなわち、−切の汚染物質が地表に放出されず、かつ溶解物質が自然界のプロセ スと同様に蒸気だまりの低温の上部裂目区域に堆積することが必要である。ほか にも本方法では生態学的考慮から、熱放出によって大気の温暖化がさらに進むこ とを防ぐため、二次エネルギー系統の冷却塔を排除している。これはプラントを 十分な数のユーザーと結合することで可能になる。ユーザーは、大量の低温水内 で運ばれる熱であり、また、大規模な従来型発電所や原子力発電所で通常大気に 放出されているものを取戻すことができる。遠隔暖房システムから戻ってくる水 に含まれている残留熱は、地熱発電所のある地域の人々に供給している温室や水 耕設備で利用される。

地熱エネルギーだまりは柔軟性に大変優れており、特に数本の周辺立坑が中央冷 水圧軸の周囲に配されている時、過熱水の熱貯蔵施設として機能することができ る。

これにより過熱水が充満した軸は、エネルギー需要の日間ビークを補償するため 、短期貯蔵緩衝領域として機能することができる。また施設全体は長期緩衝装置 として使用し、他の設備を追加せずに季節によって大きく異なるエネルギー需要 に対応することができる。

ホットウィークロック法の長所は次の通りである。

１、ホットドライロック法のように地熱的に有利な少数の地点だけではなく、あ らゆる希望の地理的場所において地殻の熱回収が可能である。

２、ホットウィークロック法は従来到達不能であった発電所地表面積当り大量の エネルギー量の高級プロセス品質の蒸気エネルギーの回収を可能にする。

３、閉鎖された蒸気だまりから地表へ漏出する危険性は、ポーリング孔内にライ ニングを施すことと、破砕された区域の上にきわめて強度の大きな岩盤の覆いが 存在することによって、最小限に抑えられている。

４、回収されるエネルギーの質と量は、このように開坑していく地熱エネルギー だまりの時の経過とともに実際に増加する。この信じられない現象は２つの要因 によってもたらされる。第一の要因は、粘性の法則に従って最も高温の地点に向 かって流れる過熱水の傾向である。

これにより最初に開坑された地熱だまりは、一層深い高温区域内にと拡張を続け る。地熱だまりの冷却にともなって起こる熱応力の結果としての絶え間ないエネ ルギー放出という第二の要因により、これが起きる。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．地底深度１３ｋｍから３０ｋｍの間に横たわる大陸岩石層の、岩盤め勇断強 度が表土との関係で突然減少する深い区域において、高温岩盤に十分な大きさの 破砕された発熱領域を作り出すために必要なハイドロフラック効果が、ライニン グを施されたボーリング孔内の水柱の底の静水圧と、冷水圧力立坑として機能す るボーリング孔を通して地表のポンプにより加えられる必要な補助圧力により実 現されることを特徴とし、更に、岩盤から熱を回収した後、第一の立坑から所定 の間隔を置いたところに位置している少なくとももう一本の別の立坑を通って、 供給された水が地表に戻されることを特徴とし、更には、採取された熱が水中に 溶解された鉱物成分とともに地表で回収されることを特徴とする「軟弱層」の地 熱及び鉱物資源回収方法。
2. ２．供給立坑と戻り立坑の上端部が、水が熱交換器を通過した後、生活圏と接触 せずに蒸気だまりに戻る閉ループ地熱水循環加熱システムを形成するよう連結さ れていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．鉱物堆積物の堆積が、地熱水循環加熱システム内に位置している電気集塵装 置によって防止されていることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項いずれ か１項に記載の方法。
4. ４．鉱物資源回収のため、鉱物堆積物が地熱水循環加熱システム内に位置してい る電気集塵装置によって集められることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の 方法。
5. ５．開坑された地熱だまりが、回収された熱エネルギーよりも小さなエネルギー 消費の圧力ポンプ手段によって開いた状態に保持されていることを特徴とする請 求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の方法。
6. ６．蒸気だまりの岩層の熱応力の結果引き起こされる絶え間ないエネルギー放出 と、過熱水が粘性の法則に従って最も高温の地点に向かって流れる傾向を利用し て、最初に開坑された地熱だまりが一層深い高温の区域内に継続的に拡大し、運 転時間の経過に伴って回収エネルギーの量と質が増加することを特徴とする請求 の範囲第１項乃至第５項のいずれか１項に記載の方法。
7. ７．熱水用の戻り立坑として機能する数本のボーリング孔が、冷水立坑として機 能する供給ボーリング孔の周囲にほぼ一定の半径上に配置され、供給された水が 中央の冷水ボーリング孔の底からハイドロフラック効果によって作られた裂目を 通り放射状に流れる間に熱を集め、周辺立坑に到達し、最後に結果として生じる 圧力によって周辺立坑を通って戻ることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第６ 項のいずれか１項に記載の方法。
8. ８．熱交換器を通じて加熱され、高圧を加えられた水が、発電機と連結した膨張 タービンの駆動や遠隔暖房システムヘの蒸気供給のために利用可能であることを 特徴とする請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか１項に記載の方法。
9. ９．浮遊液体相を含む蒸気格の形成を防ぎ、地熱による過熱水への単相変換を実 現するため、全てのボーリング孔への一斉注水で運転行程を開始し、冷却水柱圧 を発生させ、ハイドロフラック行程を引き起こすことを特徴とする請求の範囲第 １項乃至第８項のいずれか１項に記載の方法。
10. １０．エネルギー需要の日間ピークを補償するため、過熱水が充満した立坑が短 期貯蔵緩衝領域として機能し、また他の設備を追加せずに季節によって大きく異 なるエネルギー需要に対応するため、施設全体が長期緩衝装置として使用可能で あることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第９項のいずれか１項に記載の方法 。