JPH0733819B2 - How to extract and use geothermal energy - Google Patents

How to extract and use geothermal energy

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JPH0733819B2
JPH0733819B2 JP63183391A JP18339188A JPH0733819B2 JP H0733819 B2 JPH0733819 B2 JP H0733819B2 JP 63183391 A JP63183391 A JP 63183391A JP 18339188 A JP18339188 A JP 18339188A JP H0733819 B2 JPH0733819 B2 JP H0733819B2
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heat
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intrusion
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エフ ビューチ ハンス
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エフ ビューチ ハンス
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、地球内部に存在する熱エネルギを抽出して利
用する方法及び該方法を実施するための地熱プラントに
関する。
The present invention relates to a method for extracting and utilizing thermal energy existing inside the earth and a geothermal plant for implementing the method.

現存する熱プラント及び熱ポンプにおいて、地熱を抽出
して利用することはよく知られている。現存する地熱プ
ラントでは、地熱(すなわち地中に存在する天然の熱水
又は蒸気)を含有する地質学的岩盤を通って流れている
熱水又は蒸気の形で、地球内の深所から熱を抽出してい
る。このため、時として重大な環境問題を引き起こす非
常に有毒な凝縮水が発生することもある。
It is well known to extract and utilize geothermal heat in existing heat plants and heat pumps. Existing geothermal plants generate heat from deep inside the earth in the form of hot water or steam flowing through geological bedrock containing geothermal heat (ie, natural hot water or steam present in the ground). Extracting. This can result in very toxic condensate water that sometimes causes serious environmental problems.

これに対し熱ポンプでは、かなり大きな表面積をもつ熱
交換器を、比較的浅い深さの場所で使用することがプラ
クティスとして確立されており、比較的温度勾配が小さ
い場合であっても、納得のいく熱効率を得ることができ
る。しかしながら、公知の熱ポンプ装置には構造的な制
約があって、熱伝達媒体と地球の内部との間の接触表面
積が比較的小さく、これが、熱ポンプ装置の効率を制限
する要因となっている。
In heat pumps, on the other hand, it has been established as a practice to use heat exchangers with a fairly large surface area at relatively shallow depths, which makes sense even when the temperature gradient is relatively small. High thermal efficiency can be obtained. However, known heat pump devices have structural limitations that result in a relatively small contact surface area between the heat transfer medium and the interior of the Earth, which limits the efficiency of the heat pump device. .

本発明の目的は、地熱エネルギを抽出しかつ利用する、
改良された方法を提供することにある。
An object of the present invention is to extract and utilize geothermal energy,
It is to provide an improved method.

本発明の他の目的は、現在知られている方法よりもかな
り効率の高い地熱エネルギの抽出及び利用方法を提供す
ることにある。
Another object of the present invention is to provide a method of extracting and utilizing geothermal energy which is considerably more efficient than currently known methods.

本発明の他の目的は、上記方法を実施できる地熱プラン
トを提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a geothermal plant capable of implementing the above method.

本発明によれば、地上で利用するために地球内部からの
熱エネルギを抽出する方法において、 (a)地中に下向きに立坑を形成する工程と、 (b)立坑内の破砕手段により立坑の周囲の岩石を破砕
することによって既存の侵入通路に加えて立坑から外方
に侵入通路を形成する工程と、 (c)既存の侵入通路および破砕によって形成された侵
入通路を加圧流体手段によって洗い流す工程と、 (d)立坑を再掘削し、立坑内の破砕手段により立坑の
周囲の岩石を破砕することによって追加の侵入通路を形
成する工程と、 (e)既存の侵入通路と新たに形成した侵入通路を再び
洗い流す工程と、 (f)搬送液、結合剤、および高い熱伝導性をもつ粒状
材料からなるスラリーの形態の物質を侵入通路内に押し
込む工程と、 (g)前記侵入通路内で前記スラリーを硬化させる工程
と、 (h)前記立坑内にケーシングを挿入し、高い熱伝導性
を有する粒状材料を含むグラウトにより前記侵入通路内
のスラリーおよび周囲の岩石に前記ケーシングを固定す
る工程と、 (i)ブラスト内はリーマ掘削によって立坑の底領域を
拡張する工程と、 (j)前記ケーシング内に前記底領域近くの深さまで内
側パイプを挿入する工程と、 (k)前記立坑の底領域で熱を吸収し、熱を地上まで運
ぶように熱伝達媒体を前記ケーシングおよび前記内側パ
イプの少なくとも一方の内部の一方の通路を通して下降
させ、前記ケーシングおよび前記内側パイプの少なくと
も一方の内部の他方の通路を通して上昇させる工程と、 を有することを特徴とする方法が提供される。
According to the present invention, in a method for extracting heat energy from the inside of the earth for use on the ground, (a) a step of forming a vertical shaft in the ground downward, and (b) a crushing means in the vertical shaft A step of forming an intrusion passage outward from the shaft in addition to the existing intrusion passage by crushing surrounding rocks, and (c) rinsing the existing intrusion passage and the intrusion passage formed by the crushing by a pressurized fluid means. And (d) a step of re-digging the vertical shaft and crushing rock around the vertical shaft by a crushing means in the vertical shaft to form an additional intrusion path, and (e) an existing intrusion path and newly formed (F) pushing the substance in the form of a slurry of carrier liquid, binder, and granular material having high thermal conductivity into the invasion passage, and (g) in the intrusion passage. Hardening the slurry; and (h) inserting a casing into the shaft and fixing the casing to the slurry in the intrusion passage and surrounding rocks with a grout containing a granular material having high thermal conductivity. (I) expanding the bottom area of the shaft by reamer excavation in the blast; (j) inserting an inner pipe into the casing to a depth near the bottom area; (k) the bottom area of the shaft. To lower the heat transfer medium through one passage inside at least one of the casing and the inner pipe so as to convey the heat to the ground, and the other inside the at least one of the casing and the inner pipe. And a step of raising through the passage.

所望の結果が得られるようにするため、立坑は1,500m以
上の深さで地中に掘削される。好ましくは、少なくとも
5,000m以上の深さで地中に掘削するのがよい。立坑の底
部領域においては、該立坑から外方に向かって岩盤内に
延入する侵入通路が形成され、これらの侵入通路は大・
小の割れ目や裂け目の形状をなしている。
To obtain the desired results, the shaft will be excavated underground to a depth of more than 1,500 m. Preferably at least
It is recommended to excavate underground to a depth of 5,000m or more. In the bottom area of the shaft, intrusion passages that extend outward from the shaft into the bedrock are formed, and these intrusion passages are large.
It has the shape of a small crack or crevice.

侵入通路にはその大部分に、熱伝導性物質が充填され
る。これにより、円筒状の周面をもつ立坑と比較して、
立坑の底部領域における接触面積が大幅に増大し、従っ
て、周囲の岩盤から大量の熱を抽出することができる。
硬化した熱伝導性物質(実際に、硬化した熱伝導性物質
は、亀裂が形成された岩盤のプラグすなわち栓を構成し
ている)は良好な熱伝導体となって、周囲の岩盤から集
中的に熱を吸収するため、大量の熱を流すことができる
ようになる。
The most part of the invasion passage is filled with a heat conductive substance. As a result, compared to a vertical shaft with a cylindrical peripheral surface,
The contact area in the bottom area of the shaft is significantly increased, and thus a large amount of heat can be extracted from the surrounding rock mass.
The hardened thermally conductive material (actually, the hardened thermally conductive material constitutes cracked rock plugs or plugs) is a good thermal conductor and is concentrated from surrounding rock Since it absorbs heat, a large amount of heat can be made to flow.

深い立坑(好ましくは1,500m以上の深さ、例えば、5,00
0〜10,000mの深さ)を掘削するには、深い油井からの石
油の抽出その他の目的で行われている公知の掘削技術が
使用される。次に、爆発(ブラスティング)、高圧の液
体、ガス又はグラウト(セメント、砂、水等の混合液
体)等の吹き付けによる岩盤破砕によって、立坑の底部
領域に1,500〜2,000mの範囲に亘って侵入通路を形成す
る。これらの侵入通路すなわち割れ目や裂け目は、天然
に存在している割れ目や裂け目に加えて形成される。
Deep shaft (preferably over 1,500 m depth, eg 5,00 m
For drilling (depths of 0 to 10,000 m), known drilling techniques used for extracting oil from deep oil wells and other purposes are used. Next, the rocks are crushed by explosion (blasting), high-pressure liquid, gas, or spraying of grout (mixed liquid of cement, sand, water, etc.), etc., and penetrate into the bottom area of the shaft over a range of 1,500 to 2,000 m. Forming a passage. These entry channels or fissures and fissures are formed in addition to the naturally occurring fissures and fissures.

上記方法の何れかによって形成された侵入通路により包
囲された長い底部領域を形成するため、立坑の周囲の岩
盤が爆発によって破砕され、次いで洗い流される。この
作業は、立坑の底部から上方に向かって行われ、この作
業を1回行う毎に立坑を再掘削(リドリリング)する。
The rock mass around the shaft is blast fractured and then washed away to form a long bottom region surrounded by an intrusion passage formed by any of the above methods. This work is performed upward from the bottom of the shaft, and the shaft is redrilled every time this work is performed once.

次に、侵入通路を熱伝導性物質で充填する。この熱伝導
性物質は水又はセメントをベースとして構成するのがよ
く、これに、珪土ゲル、微細に粉砕した金属粉(銀及び
/又は銅及び/又はアルミニウム粉が望ましい)の1つ
以上を添加する。この熱伝導性物質は流体状をなしてお
り、圧力充填(グラウティング)すべく使用され、侵入
通路内に注入された後は、放置されて固化される。
Next, the entry passage is filled with a thermally conductive material. The thermally conductive material may be water or cement based, to which one or more of silica gel, finely ground metal powder (preferably silver and / or copper and / or aluminum powder) is provided. Added. This thermally conductive substance is in the form of a fluid and is used for pressure filling (grouting). After being injected into the intrusion passage, it is left to solidify.

次に、立坑内には、底部を閉鎖したケーシングが挿入さ
れ、熱伝導性物質に対し熱的に接合される。特に、立坑
の底部領域は、ケーシングよりも大きな直径になるよう
にブラスト又はリーマ掘削により拡径され、これによ
り、ほぼ円筒状の地下チャンバが形成される。次いでケ
ーシングを周囲の岩盤(この岩盤の侵入通路には熱伝導
性物質が充填されている)に対し、接触マトリックス
(金属及び/又は珪酸塩の、強力な熱伝導性物質の混合
物を含有するセメントが望ましい)でグラウト詰めす
る。これにより、ケーシングは、熱交換器の外表面を形
成することとなる。
Next, a casing having a closed bottom is inserted into the shaft and thermally joined to the heat conductive material. In particular, the bottom area of the shaft is expanded by blasting or reamer drilling to a larger diameter than the casing, thereby forming a substantially cylindrical underground chamber. The casing is then placed against the surrounding rock mass (the invasion passage of which is filled with a heat-conducting substance) and a contact matrix (cement containing a mixture of strong heat-conducting substances of metal and / or silicate). Is preferred), and then grout. This causes the casing to form the outer surface of the heat exchanger.

このケーシングすなわち供給管の中には、内側パイプの
形状をなす、熱伝達媒体の戻り管が挿入される。供給管
とは異なり、この戻り管の底部は開放している。
Into this casing or supply pipe is inserted a return pipe for the heat transfer medium, which is in the form of an inner pipe. Unlike the supply pipe, the bottom of this return pipe is open.

熱伝達媒体は、供給管(ケーシング)の内壁面と戻り管
の外壁面との間を下方に流され、この熱伝達媒体と立坑
の底部領域における岩盤(この岩盤には前述のように、
熱伝達能力を高める処理が施されている)との間の温度
差によって、熱が吸収される。熱伝達媒体が戻り管内を
通って上昇する間の損失熱量を最小にするため、戻り管
の少なくとも上部は断熱されている。この断熱の目的の
ため、特殊な鉄、アスベストセメント又は合成樹脂の少
なくとも1つが使用される。
The heat transfer medium is caused to flow downward between the inner wall surface of the supply pipe (casing) and the outer wall surface of the return pipe, and the heat transfer medium and rock mass in the bottom region of the shaft (as described above for this rock mass,
The heat is absorbed by the temperature difference between the heat treatment and the heat treatment). At least the top of the return tube is insulated to minimize heat loss while the heat transfer medium rises through the return tube. For this purpose of insulation, at least one of special iron, asbestos cement or synthetic resin is used.

便宜上、熱伝達媒体として水を使用することができる。
必要ならば、水に耐蝕性配合物を添加してもよい。吸収
された熱は、蒸気又は熱水として地表面まで移送され、
良く知られた幾つかの方法の中の1つに使用される。蒸
気が凝縮されたとき、水は再び閉回路に導入されて、立
坑に戻される。
For convenience, water can be used as the heat transfer medium.
Corrosion resistant formulations may be added to the water if desired. The absorbed heat is transferred to the ground surface as steam or hot water,
Used in one of several well known methods. When the steam has condensed, the water is again introduced into the closed circuit and returned to the shaft.

熱交換表面積、立坑の底部領域における温度勾配及び該
底部領域における熱伝達媒体の温度によって決定される
単位時間当たりの所与の熱量が地熱プラントを通って流
れるため、熱伝達媒体の流量が大きくなればなるほど、
戻り管内を上昇する熱伝達媒体の温度は低くなるであろ
う。しかしながら、多くの場合、できる限り高い温度で
熱回収を行うのが望ましい。この目的のため、本発明に
よれば、前述の形式の少なくとも2つの別個の立坑に対
し、熱伝達媒体を交互に供給しかつ引き出すことができ
るようになっている。このため、熱伝達媒体に脈動流を
生じさせることができる。この場合、熱伝達媒体は1つ
の立坑の閉回路内で循環し、この間一時的に、熱伝達媒
体は熱抽出のために使用されなくなる。従って熱伝達媒
体の温度は、有利な熱抽出を行うのに必要とされるレベ
ルまで上昇する。この間、他の立坑内を循環する熱伝達
媒体からは熱エネルギが抽出される。休止中の立坑内を
循環する熱伝達媒体の圧力は、この熱伝達媒体によって
いつ熱抽出作動させるかの時点を決定するのに用いるの
が望ましい。
The flow rate of the heat transfer medium can be large because a given amount of heat per unit time flows through the geothermal plant, which is determined by the heat exchange surface area, the temperature gradient in the bottom area of the shaft and the temperature of the heat transfer medium in the bottom area. The more
The temperature of the heat transfer medium rising in the return pipe will be lower. However, in many cases it is desirable to perform heat recovery at the highest temperature possible. To this end, the invention allows the heat transfer medium to be alternately supplied and withdrawn to at least two separate shafts of the type described above. Therefore, a pulsating flow can be generated in the heat transfer medium. In this case, the heat transfer medium circulates in the closed circuit of one shaft, during which it is temporarily not used for heat extraction. The temperature of the heat transfer medium thus rises to the level required to effect a favorable heat extraction. During this time, thermal energy is extracted from the heat transfer medium circulating in another vertical shaft. The pressure of the heat transfer medium circulating in the dormant shaft is preferably used to determine when heat extraction operation should be performed by the heat transfer medium.

以下、本発明の実施例を添付図面に基いて説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

第1a図に示すように、基岩盤1内には深い立坑(ボアホ
ール)3が、1,500mよりかなり深くまで(好ましくは5,
000〜10,000m)掘削されている。次に第1b図に示すよう
に、立坑3の底部領域5の周囲に岩盤には侵入通路7が
設けられている。岩盤への侵入通路7は、裂け目、割れ
目、毛管状のクラック等で構成されており、これらの裂
け目等は、底部領域5内で爆発(ブラスティング)を生
じさせるか、或いは流体圧力によって岩盤を破砕するこ
とによって形成するのがよい。
As shown in Fig. 1a, a deep shaft (borehole) 3 is formed in the bedrock 1 to a depth considerably deeper than 1,500 m (preferably 5,
It has been excavated. Next, as shown in FIG. 1b, an intrusion passage 7 is provided in the rock around the bottom area 5 of the shaft 3. The entry path 7 to the bedrock is composed of cracks, fissures, capillary cracks, etc. These cracks cause an explosion (blasting) in the bottom region 5 or the bedrock by fluid pressure. It is preferably formed by crushing.

爆発は、例えばブリスター法(Bristar method)等の緩
速遅延爆発により行うことができ、爆発を行った後に薬
品(特に、酸)で洗浄しておくのが望ましい。
The explosion can be performed by slow-delayed explosion such as the blister method, and it is desirable to wash with a chemical (especially acid) after the explosion.

かような爆発を行うことによって、岩盤はその底部領域
5が弛緩され、所望の割れ目や裂け目が形成される。一
般にこの弛緩は、立坑3の底部からスタートして、立坑
の下端部から例えば1,000mの高さまで徐々に上昇してい
く。爆発後に立坑内に溜まった岩石片は、第1b図に概略
的に示すように、圧力媒体(好ましくは、水)によって
上部から流し出すか、或いは、立坑3の底部領域5を繰
り返し再掘削する。このような深い立坑を掘削する場
合、例えば深い油井を掘削する公知技術を利用する必要
がある。
By carrying out such an explosion, the bottom area 5 of the bedrock is relaxed, and desired cracks and crevices are formed. Generally, this relaxation starts from the bottom of the shaft 3 and gradually rises from the lower end of the shaft to a height of 1,000 m, for example. The rock fragments accumulated in the shaft after the explosion are flushed out from the top by a pressure medium (preferably water), or the bottom area 5 of the shaft 3 is repeatedly re-excavated, as schematically shown in Figure 1b. . When excavating such a deep shaft, it is necessary to use a known technique for excavating a deep oil well, for example.

第1c図に示すように、ほぼ円筒状をなす底部領域5が必
要な高さhに到達したとき、該底部領域5内には、第2
図に概略的に示すように、高い熱伝導性をもつ物質Sが
注入される。この物質Sは、開口した状態にある侵入通
路7内に流入して、大部分の侵入通路7を充填してしま
う。物質Sは硬化して、スポンジ状の熱交換領域AFから
底部領域5の軸線方向にかけて熱伝導連結部を形成す
る。同時に、底部領域5の内壁は、第2図に示すよう
に、熱伝導性物質Sでコーティングされる。熱伝導性物
質Sは流体として注入され、この場合、キャリヤすなわ
ち担体として水を使用するのが望ましい。熱伝導性物質
Sは、立坑の上部から侵入通路7すなわち裂け目や孔等
の中に導入される。熱伝導性物質Sは、珪土ゲルと、微
細に粉砕された銀及び/又はアルミニウム及び/又は銅
からなる金属粉とで構成するのが望ましい。
As shown in FIG. 1c, when the substantially cylindrical bottom region 5 reaches the required height h, the
As shown schematically in the figure, a substance S having a high thermal conductivity is injected. This substance S flows into the open invasion passage 7 and fills most of the invasion passage 7. The substance S hardens to form a heat conduction connection from the sponge-like heat exchange area AF to the axial direction of the bottom area 5. At the same time, the inner wall of the bottom region 5 is coated with the thermally conductive material S, as shown in FIG. The thermally conductive substance S is injected as a fluid, in which case it is preferable to use water as the carrier. The heat conductive material S is introduced from the upper part of the vertical shaft into the intrusion passage 7, that is, the crevice or the hole. The heat conductive material S is preferably composed of silica gel and finely pulverized metal powder made of silver and / or aluminum and / or copper.

担体としての流体を蒸発又は滲み込ませた後には、連結
通路すなわち侵入通路7の中及び立坑3の底部領域5と
ケーシング9(第3図)のチューブの外面との間の間隙
の中に、ほぼ固体状の熱伝導性物質Sが残留し、基岩盤
1内にスポンジ状に拡散する。このようにして、立坑3
と該立坑3を取り囲む基岩盤1との間の接触表面すなわ
ち熱交換領域AFが拡大され、熱を取り出す速度を著しく
増大させることができる。
After evaporating or allowing the carrier fluid to evaporate or soak, into the connecting or ingress passage 7 and into the gap between the bottom region 5 of the shaft 3 and the outer surface of the tube of the casing 9 (Fig. 3), The substantially solid heat conductive material S remains and diffuses in the bedrock 1 in the form of a sponge. In this way, the shaft 3
The contact surface, that is, the heat exchange area AF between the base rock 1 surrounding the shaft 3 and the shaft 3 is expanded, and the speed of extracting heat can be significantly increased.

上記のようにして既に熱伝導性物質Sで処理された立坑
3内には、第3図に示すように、第1の閉端ケーシング
9が挿入される。このケーシング9の下端部は、例えば
金属等の高熱伝導性材料で構成しておく必要がある。
As shown in FIG. 3, the first closed-end casing 9 is inserted into the shaft 3 which has already been treated with the heat conductive material S as described above. The lower end of the casing 9 needs to be made of a highly heat-conductive material such as metal.

適当な配合物(コンパウンド)Mを導入することによっ
て、底部領域5におけるケーシング9の外面は、熱伝導
性物質S及び底部領域5における岩盤と熱的に密接する
ようになる。配合物Mは、金属粉や金属繊維等を分散さ
せた、主としてセメント及び/又は珪土で構成すべきで
ある。この配合物Mは、第3図に概略的に示すように、
ケーシング9の外面に沿って加圧下で注入される。
By introducing a suitable compound (compound) M, the outer surface of the casing 9 in the bottom region 5 comes into thermal contact with the thermally conductive material S and the rock mass in the bottom region 5. Formulation M should consist primarily of cement and / or silica in which metal powders, metal fibers, etc. are dispersed. This formulation M, as shown schematically in FIG.
It is injected under pressure along the outer surface of the casing 9.

第4図は、本発明の要求に従って構成された立坑の完成
した状態を示すものである。ケーシング9を、該ケーシ
ング9を取り巻く岩盤に対し熱伝導性物質すなわち配合
物Mを介して熱的に接合した後に、開放端を備えた戻り
管11が挿入される。この戻り管11は、特にその上部領域
(地表面より下にある部分)が断熱されている。これ
は、ケーシング9と戻り管11と間の環状空間内を流下す
る熱伝達媒体Wと、戻り管11内を上昇するこの熱伝達媒
体Wとの間で生じる熱交換を最小にするためである。こ
の目的のため、戻り管11は、特殊な鋼材、アスベストセ
メント及び/又は合成樹脂のいずれかで作るか、アスベ
ストセメント又は合成樹脂で断熱しておく。
FIG. 4 shows the completed state of the shaft constructed according to the requirements of the present invention. After the casing 9 has been thermally joined to the rock surrounding it by means of a heat-conducting substance, ie the compound M, a return pipe 11 with an open end is inserted. This return pipe 11 is particularly insulated in its upper region (the part below the ground surface). This is to minimize the heat exchange that occurs between the heat transfer medium W flowing down in the annular space between the casing 9 and the return pipe 11 and this heat transfer medium W rising in the return pipe 11. . For this purpose, the return pipe 11 is either made of special steel, asbestos cement and / or synthetic resin, or is insulated with asbestos cement or synthetic resin.

熱伝達媒体Wは、ケーシング9の内壁と戻り管11の外面
との間を通して圧送され、図示のように再び戻り管11内
を上昇することによって、熱を地球の内部から地表面に
運び出す働きをなす。
The heat transfer medium W is pressure-fed between the inner wall of the casing 9 and the outer surface of the return pipe 11, and ascends in the return pipe 11 again as shown in the figure, so that the heat transfer medium W has a function of carrying heat from the inside of the earth to the ground surface. Eggplant

外向きに拡がった侵入通路7によって接触表面が大きく
なっているため、かなり大量の熱が、天然の岩盤、熱伝
導性物質S及び熱伝導性配合物Mから熱伝達媒体Wへと
供給される。
Due to the enlarged contact surface due to the outwardly extending ingress passage 7, a considerable amount of heat is supplied to the heat transfer medium W from the natural rock mass, the heat conductive substance S and the heat conductive compound M. .

熱伝達媒体の再循環及び地表面での熱の抽出は、例えば
蒸気動力プラントの地域暖房等において良く知られてい
る方法を用いて行われる。熱伝達媒体としては、立坑3
の底部領域5内で蒸発し、利用可能な熱を抽出した後は
凝縮して、立坑3を通って閉回路内に流入する、水又は
他の低沸点液体を使用する。
Recirculation of the heat transfer medium and extraction of heat at the surface of the earth are carried out using methods well known, for example, in district heating of steam power plants. Vertical shaft 3 as heat transfer medium
Water or other low boiling liquid is used which evaporates in the bottom region 5 of the water, condenses after extracting the available heat and then flows through the shaft 3 into the closed circuit.

上記装置について、本発明に従って用意されかつ装備さ
れた立坑3は、高い効率をもつ「地熱炉」を形成してい
る。この地熱炉は、立坑のケーシング9自体の円筒状の
表面に比べて接触表面が非常に大きいため、単位時間当
たりに、地球からかなり大量の熱を抽出することがで
き、従って、基岩盤1から大量の熱を熱伝達媒体に流入
させて地表面まで運び出すことができる。
For the above device, the shaft 3 prepared and equipped according to the invention forms a "geothermal furnace" with high efficiency. This geothermal furnace has a very large contact surface compared to the cylindrical surface of the shaft casing 9 itself, so that a considerable amount of heat can be extracted from the earth per unit of time, and therefore from the bedrock 1. A large amount of heat can flow into the heat transfer medium and be carried out to the ground surface.

第5図は、本発明に従って構成された地熱発電プラント
のレイアウトを示すものである。この地熱発電プラント
は例えば3つの地熱利用立坑13a〜13cを備えており、各
立坑は第1図〜第4図に示した立坑のように構成するの
が望ましい。これらの立坑13a〜13cは、流体的に相互連
結することもできるし、別個に作動するように構成する
こともできる。
FIG. 5 shows a layout of a geothermal power plant constructed according to the present invention. This geothermal power generation plant is equipped with, for example, three geothermal utilization vertical shafts 13a to 13c, and each vertical shaft is preferably configured like the vertical shaft shown in FIGS. These shafts 13a-13c can be fluidly interconnected or configured to operate separately.

互いに近接して隣り合う立坑の間の岩盤に、例えば天然
のカルスト状の連続交差チャンネルが形成されている場
合には、1つの立坑から熱伝導性液体を導入することに
よって立坑の間に循環流を確立し、隣の立坑から加熱さ
れた液体又は蒸気を取り出すことができる。このように
構成することによって、本発明の最初の課題を形成する
実施例(すなわち、各立坑から別個に熱を回収するよう
に構成した実施例)に比べて、地球からの熱抽出量を飛
躍的に増大させることができる。予め地熱学的調査をし
ておくことによって、カルスト状の地質構造を期待でき
る場所に、熱利用を行うことができる深さで、及び/又
は好ましくは花崗岩のような高い熱伝導性をもつ岩盤の
所に、立坑を設けるのがよい。
In the case where a natural karst-like continuous crossing channel is formed in rock between adjacent shafts close to each other, a heat transfer liquid is introduced from one shaft to circulate the circulating flow between the shafts. And the heated liquid or vapor can be removed from the adjacent shaft. With such a configuration, the amount of heat extracted from the earth is increased as compared with the embodiment forming the first problem of the present invention (that is, the embodiment configured to recover heat separately from each shaft). Can be increased. By conducting a geothermal survey in advance, a rock mass with a high thermal conductivity, such as a granite, and / or a depth where heat can be used, where a karst-like geological structure can be expected. It is advisable to install a vertical shaft here.

本発明の好ましい実施例においては、熱伝達媒体の戻り
管15a〜15cは、制御弁17a〜17cを介して熱利用ユニット
(熱抽出ユニット)19a、19bにリンクさせるか、或いは
熱伝達媒体を立坑13a〜13cに直接戻すための供給管21a
〜21cに閉回路で連結される。制御弁17a〜17cは制御ユ
ニット23に接続されていて、立坑の幾つかを熱抽出ユニ
ット19a、19bにループすることなくして、閉回路内で作
動させることができる。
In a preferred embodiment of the invention, the heat transfer medium return pipes 15a-15c are linked to heat utilization units (heat extraction units) 19a, 19b via control valves 17a-17c, or the heat transfer medium is pitted. Supply pipe 21a for returning directly to 13a to 13c
It is connected to ~ 21c in a closed circuit. The control valves 17a-17c are connected to the control unit 23 so that some of the shafts can be operated in a closed circuit without looping to the heat extraction units 19a, 19b.

この場合、熱伝達媒体の温度は、立坑の底部領域5(第
1b図)における岩盤温度に等しい高レベルまで漸近的に
上昇し、一方他の立坑(熱伝達媒体が既に利用可能な必
要温度に到達している立坑)は、制御ユニット23及び制
御弁17a〜17cによって、熱抽出ユニット19a、19bに切り
換えられる。制御ユニット23は、温度制御及び/又は圧
力制御を行うことができる。温度及び/又は圧力は、そ
れぞれの立坑から加熱液体を導く管内で検出され、抽出
ユニット19a、19bへの連結は、圧力及び/又は温度が所
定のレベルに到達したときに行われる。
In this case, the temperature of the heat transfer medium is
1b) asymptotically rises to a high level equal to the bedrock temperature, while the other shafts (shafts where the heat transfer medium has already reached the required temperature available) have control unit 23 and control valves 17a-17c. Is switched to the heat extraction unit 19a, 19b. The control unit 23 can perform temperature control and / or pressure control. The temperature and / or pressure are detected in the pipes leading the heated liquid from the respective shafts and the connection to the extraction units 19a, 19b takes place when the pressure and / or temperature reaches a predetermined level.

立坑に露出する天然の開口部又は岩盤を爆破することに
より形成した開口部に、金属を注入することによって岩
盤の熱伝導性を高めた場合の向上度合は、岩盤の種類に
基いて概略的かつ大雑把に計算することができ、玄武岩
の場合には約2〜10倍、花崗岩の場合には約2〜6倍ほ
ど、天然の熱伝導度が向上される。
The degree of improvement when the thermal conductivity of rock is increased by injecting metal into the natural opening exposed in the shaft or the opening formed by blasting the rock is roughly based on the type of rock. It can be roughly calculated and the natural thermal conductivity is improved by about 2 to 10 times in the case of basalt and about 2 to 6 times in the case of granite.

上記倍率の小さい方の数値は、注入金属としてアルミニ
ウムを使用した場合に相当し、大きい方の数値は、銅又
は銀を使用した場合に相当する。立坑の壁の近くではこ
れらの倍率又はこれ以上の倍率を得ることができるが、
立坑から遠去かるにつれて、岩盤の条件にもよるが、倍
率は大幅に低下する。
The smaller numerical value corresponds to the case where aluminum is used as the implantation metal, and the larger numerical value corresponds to the case where copper or silver is used. You can get these or higher magnifications near the shaft walls,
Depending on the condition of the bedrock, the magnification decreases significantly as it moves away from the shaft.

これらの計算結果は、立坑のまわりの岩盤における割れ
目の、金属を充填(グラウト詰め)できる体積によって
も異なるものとなる。立坑内での爆発の強さ及び時間を
適当に選択することによって、侵入通路7を高い割合で
作りかつこれらの侵入通路7を連続ネットワーク内で広
範囲に亘って存在させるあらゆる努力を行うことができ
る。岩盤の種類及び環境的な観点から可能である場合に
は、酸その他の化学溶剤を流し込むことによって、リー
チングすなわち岩盤の割れ目の表面を拡大したり滑らか
にすることができる。
The results of these calculations will also differ depending on the volume that can be filled with metal (grouting) in the fractures in the rock around the shaft. By proper selection of the strength and time of the explosion in the shaft, every effort can be made to create a high proportion of ingress passages 7 and to make these intrusion passages 7 widespread within the continuous network. . If possible from a rock type and environmental point of view, pouring in an acid or other chemical solvent can extend or smooth the surface of leaching or cracks in the rock.

天然の熱水(温泉)及び地下の蒸気源(例えば間歇泉)
を利用している現存の地熱プラントにおいて通常行われ
ているように、熱伝導管には、熱水と蒸気とを分離する
ためのセパレータ22a〜22cを、熱抽出ユニットの前段部
に設けることが必要である。熱水は、工業用、ビルの暖
房、農業用その他の用途のために直接運び出されるか、
或いは、再び立坑内に戻される。セパレータ22a〜22c内
で除去された蒸気は、圧力均一化・貯蔵タンク(ボイ
ラ)に導かれ、発電及び/又は種々の産業用途に用いら
れる。
Natural hot water (hot springs) and underground steam sources (eg intermittent springs)
As is commonly done in existing geothermal plants utilizing the heat transfer pipe, separators 22a to 22c for separating hot water and steam may be provided at the front stage of the heat extraction unit. is necessary. Is hot water carried directly out for industrial, building heating, agricultural or other uses,
Alternatively, it is returned to the shaft again. The steam removed in the separators 22a to 22c is guided to a pressure equalizing / storage tank (boiler) and used for power generation and / or various industrial applications.

地球内部の熱エネルギを利用する上記方法及び該方法に
基く地熱動力パラントによって、重大な環境破壊を招く
ことなく、高効率でエネルギを発生させることができ
る。この原理に基いて建設された地熱発電所は、現存す
る水力発電所又は火力発電所と同様に無害なものであ
り、生物学的観点からは、これらの水力発電所や火力発
電所よりもずっと有益である。
By the above method utilizing the thermal energy inside the earth and the geothermal power palant based on the method, it is possible to generate energy with high efficiency without causing serious environmental damage. Geothermal power plants built on this principle are as harmless as existing hydro or thermal power plants and, from a biological point of view, are much more harmful than these hydro or thermal power plants. Be beneficial.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1a図〜第1c図は、本発明に従って地球の内部に立坑を
掘削しかつ該立坑の底部領域から外方に侵入通路を形成
する3つの段階を概略的に示すものである。 第2図は、本発明に従って、立坑の侵入通路に適当な熱
伝導性物質を充填した状態を示す拡大概略図である。 第3図は、本発明に従って、閉端ケーシングを立坑内に
挿入した状態を示す概略図である。 第4図は、本発明に従って、第1図〜第3図の方法によ
り立坑の処理を完了した状態及び熱伝達媒体の戻り管を
設けた状態を示す概略図である。 第5図は、本発明による複数の立坑をもつ地熱プラント
であって、別々の立坑から抽出される熱をほぼ連続的に
得ることができるように制御可能な地熱プラントを示す
概略図である。 1……基岩盤、3……立坑、 5……底部領域、7……侵入通路 9……ケーシング、11……戻り管、 13a、13b、13c……立坑、 15a、15b、15c……熱伝達媒体、 17a、17b、17c……制御弁、 19a、19b……熱利用ユニット(熱抽出ユニット)、 22a、22b、22c……セパレータ、 23……制御ユニット、M……配合物、 S……熱伝導性物質、W……熱伝達媒体、 AF……熱交換領域。
FIGS. 1a-1c schematically show the three stages of excavating a shaft in the interior of the earth and forming an ingress passage outward from the bottom region of the shaft according to the invention. FIG. 2 is an enlarged schematic view showing a state where an intrusion passage of a vertical shaft is filled with a suitable heat conductive material according to the present invention. FIG. 3 is a schematic view showing a state in which a closed end casing is inserted into a shaft according to the present invention. FIG. 4 is a schematic view showing a state in which the shaft processing is completed by the method of FIGS. 1 to 3 and a state in which a return pipe for the heat transfer medium is provided according to the present invention. FIG. 5 is a schematic diagram showing a geothermal plant having a plurality of shafts according to the present invention, which is controllable so that the heat extracted from different shafts can be obtained almost continuously. 1 ... Base rock, 3 ... Vertical shaft, 5 ... Bottom area, 7 ... Invasion passage 9 ... Casing, 11 ... Return pipe, 13a, 13b, 13c ... Vertical shaft, 15a, 15b, 15c ... Heat Transmission medium, 17a, 17b, 17c ... Control valve, 19a, 19b ... Heat utilization unit (heat extraction unit), 22a, 22b, 22c ... Separator, 23 ... Control unit, M ... Compound, S ... … Heat conductive material, W …… Heat transfer medium, AF …… Heat exchange area.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】地上で利用するために地球内部からの熱エ
ネルギを抽出する方法において、 (a)地中に下向きに立坑を形成する工程と、 (b)立坑内の破砕手段により立坑の周囲の岩石を破砕
することによって既存の侵入通路に加えて立坑から外方
に侵入通路を形成する工程と、 (c)既存の侵入通路および破砕によって形成された侵
入通路を加圧流体手段によって洗い流す工程と、 (d)立坑を再掘削し、立坑内の破砕手段により立坑の
周囲の岩石を破砕することによって追加の侵入通路を形
成する工程と、 (e)既存の侵入通路と新たに形成した侵入通路を再び
洗い流す工程と、 (f)搬送液、結合剤、および高い熱伝導性をもつ粒状
材料からなるスラリーの形態の物質を侵入通路内に押し
込む工程と、 (g)前記侵入通路内で前記スラリーを硬化させる工程
と、 (h)前記立坑内にケーシングを挿入し、高い熱伝導性
を有する粒状材料を含むグラウトにより前記侵入通路内
のスラリーおよび周囲の岩石に前記ケーシングを固定す
る工程と、 (i)ブラスト又はリーマ掘削によって立坑の底領域を
拡張する工程と、 (j)前記ケーシング内に前記底領域近くの深さまで内
側パイプを挿入する工程と、 (k)前記立坑の底領域で熱を吸収し、熱を地上まで運
ぶように熱伝達媒体を前記ケーシングおよび前記内側パ
イプの少なくとも一方の内部の一方の通路を通して下降
させ、前記ケーシングおよび前記内側パイプの少なくと
も一方の内部の他方の通路を通して上昇させる工程と、 を有することを特徴とする方法。
1. A method for extracting thermal energy from the inside of the earth for use on the ground, comprising the steps of (a) forming a vertical shaft downward in the ground, and (b) surrounding the vertical shaft by crushing means in the vertical shaft. Forming an intrusion passage outward from the shaft in addition to the existing intrusion passage by crushing the rocks of (1), and (c) washing away the existing intrusion passage and the intrusion passage formed by the crushing by the pressurized fluid means. And (d) a step of re-digging the shaft and crushing rock around the shaft by a crushing means in the shaft to form an additional intrusion passage, and (e) an existing intrusion passage and a newly formed intrusion Flushing the passages again, (f) pushing a carrier liquid, a binder, and a substance in the form of a slurry of granular material having high thermal conductivity into the entry passages, (g) in the entry passages Hardening the slurry; (h) inserting a casing into the shaft, and fixing the casing to the slurry in the intrusion passage and surrounding rock by a grout containing a granular material having high thermal conductivity; (I) expanding the bottom area of the shaft by blasting or reaming; (j) inserting an inner pipe into the casing to a depth near the bottom area; (k) heat in the bottom area of the shaft. The heat transfer medium through one passage inside at least one of the casing and the inner pipe so as to carry heat to the ground, and through the other passage inside at least one of the casing and the inner pipe. And a step of increasing.
【請求項2】前記立坑を、1,500m以上の深さで地中に掘
削することを特徴とする請求項1に記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the shaft is excavated in the ground at a depth of 1,500 m or more.
【請求項3】前記立坑を、少なくとも5,000mの深さで地
中に掘削することを特徴とする請求項2に記載の方法。
3. The method according to claim 2, wherein the shaft is excavated in the ground at a depth of at least 5,000 m.
【請求項4】前記熱伝導性物質が、水と、セメントと、
少なくとも1つの次の物質、すなわち、 (a) 珪土ゲルと、 (b) 微細に粉砕された金属粉と、 で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の方
法。
4. The heat conductive material comprises water, cement, and
The method according to claim 1, characterized in that it comprises at least one of the following substances: (a) silica gel and (b) finely ground metal powder.
【請求項5】前記微細に粉砕された金属粉が、銀及び/
又は銅及び/又はアルミニウムからなる請求項4に記載
の方法。
5. The finely ground metal powder is silver and / or
Alternatively, the method according to claim 4, comprising copper and / or aluminum.
【請求項6】シール配合物によって、熱伝導性物質を噴
射させた基岩盤に対し前記ケーシングを密接することを
特徴とする請求項1に記載の方法。
6. The method according to claim 1, wherein the casing is brought into close contact with a base rock that has been sprayed with a heat conductive material by a seal composition.
【請求項7】前記シール配合物が、鉄のヤスリ粉又は銅
のひげ状粉又は銅の繊維を含有させたセメント及び/又
は珪土を含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。
7. The method according to claim 6, wherein the seal composition comprises cement and / or silica containing iron file or copper whiskers or copper fibers.
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CH2785/87A CH677698A5 (en) 1987-07-22 1987-07-22
US2785/87-5 1988-02-08
US07/153,247 US4912941A (en) 1987-07-22 1988-02-08 Method and apparatus for extracting and utilizing geothermal energy

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