KR20200089756A - 전력 생산 환경에서 사용되는 유체 - Google Patents
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전력 생산을 위한 유정 및 지열 환경에서 에너지 회수에 사용되는 유체 종류들이 개시된다. 유체는 폐쇄 루프의 지열 시스템으로부터 전기 및/또는 열 발생의 열역학적 효율을 증가시킬 수 있는 유체의 종류들에 속한다. 최적의 에너지 회수를 위한 유체의 열역학을 이용하는 다양한 방법들이 개시된다.
Description
본 발명은 다양한 지열 및 유정(油井) 환경에서의 전력 생산을 위한 유체에 관한 것이며, 특히 본 발명은 전력을 발전하는 방법에서 사용되는 유체들의 부류의 사용에 관한 것이다.
지열 에너지의 장점은 공지되어 있으며 많은 공보 및 특허들이 있다. 일반적인 개념은 지층으로부터 열을 추출하도록 층 안으로 드릴링을 수행하고, 발생된 증기 및 열을 지표면으로 복귀시켜서 증기가 예를 들어 발전 장치를 구동하는 것이다. 전통적인 산업용 지열 기술은 희소한 지질학적 조건들을 필요로 하여 이 기술이 지구적인 범위에서 틈새로 남게 한다.
종래 기술의 영역에서, 이러한 문제를 완화시키도록 제안이 이루어졌다. 암석으로부터 염수(brine)가 추출되지 않는 폐쇄 루프 지열 시스템이 고려되고 지열 그래디언트를 이용하는 것의 타당성을 평가하도록 시스템이 시험되었다. 튜브 안에 있는 물이 열을 흡수하고 그것을 지표면으로 재순환시켜서 차후에 열의 이용을 위해 회수 장치로 보내지도록 땅에 삽입되는 일련의 튜브들을 사용하는 것이 논의되었다.
지열 그래디언트(geothermal gradient)는 일반적으로 지구 내부에서의 깊이 증가에 대한 온도 증가의 비율로서 정의된다. 정량적으로 이것은 킬로미터마다 대략 섭씨 25 도를 나타낸다. 따라서, 이러한 에너지의 양은 미사용으로 두기에는 너무 실재적이다.
미국 특허 No.8,132,631 (2012.3.13. Roussy)은 땅으로 드릴 스트링(drill string)을 회전시키고 진동시키도록 소닉 드릴(sonic drill)이 제공되는 지열 루프 설비를 개시한다. 스트링의 내부 체적 안에 유체가 제공된다. 드릴 스트링의 내부 체적내에 지열 전달 루프가 위치되고, 드릴 스트링은 땅으로부터 제거된다.
특정의 시나리오에서 유용할지라도, 이러한 구성의 한계는 루프의 오직 작은 영역만이 지열 영역에 노출된다는 점이다. 이것은 본질적으로 효율적인 열전달을 제한한다.
유정(油井)들의 상호 연결은 미국 특허 No. 3,941,422 (1976.3.2, Herderson)에 개시되어 있다. 개시된 내용에는 2 개의 유정들이 솔트 베드(salt bed)안으로 드릴링되는데, 하나의 유정은 실질적으로 수직으로 배치되고 다른 것은 제 1 유정로부터 말단으로 드릴링되어 제 1 유정을 향하여 편향되되, 편향된 유정의 저부는 제 1 유정의 저부의 선택된 거리내에서 접근하는 방식으로 이루어진다. 차후에, 2 개의 유정들중 하나 또는 다른 하나 또는 양쪽 모두에서 액체 파쇄 기술을 사용함으로써 소금(salt)이 파쇄되어, 유체는 2 개의 유정들 사이에서 유동할 수 있다. 소금은 맑은 물의 주입에 의해 채굴되며 포화된 소금 용액이 다른 유정으로부터 회수된다.
상기 문헌에서 쌍을 이룬 유정들이 전체적으로 연결되는 것이 개시되지만, 지열 에너지에 의해 구동되는 열교환기 시스템 또는 에너지 회수를 고려하지 않는다는 점은 명백하다.
WeliStar Energy 는 2016 년 12 월 1 일자의 문헌에서 에너지 회수를 위하여 미사용의 유정들을 지열 루프와 통합하는 가능성에 대하여 간단히 개시하지만, 이와 관련하여 또는 열적 관리를 위한 유정들의 상호 연결을 위하여 상세한 내용을 언급하지 않는다.
Chevron 은 업데이트된 비디오 개시물에서 콩고강 계곡 횡단 파이프라인 프로젝트(the Congo River Canyon Crossing Pipeline Project)에서의 개스 유정 상호 연결을 개시한다. 상호 연결 파이프라인은 강의 일 측으로부터 다른 측으로 개스를 공급하도록 연장되었다. 이것은 유정의 상호 연결에 대한 특정의 용도였다. 지열 루프에서의 유정의 재활용 및 상호 연결은 설명되지 않았다.
GreenFire Energy (2017 년의 문헌)는 루프로 이루어진(looped) 지열 에너지 회수 시스템을 설명한다. 목적에 맞게 만들도록 이미 존재하는 개스/오일 유정을 사용하는 대신에, 새로운 유정들이 드릴된다. 이것은 부적절하게 유지된 미사용 유정들을 제어하지 않으며 사실상 새로운 문제점에 마주칠 수 있다. 상기 문헌은 루프를 이루는데 사용된 기술에 대하여 개시하지 않으며 최대 효율을 위해 필요한 병합(consolidation) 및 클러스터링(clustering)에 관하여 고려하지 않는다. 더욱이, 고려된 작동 유체는 CO2 및 다른 냉각제로 이루어지는데, 이들은 지열 그래디언트로부터의 에너지 생산에 관련된 압력 및 온도에서 실질적으로 비선형의 온도-엔탈피 관계를 나타내지 않는다.
미국 특허 No. 6,301,894 (2001. 10. 16. Halff)는 일반적인 플래쉬 지열 플랜트(flash geothermal plant)를 개시한다. 상기 특허는 발전기 위치, 다수 루프들에 의한 물의 보존 및 순수성과 효율성에 관한 장점에 초점을 맞춘다. 특허권자는 다음과 같이 지적한다.
"본 발명은 이러한 어려움을 극복하고 향상된 지열 발전 시스템을 제공하는 것을 목적들중 하나로 하는데, 여기에서 고온의 암석 지층으로부터 열을 얻는 물은 오염되지 않음으로써 재활용될 수 있고, 표준적인 보일러 수 처리에서 사용되는 바를 넘어서는 화학적 처리를 필요로 하지 않으며, 사용된 물의 양이 경제적이다. 본 발명의 다른 목적은, 증기에 의해 동력을 받도록 되어 있는 다른 메커니즘이나 또는 발전기를 회전시키는 터빈이 지면으로 물을 수용하는데 사용되는 유입 유정에 가까이 위치될 필요가 없고 상기 유정로부터 이격된 위치에 있을 수 있는, 향상된 지열 발전 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 시스템이 보다 효율적인 향상된 지열 발전 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 오일 산업에서 공통적으로 사용되는 수평 유정 드릴 기술에 의해 유정들이 드릴될 수 있기 때문에 시스템이 설치하기 용이한, 향상된 지열 발전 시스템을 제공하는 것이다. 향상된 지열 발전 시스템은 사용이 간단하다. 본 발명의 다른 목적은 지층에서의 압력이 유지되도록 지층으로부터 물을 인출하지 않으면서 시스템이 유지되게 하는 것이다".
Halff 는 전체적으로 시스템에서의 멀티플 레그(multiple leg)를 설명하지만, 이러한 복잡한 영역에서 상세한 내용을 제공하지 않는다. 명세서에는 다음과 같은 점이 지적된다.
"상기에 설명된 시스템의 변형은 도면에 도시되어 있다. 도 1 에 도시된 시스템의 모든 요소들이 존재한다. 단일의 수직 유정 및 하나 이상의 수평 유정으로써 동일한 결과들이 달성된다. 물은 케이싱 아래로 연장된 튜브에 의해 유정의 수평 도달 거리로 복귀되고 케이싱의 단부에서 배출된다. 물은 그것이 단일의 유정으로 유동함으로써 터빈으로 유동할 때 증기로 변환된다.
양쪽 실시예에서, 처리된 물은 고온수 레그의 단부에 있을 수 있거나 또는 고온수 레그(hot water leg)의 전부 또는 일부를 따라서 분포된다.
도면에서, 하나 이상의 고온 레그(hot leg)들이 있다는 점이 이해된다. 고온 레그들은 동시에 모두 작동될 수 있거나, 또는 이들이 순차적으로 이용될 수 있어서 다른 레그들이 준비되어 순차적으로 작동하게 될 때까지 다른 레그들이 가열되는 동안 하나의 레그는 작동 상태에 있다."
이러한 과도한 단순화는 몇 개의 새로운 유정들이 필요하다는 사실을 해소시키지 않으며, 새로운 유정들은 이용을 추가시키고 다수 공급 스트립들의 연결 또는 열적 관리에 대한 지침을 제공하지 않는다. 더욱이 Halff 는 작동 유체로서 오직 물만을 언급하며 증기로 천이되는 물을 언급하는데, 이것은 본 발명에서 목표로 하는 것보다 훨신 높은 온도를 필요로 한다.
미국 특허 공개 20110048005 (2001.3.3. McHargue)는 층내의 온도 변동을 해결하도록 생산 유체 선택에서의 변화를 제공한다. 개시된 내용은 다음과 같다:
"이러한 실시예의 새로운 양상은, 지하 온도가 변화할 때 또는 발전소의 조건들이 변화할 때 신속하고 용이하게 생산 유체를 변경하는 능력뿐만 아니라 생산 유체로서 광범위의 잠재적인 유체들을 사용하도록 부여되는 기회이다. 지표면 아래의 국부적인 열적 조건에 생산 유체의 열적 특성을 최적화시키고, 파워 플랜트의 열적 요건들을 최적화시키기 위하여, 사용자는 생산 유체로서 물이 아닌 유체 또는 기체를 사용할 선택권을 가진다. 예를 들어, 파워 플랜트에 공급되는 생산 유체로서 초임계 유체(미국 특허 No. 6,668,554 (D. W. Brown), 2003년) 또는 그 어떤 탄화수소 또는 냉각제를 이용하도록 선택할 수 있다. 생산 유체로서 물이 아닌 유체 또는 기체를 사용하는 잠재성은, 다공성 및 투과성이 높은 얕은 깊이에서의 지하 암석을 드릴하고 냉각시키는 잠재성을 제공함으로써 그리고 지하 암석 층을 인공적으로 파쇄할 필요성을 감소시킴으로써 비용을 절감한다."
비록 상기 공개는 석유 산업에서 사용된 기술에 대하여 암시할지라도, 현존하는 유정들의 사용 또는 현존하는 유전을 목적에 맞게 이용하는 것에 관하여 설명된 바 없다. 상기 문헌은 지열 환경에서 광범위의 방식으로 사용되는 단순한 무반응 유체(non-reactive fluid)를 개시한다. 유정의 측방향 부분내에서 실질적으로 비선형의 온도 프로파일을 발생시키는 것에 관한 진전된 상세 내용이 결여된 것처럼, 기본적으로 암석으로부터의 열전달을 증가시킴으로써 효율을 증가시키는 것에 관한 개시 내용이 결여되어 있다.
미국 특허 공개 20070245729 (2007.10.25. Mickelson)는 멀티플 레그 지열 회수 시스템(multiple leg geothermal recovery system)을 개시한다. 상기 공개는 땅의 유체 손실(geo fluid loss) 및 온도 손실에 대한 문제를 나타내며 방향 드릴링(directional drilling)과 관련된 동서 문제(east-west problem), 즉, 특히 자기 간섭, 보강(fish), 층에서의 무거운 아이언 집중과 관련된 문제를 완화시키는 그 어떤 개시 내용도 제공하지 않는다.
미국 특허 공개 No. 2013021304 (2013. 8. 22, Goswami 외)에서, 저온 및 중간 온도 열원들로부터 전력을 발전하는 방법 및 시스템이 제공된다.
상기 특허에서는 민감한 열원으로부터 열을 교환함으로써 초임계 상태로 가열된 작동 유체로서의 제오트로픽 혼합물(zeotropic mixture)을 개시한다. 이것은 초임계 랜킨 사이클(Rankine cycle)과 제오트로픽 혼합물을 조합한다. 작동 유체는 액체로부터 초임계 상태로 직접 가열되는데, 이것은 작동 유체와 민감한 열원 사이의 열적 매칭(thermal matching)을 향상시킨다. 작동 유체로서 제오트로픽 혼합물을 사용함으로써, 작동 유체와 냉각제 사이의 우수한 열적 매칭이 발생된다. 본 발명에서는 반대의 접근 방식이 취해지는데, 열원과 유체 사이의 온도 차이는 매칭되기보다는 최대화된다.
국제 출원 공개 WO 2015/134974 (2015. 9.11. GreenFire Energy Inc.)에서, 지열 파워를 생산하기 위한 과정 및 방법이 개시된다. 싱기 출원 공개는 폐쇄 루프의 지열 시스템을 개시하며, 여기에서,
"시스템을 통해 순환하는 열전달 유체는 이산화탄소, 질소, 암모니아 및/또는 Ci 내지 C6 의 카본 번호를 가진 아민, Ci 내지 C8 의 카본 번호를 탄화 수소, Ci 내지 Cio 의 카본 번호를 가진 탄화 수소들중 하나 이상을 포함할 수 있고, 하나 이상의 수소는 염소 또는 플루오라인에 의해 대체된다. 일부 실시예들에서, 순환 유체는 초임계 이산화탄소이다"는 점이 개시된다. 기본적으로 암석으로부터의 열전달을 증가시킴으로써 효율을 증가시킨 것에 관한 개시 내용은 결여되어 있다. 더욱이, 고려된 모든 유체들은, 10 MPa보다 크고 섭씨 180 도 보다 낮은, 지열 그래디언트로부터의 에너지 생산에 관련된 압력 및 온도에서의 비선형 온도-엔탈피 관계를 나타내지 않는다.
지열 분야에서 현저한 분량의 종래 기술에 대하여 오직 샘플로서만 대표되어, 다수의 상이한 지열 및 유정 환경들에서 유리한 열역학이 이루어질 수 있는 유체들에 대한 필요성이 여전히 존재한다는 점은 명백하다. 여기에서 설명될 본 발명의 기술은 이러한 필요성을 해소시킨다.
본 발명은 다양한 지열 및 유정 환경에 포함된 열역학에 대한 명확한 이해에 의하여 통합된 사이클 및 분리된 사이클로써 전력을 생산하도록 신규한 적용예들에서의 유체 종류를 제공한다.
다수의 장점들은 예를 들어 다음을 포함하는 기술로부터 명백하다.
(A) 이러한 기술은 일단 화석 연료 연소가 단계적으로 중단되면, 에너지 생산의 실행 가능한 대안을 제공한다.
(B) 방법을 위한 지열 드라이버(geothermal driver)는 풍속 또는 흐린 날씨에 무관하게 24 시간 동안 연속적으로 이용 가능하다.
(C) 이러한 기술은 태양열 및 풍력 에너지 생산과 관련된 간헐적인 공급을 회피시킨다.
(D) 지열 그래디언트(geothermal gradient)는 넓은 영역에 걸쳐 실질적으로 균일하고 따라서 전통적인 지열이 가능하지 않은 영역들로 상기 기술의 폭넓은 적용을 가능하게 한다.
(E) 폐쇄 루프 시스템은 열역학적 효율을 증가시킬 수 있는 여기에 설명된 신규한 유체의 사용을 허용한다. 이러한 신규한 유체는 기본적으로 지열층으로부터 회수되는 에너지를 증가시킨다.
(F) 이러한 기술은 그 어떤 계산된 환경 범죄라도 완전하게 회피시킨다.
(G) 주어진 영역에서 최다의 유정들의 사용을 허용하기 위하여 병합된 유정들에 대한 위성 배치가 가능하다.
(H) 못쓰게 되거나, 누수되거나 또는 그렇지 않으면 위험할 수 있는 현존의 유정 또는 유정 사이트를 포함함으로써, 방법을 수행하도록 사용될 때 이들이 개조될 수 있다.
상기 장점들의 열거는 전부를 나열한 것이라기 보다는 예시적인 것이다.
본 발명의 전체적인 목적은 최대의 에너지 회수를 위하여 다양한 유정 및 지열 환경들에서의 열 및 전력 생산을 위한 유체의 부류를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예의 다른 목적은 유입 유정, 유출 유정 및, 상기 유정 사이의 측방향 상호 연결부를 가진 유정 시스템에서 에너지 회수 용도를 위한 유체를 제공하는 것으로서, 상기 유체는:
(a) 주위의 땅속 열원(surrounding downhole heat source)과 유체 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록 섭씨 180 도 보다 낮은 온도 및 10 MPa 보다 높은 압력에서 측방향 상호 연결부(lateral interconnection)내의 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계(nonlinear temperature enthalpy relationship)
(b) 상승된 압력에서의 흡열 및 상승된 압력보다 낮은 압력에서의 발열인, 압력 감지(pressure sensitive)의 가역 반응(reversible reaction)을 겪을 수 있음.
(c) 측방향 상호 연결부내에서 흡열인 화학적 흡수 반응을 포함하는 유체 혼합물;
(d) 측방향 상호 연결부에서 흡열 효과를 초래하는, 온도 및 압력 의존적인 가용성을 가진 수성 전해질 용액(aqueous electrolyte solution);을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 가지고,
상기 유체로부터 직접적으로 열 에너지를 이용하고 그리고/또는 에너지를 상기 유체로부터 전력으로 변환한다.
상기에 기재된 특성들을 포함하는 성분들의 부류는 순환하는 유체 온도와 원거리 암석 온도(far-field rock temperature) 사이의 온도 차이를 증가시킴으로써 지질층으로부터의 높은 열 전달을 구동한다.
낮은 압력에서(깊이), 개스로의 액체 비등은 비선형의 온도-엔탈피 관계를 나타낸다. 그러나, 단순한 액체/기체는, 각각 10 MPa 보다 크고 섭씨 180 도 보다 작은, 지열 그래디언트로부터의 에너지 생산에 관련된 압력 및 온도에서 이러한 특성을 가지지 않는다.
하나의 형태에서, 유체는 황산 마그네슘의 수성 용액을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 다른 목적은 전력을 발전하는 방법을 제공하는 것으로서, 이것은
지열층내의 측방향 도관과 연결된 유입부 및 유출부를 가진 폐쇄 유정 루프 회로(a closed well loop circuit)를 제공하는 단계;
상기 유정 루프와 작동되게 소통되는 발전 장치를 제공하는 단계;
상기 지열층으로부터 열에너지를 회수하여 상기 유체와 둘러싸는 땅속의 열원 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록, 10MPa 보다 큰 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도에서 상기 측방향 도관내에 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계를 가진 작동 유체를 상기 회로를 통하여 순환시키는 단계;
상기 유입부에서 상기 루프내의 재순환(recirculation) 이전에 상기 작동 유체를 냉각시키는 단계; 및,
상기 유체로부터의 에너지를 전력으로 전환시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예의 다른 목적은 열 에너지를 포착하도록, 기존의 생산 유정(production well) 및 주입 유정(injection well)을 이격된 관계로 층에 가지는 유전(oilfield)을 다른 목적에 맞게 구성하는 방법을 제공하는 것으로서,
생산 유정 및 제 1 주입 유정을 발전 장치와 유체 소통되게 가지는 제 1 노드(node)를 제공하는 단계;
생산 유정 및 제 2 주입 유정을 발전 장치와 유체 소통되게 가지는 제 2 노드를 상기 제 1 노드와 이격된 관계로 제공하는 단계;
상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드를 지하의 수평 연결로 연결하는 단계;
상기 제 1 노드의 상기 발전 장치로부터의 가열된 유출 유체를 상기 제 2 노드의 상기 발전 장치의 유입부로 지하의 연결부를 가지고 순환시키는 단계로서, 상기 층으로부터 열에너지를 회수하여 상기 유체와 둘러싸는 땅속의 열원 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록, 상기 유체는 10MPa 보다 큰 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도에서 수평인 상기 지하의 연결부내에 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계를 가지는, 가열된 유출 유체의 순환 단계; 및,
상기 유체로부터의 열 에너지를 직접적으로 이용하고 그리고/또는 상기 유체로부터의 에너지를 전력으로 전환시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예의 다른 목적은 에너지 생산 방법을 제공하는 것으로서, 상기 방법은
주입 유정 및 생산 유정의 쌍들을 가지는 중단된 유전(suspended oilfield)을 제공하는 단계;
하나의 유정 쌍의 생산 유정과 인접한 유정 쌍의 주입 유정 사이에 발전 장치를 지하 루프로 연결하는 단계로서, 상기 루프는 상기 생산 유정과 상기 주입 유정 사이에 적어도 하나의 측방향 상호 연결부를 가지는, 발전 장치의 연결 단계;
지하의 열 에너지를 회수하도록 상기 루프를 통하여 유체를 순환시키는 단계로서, 상기 유체는:
(a) 둘러싸는 땅속 열원(surrounding downhole heat source)과 유체 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록 10 MPa보다 큰 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도에서 상기 측방향 상호 연결부내의 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계;
(b) 상승된 압력에서의 흡열 및 상기 상승된 압력보다 낮은 압력에서의 발열인 압력 감지(pressure sensitive)의 가역 반응(reversible reaction)을 겪을 수 있음.
(c) 상기 측방향 상호 연결부내에서 흡열인 화학적 흡수 반응을 포함하는 유체 혼합물;
(d) 측방향 상호 연결부에서 흡열 효과를 초래하는, 온도 및 압력 의존적인 가용성을 가진 수성 전해질 용액(aqueous electrolyte solution);을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 가지는, 유체 순환 단계; 및,
상기 유체로부터 직접적으로 열 에너지를 이용하고 그리고/또는 상기 유체로부터의 에너지를 전력으로 전환시키는 단계;를 포함한다.
유리하게는, 유체는 효율을 최대화하도록 특히 유정의 구성, 열원의 품질에 기초하여 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 다른 목적은 지열의 방법을 제공하는 것으로, 상기 방법은
전체적으로 U 형상인 제 1 보어 구멍을 지층(earth formation)에 드릴링하고 전체적으로 U 형상인 제 2 보어 구멍을 제 1 보어 구멍으로부터 이격된 관계로 드릴링하는 단계;
발전 장치를 제공하는 단계;
지하 위치에서 상기 발전 장치를 상기 U 형상인 제 1 보어 구멍의 유출부 및 U 형상인 제 2 보어 구멍의 유입부에 연결하는 단계;
유체를 각각의 상기 보어 구멍을 통해 순환시키는 단계로서, 상기 유체는
(a) 둘러싸는 땅속 열원(surrounding downhole heat source)과 유체 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록 10 MPa보다 큰 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도에서 측방향 상호 연결부내의 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계;
(b) 상승된 압력에서의 흡열 및 상기 상승된 압력보다 낮은 압력에서의 발열인 압력 감지(pressure sensitive)의 가역 반응(reversible reaction)을 겪을 수 있음.
(c) 측방향 상호 연결부내에서 흡열인 화학적 흡수 반응을 포함하는 유체 혼합물;
(d) 측방향 상호 연결부에서 흡열 효과를 초래하는, 온도 및 압력 의존적인 가용성을 가진 수성 전해질 용액(aqueous electrolyte solution);을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 가지는, 유체 순환 단계; 및,
상기 유체로부터의 에너지를 전력으로 전환시키는 단계;를 포함한다.
방법이 실시되는 환경의 세부 사항에 따라서, 위에서 지적된 부류에 포함되는 것으로부터 적절한 유체가 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 다른 목적은 지열 방법을 제공하는 것으로서, 상기 방법은:
전체적으로 U 형상인 제 1 보어 구멍을 지층으로 드릴링하고 전체적으로 U 형상인 제 2 보어 구멍을 제 1 보어 구멍으로부터 이격된 관계로 드릴링하는 단계;
발전 장치를 제공하는 단계;
지하 위치에서 발전 장치를 U 형상의 제 1 보어 구멍의 유출부 및 U 형상의 제 2 보어 구멍의 유입부에 연결하는 단계;
유체를 각각의 보어 구멍을 통해 순환시키는 단계; 및,
상기 유체로부터의 에너지를 전력으로 전환시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예의 다른 목적으로서, 지열 열교환기의 형성 방법이 제공되며, 이것은:
미사용의 드릴된 유정을 제공하는 단계;
상기 미사용 유정에 이격된 관계로 제 2 유정을 드릴링하는 단계;
지열 영역(geothermal zone) 및 상기 지열 영역으로부터 이격된 제 2 영역내에 있는 상기 미사용의 드릴된 유정 및 상기 제 2 유정을, 적어도 하나의 측방향 링크 상호 연결부를 가진 연속 루프로 링크시키는 단계;
상기 루프내에서의 열교환을 위하여 상기 루프를 통하여 작동 액체를 순환시키는 단계로서, 상기 작동 유체는:
(a) 둘러싸는 땅속 열원(surrounding downhole heat source)과 유체 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록 10 MPa보다 큰 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도에서 측방향 상호 연결부내의 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계;
(b) 상승된 압력에서의 흡열 및 상기 상승된 압력보다 낮은 압력에서의 발열인 압력 감지(pressure sensitive)의 가역 반응(reversible reaction)을 겪을 수 있음.
(c) 측방향 상호 연결부내에서 흡열인 화학적 흡수 반응을 포함하는 유체 혼합물;
(d) 측방향 상호 연결부내에서 흡열 효과를 초래하는, 온도 및 압력 의존적인 가용성을 가진 수성 전해질 용액(aqueous electrolyte solution);을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 가지는, 작동 유체 순환 단계; 및,
상기 유체로부터 직접적으로 열에너지를 이용하고 그리고/또는 상기 유체로부터의 에너지를 전력으로 전환하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예의 다른 목적은 미사용의 드릴된 유정을 재생 이용(recycling)하는 방법으로서, 상기 방법은:
미사용의 제 1 유정을 수용 허브로서 지정하는 단계;
상기 허브에 인접하게 새로운 제 2 유정을 드릴링하는 단계;
상기 허브 및 상기 새로운 제 2 유정로부터 이격되게 새로운 적어도 제 3 유정을 드릴링하는 단계;
상기 새로운 제 2 유정 및 상기 제 3 유정을 상기 허브와 개별의 폐쇄 루프들로 유체 소통되게 연결하는 단계로서, 개별의 폐쇄 루프들 각각은 적어도 하나의 측방향 상호 연결부를 가지고, 각각의 루프의 제 1 섹션은 지열 영역내에 있고 제2 섹션은 상기 지열 영역 위에 있는, 제 2 유정 및 제 3 유정의 연결 단계;
작동 유체를 상기 루프들내에서 순환시키는 단계로서, 상기 작동 유체는:
(a) 둘러싸는 땅속 열원(surrounding downhole heat source)과 유체 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록 10 MPa보다 큰 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도에서 상기 측방향 상호 연결부내의 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계;
(b) 상승된 압력에서의 흡열 및 상기 상승된 압력보다 낮은 압력에서의 발열인 압력 감지(pressure sensitive)의 가역 반응(reversible reaction)을 겪을 수 있음.
(c) 측방향 상호 연결부내에서 흡열인 화학적 흡수 반응을 포함하는 유체 혼합물;
(d) 측방향 상호 연결부내에서 흡열 효과를 초래하는, 온도 및 압력 의존적인 가용성을 가진 수성 전해질 용액(aqueous electrolyte solution);을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 가지는, 작동 유체의 순환 단계; 및,
상기 지열 영역으로부터 전달된 열에너지를 포착하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예의 다른 목적은 발전 방법을 제공하는 것이며, 상기 방법은:
제 1 작동 유체 및, 지층내에서 측방향 도관에 연결된 유입부 및 유출부를 가진 폐쇄 유정 루프 회로를 제공하는 단계;
제 2 작동 유체를 가진 발전 회로를 제공하는 단계로서, 상기 회로는 유정 루프 회로와 열전달 소통되는, 발전 회로 제공 단계;
개별의 회로내에서 제 1 작동 유체 및 제 2 작동 유체를 순환시키는 단계;
제 1 작동 유체로부터 제 2 작동 유체로 열을 전달하는 단계; 및
회수된 열 에너지로부터 전력을 발전하는 단계;를 포함한다.
유체의 열역학적 특성들을 이해함으로써, 본 기술은 매우 유리한 발전 및 직접 열 사용 환경에서의 광범위한 적용 가능성을 부여한다.
본 기술의 다른 목적 및 특징들은 다음의 설명을 숙고함으로써 명백해질 것이다.
본 발명이 전체적으로 설명되었으며, 이제 첨부된 도면이 참조된다.
도 1 은 일 실시예에서 분리된 유정 루프 및 파워 사이클을 개략적으로 도시한다.
도 2 는 분리된 유정 루프 및 전력 회로가 병렬인 파워 사이클을 개략적으로 도시한다.
도 3 은 분리된 유정 루프 및 전력 회로가 직렬인 파워 사이클을 개략적으로 도시한다.
도 4 는 다변적인 도관 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 5 는 현장에서 지층내에 있는 유정 루프 및 퇴적층들의 단면도이다.
도 6 은 일 실시예의 통합된 유정 루프 전력 사이클을 개략적으로 도시한다.
도 7 은 제 2 실시예의 통합된 유정 루프 전력 사이클을 개략적으로 도시한다.
도 8 은 종래 기술에서 설명된 단순한 유체들 및, 여기에서 설명된 신규한 유체들에 대한, 유정 루프의 측방향 부분내에서의 유체 온도를 개략적으로 도시한 것으로서, 비선형의 온도-엔탈피 관계를 나타낸다.
도 9 는 제 1 실시예에서 데이지 체인의 유정(daisy chained wells)들에 대한 평면도이다.
도 9a 는 구성체에 채용된 도관들의 다변적인 구성을 확대도로 도시한다.
도 10 은 하나의 유정의 유입부와 인접한 유정의 유출부 사이에 배치된 발전 장치의 확대도이다.
도 11 은 통합된 2 개의 데이지 체인 유정 루프들의 평면도이다.
도 12 는 본 발명의 다른 실시예에 대한 평면도이다.
도 13 은 본 발명의 다른 실시예에 대한 평면도이다.
도 14 는 미사용 유정들을 개략적으로 도시한다.
도 15 는 도 14 와 유사한 도면으로서 미사용 유정들내에 배치된 새로운 유정들의 위치 선정을 나타낸다.
도 16 은 새로운 유정들이 미사용 유정들과 클러스터(cluster)를 이루는, 본 발명의 일 실시예의 제 1 의 개략적인 도면이다.
도 17 은 클러스터들이 병합된 본 발명의 개략적인 도면이다.
도 18 은 40 MPa 의 상승된 압력에서 20 % 의 황산 마그네슘을 포함하는 수성 전해질 용액에 대한 비선형의 온도-엔탈피 관계에 대한 그래프 예시이다.
도면에서 사용된 유사한 번호는 유사한 요소들을 지시한다.
도 2 는 분리된 유정 루프 및 전력 회로가 병렬인 파워 사이클을 개략적으로 도시한다.
도 3 은 분리된 유정 루프 및 전력 회로가 직렬인 파워 사이클을 개략적으로 도시한다.
도 4 는 다변적인 도관 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 5 는 현장에서 지층내에 있는 유정 루프 및 퇴적층들의 단면도이다.
도 6 은 일 실시예의 통합된 유정 루프 전력 사이클을 개략적으로 도시한다.
도 7 은 제 2 실시예의 통합된 유정 루프 전력 사이클을 개략적으로 도시한다.
도 8 은 종래 기술에서 설명된 단순한 유체들 및, 여기에서 설명된 신규한 유체들에 대한, 유정 루프의 측방향 부분내에서의 유체 온도를 개략적으로 도시한 것으로서, 비선형의 온도-엔탈피 관계를 나타낸다.
도 9 는 제 1 실시예에서 데이지 체인의 유정(daisy chained wells)들에 대한 평면도이다.
도 9a 는 구성체에 채용된 도관들의 다변적인 구성을 확대도로 도시한다.
도 10 은 하나의 유정의 유입부와 인접한 유정의 유출부 사이에 배치된 발전 장치의 확대도이다.
도 11 은 통합된 2 개의 데이지 체인 유정 루프들의 평면도이다.
도 12 는 본 발명의 다른 실시예에 대한 평면도이다.
도 13 은 본 발명의 다른 실시예에 대한 평면도이다.
도 14 는 미사용 유정들을 개략적으로 도시한다.
도 15 는 도 14 와 유사한 도면으로서 미사용 유정들내에 배치된 새로운 유정들의 위치 선정을 나타낸다.
도 16 은 새로운 유정들이 미사용 유정들과 클러스터(cluster)를 이루는, 본 발명의 일 실시예의 제 1 의 개략적인 도면이다.
도 17 은 클러스터들이 병합된 본 발명의 개략적인 도면이다.
도 18 은 40 MPa 의 상승된 압력에서 20 % 의 황산 마그네슘을 포함하는 수성 전해질 용액에 대한 비선형의 온도-엔탈피 관계에 대한 그래프 예시이다.
도면에서 사용된 유사한 번호는 유사한 요소들을 지시한다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 대한 개략적인 도면이 도시되어 있다. 이것은 분리된 유정 루프(segregated well loop) 및 파워 사이클로서 지칭된다. 파워 사이클(10)은 유정 루프 사이클(12)에 통합된다. 파워 사이클(10)은 스털링 사이클(Stirling cycle), 카본 캐리어 사이클(carbon carrier cycle), 칼리나 사이클(Kalina cycle), 유기 랜킨 사이클(organic Rankine cycle), 이산화탄소 트랜스크리티컬 파워 사이클(carbon dioxide transcritical power cycle)과 같은, 적절하고 공지된 것들중의 어느 하나로부터 선택될 수 있다.
도면에서, 유정 루프(12)는, 전형적으로 지질층(geological formation)내에 배치된, 유입 유정(inlet well, 14) 및 유출 유정(outlet well, 16)을 가진 폐쇄 루프 시스템을 포함하는데, 상기 지질층은 예를 들어, 퇴적 분지 아래에서 발생되는 결정질암(crystalline rock)으로서 보다 적절하게 설명되는 "베이스먼트" 층(basement formation), 지열층(geothermal formation), 저 투과성층(low permeability formation), 퇴적 층(sedimentary formation), 또는 화산층(volcanic formation)일 수 있다 (아무것도 도시되어 있지 않다).
유정 루프(12) 및 파워 사이클(10)은 열교환기(16)에 의해 열접촉(thermal contact)되어 있으며, 열교환기는 상기 층 내에 있는 루프 회로(20)에서 순환되는 작동 유체로부터의 열을 회수한다. 일 예로서, 층의 온도는 섭씨 80 도 내지 250 도 사이의 범위에 있을 수 있다.
도시된 구성에서, 2 가지의 구분된 작동 유체가 사용된다. 유정 루프내에서 사용된 작동 유체를 변경함으로써, 시스템의 작동은 보다 효율적일 수 있다.
상기의 현존하는 파워 사이클은 유정 루프 자체내에 간단한 물에 기초한 유체를 필요로 하며, 이것은 암석으로부터 열을 흡수하고 다음에 상기 열을 열교환기에 있는 제 2 파워 사이클 작동 유체로 전달한다. 통상적인 지열 프로젝트에서, 물의 화학 작용은 저장부 조건들에 의해 설정된다. 대부분의 경우에 물은 10,000 ppm 을 초과하는 높은 총 용존 고형물(total dissolved solids, TDS) 함량을 가진 무거운 소금물로서, 이것은 2 가지 문제점들, 즉, 부식 및 스케일링을 일으킨다. 땅속으로의 파이프, 공구 및 표면 설비와 표면 유동 라인내에서의 부식 문제는 공통적이며 관리하는 것이 비싸다. 더욱이, 저장부 조건들에서 용액에는 항상 현저한 실리카 또는 다른 침전물이 있다. 소금물이 표면으로 보내져서 (에너리를 파워 사이클의 작동 유체로 전달하는) 제 1 열교환기에서 냉각될 때, 실리카 또는 다른 미네랄들은 용액으로부터 침전되어 파이프, 밸브, 열교환기 등의 내부 표면에 부착된다. 이러한 스케일(scale)들은 관리하기가 매우 비싸며, 원수(source water)로부터 얼마나 많은 열이 추출될 수 있는지에 대한 한계를 항상 설정한다.
따라서, 현재 이용 가능한 전력 발전 모듈은 항상 파워 사이클 작동 유체의 입력 온도를 제 1 열교환기에서 섭씨 0 도를 초과하게 제한한다. 작동 유체 온도를 제로 아래로 강하시킴으로써 더 높은 터빈 압력 비율이 가능하다. 그러나, 통상적인 지열 프로젝트는 열교환기의 다른 측에서의 지열 유체의 잠재적인 동결 및 스케일링에 의해 제한된다.
본 기술에서의 이러한 제한은 분리된 파워 사이클 시스템(segregated power cycle system)을 폐쇄 루프 유정(closed loop well)과 조합하여 구현함으로써 부인된다. 유정 루프 사이클에 있는 작동 유체는 섭씨 0 도 미만으로 동결되지 않도록 구성되며, 본 발명에서는 다음의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 가진다:
(a) 주위의 땅속 열원(surrounding downhole heat source)과 유체 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록 섭씨 180 도 보다 낮은 온도 및 10 MPa 보다 높은 압력에서의 측방향 상호 연결부(lateral interconnection)내의 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계(nonlinear temperature enthalpy relationship)
(b) 상승된 압력에서의 흡열 및 상승된 압력보다 낮은 압력에서의 발열인, 압력 감지(pressure sensitive)의 가역 반응(reversible reaction)을 겪을 수 있음.
(c) 측방향 상호 연결부내에서 흡열인 화학적 흡수 반응을 포함하는 유체 혼합물;
(d) 측방향 상호 연결부에서 흡열 효과를 초래하는, 온도 및 압력 의존적인 가용성을 가진 수성 전해질 용액(aqueous electrolyte solution).
유체는 효율성 및 신뢰성을 증가시키도록 첨가제를 가지고 개질될 수 있다. 적절한 첨가제는, 스케일링 방지제(anti-scaling agents), 부식 방지제, 마찰 감소제, 동결 방지 화학제, 냉각제, 살생물제(biocide), 탄화수소, 알코올, 유기 유체 및 이들의 조합을 포함한다.
분리 회로를 가진 선택적인 구성은 도 2 및 도 3 에 도시되어 있다.
도 2 는 2 개의 별개인 열교환기(18)와 열접촉된 유정 루프(12)를 포함하는 분리 회로를 도시하며, 열교환기 각각은 병렬 구성을 형성하는 그 자체의 파워 발생기(22)를 가진다. 유사하게, 도 3 은 직렬 구성을 도시한다.
도 4 를 처음으로 참조하면, 전체적으로 도면 번호 24 로 표시된 다변적인 유정 루프 시스템(multilateral well loop system)의 부분적으로 절단된 도면이 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 구성에서, 복수개의 수평 유정 루프 세그먼트(20)는 전체적으로 평행한 관계로 이격된 층(미도시) 안에 배치된다. 세그먼트(20) 각각은 폐쇄 루프에서 유입 유정(inlet well, 14) 및 유출 유정(outlet well, 16)에 공통적으로 연결된다.
지질층(geological formation)은 예를 들어, 퇴적 분지 아래에서 발생되는 결정질암(crystalline rock)으로서 보다 적절하게 설명되는 "베이스먼트" 층(basement formation), 지열층(geothermal formation), 저 투과성층(low permeability formation), 퇴적 층(sedimentary formation), 또는 화산층(volcanic formation)일 수 있다 (아무것도 도시되어 있지 않다).
도 5 는 지질층(26) 내의 요소들의 퇴적을 개략적으로 도시한다.
일 예로서, 수평 세그먼트(20)는 길이로 2000 미터 내지 8000 미터 및 표면(28)으로부터의 깊이로 1000 미터 내지 6000 미터에 그 어느 곳이라도 있을 수 있다. 표면(28)상의 파워 발생 회로(22)는 유입 유정(14)과 유출 유정(16) 사이에 배치되어 폐쇄 루프 시스템을 완성한다.
치수들은 단지 예시적일 뿐이며, 층의 특성, 면적, 지열 그래디언트(geothermal gradient), 표면의 부정형, 구조(tectonics)에 따라서 변화된다는 점이 당업자들에게 이해될 것이다.
명백한 바로서, 엔지니어링에서의 발전 때문에, 다변적인 구조(multilateral arrangement)를 확립하기 위한 침습(intrusiveness)은 루프들이 층(formation)에 접촉하기 위한 표면적에서의 실질적인 증가를 제공하도록 단순화되고 최소이다. 더욱이, 사용되지 않거나 또는 중단된 오일 유정들을 무시할만한 환경 충격으로써 그것을 다른 목적에 맞도록 만드는 개장 적용예(retrofit application)가 가능하다.
통합된 유정 루프 파워 사이클(integrated well loop power cycle)은, 도 6 에 도시된 바와 같이 선택된 작동 유체가 유정 루프 안에서 순환되고 다음에 표면상의 터빈으로 유동하는, 폐쇄 루프 시스템이다. 도면 번호 30 은 전체적인 프로세스를 개략적으로 나타낸다. 이러한 프로세스에서, 구분된 유정 루프 유체(discreet well loop fluid) 및 제 2 파워 사이클 작동 유체를 가지기보다는 단일의 유체가 사용된다. 이러한 폐쇄 루프 사이클에서 작동 유체는 트랜스크리티컬 사이클(transcritical cycle)로서 작동될 수 있어서 유체는 상부 작동 압력(upper working pressure)에서 초임계(supercritical)이고 하부 작동 압력(lower working pressure)에서 미임계(subcritical)이거나, 또는 작동 유체는 전체적으로 초임계 사이클로서 작동될 수 있어서 유체는 하부 작동 압력에서 초임계로 유지된다.
공지된 바로서, 트랜스크리티컬 사이클(trans critical cycle)은 작동 유체가 초임계 상태 및 미임계 상태 양쪽을 통과하는 열역학적 사이클이다.
장치는 실시예에서 도시된 바와 같이 제네레이터(36)를 가진 터빈(34) 및 공기 냉각기(aerial cooler, 32)로서의 냉각 장치를 더 포함한다. 공기 냉각기(32)는 주위 온도보다 더 높은 섭씨 1 도 내지 섭씨 15 도 사이의 온도로 작동 유체를 냉각시키도록 사용된다. 또한 작동 유체는 서브제로 ℃ 온도로 냉각될 수 있다는 점이 주목된다.
더욱이, 여기에서 설명된 기술에서 사용되는 적절한 유체는 유출 유정(outlet well)에서의 초임계 상태로부터 팽창 및 냉각 이후의 트랜스크리티칼 상태로 천이될 수 있는데, 유출 유정을 빠져나가는 유체는 온도-엔트로피 그래프에서 2 상 영역(two phase region)의 우측으로의 과열 증기 상태로 팽창되기에 충분하게 높은 엔트로피를 가지고, 냉각시에는 실질적으로 그것의 임계점 미만이다.
이러한 통합된 사이클에서 구동 메커니즘은 매우 강력한 열사이펀(thermosiphon)이며, 이것은 유입 수직 유정(inlet vertical well, 14)과 유출 수직 유정(outlet vertical well, 16) 사이의 밀도 차이에 기인하여 발생된다. 유체는 유입 유정(14)에서 초임계 액체 상태이고, 측방향 섹션(12)을 따라서 이동할 때 가열되고, 유출 유정(16)에서 초임계 상태로 배출되며, 이것은 현저한 압력을 발생시킨다.
도 7 은 도 6 에 도시된 유동 다이아그램의 변형예이며, 여기에서 복수개의 터빈(34) 및 제네레이터(36)들은 병렬의 관계로 배치된다. 직렬 및 병렬의 조합을 포함하는 다른 변형예도 당업자에 의해 이해될 것이다.
도 8 은, 비선형의 온도-엔탈피 관계를 나타내는 여기에 설명된 신규한 유체 및, 종래 기술에서 설명된 단순 유체들에 대한, 유정 루프의 측방향 부분에서의 유체 온도에 대한 예시적인 개략도이다. 암석으로부터 전달된 열은 암석 온도와 유체 온도 사이의 축적적인 영역(cumulative area)에 비례한다. 표 1 은 데이터를 표로 만든 것이다.
유정 거리의 증가에 대한 유체 데이터
열사이펀 효과(thermosiphon effect)는 시동하는 동안을 제외하고 정상의 작동 조건하에서는 표면 펌프의 필요성을 완전하게 제거할 수 있다. 유리하게는, 이것은 펌프를 작동하는데 필요한 파워를 제거하고 정미의 전력 출력(net electrical power output)을 증가시킨다.
유정 루프 회로와 제휴하는 작동은 유정보어 배치(wellbore layout), 깊이, 길이 및 주위 온도에 맞춰진 혼합물 및 주문된 유체의 사용이다. 10 MPa 보다 큰 높은 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도와 관련된 종래 기술은 오직 물, 이산화탄소, 냉각제, 또는 탄화수소 유체와 같은, 선형의 온도-엔탈피 관계를 가진 유체의 사용만을 설명한다. 여기에서 설명된 것과 같은 폐쇄 루프 시스템으로써, 유체 혼합물의 초기 비용 및 복잡성은 전체적인 경제성에서 오직 작은 인자일 뿐이다. 따라서 다음과 같은 것을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 가진 유체와 같은 다른 유체들이 사용될 수 있다.
(a) 둘러싸는 땅속으로의 열원과 유체 사이의 열 전달 및 온도 편차를 최대화시키도록 섭씨 180 도 미만의 온도 및 10 MPa 보다 높은 압력에서의 측방향 상호 연결부내에서 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계:
(b) 상승된 압력에서의 흡열 및 상승된 압력보다 낮은 압력에서의 발열인, 압력 감지(pressure sensitive)의 가역 반응(reversible reaction)을 겪을 수 있음.
(c) 측방향 상호 연결부내에서 흡열인 화학적 흡수 반응을 포함하는 유체 혼합물;
(d) 측방향 상호 연결에서 흡열 효과를 초래하는, 온도 및 압력 의존적인 가용성을 가진 수성 전해질 용액(aqueous electrolyte solution).
유정 루프의 측방향 부분내에서 실질적으로 비선형의 온도-엔탈피 관계를 나타내고, 그리고/또는 상승된 압력에서의 흡열 및 상승된 압력보다 낮은 압력에서의 발열인 압력 감지의 가열 효과를 나타내는 유체는 상당히 파워 생성을 증가시킬 수 있다는 점이 밝혀졌다. 이것은 원거리 암석 온도(far-field rock temperature)와 순환 유체 온도 사이의 평균 온도 편차가 증가되기 때문에 전개되어, 지질층으로부터 증가된 열전달을 구동한다.
이러한 유형의 유체의 예는 온도 의존적인 가용성을 가진 전해질 용액/수성 침전물이며, 물은 유입 유정의 상부에서 과포화된다. 고체 입자들은 스케일링 방지제(응집 방지제(anti flocculation agent)) 및 (드릴링 머드(drilling mud)와 유사한) 난류 유동을 가지고 현탁 상태로 유지된다. 측방향 섹션들에서, 온도는 증가되며, 따라서 현탁 상태로 유지된 고체들의 가용성도 증가된다. 이것은 고체 입자들이 물에 용해될 때 용액이 압석으로부터 열을 흡열적으로 흡수하는 것을 허용한다 (기본적으로 유체의 유효 열 용량을 증가시킨다). 분리된 열-파워 사이클(heat-to-power cycle)로의 열교환기에서, 온도는 감소됨으로써, 고체 물질은 발열적으로 침전된다. 열교환기는 내부 표면들에 달라붙는 침전물을 회피하도록 처리될 수 있다.
폐쇄 루프 지열 시스템에서의 적용을 위한 유체는 예를 들어 다음의 용질을 가진 수성 용액을 포함한다.
브로민화 칼륨(potassium bromide), 황산 마그네슘(magnesium sulphate)
단일 터빈을 사용하고 주위 조건들의 전체 범위에 걸쳐 적절한 효율을 가지는 것은 문제가 있다. 상이한 조건들에 대하여 최적화된 직렬 또는 병렬의 2 개 이상의 터빈들을 사용함으로써 이러한 문제가 해결된다는 점이 밝혀졌다. 차가운 온도의 기간 동안, 제어 로직(미도시)은 작동 유체를 적절한 터빈으로 자동 전환시킴으로써 1 년에 걸쳐 높은 효율을 유지한다.
이제 도시된 도 9, 도 9a 및 도 10 을 함께 참조하면 전체적으로 도면 번호 44 로 표시된 유정들의 데이지 체인(daisy chain)이 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 전체적으로 도면 번호 46 으로 표시된 각각의 표면 위치는 측방향 유정 도관(lateral well conduit, 50) 및 생산 유정(production well, 52)에 연결된 주입 유정(injection well, 48)을 포함한다. 이러한 방식으로, 연속적인 유정 구조는 전체적으로 U 형상의 구조를 그린다.
도 9 에 도시된 바와 같이, 각각의 위치(46)는 구분되고 인접한 위치들에 정연하고 유리한 방식으로 링크된다. 일 예로서, 위치들 사이의 거리는 5000 미터일 수 있다. 이것은 물론 상황마다 변화될 수 있다.
도 10 에서, 도면 번호 54 는 발전 장치를 도시한다. 장치(54)의 선택은 이후에 설명되지만, 설명의 목적을 위하여, 장치(54)는 증기를 전기 에너지로 변환하기 위한 것이다. 각각의 위치(46)에, 주입 유정(48) 및 생산 유정(52)이 있다. 다변적인 도관(multilateral conduit, 38)은 유사하게 지하에 있지만, 층(48)의 지열 영역(46)내에도 있다.
작동을 위하여, 도 10 을 참조할 수 있다. 적절한 열 용량을 가진 유체는 하나의 위치(46)의 주입 유정(48)에서 순환되고, 열 에너지를 회수하도록 발전 장치(54)를 통해 처리되고, 차후에 인접한 위치(46)의 주입 유정(48)에 대한 유입 공급 흐름(inlet feed stream)이도록 유출 흐름(output stream)으로서 통과된다. 체인 라인(chain line, 62)은 이러한 릴레이 또는 데이지 체인 시퀀스(daisy chain sequencing)을 도시한다. 열의 전부가 회수되지 않기 때문에, 인접 위치의 유정(48)에 대한 유입 공급 흐름은 측방향 도관(50)으로의 주입을 위해 사전 가열된다. 프로세스는 이후에 다음 위치(46)에서의 반복을 위하여 리셋(reset)된다. 수리, 분석등의 편의성을 위하여, 발전 장치는 장치(54)를 우회하기 위한 바이패스 루프(bypass loop, 64)를 구비한다.
지질학적 조건, 환경 조건, 열적 조건등과 같은 가변적인 조건들을 수용하기 위하여, 도관(50)들의 어레이는 도 9a 에 도시된 바와 같이 채용될 수 있다. 어레이(array)들은 다변적인 어레이(multilateral array, 66)로서 지칭될 것이며 인접한 도관(50)으로부터 이격된 관계로 고리형 패턴으로 구성된다. 상황의 특정 내용에 따라서 다른 패턴들이 채용될 수 있다. 어레이(66)의 개별적인 도관(50)들 사이의 연결은 단순히 병합되게 일체화되어 단일 도관(50)과 유사한 방식으로 작용한다. 위에서 참조되었던 예들의 조건에 따라서, 위치(46)들중 전부 또는 일부는 이러한 방식으로 제조될 수 있다. 유일 도관의 구성체들이 어레이(66)들로 교체될 수 있다는 점이 고려된다. 어레이(66)들은 전체 유량 및 전력 생산을 증가시킨다. 일부 위치(46)들이 서로 인접한 상황에서, 열 회수 균형(heat recovery balance)을 유지하도록 매우 많은 수의 어레이(66)들이 사용될 수 있다. 도 9 에 도시된 구성은 12,000 kW 내지 20,000 kW 시스템의 예시이다.
이제 도 11 을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있으며 이것은 예를 들어 8,000kW 내지 12,000kW 시스템이다. 이러한 예에서, 개별 루프들은 전력 및 효율의 증가를 위하여 발전 장치(미도시)를 집중시키도록 중심 위치(68)에서 만날 수 있다.
도 12 및 도 13 은 4,000kW 내지 6,000kW (도 12) 및 2,000kW 내지 3, 000kW(도 13)의 소규모 작동을 나타낸다.
데이지 체인 구현예를 채용하는 것의 현저한 특징들중 하나는 지표면에 인접한 복귀 도관(near surface return conduit)의 필요성이 결여되는 것이다. 통상적인 유정 루프 구성체에서와 같이, 전체 프로젝트 자본금의 10 % 를 초과하는 자본 비용이 필요할 때, 통행권을 협상할 필요성이 있을 수 있으며 3 내지 5°C 의 열손실 및 압력 손실이 초래되어 낮은 효율을 야기한다.
대조적으로, 데이지 체인은 유정 루프들이 전후로 링크되기 때문에 지표면에 인접한 복귀 도관의 필요성이 제거된다. 더욱이, 쌍을 이룬 루프들은 서로에 대한 복귀 도관으로서 작용하되, 상기 쌍은 예열된 흐름을 위에 만들도록 폐열을 입력으로서 이용한다.
다른 장점은 지표면상의 혼란(영향이 미치는 범위)없이 전력 생산이 증가되는 것이며, 이것은 모든 것이 지하에 있고 위치(46) 사이에 거리가 감소되기 때문이다. 만약 짧은 도관(50)이 예열된 공급 흐름 설계의 온도 증가 때문에 사용될 수 있다면 비용이 그에 비례하여 감소된다.
이제 도 14 를 참조하면, 복수개의 분산된 미사용 유정(72)을 가지는, 전체적으로 도면 번호 70 으로 표시된 드릴 영역이 개략적으로 도시되어 있다.
이제 도 15 를 참조하면, 도 14 와 유사한 도면이 도시되어 있지만 복수개의 새로운 유정(74 내지 88)들이 개별의 미사용 유정(72)에 인접하여 드릴되어 있다.
도 16 을 참조하면, 메인 허브(main hub, 90)가 제공된다. 비록 상세하게 도시되어 있지 않지만, 허브(90)는 사실상의 매니폴드 구성체로서, 예를 들어 유정(74, 76, 78, 80)과 같은 새로운 유정 각각은 이후에 상세하게 설명될 바와 같이 유체 소통된다. 허브(90)로부터, 새로운 유정(74,76,78)들 각각은 서로로부터 그리고 허브(90)와 관련된 미사용 유정(72)으로부터 이격된다. 각각의 새로운 유정(74,76,78)들은 단일의 인접한 미사용 유정(72)과 유체 소통된다. 유체 소통은 파이프(92,94)에 의해 달성된다. 파이프(92)는 표면(96) 아래에 배치되고 보다 상세하게는 전체적으로 도면 번호 98 로 표시된 지열 영역내에 배치된다. 도시된 바와 같이, 파이프(92)는 이러한 예에서 지표면(96) 위에 배치되지만, 파이프는 지표면(96) 아래에 배치될 수 있으며 이는 앞선 도면에서 도시될 것이다.
편리하게는, 실시예에 있는 새로운 유정(74,76,78)들을 가진 허브(90)는 리사이클된(recycled) 미사용 유정의 클러스터(cluster)를 형성하도록 개별의 미사용 유정(72)에 연결된다.
명확성을 위하여, 도 16 및 도 17 은 함께 참조되었으며, 도 17 에서 루프(92, 94)들은 명확성의 목적을 위해 빠져있다. 도 16 에서 클러스터는 도면 번호 100 으로 표시되어 있다. 도 17 에 도시된 바와 같이 추가적인 클러스터(100)들을 링크시키는데 클러스터 작용은 유효하다. 주어진 허브(90)와 관련된 새로운 유정(74,76,78)들은 인접한 클러스터(100)로부터 미사용 유정(72)을 통하여 다른 클러스터(100)들에 링크된다. 그러한 링크는 설명의 목적으로 도면 번호 102 로 표시되어 있다. 이러한 방식으로, 클러스터(100)는 도 15 에 도시된 미사용 유정(72)들의 임의적인 비생산 어레이(random unproductive array)와는 대조적으로 에너지 수집 시스템으로서 통합된다. 이것은 폐쇄 루프의 지표면 대 지표면 설계(closed loop surface to surface design)로 지열 에너지를 수집하는데 매우 효율적인 구성을 제공한다.
지열 루프들은 위에 설명된 종래 기술에서 표면적으로 제안되었지만, 종래 기술은 통합된 리사이클링과 일체화된, 지표면 대 지표면 에너지 회수, 최소의 지질학적 및 환경적 침습과 관련하여 적절한 안내를 하지 않는다.
이제 도 18 을 참조하면, 40 MPa 에서 20 질량 퍼센트 황산 마그네슘의 수성 용액에 대한 비선형 온도-엔탈피 관계가 도시되어 있다. 이것은 본 발명에서 설명된 열역학적 거동의 유형의 예로서 도시되어 있다. 실제로 사용된 특정 유체의 화학 작용은 다른 인자들중에서 암석 온도, 직접적인 열 또는 전기 적용, 특정의 유입/유출 온도, 유정의 길이 및 구성과 같은 프로젝트 세부 내용에 따른다.
결론으로서, 특이한 작동 유체를 이용하여 다양한 지질층내에서 특이한 폐쇄 루프 구성으로서 파워를 발생하기 위한 새로운 기술이 제시되었다.
향상된 유체를 가진 통합되고 분리된 루프들이 서술되어 종래 기술에 비하여 향상된 열 포착(heat capture)이 이루어지는 결과를 가져왔다.
루프의 유입부 및 유출부에 공통적으로 연결된 루프에 있는 다변적인 세그먼트들이 명확하게 설명되었으며 이것은 현존의 루프 구성에 대해 적지 않게 향상된 것이다.
10. 파워 사이클 12. 유정 루프 사이클
14. 유입 유정 16. 유출 유정
14. 유입 유정 16. 유출 유정
Claims (13)
- 유입 유정(inlet well), 유출 유정(outlet well) 및, 상기 유입 유정과 유출 유정 사이의 측방향 상호 연결부를 가진 폐쇄 유정 시스템(closed well system)에서 에너지 회수 용도를 위한 유체로서, 상기 유체는:
(a) 둘러싸는 땅속 열원(surrounding downhole heat source)과 유체 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록 10 MPa보다 큰 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도에서 상기 측방향 상호 연결부내의 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계;
(b) 상승된 압력에서의 흡열 및 상기 상승된 압력보다 낮은 압력에서의 발열인 압력 감지(pressure sensitive)의 가역 반응(reversible reaction)을 겪을 수 있음.
(c) 상기 측방향 상호 연결부내에서 흡열인 화학적 흡수 반응을 포함하는 유체 혼합물;
(d) 측방향 상호 연결부에서 흡열 효과를 초래하는, 온도 및 압력 의존적인 가용성을 가진 수성 전해질 용액(aqueous electrolyte solution);을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 가지는 것을 특징으로 하는, 유체. - 제 1 항에 있어서, 상기 화학적 흡수 반응은 상기 측방향 상호 연결부내의 CO2 의 탈착(desorption)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 수성 전해질 용액은 황산 마그네슘(magnesium sulphate)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체.
- 지열층내의 측방향 도관과 연결된 유입부 및 유출부를 가진 폐쇄 유정 루프 회로(a closed well loop circuit)를 제공하는 단계;
상기 유정 루프와 작동되게 소통되는 발전 장치를 제공하는 단계;
상기 지열층으로부터 열에너지를 회수하여 상기 유체와 둘러싸는 땅속의 열원 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록, 10MPa 보다 큰 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도에서 상기 측방향 도관내에 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계를 가진 작동 유체를 상기 회로를 통하여 순환시키는 단계;
상기 유입부에서 상기 루프내의 재순환(recirculation) 이전에 상기 작동 유체를 냉각시키는 단계; 및,
상기 유체로부터의 에너지를 전력으로 전환시키는 단계;를 포함하는, 발전 방법. - 제 4 항에 있어서, 상기 작동 유체는 섭씨 0 도 미만(a sub-zero°C)의 온도로 냉각되는 것을 특징으로 하는, 발전 방법.
- 제 4 항에 있어서, 순환은 열사이펀 작용(thermosiphon action)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는, 발전 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 유입부 및 상기 유출부에 각각 연결된 복수개의 측방향 도관들을 이격된 관계로 제공하는 단계를 더 포함하는, 발전 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 작동 유체는 상기 유입부내에서 액체 상태 또는 초임계 액체 상태로 유지되도록 조정되고 상기 유출부를 초임계 상태로 빠져나가는 것을 특징으로 하는, 발전 방법.
- 열 에너지를 포착하도록, 기존의 생산 유정(production well) 및 주입 유정(injection well)을 이격된 관계로 층에 가지는 유전(oilfield)을 다른 목적에 맞게 구성하는 방법으로서,
생산 유정 및 제 1 주입 유정을 발전 장치와 유체 소통되게 가지는 제 1 노드(node)를 제공하는 단계;
생산 유정 및 제 2 주입 유정을 발전 장치와 유체 소통되게 가지는 제 2 노드를 상기 제 1 노드와 이격된 관계로 제공하는 단계;
상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드를 지하의 수평 연결로 연결하는 단계;
상기 제 1 노드의 상기 발전 장치로부터의 가열된 유출 유체를 상기 제 2 노드의 상기 발전 장치의 유입부로 지하의 연결부를 가지고 순환시키는 단계로서, 상기 층으로부터 열에너지를 회수하여 상기 유체와 둘러싸는 땅속의 열원 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록, 상기 유체는 10MPa 보다 큰 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도에서 수평인 상기 지하의 연결부내에 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계를 가지는, 가열된 유출 유체의 순환 단계; 및,
상기 유체로부터의 에너지를 전력으로 전환시키는 단계;를 포함하는, 유전을 다른 목적에 맞게 구성하는 방법. - 주입 유정 및 생산 유정의 쌍들을 가지는 중단된 유전(suspended oilfield)을 제공하는 단계;
하나의 유정 쌍의 생산 유정과 인접한 유정 쌍의 주입 유정 사이에 발전 장치를 지하 루프로 연결하는 단계로서, 상기 루프는 상기 생산 유정과 상기 주입 유정 사이에 적어도 하나의 측방향 상호 연결부를 가지는, 발전 장치의 연결 단계;
지하의 열 에너지를 회수하도록 상기 루프를 통하여 유체를 순환시키는 단계로서, 상기 유체는:
(a) 둘러싸는 땅속 열원(surrounding downhole heat source)과 유체 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록 10 MPa보다 큰 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도에서 상기 측방향 상호 연결부내의 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계;
(b) 상승된 압력에서의 흡열 및 상기 상승된 압력보다 낮은 압력에서의 발열인 압력 감지(pressure sensitive)의 가역 반응(reversible reaction)을 겪을 수 있음.
(c) 상기 측방향 상호 연결부내에서 흡열인 화학적 흡수 반응을 포함하는 유체 혼합물;
(d) 측방향 상호 연결부에서 흡열 효과를 초래하는, 온도 및 압력 의존적인 가용성을 가진 수성 전해질 용액(aqueous electrolyte solution);을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 가지는, 유체 순환 단계; 및,
상기 유체로부터 직접적으로 열 에너지를 이용하고 그리고/또는 상기 유체로부터의 에너지를 전력으로 전환시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 생산 방법. - 전체적으로 U 형상인 제 1 보어 구멍을 지층(earth formation)에 드릴링하고 전체적으로 U 형상인 제 2 보어 구멍을 제 1 보어 구멍으로부터 이격된 관계로 드릴링하는 단계;
발전 장치를 제공하는 단계;
지하 위치에서 상기 발전 장치를 상기 U 형상인 제 1 보어 구멍의 유출부 및 U 형상인 제 2 보어 구멍의 유입부에 연결하는 단계;
유체를 각각의 상기 보어 구멍을 통해 순환시키는 단계로서, 상기 유체는
(a) 둘러싸는 땅속 열원(surrounding downhole heat source)과 유체 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록 10 MPa보다 큰 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도에서 상기 U 형상 보어 구멍의 측방향 상호 연결부내의 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계;
(b) 상승된 압력에서의 흡열 및 상기 상승된 압력보다 낮은 압력에서의 발열인 압력 감지(pressure sensitive)의 가역 반응(reversible reaction)을 겪을 수 있음.
(c) 측방향 상호 연결부내에서 흡열인 화학적 흡수 반응을 포함하는 유체 혼합물;
(d) 측방향 상호 연결부에서 흡열 효과를 초래하는, 온도 및 압력 의존적인 가용성을 가진 수성 전해질 용액(aqueous electrolyte solution);을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 가지는, 유체 순환 단계; 및,
상기 유체로부터의 에너지를 전력으로 전환시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 지열 방법. - 미사용의 드릴된 유정을 제공하는 단계;
상기 미사용 유정에 이격된 관계로 제 2 유정을 드릴링하는 단계;
지열 영역(geothermal zone) 및 상기 지열 영역으로부터 이격된 제 2 영역내에 있는 상기 미사용의 드릴된 유정 및 상기 제 2 유정을, 적어도 하나의 측방향 링크 상호 연결부를 가진 연속 루프로 링크시키는 단계;
상기 루프내에서의 열교환을 위하여 상기 루프를 통하여 작동 유체를 순환시키는 단계로서, 상기 작동 유체는:
(a) 둘러싸는 땅속 열원(surrounding downhole heat source)과 유체 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록 10 MPa보다 큰 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도에서 상기 측방향 상호 연결부내의 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계;
(b) 상승된 압력에서의 흡열 및 상기 상승된 압력보다 낮은 압력에서의 발열인 압력 감지(pressure sensitive)의 가역 반응(reversible reaction)을 겪을 수 있음.
(c) 측방향 상호 연결부내에서 흡열인 화학적 흡수 반응을 포함하는 유체 혼합물;
(d) 측방향 상호 연결부내에서 흡열 효과를 초래하는, 온도 및 압력 의존적인 가용성을 가진 수성 전해질 용액(aqueous electrolyte solution);을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 가지는, 작동 유체 순환 단계; 및,
열에너지를 회수하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 지열 열교환기 형성 방법. - 미사용의 제 1 유정을 수용 허브로서 지정하는 단계;
상기 허브에 인접하게 새로운 제 2 유정을 드릴링하는 단계;
상기 허브 및 상기 새로운 제 2 유정로부터 이격되게 새로운 적어도 제 3 유정을 드릴링하는 단계;
상기 새로운 제 2 유정 및 상기 제 3 유정을 상기 허브와 개별의 폐쇄 루프들로 유체 소통되게 연결하는 단계로서, 개별의 폐쇄 루프들 각각은 적어도 하나의 측방향 상호 연결부를 가지고, 각각의 루프의 제 1 섹션은 지열 영역내에 있고 제2 섹션은 상기 지열 영역 위에 있는, 제 2 유정 및 제 3 유정의 연결 단계;
작동 유체를 상기 루프들내에서 순환시키는 단계로서, 상기 작동 유체는:
(a) 둘러싸는 땅속 열원(surrounding downhole heat source)과 유체 사이의 열전달 및 온도 편차를 최대화시키도록 10 MPa보다 큰 압력 및 섭씨 180 도 보다 낮은 온도에서 상기 측방향 상호 연결부내의 실질적으로 비선형의 온도 엔탈피 관계;
(b) 상승된 압력에서의 흡열 및 상기 상승된 압력보다 낮은 압력에서의 발열인 압력 감지(pressure sensitive)의 가역 반응(reversible reaction)을 겪을 수 있음.
(c) 측방향 상호 연결부내에서 흡열인 화학적 흡수 반응을 포함하는 유체 혼합물;
(d) 측방향 상호 연결부내에서 흡열 효과를 초래하는, 온도 및 압력 의존적인 가용성을 가진 수성 전해질 용액(aqueous electrolyte solution);을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 가지는, 작동 유체의 순환 단계; 및, 상기 지열 영역으로부터 전달된 열에너지를 포착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미사용의 드릴된 유정을 재생 이용하는 방법.
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