MX2013005542A - Sistema y metodo para extraer energia. - Google Patents

Abstract

Se describen un método y un aparato para extraer eficientemente la energía geotérmica desde un depósito térmico subterráneo a través de un orificio de pozo, en donde un fluido de intercambio de calor se introduce a una velocidad más baja que la velocidad a la cual se extrae el fluido. El método y el aparato también comprenden una zona de gas cerca de la parte superior del orificio de pozo para reducir las pérdidas de calor del fluido de intercambio de calor. Una porción del recinto del orificio del pozo puede hacer contacto directo con el ambiente subterráneo para una conductividad térmica mejorada. En forma alternativa, la pared térmicamente conductora comprende un material térmicamente conductor puede rodear una porción del orificio del pozo. Además, la superficie interna y/o externa de las tuberías y los conductos del método y aparato descritos pueden incluir características que mejoran las áreas superficiales para una eficiencia mejorada de transferencia de calor.

Description

SISTEMA Y MÉTODO PARA EXTRAER ENERGÍA Referencia Cruzada con Solicitudes Relacionadas La presente solicitud reclama la prioridad de la Solicitud Provisional de Estados Unidos de América No. de Serie 61/458056, la cual fue presentada el 16 de noviembre de 2010, titulada "Geothermal Well and System for Generating Electricity" (Pozo Geotérmico y Sistema para Generar Electricidad) cuya descripción se incorpora aquí como referencia en su totalidad.

Campo de la Invención La invención se relaciona en general con sistemas y métodos para extraer energía, en particular, para extraer energía térmica con el uso de un pozo geotérmico para suministrar en la superficie un fluido caliente para usarse en generar electricidad o llevar a cabo otras labores.

Antecedentes de la Invención Existen muchos métodos conocidos para capturar calor por debajo de la superficie para accionar motores y generar electricidad o llevar a cabo otras labores. Un tipo de sistema geotérmico involucra producir agua caliente y/o vapor ya presente en las formaciones subterráneas. Otro tipo de sistema geotérmico involucra introducir fluidos directamente dentro de las formaciones subterráneas para absorber el calor y recuperar los fluidos, junto con el calor absorbido. Las invenciones típicas de este tipo de sistemas geotérmicos se describen en las Patentes de Estados Unidos de América No. 4,082,140; No. 4,201,060 y No. 4,357,802, asi como en operaciones comerciales en California e Islandia.

Otros métodos para capturar este calor incluyen sistemas geotérmicos que bombean un fluido de trabajo, tal como agua a través de un recinto en un orificio del pozo que se extiende dentro de una sección caliente de la corteza terrestre. El calor en la tierra convierte el fluido de trabajo en vapor, el cual se produce en la superficie, y después se condensa y se purifica para ser bombeado de regreso al recinto. Las invenciones típicas de este tipo se encuentran en las Patentes de Estados Unidos de América No. 3,470,943, No. 4.085,795; No. 5,072,783; No. 5,515,679 y No. 6,301,894.

Este tipo de sistema geotérmico cuenta con ciertas ventajas sobre la producción de fluidos de formación calentados directamente o el introducir fluidos dentro de las formaciones, debido a que reducen al mínimo los problemas de hundimiento y de sismicidad en las rocas adyacentes a las paredes geotérmicas y el suministro de fluidos producidos. Aunque esta es una mejora, este tipo de sistema geotérmico todavía cuenta con varías desventajas. Por ejemplo, estos sistemas geotérmicos con frecuencia perforan el reciento para proporcionar el intercambio de calor entre la formación y el fluido de trabajo. Como tal, el agua adicional de otra fuente tal como un pozo, lago o agua municipal con frecuencia es necesaria para ser bombeada a través del recinto para recuperar el calor desde abajo. Además, debido a las perforaciones en el recinto que introducen partículas desde el ambiente circundante al fluido calentado, este tipo de sistema geotérmico también con frecuencia requiere de un sistema de purificación para procesar el fluido calentado antes de que vuelva a circular.

Breve Descripción de la Invención De conformidad con un aspecto de la presente invención, se proporciona un pozo que se extiende desde una ubicación en o sobre la superficie de la Tierra a un ambiente subterráneo, el pozo comprende una cabeza del pozo en o sobre la superficie de la Tierra, un orificio del pozo extendido desde la superficie de la tierra hasta la ubicación subterránea, un conducto de inyección dispuesto en el orificio del pozo, una porción del conducto de inyección se extiende desde la superficie hasta una primera ubicación en el ambiente subterráneo, en donde el conducto de inyección también tiene un primer diámetro. El pozo también comprende un conducto de producción dispuesto en el orificio del pozo, una porción del conducto de producción se extiende desde la superficie hasta una segunda ubicación en el ambiente subterráneo, en donde el conducto de producción tiene un segundo diámetro interno, en donde el conducto de producción está acoplado en comunicación de fluidos con el conducto de inyección a través del orificio del pozo, el primer diámetro interno es mayor que el segundo diámetro interno.

En una modalidad, una porción del ambiente subterráneo comprende una temperatura de por lo menos aproximadamente 148°C y el pozo también comprende un fluido de intercambio de calor. En otra modalidad, el fluido de transferencia de calor comprende un fluido seleccionado del grupo que consiste de agua, alcohol, refrigerante y una combinación de los mismos. En otra modalidad, el orificio del pozo también comprende un volumen del fluido de intercambio de calor en forma líquida, y una zona de gas sobre el volumen del fluido de intercambio de calor. En una modalidad, la zona de gas se encuentra a una presión más alta que la presión atmosférica. En otra modalidad, la zona de gas comprende un gas seleccionado de un grupo de consiste de aire, nitrógeno, argón, otros gases apropiados y una combinación de los mismos.

En una modalidad, el primer diámetro interno y el segundo diámetro interno tienen una relación seleccionada del grupo que consiste de 8.3, mayor que 1, mayor que 1.5, mayor que 2, y mayor que 2.5.

En otra modalidad, el pozo también comprende un sistema de extracción de energía acoplado en comunicación de fluidos con el conducto de producción.

En una modalidad, el conducto de producción comprende un material térmicamente aislante en al menos una porción de su longitud.

En una modalidad, el pozo también comprende un recinto entre el orificio del pozo y la tierra, en donde por lo menos una porción del recinto hace contacto directo con el ambiente subterráneo. En otra modalidad, por lo menos una porción del recinto está rodeado por una pared térmicamente conductora. En otra modalidad, el recinto no se puede perforar.

En una modalidad, por lo menos un conducto de inyección y el conducto de producción comprende características en la superficie. En otra modalidad, las características de la superficie comprenden hendiduras.

De conformidad con otro aspecto de la presente invención, se proporciona un método para capturar energía térmica que comprende los pasos de introducir a una primera velocidad, un fluido de intercambio de calor dentro del orificio del pozo a través de un conducto de inyección, en donde una porción del orificio del pozo está dispuesto en un ambiente subterráneo, y extraer, a una segunda velocidad, el fluido de intercambio de calor desde el orificio del pozo a través de un conducto de producción, en donde la segunda velocidad es más alta que la primera velocidad.

En una modalidad, una porción del ambiente subterráneo comprende una temperatura de por lo menos 148°C. En otra modalidad, el fluido de transferencia de calor comprende un fluido seleccionado del grupo que consiste de agua, alcohol, refrigerante y una combinación de los mismos.

En una modalidad, el método también comprende el paso de mantener una zona de gas sobre el volumen del fluido de intercambio de calor en el orificio del pozo, en donde el volumen del fluido de intercambio de calor está en forma líquida. En otra modalidad, la zona de gas está a una presión más alta que la presión atmosférica. En otra modalidad, la zona de gas comprende un gas seleccionado del grupo que consiste de aire, nitrógeno, argón, otros gases adecuados y una combinación de los mismos.

En una modalidad, el alcanzar la segunda velocidad más alta que la primera velocidad se logra con el conducto de inyección que tiene un diámetro que es diferente al diámetro del conducto de producción. En otra modalidad, el diámetro del conducto de inyección es más grande que el diámetro del conducto de producción. En otra modalidad, el diámetro del conducto de inyección y el diámetro del conducto de producción tiene una relación seleccionada del grupo que consiste de 8.3, mayor que 1, mayor que 1.5, mayor que 2 y mayor que 2.5.

En una modalidad, el método también comprende el paso de producir energía a partir del fluido de intercambio de calor extraído.

En otra modalidad, el método también comprende el paso del aislar una porción del conducto de producción.

En otra modalidad, el método también comprende los pasos de proporcionar un recinto entre el orificio del pozo y la tierra, y proporcionar una pared térmicamente conductora alrededor de una porción del recinto. En otra modalidad, el método también comprende los pasos de proporcionar un recinto entre el orificio del pozo y la tierra, y exponer una porción del exterior del recinto al ambiente subterráneo. En otra modalidad, el recinto no se puede perforar.

En una modalidad, el método también comprende el paso de proporcionar por lo menos un conducto de inyección y el conducto de producción con un área superficial mejorada.

Lo anterior ha señalado, ampliamente, las características y las ventajas técnicas de la presente invención, con el fin de que la descripción detallada de la invención a continuación se pueda comprender mejor. Las características y ventajas adicionales de la invención serán descritas después, las cuales forman parte de la materia de las reivindicaciones de la invención. Las personas experimentadas en la técnica podrán comprender que los conceptos y la modalidad específica descrita se puede utilizar como una base para modificar o diseñar otras estructuras para llevar a cabo los mismos propósitos de la presente invención. Las personas experimentadas en la técnica también podrán apreciar que tales construcciones equivalentes no se apartan del espíritu y del alcance de la invención, como se establece en las reivindicaciones anexas. Las características novedosas que se creen características de la invención, tanto en su organización como en el método de operación, junto con otros objetivos y ventajas se comprenderán mejor a partir de la siguiente descripción cuando se considera en conexión con las Figuras acompañantes. Sin embargo, se debe entender que cada una de las Figuras es provista con el propósito de ilustrar y describir y no tiene la intención de ser una definición de los límites de la presente invención.

Breve Descripción de los Dibujos Para una mejor comprensión de la presente invención, se hace ahora referencia a las siguientes descripciones, tomadas junto con los dibujos acompañantes, en los cuales: La Figura 1 muestra una sección transversal de un pozo de conformidad con una primera modalidad de la presente invención, el cual está conectado con un sistema de extracción de energía ejemplificativo, ilustrado esquemáticamente.

La Figura 2 ilustra la trayectoria de flujo del fluido de intercambio de calor en el pozo, de conformidad con una primera pluralidad de la presente invención, mostrada en la Figura 1.

Las Figuras 3A y 3B ilustran una primera configuración ejemplificativa del pozo, de conformidad con la presente invención.

Las Figuras 4A. 4B y 4C ilustran una segunda configuración ejemplificativa del pozo, de conformidad con la presente invención; y Las Figuras 5A y 5B ilustran una característica ejemplificativa que mejora la eficiencia de transferencia de calor de un pozo, de conformidad con las modalidades de la presente invención .

Descripción Detallada de la I nvenc ión Como se usan aquí , los términos "un", "una" , "el", "la" significan uno o más a menos que se especifique lo contrario.

La presente invención proporciona un sistema q ue es un sistema geotérmico de bucle cerrado útil para los estratos geotérmicos secos o húmedos. En una modalidad , el pozo com prende una pared moldeada completamente o parcialmente de concreto con un tapón de concreto en el fondo, una cabeza del pozo, y por lo menos dos conductos y pasajes que atraviesan la cabeza del pozo dentro del pozo. De los dos conductos, el primero es un conducto de inyección, que de preferencia , se extiende al nivel del estrato o profundidad del pozo, en donde la temperatura de la tierra es suficientemente alta para calentar al fluido de intercambio de calor en el pozo. El segundo es un conducto de salida que de preferencia, es más largo que el conducto de inyección y se extiende cerca del fondo del pozo. En una modalidad , los conductos de sal ida o de producción se terminan un poco antes del tapón de concreto en el fondo del pozo, para así no erosionar el tapón . En una modalidad , el diámetro del conducto de inyección es más grande que el diámetro del cond ucto de salida. La diferencia en tamaño (por ejemplo, la longitud y el diámetro) afecta la velocidad del fluido de intercambio de calor que se conduce de regreso a la superficie , por ejemplo, incrementa la velocidad del fluido saliente , lo cual reduce el tiempo en que el fluido calentado está en contacto con las superficies de temperatura más baja del pozo, tal como la región más fría en la parte superior del pozo, en donde entra el fluido de intercambio de calor.

En una modalidad alternativa, el conducto de inyección es más largo que el conducto de salida y se extiende hasta cerca del fondo del pozo, y se termina un poco antes del tapón de concreto. En esta modalidad, el diámetro del conducto de inyección y del conducto de salida, de preferencia, es el mismo o esencialmente el mismo. En otra modalidad, el conducto de inyección y el conducto de salida pueden tener la misma longitud.

Para también reducir la pérdida de calor, el pozo emplea una zona de gas en la región superior en ciertas modalidades, para aislar los dos conductos de entrada y de salida uno de otro. Además, esta zona de gas también está bajo alta presión para incrementar la temperatura de ebullición del fluido de intercambio de calor que ha sido calentado por la energía geotérmica en el pozo, lo cual mantiene el fluido de intercambio de calor saliente en una fase líquida y mantiene el sistema en estasis. El fluido de intercambio de calor producido contiene energía térmica de la tierra que se puede usar en cualquier variedad de procesos de producción de energía, dependiendo de la temperatura final de la superficie del fluido. Cuando se usa energía de calor a un nivel suficiente, el fluido se regresa hacia abajo para volver a ser calentado y el ciclo empieza otra vez. Aunque los sistemas de pozo de la presente invención se describen dentro del contexto de recuperar o extraer energía térmica, se contempla que los sistemas de pozo descritos se puedan usar en otras aplicaciones.

En una modalidad específica, con referencia a la Figura 1, el sistema 10 de pozo incluye uno o más pozos 12 extendidos dentro de la tierra hasta un área o estrato con una temperatura suficientemente alta para ser absorbida por el fluido de trabajo o de intercambio de calor. La profundidad y la ubicación de estas áreas de temperatura suficientemente alta por lo general, son bien conocidas o se determinan de conformidad con métodos conocidos. Asociado con uno o más de los pozos 12 se encuentra un sistema 14 de extracción de energía que recibe el fluido de intercambio de calor de temperatura más alta desde el pozo 12 y convierte la energía térmica del fluido en energía de un tipo más conveniente, usualmente electricidad. En una modalidad, la temperatura del estrato de interés de preferencia, está aproximadamente a por lo menos 148°C. En otras modalidades, sin embargo, la temperatura del ambiente circundante puede ser más baja, siempre que la temperatura sea útil para producir energía térmica. Por ejemplo, un fluido de intercambio de calor apropiado, por ejemplo, un refrigerante se puede usar para extraer la energía térmica del ambiente con una temperatura más baja que 148°C.

Con referencia a la Figura 1, el pozo 12 incluye un orificio del pozo 16 extendido dentro de la tierra hasta una región de temperatura alta o referencia con por lo menos la temperatura deseada. De preferencia, el orificio 16 del pozo se extiende por lo menos hasta el estrato calentado en la tierra, en donde la temperatura es de por lo menos aproximadamente 204°C. En la Figura 1, el recinto o tubería 18 está cementada en el perforación 16 del pozo con un forro 20 de cemento. De preferencia, el recinto 18 se imperfora para proporcionar la transferencia de calor a través del recinto, mientras evita el influjo de fluidos desde la tierra dentro del recinto 18 o evita el escape del fluido de trabajo del recinto 18 hacia la tierra. En una modalidad, el recinto 18 comprende un material de acero. Además, en ciertas modalidades, el recinto se puede forrar con o puede estar hecho de un material que resiste la corrosión para asegurar que el fluido de intercambio de calor circulado no se contamine por el ambiente circundante o se fugue hacia el ambiente circundante. La tubería de alta temperatura y el cemento son bien conocidos en la técnica, tal como en las operaciones geotérmicas actuales en California. En la modalidad preferida, esta tubería de alta temperatura y el cemento se usan en el sistema 10. En modalidades alternativas, se puede usar otra tubería de alta temperatura y cementos adecuados en el sistema 10.

El pozo 12 puede ser vertical o con base en los cálculos, experiencia y/u otras características de la formación, parte del pozo 12 puede incluir una o más secciones horizontales extendidas una distancia sustancial en la región de alta temperatura. El fondo o extremo de la cadena 18 de tubería puede estar cerrado con un tapón o tapón redondo, tal como el tapón 22, para proporcionar una cámara 24 cerrada en la tierra a través de la cual circula el fluido de intercambio de calor. El fluido de intercambio de calor puede ser de cualquier tipo apropiado. En la modalidad preferida, se usa líquido, por lo menos por la razón de que el volumen de líquido tiene una mayor capacidad de absorber el calor que el volumen equivalente del mismo material en la fase de gas. En la modalidad preferida, el fluido de intercambio de calor comprende agua. En modalidades alternativas, se pueden usar otros tipos apropiados del fluido de intercambio de calor o una combinación de los mismos, tal como alcohol y refrigerantes.

Con referencia a la Figura 1, el conducto 26 de entrada o de inyección se extiende a través de la cabeza 25 del pozo para suministrar el fluido de intercambio de calor de temperatura más baja desde el sistema 14 de extracción de energía hasta la cámara 24. El conducto 30 de salida o de producción también se extiende a través de la cabeza 28 del pozo para suministrar el fluido de intercambio de calor que tiene energía absorbida de la tierra desde el pozo 12 hasta el sistema 14 de extracción de energía. Como se ilustra en la Figura 1, el conducto 26 de entrada de preferencia, se extiende dentro del pozo 12 hasta la zona 32, en donde la temperatura de la tierra es suficientemente alta para transferir la energía térmica al fluido de intercambio de calor. En la modalidad preferida, la zona 32 es donde la temperatura de la tierra es aproximadamente el 40-60% de la temperatura de la temperatura sustentable máxima del pozo 12. Una forma para determinar la temperatura máxima del pozo 12 es determinar la temperatura sustentable cerca del fondo del pozo 12.

Por ejemplo, en una modalidad, la zona 32 está ubicada aproximadamente a la profundidad en donde la temperatura del ambiente circundante está dentro del intervalo de 204°C, cuando la temperatura de la tierra cerca del fondo del pozo 12 es de aproximadamente 408°C. en otra modalidad, la zona 32 está ubicada a una profundidad en donde la temperatura del ambiente circundante está dentro del intervalo de aproximadamente 93°C cuando la temperatura sustentable más alta cerca del fondo del pozo 12 está dentro del intervalo de aproximadamente 204°C. La determinación de la ubicación de la zona 32 depende de varios factores tal como la temperatura más alta sustentable cerca del fondo del pozo 12 y el volumen esperado del fluido de intercambio de calor en el sistema 10. Como tal, la profundidad de la zona 32 está configurada para los pozos individuales que dependen de las condiciones operativas del pozo particular.

Con referencia a la Figura 1, en una modalidad preferida, el conducto 26 de entrada tiene mayor capacidad que el conducto 30 de salida. En una modalidad, el conducto 26 de entrada tiene una mayor capacidad al tener un mayor diámetro que el diámetro del conducto 30 de salida. La diferencia en capacidad entre el conducto 26 de entrada y el conducto 30 de salida permite una velocidad más alta del fluido de trabajo calentado a través del conducto 30 de salida, lo cual reduce al mínimo el tiempo del fluido de intercambio de calor fuera del pozo 12 y en consecuencia, la pérdida de calor debido al fluido de intercambio de calor entrante desde el conducto 26 de entrada. Además, por lo menos uno de los conductos 26 y 30 de preferencia, quedan aislados térmicamente para evitar o reducir al mínimo la transferencia de calor desde el conducto 30 de salida hasta el conducto 26 de entrada. Por ejemplo, en una modalidad, el conducto 30 de salida puede quedar aislado térmicamente sobre el nivel, en donde hay una pérdida neta de calor desde el fluido de intercambio de calor hasta el ambiente. Una forma para aislar una porción del conducto 30 de salida es proporcionar una camisa térmica (no mostrada) alrededor de parte o todo el diámetro externo del conducto. En una modalidad, la camisa comprende un material de baja conductividad térmica. En otra modalidad, el aislamiento se alcanza a través del conducto 30 de producción que comprende un conducto de doble pared (no mostrado) por al menos una porción de su longitud. El espacio anular entre las paredes interna y externa pueden comprender un gas para reducir el intercambio térmico entre las paredes, tal como aire, nitrógeno, argón, otros gases adecuados o similares, o una combinación de los mismos. En forma alternativa, el espacio anular puede ser un vacío o casi vacio. En la modalidad preferida, solamente el conducto de producción puede estar aislado. Además, con referencia a la Figura 1, el conducto 26 de entrada y el conducto 30 de salida de preferencia, están arreglados para que las paredes de estos conductos 26 y 30 no hagan contacto entre sí para también reducir el intercambio de energía térmica entre el fluido interno relativamente más frío en el conducto 26 de entrada y el fluido externo relativamente más caliente en el conducto 30 de salida.

Con referencia a la Figura 1, el conducto 30 de salida se extiende más dentro del pozo 12 que el conducto 26 de entrada para optimizar el tiempo que el fluido de intercambio de calor pasa en el pozo 12 absorbiendo la energía térmica de la tierra. El tiempo es referido como el tiempo de residencia del fluido de intercambio de calor. Una forma para determinar el tiempo de residencia es dividir el volumen del recinto 18 por debajo del nivel 38 de líquido por el índice al cual se suministra el fluido a través del conducto 26 de entrada. En otras modalidades, el tiempo de residencia se puede determinar con otros medios. En la Figura 1, el nivel 38 de líquido es el nivel del fluido de intercambio de calor que se mantiene en el pozo 12 durante la operación de extracción de energía térmica. En una modalidad, el nivel 38 de líquido está en o aproximadamente alrededor de la ubicación en donde las pérdidas del conducto 30 de salida son excesivas. El tiempo de residencia efectivo del fluido en la cámara de intercambio de calor también se puede controlar al configurar el tamaño y la ubicación de los conductos de entrada y de salida y al regular el índice al cual circula el fluido a través de la pared geotérmica. Por lo menos la temperatura de formación y/o la temperatura deseada del fluido en la superficie afectan el tiempo de residencia. Por ejemplo, las formaciones con temperaturas más altas pueden permitir un menor tiempo de residencia mientras las formaciones de temperatura más baja pueden requerir un mayor tiempo de residencia y un menor índice de flujo. En forma similar, la temperatura más alta deseada del fluido de intercambio de calor en la superficie requiere mayor tiempo de residencia mientras un tiempo de residencia más corto puede ser suficiente para obtener la temperatura más baja deseada, dependiendo de la temperatura de la formación.

En otra modalidad, el pozo 12 también comprende una región llena de gas sobre el nivel 38 de líquido para también reducir la pérdida de calor del fluido de intercambio de calor que fluye a la superficie a través del conducto 30 de salida. Con referencia a la Figura 1, el sistema 10 comprende un sensor 42 en la cabeza 26 del pozo para determinar la ubicación del nivel 38 de líquido en el pozo 12 y un sistema 44 de inyección/liberación de gas para controlar la altura del nivel 38 de líquido y mantener el nivel 38 de líquido al nivel deseado. El sensor 42 puede ser de cualquier tipo tal como un generador de sonido o un receptor de eco.

En una modalidad, el sensor 42 incluye una guíalo alambre 46 de salida conectada con una válvula 48 de un motor, que es parte del sistema 44 para manipular la válvula 48 y suministrar el gas desde la fuente 50 a través de la cabeza 28 del pozo. En una modalidad, la válvula 48 es una válvula tipo tres vías con un puerto 52 que está abierto a la atmósfera para liberar el gas desde el pozo 12 cuando sea necesario o deseado. La operación de la válvula 48 permite que el sistema 44 controle la altura del nivel 38 de líquido en el pozo 12. Por ejemplo, cuando el sensor 42 detecta que el nivel 38 de líquido está sobre el nivel o altura deseada, puede alertar al sistema 44 que puede abrir la válvula 48 para inyectar el gas dentro del pozo 12. La adición del gas en el pozo 12 impulsa el líquido en el pozo 12, lo cual disminuye el nivel 38 de líquido. Por otra parte, cuando el sensor 42 detecta que el nivel 38 de líquido está por debajo del nivel o altura deseada, puede alertar al sistema 44, que puede ajustar la válvula 48 para liberar el gas desde el pozo 12 hacia la atmósfera. La liberación del gas desde el pozo 12 reduce la presión que actúa en el líquido en el pozo 12, lo cual permite que el nivel 38 de líquido se eleve. La altura deseada del nivel 38 de líquido está con base en varios factores operativos de un pozo particular. La zona de gas mantenida sobre el nivel 38 de líquido, de preferencia, proporciona una región de una transferencia de calor relativamente baja en la parte superior del pozo, lo cual mantiene la alta temperatura del fluido de intercambio de calor saliente.

En una modalidad, el gas inyectado dentro del pozo 12 comprende aire, nitrógeno, argón cualquier otras composiciones de gas apropiadas o similares, o una combinación de los mismos. El tipo o composición del gas inyectado puede depender por lo menos en parte a las condiciones particulares del pozo, el ambiente circundante y/o los recursos disponibles. En la modalidad preferida, el gas inyectado se encuentra bajo alta presión, por ejemplo, mayor que la presión atmosférica, para establecer y mantener una zona de gas de alta presión sobre el nivel 38 de liquido. La presión se puede determinar al menos por las condiciones operativas de un pozo particular y/o la temperatura de salida deseada. La zona de alta presión evita la evaporación prematura del líquido de intercambio de calor, ya que la zona de alta presión incrementa el punto de ebullición del fluido de intercambio de calor, tal como el agua. Como tal, la zona de alta presión se puede mantener al nivel que mantiene el fluido de intercambio de calor en la fase líquida cuando sale del pozo 12 a través del conducto 30 de salida. En la modalidad en donde se emplea la zona de alta presión, la presión del líquido de intercambio de calor también se puede ajusfar para mantener el nivel 38 de líquido en una región deseada. La zona de gas de alta presión sobre el nivel 38 de líquido también ayuda a mantener el sistema 10 en estasis al mantener el fluido de intercambio de calor en la fase líquida, lo cual mantiene el fluido entrante en la misma fase que el fluido saliente. Además, la zona de gas de alta presión sobre el nivel 38 de líquido también proporciona el aislamiento para reducir al mínimo el intercambio de energía térmica entre el conducto 26 de entrada y el conducto 30 de salida, además de cualquier otro mecanismo de aislamiento que se pueda emplear, tal como una camisa o porciones de pared doble. La presión óptima o deseada varía con cada pozo y depende de las condiciones operativas y/o la temperatura deseada del fluido de intercambio de calor en la superficie.

El sistema 14 de extracción de energía puede ser un tipo convencional que comprende un tambor 54 de evaporación conectado con el conducto 30 de salida para evaporar el vapor del fluido de intercambio de calor saliente. El tambor 54 de evaporación se puede conectar con un ensamble 56 de turbina del generador o algún otro mecanismo operado por vapor para producir energía o capturar la energía térmica en alguna otra forma. Además de capturar la energía térmica, el sistema 14 de extracción de energía puede incluir componentes de baja presión para producir trabajo adicional del fluido extraído en la región deseada. Por ejemplo, se puede usar un segundo proceso para capturar el fluido de intercambio de calor de presión más baja y de temperatura más baja después de que ha pasado a través del tambor 54 de evaporación, para convertir por lo menos una porción del calor restante en trabajo adicional, por ejemplo, a través del intercambiador de calor que tiene un punto de ebullición más bajo.

Después de pasar a través del tambor 54 de evaporación, todo el fluido de intercambio de calor producido se regresa al pozo 12 a través del conducto 26 de entrada. El sistema 10 puede incluir otros componentes, tal como condensadores y/o bombas, representadas como el elemento 60 en la Figura 1, que se usan para procesar el fluido de intercambio de calor antes de regresarlo al pozo 12. El tipo de equipo puede estar con base por lo menos en las condiciones operativas de un pozo particular, el ambiente circundante y/o los recursos disponibles.

La Figura 2A ilustra e flujo del fluido de intercambio de calor a través de un pozo ejemplificativo de la presente invención. En la Figura 2A, hay una pared 200 vertical en el recinto 260 que está cementada en su lugar con una cubierta 240 de cemento y se tapa con una tapa o tapón 220. El conducto 205 de entrada suministra el fluido de trabajo o el fluido 210 de intercambio de calor que se conduce a través del conducto 205 de entrada y sale por el extremo 215 del conducto 205 de entrada para entrar en el pozo 200 y fluir hacia el fondo del pozo 200. El fluido 210 de intercambio de calor absorbe la energía térmica desde la tierra cuando está en el pozo 200. Después de absorber la energía térmica, el fluido 210 de intercambio de calor regresa a la superficie a través del conducto 230 de salida. Como se muestra, la entrada 235 del conducto 230 de entrada es más profunda en la región subterránea (es decir, después de la superficie 240) que el extremo 215 del conducto 205 de entrada. También, el diámetro del conducto 230 de salida es menor que el diámetro del conducto 230 de entrada.

En una modalidad, la formación subterránea tiene agua 245 subterránea, lo cual mejora la transferencia de energía térmica desde la tierra hasta el fluido de intercambio de calor. En otra modalidad, el pozo 200 también comprende una zona 250 de gas de alta presión sobre el nivel 270 de liquido. Como se describe antes, la zona 250 de gas de alta presión mejora las operaciones del sistema al menos al proporcionar el aislamiento y mantener el fluido de intercambio de calor saliente en la fase líquida. Como se describe antes y como se muestra en la Figura 2B; el diámetro del conducto 230 de salida de preferencia, es menor que el diámetro del conducto 205 de entrada. La diferencia en capacidad entre el conducto 205 de entrada y el conducto 230 de salida permiten una velocidad más alta del fluido 210 de trabajo calentado a través del conducto 230 de salida, lo cual reduce al mínimo el tiempo de viaje del fluido 210 de intercambio de calor fuera del pozo 200 y en consecuencia, la pérdida de calor debido al fluido 210 de intercambio de calor entrante desde el conducto 205 de entrada. En la modalidad preferida, el recinto 250 es no se puede perforar, lo cual evita que el fluido 210 de intercambio de calor se escape hacia el ambiente circundante o la contaminación del fluido 210 de intercambio de calor por partículas o fluidos del ambiente circundante.

Como se describe antes, el pozo 200 también puede comprender el aislamiento térmico para el por lo menos un conducto 230 de salida. Aunque la Figura 2A muestra porciones del conducto 205 de entrada y del conducto 230 de salida sobre el pozo 200 adyacente uno al otro, otras modalidades pueden disponer estas porciones de los conductos para estar separadas y/o aisladas. La longitud del conducto 230 de salida se puede determinar con base en por lo menos el índice de flujo, el diámetro de los conductos y/o los datos de modelado para ese sistema.

Las Figuras 3A y 3B muestran una modalidad de la construcción de la pared geotérmica de conformidad con la presente invención. En la Figura 3A, se encuentra un recinto 300 en el orificio 310 abierto. El recinto 300 de preferencia, está hecho de acero. En lugar de cementar el recinto 300 en el orificio 310 abierto a lo largo de esencialmente la longitud completa del recinto 300, que con frecuencia se lleva a cabo con métodos convencionales, el recinto 300 se cementa cerca de la parte superior y se tapa con cemento por su fondo, como se muestra en la Figura 3B y se describe después, lo cual es suficiente para sostener el recinto 300 en su lugar en el orificio abierto o en el orificio 310 de pozo. Con referencia a las Figuras 3A y 3B, una forma para alcanzar el cementado selectivo del recinto 300 es insertar el conducto 320 dentro del recinto 300 para primero introducir cemento dentro del espacio 380 anular entre el orificio 310 abierto y la pared externa del recinto 300 para formar una región 360 superior cementada. Después, el material 340 térmicamente conductor se introduce en el espacio 380 anular a través del conducto 320 para llenar esencialmente el espacio 380 anular para formar la pared 370 que rodea por lo menos una porción del recinto 300. La pared 370 comprende un material 340 térmicamente conductor. Después de que se ha suministrado suficiente material 340 térmicamente conductor en el espacio 380 anular, se introduce el cemento 330 a través del conducto 320 para formar la base 350 de cemento en el fondo del recinto 300. La configuración del pozo mostrada en las Figuras 3A y 3B, proporciona un sistema térmicamente conductor más eficiente al reemplazar el material térmicamente no conductor con un material térmicamente conductor más eficiente mientras todavía se permite que el recinto 300 sea sostenido en su lugar en el orificio 310 abierto con suficiente cemento del recinto 300 cerca de la parte superior y la parte inferior del orificio 310 abierto.

Las Figuras 4A, 4B y 4C muestran, en forma similar, otra modalidad de la configuración del pozo mostrada en las Figuras 3A y 3B. en esta modalidad, el material térmicamente conductor que forma la pared térmicamente conductora comprende agua. Con referencia a las Figuras 4A-4C, una forma para lograr la pared térmicamente conductora que comprende agua, es primero introducir cemento 430 dentro del espacio 480 anular entre el orificio 410 abierto y la pared externa del recinto 400 a través del conducto 420 para formar una región 460 superior cementada. Después, se introduce el agua dentro del espacio 480 anular a través del conducto 420 para llenar esencialmente el espacio 480 anular para formar la pared 470 que rodea por lo menos una porción del recinto 400. El agua puede proporcionar una ventaja en ciertos sistemas de la presente invención, ya que se absorbe rápidamente en la formación debido a la presión osmótica que se desarrolla como resultado de un alto contenido de sal de la formación y del agua. Como resultado, cuando el agua se absorbe en la formación circundante, por lo menos una porción del ambiente subterráneo en donde el pozo geotérmico está situado, se puede colapsar o hinchar sobre el recinto 400, lo cual proporciona el contacto térmico directo entre el recurso geotérmico y el recinto 400, como se muestra en la Figura 4C. después de que se suministra la cantidad suficiente o deseada de agua en el espacio 480 anular o después de que se alcanza el colapso o hinchado deseado de la formación circundante, se suministra cemento 430 adicional a través del conducto 420 para formar la base 450 de cemento en el fondo del recinto 400. La configuración del pozo mostrada en las Figuras 4A, 4B y 4C incrementa la conductividad térmica entre la tierra y el sistema de extracción térmica y elimina la necesidad de un fluido o material intermedio entre la tierra y el recinto. Esto se logra al reemplazar una cantidad sustancial del cemento que rodea al recinto 400 mientras permite que el recinto 400 sea sostenido en su lugar en el orificio 410 abierto con suficiente cemento del recinto 400 cerca de la parte inferior y superior del orificio 410 abierto. En forma alternativa, un fluido o material intermedio se puede usar cuando así lo dictan las condiciones de formación u otras consideraciones logísticas.

En una modalidad, la relación del diámetro interno del conducto de inyección (señalada "A") con el diámetro interno del conducto de producción (señalado "B") de las diferentes modalidades de la presente invención, expresada como A:B es mayor que 1. En una modalidad, A:B es mayor que 1.5. En otra modalidad, A:B es mayor que 2. De preferencia, A:B es mayor que 2.5. En el ejemplo provisto a continuación, A:B es igual que 2.667 (es decir, 8:3). Sin embargo, en otras modalidades, A:B es mayor que 3. En otra modalidad, A:B es mayor que 3.5. En otras modalidades, A:B es mayor que 4, mayor que 5 y en varias otras modalidades, A: B es mayor que 6, 7, 8, 9, 10, 20, 50 y 100, respectivamente.

EJEMPLO 1 A continuación se proporciona una modalidad preferida. En este ejemplo, la relación del diámetro del conducto de inyección para el diámetro del conducto de producción es 8:3, con el uso de una tubería de recinto de 43 cm como el depósito. Este ejemplo utiliza tres tamaños de tuberías, definidos por el diámetro (ID) interno. Utiliza una tubería de 43.18 cm que sirve como la tubería del pozo encerrada, una tubería de 20.32 cm que sirve como el conducto de inyección y una tubería de 7.62 cm que sirve como el conducto de tubo de producción.

Con respecto a la tubería de 43 cm encerrada, tiene 0.044652 por metro lineal. Hay 0.0037854 m3 de liquido en 3.78 litros, lo cual resulta en aproximadamente 44.58 litros por metro lineal de la tubería de 43 cm. Debido a que hay 1609 m, hay 235423298 litros por 1.609 km. A una velocidad de flujo de 3780 litros por minuto, se toman 62.281 minutos para que una molécula de agua viaje a través de 1.609 km de una tubería de 43 cm encerrada del pozo. Esto resulta en una velocidad de 1544 m por hora.

Con respecto al conducto de tubería de inyección de 20.32 cm, el conducto tiene 98.882 m3 por metro lineal. Otra vez, hay 235423298 litros por 1.609 km, se producen 9.874 litros por metro lineal. Esto produce 52133 litros en un kilómetro del conducto de tubo de inyección de 20.32 cm. A un índice de flujo de 3780 litros por minuto, se toman 13.762 minutos para que una molécula de agua viaje a través de 1.609 metros del conducto de tubo de inyección de 20.32, correspondiente a una velocidad de 7016 metros por hora.

El conducto de tubo de producción de 7.62 cm tiene 0.0013905 m3 por metro lineal. Con el uso de 235423298 litros por 1.609 km, se producen 1.388 litros por metro lineal. Esto produce 7331 litros en un kilómetro del conducto de tubo de producción de 7.62 cm. A un índice de flujo de 3780 litros por minuto, se toman 1.939 minutos para que una molécula de agua viaje a través de 1.609 metros del conducto de tubo de producción de 7.62, correspondiente a una velocidad de 49797 metros por hora.

Las velocidades diferenciales en el conducto del tubo de producción y el conducto del tubo de inyección mejoran la eficiencia de la transferencia de calor del calor del depósito desde el depósito hasta la superficie. En particular, la diferencia en las velocidades proporciona un tiempo de residencia relativamente corto del fluido de trabajo en el conducto del tubo de producción, lo cual disminuye las pérdidas de transferencia de calor, lo que resulta en una mayor eficiencia en la captura de calor.

La presente invención es conveniente cuando se utiliza solamente para extraer calor del depósito sin extraer fluidos del depósito, tal como agua fuera del depósito. Utiliza un fluido de trabajo reciclado como el medio de transferencia de calor y es útil para fuentes de calor poco profundas y profundas. La modalidad preferida hace uso de un pozo vertical y crea una trayectoria de flujo para el fluido de trabajo dentro del depósito a presiones más altas. Sin embargo, se debe apreciar que esta invención se puede aplicar en cualquier otra geometría del pozo. La modalidad preferida usa un pozo encerrado con un tapón en el fondo para el aislamiento del ambiente externo.

Además, ciertas modalidades pueden emplear tuberías o conductos con áreas de superficie mejoradas que proporciona una mejor eficiencia de la transferencia de calor. En una modalidad, el área superficial mejorada o mayor se logra al "formar hendiduras" la superficie del conducto o tubería. Una configuración de "hendidura" ejemplificativa se ilustra en la Figura 5A. En una modalidad, la tubería 500 comprende hendiduras 510 como se ilustra en la Figura 5A. Otra modalidad se muestra en la Figura 5B, en donde las cavidades 520 de las hendiduras 510 están configuradas para tener una curvatura que alcanza un patrón de flujo, como se muestra por las flechas. Esta configuración proporciona un canal 530 a través del cual puede entrar el fluido. Este canal 530 mejora el flujo del fluido al reducir la fricción entre el fluido y la superficie interna de la tubería, así como proporciona un diámetro de flujo efectivamente menor, que puede incrementar la velocidad del fluido. Aunque las hendiduras de las tuberías son preferidas, se debe entender que se pueden emplear otras características de superficie puedan incrementar el área superficie. Además de incrementar el área superficial en ambas paredes (interior y exterior) de la tubería, el uso de las hendiduras u otras características de superficie que mejoran el área superficial, que resulten cuando el fluido de trabajo entra en las características 520 de superficie interior. En forma alternativa, se pueden usar aletas metálicas (o de otra composición) acopladas con la pared del conducto extendido dentro de la tierra para una mejor transferencia de calor.

Aunque se han descrito con detalle la presente invención y sus ventajas, se debe entender que se pueden realizar varios cambios, sustituciones y alteraciones en la misma sin apartarse del espíritu y el alcance de la invención como se define en las reivindicaciones anexas. Además, el alcance de la presente invención no tiene la intención de estar limitado a las modalidades particulares del preferencia, máquina, fabricación, composición de la materia, medios, métodos y pasos descritos en la especificación. Como lo podrán apreciar las personas experimentadas en la técnica a partir de esta invención, los procesos, máquinas, fabricación, composiciones del material, medios, métodos o pasos existentes o desarrollados en el futuro que lleven a cabo la misma función o que alcancen esencialmente el mismo resultado se pueden utilizar de conformidad con la presente invención. De conformidad con esto, las reivindicaciones anexas tienen el propósito de incluir dentro de su alcance tales procesos, máquinas, fabricación, composiciones del material, medios, métodos o pasos.

Claims (29)

REIVINDICACIONES

1. Un pozo extendido desde una ubicación en o cerca de la superficie de la tierra hasta un ambiente subterráneo, el pozo está caracterizado porque comprende: una cabeza del pozo en o sobre la superficie de la tierra; un orificio del pozo extendido desde la superficie de la tierra hasta la ubicación subterránea; un conducto de inyección dispuesto en el orificio del pozo, una porción del conducto de inyección está extendida desde la superficie en una primera ubicación en el ambiente subterráneo, en donde el conducto de inyección tiene un primer diámetro interno; un conducto de producción dispuesto en el orificio del pozo, una porción del conducto de producción está extendida desde la superficie hasta una segunda ubicación en el ambiente subterráneo, en donde el conducto de producción tiene un segundo diámetro interno; en donde el conducto de producción está acoplado en comunicación de fluidos con el conducto de inyección a través del orificio del pozo, el primer diámetro interno es mayor que el segundo diámetro interno.

2. El pozo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el pozo también comprende un fluido de intercambio de calor.

3. El pozo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el fluido de transferencia de calor comprende un fluido seleccionado del grupo que consiste de agua, alcohol, refrigerante y combinaciones de los mismos.

4. El pozo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el orificio del pozo también comprende: un volumen de fluido de intercambio de calor en forma liquida; y una zona de gas ubicada sobre el volumen del fluido de intercambio de calor.

5. El pozo de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la zona de gas es una presión más alta que la presión atmosférica.

6. El pozo de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la zona de gas comprende un gas seleccionado del grupo que consiste de aire, nitrógeno, argón, otros gases apropiados y una combinación de los mismos.

7. El pozo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el primer diámetro interno y el segundo diámetro interno tiene una relación seleccionad del grupo que consiste de 8:3, mayor que 1, mayor que 1.5, mayor que 2 y mayor que 2.5.

8. El pozo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque además comprende un sistema de extracción de energía acoplado en forma fluida en el conducto de producción.

9. El pozo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el conducto de producción comprende un material térmicamente aislante por al menos una porción de su longitud.

10. El pozo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un recinto entre el orificio del pozo y la tierra, en donde por lo menos una porción del recinto hace contacto directo con el ambiente subterráneo.

11. El pozo de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el recinto no se puede perforar.

12. El pozo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un recinto entre el orificio del pozo y la tierra, en donde por lo menos una porción del recinto queda rodeada por la pared térmicamente conductora.

13. El pozo de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el recinto no se puede perforar.

14. El pozo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque por lo menos uno del conducto de inyección y el conducto de producción comprende características de superficie.

15. El pozo de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque las características de superficie comprenden hendiduras.

16. Un método para capturar energía térmica caracterizado porque comprende: introducir, a una primera velocidad, un fluido de intercambio de calor dentro del orificio del pozo a través del conducto de inyección, en donde una porción del orificio del pozo está dispuesta en un ambiente subterráneo; y extraer, a una segunda velocidad, el fluido de intercambio de calor desde el orificio del pozo a través del conducto de producción; en donde la segunda velocidad es más alta que la primera velocidad.

17. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el fluido de transferencia de calor se selecciona del grupo que consiste de agua, alcohol, refrigerante y combinaciones de los mismos.

18. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende el paso de: mantener una zona de gas sobre el volumen del fluido de intercambio de calor en el orificio del pozo, en donde el volumen del fluido de intercambio de calor está en forma líquida.

19. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque la zona de gas está a una presión más alta que la presión atmosférica.

20. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque la zona de gas comprende un gas seleccionado del grupo que consiste de aire, nitrógeno, argón, otros gases apropiados y una combinación de los mismos.

21. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque la segunda velocidad es más alta que la primera velocidad y se logra al menos por un conducto de inyección que tiene un diámetro que es diferente del diámetro del conducto de producción.

22. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el diámetro del conducto de inyección y el diámetro del conducto de producción tiene una relación seleccionada del grupo que consiste de 8:3, mayor que 1, mayor que 1.5, mayor que 2 y mayor que 2.5.

23. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende el paso de producir energía del fluido de intercambio de calor extraído.

24. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende el paso de aislar una porción del conducto de producción.

25. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende los pasos de: proporcionar un recinto entre el orificio del pozo y la tierra; y proporcionar una pared térmicamente conductora alrededor de una porción del recinto.

26. El método de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque el recinto no se puede perforar.

27. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende los pasos de: proporcionar un recinto entre el orificio del pozo y la tierra; y exponer una porción del exterior del recinto al ambiente subterráneo.

28. El método de conformidad con la reivindicación 27, caracterizado porque el recinto no se puede perforar.

29. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende el paso de proporcionar por lo menos un conducto de inyección y un conducto de producción con un área superficial mejorada.