(57)【要約】【課題】地熱用途で使用するのに適している坑井孔合成技術を提供する。【解決手段】裸坑掘削坑井孔が掘削している間にシーリングされ、坑井孔/地層界面のところに不浸透性層を形成する実施形態が提供される。これらの技術は、化学的、熱的、機械的、生物学的な技術であるものとしてよく、地層をその透過性に関して不可逆的に損傷することが完全に意図されている。透過性が無効にされた場合、坑井孔は、坑井ケーシングが存在していない状態で運転可能である閉ループ表面間地熱坑井を掘削し、循環する作動流体への熱伝達を最大化するために使用され得る。作動流体および掘削流体に対する配合が開示されている。【選択図】図６
2020007902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地熱の熱回収に適した地層内に坑井孔を掘削するための方法であって、
熱的機構、機械的機構、化学的機構、および生物学的機構のうちの少なくとも1つを使用して前記坑井孔を掘削しながら前記坑井孔への不可逆的地層損傷を誘発するステップと、
前記坑井孔と流体に対して実質的に不透過性である前記地層との間に界面を形成するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記坑井孔は閉ループ、連続的回路であり、前記界面は少なくとも前記ループの注入口坑井と排出口坑井との間に延在する請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記機構は、化学的機構である請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記化学的機構は、アルカリケイ酸塩ベースの掘削流体を利用するステップを含む請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記アルカリケイ酸塩ベースの掘削流体は、カリウム、ナトリウム、およびアルミノケイ酸ナトリウムのうちの少なくとも1つを含む請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記掘削流体は、水中に0.3質量%から9質量%を含む請求項4に記載の方法。
【請求項７】
前記掘削流体は、水中に3質量%から6質量%を含む請求項6に記載の方法。
【請求項８】
前記掘削流体は、10.5以上のpHを有する請求項6に記載の方法。
【請求項９】
さらなる化学的単位操作で形成された界面のシーリング容量および機械的完全性を増強させるステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
前記さらなる化学的単位操作は、塩化カルシウムブライン、酸、CO2、界面活性剤、およびエステルのうちの少なくとも1つで前記界面を処理するステップを含む請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
前記化学的単位操作は、前記形成された界面に化学的に結合することができる化合物で前記形成された界面を処理するステップを含む請求項9に記載の方法。
【請求項１２】
前記化合物は、剥離フライアッシュを含む請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
前記化合物は、表面活性化グラフェン、グラフェン酸化物、カーボンファイバー、およびこれらの混合物のうちの少なくとも1つを含む請求項11に記載の方法。
【請求項１４】
使用中に不透過性を維持するために界面維持添加剤を含む前記坑井孔内に作動流体を循環させるステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項１５】
必要になったときに前記坑井孔の構造的完全性を維持するために十分な圧力に前記坑井孔内の作動流体圧力を維持するステップをさらに含む請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
前記作動流体は、
a)前記流体と周囲地層との間の温度差および熱伝達を最大化する、10MPaより大きい圧力、および180℃より低い温度における、前記注入口坑井と前記排出口坑井との間の相互接続坑井孔セクション内の実質的に非線形の温度エンタルピー関係、
b)高圧で吸熱反応であり、前記高圧に比べて低い圧力で発熱反応である、圧力に敏感な可逆反応を受けることができること、
c)前記相互接続坑井セグメント内で吸熱反応である化学吸収反応を含む流体混合物、
d)温度依存可溶性を有し、その結果前記接続セクション内で吸熱反応をもたらす、水性電解質溶液、
e)高い剪断力に曝されたときに低下しない乱流抗力低減組成物を含む水性流体、
f)超臨界流体、
g)アンモニア-エタン混合物、
h)a)〜g)の機能的組合せを含む群から選択された少なくとも1つの特性を有する請求項14に記載の方法。
【請求項１７】
前記超臨界流体はCO2である請求項16に記載の方法。
【請求項１８】
使用中に不透過性を維持するために界面維持添加剤を含む前記坑井孔内に作動流体を循環させるステップをさらに含む請求項9に記載の方法。
【請求項１９】
前記界面維持添加剤は、前記界面の任意の透過性の損なわれたエリアの自己回復を誘発する請求項14に記載の方法。
【請求項２０】
前記界面維持添加剤は、前記界面の任意の透過性の損なわれたエリアの自己回復を誘発する請求項18に記載の方法。
【請求項２１】
前記界面維持添加剤は、掘削プロセスから残っている未反応アルカリケイ酸塩を沈殿させる請求項14に記載の方法。
【請求項２２】
地熱の熱回収に適した地層内に注入口坑井および排出口坑井を備える坑井を形成するための方法であって、
化学的機構を使用して坑井孔を掘削し前記坑井孔と流体に対して実質的に不透過性である前記地層との間に界面を形成しながら前記注入口坑井と前記排出口坑井との間に延在する前記坑井孔への不可逆的地層損傷を誘発するステップと、
前記界面のシーリング能力および機械的完全性を増強させるため前記界面により沈殿形成を誘発することができる前記坑井孔内で化学組成物を循環させるステップと、
前記坑井内の作動流体の循環中に不透過性を維持するための界面維持添加剤を含むシーリングされた坑井孔内で前記作動流体を循環させるステップとを含む、方法。
【請求項２３】
前記坑井は閉ループ、連続的回路であり、前記界面は少なくとも前記ループの注入口坑井と排出口坑井との間に延在する請求項22に記載の方法。
【請求項２４】
前記作動流体は、
a)前記流体と周囲地層との間の温度差および熱伝達を最大化する、10MPaより大きい圧力、および180℃より低い温度における、前記注入口坑井と前記排出口坑井との間の相互接続坑井孔セクション内の実質的に非線形の温度エンタルピー関係、
b)高圧で吸熱反応であり、前記高圧に比べて低い圧力で発熱反応である、圧力に敏感な可逆反応を受けることができること、
c)前記相互接続坑井セクション内で吸熱反応である化学吸収反応を含む流体混合物、
d)温度依存可溶性を有し、その結果前記相互接続坑井セクション内で吸熱反応をもたらす、水性電解質溶液、
e)高い剪断力に曝されたときに低下しない乱流抗力低減組成物を含む水性流体、
f)超臨界流体、
g)アンモニア-エタン混合物、
h)a)〜g)の機能的組合せを含む群から選択された少なくとも1つの特性を有する請求項23に記載の方法。
【請求項２５】
前記超臨界流体はCO2である請求項24に記載の方法。
【請求項２６】
前記坑井孔は、相隔てて並ぶ注入口坑井および排出口坑井および前記注入口坑井と前記排出口坑井とを相互接続するラテラル坑井を備える閉ループU字形坑井、閉じた末端を備えるL字形坑井、チューブインチューブ型坑井、配置構成、別のグループ部材の入力坑井に接続されている前記グループ内の出力坑井部材と間隔を空けて並ぶ関係にあるグループ化された閉ループU字形坑井、それぞれの注入口坑井および排出口坑井に共通に接続される複数のラテラル坑井を有する閉ループU字形坑井、熱的接触のために少なくとも部分的に互いに噛み合う前記ラテラルと配置構成されている前記複数のラテラル坑井と配置構成されているそれぞれの注入口坑井および排出口坑井に共通に接続されている複数のラテラル坑井を有する複数の閉ループU字形坑井、およびこれらの組合せのうちの少なくとも1つを含む請求項1に記載の方法。
【請求項２７】
前記閉ループ内で循環する前記作動流体からの熱エネルギーを貯蔵し、使用し、および/または変換するためのデバイスを組み込むステップをさらに含む請求項26に記載の方法。
【請求項２８】
前記坑井孔は、相隔てて並ぶ注入口坑井および排出口坑井および前記注入口坑井と前記排出口坑井とを相互接続するラテラル坑井を備える閉ループU字形坑井、閉じた末端を備えるL字形坑井、チューブインチューブ型坑井、配置構成、別のグループ部材の入力坑井に接続されている前記グループ内の出力坑井部材と間隔を空けて並ぶ関係にあるグループ化された閉ループU字形坑井、それぞれの注入口坑井および排出口坑井に共通に接続される複数のラテラル坑井を有する閉ループU字形坑井、熱的接触のために少なくとも部分的に互いに噛み合う前記ラテラルと配置構成されている前記複数のラテラル坑井と配置構成されているそれぞれの注入口坑井および排出口坑井に共通に接続されている複数のラテラル坑井を有する複数の閉ループU字形坑井、およびこれらの組合せのうちの少なくとも1つを含む請求項23に記載の方法。
【請求項２９】
前記閉ループ内で循環する前記作動流体からの熱エネルギーを貯蔵し、使用し、および/または変換するためのデバイスを組み込むステップをさらに含む請求項28に記載の方法。
【請求項３０】
地層内の割れ目形成技術によって形成される割れ目セクション、未固結岩石、および砂のうちの少なくとも1つを含む坑井を改善するための方法であって、
前記坑井と、割れ目セクション、未固結岩石、および砂のうちの前記少なくとも1つの細孔空間とを、前記セクションに沈殿不浸透性界面を形成することができる第1の化学組成物で処理するステップと、
第2の化学組成物で前記界面を処理してすべての未反応の第1の化学組成物を沈殿させてさらに前記界面をシーリングするステップとを含む方法。
【請求項３１】
前記第1の化学組成物は、アルカリケイ酸塩流体である請求項30に記載の方法。
【請求項３２】
前記アルカリケイ酸塩流体は、カリウム、ナトリウム、アルミノケイ酸ナトリウムのうちの少なくとも1つを含む請求項31に記載の方法。
【請求項３３】
前記第2の化学組成物は、塩化カルシウムブライン、酸、CO2、界面活性剤、およびエステルのうちの少なくとも1つを含む請求項30に記載の方法。
【請求項３４】
割れ目、未固結岩石および砂、流体連通している注入口坑井および排出口坑井のうちの少なくとも1つを有する割れ目形成ベースの地熱坑井を閉ループ地熱坑井に転換するための方法であって、
前記注入口坑井と前記排出口坑井との間および割れ目、未固結岩石および砂のうちの前記少なくとも1つの中に沈殿不浸透性界面を形成することができる第1の化学組成物を導入するステップであって、それによって、閉じられシーリングされたループは割れ目、未固結岩石および砂、注入口坑井、前記排出口坑井、ならびにその間のエリアのうちの前記少なくとも1つにより形成される、ステップと、
第2の化学組成物で前記界面を処理してすべての未反応の第1の化学組成物を沈殿させてさらに前記界面をシーリングするステップとを含む方法。
【請求項３５】
前記界面と反応して前記界面において沈殿反応を誘発することができる作動流体を前記閉ループ内に循環させるステップをさらに含む請求項34に記載の方法。
【請求項３６】
前記閉ループ内で前記作動流体を連続的に循環させるステップをさらに含む請求項34に記載の方法。
【請求項３７】
前記閉ループ内で循環する前記作動流体からの熱エネルギーを貯蔵し、使用し、および/または変換するためのデバイスを組み込むステップをさらに含む請求項36に記載の方法。
【請求項３８】
前記注入口坑井から前記排出口坑井へ掘削して前記注入口坑井から前記排出口坑井まで連続する坑井孔ループを形成するステップを任意選択で含む請求項34に記載の方法。
【請求項３９】
注入口坑井および排出口坑井を有する地熱坑井を形成する方法であって、
前記注入口坑井と前記排出口坑井との間の裸坑坑井孔をシーリングすることができる掘削流体を提供するステップと、
前記裸坑坑井孔を掘削しながらシーリングして前記坑井孔の内側と周囲地層との間に不浸透性界面を形成するステップとを含む方法。
【請求項４０】
前記界面における第2のシーリング作業を誘発するステップをさらに含む請求項39に記載の方法。
【請求項４１】
前記界面における第3のシーリング作業を誘発するステップをさらに含む請求項39に記載の方法。
【請求項４２】
前記第3のシーリング作業は、前記坑井内で流体が循環しているときに動的に行われる請求項41に記載の方法。
【請求項４３】
エネルギー回収のために地熱地層内に坑井を形成する方法であって、
地熱地層内に裸坑坑井孔を掘削するステップと、
反応性化学組成物を前記坑井孔内に導入して反応を引き起こし、前記坑井孔と前記地層との間に流体不浸透性界面を形成するステップであって、前記界面は未反応の反応性化学組成物を含む、ステップと、
前記界面のさらなる形成のために前記未反応の反応性化学組成物と反応することができる作動流体を前記坑井孔内に導入するステップとを含む方法。
【請求項４４】
前記未反応の反応性化学組成物は、前記界面と前記地層との間の中間にある請求項43に記載の方法。
【請求項４５】
前記坑井は閉ループ、連続的回路であり、前記界面は少なくとも前記ループの注入口坑井と排出口坑井との間に延在する請求項43に記載の方法。
【請求項４６】
前記作動流体は前記閉ループ内で循環し、前記地層内から熱エネルギーを捕捉し、前記界面の未反応の反応性化学組成物との反応を通じてシール完全性を維持する請求項45に記載の方法。
【請求項４７】
前記作動流体は、可変方式で前記ループ内で循環する請求項46に記載の方法。
【請求項４８】
前記可変方式は、静止期間を含む請求項47に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地熱坑井孔掘削に関するものであり、より具体的には、本発明は、改善された熱的および機械的特性を有し、それに加えて作動流体配合を有する、高効率の地熱坑井孔を掘削するために所与の地層の透過性を改質するための方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地熱エネルギー回収は、エネルギーを捕捉する魅力的な方法であり、再生可能なエネルギーであるという側面を考慮すると環境に関する明確なアピール力を有する。
【０００３】
従来技術では、透過性、坑井の幾何学的形状、作動流体、マルチラテラル坑井構成、および電力生産に関する多数の課題に重点的に取り組んできた。これらの課題を解消する試みの例について次に説明する。
【０００４】
最初に、地層損傷に関して、Badalyanらは、Laboratory Study on Formation Damage in Geothermal Reservoirs Due to Fines Migration、Proceedings World Geothermal Congress 2015 Melbourne、Australia、2015年4月19日〜25日において、次のように教示している。
「ここで、われわれは、地熱貯留層における地層損傷を評価するための新しい方法を提示する。地層損傷は、天然貯留層細粒分の移動、移行、およびひずみ発生によって引き起こされる...速度誘発細粒分移行は、初期地層損傷につながる岩盤透過性の非有意の低下に関与している。低イオン強度水注入の後に、粘土粒子と砂表面との間の静電反発力が高まり、これは粒子を移動させ、その結果地層損傷が生じる。混合層イライト/クロライト鉱物学的作用により移動された細粒分は、孔喉閉塞により岩盤透過性の低下に関与する。」
細粒分移行は、油井およびガス井における地層損傷の最も広く行き渡っている物理機構のうちの1つである。多数の近刊出版物では、地熱地帯における細粒分移行による坑井の障害を報告している。
【０００５】
Mechanisms of Formation Damage in Matrix Permeability Geothermal Wells Conference: International Geothermal Drilling and Completions Technology Conference、Albuquerque、NM、USA、1981年1月21日において、Bergoshらはプレゼンテーションの要約の中で、次のように指摘している。
「マトリクス透過性地熱地層は、坑井掘削および仕上げの際に損傷を被りやすい。微粒子侵入の結果生じ得る付近の坑井孔透過性障害、ならびに地層粘土、掘削泥濾液、および地層ブラインの間の化学的相互作用が調査される。イーストメサ砂岩の透過性に対する様々な濾過化学反応の試験は、透過性が低塩分地層ブラインの流れによって著しく損なわれることを示している。この損傷は、粘土構造の安定性を変化させる陽イオン交換および除去プロセスに起因する。流体剪断は、孔喉を詰まらせる、粒子を取り除き、不可逆的に透過性を低下させる。地熱地層に対する泥輸送粒子の効果を調査する試験プログラムは、まだ進行中である。論拠、装置、および試験手順について説明されている。この試験の最終的結果は、会議で提示されることになる。」
【０００６】
明らかに、これらの地熱環境における透過性の喪失は、坑井孔の生産および付随するエネルギー回収に著しい影響を及ぼす。
【０００７】
Tchistiakovは、Physico-Chemical Aspects of Clay Migration and Injectivity Decrease of Geothermal Clastic Reservoirs、Proceedings World Geothermal Congress 2000、Kyushu - Tohoku、Japan、2000年5月28日〜6月10日において、概要の中で次のように述べている。
「透過性損傷の潜在的可能性は、数学の方程式と、実験室での試験結果を自動的に適用するのではなく、寛容で学際的な思考のみを経て、評価され得る。われわれは、多孔質媒体中の粘土粒子安定性および輸送の基本物理化学原理をよりよく理解できれば、貯留層の専門家がより優れた技術を開発し、地熱貯留層の現場粘土誘発地層損傷を防ぐためにより効果的な既存の技術を適用するのに役立つ。」
【０００８】
論文では、掘削坑井の透過性への粘土損傷を確定させている。
【０００９】
Barriosらの、2012年3月11日〜17日にエルサルバドル、サンタテクラでUNU-GTPおよびLaGeoによって組織されたShort Course on Geothermal Development and Geothermal Wellsにおける、Acid Stimulation of Geothermal Reservoirs。このプレゼンテーションにおいて、著者らは、次のように指摘している。
「圧入井および揚水井は両方とも、詰まる可能性があり、その生産能力および圧入性を既存の潜在的能力未満に低下させる。これらの障害物の主な理由は、次のとおりであり得る。
貯留層の微小割れ目の内側への掘削流体(もっぱらベントナイト泥)の侵入、全損失循環に遭遇している間の掘削プロセスにおける、岩片または切断片の進入、大量の溶解した全固形分の進入、シリカスケーリングの潜在的可能性が高い再注入水、粘土移行によって押し出される細粒固形物の地層、保守後の冷却および加熱プロセスによる再注入パイプラインからの非晶質シリカ破片の進入、穿孔ライナーおよび/または生産ケーシング内の方解石スケーリング。発電のために連続流を確実にする上で鍵となるのは、すべての可能性のある障害原因をコントロールすることである。地熱産業が最近50年間に石油産業の類似のテクノロジーおよび慣例を用いていることはよく知られている事実である。油井およびガス井はスケーリング問題および泥損傷に関して類似性を示しているので、透過性問題を防ぎ地熱坑井における圧入性および生産性能力を改善するために類似の技術が適用され得る。費用効果の高い広く使用されている解決方法は、酸を施してスケールと固形物によって発生する障害物とを溶解させることである。」
【００１０】
Youらは、New Laboratory Method to Assess Formation Damage in Geothermal Wells、SPE European Formation Damage Conference and Exhibition、6月3日〜5日、Budapest、Hungary、2015年で、論文を発表したが、その要約は次のとおりである。
「地熱貯留層における透過性損傷を評価し、坑井生産性低下を予測するための新しい方法が提示される。開発された実験方法では、天然貯留層細粒分の移動、移行、およびひずみ発生から透過性低下を決定することを目指す。一定の、および段階的に減少するイオン強度による実験室でのコアフラッド試験が実施され、コアに沿った圧力および累積排液粒子濃度の測定を行った。岩石透過性の安定化は、多数の細孔容積の注入後に生じ、キャリア水速度と比較した場合に移動される粒子の漂流が遅いことを示唆している。低イオン強度水は、粘土粒子と砂粒表面との間の静電反発力を高め、これは粒子を移動させ、その結果地層損傷が生じる。カオリナイトおよびイライト/クロライト混合層粘土鉱物は、SEM-EDAX分析によって識別され、透過性損傷にもっぱら関与する鉱物である。温度上昇中に付着粒子濃度に対する減少する水粘度および弱まる静電気引力の競合効果が観察されている。微粒子機械的平衡の微小モデリングは、微粒子付着に対する水粘度効果が支配的であることを示している。その結果、高温で細粒分脱離が減少し、透過性が低下する。」
【００１１】
次に掘削流体について、とりわけ、坑井孔圧密問題、透過、シーリングを軽減するための配合において多数の進展があった。これらは地層損傷に関する上記の説明にも関係する。
【００１２】
2000年5月9日に発行された米国特許第6,059,036号において、Chatterjiらは、地表面下帯をシーリングするための方法および組成物を提供している。一般に、その特許では以下のことを示している。
「本発明は、地表面下帯をシーリングし、掘削流体の喪失、クロスフロー、および/または地下暴噴を終了させるための改善された方法および組成物を提供する。地表面下帯をシーリングするための本発明の方法は、基本的に、本発明の粘着性固定遅延シーリング組成物を調製し、シーリング組成物をシーリングされるべき地表面下帯内に置き、シーリング組成物を中の硬質シーリング塊内に固定させることを可能にするステップを含む。
本発明のシーリング組成物は、基本的に、水性アルカリ金属ケイ酸塩溶液、この溶液の粘度を増大させるためのゲル化剤、およびアルカリ金属ケイ酸塩を重合または架橋し、シーリング組成物を硬質シーリング塊内に固定させるための遅延活性剤からなる。
上で述べたように、低密度シーリング組成物の必要性を伴う、またはシーリングされなければならない広い空洞の多い地表面下帯に遭遇する用途では、シーリング組成物は発泡させられ、活性化され膨張するシーリング組成物を形成することができる。非発泡および発泡組成物は、また、地帯の充填およびシーリングを円滑にするようにする増量剤および/または架橋剤を含むことができる。」
【００１３】
本文書は、流体喪失防止および一般的坑井孔シーリングのためのアルカリ金属ケイ酸塩組成物の有効性を実証するために有用である。
【００１４】
Ballardは、2010年6月22日に発行された米国特許第7,740,068号において、ケイ酸塩ベースの坑井孔流体および未固結地層を安定化させるための方法を開示している。これについては、その特許では次のように述べている。
「有利には、本開示の実施形態は、地層の未固結または弱固結領域を安定化するために使用され得る処理流体またはピルを提供し得る。固体または微粒子状ケイ酸塩沈殿剤を使用することで、ケイ酸塩とケイ酸塩沈殿剤との間の反応またはゲル化時間を遅くすることが可能になり得る。反応時間を遅くすることにより、ゲル成分、ケイ酸塩、およびケイ酸塩沈殿剤をゲル化の前に未固結地層により完全に浸透させることが可能になり得る。それに加えて、ケイ酸塩沈殿剤をミクロンまたはサブミクロンスケールで固体微粒子状物質として用意することによって、ケイ酸塩沈殿剤は、地層に浸透する際に妨害を受けにくくなり得る。」
【００１５】
本文書は、ケイ酸塩化合物が地層を安定化させるのに役立つことを立証するために有用である。
【００１６】
2014年9月2日にQuinteroらに発行された米国特許第8,822,386号は、ナノ流体と、掘削および仕上げ流体への使用方法とを提供する。
本文書は、掘削流体に関係する一連の研究にさらに加わるものであり、掘削時のそのような流体の有用性を教示する。その特許では、この点に関してさらに詳述する。
「非限定的な一例において、ナノ粒子を含む掘削流体は、掘削時に坑井孔を、特に試錐孔内に脱落する傾向のあるまたは掘削流体の一部として導入される水と接触したときに望ましくなく膨らむ粘土を有するエリアを含み得る掘削時に遭遇するシェール領域を安定化させるために有用であることが予想される。そのような掘削流体は、WBMなどの水性ベースの流体、OBMもしくはSBMなどの非水性ベースの流体、またはこれらの組合せ、すなわち、エマルジョンであってよい。流体中にナノ粒子を懸濁させるのに効果のある量で界面活性剤が存在し得る。流体を安定化させるそのようなシェール中で有用であることが予想されるナノ粒子は、シェールに関わる、また試錐孔壁を強化する、その元の状態または可能な限り元の状態に近い状態に保つことを助ける機能を含むものである。表面電荷を有するナノ粒子は、カーボンナノチューブなどの、このシェールの安定化を補助するものとしてよい。さらに、ナノ粒子のサイズが小さいことにより、粘土の外面と内面の両方を阻害してシェールの構造への損傷を最小限度に抑えるシェールマトリクスへのナノ粒子の優れたアクセスを可能にする。」
【００１７】
掘削流体中の高比率水性アルカリケイ酸塩の使用は、2015年12月15日にMcDonaldに発行された米国特許第9,212,304号において開示されている。これらの教示は、石油およびガス産業において使用されるような組成物の有用性に関するさらなる証拠を提供する。本文書では以下を示す。
「本発明は、従来の、および従来のものでない、エネルギー源のための坑井の掘削における坑井孔安定化のための方法を提供し、これらは、限定はしないが、従来の油井およびガス井、シェールガス、および「タールサンド」を含む。この方法は、他にもあるがとりわけ、水和および分散を防ぐようにシェールと反応すること、微小割れ目をシーリングすること、シェール層間剥離を防ぐこと、ビチューメン付着を防ぐこと、劣化帯の掘削を可能にすることを行える掘削流体を提供する。
本発明は、水性の高比率アルカリケイ酸塩中に見られるより大きい、より複雑なポリケイ酸塩陰イオンを使用する。これらの高比率水性ケイ酸塩は、伝統的な市販のケイ酸塩の比率を超えている。これらのポリケイ酸塩陰イオンは、標準比率の水性ケイ酸塩と比較してより速い沈殿および重合反応を円滑にする。比率が高いほど、より低塩分のケイ酸塩が得られ、より環境に優しい掘削流体を生み出す。高比率水性アルカリケイ酸塩が広範囲の濃度で掘削流体に加えられ、必要な坑井孔安定化を達成することができる。掘削流体中の可溶性シリカレベルは、掘削流体の0.25重量%から約6重量%の範囲とすることができる。掘削流体のpHは、好ましくはpH10より高く維持される。」
【００１８】
Stephen Bauerらは、2005年1月31日から2月2日にカリフォルニア州スタンフォードのスタンフォード大学のThirtieth Workshop on Geothermal Reservoir Engineeringで発表されたHigh Temperature Plug Formation with Silicatesにおいて、石油、ガス、および地熱産業における掘削作業時に一般的に遭遇する、特定の喪失循環帯の一時的プラギングを行う方法を開示している。「この研究では、遮水戦略、水蒸気攻法、および喪失循環に対する高温グラウティング/プラギングにおいて使用するためのプラグを形成する環境に優しく費用効果の高い手段でケイ酸塩固有のゲル化特性を活用する化学的解決方法を説明している」。この論文では、坑井孔およびマルチラテラルジャンクションをシーリングして閉ループ地熱システムを形成するケイ酸塩ベースの掘削流体の配合および適用を企図していない。
【００１９】
Halliburton Energy Servicesは、PCT国際出願第WO03/106585号において、化学的ケーシングを形成するための方法を説明している。「坑井孔は、約6から約10の範囲内のpHを有し、水と、未固結粘土、シェール、砂岩、および同様のものに吸着される陽子を受容し供与することができるポリマーカチオン触媒と、熱硬化性樹脂によって架橋可能であり、硬化されたときにこの樹脂を堅くし強靱にする水溶性または分散性ポリマーと、ポリマーを架橋し、触媒によって触媒され硬化され、崩壊が防止されるように弱い地帯または地層を固結する水溶性または分散性熱硬化性樹脂とからなる掘削流体で掘削される。」
【００２０】
本文書では、坑井孔およびマルチラテラルジャンクションをシーリングして閉ループ地熱システムを形成する掘削流体の配合および適用を企図せず、また50年以上の地熱システムの典型的なライフサイクルにわたってシールを維持することも考慮していない。
【００２１】
マルチラテラル技術における別の例が、Halliburton Energy Servicesの米国特許第9,512,705号に記載されており、これは周囲岩石から数本の水平坑井を分離するための機械的マルチラテラル坑井孔ジャンクションを教示している。複数の設置ステップを必要とする複雑で高価な機械的またはセメント固定ジャンクションが、多くの従来技術では典型的である。これらの複数の設置ステップでは、ドリルビットおよびボトムホールアセンブリを表面に持ってくるか、またはセメントが固まるのを待つなどの順方向掘削作業における中断を必要とする。
【００２２】
従来技術のマルチラテラルジャンクションの別の短所は、坑井孔の内径の縮小であり、これはその後のマルチラテラルの掘削をひどく複雑化し、より大きい垂直坑井およびマザーボア径を必要とすることもある。
【００２３】
従来技術の一般的な坑井幾何学的形状および電力/電気発生の態様に関して、Halffは、2001年10月16日に発行された米国特許第6,301,894号において、閉ループ表面下熱交換器に基づく地熱発電所を教示している。この特許は、発電機の場所、水質保護、ならびに複数ループによる純度および効率に関係する便益に集中的に取り組んでいる。開示は、ケーシングを使用せずに閉ループ坑井孔を効率よく掘削する技術に関しては沈黙を貫いている。
【００２４】
McHargueは、2001年3月3日に公開された米国特許出願公開第20110048005号において、閉ループ地熱システムを教示している。「新規性のあるアプローチは、2つまたはそれ以上の別々の試錐孔の交差によって作られる経路に沿って連続パイプをセメントで固定することによって形成される連続地表面下パイプラインを介して地表面下高温岩石地層を通して、本明細書において生産流体と称されている、流体またはガスを循環させることである。」
【００２５】
開示は、ケーシングを使用せずに閉ループ坑井孔を効率よく掘削する技術に関しては沈黙を貫いている。
【００２６】
Greenfire Energy Inc.は、PCT/US/2016/019612において、Geothermal Heat Recovery from High-Temperature, Low-Permeability Geologic Formations for Power Generation Using Closed Loop Systemsを出願している。事例の説明文の中で次のように述べている。
「閉ループ坑井システム内で流体を使用して高温低透過性地質学的地層内またはその近くに配置されている地熱資源から熱を抽出し電力を生産する方法またはアプローチ。いくつかの実施形態において、閉ループシステムは、1つまたは複数の熱交換帯を含むものとしてよく、1つまたは複数の熱交換帯の少なくとも一部は、少なくとも350℃の温度を有する地表面下領域内に配設され得る。地表面下領域は、塑性帯内または塑性帯から1000メートル以内にあるものとしてよく、塑性帯は深さ1キロメートル当たり少なくとも80℃の温度勾配を有する。
いくつかの実施形態により、本明細書で説明されている地熱エネルギーを生産するための方法は、金属パイプでケーシングされない坑井の一部分を含み得るが、その代わりにそのような部分の壁は、いくつかの実施形態において、硬化されたシーラントと、そのような部分における坑井の直径をそのような坑井の金属ケーシングされた部分における直径より大きくし、いくつかの場合においてかなり大きくする、そのような硬化されたシーラントの境界によって画成されるそのような部分における坑井壁とでシーリングされている地層岩石であってよい。
閉ループ熱交換システムの据え付けに続き、閉ループ地熱熱交換システムを通して流体が循環され、流体を加熱し、加熱された流体でエネルギーを生産するものとしてよい。たとえば、地表面下地層から抽出されるエネルギーは、熱、電気、または当業者に知られているような他の使用可能な形態のエネルギーに変換され得る。
温度プロフィールおよび熱補充プロフィールを決定することに加えて、本明細書の実施形態による方法は、温度プロフィールおよび熱補充プロフィールに基づき地熱エネルギーを生産するための地層の長期存在可能性をさらに推定し得る。そのような分析は、坑井のパフォーマンスを時間の関数としてシミュレートし、そのような変数を温度、熱流束、時間の経過による坑井に近い地層の塑性変形、および他の要因を考慮することによって実行され、時間の経過によるシステムのエネルギー抽出およびエネルギー変換効率の変化を推定するものとしてよい。そのような分析は、また、所与の地層の様々な部分を比較して熱交換ループの廃棄処理のために好適な1つまたは複数の場所を決定するために実行されてよい。
【００２７】
上で説明されているように、本明細書で開示されている実施形態は、自然発生するか、または刺激による割れ目または多孔性を欠く、高温不透過性地質学的地質から熱を抽出するための装置および方法に関する。従来技術の教示およびある程度の透過性、したがって対流が、効果的な熱伝達および電力生産に必要であることを示すコンセンサスに反して、本発明者らは、高温不透過性岩石がたとえば電気を生産するために地熱エネルギーを抽出するための効率的で持続可能な資源をもたらし得ることを見いだした。
次いで、閉ループ地熱熱交換システムが、決定された温度プロフィールおよび地表面下地層の決定された熱補充プロフィールに基づき地表面下地層内に配設され得る。閉ループ地熱熱交換システムの据え付けは、掘削、ケーシング、穿孔、セメント固定、割れ目を有するケーシングされていない坑井壁の拡張、ケーシングされていない坑井壁のシーリング、および当業者に知られているような中の坑井ループの掘削プロセスおよび据え付けに関連付けられている他のステップを含み得る。据え付けは、いくつかの実施形態において、地層の塑性帯または脆性-延性遷移帯内に閉ループ坑井システムの熱交換帯を配設することを含み得る。いくつかの実施形態において、据え付けは、地層の脆性帯内に閉ループ坑井システムの熱交換帯を配設すること、さらには熱交換帯に近い脆性帯を刺激することを含むか、付加的に含み得る。」
【００２８】
上記のように、「閉ループ地熱熱交換システムの据え付けは、掘削、ケーシング、穿孔、セメント固定、割れ目を有するケーシングされていない坑井壁の拡張、ケーシングされていない坑井壁のシーリング、および掘削プロセスに関連付けられている他のステップを含み得る」と述べられている。
【００２９】
ケーシング、経時的なシールの維持、および坑井孔の完全性の維持なしでの裸坑坑井孔のシーリングの長さに関して、方法、順序、化学反応、またはテクノロジーに関する教示は開示されていない。
【００３０】
Mortensenは、Hot Dry Rock: A New Geothermal Energy Source, Energy、第3巻、第5号、1978年10月、639〜644頁において、自身の論文の要約の中で次のように教示している。
「Los Alamos Scientific Laboratoryによって実施されているプロジェクトは、高温の乾燥岩石地熱資源からエネルギーを抽出することの技術的および経済的実現可能性を実証することを試みている。試験されているシステムは、高温の不透過性岩石内に掘削され、水圧で発生した割れ目によって接続される2つの深い試錐孔からなる。1977年9月に、循環ループは初めて閉鎖され、水は下げ孔貯留層を通り、一対の10MW(サーマル)熱交換器を通して循環された。一連の長期実験が、エネルギー抽出システムの熱的、化学的、および機械的特性を評価するために1978年に予定されている。」
【００３１】
地熱エネルギー収穫の活用に足場を置き、Sonjuらは、2019年4月16日に発行された米国特許第10,260,778号において、次のように請求項で主張している。
「低多孔性の高温乾燥岩石地層から熱エネルギーを抽出するための地熱エネルギー発電所を設置するための方法であって、組み合わされた供給および戻り孔(22)は、第1の所定の深さまで掘削され、次いで、組み合わされた供給および戻り孔の下側部分(22')を形成する孔が第2の所定の深さまで掘削され、第1のマニホールド帯(8)は前記第2の所定の深さにおいて画成され、組み合わされた供給および戻り孔の下側部分(22')は、同じまたは小口径の孔(1')で最大深さまで掘削することによって拡張され、第2のマニホールド帯(9)が画成され、それによって1つまたは複数の生産孔(P)が掘削され、第1のマニホールド帯(8)と第2のマニホールド帯(9)との間に閉ループを形成し、そこに作動流体を循環させることができ、パイプ(5)が組み合わされた供給および戻り孔(22、22')内に位置決めされ、シール(66)は前記第1および第2のマニホールド帯(8、9)の間に取り付けられ、組み合わされた供給および戻り孔(22')の下側部分とパイプ(5)との間の環状空間(20)をシーリングして供給および戻り流を分離する、方法。」
【００３２】
従来技術を考慮すると、坑井孔シーリングおよび維持、岩石の種類によって制限されない地熱用途に対する閉回路/ループ幾何学的形状およびマルチラテラル効率、とりわけ、透過性に関して好適なものにされ得る地質学的地層から熱を抽出する方法が依然として必要である。
【００３３】
本発明のテクノロジーは、様々なテクノロジーエリア内の欠陥に対処し、地熱産業における新しい方向を確立するための方法を独自に確固たるものにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３４】
【特許文献１】米国特許第6,059,036号明細書
【特許文献２】米国特許第7,740,068号明細書
【特許文献３】米国特許第8,822,386号明細書
【特許文献４】米国特許第9,212,304号明細書
【特許文献５】国際公開第03/106585号パンフレット
【特許文献６】米国特許第9,512,705号明細書
【特許文献７】米国特許第6,301,894号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第20110048005号明細書
【特許文献９】PCT/US/2016/019612
【非特許文献】
【００３５】
【非特許文献１】Badalyan他、Laboratory Study on Formation Damage in Geothermal Reservoirs Due to Fines Migration、Proceedings World Geothermal Congress 2015 Melbourne、Australia、2015年4月19日〜25日
【非特許文献２】Bergosh他、Mechanisms of Formation Damage in Matrix Permeability Geothermal Wells Conference: International Geothermal Drilling and Completions Technology Conference、Albuquerque、NM、USA、1981年1月21日
【非特許文献３】Tchistiakov、Physico-Chemical Aspects of Clay Migration and Injectivity Decrease of Geothermal Clastic Reservoirs、Proceedings World Geothermal Congress 2000、Kyushu - Tohoku、Japan、2000年5月28日〜6月10日
【非特許文献４】Barrios他、Short Course on Geothermal Development and Geothermal Wellsにおいて発表したAcid Stimulation of Geothermal Reservoirs
【非特許文献５】You他、New Laboratory Method to Assess Formation Damage in Geothermal Wells、SPE European Formation Damage Conference and Exhibition、6月3日〜5日、Budapest、Hungary、2015年
【非特許文献６】Stephen Bauer他、2005年1月31日から2月2日にカリフォルニア州スタンフォードのスタンフォード大学のThirtieth Workshop on Geothermal Reservoir Engineeringで発表されたHigh Temperature Plug Formation with Silicates
【非特許文献７】Mortensen、Hot Dry Rock: A New Geothermal Energy Source, Energy、第3巻、第5号、1978年10月、639〜644頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
本発明の1つの目的は、一般に、および地熱エネルギー回収の分野において、坑井孔地層テクノロジーへ著しい改善を提供することである。
【００３７】
一実施形態の別の目的は、地熱の熱回収に適した地層内に坑井孔を掘削するための方法を提供することであり、これは
熱的機構、機械的機構、化学的機構、および生物学的機構のうちの少なくとも1つを使用して前記坑井孔を掘削しながら前記坑井孔への不可逆的地層損傷を誘発することと、
前記坑井孔と流体に対して実質的に不透過性である前記地層との間に界面を形成することとを含む。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
地層損傷技術の使用は、坑井孔地層技術において、および特に多孔性、亀裂、ひび割れなどを通じた流体移行に依存する地熱技術において、直観に反している。本発明のテクノロジーは、第1のステップとして、流体移行を円滑にする地層内の亀裂、ひび割れ、および他のエリアをシーリングするための機構を有する。
【００３９】
この方法は破壊的技術を使用して、坑井壁の透過性を地層内の周囲岩石からの伝導性熱伝達のみが伝達される熱を回収するように設計されている作動流体内に熱を伝達するという点まで低下させる。
【００４０】
直接的な便益がこの技術、すなわち、ケーシングおよびジャンクションの使用の欠如が減らされるか、または完全に欠如することから生まれる。この1つの特徴の結果、掘削プロセスにおける膨大な節減が生じるが、後者は地熱活用に関連する費用の大部分を含む。
【００４１】
本発明の一実施形態の別の目的に関して、注入口坑井および排出口坑井が地熱の熱回収に適した地層内にある坑井を形成するための方法が提供され、これは
化学的機構を使用して坑井孔を掘削し坑井孔と流体に対して実質的に不透過性である前記地層との間に界面を形成しながら注入口坑井と排出口坑井との間に延在する坑井孔への不可逆的地層損傷を誘発することと、
界面のシーリング能力および機械的完全性を増強させるため界面により沈殿形成を誘発することができる坑井孔内で化学組成物を循環させることと、
坑井内の作動流体の循環中に不透過性を維持するための界面維持添加剤を含むシーリングされた坑井孔内で作動流体を循環させることとを含む。
【００４２】
化合物および処理の順序付けの革新的選択を通して、坑井孔と周囲地層との間の不透過性界面が合成される。その結果が、真の表面から表面閉ループ回路に一体化されたときに、フラッキングベースの地熱動作および回路全体を通してケーシングに依存するものの例外的な代替手段を提供する、ライニングの付いた自己回復坑井孔である。
【００４３】
当業者であれば、多量の化学組成物が界面の合成を行うために使用され得ることを理解するであろう。このために、坑井孔を囲む岩石とともに沈殿する掘削流体中の化合物が使用され得る。第2の処理については、第1の処理が使用され得る後も残る任意の未沈殿組成物と反応する任意の好適な化合物が使用されてよい。最後に、ループを通る循環のための作動流体は、界面において時間の経過とともに発達する亀裂、ひび割れ、異常などとさらに反応するように選択され得る。
【００４４】
作動流体は、地熱システムの熱力学的パフォーマンスを最適化し、坑井孔の機械的完全性を増強させるように選択される。坑井孔の追加の処理作業は、掘削の後にこれを達成するために使用され得る。
【００４５】
本明細書のテクノロジーを使用して形成される坑井は、既存の技術により必要とされる複数のステップとは反対に1つの作業で閉ループ地熱の目的に適したものにされ得る。明らかに、単位作業の数が減ると、経済的便益が付随する。これは、現在使用されている方法をはるかに超えて高まるこのテクノロジーの主要な特徴である。
【００４６】
作業の観点から、掘削プロセス中の不規則なまたは変化する状態は、進展するにつれ即座に対処され得る。これは、テクノロジーの別の著しい特徴、すなわち、適応性および柔軟性である。この方法は従来技術に干渉する地層内に坑井を形成する破壊的技術に基づき述べられているので、このテクノロジーは、地層を、透過性または地質学に関係なく、閉ループ地熱システムとして適したものにするために最悪の場合のシナリオを開始する。
【００４７】
代替的手段に関して、本発明の一実施形態の別の目的は、エネルギー回収のために地熱地層内に坑井を形成する方法を提供することであり、これは
地熱地層内に裸坑坑井孔を掘削することと、
反応性化学組成物を坑井孔内に導入して反応を引き起こし、坑井孔と地層との間に流体不浸透性界面を形成することであって、界面は未反応の反応性化学組成物を含む、形成することと、
界面のさらなる形成のために未反応の反応性化学組成物と反応することができる作動流体を坑井孔内に導入することとを含む。
【００４８】
未反応の反応性組成物のリザーブが効果的にあるので、坑井孔は界面において何らかのシーリングの問題が生じた場合でも自己回復することができる。したがって、作動流体は、最大作業効率のために地層から熱エネルギーを抽出するだけでなく、さらに保守の少なさと組み合わされたシール完全性を確実にする。
【００４９】
本明細書に記載されている明確な環境的責任のある方法を促進するため、本発明の一実施形態の別の目的は、地層内の割れ目形成技術によって作られる割れ目セクションを含む坑井孔を改善するための方法を提供することであり、これは
それらのセクションにおいて沈殿不透過浸透性界面を形成することができる第1の化学組成物で坑井孔と割れ目セクション細孔空間とを処理することと、
第2の化学組成物で界面を処理してすべての未反応の第1の化学組成物を沈殿させてさらに界面をシーリングすることとを含む。
【００５０】
本明細書のシーリングテクノロジーは、改善さらにはフラッキングに基づき述べられている既存の地熱動作の変換を可能にする。
【００５１】
そのようなものとして、本発明の一実施形態の別の目的は、割れ目、未固結岩石および砂、流体連通している注入口坑井および排出口坑井のうちの少なくとも1つを有する開放地熱システムを閉ループ地熱坑井に転換するための方法を提供し、これは
前記注入口坑井と前記排出口坑井との間および割れ目、未固結岩石および砂のうちの前記少なくとも1つの中に沈殿不浸透性界面を形成することができる第1の化学組成物を導入することであって、それによって、閉じられシーリングされたループは割れ目、未固結岩石および砂、注入口坑井、排出口坑井、ならびにその間のエリアのうちの前記少なくとも1つにより形成される、導入することと、
第2の化学組成物で前記界面を処理してすべての未反応の第1の化学組成物を沈殿させてさらに前記界面をシーリングすることとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】様々な流体配合に対する時間の平方根の関数としての濾液体積を示すグラフ表現である。
【図２】実施例1に明確に示されている化学シーリングコアフラッド試験に対する時間の関数としての差圧および透過性データを示すグラフ表現である。
【図３】注入口坑井と排出口坑井との間のラテラルセクション内にケーシングなしでシーリングされた坑井の概略断面図である。
【図４】ラテラルセクション内のケーシングストリングセグメントおよびそれらの間のシーラントとの関係を例示する、図3の図と似た図である。
【図５】亀裂を有する無視できる透過性地層内のシーリングされた坑井孔配置構成を例示する、図4の図と似た図である。
【図６】ラテラル相互接続坑井セグメントのマルチラテラル配置構成の概略図である。
【図７】図6において参照されているシーリングされたマルチラテラル坑井孔セクションの拡大概略図である。
【図８】代替的地熱坑井構成の概略図である。
【図９】地熱坑井構成の別の代替的実施形態を示す概略図である。
【図１０】地熱坑井構成の別の代替的実施形態を示す概略図である。
【図１１】地熱坑井構成の別の代替的実施形態を示す概略図である。
【図１２】地熱坑井構成の別の代替的実施形態を示す概略図である。
【図１３】図12の上面図である。
【図１４】地熱坑井構成の別の代替的実施形態を示す概略図である。
【図１５】地熱坑井構成の別の代替的実施形態を示す概略図である。
【図１６】未反応のシーラントのリザーブを示す高透過性地層内の掘削坑井孔の断面図である。
【図１７】作動流体との循環接触の後の坑井孔界面の変換を例示する、図16に類似する図である。
【図１８】低透過性地層内の掘削坑井孔および周囲地層との界面を示す概略断面図である。
【図１９】地熱坑井孔方法のパワーサイクル実装形態の概略図である。
【図２０】図19の代替的実施形態の概略図である。
【図２２】地熱作動流体によって直接駆動されるタービンおよび発電機を組み込んだ一体化地熱回路の概略図である。
【図２３】図22の代替的実施形態の概略図である。
【図２４】異なる作動流体に対する距離に関する温度データのグラフ表現である。
【図２５】W字形またはデイジーチェーン地熱坑井構成の概略図である。
【図２５Ａ】図25の相互接続坑井地層の拡大図である。
【図２６】図25の代替的実施形態の概略図である。
【図２７】図25の代替的実施形態の概略図である。
【図２８】図25の代替的実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
図中で使用されている類似の番号は、類似の要素を示している。
【００５４】
このテクノロジーは、地熱テクノロジーにおける応用性および地熱サイトの改善を有する。
【００５５】
概略として、本明細書のテクノロジーは、坑井孔地層および閉ループ地熱坑井孔に関する例を伴う設計に関係する。設計態様は
i)掘削しながら坑井孔をシーリングすることと、
ii)掘削の後に化学処理によりシールを増強することと、
iii)掘削流体を押し出し、その後、任意の残留しているまたは発生した透過性を自己回復することによりシールを増強して維持し、坑井孔完全性を維持する循環作動流体により掘削することとを含む。
【００５６】
このアプローチの柔軟性は、地層の特定の地質に応じてこれらの態様の各々が別々に使用されることを可能にするが、これらは一体化され、閉ループ地熱システムを形成し維持するために一斉に作動するときに最も効果的である。
【００５７】
坑井孔は、注入口/排出口を持つ単一のU字形チューブ、注入口および排出口坑井が同じサーフェスリース上に配置されるU字形チューブ、垂直であるか、反られているか、または水平であり、これらの坑井孔のうちのいくつかを一緒に「デイジーチェーン」でつなぐことを含むことが可能な「チューブインチューブ」構成、L字形、などの任意の数の構成であってよい。これらは、例であって、限定することを意図したものではない。他の好適な配置構成も、当業者によって理解されるであろう。
【００５８】
上記の態様は、マルチラテラル坑井孔を形成するために使用されるときに特に効果的であり、そこでは、典型的には、垂直ケーシング注入口坑井および垂直ケーシング排出口坑井を接続する複数の水平ラテラルを有するU字形チューブ構成において、複数のラテラルが垂直坑井に接続される。マルチラテラル構成において使用されるときに、当技術分野では認識されていないいくつかの利点が実現される。これらは、以下を含む。
i)ラテラルは開始され、掘削され、完了した裸坑であるものとしてよく、ケーシングを設置することに関連する費用および時間を回避することができる。
【００５９】
ii)「裸坑」ジャンクションは、単一のステップで掘削しながら形成され、シーリングされ得る。これは、複雑な機械的ジャンクション、セメント配置、プラグまたは金属セクションのドリル穴開け、表面への複数回のトリップ、および一般に入り組んだ下げ孔プロセスおよびその結果生じる順方向掘削の遅延に関連する複雑さおよび費用を回避する。
【００６０】
iii)無制限の数のラテラルを掘削することを可能にする内径の材料低減はない。
【００６１】
iv)スチールライナーと岩石との間の絶縁セメント層または停滞環状部によって生じる熱伝導性の低下はない。
【００６２】
v)他のラテラル坑井孔と交差し、閉U字形チューブ坑井孔構成を形成するように磁気測定機器とともにマルチラテラルに再入することを可能にすること。
【００６３】
掘削中にシーリングする態様に関して、これは、不可逆的地層損傷を引き起こし、透過性をゼロまたは無視できるくらいのレベルまで下げる添加剤を掘削流体それ自体の中に含めることによって達成され得る。
【００６４】
これらの添加剤は、微生物利用石油増進回収法(Microbial Enhanced Oil Recovery)、不透過性濾過ケーキを生成する物理的微粒子、または時間硬化もしくは熱硬化性樹脂およびエポキシ、ゲル、ならびにポリマーなどの地質学的地層と接触し地層内に浸透した後に反応する化学的シーラントにおいて使用される技術などの生体成長加速剤であってよい。
【００６５】
掘削の間に坑井孔をシーリングするための別の方法は、たとえば、高温プラズマまたはレーザーベースのドリルビットを使用することによって、坑井孔壁を溶融する極端に高い温度で岩石の面を熱的にシーリングすることである。
【００６６】
好ましい方法は、坑井孔内で液体のままであるが、岩石と接触し、岩石に浸透した後、沈殿して固体になる化学シーラント、たとえばpHが10.5を超えるアルカリケイ酸塩ベースの掘削流体を使用することである。掘削流体の技術的機能は、硬質シェールまたはシルト石などの不透過性岩石に関して透過性岩石(たとえば、砂岩もしくは割れ目のある基盤岩)において異なる。透過性地層では、液体アルカリケイ酸塩掘削流体は、反応して固体に硬化する前に任意の利用可能な流路に浸透する。その結果得られる固体沈殿物は、岩石それ自体の中の細孔空間および自然な割れ目内に含浸され融合され、坑井孔と地質学的地層との間に流体不浸透性バリアを形成する。
【００６７】
対照的に、シェールなどの透過性がゼロに近い岩石では、掘削流体の機能は、透過性をシーリングして密封することではない--岩石はすでに透過性を有していない。その代わりに、掘削流体の機能は、岩石と坑井孔との間に機械的および化学的バリアを形成し、任意の自然な割れ目、亀裂、または劈開平面を埋めることである。最終結果は同じであり、坑井孔と地質学的地層との間に流体不浸透性バリアを形成することである。
【００６８】
シーラントは、また、未固結砂を固結し、岩石の圧縮強度を高め、砂の生産および崩壊を防ぐために使用され得る。
【００６９】
知られているように、可溶性ケイ酸塩は3つの成分、すなわち、シリカ、アルカリ、および水を含む。シリカ(二酸化ケイ素、SiO2)は、可溶性ケイ酸塩の主成分であり、アルカリによって安定化される。アルカリは、ナトリウム、カリウム、またはリチウム酸化物(Na2O、K2O、またはLi2O)から選択されるものとしてよく、シリカの可溶性を維持することに関与する。
【００７０】
好適なケイ酸塩は、カリウム、ナトリウム、およびアルミノケイ酸ナトリウムを含む。これらの生成物は、液体形態と粉末形態の両方で入手可能である。ケイ酸塩は、ケイ酸塩の水和非晶質ゲル構造を形成する可溶性ケイ酸塩構造の自己重合または縮合である、異なるタイプの化学反応、すなわち、ゲル化(pHの低下)を受け得るのでこのテクノロジーで使用する上で望ましい。ゲル化は、10.5より低いpHで急速に発生し始める重合でpHの低下によって引き起こされる。
【００７１】
ケイ酸塩が受け得る別のタイプの反応は、カルシウムなどの陽イオンによる沈殿である。ケイ酸塩の沈殿は、多価陽イオン(すなわち、Ca+2、Mg+2、Al+3、Fe+3、など)によるケイ酸塩分子の架橋である。これらの陽イオンは、地層水中に存在し、したがって掘削流体と地層流体との相互作用の結果、細孔空間内に固体沈殿が生じる。
【００７２】
ケイ酸塩が受けるさらに別のタイプの反応は脱水である。水が液体ケイ酸塩から除去されると、ケイ酸塩は徐々に粘着性を帯び、粘度が高くなり、最終的にガラス状膜になる。これらは、掘削流体からの濾液が岩石マトリクス内の流体と混合すると近くの坑井孔内に発生する反応である。
【００７３】
ケイ酸塩は、この地熱用途には特に魅力的であるが、それは、これらが周囲条件の下で極端に高い温度において安定しているシーラントであるからである。たとえば、アルカリケイ酸塩および砂は、鋳物および液体金属鋳造産業において650℃以上の温度で使用され、この基本的化学反応は、また、周囲温度でコンクリート構造物をシーリングするためにも使用される。
【００７４】
アルカリケイ酸塩掘削流体は、固形物を含まず、低粘度となるように配合され、それにより、坑井孔流体侵入およびスパート損失を最大化して坑井孔を化学的にシーリングする。マルチラテラル水平坑井セグメントでは、摩擦は大きな問題であり、したがってケイ酸塩ブラインと親和性のある、シーラント特性に著しく干渉しない潤滑剤が加えられる。
【００７５】
活性アルカリケイ酸塩の濃度は、0.3%〜10%であってよいが、水中で3質量%〜6質量%もありそうである。最適な濃度は、現場ブライン組成および温度などの地質学的特性にいくぶん依存する。岩石温度が高いほど、沈殿反応に遅延が生じる可能性がある。同様に、現場ブラインが低濃度、たとえば、1000mg/L未満の多価陽イオンを有する地層では、反応が遅くなる。したがって、岩石温度が上昇し、多価陽イオン濃度が減少すると、アルカリケイ酸塩の濃度は上昇すべきである。
【００７６】
ケイ酸塩ブラインの副次的便益は、浸透率(ROP)の増加およびビット寿命の延命を含む。
【００７７】
組み合わされた岩石/シーラント材料の物理的特性は、もっぱら岩石から導かれるが、シーラントの特性を慎重に選択することによって修正することができる。熱伝導性添加剤が、グラフェンナノ粒子などの、掘削流体とともに含まれるものとしてよく、その結果得られるシーラントは高い熱伝導率を有する。
【００７８】
閉ループ地熱システムのエネルギー出力は、流体温度と遠距離場岩石温度との間に複数の熱抵抗を有する離散化された坑井孔からなる熱力学的坑井孔モデルを使用して決定され得る。各離散化されたセグメントは、エネルギーと質量のバランスがとられており、流体特性および計算は、状態方程式熱力学パッケージにより取り扱われる。熱伝達抵抗は、坑井孔それ自体の中の岩石、セメント、鋼鉄ケーシング、および対流熱伝達抵抗を含む。
【００７９】
定量的な一例として、3W/mKの熱伝導率を有する地質学的地層と接触している7"ケーシングおよびセメント固定坑井を使用することで、その岩石、セメント、ケーシング、およびパイプ流動対流に対する5年間の運用後の熱抵抗はそれぞれ2.2E-02、2.1E-03、2.9E-05、および5.0E-5である。熱伝達は、岩石を通る放射伝導によって支配され、他のすべての熱抵抗は、比較すると無視できるくらい小さい。本明細書で説明されている化学シーラントを使用することで、ケーシングまたはセメントからの熱伝達に対する抵抗はなく、したがって熱効率は従来技術の方法より約9%高い。バルク岩石/シーラント材料の熱伝導率を高めることによって、熱伝達はさらに高められ得る。
【００８０】
アルカリケイ酸塩シーラントは、アルカリケイ酸塩沈殿物中で化学的に埋め込まれ/結合されるように配合される固体微粒子を組み込むことによってさらに高められ、シールパフォーマンスおよび機械的完全性を改善することができる。剥離フライアッシュ、表面活性化グラフェンおよびグラフェン酸化物、カーボンファイバー、ならびに他の物質などの補強材が掘削流体中に組み込まれ得る。これらは、ナノ分散または微小分散状態にあり、沈降シリカと化学的に結合し得る。
【００８１】
掘削中に初期シールがなされた後、シールの完全性が試験される。典型的には、これは、産業において一般的であるように、もしあれば、坑井孔システムを加圧し、減圧率を監視することによって行われる。別の方法は、循環作業中の漏出速度の長期的測定を通じての方法である。この場合、掘削流体は、除去され、主目的がエネルギーを表面に伝達することである作動流体で置き換えられ、漏出速度は通常作業時に測定される。
【００８２】
掘削後にシールが実質的に完全である間、掘削中に十分にシーリングされなかった割れ目のある地帯または高透過性流路などの、わずかな透過性が残っている小エリアがいくつかあり得る。したがって、シールは、通常の作業を開始するか、またはそれに戻る前に、化学的フラッシュまたは処理を使用して増強され得る。
【００８３】
すでに説明されているようにアルカリケイ酸塩掘削流体を使用したときに、掘削流体が現場地層流体と反応してゲルを生じ、最終的に硬質の高強度固体に固化する。これらの反応は、ケイ酸塩掘削流体と地層流体との間の混合界面のところに生じる。高透過性流路または割れ目では、地層流体が坑井孔から追い出され、混合界面が実質的に岩石中に押し込まれるくらい速く掘削流体が地層を通って移行しているようにし得るか、または地層ブラインが極端に新しくケイ酸塩をゲル化するが、完全には沈殿しないようにし得る。
【００８４】
これらのシナリオでは、部分的または実質的シールが岩石内の深いところで達成されるが、近くの坑井孔領域は「未消費」または未反応の液体アルカリケイ酸塩掘削流体を含み、反応すべき地層ブラインをさらには含まない。したがって、化学的フラッシュの目的は、ポンプにより十分な圧力で化学処理剤を坑井孔システムに通し、坑井孔から近くの坑井孔地層内へ漏出を引き起こし、掘削プロセスから残っている未消費液体アルカリケイ酸塩を接触させ、沈殿反応を開始することである。好適な化学物質は、産業において知られているものが他にもあるがとりわけ、塩化カルシウムブライン、酸、CO2、界面活性剤、エステルである。
【００８５】
シールを増強することに対する別の実施形態において、化学処理剤がポンプにより十分な圧力で坑井孔システムに通され、坑井孔から近くの坑井孔地層への漏出を引き起こすものとしてよく、化学処理剤は、「プラグ」または大量のアルカリケイ酸塩と、その後の、塩化カルシウムブライン、酸、CO2、界面活性剤、エステル、または産業で知られている他の物質からなる反応化学物質とからなる。2つの化学物質は複数回交互にポンプで送られ、その結果近くの坑井孔領域内で実質的な混合が生じ得る。大量のアルカリケイ酸塩および反応物は、坑井孔内の混合を防ぐようにスペーサーにより分離されるか、または直接接触するものとしてよい。
【００８６】
次に作業時にシールおよび坑井孔完全性を維持することについて述べるが、掘削プロセスは、石油、ガス、および地熱産業で一般的に使用されているように、ケーシングが孔の中でセメント固定されるか、またはライナーが取り付けられるまで一時的に持続する期間中に、坑井孔完全性および部分的坑井孔シール(すなわち、濾過ケーキ)の維持を必要とする。裸坑(ケーシングまたはライナーを取り付ける前の)坑井孔完全性および部分的シールは、掘削流体の適切なエンジニアリングおよび適用によって形成される。
【００８７】
対照的に、本明細書において開示されている発明は、典型的には50年以上の地熱資産の運用年数の間、裸坑シールおよび坑井孔完全性を維持する必要がある。
【００８８】
掘削し、任意選択で、シールを別の化学処理剤で増強している間にシールを形成することに加えて、運用作動流体それ自体は、シールを維持し、坑井孔完全性を維持するのに重要な役割を果たす。作動流体の主機能は、表面下岩石から表面にエネルギーを輸送することであり、その場合、これは直接使用されるか、または電気に変換されるかもしくは冷却に使用される。したがって、作動流体は、エネルギー伝達およびシステムの熱力学的効率を最大化するための重要な物理的特性を有していなければならない。たとえば、流体は、
a)流体と周囲下げ孔熱源との間の温度差および熱伝達を最大化する、10MPaより大きい圧力、および180℃より低い温度における、注入口坑井と排出口坑井との間のラテラル相互接続セクション内の実質的に非線形の温度エンタルピー関係、
b)高圧で吸熱反応であり、高圧に比べて低い圧力で発熱反応である、圧力に敏感な可逆反応を受けることができること、
c)ラテラル相互接続内で吸熱反応である化学吸収反応を含む流体混合物、
d)温度および圧力依存可溶性を有し、その結果ラテラル相互接続内で吸熱効果をもたらす、水性電解質溶液、
e)乱流抗力低減組成物を含む水性流体、
f)CO2などの超臨界流体、
g)アンモニア-エタン混合物、および
h)a)〜g)の機能的組合せを含む群から選択された少なくとも1つの特性を有し得る。
【００８９】
熱力学的効率を最大化することに加えて、作動流体は、掘削流体の多くの特性も有する、すなわち、
i)坑井孔内に集まり得る固体微粒子を、それらが典型的にはセトリングタンク、濾過器、またはハイドロサイクロンにより除去される、表面に輸送する、
ii)実質的に流体に対して不透過性になるように坑井孔のシールを維持する、および
iii)坑井孔安定性および完全性を維持する。
【００９０】
一実施形態において、シールは、試錐孔壁に沿って濾過ケーキを形成するか、または天然の割れ目に橋を架け塞ぐ固体微粒子を作動流体内に供給することによって維持され得る。これらの微粒子は、カーボンファイバー、鉱物繊維、セルロース繊維、シリカ、フライアッシュ、グラファイト、グラフェン、グラフェン酸化物、炭酸カルシウム、ベントナイト、または産業において知られている他の微粒子であってよい。これらの固形物は、典型的には、それが水性である場合に作動流体の0.5から2.0重量%の間、および他の作動流体については等価な体積濃度で加えられる。
【００９１】
すでに説明されているようにアルカリケイ酸塩掘削流体を使用したときに、掘削流体が現場地層流体と反応してゲルを生じ、最終的に硬質の高強度固体に固化する。これらの反応は、ケイ酸塩掘削流体と地層流体との間の混合界面のところに生じる。高透過性流路または割れ目では、地層流体が坑井孔から追い出され、混合界面が実質的に岩石中に押し込まれるくらい速く掘削流体が地層を通って移行しているようにし得るか、または地層ブラインが極端に新しくケイ酸塩をゲル化するが、完全には沈殿しないようにし得る。これらのシナリオでは、部分的または実質的シールが岩石内の深いところで達成されるが、近くの坑井孔領域は「未消費」または未反応の液体アルカリケイ酸塩掘削流体を含み、反応すべき地層ブラインをさらには含まない。したがって、シールを維持する別の方法は、坑井孔から近くの坑井孔地層内へ漏出が生じた後、掘削プロセスから残っている未消費液体アルカリケイ酸塩と接触し、沈殿反応を開始する反応添加剤を含めることである。
【００９２】
定義により、掘削後も透過性が残っている坑井孔のエリアにはいずれもアルカリケイ酸塩のかなりの流入があり、未消費液体アルカリケイ酸塩を近い坑井孔地層内に含む。したがって、反応物質を作動流体内に含めることは、自然に、残っている透過性セクションをシーリングして密封する。好適な化学物質は、塩化カルシウムブライン、酸、CO2、界面活性剤、エステル、および産業において知られている他の物質である。
【００９３】
坑井孔の安定性および完全性を維持するために、岩石をシーリングすることに加えて、作動流体は地層に十分な圧力をかけて十分な圧縮強度を提供し、坑井孔内への岩石の破砕、崩壊、および部分的圧潰を防止しなければならない。働いている作動流体が供給する圧力は、相変化、圧力および温度による流体特性変化、ならびに水圧摩擦損失を考慮する状態方程式を含む統合熱力学的坑井孔モデルを使用して計算され得る。適切に設計されたときに、作動流体は、注入口坑井の頂部に十分に高い圧力をかけること(加圧流体)、または作動流体の密度を変更することのいずれかによって、坑井孔全体にわたって最小の圧縮強度を供給しなければならない。流体密度は、産業で知られている技術が他にもあるがとりわけ、バライトなどの増量剤を添加することを通じて、または可溶性塩を通じて高められ得る。
【００９４】
坑井孔安定性を維持するための別の方法は、作動流体内にシェール阻害化学物質を含めることである。この化学物質は、粘土およびシェールの水和、膨張、および分解を阻止する機能を有し、掘削流体中の普通の添加剤である。好適な添加剤は、産業において知られているものが他にもあるがとりわけ、アミン系化学物質、ラテックス、またはカリウム塩の水溶液である。
【００９５】
上記の添加剤および機能の組合せの結果、作動流体はエネルギーを効率よく表面に輸送するだけでなく、坑井孔シールを補強し維持し、生じた透過性を「自己回復し」、坑井孔の安定性および完全性を維持して、流体に対して実質的に不透過性である閉ループ地熱坑井孔システムを温存する。
【００９６】
特に重要なのは、シーラント添加剤が作動流体の熱力学的特性に干渉しないという必要条件である。一実施形態において、作動流体は、水、1から10L/m3の市販の防食剤、0.05から0.3モル/Lの臭化カリウム、3から7mMのセチルトリメチルアンモニウム界面活性剤、8から16mMのサリチル酸ナトリウム、および0.5重量%の炭酸カルシウム固体微粒子からなる。
【００９７】
上で説明されている溶液は、熱力学的に効率的な動作にとって重要である、直接使用地熱熱供給に適している温度範囲にわたって60%を超える乱流抗力低減を維持する。これは、また、API RP 13i Procedures for Shale Dispersion by Hot Rollingに従って試験されたときに40%を超える回収率を有し、未消費アルカリケイ酸塩と反応して強固体物質を形成し、炭酸カルシウム粒子は天然の割れ目に橋を架け塞いでマトリクス透過性をもたらす。
【００９８】
別の実施形態において、作動流体それ自体は、単に、修正されたアルカリケイ酸塩ブラインである。
【００９９】
別の実施形態において、作動流体は、多くの地熱シナリオにおいて超臨界CO2が水よりも優れた熱力学的効率を有するので特に価値の高い超臨界CO2であり、これは、アルカリケイ酸塩液を強固体物質に固化させる優れた反応物質でもある。
【０１００】
次に様々なシーリング機構が次の例で明確に示される。
【実施例１】
【０１０１】
化学シーリング
ケイ酸塩システムのシーリング能力の初期試験が透過性プラギング装置において実施された。
【０１０２】
透過性プラギング装置試験:
-  20μm、3000mDの円板(OFITEによって提供される)が、細孔をブラインで完全に飽和させ、反応するケイ酸塩掘削流体に対して「重大な事例」の現場流体を形成するために、30%の塩化カルシウム溶液中に一晩(約16時間)浸された。
-  透過性プラギング試験(PPT)が、OFITE取扱説明書およびAPI RP 13i  -  Recommended Practice for Laboratory Testing of Drilling Fluidsに従って実行された。
-  以下で説明されている250mLの試験流体が、PPTセルに移動され、事前に浸された円板が装置内に置かれた。掘削流体は、装置を加圧し、試験を開始する前に45分間、円板と接触させられた。
-  試験は、室温、500psiで30分間実施された。
-  濾液体積が、1、5、7.5、15、および30分後に記録された。
【０１０３】
図2は、厚さ1/4"の濾過円板上の試験に典型的であるいくつかのデータのプロットである。ポリマー制御流体が中に通して流されたが、濾液体積の材料の低減はない。異なるタイプのケイ酸塩が加えられたときに、濾過速度は沈殿の発生とともに急激に遅くなった。透過性は3000mDの透過性を有する厚さ1/4"の円板であってもほぼ排除されていることに留意されたい。
【０１０４】
流体調製:
-  5kg/m3のポリマー流体1000mLが、シルバーソンミキサーを中剪断速度で使用してキサンタンガム(Kelzan XCD(商標))を真水に約30分間混合することによって調製された。
-  制御流体は上記のポリマー流体であった。
-  配合A、30mLのEcodrill(商標)317、PQ Corporationの市販製品が、270mLの上記のポリマー流体と組み合わされ、3%の活性可溶性ケイ酸カリウム300mL部が生成された。
-  配合B、30mLのEcodrill(商標)K45、PQ Corporationの市販製品が、270mLの上記のポリマー流体と組み合わされ、3%(V/V)の活性可溶性ケイ酸塩300mL部が生成された。
【０１０５】
全PPT体積は、配合Aに対して273.8mLであり、257mLのスパート損失が計算され、3.1mL/分の静的濾過速度が計算された。全PPT体積は、配合Bに対して103.8mLであり、103.8mLのスパート損失が計算され、3.7mL/分の静的濾過速度が計算された。値は、API 13iで表される公式を使用して計算された。
【０１０６】
コアフラッド/回復透過性/コア損傷研究も実施された。これらのタイプの試験は、注目するターゲット生産帯から得られるコアの透過性に対する掘削流体または掘削流体添加剤の影響を調べるために使用されることが多い。通常、研究の目的は、損傷を最小化するか、または回復透過性を最大化することである。初期透過性は、コアを天然ブライン、油、または何らかのブライン/油混合物により飽和させ、地層流体を貯留層の圧力における圧力および温度条件の下でコアに通して流すことによって確定され、測定される。次いで、試験流体が一定期間にわたってコアの一面に注入され、濾液の体積、流体の侵入、および濾過ケーキの厚さが測定され得る。次いで、地層流体が流れと逆の方向に注入され、それにより、試験流体に曝された後に透過性が減少したか、またはさらには上昇した程度を決定する。この研究では、目標は、合成ブライン飽和コアとのケイ酸塩試験流体のゲル化および沈殿反応を用いてコアを損傷させることであった。
【０１０７】
コアフラッド/回復透過性/コア損傷研究が次のように実施された。
【０１０８】
透過性が約30mDであるベレア砂岩コアが、真空下で合成ブラインで飽和され、2%の特殊潤滑剤を含む、ケイ酸カリウムの3%溶液で試験された。
試験手順、パラメータ、および結果は以下に記載されている。
【０１０９】
手順:
1)プラグが秤量され、15inHgの真空下で1週間、ブラインで事前飽和された。
2)コア流中に置き、ブラインへの透過性が測定された。
3)ケイ酸カリウム泥が混合され、95℃に加熱された。
4)泥が3mL/分の連続速度でコア内に注入される。
5)圧力が経時的に監視される。
6)差圧が約2500psiまで時間の経過とともに指数関数的に増大する。流体のブレークスルーが観察される。
7)コアは完全には塞がらないが、約99%の透過性が失われる。
8)排液が集められ、流体押し出し量(侵入の深さ)を決定する。
【０１１０】
パラメータ:
計測器:Chandler Formation Response Tester
コアプラグ:1.5"×3.0"の砂岩
温度:95℃
試験流体:2%の潤滑剤を含む3%のケイ酸カリウム
細孔容積: 16.78
初期透過性:ブラインに対して28.32mD
泥処理後の透過性:0.197mD
透過性減少: >99%
流量:3mL/分
ブライン組成:
NaCl -  230.303g
CaCl2 -  79.054g
KCl -  8.346g
MgCl2 -  13.79g
【０１１１】
次いで、シェール分散試験が実行され、潤滑剤を含むアルカリケイ酸塩溶液がシェールサンプルをシーリングし、シェールサンプルに機械的完全性を付与する能力を決定した。この方法は、API RP 13i Procedures for Shale Dispersion by Hot Rollingによるものであり、次のとおりである。
・  約2kgのピエールシェール片を押し潰して約900gの-5/+10メッシュ(2〜4mm)の個片を得た。ピエールシェールは、地熱に適した深さに典型的には存在している成熟した硬質シェール地層に比べて反応性が非常に高く、水の影響を受けやすい。これは、控えめなベースラインとして選択されたが、成熟したシェールによる実際のパフォーマンスはより良好である。
・  ASTM篩いおよびRo-Tap篩い振盪機を2分間使用して-5/+10メッシュの個片が篩いにかけられた。
・  約10gのシェールが250mLの試験流体中に置かれた。
・  120℃で24時間かけてサンプルが圧延された。
・  次いで、サンプルは圧延後に20メッシュのスクリーンに注ぎ込まれた。
・  経年劣化セルが抑制流体(7%のKCl)で濯がれ、内壁に付着しているすべての物質を取り除いた。
・  20メッシュで回収された物質の総量が、炉内で100℃により一定の質量まで乾燥された。
・  次いで、各サンプルが再び篩いにかけられ、-5/+10画分の質量が記録された。
【０１１２】
いくつかの異なる流体配合に対する結果が以下に提示されている。
【０１１３】
【表１】
2020007902.tif 000003
【０１１４】
97%を超える回収率が達成され、これはシェールの優れたシーリングおよび強化を示している。鉱物油は、シェールと反応しないが、質量の約85%しか回収されなかった。質量損失は、圧延時の機械的分解による。したがって、高い97%の回収率は、化学的シール形態だけでなく、機械的硬度改善も実現されるということを示す。シェール抑制剤が加えられた作動流体は、また、1%の回収率しか有しない真水からの実質的に改善された44%の回収率を有する。
【実施例２】
【０１１５】
0.5重量%の、水、市販の防食剤、臭化カリウム、セチルトリメチルアンモニウム界面活性剤、サリチル酸ナトリウム、および炭酸カルシウム固体微粒子からなる作動流体が試験された。
【０１１６】
圧力低下(すなわち、抗力)の測定および乱流の特性が、2"の200L容量加熱流を使用して試験された。ループは、それぞれ高剪断力および低剪断力を有する、遠心(GIW、LCC-M 50-230)および漸進空洞(Moyno(商標)、2F090)ポンプを備える。最大Re数は、500,000に達し、ループは、固体の15%体積濃度で動作し得る。圧力低下は、真水でキャリブレートされ、作動流体を使用して同じ流量で摩擦圧力低下と比較された。63%の乱流抗力低減が、直接使用熱用途に適している温度範囲にわたって達成された。
【０１１７】
近くの坑井孔内の未消費アルカリケイ酸塩との反応性を試験するために、Ecodrill(商標)317、SiO2:K2Oの比2.5の29.1%活性溶液が作動流体のサンプル中に混合された。NaOHが使用され11〜12のpHに調整し、アルカリケイ酸塩溶液が作動流体のサンプル中に穏やかに攪拌しながら注入され、3%(V/V)および1%(V/V)の溶液を生成した。これらの低濃度は、近くの坑井孔の未消費アルカリケイ酸塩掘削流体を控えめに表すように選択された。各場合において、ケイ酸塩溶液を作動流体に加えることで沈殿を生じさせ、24時間後に、ケイ酸塩が固化した。これらの結果は、作動流体が坑井孔シールを補強し、増強し、これが流体に対して実質的に不透過性になるようにすることを実証している。
【０１１８】
作動流体が坑井孔の完全性および安定性を維持する能力を評価するために、修正されたシェール分散試験が実施された。試験方法は、同じサンプルで連続する2つのシェール分散ランを伴う。最初に、サンプルは、上で説明されているように、シーラント内で熱間圧延され、次いで、作動流体中に再び浸され、それにより、シーリング後のシェールの機械的強度および化学的分離を決定する。掘削流体シーラントによる初期シェール分散ランの後に、サンプルは乾燥され、秤量され、作動流体の化学反応において浸漬され、24時間かけて圧延される。
【０１１９】
次いで、サンプルは、圧延後に20メッシュのスクリーン内に注ぎ込まれ、20メッシュで回収された物質の総量が、炉内で100℃により一定の質量まで乾燥された。次いで、各サンプルが再び篩いにかけられ、-5/+10画分の質量が記録され、シーリングされ乾燥された後にサンプルの質量と比較された。興味深いことに、複数のランからの結果は、質量の96%を超える回収率を示しており、これは作動流体が坑井孔の完全性を維持する優れた能力を示している。
【実施例３】
【０１２０】
機械的方法
一実施形態において、機構は、自然に細孔空間/割れ目内に移行し透過性を低下させる固体粒子を掘削流体に加えることによって働き得る。これは、一般的に、損失循環材料(LCM)として知られている。
【０１２１】
固体粒子は、粒状材料、繊維性材料、およびフレーク状材料、ならびにこれらの組合せであってよく、透過性を低下させるのに必要なサイズで存在し得る(掘削流体を通して分散し得る)。好適なサイズは、ナノメートルからミリメートルのサイズであるものとしてよい。
【０１２２】
Abramの規則および/または理想的パッキング理論の概念が、最も好適な材料を確定するために有用である。Abramの規則では、架橋剤の粒子サイズはターゲット地層の中孔喉サイズの1/3に等しいか、またはわずかに大きいサイズであるべきであることを提案している。
【０１２３】
理想的パッキング理論では、架橋剤によって生成されるものを含む、すべての空隙を効果的にシーリングするために全範囲の粒度分布を提案している。
【０１２４】
粒子は、架橋の前に細孔空間内に浸透するサイズであってもよい。
【０１２５】
それに加えて、ドリル切削物は、LCMを増強し、プラギング材料として働き得る。
【０１２６】
これらのLCM生成物はどれも、掘削プロセスが完了した後に坑井孔漏れを改善するために利用することも可能である。LCMによるさらなる粘性スイープは、LCMの侵入を許し、いかなる漏れもシーリングするように裸坑セクションを通して遅い速度でポンプにより送られ得る。
【０１２７】
最後に、固体ケイ酸塩(場合によってはカプセル封入)は、また、貯留層をシーリングするための効果的な化学的/機械的組合せ機構を提供し得る。
【実施例４】
【０１２８】
生物学的方法
微生物攻法(MEOR)は、石油回収を増加させるために微生物の設計、増殖、および刺激を管理する工学分野である。大部分の深い地質学的地層は、細孔空間内に嫌気性細菌を含む。これらの細菌は、表面近くにいる微生物と比較してエネルギーおよび栄養物の供給量が非常に少なく、したがって個体群密度が非常に低い。
【０１２９】
一MEOR技術は、増殖を促進し、最終的に生物学的材料で岩石空隙のプラギングを促進するように常在菌を栄養物で処理することである。栄養物は任意の化学物質であってよいが、典型的には、硝酸カリウムおよびモノナトリウムリン酸塩を含み得る。細菌増殖は指数関数的なので、十分な原料および好適な条件が与えられれば、細菌は増殖し、それらが常駐する細孔空間を完全に塞ぐように誘導され、これにより岩石を流体に対して実質的に不透過性を有するようにできる。
【０１３０】
別の技術は、新しい微生物を岩石地層に導入し、それと同時に栄養物を微生物に供給することである。これらの微生物は、特定の温度でのみ増殖するように工学的に処理され得、したがって高温地層内に注入することによって活性化され得る。
【０１３１】
いずれかの技術が従来の掘削流体に適用されるものとしてよく、それにより岩石を流体に対して実質的に不透過性にし、閉ループ地熱システムを形成することができる。
【実施例５】
【０１３２】
熱的方法
地質学的地層は、様々な化学物質を有し、したがって、様々な融点を有するが、大部分の堆積岩層は1200℃以下で溶融する。機械的接触ではなくむしろ熱分解を使用して岩石を貫通することができるいくつかのテクノロジーが、研究、開発、試験段階にある。
【０１３３】
一方法は、電流または原子力のいずれかを通じてプラズマを発生させることである。プラズマは、岩石を溶融し、連続掘削を可能にする。
【０１３４】
別の方法は、岩石の表面上にレーザーを発射し、岩石が砕け、崩壊し、最終的に溶融し始めるまで温度を上昇させることである。
【０１３５】
別の方法は、当たった瞬間に十分なエネルギーを放出する高速発射体を発射して温度を数百度上昇させることである。
【０１３６】
これらの技術の各々は、掘削しながら多孔質の透過性岩石を溶融する能力を有し、その後、冷却し、アニールして、流体に対して実質的に不透過性を有する硬質の耐久性の高いバリアを形成することができる。
【０１３７】
このテクノロジーの方法の詳細について説明しているが、次に、図を参照しつつ特定の実装形態を参照することにする。
【０１３８】
ここで図1を参照すると、異なる配合に対する時間の平方根の関数として濾液体積を示すグラフ表現が図示されている。
【０１３９】
図2は、実施例1に明確に示されている化学シーリングコアフラッド試験に対する時間の関数として差圧および透過性データを示すグラフ表現である。
【０１４０】
図3は、地下水保全のために表面ケーシング12を有する注入口坑井10を有する坑井の断面図である。中間ケーシング14が図示されているように適所にセメント固定される。これらの構成要素のすべては、当技術分野で知られている。中間ケーシング14から延在しているのは、この例ではケーシングを含まないラテラルセクション16であるが、むしろ、開放されているシーリングされた坑井孔である。ラテラルセクション16を囲む細孔空間は、すでに本明細書において説明されているようにシーラントでシーリングされる。シーリングされた細孔空間は、番号18によって参照される。シーリングされたラテラルセクションは、中間ケーシング14に連続する。後者のケーシングは、次いで、排出口坑井20と連続的に接続する。排出口坑井は、ケーシング12を備える。
【０１４１】
図4は、代替的シナリオを例示している。この例では、ラテラルセクション16は間欠的にシーリングされ得、その結果岩石面22はシーリングされていない。この状況において、ケーシング24はライナーとして示されており、これはセメント固定を欠いていることを意味している。したがって、ライナー22はシーリングされていない岩石面を改質し、注入口10から排出口20への連続的回路を維持する。これは、連続的にシーリングされたセクションと併せて使用され得る。これは、地層の特定の地質に依存する。
【０１４２】
多孔質または割れ目のある岩石内のシーリングされたエリアに関して、シーラントが岩石面と融合しないが、むしろ、上述の化学物質の例において岩石内に埋め込まれる。一般に、図2および図3は硬質岩石を示している。
【０１４３】
次に図5を参照すると、図示されているのは、坑井が地層内のあまり透過性の高くないセクション内に配設されている一例であり、その一例は堆積シェールまたは泥岩セクションである。このシナリオでは、地層は、めったにない亀裂、割れ目、劈開平面など、全体的に番号26で示されるものを有し得る。化学的ライナー28が、注入口10と排出口20との間の連続性を完全なものにするために使用され得、化学的ライナー組成物28が図示されているように亀裂、割れ目、および劈開平面を埋める。
【０１４４】
図6を参照すると、坑井構成の第1の例が図示されている。この例において、注入口10および排出口20の各々は、マルチラテラル坑井システム36の注入口32および排出口34と連通する従来のケーシングされたセクション30を含む。システムは、地質学的地層38内に配設される。システム36は、複数のラテラル坑井16を含み、これは図3および図4に関して概略が示されているように状況に応じて部分的にケーシングされ得る。任意の数の坑井システム36が地層38内に使用され得る。これは、垂直および水平方向に番号6nで表され、「n」はシステム36の形状または他の任意の好適な構成におけるさらなる坑井の任意の数を示す。
【０１４５】
注入口32および排出口34は、この後の図で次に参照されるマルチラテラルジャンクション内のケーシングされたセクション30と一体化される。
【０１４６】
図7は、可能な一マルチラテラル配置構成を例示している。注入口32はシーリングされたマルチラテラル坑井孔ジャンクション40と接続し、これからラテラルセクション16が連続的に延在する。ラテラルセクション16は、地層38(図6)内からの熱回収を最大化するように互いに相隔てて並ぶ。ラテラルセクション16は、図3から図5に関して説明されているようなケーシングを含み得る。システム36の排出口34は、類似のジャンクション40(図示せず)を含む。
【０１４７】
図8を参照すると、L字形坑井構成が、全体的に番号42で表されて図示されている。この例では、坑井は、前の例と同様にシーリングされた末端46の裸坑坑井孔を有する延在するセクション44を有する。絶縁されたチューブ48は、流体送達のために坑井内に延在する。延在するセクション44は、選択された任意の角度をなすものとしてよい。
【０１４８】
図9は、垂直配向の例を例示している。
【０１４９】
図10では、番号50によって表されるW字形坑井が提供されている。表面は、番号52で表されている。この例では、一方の坑井からの出力は他方の坑井の入力となる。流れ方向は、矢印で示されている。パターンは、追加のサイクルについて繰り返され得る。この例では、裸坑坑井孔16は、前の図で説明されているようにシーリングされ、単純にシーリングされた坑井孔セクションとともにケーシングされたセクションの交互パターンを組み込み得る。これは、地層地質に依存する。
【０１５０】
図11は、図3で最初に参照されているシステムに類似するマルチラテラルシステムのさらなる変更形態を例示しており、これは注入口および排出口導管を単一の坑井孔に組み合わせ、マルチラテラルセクションの配設は地層内で任意の角度をなすものとしてよい。この例では、ラテラルセクション16は、末端54に集中する。
【０１５１】
図12は、注入口坑井10および排出口坑井20が全体的に近い位置にある単一のサイト配置構成56の側面図である。流体回路は、ラテラルセクション16について示されている。前の例と同様に、裸坑坑井孔は、掘削が実施されている間にシーリングされ、周囲細孔空間はこの手順においてシーリングされる。番号12nは、図6で参照されている6nに与えられているのと同じ意味を伝える。
【０１５２】
さらなる変更形態が、図13に例示されている。複数ラテラル坑井配置構成の頂面図が図示されている。図示されている複数の個別の坑井16は、共通の注入口坑井10を共有し、地層(この図には示されていない)の地熱帯内に広がり、共通の排出口坑井20への閉回路内に戻る。流れ方向は、矢印で示されており、流れは、別々のループの間で各個別のループまたはデイジーチェーンに分離され得る。これは、地熱帯内で最大の熱的採掘を可能にしながらフットプリントを小さくする上で有利である。
【０１５３】
図14は、図13の実施形態に帰される小フットプリントを維持しながら提供される複数の坑井配置構成があるさらなる変更形態を示している。
【０１５４】
図15は、図13に最初に提示されている坑井構成と組み合わせたマルチラテラル坑井システム50を組み込んだ図である。この構成では、2つの離散的な単一サイト56が広い面積に及び、広い地下地熱エリアを採鉱するために表面侵入が最小限度に抑えられるものとしてよい。流れ方向は、矢印で示されており、流れは、別々のループの間で各個別のループまたはデイジーチェーンに分離され得る。本明細書で説明されているシーリングテクノロジーの有効性は、そのようなハイブリッド構成をもたらす柔軟性を実現することができる。これは、次いで、広範にわたる地質的状況で熱的採鉱を可能にし、本明細書における方法を実践する上でさらに別の自由度をもたらし得る。
【０１５５】
細部に注目すると、図16は、ラテラルセクション16としても本明細書において参照されている、掘削坑井孔の断面を例示している。この例における地熱地層38は、高透過性地層である。透過性により、シーラントは、地層内の細孔空間内に広がり、すぐ近くでは坑井孔16が未反応のままであり、これは番号60で参照されている。未反応シーラントエリアから外向きに、前の例のように、番号18によって示されているシーラントでシーリングされた細孔空間がある。
【０１５６】
図17は、図16からの坑井孔を作動流体に曝した結果を例示している。この処理の後に、坑井孔を囲む地層エリアはシーリングされ、坑井孔それ自体の内部体積とそれを囲む地層との間に不浸透性界面を形成する。これは、シーリングされた坑井孔16が未反応シーラント60のリザーブによって囲まれるので特に有利である。地震活動または他の有害な活動から坑井孔シールが損なわれた場合、坑井孔は、その完全性およびシーリング能力を、利用可能な反応物のリザーブと作動流体との間の反応により自己回復することによって持続することができる。これは、明らかに、時間の経過とともに運転および保守費用を低減することに関する非常に大きい利点を有するが、これは、もちろん、坑井システムを最初に合成することに関連付けられている初期資本支出を大幅に軽減する。
【０１５７】
低いまたは平均的な透過性を有する岩石に関して、その一例は花崗岩、泥岩、またはシェールであるが、細孔空間、割れ目、亀裂、劈開平面などは、坑井孔16の周囲にシーラントを充填され、それにより、反応性作動流体またはさらなる処理を必要とすることなく単一のステップで不浸透性界面を形成するものとしてよい。したがって、地質的透過性は、本明細書で説明されている方法の範囲を考慮して地熱熱採鉱問題を提起しないことは理解されるであろう。
【０１５８】
副次的便益として、このテクノロジーは、改善に及び、領域をレトロフィットすることができる。本明細書のテクノロジーの基礎の1つは、魅力のない流体処理を必要とする割れ目形成を迂回する、地熱地帯においてエネルギー生産を行うための環境に優しい解決方法である。第2の基礎は、このテクノロジーは、閉ループとして従来技術において不適切に特徴付けられているものとは反対に真の閉ループシステムを提供するということである。
【０１５９】
このテクノロジーは、列挙されている地熱回収の便益を有する高い効果をもたらすシーリングプロトコルを可能にするので、このテクノロジーは効果のない、未使用の、または他の何らかの形で運転不能の、地熱坑井を改善することに適用され得ることが判明している。これらの坑井は、他にもあるがとりわけ、流量が低い、効果的でない割れ目、未固結地層および結果として生じる砂発生問題、ブラインからの過剰な腐食、または当然生じる浸出の問題などの、多くの課題により使用可能でないまたは運転不能であることがあり得る。したがって、本明細書において説明されているような新しい非フラッキング地熱配置構成へのレトロフィットが可能でない場合、運転不能なサイトは、不要なケーシングおよび補助的構成要素の取り外しによって放棄されるか、または可能な場合に、フラッキングなどの費用がかかり環境的に議論のある作業により、または潜在的に坑井全体を掘削し直すことによって改善される。透過度が問題になっていないという事実を考慮すると、シーリングテクノロジーは、魅力的な改善便益を提起する。
【０１６０】
既存の地熱坑井の転換またはレトロフィットに関して、坑井がすでに存在していることで、このテクノロジーが著しい経済的利点を伴って展開されることが可能になり、割れ目形成流体管理の必要性、誘発地震、および環境リスクがなくなり、レトロフィットサイトが、環境に優しいエネルギー源として、さらに構築するためのグリーンエネルギープラットフォームとして、すでに広く認識されているものになる。
【０１６１】
次に、テクノロジー範囲の追加の実装形態に関して、この後の図を参照する。
【０１６２】
図19において、坑井ループ64は、地質学的地層内に配設される、注入口坑井10および排出口坑井20を有する閉ループシステムを備え、この地層は、たとえば、地熱地層、低透過性地層、堆積岩層、火山性地層、または堆積盆地(何も図示されていない)の下に生じる結晶質岩としてより適切に記述される「基盤岩」地層であり得る。
【０１６３】
坑井ループ64およびパワーサイクル66は、サイクル66において発電機70により発電するためにその後使用される地層内のループ64で循環する作動流体から熱を回収する熱交換器68により熱的に接触する。一例として、地層の温度は、80℃から150℃の範囲内にあるものとしてよい。
【０１６４】
例示されている配置構成において、2つの異なる作動流体が使用される。流体に関するさらなる詳細がこの後説明される。システムの坑井ループ動作内で使用される作動流体を修正することは、低い温度で可能である。
【０１６５】
そのようなものとして、現在利用可能な発電モジュールは、通常、パワーサイクル作動流体の入力温度を一次熱交換器内で0℃より高い温度に制限する。作動流体の温度を0より低くすることによってより高いタービン圧力比が可能になる。しかしながら、従来の地熱プロジェクトは、熱交換器の他方の側の地熱流体を潜在的に凍結することによって制限される。
【０１６６】
本テクノロジーのこれらの制限は、閉ループ坑井と組み合わせた分離パワーサイクルシステムを実装することによって超えられる。
【０１６７】
流体は添加剤により、氷点下の温度での凍結を防ぐように修正され得る。好適な添加剤は、スケール防止剤、防食剤、摩擦低減剤、および凍結防止化学薬品、冷却剤、殺生物剤、炭化水素、アルコール、有機流体、およびこれらの組合せを含む。
【０１６８】
分離パワーサイクルと組み合わせた手直しされた坑井ループ作動流体の実質的な便益は、非常に冷たい周囲温度の影響を受けず、したがって図19に記載されているような坑井ループと併せて使用されたときにより高い正味電力生産を増大させるために使用される任意のジェネリックパワーサイクル(ORC、Kalina、炭素担体サイクル、CTPCを含む)の使用を円滑にすることである。この配置構成において、第2の作動流体の温度が0℃または氷点下であるときに熱が第1の作動流体から第2の作動流体に伝達される。
【０１６９】
分離回路を備える任意選択の配置構成は、図20および図21に例示されている。
【０１７０】
図20は、各々それ専用の発電機22が並列配置構成を形成する2つの異なる熱交換器18と熱的に接触している坑井ループ12を組み込んだ分離回路を例示している。同様に、図21は、直列配置構成を例示している。
【０１７１】
一体化された坑井ループパワーサイクルは、選択された作動流体が坑井ループ内を循環し、次いで図22に示されているように表面上でタービン内に流れ込む閉ループシステムである。番号72は、全体的なプロセスの概略を表している。このプロセスでは、離散的坑井ループ流体および二次パワーサイクル作動流体を有するのではなくむしろ単一流体が使用される。この閉ループサイクルにおける作動流体は、流体が上方作動圧力で超臨界であり、下方作動圧力で臨界未満である遷移臨界サイクル、または流体が下方作動圧力で超臨界のままである全体的に超臨界サイクルのいずれかとして動作することができる。
【０１７２】
知られているように、遷移臨界サイクルは、作動流体が臨界未満状態および超臨界状態の両方を通る熱力学的サイクルである。装置は、例において発電機78を備えるエアリアルクーラー74およびタービン76として示されている、冷却デバイスをさらに備える。エアリアルクーラー74は、作動流体を周囲温度より高い1℃から15℃までの間の温度まで冷却するために使用される。作動流体は氷点下の温度まで冷却され得ることにも留意されたい。図24への参照は、パフォーマンスデータを明確に示している。
【０１７３】
この一体化されたサイクルにおける駆動機構は、注入口垂直坑井10と排出口垂直坑井20との間の密度差により生じる非常に強力な熱サイホンである。流体は、注入口坑井10内で超臨界液体状態にあり、ラテラル相互接続セクション80に沿って移動するにつれ温まり、超臨界状態で排出口坑井20に出て、著しい圧力を発生する。
【０１７４】
熱サイホン効果は、始動時を除き通常動作条件の下で表面ポンプの必要性を完全になくすことができる。有利には、これは、ポンプを動作させ、正味電力出力を増大させるために必要な電力を不要にする。
【０１７５】
坑井ループ回路との連携は、坑井孔のレイアウト、深さ、長さ、および周囲温度に合わせて手直しされたカスタマイズ済み流体および混合物の使用である。従来技術では、二酸化炭素または純粋な炭化水素流体の使用についてしか語らない。本明細書で述べたような閉ループシステムでは、流体混合物の初期費用および複雑度は、経済性全体から見てささいな要因にすぎない。したがって、注入口坑井、排出口坑井、およびそれらの間の相互接続坑井セグメントを有する地熱坑井から熱エネルギーを回収する際に使用するための作動流体を含む群から選択される少なくとも1つの特性を有する流体などの他の流体が使用されてよく、前記作動流体は、
a)流体と周囲下げ孔熱源との間の温度差および熱伝達を最大化する、10MPaより大きい圧力、および180℃より低い温度における、相互接続セグメント内の実質的に非線形の温度エンタルピー関係、
b)高圧で吸熱反応であり、高圧に比べて低い圧力で発熱反応である、圧力に敏感な可逆反応を受けることができること、
c)相互接続/ラテラルセクション内で吸熱反応である化学吸収反応を含む流体混合物、
d)温度および圧力依存可溶性を有し、その結果相互接続/ラテラルセクション内で吸熱効果をもたらす、水性電解質溶液、
e)高い剪断力に曝されたときに低下しない乱流抗力摩擦低減組成物を含む水性流体、
f)超臨界流体、
g)アンモニア-エタン混合物、
h)a)〜g)の機能的組合せを含む群から選択された少なくとも1つの特性を有する。
【０１７６】
坑井ループのラテラル部分内で実質的に非線形の温度エンタルピー関係を示し、および/または高圧力で吸熱反応であり、高圧力より低い圧力で発熱反応である圧力に敏感な可逆反応を示す流体は、発電をかなり増大させることができることが判明している。これは、遠距離場岩石温度と循環流体温度との間の平均的な温度差が増大するので生じ、地質学的地層からの熱伝達の増大を駆動する。
【０１７７】
分離構成で使用するためのこのタイプの流体の一例は、温度依存可溶性を有する水性沈殿物/電解質溶液であり、水は注入口坑井の頂部で過飽和する。固体粒子は、スケール防止剤(軟凝集防止剤)および乱流(掘削泥に類似する)との懸濁液中に保持される。ラテラルセクションでは、温度は上昇し、したがって懸濁液中に保持される固形物の可溶性も増大する。これは、固体粒子が水に溶解するときに溶液が岩石から熱を吸熱的に吸収する(基本的に流体の有効熱容量を高める)ことを可能にする。分離熱-パワーサイクルへの熱交換器において、温度は低下し、したがって固体物質は発熱的に沈殿する。
【０１７８】
有用な流体は、例として次のような溶質を伴う水溶液を含む。
酢酸アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、ギ酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、臭化カリウム、塩化カリウム、ギ酸カリウム、炭酸水素カリウム、硝酸カリウム、酢酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、およびモノナトリウムリン酸塩。
【０１７９】
単一のタービンを使用し、周囲条件の範囲全体にわたって適切な効率を有することには問題がある。異なる周囲条件に合わせて最適化されている直列もしくは並列の2つまたはそれ以上のタービンを使用することでこの問題が解決することがわかっている。より低い温度の期間に、制御論理回路(図示せず)は、作動流体を適切なタービンに自動的にシフトして、年間を通して高い効率を維持する。
【０１８０】
次に図25および図25Aを参照すると、図示されているのは番号82で全体的に表されている、坑井のデイジーチェーンの概略図である。この実施形態では、番号84によって全体的に表される各表面配置は、ラテラル坑井導管に接続されている注入坑井86または相互接続セグメント88および揚水井90を含む。この方式で、連続的坑井構造は、全体的にU字形構造となる(subscribe to)。ラテラル坑井セグメントは、図3において説明されているような坑井システム36またはすでに説明されている他の構成のうちのどれかを備え得る。
【０１８１】
例示されているように、各配置84は離散的であり、的確で有利な方式により近位配置にリンクされる。たとえば、配置間の距離は3,500メートルから6000メートルであってよい。これは、もちろん、状況に応じて変わる。
【０１８２】
動作中、作動流体は一方の配置84の注入坑井86内で循環し、任意選択で、たとえば、発電装置(図示せず)を通して処理され、熱エネルギーを回収し、その後、近位配置84の注入坑井86に対する注入口供給流となるように出力流として通される。鎖線92は、この中継またはデイジーチェーンの順序付けを例示している。熱はすべてが回収されるわけではないので、近位配置の坑井86に対する注入口供給流は、ラテラル導管88に注入するために予熱される。次いでこのプロセスは、次の配置84で繰り返すためにリセットされる。
【０１８３】
次に、図26を参照すると、図示されているのは、本発明のさらなる実施形態、たとえば、8,000kWから12,000kWのシステムである。この実施例では、個別のループが集中化された配置94のところで連結されて発電装置(図示せず)を集中化し、電力および効率を高めることができる。
【０１８４】
図27および図28は、より小さな規模の運転、4,000kW〜6,000kW(図27)および2,000kW〜3,000kW(図28)を例示している。
【０１８５】
デイジーチェーン実装形態を使用するという重要な特徴の1つは、表面近くの戻し導管の必要性がないことである。必要になったときに、従来の坑井ループ配置構成のように、資本コストは全プロジェクト資本の10%を超え、敷設権の交渉が必要になることがあり、また約3℃の熱損失および圧力損失の結果、効率低下が生じる。
【０１８６】
対照的に、デイジーチェーンでつなぐと、坑井ループは前から後ろへリンクされるので、表面近くの戻し導管の必要性がなくなる。さらに、対になっているループが互いに対して戻し導管として働き、この対は廃熱を入力として使用して上述の予熱流を生み出す。
【０１８７】
他の利点は、すべてが表面下であるので表面崩壊はなく(フットプリント)電力生産が増大することと、配置84の間の距離が短縮することとを含む。これに比例する形で、予熱供給流設計の温度増大により使用され得る導管88が短縮されればコストも低下する。
【０１８８】
これらの例における坑井は、説明されている掘削方法を用いながらシーリングを使用することによって形成される。坑井構成の任意の組合せがデイジータイプの配置構成に組み込まれ得ることは理解されるであろう。さらに、デイジーの例における坑井孔ならびに図のすべてに示されている他の構成のどれかを形成するために破壊的技術の任意の組合せが使用されてもよい。いくつかの図では、「n」という記号表示への参照は図番号と一緒に含まれる。一例は、6nで示されるエリアを有する図6である。これは、任意の数、したがってn個の追加の坑井が縦に積み重ねられるか、または並列関係で位置決めされるか、または両方であり得、一方が図示されていることを表す。坑井タイプは、追加の坑井に対して異なるか、または同じであってもよい。
【０１８９】
例によって列挙されているように、本明細書に記載されているテクノロジーは、透過性に関係なく、地熱地層をエネルギー効率の高い坑井孔を最大の伝導率を有するように形成する能力について述べられている。この能力は、非常に効果的な作動流体と結合されたときに、結果として卓越した方法をもたらす。
【０１９０】
坑井内の流体循環は、任意のパターンおよび効率を促進する方向に発生し得る。これは、部分的には地層の性質によって決まり、当業者によって決定され理解される。
【符号の説明】
【０１９１】
10  注入口坑井、注入口
12  表面ケーシング
12  坑井ループ
14  中間ケーシング
16  ラテラルセクション、ラテラル坑井、裸坑坑井孔
18  シーリングされた細孔空間
18  熱交換器
20  排出口坑井、排出口
22  岩石面
22  ライナー
22  発電機
24  ケーシング、ライナー
28  化学的ライナー、化学的ライナー組成物
30  ケーシングされたセクション
32  注入口
34  排出口
36  マルチラテラル坑井システム
38  地層
40  マルチラテラル坑井孔ジャンクション
44  セクション
46  末端
48  チューブ
50  W字形坑井、マルチラテラル坑井システム
54  末端
56  単一サイト配置構成
60  未反応シーラント
64  坑井ループ
66  パワーサイクル
68  熱交換器
70  発電機
74  エアリアルクーラー
76  タービン
78  発電機
80  ラテラル相互接続セクション
82  デイジーチェーン
84  表面配置、近位配置
86  注入坑井
88  相互接続セグメント、ラテラル導管
90  揚水井
94  集中化された配置
【図１】
2020007902.tif 000004
【図２】
2020007902.tif 000005
【図３】
2020007902.tif 000006
【図４】
2020007902.tif 000007
【図５】
2020007902.tif 000008
【図６】
2020007902.tif 000009
【図７】
2020007902.tif 000010
【図８】
2020007902.tif 000011
【図９】
2020007902.tif 000012
【図１０】
2020007902.tif 000013
【図１１】
2020007902.tif 000014
【図１２】
2020007902.tif 000015
【図１３】
2020007902.tif 000016
【図１４】
2020007902.tif 000017
【図１５】
2020007902.tif 000018
【図１６】
2020007902.tif 000019
【図１７】
2020007902.tif 000020
【図１８】
2020007902.tif 000021
【図１９】
2020007902.tif 000022
【図２０】
2020007902.tif 000023
【図２１】
2020007902.tif 000024
【図２２】
2020007902.tif 000025
【図２３】
2020007902.tif 000026
【図２４】
2020007902.tif 000027
【図２５】
2020007902.tif 000028
【図２５Ａ】
2020007902.tif 000029
【図２６】
2020007902.tif 000030
【図２７】
2020007902.tif 000031
【図２８】
2020007902.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月31日(2019.7.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
【図１】様々な流体配合に対する時間の平方根の関数としての濾液体積を示すグラフ表現である。
【図２】実施例1に明確に示されている化学シーリングコアフラッド試験に対する時間の関数としての差圧および透過性データを示すグラフ表現である。
【図３】注入口坑井と排出口坑井との間のラテラルセクション内にケーシングなしでシーリングされた坑井の概略断面図である。
【図４】ラテラルセクション内のケーシングストリングセグメントおよびそれらの間のシーラントとの関係を例示する、図3の図と似た図である。
【図５】亀裂を有する無視できる透過性地層内のシーリングされた坑井孔配置構成を例示する、図4の図と似た図である。
【図６】ラテラル相互接続坑井セグメントのマルチラテラル配置構成の概略図である。
【図７】図6において参照されているシーリングされたマルチラテラル坑井孔セクションの拡大概略図である。
【図８】代替的地熱坑井構成の概略図である。
【図９】地熱坑井構成の別の代替的実施形態を示す概略図である。
【図１０】地熱坑井構成の別の代替的実施形態を示す概略図である。
【図１１】地熱坑井構成の別の代替的実施形態を示す概略図である。
【図１２】地熱坑井構成の別の代替的実施形態を示す概略図である。
【図１３】図12の上面図である。
【図１４】地熱坑井構成の別の代替的実施形態を示す概略図である。
【図１５】地熱坑井構成の別の代替的実施形態を示す概略図である。
【図１６】未反応のシーラントのリザーブを示す高透過性地層内の掘削坑井孔の断面図である。
【図１７】作動流体との循環接触の後の坑井孔界面の変換を例示する、図16に類似する図である。
【図１８】低透過性地層内の掘削坑井孔および周囲地層との界面を示す概略断面図である。
【図１９】地熱坑井孔方法のパワーサイクル実装形態の概略図である。
【図２０】図19の代替的実施形態の概略図である。
【図２１】図19のさらなる代替的実施形態の概略図である。
【図２２】地熱作動流体によって直接駆動されるタービンおよび発電機を組み込んだ一体化地熱回路の概略図である。
【図２３】図22の代替的実施形態の概略図である。
【図２４】異なる作動流体に対する距離に関する温度データのグラフ表現である。
【図２５】W字形またはデイジーチェーン地熱坑井構成の概略図である。
【図２５Ａ】図25の相互接続坑井地層の拡大図である。
【図２６】図25の代替的実施形態の概略図である。
【図２７】図25の代替的実施形態の概略図である。
【図２８】図25の代替的実施形態の概略図である。
【外国語明細書】
2020007902000001.pdf