(57)【要約】  高温低透過性地層またはその付近に位置する地質資源から熱を抽出して電力を生成するために閉ループ井戸システム内の流体を用いる方法または装置。いくつかの実施形態において、閉ループシステムは、１または複数の熱交換ゾーンを含み、１または複数の熱交換ゾーンの少なくとも一部は、３５０℃以上の温度を有する地下領域内に配置され得る。地下領域は、塑性帯域内または塑性帯域から１０００メートルの範囲内にあってよく、塑性帯域は、深さ１キロメートルごとに８０℃以上の温度勾配を有する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を収容する閉ループシステムであって、前記流体を加熱するための１または複数の熱交換ゾーンを含み、前記熱交換ゾーンの１または複数の少なくとも一部は、３５０℃以上の温度を有する地下領域内に配置され、前記地下領域は、塑性帯域内または前記塑性帯域から１０００メートルの範囲内にあり、前記塑性帯域は、深さ１キロメートルごとに８０℃以上の温度勾配を有する、閉ループシステム
を備える、地熱井戸。
【請求項２】
前記塑性帯域は、深さ１キロメートルごとに１００℃以上の温度勾配を有する、請求項１に記載の地熱井戸。
【請求項３】
前記閉ループ井戸システムに近接した前記地下領域は、０．２０Ｗ／ｍ２以上の熱流束を有する、請求項１に記載の地熱井戸。
【請求項４】
前記閉ループ井戸システムの一部は、脆性帯域、脆性延性遷移帯域、または塑性帯域に配置される、請求項１に記載の地熱井戸。
【請求項５】
前記閉ループ井戸システムの一部は、前記塑性帯域に配置される、請求項４に記載の地熱井戸。
【請求項６】
前記熱交換ゾーンは、６５０℃以上の温度および１ミリダルシ未満の透過率を有する高温不透過性岩石を備える前記地下領域に配置される、請求項１に記載の地熱井戸。
【請求項７】
前記閉ループ井戸システムは、下方流動ゾーン、熱交換ゾーン、および上方流動ゾーンを含み、前記熱交換ゾーンまたはその一部は前記地下領域に配置され、前記地下領域は高温不透過性岩石を備える、請求項１に記載の地熱井戸。
【請求項８】
前記下方流動ゾーン、前記熱交換ゾーン、および前記上方流動ゾーンのうちの２つ以上の一部は、前記高温不透過性岩石の領域に配置される、請求項７に記載の地熱井戸。
【請求項９】
前記下方流動ゾーン、前記交差流動熱交換ゾーン、および前記上方流動ゾーンの各々の一部は、自然または人工の顕著な破砕、亀裂、または孔を含まない高温不透過性岩石の領域内に伸長する、請求項８に記載の地熱井戸。
【請求項１０】
前記熱交換ゾーンの１または複数の少なくとも一部は、増加した透過率を有する前記熱交換ゾーンの前記一部に近接した前記脆性帯域または前記脆性延性遷移帯域内に配置される、請求項１に記載の地熱井戸。
【請求項１１】
電力を生成するための方法であって、
注入ゾーン、閉ループシステム内に収容された流体を加熱するための熱交換ゾーン、および生産ゾーンを含む閉ループシステムを設けることであって、前記熱交換ゾーンまたはその一部は、３５０℃以上の温度を有する地下領域内にあり、前記地下領域は、塑性帯域内または前記塑性帯域から１０００メートルの範囲内にあり、前記塑性帯域は、深さ１キロメートルごとに８０℃以上の温度勾配を有する、閉ループシステムを設けることと、
前記流体を前記注入ゾーンへ注入することと、
前記熱交換ゾーンに前記流体を循環させ、加熱流体を生成することと、
前記加熱流体を前記生産ゾーンから回収することと、
発電設備において、前記回収された加熱流体に含まれる熱エネルギを変換することと
を備える、方法。
【請求項１２】
前記地下領域内に前記閉ループシステムを配置することを更に備え、前記地下領域は、高温不透過性岩石を備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記高温不透過性岩石は、６５０℃以上の温度、深さ１キロメートルごとに１００℃以上の温度勾配、および０．１ミリダルシ未満の透過率の少なくとも１つを有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記閉ループ井戸システムの一部は、脆性帯域、脆性延性遷移帯域、または塑性帯域に配置される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記脆性帯域における岩石を刺激すること、および／または前記閉ループ井戸システムに近接した前記脆性延性遷移帯域における岩石を刺激することを更に備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記地下領域は、塑性帯域内または前記塑性帯域から５００メートルの範囲内にあり、前記塑性帯域は、深さ１キロメートルごとに１００℃以上の温度勾配を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
地下層の温度プロファイルを決定することと、
前記地下層の熱補充プロファイルを深さの関数として決定することと、
前記閉ループ地熱熱交換システムを設置するための位置を決定することと、
前記温度プロファイルおよび前記熱補充プロファイルに基づいて地熱エネルギを生成するための地層の長期的存続性を推定することと、
前記地下層の前記温度プロファイルおよび前記熱補充プロファイルに基づいて前記地下層に閉ループ地熱熱交換システムを設置することと
の１または複数を更に備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記地下層の前記熱補充プロファイルを決定することは、前記層の透過率を局所的に増加させる対流効果を推定することを備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記位置を決定することは、３５０℃以上の温度を有する領域をプロットすることを備え、前記領域は、前記塑性帯域内または前記塑性帯域から１０００メートルの範囲内にあり、前記塑性帯域は、深さ１キロメートルごとに８０℃以上の温度勾配を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記位置を決定することは、６５０℃以上の温度を有する領域をプロットすることを備え、前記領域は、塑性帯域内または前記塑性帯域から５００メートルの範囲内にあり、前記塑性帯域は、深さ１キロメートルごとに１００℃以上の温度勾配を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
流体を収容する閉ループシステムであって、前記流体を加熱するための熱交換ゾーンを含み、前記熱交換ゾーンの少なくとも一部が高温不透過性岩石の領域に配置される、閉ループシステム
を備える、地熱井戸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される実施形態は、一般に、高温低透過性地層にある地熱資源から熱を抽出して電力を生成するために、閉ループにおける流体を用いる方法または装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地熱エネルギを抽出するための様々な開ループおよび閉ループシステムが提案されてきた。これらを説明するいくつかの特許および特許公開は、特に、たとえば、ＵＳ３８２４７９３号、ＵＳ３９３５１０２号、ＵＳ３９５１７９４号、ＵＳ２０１００２７２５１５号、ＵＳ８２８１５９１号、ＵＳ７８４９６９０号、ＵＳ２０１３０１９２８１６号、ＪＰ２０００１６１１９８号、ＵＳ８６５０８７５号、ＵＳ６６６８５５４号、ＵＳ２０１１００４８００５号、ＵＳ７０５９１３１号、ＵＳ２０１１００６７３９９号、ＵＳ２０１２０１４４８２９号、ＵＳ２０１３０１９２８１６号、ＵＳ２０１２０１７４５８１号、ＵＳ２０１００１８０５９３号、およびＵＳ２００７０２４５７２９号を含み得る。
【０００３】
一般的な開ループシステムは、地下層を破砕し横断するために、たとえば水または二酸化炭素などの流体に頼り、この場合、周囲の岩石による直接熱伝達が流体の温度を上昇させる。加熱流体はその後、地層から回収され、たとえば、加熱流体の一部から熱を抽出または流体を膨張させることによって電力を発生するために用いられる。
【０００４】
既存の開ループシステムは、比較的高い透過率を有する岩石層を利用することを提案した。商用地熱発電事業は、たとえば脆性帯域における断層帯などの高透過性エリアにおける地熱エネルギを利用する。これらの事業は、開ループシステムによって地熱熱水を用いる地熱貯蔵器からエネルギを抽出する。地質資源温度は、一般的に１５０℃〜３００℃である。そのような事業のために最低限必要な透過率は通常、約１０−６ｍ２である。この実用上の効果としては、商用事業は、温度、透過性、および地熱熱水が全て十分な程度に存在するエリアにおけるほんのわずかの脆性帯域に制限されることである。透過性は深さに伴って急速に減少するため、そのような地熱システムは深さによる制約も受け、これは、事業が運転を維持するために十分な流量を有するためには低すぎる透過率になるまでという地熱事業が拡大可能な垂直方向の制限が存在することを示唆する。すなわち、地熱事業は、熱抽出を改善するために単純に「より深く」および／または「より高温に」進むことができない。
【０００５】
他の要因の中でもとりわけ環境上の懸念および環境への損失により、たとえばＵＳ６６６８５５４号において提案されたように、流体を「収容」するために、元来低透過性岩石を検討することとなった。ただし、低透過性岩石の透過率は、地層を通る物質移動および加熱流体の回収を提供するために局所的に増加された。これらのシステムにおいても、透過性岩石の必要性は不可欠であると教示された。
【０００６】
一般的な閉ループシステムは、高温地下層を通過する流体ループを含む。そのようなシステムにおいても、一般に、閉ループシステム内に収容された流体への対流および伝導による間接的熱伝達の両方を提供するために地層を破砕することが必要であると考えられる。閉ループシステム付近の地層の透過性の増加は一般に当業者によって、地層内に対流を生じさせ、熱伝達を増大するために必要であると考えられる。当該技術における共通認識の結果、一般に開ループシステムに適していると考えられた資源のみが閉ループシステムに適していると考えられ、重複する資源選択として基本的に想定された。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の考察とは対照的に、塑性帯域における地層を含む低透過性地層が、地熱エネルギを効率的かつ有効に生成するために用いられ得ることが分かった。本明細書に開示される実施形態は、閉ループ設計の使用によって不透過性地質資源から電力を生成するための方法および装置に向けられ、ここで流体は閉ループ井戸において地層から完全に隔離され、井戸ケーシングから流体へ熱が伝達される。本明細書に開示される実施形態は、資源から熱を抽出するが、自然または刺激によるものにかかわらず資源の地質的透過性に頼ることなく、急速に生産性を失う削孔井戸を対象とするものではない。本明細書に開示される実施形態は、従来技術が意図した深さを上回る深さで温度および圧力が増加することにより、岩石の一般的な透過性および延性特性を利用するように設計される。
【０００８】
１つの態様において、本明細書に開示される実施形態は、地熱井戸に関する。地熱井戸は、流体を収容する閉ループシステムを含んでよい。閉ループシステムは、流体を加熱するための１または複数の熱交換ゾーンを含んでよく、熱交換ゾーンの１または複数の少なくとも一部は、３５０℃以上の温度を有する地下領域内に配置され得る。地下領域は、塑性帯域内または塑性帯域から１０００メートルの範囲内にあってよく、塑性帯域は、深さ１キロメートルごとに８０℃以上の温度勾配を有する。
【０００９】
他の態様において、本明細書に開示される実施形態は、電力を生成するための方法に関する。方法は、注入ゾーン、閉ループシステム内に収容された流体を加熱するための熱交換ゾーン、および生産ゾーンを含む閉ループシステムを設けることを含んでよい。熱交換ゾーンまたはその一部は、３５０℃以上の温度を有する地下領域内にあり、地下領域は、塑性帯域内または塑性帯域から１０００メートルの範囲内にあり、塑性帯域は、深さ１キロメートルごとに８０℃以上の温度勾配を有する。方法は更に、注入ゾーンへ流体を注入すること、熱交換ゾーンに流体を循環させて加熱流体を生成すること、生産ゾーンから加熱流体を回収すること、および発電設備において、回収された加熱流体に含まれる熱エネルギを変換することを含んでよい。
【００１０】
他の態様において、本明細書に開示される実施形態は、地熱井戸に関する。地熱井戸は、流体を収容する閉ループシステムを含んでよく、閉ループシステムは、流体を加熱するための熱交換ゾーンを含み、熱交換ゾーンの少なくとも一部は、高温不透過性岩石の領域内に配置される。
【００１１】
他の態様および利点は、以下の説明および特許請求の範囲によって明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本明細書の実施形態に従って利用され得る岩石層を示す略図である。
【図２】本明細書の実施形態に係る地熱システムの略フロー図である。
【図３】本明細書の実施形態に係る地熱システムの略フロー図である。
【図４】本明細書の実施形態に有用な電力変換システムの略フロー図である。
【図５】本明細書の実施形態に有用な電力変換システムの略フロー図である。
【図６】熱勾配が小さく熱流束が小さい深資源の地表に対する一般的な温度対深度図である。
【図７】本明細書の実施形態に有用な、生産熱勾配および熱流束の地表に対する温度対深度図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
背景技術の箇所に上述したように、一般的な熱水システムは、閉ループシステムと同様、自然にまたは刺激によって破砕または多孔性が生じる透過性地質資源から熱を抽出することに焦点を当ててきた。対照的に、本明細書に開示される実施形態は、たとえば塑性帯域における岩石などの低透過性岩石から熱を効率的かつ有効に抽出し得る。より高温の低透過性岩石を含む地層は、流体と岩石とを直接接触させずに資源に流体を通し、熱が井戸ケーシングを介して岩石から流体へ直接伝達することによって、有利に利用される。
【００１４】
地殻は、変形の態様に基づいて帯域分割され得る。対象となる３つの帯域を図１に示す。これらは、脆性帯域１０、脆性延性遷移帯域（または半脆性帯域）１２、および塑性帯域１４である。これら３つの帯域は、図１において直線１６、１８として示される２つの遷移、脆性延性遷移（ＢＤＴ）１６および脆性塑性遷移（ＢＰＴ）１８によって分離される。これら３つの帯域は以下で詳述される。
【００１５】
脆性帯域は最も上にある帯域であり、地表から下方へ伸長し、たとえば断層線に沿って生じるような脆性変形によって特徴付けられる。脆性帯域の下に脆性延性遷移帯域があり、これは、脆性および延性変形の組み合わせである変形によって特徴付けられる。脆性延性遷移帯域の下に塑性帯域があり、これは、主に延性変形によって特徴付けられる。塑性帯域のすぐ下には、マグマ貫入エリアにおいてマグマがあってよい。
【００１６】
岩石の強度は、脆性延性遷移帯域の頂部付近のある場所までは深さに伴って増加し、その後、深さに伴って強度は減少する。脆性延性遷移帯域の頂部は、上にある岩石からの拘束圧の影響によって、最も強度の高い岩石を内に有する。その点より下では、温度が上昇するとともに増加する延性変形の影響によって、岩石の強度は減少する。
【００１７】
変形の態様は主に、上にある岩石からの有効応力、温度、および岩石の種類に関連する。有効応力は深さに伴って増加する。塑性帯域を定義する温度が以下の表に示される。
【表１】
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【００１８】
珪長質岩は最も一般的には花崗岩を含むが、石英および長石が比較的豊富な他の多くの同様の種類の岩石を含んでもよい。珪長質ではない堆積岩は比較的、珪長質岩と化学的に同等であり、融解点および塑性変形が開始する温度の観点から同等であると言える。苦鉄質岩は最も一般的には玄武岩を含むが、他の多くの同様の種類の岩石を含んでもよい。化学組成および鉱物組成において珪長質岩と苦鉄質岩との中間の岩石は、上記表に記載した温度範囲の中間の温度範囲を有する。
【００１９】
変形の態様は、岩石の透過性に重大な影響を及ぼす。脆性帯域内の岩石は、１０−２〜１０−１５ｍ２の範囲の透過率を有し得る。対照的に、塑性帯域において、透過率は一般的に１０−１６〜１０−１８ｍ２の範囲である。これは、岩石内での熱および物質伝達の態様に影響を及ぼす。その結果、脆性帯域における熱伝達は一般的に、伝導および対流の何らかの組み合わせとして生じる。しかし、透過性が著しく低い塑性帯域において、熱伝達は、伝導のみの結果として生じる。これは、発生する開放破砕が全て一時的に過ぎず、最終的には再封鎖するような帯域における塑性変形に起因する。多くの場合に透過率を増加させる刺激に関する最小限の能力および岩石の非常に低い全体透過性によって、そのような地層は一般に、当業者によって、地熱エネルギ生成には不適切であると考えられる。これは、刺激の結果生じる破砕を含むあらゆる破砕の再封鎖によって地層内の対流性流動が経時的に減少し、熱伝達に悪影響を及ぼすことから、その帯域の長期的存続性の観点において特に正しい。
【００２０】
しかし実際は、閉ループシステムを用いて、そのような低透過性地層においても持続可能な地熱エネルギ生成が実現され得ることが分かった。伝導によって所与の地層から十分な熱を回収することができ、いくつかの実施形態において、閉ループシステムの付近で熱の補充を促進するために対流性の力が生じなくとも、高温不透過性岩石は、長期間にわたるエネルギ生成を持続させるために十分な全体伝導補充を有し得る。
【００２１】
本明細書の実施形態に係る地熱井戸は、流体を収容する閉ループシステムを含んでよい。閉ループシステムは、たとえば、注入（下方流）ゾーン、閉ループシステム内に収容された流体を加熱するための熱交換ゾーン、および生産（上方流）ゾーンを含んでよい。熱交換ゾーンの少なくとも一部は、いくつかの実施形態において高温不透過性岩石の領域内に配置され得る。
【００２２】
本明細書の実施形態によると、高温不透過性岩石は、１ミリダルシ（１０−１１ｃｍ２；１０−１５ｍ２）未満の透過率を有し得る。いくつかの実施形態において、高温不透過性岩石は、０．１ミリダルシ未満、他の実施形態において０．０１ミリダルシ未満、およびまた他の実施形態において０．００１ミリダルシ未満の透過率を有し得る。
【００２３】
本明細書の実施形態によると、高温不透過性岩石は、３５０℃を超える温度を有し得る。いくつかの実施形態において、高温不透過性岩石は、５００℃を超える温度、他の実施形態において６００℃を超える温度、他の実施形態において６５０℃を超える温度、他の実施形態において７００℃を超える温度、他の実施形態において７５０℃を超える温度、他の実施形態において８００℃を超える温度、他の実施形態において８５０℃を超える温度、また他の実施形態において９００℃を超える温度、たとえば、１７００℃もの温度などを有し得る。
【００２４】
しかし、特定の地層の存続性は、熱交換ゾーンが配置される地層の温度のみならず、地層の熱補充にも依存することが分かっている。閉ループ地熱エネルギ生成システムの長期的存続性は、対象となる帯域内に伝達する熱の最小流束を表す最小温度勾配を有する塑性帯域内または塑性帯域付近に熱交換ゾーンが配置される場合に得られ得ることが分かっている。
【００２５】
図６に示すように、地層の大多数に関する一般的な温度プロファイルが描かれる。温度は、脆性帯域１０、脆性延性遷移帯域１２にわたり深さに伴って安定して上昇し、塑性帯域１４において直線的に上昇する。たとえば図６に示すような一般的な地層において、地層は、たとえば、１キロメートルごとに２０℃の範囲の温度勾配を示し得る。このプロットは、相当の深さにおいてより高い温度が見られることを示し、この種の地層は、たとえば、１２０００メートルなどの極端な深さを用いることを意図している場合の従来技術、またはより深くより高温であることが必要なすべてのことであると言及する従来技術において多くの場合言及された種類である。不都合なことに、深さの増加はコスト効率が良くなく、より高温であることは、局所的な熱の減少がエネルギ抽出の減少およびそれに伴う地熱ループエネルギ変換効率の低下を招き得るため、必ずしも地層の長期的存続性と一致しない。
【００２６】
対照的に、特定の温度プロファイルを有する地層は、長期的エネルギ変換存続性を提供するために必要なアクセシビリティおよび熱補充特性の両方を提供し得ることが分かった。そのような地層は、たとえば、図７に示すものと同様の温度プロファイルを有してよい。図７において、塑性帯域における温度勾配（℃／ｋｍ）は著しく大きく、これは、資源内へ、および地表に向かう上向きのより高い熱流束を反映する。塑性帯域より上の温度プロファイルにおける変化は、脆性帯域における対流熱伝達を示す。これは、そのような資源において通常見られるが、必須ではない。
【００２７】
いくつかの実施形態において、本明細書の実施形態に係る閉ループ地熱システムは、地層の塑性帯域内またはその付近に配置されてよく、塑性帯域は、深さ１キロメートルごとに８０℃以上の温度勾配を有し、他の実施形態においては深さ１キロメートルごとに１００℃以上の温度勾配を有し、また他の実施形態においては深さ１キロメートルごとに１２０℃以上の温度勾配を有する。十分な温度勾配を有する塑性帯域を有する地層は、抽出された熱の補充のために十分な駆動力を提供することが分かった。また、そのような温度プロファイルを有する脆性延性遷移帯域および／または塑性帯域の低い透過率は、「ホットプレート」の下側境界に近接した脆性延性遷移帯域または脆性帯域内に存在しまたは供給された任意の周囲流体の上向き対流ループの「ホットプレート」下側領域として作用し得る。たとえば図７に示すような温度プロファイルを有する地層は、塑性帯域内および／またはその付近において、０．２Ｗ／ｍ２以上、たとえば０．３Ｗ／ｍ２を超える、０．４Ｗ／ｍ２を超える、０．５Ｗ／ｍ２を超える、０．６Ｗ／ｍ２を超える、または０．７Ｗ／ｍ２を超える熱流束を示し得る。
【００２８】
したがって、本明細書の実施形態に係る閉ループ地熱システムの熱交換ゾーンは、たとえば、深さ１キロメートルごとに８０℃以上の温度勾配を有する塑性帯域内または塑性帯域から１０００メートルの範囲内、他の実施形態においては、８０℃以上の温度勾配を有する塑性帯域から７５０メートルの範囲内、また他の実施形態においては、８０℃以上の温度勾配を有する塑性帯域から５００メートルの範囲内に配置され得る。他の実施形態において、閉ループ地熱システムは、３５０℃以上の温度を有する岩石領域内に配置され、岩石領域は塑性帯域内または塑性帯域から５００メートルの範囲内にあってよく、この場合、塑性帯域は深さ１キロメートルごとに１００℃以上の温度勾配を有し、他の実施形態においては、６５０℃以上の温度を有する岩石領域内に配置され、また他の実施形態においては、７００℃以上、７５０℃以上、８００℃以上、８５０℃以上、または９００℃以上の温度を有する岩石領域に配置され得る。
【００２９】
上述したように、そのような温度プロファイルの場合、地層は「ホットプレート」効果をもたらし、熱を補充し、「ホットプレート」の下側境界に近接した脆性帯域または脆性延性遷移帯域内に存在しまたは供給された任意の周囲流体の上向き対流ループをもたらし得る。本明細書の実施形態に係る閉ループシステムの熱交換ゾーンの一部は、脆性帯域または脆性延性遷移帯域の温度が十分に高く、閉ループシステムの熱交換ゾーン付近の温度プロファイルが、長期的システム存続性のために必要な熱補充を提供するのに十分である場合、脆性帯域または脆性延性遷移帯域内に配置され得る。
【００３０】
本明細書の実施形態に係る閉ループシステムは、したがって、流体を加熱するための１または複数の熱交換ゾーンを含んでよい。たとえば、単一の熱交換ゾーンが用いられてよく、または複数の熱交換ゾーンが用いられてもよい。単一の熱交換ゾーンは、単一または複数の深さに、および／または単一または複数の地層領域（脆性、脆性延性遷移、または塑性）に配置され得る。あるいは、複数の熱交換ゾーンが用いられてよく、その場合、熱交換ゾーンの１または複数の少なくとも一部は、脆性帯域、脆性延性遷移帯域、塑性帯域内に、または複数の地層領域に跨って配置され得る。熱交換ゾーンは、水平、垂直、または水平および垂直両方の組み合わせに配向され得る。
【００３１】
たとえば、いくつかの実施形態において、１または複数の熱交換ゾーンの少なくとも一部は、深さ１キロメートルごとに８０℃以上の温度勾配を有する高温不透過性岩石の領域内に配置され得る。他の実施形態において、閉ループシステムは、流体を加熱するための１または複数の熱交換ゾーンを含んでよく、１または複数の熱交換ゾーンの少なくとも一部は、３５０℃以上の温度を有する地下領域内に配置され、地下領域は、塑性帯域内または塑性帯域から５００メートルの範囲内にあり、塑性帯域は、深さ１キロメートルごとに１００℃以上の温度勾配を有する。いくつかの実施形態において、１または複数の熱交換ゾーンの少なくとも一部は、脆性延性遷移帯域内または塑性帯域内に配置され得る。また他の実施形態において、１または複数の熱交換ゾーンの少なくとも一部は脆性帯域内に配置され、熱交換ゾーンの一部に近接した脆性帯域もまた、たとえば局所的対流効果を増大するように刺激され、増加した透過率を有し得る。
【００３２】
高温低透過性岩石は、脆性帯域１０、脆性延性遷移帯域１２、または塑性帯域１４に存在し得る。たとえば、図７に示すように、地熱エネルギシステムの熱交換ゾーンまたは複数の熱交換ゾーンは、十分な温度および熱補充特性を有する適切な深さにおいて、エリア１９内に配置され得る。そのような位置に設置された井戸の長期的存続性は、温度、および地層から熱が抽出される場合の温度維持の観点から規定される。
【００３３】
そのような位置は、長期的存続性に関して勾配が不十分であり、地層が不十分な熱補充特性しか有さず、一般的に桁違いに低い０．０３〜０．０６Ｗ／ｍ２であるものとして、図６に示すものと同様の温度深度プロファイルを有する地層と同様のエリアにわたって識別される。先述したように、より深くより高温であることが必ずしも良いとは限らない。５００℃の温度および０．０５Ｗ／ｍ２の熱流束を有する地層は、急速に枯渇し、井戸はエネルギ生成のための長期的存続性を有さない。
【００３４】
上述したように、閉ループ井戸システムは、下方流動ゾーン（注入ゾーン）、たとえば斜め、上向き、または交差流動熱交換ゾーンなどの熱交換ゾーン、および上方流動ゾーン（生産ゾーン）を含んでよい。意図される閉ループネットワークは、特に、「Ｕ字形」井戸ネットワーク（下降、前進、上昇）、「Ｌ字形」井戸ネットワーク（下降、前進、後進、上昇）、「Ｗ字形」井戸ネットワーク（下降、上昇、下降、上昇）、「ストロー」ネットワーク（下降、上昇）、およびこれらの様々な組み合わせおよび構成を含む。いくつかの実施形態において、交差流動熱交換ゾーンまたはその一部は、高温不透過性岩石の領域に配置される。他の実施形態において、下方流動ゾーン、交差流動ゾーン、および上方流動ゾーンのうち２つ以上の一部は、高温不透過性岩石の領域に配置される。閉ループ井戸システムの一部は、脆性帯域、脆性延性遷移帯域、または塑性帯域に配置され得る。いくつかの実施形態において、閉ループ井戸システムの少なくとも一部は、塑性帯域に配置される。
【００３５】
いくつかの実施形態において、下方流動ゾーン、熱交換ゾーン、および上方流動ゾーンの各々の一部は、自然の顕著な破砕、亀裂、または孔を含まない高温不透過性岩石の領域内に伸長する。また他の実施形態において、下方流動ゾーン、熱交換ゾーン、および上方流動ゾーンの各々の一部は、自然または人工の顕著な破砕、亀裂、または孔を含まない高温不透過性岩石の領域内に伸長する。本明細書で用いられる場合、「顕著」とは、システムのエリアに近接した高温不透過性岩石の局所的透過率が１ミリダルシを超える結果をもたらすのに足る量を指す。
【００３６】
そのような高温不透過性岩石からの熱の抽出は、流体が資源を通過できることを必要とする。したがって、閉ループシステムまたは少なくともその適切な一部は、流体の温度に対処するとともに遭遇し得る圧力に耐えることができる材料で形成されなければならない。
【００３７】
たとえば図２に示すようないくつかの実施形態において、地熱エネルギを変換するための閉ループシステムは、略Ｕ字形システムを含んでよい。２つ以上の井戸が、「Ｕ字形」または「Ｗ字形」構成に結合され得る。２より多い数の井戸が用いられる場合、追加の井戸は、分岐した後、場合によってはより大きな親となる井戸間で再結合する、水平面または略水平面にあるより小さな形の井戸であってよい。そのようなシステムにおいて、たとえば、流体は、共通または複数の注入井戸２０を通過し、熱交換ゾーン２３において高温不透過性岩石の表面下ゾーン２２内で付勢され、上昇した温度および増加した圧力を有し得る付勢流体は、共通または複数の生産井戸２４を介して回収される。付勢流体はその後、タービン２６およびジェネレータ２８を介して、たとえば電力などのエネルギに変換され得る。またシステムは、全体として２９と示された圧力調整および注入制御機器も含んでよい。
【００３８】
他の実施形態において、下方流動および上方流動は、（たとえば「Ｌ字形」または「ストロー」ネットワークの場合）単一の井戸内に含まれ得る。これらの流れは、回収された流体における熱損失を最小限にするようにたとえば断熱材または真空によって分離された同心管内に収容され得る。そのような井戸は、垂直であり、または最初垂直であるが非垂直断面に移行してよい。たとえば、図３に示すように、流体は、注入ゾーン３０を通り、熱交換ゾーン３３において高温不透過性岩石の表面下ゾーン３２内で付勢され、上昇した温度および増加した圧力を有し得る付勢流体は、生産ゾーン３４を介して回収され得る。付勢流体はその後、タービン３６およびジェネレータ３８を介して、たとえば電力などのエネルギに変換され得る。またシステムは、全体として３９と示された圧力調整および注入制御機器も含んでよい。
【００３９】
管材は、図２および図３において比較的垂直および水平方向に配置されるものとして示されたが、垂直、水平、および／または斜めの部分を含んでよい。他の実施形態において、３つのゾーン全てが、断熱材によって分離された横並びまたは同軸上の２つの管から成る１つの垂直井戸システム内に含まれ得る。また他の実施形態において、３つのゾーン全てが、高温低透過性岩石内で複数の略水平井戸に分かれ、生産ゾーンを連結する前に再結合する１つの井戸システム内に含まれる。他の構造は、Ｕ字形構成に結合された２つ以上の井戸から成り、この場合、追加の井戸は、分岐した後、より大きな親となる井戸間で再結合する、水平面または略水平面においてより小さな形の井戸であってよい。
【００４０】
熱交換ゾーンの構成にかかわらず、本明細書の実施形態は、たとえば乾燥蒸気、フラッシュ、またはバイナリシステムなど、直接または間接電力変換システムにおける加熱流体の使用を意図する。そのようなシステムの実施形態は、たとえば図４および図５に示す実施形態によって例示され得る。
【００４１】
図４に示す実施形態において、発電システムは、注入ゾーン４０、生産ゾーン４２、および高温不透過性岩石内に設置された熱交換ゾーン（不図示）を含むシステムを含んでよい。またシステムは、フラッシュタンク４４、タービン４５、熱遮断システム４６、および注入ポンプ４７も含んでよい。生産ゾーン４２から回収された加熱流体は、圧力を減じるユニット４８を通るように向けられ、これによって流体の一部がフラッシュする。蒸気は、電力を発生するために１または複数のタービンを通るように向けられ、再圧縮または凝縮され、その後、閉ループシステムを再循環する。残りの流体は、直接貯蔵器内に再注入される。場合によっては、流体は最初、より多くの電力を発生するためにバイナリプラントへ送られ、その後、閉ループシステムを再循環する。
【００４２】
図５に示す実施形態において、発電システムは、注入ゾーン５０、生産ゾーン５２、および高温不透過性岩石内に配置された熱交換ゾーン（不図示）を含む閉ループシステムを含んでよい。またシステムは、熱交換器５４、有機ランキンサイクル動力システム５５、熱遮断システム５６、および注入ポンプ５７も含んでよい。生産ゾーンから回収された加熱流体は、熱交換器５４へ向けられ、ここで熱は、比較的低い沸点を有する第２の流体へ伝達される。その後第２の流体は蒸発し、たとえば有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を用いるもののように、電力を発生するためにタービン５５を通るように向けられる。その後、第２の流体は、たとえば熱遮断システム５６を通過することなどによって凝縮または圧縮され、再利用される。熱交換後の流体は、閉ループシステムを再循環する。
【００４３】
閉ループシステム内に収容された流体は、たとえば、水、二酸化炭素、冷却剤、または軽炭化水素を含んでよい。いくつかの実施形態において、流体は十分に圧縮可能であるので、流体は上方流動ゾーンよりも下方流動ゾーンにおいて高い平均密度を有し、熱サイフォン効果をもたらす。高温低透過性岩石における井戸システムは、下方移動する閉ループ流体の密度が上方移動する閉ループ流体の密度よりも高い高強度熱サイフォンをもたらすために十分な深さでなくてはならない。最低でも、深さは２ｋｍ〜６ｋｍ以上の範囲でなくてはならない。いくつかの実施形態において、システムは、８ｋｍ以上、９ｋｍ以上、１０ｋｍ以上、１１ｋｍ以上、または１２ｋｍ以上の深さに配置され得る。いくつかの実施形態において、熱サイフォン効果は、閉ループシステムを通る流体の継続した循環のための十分な駆動力をもたらし、注入ポンプが始動時にしか必要でないこともある。
【００４４】
上述したように、本明細書の実施形態に係る電力生成のための方法は、地下層内に閉ループシステムを配置することを含んでよい。閉ループシステムは、注入（下方流）ゾーン、閉ループシステム内に収容された流体を加熱するための熱交換ゾーン、および生産（上方流）ゾーンを含んでよい。熱交換ゾーンの少なくとも一部は、高温不透過性岩石の領域内に配置され得る。たとえば、高温不透過性岩石は、０．１ミリダルシ未満の透過率および６５０℃を超える温度を有し得る。
【００４５】
流体は注入ゾーンに注入され、加熱流体を生成するために熱交換ゾーンを循環し、生成ゾーンから回収され得る。回収された加熱流体に含まれる熱エネルギは、その後、発電設備において変換され得る。いくつかの実施形態において、地下層内にシステムを配置することは、上述したように、脆性帯域、脆性延性遷移帯域、または塑性帯域に閉ループ井戸システムの一部を配置することを含んでよい。いくつかの実施形態において、塑性帯域より下にシステムを配置することにより、脆性延性遷移帯域と塑性帯域との境界面より下からの集熱が可能であり、それによって塑性帯域内の岩石の一般に高い熱勾配を利用することができ、これらの特徴は、塑性帯域への削孔の追加コストを正当化して余りある。
【００４６】
本明細書の実施形態における高温不透過性岩石は、刺激が効果を伴わない塑性帯域内にあってよいが、本明細書のシステムは、刺激から利益を得ることもあってよい。たとえば、閉ループ井戸システムに近接した脆性帯域内の岩石を刺激することは、井戸の外側の水または海水の対流を増大させ、脆性帯域におけるシステムの一部を通るプロセス流体の下にある高温脆性延性遷移帯域からの熱伝達を高めるために用いられ得る。同様に、閉ループ井戸システムに近接した脆性延性遷移帯域内の岩石を刺激することは、井戸の外側の水または海水の対流を増大させ、脆性延性遷移帯域におけるシステムの一部を通るプロセス流体の下にある高温塑性帯域からの熱伝達を高めるために用いられ得る。
【００４７】
他の実施形態によると、本明細書で説明される地熱エネルギを生成するための方法は、地下層の温度プロファイルを決定することを含んでよい。たとえば、井戸または試掘（小径）井戸が削孔され、井戸が外乱後に周囲の地層との平衡に至り、または近付くことができるように、削孔中または削孔後に地層の温度が測定され得る。削孔中または削孔後の削孔流体温度の測定は、ボーリング孔測定から地層温度を推定するために用いられ得る。たとえば、温度プロファイルは、ボーリング孔ジオメトリ、センサの位置、削孔流体組成、および、数ある要因の中でも特に閉じ込め期間、循環率、測定深度、システムの熱拡散率、および熱伝導率を含む他の多くの要因を考慮に入れた様々なモデルを用いて推定され得る。
【００４８】
他の実施形態において、地層に関する温度プロファイルが推定され得る。たとえば、浅井戸に関する温度データが存在する場合、地震学および他のデータは、より深い深さにおける地層の温度プロファイルを外挿するとともに、脆性延性遷移帯域の位置および塑性帯域の始点を推定するために用いられ得る。
【００４９】
また、地下層の熱補充プロファイルが深さの関数として決定され得る。たとえば、地下層の熱流束は、たとえば循環の終点または閉じ込め後にある位置での経時的な温度変化を測定することなどによる測定および計算によって決定されてよく、より高い速度での平衡への接近は、より高い熱流束を示す。熱補充プロファイルは、たとえば、地層種類、地層温度勾配、および地層が熱を交換または外乱に反応する様子を示す他の要因も考慮に入れてよい。このように、当業者は、地下層の熱補充プロファイルを測定、計算、および／または推定することができる。
【００５０】
いくつかの実施形態において、地下層の熱補充プロファイルを決定することは、地層の透過率を局所的に高める対流効果を推定することを含んでよい。たとえば「ホットプレート」脆性延性遷移帯域または塑性帯域の上の脆性帯域において地層を破砕または刺激することは、対流および熱補充の増加をもたらし得る。そのようなエリアにおける地層の透過率を局所的に高める効果の推定は、地熱井戸ループ熱交換ゾーンの位置をどこに基礎付けるかに関する更なる情報を提供するとともに、そのような位置における井戸の長期的存続性の決定に役立ち得る。
【００５１】
方法は更に、閉ループ地熱熱交換システムを設置するための位置を決定することを含んでよい。上で簡単に言及したように、温度プロファイル、熱補充プロファイルなどは、エネルギ生成のために地層から熱を有効かつ効率的に抽出するために閉ループ地熱システムの熱交換ゾーンまたは複数のゾーンをどこに位置付けるかを決定するために用いられ得る。たとえば、位置の決定は、３５０℃以上の温度を有する領域、塑性帯域内または塑性帯域から１０００メートル範囲内の領域、および深さ１キロメートルごとに８０℃以上の温度勾配を有する塑性帯域をプロットすることを含んでよい。他の実施形態において、位置の決定は、６５０℃以上の温度を有する領域、塑性帯域内または塑性帯域から５００メートル範囲内の領域、深さ１キロメートルごとに１００℃以上の温度勾配を有する塑性帯域をプロットすることを含んでよい。
【００５２】
閉ループ地熱熱交換システムは、その後、地下層の決定された温度プロファイルおよび熱補充プロファイルに基づいて地下層内に配置され得る。閉ループ地熱熱交換システムの設置は、削孔、ケーシング、穿孔、セメンティング、破砕のある無管井戸壁の拡張、無管井戸壁の密封、および当業者に知られるような削孔プロセスおよびその内部への井戸ループの設置に関する他のステップを含んでよい。設置は、いくつかの実施形態において、地層の塑性帯域内または脆性延性遷移帯域内に閉ループ井戸システムの熱交換ゾーンを配置することを含んでよい。いくつかの実施形態において、設置は、地層の脆性帯域内に閉ループ井戸システムの熱交換ゾーンを配置するとともに、熱交換ゾーンに近接した脆性帯域を刺激することを含み、または追加的に含んでよい。
【００５３】
いくつかの実施形態によると、本明細書で説明される地熱エネルギを生成するための方法は、金属パイプによってケーシングされていない井戸の一部を含み得るが、そのような部分の壁は、硬化シール剤によって密封された地層岩石であってよく、そのような部分における井戸壁は、そのような硬化シール剤の境界面によって画定され、それによって、いくつかの実施形態において、そのような部分における井戸の径は大きくなり、場合によってはそのような井戸の金属ケーシング部分よりも大幅に大きくなる。
【００５４】
閉ループ熱交換システムの設置後、流体を加熱し加熱流体によってエネルギを生成するために、閉ループ地熱熱交換システム内を流体が循環してよい。たとえば、地下層から抽出されたエネルギは、熱、電力、または当業者に知られるような他の利用可能なエネルギ形態に変換され得る。
【００５５】
温度プロファイルおよび熱補充プロファイルを決定することに加えて、本明細書の実施形態に係る方法は、温度プロファイルおよび熱補充プロファイルに基づいて地熱エネルギを生成するための地層の長期的存続性を更に推定し得る。そのような分析は、システムのエネルギ抽出およびエネルギ変換効率の経時的な変化を推定するために、井戸に近接した地層の経時的な温度、熱流束、塑性変形などの変数、および他の因子を考慮に入れて、井戸の性能を時間の関数としてシミュレートすることによって実行され得る。またそのような分析は、熱交換ループの廃棄処理のための１または複数の適切な場所を決定するために所与の地層の様々な部分を比較するためにも実行され得る。
【００５６】
上述したように、本明細書に開示される実施形態は、自然発生または刺激による破砕または有孔性が欠如した、高温不透過性地層から熱を抽出するための装置および方法に関する。効果的な熱伝達および電力生成のためにある程度の透過率およびそれによる対流が必要であることを示す過去の教示および共通認識とは対照的に、本発明者らは、高温不透過性岩石が、たとえば、電力を生成するために地熱エネルギを抽出するための効率的かつ持続可能な資源を提供し得ることを発見した。
【００５７】
透過性岩石からの熱の抽出は難易度が高く、システムの有効性は、水が流れることが可能である十分な透過率へのアクセスに依存する。そのような場所を地表から確実に特定しようとする努力にもかかわらず、削孔、場合によっては多数の井戸なしで正確な地質特性を正しく示すことは、実際には難しいと証明された。削孔の高いコストにより、極端に多い数の井戸の設置は不可能である。したがって、透過性の欠如によって削孔された井戸が非生産的なもの（すなわち低水量または空井戸）になるという莫大な経済的リスクが存在する。対照的に、本明細書の実施形態に係る閉ループシステムは、場合によってはより高い初期削孔コストを含むが、削孔コストに遥かに勝る有効性および電力変換効率を有するものである。
【００５８】
本開示は限られた数の実施形態を含むが、本開示の利益を享受する当業者は、本開示の範囲から逸脱することのない他の実施形態が考案され得ることを理解するであろう。したがって、その範囲は、以下の特許請求の範囲に限定されるものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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