(57)【要約】【課題】  本発明は、岩石層から熱エネルギーを抽出および／又は利用するための方法およびシステムに関する。本要約書は、検索者または他の読者が技術的な開示の主題を迅速に確認できることが求められる要約書の規則に則って提供する。本要約書は請求項の範囲または意味を解釈するためもしくは制限するために使用しないという了解のもとで提出する。
2008504470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の坑井を少なくとも１つの亀裂節理群貯留層が発達できるだけの深さまで掘削するステップと、
複数の坑井のうち少なくとも１つを水圧破砕するステップと、
少なくとも１つの亀裂節理群貯留層を拡張させるステップと、
高圧かつ大流量で冷却水を複数の坑井のうち少なくとも１つに流し込んで、貯留層を注水するステップと、
複数の排水制御弁と複数の注入制御弁を交互に開閉して、複数の坑井から継続的な流れを供給し、貯留層から排水を可能にするステップと、
坑井から加熱された水を除去するステップと、
加熱された水を熱交換器に流すステップと
を有することを特徴とする岩石層から熱エネルギーを抽出する方法。
【請求項２】
掘削するステップが、水圧ボーリングするステップを含むことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】
水圧ボーリングするステップが、粒子ジェット掘削を含むことを特徴とする請求項２の方法。
【請求項４】
少なくとも１つの亀裂節理群貯留層の体積を、機械的サイクルと熱サイクルを同時に行って増やすことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項５】
少なくとも１つの亀裂節理群貯留層の燃焼熱を、貯留層岩石の機械的サイクルおよび熱サイクルで維持することを特徴とする請求項１の方法。
【請求項６】
少なくとも１つの亀裂節理群貯留層で抽出できる熱量を、貯留層岩石の熱サイクルおよび機械的サイクルで高めることを特徴とする請求項５の方法。
【請求項７】
システムを注水および排水するステップがさらに、熱機械的サイクルを同時に誘導して貯留層岩石の角礫化および剥離を起こしながら、定常状態の負荷追従生産サイクルを連続して起こすように注水および排水のタイミングをとるステップを含むことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項８】
熱生産の方法をさらに、注入井が異なる注入速度で定期的に注入して、速度が生産井から生産される継続的な生産速度よりも大きくなるようにする結果、貯留層が継続的な速度で生産されながらその場で貯留層角礫化を起こすのに必要な熱応力と機械的応力を組み合わせて起こすために貯留層を交互に膨張収縮できるようにした少なくとも２つの坑井を利用することによって促すことを特徴とする請求項７の方法。
【請求項９】
方法をさらに少なくとも３つの坑井を利用して促すことを特徴とする請求項７の方法。
【請求項１０】
少なくとも１つの坑口から複数の地層まで複数の坑井を掘削するステップと、
坑井の造成のために第１の上部地層を貫通する第１タイプのドリルビットを利用するステップと、
第１地中領域の下に設けられる高温岩体領域内にボアホールを作るために粒子ジェット掘削ビットを利用するステップと、
第１複数のボアホールを、岩石層によって決める垂直または水平に向く一又は複数の個別の層の亀裂節理群が発達できるのに十分な温度の深さの第１先カンブリア代の層で終わらせるステップと、
第２の複数のボアホールを第１群の下に一般的に水平に設けられる下層亀裂節理群を作るために、下層領域で終わらせるステップと、
各群を水圧破砕して、節理の膨張圧力および層破砕圧力を超える圧力で送り込むことによって層に拡張した節理の貯留層の体積を生産するステップと
を有することを特徴とする地熱生産井を仕上げる方法。
【請求項１１】
第３ボアホールを第１および第２のボアホールの末端領域の下で終わらせるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
破砕するステップが、貯留層に注水する加圧サイクルを与えた後で、貯留層を減圧して、加圧および減圧サイクル中に水に吸収される熱を生産する拡張した節理から加熱された水をフラッシュするステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
各群の注水および減圧プロセスを繰り返して、加圧される水を受ける複数の個別の貯留層の集合体を発達させ、節理の拡張中に貯留層を注水することによって、貯留層に向かう水を加熱した後、加熱された水の圧力が坑口から坑井で低下するとき貯留層から放出させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
坑井の圧力サイクルを、１つの坑井が坑井を逆流する速度の２倍で注入させるようなタイミングにすることによって、加熱水を継続的に生産するステップを含むことを特徴とする請求項１３の方法。
【請求項１５】
冷却された坑井の流体を坑井から還流して制御弁を通して注入ポンプまで戻すステップをさらに含むことを特徴とする請求項１４の方法。
【請求項１６】
冷却された坑井の流体を熱交換器から地表の貯留ピットまで排水するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１４の方法。
【請求項１７】
破砕するステップが、層に複数の物質の節理を拡張させるステップを有することを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１８】
掘削するステップが、上部坑井の部分をロータリー機械式ドリルビットで掘削するステップを含むことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１９】
ロータリー機械式ドリルビットが、ＰＪＡＲＭＤ法を有することを特徴とする請求項１８の方法。
【請求項２０】
坑口からボアホール掘削システムを少なくとも第１および第２の種類の掘削方式で定着するステップで、第１方式がロータリー機械式掘削法を含み、第２方式が水圧ボーリング法を含む、前記定着するステップと、
ロータリー機械式掘削法の第１方式を利用して、坑口から第１層まで第１ボアホール部を掘削するステップと、
水圧ボーリング法の第２掘削方式で、第１ボアホール部の下から結晶質岩層まで第２ボアホール部を掘削するステップと、
それを確保するために結晶質岩内部の熱エネルギーを掘り出すステップと
を有することを特徴とする熱エネルギーを確保するために、坑口から先カンブリア代および冥王代の結晶質岩層まで深部坑井を掘削する方法。
【請求項２１】
水圧ボーリング法が、粒子ジェット掘削法を含むことを特徴とする請求項２０の方法。
【請求項２２】
粒子ジェット掘削方式が、層を切削するために掘削流体内の個別の高密度固体粒子を連行するプロセスを含むことを特徴とする請求項２１の方法。
【請求項２３】
層の切削が、層をすり減らすおよび割れ目を作る噴射流体により連行された粒子に伝わる運動量によって層に与えられる衝撃エネルギーを利用することを特徴とする請求項２２の方法。
【請求項２４】
すり減った層をその周りの流体の流れから急速に除去するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２３の方法。
【請求項２５】
節理の群を拡張して貯留層を形成するステップと、貯留層を拡張させるために節理の群を流体で交互に注水および排水するステップと、流体を貯留層に流し込んだ後で貯留層から流出させるステップとにより、層の熱エネルギー貯留層を確保するための坑井を仕上げるステップをさらに含むことを特徴とする請求項２１の方法。
【請求項２６】
貯留層岩石に機械的応力と熱応力反転を同時に周期的に誘導して、岩石を継続的に角礫化させ、そこに新たな貯留層岩石表面（せん断帯形成）を露出させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項２５の方法。
【請求項２７】
単位体積あたりに利用できる熱密度をより大量にはるかに効率的に除去できるように、岩石から熱を継続的に奪うために、高い温度差の表面と貯留層の体積を継続的かつ漸増して増やすために複数の応力反転を与えるステップをさらに含むことを特徴とする請求項２６の方法。
【請求項２８】
貯留層システムが、周期的または定期的な生産を生じるように独立してサイクルされる単一の個別の貯留層を有することを特徴とする請求項２７の方法。
【請求項２９】
貯留層システムが、定常状態および変動できる継続的な生産流を生じるように順次サイクルできる複数の独立した貯留層のセットを含むことを特徴とする請求項２８の方法。
【請求項３０】
ボアホール掘削システムを少なくとも第１および第２のタイプの掘削方式で定着するステップで、第１方式がロータリー機械式掘削法を含み、第２方式が水圧ボーリング方式を含む、前記定着するステップと、
ロータリー機械式掘削法を利用して第１ボアホール部を掘削するステップと、
水圧掘削方式で第１ボアホール部の下から結晶質岩まで第２ボアホール部を掘削するステップと、
それを確保するために結晶質岩内部の熱エネルギーを掘り出すステップと、
亀裂の少なくとも一部が第２ボアホール部と導通するように、結晶質岩を亀裂群に破砕するステップと、
ボアホールの流体を第１および第２のボアホールに送り込んで、亀裂を水圧で膨張させるステップと、
亀裂群を水圧で交互に膨張収縮させて、高温岩石層を熱および機械的に同時にサイクルし、高温岩石層内で定期的に角礫化することによって、角礫化が新たな高い温度差の表面を漸増的に漸増して露出させる目的に役立ち、さらにそれが高温岩石層の高温生産を維持する目的に役立つステップと
を有することを特徴とする内部の地熱熱エネルギーを確保し、そこから生産するために、高温岩体地熱貯留層を発達させる方法。
【請求項３１】
作動流体で洗い流される表面積を実質的に増やすために、水圧による膨張を、注入サイクル中および生産サイクル中の両方で無指向性に行うことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
水圧ボーリング法が、粒子ジェット掘削法を含むことを特徴とする請求項３０の方法。
【請求項３３】
粒子ジェット掘削方式が、層を切削するために掘削流体内の個別の高密度固体粒子を連行するプロセスを含むことを特徴とする請求項３２の方法。
【請求項３４】
層の切削が、層をすり減らすおよび割れ目を作るために、噴射流体により連行される粒子に伝わる運動量によって、層に与えられる衝撃エネルギーを利用することを特徴とする請求項３３の方法。
【請求項３５】
すり減った層をその周囲の流体の流れから急速に除去するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３４の方法。
【請求項３６】
貯留層システムが、周期的または定期的な生産を生じるように独立してサイクルされる単一の個別の貯留層を有することを特徴とする請求項３０の方法。
【請求項３７】
貯留層システムが、定常状態および変動のうちの一方にできる継続的な生産流を生じるように順次サイクルできる複数の独立した貯留層のセットを含むことを特徴とする請求項３０の方法。
【請求項３８】
貯留層を周期的に膨張するように周期的に注入井を生産速度を超える速度で定期的に注入し、生産井が定常速度または変動速度で継続的に生産しながらエネルギーを弾性ひずみの形で蓄えるように、注入と生産を同時にする目的に役立つ複数の坑井をもつ単一の貯留層をさらに含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３９】
互いに独立を維持しながら貯留層を垂直に積層することを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
互いに独立して分離したままで、貯留層を概ね水平に配列することを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
ボアホール掘削システムを少なくとも第１および第２のタイプの掘削方式で定着するステップで、第１方式がロータリー機械式掘削法を含み、第２方式が水圧ボーリング方式を含む、前記定着するステップと、
ロータリー機械式掘削法を利用して第１ボアホール部を掘削するステップと、
水圧ボーリング方式で、第１ボアホール部の下から結晶質岩まで第２ボアホール部を掘削するステップと、
その節理を確保するために、結晶質岩内部の熱エネルギーを掘り出すステップと、
節理群を拡張して、貯留層を形成するステップと、
貯留層を拡張して、流体を貯留層に流し込んだ後、貯留層から流出させるために、節理群に流体を交互に注排水するステップと
を含むことを特徴とする高温岩石層に地熱貯留層を発達させる方法。
【請求項４２】
貯留層岩石に機械的応力および熱応力反転を同時に周期的に誘導することで、岩石を継続的に角礫化し、そこに新たな貯留層岩石表面を露出させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
高い温度差の表面と貯留層の体積を継続的かつ漸増して増やすことによって、単位体積あたりで利用できる熱密度をより大量にはるかに効率的に除去できるよう岩石層から熱を継続的に奪えるために、応力反転を複数回与えるステップを含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
貯留層システムが、周期的または定期的な生産を生じるように独立してサイクルされる単一の個別の貯留層を有することを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４５】
貯留層システムが、定常状態および／又は変動中にできる継続的な生産流を生じるように順次サイクルできる複数の独立した貯留層のセットを含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４６】
貯留層を周期的に膨張させるために、注入井が生産速度を超える速度で周期的に定期的に注入し、生産井が定常速度または変動速度で継続的に生産しながらエネルギーを弾性ひずみの形で蓄えるように、注入と生産を同時にする目的に役立つ複数の坑井をもつ単一の貯留層をさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４７】
互いに独立を維持しながら、貯留層を垂直に積層することを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
互いに独立して分離したまま、貯留層を概ね水平に配列することを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
システムの注水および排水するステップが、熱機械的サイクルを同時に誘導することで、貯留層岩石を角礫化および剥離しながら、定常状態の負荷追従生産サイクルを起こして、連続的にサイクルするように注水および排水のタイミングをとるステップをさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項５０】
注入井が速度が生産井から生産される継続的な生産速度よりも大きくなるような異なる注入速度で定期的に注入する結果、貯留層を継続的な速度で生産しながらその場で貯留層の角礫化を起こすのに必要な熱応力および機械的応力を組み合わせて発生させるために、貯留層が交互に膨張収縮される少なくとも２つの坑井を掘削するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項５１】
複数の坑井を複数の地層に掘削するステップと、
坑井を造成するために、第１上部地層を貫通する第１タイプのドリルビットを利用するステップと、
第１地中領域の下に設けられる高温岩体領域内にボアホールを作るために、粒子ジェット掘削ビットを利用するステップと、
第１ボアホールを、岩石層で決める垂直または水平の方向に向く一又は複数の個別の層の亀裂節理群を発達できるのに十分な温度の深さの第１先カンブリア代の層で終わらせるステップと、
第１群の下に概ね水平に設けられる下層亀裂節理群を作るために、第２の複数のボアホールを下層領域まで終わらせるステップと、
各群を水圧破砕して、節理の膨張圧力および層破砕圧力を超える圧力で送り込むことによって、層に拡張した節理の貯留層体積を生産するステップと
を含むことを特徴とする地熱生産井を仕上げる方法。
【請求項５２】
岩石層内の亀裂または節理から構成される少なくとも１つの貯留層を発達できるのに十分な深さまで、一又は複数の坑井を掘削するステップと、
層の天然節理を坑井のうち少なくとも１つから水圧破砕または拡張させるステップと、
岩石層内に少なくとも１つの亀裂または節理を成長させることによって、貯留層を形成するステップと、
高圧かつ大流量で冷却された水を複数の坑井のうちの少なくとも１つに流し込んで、貯留層を注水し、周囲の岩石内に弾性ひずみを生むステップと、
少なくとも１組の排水制御弁と少なくとも１組の注入制御弁を交互に開閉して、坑井のうちの少なくとも１つに流れを供給するとともにそこから流れを出して、貯留層から交互に注排水することを可能にするステップと、
坑井から加熱された水を除去するステップと、
生産された水から熱の少なくとも一部を除去して、熱利用で加熱水から生産される熱を利用するステップと
を有することを特徴とする岩石層から熱エネルギーを抽出する方法。
【請求項５３】
地表から複数の地層まで複数の坑井を掘削するステップと、
坑井を造成するために、第１上部堆積型の地層を掘削する第１タイプの掘削システムおよび方法を利用するステップと、
第１堆積層領域の下に設けられる非堆積層領域内にボアホールを作るために、第２タイプの掘削システムおよび方法を利用するステップと、
第１の複数のボアホールを、岩石層の原位置応力場で決める向きにした一又は複数の個別の層の亀裂節理群を発達できるのに十分な温度の深さの第１先カンブリア代の層で終わらせるステップと、
第１群の下に概ね水平に設けられる下層亀裂節理群を作るために、第２の複数のボアホールを下層領域で終わらせるステップと、
各群を水圧破砕して、節理の膨張圧力および層破砕圧力を超える圧力で送り込むことによって、層に拡張した節理の貯留層体積を生産するステップと
を含むことを特徴とする地熱生産井を造成する方法。
【請求項５４】
地表から掘削するボアホール掘削システムを、少なくとも第１および第２のタイプの掘削方式で定着するステップで、第１方式がロータリー機械式掘削法またはＰＪＡＲＭＤ法を含み、第２方式が水圧ボーリング法またはＨＰＪＤ法を含む、前記定着するステップと、
ＰＪＡＲＭＤの第１方式を利用して、第１ボアホール部を地表から第１層まで掘削するステップと、
水圧ボーリング法の第２掘削方式で、第１ボアホール部の下から結晶質岩層まで第２ボアホール部を掘削するステップと、
それを確保するために、結晶質岩内部の熱エネルギーを掘り出すステップと
を有することを特徴とする内部の熱エネルギーを確保するために、坑口から先カンブリア代および冥王代の結晶質岩層まで深部坑井を掘削する方法。
【請求項５５】
層の切削が、層をすり減らすまたは割れ目を作るまたは一般的に切削するために、噴射流体により連行される粒子に伝わる運動量によって層に与えられる衝撃エネルギーを利用することを特徴とする請求項５４の方法。
【請求項５６】
ボアホール掘削システムを少なくとも第１および第２のタイプの掘削方式で定着するステップで、第１方式がロータリー機械式掘削法またはＰＪＡＲＭＤ法を含み、第２方式が水圧ボーリング法を含む、前記定着するステップと、
ロータリー機械式掘削法またはＰＪＡＲＭＤ法を利用して、第１ボアホール部を掘削するステップと、
水圧ボーリング方式で、第１ボアホール部の下から結晶質岩まで第２ボアホール部を掘削するステップと、
それを確保するために、結晶質岩内部の熱エネルギーを掘り出すステップと、
結晶質岩を破砕して、亀裂の少なくとも一部が第２ボアホール部に導通するように亀裂群を形成するステップと、
ボアホール流体を第１および第２ボアホール部に送り込んで、亀裂を水圧で膨張させるステップと、
亀裂群を水圧で交互に膨張収縮させて、高温岩石層の熱および機械的な同時サイクルと高温岩石層内部の定期的な角礫化を起こすことによって、角礫化が新たな高い温度差の表面を漸増的に漸増して露出する目的に役立ち、さらにそれが高温岩石層で高温生産を維持する目的に役立つステップと
を有することを特徴とする内部の地熱熱エネルギーを確保してそれから生産するために、高温岩体地熱貯留層を発達させる方法。
【請求項５７】
作動流体により洗い流される表面積を実質的に増やすために、水圧による膨張を注入サイクルと生産サイクルの両方で無指向性に実行することを特徴とする請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
化学反応を起こすために、地熱熱エネルギーで反応容器内の条件および／又は反応を開始、持続、および／又はサポートさせ、地熱生産井に組み込んだ反応容器を利用することを特徴とする化学反応を処理する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、坑井の掘削、坑井仕上げ法、および地下岩石層からの熱エネルギーの抽出および／又は利用に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温の透水性の地層は、地球の数多くの特定の場所でみられる。天水がこれらの層に浸透すると、水は加熱されて、間欠泉および温泉として地表に湧き出ることがある。高温の不透水性の岩石地層、代表的には先カンブリア代の岩石は地球のほぼいたるところでみられ、一般的には、自然の堆積岩を代表とする高温透水性の地層よりも深い場所に位置する。これら不透水性先カンブリア代の層は一般に乾燥していると考えられ、これら深部高温不透水性岩石層を掘削した坑井に水を送り込み、岩石に接触させることによって加熱する高温岩体（ＨＤＲ）地熱生産プロセスによって、層から熱を回収できる。通常そうであるように、岩石が自然の状態で、水が流れて熱を抽出する割れ目や裂罅の十分なネットワークをもたない場合、岩石を水圧破砕して、流体圧力によってこのような亀裂ネットワークを作り出す。これらＨＤＲ層から熱を継続的に循環する様々な手段が確立されている。
【０００３】
現在、エネルギーは石炭、石油、およびガスなどの主に化石燃料から供給される。これら資源は有限で、遠くない将来枯渇すると予想される。また、化石燃料の使用は深刻な環境問題を引き起こすと思われる。さらに、米国は現在その石油の大部分を輸入している。国内の埋蔵量が減少するにつれて、外国産の石油への依存が高まっている。このように、代替エネルギー源の開発が必要である。石炭が燃焼すると、大量の硫黄酸化物および窒素酸化物が大気に放出される。これらのガスは大気中の水と結合して酸を生成し、降雨により排出源の風下の地上にもたらされる。この「酸性雨」は水生生物および植物に有害な影響をもつ。単に長期的には、化石燃料の燃焼の結果大量の二酸化炭素が大気に放出されることが原因といわれる「温室効果」のために、温暖化が進むであろう。現在、温室効果の長期的な影響が議論の的となっている。これには、海抜の上昇と沿岸都市の冠水をもたらす極氷冠の溶解と、地球の砂漠化の進行が含まれるであろう。温室効果による気温上昇に向かっていることを示す証拠には、前世紀における大気中の二酸化炭素成分の増加、および気温の上昇傾向を示すと思われる天候の記録が含まれる。これら事実は、我々人間自身の排出が身に降りかかってくる前に、今、緩和策を考える必要性を示している。
【０００４】
世界の主な非化石エネルギー源である水力発電は、安価かつクリーンである。水力発電は世界の多くの場所で広く開発されているが、世界の総エネルギー需要のごく一部を満たすにすぎない。他の代替エネルギー源は核分裂、太陽光、風力、核融合、および地熱である。核分裂はすでに広く利用されているが、スリーマイル島やチェルノブイリのような事故が広く知られているために、特に米国では現在社会の信頼を受けていないことが欠点である。現在計画段階または建設段階にある原子力発電所はほとんどない。太陽光発電は、風力発電と同様、小規模では実証されている。この２つはともに再生可能なエネルギー源であるが、地域の天候に左右され、送電するには断続的にしか頼ることはできない。核融合は燃料を海水に豊富にある水素の同位体に依存する潜在的にはほぼ無限のエネルギー源である。しかし、核融合は熱核爆発というとても扱いにくい形でしかはっきりと実証されていない。レーザーなどの制御可能な非核点火源による核融合反応の点火および封じ込めが開発されて、核融合が電力源として実用的な用途を見つけるまでにいたるには、数十年を要するであろう。
【０００５】
地熱資源は現在、世界の多くの場所で、自然に存在する熱水流体系の形で開発されており、電力または熱として便利なエネルギーを供給する。目下のところ、開発に利用できる潜在資源量は化石燃料資源と同じ規模であるが、熱水源は世界のエネルギー需要のごくわずかな部分しか供給していない。熱水資源は温室効果ガスの放出に関して化石燃料よりはるかにクリーンで、一般的にはエネルギー換算量の化石燃料を燃焼して発生する二酸化炭素の量の約１０パーセント以下しか放出しない。しかし、熱水資源は地理的範囲が限られており、主に地殻活動または火山活動のある地域に存在する。このため、世界の人口密集地の多くは熱水資源の開発にとっていい場所にない。
【０００６】
高温岩体（ＨＤＲ）、典型的には先カンブリア代の岩石は、地球の地下に多く存在する。熱水資源と異なり、ＨＤＲは地球に幅広く分布し、一般的には堆積層にできる熱水層の下にある。ＨＤＲ資源のポテンシャルは莫大な規模の資源であり、核融合と同様、ＨＤＲは地球にほぼ無限のエネルギー源を供給できる。現在稼働中の熱水プラントは、地熱を熱エネルギーと電気エネルギー両方の実用的なエネルギー源として利用できることを最終的に実証している。ＨＤＲプロセスは、はるかに巨大でいたるところに分布するエネルギー資源を活用する、熱水技術の論理的な敷衍である。
【０００７】
ＨＤＲからエネルギーを抽出する従来の教唆は、ＨＤＲ貯留層と地上の設備から構成される閉鎖液体循環システムの生産に関わる。最初に、高温岩体に注入井を掘削し、水圧破砕技術を利用して既存の天然節理を刺激するまたは新たな亀裂を作って、透水性を誘導する。水圧刺激および水圧破砕は石油回収で広く使われている。こうしてＨＤＲ貯留層を作るが、その規模は、岩石にかける水圧破砕流体の圧力、速度、および容量、岩石構造の性質、並びに２００４年３月３１日に終了する期間のジオダイナミックス・リミテッド社の四季報に引用されるもののような近代的なＨＤＲ仕上げではっきりと実証されている原位置応力によって決まる。その後追加の坑井を掘削して、閉ループの循環システムを定着するために必要な流体回路の残りの部分を備える。熱生産をするために、注入井に液体を送り込んで、ＨＤＲ貯留層の高温岩体で加熱し、注入井からある距離にある貯留層に掘削した生産井である第２坑井から回収する。基本の閉ループの循環システムの中で、複数の注入井および回収井を採用してもよい。地表の熱交換器を利用して、発電所で使うためまたは直接熱利用のために水から熱を回収する。さらに、注入井を通して水をＨＤＲ貯留層に再び注入する。このように、本来採取できなかった地熱源から熱を継続的に得ることができる。本質的に、環境に対してガス状流体または含塩流体の放出は起こらない。このため、ＨＤＲプロセスは二酸化炭素、または二酸化硫黄などの酸性雨の先駆物質を放出せず、環境に優しいエネルギー源という点で太陽光、風力、または水力と同じ部類に入る。ＨＤＲ貯留層で加熱された水の主な用途は、電力生産するときに使う、蒸気を発生すること、またはアンモニアやイソブタンなどの別の作動流体を気化させることである。
【０００８】
１９７４年１月２２日に発行された米国特許第３，７８６，８５８号明細書は、ＨＤＲプロセスを記述している。１９８９年７月にロスアラモス国立研究所が発行した、ＬＡ−１１５１４−ＭＳの記号を付され、「２１世紀の新エネルギー計画、高温岩体地熱エネルギー（Hot Dry Rock Geothermal Energy a New Energy Agenda for the 21st Century）」と題する出版物は、ＨＤＲエネルギーの利用に関する多数の概念を記述している。ヨーロッパ、日本、米国にＨＤＲの実験サイトがあり、商業用ＨＤＲ開発事業がヨーロッパとオーストラリアで進行中である。アメリカ地熱資源学会は、地熱エネルギーの問題を取り上げる学会誌を定期的に発行している。１９９５年１０月に発表されたロスアラモス国立研究所、地球環境科学部門のＤ．Ｖ．Ｄｕｃｈａｎｅが発表した、「高温岩体：多用途な代替エネルギー技術（Hot Dry Rock: A Versatile Alternative Energy Technology）」と題するＳＰＥ論文第３０７３８号は、ＨＤＲ開発の現状を述べている。
【０００９】
２００２年８月１３日付け「ジオダイナミックス・リミテッド（Geodynamics Limited）−ＡＢＮ  ５５  ０９５  ００６  ０９０−地球からのエネルギー−目論見書（Power from the Earth - Prospectus）」と題する、オーストラリアのジオダイナミックス・リミテッド社が募集した公募の目論見書は、ＨＤＲ発電システムの開発および商業化に向けた最新の思考プロセスおよび取り組みを掲載している。ジオダイナミックス社のＨＤＲモデルは、開放型の自然の岩石節理群の複数の「レンズ」を注入と生産両用の坑井を通して垂直に繋げ、「３対」の坑井から熱を採取する基本原理となる。注入井から指向性をもたせた循環を誘導するために圧力降下をもたらす複数の生産井までの連続的な循環により、貯留岩から熱を採取する。この広く知られる構成は地点間定方位圧力降下型閉ループ循環システムを提供する。
【００１０】
電力を供給する会社は、基底負荷需要を満たすだけでなく、ピーク需要、すなわち通常熱い夏日の午後遅くに迎える最大需要を満たさなければならないだけの十分な発電容量をもたなければならない。予備の発電装置は「点灯制限（burn-outs）」または負荷制限を避けるために、即座にオンラインになることができなければならない。負荷制限とは、全系の大規模な停電を避けるために、一部の利用者に対する電力を遮断することをいう。当該装置を一般に「瞬動予備力」という。瞬動予備電力、すなわちピーク電力は、瞬動予備電力を発生するために使う設備を１日２４時間ではなく、収益をあげる使用を一時的にしかしないためコスト高である。また、この設備は一般に、購入および稼動するのが、基底負荷発電設備よりも高くつく。
【００１１】
１９９７年１１月１１日に発行された米国特許第５，６８５，３６２号明細書は、ＨＤＲ熱採取システムおよび発電所でピーク電力需要を満たす方法を記述している。このように、米国特許第５，６８５，３６２号明細書は電力負荷追従にＨＤＲ発電システムの使用を実現している。米国特許第５，６８５，３６２号明細書は需要に応じて電力を最大にするといえるであろう。ＨＤＲシステムからのピーク電力は、他の電力源のピーク電力よりも発電コストは安くなるであろうが、ガスタービンなどのほかの手段で発電したピーク電力と同じ価格で売ることができる。単に基底負荷電力を供給するのではなく、負荷追従モードでＨＤＲシステムを使用すると、ＨＤＲシステムの総稼動コストを下げることになる。ピークモードで稼動する設備の増分費用はそれほど多くないと予想される。このプロセスは、８７５４５ニューメキシコ州ロスアラモスにあるロスアラモス国立研究所、地球科学部門のＤｏｎａｌｄ  Ｗ．Ｂｒｏｗｎ著、「電力需要負荷追従用地熱版揚水発電（The Geothermal Analog of Pumped Storage for Electrical Demand Load Following）」と題する日付のない論文に記載されている。米国特許第５，６８５，３６２号明細書は、注入井と複数の生産井を、生産井の背圧を定期的に下げて、定常流量よりも流量を多くした短期間の流れを生じさせて、それにより定期的な「ピーク「電力容量を提供し、発電負荷追従特徴を提供する方法と合わせることによって、継続的な流体循環による熱採取の実施を教唆している。
【００１２】
１９７８年９月１２日に発行されたガス化プロセスと題する米国特許第４，１１３，４４６号明細書でＭｏｄｅｌｌ他が教唆するように、超臨界水条件で有機物のガス化は当技術分野で周知である。１９８６年６月１０日に発行された「超臨界条件で化学反応を起こす方法および装置」と題する米国特許第４，５９４，１６４号明細書でＴｉｔｍａｓが教唆する継続的な超臨界水化学反応を行う重力による反応容器を提供するための地下坑井の使用も、周知の先端技術の例である。これら教唆は超臨界水の無気ガス化による有機物の変換プロセスを提供する。その生産容量が急速に低下している石油資源およびガス資源は限りある資源であり、そのため世界中で大量にある石炭に存在する有機炭素が、場合により有用な販売もしくは処分のために様々な他の市場性のあるまたは有害な構成物質を捕捉しながら、石炭をクリーンな燃焼燃料ガスおよび液体に変換できることから有用になってきていることは極めて重要である。
【００１３】
地熱熱を生産するＨＤＲの概念は数十年の間に知られてきているが、一般的には深部にある結晶質の先カンブリア代高温岩石層に複数の坑井を掘削する法外に高いコストのために、商業的技術になるまでにはいたっていない。地熱エネルギーを生産するＨＤＲ法を商業化する現代の試みは、特別に高い地温勾配を示す地質地域に非常に特有な条件のセットを配置して、比較的浅い掘削深度に対して適度なプロジェクト掘削コストにしなければならない。典型的には、これら開発は、ＨＤＲを確保できる先カンブリア代層を掘削する前に、顕著な堆積被覆岩をもつサイトを探し、それゆえ先カンブリア代タイプの岩石に最小限の断面の坑井を掘削することによって掘削コストを最小限に抑える。また、ＨＤＲ地熱生産を商業化するこれら最近の試みは、注入井および複数の生産井を掘削するコストが高いために経済的な制限がある。高コストの坑井は、原岩で利用できる最大の熱を採取する最適な生産システムとしてプロジェクト設計を計画することに、著しい制限を課す。
【特許文献１】米国特許第３，３４８，１８９号明細書
【特許文献２】米国特許第３，７８６，８５８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，６８５，３６２号明細書
【特許文献４】米国特許第４，１１３，４４６号明細書
【特許文献５】米国特許第４，５９４，１６４号明細書
【特許文献６】米国特許第６，３８６，３００号明細書
【非特許文献１】「２１世紀の新エネルギー計画、高温岩体地熱エネルギー（Hot Dry Rock Geothermal Energy a New Energy Agenda for the 21st Century）」ＬＡ−１１５１４−ＭＳ、ロスアラモス国立研究所  １９８９年７月発行
【非特許文献２】「高温岩体：多用途な代替エネルギー技術（Hot Dry Rock: A Versatile Alternative Energy Technology）」ＳＰＥ論文第３０７３８号  １９９５年１０月発行
【非特許文献３】「ＡＢＮ  ５５  ０９５  ００６  ０９０−地球からのエネルギー−目論見書（Power from the Earth - Prospectus）」ジオダイナミックス・リミテッド（Geodynamics Limited）  ２００２年８月１３日発行
【非特許文献４】「電力需要負荷追従用地熱版揚水発電（The Geothermal Analog ofPumped Storage for Electrical Demand Load Following）」Ｄｏｎａｌｄ  Ｗ．Ｂｒｏｗｎ著
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、ａ）前記地熱貯留層を、たとえ現在生産するには経済的でない地温勾配が低い地域であっても、世界のほとんどの地域に経済的に設置するため、ｂ）前記地熱貯留層を超臨界水条件を備える深さに経済的に設置するため、ｃ）ＨＤＲ層の単位体積あたりで、地熱熱の効果的な回収を最大限にするため、およびｄ）高温の地熱プロセス蒸気の生産と利用、電力生産用の地熱熱エネルギーの生産と利用、および／又は有機炭素もしくは他の化学反応の処理における地熱熱エネルギーの生産と利用のあらゆる単独または組み合わせなど、個別にもしくは同時に直接および／又は間接的な用途のために前記地熱熱エネルギーを生産および利用する方法を提供するために、地熱貯留層を掘削、仕上げ、および生産する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、高温岩体（ＨＤＲ）と呼ばれる地層から熱エネルギーを経済的に抽出できる深部地熱貯留層の掘削、仕上げ、生産方法に関する。
【００１６】
ある実施例では、本発明は、ＨＤＲ層を代表とする、花崗岩玄武岩および同様なものなどの先カンブリア代および／又は冥王代の結晶質岩に深部坑井を経済的に掘削する方法に関する。現在の慣行であるロータリー機械式ボーリング法を利用してＨＤＲに坑井を掘削するコストは、莫大なＨＤＲの産出能力を開発する機会を実質的に排除している。貫入速度の遅さやクルッキドホールになる傾向などロータリー機械式システムに特有の欠点を克服する優れた水圧方式による掘削法を利用する新規なアプリケーションは、莫大なＨＤＲ産出能力の開発への道を拓く経済的な手段を提供する。具体的に意図されるのは、ロータリー機械式の欠点を克服する水圧ボーリングの粒子ジェット掘削（ＰＪＤ）法の利用である。本発明のある実施例の主な利点は、ＨＤＲ層で終わる深部坑井にＰＪＤの利用を組み合わせることを含む。これは、莫大なＨＤＲ資源の経済的な開発のために最も高いエネルギー密度の生成を可能にしながら、より高温のＨＤＲ深部を利用するコストを十分に抑えるであろう。
【００１７】
別の実施例では、本発明は、基底負荷および負荷追従の発電容量を始めとする発電、クリーンな燃焼燃料ガスおよび液体、浄化した液体、処理した有機廃棄物、およびその他の化学反応など市場性のある生成物を生成するための様々な有機物の処理などの用途に地熱エネルギーを供給するために、高温ＨＤＲ地熱貯留層を開発する方法に関する。
【００１８】
別の側面では、本発明のある実施例は、垂直もしくは水平に分離して拡張した岩石の節理群または貯留層の一又は複数の群から、ＨＤＲ貯留層に連続的に注水および排水する方法を提供するシステムに関する。発明のこの側面は、亀裂のあるＨＤＲ貯留層システムから熱エネルギーを生産する従来の方法と比べ、亀裂のある各ＨＤＲ貯留層システムから大幅に増大した熱エネルギー量を生産する能力を提供する。加えて、ＨＤＲ貯留層システムを生産する本方法は、ＨＤＲ貯留層を生産する従来の方法と比べ、貯留層システムを同時に熱および機械的圧力サイクルさせる貯留層の拡張効果のために、長期間にわたるＨＤＲ貯留層の産出能力の増加を提供する。
【００１９】
別の側面では、本発明のある実施例は、岩石層から熱エネルギーを抽出する方法に関する。方法は、亀裂節理群を有する少なくとも１つの貯留層を開発できるのに十分な深さまで複数の坑井を掘削するステップと、複数の坑井のうち少なくとも１つを水圧破砕するステップと、少なくとも１つの亀裂節理群貯留層を拡張させるステップと、冷却した流体を高圧かつ大流量で複数の坑井の少なくとも１つに圧入するステップと、複数の排水制御弁と複数の注入制御弁を交互に開閉して、複数の坑井から定期的もしくは連続的な流れを提供するステップと、坑井から加熱流体を取り除くステップと、加熱流体を熱交換器に流すまたは直接使用するために生産された流体を利用するステップとを有する。
【００２０】
別の側面では、本発明の実施例は、石油・ガス・地熱業界で周知の先カンブリア代および／又は冥王代の結晶質岩まで深部坑井を掘削する高いコストを削減する方法を提供する。これら坑井を先カンブリア代または冥王代の岩石まで掘削するコストは、ＨＤＲ地熱資源を経済的に開発するのに利用できる坑井の深度、直径、および数を制限するコストの大部分である。広範囲に及ぶ地熱資源を生産する発明された方法の最初の部分は、ＨＤＲ人工貯留層を開発するために、先カンブリア代および／又は冥王代の岩石で終わらせる深部坑井の掘削に伴う掘削コストの大幅な削減である。掘削コストの大幅な削減は、粒子ジェット掘削（ＰＪＤ）法を利用して、ＨＤＲ貯留層を確保、造成、および生産するために必要な坑井を掘削することによって達成する。
【００２１】
油井およびガス井を掘削する目的で噴射する粒子の実験的な利用は、石油およびガス業界で十分に記録されている。掘削流体に混入する高質量粒子を組み込む掘削プロセスには主に２つの形態がある。掘削流体に混入する高質量粒子の利用は、１９６８年５月２１日に発行された米国特許第３，３４８，１８９号明細書を根拠とし、１９６９年初期にはガルフ・オイル・カンパニー社が実証しており、より最近では、掘削流体に混入するより径の大きい高質量粒子の利用について、２００２年５月１４日に発行された米国特許第６，３８６，３００号明細書として本発明者が特許取得している。これら参考文献は特に粒子ジェット補助ロータリー機械式ボーリング（ＰＪＡＲＭＤ）の利用に重点を置く。引用したＰＪＡＲＭＤによる深部坑井の掘削方法は、高質量粒子から伝わる運動量により岩石に与えられる衝撃エネルギーを利用して、層をすり減らす、削り取る、破砕する、割れ目を作る、移動させる、または一般的に破壊して、高速で層を除去する、層を切削するために掘削流体に離散高密度の固体粒子を混入するプロセスを具現する。ＰＪＡＲＭＤプロセスは、様々な地層の掘削速度を高めることが実験室テストで首尾よく実証されている。ある実験的なＰＪＡＲＭＤフィールドテストを、堆積層での油井またはガス井の掘削と合わせて実施した。結晶質岩をジェット掘削する完全な水圧粒子ジェット掘削（ＨＰＪＤ）法のテストも実験室とフィールドで試験した。先カンブリア代または冥王代の層で終わらせる坑井のコストを削減するために、ＰＪＡＲＭＤおよびＨＰＪＤを利用することは、ＨＤＲ産出能力の広範な開発の礎である。特に、ＰＪＤはＨＤＲ生産のために大径の非常に深い注入・生産井を経済的に掘削する手段を提供する。
【００２２】
２つのＰＪＤ法の利用は、本明細書で詳しく説明する特殊仕上げおよび生産法と合わせて、集合的にＨＤＲ地熱エネルギーの広範な開発および利用を促すのに役立つ。コスト効果的な地熱坑井掘削は、特に最終利用者の用途が地温勾配の低いサイトに位置する場合、化石燃料の利用に取って代わるために、経済的なＨＤＲ地熱エネルギー生産を既存の最終利用者の近くに配置する能力を提供する。
【００２３】
深部の結晶質岩にある既存の天然節理を水圧で拡張して、圧力拡張した節理ネットワークを流体が循環できる透水性にできることは、ＨＤＲの文献で十分に記録される。
【００２４】
通常不透水性のＨＤＲ層を水圧破砕することによって人工的に拡張させた節理または亀裂群を通る定方位の地点間圧力降下型の流路を作るように構成される複数の坑井の間の継続的な循環によるＨＤＲ熱採取の方法は、一般的なＨＤＲ文献に十分に記録される。本発明は、ＨＤＲ層内に亀裂表面付近の角礫化を定期的または連続的に起こすために、ＨＤＲ層の同時または順次に熱および機械的サイクルを発生するように亀裂群系を交互に水圧で膨張収縮することによって、ＨＤＲ亀裂群系から生産する方法に関する。
【００２５】
この角礫化は新たな高い温度差の表面を漸増的に漸増して露出させる目的に役立ち、高温生産を維持し、漸増的な表面露出によりより効率的に熱のＨＤＲ層を採取し、やがては洗い流されることになる表面積を増やす層の角礫化により長期にわたって貯留層産出能力を高める手段を提供する。
【００２６】
本発明の実施例はさらに、広く知られる従来のＨＤＲ生産システムの従来の定方位の地点間圧力降下型の流路をなくした貯留層生産方法に関する。本発明は周期的な貯留層の水圧を利用して、流体を貯留層の全領域に注入する。この注水作用はＨＤＲ層の弾性ひずみエネルギーを蓄える。こうして貯留層は、貯留岩に蓄えられた弾性ひずみエネルギーの緩和のために貯留層の体積が収縮することから、貯留層内の多くの生産井の１又は複数の注入流体を生産することができる。この種の生産法でできた節理系を通る分流回収流路は、注入サイクル中も生産サイクル中も無指向性である。このことは、現在のＨＤＲ生産法の地点間圧力降下型定方位流路の広く知られる方法とは対照的に、作動流体で洗い流される表面積が大幅に増える効果をもつ。
【００２７】
本発明の実施例はさらに、前記貯留層を形成する節理群の拡張から一又は複数の不連続な貯留層を開発するステップに関する。この貯留層はさらに、貯留層を拡張させるために流体を交互に注排水し、流体を貯留層に流し込んで、さらにその後貯留層から排出する。この方法は流体を圧入して拡張した節理面を２方向に洗い流すことが予想され、そのため流体が岩石から熱を吸収できる時間が長くなる。貯留岩表面に機械的応力反転と熱応力反転を同時に周期的に誘導すると、貯留岩表面でまたは貯留岩表面付近の結晶質岩に応力を加え、貯留岩表面を継続的に角礫化または剥離させて新たな貯留岩表面が露出する。この種の角礫化はせん断帯形成と呼ばれ、その熱を奪いながらより大きな亀裂面の表面に縦横に入る亀裂のネットワークを生み出す。このせん断帯角礫化は、多くの変数によって極小から極大までのサイズの角礫化したまたは剥離した岩石片を形成することがある。この種の能動的な角礫化は新たに露出する貯留層の表面積を継続的に提供し、その熱を奪う水に岩石塊を漸増して露出するために、より大きな熱交換を促す。さらに、角礫化プロセスは熱を吹き流す表面積を一層増やし、そのため長期にわたって熱を生産する能力が高まる。この複数の応力反転の周期的な方法は、露出した高い温度差をもつ表面積を継続的且つ漸増的に増やし、貯留層の体積を増やす結果になる。これら周期的な応力反転で破砕される岩石層は、単位体積あたりに利用できる熱密度の量を従来のＨＤＲ生産法よりも多く除去する点で効率を高められるように、岩石層から熱を継続的に奪う能力を提供すると予想される。加えて、この貯留層生産方法は、従来の高温岩体生産法で実施される２つ以上の坑井を通る定方位の地点間圧力降下型流路の閉ループ循環で通常特徴付けられる水損失がほとんどもしくは全くない。これら従来の定方位地点間圧力降下型流路のＨＤＲ生産法は、従来のＨＤＲ生産法を使って生産できない貯留層の大部分を水圧で分離する傾向がある。本発明の生産法は、無指向性の注水還流流路のために中央の生産地点に注水された貯留層体積の各圧力サイクルでほぼ完全な流れの回収を提供する。本発明の貯留層が成熟すると、貯留層内に流体の交差循環が起こると予想され、貯留層からの従来の熱回収を助ける。
【００２８】
貯留層システムは、ａ）周期的または定期的な生産を促すために独立して循環される単一の不連続な貯留層、ｂ）定常状態または負荷追従などの目的のために変動できる継続的な生産流を生むように循環および連続できる複数の独立した貯留層のセット、および／又はｃ）生産井が定常速度または変動速度で継続的に生産しながら、貯留層を周期的に拡張させて弾性ひずみの形でエネルギーを蓄えるために、注入井が周期的に生産速度を超える速度で定期的に注入するように、注入と生産を同時にする目的に役立つ複数の坑井をもつ単一の貯留層となりうる。
【００２９】
本発明の実施例はさらに、ａ）垂直に積み重なるが依然として独立して隣接する貯留層から分離できる、およびｂ）水平に配列するが依然として独立して隣接する貯留層から分離できる貯留層に関する。貯留層の配列は一般に、地域のＨＤＲ層に関連する応力場の種類と大きさ次第となる。システムの注水と排水のタイミングは、貯留岩の角礫化または剥離を生じさせる熱および機械的なサイクルを同時に起こすよう誘導しながら、周期的または定常状態もしくは負荷追従生産サイクルを伴う定常状態を起こせるような連続性を生むようにタイミングを合わせることができる。生産サイクルの各々は、熱エネルギーの最終用途に合わせられる特定の生産特徴をもつ。
【００３０】
この種の人工貯留層から熱生産のある方法は、直接利用の用途のため、および発電のような最終用途のピーク負荷追従電力容量のために、貯留層群から熱エネルギーを継続的に生産するように、一又は複数の独立して分離した節理系群を発達および生産してから、互いに垂直または水平に向けて分離した岩石節理群のセットを調和して循環させることによって達成される。
【００３１】
この種の人工貯留層から熱生産の別の方法は、貯留層を生産井から定常状態または負荷追従状態のいずれかの継続的な速度で生産しながら、その場で貯留層の角礫化を起こすために必要な熱応力および機械的応力を組み合わせて生じさせるために、速度が生産井から生産される継続的な生産速度よりも速くなるように注入井を異なる注入速度で定期的または継続的に注入して、貯留層を交互に膨張収縮する、２つ以上の坑井を備える単一のつながった貯留層の開発および生産により達成する。この場合の原理は、貯留層を膨張した後注入サイクルを減らすまたは終了して、貯留層が収縮できるようにし、貯留層に蓄えられたエネルギーから貯留層を生産するために、貯留層を生産速度よりも速い速度で交互に注水するような単一の貯留層の操作である。この種の圧力サイクルはさらにこれまでに説明した熱および機械的角礫化を同時にする利点を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
ここで本発明を、発明の好適な実施の形態を示す添付の図面を参照しながら以下詳しく説明していく。ただし、本発明は多くの異なる形態で実施できるため、ここに記載の実施の形態に制限すると解釈してはならない。むしろ、これら実施の形態は、本開示が十分な詳細を提供するように、また当業者に発明の範囲を十分に伝わるように提供する。
【００３３】
本発明は高温岩石層に拡張可能な亀裂の不連続な系の発達、および水などの注入流体を注入して貯留層の「膨張」と「収縮」を弾性的に繰り返すことによって、その後高温岩体からの熱の抽出に基づく。水を坑井に注入することで貯留層の圧力が高まると、岩石の節理が開く。貯留岩で加熱された注入水の生産のために貯留層の圧力が下がると、岩石の節理が閉じる。この水は貯留層に注入して蓄えることができ、水が必要なとき、すなわち他の拡張可能な亀裂系が生産された熱水の正味の継続的な流れを生むのと同時にその生産を起こすタイミングに合わせて引き出すことができる。
【００３４】
図１は、ロスアラモス国立研究所が実験した高温岩石層から熱水を生産する装置を図示しており、注入流体、この場合水を連続的な閉ループで循環させた。坑井２０は地表１から上層の堆積型の層２および不透水性の先カンブリア代の結晶質岩層１０を掘削した。冷水７５をケーシングした坑井２０に注入、先カンブリア代層にある天然節理を拡張し、相互連接する亀裂のネットワークまたは群を地熱貯留層１５に形成した。先カンブリア代の岩石層の応力のために、相互連接する亀裂をもつ貯留層は通常楕円形または長円形であり、水平方向、垂直方向、またはどのような角度にも向けられる。貯留層から地熱加熱流体８０を生産するために地表までの経路が設けられることになる地点間定方位圧力降下型閉ループ循環地中システムを作るために、第２坑井７０を地熱貯留層１５に掘削およびケーシングする。貯留層を作り、坑井を掘削してケーシングしてしまったら、地表設備を追加して閉ループ循環システムを作る。坑井のケーシングに坑口３０および６５を設置して採取した熱を捕捉するために熱交換器４５を設置する。適切なフローライン配管、制御弁６０、およびポンプ３５を設置する。こうして坑井は、冷却水７５をポンプ３５で坑井２０に注入し、坑井２０から出して地熱貯留層１５に矢印２５で示す方向に流すことによって循環できる。水は、貯留層の中の、生産井７０の水圧降下で生じる地点間定方位流路を通り、地熱加熱流体８５を表す矢印で示すように生産井７０に入り、それによって加熱される。地熱加熱流体８０はさらに坑井７０および坑口装置６５から地表に戻る。加熱された水は制御弁６０を流れるが、制御弁は生産井に十分な背圧を維持して、坑井間のフローインピーダンスを最小にできるだけの拡張された亀裂節理の開きを維持するのに使う。加熱された水は熱交換器４５に進み、そこでライン４０からライン５０に流れる第２流体との熱の交換により水を冷却する。冷却された水はポンプ３５で坑井２０に還元する。この配列は、注入井２０から生産井７０まで地熱貯留層１５に水を流す手段を提供し、一般的には坑井間の圧力差による２地点間回路と考えられるものである。この種の配列は、２つの坑井間の圧力が分離してくるために流れずに拡張した節理に蓄えられる大量の加熱水を利用することができない。地熱貯留層１５は長期間の膨張圧力に反応するため、地熱貯留層１５は圧力均衡を確立する傾向があり、そのため圧力と熱が均衡するまで貯留層自体が拡大することによって成長する。このプロセスには大量の補給水を継続的に追加する必要があるかもしれず、補給水はポイント５５で冷却水フローラインに注入することになるが、前述した圧力分離のために通常生産サイクルから分離されるであろう。この種の水損失は、この形態のＨＤＲ仕上げおよび生産を普及させる大きな欠点となる。
【００３５】
前述したシステムは地熱貯留層１５の水の循環中に高いフローインピーダンスを受ける。注入圧力を高めて生産量を増やす試みは、地熱貯留層１５の圧力刺激を大きくして、さらに貯留層均衡関連の膨張を生じ、前述した圧力分離によりさらに水を損失する結果となる。そのため、経済的な流量は、このシステムでは地熱貯留層１５の両端に追加の流れを提供する複数の坑井を掘削することでしか達成できない。システム全体の経済性は坑井の総コストに非常に影響を受ける。そのため、掘削コストを最小限にするための、複数の坑井と複数の亀裂群貯留層の発達を図２に図示する。
【００３６】
図２は、地表から上層の堆積層２および先カンブリア代の岩石層１０まで掘削した注入井７０と生産井７１および７２を図示する。坑井７０は採熱井として使用し、個別の亀裂群レンズ１６、１７、１８を水圧で造成する。これら坑井を造成するために採用する方法は、坑井の底のすぐ上にケーシングストリングを走らせてセメントで固める。坑井の下層のケーシングしていない部分は水圧がかかって、亀裂／節理の拡張を誘導する。そのためこの下層部分は、下層部分をある所定の高さまで砂を入れて、またはダウンホールパッカーセットで止水されるであろう。こうして坑井はサンドパック／ダウンホールパッカーで分離される高さの上まで打ち抜かれて、坑井に水圧がかかると下層亀裂群からある垂直距離の上に第２の不連続な亀裂群を誘導する。通常、これら亀裂群は３，０００フィートを超える垂直高さまで垂直に向くであろう。坑井が深くなっても先カンブリア代の岩石の掘削コストは正比例して増えないため、通常の掘削プロセスで得られる深さの経済的な限界で、経済的に開発できるのは１つまたは２つのレンズだけだと思われる。垂直に分離した亀裂群系を意図する数だけ開発する繰返しサイクルが完了すると、下層坑井部分を止水するためのサンドパックは、サンドプラグを外して、生産運転中下層亀裂群が注入井の圧力と流れを受ける直接循環で取り除くことができる。組み合わせで、注入井７０と生産井７１および７２は、商業規模の熱水または蒸気を生産できる累積流量を発生できる閉ループ回路システムの生産井の水圧降下で作られる地点間定方位流路を発達させる。図１で使用したのと同様な制御および熱回収システムを図２のシステムに使用できる。
【００３７】
図３は、ビチューメンの生成および発電などの直接および間接的な用途で使用するための熱エネルギーを生産するために、本発明の仕上げ工法と生産方法の一実施の形態を図示する。坑井３２０、３２５、および３３０を、地表１から先カンブリア代の岩石層１０の上に重なる何らかの堆積層２を抜けて、十分な温度があり、岩石層の卓越した応力場で決める互いに垂直または水平方向に向いた一又は複数の不連続な層亀裂節理群を発達させられる深さの先カンブリア代岩石層１０まで掘削する。垂直方向の層亀裂群の場合、最も深い坑井３２０は、坑底貯留層の上に一又は複数の貯留層を発達できる十分に高い坑底岩石温度に達するために、３０，０００フィート（層の地温勾配と地熱熱の最終利用者に必要な温度による）以上の深さまで掘削する必要があるだろう。最も小さい主要応力が垂直位置にあるために亀裂群が垂直に発達する場合、各亀裂群貯留層は約５，０００フィートで分離する必要がある。この場合、２番目に深い坑井３２５は２５，０００フィートの深さまで掘削してケーシングし、３番目の坑井３３０は２０，０００フィートの深さまで掘削してケーシングする必要があるだろう。各坑井の一番下の部分を節理の膨張圧力と層破砕圧力を超える、約１．０ｐｓｉ／フィート深さと見積もられる圧力で注入することによって水圧破砕すれば、層に拡張された節理をもつ貯留層体積を生産できるであろう。そうすることで、坑井は貯留層に注水した後貯留層を減圧する加圧サイクルに利用して、拡張した節理から加熱された水をフラッシュし、加圧および減圧サイクル中に水で吸収する熱を生産することになろう。浅い他の２つの坑井のそれぞれで同じ坑井仕上げプロセスを繰り返して、節理を拡張させることで貯留層に注水する加圧した水を受け入れる３つの不連続な貯留層の集合体を発達させ、水を貯留層に流し込んで、加熱し、その後坑井の水圧が低下したら貯留層から吐き出す。１つの坑井に坑井が逆流する速度の２倍で注入するために、坑井の圧力サイクルのタイミングを合わせることによって、吸収熱が継続的に生産できるであろう。これら坑井の逆流サイクルのタイミングをずらすことによって、この貯留層の構成から継続的な高流量の生産を提供することが可能である。貯留層を垂直または水平の向きにして水平に隔たる貯留層の発達にも、同様なプロセスが必要であろう。
【００３８】
図３は、互いに垂直に分離した３つの不連続な貯留層から継続的に高い加熱水流を生むのに必要な構成を示す。プレチャージポンプ３６０は地表の貯留ピット３５０から注入ポンプ３８５に冷却水を供給する。注入ポンプ３８５は高圧かつ大流量の冷却水を３つの高温岩体（ＨＤＲ）貯留層の１つに押し流す。注入ポンプ３８５は、１つの貯留層を他の２つのＨＤＲ貯留層から加熱された水をフラッシュする排水速度と等しい速度で完全に注水できるような大きさとする。このように、３坑井による生産工法を使えば、２つの坑井が半分の注入速度で生産することによって、３つの坑井間で注入速度と生産速度を一致させて継続的な流れを提供できるであろう。坑井は、交互に開閉する排水制御弁４１０、４０５、４００、および注入制御弁３９０、４１５、４２０で管理して、２４時間ごとに適切な連続性を提供する。大流量の加熱水は注水サイクル中に岩石に蓄えられた圧力エネルギーで地表に運ばれる。さらに加熱水を熱交換器４５に通して、そこで第２流体を熱交換器のライン４０から５０に流すことによって、坑井の排水流から熱を伝達する。冷却された坑井の流体は制御弁３７０から注入ポンプ３８５まで坑井を逆流する。代わりの方法として、冷却された坑井の流体は、ライン３８０およびシステムの背圧を制御するチョークバルブ３７５によって、熱交換器から地表の貯留ピット３５０に排水できる。地表の貯留ピット３５０を使えば、貯留層が成熟したときに補給水の供給に必要な予備水を蓄えられるであろう。
【００３９】
図４は、ビチューメンの生成や発電などの直接および間接的な用途で使用するための熱エネルギーを生産するために、本発明の仕上げ工法および生産方法の別の実施の形態を図示する。坑井７０は地表１から先カンブリア代岩石層１０の上にある何らかの堆積層２を抜けて、岩石層の卓越した応力場によって決める互いに垂直または水平方向に向けた不連続な層の亀裂節理群を発達できるだけの十分な温度の深度まで先カンブリア代岩石層１０を掘削してケーシングされるであろう。地熱貯留層１５は、節理の膨張圧力と層の破砕圧力を超える、約１．０ｐｓｉ／フィートの深度と見積もられる圧力で液体を送り込むことによって、層に拡張した節理をもつ所望の貯留層体積を生産するように水圧破砕されるであろう。生産井７０からある所定の距離のところで、追加の坑井６８、６９、および２０を地熱貯留層１５に掘削してケーシングする。好適な実施の形態では２つの坑井７０および６８を使用する。図４は注入井として追加の坑井６９の使用を図示しており、注入井の寄生圧力損失を減らすための本発明の人工的な柔軟性を表す。生産井の寄生圧力損失を減らすために、さらに追加の生産井が望ましいであろう。坑井６８、６９、および２０は地熱貯留層１５を加圧するための注入井として作用するであろう。注入井６８、６９、および２０を掘削し、ケーシングして、生産井７０との流体導通を確立したら、地熱貯留層１５の生産量を高めるために、地熱貯留層１５を追加で破砕するのが望ましいであろう。生産井７０を利用して、注入流体を最終用途に対応する速度で生産するであろう。この生産速度は、ａ）定常の生産速度、ｂ）定常の生産速度で、最終用途の負荷追従ニーズに対応するために定期的に増減する、および／又はｃ）最終用途の要求に合わせて定期的に流量を停止したり流したり交互にすることができるであろう。注入井６８、６９、および２０は、地熱貯留層１５の最大弾性エネルギーに達するまで、生産井７０で生産されるよりも速い注入速度で注入するようにされている。このため注入流は縮小または終了するために、地熱貯留層１５に蓄えられた弾性ひずみが貯留層の収縮と地熱貯留層１５に入れられた加熱水の生産によって解放される。地熱貯留層１５の圧力レベルは、地熱貯留層１５に蓄えられた弾性ひずみが地熱貯留層１５の節理の拡張を維持するのに十分な所定のレベルまで緩和されると低下することになる。この緩和される弾性ひずみが所定のレベルまで解放されれば、場合により流体の注入が始まるまたは増加する。地熱貯留層１５を繰返し拡張および収縮するこの方法から得られることは、ａ）注入流体の無指向性の流れが、無指向性の流路から生産井に向かう注入流体の生産を可能にする条件を設定する、ｂ）その熱を奪える新たに露出する高い温度差の表面を作る節理の表面積の角礫化または剥離を起こすために、同時および／又は定期的に交代する熱および機械的サイクルを起こす、ｃ）生産井に対する注入井の配列は、流体が地熱貯留層１５を循環するときに熱の二次的な対流による奪取を提供するとともに、拡張した節理の表面から熱の一次的な伝導による奪取を提供するように意図される、およびｄ）生産井に対する注入井の配列は、作動流体を遠隔で注入してそれを伝達および対流の両タイプの流れにすることによって、生産井付近の減熱を最小にするように意図される。地熱貯留層１５は、地熱貯留層１５を注水した後地熱貯留層１５を減圧する加圧サイクルの使用に適し、加熱された水を拡張された節理からフラッシュして、加圧および減圧サイクル中に水で吸収される熱を生産する。
【００４０】
図５は、超臨界流体条件で有機炭素の処理で使用するために地熱熱エネルギーを生産して利用するための本発明の仕上げ工法および生産法の別の実施の形態を図示する。超臨界条件で有機炭素を処理する基本的なステップは、公有財産でよく記録されている。Ｍｏｄｅｌｌが「ガス化プロセス」と題する１９７８年９月１２日に発行された米国特許第４，１１３，４４６号明細書、および「超臨界水における有機物の酸化法」と題する１９８２年７月６日に発行された米公特許第４，３３８，１９９号明細書で提出された明細書が例である。Ｔｉｔｍｕｓ他は、圧力格納容器として坑井内で様々な管状構成を使用し、従来どおり供給材料を注入して生成物を回収する手段として坑井内で自然の静水頭の勾配を利用することによって、化学反応を連続処理するために、圧力格納容器として深部ケーシングした坑井を様々な構成で利用する方法を説明している。Ｔｉｔｍｕｓは「ダイナミック水柱活性法」と題する１９７４年１２月１４日に発行された米国特許第３，８５３，７５９号明細書で、様々な化学反応の連続処理のために反応容器として深部坑井を利用する方法を説明している。Ｔｉｔｍｕｓはさらに、１９８６年６月１０日に発行された米公特許第４，５９４，１６４号明細書、および１９８８年１２月２０日に発行された米国特許第４，７９２，４０８号明細書で、超臨界水条件で連続的な化学処理の反応を起こすための深部坑井の利用を説明している。ＭｏｄｅｌｌおよびＴｉｔｍｕｓの記述は、超臨界水条件の促進に必要な温度で圧力容器の反応部内の内部温度の上昇を開始して維持するには、化学、電気、または燃料によるプロセスが必要である。Ｍｏｄｅｌｌの記述では、必要な超臨界水条件の圧力はポンピング手段で生み出し、Ｔｉｔｍｕｓの記述では、必要な超臨界水条件の圧力は坑井の自然の静水頭の助けで実現する。本発明はＭｏｄｅｌｌとＴｉｔｍｕｓの教示の一定の知識および側面を組み合わせて、さらに図４の記述で概要を説明する地熱熱生産システムの生産井内で圧力容器の反応システムを利用することによって、超臨界流体条件で化学処理を開始して持続するための一体的な地熱熱生産システムを提供するという側面を追加する。
【００４１】
図５の実施の形態は、図４の実施の形態を基に、管状反応容器７３をこの管状反応容器７３を受けるように改造された坑口６４からケーシングした坑井７０に差し込むステップを追加している。本質的に、地熱貯留層１５は、超臨界流体、好ましくは水を生産することのできるＨＤＲ層に配置する。地熱生産システムは、図４の記述に従い継続的に循環するように設置して、ａ）反応容器を加熱して反応容器内で連続的な化学反応を促すため、ｂ）前記地熱貯留層１５から利用できる地表まで生産される地熱水を循環させることによって、熱を供給し発電など地表で有益な仕事を行うため、およびｃ）以下説明する有機供給材料を予熱するために、そのエンタルピーを採取する。
【００４２】
図５の実施の形態では、図４に示す発明の実施の形態を、地熱流体温度が３７５℃を超える温度、好ましくは４５０℃以上の温度にするような深度に地熱貯留層１５を発達させる点だけを改造している。生産される地熱加熱流体８５および８６は、ケーシングした坑井７０内に同心円上に配置される反応容器７３の周囲から地表に流れる。生産された地熱加熱流体８５、８６、８０、および８１は熱を反応容器７３に伝えて、不均質な有機炭素懸濁液７６１、７６０、７７０、および７７１を３７５℃以上の温度まで加熱する。生産した地熱加熱流体８０および８１は坑口６４、制御弁７５０、ライン６９０を通って、熱交換器４５にいき、そこで地熱作動流体は膨張した後凝縮して、その熱の大部分が取り除かれる。さらに凝縮された地熱液体は熱交換器４５からライン５９０に流れて、反応容器からの流出液と混ざり、混合流体は熱交換器６０５を循環して、以下説明する不均質な有機炭素懸濁液を予熱する熱エネルギーを供給する。
【００４３】
不均質な有機炭素懸濁液は、貯水池２００からポンプ５００で供給ライン２２０および５５０からミキシングプロセッサ５３０に送られる水と、有機炭素物質と、ストックパイル５７０からライン５６０を通って供給される適切な触媒または遅延剤とを混合することによって、ミキシングプロセッサ５３０内に形成される。それから不均質な有機炭素懸濁液はポンプ６００で送られてライン５８０と熱交換器６０５に向かい、そこで不均質な懸濁液は生産された地熱加熱流体８０の最終エンタルピー交換で予熱される。不均質な有機炭素懸濁液は熱交換器６０５からライン６１０を流れ、反応容器の環状空間に入って坑口７３０に向かう。それによって不均質な有機炭素懸濁液は反応容器７３の同心壁の間の環状空間に送り込まれ、そこで地熱貯留層１５から生産された地熱加熱流体８０、８１、８５、および８６の作用により超臨界水温以上に加熱される。不均質な有機炭素懸濁液は反応容器の環状空間に送り込まれるため、不均質な有機炭素懸濁液が反応して、単相の流体とある無機沈殿物を形成する超臨界水圧より大きい圧力を受ける。反応容器の流路の長さは、超臨界水条件で有機物の滞留時間が、有機物がその構成元素に解離するのに必要な反応時間を超えるのに十分な循環時間となるようにする。流体は反応容器８００の端から反応容器８００の内部に向かって循環するように流れまたは送られて、チャンバ７７３にいき、そこで生産された流体７４１および７４０が地表に戻って坑口７２０にいく。生産された流体７４１および７４０は、反応容器８００の共通の環状壁を通るので、下降する不均質な有機炭素懸濁液を加熱する。生産された流体７４０は坑口７２０を通過して微粒子セパレーター６２０に入り、そこで無機のプロセス生成物微粒子が液体の流れから分離され、固体微粒子がライン７１０を通過して固体微粒子貯蔵容器７００に入る。浄化された生産流体はさらにフローライン６６０を抜けて制御弁６５０を通りガスセパレーター６４０に入って、浄化された生産流体を処理して、ガスを浄化された生産流体の液体成分から分離される。ガスはライン６７０から出て、さらにガス分級機６８０でその様々な化学種に分離した後、その後の処理のために除去する。浄化された生産流体から利用できる熱エネルギーは熱交換器４５で回収されて、有用な熱エネルギーを生産する。流体はさらに熱交換器４５からライン５９０に流れ、そこで生産された地熱加熱流体８０および８１の熱交換プロセスから得た流体と混ざる。熱交換器４５からの混合流出液は熱交換器６０５を通り、そこで不均質な有機炭素懸濁液が熱交換器６０５を流れる予熱プロセスとして、残留熱がさらに交換される。流出液は熱交換器６０５からライン５４０、制御弁５２０、およびライン５１０に流れて、貯水池２００に排水される。
【００４４】
図５の実施の形態は、３７５℃以上の生産地熱流体に含まれる地熱熱エネルギーを利用して、前記地熱生産井内に組み込んだ反応容器で継続的または定期的な超臨界反応を開始および／又は維持する方法を提供する。
【００４５】
図６は、坑井の掘削にＰＪＤ法を利用して地熱坑井を掘削するために必要な主要コンポーネントを図示する。先カンブリア代岩石に大径の深部坑井を、一般に実施されるロータリー機械式地層掘削工法を使って掘削することはひどく費用が高くて実用化できない。ロータリー機械式掘削システムに伴う遅い掘進率が、莫大なポテンシャルをもつＨＤＲ地熱エネルギー資源を利用できない主な原因である。ＰＪＤ技術および方法の利用は、あらゆる層で、特に結晶質岩での掘進率を、地熱エネルギーの広範な利用の可能性を提供するレベルまで時間とコストを下げるのに十分に高める手段となる。
【００４６】
油井およびガス井の掘削を目的としたＰＪＡＲＭＤの実験的な利用は、石油・ガス業界で十分に記録されている。掘削流体に連行される高質量粒子の実験的な利用は、ガルフ・オイル・カンパニー社により、１９６８年５月２１日に発行された米国特許第３，３４８，１８９号明細書を根拠として１９６９年初期には実証されており、より最近では、本発明者が、掘削流体に連行される大径の高質量粒子の利用について、２００２年５月１４日に発行された米国特許第６，３８６，３００号明細書として特許を付与されている。引用した噴射粒子による掘削法は、層に対して粒子を含む懸濁液をジェット衝撃することによって、高質量粒子の作用から伝達する運動量から岩石に与えられる衝撃エネルギーにより層を切削するために、離散高密度の固体粒子を掘削中に循環する掘削流体に連行するプロセスを実施する。ＰＪＡＲＭＤおよびＨＰＪＤの両プロセスは実験室テストでは、様々な地層の掘削の掘進率を高めることが首尾よく実証されている。堆積型の層では一定の実験的なフィールドテストが行われた。前述したように、ＰＪＲＭＤは石油およびガスの埋蔵量を保有する堆積層の掘削の商業的な目的のために開発および／又はテストされている。これら堆積層は一般に先カンブリア代の岩石層の上にみられる。堆積層は、層状ケツ岩、砂岩、および石灰岩、および／又はその変成物質から構成される。ＰＪＡＲＭＤ技術で堆積層を掘削するには、噴射粒子を利用して補助するロータリー機械式ドリルビットの利用を伴う。ＰＪＡＲＭＤは、懸濁液流体の特性と動作パラメータとのバランスを慎重にとる必要がある。高質量粒子を含有する懸濁液流体の掘削の有効循環密度（ＥＣＤ）を慎重に維持して、ケツ岩、砂岩、または石灰岩などの堆積層が破砕しないようにしなければならない。堆積層のＥＣＤを慎重に制御する必要性が、損失循環条件として知られ慢性的に起こりうる大変問題の多い層の破砕のために、堆積層に油井およびガス井を掘削する手段としてＰＪＤを広範に利用する大きな制限要因となっていると思われる。次に、ＰＪＡＲＭＤ法の利用は、石油およびガスの生産において比較的小径の坑井での使用に適している。
【００４７】
大深度で先カンブリア代岩石を掘削するためにＨＰＪＤ技術を利用することは、深部ＨＤＲ地熱資源の経済的な開発に不可欠である。ＨＰＪＤは、ＥＣＤが抑制要因とならない適格な坑井層で利用できる。結晶質の先カンブリア代および冥王代の層などの層はＥＣＤの影響を最小にするようになっているため、ロータリー機械式掘削の補助を必要としなくてもＨＰＪＤを完全に利用できる。図６は、ＨＤＲ地熱貯留層を造成するために、結晶質岩で終わらせる深部坑井を掘削するある方法を図示する。大まかな形状は、典型的には先カンブリア代の岩石層８４０の上にある堆積岩石層８７０、８６０、および８５０を表す。堆積層８７０、８６０、および８５０は一般的に、ケツ岩、砂岩、および石灰岩などの異なる堆積岩の物質からなる層状の層である。これら層は、堆積層の区画の性質および厚さに適した通常のロータリー機械式またはＰＪＡＲＭＤのいずれかで掘削できる。坑井８８０の堆積層の区画は、典型的にはセメント枠９００できちんとセメントで固めたケーシングチューブ８９０でより深部の坑井９２０から分離する。掘削装置（図示せず）で操作されるドリルパイプ９１０は、ＨＰＪＤドリルビット８１０との導管および管状接続を提供する。ＨＰＪＤドリルビット８１０は、層を素早く掘削するために、典型的にはＰＪＤドリルビットのノズル噴流８２０内で加速される高質量粒子８３０を先カンブリア代岩石層にジェット衝撃する手段となる。ＨＰＪＤ法による掘削に関し、結晶質の先カンブリア代層だけを露出させるために堆積層を掘削して分離する新規性は、堆積層の掘削中に利用できない前記先カンブリア代層を掘削しながら、掘進率を最大化する最適なＨＰＪＤ動作条件を利用できるようにする。こうして坑井が露出した堆積層の保全性がないのとは対照的に、先カンブリア代層の保全性のために、ＥＣＤ特性をそれほど考慮する必要がないため、ＨＰＪＤによる粒子連行、搬送、衝撃、および戻り循環デューティに低粘度の流体の使用が、先カンブリア代層の掘削に利用できる。また先カンブリア代層の保全性のために掘削流体層の侵食をそれほど考慮する必要がないため、先カンブリア代層を掘削しながら非常に高いＰＪＤ流体の流量を使用することもできる。
【００４８】
先カンブリア代または冥王代の層で終わらせる坑井の掘削コストを減らすためにＰＪＤ法を使用することは、ＨＤＲポテンシャルの開発の普及の基礎である。特に、ＰＪＤはＨＤＲ生産のための大径で非常に深い注入井および生産井を経済的に掘削する手段となる。ＰＪＤ技術と合わせて使用する具体的な坑井の形状は、掘進率のために最適なレベルでＰＪＤ技術を実施する環境を作り出すのに特有のものである。
【００４９】
ここで図７を参照すると、複数の地層内の坑井の掘削の概要図が示されている。やぐらの概要図で表される坑口４００で、最初の地層４０４が坑井４０２で打ち抜かれる。この層で利用するドリルビットの種類は、浅井用の従来の機械的なドリルビットおよび／又は本明細書で引用するＰＪＡＲＭＤでもよい。下層地層４０６に線図で表されるのがドリルビット４１４で、ドリルビット４１２と同じおよび／又は類似しているが、本発明の原理に従い、地中部４０６にみられる地層構造の種類によって変えられる。同様に、地中部４０８は坑井４０２の延長部で、本発明の原理に従い、地層４０８に占める構造の種類によって、異なる方法論でもよいドリルビットを線図で表す。最後に、地層４１０は先カンブリア代および／又は冥王代の結晶質岩として線図で表されており、その断面輪郭は様々で、ボアホール部４３０は、本発明の原理に従い内部の熱エネルギーを確保して、前述したその後の水圧破砕と注水および排水のためボアホール内部にサイトを定着するために、および先カンブリア代または冥王代の結晶質岩層を打ち抜くために、本発明の原理に従い粒子ジェット掘削を組み込める掘削ツール４１８でみられる水圧ボーリングにより打ち抜かれるところが示されている。
【００５０】
ここで図８を参照すると、本発明の原理の一実施の形態のフロー図が示されている。このフロー図では、前述の方法論を分かりやすく記載して示しており、ステップ５０１は本発明の原理によるボアホール掘削システムの定着を含む。ステップ５０３はＰＪＡＲＭＤ法による第１ボアホール部の掘削を表す。この方法論は図７に図示する地層の具体的な種類によって変更できる。
【００５１】
さらに図８を参照すると、ステップ５０５はボアホールが先カンブリア代または冥王代の結晶質岩層に達するステップを表し、使用するドリルビットの種類は本発明の原理に従い変更できる。ステップ５０７は水圧ボーリング法による先カンブリア代または冥王代の結晶質岩層を貫通して第２の下層ボアホール部の掘削を表す。本発明で記載および説明されるＨＰＪＤ法のある形態は粒子ジェット掘削である。ステップ５０９は高温岩体（ＨＤＲ）を水圧破砕して、拡張した節理の亀裂群を生産するステップを表す。ステップ５１１は、本発明の原理の一実施の形態による亀裂群の注排水ステップを表す。ステップ５１３は前述した本発明の原理による亀裂群から熱エネルギーを生産するステップを表す。
【００５２】
まとめると、前述した説明は本発明の以下の進歩性のある側面を説明し、示している。
１）高温岩体地熱資源の開発のために、ａ）非堆積層、またはｂ）先カンブリア代層        もしくは冥王代層で終わらせる坑井の掘削にＨＰＪＤの使用
２）下にある結晶質、非堆積層、先カンブリア代もしくは冥王代の層をＰＪＤ技術で        掘削するために、ＰＪＤ法によるまたはＰＪＤ法によらない、堆積層の掘削およ        び分離法
３）高温岩体地熱資源の開発のために、ａ）非堆積層、またはｂ）先カンブリア代層        もしくは冥王代の層で終わらせる坑井の掘削に非ロータリー機械式手段の使用
４）高温岩体地熱資源の開発のために、ａ）非堆積層、またはｂ）先カンブリア代層        もしくは冥王代層で終わらせる坑井の掘削に非機械式ドリルビット手段の使用
５）高温岩体地熱資源の開発のために、ａ）非堆積、またはｂ）先カンブリア代層も        しくは冥王代層で終わらせる坑井の掘削に、ＰＪＤと合わせた低粘度またはニュ        ートン掘削流体の使用
６）高温岩体地熱資源の開発のために、ａ）非堆積、またはｂ）先カンブリア代層も        しくは冥王代層で終わらせる坑井の掘削に、毎分５００ガロン以上の流量のＰＪ        Ｄ流体の使用
７）高温岩体地熱資源の開発のために、ａ）非堆積、またはｂ）先カンブリア代層も        しくは冥王代層で終わらせる坑井の掘削に、非標準のドリルパイプの使用
８）高温岩体地熱資源の開発のために、ａ）非堆積、またはｂ）先カンブリア代層も        しくは冥王代層で終わらせる９．００インチ以上の直径の坑井の掘削に、ＰＪＤ        法の使用
高温岩体地熱資源の開発のために、ａ）非堆積、またはｂ）先カンブリア代層もしくは冥王代の層で終わらせる５，０００フィート以上の深さの坑井の掘削に、ＰＪＤ法の使用
【００５３】
このように、以下の概念は本発明の精神および範囲内であると想定される。
１）ＨＤＲ貯留層を造成するとき、従来の考え方は、誘導される岩石の亀裂の流路を２つ以上の坑井の間に継続的に循環させる、またはＨＤＲ貯留層の天然の岩石節理を成長させることである。この「流路短絡」または地点間の流れはともに、１）熱を吸収する、２）高いフローインピーダンスを受ける、および３）亀裂群貯留層に入る流体の大部分を止水するその産出能力を制限することになる。本発明の方法は貯留層の注排水の柔軟なサイクルを提供し、注水プロセスの無指向性の流れと貯留層緩和プロセス中に無指向性の流れの逆の流れから貯留層亀裂システムの完全な利用を提供する。また、熱を吸収する水の能力は、貯留層の表面積と接触するときの滞留時間の関数である。この方法は、層の注水および緩和サイクル中に連続的に水がまず岩石節理に流し込まれてから、岩石節理から流し出さなければならないため、滞留時間が比較的長くなる。さらに、無指向性の流れは、従来のＨＤＲ仕上げシステムと比べて、各サイクル中に水が加熱される表面積が大幅に増える。この二重の流路方式は生産される水への伝熱が大幅に高まる。
【００５４】
２）機械的および熱両方の周期的な応力反転の利用で、これら周期的応力反転を組み合わせるために長期にわたる大規模な岩石表面の破砕を提供する。せん断帯形成する角礫化または剥離で貯留層岩石を比較的小さな地塊または岩石塊または岩石片に破砕することにより、貯留層の表面積と貯留層の体積が増え、無指向性の流路が「保水容器」の表面積を吹き流すとき熱を抽出する面積が増える。角礫化された岩石は、亀裂面なく砕かれると、水圧で分離する。重力で剥離した岩石が貯留層の最も下の領域に下がり、そこで貯留層岩石の機械的なサイクルの作用により長期間にわたって粉砕される。この構成で伝道中に熱を抽出する熱メカニズムには、近距離場熱伝導と遠距離場熱伝導の２つある。近距離場の熱は岩石と洗い流す流体との高い温度差のために伝達により非常に急速に伝わる。この近距離場の熱が下限まで抽出されると、その後の熱流は岩石媒体の拡散率の値に左右される。明らかに最も大きい抽熱効果は、周期関連のせん断帯形成する角礫化による注入流体を次の「保水容器」表面に連続的に露出することによって得られる。せん断帯形成する角礫化は、近距離場領域の高い熱レベルが遠距離場の熱拡散率を誘発して貯留層の壁に作用するレベルまで下がって、それによって伝熱率が下がる前に、注入流体と相互作用する新たな接触面を継続的に生み出す。説明した作用は長期にわたり近距離場伝熱抽出に利用できる高い温度差をほぼ連続的に保つ。このことは、近距離場の熱が伝達して奪われてしまったら岩石マッシーフの遠距離場熱拡散率に頼らなければならず、総熱出力と生産温度が長期にわたり大幅に低下する影響をもつ従来のＨＤＲシステムとは対照的である。そのため、膨張する貯留層に新たな表面積を作り出せるかが、近距離場タイプの伝達値を持続する鍵である。岩石は生産中の繰返し周期の熱応力および機械的応力に反応するため、新たな表面積は、熱変化の影響と同様、同時に起こる機械的な押しのけが貯留層の「保水容器」の内部岩石表面に作用するため岩石が収縮するときに起こる。
【００５５】
３）貯留層は、より大きなベース貯留層を拡張または造成するために、亀裂の膨張圧力以上の追加の破砕により拡大できる。このことはベース貯留層のサイズを大きくする目的に役立ち、注水および排水サイクルの単なる周期的な作用によるよりも早くベース貯留層を大きくして、必要なら貯留層の温度維持を補償するであろう。
４）この地熱生産法は、長期にわたり表面積の洗い流しが増え、新たな表面の露出が増えるため、現在利用されている他のどの方法よりもはるかに高い生産率と最終的な回収ポテンシャルをもたらす。
【００５６】
５）３７５℃以上の生産された地熱温度を利用して、地熱生産井に組み込んだ反応容器での化学反応に補助されて熱エネルギーを供給することは、石炭、油母ケツ岩、バイオマス、および廃棄物などの大量の有機炭素を利用可能かつ市場性のある生成物に変換する基礎を提供する。生産された地熱熱エネルギーは、ａ）反応容器内の超臨界水化学プロセスを開始または持続させる熱エネルギーを供給する、ｂ）バイナリータイプの発電所による発電などの最終利用のために、生産された地熱流体の直接および間接的な利用を行う残留熱エネルギーを供給する、およびｃ）有機炭素供給材料を予熱する追加の熱産出量を供給する。システムの経済的な価値は、有害な副産物をその後の処理、効果的な処分、または市場で売り出せる形で分離および捕獲しながら、クリーンな電力を発生し、クリーンな燃焼水素を生産することに由来する。単一の貯留層から定常状態の生産を提供する周期的な地熱貯留層変化生産法の利用、および高温の生産温度、流量、および貯留層の成長を維持する周期的な注入プロセスの利点の提供は、石炭、油母ケツ岩、バイオマス、および廃棄物などの有機炭素をバッチ処理して、クリーンな水およびＨ2 メタンやフィッシャー  トロプシュ液体などの市場性のある生成物を生成するのに対し、大規模連続的に地熱生産を利用できる能力をサポートする。このシステムは既存の発電所での石炭の処理に有用で、発電所の経済性を高め、温暖効果ガスの工業生産を減らすクリーンな燃焼燃料ガスを供給するであろう。米国だけでも現在約７００の石炭火力発電所があり、本発明により著しい利益を受けるであろう。また、本発明は、可採油母ケツ岩の大規模な処理を可能にする技術を提供する。
【００５７】
このように、本発明の作用および解釈は、前述の好適な実施の形態の説明から明らかになると考えられる。示した構成および設計が好適だと述べているが、以下の請求項に明記される本発明の精神および範囲を逸脱することなく、それに様々な変更および改造を行えることは当業者には明らかであろう。そのため、請求項の精神および範囲は、本明細書に記載の好適な実施の形態の説明に制限されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
本発明の方法および装置は、添付の図面と合わせて考えるとき以下の詳細な説明を参照するとより完全な理解が得られるであろう。
【図１】岩石層から熱を抽出するように設計された先行技術の地点間定方位圧力降下型閉ループ循環システムの単純化した概要図である。
【図２】オーストラリアのジオダイナミックス・リミテッド社が生産した商業用高温岩体の試作などの最近の開発で実験されている先行技術の破砕岩閉ループ循環システムの改良版の図である。
【図３】本発明およびその初期運転サイクルのＨＤＲ生産システムの一実施の形態の概要図である。
【図４】地熱熱エネルギーを発生するために、本発明のＨＤＲ生産システムの第２実施の形態の概要図である。
【図５】超臨界条件下で有機炭素を処理するために地熱熱エネルギーを利用する、本発明のＨＤＲ生産システムの第３実施の形態の概要図である。
【図６】ＰＪＤ法を利用して地熱坑井の掘削に必要な主要コンポーネントの概略図である。
【図７】地熱貯留層を発達させるために高温岩体を露出するときに複数の種類の掘削法の利用を図示する坑口および掘削システムの概略図である。
【図８】本発明の原理の一実施の形態を示すフローチャートである。
【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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【図８】
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【国際調査報告】
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