JP2023539504A - 地熱井掘削のための冷却 - Google Patents
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Abstract
地下ゾーン内に地熱井を掘削するための方法が、ドリルストリングを用いて地下ゾーン内に地熱井の坑井を掘削するステップを含む。坑井のダウンホール端部に位置する岩石面付近の岩石の固有温度は、少なくとも摂氏250度である。掘削するステップの最中に、掘削流体が、岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面における掘削流体の温度との間の差が少なくとも摂氏100度になるような温度にて、岩石面に流される。
Description
本開示は、地熱井掘削に関する。
地熱システムを目的として掘削される坑井は、高い層温度に直面し得る。かかる高温は、掘進率、ダウンホール電子機器の動作、および他の要素に関して問題を引き起こし得る。
本開示は、地熱井掘削に関する。
本明細書の主題のいくつかの態様は、地下ゾーン内に地熱井を掘削するための方法として実施され得る。この方法は、ドリルストリングを用いて地下ゾーン内に地熱井の坑井を掘削するステップを含む。坑井のダウンホール端部に位置する岩石面付近の岩石の固有温度は、少なくとも摂氏250度である。掘削するステップの最中に、掘削流体は、岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面における掘削流体の温度との間の差が少なくとも摂氏100度になるような温度にて岩石面に流される。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面における掘削流体の温度との間の差は、岩石面における岩石の引張強度よりも高い熱誘因応力を岩石面において岩石中に引き起こす。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。坑井のダウンホール端部は、少なくとも4000メートルの計測深度に位置する。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。坑井のダウンホール端部は、少なくとも6000メートルの鉛直深度に位置する。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面における掘削流体の温度との間の差は、少なくとも摂氏175度である。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。岩石面付近における岩石の固有温度は、少なくとも摂氏350度であり、岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面における掘削流体の温度との間の差は、少なくとも摂氏200度である。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。岩石面付近における岩石の固有温度は、少なくとも摂氏500度であり、岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面における掘削流体の温度との間の差は、少なくとも摂氏350度である。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。坑井は横方向坑井である。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。ドリルストリングのダウンホール端部は、回転ドリルビットを備える。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。ドリルのダウンホール端部は、ビットと岩石面との間の接触を必要とすることなく岩石面にて層構成要素を破壊するように構成された非接触ドリルビットを備える。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。坑井を備える閉ループ地熱井システムが、形成される。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。坑井は、横方向坑井である。閉ループシステムを形成するステップは、第1の表層坑井から横方向坑井を掘削するステップと、横方向坑井により第1の表層坑井を第2の表層坑井に連結するステップとを含む。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面における掘削流体の温度との間の差は、坑井の壁部の少なくとも一部分に径方向引張破断を誘発する。また、この方法は、封止材料で径方向引張破断を封止するステップをさらに含む。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。ドリルストリングは、複数のチューブセグメントを備える。チューブセグメントの中の少なくとも1つが、チューブセグメントの周方向表面を少なくとも部分的に覆うコーティング層を備える。チューブストリングのコーティングされた壁部部分の長さで正規化した熱抵抗が、少なくとも0.002メートルケルビン/ワットである。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。コーティングされた壁部部分の長さで正規化した熱抵抗が、少なくとも0.01メートルケルビン/ワットである。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。複数のチューブセグメントは、連結ジョイントにて相互に連結される。コーティング層は、連結ジョイントの中の1つまたは複数の周方向表面を少なくとも部分的に覆う。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。坑井は、第1の坑井である。また、この方法は、第1の坑井に交差する第2の坑井を形成するステップをさらに含む。第2の掘削流体流が、第2の坑井の下方に流され、この第2の流体流は、岩石面を流れる掘削流体の少なくとも一部分を構成する。第2の流体流に追加してまたはその代替として、還流掘削流体流が、第1の坑井のダウンホール端部から第2の坑井へと上方に分岐される。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。この方法は、坑井内に中間チューブストリングを位置決めするステップと、中間チューブストリング内にドリルストリングを位置決めするステップとをさらに含む。このようにすることで、ドリルストリングの長さ方向に沿って少なくとも部分的にダウンホールへ延在する内方環状間隙が、ドリルストリングの外部と中間チューブストリングの内部との間に形成される。また、この方法は、断熱材料で内方環状間隙を少なくとも部分的に充填するステップをさらに含む。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。断熱材料はガスである、またはガスを含む。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。また、この方法は、ドリルストリングのダウンホール端部近傍において相変化を被るように特徴づけられた相変化材料を掘削流体に対して添加するステップをさらに含む。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。ドリルストリングは、第1の複数のチューブセグメントからなるアップホール部分と、第2の複数のチューブセグメントからなるダウンホール部分とを備える。第1の複数のチューブセグメントの大半が、第2の複数のチューブセグメントの大半の引張強度よりも少なくとも25%高い引張強度を有する。第2の複数のチューブセグメントの大半が、第1の複数のチューブセグメントの大半よりも少なくとも35%軽量である。
本明細書の主題のいくつかの態様は、地下ゾーン内に地熱井を掘削するための方法として実施され得る。この方法は、第1の表層坑井および第2の表層坑井を掘削するステップを含む。横方向坑井が、地下ゾーン内において第1の表層坑井を第2の表層坑井に連結するために、第1の表層坑井からを掘削される。横方向坑井を掘削することは、横方向坑井内にドリルストリングを位置決めすることを含む。ドリルストリングは、横方向坑井のダウンホール端部にて岩石面へ掘削流体を流すことにより岩石面から破壊された層構成要素を変位させるための導管を画成する。また、この方法は、ドリルストリングを用いて地下ゾーン内へとさらに遠くに横方向坑井を掘削するステップをさらに含む。横方向坑井のダウンホール端部に位置する岩石面付近における岩石の固有温度は、少なくとも摂氏250度である。掘削流体が、岩石面付近における岩石の固有温度よりも少なくとも摂氏100度低い岩石面位置での温度にて、横方向坑井内に流される。ドリルストリングは、横方向坑井から除去され、作業流体が、第1の表層坑井、第2の表層坑井、および横方向坑井内において、閉ループで循環される。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。熱エネルギーが、作業流体から抽出される。
本明細書の主題のいくつかの態様は、地下ゾーン内に地熱井を掘削するためのシステムとして実施され得る。坑井のダウンホール端部に位置する岩石面付近における岩石の固有温度は、少なくとも摂氏250度である。このシステムは、岩石面にて層を破壊するためのドリルビットを有するドリルストリングと、岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面における掘削流体の温度との間の差が少なくとも摂氏100度になるような温度にて岩石面に循環される掘削流体と
を備える。
を備える。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面における掘削流体の温度との間の差が、岩石面における岩石の引張強度よりも高い熱誘因応力を岩石面において岩石中に引き起こす。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。坑井のダウンホール端部は、少なくとも4000メートルの計測深度に位置する。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面における掘削流体の温度との間の差が、少なくとも摂氏175度である。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。岩石面における岩石の固有温度は、少なくとも摂氏350度であり、岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面における掘削流体の温度との間の差は、少なくとも摂氏200度である。
任意の他の態様と組み合わせ可能である一態様が、以下の特徴を含み得る。坑井は横方向坑井である。
図1Aは、本明細書のコンセプトによる閉ループ地熱システムを示す図である。この閉ループ地熱坑井システムは、例えば、ダウンホール層との間のラジエータまたは熱交換器として機能する封止された水平方向坑井ネットワークからなるEavor Technologies Inc、Calgary、Albertaによるシステムなどのシステムであることが可能である。かかる閉ループ地熱システムのいくつかの例において使用される方法および装置の説明は、例えば米国特許出願公開第2019/0154010A1号、米国特許出願公開第2019/0346181A1号、および米国特許出願公開第2020/0011151A1号などにおいてみられ、これらの出願公開の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
図1Aを参照すると、閉ループ地熱システム100が、インレット表層坑井104およびアウトレット表層坑井106を備え、これらの表層坑井104および106は、横方向坑井110のネットワークにより地下ゾーン108内において連結される。地下ゾーン108は、地層、地層の一部、または複数の地層である。図示する例では、表層坑井104および106は、実質的に垂直であり、本開示の他の例では、これらの表層坑井の一方または両方が、実質的な垂直以外であってもよい。図示する例では、表層坑井104および106を連結する横方向坑井110は、実質的に水平であり、本開示のいくつかの例では、これらの横方向坑井の中の一部またはすべてが、実質的な水平以外であることが可能であり、実質的に直線状もしくは湾曲状であることが、またはらせん状もしくは他の構成を有することが可能である。横方向坑井110は、封止され、作業流体が、循環流体としてこの閉ループに追加され得る。発電所112が、インレット表層坑井104とアウトレット表層坑井106との間に地表114上に配設されて、この閉ループシステムを完結させる。地下ゾーン108からの熱が、ループ回路116内を循環する作業流体から回収され、その後この熱は、発電所112において発電機(図示せず)を用いて発電を行うために使用される。本開示のいくつかの例では、横方向坑井110は、長さが2000メートル～8000メートルであり、地表114からの深さが1000メートル～20000メートルであることが可能である。
図1Bは、図1Aの閉ループ地熱システム100の一部を形成する横方向坑井110の平面図である。図1Bを参照すると、これらの横方向坑井110は、地下ゾーン108内において径方向に離間された状態で配設される。各横方向坑井110は、閉ループ内のインレット坑井104およびアウトレット坑井106に対して共通して連結される。本開示のいくつかの例では、インレット坑井104およびアウトレット坑井106の一部またはすべてが、ケーシングされる。本開示のいくつかの例では、横方向坑井110は、ケーシングされないが、代わりに横方向坑井と実質的に流体不透過性の層との間に境界面を形成することによって、ケーシングを使用せずに封止される。
図1Aおよび図1Bは、アウトレット坑井106から離間されたインレット坑井104を示すが、本開示の他の例では、坑井104および106は、共に近くに位置することが可能であり、横方向坑井110のネットワークが、スタックまたは交互配置され、それらの先端側にて交差することが可能である。
図1Aおよび図1Bに示すものなどの地熱システムの掘削は、非常に高温にて(250℃超、およびいくつかの環境では400℃超または800℃超)例えば花崗岩などの非常に硬い多結晶岩石を貫通して掘削することを伴い得る。かかる硬質の高温の岩石は、例えば図1Aおよび図1Bに示すものなどの深部水平坑井セグメントの掘削時などに直面し得る。
図2は、本開示の一例による坑井掘削システム200の概略図である。この坑井掘削システム200は、図1Aおよび図1Bのインレット表層坑井104、アウトレット表層坑井106、および/または横方向坑井110の掘削に適したものであり得る。図2を参照すると、坑井202は、坑井202内に位置決めされたドリルストリング206による掘削によって地下ゾーン204内に形成される。ドリルストリング206は、ダウンホール端部にボトムホールアセンブリ(BHA)210を備える。BHA210は、ドリルビット208を備え、ドリルカラーと、傾斜掘削器具と、ドリルビット208を動作および/または制御するための様々な電気構成要素および電子構成要素とをさらに備えることが可能である。ドリルストリング206の内部は、導管を画成し、この導管は、坑井のダウンホール端部まで掘削流体212を流すことにより岩石面214から破砕された層構成要素を変位させるためのものであり、次いで、この層構成要素は、掘削流体212により、ドリルストリング206の外部と坑井202の内部表面との間に画成される環状間隙216に沿って上方へと運ばれる。
ドリルストリング206は、連結ジョイント222にて相互に対して連結された複数のチューブセグメント220を備える。本開示のいくつかの例では、連結ジョイント222は、ねじ式ボックス-ピンジョイントまたは他の適切な連結部からなる。
矢印224により図示する熱伝達は、地下ゾーン204から環状間隙216内へ、ならびに環状間隙216からドリルストリング206の内部内へおよびドリルストリング206を下方に流れる掘削流体212中へと進み得る。したがって、地下ゾーン204から環状間隙216へのおよび環状間隙216からドリルストリング206の内部への熱伝達は、掘削流体212がドリルビット208へ送達される前に、向流交換機構によりこの掘削流体212の温度上昇に寄与する。
本開示のいくつかの例では、ドリルビット208は、接触タイプドリルビットであり、例えば多結晶ダイヤモンドコンパクト(PDC)ドリルビット、回転ドリルビット、および/または掘削実現のために岩石との接触に依存する他のタイプのドリルビットなどである。適切な接触タイプドリルビットの一例は、図3Aおよび図3Bに示すトリコーンビット300である。図3Aに示すように、トリコーンビット300は、3つのコーン302を備え、各コーン302は、複数の切断要素304を有する。図3Bは、図3Aに示す線305A-305Bに沿った断面の詳細図である。この例では、各コーン302が、各コーンの面上にわたってある特定の離間アレイの形態で離間された複数の切断要素304を備える。耐用寿命の延長および中断を要さない長時間掘削を促進するために、一連の追加切断要素306が設けられてもよい。この例では、追加切断要素306は、追加切断要素306の先端が上に重畳している切断要素304の底部の接点に隣接するように、切断要素304の下方に位置決めされる。この配設では、要素304が摩耗するにつれて、追加切断要素306の先端が出現する。これは、少なくとも隣接し合う要素304と306との間の隙間310内に、異なる硬度の材料を組み込むことによってさらに加速され得る。この構成により、各コーンの切断面が自動再生される。この特徴のさらなる利点としては、ビット300がより均一に摩耗するという利点が含まれ、これにより偏心的な掘削進行、ならびに形成中の試掘孔内におけるジャミングまたは詰まり/引き戻せない状態になる可能性が軽減される。
本開示の他の例では、図2のドリルビット208は、このビット208と岩石面214との間の接触を必要とすることなく、坑井202のダウンホール端部に位置する地下ゾーン204の岩石面214にて層構成要素を破砕するように構成された、非接触ドリルビットであることが可能であり、本開示のいくつかの例では、電子パルス掘削のための電子粉砕ビットからなることが可能である。非接触掘削システムの例としては、プラズマ掘削(例えばGA Drilling, A.S.により開発されたプラズマ掘削システム)、レーザ掘削(例えばForo Energyにより開発されたレーザ掘削システムなど)、マイクロ波掘削(例えばQuaiseにより開発されたマイクロ波掘削システム)、超臨界水噴射または火炎噴射などの熱破砕技術、および電子パルス掘削(例えばTetra Corporationにより開発された電子パルス掘削システム)が含まれる。(掘削プロセスの最中に、非接触ドリルビットの複数部分が層に対して周期的に衝突し得る、擦過し得る、または他の様式で接触状態になり得ることが理解されよう。)
例えばTetra Corporationにより開発された電子パルス掘削システムでは、電子粉砕ビットが使用され、このビットは、複数の電極を有し、これらの電極が、高エネルギースパークを発生させることにより層構成要素を破砕し、それによりドリルアセンブリの経路からこの破砕された層構成要素を取り除くことができる。このビットは、坑井のダウンホール端部に位置する岩石面の導電性の最も高い部分を通過するアークを過渡スパークによって形成させる特定の励起電流プロファイルを使用することにより、1秒間に複数のスパークを発生させることが可能である。このアークは、アークが通過する岩石面の部分を破壊または崩壊させ、掘削流体流により除去させる。かかる電子パルス掘削に対しては、高抵抗掘削流体が使用される。いくつかの電子パルスドリルビット、掘削流体、ならびに関連するシステムおよび方法の説明は、例えば米国特許第4,741,405号、米国特許第9,027,669号、米国特許第9,279,322号、米国特許第10,060,195号、米国特許出願公開第2020/0299562A1号、PCT特許出願WO2008/003092、WO2010/027866、WO2014/008483、WO2018/136033、およびWO2020/236189などに見ることができる。これらの特許文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。電子パルス掘削および他の形態の非接触掘削は、岩石を張力で破壊するため(圧縮またはせん断とは対照的に)、以降でさらに詳細に論じる冷却効果と共にさらなる相乗効果を与えるものとなり得る。
掘進率(ROP)は、例えば図1Aおよび図1Bに示すように閉ループシステムの横方向坑井110を掘削する場合(例)など、岩石が非常に高い封圧にある場合におよび/または深部の地熱環境の掘削において直面し得る高温に起因する可塑性特徴を岩石が有する場合に、低下し得る。また、かような高温は、ダウンホール電子機器および/またはダウンホールセンサの動作に干渉する恐れもある。さらに、図1Bに示すものなどの複数の横方向坑井の掘削は、傾斜掘削技術の拡張利用が必要となり得る。かかる傾斜掘削のために使用される磁力計または他のダウンホール機器は、高いダウンホール温度により悪影響を被り得る。傾斜掘削システムのいくつかのダウンホール構成要素は、150～250℃の温度限界を有する。他のダウンホール構成要素は、異なる(さらに高いまたは低い)温度限界または温度範囲を有し得る。
以降で説明するような本開示のいくつかの例では、コーティングの組合せ、坑井ジオメトリ、ダウンホール装置、および/または付加物を使用することにより、岩石面付近における岩石の固有温度(すなわち内在的に掘削されることになるドリルビット前方の岩石の温度、ただし掘削流体の冷却効果を除く)と岩石面の掘削流体の温度との差が少なくとも100℃になるような掘削温度で、掘削流体流を坑井のダウンホール端部に供給する。岩石面の流体温度は、例えば掘削されている岩石面の約1cmの範囲内などにおいて岩石面の対流冷却が生じる、バルク流体温度である。本開示のいくつかの例では、かかる温度差は、岩石面付近における岩石の固有温度が4000メートル以上の計測深度にて、すなわち表層坑井および横方向坑井を通じた計測深さにて、少なくとも250℃となる地熱環境におけるものであり得る。(本明細書において、この計測深さは、坑井の経路に沿った長さであり、完全な垂直方向坑井以外の坑井の鉛直深度合計ではない。)本開示のいくつかの例では、温度差がさらに大きいことが可能である。例えば、岩石面付近における岩石の固有温度が少なくとも約500℃である本開示のいくつかの例では、岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面の掘削流体の温度との差は、少なくとも約350℃であることが可能である。本開示の他の例では、この温度差は、さらに大きいまたはさらに小さい量であることが可能である。このような大きな温度差は、衝撃冷却効果によりROPを高め、それにより岩石面を熱収縮させ得る。これが、岩石の張力に応力を印加し、岩石面における有効封圧を低下させる。また、これは、岩石基質内に引張微小破壊を生じさせ得る。
例えば、図4Aは、可塑性岩石における脆性-準脆性遷移に関する温度-圧力関係を示すグラフである。可塑性岩石は、温度が低下するまたは圧力が低下する場合に、より高い脆性状態へと遷移する。急速熱冷却処理を高温の脆性岩石に対して適用すると、岩石の内部温度が低下し、岩石が、未処理の岩石に比べてより高い脆性状態へと遷移する。図4Bは、この結果を一般的に示したものである。したがって、温度操作によるゾーン内における脆性、準脆性、および任意の組合せからのこのゾーン変化によって、処理済みの岩石が初期の未処理状態に比べて脆化される。
図5に示すように、岩石強度(不可逆的変形を引き起こすために必要となる応力)は、脆性の上昇と共に変化するとは限らない。しかし、脆性岩石の変形モードは急激な破損および破砕となり、脆性のより高い岩石については、この破損モードは、破損前により高い可塑変形を被るものとなる。
図6Aに示すように、一般的に、掘進率は、掘削方法とは無関係に岩石の脆性と共に上昇する。具体的には、パルス電子掘削システムまたは他の非接触掘削システムが、脆性岩石に対して特に適したものとなり得る。
図6Bは、冷却温度に対する岩石の内部損傷の関係性を示す(例えば掘削動作時における)。内部損傷は、先述の脆化作用に加えられる別個のかつ追加的な効果である点に留意されたい。単なる脆化とは対照的に、岩石内に不可逆的損傷を引き起こすためには冷却温度差がより大きいことが必要となる。不可逆的損傷は、熱収縮差に起因する微小クラック、破砕、および岩石粒間における変位として現れる。十分な熱冷却により、脆性およびその後の不可逆的損傷の両方が、掘削中の岩石において引き起こされ得る。
図7は、掘削流体と掘削中の岩石との間における温度差に対する掘進率のラボ試験結果を示すグラフである。これらのラボ試験は、直径10インチの花崗岩ブロックにおいて実施した。これらのブロックを、オーブン内で目標温度まで加熱した。次いでブロックを加圧チャンバ内に配置し、封圧(岩石試料を囲むスリーブに対して印加される)および掘削流体の静水圧の両方に関して深度約1000mをシミュレートすべく、このチャンバを加圧した。次いで、雰囲気温度の掘削流体を用いて一定のビット荷重、rpm、および流量にて岩石試料を掘削した。図7から分かるように、掘削中の岩石温度と掘削流体温度との間の差が摂氏約175度を超過すると、掘進率(ROP)は実質的に上昇する。かかる温度差により、岩石面における岩石中の熱誘因応力は、岩石面における岩石の引張強度よりも高くなる可能性があり、これは、岩石を脆化し岩石中にクラックを生じさせ得ることにより、掘進率を上昇させる。温度差のさらなる拡大は、ROPをさらに改善させる。
さらに、衝撃冷却が、熱収縮により岩石面における有効静岩圧下封圧を低下させ得る。衝撃冷却を伴わないベンチスケール試験では、典型的には、封圧の上昇と共に、掘削のROPが低下する。したがって、衝撃冷却効果は、単独で、高封圧下にある深部岩石におけるパフォーマンスを改善することができる。
本開示のいくつかの例では、岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面における掘削流体温度との間の差は、岩石面における層の脆化を誘発するのに十分なものとなる。脆化した岩石が破損すると、この岩石は、急激にかつ構成要素の塑性変形を伴わずに砕け得る。
本開示のいくつかの例では、岩石面付近の岩石の固有温度と岩石面における冷却流体温度との間の差は、岩石の引張強度を低下させるために、および/または岩石微細構造に損傷を与えるために(これが岩石基質内における小さな微小破壊および脆性により岩石強度を低下させ得る)、および/または岩石の熱収縮により岩石面の剥落を誘発するために十分なものとなる。本開示のいくつかの例では、温度差は、岩石面における封圧を低下させる(岩石を熱収縮させ破損を誘発することにより)ために十分なものとなる。岩石面中に破損が生じるレベルにまで熱収縮が起こると、岩石面は、封圧を喪失し、より容易に砕けるようになる。
本開示のいくつかの例では、岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面における掘削流体温度との間の差は、250℃～500℃またはそれ以上の温度および深度2～14kmまたはそれ以上の深さにおいて岩石を掘削している場合であっても、ボトムホールアセンブリ(BHA)を低温にかつ比較的一定の温度に維持するために十分なものとなる。かかる冷却は、電子パルス掘削の例では特に有利なものとなる。なぜならば、かかる技術は、BHA内における発電および送電を本来的に必要とするものであり、温度上昇により電気抵抗が上昇するからである。この岩石破壊方法にもかかわらず、一部のダウンホール電子機器、回路基板、バッテリ、および他の構成要素は、150～200℃の温度限界を有し得る(一部のダウンホール構成要素は異なる(より高いまたはより低い)温度限界を有し得る)。本開示の冷却システムを利用することにより、これらの構成要素は、非常に高温の岩石を掘削する場合でもこれらの構成要素の温度限界未満に維持される。
同様に、本開示に記載されるいくつかの例は、傾斜掘削システムの磁力計および他のダウンホール構成要素を冷却することにより、以前において可能であったものに比べてより高温の岩石環境での傾斜掘削利用を可能にし得る。
したがって、本明細書において開示される強化冷却システムおよび強化冷却方法は、岩石面付近の岩石と岩石面における掘削流体との間における温度差を大きくすることにより、より良好なダウンホール電子機器パフォーマンスおよびより高いROPで、高い層温度環境において閉ループ地熱システムの複数の水平坑井(例えば図1Bに示すものなど)を掘削するために、掘削システム(例えば電子パルス掘削)および傾斜掘削構成要素を利用することを可能にし得る。
本開示のいくつかの例では、強化冷却は、図1Aおよび図1Bに示すシステムの坑井のすべてを掘削するために使用することができる。横方向坑井110を掘削する層内において高温の岩石に直面する可能性があるため、本開示のいくつかの例では、図1Aおよび図1Bに示す垂直方向坑井の構成要素を掘削するために改良されていない従来の冷却を利用し、横方向坑井110の中の一部またはすべてを掘削するために、強化冷却を利用することが可能である。衝撃冷却は、岩石が例えば250℃超などの高温である場合に、ROPに対してより高い効果を有し得る。したがって、強化冷却は、掘削の大半が非常の高温の岩石内におけるものとなる坑井において特に適したものとなり得る。このROPの有利性は、単一の垂直方向坑井または偏距坑井においては低下し得るが、例えば図1Aおよび図1Bに示す例などのように高温岩石内深度で坑井のネットワークが掘削される場合には有意なものとなり得る。
図8Aは、本開示の例による、図2のドリルストリング206のチューブセグメント220に対して適用された冷却コーティングを示す。チューブセグメント220は、連結ジョイント222にて相互に連結され、主要本体802を備える。本開示のいくつかの例では、主要本体802は、炭素鋼本体からなる。本開示の他の例では、以降においてさらに詳細に説明するように、主要本体802は、アルミニウム合金、チタン合金、および/または繊維複合材料(例えば炭素繊維、アラミド繊維、繊維ガラス、Eガラス、および/または他の構造繊維を含む高分子バインダ複合材料)からなり得る。内方コーティング層804は、チューブセグメント220の内方周方向表面を少なくとも部分的に覆う。図示する例では、内方コーティング層は、チューブセグメント220を全長にわたり、およびさらには連結ジョイント222の内方表面を覆う。本開示のいくつかの例では、連結ジョイント222は、有意な熱伝達領域となり得る。内方コーティング層804により連結ジョイント222の内方表面を覆うことにより、連結ジョイント222における熱伝達は低下する。
外方コーティング層806は、チューブセグメント220の外方周方向表面を少なくとも部分的に覆う。図示する例では、連結ジョイント222は、本体802の主要部分よりも大きな直径を有し、したがって坑壁または坑井システムの他の構成要素に対して、より高い接触におよびしたがって結果としてより大きな摩擦力にさらされ得る。図示する例では、外方コーティング層806は、連結ジョイント222同士の間のチューブセグメント220の部分を覆うが、連結ジョイント222周囲のより大きい直径領域については覆わない。このようにすることで、外方コーティング層806は、連結ジョイント222に生じる摩擦にさらされる程度が低下する。
本開示のいくつかの例では、内方コーティング層804は、エポキシノボラック樹脂TK340XTおよびCP-2060、ならびにエポキシフェノール樹脂TK34XTおよびCP-2050の中の1つまたは複数からなる。TK製品は、NOV, Incから市販されており、CP製品は、Aremco products Incから市販されている。エポキシフェノール樹脂からなる内方コーティング層804の厚さは、150～250μmの範囲内とすることができ、エポキシノボラック樹脂からなる内方コーティング層804の厚さは、400～1270μmの範囲内とすることができる。エポキシフェノール樹脂は、約0.8 W/mkの平均熱伝導率を有することが可能であり、エポキシノボラック樹脂は、約0.4 W/mkの平均熱伝導率を有することが可能である。熱伝達率をさらに低下させるために、絶縁性粒子が、これらの樹脂または他のものに対して追加されることが可能である。
本開示のいくつかの例では、外方コーティング層806は、約2540μmの厚さの繊維複合材料オーバーラップ(例えば炭素繊維、Eガラス複合材料、および/または他の繊維複合材料など)からなる。これらのコーティングは、ACPT Inc.および/またはSeal for Life Industriesから市販されている。Eガラスは、約0.288W/mkの熱伝導率を有し、炭素繊維は、約0.8W/kmの熱伝導率を有し得る。
本開示のいくつかの例では、チュービングストリングの壁部の長さで正規化した熱抵抗は、少なくとも約0.002メートルケルビン/ワットである。本開示のいくつかの例では、チュービングストリングの壁部の長さで正規化した熱抵抗は、少なくとも約0.01メートルケルビン/ワットである。図8Aを参照すると、この壁部の厚さ810は、内方コーティング層804の内方表面および外方コーティング層806の外方表面により規定される。本開示において、「長さで正規化した熱抵抗」は、長さ方向に沿った材料の変化を考慮した、径方向熱伝達に関するストリングの有効伝導熱抵抗であり、1メートルの軸方向材料長さにわたり1ワットのエネルギーを伝達するために必要な温度差である。
以下は、示唆するような材料および厚さの鋼製の内方本体802および内方コーティング層804を有する(外方コーティング層806を有さない)、本開示のいくつかの例におけるチュービングストリングの壁部の長さで正規化した熱抵抗である。
以下は、示唆するような材料および厚さの鋼製の内方本体802および内方コーティング層804と、示唆するような厚さのEガラス製の外方コーティング層806(「ジャケット」)とを有する、本開示のいくつかの例におけるチュービングストリングの壁部の長さで正規化した熱抵抗である。
本開示の一例では、図2のドリルストリング206は、図8Aに示すようなチューブセグメント220を備え、これらのチューブセグメント220は、約400ミクロンの厚さを有するエポキシノボラック樹脂TK340XT製の内方コーティング層804と、約5ミリメートルの厚さを有するEガラス製の外方コーティング層806とを備える。かかる例では、約60℃/kmの熱勾配を有する地下ゾーンと、約8000mの長さを有するドリルストリングと、約3m3/分の循環率を有する水ベース掘削流体と、約490℃の岩石面温度とを前提とした場合に、かかるチューブセグメント220からなるかかるドリルストリング206は、岩石面付近における岩石と岩石面における掘削流体との間に約346℃の温度差を結果的にもたらし得る。
本開示の他の例では、図2のドリルストリング206は、図8Aに示すようなチューブセグメント220を備え、これらのチューブセグメント220は、約250ミクロンの厚さを有するエポキシノボラック樹脂TK34XT製の内方コーティング層804と、約2.5ミリメートルの厚さを有するEガラス製の外方コーティング層806とを備える。かかる例では、40℃/kmの熱勾配を有する地下ゾーンと、約9000mの長さを有するチューブストリングと、約3.5m3/分の循環率を有する水ベース掘削流体と、約370℃の岩石面温度とを前提とした場合に、かかるチューブセグメント220からなるかかるドリルストリング206は、岩石面付近における岩石と岩石面における掘削流体との間に約196℃の温度差を結果的にもたらし得る。
本開示の他の例では、内方コーティング層804および/または外方コーティング層806は、より大きいもしくはより小さい厚さを有することが可能である、および/または例えばケイ酸塩結合セラミックなどのセラミック無機コーティングなどの、他のタイプのコーティングを備えることが可能である。
図8Bは、本開示の他の例による、図2のドリルストリング206のチューブセグメント220に対して適用された冷却コーティングを示す。図8Bに示す例では、チューブセグメント220は、複合材料パイプセグメントであり、これらの複合材料パイプセグメントは、複合材料主要本体850(鋼、チタン、アルミニウム、繊維複合材料、または他の適切な材料から作製され得る)を備え、この複合材料主要本体850は、同様に鋼、チタン、アルミニウム、繊維複合材料、または他の適切な材料からなり得る連結ジョイント222に対して連結される。
図8Bを参照すると、内方コーティング層854は、チューブセグメント220の内方周方向表面を少なくとも部分的に覆う。この図示する例では、内方コーティング層854は、連結ジョイント222の位置およびその付近の位置のみにおいて、チューブセグメント220の内方周方向表面を覆う。内方コーティング層804により連結ジョイント222位置およびその付近の位置においてセグメント220の内方周方向表面の領域を覆うことにより、連結ジョイント222における熱伝達が低下する。本開示の他の例では、内方コーティング層854は、チューブセグメント220の内方周方向表面の全体を覆う。
本開示のいくつかの例では、図8Bの内方コーティング層854は、図8Aの内方コーティング層804を参照として説明したものと同一の材料および厚さからなり得る。本開示のいくつかの例では、内方コーティング層854は、他の適切な材料または厚さからなることも可能である。本開示のいくつかの例では、チューブセグメント220は、真空断熱チューブ(VIT)を備えることが可能であり、この断熱性は、内方コーティング層804(もしくは854)および外方コーティング層806の代わりにまたはそれらに加えて、チューブセグメント220内の真空層によって実現される。
本開示のいくつかの例では、主要本体802および/または主要本体850は、例えばNOV, Incから市販のUD165鋼ドリルパイプなどの高強度重量比鋼ドリルパイプを備えることが可能である。本開示のいくつかの例では、かかる鋼ドリルパイプは、5.875インチ(14.92cm)外径のドリルパイプにおいて、約165,000psi (1,138MPa)の降伏強度と、約1,000,000 lbf (4.45MN)のチューブ引張強度と、24.76 lbf/ft (361.3 N/m)の長さで正規化したジョイント空気荷重と、約900 lbf/lbf (900N/N)のジョイント強度重量比とを有し得る、UD-165鋼ドリルパイプであることが可能である。
本開示のいくつかの例では、主要本体802および/または主要本体850は、チタン合金から作製されたドリルパイプを備えることが可能である。本開示のいくつかの例では、かかるチタン合金ドリルパイプは、Ti-6Al-4Vチタン合金からなり、5.875インチ(14.92cm)外径のドリルパイプにおいて、約120,000 psi (827MPa)の降伏強度と、約750,000 lbf (3.34 MN)のチューブ引張強度と、16 lbf/ft (233.8N/m)の長さで正規化したジョイント空気荷重と、約1,000 lbf/lbf (1000N/N)のジョイント強度重量比とを有し得る。
本開示のいくつかの例では、主要本体802および/または主要本体850は、アルミニウム合金から作製されたドリルパイプを備えることが可能である。本開示のいくつかの例では、かかるアルミニウム合金ドリルパイプは、5.787インチ(14.699cm)外径のドリルパイプにおいて、Al-Zn-Mg IIアルミニウム合金からなり、約70,000 psi (483MPa)の降伏強度と、約600,000 lbf (2.67MN)のチューブ引張強度と、15.5 lbf/ft (226N)の長さで正規化したジョイント空気荷重と、約825 lbf/lbf (825N/N)のジョイント強度重量比とを有し得る。いくつかの例では、かかるアルミニウム合金パイプは、Alcoa Energy Systemsから市販のFarReach(登録商標)ドリルパイプからなることが可能である。本開示のいくつかの例では、かかるアルミニウム合金ドリルパイプは、Aluminum Drill Pipe, Incから市販のアルミニウムドリルパイプからなることが可能である。
本開示のいくつかの例では、主要本体802および/または主要本体850は、炭素繊維複合材料ドリルパイプを備えることが可能である。本開示のいくつかの例では、かかる炭素繊維複合材料ドリルパイプは、Advance Composite Products & Technology, Incから市販のAdvance Composite Drill Pipeからなることが可能である。
本開示のいくつかの例では、図2のドリルストリング206は、チューブセグメント220を備え、これらのチューブセグメント220は、上述のように鋼、チタン、アルミニウム、および/または繊維複合材料からなる主要本体802および/または850をそれぞれが備え得る。例えば、本開示のいくつかの例では、ドリルストリング206の各セグメントが、例えばアルミニウム合金などの単一材料からなる主要本体802および/または850を備える。本開示の他の例では、ドリルストリング206は、異なる材料からなる複数のセグメント220をそれぞれが備える種々の部分からなるものであってもよい。例えば、本開示のいくつかの例では、ドリルストリング206のチューブセグメント220の中のいくつかが、ある主要本体材料(例えばアルミニウム合金)からなり、ドリルストリング206のチューブセグメント220の中の残りのものが、他の主要本体材料(例えば鋼)からなることが可能である。本開示のいくつかの例では、ドリルストリング206は、2つ、3つ、またはそれ以上の部分からなることが可能であり、これらの各部分は、他の部分とは異なる材料からなる主要本体を有するチューブセグメント220を備える。他の例では、ドリルビット208に近い部分におけるセグメント220の中の大半のものが、長さで正規化した空気荷重ベースにおいて、ドリルビット208からアップホールへとさらに遠い部分に比べてより軽量の材料からなる主要本体を備える。上記の例に関して、チタンドリルパイプは、鋼よりも約35%軽量であり、アルミニウムドリルパイプは、約37%軽量である。ドリルビット208からアップホールへとさらに遠い部分に位置するこれらのセグメント220は、より高強度の材料を有する主要本体を備えてもよい。上記の例に関して、UD-165ドリルパイプは、アルミニウムよりも約67%高い引張強度を有し、チタンドリルパイプは、アルミニウムよりも約25%高い引張強度を有する。さらに、引張強度における差、および長さで正規化した荷重における差は、単一材料によって、しかしダウンホール部分に比べてアップホール部分において入れ子式に変動する厚さ/直径のドリルパイプを用いることによって、実現することが可能である。本開示の一例では、ドリルビットの付近に位置する部分におけるセグメント220の大半は、アップホール部分に位置するセグメント220の中の大半に比べて約35%軽量であり、アップホール部分に位置するセグメント220の中の大半は、ドリルビットの付近に位置する部分におけるセグメント220の大半に比べて約25%高い引張強度を有する。それぞれ異なるドリルストリング材料をかように使用することにより、より深い深度に存在するはるかにより高温の岩石を掘削することが可能となり、したがってかかる深度まで延在するのに十分な引張強度を有する断熱されたドリルストリングが必要となり得る。上述の材料は、適切に組み合わされた場合に、最大で14kmまたはそれ以上を含む、9km超の深さにおける掘削を可能にする。地球の地熱勾配により、より深い深度に位置する岩石はより高い温度を有する。この衝撃冷却技術は、高温の岩石に対する掘進率および掘削パフォーマンスを向上させる方法を提供する。したがって、種々の重量/強度のドリルパイプセグメントを組み合わせることにより可能になるより深い深度掘削を、本明細書において説明される冷却技術と組み合わせることによって、相乗効果が得られる。閉ループマルチラテラル坑井は、衝撃冷却効果が可能となるような十分な深度(およびしたがって岩石温度)にて掘削することが可能となり、したがってマルチラテラル坑井の掘削時間および掘削コストを大幅に軽減することが可能となる。
図9Aは、地下ゾーン内のケーシングされた坑井内に位置する標準的な炭素鋼パイプを備えるダウンホールチューブドリルストリング内を流れる流体における熱伝達率の熱力学的シミュレーションの結果を示す。このシミュレーションは、チューブストリングの下方にて3.5立方メートル/分でポンプ送給される水掘削流体と、地表から(すなわち坑井のアップホール端部に位置する地表位置から)岩石面まで(坑井のダウンホール端部に位置する)の50℃/kmの温度勾配とを前提としたものである。図9Aを参照すると、「ドリルパイプ」と名称を付けられた曲線は、所与深度においてチューブドリルストリング内を流れる流体の温度であり、「環状間隙」と名称を付けられた曲線は、所与深度においてチューブとケーシングとの間の環状間隙内を流れる流体の温度であり、「岩石」と名称を付けられた曲線は、所与深度における岩石の固有温度である。図9Aに示すように、いくつかの断熱が、坑底にて岩石面に位置する流体の温度が約206℃になり、岩石温度が260℃になり、結果として約54℃の温度差が生じるように、熱伝達を防ぐために設けられる。しかし、かかる温度差は、ダウンホール電子機器もしくは傾斜掘削装置を冷却するために十分な、または岩石面における衝撃冷却効果をもたらすためには、もしくは上述のような坑井のダウンホール端部における掘削のために低温の掘削流体を流す他の利点を実現するために十分な低温の掘削流体流を供給するためには不十分である場合がある。図9Aでは、岩石面における流体温度は、流体がドリルビットから退出した後においては、坑底の環状間隙温度と同等となる。
図8Aおよび図8Bを参照として説明するコーティングおよびコーティングジオメトリは、掘削中にチューブストリングを下るより低温の流体と環状間隙内を戻るより高温の流体との間における熱交換を低下させることが可能であり、岩石面に隣接する岩石の固有温度が少なくとも250℃であるような地熱環境であっても、岩石面付近における岩石の固有温度と岩石面に位置する掘削流体の温度との間に少なくとも100℃の差を結果としてもたらし得る。例えば、図9B～図9Dは、以降で説明するような本開示の様々な例における、図8Aに示すようなチューブセグメントを前提とした、ダウンホールチューブへの熱伝達の熱力学的シミュレーションの結果を示す。図9B～図9Dに示すシミュレーションにおいて、内方コーティング層804は、連結ジョイントの内方表面を含むチューブセグメントの全長を覆う。図9B～図9Dでは、「チューブ」と名称を付けられた曲線は、所与深度においてチューブドリルストリング内を流れる流体の温度であり、「ケーシング」と名称を付けられた曲線は、所与深度においてドリルパイプチューブとケーシングとの間の環状間隙内を流れる流体の温度であり、「岩石」と名称を付けられた曲線は、所与深度における岩石の固有温度である。掘削流体は、地表でチューブに流れ込み、BHAを経由し、ドリルビットを経由し、岩石面を通過して環状間隙内へと流れる。岩石面における掘削流体の温度は、抗底における環状間隙内の流体温度とほぼ同等である。
図9Bは、厚さ400μmのエポキシノボラック(TK340XT)からなる内部コーティング804を備える(外部コーティング806を備えない)標準的な炭素鋼パイプからなる一例についての熱力学的熱伝達シミュレーションを示す。このシミュレーションは、約3.5立方メートル/分でポンプ送給される水掘削流体と、地表から岩石面までの約50℃/kmの温度勾配とを前提としたものである。図9Bに示すように、この例は、図7と比較して高い温度差を、すなわち5000メートルで約91℃の温度差を実現する。
図9Cは、厚さ400μmのエポキシノボラックTK340XTからなる内部コーティング804と厚さ5mmのEガラスジャケットからなる外部コーティング806とを備える標準的な炭素鋼パイプからなる一例についての熱力学的熱伝達シミュレーションを示す。このシミュレーションは、約3立方メートル/分でポンプ送給される水掘削流体と、地表から岩石面までの約60℃/kmの温度勾配とを前提としたものである。図9Cに示すように、この例は、8000メートルで約346℃の温度差を実現する。
図9Dは、厚さ250μmのエポキシノボラックTK34からなる内部コーティング804と厚さ2.5mmのEガラスジャケットからなる外部コーティング806とを有する標準的な炭素鋼パイプからなる一例についての熱力学的熱伝達シミュレーションを示す。このシミュレーションは、約3.5立方メートル/分でポンプ送給される水掘削流体と、地表から岩石面までの約40℃/kmの温度勾配とを前提としたものである。図9Dに示すように、この例は、9000メートルで約196℃の温度差を実現する。
図10は、岩石面においてドリルビットからから去る掘削流体の温度が約150℃を超過すべきでないことを前提とした、地表から岩石面まで(坑井のダウンホール端部に位置する)の熱勾配に対する図9Cおよび図9Dを参照として説明した例に関する、坑井掘削が可能な最大岩石温度を示す。上方の曲線1002は、図9Cを参照として説明した例に対応する。例えば、図9Cを参照として説明した例を用いると、点1004にて、温度勾配は約60℃/kmであり、最大掘削可能岩石温度は約483℃である。下方の曲線1006は、図9Dを参照として説明した例に対応する。例えば、図9Dを参照として説明した例を用いると、点1008にて、温度勾配は約40℃/kmであり、最大掘削可能岩石温度は約335℃である。
本開示のいくつかの例では、チューブセグメント220上のコーティング層804および806の代わりにまたはそれらに追加して、例えば水氷またはドライアイスなどの相変化材料が、掘削システムの掘削流体に対して追加され得る(例えば図2の掘削流体212など)。これらの層変化材料は、相変化を被る(例えば溶解する)ことにより熱エネルギーを吸収し得る。本開示のいくつかの例では、掘削流体は、相変化材料がドリルビットの近傍で相変化を被るような十分な流量でポンプ送給され得る。
本開示のいくつかの例では、熱交換器が、掘削流体212が坑井202から戻りダウンホールへと再循環されるときに掘削流体212を冷却するために図2のシステムに対して追加され得る。本開示のいくつかの例では、かかる熱交換器は、地表位置に位置決めされ得る。
すべての掘削流体が、本明細書において説明される結果を実現するためにドリルビットを通過して流れなければならないわけでは必ずしもない。また、掘削流体の一部分が、ビットまたはBHAの付近に位置するポートまたは他のデバイスを経由して、チューブから環状間隙内へ通過してもよい。ボトムホールアセンブリ内の構成要素が流量制限部を有する場合には、かかる構成はより高い流量を可能にし得る。
図11は、環状間隙および4つの異なる構成のチューブによる熱伝達抵抗すなわち熱抵抗を示す。低温の掘削流体がチューブを通りダウンホールへおよび環状間隙を通り上方へと循環して戻るときに、環状間隙内の掘削流体は、地下ゾーンの周囲岩石によってTANNULUSへと加熱される。次いで、環状間隙内の掘削流体は、チューブ内部の掘削流体をTTUBINGへと加熱する。各例において、掘削流体を充填された環状間隙を介した主要な熱伝達機構は、対流である。流れている掘削流体すなわち不完全な対流媒体は、熱抵抗RCONVECTION,ANNULUSを示す。断熱されていない炭素鋼チューブ(炭素鋼)のセクションの場合には、この鋼は、不完全な伝導性媒体であり、付加的な(一連の)熱抵抗RCONDUCTION,STEELを示す。最後に、流れている掘削流体そのものを加熱する、掘削流体を充填されたチューブ内の主要な熱伝達機構は、対流である。この掘削流体は、付加的な(一連の)熱抵抗RCONVECTION,TUBINGを示す。チューブが、断熱コーティングにより完全に覆われる場合には(コーティングされた炭素鋼)、このコーティングは、付加的な(一連の)熱抵抗RCONDUCTION,COATINGを示す。鋼カラー(ジョイント)を有する複合材料チューブが使用される場合には(複合材料および複合材料+コーティングされたカラー)、複合材料チューブおよび炭素鋼は、並列熱抵抗(それぞれRCONDUCTION,COMPOSITEおよびRCONDUCTION,STEEL COLLAR)をしめす。換言すれば、より低い熱抵抗を有する材料(すなわち断熱性のより低い材料)は、チューブセグメントの合計熱抵抗に対してより大きな影響を有する。典型的には、複合材料は鋼よりも高い熱抵抗を有するために、鋼カラーのみをコーティングすることにより、チューブセグメントの合計熱抵抗の大幅な上昇をもたらし得る。
図12は、本開示の一例による第2の断熱環状間隙の形成を示す。図12を参照として説明する本開示のこの例は、図2の掘削システム200の構成要素を参照として説明する。図12を参照すると、坑井202は、ドリルストリング206のダウンホール端部においてドリルビット208を使用して掘削されている。掘削流体212が、ドリルストリング206を下方に流れ、ドリルビット208から流出する。環状間隙216は、ドリルストリング206の外部と坑井202との間に位置するように、坑井202の下方部分に画成される。ドリルストリング206が中間チューブストリング1202内に位置決めされるように、中間チューブストリング1202が坑井内に位置決めされ、それにより、ドリルストリング206の外部と中間チューブストリング1202の内部との間に内方環状間隙1204が、および中間チューブストリング1202の外部と坑井202との間に外方環状間隙1206が形成される。内方環状間隙1204および外方環状間隙1206はそれぞれ、ドリルストリング206の長さ方向に沿って少なくとも部分的にダウンホールへ延在する。本開示のいくつかの例では、内方環状間隙1204は、断熱材料で充填され得る。本開示のいくつかの例では、この断熱材料はガスであり、したがって「ガスブランケット」が形成される。本開示の他の例では、内方環状間隙1204は、ガスの代わりにまたはガスに加えて、発泡材、断熱性オイル、または低伝導性を有する任意の流体もしくは材料で充填され得る。
内方環状間隙1204は、外方環状間隙1206内を上方に流れる加熱された流体から下方に流れる掘削流体212を断熱する。図13Aおよび図13Bは、ある坑井システムにおける坑井流体温度の比較である。図13Aは、断熱中間チューブストリングを用いない掘削システムにおける、深さに対する予想される掘削流体温度を示し、図13Bは、図12を参照として説明するような断熱ガスで充填された内方環状間隙を形成する断熱中間チューブストリングを有する掘削システムにおける、深さに対する掘削流体温度を示す。坑井の底部部分は、ガスブランケットの底部に断熱性を有さないことにより加熱し続けるが、岩石面温度は、依然として劇的に冷却される。この例では、内方環状間隙1204は、最後のケーシングストリングの底部まで延在するにとどまるが、岩石面(主要坑井のおよび/または主要坑井から掘削された横方向坑井の)において大幅な冷却が依然として実現される。断熱流体ブランケットは、密度がはるかにより低いことにより定位置に留まり、したがって掘削流体頂部に基本的に浮遊する。
「ブランケット流体」の密度がより低いため、このブランケット流体は、地表上の坑井(図示せず)にて加圧される。圧力制御掘削(MPD)技術は、回転ドリルパイプの周囲の環状間隙内の圧力を維持するシステムである。主要課題は、回転パイプを越えて流体が漏れないように密封することである。MPDシステムは、加圧流体ブランケットを定位置に保持するために十分なだけの改良が近年なされている。したがって、流体ブランケットが、回転ドリルパイプと同軸状の内方環状間隙を充填することになる場合には、好ましくは最新のMPDシステムを使用することが可能である。
この一変形例は、2つの内方環状間隙を形成するためにもう1つのケーシングストリングを設置することである(図示せず)。内方環状間隙が、回転ドリルパイプ、ブランケット流体で充填され得る二次内方環状間隙、および加熱された掘削流体が戻る外方環状間隙と同軸状におよび隣接して位置決めされる。この設定は、追加の環状間隙のための余地を生み出すためのより大型の坑井に関わるコストおよび面倒が要求されるが、内方環状間隙が掘削流体で充填され得るため、高圧MPDシステムの使用が回避される。
環状間隙からチューブへの向流熱伝達を低下させるための本開示によるもう1つの例は、掘削流体の入口および/または出口として機能する第2の坑井を利用することである。図14は、この「スリップストリーム坑井」の概略図を示す。
図14を参照すると、さらには図2を参照として説明されるように、坑井202は、ドリルストリング206のダウンホール端部にてドリルビット208を使用して掘削されている。掘削流体212が、ドリルストリング206を下方にドリルビット208まで流れる。環状間隙216が、チューブストリングの外部と坑井202との間に画成される。坑井202は、主要坑井および/または横方向坑井を備え得る。
図14に示す例では、坑井202が、第1の坑井であり、第2の坑井1402が、第1の坑井202と交差するように掘削される。第2の掘削流体流1404が、第2の坑井1402を下方へ流される。第2の掘削流体流1404は、坑井202のダウンホール端部にてすなわちドリルビット208の近傍の岩石面にて流れる掘削流体の少なくとも一部分を構成する。第2の坑井1402は、熱伝達を低下させるまたは解消するために十分なだけ第1の坑井202から遠くに位置し、これにより第2の掘削流体流1404は、坑井202のダウンホール端部に追加的な冷却をもたらす。
本開示のいくつかの例では、掘削流体およびカッティングスが、第2の坑井1402を上がり地表に戻るように送られ得る。この変形例では、加熱された流体は、環状間隙216内へと上方には流れず、したがって向流熱交換が、交差ポイント1406の上方では行われない。この方向流は、数字1408によって破線で示される。
第2の坑井1402は、地表位置からの任意の個数の追加的な坑井/導管を冷却するために掘削および使用され得ることが理解されよう。例えば、閉ループ地熱井システムが、4つのコーナー坑井を掘削することによって構築され得る。4つのコーナー坑井の中の1つの掘削の完了後に、「スリップストリーム」交差セクションは、塞がれ遺棄され、別の交差セグメントが、コーナー坑井の中の他の1つに交差するように掘削される。この様式では、単一の坑井が、他の坑井を冷却するために複数回にわたり使用され得るものとなり、相互連結セグメントのみが、その都度に掘削される必要がある。
本明細書において説明される技術を用いて高温岩石を衝撃冷却することにより、ビット後方において掘削プロセスに複数の難点が生じ得る。冷却は、坑井の圧縮強度を上昇させるが、引張強度を低下させる。循環する掘削流体と坑壁との間における有意な温度差により、坑井から径方向に離れるような冷却に誘発された引張破断が生じ得る。これらの引張破断は、グラファイトもしくは炭酸カルシウムなどの坑井強化材料かまたは他の循環喪失物質で封止または制御される必要があり得る。さらに、これらの破断は、例えばケイ酸ナトリウムまたはケイ酸カリウムなどのシーラント化学作用物質で封止される必要があり得る。もう1つの方法は、掘削プロセスをアンダーバランスで実施することであり、これは、ビット後方における引張破断効果を緩和するために、別個にまたは開示される他の技術と組み合わせて利用され得る。電子パルス掘削に特に適したシステム設計は、圧力制御掘削システムと、高電気抵抗および静水圧未満の等価循環比重を有するオイルベース掘削流体を利用することになる。これにより、電子粉砕に適した掘削流体を供給しつつダウンホール圧力を制御する自由度が得られる。
衝撃冷却に関連するもう1つの難点は、誘発された引張破断が広がりせん断破壊を引き起こす、またはさらなる問題を引き起こす可能性であり、これは結果として、大量のカッティングスを、またはビット後方の坑壁から様々なサイズの岩石破片の崩落を引き起こす。粘性の高い掘削流体および高い流量(>2.5m3/分)を他の方法と組み合わせることにより、衝撃冷却プロセスによって発生した余剰破片を除去することができる。本開示の他の例では、掘削流体は、少なくとも80～100秒のマーシュファンネル粘度を有し得る。また、システムを通過する高粘度流体ボリュームの様々なスラグまたはスイープスが、余剰破片の除去を支援する。地表へより大型の破片を正常に循環させることは、2つの主要なパラメータ、すなわち環状間隙流体速度(流量および環状間隙容積により決定される)ならびに流体レオロジ(輸送能力を追加する/滑り速度を低下させる塑性粘度/降伏点(PV/YP)、および連結しつつ懸濁するゲル強度)と相関性を有し得る。定期的な低ボリューム/高粘度スイープスの循環は、大型破片を地表へ輸送および浮遊させることができる。本開示のいくつかの例では、これらの破片は、ベース掘削流体の汚染を防止または軽減するために、地表にて捕獲(すなわち濾過および除去)され得る。
掘削の最中にチューブストリングを下るより低温の流体と環状間隙内を戻るより高温の流体との間における熱交換を軽減することにより、図8Aおよび図8Bを参照として説明されるコーティングおよびコーティングジオメトリ、ならびに図12および図14を参照として説明される方法およびシステムは、チューブストリングのチューブセグメント(例えば図2のドリルストリング206のチューブセグメント220など)の引張強度および他の特性に関する層温度がより高いことによる負の影響を軽減することがさらに可能となる。
掘削流体を強化冷却するための上述の方法、システム、および装置は、単独でまたは相互に組み合わせて使用することが可能である。
本開示において、「1つの(a、an)」または「その(the)」という用語は、別様のことが文脈で明確に指摘されない限り、1つ、または2つ以上を含むように使用される。「または」という用語は、別様のことが指摘されない限り、非排他的な「または」を指すように使用される。「AおよびBの少なくとも一方」という表現は、「A、B、またはAおよびB」と同じ意味を有する。さらに、本開示において使用される表現または術語は、他に定義されない限りは、説明を目的とするものにすぎず、限定を目的とするものではない点を理解されたい。用いられる章の見出しはいずれも、文献読解を補助することを目的とするものであり、限定的なものとして解釈されるべきではない。章の見出しに関連する情報は、その当該章の中またはそれ以外に関するものであり得る。
本開示は、多数の特定の実装形態詳細を含むが、これらは、主題に関するまたは特許請求されうる範囲に関する限定として解釈されるべきではなく、特定の実装形態に特有のものであり得る特徴の説明として解釈されるべきである。また、本開示において別個の実装形態の文脈で説明されるいくつかの特徴は、組合せにおいて、または単一の実装形態で実装され得る。対照的に、単一の実装形態の文脈で説明される様々な特徴が、それぞれ別個にまたは任意の適切な下位組合せにおいて、複数の実装形態で実装されることも可能である。さらに、前述の特徴は、いくつかの組合せにおいて機能するものとして説明され、さらには初めにそのようなものとして特許請求される場合があるが、いくつかの例では、特許請求される組合せの中の1つまたは複数の特徴が、その組合せから削除されることが可能であり、特許請求される組合せは、下位組合せまたは下位組合せのバリエーションを対象としてもよい。
主題の特定の実装形態について説明した。しかし、様々な修正、代替、および変更をなし得る点を理解されたい。動作が、図面または特許請求の範囲においてある特定の順序で示される場合があるが、これは、望ましい結果を実現するために、それらの動作が示される特定の順序でまたは順番で実施されることを必須とするものとして理解されるべきではなく、示されるすべての動作が実施されることを必要とするものとして理解されるべきではない(いくつかの動作は任意とみなされてもよい)。したがって、前述の例示の実装形態は、本開示を定義または範囲限定するものではない。
100 閉ループ地熱システム
104 インレット表層坑井
106 アウトレット表層坑井
108 地下ゾーン
110 横方向坑井
112 発電所
114 地表
116 ループ回路
200 坑井掘削システム
202 坑井、第1の坑井
204 地下ゾーン
206 ドリルストリング
208 ドリルビット
210 ボトムホールアセンブリ
212 掘削流体
214 岩石面
216 環状間隙
220 チューブセグメント
222 連結ジョイント
224 矢印
300 トリコーンビット
302 コーン
304 切断要素
306 追加切断要素
310 隙間
802 主要本体、鋼内方本体
804 内方コーティング層、内部コーティング
806 外方コーティング層、外部コーティング
810 壁部の厚さ
850 複合材料主要本体
854 内方コーティング層
1004 点
1006 曲線
1008 点
1202 中間チューブストリング
1204 内方環状間隙
1206 外方環状間隙
1402 第2の坑井
1404 第2の掘削流体流
1406 交差ポイント
1408 方向流
104 インレット表層坑井
106 アウトレット表層坑井
108 地下ゾーン
110 横方向坑井
112 発電所
114 地表
116 ループ回路
200 坑井掘削システム
202 坑井、第1の坑井
204 地下ゾーン
206 ドリルストリング
208 ドリルビット
210 ボトムホールアセンブリ
212 掘削流体
214 岩石面
216 環状間隙
220 チューブセグメント
222 連結ジョイント
224 矢印
300 トリコーンビット
302 コーン
304 切断要素
306 追加切断要素
310 隙間
802 主要本体、鋼内方本体
804 内方コーティング層、内部コーティング
806 外方コーティング層、外部コーティング
810 壁部の厚さ
850 複合材料主要本体
854 内方コーティング層
1004 点
1006 曲線
1008 点
1202 中間チューブストリング
1204 内方環状間隙
1206 外方環状間隙
1402 第2の坑井
1404 第2の掘削流体流
1406 交差ポイント
1408 方向流
Claims (29)
- 地下ゾーン内に地熱井を掘削するための方法であって、
ドリルストリングを用いて前記地下ゾーン内に前記地熱井の坑井を掘削するステップであって、前記坑井のダウンホール端部に位置する岩石面付近の岩石の固有温度が、少なくとも摂氏250度である、ステップと、
掘削する前記ステップの最中に、前記岩石面付近における前記岩石の前記固有温度と前記岩石面における掘削流体の温度との間の差が少なくとも摂氏100度になるような温度にて、前記掘削流体を前記岩石面に流すステップと
を含む、方法。 - 前記岩石面付近における前記岩石の前記固有温度と前記岩石面における前記掘削流体の前記温度との間の前記差は、前記岩石面における前記岩石の引張強度よりも高い熱誘因応力を前記岩石面において前記岩石中に引き起こす、
請求項1に記載の方法。 - 前記坑井の前記ダウンホール端部は、少なくとも4000メートルの計測深度に位置する、
請求項1に記載の方法。 - 前記坑井の前記ダウンホール端部は、少なくとも6000メートルの鉛直深度に位置する、
請求項1に記載の方法。 - 前記岩石面付近における前記岩石の前記固有温度と前記岩石面における前記掘削流体の前記温度との間の前記差は、少なくとも摂氏175度である、
請求項1に記載の方法。 - 前記岩石面付近における前記岩石の前記固有温度は、少なくとも摂氏350度であり、前記岩石面付近における前記岩石の前記固有温度と前記岩石面における前記掘削流体の前記温度との間の前記差は、少なくとも摂氏200度である、
請求項1に記載の方法。 - 前記岩石面付近における前記岩石の前記固有温度は、少なくとも摂氏500度であり、前記岩石面付近における前記岩石の前記固有温度と前記岩石面における前記掘削流体の前記温度との間の前記差は、少なくとも摂氏350度である、
請求項1に記載の方法。 - 前記坑井は横方向坑井である、
請求項1に記載の方法。 - 前記ドリルストリングの前記ダウンホール端部は、回転ドリルビットを備える、
請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ドリルの前記ダウンホール端部は、非接触ドリルビットを備え、
前記非接触ドリルビットは、前記ビットと前記岩石面との間の接触を必要とすることなく前記岩石面にて層構成要素を破壊するように構成されている、
請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。 - 閉ループ地熱井システムを形成するステップをさらに含み、
前記閉ループ地熱井システムは、前記坑井を備える、
請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。 - 前記坑井は、横方向坑井であり、前記閉ループシステムを形成する前記ステップは、第1の表層坑井から前記横方向坑井を掘削するステップと、前記横方向坑井により前記第1の表層坑井を第2の表層坑井に連結するステップとを含む、
請求項11に記載の方法。 - 前記岩石面付近における前記岩石の前記固有温度と前記岩石面における前記掘削流体の前記温度との間の前記差は、前記坑井の壁部の少なくとも一部分に径方向引張破断を誘発する、方法であって、封止材料で前記径方向引張破断を封止するステップをさらに含む、
請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ドリルストリングは、複数のチューブセグメントを備え、前記チューブセグメントの中の少なくとも1つが、前記チューブセグメントの周方向表面を少なくとも部分的に覆うコーティング層を備え、前記チューブストリングのコーティングされた壁部部分の長さで正規化した熱抵抗が、少なくとも0.002メートルケルビン/ワットである、
請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。 - 前記コーティングされた壁部部分の長さで正規化した熱抵抗が、少なくとも0.01メートルケルビン/ワットである、
請求項14に記載の方法。 - 前記複数のチューブセグメントは、連結ジョイントにて相互に連結され、前記コーティング層は、前記連結ジョイントの中の1つまたは複数の周方向表面を少なくとも部分的に覆う、
請求項14に記載の方法。 - 前記坑井は、第1の坑井である、方法であって、
前記第1の坑井に交差する第2の坑井を形成するステップと、
以下のステップ、すなわち
前記第2の坑井の下方に第2の掘削流体流を流すステップであって、前記第2の流体流は、前記岩石面を流れる前記掘削流体流の少なくとも一部分を構成する、ステップ、および
前記第1の坑井の前記ダウンホール端部から前記第2の坑井へと上に還流掘削流体流を分岐させるステップ
の少なくとも一方のステップと
をさらに含む、
請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。 - 前記坑井内に中間チューブストリングを位置決めするステップと、
前記中間チューブストリング内に前記ドリルストリングを位置決めするステップであって、それにより、前記ドリルストリングの外部と前記中間チューブストリングの内部との間に、前記ドリルストリングの長さ方向に沿って少なくとも部分的にダウンホールへ延在する内方環状間隙を形成する、ステップと、
断熱材料で前記内方環状間隙を少なくとも部分的に充填するステップと
をさらに含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記断熱材料はガスを含む、
請求項18に記載の方法。 - 前記ドリルストリングの前記ダウンホール端部近傍において相変化を被るように特徴づけられた相変化材料を前記掘削流体に対して添加するステップをさらに含む、
請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ドリルストリングは、第1の複数のチューブセグメントを備えるアップホール部分と、第2の複数のチューブセグメントを備えるダウンホール部分とを備え、前記第1の複数のチューブセグメントの大半が、前記第2の複数のチューブセグメントの大半の引張強度よりも少なくとも25%高い引張強度を有し、前記第2の複数のチューブセグメントの大半が、前記第1の複数のチューブセグメントの大半よりも少なくとも35%軽量である、
請求項1に記載の方法。 - 地下ゾーン内に地熱システムを形成するための方法であって、
第1の表層坑井および第2の表層坑井を掘削するステップと、
前記地下ゾーン内において前記第1の表層坑井を前記第2の表層坑井に連結するために、前記第1の表層坑井から横方向坑井を掘削するステップであって、前記横方向坑井を掘削するステップは、
前記横方向坑井内にドリルストリングを位置決めするステップであって、前記ドリルストリングは、前記横方向坑井のダウンホール端部にて岩石面へ掘削流体を流すことにより前記岩石面から破壊された層構成要素を変位させるための導管を画成する、下位ステップと、
前記ドリルストリングを用いて前記地下ゾーン内へとさらに遠くに前記横方向坑井を掘削するステップであって、前記横方向坑井のダウンホール端部に位置する前記岩石面付近における前記岩石の固有温度が、少なくとも摂氏250度であるステップと、
前記岩石面付近における前記岩石の前記固有温度よりも少なくとも摂氏100度低い前記岩石面位置での温度にて、前記横方向坑井内へと前記掘削流体を流すステップと、
を含む、ステップと、
前記横方向坑井から前記ドリルストリングを除去するステップと、
前記第1の表層坑井、前記第2の表層坑井、および前記横方向坑井内において、作業流体を閉ループにおいて循環させるステップと
を含む、方法。 - 前記作業流体から熱エネルギーを抽出するステップをさらに含む、
請求項22に記載の方法。 - 地下ゾーン内の地熱井中に坑井を掘削するためのシステムであって、前記坑井のダウンホール端部に位置する岩石面付近における岩石の固有温度が、少なくとも摂氏250度である、システムにおいて、
前記岩石面にて層を破壊するためのドリルビットを備えるドリルストリングと、
前記岩石面付近における前記岩石の前記固有温度と前記岩石面における掘削流体の温度との間の差が少なくとも摂氏100度になるような温度にて前記岩石面に循環される掘削流体と
を備える、システム。 - 前記岩石面付近における前記岩石の前記固有温度と前記岩石面における前記掘削流体の前記温度との間の前記差は、前記岩石面における前記岩石の引張強度よりも高い熱誘因応力を前記岩石面において前記岩石中に引き起こす、
請求項24に記載のシステム。 - 前記坑井の前記ダウンホール端部は、少なくとも4000メートルの計測深度に位置する、
請求項24に記載のシステム。 - 前記岩石面付近における前記岩石の前記固有温度と前記岩石面における前記掘削流体の前記温度との間の前記差は、少なくとも摂氏175度である、
請求項24に記載のシステム。 - 前記岩石面における前記岩石の前記固有温度は、少なくとも摂氏350度であり、前記岩石面付近における前記岩石の前記固有温度と前記岩石面における前記掘削流体の前記温度との間の前記差は、少なくとも摂氏200度である、
請求項24に記載のシステム。 - 前記坑井は横方向坑井である、請求項24に記載のシステム。
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