JP-2026514877-A - マルチラテラル閉ループ地熱井の掘削

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Abstract

方法が、地面から地下領域へと延びる第1の地表坑井、地面から地下領域へと延びる第2の地表坑井、および、第1の地表坑井と第2の地表坑井とを各々が接続する、地下領域における複数の接続坑井を伴う坑井システムにおいて実施される。ラテラル坑井が、第1の地表坑井を通じて延びるドリルストリングを使用して掘削される。掘削する間、ドリルストリングからの掘削流体の流れが、接続坑井を通じて第1の地表坑井に向けて戻ることに対して封止される。

Inventors

ローマン・クジク
アレクサンドル・ヴェツァク
マーク・ホッダー

Assignees

エバー・テクノロジーズ・インコーポレーテッド

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20230421

Claims (20)

地面から地下領域へと延びる第1の地表坑井、前記地面から前記地下領域へと延びる第2の地表坑井、および、前記第1の地表坑井と前記第2の地表坑井とを各々が接続する、前記地下領域における複数の接続坑井を備える坑井システムにおいて、前記第1の地表坑井を通じて延びるドリルストリングを使用してラテラル坑井を掘削するステップと、掘削する間、前記複数の接続坑井を通じて前記第1の地表坑井に向けて戻る、前記ドリルストリングからの掘削流体の流れに対して封止するステップとを含む、方法。
前記複数の接続坑井から穴上側において、前記第1の地表坑井の側壁を貫いて掘削することで、前記ラテラル坑井を掘削することを開始するステップを含み、封止するステップは、前記複数の接続坑井から穴上側において前記第1の地表坑井のボアを封止するステップを含む、請求項1に記載の方法。
封止するステップは、前記ラテラル坑井の前記開始から穴下側において前記第1の地表坑井のボアを封止するステップを含む、請求項2に記載の方法。
前記第1の地表坑井のボアを封止するステップは、前記第1の地表坑井においてシールを伴うホイップストックを配置するステップを含む、請求項2または3に記載の方法。
前記第2の地表坑井を貫いて前記第1の言及された坑井に向けて延びる第2のドリルストリングを使用して第2のラテラル坑井を掘削するステップを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
前記第1の地表坑井と前記第2の地表坑井とは同じ坑井現場に位置し、前記第2のラテラル坑井を掘削するステップは、前記第1の言及されたラテラル坑井と平行であって、前記第1の言及されたラテラル坑井と同じ方向に延びる前記第2のラテラル坑井を掘削するステップを含み、前記方法は、前記第1の言及されたラテラル坑井と前記第2のラテラル坑井とを、前記ラテラル坑井同士の交差において結合するステップを含む、請求項5に記載の方法。
封止するステップは、前記第1の言及されたドリルストリングの周りの環状部を封止するステップを含み、前記方法は、前記第1の言及されたドリルストリングの周りの前記環状部から環状ポートの外への流体流れを、前記第1の言及されたドリルストリングを通じて供給される掘削流体の流量に基づく流量に制御するステップを含む、請求項5に記載の方法。
前記複数の接続坑井のうちの1つの側壁を貫いて掘削することで、前記ラテラル坑井を掘削することを開始するステップを含み、封止するステップは、前記ラテラル坑井の前記開始と前記複数の接続坑井のうちの1つまたは複数との間で封止するステップを含む、請求項1に記載の方法。
前記複数の接続坑井の第1の部分集合が前記複数の接続坑井のうちの第1の接続坑井から始まり、前記複数の接続坑井の第2の部分集合が前記複数の接続坑井のうちの第2の接続坑井から始まり、封止するステップは、前記第1のサブセットの接続坑井から穴上側において前記第1の接続坑井のボアを封止するステップと、前記第2の地表坑井を封止するステップとを含む、請求項8に記載の方法。
前記第2の地表坑井を貫いて前記第1の言及されたラテラル坑井に向けて延びる第2のドリルストリングを使用して第2のラテラルを掘削するステップを含み、封止するステップは、前記第2のドリルストリングの周りの環状部を封止するステップを含み、前記第2のドリルストリングの周りの前記環状部から環状ポートの外への流体流れを、前記第2のドリルストリングを通じて供給される掘削流体の流量に基づく流量に制御するステップを含む、請求項9に記載の方法。
地面から地下領域へと延びる第1の地表坑井と、前記地面から前記地下領域へと延びる第2の地表坑井と、前記第1の地表坑井と前記第2の地表坑井とを各々が接続する複数の接続坑井と、前記第1の地表坑井を通じて延びるドリルストリングを使用して掘削されるラテラル坑井と、前記坑井のうちの1つにおけるシールであって、前記複数の接続坑井を通じて前記第1の地表坑井へと戻る、前記ドリルストリングからの掘削流体の流れに対して封止するシールとを備える、システム。
前記ラテラル坑井は前記第1の地表坑井の側壁において開始し、前記シールは、前記第1の地表坑井に位置し、前記複数の接続坑井から穴上側において、および、前記ラテラル坑井の始まりから穴下側において、前記第1の地表坑井のボアを封止する、請求項11に記載のシステム。
前記シールを支えるホイップストックを備える、請求項11または12に記載のシステム。
前記第2の地表坑井を通じて延びるドリルストリングを使用して、前記第1の言及されたラテラル坑井と平行に、前記第1の言及されたラテラル坑井と同じ方向に掘削される第2のラテラル坑井を備える、請求項11から13のいずれか一項に記載のシステム。
前記ラテラル坑井は前記複数の接続坑井のうちの第1の接続坑井の側壁において開始し、前記シールは、前記ラテラル坑井の前記開始から穴下側において前記複数の接続坑井のうちの第2の接続坑井に位置し、前記第2の接続坑井から分岐する第3の接続坑井の開始から穴上側において前記第2の接続坑井に位置する、請求項11に記載のシステム。
前記ラテラル坑井を掘削する間に供給される掘削流体の流量に基づいて流体を前記第2の地表坑井に供給するように構成される、前記第2の地表坑井における圧力管理掘削システムを備える、請求項11から15のいずれか一項に記載のシステム。
複数の接続坑井によって第2の地表坑井に連結される第1の地表坑井からラテラル坑井を掘削するステップと、掘削する間、前記ラテラル坑井から前記複数の接続坑井を通じた前記第1の地表坑井への掘削流体の戻りに対して封止するステップとを含む、方法。
前記ラテラル坑井を掘削するステップは、前記第1の地表坑井からキックオフするステップを含み、封止するステップは、シールを備えるホイップストックで前記第1の地表坑井のボアを封止するステップを含む、請求項17に記載の方法。
前記ラテラル坑井を掘削するステップは、前記複数の接続坑井のうちの1つからキックオフするステップを含み、封止するステップは、シールを備えるホイップストックで前記接続坑井のボアを封止するステップを含む、請求項17に記載の方法。
前記第2の地表坑井を逆流する掘削流体を制御するために、圧力管理された掘削を使用するステップを含む、請求項17から19のいずれか一項に記載の方法。

Description

本開示は、地熱井を構築することを含め、閉ループ地熱システムに関する。閉ループ地熱システムは、地下領域における地表下の井と地表の施設との間で循環させられる作動流体を含む。作動流体は地下領域から熱を吸収し、その熱は、電気、熱を生成するために、または、他の用途のために、回収することができる。システムは、地下領域の周囲の累層との流体の交換を制限し、理想的には防止するように構築される点において、閉ループである。したがって、作動流体は、地表から地下領域へと流れ、地下領域において加熱され、地表へと戻るように流され、地表で熱が作動流体から抽出され、次に作動流体は地下領域へと戻るように流される。地表下の井がマルチラテラルであるとき、井のループの性質は掘削に難しさをもたらす。数ある中でも難しいのは、地表へと戻る掘削流体の流れを管理することである。本明細書における概念による例の閉ループ地熱システムの概略断面図である。本明細書における概念による他の例の閉ループ地熱システムの概略断面図である。掘削されているマザーボア坑井構成の概略的な側方からの断面図である。本明細書における概念による、図2Aの掘削されているマザーボア構成の概略的な側方からの断面図である。掘削されているスプリットフィッシュボーン坑井構成の概略的な上方からの断面図である。本明細書における概念による、図3Aの掘削されているスプリットフィッシュボーン坑井構成の概略的な上方からの断面図である。様々な動作の状態での例のシール工具の図である。様々な動作の状態での例のシール工具の図である。様々な動作の状態での例のシール工具の図である。様々な動作の状態での例のシール工具の図である。様々な動作の状態での例のシール工具の図である。ボトムホールアセンブリを介して展開される他の例のシール工具の図である。ボトムホールアセンブリを介して展開される他の例のシール工具の図である。ボトムホールアセンブリを介して展開される他の例のシール工具の図である。図面における同様の符合は同様の要素を描写している。閉ループ地熱システムでは、作動流体が、地表下の井と(典型的には)地表の施設とを含む閉ループの中で循環させられる。作動流体は、坑井を包囲する大地によって加熱され、その後に地表へと循環させられ、地表の施設が熱を作動流体から抽出する。特例の例では、施設は、熱を抽出し、その熱を、電気を発生させる有機ランキンサイクルもしくは他の熱サイクル、地域加熱プラント、蒸気発生プロセス、または他の過程などの関連する過程へと伝えるための熱交換器を含む。ある一定の例では、過程は、加熱された作動流体を、発電機を駆動する膨張器(例えば、タービン)を通過させること、または、作動流体を、産業用、農業用、もしくは住居用の過程で直接的に使用することなどで、直接的に使用する。閉ループシステムでは、作動流体と、井を包囲する大地(岩石)との間での主な熱伝達は、電熱である。そのため、井は、作動流体と累層における自然流体(例えば、地下水)との(全体的または実質的な)混じり合いまたは両方を防止するために封止された不浸透性の(全体的または実質的な)地下領域において掘削される。ある一定の例では、閉ループ井は、第1の地表坑井と第2の地表坑井とを各々が接続する1つまたは複数の接続坑井によって連結される2つの地表坑井である入口坑井および出口坑井で構成される。井は、地表坑井を掘削することと、次に、地表坑井の各々から掘削される、交差するラテラル坑井としての接続坑井を掘削することとによって、構築することができる。後でより詳細に検討されているように、交差するラテラル坑井は、マザーボア構成またはフィッシュボーン構成で掘削され得る。しかしながら、いずれの例でも、ラテラルの第1の対が掘削されて交差させられると、入口坑井と出口坑井とを液圧的に接続する接続坑井になる。接続するラテラルの後続の対を掘削するとき、完了した接続坑井は、ラテラルの後続の対を掘削することに起因する切削物を伴った掘削流体にとって、代わりの流路を提供することになる。代わりの流路は、地表坑井におけるドリルストリングの環状部を通じて掘削されている坑井から穴上側に流れる掘削流体の体積および流量を減らしてしまう。したがって、この減らされた体積および流量は、切削物を地表へと運ぼうとする流れる掘削流体の傾向を小さくし、切削物を坑井から除去する能力を小さくする。本明細書における概念は、この代わりの経路に対処する。ある一定の例では、代わりの経路は、接続坑井を通って地表坑井に向かって戻る掘削流体の流れに対して封止することで対処される。ある一定の例では、圧力管理された掘削技術が、接続坑井への掘削流体の流れを減らすように接続坑井における圧力を制御するために使用される。両方の技術についてのさらなる詳細は以下に提供されている。ここで図1Aを見ると、図1Aは、本明細書における概念による例の閉ループ地熱システム100を概略的な側方からの断面図で示している。ある一定の例では、閉ループ地熱坑井システムは、例えば、地下領域と熱を交換する封止されたラテラル坑井のネットワークを含む、Calgary、AlbertaのEavor Technologies Inc.によって開発されたものなどのシステムであり得る。システム100は、興味のある地熱地下領域104を通じて大地へと掘削される地熱井102を含む。ある一定の例では、地下領域は、乾燥した不浸透性(0.1ミリダルシ以下のマトリックス浸透性)の累層であり、累層の一部分または複数の累層は、自然発生的な回収可能な流体をほとんどかまたはまったく有していない。ある一定の例では、地下領域は結晶質の基盤累層にある。ある一定の例では、地下領域の岩石は花こう岩の累層(例えば、花こう岩)にある。図示されている例では、井102は、地面と地下領域104との間で各々が延びる近接した入口地表坑井120および出口地表坑井130を備える。入口地表坑井120および出口地表坑井130は、1つまたは複数の接続坑井140によって地下領域104の中で接続されている。図示されている例では、接続坑井140は、サブセットが入口坑井120からキックオフされ、サブセットが出口坑井130からキックオフされるラテラル坑井150の複数の対を含め、坑井のマルチラテラルパターンを定める。ラテラル坑井150の対は各々、それぞれの先端またはその近くにおいて、それぞれの結合部154において交差する。したがって、入口坑井120、出口坑井130、および接続坑井140は閉ループを定める。入口坑井120および出口坑井130は、同じ掘削パッドから掘削させることができる、および/または、同じ井現場に位置することができる。ある一定の例では、坑井120、130は、互いの10メートル、25メートル、50メートル、または100メートル以内で掘削される。他の例では、入口地表坑井120と出口地表坑井130とは、より長い距離によって分離されてもよい。例えば、後でより詳細に検討されている図1Bは、地表坑井120、130と接続坑井140とがU字形の構成を定める構成を示している。ある一定の例では、入口地表坑井120と出口地表坑井130とは、地熱井102がU字形として構成されるとき、3,000メートル以上離れて掘削される。図示されている例では、入口地表坑井120および出口地表坑井130は、実質的に真っ直ぐに掘削された(つまり、傾斜掘削の方法または機器の使用がない)鉛直の坑井である。他の例では、地表坑井の一方または両方は、鉛直以外である(例えば、斜めにされる)、および/または、傾斜掘削技術の使用で掘削されてもよい。接続坑井140は、地表坑井120、130を貫く傾斜掘削技術を使用して掘削され、地表坑井120、130におけるキックオフ部148において開始するそれらの軌跡において湾曲を含む。下方に斜めにされているとして示されているが、いくつかの例では、接続坑井のうちのいくつかまたはすべてが水平である。いくつかの例では、接続坑井140は、地下領域における累層の地質学的傾斜に追従する。いくつかの例では、ラテラル坑井150は、長さにおいて2,000メートルから10,000メートルまで、またはそれ以上においてのいずれかであり、地表からの深さにおいて1,000メートルから8,000メートルまで、またはそれ以上においてのいずれかである。図1Aは、それぞれの地表坑井120、130から同じ方向(方位)に延びる互いと平行なラテラル坑井150の各々の対を示している。入口地表坑井120から延びるラテラル坑井150は、出口地表坑井130から延びるラテラル坑井150の上方に示されている。いくつかの例では、上方のラテラル坑井150は、それらの下方のラテラル坑井150のすぐ上方にある(いくつかの例では、下方のラテラル坑井150のそれぞれ1つのすぐ上方にある)。図1Aでは、上方のラテラル坑井150は各々、その隣接する対の下方のラテラル坑井150と結合部154において交差して地表坑井120、130に接続する。他の例では、下方のラテラル坑井150のうちの1つまたは複数は上方のラテラル坑井150と交差することができる。とにかく、1つが他の上に設定される接続坑井140の構成は、上方での坑井の1つのサブパターンと下方での坑井の1つのサブパターンとを伴う積み重ねられた坑井パターンを定める。ある一定の例では、積み重ねパターンの1つまたは複数の追加のセットが、異なる深さにおいて(つまり、異なるキックオフ部148で)地表坑井120、130から掘削することができる。図1Aでは、下方のラテラル坑井150は、水溜め152を定めるために、結合部154を越えて下方に延びている。水溜め152は、坑井を通る流路の外部に岩屑が蓄積するための場所を提供する。他の例では、上方のラテラル坑井150のうちの1つまたは複数が、水溜め152を定めるために結合部を越えて延びてもよい。図1Bは、入口地表坑井120および出口地表坑井130から互いに向けてそれぞれ延びるラテラル坑井150を有する地熱井システム100'の別の実施形態を示している。ラテラル坑井150の対は、交差させられると、入口地表坑井120および出口地表坑井130と一緒に、概してU字形を定める。接続坑井140の構成は、ある一定の例では、同じ平面において坑井のパターンを定める。ある一定の例では、接続坑井の1つまたは複数の追加のパターンが、異なる深さにおいて(つまり、異なるキックオフ部148で)地表坑井120、130の間に掘削することができる。図1Aおよび図1Bを集合的に参照すると、いくつかの例では、地表坑井120、130は(少なくとも部分的に、または全体的に)ケーシング保護され、接続坑井140は、キックオフ部148における接合部を含め、裸孔である(つまり、ケーシング、ライナ、または接合ライナがない)。いくつかの例では、接続坑井140は少なくとも部分的にライナ保護されてもよい(例えば、地下領域104が破砕させられる部分、崩壊しやすい部分、固められていない部分、または、他にライナを必要とする部分において、ライナまたはケーシングを含んでもよい)。接続坑井140は、入口地表坑井120および出口地表坑井130への接合部を含め、周囲の地下領域104との流体の交換に対するシーラントで(全体的または実質的に)封止される。シーラントは、動作の間に井102を通じて循環させられる作動流体の全部または実質的な全部が地表へと戻されるように設計され、地下領域104からの自然発生的な流体はまったくかまたはほとんど戻されない。別の言い方をすれば、結果的にできた井102は閉ループである。ある一定の例では、シーラントは、接続坑井140を掘削する間に坑井に適用することができ、例えば、掘削流体に含まれ得る、および/または、掘削流体とは異なる流体スラグで供給