特許 5989885 地中熱交換システム及びその水路形成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5989885

(24)【登録日】2016年8月19日

(45)【発行日】2016年9月7日

(54)【発明の名称】地中熱交換システム及びその水路形成方法

(51)【国際特許分類】

   F24J 3/08 20060101AFI20160825BHJP

   F03G 4/00 20060101ALI20160825BHJP

【ＦＩ】

   F24J3/08

   F03G4/00 501

   F03G4/00 541

【請求項の数】2

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-214832(P2015-214832)

(22)【出願日】2015年10月30日

【審査請求日】2016年2月25日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】515303300

【氏名又は名称】市野 文明

(74)【代理人】

【識別番号】110000051

【氏名又は名称】特許業務法人共生国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】市 野 文 明

【審査官】 仲村 靖

(56)【参考文献】

【文献】 特公昭５６−０２４８４４（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開平０４−２３４５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２２３１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０１６３７７３４（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 欧州特許出願公開第０１５８６８３１（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開昭５６−０４１９８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０５１８５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５３１１７４１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 英国特許出願公開第０２０４１１９６（ＧＢ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０９５２７７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２４Ｊ ３／０８

Ｆ０３Ｇ ４／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

注入井と回収井とを備え、前記注入井に注入した加圧水を高温地盤で熱水とし、回収井から回収して発電する地中熱交換システムであって、
前記注入井に設けられ、地中に加圧水を送り込む上部注入管と、
前記上部注入管の下部に連結され、高温地盤に設けられ、加圧水を高温地盤に注入する注入孔を有する下部注入管と、
前記回収井に設けられ、熱水を回収する上部取出管と、
前記上部取出管の下部に連結され、高温地盤に設けられ、熱水の回収孔を有する下部取出管と、
前記下部取出管の上部に連結され、前記上部取出管の内側に設けられて二重管を形成し、熱水を地上に送り込む熱水回収管と、
前記注入孔と前記回収孔を結び、高温地盤に穿孔することで形成される水路と、が備えられ、
前記回収井は、前記注入井を中心にして６角形に配置され、前記回収孔は、前記注入井の方向に向かって１２０度の範囲に複数が設けられ、前記注入孔は前記回収井の方向に向かって３６０度の範囲に複数が設けられ、前記回収井を出た水路と前記注入井を出た水路が屈折して連結されることを特徴とする地中熱交換システム。

【請求項2】

注入井と回収井とを備え、前記注入井に注入した加圧水を高温地盤で熱水とし、回収井から回収して発電する地中熱交換システムの水路形成方法であって、
前記注入井に、加圧水を送り込む上部注入管と、前記上部注入管の下部に連結され、地盤への注入孔を有する下部注入管と、を設置する段階と、
前記回収井に、熱水を回収する上部取出管と、前記上部取出管の下部に連結され、熱水の回収孔を有する下部取出管と、前記下部取出管の上部に連結され、前記上部取出管の内側に設けられて二重管を形成し、熱水を地上に送り込む熱水回収管と、を設置する段階と、
前記注入井と前記回収井の底部をチュービングコイルで冷却する段階と、
火薬の爆発エネルギーにより、前記下部注入管と前記下部取出管を打ち抜いて注入孔と回収孔を形成し、合せて高温地盤に所定の長さの孔を形成する段階と、
外管と内管の間の水圧で膨張する上下２段のパッカーが備えられた高圧水噴射装置を使用し、内管に送り込まれた高圧水を上下２段のパッカーの間の噴射孔から前記注入孔または前記回収孔に導いて噴射し、高温地盤に形成された前記孔の延長と拡張を行なって、前記注入孔と前記回収孔を結ぶ水路を形成する段階と、が備えられ、
前記回収井は、前記注入井を中心にして６角形に配置され、前記回収孔は、前記注入井の方向に向かって１２０度の範囲に複数が設けられ、前記注入孔は前記回収井の方向に向かって３６０度の範囲に複数が設けられ、前記回収井を出た水路と前記注入井を出た水路が屈折して連結されることを特徴とする地中熱交換システムの水路形成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地中熱交換システム及びその水路形成方法に係り、より詳しくは、注入井から注入した加圧水を回収井から熱水として効率よく回収できる地中熱交換システム、及び高温地盤に水路を確実に形成できる水路形成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、周囲地盤に影響を与えない地熱発電装置が開示されている。この発電装置は、単独井が使用される。単独井の構造を図８に示す。加圧水４が２重管の外管と内管の間を通って井戸深部に送られ、地下の高温地盤で熱水とされ、内管を上昇して地上に戻される。加圧水を熱水にする高温地盤との熱交換は、単独井の底部で行なうので、温泉水を汲み上げてしまうことや、熱水に不純物が混入することはないが、単独井の底部の限られたスペースで熱交換を行なうので、十分な熱交換ができない場合がある。

【0003】

特許文献２には、注入井と回収井からなる地熱発電システムが開示されている。注入井に注入した水は、高温地盤の割れ目を通過することで加熱され、熱水となって回収井から汲み上げられる。特許文献２には、地盤の割れ目がどのようなものか記載はないが、注入した水の回収率が２５％と低いため、二酸化炭素を注入して拡散や漏れを防ぐとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−５２６２１号公報

【特許文献2】特開２００８−２４８８３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の目的は、効率よく熱水を回収できる地中熱交換システム及びその水路形成方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明による地中熱交換システムは、注入井と回収井とを備え、前記注入井に注入した加圧水を高温地盤で熱水とし、回収井から回収して発電する地中熱交換システムであって、前記注入井に設けられ、地中に加圧水を送り込む上部注入管と、前記上部注入管の下部に連結され、高温地盤に設けられ、加圧水を高温地盤に注入する注入孔を有する下部注入管と、前記回収井に設けられ、熱水を回収する上部取出管と、前記上部取出管の下部に連結され、高温地盤に設けられ、熱水の回収孔を有する下部取出管と、前記下部取出管の上部に連結され、前記上部取出管の内側に設けられて二重管を形成し、熱水を地上に送り込む熱水回収管と、前記注入孔と前記回収孔を結び、高温地盤に穿孔することで形成される水路と、が備えられ、前記回収井は、前記注入井を中心にして６角形に配置され、前記回収孔は、前記注入井の方向に向かって１２０度の範囲に複数が設けられ、前記注入孔は前記回収井の方向に向かって３６０度の範囲に複数が設けられ、前記回収井を出た水路と前記注入井を出た水路が屈折して連結されることを特徴とする。

【0008】

本発明による地中熱交換システムの水路形成方法は、注入井と回収井とを備え、前記注入井に注入した加圧水を高温地盤で熱水とし、回収井から回収して発電する地中熱交換システムの水路形成方法であって、前記注入井に、加圧水を送り込む上部注入管と、前記上部注入管の下部に連結され、地盤への注入孔を有する下部注入管と、を設置する段階と、前記回収井に、熱水を回収する上部取出管と、前記上部取出管の下部に連結され、熱水の回収孔を有する下部取出管と、前記下部取出管の上部に連結され、前記上部取出管の内側に設けられて二重管を形成し、熱水を地上に送り込む熱水回収管と、を設置する段階と、前記注入井と前記回収井の底部をチュービングコイルで冷却する段階と、火薬の爆発エネルギーにより、前記下部注入管と前記下部取出管を打ち抜いて注入孔と回収孔を形成し、合せて高温地盤に所定の長さの孔を形成する段階と、外管と内管の間の水圧で膨張する上下２段のパッカーが備えられた高圧水噴射装置を使用し、内管に送り込まれた高圧水を上下２段のパッカーの間の噴射孔から前記注入孔または前記回収孔に導いて噴射し、高温地盤に形成された前記孔の延長と拡張を行なって、前記注入孔と前記回収孔を結ぶ水路を形成する段階と、が備えられ、前記回収井は、前記注入井を中心にして６角形に配置され、前記回収孔は、前記注入井の方向に向かって１２０度の範囲に複数が設けられ、前記注入孔は前記回収井の方向に向かって３６０度の範囲に複数が設けられ、前記回収井を出た水路と前記注入井を出た水路が屈折して連結されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明による地中熱交換システムは、注入井の注入孔と回収井の回収孔の間の高温地盤に、穿孔による水路を形成したので、注入した加圧水を熱水にして効率よく回収できる。また、地下水を汲み上げるものではないので、近隣の温泉に影響を与えることがない。高温地盤に設けた水路は、単独井に比べて熱交換能力を格段に大きくできる。

【0010】

回収井は、注入井を中心にして６角形に配置し、回収孔は注入井の方向に向かって１２０度の範囲に設け、注入孔は回収井の方向に向かって３６０度の範囲に設けたので、高温地盤に注入した加圧水を効率よく回収できる。

【0011】

本発明による地中熱交換システムの水路形成方法は、注入井と回収井の底部をチュービングコイルで冷却し、高温地盤への穿孔を火薬の爆発エネルギーで行なうと共に、高水圧を噴射する高圧水噴射装置で孔の延長と拡張を行なうので、水路が確実に形成できる。まず、高温地盤に火薬の爆発で孔を形成し、次に、上下２段のパッカーが備えられた高圧水噴射装置の噴射孔から高圧水を噴射し、孔の延長と拡張を行なう。そのため、注入孔と回収孔を結ぶ水路が良好に整備でき、加圧水の通りが改善される。上下２段のパッカーは、例えば、上下方向に多数の注入孔があっても、数を絞り込めるので、注入孔に高圧をかけることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明による地中熱交換システムの説明図である。

【図2】高温地盤に形成された水路の平面図である。

【図3】注入井から回収井に向かう熱水の流れを示す図である。

【図4】図３のＡ−Ａ断面図である。

【図5】注入井と回収井の配置図の例である。

【図6】水の流れを示す説明図である。

【図7】水路を延長または拡張する際に使用する上下２段の水圧パッカーを備えた高圧水噴射装置の説明図である。

【図8】従来の単独井の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して、本発明による地中熱交換システム及び水路の形成方法について詳しく説明する。

【実施例】

【0014】

図１は、本発明による地中熱交換システム１００の説明図である。地中熱交換システム１００は、注入井６と回収井７とを備え、注入井６に投入した加圧水４を高温地盤１７ａで飽和蒸気を含む熱水５とし、これを回収井７から回収して発電する地中熱交換システムである。発電装置は、熱水５を蒸気に変換するフラッシャー１と、生成した蒸気を使ってタービンを回転させることによって発電する発電機２と、蒸気を冷却して凝縮水とする復水器３からなる。注入井６は、地中に加圧水を送り込む上部注入管８と、上部注入管８の下部に連結され注入孔１４を有する下部注入管９からなる。加圧水４は、復水器３の凝縮水を高圧ポンプＰで送り出される。加圧水４は、注入孔１４から高温地盤１７ａに形成された水路１６に噴射される。

【0015】

回収井７は、熱水５を回収する上部取出管１０と、上部取出管１０の下部に連結され、熱水５の回収孔１５を有する下部取出管１１と、下部取出管１１の上部に連結され、上部取出管１０の内側に設けられて二重管を形成し、熱水５を地上に送り込む熱水回収管１２と、から構成される。熱水５は、飽和蒸気を含むとする。下部取出管１１の上部と熱水回収管１２の間には熱水５が、上部取出管１０の内側に漏れないようパッキン１３が設けられる。

【0016】

図１に示すように、注入井６と回収井７の間隔は約１００ｍである。高温地盤の中には、水路１６が形成されている。注入孔１４から噴射された加圧水４は、高温地盤１７ａで熱せられ回収孔１５に向かう。高温地盤１７ａは、地中２０００ｍより深い場所である。

【0017】

上部注入管８の外径は、１３−３／８インチ（約３３９．７ｍｍ）で、下部注入管９の外径は、９−５／８インチ（約２４４．５ｍｍ）である。一方、上部取出管１０の外径は、９−５／８インチ（約２４４．５ｍｍ）、下部取出管１１の外径は、７インチ（約１７７．８ｍｍ）、熱水回収管１２の外径は、５−１／２インチ（約１３９．７ｍｍ）である。これによれば、注入井６の水の注入量は、約１０，０００リットル／分であり、６本の回収井７の回収量は、９，６００リットル／分である。すなわち、注入量の９６％が回収される。回収井７の１本当たりは、約１６００リットル／分である。なお、発電量は、５〜１０ＭＷ／システムが得られる。

【0018】

図２は、高温地盤１７ａに形成された水路１６の平面図である。６基の回収井７が、注入井６を中心にして６角形に配置される。注入井６と回収井７の間隔は約１００ｍである。水路１６は、注入井６を中心に形成された約５０ｍの水路（灰色の線）と、回収井７から形成された約５０ｍの水路（黒い線）とが交差して形成される。図２に示すように、注入井６の注入孔１４は、回収井７が配置される３６０度の全方向に向けて形成され、回収井７の回収孔１５は、注入井６の方向に向かって約１２０度の範囲に形成される。

【0019】

図３は、注入井６から回収井７に向かう熱水５の流れを示す図である。加圧水４は、注入井６の注入孔１４から高温地盤１７ａの水路１６を通過して、回収井７の回収孔１５に至る。

【0020】

図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。発電設備の復水器３の凝縮水は、高圧ポンプＰで、加圧水４として注入井６に注入される。加圧水４は、高温地盤１７ａの水路１６で加熱され、熱水５となって回収井７の熱水回収管１２を通って、発電設備のフラッシャー１に戻る。フラッシャー１で生成された蒸気は発電機２に送られ、蒸気でタービンを回転させ発電を行なう。水路１６は縦方向に複数が設けられる。

【0021】

図５は、注入井６と回収井７の配置図の例である。回収井７は、注入井６を中心にして６角形に配置されるが、さらに広い領域をカバーする場合には、回収井７が共用される形となるように配置される。そのため、図５の配置では、六角形の中心に配置された回収井７は、３６０度（＝１２０度×３方向）の方向に回収孔１５が設けられるものとなる、

【0022】

図６は、水の流れを示す説明図である。発電機２のタービンを回した蒸気は、復水器３で凝縮水となり、高圧ポンプで加圧水４とされ、高温地盤１７ａに送り込まれる。加圧水４は、高温地盤の水路１６で加熱され、熱水５となって、フラッシャー１に戻り、再び蒸気となってタービンを回す。このように同じ水を何度も使用できるので閉じた系を形成できる。加圧水４の温度は、約１６０℃以上である。加圧水４は、高温地盤１７ａで加熱され熱水５となるが、その温度は約１９０℃以上である。熱水５は、フラッシャー１により飽和水蒸気とされ、発電機２のタービンを回す。タービンを回した蒸気は、復水器３に入り再び凝縮水となる。

【0023】

下部注入管９の注入孔１４は、深さ方向（縦方向）に約２０ｃｍ間隔で、横方向は全方位にジェットパーフォレーションにより穿孔する。ジェットパーフォレーションは、火薬の爆発エネルギーを一点に集中させるもので、鋼管である下部注入管９と、周囲のセメント（厚さ約３．５ｃｍ）を打ち抜き、さらに岩盤に５０〜６０ｃｍの孔１６ａを穿孔する。この孔の径は、１０〜２０ｍｍで長さがある。火薬の耐熱温度は約１６０℃のため、施工時には、コイルチュービングで１６０℃以下に冷却する。また、注入井６の内部を１００ｍ／分の速度で昇降できるリグも使用する。コイルチュービングはリールに巻き取られた鋼管で、例えば１００ｍ／分の高速で注入井６または回収井７に挿入でき、作業終了後は巻き戻して取り出せる。２０００ｍの深さの井戸の底部にコイルチュービングを挿入し、約１５℃の冷却水を約２０００リットル／分で、１時間程度注入すると、井戸内を２５〜３０℃にできる。コイルチュービングの井戸からの取り出しは、約２０分（＝２０００（ｍ）÷１００（ｍ／分））を要し、この間の温度が上昇するが、火薬を装填するまでの時間が４０分とすれば、６０〜８０℃なので、火薬を安全に取り扱うことができる。

【0024】

下部取出管１１の回収孔１５も、ジェットパーフォレーションにより孔１６ａをあける。回収孔１５は、深さ方向に約２０ｃｍ間隔で、横方向には注入井６の方向に向け１２０度の開き角度内に入るように設ける。注入井６から岩盤に削孔した長さ５０〜６０ｃｍの孔１６ａと、回収井７から岩盤に削孔した長さ５０〜６０ｃｍの孔１６ａとを連通させることにより水路１６となる。この連通には、孔１６ａ及び亀裂１６ｂに、注入孔１４に高水圧をかけることで、水路１６の延長や拡張を行なう。

【0025】

水路１６の延長や拡張は、高圧水噴射装置２１で行なう。亀裂１６ｂは、約２０ＭＰａの水圧があれば破砕し拡張できる。注入井６の深さを約２０００ｍとすると、岩盤の密度にもよるが、底部では約３４ＭＰａの圧力がかかっている。そのため、高圧ポンプの圧力は、少なくとも５４ＭＰａ（＝２０ＭＰａ＋３４ＭＰａ）が必要となる。すなわち５４ＭＰａの圧力水を５００リットル／分で送り込むことで、水路１６の延長や拡張ができる。圧力水は、酸性溶液を使用し、水圧破砕後は、直径約１ｍｍの珪砂を圧力水に混ぜて送水し亀裂の隙間を塞ぐ。水路１６が形成されているかは、ＭＳＡＭ（ｍｉｃｒｏ ｓｅｓｍｉｃ ａｒｒａｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）微小地震波検知装置で計測及び解析ができる。

【0026】

図７は、水路１６を延長または拡張する場合の説明図である。高圧水噴射装置２１は、外管２２と内管２３からなる。外管２２の下部に上下方向に２段のパッカー２４、２４’が設けられる。外管２２と内管２３の間の水圧でパッカー２４、２４’を膨張させ、例えば下部注入管９の内側に密着させると共に、内管２３に送り込まれた高圧水をパッカー２４、２４’の間に設けられた噴射孔２５から、水路１６に向けて噴射する。図７に示すように、高圧水噴射装置２１を使用することで、あらかじめ火薬で形成された注入井６側の孔１６ａと、回収井７側の孔１６ａの延長と拡張を行なうことができる。これにより水路１６（人工亀裂に相当）が整備され、加圧水４の通りが改善される。

【産業上の利用可能性】

【0027】

本発明は、注入井から注入した加圧水を、回収井から熱水として効率よく回収できるので、地中熱交換システムとして好適である。

【符号の説明】

【0028】

１ フラッシャー
２ 発電機
３ 復水器
４ 加圧水
５ 飽和蒸気を含む熱水
６ 注入井
７ 回収井
８ 上部注入管
９ 下部注入管
１０ 上部取出管
１１ 下部取出管
１２ 熱水回収管
１３ パッキン
１４ 注入孔
１５ 回収孔
１６ 水路
１６ａ 孔
１６ｂ 亀裂
１７ 地盤
１７ａ 高温地盤
１８ 内管
１９ 外管
２０ ケーシング
２１ 高圧水噴射装置
２２ 外管
２３ 内管
２４、２４’ パッカー
２５ 噴射孔
１００ 地中熱交換システム
Ｐ ポンプ

【要約】

【課題】効率よく熱水を回収できる地中熱交換システム及びその水路形成方法を提供する。
【解決手段】注入井と回収井とを備え、注入井に注入した加圧水を高温地盤で熱水とし、回収井から回収して発電する地中熱交換システムであって、注入井に設けられ、地中に加圧水を送り込む上部注入管と、上部注入管の下部に連結され、加圧水を地盤に注入する注入孔を有する下部注入管と、回収井に設けられ、熱水を回収する上部取出管と、上部取出管の下部に連結され、熱水の回収孔を有する下部取出管と、下部取出管の上部に連結され、上部取出管の内側に設けられて二重管を形成し、熱水を地上に送り込む熱水回収管と、注入孔と回収孔の間の高温地盤に穿孔することで形成される水路と、が備えられる。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】