マイクロ波掘削はSFのように聞こえますが、最も熱い岩石まで掘削するのもSFのようです

Quaise Energyについて説明を求められたとき、最高財務責任者のケビン・ボーンブレーキ氏は「最も単純に言えば、蒸気を製造することになる」と述べた。

彼らの目標は、化石燃料で動作するように作られた発電機に電力を供給するのに十分な高温の蒸気を生成することです。彼らは、岩石の温度が400〜500℃になるまで10〜20キロメートル下に水を注入することによってそれを行うことを計画しています。

非常に硬い基盤岩に井戸を掘削する動機は、主要市場に供給されている送電網に接続された古い発電所に再電力を供給するために使用できる蒸気を生成することで、地熱発電を手頃な価格にすることです。

これまで、地熱発電はほとんど利用されていませんでした。高品質の蒸気を供給するために必要な、熱い岩石、水、透水性の適切な組み合わせを備えた場所が世界中にほとんどないからです。

高温で乾燥した岩石は一般的に入手可能ですが、必要な超臨界蒸気を生成するには、米国のその地域の温度勾配に応じて、深さ 10 ～ 20 km まで掘削する必要があります。その深さでは、掘削者は花崗岩や玄武岩などの岩に直面することになります。この岩石は過熱蒸気を生成することと、方向性掘削に必要なマイクロチップとシールを破壊することの両方が可能です。

クイズ氏は、掘削現場で高出力のマイクロ波を発生させて超深穴を掘削する計画を立てている。マイクロ波をダウンホールに送信し、基盤岩を溶かして蒸発させて穴をあけます。唯一のダウンホール設備は、波をターゲットに導くための長いチューブです。

これは、ほとんどの人が最初に「SF のようだ」という反応を示すアイデアの 1 つであり、問題と提案された解決策の両方を物語っています。

「そのような温度に対処するには、違った考え方をする必要があります」と、この発明を工学的に現実のものにすることが仕事であるクワイズのエンジニアリング担当副社長、ヘンリー・ファン氏は語った。

深さ 10 ～ 20 km (33,000 ～ 66,000 フィート) の井戸の掘削には高い障壁があるため、代替案はないのかと疑問が生じます。

より簡単で、より速く、より安価な選択肢は、実績のある掘削方法を使用して、生成される蒸気がそれほど熱くない、それほど深くないレベルに到達することです。ファンはそれを「より冷たく、より低圧で、より湿った蒸気」と表現しました。

油田下の熱水地帯のエネルギーを利用するオマーンの取り組みの分析によると、この種の地熱エネルギーは、淡水化のための熱や集中冷却システムのためのエネルギーの提供などの目的に役立つ可能性がある。これらのゾーンは発電できるほど高温ではありませんでした。

それほど深くないゾーンからの蒸気を使用するという話もありますが、クイズ氏の分析では、その蒸気を発電に使用できる発電所の建設に多額の投資が必要となり、出力が非経済的に高価になると結論付けています。

クイズ氏は、極端な井戸を掘削する方法を見つけることは、発電所の建設コストを節約できるため、新技術やあまり知られていない地層への掘削に伴うコストと技術的リスクを支払う価値があると主張している。その目標は、環境規制を順守するには莫大な費用がかかるため、所有者が地熱蒸気への転換を熱望するであろう古い化石燃料プラントを供給することです。

Quaise のコスト分析に基づくと、地熱蒸気で稼働する転換発電所の kWh あたりの生涯コストは、石炭やガスのコスト、および低温地熱蒸気のコストの数分の 1 と競合できるでしょう。

これは、大口径の坑井（約 8.5 インチ）をそこまで掘削する方法を、取引キラーにならない価格で確実に掘削できる方法を開発できることが前提となっている。

これを実現するために、彼らは従来の掘削方法とマイクロ波掘削方法を組み合わせて使用することを計画しています。彼らは、極度の熱、硬い岩石、長いトリップ時間の組み合わせによりコストのかかる選択肢になるまでは、より速くて安価なロータリー掘削を使用することになります。

「最も安価で経済的な方法を使用して、可能な限り深く掘削します」とファン氏は述べた。最近のテストでは、花崗岩で PDC ビットを使用すると、より速く、より長く掘削できることが示されているが、「ある時点で（回転掘削の）経済性が機能しなくなるため、その後は交換することになります」と同氏は述べた。

マイクロ波掘削はそれほど高速ではありませんが、ダウンホール設備（掘削中に井戸の底まで安全な距離で終わるウェーブガイドと呼ばれる長くて真っ直ぐな管）のシンプルさにより、花崗岩での回転掘削に比べて非生産的な時間を制限できると期待されています。ドリルビットが急速に摩耗します。高度 30,000 フィートでは、ハードウェアの修理には時間がかかります。

マイクロ波エネルギーは、ポータブルディーゼル発電機またはグリッド電力を動力源とするジャイロトロンと呼ばれるユニットを使用して地表で生成されます。

掘削業者はおそらく、最小限のエネルギー損失でマイクロ波エネルギーをダウンホールに届ける導波管のことを、細いドリルパイプのように見えると表現するでしょう。

クワイズの主要投資家2人も石油事業と深いつながりがある。大手掘削請負業者である Nabors Industries と、Techint Group の一部である機器サプライヤーである TechEnergy Ventures です。 Tenaris は油田管の大手メーカーであり、Techint の一部です。マイクロ波掘削が本格化すれば、導波管と自動化された超深度掘削装置がエネルギー転換から利益を得る方法になるかもしれない。

マイクロ波掘削に使用される基本コンポーネントは実証済みですが、井戸掘削用ではありません。

ジャイロトロンは、水素原子を融合してヘリウムとエネルギーを生成することにより発電する効率的な方法を数十年にわたって追求する上で不可欠なツールでした。その役割は、磁場の中に閉じ込められた超高温プラズマを生成することです。

クワイズが商業化しようとしている手法は、マサチューセッツ工科大学（MIT）プラズマ科学・核融合センターの研究エンジニア、ポール・ウォスコフ氏によって開発された。当時、彼は核融合エネルギーよりも生涯に使用される可能性が高い高エネルギーマイクロ波技術の応用を探していました。

「これらの高出力ビームを核融合プラズマではなく、岩石に照射して穴を蒸発させてみてはどうだろうかと考えました」とウォスコフ氏はオンラインのMIT記事で語った。

マイクロ波掘削に関するこれまでの研究では、低エネルギーのマイクロ波を使用して岩石にストレスを与え、ドリルによる摩耗を少なくしてより速く岩石を削り取ることができました。

ウォスコフ氏が想定した方法は、概念的には切断にレーザーを使用するようなものだが、より大きなサイズの穴を作成するには、より大きなミリメートルサイズのマイクロ波の方が適しているだろう。

テストに使用された硬い岩のサンプルには、周囲が暗い色の丸い穴があり、岩によっては硬化した溶岩または岩のような質感が見られました。岩石が均一に細かい粒子である場合、極度の熱によりガラス化してガラスの壁が形成されることがあります。

Quaise は、製品開発の経験を持つ元シュルンベルジェのエンジニアで最高経営責任者のカルロス・アラケ氏によって共同設立されました。彼がマイクロ波掘削法について学んだのは、MIT のベンチャーキャピタル会社 The Engine のテクニカルディレクターだったときです。

同社は掘削のためのマイクロ波の使用に関するMITの特許の独占的権利を保有しており、2018年の開始以来学んだことに基づいて追加の特許を申請し、認可されている。

クイズ社の目標は、2026 年までにパイロット発電所に電力を供給するために必要な井戸を掘削し、2028 年までに商業システムを提供することです。現在、28 人のメンバーからなるエンジニアリングチームが、ヒューストン、ボストン、英国ケンブリッジ近郊に拠点を置き、掘削作業に取り組んでいます。研究室でさらに長い穴をあけ、今後数年間のフィールドテストの準備をします。

今年の目標は、100/1 の穴、つまり長さ 100 インチ、直径 1 インチの穴、つまりこれまでの最高の 10 倍を掘削することです。同時に、現場でより大きく長い穴を掘削するために必要な、より強力で耐久性のある機器の設計も行っています。

そのために、彼らは 1 MWh のジャイロトロンを注文しました。これにより、上部の穴を掘削した掘削リグが井戸が深くなるときに導波管を処理する現場でのスケールアップが可能になります。

「私たちは、核融合実験で使用されてきたすべての機器を採用し、耐久性を高め、一般的な陸上リグで使用できるようにリグを設計しています」とボーンブレーキ氏は述べました。

ロータリードリルと比較すると、マイクロ波による穴開けは光線銃を撃つのと同じくらい簡単に見えます。

ダウンホール設備は導波管のみです。導波管に必要なチューブは、チューブの直径が狭く、それほど厚くないため、穴あけに使用されるチューブよりもかなり軽量です。これが可能なのは、ビットの重量とトルクがマイクロ波穴あけのパフォーマンスに影響を与える要素ではないためです。

ダウンホールには可動部品はありませんが、導波管には、一定のサイズの領域を刺激するための出口点での広がり方から、エネルギー損失を制限するための管内の変更に至るまで、多くの独自の設計要素があります。

曲がりがあると直線で進むエネルギービームが妨げられる可能性があるため、直線の坑井経路を維持することが重要です。

そのためには、油井でよく見られる坑井の品質問題を厳密に管理する必要があり、掘削中のダウンホール測定に基づく坑井経路調査には「不確実性の円錐」と呼ばれる領域が含まれます。

干渉に関する懸念は、井戸の清掃を管理する方法の計画にも影響します。マイクロ波掘削に切り替える場合、彼らは高圧ガス流を使用して掘削破片を取り除く計画を立てており、ボーンブレーキ社はこれを「蒸発した微細粒子」と表現した。

有効な 2 つのオプションは窒素と空気です。空気は安価ですが、多少の水分を含みます。

マイクロ波ビームは、掘削中に遭遇する少量の水に対処できます。ファン氏は「電子レンジで蒸発させてしまう可能性がある」と述べた。しかし、透水性の高い水で満たされた大きな断層に掘削を行った場合、それは機能しません。このような危険は「地下深くの岩盤では起こりそうにない」とボーンブレーキ氏は述べた。

このような深さの地層の特性に焦点を当てて研究を行っている教授は、熱く乾燥した岩石は完全に乾燥しているわけではないと述べた。

スタンフォード大学の地球物理学教授マーク・ゾバック氏は、「脆い地殻全体（通常は上部15～20キロ）に流体の痕跡がある」と述べた。同氏は、「水は亀裂や断層に集中しているが、空隙率と浸透性はかなり低いものの、マトリックスも飽和している」と付け加えた。

Zback は、Geology (2000) に共同執筆した論文を発表し、基盤岩の透水性を測定したいくつかの研究を引用しました。それは、小さな岩石サンプルと圧力試験に基づいた広範囲の測定値で観察された透水性に大きな違いがあることを報告しました。同研究者らは、広い領域には亀裂や断層が含まれており、一部は孤立しており、一部はより大きな亀裂ネットワークにつながっていると指摘することで、そのギャップを説明した。

「コアサンプルで測定された値よりも3～4桁高い高い透水性は、臨界応力がかかった断層によって維持されているようで、脆い地殻を通る流体の移動を大幅に促進する」と著者らは書いている。

データソースを説明しながら、著者らは、その深さで掘削された研究井がいかに少ないかを示しました。非常に深い油井が掘削されたこともありますが、炭化水素がそこに存在する可能性は非常に低いため、それらは花崗岩で掘削されていませんでした。

クイズ氏の目標は、論文で言及されている研究井の中で最も深い、深さ12.2kmのロシアのコラ超深井戸を越えて掘削することだ。残りはすべて深さ10km未満でした。

ファン氏は、マイクロ波掘削中に非常に深い岩石に水が溜まった断層に衝突した場合、最初の選択肢は「掘削中は坑井を密閉し、水をガラス固化壁の後ろに留めておくことだろう」と述べた。封印すれば、これを伝統的な熱水井に変えることができます。」

本当に熱くて乾いた岩には、それ自身の課題があります。蒸気を生成するには、注水井から蒸気発生装置までの流路を作成する方法を見つける必要があります。これらの亀裂は、水が十分長く岩石にさらされて過熱されるように、十分に収縮する必要があります。必要な高価な井戸の数を制限する必要があるため、量も重要です。

プラス面としては、深部浸透性に関する論文では、そのようなネットワークの形成に役立つ自然の亀裂があると述べています。ボーンブレーキ氏とファン氏は、同社がこの問題に取り組んでいる複数の企業と連絡を取り合っており、この問題は連邦政府の資金提供を受けて米国エネルギー省のユタ州フォージ施設で行われている研究プロジェクトの焦点でもあると述べた。

「これはすべて証明される必要があることだ」とファン氏は語った。

ジョン・タウンエンドとマーク・D・ゾバック著「断層が地殻をいかに強く保つか」。地質学 (2000) 28(5): 399–402。