Table Of ContentThe HDR Test Site at Fenton Hill, New Mexico, in late 1991
Donald W. Brown David V. Duchane
•
Grant Heiken Vivi Thomas Hriscu
•
Mining the Earth‘’s Heat:
Hot Dry Rock Geothermal
Energy
Edited by Vivi Thomas Hriscu
Technical Illustration by Andrea Kron
Donald W. Brown
David V. Duchane (Ret.)
Grant Heiken (Ret.)
Vivi Thomas Hriscu (Ret.)
Los Alamos National Laboratory
Los Alamos, New Mexico
USA
ISBN 978-3-540-67316-3 e-ISBN 978-3-540-68910-2
DOI 10.1007/978-3-540-68910-2
SpringerHeidelberg DordrechtLondonNewYork
Library of Congress Control Number: 2012936976
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012
Thisworkissubjecttocopyright.Allrightsarereserved,whetherthewholeorpartofthematerialis
concerned,specificallytherightsoftranslation,reprinting,reuseofillustrations,recitation,broadcasting,
reproductiononmicrofilmorinanyotherway,andstorageindatabanks.Duplicationofthispublication
orpartsthereofispermitted onlyundertheprovisionsoftheGermanCopyrightLawofSeptember9,
1965,initscurrentversion,andpermissionforusemustalwaysbeobtainedfromSpringer.Violationsare
liabletoprosecutionundertheGermanCopyrightLaw.
Theuseofgeneraldescriptivenames,registerednames,trademarks,etc.inthispublicationdoesnotimply,
evenintheabsenceofaspecificstatement,thatsuchnamesareexemptfromtherelevantprotectivelaws
andregulationsandthereforefreeforgeneraluse.
Printedonacid-freepaper
Springer is part of Springer Science+Business Media (www.springer.com)
Dedication
We dedicate this book to those who labored over many years to take the
hot dry rock concept from simply a novel idea to a proven reality. Their
imagination, creativity, long-term commitment, and hard work led to the
outstanding technical achievements that are described in detail herein.
Those achievements have laid a solid foundation for the development of
HDR geothermal energy as a major energy resource for the 21st century and
beyond.
v
Legal Statement
The Los Alamos National Laboratory strongly supports academic
freedom and a researcher's right to publish; therefore, the Laboratory as an
institution does not endorse the viewpoint of a publication or guarantee its
technical correctness.
vi
Acknowledgments
The 23 years of pioneering experiments that constituted the Los Alamos
National Laboratory's Hot Dry Rock Project would not have been
possible without the support of numerous entities, beginning with the
U. S. Atomic Energy Commission (AEC). Its successor federal agencies,
the Energy Research and Development Administration (ERDA) and the
U. S. Department of Energy (DOE), continued the funding of the HDR
effort. And from 1980 to 1986, the government of Japan and the Federal
Republic of Germany also contributed, through an agreement developed
under the auspices of the International Energy Agency (IEA).
The authors would like to particularly acknowledge the enthusiastic and
unwavering support for the HDR concept shown by the late John E. (Ted)
Mock, who directed the U. S. Department of Energy's geothermal program
from 1982 to 1994, the period spanning the development and testing of the
deeper Phase II reservoir at Fenton Hill, New Mexico, and by Allan Jelacic,
now retired, who assumed leadership of the DOE's Division of Geothermal
(cid:40)(cid:81)(cid:72)(cid:85)(cid:74)(cid:92)(cid:3)(cid:73)(cid:82)(cid:79)(cid:79)(cid:82)(cid:90)(cid:76)(cid:81)(cid:74)(cid:3)(cid:39)(cid:85)(cid:17)(cid:3)(cid:48)(cid:82)(cid:70)(cid:78)(cid:10)(cid:86)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:87)(cid:76)(cid:85)(cid:72)(cid:80)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:3) (cid:76)(cid:81)(cid:3)(cid:20)(cid:28)(cid:28)(cid:23)(cid:17)(cid:3)(cid:55)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:191)(cid:81)(cid:68)(cid:81)(cid:70)(cid:76)(cid:68)(cid:79)(cid:3) (cid:86)(cid:88)(cid:83)(cid:83)(cid:82)(cid:85)(cid:87)(cid:3)
provided under their leadership made possible many of the technical
achievements described herein and helped launch the production of this book,
which no doubt will serve as one of the HDR Project's principal legacies.
It was through the persistent efforts of the late Mort Smith that the early
funding was obtained for the nascent HDR Project. Without his efforts, there
never would have been a Fenton Hill. Mort also inspired us to prepare this
book and was a constant source of valuable information until his death.
Bob Potter, who originated the hot dry rock concept at Los Alamos,
deserves special recognition. His unique expertise helped elucidate the
initial drafts of several chapters of this book. Jim Thomson, a key member
(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:43)(cid:39)(cid:53)(cid:3)(cid:191)(cid:72)(cid:79)(cid:71)(cid:3)(cid:82)(cid:83)(cid:72)(cid:85)(cid:68)(cid:87)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:86)(cid:3)(cid:87)(cid:72)(cid:68)(cid:80)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:86)(cid:83)(cid:82)(cid:81)(cid:86)(cid:76)(cid:69)(cid:79)(cid:72)(cid:3)(cid:73)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:75)(cid:76)(cid:74)(cid:75)(cid:79)(cid:92)(cid:3)(cid:68)(cid:88)(cid:87)(cid:82)(cid:80)(cid:68)(cid:87)(cid:72)(cid:71)(cid:3)
and reliable operation of the surface plant during the Long-Term Flow
Test, provided much helpful technical input on the surface equipment and
downhole operations. In addition, we thank Bert Dennis, the able leader of
the Instrumentation Group during the HDR Project (starting with the Barley
Canyon experiments in 1972), for his help in preparing the Appendix.
Thanks are also due the hundreds of hard-working scientists and engineers
associated with the Fenton Hill HDR Project, who produced the reports from
which portions of this book are drawn. The results cost them countless days
and nights of effort, often under the pressure of deadlines and foul weather.
We would also like to recognize those who assisted in the practical aspects
of preparing this volume for publication. Ruth Bigio, who left the Laboratory
(cid:68)(cid:3)(cid:73)(cid:72)(cid:90)(cid:3)(cid:92)(cid:72)(cid:68)(cid:85)(cid:86)(cid:3)(cid:68)(cid:74)(cid:82)(cid:15)(cid:3)(cid:83)(cid:85)(cid:82)(cid:89)(cid:76)(cid:71)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:76)(cid:87)(cid:76)(cid:68)(cid:79)(cid:3)(cid:89)(cid:72)(cid:85)(cid:86)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:86)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:86)(cid:72)(cid:89)(cid:72)(cid:85)(cid:68)(cid:79)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:191)(cid:74)(cid:88)(cid:85)(cid:72)(cid:86)(cid:17)(cid:3)(cid:36)(cid:81)(cid:71)(cid:76)(cid:3)(cid:46)(cid:85)(cid:82)(cid:81)(cid:15)(cid:3)
Los Alamos National Laboratory geologist-turned-cartographer/technical
(cid:76)(cid:79)(cid:79)(cid:88)(cid:86)(cid:87)(cid:85)(cid:68)(cid:87)(cid:82)(cid:85)(cid:15)(cid:3)(cid:90)(cid:68)(cid:86)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:86)(cid:83)(cid:82)(cid:81)(cid:86)(cid:76)(cid:69)(cid:79)(cid:72)(cid:3)(cid:73)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:68)(cid:79)(cid:79)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:191)(cid:81)(cid:68)(cid:79)(cid:3)(cid:191)(cid:74)(cid:88)(cid:85)(cid:72)(cid:86)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:69)(cid:82)(cid:82)(cid:78)(cid:17)(cid:3)(cid:54)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:81)(cid:82)(cid:87)(cid:3)(cid:82)(cid:81)(cid:79)(cid:92)(cid:3)
vii
viii Acknowledgments
exercised laudable patience as we made endless changes to them, but her
(cid:86)(cid:78)(cid:76)(cid:79)(cid:79)(cid:3)(cid:90)(cid:76)(cid:87)(cid:75)(cid:3)(cid:74)(cid:85)(cid:68)(cid:83)(cid:75)(cid:76)(cid:70)(cid:86)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:75)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:82)(cid:90)(cid:81)(cid:3)(cid:86)(cid:70)(cid:76)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:76)(cid:191)(cid:70)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:87)(cid:72)(cid:70)(cid:75)(cid:81)(cid:76)(cid:70)(cid:68)(cid:79)(cid:3)(cid:69)(cid:68)(cid:70)(cid:78)(cid:74)(cid:85)(cid:82)(cid:88)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:72)(cid:81)(cid:68)(cid:69)(cid:79)(cid:72)(cid:71)(cid:3)
(cid:75)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:87)(cid:82)(cid:3)(cid:76)(cid:80)(cid:83)(cid:85)(cid:82)(cid:89)(cid:72)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:81)(cid:92)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:80)(cid:17)(cid:3)(cid:55)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:73)(cid:82)(cid:85)(cid:80)(cid:68)(cid:87)(cid:87)(cid:76)(cid:81)(cid:74)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:70)(cid:82)(cid:80)(cid:83)(cid:82)(cid:86)(cid:76)(cid:87)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:3)(cid:68)(cid:85)(cid:72)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:191)(cid:81)(cid:72)(cid:3)
work of Carrie Dittmer (Dittmer Design, Golden, CO). Carrie has earned our
particular gratitude for her dedication, good humor, and responsiveness in
the face of multiple revisions of the manuscript. We thank Vicky Musgrave
of the Los Alamos National Laboratory Research Library for expeditiously
resolving problems with a number of the references; and Iosif Hriscu of the
(cid:43)(cid:68)(cid:79)(cid:79)(cid:76)(cid:69)(cid:88)(cid:85)(cid:87)(cid:82)(cid:81)(cid:3)(cid:38)(cid:82)(cid:80)(cid:83)(cid:68)(cid:81)(cid:92)(cid:3)(cid:11)(cid:39)(cid:88)(cid:81)(cid:70)(cid:68)(cid:81)(cid:15)(cid:3)(cid:50)(cid:46)(cid:12)(cid:3)(cid:73)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:75)(cid:72)(cid:79)(cid:83)(cid:3)(cid:90)(cid:76)(cid:87)(cid:75)(cid:3)(cid:86)(cid:82)(cid:80)(cid:72)(cid:3)(cid:87)(cid:72)(cid:70)(cid:75)(cid:81)(cid:76)(cid:70)(cid:68)(cid:79)(cid:3)(cid:71)(cid:85)(cid:76)(cid:79)(cid:79)(cid:76)(cid:81)(cid:74)(cid:3)
details and terminology.
Finally, we would like to express our thanks and appreciation to our many
colleagues around the world who took an interest in the Fenton Hill HDR
Project. Many of them provided us with insights that both directly and indirectly
contributed to the wide range of HDR issues summarized in this book.
Preface
The hot dry rock (HDR) geothermal energy concept was born of the
recognition that the heat of the earth represents an almost inexhaustible
source of clean, thermal energy for mankind. It was the pioneering efforts of
Bob Potter and Mort Smith, two visionary scientists at Los Alamos National
Laboratory in New Mexico, that led to the development of an effective
and robust method of recovering useful energy from the vast regions of
hot rock in the earth's upper crust. The heat from that rock—as Smith put
it—"represents the largest and most broadly distributed supply of directly
usable thermal energy that is accessible to man." In the ensuing years, other
researchers at Los Alamos would help to make Potter and Smith's dream
a reality.
This book tells the story of the pioneering experiments at Fenton Hill,
(cid:81)(cid:72)(cid:68)(cid:85)(cid:3)(cid:47)(cid:82)(cid:86)(cid:3)(cid:36)(cid:79)(cid:68)(cid:80)(cid:82)(cid:86)(cid:15)(cid:3)(cid:90)(cid:75)(cid:76)(cid:70)(cid:75)(cid:3)(cid:83)(cid:85)(cid:82)(cid:71)(cid:88)(cid:70)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:90)(cid:82)(cid:85)(cid:79)(cid:71)(cid:10)(cid:86)(cid:3)(cid:191)(cid:85)(cid:86)(cid:87)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:178)(cid:87)(cid:82)(cid:3)(cid:71)(cid:68)(cid:87)(cid:72)(cid:178)(cid:82)(cid:81)(cid:79)(cid:92)(cid:3)(cid:87)(cid:85)(cid:88)(cid:72)(cid:3)
HDR reservoirs. They were created in deep regions of jointed basement rock
that had subsequently been tightly resealed by the deposition of secondary
(cid:80)(cid:76)(cid:81)(cid:72)(cid:85)(cid:68)(cid:79)(cid:86)(cid:3)(cid:11)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:68)(cid:79)(cid:80)(cid:82)(cid:86)(cid:87)(cid:3)(cid:88)(cid:81)(cid:76)(cid:89)(cid:72)(cid:85)(cid:86)(cid:68)(cid:79)(cid:3)(cid:86)(cid:76)(cid:87)(cid:88)(cid:68)(cid:87)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:3)(cid:90)(cid:75)(cid:72)(cid:85)(cid:72)(cid:3)(cid:86)(cid:88)(cid:73)(cid:191)(cid:70)(cid:76)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:3)(cid:87)(cid:76)(cid:80)(cid:72)(cid:3)(cid:75)(cid:68)(cid:86)(cid:3)(cid:73)(cid:82)(cid:79)(cid:79)(cid:82)(cid:90)(cid:72)(cid:71)(cid:3)
the period of deformation that produced the jointing).
As manager of the Hot Dry Rock Project during a period that
(cid:92)(cid:76)(cid:72)(cid:79)(cid:71)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:86)(cid:82)(cid:80)(cid:72)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:80)(cid:82)(cid:86)(cid:87)(cid:3)(cid:73)(cid:85)(cid:88)(cid:76)(cid:87)(cid:73)(cid:88)(cid:79)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:86)(cid:76)(cid:74)(cid:81)(cid:76)(cid:191)(cid:70)(cid:68)(cid:81)(cid:87)(cid:3)(cid:87)(cid:72)(cid:70)(cid:75)(cid:81)(cid:76)(cid:70)(cid:68)(cid:79)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:86)(cid:88)(cid:79)(cid:87)(cid:86)(cid:15)(cid:3)(cid:44)(cid:3)(cid:90)(cid:68)(cid:86)(cid:3)
particularly well positioned for the task of analyzing and synthesizing the
(cid:191)(cid:81)(cid:71)(cid:76)(cid:81)(cid:74)(cid:86)(cid:3)(cid:73)(cid:85)(cid:82)(cid:80)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:81)(cid:88)(cid:80)(cid:72)(cid:85)(cid:82)(cid:88)(cid:86)(cid:3)(cid:41)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:82)(cid:81)(cid:3)(cid:43)(cid:76)(cid:79)(cid:79)(cid:3)(cid:87)(cid:72)(cid:86)(cid:87)(cid:86)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:72)(cid:91)(cid:83)(cid:72)(cid:85)(cid:76)(cid:80)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:86)(cid:17)(cid:3)(cid:50)(cid:89)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)
past twelve years, the demands of writing this book have led me to carry
(cid:82)(cid:88)(cid:87)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:3)(cid:72)(cid:91)(cid:75)(cid:68)(cid:88)(cid:86)(cid:87)(cid:76)(cid:89)(cid:72)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:89)(cid:76)(cid:72)(cid:90)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:82)(cid:86)(cid:72)(cid:3)(cid:191)(cid:81)(cid:71)(cid:76)(cid:81)(cid:74)(cid:86)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:87)(cid:82)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:89)(cid:76)(cid:86)(cid:72)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:18)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:76)(cid:81)(cid:87)(cid:72)(cid:85)(cid:83)(cid:85)(cid:72)(cid:87)(cid:3)
them as called for—in light of present knowledge concerning the behavior
(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:71)(cid:72)(cid:72)(cid:83)(cid:15)(cid:3)(cid:77)(cid:82)(cid:76)(cid:81)(cid:87)(cid:72)(cid:71)(cid:15)(cid:3)(cid:70)(cid:85)(cid:92)(cid:86)(cid:87)(cid:68)(cid:79)(cid:79)(cid:76)(cid:81)(cid:72)(cid:3)(cid:69)(cid:68)(cid:86)(cid:72)(cid:80)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:3)(cid:85)(cid:82)(cid:70)(cid:78)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:3)(cid:74)(cid:72)(cid:81)(cid:72)(cid:85)(cid:68)(cid:79)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:70)(cid:82)(cid:81)(cid:191)(cid:81)(cid:72)(cid:71)(cid:15)(cid:3)
man-made HDR reservoirs in particular.
(cid:3) (cid:54)(cid:82)(cid:80)(cid:72)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:68)(cid:71)(cid:72)(cid:85)(cid:86)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:92)(cid:3)(cid:191)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:79)(cid:72)(cid:81)(cid:74)(cid:87)(cid:75)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:79)(cid:72)(cid:89)(cid:72)(cid:79)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:71)(cid:72)(cid:87)(cid:68)(cid:76)(cid:79)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:70)(cid:72)(cid:85)(cid:87)(cid:68)(cid:76)(cid:81)(cid:3)(cid:70)(cid:75)(cid:68)(cid:83)(cid:87)(cid:72)(cid:85)(cid:86)(cid:3)
excessive. But it should be noted that this book is intended not only to
provide information useful to future exploiters of heat from the deep earth,
(cid:69)(cid:88)(cid:87)(cid:3)(cid:68)(cid:79)(cid:86)(cid:82)(cid:3)(cid:87)(cid:82)(cid:3)(cid:86)(cid:72)(cid:85)(cid:89)(cid:72)(cid:3)(cid:68)(cid:86)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:70)(cid:82)(cid:80)(cid:83)(cid:79)(cid:72)(cid:87)(cid:72)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:71)(cid:72)(cid:191)(cid:81)(cid:76)(cid:87)(cid:76)(cid:89)(cid:72)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:83)(cid:82)(cid:85)(cid:87)(cid:3)(cid:82)(cid:81)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:21)(cid:22)(cid:3)(cid:92)(cid:72)(cid:68)(cid:85)(cid:86)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)
HDR operations at Fenton Hill—written from the perspective of one who
(cid:90)(cid:68)(cid:86)(cid:3)(cid:71)(cid:72)(cid:72)(cid:83)(cid:79)(cid:92)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:89)(cid:82)(cid:79)(cid:89)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:73)(cid:85)(cid:82)(cid:80)(cid:3)(cid:86)(cid:87)(cid:68)(cid:85)(cid:87)(cid:3)(cid:87)(cid:82)(cid:3)(cid:191)(cid:81)(cid:76)(cid:86)(cid:75)(cid:17)(cid:3)(cid:55)(cid:82)(cid:3)(cid:73)(cid:68)(cid:70)(cid:76)(cid:79)(cid:76)(cid:87)(cid:68)(cid:87)(cid:72)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:68)(cid:71)(cid:72)(cid:85)(cid:10)(cid:86)(cid:3)(cid:74)(cid:85)(cid:68)(cid:86)(cid:83)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)
(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:80)(cid:82)(cid:86)(cid:87)(cid:3)(cid:76)(cid:80)(cid:83)(cid:82)(cid:85)(cid:87)(cid:68)(cid:81)(cid:87)(cid:3)(cid:72)(cid:89)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:86)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:191)(cid:81)(cid:71)(cid:76)(cid:81)(cid:74)(cid:86)(cid:15)(cid:3)(cid:38)(cid:75)(cid:68)(cid:83)(cid:87)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:21)(cid:3)(cid:75)(cid:68)(cid:86)(cid:3)(cid:69)(cid:72)(cid:72)(cid:81)(cid:3)(cid:86)(cid:87)(cid:85)(cid:88)(cid:70)(cid:87)(cid:88)(cid:85)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:68)(cid:86)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:3)
"Executive Summary."
Donald W. Brown
Los Alamos, New Mexico
ix
