AT217404B - Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen von untertage liegenden Vorkommen vorzugsweise erdölführender Ablagerungen an ihrer natürlichen Lagerstätte - Google Patents

Description

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  Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen von untertage liegenden Vorkommen vorzugs- weise erdölführender Ablagerungen an ihrer natürlichen Lagerstätte 
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhitzung untertage liegender geologischer Vorkommen an ihrer natürlichen Lagerstätte zwecks Gewinnung wertvoller flüssiger und/oder gasförmiger Stoffe. Diese Vorkommen können erdölführende sedimentäre Ablagerungen sein, wie Teersand oder Ölschiefer. Zur Erhitzung derartiger Vorkommen ist es bekannt, in einem in das Vorkommen hinabgeführten rohrförmigen Heizkörper ein Brennstoff und Sauerstoff enthaltendes Gemisch zu verbrennen.

   Es wurde bereits vorgeschlagen, von der Verbrennungszone des rohrförmigen Heizkörpers oder Brennerrohres die bei der Verbrennung entstehenden Rauchgase durch das unten offene Rohr hindurch abwärts zu leiten und sie dann aufwärts durch einen um das Rohr herum vorgesehenen Ringraum aufsteigen zu lassen. Dieser Ringraum wird vorzugsweise nach aussen durch ein mit einem Boden versehenes Schutzrohr begrenzt, das das Brennerrohr konzentrisch umgibt und mit dem erhitzten Vorkommen in wärmeleitender Verbindung steht. Der Hauptzweck dieser Ausgestaltung der Heizvorrichtung besteht darin, die in der Verbrennungszone erzeugte, dem Schutzrohr und damit dem Vorkommen zugeführte Wärme im Bereich des Vorkommens in der Längsrichtung des Schutzrohres gleichmässig zu verteilen. 



  Die Summe der nach unten abnehmenden Wärmestrahlung der heissen Verbrennungszone und die aufwärts abnehmende Wärmeabgabe der aufsteigenden Rauchgase an das Schutzrohr soll mit andern Worten je Längeneinheit des Schutzrohres konstant sein. Als weitere Massnahme in dieser Richtung wird noch das Anbringen eines Strahlungsschutzes um die Verbrennungszone vorgeschlagen. Eine gleichmässige Erhitzung des Schutzrohres über seine gesamte Länge von der Verbrennungszone abwärts bis zur Mündung des Brennerrohres ist für die Wirtschaftlichkeit der Ausbeutung sedimentärer Vorkommen durch Erhitzung an Ort und Stelle und Gewinnung flüssiger und/oder gasförmiger Stoffe von ausschlaggebender Bedeutung. 



   Mit einer Steigerung des dem Brennerrohr in der Zeiteinheit zugeführten Wärmeeffekts steigt der Anteil der Strahlung in der gesamten Wärmeerzeugung. Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine gute gleichmässige Wärmeverteilung auch bei hohen abgegebenen Wärmeeffekten und bei grosser Tiefe des der Erhitzung ausgesetzten Teils des Untertagevorkommens zu schaffen. Dies wird im wesentlichen dadurch erzielt, dass dem Gemisch von Brennstoff und Sauerstoff bzw. Luft ein inertes Gas zugeführt wird, derart, dass die Temperatur der Rauchgase im Brennerrohr in dessen Längsrichtung und damit die Abgabe von Wärme an das Vorkommen ausgeglichen wird. 



   Eine für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besonders geeignete Vorrichtung, die einen in einem Bohrloch in der Erde eingesetzten Rohrbrenner, der der Lochwandung gegenüber durch einen Ringraum getrennt bzw. durch ein äusseres Schutzrohr abgeschirmt ist und der einen oberen Zuleitteil für ein Gemisch von Brennstoff und Sauerstoff bzw. Luft und einen unteren Brennerteil hat, wobei in letzterem das Gemisch entzündet und die gebildeten Rauchgase nach unten zu dem unteren Ende des Rohrbrenners geleitet werden, um dann in dem Spalt aufzusteigen, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zuleitteil mit dem Ringraum über eine Öffnung in Verbindung steht, in welcher das Gemisch durch Ejektorenwirkung einen Teil der in dem Ringraum aufsteigenden Rauchgase mit sich reisst. 



   Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf eine in der anliegenden Zeichnung beispielsweise dargestellten Ausführungsform einer für die Durchführung des Verfahrens besonders geeigneten Heizvorrichtung näher beschrieben werden, und dabei sollen auch weitere, die Erfindung kennzeichnende Eigenschaften angegeben werden. Fig.   l   ist ein lotrechter Schnitt durch eine in ein lotrechtes Bohrloch eingesetzte, gemäss der Erfindung ausgeführte Heizvorrichtung und Fig. 2 ein gleichartiger Schnitt in grösserem Massstab durch eine Einzelheit dieser Vorrichtung. 



   Die Heizvorrichtung umfasst ein mit einem Boden 22 versehenes äusseres Schutzrohr   10,   das in ein von der Erdoberfläche niedergebrachtes senkrechtes Bohrloch eingesetzt ist. Dieses Bohrloch kann ein kurzes Stück in eine Formation 11 eindringen, die sich unter der zu bearbeitenden, brennstofführenden Ablagerung 12 befindet. Über dieser kann eine Formation aus nicht brennbarem Material, wie eine Kalksteinschicht   13,   vorkommen, die an der Erdoberfläche von einem Erdlager 14 überdeckt ist. Der Zwischen- 

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 raum zwischen dem Schutzrohr 10 und der Bohrlochwand kann z. B. durch Sand oder Quarz 15 ausgefüllt sein, um den Wärmeübergang von dem Schutzrohr zu dem Vorkommen zu verbessern. 



   In das Schutzrohr 10 wird ein gemäss der Erfindung ausgeführter, rohrförmiger Brenner eingesetzt. 



  Dieser besteht im wesentlichen aus einem oberen schmaleren Zuleitrohr 16 und einem unteren, zur Hauptachse weiteren Rauchgasrohr 17. Diese beiden Rohre sind zueinander gleichachsig angeordnet. Das Rauchgasrohr 17 hat einen Oberteil   18,   der zweckmässig fest in eine zylinderförmige Hülse oder Kappe 19 eingeschraubt ist und denselben oder wenigstens annähernd denselben Durchmesser hat wie das Zuleitrohr 16. In einer Entfernung unterhalb der Kappe 19 erweitert sich das Rauchgasrohr kegelig nach unten zu einem   Brennerteil   wo die Verbrennung des Gemisches von Brennerstoff und Luft begonnen wird. 



  Ein unterer, weiterer Teil 21 des Rohres 17 endet mit einer freien Öffnung, die sich in einem Abstand von dem Boden 22 des Schutzrohres 10 befindet. Das Zuleitrohr 16 ist von oben lose in die Kappe 19 eingeschraubt. Es erstreckt sich übertage durch einen Verschluss 23 am Kopfteil des Schutzrohres 10. 



  Das Zuleitrohr 16 ist in dem Gewinde der Kappe 19 drehbar, auch wenn es sich innerhalb des Schutzrohres 10 befindet. Hiedurch ändert sein unteres Ende seinen Abstand von dem oberen Ende des Rauchgasrohres 17. Letzteres ist gegen Drehung durch Anschlagstücke, wie z. B. Drahtfedern 25 od. dgl., die gegen das Schutzrohr 10 drücken, gesichert. 



   Das untere Ende des Zuleitrohres 16 ist als kegeliger   Abschluss 26   mit einer Öffnung 27 in der Spitze des Abschlusskegels ausgebildet. Die Öffnung 27 hat einen wesentlich kleineren Durchmesser als das Zuleitrohr 16 im übrigen. Das Rauchgasrohr 17 kann eine abgeschrägte Oberkante 28 haben, die dem Abschlusskegel 26 des Zuführrohres 16 entspricht. Eine Anzahl von Löchern 29 ist im zylindrischen Mantel der Hülse oder Kappe 19 vorgesehen. 



   Beim Betrieb der Vorrichtung wird ein Gemisch von Gas und Luft in das Zuleitrohr 16 eingeleitet. 



  Das Gemisch tritt durch die verengte Öffnung 27 hindurch in den schmalen Oberteil 18 des Rauchgasrohres ein. Das Gemisch wird entzündet, und eine Verbrennungszone entwickelt sich in und unterhalb des kegeligen Brennerteils 20. Die Rauchgase strömen von der Verbrennungszone in dem weiteren Rohrteil 21 abwärtes zu dessen unterstem Ende, wo sie ihre Strömungsrichtung umkehren und in dem Ringraum 30 zwischen dem Schutzrohr 10 und dem Brennerrohr aufsteigen und durch einen Auslass 31 übertage entweichen. 



   Beim Austritt des Gemisches von Brennstoff und Luft aus der verengten Öffnung 27 wird die Geschwindigkeit des Gemisches erhöht und eine Ejektorwirkung erzeugt. Diese reisst Rauchgase aus dem Ringraum 30 mit sich, die in die Kappe 19 durch die Löcher 29 eintreten. Diese damit zurückgeführten Rauchgase bewirken eine Senkung der Temperatur innerhalb und unterhalb der Verbrennungszone in dem Rauchgasrohr   17,   und hiedurch wird ein Ausgleich des Wärmeübergangs an dem Schutzrohr 10 in dessen Längsrichtung und damit entlang der Bohrlochwandung in der auszubeutenden Ablagerung 12 herbeigeführt. Die Temperatur innerhalb und unmittelbar unterhalb der Verbrennungszone in dem Rauchgasrohr wird dank dieser Verdünnung des Gemisches durch kälteres nicht brennbares Gas gesenkt, und deswegen wird die Strahlung von dieser Verbrennungszone geringer.

   Statt dessen haben die Rauchgase während ihres fortgesetzten Weges durch das Rauchgasrohr 17 und den   Ringraum30 eine höhere Temperatur   so dass der angestrebte vertikale Ausgleich der Wärmeabgabe an die die Vorrichtung umgebende Ablagerung sichergestellt ist. 



   Das Volumensverhältnis zwischen zurückgeführten Rauchgasen und von aussen zugeführten Gemisch von Brennstoff und Luft wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch Drehen des Zuleitrohres in dem Gewinde in der Kappe 19 geregelt, indem durch ein solches Drehen der Abstand zwischen diesem Rohr und dem Rohr 17 geändert wird. Dieses Verhältnis wird vorzugsweise beim Anzünden des Brenners niedrig gehalten und kann dann sogar Null sein, wobei der Anschluss 28 des Rauchgasrohres 17 an der konischen Verjüngung oder dem Ventilsitz 26 anliegt. Die Menge zurückgeführter Rauchgase wird allmählich in Übereinstimmung mit dem Ansteigen der Gesamttemperatur des Rohrbrenners erhöht und damit eine gleichbleibende Flamme erhalten.

   Beim Anzünden kann dieses Verhältnis beispielsweise 1 : 10 sein, d. h. 1 Raumteil Rauchgase auf 10 Raumteile Brennstoff-Luft-Gemisch entfallen, und allmählich auf 1 : 3 bis   l :   2 vergrössert werden. 



   Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform begrenzt, sondern in vielfacher Beziehung innerhalb des Rahmens des ihr zugrundeliegenden Leitgedankens abwandelbar. So kann beispielsweise die Regelung des Volumensverhältnisses zwischen zurückgeführten Rauchgasen und von aussen zugeführten brennbarem Gasgemisch dadurch erfolgen, dass beim Drehen des oberen Rohres 16 die Löcher 29 in der Kappe 19 mehr oder weniger weit geöffnet bzw. geschlossen werden. Das dem Gemisch von Luft und brennbarem Gas vor seinem Eintritt in den   Brennerkegel < ? ss   zugeführte, an der Verbrennung nicht teilnehmende Gas kann ein anderes Gas als Rauchgase sein, beispielsweise Kohlensäure oder Wasserdampf oder ein Gemisch hievon.

   Der Wasserdampf kann in der Form von Wasser zugeführt werden, das durch eine Pumpe mit zugehöriger Regelvorrichtung in das brennbare Gasgemisch eingespritzt wird, u. zw. zweckmässig an einer übertage gelegenen Stelle der Zuleitung. Das Wasser verdampft, wenn es zusammen mit dem brennbaren Gasgemisch in die heissen Teile des Brenners gelangt. 



  Für das Einleiten von Verdünnungsgas von einer übertage gelegenen Stelle kann ein Ventilator oder Kompressor benutzt werden. Die Verbrennungszone des Rauchgasrohres kann von einem Strahlungsschutz umgeben sein. 

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   Wenn der zur Verbrennung erforderliche Sauerstoff in der Form von Luft zugeführt wird, enthält das Gasgemisch auch u. a. Stickstoff. Unter einem an der Verbrennung nicht teilnehmenden Gas" wird ein solches Gas verstanden, das nicht bereits in der Luft als unvermeidbarer Bestandteil enthalten ist. 



    PATENTANSPRÜCHE :   
1. Verfahren zum Erhitzen von untertage liegenden Vorkommen zwecks Gewinnung flüssiger und/oder gasförmiger Stoffe durch Verbrennung eines Brennstoffes und Sauerstoff bzw. Luft enthaltenden Gemisches in einem in das Vorkommen hinabgeführten Brennerrohr, durch welches die bei der Verbrennung entstehenden Rauchgase abwärts geleitet werden, um dann aufwärts in einem um das Rohr herum vorgesehenen und vorzugsweise durch einen in wärmeleitender Verbindung mit dem Vorkommen stehenden Schutzrohr nach aussen begrenzten Ringraum aufzusteigen, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gemisch ein inertes Gas zugeführt wird, so dass die Temperatur der Rauchgase in dem Brennerrohr   (17)   indessen Längsrichtung und damit die Abgabe von Wärme an das Vorkommen ausgeglichen wird.

Claims (1)

1. 2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass Rauchgase in die Verbrennungszone (" des Brennerrohres (17) zurückgeführt werden.

   3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der im Ringraum (30) aufsteigenden Rauchgase in das Brennerrohr (17) zurückgeführt wird, bevor die Rauchgase den Ringraum verlassen haben.

   4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung durch Ausnutzung der Saugwirkung des zu der Verbrennungszone hinabströmenden Gemisches erfolgt.

   5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gemisch Wasserdampf zugesetzt wird.

   6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem in ein Bohrloch eingesetzten, der Lochwandung gegenüber durch einen Ringraum getrennten bzw. innerhalb eines äusseren Schutzrohres angebrachten Rohrbrenner, der einen oberen Zuleitteil für ein Gemisch von Brennstoff und Sauerstoff bzw. Luft und einen unteren Brennerteil hat, wobei das Gemisch in letzterem entzündet und die gebildeten Rauchgase abwärts zu dem unteren offenen Ende des Rohrbrenners geleitet werden, um dann in dem Ringraum aufzusteigen, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuleitteil (16) mit dem Ringraum (30) über eine Öffnung (29) in Verbindung steht, in welcher das Gemisch durch Ejektorwirkung einen Teil der in dem Ringraum aufsteigenden Rauchgase mit sich reisst.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrbrenner aus zwei gleichachsigen Rohren (16 und 18, 21) besteht, die miteinander durch eine zylindrische Hülse oder Kappe (19) mit grösserem Durchmesser als dem der beiden Rohre verbunden und in ihren einander zugewandten Enden (26, 28) als Ejektor für die Rückführung von Rauchgasen aus dem Ringraum (30) in den Rohrbrenner (17) ausgebildet sind.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rohre (16, 21) zwecks Regelung der Ejektorwirkung im Verhältnis zueinander beweglich sind. EMI3.1 ist, während sich der Rohrbrenner in dem Bohrloch befindet.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Rohr (21) gegen Drehung mit Hilfe von am Schutzrohr (10) anliegenden, vorzugsweise Haltegliedern (15) gesichert ist.

   11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rohre (16, 17) an ihren einander zugewandten Enden (16, 18) (Fig. 2) denselben oder ungefähr denselben Durchmesser haben, während sich das untere Rohr (17) in einem Abstand unterhalb der Hülse oder Kappe vorzugsweise kegelig (20) auf einen grösseren Durchmesser (21) erweitert.