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Verfahren und Anlagen zur Schaffung eines unterirdischen Speicherraumes für gasförmige Substanzen unter Hochdruck
Die Erfindung betrifft die Speicherung von gasförmigen Substanzen, z. B. Erdgas, in einer unterirdischen Schicht und insbesondere ein Verfahren und Anlagen für die Speicherung von gasförmigen Substanzen in einem unterirdischenGrundwasserträger oder einer wasserführenden Schicht, wobei Gas in den Grundwassersträger eingepresst wird, um darin einen gasenthaltenden Raum zu bilden.
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brauchergebiete zu transportieren. Der Gasbedarf schwankt je nach Jahreszeit und im Winter ist er um ein Mehrfaches höher als im Sommer.
Obwohl es vom wirtschaftlichen Standpunkt aus erwünscht ist, dass Pipelines im wesentlichen voll ausgenutzt werden, so ist es anderseits mit unerschwinglichenKosten verbunden, eine Pipeline mit einer Kapazität zu bauen, die ausreichen würde, den zeitweiligen Spitzenbedarf zu befriedigen und im übrigen die Anlagen über den grösseren Teil des Jahres nur zu einem geringen Prozentsatz ihrer Kapazität auszunutzen. Daher macht die wirtschaftliche Anwendung von Gas an Orten, die von seinem Ursprung weit entfernt liegen, den Bau von Speicheranlagen erforderlich, damit in Zeiten geringeren Bedarfs das Gas gespeichert werden kann und in Zeiten grösseren Bedarfs zur Verfügung steht, um die von der Pipeline angelieferte Gasmenge zu ergänzen und ausserdem die Versorgung der Verbraucher sicherzustellen, falls in der Versorgung der Pipeline eine Unterbrechung eintritt.
An günstigen Orten hat es sich als möglich erwiesen, in Zeiten geringen Bedarfs Gas in erschöpfte Gasbohrungen einzupumpen und dieses komprimierte Gas in Zeiten grossen Bedarfs zur Verfügung zustellen. Es ist jedoch wünschenswert, den Speicher in der Nähe des Verbraucherpunktes zu haben und in den meisten Fällen sind erschöpfte Gasbohrungen in diesen Gebieten nicht vorhanden. Es sind auch verschiedentlich Speicher in unterirdischen Hohlräumen angelegt worden, wobei der Hohlraum durch bergmännische Verfahren oder durch Auflösung von löslichem Salz geschaffen wird. In diesem Falle hat die Schicht, in der der Hohlraum hergestellt wird, entweder die Eigenschaft geringer Permeabilität, d. h. grossen Wider- stand gegen Gaswanderung oder das Innere des Hohlraumes ist in irgendeiner Weise abgedichtet.
Die Schaffung solcher Hohlräume ist mit grossen Kosten verbunden und die Möglichkeiten sind begrenzt und stellen keine Lösung dar in Fällen, in denen das Gas in grosser Entfernung von alten Gasfeldern oder löslichen unterirdischen Salzlagern verbraucht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, untertägigen Speicherraum für unter Druck stehende gasförmige Substanzen zu schaffen. Er soll in der Nähe einer Verbrauchszone herstellbar und unabhängig sein vom Vorliegen erschöpfterGasbohrungen oder von Salzlagerstätten, in denen durch Auslaugen Speicherkavernen geschaffen werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine Bohrung bis in die strukturtiefe Zone einer wasserführenden Schicht niedergebracht, mit einem Mantelrohr verrohrt und oberhalb der wasserführenden Schicht abgedichtet wird, dass innerhalb des Mantelrohres von der Erdoberfläche ausgehend eine erste Fliessverbindung zur strukturtiefen Zone und eine zweite Fliessverbindung zur strukturhohen
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Zone der wasserführenden Schicht geschaffen wird und dass durch die zweite Fliessverbindung Gas unter
Druck in die strukturhohe Zone der wasserführenden Schicht eingepresst und nach Bedarf Wasser aus der strukturtiefen Zone der wasserführenden Schicht durch die erste Fliessverbindung indem Masse abgezo- gen wird, dass Wasser aus dem Gasspeicherraum in der strukturhohen Zone entfernt wird,
damit das ein- gepresste Gas aufgenommen werden kann.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Gas-Wasser-Grenzfläche an der Bohrung festgestellt und die Einpress- oder Entnahmerate für das Gas und die Entnahme- oderEinpressrate für das
Wasser so variiert wird, dass sich in dem Wasser an der Bohrung ein nach unten gerichteter Konus bildet und ein erhöhtes Gasvolumen an der Bohrung sowie optimale Ennahmeraten erzielt werden.
) Hauptzweck derErfindung sind ein Verfahren und Anlagen zur Nutzbarmachung unterirdischer Was- serträger als Gasspeicher ; weiterhin ein Verfahren und Anlagen zum Einpressen oder zur Entnahme von
Gas und zur gleichzeitigen Entnahme oder Einpressung von Wasser zu schaffen, um die Gas-Wasser-
Grenzfläche an der Bohrung zu kontrollieren ; ein solches Verfahren und Anlagen zu schaffen, wobei die
Permeabilität desWasserträgers und seinWiderstand gegen die Wanderung des Wassers durch diesen sowie ein Kappengestein mit niedriger Permeabilität zusammenwirken, um das gespeicherte Gas abzugrenzen ;
eine Überwachung derGas-Wasser-Grenzfläche zu schaffen und den Fluss von Gas und Wasser durch die zu demWasserträger führendenKanäle zu regulieren, um an der Bohrung einen Speicherkonus der Gas-Was- ser-Grenzfläche aufrecht zu erhalten ; und einen Gasspeicher zu schaffen, der leistungsfähig ist und bei relativ hohen Drücken eine grosse Kapazität besitzt und ferner die Landschaft weder im Aussehen noch in der Nutzbarmachung beeinträchtigt.
Weitere Zwecke und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen ersichtlich, in denen an Hand von Erläuterungen und Beispielen gewisse wesentliche
Merkmale der Erfindung veranschaulicht werden.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Gasspeichersystem, das die Merkmale der Erfindung ent- hält zu dem Zeitpunkt, in dem das Gas eingeführt und Wasser aus der wasserführenden Schicht entfernt wird, um mit der Gasspeicherung zu beginnen. Fig. 2 ist eine ähnliche Darstellung des Gasspeicher- systems, wobei die Gas-Wasser-Grenzfläche in der wasserführenden Schicht einen Speicherkonus an der
Bohrung bildet. Fig. 3 zeigt einGasspeichersystem mit einer abgeänderten Form der Anlage zum Betrieb des Speichers. Fig. 4 ist eine zeichnerische Darstellung einer abgeänderten Form von Untertageeinrich- tungen in einem Gasspeichersystem. Fig. 5 ist eine zeichnerische Darstellung einer weiteren abgeänder- ten Form vonUntertageeinrichtungen.
Fig. 6 ist eine zeichnerische Darstellung eines Gasspeichersystems, bei dem für die Gas- und Wassereinpressung und -entnahme verschiedene Bohrungen benutzt werden.
Es ist erwünscht, dass der Gasspeicher nahe bei dem Gasverteilungsgebiet in dem durch eine Erd- gasleitung versorgten Bezirk liegt. Auf Grund bekannter geologischer Daten und bekannter Verfahren zurErforschung und Messung von unterirdischen Schichten sind ausreichende Angaben über diese Schich- ten oder Formationen ermittelt. Das Gelände muss eine starke wasserführende Schicht besitzen, mög- lichst mit einer Porosität von 10 bis 30% und ein starkes Kappengestein darüber, das eine Permeabilität von 0,001 Millidarcy oder weniger besitzt. Ausserdem muss sich der Grundwasserträger in genügender
Tiefe befinden, z. B. zirka 150 m unter der Oberfläche und das darin enthaltene Wasser sollte relativ hohen Druck besitzen, um diesenDruck für das darin gespeicherte Gas zut Verfügung zu haben.
Bekannte
Methoden werden für die Erforschung und Messung unterirdischer Formationen angewendet, und das Nie- derbringen des Bohrloches erfolgt so, dass Kerne gezogen werden können, um durch Untersuchung die physikalischen Eigenschaften des Grundwasserträgers und der über dem Speicherwasserträger liegenden
Gesteinsformationen zu bestimmen. Die Bohrlöcher liefern auch Angaben über die Wasserverhältnisse untertage, sowohl über als auch unter dem Speicherhorizont, und bekannte elektrische und radioaktive
Messverfahren am Bohrloch liefern zusätzliche Angaben über primäre und sekundäre Permeabilitäts- eigenschaften des Untergrundgesteins, alles dieses nach bekannten Verfahren.
Auf Grund der vorerwähnten Angaben wird die gewünschte Lage der Bohrung bestimmt und dann wird Bohrloch l vonderOberfläche 2 durch dasKappengestein 3 und die wasserführende Schicht 4
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den Teufe, wenn die wasserführende Schicht 4 zu dick ist, und dann bei 6 verschlossen werden. Ein Mantelrohr 7 wird in das Bohrloch 1 eingeführt und herabgeführt, bis das untere Ende sich an dem verschlossenen Ende 6 des Bohrloches befindet. Dann wird das Bohrloch mit einer Dichtung 8,
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ausserhalb der Verrohrung 7 verhindert. In der in den Fig. 1-3 dargestellten Bohrung reicht das Bohr- loch 1 weit in den Grundwasserträger hinein und der Zement umgibt den darin befindlichen Teil des
Mantelrohres 7 und stützt so die Formation ; die Öffnungen 18 und 19 erstrecken sich durch Ver- rohrung und Zement.
Das obere Ende des Mantelrohres ist mit einem Rohrkopf 9 versehen, durch den i ein Steigrohr mit kleinerem Durchmesser 10 nach unten in das Mantelrohr 7 führt in einem ge- wissen Abstand zu der Bohrlochwand 11, so dass ein Ringraum 12 zwischen dem Steigrohr und der
Verrohrung entsteht. Das Steigrohr 10 reicht in die strukturtiefe Zone der wasserführenden Schicht und kann falls gewünscht, bis an das verschlossene Ende 6 des Bohrloches reichen, wobei das Steigrohr darin einen Fliesskanal 13 bildet, der eine Bodeneinlassöffnung 14 hat, die mit der strukturtiefen Zone der wasserführenden Schicht in Verbindung steht.
In der dargestellten Bohrung ist ein geeigneter
Packer oder eine andere Abdichtvorrichtung 15 in der das Steigrohr umgebenden Verrohrung in Höhe des Wasserträgers 4 installiert, der eine vollkommene Abdichtung bildet und eine untere Zone 16 und eine obere Zone 17 im Mantelrohr bildet, wobei die untere Zone mit der strukturtiefen Zone der wasserführendenSchicht in Verbindung steht durch eine Vielzahl von Öffnungen 18, durch die Wasser aus der strukturtiefen Zone der wasserfuhrenden Schicht frei in die untere Zone 16 fliessen kann.
Der
Ringraum 12 im Mantelrohr bildet einen Fliesskanal zur oberen Zone 17 oberhalb des Packers 15 und steht in Verbindung mit der strukturhohenzone der wasserführenden Schicht durch eine Vielzahl von Öffnungen 19 um die Verrohrung an und unter der Untergrenze 20 des Kappengesteins 3, wobei die Öffnungen 19 zahlreich und gross genug sein müssen, um einen angemessenen Gasfluss zu ge- währleisten.
Eine Rohrleitung 21 ist an dem Rohrkopf 9 angebracht, um den Gasfluss zu und von dem Ring- raum 12 zwischen demMantelrohr 7 und dem Steigrohr 10 zu ermöglichen. Eine Rohrleitung 22 ist an dem Steigrohr 10 angebracht und ermöglicht die Einführung oder Entfernung von Wasser aus dem Fliesskanal oder Bohrung 13 in dem Steigrohr. Das Gas kann durch jede geeignete Vorrichtung unter Druck eingepresst werden und in der dargestellten Bohrung hat eine Pipeline 23, in der Gas von einer Quelle in einVerteilungsgebiet geleitet wird, eine Fliessverbindung 24 zu der Rohrleitung 21.
Es ist zweckmässig, dass in der Verbindung 24 ein Kompressor 25 angebracht ist und dass zur Über- wachung des Gases Ventile 26, 27 und 28 eingebaut werden, so dass gegebenenfalls, wie z. B. in Zeiten geringen Spitzenbedarfes, die Vemile 26, 27 und 28 geöffnet und der Kompressor 25 in Be- trieb gesetzt werden kann, um Hochdruckgas aus der Rohrleitung 23 abzuleiten und dieses Gas mit dem erforderlichen Druck durch die Leitung 21, den Ringraum 12 und die Öffnungen 19 in die
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Zone der wasserführenden Schichtwie eine Verbindung 31 mit einem darin eingebauten Ventil 31'mit der Verbindungsleitung 24 zwischen den Ventilen 27 und 28. Dadurch kann die Verteilerleitung 29 entweder von der Pipe- line 23 oder aus dem Speicher beschickt werden.
Es besteht ausserdem eine Verbindung 32 mit einem eingebauten Ventil 32'von der Verbindungsleitung 24 zu der Pipeline 23 zwischen den Ventilen 27 und 28, um gegebenenfalls den Fluss von der Leitung 21 zurück zur Pipeline 23 zu ermöglichen.
Es wird darauf hingewiesen, dass diese Verbindungen zwischen der Pipeline und der Verteilerleitung 29 und der Leitung 21 lediglich ein Beispiel darstellen und nach herkömmlichen Methoden abgeändert werden können, um Variationen in den Gasbeförderungs- und Verteilungsmethoden zuer- möglichen.
Eine geeignete Wasserfördervorrichtung ist mit dem Steigrohr 10 verbunden oder darin eingebaut, um Wasser aus der strukturtiefen Zone der wasserführenden Schicht 4 zu befördern. Eine solche Pumpe kann aus jeder bekannten Vorrichtung von beträchtlicher Kapazität bestehen, wie z. B. eine mechanische Pumpe, beispielsweise eine elektrisch betriebene wasserdichte Pumpe, die an dem unteren Ende des Steigrohres installiert wird, oder ein Gasinjektionssystem, das Gas aus dem Ringraum 12 benutzt. In der in Fig. 1 dargestellten Bohrung ist eine Pumpe 33, wie z.
B. eine elektrisch betriebene wasserdichte Pumpe, am unteren Ende des Steigrohres 10 unterhalb des Packers 15 montiert, um Wasser aus der strukturtiefen Zone der wasserführenden Schicht 4 nach oben durch das Steigrohr 10 zu pumpen und das Wasser durch die Leitung 22 in einen Wasserbehälter 34 zu entleeren, wobei überschüssiges Wasser in geeigneter Weise beseitigt wird. Es sei angemerkt, dass bei einem Steigrohr 10 von geeigneter Grösse die Pumpe 33 indem Steigrohr 10 an einem eigenen Steigrohr mit kleinerem Durchmesser montiert werden kann. Dadurch wird der Ausbau der Pumpe ermöglicht, ohne dass es nötig ist, das Steigrohr 10 auszubauen.
Eine Pumpe 35, die eine mit demWasserbehälter 34 verbundene
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Bohrloch 60'hat eine Verrohrung 65, die im wesentlichen der Verrohrung 7 in Fig. 1 entspricht, ausser dass die Öffnungen 19 fehlen und keine Gasleitung am oberen Ende vorhanden ist. Das Steig- rohr 10 und die Pumpe 33 werden in der Verrohrung eingebaut und gestützt und im wesentlichen in der gleichen Art wie in Fig. 1 beschrieben, mit den Übertageanlagen verbunden. Der Betrieb erfolgt in gleicher Weise, so dass ein Speicherkonus für Gas in dem Wasserträger um die Verrohrung 62 entsteht.
Es sei angemerkt, dass die Erfindung sich nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Arten der
Bohrlochfertigstellung beschränkt, die nur der Veranschaulichung dienen. Die Erfindung kann auch an- dere Fertigstellungsmethoden und Variationen in denAnlagen und im Betrieb anwenden, wobei Gas und Wasser in der wasserführenden Schicht getrennt und zur und von der Oberfläche befördert werden durch eine Kombination von Fliesskanälen ; dabei können eine oder mehrere Steigrohrtouren, entweder par- allel oder konzentrisch oder der Ringraum mit dem Steigrohr benutzt werden. Die Entnahme oder För- derung von Wasser und das Einpressen von Gas braucht nicht genau gleichzeitig zu sein, sondern kann periodisch über kurze Zeitabstände erfolgen, wobei während dieser Zeitabstände keine wesentliche Bewegung derGas-Wasser-Grenzfläche stattfindet.
DerBegriff "gleichzeitig", soll hier diesen periodischen Betrieb umfassen.
Es wird betont, dass, wenn auch gewisse Formen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, diese nicht auf die spezifischen Formen oder die Anordnung von darin beschriebenen und dargestellten Teilen beschränkt ist, es sei denn, dass diese Beschränkungen in den Ansprüchen zum Ausdruck gebracht werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Schaffung eines unterirdischen Speicherraumes für gasförmige Substanzen unter Hochdruck, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bohrung bis in die strukturtiefe Zone einer wasserführenden Schicht niedergebracht, mit einem Mantelrohr verrohrt und oberhalb der wasserführenden Schicht abgedichtet wird, dass innerhalb des Mantelrohres von der Erdoberfläche ausgehend eine erste Fliessverbindung zur strukturtiefen Zone und eine zweite Fliessverbindung zur strukturhohen Zone der wasserführenden Schicht geschaffen wird und dass durch die zweite Fliessverbindung Gas unter Druck in die strukturhoheZone der wasserführenden Schicht eingepresst und nach Bedarf Wasser aus der strukturtiefen Zone der wasserführenden Schicht durch die erste Fliessverbindung in dem Masse abgezogen wird,
dass Wasser aus dem Gasspeicherraum in der strukturhohen Zone entfernt wird, damit das eingepresste Gas aufgenommen werden kann.