AT404386B - Doppelwandiger thermisch isolierter tubingstrang - Google Patents

Description

AT 404 386 B

Die Erfindung betrifft einen doppelwandigen thermisch isolierten Tubingstrang, zum Abhängen in einer Abhängvorrichtung, bestehend aus inneren und äußeren Rohren sowie einem thermisch isolierenden Spalt zwischen diesen inneren und äußeren Rohren, sowie ein Verfahren zum Einbau dieses thermisch isolierten Tubingstranges in Tiefbohrlöcher. Es ist dabei an Geothermalsonden oder Erdöl- sowie Erdgasfördersonden und Heißdampfeinpreßprojekte gedacht.

Exzellente thermische Isolationseigenschaften sind Von besonderer Bedeutung, wenn es darauf ankommt, daß das Abkühlen langsam fließender, flüssiger, warmer Medien vom unteren Ende eines in einer Tiefbohrung eingebauten Förderrohrstranges auf dem Weg nach Obertage weitgehend verhindert wird, obwohl die Temperatur im umgebenden Gestein von unten nach oben im europäischen Durchschnitt mit einem Gradienten von etwa 3'C je 100 m abnimmt.

Geothermalsonden, in denen heißes Wasser aus tiefen Schichten gefördert wird, benötigen besonders dann bestmöglich isolierte Steigrohre, wenn die Fließrate so gering ist, daß das Wasser stark abkühien würde, bevor es dem obertägigen Verbraucher als Lieferant von thermischer Energie zur Verfügung steht. Ähnlich liegt der Fall bei geschlossenen Erdwärmesonden, wo man eine Flüssigkeit zwischen den fest einzementierten Futterrohren und den konzentrisch in deren Innerem eingebauten Steigrohren in die Tiefe pumpt, dabei dem umgebenden Gestein Wärme entzieht, und dann die aufgenommene Wärmeenergie mit dem Wasser als Trägermedium nach obertage transportiert.

Bei Erdölfördersonden schließlich sind thermisch isolierte Förderrohre dann wünschenswert, wenn das Rohöl einen hohen Gehalt an Paraffinen aufweist. Ohne eine effiziente Wärmeisolation kühlt das Öl während des langsamen Fließens in Richtung Sondenkopf stark ab. Paraffin setzt sich beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur, dem Sogenannten Trübungspunkt, im Inneren der Rohre ab. Dort reduziert es den freien Querschnitt, was den Rießwiderstand erhöht und auch zum Bruch des Pumpgestänges führen kann. In den obertägigen Rohrleitungen benötigt das Verpumpen von weniger viskosem, wärmerem Rohöl einen geringeren Einsatz an Energie. Ist zudem Rohöl bereits in der Lagerstätte sehr zähflüssig, dann wird Heißdampf von obertage in das Speichergestein gepreßt, um das Öl zu verdünnnen. Anschließend wird das erwärmte Öl gefördert. Wärmeverluste sollen sowohl beim Strömen des Heißdampfes nach unten als auch in der anschließenden Gewinnungsphase so niedrig wie möglich gehalten werden.

Rohrleitungen, die mit Isolationsmaterial wie Glas- oder Steinwolle umwickelt und mit Folien oder dünnen Hüllen aus rohrförmig gewickelten Blechstreifen gegen das Eindringen von Spritzwasser geschützt werden, können auch im normalen, obertägigen Einsatz leicht undicht werden, und damit ihre Isolationseigenschaften weitgehend verlieren. Für den Einsatz unter den hohen Drücken in tiefen Bohrlöchern sind solcherart isolierte Rohrstränge absolut ungeeignet.

Rohre aus Fiberglas haben zwar eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Stahlrohre, werden jedoch eher für die Leitung korrosiver Lagerstättenmedien benützt als ihrer thermischen Eigenschaften wegen, die im allgemeinen auch nicht ausreichen würden. Zusätzlich sind der Einsatztemperatur dieser Rohre Grenzen gesetzt. Fiberglasrohre sind überdies wesentlich teurer als Stahlrohre gleicher Abmessungen und eignen sich nicht in Verbindung mit Gestängetiefpumpen. Auch die Kosten der Lagerhaltung steigen, wenn Fiberglasrohre zusätzlich zu den üblichen Ölfeldsteigrohren auf Lager gelegt werden müssen. Für die Komplettierung von Heißdampfeinpreßsonden, bei denen man besonderes Augenmerk auf eine möglichst gute Energieausbeute richtet, wird in vielen Fällen als Förder- und Einpreßleitung ein thermisch isolierter Steigrohrstrang eingebaut, der aus isolierten Rohren mit Einzellängen von etwa 9 m aufgebaut ist und eine Gesamtlänge von mehr als 1,000 m erreichen kann.

Dieser wird im Composite Catalog of Oilfield Equipment & Services (Gulf Publishing), 35th Revision 1982-83, Band I, Seite 988H (Insulated Tubing der Firma BAKER) und 40th Revision 1992-93, Band 2, Seite 2163 (Sumitomo Metal Ltd.) beschrieben.

Es sind bereits verschiedene Ausbildungen bekannt, bei welchen konzentrische Rohrpaare bauliche Einheiten bilden, die an den beiden Enden der daraus gebildeten Doppelwandrohre mit jeweils einem einzigen Anschlußgewinde versehen sind. Derartige bauliche Einheiten sind gemäß API-Norm "Range 2", etwa 9 m lang, wobei diese doppelwandigen Rohre meistens bei Fördersträngen eingesetzt werden, die 1000 m Länge übersteigen.

Diese konzentrischen Rohrpaare können auf verschiedene Weise erstellt werden, wobei bei allen an jedem Ende dieser Doppelrohre eine mechanische Verbindung, wie Schweißnähte, Stege, gemeinsame Rohrverbinder od.dgl. zwischen dem Innen- und dem Außenrohr existiert. Dies ergibt dann zwangsläufig mindestens eine metallische Wärmebrücke an jedem Ende der doppelwandigen Baueinheit, wodurch Wärmeverluste durch Wärmeleitung vorprogrammiert sind.

Bei einer ersten bekannten Ausbildung wird das Innenrohr in der Nähe beider Enden jedes Doppelrohres aufgetulpt und dicht mit dem Außenrohr verschweißt. Damit wird je Rohreinheit ein in sich geschlossener Ringspalt gebildet, der allerdings mit dem Ringspalt des nächstfolgenden Rohres keine Verbindung 2

AT 404 386 B besitzt.

Bei einer anderen bekannten Ausbildung werden die Innenrohre kürzer ausgebildet als die Außenrohre und sind mit Stegen mit den Außenrohren verbunden. Vor dem Verschrauben zweier mit Gewinden versehener Außenrohre wird ein relativ kurzes, an beiden Enden mit Dichtungen versehenes, zusätzliches Rohrstück eingesteckt, das eine Brücke zwischen den beiden verkürzten Innenrohren bildet. Zwischen den kraftschlüssig miteinander verbundenen Außenrohren und den mechanischen, nicht direkt aneinandergekoppelten, aber gegeneinander mit dichten Verlängerungsstücken verbundenen Innenrohren wird so ein über die gesamte Länge des Rohrstranges kontinuierlicher Hohlraum gebildet der im Bereich der Verbindung über Kanäle verbunden ist.

Bei einer dritten bekannten Ausbildung schließlich wird an beiden Rohrenden je ein Doppelrohrverbinder sowohl mit dem Innenrohr als auch mit dem Außenrohr verschweißt. Jeder dieser Verbinder hat in Verlängerung des Ringspaltes zwischen Innenrohr und Außenrohr achsparallele Kanäle, welche benachbarte Ringspalte untereinander verbinden. Radial innerhalb und außerhalb dieser Verbindungskanäle sind Dichtungsringe vorgesehen, um das Einbringen von Flüssigkeit in diese Verbindungswege und damit in darüber bzw. darunter liegende Ringspalte zu verhindern.

Zufolge der bereits angeführten Verbindung zwischen Innenrohr und Außenrohr bei jeder Rohreinheit ergibt sich noch ein weiterer Nachteil dahingehend, daß eine Anpassung der Längen bzw. der bei der Herstellung erfolgten gegenseitigen Vorspannung von Innen-und Außenrohren bei geänderten thermischen Bedingungen nicht möglich ist. Die Innen-und die Außenrohre sind ja bekanntlich durch das Fördergut bzw. durch das umgebende Erdreich thermisch unterschiedlich beaufschlagt, was sich in aufsteigender Richtung immer mehr verstärkt, je näher man der Oberfläche nahekommt.

Ein weiterer Nachteil dieser Doppelrohrbaueinheiten besteht übrigens auch darin, daß nach Verbindung dieser Rohreinheiten praktisch gar kein oder nur ein sehr begrenzter Zugang zum Ringspalt zwischen Innenrohr und Außenrohr möglich möglich ist. Die Mehrzahl der in der Erdölindustrie für die Untersuchung von Rohren angewandten automatischen oder halbautomatischen Methoden der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung erlauben keine oder keine sichere Erkennung von Korrosionsschäden oder Rissen, die von den beiden, den Ringspalt begrenzenden Rohrflächen oder den Verbindungselementen zwischen den beiden konzentrischen Rohren ausgehen.

Zur Vermeidung der vorstehend geschilderten Nachteile der bekannten Ausbildung besteht erfindungsgemäß der Tubingstrang aus einem aus einer Mehrzahl von mechanisch miteinander verbundenen äußeren Einzelrohren zusammengesetzten Außentubingrohrstrang und einem aus einer Mehrzahl von mechanisch miteinander verbundenen inneren Einzelrohren zusammengesetzten Innentubingrohrstrang. wobei die inneren und die äußeren Tubingrohrstränge unter Bildung eines durchgehenden Spaltes im wesentlichen über ihre gesamte Länge diskret, separat und voneinander unabhängig sind. Dadurch läßt sich die Länge der beiden konzentrischen Rohrstränge individuell an geänderte Temperatur- und Druckbedingungen anpassen, wodurch zusätzliche Spannungen bei Änderungen des Betriebszustandes der Sonde minimiert oder gänzlich vermieden werden können. Außerdem kann jedes der Rohre vor seinem Einführen in das Bohrloch obertägig mit den in der Erdölindustrie üblichen Methoden genau untersucht und auf Risse überprüft werden.

Aufgrund der vorstehend geschilderten Nachteile des bekannten Standes der Technik werden die genannten Rohre kaum verwendet, wobei sich der Einsatz der bekannten Rohre hauptsächlich auf Heißdampfinjektionen beschränkt, bei denen wegen der gewaltigen Zufuhr von Warme in relativ kurzer Zeit der Umstand, daß diese Rohre nicht perfekt isoliert sind, nicht zum Tragen kommt, da ja auch die so isolierten Rohre im Vergleich zu einfachen Stahlrohren den Qualitätsverlust des eingepreßten Dampfes zwischen Sondenkopf und Lagerstätte schon erheblich reduzieren.

In der Erdölförderung werden hingegen teilweise nur wenige Kubikmeter temperatursensibles, paraffinhaltiges Öl am Tage gefördert. Dabei ist es für die Aufrechterhaltung eines sicheren Temperaturniveaus entscheidend, ob thermisch isolierte doppelwandige, mit Vakuum beaufschlagte Tubingstränge neben der geringen Wärmeverluste durch Strahlung auch noch im Vergleich dazu größere Wärmeverluste durch mechanische Verbindung zwischen Innen- und Außenrohren an jedem einzelnen Doppelrohrende erleiden.

Vorteilhafterweise kann das untere Ende des äußeren Tubingrohrstranges mit einer entfernbaren, bis zu ihrer Deaktivierung das Eintreten von Bohrlochsflüssigkeit in den äußeren Tubingrohrstrang verhindernden Dichtvorrichtung versehen sein. Dadurch wird verhindert, daß beim Einsetzen des äußeren Tubingrohrstranges Flüssigkeit in diesen eintritt, welche dann den Zwischenraum zwischen innerem und äußerem Tubingrohrstrang füllen könnte, wodurch die thermische Isolierung gestört werden wurde. Zur Erhöhung der thermischen Isolierung kann der isolierende Spalt zwischen den beiden Tubingrohrsträngen mit einem Gas oder einer isolierenden Flüssigkeit geffüllt bzw. mit Vakuum beaufschlagt sein. Zur Sicherung der gegenseitigen axialen Position zwischen dem äußeren und dem inneren Tubingrohrstrang kann der innere Tubing- 3

AT 404 386 B rohrstrang mit dem äußeren Tubingrohrstrang entweder am oberen Ende des thermisch isolierten Tubings-tranges oder an den beiden Enden des thermisch isolierten Tubingstranges mechanisch verbunden sein. Um im Falle der Vakuumbeaufschlagung des Spaltes einen unerwünschten Abbau des Vakuums zu vermeiden, können die Einzelrohre der einzelnen Tubingrohrstränge miteinander druckdicht verbunden sein. Weiters können sowohl der innere als auch der äußere Tubingrohrstrang so ausgelegt sein, daß sie dem hohen hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule innerhalb und außerhalb des isolierten Tubingrohrstran-ges standhalten. Dies ist vor allem dann wesentlich, wenn - wie schon angeführt - der Zwischenraum mit Vakuum beaufschlagt ist.

Weiters kann der innere Tubingrohrstrang mit einer Zugspannung und der äußere Tubingrohrstrang mit Druckspannung vorgespannt sein, um Spannungen im inneren und äußeren Tubingrohrstrang infolge von Temperaturänderungen innerhalb und außerhalb des isolierten Tubingstranges im sicheren Bereich zwischen vorherbestimmten zulässigen Grenzwerten zu halten. Weiters kann zu diesem Zweck der innere Tubingrohrstrang und/oder der äußere Tubingrohrstrang mit Längsausgleichselementen zur Verhinderung oder Verminderung von axialen Spannungen infolge von Temperaturschwankungen innerhalb oder außerhalb des thermisch isolierten doppelwandigen Tubingstranges versehen sein. Schließlich können im isolierenden Spalt ein oder mehrere Abstandhalter zur gegenseitigen konzentrischen Lagesicherung der beiden einzelnen Tubingrohrstränge vorgesehen sein. Dadurch wird vermieden, daß an manchen Stellen eine Berührung zwischen innerem und äußerem Tubingrohrstrang auftritt, wodurch thermische Brücken entstehen würden, die eine unerwünschte Abkühlung des Fördergutes mit sich bringen können.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Einbau eines doppelwandigen isolierten Tubingstranges in Tiefbohrlöcher.

Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt: a) Bereitstellen eines ersten äußeren Einzelrohres mit einer, an seinem beim Einbau unteren Ende angebrachten Dichtvorrichtung, welche beim Einbauen in das Bohrloch das Eindringen von Bohrlochsflüssigkeit ins Innere dieses äußeren Rohres verhindert, b) mechanisches Verbinden eines zweiten einzelnen Außenrohres mit dem, der Dichtvorrichtung gegenüberliegenden Ende des besagten ersten äußeren Rohres, um einen äußeren Tubingrohrstrang zu bilden, c) Abhängen dieses äußeren Tubingrohrstranges in einer Abhängevorrichtung, d) Einbau eines ersten und eines zweiten inneren Rohres, die mechanisch miteinander verbunden sind und einen inneren Tubingrohrstrang bilden, im Inneren des besagten äußeren Tubingrohrstranges, wobei besagter innerer Tubingrohrstrang in einem Abstand zum besagten äußeren Tubingrohrstrang liegt, wodurch ein durchgehender thermisch isolierender Spalt zwischen dem inneren und dem äußeren Tubingrohrstrang gebildet wird, wobei es sich bei den besagten inneren und äußeren Tubingsträngen um diskrete, separate und über praktisch die gesamte Länge voneinander unabhängige Tubingrohrstränge handelt.

Dadurch wird erreicht, daß der Aufbau dieses-thermisch isolierten Tubingstranges an Ort und Stelle ohne zusätzliche Hilfsmittel erfolgen kann, wobei herkömmliche Förderrohre verwendet werden können, also keine Spezialanfertigungen von irgendwelchen Doppelrohren. Für einen besonders einfachen Einbau können jeweils mehr als zwei Einzellängen äußerer Rohre und mehr als zwei Einzellängen innerer Rohre miteinander verbunden werden. Für die Aktivierung des thermisch isolierten Tubingrohrstranges kann die Dichtvorrichtung nach dem Einbau beider Einzelrohrstränge des thermisch isolierten Tubingstranges durch Aufbringung eines Flüssigkeitsdruckes im Inneren des inneren Tubingrohrstranges oder mittels mechanischer Maßnahmen deaktiviert werden. Bevorzugterweise kann mm Angleichen des Druckes im Inneren des inneren Tubingrohrstranges an den hydrostatischen Druck an der Unterseite der Dichtungvorrichtung der innere Tubingrohrstrang vor dem Deaktivieren der Dichtvorrichtung mit Flüssigkeit gefüllt werden. Weiters kann am unteren Ende des thermisch isolierten Tubingrohrstranges ein Endstück mit dem äußeren Tubingrohrstrang und ein Dichtstück mit dem inneren Tubingrohrstrang verbunden werden, wobei dadurch eine Abdichtung zwischen innerem Tubingrohrstrang und äußerem Tubingrohrstrang erzielt wird. Solcherart wird der untere Abschluß des Ringspaltes zwischen innerem Tubingrohrstrang und äußerem Tubingstrang erreicht. Der Spalt am oberen Ende des thermisch isolierten Tubingstranges kann ebenfalls mit einer Abdichtung versehen werden, um anschließend in diesem Spalt ein Vakuum zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. Zum Sichern der Förderung kann der doppelwandige, thermisch isolierte Tubingstrang in ein mit einem Casingstrang ausgekleidetes Bohrloch eingebaut werden, wobei die Fläche des Ringquerschnittes zwischen äußerem Tubingrohrstrang und der Innenwand des Casingstranges größer als die Querschnittsfläche im Inneren des inneren Tubingrohrstranges ist. Schließlich kann am unteren Ende des thermisch isolierten Tubingstranges im Betriebszustand die Temperatur im Ringspalt zwischen Casingstrang und Tubingstrang und im Inneren 4

AT 404 386 B des inneren Tubingrohrstranges praktisch identisch sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein in der Erdölindustrie gebräuchliches isoliertes doppelwandiges Förderrohr. Fig. 2 stellt den Endbereich dieser doppelwandigen Förderrohre, wo diese Rohre miteinander verschraubt werden, dar. Fig. 3 veranschauchllcht einen erfindungsgemäßen, thermisch isolierten Tubingstrang, der aus zwei konzentrischen Tubingrohrsträngen besteht, welche an beiden Enden gegeneinander abgedichtet und an einem Ende mechanisch gegen ein axiales Verschieben gesichert sind. Fig. 4 gibt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen, thermisch isolierten Tubingstranges wieder, der aus zwei konzentrischen Tubingrohrsträngen besteht, welche an beiden Enden gegeneinander abgedichtet und gegen ein axiales Verschieben gesichert sind. Fig. 5 veranschaulicht einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Tubingstrang, mit Zentrierung durch die Rohrmuffen des inneren Tubingrohrstranges. Fig. 6 ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Tubingstrang, mit Zentrierung mit Hilfe von schlecht wärmeleitenden Zentrierkörpern. Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Tubingstrang, mit Wärmeausdehnungskompensation am inneren Tubingrohrstrang. Fig. 8 gibt einen thermisch isolierten Tubingstrang in einer geothermischen Erdsonde mit geschlossenem Kreislauf wieder. Fig. 9 veranschaulicht einen thermisch isolierten Tubingstrang in einer Fördersonde für Erdöl oder Thermalwasser. Fig. 10 zeigt im Detail einen Sondenkopf zur obertägigen Aufhängung sowie gegenseitiger Abdichtung der beiden Einzeltubingrohrsträn-ge des isolierten Tubingstranges mit einem Anschluß einer Vakuumpumpe zur Verbesserung der thermischen Isolation. Fig. 11 stellt eine untere gegenseitige Abdichtung der beiden Tubingrohrstränge des thermisch isolierten Tubingstranges mit temporärem Verschluß des Außenrohres für den Einbau in ein mit einer Flüssigkeit gefülltes Bohrloch dar.

Bei der bekannten Ausbildung gemäß Fig. 1 und 2 liegt ein an beiden Enden aufgetulptes Innenrohr 1 konzentrisch innerhalb eines Mantelrohres 2, mit dem es durch Schweißnähte im Bereich der Auftulpung mechanisch fest verbunden ist. Die Mantelrohre 2 sind an beiden Enden als Gewindezapfen ausgeführt und werden mittels Rohrmuffen 4 verbunden. Um den Innendurchgang des isolierten Steigrohrstranges annähernd konstant zu halten, wird der Bereich zwischen den Auftulpungen der Innenrohre 1 zweier miteinander verbundener Rohrelemente mit einer Einsteckhülse 3 überbrückt. Mechanisch entsprechen diese Rohrleitungen voll und ganz den Anforderungen der Tiefbohrindustrie. Ihre Wärmeisolierung im Bereich der Verschraubungen ist auch im Idealfall, bei dem keine Flüssigkeiten in den Ringraum zwischen Rohrmuffe 4 und Einsteckhülse 3 eindringt, durch die konstruktionsbedingt nötigen stählernen Wärmebrücken erheblich beeinträchtigt. Dringt Flüssigkeit zwischen Rohrmuffe 4 und Einsteckhülse 3 ein, so wird der thermische Isolationseffekt weiter beeinträchtigt. Mechanische Schäden am Innenrohr 1 als Folge der Bewegung des Pumpgestänges oder korrosionsbedingte Lecks an einem der beiden konzentrischen Rohre können zum Eindringen von Flüssigkeiten in den ansonsten mit einem Gas gefüllten zylindrischen Raum innerhalb des isolierten Rohres führen, und eine obertägig vorerst nicht erkennbare Wärmebrücke über die gesamte Länge eines isolierten Rohres bilden. Schweißnähte werden in der Tiefbohrindustrie wegen der Gefahr von Festigkeits- und Korrosionsproblemen bei Teilen, die in eine Sonde eingebaut sind, nach Möglichkeit gemieden. Die Schweißnaht zwischen Innenrohr 1 und Mantelrohr 2 kann zum Ausgangspunkt für Leckagen und damit verbundenen Wärmebrücken werden. Mit den in der Tiefbohrindustrie üblichen Methoden der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, die für einwandige Rohre entwickelt wurden, können sich anbahnende, visuell nicht erkennbare beginnende Schäden an diesen doppelwandigen Rohren nicht früh genug erfaßt werden. Der wesentliche Grund, weswegen diese Doppelrohre keine weite Verbreitung gefunden haben, liegt an den Kosten der Anschaffung, die ein Mehrfaches der Kosten einfacher Rohre betragen, den zusätzlichen Lieferfristen und Lagerhaltungskosten für diese außerhalb üblicher Standards liegenden Rohrtypen.

Fig. 3 zeigt einen doppelwandigen, thermisch isolierten Tubingstrang, der Gegenstand dieser Erfindung ist, in seiner einfachsten Form. Ein innerer Tubingrohrstrang 7 befindet sich konzentrisch im Inneren eines aus einer Mehrzahl von Einzelrohren zusammengestellten äußeren Tubingrohrstranges 5. In axialer Richtung sind die Einzelrohre der beiden Rohrstränge als mittels Gewindemuffen 6, 8 verbunden dargestellt. Diese Verbindungen müssen gegenüber den transportierten und umgebenden Medien unter den vorhandenen Druckbedingungen absolut dicht sein und können erforderlichenfalls auch durch Schweißnähte ersetzt werden. Am in der Zeichnung oben dargestellten Ende des doppelwandigen, thermisch isolierten Tubingstranges sind die Rohre mechanisch miteinander verbunden 11 und gegeneinander bei 9 abgedichtet. Dichtung 9 und Verbindung 11 können dabei in einer Baugruppe zusammengefaßt sein. Auch am unteren Ende sind die beiden Tubingrohrstränge gegenseitig abgedichtet 10. wodurch ein hermetisch abgedichteter Ringraum zwischen beiden Tubingrohrsträngen entsteht. Dieser Ringraum kann über den Anschluß 13 mit jedem beliebigen isolierenden Medium befüllt, vorzugsweise jedoch auch mit Vakuum beaufschlagt werden. 5 ΑΤ 404 386 Β

Fig. 4 ist mit Fig. 3 weitgehend identisch. Für den Fall stark schwankender Temperaturunterschiede zwischen innerem und äußerem Tubingrohrstrang oder falls axiale Bewegungen eines Pumpgestänges ständige Bewegungen zwischnen den Bauteilen der unteren Abdichtungseinheit bewirken könnten, wurde hier noch eine mechanische gegenseitige Verriegelung 12 nahe an der unteren Dichtung 10 vorgesehen.

Da Rohrleitungen kaum absolut geradlinig verlaufen, weicht die Längsachse des inneren Tubingrohr-stranges 7 in der Regel von der Längsachse des äußeren Tubingrohrstranges 5 ab. In Fig. 5 wird gezeigt, daß diese Exzentrizität dadurch begrenzt ist, daß die Muffen 8 des inneren Tubingrohrstranges 7 einen größeren Durchmesser als das Rohr 7 selbst aufweisen. Dadurch kann es im ungünstigsten Fall zu einer Linienberührung zwischen Muffe 8 und der Innenwand des äußeren Tubingrohrstranges 5 kommen, wo entlang dieser Linie geringe Wärmemengen übertragen werden.

In Fig. 6 wird die Möglichkeit illustriert, auch diese Lineinberührung von metallischen Bauteilen an den Verbindungen 8 der Einzelrohre des inneren Tubingrohrstranges 7 zu vermeiden. Als Zentrierkörper dienende Abstandshalter 14 aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit werden so am inneren Tubingrohrstrang 7 befestigt, daß es nach Möglichkeit über die gesamte Länge des doppelwandigen Tubingstranges 16 mit Ausnahme der Endbereiche zu keinerlei radialen Kontakten der metallischen Bauteile kommt.

Falls die beiden einzelnen Tubingrohrstränge an beiden Enden axial gegeneinander verriegelt werden (siehe Fig. 4), können starke Temperaturschwankungen zu unerwünschten Axialspannungen führen, die nicht durch mechanische Vorspannungen ausgeglichen werden können. Fig. 7 zeigt eine Möglichkeit, in den inneren Tubingstrang 7 ein Längsausgleichselement 15 zu integrieren, das beispielsweise durch ein Wellrohr dargestellt wurde.

Fig. 8 stellt einen nach der gegenständlichen Erfindung hergestellten doppelwandigen thermisch isolierten Tubingstrang 16 dar, der im Inneren einer mit einem einzementierten Futterrohrstrang 17 ausgekleideten tiefen Erdwärmesonde mit geschlossenem Zirkulationskreislauf eingebaut ist. Im Bereich des Sondenkopfes sind die beiden Tubingrohrstränge des doppelwandigen Tubingstranges axial fixiert 11 und gegeneinander abgedichtet 9. Am unteren Ende des isolierten Tubingstranges 16 befindet sich eine weitere Abdichtung des isolierenden Ringraumes 10, die gegebenenfalls mit einer weiteren gegenseitigen axialen Fixierung 12 beider Tubingrohrstränge verknüpft sein kann. Im Sondenkopf befindet sich auch der Anschluß für eine Vakuumpumpe zur Erzeugung des den Ringraum innerhalb des isolierten Rohrstranges isolierenden Vakuums. Zur Gewinnung thermischer Energie aus dem die Sonde umgebenden Gestein wird eine kalte Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, zwischen Futterohrstrang 17 und isoliertem Tubingstrang 16 langsam nach unten gepumpt, wobei sie sich erwärmt. Anschließend fließt sie im Inneren des isolierten Tubingstranges wegen des wesentlich geringeren Strömungsquerschnittes schnell nach oben. Dabei verhindert die Isolation des Tubingstranges nennenswerte Energieverluste an das außen nach unten strömende kältere Medium.

Die im Fig. 9 dargestellte Installation des doppelwandigen isolierten Tubingstranges in einer Produktionssonde gleicht weitgehend derjenigen in Fig. 8. Es wird allerdings hier kein kaltes Medium nach unten ins Bohrloch gepumpt, sodaß die Temperaturunterschiede zwischen Umgebung und dem im Steigrohrstrang nach oben fließenden Medium geringer ausfallen. Beim Fördern von Rohöl mit einem hohen Anteil an Paraffin kommt es aber besonders darauf an, trotz der häufig eher sehr geringen Fließgeschwindigkeit im Inneren der Steigrohre, die Temperaturabnahme zu minimieren. Die Temperatur des Rohöles und der Innenwand des inneren Tubingrohrstranges des doppelwandigen Tubingstranges werden mit Hilfe der Isolation stets oberhalb des Niveaus gehalten, unterhalb dessen sich Paraffin am Steigrohr festsetzt.

Fig. 10 zeigt eine gegenüber den Fig. 8 und 9 vergrößerte Ansicht des Sondenkopfbiereiches. Es werden die obere Abdichtung 9, die obere axiale Absicherung 11 des inneren Tubingrohrstranges 7 gegenüber dem äußeren Tubingrohrstrang 5 und der Anschluß zur Vakuumpumpe dargestellt.

Fig. 11 dient als Beispiel für die gegenseitige untere Abdichtung von innerem und äußerem Tubingrohrstrang. In dem am äußeren Tubingrohrstrang befestigten Endstück 19 sind Dichtungselemente 10 integriert. Am unteren Ende ist eine als Kolben ausgebildete Dichtvorrichtung 21 für den temporären Verschluß während des Einbaus des äußeren Tubingrohrstranges 5 ins Bohrloch fixiert. Der innere Tubingrohrstrang 7 wird mittels Dichtstück 20 an den Dichtelementen 10 gegenüber dem äußeren Tubingrohrstrang 5 bzw. dessen Endstück 19 hermetisch abgedichtet. Falls erforderlich, kann das Dichtstück 20 gegenüber dem äußeren Tubingrohrstrang 5 mit Hilfe eines branchenüblichen linksgängigen Schnappgewinde verankert werden.

Die Komplettierung einer Sonde mit einem isolierten Steigrohrstrang erfolgt entsprechend der gegenständlichen Erfindung vorzugsweise folgendermaßen :

Beginnend mit dem Endstück 19 mit integriertem temporärem Verschlußelement 21 und eingesetzten Dichtelementen 10 wird der solcherart unten verschlossene äußere Tubingrohrstrang in die Sonde einge- 6

Claims (16)

1. AT 404 386 B baut, wobei keine Flüssigkeit ins Innere des Rohres eindringt. Vorzugsweise sind mit branchenüblichen gasdichten Verbindungen versehene Stahlrohre zu verwenden. Sobald das untere Ende des äußeren Tubingrohrstranges 5 seine endgültige Position erreicht hat, wird das obere Ende des inneren Tubingrohr-stranges am Sondenkopf 18 abgesetzt. Nun erfolgt der Einbau des Dichtstücks 20 gefolgt von dem inneren Tubingrohrstrang 7, bis das Dichtstück 20 das Endstück 19 des äußeren Tubingrohrstranges 5 erreicht und dort gegen die Dichtelemente 10 abdichtet. Der innere Tubingrohrstrang wird jetzt mit einer Flüssigkeit gefüllt, und mit hydraulischem Druck die temporäre untere Dichtvorrichtung 21 des äußeren Tubingrohrstranges geöffnet. Nun, oder bereits vor dem Öffnen der unteren Dichtvorrichtung 21, wird auch der innere Tubingrohrstrang 7 am Sondenkopf abgehängt 11 und gegenüber dem äußeren Tubingrohrstrang 5 abgedichtet 9. Zur Püfung der Dichtheit des isolierenden Ringraumes innerhalb des doppelwandigen, thermisch isolierten Tubingstranges kann einige Zeit lang der Anschluß 13 für die Vakuumpumpe verschlossen und mit einem Manometer versehen werden. Steigt der Druck nach einer anfänglichen Temperaturausgleichsphase an, so würde das bedeuten, daß schadhafte Rohre oder Rohre mit ungeeigneten Verbindungen einen Zufluss ins Innere des für Ringraumes ermöglichen. Die Komplettierung wäre in diesem Fall sofort zu korrigieren. Sobald feststeht, daß der Ringraum dicht ist, wird eine Vakuumpumpe mit dem Anschluß 13 verbunden, und der Ringraum so gut wie möglich gasleer gemacht. Einer Aufnahme der Produktion oder einer Zirkulation in einem geschlossenen Kreislauf steht dann nichts mehr im Wege. Patentansprüche 1. Doppelwandiger thermisch isolierter Tubingstrang (16) zum Abhängen in einer Abhängvorrichtung (18), bestehend aus inneren und äußeren Rohren sowie einem thermisch isolierenden Spalt zwischen diesen inneren und äußeren Rohren, dadurch gekennzeichnet, daß der Tubingstrang (16) aus einem, aus einer Mehrzahl von mechanisch miteinander verbundenen äußeren Einzelrohren zusammengesetzten äußeren Tubingrohrstrang (5) und einem aus einer Mehrzahl von mechanisch miteinander verbundenen inneren Einzelrohren zusammengesetzten inneren Tubingrohrstrang (7) besteht, wobei die inneren (7) und äußeren (5) Tubingrohrstränge unter Bildung eines durchgehenden Spaltes im wesentlichen über ihre gesamte Länge diskret, separat und voneinander unabhängig sind.
2. 2. Doppelwandiger Tubingstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das untere Ende des äußeren Tubingrohrstranges (5) mit einer entfernbaren bis zu ihrer Deaktivierung das Eintreten von Bohrlochsflüssigkeit in den äußeren Tubingrohrstrang verhindernden Dichtvorrichtung (21) versehen ist.
3. 3. Doppelwandiger Tubingstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Spalt zwischen den beiden Tubingrohrsträngen (5, 7) mit einem Gas oder einer isolierenden Flüssigkeit gefüllt ist bzw. mit Vakuum beaufschlagt ist.
4. 4. Doppelwandiger Tubingstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß der innere Tubingrohrstrang (7) mit dem äußeren Tubingrohrstrang (5) entweder am oberen Ende des thermisch isolierten Tubingstranges (16) oder an den beiden Enden des thermisch isolierten Tubingstranges (16) mechanisch verbunden ist.
5. 5. Doppelwandiger Tubingstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Einzelrohre der einzelnen Tubingrohrstränge (5, 7) miteinander druckdicht verbunden sind.
6. 6. Doppelwandiger Tubingstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß der innere Tubingrohrstrang (7) mit einer Zugvorspannung und der äußere Tubingrohrstrang (5) mit Druckvorspannung vorgespannt ist.
7. 7. Doppelwandiger Tubingstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß der innere Tubingstrang und/oder der äußere Tubingstrang mit Langsausgleichselementen (15) zur Verhinderung oder Verminderung von axialen Spannungen infolge von Temperaturschwankungen innerhalb oder außerhalb des thermisch isolierten doppelwandigen Tubingstranges versehen sind.
8. 8. Doppelwandiger Tubingstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß im isolierenden Spalt ein oder mehrere Abstandhalter (14) zur gegenseitigen konzentrischen Lagesicherung der beiden einzelnen Tubingrohrstränge (7, 5) vorgesehen sind. 7 AT 404 386 B
9. 9. Verfahren zum Einbau eines doppelwandigen isolierten Tubingstranges (16) in Tiefbohrlöcher, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt: a) Bereitstellen eines ersten äußeren Einzelrohres mit einer, an seinem beim Einbau unteren Ende angebrachten Dichtvorrichtung (21), welche beim Einbauen in das Bohrloch das Eindringen von Bohrlochsflüssigkeit ins Innere dieses äußeren Rohres verhindert, b) mechanisches Verbinden eines zweiten einzelnen Außenrohres mit dem, der Dichtvorrichtung gegenüberliegenden Ende des besagten ersten äußeren Rohres, um einen äußeren Tubingrohr-strang (5) zu bilden, c) Abhängen dieses äußeren Tubingrohrstranges (7) in einer Abhängevorrichtung (18), d) Einbau eines ersten und eines zweiten inneren Rohres, die mechanisch miteinander verbunden sind und einen inneren Tubingrohrstrang (7) bilden, im Inneren des äußeren Tubingrohrstranges (5), wobei der innere Tubingrohrstrang (7) in einem Abstand zum äußeren Tubingrohrstrang (5) liegt, wodurch ein durchgehender thermisch isolierender Spalt zwischen dem inneren und dem äußeren Tubingrohrstrang (7, 5) gebildet wird, wobei es sich bei den besagten inneren und äußeren Tubingsträngen um diskrete, separate und über praktisch die gesamte Länge voneinander unabhängige Tubingrohrstränge handelt.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehr als zwei Einzellängen äußerer Rohre und mehr als zwei Einzellängen innerer Rohre miteinander verbunden werden.
11. 11. Eine Methode nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtvorrichtung (21) nach dem Einbau beider Einzeirohrstränge des thermisch isolierten Tubingstranges durch Aufbringen eines Flüssigkeitsdruckes im Inneren des inneren Tubingrohrstranges oder mittels mechanische Maßnahmen deaktiviert wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß zum Ausgleichen des Druckes im Inneren des inneren Tubingrohrstranges an den hydrostatischen Druck an der Unterseite der Dichtvorrichtung (21) der innere Tubingrohrstrang (7) vor dem Deaktivieren der Dichtvorrichtung mit Flüssigkeit gefüllt wird.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß am unteren Ende des thermisch isolierten Tubingrohrstranges ein Endstück (19) mit dem äußeren Tubingrohrstrang und ein Dichtstück (20) mit dem inneren Tubingrohrstrang verbunden werden, und daß dadurch eine Abdichtung zwischen innerem Tubingrohrstrang (7) und äußerem Tubingrohrstrang (5) erzielt wird.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet daß der Spalt am oberen Ende des thermisch isolierten Tubingstranges mit einer Abdichtung (9) versehen wird, um anschließend in diesem Spalt ein Vakuum zu erzeugen und aufrecht zu erhalten.
15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet daß der doppelwandige thermisch isolierte Tubingstrang (16) in einem mit einem Casingstrang (17) ausgekleideten Bohrloch eingebaut wird, wobei Fläche des Ringquerschnittes zwischen äußerem Tubingrohrstrang (5) und der Innenwand des Casingstranges (17) größer ist, als die Querschnittsfläche im Inneren des inneren Tubingrohrstranges (7).
16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet daß am unteren Ende des thermisch isolierten Tubingstranges (16) im Bethebszustand die Temperaturen im Ringspalt zwischen Casingstrang (17) und Tubingrohrstrang (16) und im Inneren des inneren Tubingrohrstranges (7) praktischidentisch sind. Hiezu 6 Blatt Zeichnungen 8