DE102005044352B4

DE102005044352B4 - Verfahren zum Erzeugen eines Hot-Dry-Rock(HDR)-Wärmetauschers

Info

Publication number: DE102005044352B4
Application number: DE102005044352A
Authority: DE
Inventors: Karl Rudolf
Original assignee: Rudolf, Karl, Dipl.-Ing.
Current assignee: RUDOLF, KARL, DIPL.-ING., 86529 SCHROBENHAUSEN, DE
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2025-09-17
Also published as: DE102005044352A1; WO2007031227A1

Abstract

Verfahren zum Erzeugen eines Hot-Dry-Rock (HDR)-Wärmetauschers (18) in einer heißen Gesteinsschicht (12), mit den Verfahrenschritten:
a) Bohren einer ersten Tiefenbohrung (14) bis in die heiße Gesteinsschicht (12);
b) Einbringen eines Liners in die erste Tiefbohrung (14);
c) Perforieren des Liners gemeinsam mit der Gesteinsschicht (12) im Nächstbereich mittels einer Multi-Kleinhohlladungs-Perforationsanordnung;
d) Pressen von Wasser unter hohem Druck über die erste Tiefenbohrung (14) in die heiße Gesteinsschicht (12), um Risse in der Gesteinsschicht (12) zu bilden;
e) Einpumpen eines explosiven Materials in die erzeugten Risse in der Gesteinschicht (12) über einen Stopfen, der den Liner in der ersten Tiefbohrung (14) nahezu ausfüllt, wobei der Stopfen mit Füll- und Mischbohrungen und mit einer Zündeinrichtung für das nachfolgende Zünden des explosiven Materials versehen ist;
f) Auslösen der Detonation des explosiven Materials; und
g) Bohren wenigstens einer zweiten Tiefenbohrung (16) bis in die heiße Gesteinsschicht (12) in...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Hot-Dry-Rock (HDR) – Wärmetauschers in einer heißen Gesteinsschicht.
Erdwärme ist eine wichtige potentielle Energiequelle. Die Erdwärme kann unter der Erdoberfläche in verschiedenen Weisen gespeichert sein, zum Beispiel in Wasserdampf, in Wasser und/oder in heißen Gesteinsschichten.
Zur Erschließung der in heißen Gesteinsschichten gespeicherten Energie ist aus der US 6,247,313 B1 ein Verfahren zum Erzeugen eines HDR-Wärmetauschers bekannt. Existierende Risse im Gestein zwischen einem Vorlauf- und einem Rücklaufrohr können durch Sprengen erweitert werden. Außerdem können Risse durch hydrostatischen Druck erzeugt werden. Allerdings wird daraufhingewiesen, dass die auf diese Weise herstellbaren Risszonen in nicht vorhersagbaren Strömungsbedingungen für das zu erhitzende Wasser resultieren.
Aus der US 5,228,510 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zum Erzeugen eines HDR-Wärmetauschers in einer heißen Gesteinsschicht bekannt. Eine Flüssigkeit unter hohem Druck und/oder ein explosives Material gelangen zur Anwendung. Schwerpunkt ist insbesondere ein CPF (= controlled pulse fracturing) einer Gesteinsformation.
Aus der US 4,510,958 A1 sind flüssige, gasförmige oder gelförmige explosive Materialien bekannt. Ein Verfahren zum Erzeugen eines HDR-Wärmetauschers geht daraus nicht hervor.
Nachteilig bei den bekannten HDR-Geothermieanlagen ist es, dass sich bei dem „Hydraulic Fracturing" die Risse häufig nur entlang einer Bruchebene und nur mit geringen Spaltbreiten von bis zu etwa 3 mm bilden. Aus diesem Grund muss ein Differenzdruck von bis zu 60 bar aufgebracht werden, um ausreichend Wasser für eine wirtschaftliche Energiegewinnung durch die Gesteinsschicht pumpen zu können. Die hierfür benötigte (elektrische) Energie reduziert dementsprechend den Wirkungsgrad der Geothermieanlage erheblich.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen eines HDR-Wärmetauschers mit relativ einfachen Mitteln vorzusehen, der einen Wirkungsgrad einer mit einem solchen Wärmetauscher aufgebauten Geothermieanlage verbessert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des einzigen Anspruchs.
Das Verfahren zum Erzeugen eines Hot-Dry-Rock (HDR)-Wärmetauschers in einer heißen Gesteinsschicht umfasst gemäß der Erfindung die folgenden Schritte: Bohren einer ersten Tiefenbohrung bis in die heiße Gesteinsschicht; Pressen von Wasser unter hohem Druck über die erste Tiefenbohrung in die heiße Gesteinsschicht, um Risse in der Gesteinsschicht zu bilden; Einbringen und Zünden eines explosiven Materials in die zuvor in der Gesteinsschicht gebildeten Risse; und Bohren wenigstens einer zweiten Tiefenbohrung bis in die heiße Gesteinsschicht in einem Bereich, in dem die Risse gebildet worden sind.
Durch das Einbringen und Zünden eines explosiven Materials in die in der heißen Gesteinsschicht gebildeten Risse werden in der Gesteinsschicht weitere Schichtrisse und ein weiteres Abplatzen von Gesteinsrieseln erzeugt. Die ursprünglichen Rissbreiten können so deutlich erhöht werden, sodass der Strömungswiderstand für das durch die heiße Gesteinsschicht zu pumpende Wasser deutlich reduziert werden kann, was wiederum zu einer deutlichen Erhöhung des Wirkungsgrades der mit einem solchen Wärmetauscher aufgebauten Geothermieanlage führt.
Für das explosive Material können grundsätzlich alle im Bergbau bekannten Sprengstoffe eingesetzt werden. Vorzugsweise werden jedoch flüssige, gelförmige oder gasförmige Sprengstoffe verwendet, da diese über die erste Tiefenbohrung zunächst getrennt eingebracht werden können und erst vor Ort gemischt werden.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung besser verständlich. Darin zeigt die einzige 1 eine schematische Perspektivansicht einer Geothermieanlage nach dem HDR-Verfahren.
1 zeigt stark vereinfacht den Aufbau einer Geothermieanlage, die nach dem HDR-Verfahren funktioniert. Die heiße Gesteinsschicht 12 (z.B. Granit, Basalt, Gneis und dergleichen) mit einer Temperatur von über 100°C (z.B. 130–150°C) befindet sich beispielsweise etwa 4.000–6.000 m unterhalb der Erdoberfläche 10.
Beim HDR-Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt zunächst eine erste Tiefenbohrung 14, die als Injektionsbohrung dienen soll, mittels geeigneter Bohreinrichtungen, wie sie zum Beispiel auch bei der Erdöl- und Erdgasförderung eingesetzt werden, bis in die heiße Gesteinsschicht 12 gebohrt. Anschließend wird, wie dies ebenfalls zum Beispiel aus dem Bereich der Erdöl- und Erdgasförderung bekannt ist, ein Stahlliner in die erste Tiefenbohrung 14 abgelassen, der dann gemeinsam mit der Gesteinsschicht 12 im Nächstbereich mittels einer Multi-Kleinhohlladungen-Pertorationsanordnung perforiert wird.
Anschließend wird über diese erste Tiefenbohrung 14 Wasser mit hohem Druck von bis zu 400 bar in die Gesteinsschicht gepresst, sodass im Naturgestein 12 ein vielschichtiges, sehr großflächiges Aufreißen erreicht wird („Hydraulic Fracturing"). Während dieses Aufreißens der Gesteinsschicht 12 platzt mehr oder weniger bis gar kein Gesteinsriesel ab, sodass sich im günstigsten Fall nur Spaltbreiten von bis zu 3 mm bilden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun in die so erzeugten Risse in der Gesteinsschicht 12 ein explosives Material eingepumpt. Dies kann zum Beispiel über einen Stopfen erfolgen, der den Stahlliner in der ersten Tiefenbohrung 14 nahezu ausfüllt. Der Stopfen ist mit geeigneten Füll- und Mischbohrungen sowie einer Zündeinrichtung für das nachfolgende Zünden des explosiven Materials versehen.
Detonationsfähige Sprengstoffe mit unterschiedlichen Stoßwelleneigenschaften sind aus dem zivilen Bergbau bekannt. Vorteilhaft bei flüssigen, gelförmigen und gasförmigen Sprengstoffsystemen, wie zum Beispiel Wasserstoff/Sauerstoff, Acetylen/Sauerstoff und dergleichen ist, dass diese getrennt bis zum Stopfen in der ersten Tiefenbohrung 14 niedergebracht und erst dort entsprechend vermischt werden. Dies erhöht die Sicherheit beim Umgang mit diesen Sprengstoffen wesentlich. Die Wahl des optimalen Sprengstoffsystems wird im Wesentlichen durch die Kluftigkeit der Gesteinsschicht 12 und die kritische Dicke des Sprengstoffs festgelegt.
Nach dem Auslösen der Detonation des eingebrachten explosiven Materials läuft eine Detonationsfront durch die Risse in der Gesteinsschicht 12, wobei lateral gleichzeitig eine Stoßwelle von beiden Seiten einer Schichtplatte eingeleitet wird. Nach dem Aufeinanderprallen dieser beiden Stoßwellenfronten etwa in der Mittelfläche der Schichtplatten erfolgt eine Reflexion der Stoßwellen. Bei ausreichender Stärke der Stoßwellen folgt infolge der Zugwelle und der hohen Sprödigkeit derartigen Gesteins 12 die Bildung weiterer Schichtrisse. Sobald die reflektierten Stoßwellen wieder die „freien" Oberflächen der Schichtplatten erreichen, treten aufgrund der Gesteinseigenschaften „Abplatzer" von Gesteinsmaterial auf, die zu der gewünschten verstärkten Rieselbildung führen. Dieser Effekt wird außerdem durch die „statische" Druckerhöhung auf ein Vielfaches im Vergleich zu dem Zeitpunkt vor der Detonation unterstützt, wodurch die ursprünglichen Rissbreiten zusätzlich vergrößert werden und ein Abplatzen von Gesteinsriesel begünstigt wird.
Nachdem auf diese Weise in der heißen Gesteinsschicht 12 ein Wasserweg mit einem gegenüber den herkömmlichen Systemen deutlich reduzierten Strömungswiderstand aufgrund der größeren Rissbreiten geschaffen worden ist, wird in dem Bereich der Rissbildung in der Gesteinsschicht 12 wenigstens eine zweiten Tiefenbohrung 16, die als Produktionsbohrung dienen soll, analog zu der ersten Tiefenbohrung 14 gebohrt.
Die ersten und zweiten Tiefenbohrungen 14, 16 werden im Allgemeinen möglichst parallel zur Hauptspannungsrichtung des Gesteins abgeteuft und müssen nicht unbedingt jeweils gleich tief gebohrt werden.
Der so gebildete unterirdische Wärmetauscher 18 in der heißen Gesteinsschicht 12 bildet eine Hauptkomponente einer Geothermieanlage, deren übrigen Komponenten nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind und dem Fachmann außerdem hinlänglich bekannt sind.
Durch die erste Tiefenbohrung (Injektionsbohrung) 14 wird Wasser in die heiße Gesteinsschicht 12 gepumpt, welches dann durch das Kluftsystem in der Gesteinsschicht 12 zu der wenigstens einen zweiten Tiefenbohrung (Produktionsbohrung) 16 strömt und über diese zur Erdoberfläche 10 gefördert wird. Innerhalb der heißen Gesteinsschicht 12 nimmt das Wasser Wärme aus der Gesteinsschicht 12 auf (Wärmetauscher 18) und wird erwärmt. Das so erwärmte Wasser wird oberhalb der Erdoberfläche 10 durch einen weiteren Wärmetauscher 20 geleitet, wo ihm die Wärme wieder entzogen wird und zur Gewinnung von Energie (Wärme, Strom) genutzt wird. Das in dem weiteren Wärmetauscher 20 abgekühlte Wasser wird dann wieder in die heiße Gesteinsschicht 12 zurück gepumpt. Zusätzlich ist ein Wasserspeicher 22 vorgesehen, um die beim Hindurchleiten des Wassers durch die heiße Gesteinsschicht 12 verloren gegangene Wassermenge auszugleichen.
Das oben anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschriebene Verfahren zum Erzeugen eines Wärmetauschers für eine Geothermieanlage nach dem HDR-Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Strömungswiderstand in dem so erzeugten unterirdischen Wärmetauscher gegenüber herkömmlichen Systemen deutlich reduziert ist, weshalb das Wasser mit einem geringeren Druck durch den unterirdischen Wärmetauscher geleitet werden kann, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Geothermieanlage wesentlich erhöht wird.

10: Erdoberfläche
12: Heiße Gesteinsschicht
14: Erste Tiefenbohrung
16: Zweite Tiefenbohrung
18: (unterirdischer) Wärmetauscher
20: Wärmetauscher
22: Wasserspeicher

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Hot-Dry-Rock (HDR)-Wärmetauschers (18) in einer heißen Gesteinsschicht (12), mit den Verfahrenschritten: a) Bohren einer ersten Tiefenbohrung (14) bis in die heiße Gesteinsschicht (12); b) Einbringen eines Liners in die erste Tiefbohrung (14); c) Perforieren des Liners gemeinsam mit der Gesteinsschicht (12) im Nächstbereich mittels einer Multi-Kleinhohlladungs-Perforationsanordnung; d) Pressen von Wasser unter hohem Druck über die erste Tiefenbohrung (14) in die heiße Gesteinsschicht (12), um Risse in der Gesteinsschicht (12) zu bilden; e) Einpumpen eines explosiven Materials in die erzeugten Risse in der Gesteinschicht (12) über einen Stopfen, der den Liner in der ersten Tiefbohrung (14) nahezu ausfüllt, wobei der Stopfen mit Füll- und Mischbohrungen und mit einer Zündeinrichtung für das nachfolgende Zünden des explosiven Materials versehen ist; f) Auslösen der Detonation des explosiven Materials; und g) Bohren wenigstens einer zweiten Tiefenbohrung (16) bis in die heiße Gesteinsschicht (12) in einem Bereich, in dem die Risse gebildet worden sind, wobei als explosives Material ein flüssiges, gelförmiges oder gasförmiges Material verwendet wird.