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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbau einer Erdwärmesonde
in ein Bohrloch, dessen Umgebungsbereich mit Hochdruck beaufschlagt wird.
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Nach
dem Stande der Technik ist es bekannt, in Bergschadensgebieten von
der Tagesoberfläche aus Bohrlöcher niederzubringen
und von diesen Bohrlöchern aus das umgebende gebräche
Gebirge durch ein unter Hochdruck eingepresstes Bindemittel (z.
B. Zementsuspension oder Kunstharzmischungen) zu stabilisieren.
Das unter Hochdruck eingepresste Bindemittel soll gegebenenfalls
vorhandene Hohlräume ausfüllen und die aufgelockerten
Gesteinsformationen miteinander verbinden. Ähnliche Verfahren
gibt es auch zur Sicherung von instabilem Baugrund. Außerdem
kennt man die Hochdruckbeaufschlagung von Gesteinsformationen, die
aufgebrochen werden sollen, um für Gas oder Flüssigkeiten
durchlässig gemacht zu werden. Bei allen diesen Verfahren
muss der aufgewendete Hochdruck erheblich größer
sein, als der der jeweiligen Bohrlochtiefe entsprechende lithostatische
Druck.
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Die
Hochdruckinjektion von Druckmittel erfolgt über in das
Bohrloch eingebaute Manschettenrohre, die in den jeweils zu beaufschlagenden
Injektionshorizonten mit Austrittsöffnungen für
das Druckmittel versehen sind. Der nach Einbau des Manschettenrohres
im Bohrloch vorhandene Raum (Ringraum) zwischen Bohrlochwandung
und Manschettenrohr wird zunächst in der Regel über
das Verpressen der untersten Stufe mit einem hydraulisch abbindenden Injektionsmaterial
aufgefüllt. Nach Erhärten dieser so genannten
Ringraumverfüllung werden die zu beaufschlagenden Injektionshorizonte
gezielt verpresst. Zur Druckbeaufschlagung des jeweiligen Injektionshorizontes
wird das Manschettenrohr von innen oberhalb und unterhalb des Injektionshorizontes
mit in das Manschettenrohr eingehängten Packern abgesperrt.
Sodann wird der Bereich zwischen den Packern mit dem unter Hochdruck
stehenden Druckmittel beaufschlagt. Das Druckmittel tritt aus den
Austrittsöffnungen aus, bricht die Ringraumverfüllung zwischen
Bohrlochwandung und Manschettenrohr auf, wobei kurzfristig Drücke
von > 20 bis > 40 bar erforderlich
sind, und dringt sodann in das umliegende Gebirge ein. Ein derartiges
Verfahren ist beispielsweise in der
DE 102 32 174 B4 beschrieben.
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Nach
dem Stande der Technik ist es weiterhin bekannt, zur Erdwärmegewinnung
aus Bohrlöchern in Bohrlöcher Erdwärmesonden
einzubauen. Diese Erdwärmesonden bestehen in der Regel
aus biegsamen PE-Rohren mit einem Außendurchmesser von
40 mm und einer Druckfestigkeit von 16 bar (maximaler Innendruck
der Erdwärmesonde). Je Bohrloch sind mindestens ein Vorlauf
und ein Rücklaufrohr vorgesehen. Diese sind im Bohrlochtiefsten mit
einem Sondenkopf zur Umkehrung der Rohrleitung versehen. Das Bohrloch
wird nach Einbringung der Erdwärmesonde mit einer Bentonit-Zementmischung
in der Regel im Contractor-Verfahren von unten nach oben aufsteigend
verfüllt und verpresst.
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Schließlich
sind nach dem Stand der Technik (
DE 43 29 269 C2 ) Erdwärmesonden
bekannt, die einen in das verrohrte Bohrloch einhängbaren Schlauch
aus dehnbarem Material aufweisen, der unten geschlossen ist und
in den ein unten offenes Zentralrohr eingesetzt wird. Danach wird
der dehnbare Schlauch durch Wasserdruck oder Heißdampf
aufgeweitet, bis er sich von innen an die verrohrte Bohrlochwandung
anlegt. Hierdurch wird in diesem Bereich ein besonders guter wärmeleitender
Kontakt zum umliegenden Gebirge hergestellt.
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Die
Gebäudebeheizung unter Verwendung von Erdwärme
ist bekanntlich energetisch außerordentlich kostengünstig.
Die für den Energiebezug eingesparten Kosten werden aber
zu einem großen Teil von den für das Niederbringen
der Bohrungen und für die Verlegung der Erdwärmesonden
benötigten Kosten aufgezehrt. In Gebieten, in denen aus
den vorgenannten Gründen ohnehin Bohrungen niedergebracht
werden müssen, könnte man die Kosten für die Erdwärmegewinnung
erheblich reduzieren, wenn es gelänge, die für
die Hochdruckbeaufschlagung ohnehin benötigten Bohrungen
zugleich für die Erdwärmegewinnung zu verwenden.
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In
diesem Zusammenhang besteht allerdings die Schwierigkeit, dass der
bei der Hochdruckinjektion aufgewendete Druck so hoch ist, dass die
Rohre der Erdwärmesonde unter dem Einfluss dieses Drucks
kollabieren. Dabei ist besonders ungünstig, dass dieser
Druck von außen auf die Rohre der Erdwärmesonde
einwirkt und diese unkontrollierbar zusammenquetscht.
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches
erstmals die Doppelnutzung von Bohrungen für die Hochdruckbeaufschlagung
einerseits und für die Erdwärmegewinnung andererseits
ermöglicht.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zum Einbau einer Erdwärmesonde
in ein Bohrloch, dessen Umgebungsbereich mit Hochdruck beaufschlagt
wird, wobei sich dieses Verfahren dadurch kennzeichnet, dass der
Einbau der Erdwärmesonde vor der Hochdruckbeaufschlagung
erfolgt und dass die Erdwärmesonde während der
Hochdruckbeaufschlagung zumindest in den vom Hochdruck beaufschlagten
Abschnitten von innen druckkompensierend abgestützt wird.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht
erstmals den Einbau von Erdwärmesonden in Bohrlöcher,
die ohnehin für die Hochdruckbeaufschlagung benötigt
werden, d. h. eine Doppelnutzung bzw. Folgenutzung dieser Bohrlöcher,
ohne deren Funktionalität im Hinblick auf die Hochdruckbeaufschlagung
oder die Erdwärmegewinnung zu beeinträchtigen.
Die Mehrkosten für den Einbau der Erdwärmesonden
sind denkbar gering und betragen nur wenig mehr, als das zusätzlich
aufgewendete Material für die Erdwärmesonde. Infolgedessen
kann z. B. in zu sanierenden Bergschadensgebieten zugleich mit einem
gesicherten Baugrund auch eine günstige Heizenergiequelle
angeboten werden. Die druckkompensierende Abstützung der
Rohre der Erdwärmesonde von innen verhindert zuverlässig
ein Kollabieren dieser Rohre im Bereich der Hochdruckbeaufschlagung,
ohne in diesem Bereich auf druckfeste Rohre aus hochfesten Materialien
angewiesen zu sein. Der Einbau der Manschettenrohre und die Verfahrensschritte
zur Hochdruckbeaufschlagung selbst verändern sich durch
den erfindungsgemäß vorgesehenen zusätzlichen
Einbau der Erdwärmesonde kaum.
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Eine
erste Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die
druckkompensierende Abstützung der Erdwärmesonde
durch ein in die Erdwärmesonde eingefülltes, druckbeaufschlagtes
Druckmedium (Gas oder Fluid) erfolgt. Auf diese Weise ist es möglich,
den für die Abstützung erforderlichen Innendruck
auf einfache Weise dem von außen auf die Rohre einwirkenden
Außendruck anzupassen. Alternativ kann die druckkompensierende
Abstützung natürlich auch durch einen entsprechend
druckfesten Feststoff erfolgen, der allerdings anschließend
wieder aus der Erdwärmesonde entfernt werden muss.
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Um
in das gesamte System der Erdwärmesonde nicht durch übermäßig
hohe Innendrücke zu belasten, ist weiterhin vorgesehen,
dass die druckkompensierende Abstützung der Erdwärmesonde nur
in einem durch Packer im Inneren der Erdwärmesonde abgesperrten
Längenbereich der Erdwärmesonde erfolgt. Da die
Erdwärmesonde im Bereich des Bohrlochs überall
auch von außen durch die Einbettungsmasse abgestützt
ist, ist der Einbau von Packern und die abschnittsweise Beaufschlagung
der Erdwärmesonde im Bereich zwischen diesen Packern problemlos
möglich.
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Alternativ
kann die druckkompensierende Abstützung der Erdwärmesonde
auch durch in die Erdwärmesonde eingeführte Stützkörper
erfolgen. Diese Stützkörper haben ggf. nur die
Länge des jeweils mit Hochdruck beaufschlagten Bohrlochabschnitts.
Die Stützkörper können gegebenenfalls
an einem Seil hängend in die Rohre der Erdwärmesonde
eingehängt werden und gegebenenfalls mit Unterstützung
eines in die Erdwärmesonde eingepressten Druckmediums (Fluid
oder Gas) verschoben werden.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich mit
einer leichten Abwandung auch dazu, Erdwärmebohrungen in
Stand zu setzen, die einerseits eine Erdwärmesonde und
andererseits ein Manschettenrohr zum Einpressen von Füllstoff
enthalten und bei denen z. B. durch Gebirgsbewegungen oder Grundwassereinflüsse
der wärmeleitende Kontakt zwischen der Erdwärmesonde
und dem umliegenden Gebirge verloren gegangen ist. Um bei einer
solchen Erdwärmebohrung den wärmeleitenden Kontakt
zwischen der Erdwärmesonde und dem umliegenden Gebirge
wieder herzustellen, ist es bekannt, die entstandenen Hohlräume
nachträglich mit einem unter Hochdruck stehenden Füllstoff
zu verpressen. Damit auch bei diesem Vorgang der unter Hochdruck
eingepresste Füllstoff die Wärmesonde nicht zerdrückt, schlägt
die Erfindung weiterhin vor, dass die Erdwärmesonde während
der Hochdruckbeaufschlagung zumindest in den vom Hochdruck beaufschlagten Abschnitten
von innen druckkompensierend abgestützt wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
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1:
Schematisch einen senkrechten Schnitt durch ein der Bergschadenssicherung
dienendes Bohrloch mit eingebautem Manschettenrohr und Erdwärmesonde
in einer ersten Ausführungsform;
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2:
einen senkrechten Schnitt durch ein Bohrloch mit eingebautem Manschettenrohr
und Erdwärmesonde in einer zweiten Ausführungsform;
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3:
schematisch einen senkrechten Schnitt durch ein Bohrloch mit eingebautem
Manschettenrohr und Erdwärmesonde in einer dritten Ausführungsform.
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In
der Zeichnung ist das von der Tagesoberfläche 1 niedergebrachte
Bohrloch mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet.
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In
diesem Bohrloch 2 befinden sich ein Manschettenrohr 3 und
eine Erdwärmesonde 4.
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Das
Manschettenrohr 3 ist in regelmäßigen Abständen
mit Durchtrittsöffnungen 5 für das unter Hochdruck
zu injizierende Bindemittel versehen. In dem Manschettenrohr 3 befinden
sich an einem Hochdruckschlauch 6 hängend weiterhin
zwei Packer 7a und 7b, die bei einer entsprechenden
Druckbeaufschlagung zwischen sich einen Längenbereich des
Manschettenrohrs 3 absperren können. Der Bereich
zwischen den beiden Packern 7a und 7b kann über
den Hochdruckschlauch 6 mit einem unter sehr hohem Druck
stehenden Bindemittel beaufschlagt werden.
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Die
Erdwärmesonde 4 besteht aus zwei parallel zueinander
verlaufenden Rohren 4a und 4b und einem U-Bogen 4c,
der im Bohrlochtiefsten die Rohre 4a und 4b miteinander
verbindet. Die Rohre der Erdwärmesonde bestehen aus einem speziellen
PE-Material, welches einerseits druckfest und andererseits für
den Dauergebrauch chemisch beständig ist.
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Der
Einbau des Manschettenrohrs 3 und des Erdwärmetauschers 4 geht
wie folgt von statten. Zunächst werden das Manschettenrohr 3 und
der Erdwärmetauscher 4 in das Bohrloch 2 eingehängt.
Sodann werden die verbleibenden Freiräume des Bohrlochs
mit einer abbindenden Füllmasse ausgefüllt, und
zwar dergestalt, dass sowohl das Manschettenrohr 3 als
auch die Erdwärmesonde 4 allseitig dicht umschlossen
werden.
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Nach
Aushärten der Füllmasse erfolgt die Hochdruck-Bindemittelinjektion
in das umliegende Gesteins. Hierzu werden die beiden Packer 7a und 7b derart
in dem Manschettenrohr 3 positioniert, dass sie den Injektionshorizont
nach unten und oben abschließen. Sodann wird der zwischen
den beiden Packern 7a und 7b befindliche Abschnitt
des Manschettenrohrs 3 über den Hochdruckschlauch 6 mit
dem unter Hochdruck stehenden Bindemittel 9 beaufschlagt.
Dieses Bindemittel 9 tritt durch die Durchtrittsöffnungen 5 hindurch,
sprengt die Füllmasse auf und dringt in das umliegende
Gestein 8 ein.
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Damit
die Rohre 4a und 4b der Erdwärmesonde 4 im
Injektionshorizont nicht zusammengedrückt werden, müssen
diese Rohre von innen druckkompensierend abgestützt werden.
Hierzu wird beim Ausführungsbeispiel nach 1 in
die Rohre 4a, 4b und 4c der Erdwärmesonde
eine Druckflüssigkeit eingegeben, die derart mit Druck
beaufschlagt wird, dass der vom Bindemittel 9 von außen
ausgeübte Druck kompensiert wird.
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Das
Ausführungsbeispiel gemäß 2 entspricht
weitgehend dem Ausführungsbeispiel gemäß 1,
so dass für die anderen entsprechenden Teile die gleichen
Bezugszeichen verwendet werden können. Hier werden allerdings
in die Rohre 4a und 4b der Erdwärmesonde 4 Packer 10 eingebracht
und verspannt, die jeweils zwischen sich den im Injektionsbereich
liegenden Längenbereich der Rohre 4a und 4b absperren.
Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zur Druckkompensation
nur der zwischen den Packern 10 liegende Abschnitt der Rohre 4a und 4b mit
einem den Bindemitteldruck kompensierenden Druck beaufschlagt.
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Das
Ausführungsbeispiel gemäß 3 entspricht
wiederum den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 mit
dem einzigen Unterschied, dass in die Rohre 4a und 4b mechanische
Stützkörper 11 eingeführt werden,
die diese Rohre jeweils im Injektionshorizont von innen druckkompensierend stützen.
Zur Verschiebung dieser Stützkörper 11,
die an Seilen 12 hängen, kann gegebenenfalls unterstützend
Druckmittel in die Rohre 4a und 4b gepumpt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10232174
B4 [0003]
- - DE 4329269 C2 [0005]