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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Perlrohr zur Behandlung von Erdbohrungen, wie z. B. Geothermiebohrungen mit einer Tiefe von mehr als 100 Metern, vorzugsweise mit einer Tiefe von mehr als 1.000 Metern.
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Bei in Deutschland durchgeführten Geothermiebohrungen, z. B. im Bereich der Molasse, werden häufig Endtiefen von 4.500 bis 5.000 Meter erreicht (gemessen von der Erdoberfläche). Die angestrebten Warmwasser führenden Gesteinsformationen (Zielschichten) in solchen Gebieten bestehen in vielen Fällen aus Kalksandstein oder Dolomiten. Die Zielschichten sind mit Rissen, Klüften und größeren Porenräumen durchsetzt, durch welche warmes Wasser ins Bohrloch gelangen und nach oben gefördert werden kann.
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Um die Produktivität bei der Stromerzeugung und/oder Wärmeerzeugung durch erhöhten Wassereintritt in die Bohrung zu verbessern und so durch erhöhten Wassereintritt höhere Leistungen bei der Stromerzeugung erzielen zu können, werden meist sogenannte Säuerungen oder Stimulationsarbeiten durchgeführt, indem die Öffnungen in der Bohrlochwand (z. B. Klüfte, Risse etc.) mit Säure, insbesondere mit Salzsäure, behandelt werden. Dazu wird ein aus mehreren Rohren zusammengesetzter Säuerungsstrang in das Bohrloch eingesetzt, welcher von der Erdoberfläche bis zu den Zielschichten führt. Eine Säuerung bzw. Stimulationsarbeit wird mit dem Ziel durchgeführt, dass die eingebrachte Säure bzw. das sonstige eingebrachte Medium mit dem Gestein der Zielschicht reagiert oder dieses derart beeinflusst, dass aus dem Gestein der Zielschicht bestehende und der Bohrung befindliche Bohrklein sich auflöst und sich so das einströmende Formationswasservolumen vergrößert. In einem Säuerungsvorgang werden bis zu 200 m3 Säure in das Bohrloch eingebracht.
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Um nach einer Säuerung bzw. Stimulationsarbeit die Wirkung derselben zu überprüfen, wird im Anschluss an einen Säuerungsvorgang ein Produktionstest (Kurzzeitpumpversuch) durchgeführt. Im Rahmen eines Produktionstests wird insbesondere überprüft, welche Wassermengen aus dem Bohrloch entnehmbar sind, ohne dass der Ruhewasserspiegel merklich absinkt. Dazu wird ein aus mehreren Rohren zusammengesetzter Produktionsstrang mit einem sogenannten Perlrohr als unterstes Rohrelement so in die Bohrung eingesetzt, dass sich das Perlrohr unterhalb des Ruhewasserspiegels befindet. Die Eintauchtiefe des Perlrohrs ist abhängig von der Höhe des Ruhewasserspiegels und der Leistungsfähigkeit des Druckluft-Equipments. Der Ruhewasserspiegel kann beispielsweise in einer Tiefe von 450 m unter der Erdoberfläche liegen. Als Perlrohre werden meist Rohre eines Produktionsstrangs oder Säuerungsstrangs mit Durchgangsöffnungen in der Rohrwand eingesetzt, die aus Qualitätsgründen nicht mehr im Bohrbetrieb eingesetzt werden sollten.
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Während eines Produktionstests wird Luft, beispielsweise über Kompressoren, von der Erdoberfläche aus in den Produktionsstrang eingebracht. Diese Luft gelangt bei ausreichend hohem Druck durch die Durchgangsöffnungen in der Rohrwand des Perlrohres sowie durch die untere Öffnung des Perlrohrs in den den Produktionsstrang umgebenden Bereich. Dort stellt sich durch die Bestrebung der Luft, nach oben zu steigen, ein nach oben gerichteter Förderstrom bestehend aus Wasser und Luftblasen ein.
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In
DE 10 2009 060 416 A1 und
DE 20 2009 017 478 U1 sind verschiedene Aspekte des Airlift-Verfahrens beschrieben. Die Schriften beziehen sich insbesondere auf die geometrische Gestaltung und Auslegung eines Perlrohres, insbesondere die Anordnung der Durchgangsöffnungen in der Rohrwand. Die Schriften nehmen jedoch keinen Bezug auf die vorstehend beschriebenen Säuerungsarbeiten.
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Derzeit werden bei den meisten Geothermiebohrungen Säuerungsarbeiten und Produktionstests mehrmals wechselweise durchgeführt. Nachteilig aufgrund des erforderlichen Zeitaufwandes und den damit verbundenen Kosten ist es dabei, dass der Säuerungsstrang und der Produktionsstrang jeweils vollständig in das Bohrloch eingebaut und anschließend wieder ausgebaut werden müssen, um die entsprechenden Arbeiten durchführen zu können.
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Ähnliche wie die vorstehend beschriebenen Arbeiten werden auch zur Behandlung von anderen Erdbohrungen, wie z. B. Erdbohrungen für die Erdöl- oder Erdgasförderung durchgeführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein Perlrohr zur Behandlung von Erdbohrungen zur Verfügung zu stellen, mittels welchen die Ein- und Ausbauzeiten und damit verbundenen Kosten reduziert werden können.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Behandlung einer Erdbohrung, bei welchem – wie im Stand der Technik – wechselweise Säuerungen oder sonstige Stimulationsarbeiten und Produktionstests durchgeführt werden, werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt:
- • Zur Durchführung der Säuerungen oder Stimulationsarbeiten wird ein aus mehreren, miteinander verbundenen Rohren bestehender Säuerungsstrang in das Bohrloch eingesetzt, um Säure oder sonstige Medien in die Bohrung einzubringen. Die Verbindung der Rohre erfolgt vorzugsweise über Schraubverbindungen. Sofern Säuerungen durchgeführt werden, wird als Säure wird vorzugsweise Salzsäure verwendet.
- • Zur Durchführung der Produktionstests wird ein aus mehreren, miteinander verbundenen Rohren bestehender Produktionsstrang mit mindestens einem Perlrohr in das Bohrloch eingesetzt, um Luft oder sonstige Gase zur Durchführung des sogenannten Lufthebeverfahrens (auch Airlift-Verfahren genannt) in die Bohrung einzubringen.
- • Nach der Durchführung einer Säuerung oder einer sonstigen Stimulationsarbeit wird der Säuerungsstrang nur teilweise aus dem Bohrloch entnommen und ausgebaut. Ein Perlrohr wird mit dem im Bohrloch verbleibenden Säuerungsstrang fest verbunden.
- • Ein Produktionsstrang wird mit dem Perlrohr und dem an dem Perlrohr befestigten Säuerungsstrang verbunden und in das Bohrloch eingesetzt, um einen Produktionstest durchzuführen.
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Üblicherweise weist der Säuerungsstrang eine viel größere Länge auf als der Produktionsstrang, z. B. eine um den Faktor 2, 3, 4 oder 10 größere Länge.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Zeiten für den Wechsel zwischen Säuerung bzw. Stimulationarbeit und Produktionstest deutlich zu reduzieren, da – insbesondere bei Säuerungssträngen mit einer Länge von mehreren eintausend Metern – nur ein geringer Teil des Säuerungsstrangs ausgebaut werden muss, um einen Produktionsstrang mit Perlrohr in das Bohrloch einsetzten und einen Produktionstest durchführen zu können. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den weiteren Vorteil, dass die Unterseite des Perlrohrs mit einem nicht gasdurchlässigen Säuerungsstrang verbunden ist. Dadurch wird verhindert, dass Luft unterhalb des Perlrohres austritt und ebenfalls in den den Säuerungsstrang umgebenden Bereich gelangen kann. Im Bereich des Perlrohres kann Luft daher nur durch die Durchgangsöffnungen in der Rohrwand des Perlrohres aus diesem austreten. Während des Produktionstests bilden sich daher ausschließlich relativ kleine Luftblasen, deren Größe im Wesentlichen durch die Größe der Durchgangsöffnungen, den erzeugten Luftdruck und die eingebrachte Luftmenge variierbar ist.
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Wenn ein Produktionstest gemäß Anspruch 1 mit einem Produktionsstrang, mindestens einem an dem Produktionsstrang befestigten Perlrohr und einem an dem Perlrohr befestigten Säuerungsstrang durchgeführt wurde, verkürzt sich auch die Zeit für den Wechsel vom Produktionstest zur nächsten Säuerung bzw. Stimulationsarbeit. Denn zur Durchführung einer Säuerung bzw. Stimulationsarbeit im Anschluss an den Produktionstest muss in diesem Fall lediglich das Perlrohr von dem Säuerungsstrang entfernt und der Säuerungsstrang durch Verbinden mit weiteren Rohrelementen so weit verlängert und in das Bohrloch abgelassen werden, bis der Säuerungsstrang die für die Säuerung bzw. Stimulationsarbeit gewünschte Länge erreicht hat.
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Es ist vorteilhaft, wenn als Rohre des Säuerungsstrangs, Rohre des Produktionsstrangs und/oder als Perlrohr(e) Rohre mit jeweils gleichem Außendurchmesser bzw. mit jeweils gleichem Gewinde verwendet werden. Durch Verwenden von Rohren mit gleichem Außendurchmesser wird das Risiko minimiert, dass sich ein aus mehreren Rohrelementen, insbesondere ein aus Produktionsstrang, Perlrohr und (Teil-)Säuerungsstrang bestehender Produktionsstrang, beim Einsetzen in das Bohrloch oder beim Entnehmen aus dem Bohrloch im Bereich eines variierenden Außendurchmessers verklemmt.
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Die Verwendung von Rohren mit gleichen Gewinden hat darüber hinaus den Vorteil, dass die der Montage- und Demontage von Rohren eines Produktionsstrangs, eines Perlrohres oder eines Säuerungsstrangs auf sogenannte Crossover-Elemente verzichtet werden kann. Derartige Elemente werden bei bekannten Verfahren häufig verwendet, um Rohre mit verschiedenen Gewinden miteinander verbinden zu können. Nachteilig daran ist jedoch, dass für die Verwendung dieser Elemente in der Regel zusätzliches Werkzeug erforderlich ist. Ferner sind beim Ein- und Ausbau von Crossover-Elementen Arbeitsschritte erforderlich, die sich von den Montage- und Demontagearbeiten unterscheiden und daher mit Zeitverlusten verbunden sind. Derartige Zeitverluste werden bei Verwendung von Rohren mit gleichen Gewinden vermieden.
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Vorzugsweise werden als Rohre des Säuerungsstrangs, Rohre des Produktionsstrangs und/oder als Perlrohr(e) Rohre mit jeweils gleichen Normschultern verwendet. Die Verwendung gleicher Normschultern, die auch als Elevatorschultern bezeichnet werden, hat den Vorteil, dass ein Rohrstrang, unabhängig davon, ob das oberste Rohr ein Rohr eines Produktionsstrangs, ein Perlrohr oder das Rohr eines Säuerungsstrangs ist, auf identische Art und Weise und mit den gleichen Vorrichtungen angehoben werden kann. Üblicherweise erfolgt die Montage und Demontage mit Hilfe von Bohrtürmen, an welchen Hebevorrichtungen zum Anheben mindestens des obersten Rohres eines Rohrstranges sowie und Vorrichtungen zur voll- oder teilautomatischen Verschraubung von Rohren zur Verfügung stehen. Der Zeitaufwand für die Montage- und Demontage eines Rohrstrangs ist besonders gering, wenn jedes Rohr (d. h. Rohre des Produktionsstrangs, Perlrohre und Rohre des Säuerungsstrangs) die gleichen Normschultern aufweisen.
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Die ausschließliche Verwendung von Rohren annähernd gleicher Länge hat den Vorteil, dass die Anhebung und Absenkung der Rohre mit Hilfe einer in einem Bohrturm oder einer sonstigen Anlage installierten Vorrichtung auch dann teil- oder vollautomatisiert erfolgen kann, wenn nicht bekannt ist, welcher Rohrtyp (Rohr eines Produktionsstrangs, eines Säuerungsstrangs oder Perlrohr) gerade angehoben oder abgesenkt werden soll. Der gleiche Vorteil ergibt sich, wenn ausschließlich Rohre verwendet werden, deren Länge einem Vielfachen der Länge der anderen verwendeten Rohre entspricht. In diesem Fall kann die vollautomatische Montage bzw. Demontage zur Optimierung der Montagezeiten derart erfolgen, dass Rohrelemente mit gleicher Länge montiert bzw. demontiert werden, wobei ein Rohrelement aus einem Einzelrohr oder aus mehreren miteinander montierten Rohren bestehen kann.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Perlrohre waren nicht für die Verbindung mit weiteren Rohren ausgelegt und sind nicht für eine Zuglastaufnahme geeignet. Eine erfindungsgemäße Ausbildung der Perlrohre ermöglicht es nicht nur, mehrere Perlrohre unmittelbar miteinander zu verbinden. Es können auch Perlrohre in verschiedenen Höhen eines Produktionsstrangs, insbesondere wechselweise mit Rohren eines Produktionsstrangs angeordnet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Perlrohr dient dazu, Luft oder sonstige Gase durch mehrere in der Rohrwand des Perlrohres angeordnete Durchgangsöffnungen in eine Erdbohrung einzubringen, um das sogenannte Lufthebeverfahren durchzuführen. Es umfasst ein erstes Gewinde zur Verschraubung mit dem Rohr eines Produktionsstrangs sowie ein zweites Gewinde zur Verschraubung eines weiteren Rohres mit dem Perlrohr. Darüber hinaus ist es anders als bekannte Perlrohre – dazu ausgelegt, Zugkräfte von mindestens 1.000 kN, bevorzugt mindestens 2.000 kN und besonders bevorzugt mindestens 3.000 kN aufzunehmen. Dies entspricht bei einer Gravitationsbeschleunigung von 9,81 m/s2 einer Masse von ca. 100 t (1.000 kN), 200 t (2.000 kN) bzw. 300 t (3.000 kN). Dadurch ist es möglich, Rohrstränge und insbesondere einen Säuerungsstrang an ein Perlrohr ”anzuhängen”, d. h. diesen mit der Unterseite eines Perlrohres zu verbinden. Ein derartiges Perlrohr ist Voraussetzung für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Wandstärke eines erfindungsgemäßen Perlrohres beträgt in einer praktischen Ausführungsform mindestens 25 mm, bevorzugt mindestens 35 mm und besonders bevorzugt mindestens 40 mm. Mit derartigen Wandstärken können erfindungsgemäße Perlrohre aus Werkstoffen realisiert werden, die auf dem Gebiet der Bohrtechnik bekannt sind und sich als geeignet erwiesen haben.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform beträgt die Länge des erfindungsgemäßen Perlrohres maximal 10 m, bevorzugt maximal 7 m und besonders bevorzugt maximal 5 m. Für Produktionsstränge und Säuerungsstränge werden häufig Rohre mit Längen zwischen 9 und 10 Metern eingesetzt. Ein Perlrohr dieser Länge hat den Vorteil, dass es in gleicher Art und Weise gestaltbar ist wie ein Rohr eines Produktionsstranges oder eines Säuerungsstranges.
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Kürzere Perlrohre, insbesondere mit Längen von weniger als 7 m oder 5 m, haben den Vorteil, dass sich diese leichter transportieren bzw. verschicken lassen.
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Weitere praktische Ausführungen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Im Zusammenhang mit den Zeichnungen wird die Erfindung anhand der Behandlung einer Geothermiebohrung beschrieben. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Behandlung von sonstigen Erdbohrungen, wie z. B. Bohrungen zur Erdöl- oder Erdgasförderung. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränken den Schutz der Erfindung daher nicht auf dieses Anwendungsgebiet. Dem Fachmann erschließt sich ohne Weiteres die analoge Anwendung für andere Erdbohrungen.
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Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Perlrohr in einer Seitenansicht,
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2 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Behandlung von Geothermiebohrungen sowie
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3 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Behandlung von Geothermiebohrungen.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Perlrohr 10 mit einem ersten Gewinde 12 zur Verschraubung mit dem nicht dargestellten Rohr eines Produktionsstrangs und mit einem zweiten Gewinde 14 zur Verschraubung eines anderen Rohres, insbesondere eines Rohres eines Säuerungsstrangs, mit dem Perlrohr. Das erste Gewinde 12 ist als sogenannte NC50 Box ausgebildet, das zweite Gewinde 14 ist als sogenannte NC50 Pin ausgebildet. Statt eines Gewindes des Typs NC50 kann selbstverständlich auch ein anderer Gewindetyp verwendet werden.
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Im oberen Bereich des Perlrohres 10 weist dieses eine Verjüngung 16 mit einer sogenannten Elevatorschulter 18 auf, die dazu dient, das Perlrohr 10 mit Hilfe einer beispielsweise an einem Bohrturm installierten Elevatoreinrichtung anheben zu können.
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In der Rohrwand 20 unterhalb der Elevatorschulter 18 sind Durchgangsöffnungen 22 angeordnet, die es Luft ermöglichen sollen, aus dem Inneren des Perlrohres 10 in den das Perlrohr 10 umgebenden Raum einer Geothermiebohrung zu strömen und somit das Airlift-Verfahren durchzuführen.
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Das in 1 dargestellte Perlrohr 10 ist rotationssymmetrisch ausgebildet und weist in Längserstreckung einen zentralen Durchlass 24 mit gleichbleibendem Innendurchmesser auf. Das Perlrohr 10 kann daher in Längsrichtung von Flüssigkeiten und Gasen durchströmt werden. Es weist eine Länge von 4,75 m auf. Der Innendurchmesser des Durchlasses 24 beträgt in der gezeigten Ausführungsform 71 mm. Er wurde speziell für eine Messonde ausgelegt, die zur Beobachtung bei der Durchführung des Airlift-Verfahrens eingesetzt wird. Die Wandstärke des in 1 gezeigten Perlrohres 10 beträgt, insbesondere in den Bereichen oberhalb und unterhalb der Verjüngung 16 und vorzugsweise über die gesamte Länge des Perlrohres 10, 70 mm.
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Der Innendurchmesser des Durchlasses anderer Perlrohre beträgt vorzugsweise 50–90 mm.
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Die 2 und 3 zeigen schematisch die wichtigsten Arbeitsschritte bei dreimaliger Behandlung einer Geothermiebohrung mit Säure gemäß dem Stand der Technik (2, Prinzipskizze) und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren (3, Prinzipskizze). Mit dem Bezugszeichen 26 ist in den 2 und 3 die Erdoberfläche 26 gekennzeichnet, mit dem Bezugszeichen 28 die Zielschicht einer Warmwasser führenden Gesteinsformation, in deren Bereich bei der Säuerung Säure eingebracht wird.
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In 2 stehen die Zahlen 1–12 für die folgenden Arbeitsschritte:
- 1. Einbau Säuerungsstrang Säuerung 1 (4.500 m)
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Säuerung 1
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- 2. Ausbau Säuerungsstrang Säuerung 1 (4.500 m)
- 3. Aufnehmen Perlrohr zusammen mit Produktionsstrang (450 m)
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Produktionstest 1
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- 4. Ablegen Perlrohr Ausbau Produktionsstrang (450 m)
- 5. Einbau Säuerungsstrang Säuerung 2 (4.500 m)
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Säuerung 2
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- 6. Ausbau Säuerungsstrang Säuerung 2 (4.500 m)
- 7. Aufnehmen Perlrohr zusammen mit Produktionsstrang (450 m)
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Produktionstest 2
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- 8. Ablegen Perlrohr zusammen mit Produktionsstrang (450 m)
- 9. Einbau Säuerungsstrang Säuerung 3 (4.500 m)
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Säuerung 3
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- 10. Ausbau Säuerungsstrang Säuerung 2 (4.500 m)
- 11. Aufnehmen Perlrohr zusammen mit Produktionsstrang (450 m)
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Produktionstest 3
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- 12. Ablegen Perlrohr zusammen mit Produktionsstrang (450 m)
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Insgesamt werden für die Durchführung von drei Säuerungen daher bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren 29.700 m Rohre montiert bzw. demontiert.
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In 3 stehen die Zahlen 1–12 für die folgenden Arbeitsschritte:
- 1. Einbau Säuerungsstrang Säuerung 1 (4.500 m)
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Säuerung 1
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- 2. Ausbau Säuerungsstrang – Aufnehmen Perlrohr (450 m)
- 3. Einbau Produktionsstrang mit Perlrohr (450 m)
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Produktionstest 1
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- 4. Ausbau Produktionsstrang – Ablegen Perlrohr (450 m)
- 5. Einbau Säuerungsstrang Säuerung 2 (450 m)
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Säuerung 2
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- 6. Ausbau Säuerungsstrang – Aufnehmen Perlrohr (450 m)
- 7. Einbau Produktionsstrang mit Perlrohr (450 m)
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Produktionstest 2
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- 8. Ausbau Produktionsstrang – Ablegen Perlrohr (450 m)
- 9. Einbau Säuerungsstrang Säuerung 2 (450 m)
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Säuerung 3
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- 10. Ausbau Säuerungsstrang – Aufnehmen Perlrohr (450 m)
- 11. Einbau Produktionsstrang mit Perlrohr (450 m)
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Produktionstest 3
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- 12. Ausbau Produktionsstrang – Ablegen Perlrohr (4.500 m)
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Insgesamt werden für die Durchführung von drei Säuerungen daher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren 13.500 m Rohre montiert bzw. demontiert. Dies entspricht einer Ersparnis von 16.200 m Rohr-Montage- bzw. Demontagearbeiten. Legt man die durchschnittliche Aus- bzw. Einbauzeit derartiger Rohre von 400 m/h zu Grunde, entspricht dies einer Ersparnis von 40,5 Arbeitsstunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Perlrohr
- 12
- erstes Gewinde
- 14
- zweites Gewinde
- 16
- Verjüngung
- 18
- Elevatorschulter
- 20
- Rohrwand
- 22
- Durchgangsöffnungen
- 24
- Durchlass
- 26
- Zielschicht
- 28
- Erdoberfläche
