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Verfahren zum Anlegen von Lagerbehältern in einer durchlässigen Erdformation
Die Erfindung bezieht sich auf das Lagern von fließfähigen Medien in unterirdischen
porösen Formationen und besteht darin, unterirdische Lagerbehälter dadurch herzustellen,
daß eine Begrenzung innerhalb der durchlässigen unterirdischen Formation angeordnet
wird.
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Es besteht die Wahrscheinlichkeit, daß die Kosten für die Schaffung
unterirdischer Lagerräume in durchlässigen Formationen, insbesondere in durchlässigen
Sandformationen, erheblich niedriger sind als die I(osten für die Herstellung von
unterirdischen Lagerbehältern der bis jetzt gebräuchlichen Bauart.
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Genauer gesagt bietet die Schaffung eines unterirdischen Lagerraums
innerhalb einer durchlässigen Sandformation den Vorteil, daß es nicht erforderlich
ist, das Material der Formation durch Auswaschen oder Ausbaggern zu entfernen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens
zum Verlagern einer Strömungsmittelsperre innerhalb einer durchlässigen unterirdischen
Formation, wobei die Sperre eine bestimmte Form besitzt. In Verbindung hiermit besteht
ein weiteres Ziel der Erfindung darin, ein Verfahren vorzusehen, das es ermöglicht,
eine Strömungsmittelsperre innerhalb der unterirdischen Formation festzulegen, nachdem
die Sperre die gewünschte Form angenommen hat.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können fließfähige Medien innerhalb
natürlich vorkommender unterirdischer Formationen zusammengehalten werden, wobei
es möglich ist, die zu lagernden Medien ohne Schwierigkeiten einzuführen und wieder
zu entnehmen, und wobei weder zu hohe Verluste noch übermäßige Kosten zu erwarten
sind.
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Allgemein gesprochen sieht die Erfindung ein Verfahren vor, um einen
Raum zum Aufnehmen eines fließfähigen Mediums in einer durchlässigen Formation zu
erzeugen, die durch eine waagerecht verlaufende, relativ undurchlässige Schicht
abgegrenzt wird; das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt Maßnahmen, um ein eine Sperre
bildendes Strömungsmittel innerhalb der durchlässigen Formation in der Umgebung
eines Bohrlochs zu verlagern, das sich mindestens durch einen Teil der durchlässigen
Formation erstreckt, um mit Hilfe des die Sperre bildenden Strömungsmittels eine
lückenlose, senkrecht verlaufende, in sich geschlossene Wand zu erzeugen, die das
Bohrloch in der Weise umgibt, daß sie mit der relativ undurchlässigen Schicht in
Berührung steht und von dem Bohrloch durch einen Abstand getrennt ist, sowie um
diese Wand in der erwähnten Lage zu halten.
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Gemäß der nachstehenden eingehenden Beschreibung können sich erhebliche
Unterschiede zwischen den verschiedenen Maßnahmen ergeben, die gemäß der Erfindung
angewendet werden, um das die Sperre bildende Strömungsmittel zu verlagern, die
Sperre zu erzeugen und sie in ihrer Lage zu halten. Ferner kann es sich bei der
waagerecht verlaufenden, relativ undurchlässigen Schicht, die an die durchlässige
Formation angrenzt, in welcher der Aufnahmeraum ausgebildet werden soll, entweder
um eine natürliche Formation oder um eine künstlich erzeugte Sperrschicht handeln.
Weiterhin kann der Aufnahmeraum je nachdem, welches spezifische Gewicht das zu lagernde
Strömungsmittel aufweist, entweder oberhalb oder unterhalb der waagerecht verlaufenden,
relativ undurchlässigen Schicht angelegt werden.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1, 2 und 3 veranschaulichen jeweils in einem senkrechten Schnitt
aufeinanderfolgende Schritte zum Herstellen und Benutzen eines unterirdischen Lagerbehälters
in einer durchlässigen Formation, die unter einer relativ undurchlässigen Schicht
liegt; Fig.4 ist ein schematischer senkrechter Schnitt durch einen gemäß F i g.
1 bis 3 hergestellten Lagerbehälter, der jedoch dadurch gekennzeichnet ist, daß
er in einer durchlässigen Formation angelegt ist,
welche oberhalb
einer relativ undurchlässigen Schicht verläuft; F i g. 5 ist ein schematischer senkrechter
Schnitt durch eine durchlässige Formation, in der künstlich eine undurchlässige
Schicht erzeugt worden ist; F i g. 6 zeigt schematisch im Grundriß einen Satz von
einzelnen Behältern ähnlich den in Fig. 1 bis 4 gezeigten, die die Begrenzung einer
relativ großen Behälterzone bilden; Fig.7 ist ein schematischer senkrechter Schnitt
durch eine Formation, in der eine einem Vorhang ähnelnde Wand erzeugt worden ist,
die einen Abschnitt einer Begrenzung für einen Behälter bildet; Fig. 8 zeigt schematisch
im Grundriß bzw. in einem waagerechten Schnitt einen Satz von Vorhängen de-r in
F i g. 7 dargestellten Art, die insgesamt die Umfangswand eines unterirdischen Behälters
bilden; Fig.9 ist ein schematischer senkrechter Schnitt durch eine Formation, in
der ein Behälter für ein Strömungsmittel gemäß einer Ausbildungsform der Erfindung
angelegt worden ist, wobei die Behälterwand durch einen dynamischen Strömungsmittelkegel
gebildet wird; Fig. 10 ist ein waagerechter Schnitt längs der LinieX-XinFig. 9;
Fig. 11 ist ein schematischer senkrechter Schnitt durch eine Formation, in der ein
Kegel erzeugt worden ist, der im wesentlichen dem in F i g. 9 gezeigten entspricht,
wobei jedoch die Wände des Kegels zum Erstarren gebracht worden sind, so daß sie
eine feste Sperre bilden; F i g. 12 ist ein schematischer senkrechter Schnitt durch
eine Formation, in der ein Behälter angelegt worden ist, der im wesentlichen dem
Behälter nach Fig. 9 entspricht, wobei der kegelförmige Behälter nach Fig. 12 jedoch
im Vergleich zu demjenigen nach F i g. 9 umgekehrt angeordnet ist.
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In F i g. 1, 2 und 3 erkennt man eine Tiefbohrung 10, die sich durch
eine undurchlässige Formation 11 und teilweise durch eine durchlässige Sandformation
12 erstreckt, in der ein Lagerbehälter angelegt werden soll. Längs des Bohrlochs
10 erstreckt sich ein Verrohrungsstrang13, dessen unferer Abschnitt bei 14 mit Öffnungen
versehen ist und sich durch die durchlässige Formation 12 erstreckt. Ein Rohrstrang
15 ist konzentrisch in der Verrohrung 13 angeordnet und erstreckt sich so weit nach
unten, daß sein offenes Ende etwas über das untere Ende der Verrohrung 13 hinausragt.
Damit ein Strömungsmittel sowohl durch die Verrohrung 13 als auch durch den Rohrstrang
15 zugeführt werden kann, ist eine Verschlußkappe 16 vorgesehen, die das obere Ende
der Verrohrung 13 verschließt und mit Dichtungsmitteln verstehen ist, so daß der
Rohrstrang 15 durch die Verschlußkappe 16 hindurchgeführt werden kann.
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Eine Rohrleitung 17 führt unterhalb der Verschlußkappe 16 zum Inneren
der Verrohrung 13.
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F i g. 1 zeigt die anfängliche Verwendung des Bohrlochs 10, das hier
dazu dient, eine Gellösung 20 in die durchlässige Formation 12 einzuführen. Die
Lösung 20 wird über die ganze Länge des gelochten Abschnitts der Verrohrung 13 zugeführt,
der sich von der Unterseite der undurchlässigen Formation 11 bis zum unteren Ende
der Verrohrung 13 erstreckt. Es sei bemerkt, daß der Zweck des Zuführens der Gellösung
darin besteht, eine ringförmige Wand in der Umgebung des Bohrlochs 10 und in einem
Abstand von dem Bohrloch zu erzeugen. Damit eine solche
Wand hergestellt werden kann,
ist es erforderlich, eine Gellösung zu verwenden, die mit einer ausreichenden zeitlichen
Verzögerung in der Formation erhärtet. Man kann die verschiedensten an sich bekannten
Gellösungen verwenden, bei denen die Erhärtung mit einer Verzögerung eintritt. Eine
solche, besonders geeignete Lösung enthält ein wasserlösliches Silikat und einen
Stoff, der ein Gel erzeugt, wobei verschiedene Silikate und Gele erzeugende Stoffe
zusammen mit den zu verwendenden anteiligen Mengen und den Erstarrungszeiten bekanntgeworden
sind.
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Gleichzeitig mit dem anfänglichen Einführen der Gellösung 20 in die
Formation 12 wird ein wässeriges Strömungsmittel, z. B. Lagerstättenwasser, in die
Formation 12 unterhalb der Verrohrung 13 über den Rohrstrang 15 eingeführt. In F
i g. 1, 2 und 3 ist diese Zone, der das wässerige Strömungsmittel zugeführt wird,
mit 21 bezeichnet. Der Zweck des Zuführens dieses wässerigen Strömungsmittels besteht
darin, die Zone 21 der durchlässigen Formation unterhalb der Verrohrung 13 von der
Gellösung 20 freizuhalten.
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Nachdem zunächst die Gellösung und das wässerige Strömungsmittel
gemäß F i g. 1 gleichzeitig zugeführt worden sind, wird die Lösung 20 gegenüber
dem Bohrloch 10 seitlich nach außen verlagert, damit eine ringförmige Wand 9 entsteht.
Um diese Verlagerung der Lösung 20 und das Entstehen der ringförmigen Wand 9 zu
bewirken, wird die Zufuhr der Gellösung 20 beendet, und über die Öffnungen 14 des
gelochten Abschnitts der Verrohrung 13 wird dann ein wässeriges Strömungsmittel
zugeführt, wie es in F i g. 2 dargestellt ist, so daß sich die in F i g. 2 mit 22
bezeichnete Zone ausbildet. Sowohl während des anfänglichen Zuführens der Gellösung
20 als auch bei der nachfolgenden Zufuhr des wässerigen Strömungsmittels 22 wird
das Zuführen des wässerigen Strömungsmittels zu der Zone 21 der Formation 12 unterhalb
der Verrohrungl3 fortgesetzt, damit die Gellösung nicht in die Zone 21 eindringen
kann. Nachdem die Gellösung 20 gegenüber dem BohrlochlO um die gewünschte Strecke
nach außen verlagert worden ist, wird die Zufuhr des wässerigen Strömungsmittels
22 so geregelt, daß die Gellösung in Form einer relativ ortsfesten ringförmigen
Wand 9 festgehalten wird, die sich um die Tiefbohrung 10 herum erstreckt. Die Lage
der Gellösung 20 gegenüber dem Bohrloch 10 kann mit Hilfe verschiedener Mittel festgestellt
werden, z. B. mit Hilfe von Meßgeräten oder Beobachtungsbohrungen. Nachdem die ringförmige
Wand 9 in die gewünschte Lage gebracht worden ist, kann die Gellösung 20 eine starre
undurchlässige Masse bilden, die dann ihre endgültige Lage beibehält.
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Fig. 3 zeigt das Bohrloch 10, nachdem die Gellösung 20 erstarrt ist
und eine ringförmige Wand 9 gebildet hat, die an ihrem oberen Ende mit der undurchlässigen
Formation 11 in Berührung steht. Bei diesem Zustand der Anlage steht der Raum innerhalb
der ringförmigen Wand 9 in Verbindung mit der unteren Zone 21 der durchlässigen
Formation 12, da über den Rohrstrang 15 ständig ein wässeriges Strömungsmittel zugeführt
wurde. Nach der Herstellung der in F i g. 3 gezeigten Wand 9 aus der Gellösung 20
bleibt das wässerige Strömungsmittel in der Formation 12 innerhalb der Ringwand
9 eingeschlossen, und dieses Strömungsmittel übt einen statischen Druck auf jedes
Strömungsmittel aus, das in die Formation 12 über das Bohrloch 10 eingeleitet wird.
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Das Bohrloch 10 wird so ausgerüstet, daß man über das Bohrloch ein
Strömungsmittel einführen kann, das leichter ist als das zuvor zugeführte wässerige
Strömungsmittel. In einem typischen Fall kann es sich bei dem in die Formation 12
eingeleiteten wässerigen Strömungsmittel um eine Sole handeln, während es sich bei
dem zu lagernden leichteren Strömungsmittel z. B. um Erdgas handeln kann. Ein Packer
23 wird mit abdichtender Wirkung in den Ringraum zwischen dem Rohrstrang 15 und
der Verrohrung 13 eingebaut, damit ein leichteres Strömungsmittel über die Verrohrung
in den oberen Teil der Formation 12 eingeleitet werden kann. Gemäß F i g. 3 wurde
bei 24 Erdgas in den durch die Ringwand9 abgegrenzten Teil der Formation 12 eingeleitet.
Hierbei hat das Erdgas 24 das wässerige Strömungsmittel innerhalb der Ringwand 9
nach unten bis zu der mit 25 bezeichneten Linie verdrängt. Wenn das Erdgas 24 in
dieser Weise innerhalb der Ringwand 9 gespeichert wird, kann man zusätzliche Gasmengen
dadurch einlagern, daß man das zusätzliche Gas in den von der Ringwand 9 umschlossenen
Raum hineindrückt; das gespeicherte Erdgas 24 kann dem Raum innerhalb der Ringwand
9 dadurch entnommen werden, daß man zuläßt, daß der statische Druck des wässerigen
Strömungsmittels innerhalb der Ringwand das Erdgas 24 über die Verrohrung 13 nach
oben drückt, so daß das Erdgas über die Rohrleitung 17 entnommen werden kann.
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Fig. 4 zeigt eine Anordnung, die sich von derjenigen nach F i g.
1 bis 3 nur dadurch unterscheidet, daß die der undurchlässigen Formation 11 in F
i g. 1 bis 3 entsprechende undurchlässige Formation 26 nicht oberhalb der durchlässigen
Formation 27 entsprechend der Formation 12 nach Fig. 1 bis 3, sondern unterhalb
der Formation 27 liegt. In F i g. 4 ist die mit Hilfe der Gellösung hergestellte
Ringwand mit 30 bezeichnet; sie kann im wesentlichen in der an Hand von Fig. 1 bis
3 beschriebenen Weise hergestellt werden.
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Bezüglich ihrer Anwendungsweise unterscheidet sich die Anordnung
nach F i g. 4 von derjenigen nach Fig. 3 dadurch, daß das mit 31 bezeichnete zu
lagernde Strömungsmittel schwerer ist als das mit 32 bezeichnete wässerige Strömungsmittel.
Um diesen Unterschied zu berücksichtigen, wird das zu lagernde Strömungsmittel über
die Rohrleitung33 zugeführt bzw. entnommen, die der Rohrleitung 15 in F i g. 1 bis
3 entspricht. Ebenso wie bei der Herstellung des Behälters nach Fig. 1 bis 3 wird
die Gellösung zur Herstellung der Ringwand 30 zunächst über die Verrohrung 34 zugeführt,
die der Verrohrung 13 in F i g. 1 bis 3 entspricht, woraufhin die Lösung nach außen
verlagert wird. Um die Herstellung und Benutzung des Lagerbehälters nach F i g.
4 zu erleichtern, werden geeignete Dichtungsmittel zwischen dem Rohrstrang 33 und
der Verrohrung 34 angeordnet, wie es beim Komplettieren von Tiefbohrungen bekannt
ist.
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Fig. 5 zeigt eine Anordnung zum Erzeugen einer waagerecht verlaufenden,
relativ undurchlässigen Schicht 35 innerhalb einer durchlässigen Formation 37; dieses
Verfahren wird dann angewendet, wenn keine natürlichen undurchlässigen Formationen
vorhanden sind, um die Herstellung unterirdischer Behälter der an Hand von Fig.
1 bis 4 beschriebenen Art zu ermöglichen. Es sei jedoch bemerkt, daß sich die Verwendung
der undurchlässigen Schicht 35 nach
F i g. 5 nicht auf die Anordnungen nach F i g.
1 bis 4 beschränkt, und daß man eine solche Schicht auch bei allen übrigen Ausbildungsformen
der Erfindung vorsehen kann. Ferner kann man eine gemäß F i g. 5 hergestellte undurchlässige
Schicht 35 dort vorsehen, wo es erforderlich ist, eine undurchlässige Schicht oberhalb
oder unterhalb eines herzustellenden Lagerbehälters zur Verfügung zu haben.
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Die Herstellung der waagerecht verlaufenden, relativ undurchlässigen
Schicht 35 nach F i g. 5 entspricht im wesentlichen einem bekannten Verfahren zur
Erzeugung einer begrenzten undurchlässigen Partie in einer Lagerstätte zur Verhinderung
des sogenannten »water-coning«. Zur Erzeugung der undurchlässigen Schicht 35 wird
zunächst eine den beschriebenen Verrohrungen 13 und 34 entsprechende Verrohrung
36 in der durchlässigen Formation 37 niedergebracht, in der die Schicht 35 erzeugt
werden soll. Hierauf wird ein Rohrstrang 44, der am unteren Ende geschlossen und
oberhalb des unteren Endes mit Öffnungen 41 versehen ist, gemäß F i g. 5 in die
Verrohrung 36 eingeführt. Die Öffnungen 41 werden gegenüber einem gelochten Abschnitt
der Verrohrung 36 auf der Höhe angeordnet, wo die undurchlässige Schicht 35 erzeugt
werden soll. Um die Schicht 35 zu konzentrieren bzw. um ihr eine bestimmte Dicke
zu verleihen, werden Packer 42 und 43 zwischen dem Rohrstrang 40 und der Verrohrung
36 über und unter den Öffnungen 41 angeordnet. Die Packer 42 und 43 greifen mit
abdichtender Wirkung an einem Rohrabschnitt 44 an, der es einem Strömungsmittel
ermöglicht, aus dem Teil der Verrohrung 36 oberhalb der Packer 42 und 43 zu dem
unter diesen Packern liegenden Teil der Verrohrung zu gelangen.
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Benutzt man die Anordnung nach F i g. 5 zum Erzeugen einer undurchlässigen
Schicht3S, ist es nur erforderlich, ein Dichtungsmaterial über die Rohrleitung 40
zuzuführen, während gleichzeitig ein keine Abdichtung bewirkendes Strömungsmittel,
z.B. Öl, über die Verrohrung 36 zugeführt wird. Bei dem Dichtungsmaterial kann es
sich um jedes fließfähige Medium handeln, das eine Masse bildet, die weder in Wasser
noch in Öl löslich ist. Zu den verschiedenen verwendbaren Materialien gehören zahlreiche
Harze, Kunstharze, verschiedene Kunststoffe und verschiedene Arten von Gelen und
Gummisorten. Wird ein solches Abdichtungsmaterial über den Rohrstrang 40 zugeführt,
tritt es in die durchlässige Formation 37 über die Öffnungen 41 zwischen den Packern
42 und 43 ein, wobei das Material die Löcher in der Verrohrung 36 zwischen den Dichtungspackungen
passiert. Die keine Abdichtungswirkung hervorrufende Flüssigkeit, die über die Verrohrung
36 zugeführt wird, durchströmt den Rohrabschnitt 44 und gelangt über die Öffnung
der Verrohrung unterhalb des unteren Packers 43 in die Formation 37. Der Zweck des
Zuführens eines keine Abdichtung bewirkenden Strömungsmittels besteht darin, zu
verhindern, daß sich das über die Rohrleitungen 40 zugeführte Dichtungsmaterial
in der durchlässigen Formation 37, in der der unterirdische Behälter angelegt werden
soll, ausbreitet.
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Bei der Anordnung nach Fig.5 wird das keine Abdichtung bewirkende
Strömungsmittel unterhalb derjenigen Zone zugeführt, der das Dichtungsmaterial zugeführt
wird, denn im vorstehenden Fall ist daran gedacht, daß der Behälter unterhalb der
undurchlässigen Schicht 35 entstehen soll. Jedoch könnte man
eine
ähnliche Anordnung anwenden, wenn der Behälter oberhalb der undurchlässig gemachten
Schicht 35 angelegt werden soll. Im letzteren Fall würde es zweckmäßig sein, Mittel
vorzusehen, um das keine Abdichtung bewirkende Material oberhalb derjenigen Zone
zuzuführen, der das Dichtungsmaterial zugeführt wird; ferner ist es möglich,-das
keine Abdichtung bewirkende Material in diesem Fall zusätzlich unterhalb des Dichtungsmaterials
zuzuführen.
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Ferner sei bemerkt, daß es häufig zweckmäßig sein kann, das keine
Abdichtung bewirkende Material sowohl oberhalb als auch unterhalb der Zone zuzuführen,
der das Dichtungsmaterial zugeführt wird, um eine ballonförmige Ausbreitung des
Dichtungsmaterials sowohl nach oben als auch nach unten zu verhindern.
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Fig. 6 zeigt eine besondere Anwendung ringförmiger Lagerbehälter
der in F i g. 3 und 4 gezeigten Art. Ob die bei der Anordnung nach Fig. 6 vorzusehenden
Behälter gemäß Fig. 3 oder gemäß F i g. 4 ausgebildet werden, richtet sich nur nach
dem spezifischen Gewicht des zu lagernden Mediums. In der folgenden Beschreibung
ist an beide Möglichkeiten gedacht.
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In Fig. 6 erkennt man einen Satz von einander F i g. 4 ausgebildet
werden, richtet sich nur nach dem F i g. 4, die in Form eines kreisrunden Kranzes
oder Rings angeordnet sind. Dieser Satz von Behältern umfaßt eine erste Gruppe von
durch Abstände getrennten Behältern 45 und eine zweite Gruppe von Behältern 46,
welche die Lücken zwischen den Behältern 45 der ersten Gruppe ausfüllen. Bei der
Herstellung der Anordnung nach Fig. 6 werden zuerst die Behälter 45 angelegt; hierauf
legt man die Behälter 46 in der Weise an, daß jeder den Behälter 46 mit abdichtender
Wirkung mit zwei benachbarten Behältern 45 verbunden wird, so daß ein vollständiger
Kranz von Behältern entsteht, der eine Wand 48 bildet, die eine zentrale Zone 47
umschließt. Diese zentrale Zone 47 wird durch die Wand 48, die aus den sich berührenden
Behältern 45 und 46 besteht, sowie durch eine undurchlässige Schicht abgegrenzt,
die oberhalb oder unterhalb der Behälter 45 und 46 angeordnet ist und der Schicht
11 in Fig. 3 bzw. der Schicht 26 in Fig.4 bzw. der Schicht 35 in Fig.5 entspricht.
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Die Zone 47 kann somit auf ähnliche Weise zum Lagern eines fließfähigen
Mediums verwendet werden wie die gemäß F i g. 3 und 4 durch die ringförmigen Wände
9 und 30 abgegrenzten Zonen. Das Einlagern wird dadurch erleichtert, daß man innerhalb
der Zone 47 ein zentrales Bohrloch 50 anlegt, durch das sich geeignete Leitungen
erstrecken,- die es ermöglichen, ein zu lagerndes Medium der Zone 47 zuzuführen
oder zu entnehmen. Bei diesen Leitungen kann es sich um ähnliche Verrohrungen handeln,
die im wesentlichen der Verrohrung 13 bzw. 34 nach F i g. 3 und 4 entsprechen. Weiterhin
ist es möglich, die die Zone 47 umgebenden Behälter 45 und 46 in der an Hand von
F i g. 3 und 4 beschriebenen. Weise als Lagerbehälter zu benutzen.
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Fig. 7 und 8 zeigen ein Verfahren eines unterirdischen Lagerbehälters,
bei dem die im wesentlichen senkrechte Wand des Behälters durch einen Satz von miteinander
verbundenen Vorhängen gebildet wird, die in einer durchlässigen Sandformation 54
erzeugt worden sind. Die Anordnung nach Fig. 7 und 8 ähnelt insofern den bereits
beschriebenen Anordnun-
gen, als sie einen Behälter umfaßt, der durch eine waagerecht
verlaufende undurchlässige Formation und einen ringförmigen abgedichteten Teil einer
undurchlässigen Formation abgegrenzt wird, der mit der undurchlässigen Formatidn
in Verbindung steht und sich oberhalb oder unterhalb der undurchlässigen Formation
erstreckt. Ebenso wie bei den schon beschriebenen Ausbildungsformen richtet sich
die Beantwortung-der Frage, ob der Behälter oberhalb oder unterhalb der undurchlässigen
Formation angelegt werden soll, nach dem spezifischen Gewicht des zu lagernden Mediums.
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In F i g. 7 erkennt man eine Injektionsbohrung 51 und eine Produktionsbohrung
52. Jede dieser Bohrungen erstreckt sich durch eine undurchlässige Formation 53
bis in eine durchlässige Formation 54, in der ein unterirdischer Lagerbehälter angelegt
werden soll. Die Bohrlöcher 51 und 52 sind im wesentlichen in bekannter Weise ausgebildet;
sie umfassen Verrohrungsstränge 55und 56, die sich über die ganze Länge der Bohrlöcher
erstrecken. Die sich durch die durchlässige Formation 54 erstreckenden Teile der
Verrohrungen 55 und 56 sind mit Öffnungen 57 bzw.
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60 versehen. Vorzugsweise sind die Öffnungen 57 und 60 über die ganze
Länge der Abschnitte der Verrohrungen 55 und 56 verteilt, die sich durch die durchlässige
Formation 54 erstrecken, und die Öffnungen sind relativ gleichmäßig angeordnet.
Im Gegensatz zu F i g. 7 kann es in manchen Fällen zweckmäßig sein, die Bohrlöcher
51 und 52 mit Rohrsträngen auszurüsten, die sich in den Verrohrungen nach unten
erstrecken und dazu dienen können, ein wässeriges Strömungsmittel in die Formation
54 einzuleiten, und zwar gleichzeitig mit dem Zuführen bzw.
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Entnehmen eines Strömungsmittels unter Benutzung der Verrohrungsstränge
55 und 56; hierauf wird im folgenden näher eingegangen.
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Bei der Durchführung des Verfahrens nach F i g. 7 wird ein undurchlässiger
Vorhang zwischen den Bohrlöchern 51 und 52 und in Verbindung mit der undurchlässigen
Formation 53 dadurch erzeugt, daß man eine Gellösung in die durchlässige Formation
54 über die Öffnungen57 der Verrohrung55 einleitet, wobei das Strömungsmittel gleichzeitig
über die Öffnungen 60 der Verrohrung 56 abgezogen wird. Bei der über das Bohrloch
51 zugeführten Gellösung kann es sich um jedes der Materialien handeln, die in Verbindung
mit F i g. 1 bis 3 erwähnt wurden. Das Einleiten des Strömungsmittels über das Bohrloch
51 und das Abziehen des Strömungsmittels über das Bohrloch 52 wird fortgesetzt,
bis die Gellösung aus dem Bohrloch 52 mit einer Geschwindigkeit austritt, die weitgehend
der Geschwindigkeit des Zuführens des Strömungsmittels über das Bohrloch 51 entspricht.
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Sobald dies der Fall ist, wird das Zuführen und Abziehen der Gellösung
beendet, so daß die Gellösung zwischen den BohrlöchernSlundS2 erstarren und eine
Art von Vorhang bilden kann.
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F i g. 8 zeigt im Grundriß einen vollständigen Satz von Bohrlöchern
51 und 52 in einer F i g. 7 entsprechenden Anordnung, bei der die Bohrlöcher dazu
dienen, einen Lagerbehälter herzustellen. Die in Fig. 8 gezeigten Injektions- und
Produktionsbohrungen 51 und 52 entsprechen den an Hand von F i g. 7 beschriebenen.
Nachdem jedoch die Bohrlöcher 51 und 52 als Injektionsbohrung bzw. als Produktionsbohrung
benutzt worden sind, um zwischen den Bohrlöchern die Vorhänge 61 aus erstarrtem
Material
zu erzeugen, werden die Bohrlöcher in einer umgekehrten
Weise benutzt, d.h., die Bohrlöcher 52 dienen als Injektionsbohrungen und die Bohrlöcher
51 als Produktionsbohrungen. Diese Betriebsweise wird in der an Hand von F i g.
7 beschriebenen Weise fortgesetzt, bis Vorhänge 62 aus der erstarrten Lösung zwischen
benachbarten Bohrlöchern entstanden sind.
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In F i g. 8 bezeichnen die Flächen 61 die Vorhänge, die bei der anfänglichen
Benutzung der Bohrlöcher 51 und 52 als Injektions- und Produktionsbohrungen entstanden
sind, während die Flächen62 die Vorhänge bezeichnen, bei deren Erzeugung die Funktionen
der benachbarten Bohrlöcher vertauscht wurden. Man erkennt somit, daß es möglich
ist, einen vollständigen annähernd kreisrunden oder kranzförmigen Satz von Vorhängen
61 und 62 zu erzeugen, der in seitlicher Richtung einen Lagerbehälter unterhalb
oder oberhalb einer undurchlässigen Schicht umschließt. Um den so angelegten Behälter
verwendbar zu machen, legt man innerhalb der abgegrenzten Zone 64 ein Bohrloch 63
an, damit die zu lagernden Strömungsmittel zugeführt bzw. entnommen werden können.
Die Bohrung 63 entspricht im wesentlichen der in F i g. 3 gezeigten Bohrung 10 und
ist entsprechend F i g. 3 ausgerüstet.
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F i g. 9 veranschaulicht ein weiteres Verfahren nach der Erfindung
zum Herstellen eines unterirdischen Lagerbehälters in einer durchlässigen Formation,
die unter einer relativ undurchlässigen Schicht liegt. Bei dem Verfahren nach Fig.
9 wird auf geregelteWeise ein Strömungsmittelkegel innerhalb der durchlässigen Formation
aufrechterhalten, um die zu lagernden Strömungsmittel zusammenzuhalten.
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Die im folgenden behandelte Kegelbildung ergibt sich aus der Tatsache,
daß ein Strömungsmittelsystem bestrebt ist, ein Energiegleichgewicht zu erreichen,
wenn ein System, das zwei oder mehr Strömungsmittel umfaßt, gezwungen wird, einen
dynamischen Strömungsverlauf anzunehmen, und zwar dadurch, daß eines der Strömungsmittel
an einem bestimmten Punkt oder an einer bestimmten Linie abgezogen wird.
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Diese Erscheinung tritt auf bekannte Weise sowohl im Feld als auch
im Laboratorium auf. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach F i g. 9 wird die
Bildung eines Kegels aus einem Strömungsmittel dazu benutzt, eine dynamische Strömungsmittelsperre
oder Wand zu erzeugen, die ein zweites Strömungsmittel umschließt, das gelagert
werden soll.
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Gemäß F i g. 9 und 10 umfaßt die verwendete Anordnung eine zentrale
Produktionsbohrung 65, um die herum mehrere durch Abstände getrennte Injektionsbohrungen
66 in Form eines kreisrunden Kranzes verteilt sind. Die Injektionsbohrungen 66 dienen
nur zum Einleiten eines Strömungsmittels in die durchlässige Formation 67, in die
diese Bohrungen hineinragen, und daher umfassen sie nur einen Verrohrungsstrang
70, der am unteren Ende offen ist und sich in die durchlässige Formation 67 hinein
erstreckt. Die zentrale Bohrung 65 ist dagegen als Produktionsbohrung ausgebildet,
damit das Strömungsmittel über das untere Ende dieser Bohrung abgezogen werden kann;
außerdem sind Maßnahmen getroffen, um ein Strömungsmittel zuzuführen bzw. abzuziehen,
und zwar aus der Zone, die unmittelbar unter der undurchlässigen Formation 71 liegt.
Die Bohrung 65 umfaßt einen Verrohrungsstrang 72 bzw. ein Futterrohr, das sich von
der Oberseite der undurchlässigen Formation 71 aus zum oberen Teil der durchlässigen
Formation
67 erstreckt, wo das Futterrohr mit seinem offenen unteren Ende mündet. Eine Rohrleitung
73 steht mit dem oberen Ende des Futterrohrs 72 in Verbindung, so daß man ein Strömungsmittel
über das Futterrohr 72 zuführen oder abziehen kann. Ferner umfaßt die Bohrung 65
eine Produktionsleitung 74, die konzentrisch in dem Futterrohr 72 angeordnet ist
und sich in der durchlässigen Formation 67 bis zu einem Punkt erstreckt, der von
der undurchlässigen Formation 71 durch eine Strecke getrennt ist, die annähernd
gleich der gewünschten Tiefe des anzulegenden Behälters ist.
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Beim Betrieb der Anordnung nach F i g. 9 und 10 wird eine Flüssigkeit,
z. B. eine Sole, über sämtliche Injektionsbohrungen 66 zugeführt, während gleichzeitig
Strömungsmittel über das untere Ende der Bohrung 65 mit Hilfe der Produktionsleitung
74 abgezogen werden. Sobald man das Vorhandensein des zugeführten Strömungsmittels
in dem über die Bohrung 65 abgezogenen Strömungsmittel feststellt, regelt man die
Injektionsgeschwindigkeit und die Produktionsgeschwindigkeit so ein, daß sich ein
Kegel 75 aus dem zugeführten Strömungsmittel ausbildet, der die gewünschte Form
einer Umfassungswand aufweist, wie es in F i g. 9 gezeigt ist. Gleichzeitig mit
der Erzeugung und Aufrechterhaltung des Kegels 75 wird das fließfähige Medium, das
in dem durch die Wände des Kegels 75 und die Unterseite der undurchlässigen Schicht
71 abgegrenzten Behälter gelagert werden soll, in die zentrale obere Zone des Kegels
75 über das Futterrohr 72 und die Leitung 73 eingeleitet. Es sei bemerkt, daß die
Ausbildungsform nach F i g. 9 dazu bestimmt ist, Strömungsmittel zu lagern, die
ein relativ niedriges spezifisches Gewicht haben, wie es z. B. bei Erdgas der Fall
ist. Die in den durch den Strömungsmittelkegel 75 gebildeten Behälter eingeleiteten
Strömungsmittel stützen sich somit infolge ihrer Auftriebskraft an der undurchlässigen
Formation 71 ab und üben außerdem infolge des aufgebrachten Zuführungsdrucks einen
Druck auf den Strömungsmittelkegel 75 aus. Man erkennt, daß sich der auf die Wände
des Strömungsmittelkegels 75 aufgebrachte Druck nach dem Druck richtet, der auf
das Strömungsmittel aufgebracht wird, welches über das Futterrohr 72 in den abgeschlossenen
Bereich der durchlässigen Formation 67 eingeleitet wird. Wenn dieser Druck variiert,
und wenn auch das Volumen innerhalb des Strömungsmittelkegels 75 variiert, ändert
sich auch die Form des Kegels 75. Wenn z. B. das Volumen innerhalb des Kegels 75
verringert wird, neigt der Kegel 75 somit dazu, in Richtung auf die Produktionsleitung
74 zusammenzufallen.
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Aus der vorstehenden Beschreibung an Hand von F i g. 9 und 10 geht
hervor, daß die Erfindung in diesem Fall einen unterirdischen Behälter zum Lagern
von Strömungsmittel vorsieht, bei dem die Wände des Behälters durch eine kegelförmige
dynamische Strömungsmittelsperre gebildet werden. Die Form der Wände des Strömungsmittelkegels
75 kann in Abhängigkeit vom Volumen des eingelagerten Strömungsmittels variieren.
Natürlich ist es möglich, das Strömungsmittel, das zugeführt und wieder abgezogen
wird, um den dynamischen Strömungsmittelkegel 75 zu erzeugen, von der Produktionsbohrung
aus erneut den Injektionsbohrungen zuzuführen. Hierbei handelt es sich um ein besonders
vorteilhaftes Merkmal, denn das zur Erzeugung der dynamischen Sperre verwendete
Strömungsmittel wird häufig auf geeignete
Weise behandelt, um seine
Viskosität zu erhöhen, um seine Löslichkeit in der einzulagernden Flüssigkeit bzw.
dem Gas herabzusetzen, oder um seine Benetzungsfähigkeit gegenüber der durchlässigen
Formation 67, in die es eingeleitet wird, zu verbessern.
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In Fig. 11 ist eine erfindungsgemäße Anordnung eines unterirdischen
Lagerbehälters dargestellt, die sich von der Anordnung nach F i g. 9 und 10 nur
dadurch unterscheidet, daß es in diesem Fall möglich ist, einen Kegel nicht in Form
einer dynamischen Strömungsmittelsperre, sondern als ortsfeste Sperre auszubilden
und aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund sind einander entsprechende Teile in F
i g. 9, 10 und 11 jeweils mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Die Anordnung nach
F i g. 11 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 9 nur dadurch, daß sich durch
das Futterrohr 72 der Bohrung 65 zwei Rohrstränge 76 und 77 erstrecken, während
bei der Anordnung nach Fig. 9 nur ein Rohrstrang 74 vorgesehen ist. Der Rohrstrang
77 ist so angeordnet, daß er in der gleichen Weise benutzt werden kann wie der Rohrstrang
74 nach Fig. 9. Somit können in die Bohrungen 66 eingeführte Strömungsmittel über
den Rohrstrang 77 abgezogen werden, so daß ein dynamischer Strömungsmittelkegel
90 entsprechend dem Kegel 75 nach Fig.9 entsteht. Ferner kann man das Futterrohr
72 mit der Anschlußleitung 73 benutzen, um die zu lagernden Strömungsmittel in den
durch den Kegel 90 abgegrenzten Behälter einzuleiten. Der Rohrstrang 76 dient dazu,
ein Verdrängungsströmungsmittel in den Behälter innerhalb des Kegels 90 einzuleiten
bzw. es aus dem Behälter abzuziehen.
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Der Rohrstrang 76 wird deshalb benötigt, weil, wie nachstehend erläutert,
die Wände des Kegels 90 nach Fig. 11 nicht frei bewegbar sind, wenn sich das Volumen
der gelagerten Strömungsmittel ändert, wie es im Gegensatz hierzu bei den Wänden
des Strömungsmittelkegels 75 nach F i g. 9 der Fall ist.
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Bei dem Verfahren nach Fig. 11 wird anfänglich ein dynamischer Strömungsmittelkegel
90 erzeugt und aufrechterhalten, und zwar entsprechend der Anordnung nach F i g.
9, d. h., es wird ein Strömungsmittel über die Bohrungen 66 zugeführt und über den
Rohrstrang 77 abgezogen. Nachdem sich jedoch der Kegel 90 ausgebildet hat, wird
er festgelegt, um eine erstarrte unbewegliche Wand aufrechtzuerhalten. Zu diesem
Zweck wird dem Strömungsmittelkegel 90 ein Strömungsmittel zugeführt, das erstarrungsfähig
ist und die Poren der durchlässigen Formation 67 verstopfen kann. Wiederum kann
man hierzu jedes der bezüglich der Ausbildungsformen nach F i g. 1 bis 3 erwähnten
Gelmaterialien verwenden. Nach der Erzeugung des ortsfesten Kegels 90 kann man das
Zuführen des Strömungsmittels über die Bohrungen 66 und das Abziehen des Strömungsmittels
über die Leitung77 beenden; nunmehr ist der durch die Wand des Kegels 90 und die
undurchlässige Formation 71 abgegrenzte Behälter verwendungsbereit. Soll ein leichtes
Gas gelagert werden, kann man das Gas über das Futterrohr 72 in den Behälter einleiten.
Das so gelagerte Gas kann unter Ausnutzung des vorhandenen Gasdrucks entnommen werden,
oder man kann das Gas mit Hilfe eines Strömungsmittels 80 verdrängen, das in den
Behälter über den Rohrstrang 76 eingeleitet wird. Es sei bemerkt, daß man den Behälter
nach Fig. 11 auch zum Lagern eines schweren Strömungsmittels benutzen kann, für
das die erwähnte
Verdrängungsflüssigkeit 80 ein Beispiel bildet. In diesem Fall wird
das zu lagernde Strömungsmittel mit Hilfe des Rohrstrangs 76 eingeleitet bzw. entnommen,
und das Verdrängungsströmungsmittel wird über das Futterrohr 72 zu- und abgeführt.
F i g. 12 zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 9 und 10.
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Die Anordnung nach F i g. 12 unterscheidet sich von derjenigen nach
F i g. 9 und 10 in erster Linie dadurch, daß sie es ermöglicht, Strömungsmittel
mit einem relativ hohen spezifischen Gewicht zu lagern.
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Die Unterschiede zwischen den Anordnungen nach Fig. 9 und 12 ergeben
sich nur aus dieser etwas andersartigen Wirkungsweise.
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Man erkennt in Fig. 12 eine durchlässige Sandformation81, die oben
und unten durch undurchlässige Formationen 82 und 83 abgegrenzt ist. In der durchlässigen
Formation 81 wird eine Bohrung 84 niedergebracht, die mit einem Futterrohr 85 ausgerüstet
wird, das mit dem oberen Teil der durchlässigen Formation 81 in Verbindung steht;
außerdem ist konzentrisch mit dem Futterrohr 85 ein Rohrstrang 86 vorgesehen, der
zum unteren Teil der durchlässigen Formation 81 führt. Mehrere Injektionsbohrungen
87 sind in Form eines kreisrunden Kranzes um die Bohrung 84 herum in Abständen verteilt.
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Beim Betrieb der Anordnung nach F i g. 12 wird ein Strömungsmittel
über die Bohrungen 87 in die durchlässige Formation 81 eingeleitet und dieser Formation
über das Futterrohr 85 der Bohrung 84 wieder entnommen. Dieses Zuführen und Abziehen
des Strömungsmittels wird nach dem an Hand von F i g. 9 beschriebenen Verfahren
durchgeführt, so daß in der durchlässigen Formation 81 ein dynamischer Strömungsmittelkegel
88 entsteht. Die Geschwindigkeit des Zuführens und des Abziehens des den Kegel 88
nach F i g. 12 bildenden Strömungsmittels wird ähnlich wie bei der Anordnung nach
Fig. 9 so eingeregelt, daß sich ein Kegel 88 der gewünschten Form ausbildet. Auch
in diesem Fall ist es möglich, das zugeführte und abgezogene Strömungsmittel aus
dem Kegel 88 erneut zu verwenden, und es in der an Hand von F i g. 9 erläuterten
Weise zu behandeln. Nach der Erzeugung des Kegels 88 wird das zu lagernde fließfähige
Medium über den Rohrstrang 86 in die durchlässige Formation 81 eingeleitet. Gegebenenfalls
kann der Rohrstrang 86 auch dazu dienen, gelagerte Strömungsmittel aus dem Behälter
abzuziehen, der durch den dynamischen Strömungsmittelkegel 88 und die darunter liegende
undurchlässige Formation 83 abgegrenzt wird.
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Es sei bemerkt, daß der in Fig. 12 gezeigte Strömungsmittelkegel
88 insofern dem Kegel nach F i g. 9 ähnelt, als sich seine Form ändern kann, wenn
das Volumen des gespeicherten Strömungsmittels geändert wird. Ferner sei bemerkt,
daß man den dynamischen Strömungsmittelkegel 88 nach F i g. 12 in der an Hand von
Fig. 11 beschriebenen Weise durch ein die Poren der Formation 81 verstopfendes Strömungsmittel
ersetzen kann, um einen Behälter herzustellen, der im wesentlichen die gleichen
Eigenschaften und die gleiche Form hat wie der in Fig. 11 gezeigte, und dessen Wände
aus erstarrtem Material bestehen und sich daher nicht verlagern können. Die Wahl
zwischen einem Behälter nach Fig. 11 und einem solchen nach F i g. 12 kann sich
nach der senkrechten Lage der porösen und durchlässigen Aufnahmeschichten in Beziehung
zu einer natürliehen undurchlässigen Formation richten.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Erfindung ein neuartiges
und verbessertes Verfahren vorsieht, um in durchlässigen Formationen unterirdische
Behälter zum Lagern von fließfähigen Medien anzulegen. Bei allen beschriebenen Ausbildungsformen
umfaßt das Verfahren Maßnahmen, um eine ringförmige, durch ein Strömungsmittel gebildete
Sperre innerhalb einer Formation im Bereich des anzulegenden Behälters zu verlagern,
diese Sperre in Form einer Wand aufrechtzuerhalten, die eine undurchlässige Schicht
oberhalb oder unterhalb der Wand berührt, und die Wand in dieser Lage zu halten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß es nicht erforderlich
ist, Material aus der Zone zu entfernen, in der der Behälter angelegt wird, und
daß sich das Verfahren daher relativ schnell und mit geringen Kosten durchführen
läßt. Darüber hinaus bietet die Erfindung den Vorteil, daß sie es ermöglicht, die
Schwierigkeiten zu beseitigen, die sich aus dem ständig ansteigenden Bedarf an Lagerraum
für Erdölerzeugnisse ergeben, insbesondere in dicht bevölkerten Teilen zahlreicher
Länder.