-
Verfahren zur Untertagespeicherung von Flüssigkeiten Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Untertagespeicherung von Flüssigkeiten, insbesondere
Sole oder Rohöl, in einem Hohlraum einer Salzlagerstätte und zum Abziehen dieser
Flüssigkeiten aus dem Hohlraum.
-
Man kennt bereits Verfahren zur Untertagespeicherung und zum Abziehen
der gespeicherten Flüssigkeiten. Diese Verfahren bestehen darin, daß man zur Speicherung
die Flüssigkeit in einen unterirdischen Hohlraum einfüllt, der in einer Salzschicht
geschaffen ist. Die Einleitung erfolgt über eine Rohrleitung, die die Firste der
Kammer mit der Erdoberfläche verbindet. Im Inneren dieser Rohrleitung ist koaxial
ein Steigrohr angeordnet, dessen unteres Ende kurz über dem Kammerboden liegt. Zum
Ab= ziehen der Flüssigkeit aus dem unterirdischen Speicher schickt man dann durch
den Ringraum zwischen der Rohrleitung und dem Steigrohr ein unter Druck stehendes
Gas zur Oberfläche der gespeicherten Flüssigkeit. Dieses Gas drückt die Flüssigkeit
in dem Steigrohr nach oben und leert so die Speicherkammer.
-
Bei der Expansion des Gases nimmt der von ihm auf die Flüssigkeit
ausgeiibte Druck schnell und sehr stark ab, so daß man - wenn eine erhebliche Menge
Flüssigkeit abzuziehen ist - den Ringraum zwischen der Rohrleitung und dem Steigrohr
mit zusätzlichen Druckgasrnengen von neuem beschicken muß. Während der Entnahme
der gespeicherten Flüssigkeit muß also eine an der Erdoberfläche vorgesehene Kompressionsanlage
betrieben werden.
-
Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteilen abzuhelfen, und hat namentlich
die Aufgabe, ein Verfahren zur Untertagespeicherung und zum Abziehen einer Flüssigkeit
wie Sole oder Rohöl in bzw. aus einem Hohlraum in einer Salzlagerstätte zu schaffen,
und zwar eines Verfahrens, das die Entnahme einer bedeutenden Menge der Flüssigkeit
in relativ kurzer Zeit und unter einem ziemlich hohen und während der gesamten Dauer
der Flüssigkeitsentnahme konstanten Druck gestattet, ohne daß es notwendig ist,
während der Entnahme Verdichter oder Pumpen einzusetzen, die an der Erdoberfläche
oder am Boden des Hohlraumes angeordnet sind. Der Anmeldungsgegenstand geht aus
von einem Verfahren zum Lagern und Abziehen von Flüssigkeit wie Sole oder Rohöl
in bzw. aus einem unterirdischen Hohlraum in einer Salzlagerstätte, dessen First
über eine Leitung mit der Erdoberfläche verbunden ist, in deren inneren koaxial
ein kurz über dem Boden des Hohlraumes beginnendes und aus dem Hohlraum herausführendes
Steigrohr angeordnet ist, wobei man den Hohlraum mit der zu speichernden Flüssigkeit
über den Ringraum zwischen der Leitung und dem Steigrohr von oben her füllt und
den Druck eines komprimierten Mediums benutzt, um die Flüssigkeit über das Steigrohr
abzuziehen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man zur
Speicherung den Hohlraum nur teilweise mit der zu speichernden Flüssigkeit füllt
und über der Flüssigkeit vorzugsweise bis zum First des Hohlraumes ein Kissen von
verflüssigtem Gas im Gleichgewicht mit der darüberstehenden Dampfphase einbringt,
und zwar über den Ringraum zwischen der Leitung und dem Steigrohr, wobei die Tiefe
des Hohlraumes, die Standhöhe der in diesem Hohlraum gespeicherten Flüssigkeit und
die Höhe des Flüssiggaskissens derart gewählt werden, daß beim Abziehen praktisch
die gesamte Flüssigkeit aus dem Hohlraum entnommen ist, wenn das gesamte flüssige
Gas verdampft ist.
-
Die Erfindung ist im nachstehenden an Hand der Zeichnung beispielsweise
erläutert und dargestellt. F i g. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Speicherkammer,
die mit Flüssigkeit und flüssiger Kohlensäure gefüllt ist; F i g. 2, 3 und 4 sind
ähnliche Darstellungen wie F i g. 1 und zeigen die verschiedenen Stufen beim Abziehen
der Flüssigkeit; F i g. 5 ist eine graphische Darstellung und zeigt die Veränderung
des Kohlensäuredruckes p in Abhängigkeit von der Tiefe z;
F i g.
6 ist ein Nomogramm zur Durchführung des Verfahrens, unter Annahme eines geothermischen
Gradienten von 3° C pro 100 m.
-
Die Speicheranlage umfaßt eine Kammer 1, deren Boden 2 in der Höhe
z und deren First 3 in der Höhe Z liegt und die mit der Erdoberfläche durch ein
Futterrohr 4 verbunden ist, in dessen Inneren koaxial ein Steigrohr 5 angeordnet
ist, dessen unteres Ende kurz über dem Boden 2 der Kammer 1 liegt.
-
Zur Speicherung füllt man die Kammer 1 mit einer zu lagernden Flüssigkeit
6 bis zu einer vorher bestimmten Höhe k, gerechnet vom Boden 2 der Kammer 1 aus.
Die Füllung erfolgt durch den Ringraum 7 zwischen den Futterrohren 4 und dem Steigrohr
5. Anschließend leitet man durch denselben Ringraum flüssige Kohlensäure 8 ein,
die ein Kissen von der Höhe ho über der gespeicherten Flüssigkeit 6 bildet.
-
Im allgemeinen versucht man möglichst viel Flüssigkeit in der Kammer
zu speichern, und die Werte von k und h" werden derart berechnet, daß das
Kissen von flüssiger Kohlensäure 8 den First 3 des Hohlraumes 1 erreicht.
Sodann verschließt man an der Erdoberfläche die Futterrohre 4 und das Steigrohr
5 hermetisch. Die flüssige Kohlensäure 8 steht dann im Gleichgewicht mit einer Zweiphasenmischung
9 von Flüssigkeit und gas- bzw. dampfförmiger Kohlensäure in dem Ringraum 7.
-
Wenn man die Veränderung des Sättigungsdampfdruckes in Abhängigkeit
von der Temperatur und den mittleren geothermischen Gradienten des Bodens kennt,
in dem die Kammer 1 ausgebildet worden ist, kann man daraus die Kurve
10 der Veränderung des Sättigungsdampfdruckes der Kohlensäure in Abhängigkeit
von der Tiefe ermitteln. Für einen durchschnittlichen geothermischen Gradienten
von etwa 3° C pro 100 m ist diese Kurve, die etwa geradlinig ist, in F i g. 5 dargestellt.
-
An der Oberfläche des Flüssigkeitskissens 8 ist der Dampf gesättigt,
und der Druck dieses Dampfes kann aus der geradlinigen Kurve 10 von F i g.
5 entnommen werden. Er entspricht, wie hoch diese Oberfläche auch immer liegt, dem
Druck, der von einer gleich hohen Säule eines Mediums der Dichte 0,4 ausgeübt wird.
-
Allgemein liegt für einen geothermischen Gradienten zwischen 2 und
4° C pro 100 m Tiefe die Dichte der entsprechenden Gas-Flüssigkeits-Säule zwischen
etwa 0,3 und 0,6, und das Medium 9 entspricht demnach stets einer zweiphasischen
Mischung der Flüssigkeit und des Dampfes, deren Druck in jeder Tiefe der Sättigungsdampfdruck
ist, der sich aus der Ablesung der Kurve 10 von F i g. 5 ergibt.
-
Der Druck an der Grenzfläche zwischen der flüssigen Kohlensäure 8
und der gelagerten Flüssigkeit 6 ist gleich dem Druck oberhalb des Flüssiggaskissens
(Punkt p der Kurve 10), vermehrt um den Druck, der durch die Höhe ho des
verflüssigten Gases mit der Dichte 0,8 ausgeübt wird; dieser Druck ist durch Punkt
A der F i g. 5 dargestellt.
-
Um jedes Risiko einer Rißbildung der Salzlagerstätte an der Firste
3 der Kammer 1 auszuschließen, beschränkt man sich dort auf einen Druck von 0,l61,
was eine ausreichende Sicherheit darstellt.
-
Die Entnahme der gespeicherten Flüssigkeit leitet man ein, indem man
das Schließorgan des Steigrohres 5 an der Oberfläche öffnet. Der Dampfdruck ist
die Differenz zwischen dem Druck oberhalb der gelagerten Flüssigkeit 6 an der Grenzfläche
zwischen dem Flüssiggaskissen 8 und dieser Flüssigkeit 6 und dem Gewicht der Flüssigkeitssäule
im Steigrohr 5. Der Umstand, daß der Druck der abgezapften Flüssigkeitssäule schneller
mit der Tiefe zunimmt als der Dampfdruck der Kohlensäure, führt zu einer Begrenzung
der maximalen Speicherungstiefe. Praktisch führen die beiden vorstehenden Bedingungen
zu den folgenden Grenzen für die Tiefe der Kammer 1: 350 m < z < 525 m für
Sole und 350 m < z < 600 m für Rohöl der Dichte von 0,8 bei einem mittleren
geothermischen Gradienten von 3 ° C auf 100 m.
-
Unter dem Einfluß des Zapfdruckes, der praktisch immer über 15 kg/cm2
liegt, senkt sich die Grenzfläche zwischen der flüssigen Kohlensäure 8 und der gespeicherten
Flüssigkeit 6, und die Höhe des Flüssiggaskissens 8 nimmt ab (F i g. 2).
-
Die Zunahme des Sättigungsdampfdruckes mit der Tiefe und die Abnahme
des Druckes durch Verringerung der Höhe des Flüssiggaskissens 8 gleicht sich etwa
aus, und der Druck oberhalb der gelagerten Flüssigkeit bleibt praktisch konstant,
solange verflüssigtes Gas 8 vorhanden ist.
-
Sobald die flüssige Phase 8 verschwindet, wird der Druck an der Oberfläche
der Flüssigkeit durch den charakteristischen Punkt B in F i g. 5 dargestellt, und
die Dampfphase erscheint oberhalb der Sole oder des Rohöls, also der abzuziehenden
Flüssigkeit; die Grenzfläche zwischen der zweiphasischen Kohlensäure und der dampfförmigen
Kohlensäure steigt nach oben (F i g. 3), bis der Dampfdruck an der Oberfläche der
abzuziehenden Flüssigkeit (Punkt C von F i g. 5) gerade im Gleichgewicht steht mit
dem der Säule dieser Flüssigkeit in dem Steigrohr 5, was dann schnell eintritt.
Der Zapfvorgang ist nun abgeschlossen (F i g. 4), und die gespeicherte Flüssigkeit
steht bis zur Endhöhe f.
-
Wie man sieht, kann die Höhe ho des Kissens von flüssiger Kohlensäure
8 oberhalb der gespeicherten Flüssigkeit berechnet werden aus den Werten, die von
den Kurven der F i g. 5 geliefert werden, in Abhängigkeit von der Höhe (z - l) der
Kammer 1 und der Tiefe z dieser Kammer. Durch diese Berechnung erhält man
die nutzbare Höhe k der Flüssigkeit, die in einer Kammer gelagert werden kann, nach
der Gleichung k = z - Z - ho, wenn man diese Kammer bis zum Maximum füllen
will.
-
In der Praxis wird man für einen gegebenen geothermischen Gradienten
und unter Berücksichtigung der vorstehend gezogenen Grenzen für die Tiefe dieser
Kammer ein Nomogramm derart aufstellen, wie es in F i g. 6 wiedergegeben ist. Diese
zeigt gleichzeitig für eine Entfernung 1 der Firste 3
der Kammer 1
von der Oberfläche die anfängliche Kissenhöhe des flüssigen Gases 8 für eine Höhe
k der abzuziehenden Flüssigkeit oder für eine Endlage f der Flüssigkeit am Schluß
des Zapfvorganges.
-
Jedem gegebenen geothermischen Gradienten entspricht ein Nomogramm,
das dem von F i g. 6 für einen geothermischen Gradienten von 3° C pro 100 m analog
ist. Als Beispiel sei angenommen, daß in einem Boden, dessen geothermischer Gradient
dem des vorgenannten Nomogramms entspricht, eine Salzschicht zwischen 420 und 560
m Tiefe liegt. Man kann zwischen diesen beiden Tiefen einen Hohlraum in der Salzschicht
bilden, der es erlaubt, mit einem
anfänglichen Kissen von flüssiger
Kohlensäure von 45 m Höhe Rohöl in einer Höhe von 95 m zu speichern.
-
Das beschriebene Verfahren hat insbesondere den Vorteil, daß eine
Kompressionsanlage entbehrlich ist, wenn das Kissen von flüssiger Kohlensäure bei
der Speicherung erst einmal gebildet ist. In bestimmten Fällen kann es jedoch manchmal
notwendig sein, eine Kompressionsanlage provisorisch aufzustellen, um den Druckverlust
auszugleichen, der auf die Auflösung der Kohlensäure in der gelagerten Flüssigkeit
zurückzuführen ist.
-
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Vorhandensein eines praktisch
konstanten Druckes an der Grenzfläche zwischen der flüssigen Kohlensäure und der
gelagerten Flüssigkeit.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren macht die Lagerung von Solen an der
Erdoberfläche völlig entbehrlich, die normalerweise zur Entfernung des Rohöls aus
derartigen Speichern benötigt wird.
-
Man kann jedoch auch die Sole überhaupt weglassen, indem man das Kissen
von flüssiger Kohlensäure direkt auf das Rohöl aufbringt.
-
Wegen des hohen Zapfdruckes, der sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erreichen läßt, verfügt man über eine sehr hohe Entnahmemenge pro Zeiteinheit. Daraus
kann man den Vorteil ziehen, daß man die Entnahmemenge verringert, jedoch den Druckverlust
beim Zapfen erhöht durch Anwendung eines engeren Steigrohres 5, was die Möglichkeit
eröffnet, mit einer Bohrung von verringertem Durchmesser und somit geringeren Kosten
auszukommen.
-
Das für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzte
Kohlensäuregas wird aus Öl-und Gasabscheidern durch Verbrennung und Trocknung gewonnen.
Dieses Gas kann in den Ländern hoher Erdölerzeugung sonst nicht genutzt werden.
Schließlich ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens die Möglichkeit,
die Kohlensäure in dem Ringraum 7 als Material zum Löschen von Bränden verwenden
zu können, wie sie bei der Erdölgewinnung stets möglich sind.