DE1252920B

DE1252920B - Verfahren und Vorrichtung zur Fuellstandsmessung in unterirdischen Hohlraeumen

Info

Publication number: DE1252920B
Application number: DE1963D0041687
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kuehne
Original assignee: Deutsche Erdoel AG
Current assignee: Wintershall Dea International AG
Priority date: 1963-05-31
Filing date: 1963-05-31
Publication date: 1967-10-26

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Füllstandsmessung in unterirdischen Hohlräumen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstandsmessung in unterirdischen Hohlräumen, in denen sich außer den zu speichernden Medien noch Verdrängungsflüssigkeiten befinden, mit radioaktiven Substanzen und Strahlungsmeßgeräten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Seit einigen Jahren kommt die Speicherung von Gasen oder Flüssigkeiten in ausgehölten Salzlagerstätten, beispielsweise als Ausgleichsmöglichkeit für eine Abstimmung von Produktion und Verbrauch, in zunehmendem Maße in Benutzung. Vornehmlich unter Druck verflüssigte Gase, wie Propan oder Butan, werden bei dieser Verfahrensweise in Höhlungen eingebracht, die vorher durch Ausspülen von Steinsalz oder ähnlichen Mineralien mit Wasser unterirdisch geschaffen werden. Der dann mit Salzwasser gefüllte Raum wird allmählich unter Verdrängung der Sole mit der zu speichernden Flüssigkeit angefüllt, die in der Regel spezifisch leichter als das Salzwasser und mit diesem nicht mischbar ist. An Stelle von Flüssigkeiten können auch Gase gespeichert werden, die ebenfalls in Wasser oder Salzwasser praktisch nicht lösbar sein sollten. Umgekehrt wird bei der Entnahme von Speichergut der frei werdende Raum durch Verdrängungssalzwasser, das von über Tage durch sein Eigengewicht nachströmt, wieder ausgefüllt.
Für die Bestimmung der Gesamtgröße des zur Verfügung stehenden Raumes wird die beim Auswaschen herausgelöste Salzmenge ermittelt. Eine Vermessung der Höhlung nach dem Echolotverfahren wird außerdem angewendet und dient zur Bestimmung ihrer Form und der Kontrolle ihres aus der zutage gebrachten Salzmenge errechneten Inhaltes. Ein Verfahren zur praktischen Bestimmung des Salzwasserspiegels bzw. der Kontaktfläche zwischen beiden Flüssigkeiten (Salzwasser und z. B. Flüssiggas) existiert demgegenüber bisher nicht, ist aber von erheblichem Wert, damit der Füllungsstand des Speichers festgestellt werden kann, der bisher lediglich durch Messung der eingefüllten und wieder entnommenen Flüssigkeits- oder Gasmengen abschätzbar ist. Dabei können aber schon Fehler in den Meßgeräten - falls sie sich summieren - zu erheblichen Abweichungen von den wahren Werten führen und zu einer unsicheren Kenntnis des Füllungszustandes Anlaß geben.
Theoretisch wäre auch durch eine Messung des Druckes an der Oberfläche des leichteren Mediums ein Rückschluß auf den Spiegelstand der Salzwasserfüllung denkbar. Leichte Abweichungen in den zugrunde gelegten spezifischen Gewichten, die beispielsweise durch Temperaturunterschiede hervorgerufen sein können oder andere Ursachen haben, führen aber in der Praxis selbst bei der Anwendung von sehr empfindlichen Manometern zu übermäßigen Fehlern, zumal bei den in der Regel sehr großen Hohlraumquerschnitten auch geringe und nicht mehr mittels Druckmessung feststellbare Niveauänderungen verhältnismäßig große Volumenunterschiede ergeben würden.
Die Verwendung von radioaktiven Strahlern in vielen Zweigen der Technik ist bekannt (K. S a u e r -w e i n, Die Anwendung von Radio-Isotopen in der Technik, Technische Mitteilungen, 47, S. 262 bis 267 [1954]). Es ist auch bekannt, daß der Füllstand von übertägigen Behältern mit Hilfe von radioaktiven Stoffen meßbar ist. Dazu werden an der Außenwand des Behälters ein Strahler und an der diesem Strahler gegenüberliegenden Seite der Außenwand ein Zählrohr verschiebbar angeordnet. Die vom Zählrohr gemessene Strahlenmenge hängt von der Dichte der Behälterfüllung ab (R. Berthold und A. T r o s t, Füllstand-Messung und -Steuerung mit radioaktiven Präparaten und Zählrohren, Chemiker-Zeitung, 78, S. 729 bis 733 [1954]). Ferner ist aus der Auslegeschrift 1 125 193 und aus der Patentschrift 23 425 des Amts für Erfindungs- und Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands bekannt, die Strahlenquelle innerhalb des Behälters als Schwimmer in einem Führungsgitter in einem bestimmten Abstand von der Behälterwand zu führen.
Auch bei diesen beiden bekannten Vorrichtungen sind zwei Zählrohre bzw. ein Zählrohr an der Außenwand des Behälters angeordnet. Da die Zählrohre dieser Vorrichtungen zudem unbeweglich angeordnet sind, kommt ihre Anwendung in unterirdischen Hohlräumen mit Ausmaßen von Hunderten von Metern nicht in Betracht.
Nach der Auslegeschrift 1 041 707 erfolgt die Bestimmung des Flüssigkeitsniveaus durch Absorption von Betastrahlen, die senkrecht zum Flüssigkeitsniveau emittiert werden. Die hierzu verwendete Vorrichtung besteht aus einem Zählrohr und einem Betastrahlerpräparat, beide in je einer flüssigkeitsdichten Verkapselung in geringem Abstand voneinander. Dieser Abstand wird so bemessen und fest eingestellt, daß die Betastrahlen das Zählrohr nur erreichen können, wenn sich im Raum zwischen Zählrohr und Präparat Luft befindet, daß die Strahlung aber nicht mehr registriert wird, sobald eine Flüssigkeit in den Zwischenraum eintritt. Mit dieser Vorrichtung läßt sich zwar die Standhöhe von Flüssigkeit in Bohrlöchern oder Schächten überprüfen, jedoch nur dann, wenn diese Flüssigkeit an ein nicht komprimiertes Gas grenzt. Daher ist die Anwendung dieser Vorrichtung in Untertagespeichern, in denen Salzwasser als Verdrängungsflüssigkeit dient, also nur Begrenzungsflächen Flüssigkeit - Flüssigkeit bzw.
Flüssigkeit - komprimiertes Gas auftreten, nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Füllstandsmessung mit radioaktiven Substanzen und Strahlenmeßgeräten derart abzuwandeln, daß sie in unterirdischen Hohlräumen, in denen sich außer den zu speichernden Medien noch Verdrängungsflüssigkeiten befinden, angewandt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Teufe eines Strahlenmeßgerätes gemessen wird, welches auf das Niveau des Maximums der Strahlung abgesenkt wird, die von einer Schicht Gammastrahlen aussendender Substanzen ausgeht, die sich an der Kontaktfläche zwischen dem zu speichernden Medium und der Verdrängungsflüssigkeit befindet.
Um dieses Verfahren durchführen zu können, wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung vorgeschlagen bestehend aus einer Schicht Gammastrahlen aussendender Substanzen, deren spezifisches Gewicht einen solchen Wert aufweist, daß die Schicht an der Kontaktfläche zwischen dem zu speichernden Medium und der Verdrängungsflüssigkeit angeordnet ist, einem im Innern eines von über Tage bis nahezu an den Grund des Hohlraumes führenden Rohres beweglich angeordnetes Strahlenmeßgerät, das an einem mit Hilfe einer Windentrommel auf- und abspulbaren Kabel hängt, einem mit dem Kabel verbundenen Teufenmeßgerät und einer mit dem Strahlenmeßgerät über das Kabel, Schleifringe und Bürsten und einem Verstärker verbundenen Strahlenanzeigevorrichtung.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist 1 die Wandung des im Salzkörper 16 ausgespülten Hohlraumes, der mit Hilfe einer durch Zementierung abgedichteten Verrohrung 2 nach oben führend gegenüber den hangenden Schichten abgeschlossen ist. Ein weiterer zu 2 konzentrisch angeordneter und kleinerer Rohrstrang 3 führt - am Kopf gegenüber 2 abgedichtet - zutage und reicht mit seinem unteren Ende bis nahezu auf den Grund des Hohlraumes. Dieser ist zunächst mit Salzwasser 4 gefüllt, das aber beim Befüllen mit dem spezifisch leichteren Speichergut 5 allmählich durch die Rohrleitung3 verdrängt und nach oben gefördert wird.
Während die Salzwassersäule in dieser Rohrleitung an ihrem oberen Ende 6 unter normalem atmosphärischem Druck steht, herrscht am oberen Ende des Rohres 2 - und somit an dem Absperrorgan 7 -ein Überdruck, der sich aus den unterschiedlichen spezifischen Gewichten der beiden erwähnten Flüs- sigkeiten und der Tiefenlage ihrer gemeinsamen Konb taktfläche ergibt.
Die Feststellung der Lage dieser Kontaktfläche und damit die Bestimmung der Speichergutmenge soll die Erfindung ermöglichen, indem an dieser Stelle eine mit Wasser und dem Speichergut nicht mischbare Flüssigkeit oder auch eine Schicht von kleinen Festkörpern 8 angeordnet wird, die somit ein spezifisches oder ein Raumgewicht haben muß, das geringer als das des Salzwassers, jedoch größer als das des Speichergutes sein muß. Dieses Präparat ist mit einem Isotop durchsetzt (z. B. Kobalt 60), das über einen längeren Zeitraum eine Gammastrahlung aussendet. Ein an einem Kabel hängendes Meßgerät9 (z. B. ein Geigerzähler) sendet die Anzeige der das Rohr 3 durchdringenden Strahlungsdosis über das Kabel 10 zutage, das mit Hilfe einer Windentrommel 11 auf- und abgespult werden kann. Damit ist es möglich, das Gerät 9 in das Tiefenniveau des Strahlungsmaximums zu bringen, wobei ein Teufenmeßgerät 12 das Ermitteln der Absenkteufe erleichtert.
Schleifringe und Bürsten 13 gestatten die Weiterleitung der elektrischen Impulse des Gerätes 9 von der Trommel 11 zum Verstärker 14 und zur Anzeigeeinrichtung 15.
Während die Gammastrahlen aussendenden, vorerwähnten Medien in den Zwischenraum zwischen den Rohren 2 und 3 eingeführt werden, gestattet es eine andere Ausführungsart, einen oder mehrere radioaktive Körper durch das Innere des Rohres 3 hindurchzuschieben (beispielsweise mit Hilfe des am Kabel 10 hängenden Senkkörpers 9). Dieser oder diese Gammastrahler sind an einem gespannten Federpaket befestigt, das sich nach dem Verlassen der unteren Rohröffnung spreizt und ringförmig das Äußere des Rohres 3 umgibt.
Da das mittlere Raumgewicht des mit dem radio aktiven Stoff versehenen Körpers innerhalb der Grenzen der spezifischen Gewichte für das Verdrängungssalzwasser und für das Speichergut liegen muß, wird der Körper bis zur Trennfläche beider Stoffe aufsteigen und dann mit dieser entsprechend der Be füllung oder Entleerung auf- und abpendeln und so in der bereits beschriebenen Weise den Stand der Flüssigkeit erkennbar machen.
Selbstverständlich muß bei der Mengenmessung von Gasen der Druck, unter dem das zu speichernde Medium steht, mit berücksichtigt werden.
Mit der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, daß die Meßgenauigkeit von Füllstandsmessungen mittels radioaktiver Substanzen und Strahlenmeßgeräten für Untertagespeicher mit Verdrängungsflüssigkeiten nutzbar gemacht wird.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Füllstandsmessung in unterirdischen Hohlräumen, in denen sich außer den zu speichernden Medien noch Verdrängungsflüssigkeiten befinden, mit radioaktiven Substanzen und Strahlenmeßgeräten, dadurch gekennz e i c h n e t, daß die Teufe eines StrahlenmeS gerätes gemessen wird, welches auf das Niveau des Maximums der Strahlung abgesenkt wird, die von einer Schicht Gammastrahlen aussendender Substanzen ausgeht, die sich an der Kontaktfläche zwischen dem zu speichernden Medium und der Verdrängungsflüssigkeit befindet.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schicht Gammastrahlen aussendender Substanzen, deren spezifisches Gewicht einen solchen Wert aufweist, daß die Schicht an der Kontaktfläche (8) zwischen dem zu speichernden Medium (5) und der Verdrängungsflüssigkeit (4) angeordnet ist, ein im Inneren eines von über Tage bis nahezu an den Grund des Hohlraumes führenden Rohres (3) beweglich angeordnetes Strahlenmeßgerät (9), das an einem mit Hilfe einer Windentrommel (11) auf- und abspulbaren Kabel (10) hängt, ein mit dem Kabel (10) verbundenes Teufenmeßgerät (12) und eine mit dem Strahlenmeßgerät (9) über das Kabel (10), Schleifringe und Bürsten (13) und einen Verstärker(14) verbundene Strahlenanzeigevorrichtung (15).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht Gammastrahlen aussendender Substanzen aus einer weder mit dem Speichergut noch mit der Verdrängungsflüssigkeit mischbaren Flüssigkeit besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht Gammastrahlen aussendender Substanzen aus kleinen Festkörpern besteht.
5. Verfahren zum Anbringen der Schicht Gammastrahlen aussendender Substanzen an der Kontaktfläche zwischen dem zu speichernden Medium und der Verdrängungsflüssigkeit in unterirdischen Hohlräumen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gammastrahlen aussendende Substanzen, deren spezifisches Gewicht größer als das des Speichergutes und geringer als das der Verdrängungsflüssigkeit ist, in den Zwischenraum zwischen einem von über Tage zur höchsten Stelle des Hohlraumes führenden Rohr und einem darin konzentrisch angeordneten, von über Tage bis nahezu an den Grund des Hohlraumes führenden Rohr eingeführt werden.
6. Verfahren zum Anbringen der Schicht Gammastrahlen aussendender Substanzen an der Kontaktfläche zwischen dem zu speichernden Medium und der Verdrängungsflüssigkeit in unterirdischen Hohlräumen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammastrahlen aussendenden Substanzen an einem gespannten Federpaket befestigt werden und mittels eines an einem Kabel hängenden Senkkörpers durch ein bis nahezu an den Grund des Hohlraumes reichendes Rohr hindurchgeschoben werden, wobei das Federpaket so ausgestaltet ist, daß es sich nach Verlassen der unteren Rohröffnung spreizt und das Äußere des Rohres ringförmig umgibt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 125 193, 1 168 111; Patentschrift Nr. 23 445 des Amtes für Erfindungs-und Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands; Technische Mitteilungen, 1954, S. 262 bis 275; Chemiker-Zeitung, 1954, S. 729 bis 733.