DE1253659B - Verfahren zur Speicherung von insbesondere brennbaren Gasen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANr

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

E21f

Deutsche Kl.: 5 d-17/16

Nummer: 1253 659

Aktenzeichen: A 52614 VI a/5 d

Anmeldetag: 31. Mai 1966

Auslegetag: 9. November 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Speicherung von insbesondere brennbaren Gasen in unterirdischen Speichern.

Die unterirdische Speicherung von brennbaren Gasen ist bereits in gewissen geologischen Formationen verwirklicht worden. Nach einem bekannten Verfahren zur Seicherang von Erdgas wird dieses in eine erschöpfte Erdöl- oder Erdgaslagerstätte gedrückt. Die Aufnahmefähigkeit des durch diese Lagerstätte gebildeten unterirdischen Speichers hängt unter anderem vom freien Raum ab, der in der Lagerstätte auf Grund der vorherigen Ausbeutung verblieben ist.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Speicherung von brennbaren Gasen werden diese in porösen, wassergesättigten Sandstein eingeführt, der unter einem undurchlässigen Sattel eingeschlossen ist. Um in diesem Fall einen Wassereinbruch in die Zugangsbohrungen zu vermeiden, ist es unerläßlich, bei der Inbetriebnahme ein ständiges Mindestvolumen des Gases einzudrücken (Gaspolster). Das Fassungsvermögen des durch dieses Gestein gebildeten unterirdischen Speichers liegt somit unter dem eigentlichen Volumen dieses Speichers. Da durch die Einführung des Gases das Wasser aus dem Gestein zurückgedrückt wird und die Entnahme von Gas aus dem Gestein unter dem Gegendruck dieses Wassers erfolgt, müssen diese Speicher eine sehr große Berührungsfläche mit dem Gas und somit riesige Abmessungen im Vergleich zu ihrem effektiven Fassungsvermögen haben. Ferner ist das eingedrückte Gas nicht unbedingt im chemischen Gleichgewicht mit dem Gestein des Speichers, und es besteht außerdem die Gefahr einer Verunreinigung des Grundwassers.

Bei anderen bekannten Verfahren zur Speicherung von brennbarem Gas führt man dieses in natürliche oder künstliche unterirdische Speicher ein, die sich in geeigneten dichten geologischen Strukturen, z. B. Salzformationen, zusammenhängendem, nicht aus mit Spalten und Klüften versehenem Gestein (toniger Kalkstein, Schiefer, kristallines Gestein, Quarzite, Kalkstein) oder plastischem Gestein (Tone), befinden. Bei diesen letztgenannten Verfahren werden die natürlichen oder künstlichen geometrischen Hohlräume der Lagerstätte gefüllt. Das tatsächliche Fassungsvermögen dieser Speicher ist direkt abhängig vom ver- « fügbaren geometrischen Volumen der Hohlräume.

Gegenstand der Erfindung ist ein neues Verfahren zur Speicherung von insbesondere brennbaren Gasen, bei dem das tatsächliche Fassungsvermögen des unterirdischen Speichers größer ist als sein eigent-Iiches Volumen. Zu diesem Zweck wird beim neuen Verfahren das zu speichernde Gas in eine Stein-Verfahren zur Speicherung

von insbesondere brennbaren Gasen

Anmelder:

Forges de Thy-Marcinelle et Monceau S. A.,

Marcinelle (Belgien)

Vertreter:

Dr.-Ing. A. v. Kreisler, Dr.-Ing. K. Schönwald.

Dr.-Ing. Th. Meyer

und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. J. F. Fues,

Patentanwälte, Köln 1, Deichmannhaus

Beanspruchte Priorität:
Belgien vom 2. Juli 1965 (14 874),
vom 5. Mai 1966 (27715)

kohlenlagerstätte eingeführt, die selbst den Speicher darstellt.

Die Tatsache, daß das tatsächliche Fassungsvermögen der Kohlenlagerstätte wesentlich größer ist als das eigentliche geometrische Volumen dieser Lagerstätte, erklärt sich durch die Eigenschaft des Gesteins der Kohlenlagerstätte, eine große Gasmenge unter anderem unter dem Einfluß des Drucks aufnehmen zu können. Diese aufgenommene Gasmenge kann bei gewissen Kohlesorten beispielsweise 40 Nm³ Methan je Tonne erreichen.

Wenn ein Gas in eine Kohlenlagerstätte eingeführt wird, füllt dieses Gas nicht nur die Hohlräume, die Spalten und die Poren, die das eigentliche Volumen dieser Lagerstätte bilden, sondern es wird auch durch das Gestein adsorbiert, aus dem diese Lagerstätte besteht.

Bei dem neuen Verfahren ist es somit möglich, in eine Kohlenlagerstätte eine Menge eines insbesondere brennbaren Gases einzuführen, die größer ist, als sie in andere geologische Formationen bei den bekannten Verfahren eingeführt werden kann, und zwar bei gleichem tatsächlichem Volumen aller dieser Lagerstätten und bei gleichen Drücken, mit denen das Gas in die Lagerstätten eingeführt wird.

Der unterirdische Speicher kann eine unverritzte Kohlenlagerstätte sein. Vorzugsweise wird jedoch

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eine vorher teilweise ausgebeutete und entgaste Koh- einem verhältnismäßig hohen Druck eingeführt, um lenlagerstätte für die Speicherung des Gases verwen- die Adsorption dieses Gases im Gestein der Kohlendet. Eine solche Lagerstätte hat den Vorteil, daß sie lagerstätte zu erleichtern. Die Anpassung einer ein größeres Eigenvolumen hat als eine noch nicht schlagwetterführenden, vorher teilweise ausgebeuteausgebeutete Lagerstätte. Dies ist insbesondere auf S ten und entgasten Steinkohlenlagerstätte als unterdie Hohlräume zurückzuführen, die während des Ab- irdischer Speicher für ein brennbares Gas ist besonbaues gebildet wurden. Außerdem hat eine solche ders vorteilhaft, weil sie nicht die Einführung eines Lagerstätte eine riesige Berührungsfläche zwischen Spülgases erfordert und weil vor allem hierbei das Gas und Gestein, Diese Berührungsfläche wird dar- Grubengas ausgenutzt wird, das bis zu diesem Zeitgestellt durch die Oberfläche sämtlicher Hohlräume io punkt im Gestein der Lagerstätte absorbiert war. Zu sowie durch die Unzahl von Spalten und Rissen, die diesem Zweck zieht man gemäß einem wichtigen durch Bergbewegungen als Folge der Abbauarbeiten Merkmal der Erfindung progressiv aus der schlagentstanden sind. Diese starke Aufgliederung oder weiterführenden Kohlenlagerstätte Gas aus der Zersplitterung der Lagerstätte steigert die Durch- äußeren Phase ab, die sich vorher in dem Raum belässigkeit des Gesteins und erleichtert somit die Zir- 15 findet, der das äußere Volumen des Gesteins des kulation und die Diffusion des Gases in der Lager- unterirdischen Speichers begrenzt, so daß in diese statte. äußere Gasphase Grubengas übergeht, das bisher im

Außerdem erleichtert die teilweise Entgasung oder Gestein der Lagerstätte adsorbiert war. In dieser die Desorption der Kohlenlagerstätte, die den Teil Weise erhöht man allmählich den Heizwert des Gases des Eigenvolumens umgibt, das durch die Abbau- 2° der äußeren Phase, bis dieser den Heizwert des zu arbeiten gebildet wurde, die Adsorption dieser Gase speichernden Gases im wesentlichen erreicht hat. durch das Gestein der Lagerstätte. Aus diesen Er- Dieser Abzug des äußeren Gases aus der schlagwägungen heraus wird das Gas in die Kohlenlager- wetterführenden Kohlenlagerstätte wird vor Einfühstätte eingeführt, die gemäß einer Besonderheit der rung des zu speichernden Gases in den durch diese Erfindung vorher teilweise ausgebeutet und entgast as Lagerstätte gebildeten unterirdischen Speicher vorwurde, genommen. Die Herrichtung eines Speichers aus

Die Diffusion und Adsorption von Gasen im Ge- einer vorher teilweise ausgebeuteten und entgasten,

stein einer Kohlenlagerstätte ergeben sich aus Er- schlagwetterführenden Kohlenlagerstätte ist somit

scheinungen, die von der Innenstruktur abhängen, die einfach und gleichzeitig besonders wirtschaftlich,

gewissen Gesteinsarten (Steinkohle und Kohlenschie- 30 Weitere Einzelheiten und Besonderheiten der Er-

fer) eigen ist. Die spezifische innere Oberfläche ge- findung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung

wisser Kohlearten kann beispielsweise 100 m²/g er- eines Beispiels der Speicherung eines brennbaren

reichen. Der Gasaustausch zwischen dem Gas außer- Gases. Hierbei handelt es sich um die Speicherung

halb des Gesteins und dem Gas, das im inneren Ge- eines brennbaren Erdgases, das beispielsweise die

füge des Gesteins adsorbiert ist, hängt insbesondere 35 folgende durchschnittliche Zusammensetzung hat:
von der Art und dem Druck des äußeren Gases, das

sich mit dem Gestein in Berührung befindet, von der ^H₄ 81,3%

Größe der Berührungsfläche zwischen dem äußeren C₂H₆ 2,9%

Gas und dem Gestein, von der Art der Innenstruk- C₃H₈ 0,4%

tür, der Durchlässigkeit, der Größe der inneren 40 q jj 01%

Oberfläche, von der Temperatur und vom Adsorp- (-¹W ΐΊ«/

tionsvermögen des Gesteins ab. In der vorliegenden ^n*¹™ »-^{1 /o}

Beschreibung wird als äußere Gasphase das Gas be- CO₂ 0,8%

zeichnet, das sich in dem Teil des Eigenvolumens der N₂ 14,4%

Lagerstätte befindet, der außerhalb des Gesteins liegt 45

und durch das restliche Volumen sämtlicher Hohl- Dieses Gas hat einen mittleren Heizwert von etwa

räume gebildet wird, die beispielsweise auf die frühe- 8300 cal/Nm³. Es ist auch möglich, synthetische

ren Abbauarbeiten und auf die Zugangsschächte der brennbare Gase oder auch unbrennbare Gase zu

Lagerstätte zurückzuführen sind. Als innere Gas- speichern.

phase ist das Gas zu verstehen, das sich in dem Teil 50 Als unterirdischer Speicher wird gemäß der Erdes Eigenvolumens der Lagerstätte befindet, der im findung eine vorzugsweise schlagwetterführende und Innern des Gesteins liegt und die freien Räume der vorher teilweise ausgebeutete und entgaste Kohlen-Innenstruktur des Gesteins ausfüllt. Als adsorbierte lagerstätte verwendet. Diese verschlossene Kohlen-Phase wird das Gas bezeichnet, das sich im inneren lagerstätte hat ein außerhalb des Gesteins befind-Gefüge des Gesteins befindet und dessen innere 55 liches, durch den Abbau zurückgebliebenes Volumen, Oberfläche bedeckt. das einerseits aus den Schächten, Stollen und absicht-

Die innere Phase und die adsorbierte Phase, die lieh während des Abbaues ausgeräumten Arbeitsorten durch die Innenstruktur des Gesteins adsorbiert sind, und andererseits aus den Spalten, Rissen und Hohlbefinden sich normalerweise im Gleichgewicht mit räumen besteht, die sich während des Abbaues und der äußeren Gasphase. Dieses Gleichgewicht hängt 60 nach dem Abbau gebildet haben,
unter anderem vom Druck dieser äußeren Gasphase Beim gewählten Beispiel kann geschätzt werden, ab. Hieraus ergibt sich insbesondere, daß die Diffu- daß dieses restliche Volumen des unterirdischen sion des Gases in das Gestein der Kohlenlagerstätte Speichers, der in dieser Steinkohlenlagerstätte durch und die Adsorption dieses Gases durch das Gestein den Abbau gebildet worden ist, etwa 10 000 000 m³ durch eine Steigerung des Drucks der äußeren Gas- 65 beträgt. Dieses äußere Volumen des Gesteins des phase erleichtert werden. unterirdischen Speichers ist mit einem Gas gefüllt,

Demgemäß wird das zu speichernde Gas gemäß das als »äußeres Gas« oder »äußere Gasphase« be-

einer weiteren Besonderheit der Erfindung unter zeichnet wird. Vor dem Beginn der Gasspeicherung

Claims (4)

in diesem Reservoir besteht dieses äußere Gas aus der Grubenluft, die beispielsweise die folgende mittlere Zusammensetzung hat: CO2 0,5·/. 2% O2 18,5% N2 79% Dieses äußere Gas steht unter einem Druck von etwa 1 Atm. und hat einen Heizwert von etwa 190 cal/Nm». Das äußere Volumen des unterirdischen Speichers wird durch das Gestein der Steinkohlenlagerstätte begrenzt, das unter anderem Steinkohle und Schiefer enthält. Dieses Gestein enthält eine gewisse Grubengasmenge, die es adsorbiert hat. Dieses Grubengas setzt sich aus einem inneren Gas und einem adsorbierten Gas oder, mit anderen Worten, aus einer inneren Gasphase und einer adsorbierten Phase zusammen. Das adsorbierte Grubengas steht unter einem Druck, der in der Nähe der Berührungsfläche zwischen dem äußeren Gas und dem Gestein etwa 1 Atm. beträgt und progressiv beispielsweise bis auf 50 Atm. in dem Maße steigt, in dem man sich von der entgasten und desorbierten Zone dieser Berührungsfläche zur nicht desorbierten und unverritzten Zone der Kohlenlagerstätte entfernt. Das von dem Gestein der Steinkohlenlagerstätte adsorbierte Grubengas hat ungefähr die folgende mittlere Zusammensetzung: H2 0,133% CH4 97,2% C2H6 1,96% N2+ Ar+ Kr 0,32% He+ Ne 0,0257% CO2 0,38% H2S Spuren 35 40 und einen mittleren Heizwert von etwa 9600 cal/Nm3. Vor Beginn der Speicherung in einer solchen vorher ausgebeuteten, schlagwetterführenden Kohlenlagerstätte existiert im Inneren der Lagerstätte ein Ungleichgewicht der Drücke der äußeren Gasphase und der inneren und adsorbierten Phasen. Dieser Druckgradient hat eine Wanderung des im Gestein der Steinkohlenlagerstätte adsorbierten Grubengases zur äußeren Gasphase hin zur Folge. Die Herrichtung des unterirdischen Speichers aus dieser ausgebeuteten Kohlenlagerstätte besteht aus einer ersten einfachen Maßnahme, die darin besteht, daß man nach dem Verschließen der Schächte Gas der äußeren Phase abzieht, indem man diese bei niedrigem Druck im Vergleich zum Druck der inneren und adsorbierten Phase hält. Beispielsweise hält man durch Absaugen die äußere Gasphase bei einem Druck von 1 Atm., während die innere und die adsorbierte Phase der unverritzten Lagerstätte unter einem Druck von etwa 50 Atm. steht. Die Aufrechterhaltung dieses Ungleichgewichts zwischen den Drücken der äußeren Gasphase und der inneren und adsorbierten Phase des Gesteins der Lagerstätte erleichtert die Wanderung des in diesem Gestein adsorbierten Grubengases zur äußeren Gasphase hin. Durch dieses Absaugen entgast und desorbiert man die Kohlenlagerstätte von dem Grubengas, während man die äußere Gasphase mit Methan anreichert. Man erhöht auf diese Weise den Heizwert dieser äußeren Gasphase und kann diese Regelung allein durch dieses Absaugen so lange fortsetzen, bis man beispielsweise die folgende mittlere Zusammensetzung erhält: CO2 4% CH4 (Spuren von H2 und C2H6) 87% N2 9«/o H2S Spuren Dies entspricht einem mittleren Heizwert von etwa 4300 cal/Nm3, der mit dem Heizwert des zu speichernden Gases identisch ist. Nach Beendigung dieser Regelung wird das zu speichernde Gas in den unterirdischen Speicher eingeführt, der durch diese Kohlenlagerstätte gebildet wird. Diese Einführung erfolgt vorzugsweise unter einem verhältnismäßig hohen Druck, der jedoch in Abhängigkeit von der Menge des zu speichernden Gases zwischen 1 und 50 Atm. variieren kann. Durch die Einführung und nach der Einführung des zu speichernden Gases in den unterirdischen Speicher steht die äußere Gasphase ebenfalls unter diesem zwischen 1 und 50 Atm. variierenden Druck. Demzufolge diffundiert diese äußere Gasphase, die das Volumen außerhalb des Gesteins der Lagerstätte füllt, teilweise in das entgaste und desorbierte Gestein, wo sie adsorbiert wird. Diese Mengen des vom Gestein adsorbierten Gases vergrößern die innere Phase und die adsorbierte Phase, deren Innendrücke in Abhängigkeit vom Druck der äußeren Gasphase steigt. Aus diesem Grund ist das Fassungsvermögen des durch die Kohlenlagerstätte gebildeten unterirdischen Speichers auf das Fassungsvermögen des Eigenvolumens dieser Lagerstätte beschränkt. Unter einem Druck von 10 Atm. kann das Fassungsvermögen beispielsweise 500 000 000 Nm3 erreichen. Da die Erscheinungen der Diffusion und Adsorption der Gase im Gestein der Kohlenlagerstätte reversibel sind in Abhängigkeit von den Gleichgewichtsfaktoren zwischen der äußeren Gasphase, der inneren Gasphase und der adsorbierten Phase, erfolgt die Gasentnahme leicht durch Verringerung des Drucks der äußeren Gasphase. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Speicherung von insbesondere brennbaren Gasen in unterirdischen, unter gasundurchlässigen Schichten befindlichen Speichern, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas in eine Kohlenlagerstätte einführt, die selbst diesen Speicher darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das brennbare Gas in eine vorher teilweise ausgebeutete und entgaste Steinkohlenlagerstätte einführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das brennbare Gas unter einem verhältnismäßig hohen Druck so einführt, daß hierdurch die Adsorption dieses Gases durch die Kohlenlagerstätte gesteigert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß man vor der Speicherung von brennbarem Gas in einer vorher teilweise

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ausgebeuteten und entgasten, schlagwetterführen- Grubengas in das äußere Gas eingeführt wird, den Steinkohlenlagerstätte äußeres Gas, das sich um auf diese Weise allmählich den Heizwert des vorher im Volumen außerhalb des Gesteins des äußeren Gases im Maße des Absaugens zu erunterirdischen Speichers befindet, progressiv so höhen und in Abhängigkeit vom Heizwert des zu abzieht, daß bisher im Gestein adsorbiertes 5 speichernden Gases zu regeln.

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