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Es ist bekannt, Abwässer im Kalibergbau (Kaliendlaugen mittels etwa
700 m tiefer Versenkbrunnen in die tiefliegenden klüftigen Plattendolomite des oberen
Zechsteins zu versenken. Als Versenkrohre wurden gußeiserne Rohre oder Holzrohre
bzw. teilweise auch Stahlrohre mit Porzellan- oder Schmelzbasaltfutter verwendet.
Die letztgenannten Rohre sind zwar verhältnismäßig korrosionsbeständig, doch können
sie bei höheren Beanspruchungen, wie sie z. B. bei höheren Teufen bestehen, oder
wenn das Setzen eines Packers erforderlich ist, wegen ihrer geringen Festigkeit
oder wegen ihrer Sprödigkeit nicht eingesetzt werden. Außerdem müssen bei einer
Tiefbohrung mehrere dieser Rohre zusammengesetzt werden, so daß die Gefahr besteht,
daß an den Verbindungsstellen Undiehtigkeiten auftreten, durch welche die zu versenkenden
Flüssigkeiten in höhere, grundwasserführende Schichten austreten können. Aus diesem
Grund und weil die versenkten Kaliendlaugen bei Fehlen einer wasserundurchlässigen
Deckschicht wieder nach oben steigen und zu einer Verseuchung des Grundwassers und
damit der Flüsse und der Wasserversorgung führen könnten, wurde davor gewarnt, Salze,
schädliche und giftige Abwässer in den Untergrund zu versenken.
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Die erfindungsgemäß zu lösende Aufgabe besteht einmal darin, eine
Vorrichtung zur Beseitigung von Flüssigkeiten, insbesondere von chemisch aggressiven
Abwässern, zu schaffen, bei der die Wandung des für die Einleitung verwendeten Rohres
nicht angegriffen wird, damit die zu versenkende Flüssigkeit die vorgesehene geologische
Formation erreicht und nicht durch ein Leck im Rohrsystem in höher gelegene Horizonte
austreten kann und zum anderen dafür zu sorgen, daß im Falle eines Lecks in dem
für die Einleitung verwendeten Rohr die zu versenkende Flüssigkeit unschädlich gemacht
bzw. der Versenkprozeß unterbrochen wird.
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Es ist zwar bereits bekannt, Rohre aus glasfaserverstärkten Kunststoffen
bei der Lagerung von Flüssiggas in unterirdischen Kavernen zu verwenden. Diese Rohre
stellen aber nicht einen Teil des Einleitungssystems dar, sondern bilden nur den
oberen Abschluß der Kaverne.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Versenkrohr zum
Einleiten von Flüssigkeiten, insbesondere von chemisch aggressiven Abwässern, in
geeignete geologische Formationen; die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß
das für die Einleitung vorgesehene Rohr aus korrosionsbeständigen ; Werkstoffen,
insbesondere aus mit Glasfaser verstärktem Kunststoff, von mindestens einem zweiten,
im Durchmesser größer gehaltenen Rohr umgeben ist und daß der ringförmige Zwischenraum
bzw. die Zwischenräume zwischen den Rohren mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, deren
physikalisch-chemische Eigenschaften sich von denjenigen der einzuleitenden Flüssigkeit
unterscheiden.
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Als korrosionsbeständige Einleitungsrohre neben den glasfaserverstärktenKunststoffrohren
kommen, um nur einige Beispiele zu nennen, Titanrohre, kunststoffbeschichtete Stahlrohre,
gummierte Stahlrohre u. dgl. in Betracht. Bei Verwendung von Kunststoffen besteht
auch die Möglichkeit, das Rohr an Ort und Stelle (z. B. durch Strangpressen) in
Schlauchform herzustellen und beispielsweise in ein Stahlrohr einzuführen.
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Die gesamte Rohrausrüstung, soweit sie mit den korrodierenden Flüssigkeiten
in Berührung kommt, besteht ebenfalls aus den genannten korrosionsbeständigen Werkstoffen.
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Erst die Entwicklung der genannten korrosionsbeständigen Werkstoffe
hat es möglich gemacht, Rohre herzustellen, welche sowohl den hohen mechanischen
Beanspruchungen beim Einbau und beim Betrieb (z. B. durch das Eigengewicht, erhöht
um die Kraft, die zum Setzen des Packers erforderlich ist) als auch dem chemischen
Angriff durch die meisten bekannten Mineralsäuren widersteht. Aus dem gleichen Werkstoff
kann auch der Packer selbst hergestellt werden, da er zumindest auf seiner unteren
Stirnseite ebenfalls dem Angriff der Einpreßflüssigkeit ausgesetzt ist.
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Die äußere Rohrtour, die das eigentliche Einleitungsrohr umgibt, kann
ebenfalls aus korrosionsbeständigen Werkstoffen, wie glasfaserverstärktem Kunststoff
gefertigt werden, braucht es aber nicht unbedingt zu sein.
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Die Flüssigkeit im ringförmigen Zwischenraum unterscheidet sich vorzugsweise
hinsichtlich ihres pH-Wertes und/oder ihrer elektrischen Leitfähigkeit von der einzuleitenden
Flüssigkeit. Enthält die einzuleitende Flüssigkeit z. B. Säure oder deren Salze
mit einem niedrigen pH-Wert, so wird die im ringförmigen Zwischenraum enthaltene
Flüssigkeit zweckmäßig alkalisch gehalten. Es ist aber auch möglich, im ringförmigen
Zwischenraum gewöhnliches Wasser zu verwenden, so daß zwischen diesem und der einzuleitenden
Flüssigkeit ein Konzentrationsgefälle herrscht. Sollte auf Grund irgendwelcher Umstände
in dem inneren Rohr ein Leck eintreten, so kann die zur Versenkung bestimmte Flüssigkeit
nicht aus dem Rohrsystem entweichen. Sie wird vielmehr von der im Ringraum stehenden
Flüssigkeit neutralisiert bzw. bei Verwendung von reinem Wasser verdünnt und damit
unschädlich gemacht.
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Dieser Vorgang hat eine Änderung des pH-Wertes bzw. der Salzkonzentration
der Flüssigkeit im Ringraum zur Folge, die mittels geeigneter Meßinstrumente erfaßt
und zur Auslösung eines Alarms bzw. zum automatischen Unterbrechen des Versenkprozesses
benutzt werden können. Um diese Änderungen schnell und zuverlässig, insbesondere
an der kritischen Zone in der Nähe der Bohrlochmündung erfassen zu können, wird
vorgeschlagen, im Ringraum selbst ein dünnes Rohr in das Bohrloch einzuführen, derart,
daß aus diesem Rohr oder Schlauch Ringraumflüssigkeit entnommen wird, so daß im
Ringraum selbst eine laufende Zirkulation erfolgt.
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Neben der Messung des pH-Wertes bzw. der Salzkonzentration der Ringraumflüssigkeit
bestehen erfindungsgemäß noch zahlreiche weitere Möglichkeiten, eine Leckbildung
festzustellen. Beispielsweise kann die Ringraumflüssigkeit auf das Vorhandensein
von Ionen der zu versenkenden Flüssigkeit untersucht werden, wozu alle bekannten
Nachweismethoden angewendet werden können. Man kann die zu versenkende Flüssigkeit
aber auch gesondert markieren (z. B. mit Farbstoffen oder radioaktiven Substanzen)
und die Markierungssubstanzen in der Ringraumflüssigkeit nachweisen. Markiert man
mit radioaktiven Substanzen, so verwendet man vorzugsweise solche mit einer kurzen
Halbwertszeit, damit die Radioaktivität möglichst schnell abklingt.
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Als weitere Sicherheitsmaßnahme wird vorgeschlagen, den Druck im Ringraum
höher zu halten als im eigentlichen Einleitungsrohr, so daß im Falle
eines
Lecks die zu versenkende Flüssigkeit nicht austreten kann; vielmehr wird Ringraumflüssigkeit
in das Einleitungsrohr eindringen. Ein eventuelles Leck wird somit auch an der Verminderung
des im Ringraum herrschenden Überdruckes und/oder der darin anstehenden Flüssigkeitsmenge
erkannt.
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Eine weitere mögliche Ausführungsform ist die, daß der untere Abschluß
des ringförmigen Zwischenraumes, der auch als Packer bezeichnet wird, mit einer
Öffnung versehen wird, durch die ständig ein Teil der im Ringraum enthaltenen Flüssigkeit
nach unten in die geologische Formation austritt. Der Ringraum zwischen beiden Rohrtouren
wird somit ständig gespült. Eine aus einem eventuellen Leck im Einleitungsrohr austretende
Säuremenge würde somit sofort bis zur Unschädlichkeit verdünnt und nach unten abgeführt
werden. Auch in diesem Fall ist es zweckmäßig, den Druck im Ringraum höher zu halten
als im eigentlichen Einleitungsrohr. Ein Leck kann somit an der Verminderung des
im Ringraum herrschenden Überdruckes oder des Vorrates an erforderlicher Spülflüssigkeit
erkannt werden.
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Da ein Eindringen von Säure in das Spülwasser dessen elektrische Leitfähigkeit
sofort stark erhöhen würde, wird weiterhin vorgeschlagen, am unteren Ende des Ringraumes
in der Nähe der Durchtrittsöffnung durch den Packer eine Sonde zur Ermittlung der
elektrischen Leitfähigkeit anzubringen. Der gemessene Wert kann mittels eines elektrischen
Kabels an die Oberfläche geleitet, dort registriert und seine eventuelle Veränderung
zur Auslösung eines Alarms herangezogen werden.
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Auch andere Sonden, z. B. Potentialmeßgeräte, die auf die einzelnen
Ionen ansprechen, sowie Meßgeräte für Radioaktivität (wenn die zu versenkende Flüssigkeit
mit radioaktiven Substanzen markiert wurde), können verwendet werden.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist durch die Figur erläutert,
die einen Vertikalschnitt durch eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung gemäß
der Erfindung zeigt.
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Die zur Einleitung der zu versenkenden Flüssigkeit vorgesehene Bohrung
wird in koventioneller Weise niedergebracht.
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Die grundwasserführenden, oberflächennahen Schichten 1 werden durch
ein im Durchmesser relativ weit gehaltenes Rohr 5 abgesperrt. Dieses Rohr ist in
bekannter Weise in das anstehende Gebirge einzementiert.
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Die Bohrung wird dann mit geringerem Durchmesser durch eine Schicht
2 (z. B. eine Sandschicht) bis zum Antreffen hinreichend mächtiger, wasserundurchlässiger
Tonschichten 3 weitergeführt. (Die vertikalen Abmessungen sind in der Zeichnung
stark verkürzt dargestellt.) In diese Bohrung wird ebenfalls ein Schutzrohr 6 einzementiert.
Dieses Rohr kann aus Stahl, aus mit Gummi oder Kunststoff beschichtetem Stahl oder
aber aus mit glasfaserverstärktem Kunststoff ausgeführt werden.
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In einem dritten Schritt wird die Bohrung mit nochmals verringertem
Durchmesser fortgesetzt bis zum Antreffen von Kalkgestein 4 und 4', welches hinreichend
stark mit Klüften 11 durchsetzt ist.
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Als letzte Rohrtour wird dann das eigentliche Versenkungsrohr 7 eingebaut.
Dieses besteht, wenn man z. B. Salzsäurelösungen versenken will, vorzugsweise aus
mit Glasfaser verstärktem Kunststoff. Dieses Rohr wird nicht einzementiert, vielmehr
achtet man darauf, daß es mit seinem unteren Ende frei im Gebirge ansteht, so daß
die zu versenkende Flüssigkeit in einem Hohlraum oder einer Kaverne 10 hinreichend
Gelegenheit findet, sich in die Klüfte 11 des Kalkgebirges zu verteilen. Falls der
Hohlraum 10 zu klein sein sollte, kann er mittels einer Sprengladung oder durch
Einleiten von Säure künstlich vergrößert werden.
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Der ringförmige Raum zwischen Schutzrohr und Einleitungsrohr wird
am unteren Ende mit einem Packer 8 abgeschlossen. Man achtet hierbei insbesondere
darauf, daß der Packer ganz oder teilweise in einer wasserundurchlässigen Schicht
3 ansteht.
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Auch wird zweckmäßigerweise zumindest der untere Teil des Rohres 6
auch auf der Außenseite aus korrosionsbeständigem Werkstoff ausgeführt, damit die
aggressive Flüssigkeit, sollte sie außen am Rohr hochsteigen, dieses nicht zerstören
kann. Diesem Hochsteigen ist durch die undurchlässige Tonschicht 3 eine Grenze gesetzt,
so daß von hier ab nach oben das Rohr aus normalem Werkstoff bestehen kann. Das
obere Ende des Bohrloches ist mit einem Bohrlochkopf 9 an sich bekannter Konstruktion
verschlossen. Auch hierbei sind alle Flächen, die mit der aggressiven Flüssigkeit
in Berührung kommen, aus entsprechend widerstandsfähigen Werkstoffen hergestellt.
Diese Flüssigkeit selbst wird mit dem notwendigen Druck dem Stutzen 18 zugeführt.
Der ringförmige Zwischenraum zwischen den Rohren 6 und 7 ist mit alkalischem Wasser
gefüllt.
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Ein Leck im inneren Rohr 7, durch welches Säure in diesen Ringraum
eindringen könnte, wird sich z. B. durch Änderung des pH-Wertes oder der elektrischen
Leitfähigkeit bemerkbar machen.
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Da es schwierig ist, über die ganze Länge des Rohrsystems, welche
bis zu 1000 m betragen kann, laufend Messungen durchzuführen, wird der Inhalt des
Ringraumes ständig in Bewegung gehalten, so daß eine Messung an einer oder allenfalls
einigen wenigen Stellen ausreicht.
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Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten, die getrennt oder gemeinsam angewendet
werden können. So wird in den Ringraum ein dünnes Rohr 14 eingeführt, welches
bis in die Nähe des Packers reicht. Aus diesem Rohr wird kontinuierlich oder diskontinuierlich
Probeflüssigkeit entnommen und untersucht. Die Entnahmemenge ist so gewählt, daß
innerhalb weniger Stunden die gesamte im Ringraum anstehende Flüssigkeitsmenge durchgesetzt
wird. Ein Leck könnte also erkannt werden - selbst am oberen Ende des Rohrsystems
- bevor größere Schäden entstehen.
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Die andere Möglichkeit ist, die Ringraumflüssigkeit nicht an die Erdoberfläche
zurückzuführen, sondern durch eine Öffnung 12 mit definiertem Durchmesser in die
mit Klüften durchsetzte Formation austreten zu lassen. Der Zweck einer ständigen
Spülung des Ringraumes wird damit ebenfalls erreicht. In diesem Falle wird die Sonde
13 zur Registrierung der im Falle eines Lecks auftretenden Änderungen der physikalisch-chemischen
Eigenschaften der Ringraumflüssigkeit zweckmäßigerweise in der Nähe dieser Durchtrittsöffnung
angebracht. Die gemessenen Werte werden mit Hilfe eines elektrischen Kabels 15 an
die Erdoberfläche geleitet.
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Die Zufuhr der laufend abgezogenen bzw. in die mit Klüften durchsetzte
Formation ausgetretenen Ringraumflüssigkeit erfolgt durch die Stutzen 16 bzw. 17.
An diesen Stutzen können Einrichtungen zur
Messung des Druckes und/oder
der Menge der Ringraumflüssigkeit (nicht dargestellt) angebracht sein.