DE1533791C - Method of building an underground storage cell with frozen walls for liquefied gas - Google Patents
Method of building an underground storage cell with frozen walls for liquefied gasInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Errichten einer unterirdischen Lagerzelle mit gefrorenen Wandungen für verflüssigtes Gas, bei dem ein in die Erde niedergebrachtes Bohrloch mit Bohrflüssigkeit gefüllt bleibt, um ein Zusammenfallen der Wände des Bohrlochs zu verhindern.The invention relates to a method for building an underground storage cell with frozen Liquefied gas walls, in which a borehole is sunk in the earth with drilling fluid remains filled to prevent the walls of the borehole from collapsing.
Bei einem bekannten Verfahren zum Errichten einer unterirdischen Lagerzelle für verflüssigtes Gas werden die Bohrlochwände mit Verstrebungsmitteln verkleidet, um die Erde während des Niederbringens des Bohrlochs abzustützen. Außerdem sind die Wände der Lagerzellen mit solchen Versteifungen verkleidet. Im Anschluß an die Bildung der Lagerzelle werden in der Nähe des Bohrlochs und der Lagerzelle Peillöcher niedergebracht, in die während der Füllung der Lagerzelle mit verflüssigtem Gas Wasser eingespritzt wird, so daß sich ein Gefriervorgang entwickelt, der konzentrisch von der Lagerzelle nach außen abläuft, wobei das benachbarte Erdreich eine flüssigkeitsdichte Versiegelung für das zu lagernde Gas darstellt. Die hierbei notwendigen Versteifungen des Bohrlochs und der Lagerzelle sowie die zusätzlichen Peillöcher machen jedoch dieses Verfahren kostspielig und umständlich.In a known method of building an underground storage cell for liquefied gas the borehole walls are lined with bracing means to support the earth during driving to support the borehole. In addition, the walls of the storage cells are provided with such stiffeners disguised. Following the formation of the storage cell, in the vicinity of the borehole and the Storage cell drilling holes in which during the filling of the storage cell with liquefied gas Water is injected so that a freezing process develops concentrically from the storage cell drains to the outside, with the neighboring soil a liquid-tight seal for the represents gas to be stored. The necessary stiffening of the borehole and the storage cell as well as the additional bearing holes, however, make this procedure expensive and cumbersome.
Man hat auch zur Errichtung eines unterirdischen Lagersystems für verflüssigte Gase beim Bau einer Lagerzelle Wasser versprüht, um eine Kappe aus Schlamm und Eis über einer flachen Grube zu bilden. Ferner ist es bekannt, beim Niederbringen des Bohrlochs zur Bildung einer Lagerzelle für verflüssigtes Gas Bohrschlamm oder Wasser-Öl-Emulsionen zum ■ Abdichten des Bohrlochs und zum Verhindern eines Zusammenfallens der Bohrlochwände zu benutzen, wobei jedoch die Bohrlochwandung nicht eingefroren wird. ■One also had to set up an underground storage system for liquefied gases in the construction of a Storage cell water sprinkled to form a cap of mud and ice over a shallow pit. It is also known when the borehole is being driven to form a storage cell for liquefied material Gas drilling mud or water-oil emulsions for ■ sealing the borehole and preventing a To use collapse of the borehole walls, but the borehole wall not frozen will. ■
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders einfaches und wirtschaftliches Errichten einer unterirdischen Lagerzelle für verflüssigtes Gas unter Anwendung eines Gefriervorganges zu ermöglichen. Gemäß der Erfindung wird zunächst im Bohrloch auf die Bohrflüssigkeit eine Schicht aus einer Pufferflüssigkeit und auf diese ein Gefriermittel aufgebracht, wobei die Pufferflüssigkeit eine größere Dichte als das Gefriermittel und kleinere Dichte als die Bohrflüssigkeit hat und mit beiden Flüssigkeiten unvermischbar ist. Hierauf wird unter Aufbringen weiteren Gefriermittels die Bohrflüssigkeit aus dem Bohrloch unterhalb der Pufferflüssigkeit abgezogen, um die Schicht aus Pufferflüssigkeit fortschreitend in dem Bohrloch nach unten sinken zu lassen und auf diese Weise die Erdwände des Bohrlochs durch das Gefriermittel nach unten fortschreitend zu gefrieren. Schließlich wird das verflüssigte Gas in das Bohrloch eingelassen und verdrängt das Gefriermittel. \The invention is based on the object of a particularly simple and economical erection to enable an underground storage cell for liquefied gas using a freezing process. According to the invention, a layer of one is first in the borehole on the drilling fluid Buffer liquid and a freezing agent applied to it, wherein the buffer liquid has a greater density than the freezing agent and a lesser density than has the drilling fluid and is immiscible with both fluids. This is followed by applying further freezing agent, the drilling fluid is drawn from the borehole below the buffer fluid, to progressively sink the layer of buffer fluid down the borehole and in this way to freeze the walls of the borehole progressively downward through the freezing agent. Eventually the liquefied gas is admitted into the borehole and displaces the freezing agent. \
Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung wird in dem Bohrloch eine Abschlußdecke hergestellt, unter welcher das Gefriermittel auf die Pufferflüssigkeit in das Bohrloch eingebracht wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im oberen Teil des Bohrlochs eine Verschalung hergestellt, in welcher die Abschlußdecke untergebracht wird, worauf das Bohrloch über der Abschlußdecke mit Erde aufgefüllt wird. Als Gefriermittel wird vorzugsweise unterkühltes, flüssiges Propan verwendet. Zum Verdrängen des Gefriermittels aus dem gefrorenen Bohrloch werden zweckmäßig Methandämpfe angewendet. According to a preferred feature of the invention, an end cover is made in the borehole, under which the freezing agent is introduced onto the buffer liquid in the borehole. In Another embodiment of the invention, a casing is made in the upper part of the borehole, in which the end cover is housed, whereupon the borehole over the end cover with Earth is replenished. Supercooled, liquid propane is preferably used as the freezing agent. To the Methane vapors are expediently used to displace the freezing agent from the frozen borehole.
Eine nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte unterirdische Lagerzelle für verflüssigtes Gas besteht im wesentlichen aus einem Trog in dem Bohrloch unterhalb der Abschlußdecke mit Vorrichtungen, mittels welcher über den Trog fließende Flüssigkeit gegen die Wand des Bohrlochs gelenkt wird, sowie aus die Decke durchsetzenden Leitungen, von denen eine bis zum Boden des Bohrlochs reicht und eine andere, vorzugsweise.vertikal bewegliehe Leitung mit einem Dampf raum oberhalb des Troges in Verbindung steht. Es empfiehlt sich, den Trog ringförmig auszubilden und seine Außenwände mit Wehren zu versehen, welche die überlaufende Flüssigkeit gegen die Bohrlochwandung ablenken. Mit der in dem Trog befindlichen Flüssigkeit kann eine weitere Leitung in Verbindung stehen. Zweckmäßig endet die mit dem Dampfraum über der Flüssigkeit in Verbindung stehende Leitung in der Nähe der Oberfläche dieser Flüssigkeit.An underground storage cell for liquefied matter produced by the method according to the invention Gas essentially consists of a trough in the borehole below the end ceiling with devices by means of which liquid flowing over the trough is directed against the wall of the borehole as well as pipes penetrating the ceiling, one of which extends to the bottom of the borehole and another, preferably vertically movable Line communicates with a steam space above the trough. It is recommended that the To make the trough ring-shaped and to provide its outer walls with weirs, which the overflowing Divert liquid against the borehole wall. With the liquid in the trough can another line are connected. It expediently ends with the vapor space above the liquid communicating pipe near the surface of this liquid.
Die Erfindung soll im einzelnen an Hand der . Zeichnungen erläutert werden. Es zeigtThe invention is intended in detail with reference to the. Drawings are explained. It shows
Fig. 1 einen Schnitt, der schematisch die Ausgestaltung einer Lagerzelle und das Gefrieren der Wände des Bohrloches erläutert, undFig. 1 is a section schematically showing the configuration a storage cell and the freezing of the walls of the borehole explained, and
Fig. 2 einen Schnitt ähnlich Fig. 1, der das verflüssigte Gas an Ort und Stelle in der gefrorenen Lagerzelle zeigt.FIG. 2 shows a section similar to FIG. 1, showing the liquefied Shows gas in place in the frozen storage cell.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, beginnt der Bau einer Zelle 10 damit, daß ein überbemessenes Loch 11 in die Erde bis an eine Stelle gebohrt wird, die einige Meter unterhalb des Grundwassers liegt. Dieses Loch 11 wird mit einem Futterrohr 12 ausgekleidet, das durch eine Zementschicht 13 einzementiert wird. Durch das Innere des Futterrohres 12 wird dann ein kleineres Bohrloch 14 in die Erdformation auf die gewünschte Tiefe niedergebracht. Das Bohrloch 14 und das Futterrohr 12 werden mit einer Bohrflüssigkeit 26 gefüllt und dadurch vor dem Einstürzen geschützt. Das Niveau der Bohrflüssigkeit in dem Bohrloch 14 wird bis auf den unteren Rand des Futterrohres 12 abgesenkt, an dessen unterem Ende ein Trog 15 zur Aufnahme eines flüssigen Gefriermittels und zu dessen Ablenkung gegen die Wandung des Bohrlochs 14 mittels mehrerer Stege 16 befestigt wird.' Der Aufbau und die Funktion dieses Troges werden weiter unten näher beschrieben. Rohre 18 und 19 werden eingebaut, und in der Nähe des unteren Endes des Futterrohres 12 wird eine verstärkte Betondecke 20 eingegossen. Das Innere des Futterrohres 12 oberhalb der Betondecke 20 wird mit feuchter Erde 21 aufgefüllt. Das Bohrloch (nun als Zelle bezeichnet) ist jetztifertig zum Gefrieren. / Das Gefrieren der Bohrlochwandung wird bei jeder Zelle getrennt durchgeführt, und zwar unter Verwendung eines leicht zu handhabenden Gefriermittels, wie Propan. Die Erdwände jeder Zelle werden von innen und von oben nach unten fortschreitend gefroren, damit der Bau erleichtert und eine frühzeitige Festigkeit im Bereich der Betondecke der Zelle erzielt wird. Das Gefrieren der Zellwände 14 wird bewerkstelligt, indem man zunächst das Niveau der Bohrflüssigkeit 26 einige Meter unter die Betondecke 20 absenkt und dann eine isolierende Pufferflüssigkeit 22 oben auf die Bohrflüssigkeit 26 gibt. Die Pufferflüssigkeit hat eine spezifische Dichte, die größer als die des Gefriermittels, jedoch kleiner als die von Wasser ist; sie ist mit dem Gefriermittel und der Bohrflüssigkeit nicht mischbar und hat einenAs can be seen from Fig. 1, the construction of a cell 10 begins with the fact that an oversized hole 11 is drilled into the earth to a point a few meters below the groundwater. This hole 11 is lined with a casing 12 which is cemented in by a cement layer 13. A smaller borehole 14 is then made through the interior of the casing 12 in the earth formation on the desired depth brought down. The borehole 14 and casing 12 are filled with a drilling fluid 26 filled and thus protected from collapsing. The level of drilling fluid in borehole 14 is increased to the bottom of the casing 12 lowered, at its lower end a trough 15 for receiving a liquid freezing agent and fastened to the deflection thereof against the wall of the borehole 14 by means of a plurality of webs 16 will.' The structure and function of this trough are described in more detail below. Tubes 18 16 and 19 are installed and a reinforced near the lower end of the casing 12 is made Concrete ceiling 20 poured. The interior of the casing 12 above the concrete ceiling 20 is with moist soil 21 filled up. The borehole (now referred to as the cell) is now ready to freeze. / The freezing of the borehole wall is carried out separately for each cell, namely under Use of an easy-to-use freezing agent such as propane. The earth walls of every cell become progressively frozen from the inside and from top to bottom, so that construction is easier and one early strength is achieved in the area of the concrete ceiling of the cell. The freezing of the cell walls 14 is accomplished by first setting the level of the drilling fluid 26 a few meters below the concrete ceiling 20 lowers and then an insulating buffer liquid 22 on top of the drilling fluid 26 is. the Buffer liquid has a specific density that is greater than that of the freezing agent, but less than that is of water; it is immiscible with the freezing agent and the drilling fluid and has a
niedrigen Gefrierpunkt. Es gibt zahlreiche geeignete Pufferflüssigkeiten, von denen Rizinusöl und Leinöl als Beispiele genannt seien.low freezing point. There are numerous suitable buffer liquids, one of which is castor oil and linseed oil may be mentioned as examples.
Das Gefriermittel 23 wird durch eine von dem Rohr 19 umschlossene Leitung 24 oberhalb der Pufferflüssigkeit 22 und unterhalb der Betondecke 20 in die Zelle eingebracht. Die Bohrflüssigkeit 26 wird durch ein Doppelmantelrohr 25 unterhalb der Pufferflüssigkeit 22 in dem Maß abgezogen, wie Gefriermittel 23 zugeführt wird, so daß der gefrorene Bereich der Zellwand 14 mit einer Geschwindigkeit, die durch das Abziehen der Bohrflüssigkeit 26 geregelt wird, fortschreitend nach unten wandert. Ein nicht gezeigtes Ventil an der Oberfläche steuert den Abfluß der Bohrflüssigkeit 26 durch das Doppelmantelrohr 25 unter dem Druck des Gefriermittels 23. Die Zellwände werden dadurch vor dem Zusam-. menfall bewahrt, daß der gegen die Wände wirkende Innendruck im wesentlichen gleich dem Druck ist, der während des Bohrens des Bohrloches herrscht. Tatsächlich sind die Einsturzgefahren ganz gering, weil der Druck der Bohrflüssigkeit gegen die Zellwand 14 unverändert bleibt, bis die Wände durch das Gefrieren Festigkeit erlangen.The freezing agent 23 is through a line 24 enclosed by the tube 19 above the buffer liquid 22 and placed below the concrete ceiling 20 in the cell. The drilling fluid 26 is withdrawn through a double jacket tube 25 below the buffer liquid 22 to the extent that freezing agent 23 is supplied so that the frozen area of the cell wall 14 at a speed which is regulated by the withdrawal of the drilling fluid 26, progressively migrates downwards. A valve on the surface, not shown, controls the outflow of drilling fluid 26 through the jacketed pipe 25 under the pressure of the freezing agent 23. The cell walls are thereby before the collapse. in the event that the internal pressure acting against the walls is essentially equal to the pressure, that prevails during the drilling of the borehole. In fact, the risk of collapse is very low, because the pressure of the drilling fluid against the cell wall 14 remains unchanged until the walls through the freezing gain strength.
Während des Gefrierens der Zellwand14 sowie während der späteren Lagerung von verflüssigtem Gas in der Zelle wird ein Dampfkondensationssystem verwendet. Das System besteht aus dem flachen, ringförmigen Trog 15 mit einer konischen Bodenwand 30 sowie konzentrischen Außen- und Innenwänden 31 und 32. Die Außenwand 32 hat einen ringförmigen Ansatz 33, dessen Außenrand dicht an der Zellwand 14 anliegt. Der Trog 15 besteht aus Aluminium und hat am oberen Teil der Außenwand 32 eine Vielzahl von V-förmigen Wehren 34, über welche Flüssigkeit aus dem Trog fließt, die durch den ringförmigen Ansatz 33 gegen die Zellwand 14 gelenkt wird. Zu der oberirdischen Ausrüstung gehören ein Zubringertank 35, eine Gefriermittelumlaufpumpe 36 und ein Wärmeaustauscher 37. Das flüssige Gefriermittel, wie unterkühltes Propan, zirkuliert innerhalb des Troges 15 und wird in dem Wärmeaustauscher 37 auf tiefere Temperatur zurückgekühlt. Im Zubringertank 35 gelagertes unterkühltes Propan wird durch ein Siphonrohr 39 in die Zelle eingeführt. Die Leitungen 50, 51 und 52 stehen mit Hauptleitungen, d. h. der Füll- und Auslaßleitung, der Dampfsammelleitung bzw. der Flüssigkeitssammelleitung in Verbindung.During the freezing of the cell wall14 as well as a vapor condensation system is used during the later storage of liquefied gas in the cell used. The system consists of the flat, annular trough 15 with a conical bottom wall 30 and concentric outer and inner walls 31 and 32. The outer wall 32 has a annular extension 33, the outer edge of which lies tightly against the cell wall 14. The trough 15 consists of Aluminum and has a plurality of V-shaped weirs 34, across the top of the outer wall 32 which liquid flows out of the trough, which flows through the annular projection 33 against the cell wall 14 is steered. The above-ground equipment includes a feeder tank 35, a circulating freezer pump 36 and a heat exchanger 37. The liquid refrigerant such as supercooled propane circulates inside the trough 15 and is cooled back in the heat exchanger 37 to a lower temperature. Supercooled propane stored in the feed tank 35 is fed into the cell through a siphon pipe 39 introduced. Lines 50, 51 and 52 are connected to main lines; H. the filling and discharge line, the steam manifold or the liquid manifold in connection.
Das Dampfkondensationssystem reguliert sich selbst innerhalb der Bedingungen, die dem· System von der gewünschten Geschwindigkeit des Wandgefrierens und des Wärmezuflusses aus der Erde auferlegt werden.The vapor condensation system regulates itself within the conditions that the system imposed by the desired rate of wall freezing and the influx of heat from the earth will.
Der Betrieb des Dampfkondensationssystems hängt von den Einflüssen durch Änderung von Temperatur, Druck und Volumen innerhalb der Zelle und vom Zusammenwirken der Komponenten des Systems unter dem Einfluß dieser Änderungen ab. Zu den grundsätzlichen Einstellungen des Systems gehören die Regulierung des Druckes in dem Zubringertank 35 zur Steuerung des Druckes in der Zelle und vertikale Auf- und Abbewegungen einer an die Leitung 24 angeschlossenen Dampfleitung 40 zur Änderung des Gefriermittelniveaus 42 im Trog 15. Eine Änderung im Gefriermittelniveau bewirkt wiederum eine Veränderung in der Überlaufgeschwindigkeit des Gefriermittels über die Wehre 34. Diese Überlaufgeschwindigkeit beeinflußt den Flüssigkeitsspiegel in der Zelle und damit die Wärmeaustauschfläche zwischen dieser Flüssigkeit und dem Trog 15.The operation of the steam condensation system depends on the effects of changes in temperature, Pressure and volume within the cell and from the interaction of the components of the system under the influence of these changes. The basic settings of the system include the regulation of the pressure in the feeder tank 35 to control the pressure in the cell and vertical Up and down movements of a steam line 40 connected to the line 24 for changing of the freezing agent level 42 in the trough 15. A change in the freezing agent level in turn causes a Change in the overflow rate of the freezing agent over the weirs 34. This overflow rate influences the liquid level in the cell and thus the heat exchange surface between this liquid and the trough 15.
Das Zusammenwirken aller Komponenten im Sinn einer Selbstregulierung des Systems beruht darauf, daß Gefriermittel von ähnlichem Druck, jedoch unterschiedlicher Temperatur in der Zelle einerseits und in dem Trog und dem Zubringertank andererseits vorhanden ist, sowie auf der Wirkung desThe interaction of all components in the sense of a self-regulation of the system is based on that refrigerant of similar pressure, but different temperature in the cell on the one hand and is present in the trough and the feeder tank on the other hand, as well as on the action of the
ίο Siphonrohres 39 zwischen Zubringertank 35 und Trog 15. Dieses Siphonrohr arbeitet nur, wenn das Gefriermittelniveau in dem Trog unter das untere Ende der an die Dampfleitung 40 angeschlossenen Leitung 24 fällt. Normalerweise ist die Dampfleitung so eingestellt, daß sie aus dem Zubringertank 35 eine Gefriermittelmenge liefert, die gleich der Menge der aus der Zelle abgezogenen Bohrflüssigkeit 26 ist, und der Wärmeaustausch des Troges 15 führt aus der Zelle die Flüssigkeitswärme ab, die aus der Erde aufgenommen wird. Wenn jedoch der Wärmeaustausch unvollkommen ist und die Temperatur der Flüssigkeit in der Zelle zu steigen beginnt, dann nimmt die Verdampfung aus dem Trog 15 zu, und das Siphonrohr 39 zieht Gefriermittel aus dem Zubringertank 35 mit größerer Geschwindigkeit nach.ίο siphon pipe 39 between feed tank 35 and Trough 15. This siphon pipe only works when the level of freezing agent in the trough is below the lower one The end of the line 24 connected to the steam line 40 falls. Usually the steam pipe adjusted to deliver an amount of freezing agent from feeder tank 35 equal to that amount of the drilling fluid 26 withdrawn from the cell, and the heat exchange of the trough 15 leads from the Cell absorbs the heat of liquid that is absorbed from the earth. However, if the heat exchange is imperfect and then the temperature of the liquid in the cell begins to rise as evaporation from trough 15 increases and siphon tube 39 draws freezing agent from the feeder tank 35 at greater speed.
Der Wärmezufluß aus der Erde wird stark verringert, nachdem die Zellwände gefroren sind. Nach vollendetem Gefriervorgang sind die ganze Bohrflüssigkeit 26 und Pufferflüssigkeit 22 aus der Zelle durch das Doppelmantelrohr 25 abgezogen, und das Niveau des Gefriermittels liegt in F i g. 1 bei 42.The heat influx from the earth is greatly reduced after the cell walls are frozen. To When the freezing process is complete, all of the drilling fluid 26 and buffer fluid 22 are out of the cell withdrawn through the jacketed pipe 25, and the level of the freezing agent is in FIG. 1 at 42.
Das Einbringen von flüssigem Erdgas in die Zelle wird dadurch bewirkt, daß das flüssige Propangefriermittel durch Methandämpfe ersetzt und dann flüssiges Erdgas in die Zelle gegeben wird. Eine Stickstoffspülung wie bei anderen Arten von Gefrierlagerung ist nicht nötig, und eine Verunreinigung des Produkts tritt nicht ein. Das Flüssiggasniveau in der Zelle braucht nicht in der Nähe des Troges 15 zu liegen, sondern kann jede beliebige Höhe 43 haben, wie F i g. 2 zeigt. Durch Sieden der Flüssigkeit in der Zelle und im Trog 15 werden gleichmäßig kalte Temperaturen in der Flüssigkeitssäule gewährleistet und ein ausgezeichneter Wärmeaustausch zwischen der kalten Flüssigkeit und den Erdwänden 14 bewirkt. Die Betriebskosten für das Kondensieren des »Wegkochenden« werden stark gesenkt, wenn der Druck auf die Zelle aufrechterhalten wird, weil dann zwi-n sehen dem gelagerten Produkt und dem Erdreich ein geringeres Temperaturgefälle besteht.The introduction of liquid natural gas into the cell is effected by the liquid propane freezing agent is replaced by methane vapors and then liquefied natural gas is added to the cell. One Nitrogen purging as with other types of freezer storage is unnecessary and contamination of the Product does not enter. The liquid gas level in the cell does not need to be in the vicinity of the trough 15 but can have any height 43, as shown in FIG. 2 shows. By boiling the liquid in the Cell and in the trough 15 uniformly cold temperatures in the liquid column are guaranteed and an excellent heat exchange between the cold liquid and the earth walls 14 causes. The operating costs for the condensation of the "boiling away" are greatly reduced when the pressure on the cell is maintained because then between see the stored product and the soil there is a lower temperature gradient.
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