DE2113341A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ausbeutung von Erdwaerme-Energiequellen - Google Patents

Description

VERFAHEEF UHD VORRICHTUNG ZUR AUSBEUTUNG VON BRDWARME-MIjRGIEQUELLEN

Die vorliegende Erfindung "bezieht sich auf Methoden I

zum Ausbeuten des Erdinnern und genauer auf ein Verfahren

ι und eine Vorrichtung zur Nutzung von Gesteinen für thermo- j dynamische Kreisprozesse durch Entziehung oder Zuführung von Wärmeenergie.

Dabei kann die Erfindung angewendet werden zur Gewinnung geothermaler Energie, d. h. zur Gewinnung von Wärme aus auf natürliche Weise erwärmten Gesteinen, die durch in ihnen enthaltene ITuida übertragen wird, und auch zum Kühlen eines Wärmeträgers, welcher Wärmeenergie aus verschiedenen technologischen Prozessen ableitet»

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Unter dem Ausdruck "Energiequelle", die sich in Gesteinslagerstätten befindet, wird folgendes verstanden: Bei negativer Quelle sinkt wahrend des Prozeßablaufs die Wärmeträgertemperatur; bei positiver Quelle steigt die Wärmeträgertemperatur während des Wärmeaustausches zwischen Wärmeträger und Fluid um.

Bekanntlich werden die Bedürfnisse der Energiewirtschaft mehr als zur Hälfte durch Erdöl und -gas befriedigt· Die Vorräte an bekannten Bremst off art en sind jedoch begrenzt und ungleichmäßig verteilt oder befinden sich in unbewohnten, schwer zugänglichen Gebieten. In Verbindung hiermit taucht das Problem auf, andere .Energiequellen aufzusuchen und zu verwenden. Hierbei ist auch das Problem der Ausnutzung von im Srdinnern enthaltener Wärme zu lösen.

Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Ausbeuten der geothermal en Energie für die Bedürfnisse der industriellen Energiewirtschaft und der Kommunalwirtschaft bekannt.

Beim Ausbeuten von Gesteinen zum Gewinnen der in ihnen enthaltenen geothermal en Energie durch Durchführen eines thermodynamischen Kreisprozesses mit positiver Energiequelle, die sich in PlÖzlagerstätten befindet, wird mindestens ein Bohrloch niedergebracht, durch das in die erwärmten Gesteine kaltes Wasser gepumpt wird, welches erwärmt, in Dampf verwandelt und über Bohrlöcher an die Oberfläche und in eine Turbine geleitet wird« Es wird, um den Kreislauf zu verbessern

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und die Wärmeauetauschfläche in den Gesteinen zu vergrößern, eine Reihe von unterirdischen nuklearen Sprengungen durchgeführt.

Bei Anwendung des beschriebenen -Verfahrens besteht die Gefahr, daß radioaktive Produkte an der Oberfläche austreten und auch daß das zugeführte Wasser durch Aufsaugen unwiederbringlich verloren geht, da die Flüssigkeitssäule hohen hydrostatischen Druck besitzt und da das unterirdische Kesselsystem, das aus zerkleinerten erwärmten Gesteinen besteht, undicht ist.

Erhöhung der Wärmeträger!; emper afc ur hat größeren Gehalt an Mineralsalzen, die in den Gesteinen enthalten sind, zur Folge. Dies aber ist unerwünscht, da sich die Salze an Bohren ablagern und die Arbeiteelemente der Turbine verstopfen.

Die erwähnten Schwierigkeiten machen es in ihrer Gesamtheit erforderlich, daß Wärmeträgervorräte vorgesehen sowie Maßnahmen zur Wasseraufbereitung und zum Strahlungsschutz getroffen werden. Hierdurch wird jedoch der Anlagenbetrieb verteuert.

Außerdem ist bei niedrigem Druck-Niveau des Fluid ums in bezug auf die Tages oberfläche ein zusätzlicher Energieaufwand zum Heben des erwärmten Wärmeträger'3 oder zum Herausdrücken desselben über dieses Niveau bis an die Tagesoberfläche erforderlich. Hierdurch wird zusätzlicher Energie - Eigenbedarf verursacht und die Wirtschaftlichkeit

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der Anlage im ganzen gesenkt·

Es sind hier nur die wichtigsten Schwierigkeiten aufgezählt, welche in einzelnen !Fällen die Verwirklichung eines konkreten Projekts erschweren können.

Das Obendargelegte betrifft nicht Projektentwürfe, bei denen niedrigere !Temperaturen, bedeutende Wassersättigung und natürliche Durchlässigkeit der Gesteine angetroffen werden, wie dies in den meisten Gebieten mit Lagerstatten von Thermalwassern der Fall ist.

Die Ausbeutung letztgenannter Lagerstätten ist sehr kompliziert, da die produktiven Speichergesteine durchlässig, die Vorräte an Thermalwasser begrenzt und letztere oft stark mineralisiert sind, wodurch teilweises oder vollkommenes Verstopfen des Bohrlochs hervorgerufen wird.

Es ist auch zu beachten, daß die Ausbeutung von Thermalwassern mit ununterbrochener Entnahme derselben ohne darauffolgende Bückleitung in den wasserführenden Flöz ' die Wasserbilanz der produktiven . Schicht stört. Dies hat flächenweise Ausbeutung der Lagerstätte mit großer Anzahl niederzubringender Bohrlöcher zur Folge, wodurch die Ausbeutung der hydrothermalen Schichten längs der Tiefe ihrer Lagerung begrenzt wird.

Es sind auch andere Aus beut längsverfahren für Gesteine bekannt, bei denen die in ihnen enthaltene geothermale Energie in Dampfhydrothermen entnommen wird.

In der Regel sind solche Lagerstätten weit von den Haupt-

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Verbrauchern der Energie entfernt, wodurch die Verwendung derselben begrenzt wird.

2s ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die erwähnten Hachteile zu beseitigen»

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah-

Ten zum Ausbeuten von G-esteinen für die Durchführung thermodynamischer Kreisprozesse durch Entziehung oder Zufuhr von Wärmeenergie zu entwickeln und eine Vorrichtung zum Durchführen desselben zu schaffen, welche die Zuverlässigkeit und Betriebsfähigkeit der geothermalen Anlage erhöht und die zur Inbetriebnahme derselben erforderliche Zeit vermindert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß gemäß dem Verfahren zum Ausbeuten von G-esteinen für die Durchführung thermodynamischer Kreisprozesse durch Entzug oder Zufuhr von Wärmeenergie, welches darin besteht, daß mindestens ein Bohrloch, das mindestens bis zur produktiven Schicht reicht, niedergebracht und in dieses das im Gestein enthaltene Fluidum eingeleitet wird, erfindungsgemäß ein Wärmeaustausch-Kreislauf in der Weise verwirklicht wird, daß das Pluidum über oder unter der produktiven Schicht aus dem Bohrloch durch das umgebende durchlässige Gestein wieder zu einer Zulaufstelle in den Bohrschacht geleitet wird, wobei in dem Bohrungsabschnitt zvrischen Zulauf und Ableitung der Wärmeaus tauch mit einem in den Schacht gleiteten Wärmeträger erfolgt»

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Der Wärmeträger kann eine Temperatur besitzen, die über unter der Fluidumstemperatur liegt.

Bas fluidumsdurchlässige Gesteinsmassiv kann über oder unter dem produktiven Horizont oder gleichzeitig über und unter letzterem mittels mindestens einer unterirdischen Sprengung erzeugt werden, während das JFluidum aus der produktiven Schicht längs des Schaihta bis zur Auslauf stelle, die sich in der Zone des geschossenen Gesteins befindet, geleitet wird·

der

Zweefcmäßigerweise wird in^produktiven . Schicht mindestens eine unterirdische Sprengung durchgeführt, um die Durchlässigkeit der Gesteine zu erhöhen und damit den Pluidumskreislauf im Gesteinsmassiv ^zu verbessern·

Es empfiehlt sich, in einigen fällen, mindestens ein schräges Bohrloch niederzubringen, um ausreichendes Aufnahmevermögen für weggeleitetes verbrauchtes Sluidum in wenig durchlässigen Massiven zu erhalten.

Die Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens zum Ausbeutern von Gesteinen für die Durchführung thermodynamischer

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Kreisprozesse unter Zufuhr oder Entzug von Wärme, welche ein bis zur produktiven Schicht niedergebrachtes Bohrloch mit einer Putterrohrtour und einer unten offenen Produktionsrohrtour besitzt, hat erfindungsgemäß mindestens eine JLbleitungsöffnung in der Produktionsrohrtour für das Fluidum und eine Einrichtung zur Wärmeübertragung zwischen Fluidum und einest Wärmeträger.

Zweckmäßigerweise wird die Einrichtung zur Wärmeübertragung zwischen fluidum und Wärmeträger in dem Abschnitt der Produktionsrohrtour, der zwischen der Fluidumsuslauf¹-steile und der produktiven Schicht liegt, angeordnet.

Die Einrichtung zur Wärmeübertragung zwischen Fluidue und Wärmeträger kann ein Wärmeaustauscher sein, im de* der von der Oberfläche her eingepumpte Wärmeträger zirkuliert und der in der Produktionsrohrtour zwischen Fluidunauslauf— stelle und produktiver Schicht angeordnet ist.

Als produktive Schicht werden kalte oder auf natürliche Weise erwärmte ffesteine mit in ihnen enthaltenen Fluida, darunter wassergesättigte und verwässerte Gesteine betrachtet.

Die aufgezählten Besonderheiten der vorliegenden. Erfindung ermöglichen es, ein Verfahren zum Ausbeuten von Gesteinen zu entwickeln, deren Durchlässigkeit sicn zwischen. Hull

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und hohen, in der Natur vorkommenden Werten ändern kann. Dieses Verfahren kann praktisch an einer beliebigen Stelle, wo Bedarf an einer Wärmequelle,an elektrischer Energie oder Kälte vorhanden ist, infolge des weiten Bereichs geologischer und Hydrogeologischer Bedingungen, unter denen es verwandt werden kann, durchgeführt werden.

Einer der Vorteile der Erfindung besteht auch darin, daß sie die Ausbeutung von Gesteinen ermöglicht, ohne . , die ) materielle Bilanz des Erdinnern zu ändern.

Durch die Erfindung wird eine effektivere Vorrichtung zum. Gewinnen von geothermaler Energie in einem weiten Tiefenbereich von einigen Dutzend Metern bis zu mehreren Kilometern geschaffen, die sowohl beim Vorhandensein von erwärmten trockenen kristallinen Gesteinen als auch von wassergesättigten Gesteinen mit hoher Mineralisation der im Flöz bef iod.

liehen Flüssigkeit (des Fluidums) sowie auch in Fällen, wenn Auswerfen von radioaktiven Produkten der unterirdischen nuklearen Sprengung unerwünscht ist, verwandt werden kann.

Das Wesen der Erfindung wird nachstehend anhand eines

h
Beispiels der Durchfürung des thermodynamischen

Kreisprozesses mit positiver Energiequelle, die sich in Gesteinsflözen befindet, unter Hinweis auf beiliegende Zeichnungen erläutert; es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Gewinnen

109847/1136 omgjnal !NSpects

geothermaler Energie,

Pig. 2 eine im Bohrloch befindliche, erfindungsgemäße Einrichtung zum Durchführen des Wärmeaustausches zwischen Wärmeträger und Fluidum,

Fig. 5 in schematischer Darstellung die Bewegung des Fluidums und des Wärmeträgers im Abschnitt, in dem erfindungsgemäß ihr Wärmeaustausch stattfindet.

Pig. 4 die Anordnung des in Sektionsbauart ausgeführten, erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers im ' 'Querschnitt,

Pig. 5 die Anordnung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers vom 2yp mit ineinander eingesetzten Rohren im Querschnitt.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zu seiner Durchführung wird in den Gesteinen enthaltenes Fluidum in das Bohrloch geleitet, seine Strömung im Schacht veranlaßt, der Wärmeaustausch mit dem Wärmeträger durchgeführt und das verbrauchte Fluidum aus dem Bohrloch in die letzteres umgebenden Gesteine geleitet, die sich durch hohe Durchlässigkeit und großes Aufnahmevermögen auszeichnen sowie über oder unter der produktiven Schicht liegen, aus der das Fluidum entnommen wurde. Das aus dem Bohrloch fortgeleitete Fluidum breitet sich in Streichrichtung der Flöze und senkrecht zu ihr aus, durchdringt einen großen Raum mit durchlässigen Gesteinen und kehrt zu seiner Entnahmesteile im Bohrloch zurück, wobei sich sein Wärmeinhalt durch

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- ίο -

üontast ait; den uesteinen ändert und ein geschlossenes unterirdisckes Umlaut*system entsteht. Auf diese Weise &ann üluidum in den uesteinsflüzen umlaufen, während dex* Wärme— austausch mit dem Wärmeträger dureugei'aiirt weraen aaiia, ohne daj u«*s ii'JLuiduiii an die uöeri'läche „eiioben wird uaa. oruie aau> sein ^ggüe^atzustatid und die ^xüzvernäxtnisse _ofcaiidei*t weraen, was besonders wichtig beim (iewianen von geothermal er Energie aus¹ erwärmten vaesteinen, die in grooex* i'iefe liegen, sowie zum jsirleichtern der Bohrio ch~ße triebsbedingungen und zum .Beseitigen der Bohriochverstopfung ist, wenn hochmineraiisierte hydrothermale Laberstätten ausgebeutet werden Aul' diese Weise Kann auch der Auswurf von Radioaktivität und die hiermit verbundene iiefahr radioaktiver Verseuchung der - Ausrüstung vermieden werden..

Der g*JLuidum£r ei si auf verläuft, wenn der lärsaetrager geirohxt werden rnuti, ebenso im unterirdischen

das Es icana jedoch, wenn die Tiefen gering sind und^vFluidum

aus sctLwaciunineralisiertem reinem wasser besteht, die necimexwxrsiung zwischen Wärmeträger und J"iuidum au^ex-halb des Bohrlochs stattfinden, das bis zuar proauätiven Schicht niedergebracht ist, wobei aber das tfluidum ebenso wie früher fortgeieitet wird.

Bekanntlich besteht ein üesteinsflöz aus einem komplizierten geologischen und hyarogeologischen System, dessen Hauptei^enschaften - Durchiässigiceit, wassersättigung, iDempe«

109847/1136 ' QAD original

rat ar- sehr ungleichmäßig sind und sich in weitem Bereich nicht nur in Höhenrichtung des geologischen Profils, sondern auch in Streichrichtung des Flözes selbst ändern können.

Infolgedessen kann die unterirdische Sprengung, die an gegebener Stelle des geologischen Profils durchgeführt ist« aJbe Mittel zum Verbessern der PiItrati onscharakterisihc des Flözes mindestens im Bereich des geschossenen Gesteins betrachtet werden.

Die Ausbeutung von wenig durchlässigen Gesteinen des Kristalline ist praktisch überhaupt unmöglich, ohne zuvor Bedingungen zu schaffen, welche die Fluidumströmung ermöglichen.

Durchlässige Gesteine der Sedimentdeckschicht können ebenfalls das Ausführen von unterirdischen Sprengungen verlangen, wenn auch nur um das Aufnahmevermögen und die Filtrationseigenschaften der Flöze zu verbessern.

Es wird danach gestrebt, durch Anzahl und Kombinieren

den

der Sprengungen^vbesten Effekt bei der Ausnutzung aller Möglichkeiten und Besonderheiten jeder einzelnen . geologischen Formation zu erhalten, um den Kreislauf des Fluidums und

einem
Wärmeaustausch desselben mit^vmöglichst großen Gesteinsraum

zu erzeugen.

Das FluieUim dient als natürlicher Wärmeträger, der außer seiden nen thermophysikalischen Eigenschaften noch durch Gehalt

an gelösten Salzen und Gasen sowie einigen schädlichen Beimengungen gekennzeichnet ist, Die Änderung

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der Fluidumstemperatur hängt von der Änderung der Fluidumedichte ab» Deshalb ist es zweckmäßig, wenn die Fluidumtemperatur über der Wärmetragertemperatur liegt, abgekühltes Fluidum unterhalb seiner Aufnahmestelle fortzuleiten. Umgekehrt soll, wenn die Fluidumtemperatur unter der Temperatur des zugeleiteten Wärmeträgers liegt, das Fluidum wünschenswerterweise über seiner Aufnahmestelle im Bohrloch fortgeleitet werden. In der Praxis sind Fälle möglich , wo der Fluid ums ablauf umgekehrt durchgeführt werden muß und die obendargelegten Prinzipien nicht beachtet werden. Die Art . des Wärmeträgers, der in das Bohrloch geleitet

wird, hängt vom Charakter und von den Bedürfnissen des Ver-

der
brauchers sowie νon^vZweckbestimmung des Wärmeträgers

(Entnehmen von Fluidumsenergie oder Abgeben von Energie ans Fluidum ) < ab. Der Abschnitt des thermodynamischen Kreislaufs, in dem die Wechselwirkung des Fluidums mit dem Wärmeträger stattfinden soll, wird auf Grund konkreter Be-

der

triebsbedingungen des Systems und^vForderungen, des Verbrauchers gewählt. In den Fällen, wenn der thermodynamische Kreislauf durch Entnehmen der Energie und Gewinnen derselben an der Oberfläche oder in den hochliegenden Schichtreihen erfolgt, findet der Wärmeaustausch im Bohrlochschadit in dem Abschnitt, der zwischen Aufnahme- und Auslauf stelle des Fluid ums liegt,

statt. Wenn während des Kreisprozesses der

es Wärmeträger abgekühlt wird und wenn die Bohrlochtiefe ^vnicht

einen
ermöglicht ,v effektiven Wärmeaustausch zwischen Wärmeträger

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und Fluidum durchzuführen, kann dieser Abschnitt außerhalb des Bohrlochs, z.B. im Grubenbau oder an der Oberfläche, angeordnet werden. Hierbei entsprechen Auslauf und Kreislauf des Fluidums^yobenbeschriebeneii Prinzip. Im Allgemeinfall, wenn Fluidum und Wärmeträger wesensähnlich sind, können sie längs eines bestimmten Abschnitts der thermodynamischen Wechselwirkung zu einem gemeinsamen Wärmeträger vereinigt werden.

Da die Vorrichtung einen verlustlosen Kreislauf des Wärmeträgers im Bohrloch in der Wärmeaustauschzone sicherstellt und da er von der Oberfläche her eingepumpt werden kann, kann vorliegendes Verfahren im Tiefenbereich von einigen Dutzend Metern bis zu Tiefen verwandt werden, die durch den Stand und die Entwicklung neuzeitlicher Mittel zum Bohrlochniederbringen begrenzt werden.

Für konkrete hydrogeologische und geothemische Verhältnisse des Gebiets können gewählt werden: schematisch unterschiedliche Anlagenausführungen, Zahl und Durchmesser der Produktionsbohrlöeher, Ausbeutungstiefe; Warmeaustauscfeertyp, -fläche und -länge; Durchiaufmenge des Fluidums und Wärmeträgers; unterirdischer Kesselraunu-inhalt usw. Die obere Produktivitätsgrenze bei festgelegter Ausbeutungsdauer der Anlage wird durch Ausgangstemperatur der Gesteine, Förderleistung der Pumpen, unterirdischen Kesselrauminhalt, ausgenutztes Temperaturgefalle bestimmt. Alle erwähnten Parameter werden in jedem konkreten Fall auf Grund technisch-ökonomischer Berechnung festgelegt.

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Die Erfindung wird mit einer Vorrichtung verwirklicht, welche mindestens eine bis z\ix produktiven Schicht ni ed er ge brachte Put t err ohrt our, eine unten offene Prcduktionsrohrtour, Mittel zum Zuleiten von Fluidum von seiner !Entnähmest eile und Mittel zum Ändern des Wärme inhalt s des Wärmeträgers, der zum Wärmeaustausch mit dem Fludium ins Bohrloch gepumpt wird, umfaßt.

Als Mittel zum Zuleiten des Fluidums wird eine Tauchpumpe verwandt, die an der Stelle, an der Fluidum aus der produktiven Schicht entnommen wird, angeordnet werden kann. Als Einrichtung zum Indern des Wärmeinhalts dient ein Wärmeaustauscher» z.B. ein Oberflächenwärmeaustauscher, der sich. im Bohrlochschacht über der Pumpe befindet.

Fig. 1 geigt eine Anlage zum Gewinnen geothernialer Energie, wobei mit der Vorrichtung das obenbeschriebene Verfahren durchgeführt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung befindet sich in der Zone der unterirdischen Sprengung, die

!^produktiven Schicht l vorgenommen wurde. Zur Vorrichtung gehört mindestens eine Futterrohrtour 2, die mindestens bis zur Tiefe der produktiven Schicht ι niedergebracht und ausgebaut ist. In die Futterrohrtour 2 ist eine Produktionsrohrtour 3 eingesetzt. Die Rolle der letzteren kann die Futterrohrtour 2 des Bohrlochs mit offenem finde an der Bohrlochsohle oder mit Perforierung in der Nähe der unteren

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Höhenlage spielen. Im Ober— und Unterteil des Schachts des. Bohrlochs befinden sich eine Auslaufstelle 4 und eine Aufnahmestelle 5 des Fluidums, deren Lage im Schacht von den Verhältnissen des konkreten geologischen Profils ab* hängt. Die Auslauf stelle 4 des Fluidums kann sich über oder unter der produktiven .Schicht 1 befinden, während die Aufoahmestelle 5 in gut durchlässigen, das Bohrloch umgebenden Gesteinen de sr produktiven Schicht 1 gewählt werden kann. An der Aufnähmest eil θ 5 befindet sich eine Einrichtung zum Entnehmen und Weiterleiten des Fludiums im Bohr 1 ochscha^clrfc> z.B.eiie Tauchpumpe 6. Die letztere wird dann vorgesehen, wenn der natürliche Druck des aus der produktiven .Schicht 1 zuströmenden Fluidums nicht ausreicht, um es auf die erforderliche Höhe zu heben. Zum Durchführen des Wärme austausche des Fluidums mit dem Wärmeträger wird in der Produktionsrohrtour 3 des Bohrlochs ein Wärmeaustauscher 7 mit in ihm umlaufendem Wärmeträger angebracht·

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen. Das Fluid um wird mittels Pumpe 6 aus de_r produktiven Schicht l entnommen und längs des Schachts bis zu seiner Auslaufstelle 4- geleitet, die in Form eines perforierten Abschnitts der Produktionsrohrtour 3 ausgeführt ist. Weiter fließt das Fluidum in die durchlässigen Gesteine, welche die Auslaufstelle *l· umgehen, und bei unzureichendem Aufnahmevermögen der Gesteine in schräge Bohrlöcher 8, die es in

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Gesteine leiten, wo es über Bisse 9 und Hohlräume zwischen

- und gefiltert wird.

Bruchstücken IO des Gesteins herabsicfoarti* Das abgekühlte

den
Fluidum wird beim Kontakt mit^verwärmten Gesteinen, die großen Raum einnehmen, wieder erwärmt und kehrt zur Entnahmestelle 5 zurück, wobei ein unterirdischer Kreislauf entsteht. In Fig. 1 ist die Strömungsrichtung des Fluidums durch Pfeile gezeigt.

^ Das ]?iuidum umspült im Schachtabschnitt der Produktionsrohrtour 3 des Bohrlochs zwischen seiner Entnahmestelle 5

de:m und seiner Auslaufst eile 4 den wärmeaustauscher 7 mithin Ihm

das strömenden Wärmeträger Hierbei wird^vFluidum durch Ändern

seines Wärmeinhalts abgekühlt.

Fig. 2 zeigt den Aufbau des Wärmeaustauschers 7 im Abschnitt der Produktionsrohrtour 3 zwischen Aufnahmestelle 5 und Auslaufstelle 4 des Fluidums· Dieser Abschnitt besteht aus Produktionsrohrtour 3 mit Entnahmestelle 5 und Auslauf-. stelle 4 des Fltläums, Filter 11 zum Heinigen des Fluidums von mechanischen Beimengungen, Verbindungsleitungen 12 zum Steuern der Tauchpumpe 6, Wärmeaustauscher 7 vom Typ mit ineinander eingesetzten Bohren, der im Schacht des Bohrlochs durch Einsteckenden 13 zentriert wird, schrägen Bohrlöchern ⁸ sowie Zementringen 14 zum Fixieren der Lage einzelner Vorrichtungsteile und zum Bestimmen der Bewegungsrichtung von Wärmeträger und Fluidum im Wärmeaustauscher und im zwischen dem Wärmeaustauscher 7 der Produktionsrohrtour 3 und

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dem Bohrloch, gebildeten Raum.

An der Auslaufsteile 4 der Produktionsrohrtour $ befinden sich eine oder mehrere Öffnungen 15, die durch Perforieren oder Bohren hergestellt sind.

Fig. 5 zeigt die Strömungsriehtung des Wärmeträgers und Fluidums in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Strömungsriciitung des Wärmeträgers ist in Fig. 2 und 3 durch Strichlinien, die des Fludiums durch Vollinien angegeben·

Der erwärmte Wärmeträger steigt hoch und wird zum Verbraucher geleitet, der sich an der Oberfläche oder in einer Gesteinsschichtreihe befinden kann. Wärmeverluste beim Aufsteigen des erwärmten Wärmeträgers können durch bekannte Isolier Methoden, z.B. durch Aufbringen auf die Rohroberflache von Werkstoffen, die geringe Wärmeleitfähigkeit haben, oder durch Verwenden eines Ringspalts, der mit Gas oder Flüssigkeit mit niedriger Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist, vermindert werden.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt des Wärmeaustauschers 7 in Sektionsbauart mit Sektionen 16.

Bei dieser Ausbildung kann der Wärmeträger, der entsprechend den Forderungen des Verbrauchers in jede der Sektionen 16 geleitet wird, verschiedenartig sein, z.B. kann eine Sektion von flüssigem Wärmeträger und eine andere Sektion von gasförmigem Wärmeträger durchströmt werden.

Fig. 5 aeigt den Querschnitt des Wärmeträgers 7 vom Typ

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der ineinander eingesetzten Rohre ,, der in der Pradukfcionsrohrtour 3 montiert ist. Erfindungsgemäß wird kalter Wärmeträger in das Bohrloch über den Außenring 1? zwischen der Produktionaronrtour j5 und dem Außenrohr 18 des Wärmeaustauschers 7 geleitet und kehrt über das Innenrohr 19 zurück. Der innere Ringspalt zwischen den Rohren 18 und 19 des Wärmeaustauschers ist, um Wärmeverluste zu vermindern, mit Gas oder flüssigkeit mit niedriger Wärmeleitungszahl gefüllt.

ψ Wichtige Elemente der Anlage sind Auslauf- und Aufnahmestelle des Fluidums. Hierunter werden beliebige Einrichtungen wie Grubenbau oder Kavernen verstanden, welche

die Aufnahme der erforderlichen Fluidumsmenge und Auslauf derselben sicherstellen.Derart ige Einrichtungen können sein: Kanäle, welche durch hydraulische Hißbildung in den Flözen, durch Ausspülen von in ihnen eingelagerten lösbaren Gesteinen, z.B. vom Halogentyp, oder durch tektonische Bruchstellen und Störungen geschaffen werden; nicht verrohrte und verrohrte Boiir.schächte mit Perforationen an der Fläche, die ausreichend durchlässigen Sediment-Gesteinsflözen oder aufgeschossenen Gesteinsmassiven zugewandt ist; schräge Abzweigungen vom Haupt schaft, die verrohrt mit perforierten Rohren oder nicht verrohrt sein können und bis zu Schichten. mit Flözen oder geschossenen Massiven niedergebracht werden, welche uj^ehiB derte Aufnahme der erforderlichen Fluidumamenge ermöglichen; auf-

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geschossene Gesteine. Unter günstigen Verhältnissen bei hoher Durchlässigkeit und großem Aufnahmevermögen der umliegenden

das der

Gesteine wird^vFluidum direkt über den aus^vRöhrtourperforatlon bestehenden Ausfluß in das Flöz geleitet und wird über Schacht-Öffnung oder Perforation . mit Hilfe der Tauchpumpe 6 oder einer anderen Einrichtung oder im Selbstfluß bei großer Ergiebigkeit der produktiven Schicht und hohem Druck in letzterer entnommen.

Es «erden, um die Effektivität der betrachteten Vorrichtung zum Gewinnen von geothermaler Energie einzuschätzen, nachstehende Überschlagsrechnungen durchgeführt.

Die Abmessungen der Zone, in der der Wärmeaustausch vonstatten geht, sind gleich den Abmessungen der geschossenen rissigen Zone, die durch unterirdische Sprengung geschaffen wurde. Wärme wird gleichzeitig im ganzen Zonenraum abgegeben. Wärmezustrom von außen her in die erwähnte Zone ist gleich Null. Durch Sprengung ausgeschiedene Wärme wird nicht in Bediming gesetzt. Der betrachtete Fall ist der allerungünstigste von allen in der Praxis vorkommenden. Gemäß der Wärmeübertragungetheorie kann die Zeit X , während der das anfängliche Wärmegefälle um 25% sinkt, nach folgender Formel errechnet werden:

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wobei bedeutet

r - Radius der rissigen Gesteinszone, - Gesteinsdichte,

C - Wärmekapazität des Fluidums,

die
w - Wasseräquivalent für Flözflüssigkeit.

Es wird angenommen, daß die geschossene Gesteinszone Rissigkeit im Radius r -250...300 m aufweist sowie daß Auslaufstelle und Aufnähmesteile des Fluidums vom Sprengungspunkt P ebensoweit entfernt sind.

Vorausgesetzt eine Gesteinsdichte ξ" j? 2,5.Kr kg/m ,

Wärmekapazität des Gesteins und des in ihm enthaltenen Fluidums

, Wasseräquivalent w - 0,1 Gcal/h ⁰C, wird

kg ⁰C
die Zeit T bestimmt, welche ungefähr 17 Jahre beträgt.

Dies bedeutet, daß das im unterirdischen Kreislauf zirkulierende Fluidum die Ausbeutung der Gesteine im Laufe einer langwährenden Zeitspanne ermöglicht. Die erfindungsgemäß aus dem Erdinnern gewonnene Wärmemenge liegt bei den obenerwähnten Parametern im Bereiche von(0,4...0,7).10¹² kcal.

Die Hauptkennwerte des Wärmeaustauschers können ebenfalls mit Hilfe der Wärmeübertragungstheorie überschläglich bestimmt werden. Es wird angenommen, daß sich Wärmeträger und Fluidum im Abschnitt, in dem ihr Wärmeaustausch erfolgt, im Gegenstrom bewegen. Bohrlochdurchmesser, Länge des Wärmeaustauschabschnitts (ca. 600 m) -..,··.· sowie die Abmessungen der Produktionsrohrtouren, der Sektionsrohre, der Tauchpumpentyp usw. werden so angenommen, daß die Strömungs-

verhfütnisse 109847/1 136

des Wärmeträgers und des Fluidums ungefähr gleich bei einer Durchflußmenge des Wärmeträgers G & 100 Hr/h sind, was w*0,l

GrCal/h°G entspricht. Der Wärmeaustauscher soll aus einer Sektion bestehen.

¹Es wird angenommen, daß, um. die Berechnung zu vereinfachen, der Wärme&astauscher vom Typ der ineinander' eingesetzten Rohre ist, wobei der erwärmte Wärmeträger längs des Wärmeaustauschabschnitts im Innenrohr aufsteigt, das im Oberteil des Eohr.schachta adiabatisch isoliert ist.

Bas Ergebnis der Berechnung zeigt, daß beim erfindungsgemäßen Beispiel die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidums in der Rohrtour gleich 0,82 m/s ist, was einer Reynoldszahl

Der

Re - 0,9.10^ entspricht/Wärmeträger hat 0,75 m/s Strömungsgeschwindigkeit und entsprechend Re = 1,2.10 .

Im betrachteten Fall mit Stahlrohren ist der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen Fluidum und Wärmeträger gleich 900 kcal/m, h, C, was einer Wärmeaustauschfläche von 600 m entspricht ·

Bei 100⁰C Fluidumstemperatur und 10⁰G WärmeträgeiLjtemperatur am Eintritt beträgt die Wärmeträgervjfcemperatur am Austritt aus dem Bohrloch 86⁰C. Wenn die Durchflußmenge des Fluidums auf das l,5fache erhöht wird, steigt die Wärmeträgerjbemperartur am Austritt auf 92°C.

Die angeführte Berechnung ist typisch ->«*..«"- für eine Vorrichtung zum Gewinnen von geothermal er Energie, wenn eine verhältnismäßig kleine Zone geschossener Gesteine ausgenutzt wird. Beim Vergrößern der erwähnten Zone wachsen die

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WärmeiLeistung und Betriebsdauer proportional dem Rauminhalt der Ζοηθ bei im übrigen gleiciieii Bedingungen. Hierbei kann durch Vergrößeren der Anzahl der Bohrlöcher, die in die Ge*. steinszone niedergebracht sind, welche mindestens durch eine Sprengung geschossen wurde, und durch Vergrößern der Bohr— lochäurabmesser eine Wärmeleistung von Dutzenden und Hunderten Gcal/h erzielt werden.

* Ss sind große .Reserven zur Erhöhung der Effektivität der vorliegenden Erfindung vorhanden, welche in folgendem Bestehen; Vergrößerung der Wärmeträger enthaltenden Sektionen; Wahl des Rohrwerksfcoffs auf dem Abschnitt, in dem Wärmeaustausch zwischen Wärmeträger und ELuidum stattfindet, mit besseren wärmetechnisches. Daten als bei Stahli rationelle Wahl der Ausfluß- und Aufmaltest eil β j rationelle. Kombination einzelner Vorrichtungseleiaente im Bohrlochsehaicht,

Wenn in erwärmten Gesteinsmassiven kein fluid um vorhanden ist, aber solches in der darüberliegenden Schichtreihe

" angetroffen wird oder an der Erdoberfläche in Form von Stau — becken, kleinen Flüssen usw. vorhanden ist, können Arbeiten durchgeführt werden, um die geschossene Zone in der Schicht wenig durchlässiger erwärmter Gesteine mit Wasser zu füllen· Solche Maßnahmen warden nach bekannten Verfahren durch Zuleiten von Pluidum längs des Bingspalts, der zwischen Wärmeaustauscherrohr und dem Rohr der Patterrohrtour entstanden ist, oder längs eines besonderen Bohrlochs oder Grubenbaus durchgeführii*

Das Wesen der Erfindung ändert sich nicht, wenn die Zweckbestimmung des oberen und unteren perforierten Abschnitts geändert wird (d.h. wenn Fluidum über den oberen Abschnitt entnommen und über den unteren Abschnitt fortgeleitet wird), wenn andere Einrichtungen als Pumpen

zum Entnehmen und Einpumpen des Fluid ums in den BohrlochschaPht

der
verwandt werden, wenn^vAbstand zwischen diesen Einrichtungen

und ihre Montagestellen (am oberen und unteren perforierten Abschnitt der Produktionsrohrtour) besonders gewählt werden,

der
wenn^vWärmeträger an die Oberfläche geleitet oder in der Tiefe ausgenutzt wird. Weiterhin kann verbrauchtes, aber noch ausreichend warmes Fluidum in produktive Flöze zum Gewinnen von Schwefel und Erdöl sowie zu anderen geotechnologischen Zwecken, einschließlich darauffolgender Rückführung des Fluidums in die Ausgangeschicht , geleitet werden. Es können auch zwei oder mehr Abschnitte zur Wasserentnahme längs einer Achse oder in Bohrlöchern, die gruppenweise von einem Hauptschacht ausgehend niedergebracht sind, vorgesehen werden. Anstelle des ganzen Produktionsbohrlochs oder eines einzelnen Abschnitts desselben kann ein beliebiger anderer Grubenbau, z.B. ein Schacht usw·, verwandt werden.

Bs können zum Erzeugen einer durchlässigen Gesteinszone beliebige Typen von Sprengladungen verwandt werden.

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Claims (1)

1. PATENTAiTSP RÜCHE :

   j XJ Verfahren zum Ausbeuten von Erdwärme-Energiequellen, bei dem mindestens eine Bohrung bis zur produktiven Schicht niedergebracht und das im G-estein enthaltene Fluidum in den Bohrschacht geleitet wird, gekennzeichnet .durch einen Wärmeaustausch-Kreislauf in der Weise, daß das Fluidum über oder unt^r der produktiven Schicht aus dem Bohrschacht weg und durch den Bohrschacht umgebendes durchlässiges G-estein wieder zu einer Zulaufstelle in den Bohrschacht geleitet wird, wobei in dem Bohrschachtsabschnitt zwischen Zulauf und Ableitung der Wärmeaustausch mit einem in den Schacht geleiteten Wärmeträger erfolgt»

   2» Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger eine Temperatur besitzt, die unter der Pluidumstemperatur liegt,

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger eine Temperatur besitzt, die über der Fluidumstemperatur liegt»

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   4. Verfahren nach Anspruch 1.··3, dad urch gekennzeichnet, daß das fluidumsdurchlässige Gesteinsmassiv über oder unter der produktiven Schicht mittels mindestens einer unterirdischen Sprengung er'zeugt wird, während das ffluidum aus der produktiven Schicht längs des Schachts bis zur Auslaufsteile, die sich in der Zone des geschossenen Gesteins befindet, geleitet wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 1...4, dadurch g e-

   der

   kennzeichnet, daß in produktiven BcM cht mindestens eine unterirdische Sprengung durchgeführt wird, um die Durchlässigkeit der Gesteine zur Verbesserung des J?luidumskreislaufe im Gesteinsmassiv zu erhöhen.

   6. Verfahren nach Anspruch 1..·3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Flu id ums auslaufst eile mindestens ein schräges Bohrloch niedergebracht wird, um ausreichendes Aufnahmevermögen für abzuleitendes Fluidum in wenig durchlässigen Massiven zu erhalten.

   7. Vorrichtung _ZUr Durchführung des Verfahrens zum Ausbeuten von Erdwärme-Energieouellen

   nach Anspruch 1...6, welche mindestens ein mindestens bis zur produktiven Schicht niedergebrachtes Bohrloch.

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   mit einer Futterrohrtour und eine unten offene Produktions ro hrjtour besitzt, gekennzeichnet durch mindestens eine Ableitungsöffnung (4) für das Fluidum in der Produktionsrohrtour (3) und eine Einrichtung zur Wärmeübertragung zwischen Fluidum und einem Wärmeträger»

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zur V/ärmeüber- j tragung zwischen Fluidum und Wärmeträger in dem Abschnitt der j Produktionsrohrtour (3)» der zwischen der Fluidumsableitungs- j stelle (4) und der produktiven Schicht (l) liegt, angeordnet j

   ist» . \

   9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Hinrichtung zur Wärmeübertragung als Wärmeaustauscher (7) ausgebildet ist, in dem der von der Oberfläche her eingepumpte Wärmeträger zirkuliert.

   10» Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Pumpe (6) zur Erzeugung des Fluidumkreislaufs.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Anordnung der Pumpe (6) in der Produktionsrohrtour (3) *

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