NL7905625A - Werkwijze voor het aan de aarde onttrekken van warmte. - Google Patents

Description

r'* - i - NO 28046 ______________________________________________

Adrianus Wilhelmus van Gils te Loosdrecht

Eorte aanduiding; werkwijze voor het aan de aarde onttrekken van warmte.

De uitvinding betreft een werkwijze voor het aan de aarde onttrekken van warmte.

Geothermische energie is een bron van energie die vele voordelen heeft boven andere soorten van energie.

Behalve dat het een schone, milieu vriendelijke soort van 5 energie is, heeft deze energie het voordeel overal ter wereld aanwezig en niet van bepaalde omstandigheden afhankelijk te zijn.

Dit geeft tevens het voordeel dat geothermische energie niet over grote afstanden getransporteerd behoeft te worden.

Geothermische energie is daarbij in wezen onuitputtelijk. 10

De geothermische temperatuur van de aarde neemt ongeveer lineair toe met de diepte, in de meeste gebieden.

De kern van de aarde is vermoedelijk zeer heet en bevindt zich waarschijnlijk in gesmolten toestand.

De gesmolten kern is de bron van de warmte die door de ver- 15 schillende lagen van de aardkorst naar het oppervlak van de aarde wordt geleid.

De door de zon eventueel verwarmde delen van de aarde zijn aan het oppervlak soms warmer dan dieper in de aardkorst gelegen delen (waar te nemen in kelders en grotten). 20

De warmte door zonnestraling en de geothermische warmte zijn op een bepaalde diepte gelijk. Op die diepte is er geen warmte stroom meer, omdat hier het neutrale punt ligt, en vanaf dit punt neemt de aard temperatuur toe met de diepte.

Omdat de gesteente van de aardkorst op verschillende plaatsen 25 van de aarde verschillende warmte geleidings coëfficiënten hebben; -I- 7905625 i? * -¾ 2 is het te verwachten dat de geothermische gradiënten van plaats tot plaats op de aarde verschillen.

Experimentele metingen hebben dit bewezen.

Be gemiddelde verhoging van de temperatuur met toenemende diepte is ongeveer 3°C per honderd meter, hoewel in sommige ge- 5 bieden de temperatuur toename aanzienlijk meer of minder kan zijn.

Ongestoorde formatie temperaturen worden beschouwd in evenwicht te zijn.

Be formatie temperatuur op een bepaalde diepte kan berekend worden met de volgende formule: T„ = T + bB. 10 is

Waar = temperatuur in de formatie in °C.

T = gemiddelde neutrale oppervl. temp. in °C s b = locale geothermische gradient in C per meter B = diepte in meters

Yoorbeeld: In een gebied waar de locale geothermische gradient 15 0,03 °C per meter, en de neutrale temperatuur aan de oppervlakte 10°C is, is de temperatuur op 4000 mtr. diepte = = 10+0,03 x 4000°C = 130°C.

«

In de meeste westerse landen zijn kaarten met daarop aangegeven de geothermische gradiënten beschikbaar gekomen door de aad- 20 olie-exploratie.

Het boren van de gaten tot 4000 meter waar een temperatuur bereikt kan worden van 130°0 geeft normaal gesproken geen boor technischs problemen

Aannemende dat de formatie geen moeilijkheden geeft kan zo'n 25 gat geboord worden in 3 tot 4 weken, en de totale boorkosten liggen dan tussen de één en twee miljoen gulden.

Wanneer een gat geboord wordt op de manier zoals bij het boren naar aardolie wordt gebruik gemaakt van een circulatie vloeistof voor het verwijderen van het boorgruis. 30

Hierdoor wordt de temperatuur in de nabijheid van het gat verstoord.

Be formatie in de nabijheid van de bodem van het boorgat wordt koeler door het afgeven van warmte aan de circulatievloeistof en warmer nabij de bovenkant van het boorgat door het afgeven van de 35 door de circulatie vloeistof in de bodem opgenomen warmte.

790 5 6 2 5 «r 'i 3

Als de circulatie vloeistof zich verplaatst van de hodem van het gat langs bovenliggende (koelere) formaties wordt een klein gedeelte van de warmte overgebracht naar deze koelere formaties.

Pig. 1 is een grafische voorstelling van temperatuur metingen in een dieper gelegen gedeelte van een boorgat. 5

Be temperatuurmetingen werden verricht op drie verschillende tijdstippen en nadat de circulatie van de vloeistof was gestopt.

Be eerste meting werd gedaan 4 uur en 50 minuten nadat de circulatie was gestopt.

Buidelijkheidshalve is de ongestoorde geothermische gradient 10 ook in deze grafiek aangegeven.

Beze twee lijnen snijden elkaar op ongeveer 1600 meter zodat boven de 1600 m. de circulatie vloeistof warmte afgeeft aan de formatie.

Hadat de circulatie was gestopt gedurende 9^ uur, was de 15 temperatuur van de circulatie vloeistof dichter bij de geothermische gradient van de formatie gekomen en na19 uur nog dichter.

Uit bovenstaande grafiek blijkt dat een normaal boorgat niet geschikt is om voldoende geothermische energie aan de aarde te onttrekken doordat het boorgat te weinig warmte overdrachtsopper- 20 vlakte heeft en de warmte geleidings coëfficiënt in de formatie rondom het boorgat vaak te laag is om de circulatie vloeistof snel genoeg te kunnen verwarmen.

Het is een interessant waarneming dat in fig. 1 nabij de bodem van het gat de temperatuur gradient plotseling snel toe- 25 neemt.

Bit wordt veroorzaakt doordat door de oppervlakte van de bodem van het boorgat het warmte overdracht oppervlak ter plaatse wordt vergroot.

Het doel van de uitvinding is om een werkwijze te verschaffen 30 die het mogelijk maakt door het boren van een gat volgens de bekende boortechniek de maximale geothermische energie uit de aarde te winnen.

Bit doel wordt bereikt doordat volgens de uivinding een boorgat in de aarde wordt geboord en vervolgens bij een of meer 35 boven elkaar liggende plaatsen vanuit het boorgat een materiaal 7805525 4 met een goed warmtegeleidingsvermogen zoals een metaal in de omringende gesteenteformatie wordt geperst, zodat als het ware een of meer warmtegeleidings ribben om het boorgat worden gevormd, en de door deze ribben naar het boorgat geleide warmte wordt afgevoerd. 5

Bij voorkeur is het materiaal korrelig en de korrels worden gemengd met een vloeistof, waarna dit mengsel onder hoge druk in de formatie wordt geperst, en vervolgens deze druk wordt afgelaten.

Op voordelige wijze wordt na het inpersen van het materiaal 10 een tot een betrekkelijk grote diepte reikende buis in het boorgat neergelaten door welke buis en het overige deel van het boorgat men een fluidum laat circuleren.

De aldus gevormde ribben vergroten het warmte overdrachtsoppervlak honderden tot duizenden malen en verbeteren het warmte 15 geleidingsvermogen in dezelfde grootte orde.

De ribben werken tevens als een buffer-warmtereservoir. De maximum overdracht van energie zal plaats vinden wanneer gedurende een onafgebroken circulatie de maximum hoeveelheid circulatie fluidum op ten naaste bij dezelfde temperatuur gebracht wordt als 20 de temperatuur van de formatie bij de bodem van het boorgat; en aan het oppervlak van de aarde de temperatuur van het circulatie fluidum verlaagd wordt tot bijna de oppervlakte temperatuur, alvorens in het boorgat terug gepompt te worden.

In dat geval wordt de maximale hoeveelheid warmte uit de 25 aarde en vervolgens uit het circulerende fluidum onttrokken.

Het is vanzelfsprekend dat als het fluidum water is en de temperatuur op 4000 meter diepte 130°C bedraagt het water bij behoud van temperatuur onder atmosferische druk, stoom wordt

Bij het boren van geothermische gaten moeten alle veilig- 30 heidsmaatregelen genomen worden, daar het allerminst denkbeeldig is dat gedurende het boren van een geothermische put olie of gas worden aangeboord.

7905625 5

Milieu groepen zullen geen bezwaren hebben tegen het boren van geothermische gaten en wordt er onverwacht toch olie of gas aangeboord dan is dat meegenomen.

Het voordeel is dat altijd op de een of andere manier het doel bereikt wordt n.l. energie uit de aarde te winnen. 5

Nadat het boorgat tot de beoogde diepte is geboord, worden electrische metingen verricht waaronder temperatuurmetingen, voordat de laatste verhuizing wordt ingelaten en gecementeerd.

Het is bekend om voor de verhoging van de productie van olie-putten in slecht doorlatende formaties zoals dichte zandsteen 10 of kalksteen deze formaties door middel van een met grof zand beladen vloeistof onder hoge druk gebroken en als het ware opgetild. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van pompen met hoge druk en groot volume.

De in de formatie ontstane scheuren worden met de met grof 15 zand beladen vloeistof gevuld. Als nu de druk wordt afgelaten wil de formatie die door de bovenliggende lagen onder een enorme druk staat zich sluiten en stroomt de vloeistof grotendeels terug, terwijl het grove zand in de formatie achter blijft.

Het grove zand in de formatie rondom de put zorgt voor vol- 20 doende doorlaatbaarheid waardoor de olie over een groter oppervlak naar het boorgat kan toestromen.

Tolgens de uitvinding worden metaalkorrels, bijvoorkeur aluminium korrels met een dragende vloeistof in de formatie gepompt. Het metaal dat gebruikt wordt zal goede warmte geleidende 25 eigenschappen moeten bezitten en mag niet te zwaar zijn daar het goed met de dragende vloeistof gemengd moet kunnen worden zonder te snel uit te zakken.

De hoeveelheid metaal korréls die gemengd wordt kan uiteenlopen van enkele tientallen kilogrammen tot enkele honderden tonnen, 30 afhangende van de benodigde energie overdracht.

Vanneer na het inpompen van de metaal korrels de hydraulische druk in de formatie wordt afgelaten zullen de scheuren zich weer sluiten en zal het zachte metaal bloot gesteld worden aan de enorme druk door het gewicht van de formatie en zullen de korrels tegen 35 elkaar geperst worden zodat zij een massa vormen, die zich als het 7905625 6 ί* *=5* ware als warmte geleidings ribben rondom het boorgat bevinden. .

In fig. 2 is een overlangse doorsnede door het onderste gedeelte van een volgens de uitvinding verkregen boorgat getoond.

1 is de diepste verhuizing die door middel van een hanger met pakking 3 in de voorgaande· verhuizing 2 is opgehangen. 5 4 is cement rondom de verhuizing 1, en 5 zijn de gaten die in de verhuizing 1 zijn geschoten.

De metaalkorrels dragende vloeistof wordt door de buis 8 naar beneden gepompt en door de gaten 5 tussen de pakkingen 6 en 7 in de formatie geperst. 10

Op verschillende hoogten kunnen groepen van gaten 5 geschoten worden en vervolgens door de verplaatsbare pakkingen 6 en 7 van elkaar gescheiden worden.

Op deze manier zijn als het ware een verticaal stel warmte overdrachts ribben 9 aan de verhuizing 1 aangebracht. De buis 8 15 met pakkingen 6 en 7 worden nadat deze werkzaamheden voltooid zijn uit het boorgat getrokken.

In fig. 3 is een manier getoond waarop een geothermische put volgens de uitvinding kan worden afgewerkt of voltooid. Bij het afwerken moet vooral gelet worden dat materialen worden ge- 20 hnikt die goed tegen corrosie bestand zijn zodat de geothermische put een lange onderhoudsvrije levensduur beschoren is. Daarom is hier voorgesteld het circulerende fluïdum te isoleren van eventuele formatie vloeistoffen.

Een buis 10 van aluminium (of van een ander goed warmte 25 geleidend materiaal), voorzien van een omgekeerde voetklep 11 wordt neergelaten aan een grindmantel-werktuig (niet getoond) tot aan de bodem van de verhuizing 1 nadat de ribben 9 zijn gevormd.

De ringvormige ruimte tussen de verhuizing 1 en de buis 10 wordt nu met een grindmantelwerktuig gevuld met metaalkorrels 13* 30

Daarna wordt de bovenkant van de „„aluminium buis 10 door de pakking 12 afgedicht en het grindmantelwerktuig uit het gat getrokken.

Yervolgens wordt er een tweevoudige pakking 14 voorzien van een lange buis 15 en een korte buis 16 neergelaten.

De boorvloeistof die zich nog steeds in de buizen 15 en 16 35 en in de verhuizing 2 bevindt, wordt nu verwijderd door door de 7905625

Claims (7)

1. Werkwijze voor het aan de aarde onttrekken van warmte, met het kenmerk, dat een boorgat in de aarde wordt geboord en vervolgens bij een of meer boven elkaar liggende plaat- 30 sen vanuit het boorgat een materiaal met een goed warmtegeleidings-vermogen zoals een metaal in de omringende gesteenteformatie wordt geperst, zodat als het ware een of meer warmtegeleidingsribben om het boorgat worden gevormd, en de door deze ribben naar het 7805825 boorgat geleide warmte wordt afgevoerd.

2- Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat het materiaal korrelig is en de korrels worden gemengd met een vloeistof, waarna dit mengsel onder hoge druk in de formatie wordt geperst, en vervolgens deze druk wordt 5 afgelaten.

3· Werkwijze volgens conclusie 1 of 2,met het kenmerk, dat in het boorgat een verhuizing wordt aangebracht, in deze verhuizing bij een of meer boven elkaar liggende plaatsen perforaties worden gevormd en het warmte geleidénde materiaal 10 door deze perforaties in de formatie wordt geperst.

4· Werkwijze volgens conclusies 1-3, met het kenmerk dat na het inpersen van het materiaal een tot een betrekkelijk grpte diepte reikende buis in het boorgat wordt neergelaten door welke buis en het overige deel van het boorgat 15 men een fluïdum laat circuleren.

5· Werkwijze volgens conclusie 4i ® e t het ken-m e -r k, dat de buis door een pakking wordt geleid die in het boorgat wordt vastgezet, terwijl in deze pakking een naar het aardoppervlak leidende tweede buis wordt aangebracht zodat er een 20 "U" buis ontstaat waarin het fluidum door de eerste buis naar beneden stroomt en door de tweede buis naar boven.

6. Werkwijze volgens conclusie 4>met het kenmerk, dat de tweede buis een tegen warmte geïsoleerde buis is.

7. Werkwijze volgens conclusies 1-6,met het ken- 25 m e r k, dat na het inpersen van het warmte geleidende materiaal in het boorgat een buis van een goed warmte geleidend materiaal wordt aangebracht die een zodanige diameter heeft dat een ringvormige ruimte tussen de buis en de wand van het boorgat of de daarin aangebrachte verhuizing open blijft, waarna deze ruimte 30 wordt gevuld met een goed warmte geleidend materiaal. 790 5 6 25