Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung und Förderung von Gashydraten und Gasen aus GashydratenMethod and device for extracting and conveying gas hydrates and gases from gas hydrates
Gegenstand dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Ge- winnung und Förderung von brennbarem, kohlenwasser- stoffhaltigern Gas und Gashydrat aus Gashydratlagerstätten aller Art zwecks stofflicher und energetischer Nutzung. Hauptsächlicher Einsatzzweck ist dabei der Tiefseeabbau von Methangas aus submarinen Gashy- dratlagerstätten sowie Permafrostgebieten. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist die zugehörige Vorrichtung. Das Verfahren arbeitet unter Nutzung des Mammut-Pumpen-Prinzips. Zudem kann eine präventive Entfernung von instabilem oder metastabilem Gashydrat aus ökologischen und sicherheitstechnischen Gründen mit der Erfindung durchgeführt werden.The subject of this invention is a method for the extraction and production of flammable, hydrocarbon-containing gas and gas hydrate from gas hydrate deposits of all kinds for the purpose of material and energetic use. The main application is the deep-sea mining of methane gas from submarine gas hydrate deposits and permafrost areas. The invention also relates to the associated device. The process works using the mammoth pump principle. In addition, preventive removal of unstable or metastable gas hydrate can be carried out with the invention for ecological and safety reasons.
Gashydrate sind feste, eisförmige Käfigstrukturen, in denen Gasmoleküle von einem "Käfig" aus Wasser olekü- len eingeschlossen sind. Diese Verbindungen werden
chemisch zu den Clathraten gezählt. Die Palette der möglichen eingeschlossenen Gasmoleküle ist breit, C02, H2S, einfache Kohlenwasserstoffe wie Methan, wobei Methanhydrat den größten Anteil an den Gashydra- ten (> 90 %) stellt und ökonomisch und ökologisch am interessantesten ist. In einem Kubikmeter Methanhydrat sind unter Standardbedingungen ca. 164 Normkubikmeter gasförmigen Methans und ca. 0,8 Normkubikmeter flüssigen Wassers enthalten. Die Schätzungen der weltweiten Gashydratvorkommen schwanken zwischen 3 und 7600 Billiarden m3. Bisher vorliegende grobe Abschätzungen sprechen dafür, dass weltweit ungefähr doppelt so viel Kohlenstoff in Gashydraten vorhanden ist, wie in allen bekannten Lagerstätten fossiler Brennstoffe (Kohle, Erdöl, Erdgas) zusammen.Gas hydrates are solid, ice-shaped cage structures in which gas molecules are enclosed by a "cage" made of water olecules. These connections will be chemically counted among the clathrates. The range of possible enclosed gas molecules is wide, C0 2 , H 2 S, simple hydrocarbons such as methane, whereby methane hydrate is the largest part of the gas hydrates (> 90%) and is the most interesting from an economic and ecological point of view. Under standard conditions, one cubic meter of methane hydrate contains approximately 164 standard cubic meters of gaseous methane and approximately 0.8 standard cubic meters of liquid water. Estimates of global gas hydrate deposits vary between 3 and 7600 trillion m 3 . So far rough estimates indicate that there is approximately twice as much carbon in gas hydrates worldwide as in all known fossil fuel deposits (coal, oil, natural gas) combined.
Gashydrate bilden sich, wenn gleichzeitig hoher Druck, niedrige Temperaturen, Gasvorkommen in ausreichender Menge sowie Wasser vorliegen. Zur Gewinnung von Gas aus Gashydraten sind grundsätzlich die folgenden Möglichkeiten geeignet:Gas hydrates are formed when there is high pressure, low temperatures, sufficient gas and water. The following options are generally suitable for extracting gas from gas hydrates:
1. Absenkung des Druckes;1. lowering the pressure;
2. Erhöhung der Temperatur; 3. Zugabe von Chemikalien / Inhibitoren (Methanol, Glykol, NaCl, Spezialpolymere, etc.); 4. als vierte Gewinnungsmethode ist der "bergmännische" Abbau denkbar.2. increase in temperature; 3. addition of chemicals / inhibitors (methanol, glycol, NaCl, special polymers, etc.); 4. The fourth mining method is "mining" mining.
Die Gasgewinnung kann dabei direkt vor Ort erfolgen. Alternativ hierzu ist ein bergmännischer Abbau der Gashydrate und die anschließende Gasgewinnung in einer separaten Anlage vorstellbar.The gas can be extracted directly on site. As an alternative to this, mining of the gas hydrates and subsequent gas extraction in a separate plant is conceivable.
Man findet Gashydrate in und auf den Sedimenten des Ozeanbodens in Wassertiefen von mehr als ca. 300-
500 m, je nach Breitengrad. Die untere Grenze der Gashydratstabilitätszone ist dabei durch die aus dem Erdkern aufsteigende Wärme festgelegt, welche die Clathrate destabilisiert bzw. eine Bildung verhin- dert. Stellenweise haben sich am Meeresgrund mehrere Meter dicke Gashydratschichten gebildet. Die Gashydrate dienen, wie aus Bohrungen bekannt ist, als Zement in den Porenräumen des Sediments, treten aber auch in Lagen oder Knollen auf. Die Sedimentschicht, die von ihnen durchdrungen ist, kann bis etwa 1000 m dick sein. Weiter findet man Gashydratvorkommen im Permafrostboden Sibiriens, Kanadas, Alaskas, etc. Die Vorkommen im Permafrost entstanden in früheren Weltmeeren und sind seither gut konserviert.Gas hydrates are found in and on the sediments of the ocean floor at depths of more than approx. 300- 500 m, depending on the latitude. The lower limit of the gas hydrate stability zone is determined by the heat rising from the earth's core, which destabilizes the clathrates or prevents formation. In places, gas hydrated layers several meters thick have formed on the seabed. As is known from drilling, the gas hydrates serve as cement in the pore spaces of the sediment, but also occur in layers or tubers. The sediment layer that is permeated by them can be up to about 1000 m thick. There are also gas hydrate deposits in the permafrost soil of Siberia, Canada, Alaska, etc. The deposits in the permafrost originated in earlier oceans and have been well preserved since then.
Neben einem enormen Energieinhalt bergen Gashydrate, speziell die unterseeischen Vorkommen ein Gefahrenpotenzial. Durch warme Untergrundströmungen können z.B. Gashydratvorkommen am und im Meeresboden destabili- siert werden. Durch eine plötzliche Freisetzung großer Mengen des in Clathraten gebundenen Gases können Erdrutsche auf dem Meeresboden und unterseeische Schlammlawinen hervorgerufen werden. Kraterfeider am Meeresgrund geben Hinweise auf die Instabilität von Gashydratadern. Diese Krater, auch "Pock arks" genannt, können 100 bis 200 m breit und bis zu 20 m tief sein. Durch Rutschungen und explosionsartige Gasfreisetzungen könnten in Küstengebieten Tsunamis (Riesenwellen) entstehen. Die Rutschungen stellen auch für Tiefseekabel und Bohrplattformen eine Gefahr dar. Die Kommunikationsleitungen können durchtrennt und Bohrinseln durch Tsunamis zum Kentern gebracht werden. Zudem kann es durch Methangasfreisetzungen zu nachhaltig negativen ökologischen Auswirkungen kom- men, da Methan als Treibhausgas starken Einfluss auf das Weltklima hat. Methan ist zwischen 20 und 60 mal
klimaaktiver als C02. Eine vermehrte Einbringung in die Atmosphäre verstärkt den Treibhauseffekt.In addition to an enormous energy content, gas hydrates, especially the submarine deposits, have a potential hazard. Warm underground currents can, for example, destabilize gas hydrate deposits on and in the seabed. A sudden release of large amounts of the gas bound in clathrates can cause landslides on the sea floor and undersea mudslides. Crater fields on the seabed indicate the instability of gas hydrate veins. These craters, also called "pock arks", can be 100 to 200 m wide and up to 20 m deep. Slides and explosive gas releases could result in tsunamis (giant waves) in coastal areas. The landslides also pose a threat to deep-sea cables and drilling platforms. Communication lines can be cut and oil rigs capsized by tsunamis. In addition, methane gas releases can have a lasting negative ecological impact, since methane as a greenhouse gas has a strong influence on the global climate. Methane is between 20 and 60 times more climate active than C0 2 . An increased introduction into the atmosphere increases the greenhouse effect.
Es wird deutlich, dass die Entnahme bzw. Förderung von Gashydraten und Gas aus Gashydraten energiewirtschaftlich sehr interessant ist, ein sicherheitstechnisch anspruchsvolles Unterfangen darstellt und sowohl ökonomische als auch ökologische Belange betrifft.It becomes clear that the extraction or production of gas hydrates and gas from gas hydrates is very interesting in terms of energy, is a safety-related undertaking and affects both economic and ecological concerns.
Bisherige Ansätze zur Förderung von Gashydraten oder Gas aus Gashydraten betrachten vornehmlich den Zweck der energetischen Nutzung. Viele Verfahrensvorschläge zur Förderung sind in Bezug auf Sicherheit und Um- weltschutz bedenklich.Previous approaches for the promotion of gas hydrates or gas from gas hydrates primarily consider the purpose of energetic use. Many process proposals for funding are questionable in terms of safety and environmental protection.
Verfahren zur Gewinnung von Gashydrat oder Gas aus Gashydrat werden beispielsweise beschrieben in der WO/00 47832. Hierbei sollen Methanhydratbrocken it- tels Druckluft vom Meeresboden abgerissen und durch ein sich nach oben erweiterndes Rohr zur Meeresoberfläche gefördert werden.Methods for obtaining gas hydrate or gas from gas hydrate are described, for example, in WO / 00 47832. Here, chunks of methane hydrate are to be torn off from the sea floor by means of compressed air and conveyed to the sea surface by a tube which widens upwards.
Die DE 198 49 337 AI schlägt ein Förderverfahren vor, bei dem Methanol oder ein methanolhaltiges Gemisch in die Gashydratlagerstätte eingeleitet wird, wodurch das Hydrat aufgelöst und das in ihm gebundene Gas freigesetzt wird. Das entstehende Methanol-Gas- Wasser-Gemisch soll daraufhin gefördert werden.DE 198 49 337 AI proposes a production process in which methanol or a mixture containing methanol is introduced into the gas hydrate deposit, as a result of which the hydrate is dissolved and the gas bound in it is released. The resulting methanol-gas-water mixture is then to be promoted.
Die JP 91 58662 empfiehlt die Einbringung von erwärmtem Meerwasser (durch die Abwärme eines am Meeresboden plazierten Kernreaktors) in eine Gashydratlagerstätte, wobei das durch Schmelzen des Gashydrats ge- wonnene Gas über ein zweites Bohrloch der Lagerstätte entzogen wird.
Aus der WO/98 44078 ist ein Verfahren bekannt zum Abbau von Oberflächengashydraten am Meeresboden, wobei verschiedene Kollektoranordnungen auf den Meeresboden aufgebracht werden können, weiche Gashydratbrocken und freigesetztes Gas aufsammeln und mit einer aufgeprägten Strömung in einer rohrartigen Anordnung an die Meeresoberfläche bringen, wo das gewonnene Gas vor Ort zum besseren Transport in flüssige Kohlenwas- serstoffe umgewandelt wird.JP 91 58662 recommends the introduction of heated sea water (through the waste heat from a nuclear reactor placed on the sea floor) into a gas hydrate deposit, the gas obtained by melting the gas hydrate being withdrawn from the deposit via a second borehole. From WO / 98 44078 a method is known for the degradation of surface gas hydrates on the seabed, wherein various collector arrangements can be applied to the seabed, collect chunks of gas hydrate and released gas and bring them with an impressed flow in a tube-like arrangement to the sea surface, where the obtained Local gas is converted into liquid hydrocarbons for better transport.
Die US 4 424 858 beschreibt eine Vorrichtung, die zwei ineinander angeordnete Rohre enthält, wovon das obere Ende des inneren Rohres unter dem Meeresspiegel liegt und Meerwasser ansaugt, welches in eine Lagerstätte gefördert wird, um dort Gashydrat aufzulösen. Das entstandene Gas wird durch das äußere Rohr an die Meeresoberfläche gefördert. Das innere Rohr kann tiefer in die Lagerstätte hineinreichen als das äußere und ist evtl. perforiert, um Gas aus verschiedenenUS 4,424,858 describes a device which contains two tubes arranged one inside the other, the upper end of the inner tube being below the sea level and sucking in sea water, which is conveyed into a deposit in order to dissolve gas hydrate there. The resulting gas is transported to the surface of the sea through the outer tube. The inner tube can extend deeper into the reservoir than the outer one and may be perforated to allow gas from different
Tiefen einsammeln zu können. Das äußere Rohr enthält noch einen unter dem Meeresspiegel liegenden für den Anfahrvorgang verschließbaren Seitenarm, um mit dem Gas emporgestiegenes abgekühltes Meerwasser wieder abzuführen.Being able to collect depths. The outer tube also contains a side arm, which is below the sea level and can be closed for the start-up process, in order to discharge cooled sea water that has risen with the gas.
Die US 4 007 787 schlägt vor, leichte, unter Lagerstättenbedingungen kein Hydrat bildende Kohlenwasserstoffe in die Lagerstätte zu fördern, um dadurch das Gas aus den Hydraten zu lösen. Eine gefrierpunkterniedrigende Zusatzsubstanz kann ebenfalls in die Lagerstätte injiziert werden, um die Gasproduktion zu beschleunigen.US 4,007,787 proposes to convey light hydrocarbons into the deposit which do not form hydrate under deposit conditions, in order to thereby release the gas from the hydrates. A freezing point depressant can also be injected into the reservoir to accelerate gas production.
Weiter zeigt die US 3 969 834 eine Möglichkeit auf, mittels des Airlift-Prinzips Flüssigkeiten, Suspen-
sionen und Breie von Meeresböden und Flussbetten zu fördern. Bei der Methode wird ein Rohr von der Wasseroberfläche bis an den Grund geführt. Am unteren Ende des Rohres ist ein Sammler angebracht, der auf das zu fördernde Medium gesetzt wird und einen Seitenarm hat, wodurch Umgebungswasser angesaugt werden kann. Über ein zweites Rohr und einen Mischer wird Luft in das erste Rohr geblasen. Diese Luft steigt im Rohr auf und saugt am Boden liegendes Material mit sich.US Pat. No. 3,969,834 also shows a possibility of using the airlift principle for liquids, suspensions, To promote sions and slurries of seabeds and river beds. In the method, a pipe is run from the water surface to the bottom. At the lower end of the pipe a collector is attached, which is placed on the medium to be pumped and has a side arm, which allows ambient water to be sucked in. Air is blown into the first pipe via a second pipe and a mixer. This air rises in the pipe and sucks material lying on the floor with it.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem es möglich ist, Gashydrate und Gase aus Gashydratschich- ten, vor allem Methangas wirtschaftlich und technisch wie auch ökologisch sicher und kontrolliert zu fördern. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens anzugeben.Proceeding from this, it is the object of the present invention to propose a method with which it is possible to promote gas hydrates and gases from gas hydrate layers, especially methane gas, in an economically and technically as well as ecologically safe and controlled manner. Another object of the present invention is to provide a corresponding device for carrying out such a method.
Die Aufgabe wird in bezug auf das Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst, in bezug auf die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspru- ches 14. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.The object is achieved in relation to the method by the characterizing features of patent claim 1, in relation to the device for carrying out the method by the features of patent claim 14. The subclaims show advantageous developments.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung sind weitreichende Vorteile verbunden.Far-reaching advantages are associated with the method and the device according to the invention.
Die Gewinnung von Gasen aus Gashydraten bildet eine zukunftssichere Alternative zur Nutzung herkömmlicher fossiler Rohstoffe. Die kontrollierte Destabilisie- rung und Nutzung von in natürlichen Gashydraten ent- haltenen Methans kann die weltweite Energieversorgung langfristig stabilisieren und durch die Ersetzung an-
derer fossiler Brennstoffe und C02-Minderung die globalen Klimaveränderungen verringern.The extraction of gases from gas hydrates forms a future-proof alternative to the use of conventional fossil raw materials. The controlled destabilization and use of methane contained in natural gas hydrates can stabilize the global energy supply in the long term and by replacing it whose fossil fuels and CO 2 reduction reduce global climate change.
Die stoffliche Nutzung von kontrolliert destabili- siertem Methan aus Gashydraten kann zu einer massiven Ressourceneinsparung im Bereich der klassischen fossilen Rohstoffe wie Steinkohle und vor allem Erdöl führen.The material use of controlled destabilized methane from gas hydrates can lead to massive resource savings in the area of classic fossil raw materials such as hard coal and especially oil.
Des weiteren kann mit der vorgeschlagenen ErfindungFurthermore, with the proposed invention
Methan präventiv aus instabilen Lagerstätten entfernt und genutzt werden und durch die Nutzung in höchst effektiven Gas-und-Dampf-Kraftwerken mit Wirkungsgraden η > 50% zu einem geringeren Klimapotenzial umge- wandelt werden, bevor es unkontrolliert in die Atmosphäre eintritt und womöglich Umwelt- oder Klimakatastrophen auslöst.Preventive removal of methane from unstable deposits and use it and convert it to a lower climate potential by using it in highly effective gas and steam power plants with efficiencies> 50%, before it enters the atmosphere uncontrollably and possibly environmental or Climate catastrophes.
Weiter besteht die Möglichkeit, das in die Lagerstät- te zu fördernde Meerwasser mit Substanzen, insbesondere C02, anzureichern, die thermodynamisch betrachtet leichter in der Lage sind Gashydrate zu bilden als Methan und in die Methanhydratlagerstätte zu fördern. Hierdurch wird einerseits die Destabilisierung von Methanhydrat begünstigt, da sich aus thermodyna- mischen Gründen beispielsweise eher Kohlendioxidhydrat als Methanhydrat bildet und sich andererseits eine gleichzeitige Möglichkeit zur Verbringung und Deponierung klimaaktiver Substanzen wie insbesondere C02 eröffnet.There is also the possibility of enriching the seawater to be extracted with substances, in particular C0 2 , which are thermodynamically easier to form gas hydrates than methane and to be pumped into the methane hydrate deposit. On the one hand, this favors the destabilization of methane hydrate, because for thermodynamic reasons, for example, carbon dioxide hydrate is formed rather than methane hydrate and, on the other hand, there is a simultaneous possibility of transferring and depositing climate-active substances such as C0 2 in particular.
Die Erfindung erlaubt die Gewinnung und Förderung von Gashydraten und Gas aus Gashydraten aus Gashydratlagerstätten aller Art. Auch die Förderung von eben- falls in den Lagerstätten vorhandenen freien Gases und flüssigen Kohlenwasserstoffen kann durch die vor-
geschlagene Apparatur realisiert werden.The invention permits the extraction and extraction of gas hydrates and gas from gas hydrates from all types of gas hydrate deposits. The extraction of free gas and liquid hydrocarbons that are also present in the deposits can also be carried out by the above beaten equipment can be realized.
Die Erfindung stellt ein konstruktiv einfaches, wirtschaftliches, sicheres, kontrollierbares und umweltfreundliches Verfahren zur Gewinnung von Gashydraten und Gas aus Gashydraten dar. Der Prozess verläuft weitgehend selbsterhaltend, ein Teil des gewonnenen Methangases kann zur Aufheizung des Umlaufwassers genutzt werden.The invention represents a structurally simple, economical, safe, controllable and environmentally friendly method for obtaining gas hydrates and gas from gas hydrates. The process is largely self-sustaining, and part of the methane gas obtained can be used to heat the circulating water.
Mit der vorgeschlagenen Erfindung können nicht nur die direkt auf dem Meeresboden liegenden Vorkommen erschlossen werden, sondern ebenfalls die in tieferen Sediment- und Bodenbereichen liegenden Gashydrat- schichten. Auch der Abbau von Gashydrat in Per- mafrostgebieten ist möglich.With the proposed invention, not only the deposits lying directly on the sea floor can be developed, but also the gas hydrate layers lying in deeper sediment and soil areas. Degradation of gas hydrate in permafrost areas is also possible.
Die bei dem Abbau der im Meeresboden lagernden Gashydrate entstehende Kaverne wird mit Wasser gefüllt und deshalb mechanisch stabilisiert. Seitlich aus der Kaverne ausströmendes Lagerstättengas (Verluststrom) wird auf dem Weg durch das Sediment abgekühlt und bildet erneut Gashydrat, wodurch der Lagerstättenbereich zusätzlich zementiert und verfestigt wird. Durch die Neubildung des Gashydrats gelangt kein Verluststrom in die Atmosphäre. Die den Meeresboden bedeckenden Ökosysteme werden im Gegensatz zum Oberflächenabbau erhalten.The cavern formed when the gas hydrates stored in the sea floor are broken down is filled with water and therefore mechanically stabilized. Deposit gas (leakage current) flowing out of the side of the cavern is cooled on the way through the sediment and forms gas hydrate again, whereby the deposit area is additionally cemented and solidified. Due to the new formation of the gas hydrate, no leakage current enters the atmosphere. In contrast to surface degradation, the ecosystems that cover the sea floor are preserved.
Auf die Einbringung von Chemikalien, Additiven, Inhibitoren, etc. kann verzichtet werden, der Auflösungs- vorgang kann über die Nutzung anderer physikalischer Phänomene (Temperaturerhöhung, Druckabsenkung) erfolgen. Das in die Lagerstätte geförderte Meerwasser enthält gelöstes NaCl als natürlichen Hydratinhibitor, was die Destabilisierung des Gashydrats unter-
stützt.The introduction of chemicals, additives, inhibitors, etc. can be dispensed with, the dissolution process can take place through the use of other physical phenomena (temperature increase, pressure reduction). The seawater extracted into the deposit contains dissolved NaCl as a natural hydrate inhibitor, which reduces the destabilization of the gas hydrate. supports.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fign. 1 bis 4 näher erläutert.The invention is described below with reference to FIGS. 1 to 4 explained in more detail.
Fig. 1 zeigt das Grundprinzip einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung, bei der der Abströmer koaxial im Aufströmer angeordnet ist.Fig. 1 shows the basic principle of a erfindungsge ¬ MAESSEN device in which the Abströmer is arranged coaxially in the Aufströmer.
Fig. 2 zeigt eine Ausgestaltung der Vorrichtung nach Fig. 1, bei der zusätzlich im Auffangbehälter eine spezifische Trennvorrichtung und ein Ölabscheider vorgesehen ist.FIG. 2 shows an embodiment of the device according to FIG. 1, in which a specific separating device and an oil separator are additionally provided in the collecting container.
Fig. 3 zeigt die Ausführungsform, bei der der Auf- und Abströmer beabstandet zueinander angeordnet ist.Fig. 3 shows the embodiment in which the upstream and downstream flow is spaced apart.
Fig. 4 zeigt eine weitere Alternative der erfin- dungsgemäßen Lösung, bei der der Aufströmer koaxial im Abströmer angeordnet ist.FIG. 4 shows a further alternative of the solution according to the invention, in which the upflow is arranged coaxially in the outflow.
In Fig. 1 wird das Grundprinzip der Erfindung dargestellt. Eine Rohranordnung, hier durch eine Doppel- rohranordnung 1, 2 dargestellt, wird in den Meeresboden 8 bis in die Gashydratlagerstätte 3 eingebracht. Das innere Rohr 2 kann dabei sowohl genauso lang sein wie das äußere 1 als auch länger. Es kann daher auch tiefer in den Meeresboden eingelassen sein. In Anleh- nung an den Aufbau des Airlift-Schlaufenreaktors bilden die beiden Rohre den Auf- und Abströmbereich.In Fig. 1 the basic principle of the invention is shown. A pipe arrangement, represented here by a double pipe arrangement 1, 2, is introduced into the sea floor 8 up to the gas hydrate deposit 3. The inner tube 2 can be as long as the outer 1 or longer. It can therefore also be embedded deeper into the sea floor. Based on the design of the airlift loop reactor, the two tubes form the up and downflow area.
In den Fign. 1 und 2 ist das innere Rohr 2 der Abströmer, das äußere Rohr 1 der Aufströmer. Vorteile dieses Aufbaus sind die größere Auffangfläche (äußeres Rohr = Aufströmer) für das kontrolliert destabi-
lisierte Gas 16 und ein geringerer Wärmeverlust an das umgebende Meerwasser 6, da das warme Wasser durch das innere Rohr in die Lagerstätte geführt wird und somit vom umgebenden Aufströmer gegenüber dem kälteren Meerwasser isoliert ist.In Figs. 1 and 2 is the inner tube 2 of the outflow, the outer tube 1 of the upflow. Advantages of this design are the larger collecting area (outer tube = inflow) for the controlled destabilized lized gas 16 and a lower heat loss to the surrounding sea water 6, since the warm water is led through the inner tube into the deposit and is thus isolated from the surrounding influx from the colder sea water.
Die umgekehrte Strömungsführung wird in Fig. 4 dargestellt. Hier ist das äußere Rohr der Abströmer 32 und das innere Rohr der Aufströmer 33.The reverse flow guidance is shown in Fig. 4. Here the outer tube is the outflow 32 and the inner tube is the upflow 33.
Den Boden bzw. Umlenkbereich des Airlift-Schlaufenreaktors bildet der Lagerstättenbereich 3. Den Kopf des Reaktors bildet der Gasauffangbehälter 4, welcher sowohl Bohrinsel als auch ein mobiles Bohrschiff sein kann und im folgenden auch als "Seefahrzeug" beschrieben wird.The bottom or deflection area of the airlift loop reactor is formed by the storage area 3. The head of the reactor is formed by the gas collecting container 4, which can be both an oil rig and a mobile drilling vessel and is also described below as a "sea vehicle".
Nachfolgend wird die Funktionsweise näher beschrieben.The mode of operation is described in more detail below.
Durch einen Wärmetauscher 24 erwärmtes Wasser (Meerwasser) wird durch den Abströmbereich in die Lagerstätte gefördert. Dort wird durch die eingebrachte Energie die Temperatur erhöht und somit das fest- stoffförmige Gashydrat kontrolliert destabilisiert und entgast/verdampft. Das freigesetzte Gas 16 steigt im Aufströmer auf und wird im Seefahrzeug aufgefangen und vom Wasser abgetrennt. Das gewonnene Gas kann einer direkten Verwertung, einer chemischen Umwandlung oder einer Transportvorrichtung zugeführt werden, das abgetrennte Wasser kann im Kreis gefahren und erneut in die Lagerstätte gefördert werden, wodurch weniger Heizenergie als bei der Verwendung von "frischem" Meerwasser notwendig ist. Der Prozess ist nach der Anfahrphase selbsterhaltend, da durch die entstehende Dichtedifferenz die Kreislaufströmung induziert wird.
Das Ausmaß der Gasfreisetzung kann sicher über die in die Lagerstätte gebrachte Energie geregelt werden.Water (sea water) heated by a heat exchanger 24 is conveyed through the outflow region into the deposit. There, the temperature is increased by the energy introduced, and the solid gas hydrate is thus destabilized and degassed / evaporated in a controlled manner. The released gas 16 rises in the upstream and is caught in the seacraft and separated from the water. The gas obtained can be used for direct recycling, chemical conversion or transport, the separated water can be circulated and returned to the deposit, which means less heating energy is required than when using "fresh" sea water. The process is self-sustaining after the start-up phase, since the circulating flow is induced by the resulting density difference. The amount of gas released can be safely controlled by the energy brought into the deposit.
Die in Fig. 1 gezeigten zusätzlichen Details geben nähere Auskunft über den Kopfbereich 4. Ein Teil des in die Lagerstätte geförderten Wassers verbleibt dort und füllt die gebildete Kaverne auf und trägt damit zur mechanischen Stabilisierung bei. Es kommt deshalb zu einem Verlustwasserstrom, der durch einen über die Pumpe 23 in den Kopf 4 geführten Frischwasserstrom 9 ausgeglichen werden kann. Das gewonnene Produkt Gas 11 kann über das Ventil 25 einer direkten Verwertung, einer chemischen Umwandlung oder einer Transportvorrichtung zugeführt werden, ein Teilstrom des Gases 12 kann über das Ventil 26 wie hier beispielsweise in einen Brenner 13 oder anderen Energieerzeuger geleitet werden. Das heiße Verbrennungsgas 14 wird direkt oder indirekt zur Beheizung des abströmenden Wassers eingesetzt. Die alternative Erwärmung des abströmen- den Wassers durch andere Beheizungsarten und Energiequellen ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung, beispielsweise ist eine Nutzung des gewonnenen Gases auch mittels einer Brennstoffzelle oder eines Gasmotors zur Erzeugung elektrischen Stroms und Wärme denkbar. Ein Flüssigkeitsüberlauf 10 bei Ventil 27 verhindert ein Volllaufen des Kopfsammeitanks 4 mit Wasser.The additional details shown in FIG. 1 provide more detailed information about the head region 4. A part of the water conveyed into the deposit remains there and fills up the cavern formed and thus contributes to mechanical stabilization. There is therefore a loss of water flow which can be compensated for by a fresh water flow 9 led into the head 4 via the pump 23. The product gas 11 obtained can be fed via the valve 25 to a direct recycling, a chemical conversion or a transport device, a partial flow of the gas 12 can be passed via the valve 26, for example, into a burner 13 or other energy generator. The hot combustion gas 14 is used directly or indirectly to heat the outflowing water. The alternative heating of the outflowing water by means of other types of heating and energy sources is also the subject of the invention, for example use of the gas obtained is also conceivable by means of a fuel cell or a gas engine for generating electrical current and heat. A liquid overflow 10 at valve 27 prevents the head collection tank 4 from overflowing with water.
In Fig. 2 wird eine Ausführungsform gezeigt, in der der Aufbau des Seefahrzeuges verändert wurde. Fig. 2 zeigt die große Variabilität des Verfahrens und der Vorrichtung.An embodiment is shown in FIG. 2 in which the structure of the sea vehicle has been changed. 2 shows the great variability of the method and the device.
Ebenso wird in der in Fig. 2 dargestellten Variante eine mit dem gelösten Gas und Kreislaufwasser aufsteigende Feststoffphase 17 berücksichtigt, die aus
mit hochgerissenem festen Gashydrat und/oder Gestein und Sediment besteht. Die Feststoffteilchen treten mit Gas und Kreislaufwasser in den Sammeltank 4 des Seefahrzeugs ein und können dort durch verschiedene Trennvorrichtungen 19 abgetrennt werden. Die möglichen Trennvorrichtungen werden in Fig. 2 beispielhaft durch Trennbleche repräsentiert, die über Sedimentationsvorgänge die Feststoffpartikel sammeln und abtrennen. Der Einsatz von anderen Apparaten wie Hydro- Zyklonen für den hier beschriebenen Trennvorgang im dargestellten Prozess ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Über die Pumpe 28 kann eine Entfernung der Feststoffpartikel 20 aus den Sammelbereichen erfolgen. Zudem ist es möglich, die Feststoffpartikel über den Abströmer oder andere Vorrichtungen zurück in die Kaverne bzw. das Bohrloch zu geben. Eine Feststoffzugäbe in den Abströmbereich führt dabei zur Erhaltung bzw. Verstärkung der den Prozess erhaltenden treibenden Dichtedifferenz. Im Aufströmer aufsteigende feste Gashydratstücke werden durch die Verringerung des hydrostatischen Druckes und durch die indirekte Aufheizung der aufsteigenden Suspension durch das erhitzte abströmende Umlaufwasser destabilisiert und lösen sich auf.Likewise, in the variant shown in FIG. 2, a solid phase 17 that rises with the dissolved gas and circulating water is taken into account with torn up solid gas hydrate and / or rock and sediment. The solid particles enter the collecting tank 4 of the sea vehicle with gas and circulating water and can be separated there by various separating devices 19. The possible separating devices are represented in FIG. 2 by way of example by separating plates which collect and separate the solid particles via sedimentation processes. The use of other apparatuses such as hydrocyclones for the separation process described here in the illustrated process is also an object of the invention. The solid particles 20 can be removed from the collection areas by means of the pump 28. It is also possible to put the solid particles back into the cavern or the borehole via the outflow or other devices. Adding solids into the outflow area leads to the maintenance or reinforcement of the driving density difference that maintains the process. Solid gas hydrate pieces rising in the upstream are destabilized by the reduction of the hydrostatic pressure and by the indirect heating of the rising suspension by the heated outflowing circulating water and dissolve.
Gashydrate und deren Lagerstätten beinhalten oft auch längerkettige, flüssige Kohlenwasserstoffe (im folgenden als "Öle" bezeichnet) . Diese Öle 18 werden unter Umständen ebenfalls mit in den Sammeltank 4 des Reaktors gefördert und schwimmen dort auf Grund ihrer geringeren Dichte auf. Weiterer Gegenstand der Erfindung sind Trennvorrichtungen aller Art, die die öl- phase vom Kreislaufwasser abtrennen und über die Pumpe 29 aus dem Reaktorkopf entfernen. Das Öl kann über die Ölabfuhr 22 einer direkten Verwendung, einer chemischen Umwandlung oder einer Transportvorrichtung
zugeführt werden. Die Trennvorrichtung wird in Fig. 2 exemplarisch durch einen Ölfang mit Trennblechen dargestellt.Gas hydrates and their deposits often also contain longer-chain, liquid hydrocarbons (hereinafter referred to as "oils"). Under certain circumstances, these oils 18 are also conveyed into the collecting tank 4 of the reactor and float there due to their lower density. Another object of the invention are separation devices of all kinds, which separate the oil phase from the circulating water and remove it from the reactor head via the pump 29. The oil can be directly used, chemically converted, or transported through the oil drain 22 be fed. The separating device is exemplified in FIG. 2 by an oil trap with separating plates.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Isolierung der einzelnen Reaktorbestandteile. Die Isolierung des Rohraufbaus ist gerade für den Einsatz der erfindungsgemäßen Fördervorrichtung im Permafrostboden von Bedeutung.Another object of the invention is the isolation of the individual reactor components. The insulation of the pipe structure is particularly important for the use of the conveyor device according to the invention in permafrost soil.
Die konstruktive Gestaltung von Auf- und Abströmer erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt durch ineinander geschobene Rohre, auch unterschiedlicher Querschnittsformen (oval, rund, eckig, rechteckig, etc.), vorzugsweise rund, vorzugsweise konzentrisch. DieAccording to the invention, the constructive design of the upstream and downstream flow is preferably carried out by means of tubes pushed into one another, also of different cross-sectional shapes (oval, round, angular, rectangular, etc.), preferably round, preferably concentric. The
Rohrdurchmesser können dabei von 1 cm bis 50 m betragen. Bevorzugt werden Dimensionen eingesetzt wie sie bisher schon aus dem Bereich der Erdölbohrungen usw. bekannt sind. Die Verwendung mehrerer parallel ge- schalteter Auf- und Abströmer ist möglich, genauso wie die Nutzung von Satellitenbohrungen, d.h. Bohrlöchern in räumlichem Abstand zur Hauptbohrstelle, zur zusätzlichen, einseitigen Förderung von zur Hydrat- destabilisierung erwärmtem Wasser in die Gashydratla- gerstätte.Pipe diameters can range from 1 cm to 50 m. Dimensions are preferably used as are known from the field of oil drilling, etc. The use of several upstream and downstream streams connected in parallel is possible, as is the use of satellite drilling, i.e. Boreholes at a spatial distance from the main drilling site, for additional, one-sided delivery of water heated to hydrate destabilization into the gas hydrate deposit.
Die Destabilisierung der Gashydrate in der Lagerstätte kann durch die erfindungsgemäße Fördervorrichtung neben der Temperaturerhöhung zudem durch Druckernied- rigung (Anlegen von Unterdruck) und Einsatz von (chemischen und physikalischen) destabilisierend wirkenden Zusatzstoffen geschehen. Diese Möglichkeiten sind gerade auch für den Anfahrvorgang denkbar, prinzipiell für den selbsterhaltenden Prozess nach dem Mam- mut-Pumpen-Prinzip jedoch nicht notwendig. Für dieThe gas hydrates in the deposit can be destabilized by the conveying device according to the invention, in addition to the temperature increase, also by reducing the pressure (applying negative pressure) and using (chemical and physical) destabilizing additives. These possibilities are also conceivable for the start-up process, but in principle not necessary for the self-sustaining process based on the mammoth pump principle. For the
Anfahrphase sind außerdem die mit 30 gekennzeichneten
unterstützenden Pumpvorrichtungen vorzusehen.Start-up phase are also those marked with 30 to provide supporting pumping devices.
Ein Verstopfen des Aufströ bereiches durch sich im Rohr aus aufströmendem Gas und Wasser bildendem Gas- hydrat (bei örtlichem Eintreten der Bildungsbedingungen) wird durch den günstigen konstruktiven Aufbau verhindert, da das abströmende warme Umlaufwasser indirekt zur Erwärmung des Aufströmbereiches beiträgt, die Gashydratbildungsbedingungen folglich vermieden werden.The favorable structural design prevents the inflow area from becoming blocked by gas hydrate forming in the pipe from the inflowing gas and water (if the formation conditions occur locally), since the outflowing warm circulating water indirectly contributes to heating the inflow area, and the gas hydrate formation conditions are consequently avoided ,
Die konstruktive Gestaltung der Rohranordnung kann verschiedenartig sein, solange sie gemäß dem Mammut- Pumpen-Prinzip ausgeführt wird und ist ebenfalls Ge- genstand dieser Erfindung. Die Rohranordnung von Auf- und Abströmbereich kann z.B. wie bereits erwähnt und in Fign. 1 und 2 dargestellt Doppelrohranordnung sein, beispielsweise aber auch durch eine Anordnung ausgeführt werden, bei der die Rohre räumlich vonein- ander getrennt sind (Fig. 3) . Dabei können Auf- und Abströmbereich auch an unterschiedlichen, räumlich voneinander getrennten Orten in die Lagerstätte hineinreichen (zwei oder mehrere getrennte Bohrlöcher), so dass es an der Stelle, an der der Abströmer in die Lagerstätte taucht, zu der kontrollierten Destabili- sierung kommt, das freigesetzte Gas durch die Lagerstätte strömt und durch das AufStrömerbohrloch in den Kopf geleitet wird. Auf diese Weise wird ein Zusammenwirken der Auf- und Abströmer erzielt.
The structural design of the pipe arrangement can be of various types, as long as it is carried out according to the mammoth pump principle and is also the subject of this invention. The pipe arrangement of the upstream and downstream areas can e.g. as already mentioned and in FIGS. 1 and 2 are shown as a double pipe arrangement, but can also be carried out, for example, by an arrangement in which the pipes are spatially separated from one another (FIG. 3). The upstream and downstream flow areas can also reach into the deposit at different, spatially separated locations (two or more separate boreholes), so that controlled destabilization occurs at the point at which the outflow plunges into the deposit. the released gas flows through the deposit and is directed into the head through the upstream borehole. In this way, an interaction of the upstream and downstream flow is achieved.