DE970101C - Verfahren zum Entgasen bituminoeser geologischer Vorkommen in ihrer natuerlichen Lagerstaette - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 28. AUGUST 1958

S 32452 VI15a

Die Erfindung betrifft die Pyrolyse oder Entgasung von bituminösen geologischen Vorkommen, wie Ölschiefer, ölsand, »Teersand«, Kohle, die in ihrer natürlichen Lagerstätte durch Erhitzen mit Hilfe einer waagerecht durch das geologische Vorkommen wandernden Wärmefront entgast werden. Unter geologische Vorkommen fallen in diesem Zusammenhang auch sogenannte nicht konsolidierte Gesteinsarten, wie brennstofführender Sand.

Gemäß dem Pyrolyseverfahren werden öle bzw. Gase durch Erhitzung unmittelbar in den brennstofführenden Vorkommen gewonnen. Der Wärmeaufwand, den die Pyrolyse an der natürlichen Lagerstätte fordert, wurde bei den bisher vorgeschlagenen oder benutzten Ausführungsformen der Pyrolyse in wesentlichem Grad durch die Wärmeverluste gesteigert, die durch die notgedrungene Verdampfung einleckenden Wassers in das geologische Vorkommen verursacht werden. Dieser Umstand macht sich besonders störend bemerkbar, wenn zwischen die brennstoffführenden Formationen poröse, z. B. aus Sand oder verwittertem Kalkgestein bestehende Schichten eingesprengt sind, die in der waagerechten Richtung wasserführend-sind und die gewöhnlich durch »5 im festen Gestein vorhandene senkrechte Risse oder Spalten den Zufluß von Wasser von der Seite oder von oben her in die bituminösen Schichten

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erleichtern. Es hat sich hierbei gezeigt, daß die Wirtschaftlichkeit des Erhitzungsvorganges weitgehend von der waagerechten Erstreckung des der Erhitzung ausgesetzten Feldes abhängt, weil näm-Hch der Wirkungsgrad mit der Größe des Feldes ansteigt. Dies erklärt sich dadurch, daß das Einlecken von Wasser aus der Umgebung im selben Umfange kleiner wird, wie der Flächeninhalt des Feldes zunimmt. ■

ίο Um das Einlecken von Wasser in das im Abbau begriffene Feld zu verringern, hat man vor dessen Erhitzung eine Dränierung der Umgebung durchgeführt, z. B. durch Auspumpen des Grundwassers mittels einer größeren oder kleineren Anzahl gebohrter Brunnen. Hierdurch läßt sich der hydraulische Druck offensichtlich vermindern und damit die Menge des einleckenden Wassers verkleinern. Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, dem Einlecken von Wasser aus der Umgebung zu dem begrenzten Körper des bituminösen Vorkommens, dessen Brennstoff gehalt gewonnen werden soll, wirksam entgegenzutreten. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, auch die Verbindung in der entgegengesetzten Richtung, d. h. von jenem Körper zur Umgebung hin, zu unterbinden, so daß erzeugte Gase weitest möglich daran gehindert werden, aus dem erhitzten Vorkommen anderweitig als über vorgesehene Sammelstellen zu entweichen. Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, bei unter Überdruck arbeitenden Ausbeutungsmethoden an der natürlichen Lagerstätte die Aufrechterhaltung des Überdruckes in dem begrenzten Körper sicherzustellen, der Gegenstand der Vergasung ist.

Dies wird mit Hilfe der waagerecht durch das geologische Vorkommen wandernden Wärmefront im wesentlichen dadurch erzielt, daß vor dieser Front eine ebenfalls allmählich vorwärts wandernde Gefrierfront gebildet wird, die eine Verbindung für das Formationswasser und das Gas zwischen ■ dem Entgasungsgebiet und dessen Umgebung erschwert oder völlig verhindert und die in solchem Abstand von der Wärme gehalten wird, daß der Erhitzungsprozeß vollendet ist, ehe sich Wärme aus der Wärmefront zur Gefrierfront ausbreitet und sie zum Schmelzen bringen kann.

Gefrierverfahren sind im Zusammenhang mit

Schachtabteufen bzw. Tunnel- und Streckenvortrieb bekannt. Solche Verfahren wurden aber bisher bei Entgasungsverfahren durch Erhitzung nicht für anwendbar erachtet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Gefrierfront mit Hilfe von Gefrierelementen gebildet, die in aufeinanderfolgenden Reihen oder Gruppen von zur Lagerstätte niedergebrachten Bohrlöchern eingesetzt werden, wobei sie entsprechend der vorgesehenen Wandergeschwindigkeit der Gefrierfront von der einen Reihe oder Gruppe von Bohrlöchern zur folgenden Reihe oder Gruppe übertragen werden, während die Erhitzungsfront durch gleichartige Elemente gebildet wird, die in dem gewünschten Frontabstand, in nicht langer zur Bildung der Gefrierfront benutzte Reihen oder Gruppen von Bohrlöchern niedergebracht werden.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen beispielsweise gezeigten Ausführungsformen näher beschrieben, und hierbei werden auch weitere, die Erfindung kennzeichnende Eigenschaften angegeben.

Fig. ι ist ein lotrechter Schnitt durch verschiedene Erdschichten, die eine brennstoffhaltige Schicht umfassen und in welche gemäß der Erfindung ausgebildete Organe zur Durchführung des Verfahrens niedergebracht worden sind; die Figur ist ein Schnitt längs der Linie I-I der Fig. 2, die ihrerseits einen Teil des behandelten Bodengebiets in Draufsicht zeigt;

Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch einen kombinierten Gefrier- und Heizkörper;

Fig. 4 und 5 zeigen lotrechte Schnitte durch die Erdschichten mit darin tiefgebohrten Löchern, in welche gemäß der Erfindung ausgeführte Gefrierelemente teilweise niedergebracht worden sind;

Fig. 6 und 7 sind schematische Aufrisse eines ⁸S Gebiets, das gemäß der Erfindung bearbeitet wird; Fig. 8 ist ein Schaubild «ines Bodenteils, der gemäß der Erfindung behandelt wird;

. Fig. 9 ist ein lotrechter Schnitt durch eine Anzahl übereinandergelagerten Gesteinsarten, von denen ein bituminöses Vorkommen gemäß einem abgewandelten Verfahren entgast wird.

In den verschiedenen Figuren sind entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

In den Zeichnungen bezeichnet 10 eine Deckschicht aus Muttererde und Kies, die im vorliegenden Fall auf einem Lager 12 aus Kalkstein ruht. Dieses Lager befindet sich seinerseits auf einer Schicht 14 der der Pyrolyse zu unterwerfenden bituminösen Gesteinsart, wie ölschiefer. Unter der Schicht 14 befindet sich ein Lager 16, für welches angenommen wird, daß es aus nicht wasserführendem Tonschiefer oder Ton besteht, wobei am Übergang zwischen den Schichten 14 und 16 eine dünnere Lage 18, vorhanden sein kann, die erodierten oder zerfallenen, z. B. sandführenden Tonschiefer enthält. Die beschriebene Schichtenfolge ist im allgemeinen typisch für Alaunschiefer an verschiedenen Stellen des Erdballs, was darauf zurückzuführen ist, daß sie während derselben geologischen Epochen gebildet wurde. Die Schichtenfolge ist aber selbstverständlich nur als Beispiel angeführt und kann von Vorkommen zu Vorkommen in verschiedener Hinsicht wechseln, was insbesondere dann zutrifft, wenn die bituminöse Ge- ^X15 steinsart eine andere als Alaunschiefer ist.

Eine Pyrolyse des Schieferlagers 14 wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 auf elektrothermischem Weg durchgeführt. In das Gestein sind Löcher 19 gebohrt, in welche mit 20 bezeichnete Heizelemente niedergeführt sind. Diese Heizelemente umfassen Rohre 22 aus Metall, in denen ein oder mehrere elektrische Widerstände 24 angebracht sind. Der Zwischenraum zwischen der Wandung des Loches 19 und dem Rohr 22 kann ^la5 mit einem den Wärmeübergang fördernden korn-

förmigen Stoff 21, wie Sand, ausgefüllt sein. Der Widerstand 24 steht an seinem unteren Ende in leitender Berührung mit dem Rohr 22 und ist mittels Leitungen 26, 28 an einen Kreis 30 für niedergespannten Wechselstrom, vorzugsweise dreiphasigen, angeschlossen.

Der Zwischenraum zwischen dem Widerstand 24 und dem Rohr 22 ist mit Quarzsand 32 od. dgl. ausgefüllt, und zwar um einerseits einen Uberschlag des Stroms zu verhindern und andererseits das Ableiten der erzeugten Wärme zum Schieferlager zu erleichtern. Der Widerstand 24 kann z. B. durch Ausführung in der Form einer Schraube mit ungleicher Steigung der Windungen eine wechselnde Wärmekapazität erhalten, so daß z. B. den oberen und unteren Teilen des bituminösen Lagers 14 mehr Wärme zugeführt wird als den zwischenliegenden Teilen. Die durch die Wärmezufuhr erzeugten Gase werden in Löchern 34 aufgefangen.

ao von welchen Rohrleitungen 36 an die Erdoberfläche führen. Zwischen dem unteren Ende der Rohrleitung 36 und der Wand des Loches 34 ist ein an der Rohrleitung befestigter Flansch 38 angeordnet. Über diesem Flansch ist die Rohrleitung 36 in einen körnigen Stoff 39 eingebettet. Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, kann jede Gasableitrohrleitung 36 mit zugehörigem Loch von einer größeren Anzahl elektrischer Elemente 20 umgeben sein. In die Gesteinsschichten ist mindestens eine Reihe von Löchern 40 tiefgebohrt. Sie umschließen das Gebiet, das Gegenstand der Entgasung durch Wärmebehandlung ist und in der Fig 2 m't zickzackförmigen Linien 41 angedeutet ist. In die Löcher 40 werden gemäß der Erfindung Gcfnerelemente hinabgelassen, die gemäß der Fig. 3 aus einem Rohr 42 bestehen, in welchem ein dünneres' Rohr 44 untergebracht ist, das eine Schlinge bildet und über einen größeren oder kleineren Teil 46 seiner Länge schraubenförmig gewunden ist. Das Rohr 42 erstreckt sich unter das Schieferlager 14 in die im vorliegenden Fall nicht wasserführende Schicht 16 hinein. Ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel wird dem einen Schenkel des Rohres 44 durch eine Leitung 48 zugeführt und tritt aus dem anderen Schenkel durch eine Leitung 50 aus. Die Gefrierelemente 42 bewirken eine Herabsetzung der Temperatur in den Gesteinsformationen unter den Gefrierpunkt des dort befindlichen Wassers. Auf diese Weise bildet sich um das Entgasungsgebiet herum ein Gefriermantel, wodurch das Eindringen von Wasser aus der Umgebung behindert wird. Gleichzeitig wird auch einem Auslecken von während der Entgasung in dem Gebiet erzeugtem Gas oder öl vorgebeugt.

Im vorliegenden Fall hat der Mantel einen wasserdichten Boden in der Gestalt des Lagers 16. Die Gefrierelemente sollen in solchem Abstand von dem Entgasungsgebiet niedergebracht werden, daß letzteres bereits ausgebeutet ist, bevor eine Wärmeleitung zu der gefrorenen Schicht, wodurch das Eis zum Schmelzen gebracht wird, zustande kommt. In diesem Zusammenhang sei hervorgehoben, daß die geologischen Formationen im allgemeinen eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen, weswegen das Vordringen der Wärme ver- g_g hältnismäßig langsam erfolgt.

Vorteilhaft wird die Gefrierschlinge biegsam ausgeführt, so daß sie sich mühelos in das Bohrloch niederbringen läßt. Gemäß der Fig. 4 ist die Schlinge aus Rohrstücken 52 zusammengesetzt, die ₇„ miteinander durch biegsame Muffen 54 aus Gummi od. dgl. verbunden sind. Die Biegbarkeit der Gefrierschlinge läßt sich auch dadurch erhalten, daß ihre beiden Schenkel schraubenförmig gewickelt sind, wie bei 56 in der Fig. 5 angedeutet ist. Die Wärmeübertragung von der Umgebung zur Schlinge wird dadurch erleichtert, daß man das Loch 40 sich mit Grundwasser füllen läßt, das dann zunächst zu Eis gefriert.

In der Fig. 6 bezeichnet 28 den Gefriermantel, der das mittels zickzackförmiger ausgezogener Linien 41 angedeutete Entgasungsgebiet umschließt und abdichtet. Die Entgasung durch Wärmebehandlung wird vorzugsweise so durchgeführt, daß man eine Wärmefront in der mit dem Pfeile 62 angegebenen Richtung wandern läßt. Dies bedeutet, daß Reihen von Heizelementen 2c nacheinander eingeschaltet werden, derart, daß sie entlang der einzelnen Linien 41 wenigstens annähernd gleichzeitig in dem brennstoffhaltigen Lager die Pyrolysetemperatur erreichen. Vor die Wärmefront werden nacheinander abdichtende Frostbarrieren 64, 66, 68 gelegt. Ihr Abstand voneinander kann größer sein als der Abstand zwischen den Heizelementreihen. Wenn dann die Wärmefront die Barriere 64 erreicht, übernimmt die nächste Barriere 66 die Aufgabe, das Pyrolysefeld vor der wandernden Wärmefront einzuschließen.

Gemäß der in Fig. 7 gezeigten Abwandlung wird vor dem Pyrolysengebiet eine in gleicher Weise wie die Wärmefront gemäß dem Pfeil 62 vorwärts wandernde Gefrierfront geschaffen, die in der Figur mit den strichpunktierten Zickzacklinien 70 angedeutet ist. Man kann auf diese Weise zunächst einen gefrorenen Körper der geologischen For mationen schaffen, der sodann mit dem Ingangsetzen der Pyrolyse erhitzt wird. Die der Pyrolyse zu unterwerfenden Erdbodenlager sowie die über und teilweise auch die unter ihnen befindlichen Schichten werden somit zunächst auf eine Temperatur abgekühlt, welche unter dem Gefrierpunkt des in ihnen befindlichen Wassers liegt. Man erhält somit einen mehr oder weniger zusammenhängenden gefrorenen Körper, der sodann zum Zwecke der Entgasung erhitzt wird, und zwar in erster Linie durch eine wandernde Wärmefront In der Fig. 8 bezeichnet 72 einen dichten Kasten des brennstoffhaltigen Vorkommens, gegebenenfalls einschließlich benachbarter geologischer Schichten, in welchem ein Körper 74 Gegenstand iao der Entgasung ist. Der erhitzte Körper kann hierbei sowohl oben wie unten als auch an den Seiten durch bituminöse, nicht konsolidierte geologische Formationen begrenzt sein.

Um die wandernden Gefrier- und Wärmefronten zu erzeugen, können dieselben Bohrlöcher sowie

die Rohre 42 anfangs zum Gefrieren und später zum Heizen dienen. Die in den Fig. 4 und 5 ^ver~ anschaulichten Gefrierelemente werden während ihres Betriebes vom Eis umgeben, wie oben erwähnt wurde: Um sie aus den Löchern zu entfernen, kann ein Auftauen des Eises in den Bohrlöchern 40 auf elektrischem Wege vorgenommen werden oder mit Hilfe eines gasförmigen oder flüssigen warmen Mittels, das in die Rohrschlingen eingeführt wird und derselbe Stoff sein kann wie das Kühlmittel. Je schneller das Auftauen durchgeführt wird, desto geringer ist die Wärmeabgabe an umgebende Partien der geologischen Formationen. Falls die Temperatur um das Loch herum genügend niedrig ist, gefriert das Wasser in den Löchern wieder. Nachdem das Gefrierelement frei gemacht und aus dem Bohrloch heraufgezogen worden ist, kann es in ein Loch der nächsten Reihe der Frostbarriere übergeführt werden. Wenn die ao Wärmefront sich den Löchern 40 zu nähern beginnt und das Eis in ihnen schmilzt, werden die Löcher zum Niederbringen von Heizelementen oder als Gasableitlöcher benutzt. Jedoch kann auch vor dem Herankommen der Wärmefront an die Löcher ein Auftauen des Eises in ihnen vorgenommen werden, z. B. um sie als Gasableit- oder Zuleitlöcher zur Verfügung zu erhalten. Zu diesem Zweck kann Salz von der Erdoberfläche aus in die Löcher gegeben werden.

Die Fig. 9 zeigt schließlich eine Ausführungsform, bei welcher das bituminöse Vorkommen, beispielsweise der ölschiefer, durch Einführen von Sauerstoff bzw. Luft in das Lager entgast wird. Dies kann dadurch geschehen, daß eine Anzahl Löcher 76 in das betreffende Vorkommen hinabgebohrt werden, und zwar vorzugsweise bis in die Nähe des Liegenden. In die Löcher 76 werden Rohre 78 eingesetzt, die an ihrem unteren Ende durch eine an ihnen befestigte Dichtung 80 gegen die Lochwandung abgedichtet werden. Der Zwischenraum zwischen dem Rohr und der Lochwandung oberhalb der Dichtung 80 wird mit einem körnigen Stoff 82, wie etwa Sand, ausgefüllt. Durch eine Reihe derartiger Löcher wird ein die Ver- +5 brennung unterstützendes Gas, vorzugsweise Sauerstoff, unter solchem Druck zugeführt, daß die oberhalb liegenden geologischen Formationen hochgehoben werden und ein waagerechter Spalt 84 entsteht, wie für de \ vorliegenden. Fall am Unterteil der bituminösen Formation veranschaulicht ist. Versuche haben erwiesen, daß sich ein derartiger Spalt bei Alaunschiefer über einen längeren Abstand von der Gaszufuhrstelle erstreckt, etwa 50 bis 100 Meter im Umkreis. In einem mit Rücksicht hierauf bemessenen Abstand von einer Reihe von Löchern 76 wird eine zweite Reihe von Löchern 86 gebohrt, und in diese werden Rohre 88 eingebracht und mit denselben Mitteln wie die Rohre 78 gegen die Lochwandung abgedichtet. Das auszubeutende Gebiet wird mit einer abdichtenden Frostbarriere umgeben, und zwar mit Hilfe von Gefrierelementen, die in Löcher 48 gemäß einer der oben angegebenen Alternativen niedergebracht werden. , Der Spalt 84 bewirkt nach einmaliger Entzündung des Brennstofflagers in der einen oder anderen Weise, z. B. mittels im unteren Teil der Zufuhrröhre 78 angebrachten elektrischen Heizkörpern oder elektrischen Widerständen, eine kontinuierliche Vergasung in dem brennstoffhaltigen Lager. Die Entzündung des Brennstofflagers kann auch einfach dadurch hervorgerufen werden, daß mit Hilfe des in das Rohr 78 eingeleiteten Sauerstoffgases, ζ. Β. durch schnelle Steigerung seines Druckes und hierdurch oder durch Oxydierung des Sauerstoffs, eine plötzliche Wärmeentwicklung verursacht wird. Die Gase wandern zu den Sammelrohren 86, in denen ein entsprechender Überdruck aufrechterhalten wird. Durch Wärmeleitung weitet sich die Vergasungsschicht nach oben aus, so daß immer größere Teile des Brennstofflagers die Temperatur erreichen, bei welcher Gasentwicklung eintritt bzw. die Pyrolyse vor sich geht. In diesem Fall ist es besonders bedeutungsvoll, daß der Spalt 84 außerhalb der äußersten Löcher an den Flanken der von Lochreihe zu Lochreihe wandernden Wärmefront durch die abdichtende Gefrierbarriere daran gehindert wird, Gase anderweitig als durch die Gasableitrohre entweichen zu lassen.

Auch bei dieser Ausführungsform können die Löcher 76 und 86 sowohl für das Hinableiten des die Verbrennung unterstützenden Gases benutzt werden als auch für das Sammeln der aus der Gesteinsart gewonnenen Verbrennungsprodukte sowie zuvor schon für die Herstellung des Gefriermantels oder der Gefrierfront.

Die Gefrier- und/oder Heizelemente können zu Spiralform mit Schlingen aufgewickelt sein, die nicht größer sind, als daß sie bequemen Transport zum Einbauplatz gestatten und dort durch Ausrichten der Schlingen, gegebenenfalls zwischen den Walzen einer besonderen Richtanlage, allmählich in die Löcher hinabgelassen werden können.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zum Entgasen bituminöser geologischer Vorkommen in ihrer natürlichen Lagerstätte durch Erhitzen mit Hilfe einer waagerecht durch das geologische Vorkommen wandernden Wärmefront, dadurch gekennzeichnet, daß vor dieser Front eine ebenfalls allmählich vorwärts wandernde Gefrierfront gebildet wird, die eine Verbindung für das Formationswasser und das Gas zwischen dem Entgasungs- ¹¹S gebiet und dessen Umgebung zum Teil oder völlig verhindert und in die in solchem Abstand von der Wärme gehalten wird, daß der Erhitzungsprozeß vollendet ist, ehe sich Wärme aus der Wärmefront zur Gefrierfront ausbreitet und sie zum Schmelzen bringen kann.
2. 2. Verfahren nachAnspruchi bei Vorhandensein einer wasserundurchlässigen Schicht unter dem bituminösen Vorkommen, dadurch gekenn- . zeichnet, daß die Gefrierfront bis zu dieser ^ia5 Schicht hinabgeführt wird.
3. 3· Verfahren nach Anspruch ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefrierfront mit Hilfe von Gefrierelementen gebildet wird, die in aufeinanderfolgenden Reihen oder Gruppen von zur Lagerstätte niedergebrachten Bohrlöchern eingesetzt werden, wobei sie entsprechend der vorgesehenen Wandergeschwindigkeit der Gefrierfront von der einen Reihe oder Gruppe von Bohrlöchern zur folgenden Reihe oder Gruppe übertragen werden, während die Erhitzungsfront durch gleichartige Elemente gebildet wird, die in dem gewünschten Frontabstand in nicht länger zur Bildung der Gefrierfront benutzte Reihen oder Gruppen von Bohrlöchern niedergebracht werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefrierelemente durch schraubenförmig gewundene Rohrschlingen gebildet werden, die auch für Erwärmungszwecke benutzbar sind.
5. 5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefrierelemente zunächst zum Gefrieren und danach zum Erhitzen des Entgasungsgebietes dienen, während die wandernde Gefrierfront durch neue, in die nächstfolgende Reihe oder Gruppe von Bohrlöchern eingesetzte Gefrierelemente gebildet wird.

   .In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschriften Nr. 25 015, 36 611,

   664, 99 075, 148 614, 159 655, 329 896;,

   Zeitschrift »L'energia elettrica«, Nr.
6. 6, Vol.

   XXVII, 1950, S. 3 bis 11.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   © 509 629/10 1 (809 601/3 8.58)