Airliftverfahren mit feinperligem Auftriebsstrom

Abstract

 Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Förderung von Thermalwasser mittels Airliftverfahrens und betrifft ein Testverfahren sowie ein Testsystem zum Erfassen der maximalen Förderleistung einer Bohrung, bei dem ein Gas, insbesondere Luft in die Bohrung mit Hilfe eines Einblasrohres eingebracht wird. Es wird vorgeschlagen, dass
das Einblasrohr-Segment eine Länge von bis zu 27 m aufweist,
die Austrittsöffnungen in der überwiegenden Mehrzahl jeweils eine Querschnittsfläche von weniger als ca. 230 mm² aufweisen, und
die Summe der Querschnittsflächen der Austrittsöffnungen zwischen 10% und 30%, und bevorzugt etwa 20 % der Mantelfläche des Einblasrohrsegments beträgt, bei einer bevorzugten Länge dieses Rohrsegments von etwa 9 Metern.

Beschreibung

Stand der Technik, Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Förderung von geothermischen Flüssigkeiten, insbesondere von Wasser, Thermalwasser mittels eines sogenannten Airliftverfahrens und betrifft ein Testsystem zum Erfassen der maximalen Förderleistung einer Bohrung aus einer eine geothermische Flüssigkeit tragenden geologischen Schicht, bei dem ein Gas, insbesondere Luft in die Bohrung mit Hilfe eines Einblasrohres eingebracht wird, wofür ein Einblasrohr-Segment in seiner Mantelfläche Austrittsöffnungen für das Gas aufweist.

Beschreibung der Nachteile des Standes der Technik

[0002] Aus der US-Patentschrift 4,787,450 ist es bekannt, daß das oben genannte Airliftverfahren auch für geothermische Bohrungen einzusetzen ist. Dabei wurde gezeigt, daß eine kontinuierliche Injektion von nicht-kondensierbaren Liftgasen, vorzugsweise sauerstofffreie, nicht korrosive Liftgase eine wirksame und wirtschaftliche Alternative zum Pumpen von Flüssigkeiten mit niedriger Enthalpie geothermischer Reservoire oder durch die Produktion erschöpfter geothermischer Reservoire ist. Mit Hilfe des Airliftverfahrens kann damit der Durchfluss von produzierten Flüssigkeiten wiederhergestellt oder verbessert werden, zum Beispiel um der Auslegung eines nachgeschalteten Kraftwerks nachzukommen.

[0003] Bei einer frisch niedergebrachten Bohrung jedoch ist zunächst ein großes Interesse vorhanden, wie die zukünftige Förderkapazität und die Förderleistung sein wird. Insbesondere bei Bohrungen, die Thermalwasser fördern sollen, zum Zwecke der Energiegewinnung und dort insbesondere bei Bohrungsaufträgen mit begrenztem finanziellen Budget ist es dabei ein wichtiger Aspekt, diese Kenntnisse möglichst genau und im Hinblick auf Kosteneinsparung auch relativ kostengünstig zu beschaffen.

[0004] Üblicherweise wird dann in die frisch niedergebrachte Bohrung, beispielsweise einer Thermalwasserbohrung in das mit Flüssigkeit (z.B. Wasser, Sole) gefüllte, stehende Bohrloch eine Unterwassermotorpumpe (UWM-Pumpe) eingesetzt, die das Wasser nach oben fördert. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, dass eine technische optimale Auslegung der erforderlichen UWM-Pumpe aufgrund der Unkenntnis über die Förderbedingungen(Förderhöhe und Fördermenge) im Bohrloch nahezu unmöglich ist. Außerdem ist es umständlich und langwierig, sowie mit sehr hohen Kosten verbunden, eine solche UWM-Pumpe insbesondere in Tiefen von ca. 300-700 m einzubauen und darüber hinaus bei einer vorangegangenen Fehleinschätzung der Förderbedingungen zusätzlich wieder auszubauen.
UWM-Pumpen können konstruktionsbedingt nachteilig für Pumpversuche nur in einem begrenzten Förderbedingungsrahmen (Fördermenge und Förderhöhe)betrieben werden.

[0005] Eine Alternative zum Testen einer Thermalwasserbohrung stellt auch das eingangs genannte Airliftverfahren dar, bei dem im Stand der Technik jedoch in nachteilhafter Weise keine genauen Voraussagen erzielbar sind, weil sich zunächst kein kontinuierlicher Förderstrom sondern ein diskontinuierlicher Förderstrom einstellt, der höchstens nach längerer Förderzeit langsam kontinuierlicher wird. Erst dann kann man aussagekräftige Messungen machen und das Testergebnis zumindest grob abschätzen. Außerdem hat sich herausgestellt, dass die ermittelte maximale Förderrate in nachteilhafter Weise mit dem Airliftverfahren / -system oft zu niedrig angegeben war, woraus folgt, daß das Testergebnis sehr ungenau ist. Als weitere Nachteile treten hinzu, daß die Kosten für die Vorhaltung des Bohrgerätes und des Testequipments sowie die Kosten für die Entsorgung des zum Testen geförderten Wassers relativ hoch sind, weil sich ein auswertbarer, kontinuierlicher Förderstrom erst relativ spät einstellt.

[0006] Es besteht daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Testsystem für Bohrungen zu schaffen.

Kurzzusammenfassung und Vorteile der Erfindung

[0007] Mit den Maßnahmen des unabhängigen Anspruchs wird die Aufgabe gelöst.

[0008] In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung angegeben.

[0009] Gemäß einem allgemeinen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Testsystem offenbart zum Erfassen der maximalen Förderleistung eine= Bohrung aus einer eine geothermische Flüssigkeit, insbesondere Thermalwasser, tragenden geologischen Schicht, bei dem ein Gas, insbesondere Luft in die Bohrung mit Hilfe eines Einblasrohres eingebracht wird, wofür ein Einblasrohr-Segment in seiner Mantelfläche Austrittsöffnungen für das Gas aufweist, wobei das erfindungsgemäße Testsystem und das zugehörige erfindungsgemäße Einblasrohrsegment dadurch gekennzeichnet ist, daß

• das Einblasrohr-Segment eine Länge von bis zu 27 m aufweist,
• die Austrittsöffnungen in der überwiegenden Mehrzahl jeweils eine Querschnittsfläche von weniger als ca. 230 mm², entsprechend bei einer Kreisform einem Durchmesser von etwa 17 mm oder kleiner, und
• die Summe der Querschnittsflächen der Austrittsöffnungen zwischen 10% und 30% und bevorzugt etwa 20 % der Mantelfläche des Einblas-Segments beträgt, bei einer Länge dieses Rohrsegments von 9 Metern.

[0010] Dabei sind die genannten Austrittsöffnungen bevorzugt vom Querschnitt her gesehen rund, werden durch einen Bohrvorgang in das Einblasrohr-Segment eingebracht und besitzen vorzugsweise einen Durchmesser von bis zu 17 mm. Die Austrittsöffnungen können auch andere Formen besitzen als runden Querschnitt, indem sie beispielsweise geschnitten, gesägt oder gefräst werden. In bevorzugter Weise sind die Austrittsöffnungen relativ gleichmäßig über die Mantelfläche des Einblasrohr-Segments verteilt.

[0011] Wird nun über ein derart gestaltetes Einblasrohr-Segment Luft in ein mit Thermalwasser gefülltes Bohrloch eingeblasen, so ergibt sich ein relativ zum Stand der Technik äußerst feinperliges Aufsteigen der Luft in thermalen Flüssigkeiten. Dadurch kann eine relativ zum Stand der Technik deutlich vergleichmäßigte, kontinuierliche Förderung des Thermalwassers erreicht werden und die maximale Förderrate wird wesentlich gesteigert. Somit wird ein Testen einer Bohrung ohne jegliche unten im Bohrloch angebrachte UWM-Pumpe und mit relativ geringem Aufwand möglich, wobei ein Testresultat erzielt wird, das eine deutlich höhere Aussagekraft besitzt, als es im Stand der Technik vorher bekannt war.

[0012] Wird das erfindungsgemäß gestaltete Einblasrohr-Segment verwendet, so ergibt sich der weitere Vorteil, dass die insgesamt zum Testen verwendete Wassermenge, die nach der Beendigung des Tests entsorgt werden muß, deutlich geringer ist als im Stand der Technik, weil eine kontinuierliche und damit aussagekräftige Förderung des Thermalwassers bereits sehr frühzeitig nach dem Start des Einblasvorgangs erreicht wird.

[0013] In bevorzugter Weise besitzt das Einblasrohr-Segment eine Länge von weniger als 20 m und noch bevorzugter von ca. 9 m, bei Rohrdurchmessern von zwei 7/8 Zoll bis sechs 5/8 Zoll und die Gesamtlochfläche beträgt bei einer Länge von 9 Metern bevorzugt zwischen 15% und 25%, noch bevorzugter um 20%.
Wenn ein kürzeres Rohr verwendet wird, beispielsweise eines mit einer Länge von nur 4 Metern, dann beträgt die Gesamt - lochfläche entsprechend größere Werte, also etwa zwischen 20% und 60% der Rohrmantelfläche, bevorzugt zwischen 30% und 50%, noch bevorzugter um 40%. Umgekehrt gilt für langere Rohre ein entsprechend geringerer Bereich, bzw. geringere Werte, da ein gewisser Liftgasanteil in der Bohrung vorhanden sein muss, um den gewünschten Airlifteffekt zu erzielen.

[0014] Die Lochdurchmesser betragen in bevorzugter Weise von 4 mm bis maximal 17 mm. Gleiches gilt auch für die typischen Breiten von Schlitzen, wenn die Austrittsöffnungen eine längliche Form besitzen.

Zeichnungen

[0015] Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

Figur 1

zeigt in einer schematischen Übersichtsskizze eine Bohrung, die mit Wasser gefüllt ist und in die ein Einblasrohr mit einem Segment gemäß der Erfindung eingefahren ist, wobei das Segment in zwei Teilsegmente strukturiert ist;

die Figuren 2 bis 12

zeigen elf Varianten für verschiedene Ausführungsformen der Austrittsöffnungen sowie deren Anordnung an den beiden, übereinander gesetzten, und durch einen Rohrverbinder verbundenen Segmenten, wie sie in Figur 1 gezeigt sind, als Rohrmantelabwicklung in schematischer Form und nur ausschnittweise, wobei aus Gründen der besseren Klarheit die Löcher im Verhältnis zu deren Abstand untereinander bewusst verkleinert dargestellt sind;

Figur 13

zeigt eine weitere Variante, Variante 12, die Austrittsöffnungen aufweist, die im Wesentlichen keine runden Querschnitte besitzen, wobei aus Gründen der besseren Klarheit die Löcher im Verhältnis zu deren Abstand untereinander bewusst verkleinert dargestellt sind;

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

[0016] In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Übersichtsskizze eine Bohrung 10, die mit Wasser 12 gefüllt ist und in die ein Einblasrohr 16 mit einem Segment 20 - Einblasrohrsegemnet genannt - gemäß der Erfindung eingefahren ist, wobei das Segment in zwei Teilsegmente 20A, 20B strukturiert ist. Diese Segmente weisen ziemlich regelmäßig angeordnete Austrittsöffnungen 22 für Wasser oder Luft auf.

[0017] Die Bohrung 10 ist in einem Gelände niedergebracht, das innerhalb eines gewissen Zielteufenbereichs eine Thermalwasser tragende Gesteinsschicht 14 aufweist. Die Zielteufe der wasserführenden Gesteinsschicht (Aquifer) liegt zumeist wesentlich tiefer als 500 bis 600 m unter der Geländeoberkante 13. Die Bohrung 10 sei mit Thermalwasser gefüllt angenommen. Figur 1 zeigt ein Einblasrohr 16, das auf seinem übertage befindlichen, stromaufseitigen Ende mit einem Kompressor (nicht gezeigt) versehen ist und zwei aneinander angesetzten Einblasrohr-Segmenten 20A, 20B an seinem unteren Ende aufweist.

[0018] über die Austrittsöffnungen 22 tritt nach Einbringen des Rohrs 16 in die Bohrung 10 zunächst Wasser auch in das Innere des Rohrs 16 ein.

[0019] Der Ringraum 19 um Rohr 16 herum ist wasserdicht angeschlossen an einen Auslass für Wasser und Luft, der am Kopf der Bohrung mit einem Absperrventil 11 versehen ist. Bei geöffnetem Ventil, und wenn der vorgenannte Kompressor läuft, wird also Luft in das Einblasrohr hinein gepumpt, die Luft verdrängt das darin stehende Wasser nach unten, drückt es durch die Austrittsöffnungen hinaus, und wenn der Druck hoch genug ist, strömt, wie beabsichtigt, auch Luft durch die Austrittsöffnungen in den das Rohr 16 umgebenden Ringraum 19.

[0020] Aufgrund der besonderen Geometrie und Anordnung der erfindungsgemäßen Austrittsöffnungen ist die im Ringraum aufsteigende Luft relativ feinperlig und homogen im umgebenden wassergefüllten Ringraum 19 vorhanden. Das Wasser-/Luftgemisch tritt dann oben stromab des Absperrventils 11 aus und wird aufgefangen und später entsorgt.

[0021] Erfindungsgemäß treten die oben genannten Vorteile ein. Insbesondere bildet sich sehr frühzeitig ein gleichmäßiger Förderstrom mit konstantem Wasseranteil aus, der eine schnelle Auswertung zum zuverlässigen Testen der Bohrung ermöglicht.

[0022] Figur 2 zeigt eine Variante für eine Ausführungsform der Austrittsöffnungen 22 sowie deren Anordnung an den beiden, übereinander gesetzten, und durch einen Rohrverbinder 21 verbundenen Segmenten 20A, 20B des Einblasrohrs, wie es in Figur 1 gezeigt ist, und zwar als Rohrmantelabwicklung in schematischer Form und nur ausschnittweise;

[0023] Es liegt eine gleichmäßige Anordnung von Austrittsöffnungen 22 in übereinander liegenden, parallelen Lochreihen vor. Der Lochdurchmesser beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel 15 Millimeter. Die Löcher wurden durch Bohren in Metallrohr hergestellt. Die Anordnung der Austrittsöffnungen 22 im Segment 20A ist identisch zu denen im Segment 20B. Die Länge beider Segmente beträgt ca. 18 Meter. Das Verhältnis zwischen Gesamtlochfläche der Austrittsöffnungen theoretischer (also ungelochter) Mantelfläche des Rohrsegments beträgt bevorzugt um 20%.

[0024] Figur 3 zeigt eine Variante für eine Ausführungsform der Austrittsöffnungen 22 sowie deren Anordnung analog zu dem in Figur 2 gezeigten Beispiel;

[0025] Es liegt eine gleichmäßige Anordnung von Austrittsöffnungen 22 vor. Die Lochreihen sind hier aber versetzt zueinander angeordnet, so dass die Löcher der nächst höheren Lochreihe jeweils genau mittig über einem Lochpärchen der darunter stehenden Reihe liegt. Das Verhältnis zwischen Gesamtlochfläche der Austrittsöffnungen theoretischer (also ungelochter) Mantelfläche des Rohrsegments beträgt bevorzugt um 20%.

[0026] Figur 4 zeigt eine Variante für eine Ausführungsform der Austrittsöffnungen 22 sowie deren Anordnung analog zu dem in Figur 3 gezeigten Beispiel, jedoch mit einem größeren vertikalen Lochabstand. Das Verhältnis zwischen Gesamtlochfläche der Austrittsöffnungen theoretischer (also ungelochter) Mantelfläche des Rohrsegments beträgt bevorzugt um 20%.

[0027] Figur 5 zeigt eine Variante für eine Ausführungsform der Austrittsöffnungen 22 sowie deren Anordnung analog zu dem in Figur 2 gezeigten Beispiel, jedoch mit abwechselnd kleineren und größeren Austrittsöffnungen. Der kleinere Lochdurchmesser beträgt ca. 8 Millimeter, der größere 15 Millimeter. Das Verhältnis zwischen Gesamtlochfläche der Austrittsöffnungen theoretischer (also ungelochter) Mantelfläche des Rohrsegments beträgt bevorzugt um 20%.

[0028] Figur 6 zeigt eine Variante für eine Ausführungsform der Austrittsöffnungen 22 sowie deren Anordnung analog zu dem in Figur 3 gezeigten Beispiel, wobei jedoch in beiden Segmenten weniger Öffnungen enthalten sind, und im unteren Segment eine Mischung aus kleineren und größeren Löchern vorhanden ist, deren Anzahl geringer ist als bei Figur 3. Das Verhältnis zwischen Gesamtlochfläche der Austrittsöffnungen theoretischer (also ungelochter) Mantelfläche des Rohrsegments beträgt bevorzugt um 20%.

[0029] Figur 7 zeigt eine Variante für eine Ausführungsform der Austrittsöffnungen 22 sowie deren Anordnung analog zu dem aus Figur 3, wobei jedoch im unteren Segment 22B deutlich weniger Austrittsöffnungen vorhanden sind. Das Verhältnis zwischen Gesamtlochfläche der Austrittsöffnungen theoretischer (also ungelochter) Mantelfläche des Rohrsegments beträgt bevorzugt um 20%.

[0030] Figur 8 zeigt eine Variante für eine Ausführungsform der Austrittsöffnungen 22 sowie deren Anordnung analog zu dem aus Figur 3, wobei jedoch im oberen Segment eine unsymmetrisch versetzte Anordnung der Reihen vorgesehen ist und unten eine vollständig unversetzte Anordnung vorgesehen ist. Die Lochdurchmesser können variieren im Bereich von 4 mm - 17 mm.

[0031] Figur 9 zeigt eine Variante für eine Ausführungsform der Austrittsöffnungen 22 sowie deren Anordnung analog zu dem aus Figur 3, wobei jedoch im oberen Segment 20A relativ große Lochabstände mit versetzter Anordnung und unten eine unversetzte Anordnung mit größeren und kleineren Löchern vorgesehen sind, analog zum Beispiel aus Figur 5. Das Verhältnis zwischen Gesamtlochfläche der Austrittsöffnungen theoretischer (also ungelochter) Mantelfläche des Rohrsegments beträgt bevorzugt um 20%.

[0032] Figur 10 zeigt eine Variante für eine Ausführungsform der Austrittsöffnungen 22 sowie deren Anordnung analog zu dem aus Figur 9, wobei unten die gleiche Anordnung vorhanden ist wie im oberen Segment. Das Verhältnis zwischen Gesamtlochfläche der Austrittsöffnungen theoretischer (also ungelcchter) Mantelfläche des Rohrsegments beträgt bevorzugt um 20%.

[0033] Figur 11 zeigt eine Variante für eine Ausführungsform der Austrittsöffnungen 22 sowie deren Anordnung, wobei im oberen Segment ein unversetzte Anordnung aus regelmäßig abwechselnd kleinen und größeren Löchern und im unteren Segment eine etwas unregelmäßige Anordnung beider Lochgrößen vorgesehen ist. Das Verhältnis zwischen Gesamtlochfläche der Austrittsöffnungen theoretischer (also ungelochter) Mantelfläche des Rohrsegments beträgt bevorzugt um 20%.

[0034] Figur 12 zeigt eine Variante für eine Ausführungsform der Austrittsöffnungen 22 sowie deren Anordnung analog zu dem aus Figur 11, wobei jedoch in beiden Segmenten unregelmäßige Anordnungen von kleineren und größeren Löchern vorhanden sind. Das Verhältnis zwischen Gesamtlochfläche der Austrittsöffnungen theoretischer (also ungelochter) Mantelfläche des Rohrsegments beträgt bevorzugt um 20%.

[0035] Figur 13 zeigt eine Variante für eine Ausführungsform der Austrittsöffnungen 22 sowie deren Anordnung, bei der neben runden Öffnungen auch nichtrunde Öffnungen durch Sägen, Schneiden oder Fräsen hergestellt sind. Bei längserstreckten Öffnungen beträgt die Breite weniger als 17 Millimeter, die Länge beträgt vorzugsweise bis zu 500% der Breite. Das Verhältnis zwischen Gesamtlochfläche der Austrittsöffnungen theoretischer (also ungelochter) Mantelfläche des Rohrsegments beträgt bevorzugt um 20%. Die minimale Schlitzbreite ist 4 mm, die maximale Schlitzfläche entsprechend dem eines Loches mit 17 mm Durchmesser.

[0036] Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

[0037] Die Austrittsöffnungen können auch mehr als nur zwei unterschiedliche Durchmesser aufweisen, beispielsweise 8, 12 und 16 Millimeter.

[0038] Schließlich können die Merkmale der Unteransprüche im wesentlichen frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen vorliegende Reihenfolge miteinander kombiniert werden, sofern sie unabhängig voneinander sind.

Ansprüche

1. Testverfahren zum Erfassen der maximalen Förderleistung einer Bohrung aus einer eine geothermische Flüssigkeit tragenden geologischen Schicht, bei dem ein Gas in die Bohrung mithilfe eines Einblasrohres eingebracht wird, wofür ein Einblasrohr-Segment (20A, 20B) in seiner Mantelfläche Austrittsöffnungen (22) für das Gas aufweist, gekennzeichnet dadurch, dass:

a) das Einblasrohrsegment (20A, 20B) eine Länge bis 27 Metern aufweist,

b) die Austrittsöffnungen (22) in der überwiegenden Mehrzahl jeweils eine Querschnittsfläche von weniger als 230 Quadratmillimeter besitzen, und

c) die Summe der Querschnittsflächen der Austrittsöffnungen (22) mindestens 20% der Mantelfläche des Einblas-segments (20A, 20B) beträgt.

2. Testverfahren nach Anspruch 1, wobei die Austrittsöffnungen (22) einen runden Querschnitt besitzen, und der Durchmesser geringer ist als 17 mm.

3. Testverfahren nach Anspruch 1, wobei das Einblasrohrsegment (20A, 20B) eine Länge von weniger als 18 m, bevorzugt von etwa 9 Meter besitzt.

4. Testverfahren nach Anspruch 1, wobei die Austrittsöffnungen (22) in einem regelmäßigen Muster auf der Mantelfläche des Einblasrohrsegments (20A, 20B) angeordnet sind.

5. Testverfahren nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Einblasrohrsegment (20A, 20B) einen Durchmesser von 2 7/8 Zoll bis 6 5/8 Zoll aufweist.

6. Einblasrohrsegment (20A, 20B) zum Einbringen eines Gases in eine Bohrung zusammen mit einem Einblasrohr, wobei das Einblasrohrsegment in seiner Mantelfläche Austrittsöffnungen für das Gas aufweist, und eine Länge von bis zu 27 Metern besitzt, gekennzeichnet dadurch, dass

a) es gebohrte, oder kalt geschnittene, oder gefräste Austrittsöffnungen (22) aufweist,

b) die Austrittsöffnungen (22) in der überwiegenden Mehrzahl jeweils eine Querschnittsfläche von weniger als 230 Quadratmillimeter besitzen, und

c) die Summe der Querschnittsflächen der Austrittsöffnungen (22) mindestens 20% der Mantelfläche des Einblas-segments (20A, 20B) beträgt.

7. Einblasrohrsegment (20A, 20B) nach Anspruch 6, wobei die Austrittsöffnungen (22) einen runden Querschnitt besitzen, und der Durchmesser geringer ist als 17 mm.

8. Einblasrohrsegment nach Anspruch 6, wobei das Einblasrohrsegment (20A, 20B) eine Länge von weniger als 18 m, bevorzugt von etwa 9 Meter besitzt.

9. Einblasrohrsegment nach Anspruch 6, wobei die Austrittsöffnungen in einem regelmäßigen Muster auf der Mantelfläche des Einblasrohrsegments (20A, 20B) angeordnet sind.

Zeichnung