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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR CHECKING THE SEALING OF CAVERN ACCESS BORES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/131500
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for checking the sealing of the access bore of underground storage facilities (4) by supplying a test gas. According to the invention, the storage gas which can be found in the storage facility (4) is layered with a specified quantity of a test gas, the test gas is discharged after a specified time, and the quantity of the test gas is balanced.

Inventors:
ABDEL HAQ AMER (DE)
Application Number:
PCT/DE2012/000217
Publication Date:
September 12, 2013
Filing Date:
March 06, 2012
Export Citation:
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Assignee:
UNTERGRUNDSPEICHER UND GEOTECHNOLOGIE SYSTEME GMBH (EC)
ABDEL HAQ AMER (DE)
International Classes:
E21B47/10; G01M3/28
Other References:
"Solution Mining Research Institute (SMRI) Research Project Report 95-0001-S", 1995, SOLUTION MINING RESEARCH INSTITUTE, article F. CROTOGINO: "SMRI Reference for External Well Mechanical Integrity Testing / Performance, Data Evaluation and Assessment", pages: 1-32, 62-60, XP055045661
Attorney, Agent or Firm:
SOKOLOWSKI, Fabian et al. (DE)
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Claims:
Verfahren zur Prüfung der Dichtheit von Höhlungen

P A T E N T A N S P R Ü C H E

1 . Verfahren zur Prüfung der Dichtheit von Höhlungen (4) durch Beaufschlagen der Höhlung (4) mit einem Testgas, gekennzeichnet durch

Überschichten des in der Höhlung (4) befindlichen Speichergases mit einem Testgas mit vordefinierter Menge,

Ablassen des Testgases nach vordefinierter Zeit,

Bilanzieren der Menge des Testgases.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch

den Einsatz einer Vorrichtung zur Verringerung der Konvektions- und Diffusionsströmung zwischen Speichergas und Testgas.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch die Analyse des Testgases beim Ablassen und die Bestimmung der Ankunft der beim Ablassen des Testgases wandernden Grenzschicht an der Entnahmestelle.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gekennzeichnet durch die Verwendung eines Leichtgases als Testgas, insbesondere Helium, iso- topenmarkiertes Helium, Wasserstoff, Deuterium, Tritium oder Boran.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gekennzeichnet durch den Einsatz einer Gasanalytik in einem Bypass an der Entnahmestelle oder einer Sonde in der Entnahmeverrohrung zur Bilanzierung der Testgasmenge.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch

die Steuerung der Aufgabemenge des Testgases pro Zeiteinheit in Abhängigkeit des bekannten Volumenprofils der Höhlung im Bereich der Zugangsbohrung.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Steuerung der Ablassmenge des Testgases pro Zeiteinheit in Abhängigkeit des bekannten Volumenprofils der Höhlung im Bereich der Zugangsbohrung.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Komprimieren und Auffangen des Testgases zur Aufreinigung.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

Verwendung einer Setzvorrichtung zum Einbringen der Vorrichtung in den Fu ß der Zugangsbohrung.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch

Einsetzen eines metallischen Schwamms in den Fu ß der Zugangsbohrung als Vorrichtung zur Verringerung der Konvektion vor dem Liberschichten des Speichergases, vorzugsweise eines aufblasbaren Balges mit einem Schwamm zur Vermeidung eines Druckabfalls zwischen Speichergas und Testgas über den Balg.

Description:
VERFAHREN ZUR PRÜFUNG DER DICHTHEIT VON

KAVERNENZUGANGSBOHRUNGEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Dichtheit von Höhlungen durch Beaufschlagen der Höhlung mit einem Testgas.

Zur Speicherung von Erdgas oder anderen technischen Gasen in größerem Maßstab, wie beispielsweise Wasserstoff oder Kohlendioxid zur Entsorgung, ist es bekannt, das Gas in untertage liegenden Höhlungen, beispielsweise in ausgesogen Kavernen, in Aquiferen oder in anderen künstlich geschaffenen Untertageformationen unter Druck zu speichern. Diese künstlich gebildeten geologischen Formationen sind nach eingehender Prüfung Druckdicht und verändern ihre druckdichten Eigenschaften nur in geologischen Zeiträumen. Um in diesen Höhlungen Gase speichern zu können, ist es notwendig, einen Zugang zu den Höhlungen mittels einer Zugangsbohrung zu schaffen. Diese Zugangsbohrung besteht aus dem Bohrloch selbst und einer Verrohrung, die am Kopf der Höhlung einen Rohrschuh bildet. Der Rohrschuh bildet den Übergang von der Höhlung zu dem künstlich geschaffenen Zugang. Solche Zugangsbohrungen dauerhaft abzudichten, ist eine wohlbekannte Technologie.

Im Folgenden werden unter dem Begriff„Höhlung" vom Menschen geschaffene oder natürlich entstandene Kavernen, aber auch Aquiferen verstanden. Auch wenn Aquiferen oder poröse Gesteinsschichten keine Höhlungen im allgemeinen Sprachgebrauch sind, so bilden diese unterirdische und gasdichte Volumina. Solche unterirdischen gasdichten Volumen sind nach der Lehre dieser Patentanmeldungen Höhlungen.

iBestätigungskopie Bei der Herstellung der Zugangsbohrung zur Höhlung ist die Höhlung im Allgemeinen mit Wasser oder mit Sole gefüllt. Um die Dichtheit des geschaffenen Zugangs zu prüfen, wird das Volumen des Zugangs, also die verrohrte Zugangsbohrung mit einem Testgas beaufschlagt und nach einer vorbestimmten Zeit, beispielsweise 72 Stunden, der Druck im Zugang gemessen. Hat sich der Druck nur unwesentlich geändert, kann von einer Dichtheit ausgegangen werden. Ein Grund für das Nachlassen des Drucks, der nicht einer fehlenden Dichtheit zuzuschreiben ist, ist beispielsweise das Lösen des Testgases im vorhandenen Wasser oder der noch in der Höhlung befindlichen Sole.

Nach dem der Zugang fertig gestellt und dessen Dichtheit dokumentiert ist, wird die Höhlung unter gleichzeitiger Befüllung mit Speichergas von der Sole entleert. Da die Speicherhöhlungen ein sehr großes Volumen aufweisen, dauert die Entsorgung des darin befindlichen Wassers bei geschlossenen Höhlungen oder die Verdrängung des Wassers in Aquiferen, also poröse Gesteinsschichten, mitunter mehrere Monate. Hat die Höhlung erst einmal einen Betriebszustand erreicht, so verbleibt die Höhlung in diesem Zustand bis zu ihrer Stilliegung gleich aus welchem Grund. Da sich die Eigenschaften der Höhlungen selbst nur in geologischen Zeiträumen ändern, ist die Betriebseignung in menschlichen Zeiträumen nur noch abhängig von den Eigenschaften der Zugangsbohrung. Um die Eignung der auf Langzeitbetrieb ausgelegten Zugangsbohrung nachträglich im Rahmen einer Routineuntersuchung zu dokumentieren, wäre es somit notwendig, die Dichtheit der Zugangsbohrung selbst zu dokumentieren. Des Weiteren ist es notwendig, bei einer geplanten Druckerhöhung der Speicherhöhlung die Zugangsbohrung auf ihre Dichtheit in Bezug auf den höheren Betriebsdruck der Höhlung zu dokumentieren. Eine über die Zeit durchgeführte Druckmessung einer gefüllten Kaverne in annehmbaren Zeiträumen ist aber aufgrund des sehr großen Volumens der Gasspeicher nicht möglich. Künstlich geschaffene Kaver- nen in geologischen Salzformationen liegen in einer Teufe von 300 m bis 2.500 m mit einer eigenen Höhe von bis zu 800 m und einem Durchmesser bis zu 250 m. Aquiferenspeicher können ein noch größeres Volumen aufweisen. Derart große Höhlungen bilden faktisch einen Barostaten. Entweicht Speichergas aus diesen Höhlungen in einem bereits nicht mehr annehmbaren Maße, ändert sich der Druck in diesen sehr großen Höhlungen nahezu unmerklich. Zur Überprüfung der Dichtheit wäre es prinzipiell möglich, über einen längeren Zeitraum einen sehr geringen Druckabfall zu detektieren. Ein auf diese Weise detektierter Druckabfall könnte aber ebenso durch geringfügige Temperaturänderung innerhalb der Höhlung über den längeren Beobachtungszeitraum erzeugt werden, so dass die Druckmessung ein nur bedingtes Instrument zur Dichtheitsprüfung ist.

Eine Leerung der Höhlung und Befüllung mit Wasser oder Sole, um die Dichtheit der Zugangsbohrung wie bei der Erstellung der Zugangsbohrung zu dokumentieren, ist aus wirtschaftlichen Gründen kaum möglich. Denn dazu müsste das Speichergas und das im Totvolumen befindliche Kissengas aus der Höhlung entnommen und die Höhlung müsste mit Wasser oder Sole gefüllt werden. Ein solcher Prozess kann mehrere Monate dauern, innerhalb derer kein Gas gespeichert werden kann. Die Entsorgung des Wassers nach Durchführung der Messung würde erneut ein mehrere Monate lang dauernder Prozess sein.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb ein Verfahren zur Prüfung der Dichtheit von Höhlungen zur Verfügung zu stellen, das im Betriebszustand der Höhlung, also im mit Speichergas gefüllten Zustand, durchgeführt werden kann.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen: ein Überschichten des in der Höhlung befindlichen Speichergases mit einem Testgas mit vordefinierter Menge, Ablassen des Testgases nach vordefinierter Zeit, Bilanzieren der Menge des Testgases.

Im Gegensatz zum Messen des Drucks über die Zeit eines zum Volumen des Speichers kleinen Volumens in der Größenordnung der Zugangsbohrung bis zum Rohrschuh, nämlich im zweistelligen Kubikmeter-Bereich, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zur Dokumentation der Dichtheit nicht ausschließlich den Druck in der Höhlung über einen Beobachtungszeitraum zu messen, sondern am Ende eines Beobachtungszeitraumes das dem Speichergas überschichtete Testgas wieder abzulassen und eine Mengenbilanz aufzustellen. Fehlt Testgas, so ist von einer fehlenden Dichtheit auszugehen. Wird das Testgas vollständig zurück erhalten, so ist von einer Dichtheit der Zugangsbohrung auszugehen.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass die Höhlung selbst ihre Dichtheitseigenschaften nur in geologischen Zeiträumen ändert. Von einer Dichtheit der Höhlung wird somit ausgegangen. Die einzige Stelle, die für einen Druckverlust in Frage kommt, ist somit der Bereich der Zugangsbohrung. Sollte die Zugangsbohrung für Gasverlust ursächlich sein, so kann die fehlende Dichtheit zu einem Gasverlust in andere geologische Schichten erfolgen, in benachbarte Höh ¬ lungen oder in Gesteinsverwerfungen. Von einem Gasverlust in die freie Atmosphäre ist bei Feststellung des Nachlassens der Dichtheit einer Zugangsbohrung nicht unbedingt auszugehen.

Zur Durchführung der Messung wird das Testgas, das ein anders Gas als das Speichergas sein sollte und vorteilhafter eine geringere Dichte aufweisen sollte, damit es auf der Speichergasschicht aufschwimmt, so langsam in die Zugangsbohrung gepresst, dass sich eine stabile Grenzschicht zwischen Speichergas und Testgas bildet. Da das Volumen der Zugangsbohrung aus der ersten Bemessung bei Erstellung der Zugangsbohrung bekannt ist, wird exakt so viel Testgas in die Zugangsbohrung gedrückt, dass die Grenzschicht bei Beendigung der Beaufschlagung der Höhlung mit Speichergas zwischen Speichergas und Testgas am Bohrungsfuß oder am Kopf der Höhlung ausgebildet wird. Die so hergestellte Gasüberschichtung wird über einen vorbestimmten Zeitraum in der Größenordnung von 10 Stunden bis 100 Stunden in Ruhe gelassen und nach Ablauf der Ruhezeit wird das Testgas aus der Zugangsbohrung abgelassen. Beim Ablassen des Testgases wird eine Mengenbilanz aufgestellt. Dazu wird die Menge der Gasentnahme sehr genau protokolliert und beispielsweise in einem Bypass zur Entnahmestelle wird die Zusammensetzung des entnommenen Gases sehr genau bestimmt. Die Gasanalyse kann durch in den Gasentnahme-Kanal ragende Sensoren aber auch durch Sensoren in einem Bypass zur Entnahmeverrohrung geschehen.

Wichtig bei der Entnahme des Testgases ist die Bestimmung der Grenzschicht, also der Zeitpunkt während der Entnahme des Testgases, in dem bei idealer Grenzschichtausbildung das Testgas vollständig aus der Zugangsbohrung entnommen worden ist. Die Analyse des Testgases beim Ablassen und die Bestimmung der Ankunft der beim Ablassen des Testgases wandernden Grenzschicht an der Entnahmestelle ist also ein wichtiger Bestandteil des gesamten Verfahrens. Typischerweise ist dieser Zeitpunkt dann erreicht, wenn die quantitative Analyse des entnommenen Gases eine plötzliche Flanke aufweist, die Menge oder die Konzentration des Testgases anfängt, sich zu verringern. Je stabiler die Grenzschicht zwischen Speichergas und Testgas ausgebildet ist, desto schärfer ist der Übergang vom Testgas zum Speichergas in der Analytik feststellbar. Die bis zu diesem Zeitpunkt aus Druck, Temperatur, Durchfluss und Konzentration des entnommenen Testgases bestimmte Gasmenge erlaubt einen Rückschluss auf die Dichtheit der Zugangsbohrung. Wird weniger Testgas zurück erhalten, als ursprünglich auf das Speichergas überschichtet wurde, dann ist dies ein Zeichen für Gasverlust und damit ein Zeichen für das fehlen der Dichtheit. Wird hingegen das Testgas vollständig oder mit einem akzeptablen Verlust aufgrund von Vermischung mit dem Speichergas zurückerhalten, so ist die Zugangsbohrung dicht.

In der Ruhezeit des Testgases ist es wichtig, dass die Grenzschicht zwischen Testgas und Speichergas möglichst stabil bleibt. Die Grenzschicht wird gestört durch Diffusionsströmung und durch Konvektionsströmung. Gerade die Konvekti- onsströmung kann durch geringe Temperaturunterschiede Konvektionswalzen aufbauen, durch die das Testgas im sehr großen Volumen des Speichergases aufgenommen wird und dadurch als Artefakt die Messung der Dichtheit stört. Bei der am Schluss der Verfahrens aufgestellten Massenbilanz würde das in das Speichergas entwichene Testgas fehlen und eine fehlende Dichtheit vortäuschen, die gar nicht vorhanden ist. Ursache für einen Temperaturunterschied zwischen Testgas und Speichergas ist beispielsweise der Temperaturgradient innerhalb der Erdkruste. Daher ist der Einsatz einer Vorrichtung zur Verringerung der Kon- vektions- und Diffusionsströmung zwischen Speichergas und Testgas vorteilhaft. Eine solche Vorrichtung kann eine Konvektionssperre sein. Je nach Beschaffenheit der Sperre kann die Konvektion mehr oder weniger Stark unterbunden werden. Eine erste Möglichkeit einer Konvektionssperre ist ein aufblasbarer Balg, der in den Durchmesser des Bohrungsfu ßes passt und die Speichergasschicht von der darüber liegenden Testgasschicht absperrt. Damit kein Druckverlust über den Balg entsteht, ist eine Membran oder ein Schwamm im Balg vorgesehen, der die beiden Gasschichten miteinander verbindet. Dieser Schwamm kann einen nur sehr geringen Durchmesser von wenigen cm aufweisen oder auch großflächig im Bereich mehrerer Quadratmeter haben. Wichtig für die Vorrichtung zur Verringerung der Konvektion ist die exakte Lage an der berechenbaren Grenzschicht zwischen Speichergas und Testgas. Da das Profil der Zugangsbohrung sehr bekannt ist, ist es vorteilhaft, wenn erstens bei der Beaufschlagung mit Testgas und später bei der Entnahme des Testgases das Testgas mit vordefinierter Geschwindigkeit zugeführt wird. Dabei ist eine Steuerung der Menge der Beaufschlagung mit Testgas pro Zeiteinheit vorgesehen, die zu einer konstanten Geschwindigkeit der Wanderung der Grenzschicht zwischen Speichergas und Testgas führt. Die konstante Wanderungsgeschwindigkeit der Grenzschicht hilft, die Grenzschicht stabil zu halten, was für die korrekte Mengenbilanzierung des Testgases zwischen Beaufschlagung und Entnahme notwendig ist.

Als Testgase für die Durchführung des Verfahrens sind insbesondere Leichtgase geeignet, die durch ihre geringe Dichte dazu neigen, mit anderen Gasen Grenzschichten aufzubauen und auf der fremden Gasschicht zu schwimmen. Insbesondere eignet sich dazu Helium (He). Zur leichteren Analyse und zur Trennung von natürlich in Erdgas vorkommendem Helium eignet sich auch isotopenmar- kiertes Helium. Bei der Messung von Speichergashöhlungen für Erdgas (Methan, CH 4 ), das aufgrund des geringen Molekulargewichtes von 16 g / m oi selbst eine ge ¬ ringe Dichte hat, ist allerdings auch Wasserstoff (H 2 ) einsetzbar. Um die Analytik zu erleichtern, wäre auch Deuterium (D 2 ), schwerer Wasserstoff , einsetzbar oder Tritium (T 2 ), überschwerer Wasserstoff. Deuterium und Tritium sind in natürlichem Erdgas als Beimischung faktisch gar nicht vorhanden, so dass durch die Verwendung von diesen Gasen die Verfälschung der Massenbilanz durch natürliche Gasbeimengungen im Speichergas verringert würde. Andere Leichtgase, wie beispielsweise Boran oder Ammoniak wären durch ihre Dichte her einsetzbar, aber aufgrund der hohen chemischen Wirksamkeit sind diese Gase weniger geeignet für den Einsatz als Testgas. Bei der Verwendung von Helium als Testgas ist es vorteilhaft, bei Durchführung des Verfahrens das Helium durch Komprimieren und Auffangen des Testgases dieses zur Aufreinigung aufzufangen.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 einen Querschnitt durch eine Speicherhöhlung mit Zugangsbohrung,

Figur 2 ein Flussdiagramm zum erfindungsgemäßen Verfahren,

Figur 3 ein Flussdiagramm zu einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Verfahrens.

In Figur 1 ist eine Skizze eines Querschnittes durch eine Höhlung mit Zugangsbohrung dargestellt. Auf der Erdoberfläche 1 ist ein dort vorhandener Abschluss und Zugang 2 zu einer Zugangsbohrung 3 zu einer Höhlung dargestellt. Am unteren Ende der Zugangsbohrung befindet sich die Höhlung 4, die im Betrieb mit Erdgas (CH 4 ) gefüllt ist. Zum Durchführen des Verfahrens wird beispielsweise Helium (He) in die Zugangsbohrung 3 gepresst, bis sich eine Grenzschicht 5 zwischen dem Speichergas, das Erdgas (CH 4 ) und dem als Testgas eingesetzten Helium am Kopf der Höhlung ausbildet. Diese Grenzschicht wird für einen Zeitraum zwischen 10 und 100 Stunden in Ruhe gelassen und nach Ablauf dieser Zeit wird das Helium wieder aus der Zugangsbohrung 3 abgelassen. Beim Ablassen wird Temperatur, Druck, Durchfluss und Konzentration des Testgases bestimmt und daraus wird die wieder entnommene Menge an Testgas bestimmt. Durch Bilanzierung der Beaufschlagungsmenge mit Helium und der zurück gewonnene Menge Helium, das hier beispielsweise als Testgas eingesetzt wird, wird auf die Dichtheit der Zugangsbohrung geschlossen.

In Figur 2 ist ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Beginnend beim Start wird danach in Schritt I Helium in die Zugangsbohrung 3 gepresst, wobei das Volumen der Zugangsbohrung exakt bekannt ist. Danach folgt Schritt II, in dem nach vordefinierter Zeit zwischen Schritt I und I das Testgas wieder aus der Zugangsbohrung 3 abgelassen wird. In diesem Schritt II wird während des Ablassens die Konzentration, die Temperatur, der Druck und die Durchflussmenge des abgelassenen Testgases bestimmt. Das Testgas wird solange entnommen bis ein plötzliches Abfallen der Konzentration des Testgases im entnommenen Gases festgestellt wird, das ein Zeichen für die Ankunft der Grenzschicht an der Entnahmestelle ist. Am Schluss in Schritt III wird eine Mengenbilanz aufgestellt. Wenn die wieder zurück gewonnene Menge an Testgas mit der beaufschlagten Menge Testgas übereinstimmt, dann ist die Zugangsbohrung 3 dicht.

In Figur 3 ist schließlich eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei den Schritten gemäß Figur 2 ein Vorbereitungsschritt P voran ¬ gestellt ist. Hier wird mit Hilfe einer Setzvorrichtrung eine Vorrichtung zur Verringerung der Konvektions- und Diffusionsströmung zwischen Speichergas und Testgas an die Stelle eingesetzt, an der die Grenzschicht zwischen Testgas und Speichergas während der Ruhephase vorhanden ist.

B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E Erdoberfläche

Zugang / Entnahmestelle

Zugangsbohrung

Höhlung

Grenzschicht