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Verfahren zur Untertagsausbeutung in unterirdischen Vorkommen enthaltener brennbarer organischer Substanz
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Untertagsausbeutung in unterirdischen Vorkommen enthaltener organischer Substanz an der natürlichen Lagerstätte. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zu einer solchen Untertagsausbeutung von brennstoffhalrigen oder andern, brennbare Substanz enthaltenden Vorkommen, die sich nicht in wirtschaftlicher Weise bergmännisch abbauen und übertage verwerten lassen.
Es wurde bereits ein Verfahren zur Verbrennung der brennbaren Substanz derartiger abbauunwürdiger Vorkommen an ihrer natürlichen La- gerstätte unter Anwendung von mehreren, die Lagerstätte durchdringenden Bohrlöchern vorgeschlagen, wobei durch ein Bohrloch sauerstoffhaltiges Gas in das Vorkommen eingeleitet wird, um die Verbrennung der Substanz hervorzurufen und heisse Verbrennungsprodukte zu bilden, die durch ein anderes Bohrloch abgezogen werden, und wobei angrenzende organische Substanz des Vorkommens durch diese Verbrennung verschwelt und die Medurch erzeugten Schwelprodukte durch ein drittes, in Abstand ! von. den beiden erstgenannten gelegenes Bohrloch abgezogen werden.
Diese Vorschläge stiessen jedoch bei der Verwirklichung auf die bisher unüberwindliche Schwierigkeit, das sauerstoffhaltige Gas, wie z. ss. Luft, so in dem Gestein zu verteilen, dass eine jlm wesentlichen gleichförmige Verbrennungszo- ne entsteht. Die Einpressung des sauerstoffhaltige Gases durch ein Bohrloch in das Gestein ergibt keine gleichmässige Strömung des Gases, weil diese Strömung fast immer durch das Vorhandensein von Rissen, Spalten, Verwerfungen, Hohlräumen u. dgl. Unregelmässigkeiten in dem Gestein gestört wird.
Infolge dieses ungleichmässigen Flusses pflanzt sich die Verbrennungszone längs eines Risses in einer Richtung sehr schnell zu einer von dem Einlassloch für das sau- erstoffhaltige Gas verhältnismässig weit entfernten Stelle fort, während gleichzeitig die Fortpflanzung in einer andern Richtung, wegen grö- sserer Dichte oder Undurchdringlichkeit oder struktureller Verwerfung des Gesteins sehr ver- langsamt sein kann. Unter diesen Umständen hat es sich bisher als unmöglich erwiesen, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem der Zufluss der Vel1breIlnungsgase und der Schwelprodukte zu den Abzugslöchern gleichförmig und nach Wunsch steuerbar ist. Hiedurch wird auch die angestrebte getrennte Abziehung der Verbrennungsprodukte und der Schwelprodukte erschwert und oft sogar vereitelt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein
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gleichmässigemprodukten getrennt für sich aus dem Vorkommen zu schaffen, trotz Unregelmässigkeiten in dessen geologischem Aufbau, welche die Gleich- müssigkeit der Gasströmung und damit der Wär- meüberführung stören könnten.
Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung einer steuerbaren Verbrennungszone in einem unterirdischen, brennbare Substanz enthaltenden Vorkommen und einer gelenkten Wärmeübertragung zu andern Teilen des Vorkommens.
Diese Ziele werden gemäss der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, dass zwischen dem Einlassloch für das sauerstoffhaltige Gas und den Abzugslöchern für die Verbrennungsprodukte bzw. die Schwelprodukte ein Druckgefälle in einer Richtung geschaffen wird. Zweckmässig sind hiebei ein oder mehrere Vorkommen in an sich bekannter Weise durch in einem Muster angeordnete Bohrlöcher durchbohrt, wobei gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung. so verfahren wird, dass das sauerstoffhaltl- ge Gas durch einige der Bohrlöcher eingeführt wird, dass die Verbrennungsprodukte und die Schwelprodukte getrennt für sich durch mehrere andere dieser Bohrlöcher, welche als Abzugslö- cher dienen, abgezogen werden, und dass das Druckgefälle zwischen.
den Einlasslöchern für das sauerstoffhaltige Gas und den Auslasslöchern für , die Verbrennungsprodukte geschaffen, dagegen zwischen diesen Auslasslöchern und den Auslass-
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löchern für die Schwelprodukte ungefähr gleicher Druck aufrechterhalten wird.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme lauf eine in den anliegenden Zeichnungen schematisch dargestellte Ausführungsform näher beschrieben. Hiebei werden auch weitere die Erfindung kennzeichnende Eigenschaften angegeben. Fig. 1 ist eine Draufsicht auf ein Arbeitsfeld mit einer Anzahl von Bohrlöchern, die gemäss dem Leitgedanken der vorliegenden Erfindung angewendet werden sollen. Fig. 2 ist ein lotrechter Querschnitt durch das in der Fig. 1 gezeigte Feld. Fig. 3 ist eine Teilansicht des . Schnittes der Fig. 2 in vergrössertem Massstab.
Fig. 4 ist ein Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 3. Fig. 5 schliesslich ist ein Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 3 und veranschaulicht eine
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Wärmezone.
Das in der Fig. 1 in Draufsicht dargestellte, zur Hauptachse waagrechte Feld enthält eine Anzahl von lotrechten Bohrlöchern, die für aufeinanderfolgende Benutzung als Auffanglöcher A für durch Aufheizung und Verschwelung von brennstoffhaltigen Gesteinsschichten erhaltene verflüchtigt Schwelprodukte, Auslässe B für Verbrennungsgase und Einlasslöcher C für Luft oder/und andere sauerstoffhaltige Gase bestimmt , sind. Die Ausbeutung des Vorkommens kann in einem kontinuierlichen Verfahren erfolgen. Entsprechend der gewünschten Fortpflanzung der Heizzone werden neue Löcher für die flüchtigen Schwelprodukte gebohrt, die bisherigen Löcher für das Auffangen der flüchtigen Schwelprodukte erhalten als neue Zweckbestimmung, Auslässe für Verbrennungsgase zu bilden, und die bishergen Auslässe für Verbrennungsgase dienen fortab als Lufteinlasslöcher.
Hinter den Reihen von Lufteinlasslöchern sind einige Reihen von Löchern D dargestellt, die nacheinander für die genannten Zwecke gedient haben, aber nicht mehr benutzt werden und verschlossen worden sind.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, durchdringen die vorbeschriebenen Lochreihen Hangende E und brennstoffhaltige Lager F.
Fig. 3, die in Vergrösserung einen Teil der Fig. 2 mit einem Lufteinlassloch C und einem Abzugsloch B für Verbrennungsgase zeigt, lässt erkennen, wie die Verbrennungszone hauptsäch- lich in den Spalten und Höhlungen des Gesteins vorrückt. Die gestrichelte Linie G zeigt die Lage der Verbrennungszone in einem bestimmten Au- genblick.
Es leuchtet ein, dass der Wärmeübergang an die Umgebung von einer Oberfläche mit derart unregelmässiger Form sehr unregelmässig sein muss. Wenn die Verbrennungsgase nicht gezwun- gen werden, in einer bestimmten Richtung zu strömen, werden sie sich unregelmässig in das Gs- stein um das Lufteinlassloch herum ausbreiten, insbesondere entlang der Spalten 1, 2 usw. und um Risse in den Schichten. Dieses unregelmässige Strömen ist in der Fig. 4 dargestellt. Die Linie H veranschaulicht in diesem Schnitt die Lage der Verbrennungszone in einem bestimmten Augenblick. Die Unregelmässigkeit im Fortschreiten der Aufheizzone ist somit offensichtlich.
Wird jedoch der Strom der Verbrennungsgase durch Schaffung eines Druckes in der Reihe der Ausllasslöcher B, der niedriger ist als der Druck in dem umgebenden Gestein, in eine bestimmte Richtung gezwungen, so erhält die Verbrennungszone eine regelmässigere Form, wie aus der Fig. 5 hervorgeht. Auch wenn hier noch einige Unregelmässigkeiten in der Verbrennungszone vorhanden sein können, ist offensichtlich der regelmässige Wärmefluss in diesem Falle im Vergleich zu dem in der Fig. 4 veranschaulichten Fall erheblich verbessert. Um jedes Auslassloch ss herum bildet sich eine heisse, zylindermantelförmige Zone aus, indem die sich dank des Druckgefälles in jedem Loch B sammelnden hei- ssen Verbrennungsgase einen Teil ihrer Wärme an die Wände dieser Löcher B abgeben.
Wenn in den Löchern B derselbe Unterdruck aufrechterhalten wird wie in den Auslässen A für die gasförmigen Schwelprodukte, findet kein Fluss von Ver. brennungs- oder Schwelprodukten in der Richtung von A nach B oder umgekehrt statt.
Demzufolge bleiben die Streifen der Wände der
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dem durch die brennstoffriihrende Schicht hindurchgehenden Teil mit Löcherungen versehen sein, um eine Verteilung des ausströmenden oder einströmenden Fluidums durch die ganze brenn- stofìf1haltige Schicht zu ermöglichen, oder sie können an ihren unteren Enden offen sein und in einer bestimmten Höhenlage, beispielsweise oben an dem brennstoffhaltigen Lager, enden.
Die unten offenen Rohre können mit Vorteil in Ablagerungen benutzt werden, die konsolidiert sind und bei denen das ganze Lager ungefähr dieselbe Durchlässigkeit für Fluida aufweist, wie es : beispie1sweise mit ölschiefer und Olschieferkoks der Fall ist.
Die Rohre in den Bohrlöchern gehen durch das Hangende hindurch. In dem Hangenden soll um jedes Rohr herum eine Dichtung vorgesehen sein, um Gase und Dämpfe daran zu hindern, zwsichen dem Rohr und dem Bohrloch aus dem brennstoffhaltigen Vorkommen zu entweichen oder in es einzusickern. ûbertage sind die Rohre mit einem Ventil versehen und entweder an Luftkompressoren (wenn die Löcher für Einpressen von Luft benutzt werden) oder an Luftzieher (wenn die Löcher als Auslässe für Gase oder Dämpfe benutzt werden) angeschlossen. Die Ventile können von Hand oder selbsttätig betätigbar sein, um die in den Rohren benötigten Drücke einzustellen. Die Dampfauslässe in den Rohren A sollen ferner mit Mitteln zum Niederschlagen und Sammeln der erhaltenen Dämpfe oder andern Schwelprodukte verbunden sein.
Bei einem Versuchsbetrieb durch Verbrennung von Olschieferkoks, dem Rückstand nach der Gewinnung von öl, auf elektrothermischem'We- ge auf dem Olschiefervorkommen in Kvarntorp an Schweden war das Feld durchzogen von Bohrlöchern, die in einem sechseckigen Muster mit einer Kantenlänge des Sechseckes von 2, 20 m niedergebracht waren. Die Dicke des Hangenden betrug etwa 8 m und die Dicke des Schieferkok- . ses ungefähr 15 m. Der Durchmesser der Bohrlöcher betrug ungefähr 0, 06 ni und ihre Tiefe war 23 m, womit sie also den Boden, des Schieferkokses erreichten. Die eingesetzten Rohre hatten einen Durchmesser von etwa 0, 055 m. Der ringförmige Zwischenraum zwischen dem Rohr und der Bohrlochwand war mit gepacktem feinkörnigem Sand ausgefüllt.
Die Länge der Rohre betrug ungefähr 9 m und ihr unteres Ende befand sich ungefähr 0, 5 m unter der Oberseite der Schieferkoksschicht. Unterhalb der Rohrenden waren die Bohrlöcher durch den Schieferkoks hindurch offen.
Es wurde Luft in drei benachbarte Löcher eingeblasen, u. zw. in einer Menge zwischen 100 und 300 m3Jh insgesarm :. Als der Druck, der benötigt wurde, um die Luft in das Gestein zu zwingen, wurden etwa 150 mm Hg abgelesen. Während des Einblasens der Luft wurde die
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denen, in ungleichem Abstand von der Einpresslochgruppe gelegenen Stellen gas- oder dampfförmige Produkte abgezogen. Der Schieferkoks hatte zu Anfang eine Temperatur von etwa 300"C. Dies war ausreichend, um beim Einblasen von Luft den Koks zu entzünden. Seine Wärme rührte von der. früheren elektrothermischen Aufheizung des Versuchsfeldes her. Die Strömungen der Verbrennungsgase in den Gesteinsschichten liessen sich mit Hilfe der an verschiedenen Stellen des Feldes entnommenen Gasprodukte verfolgen.
Vor dem Beginn des Versuchsbetriebes war die ganze Schieferkoksschicht mit gasförmigen oder dampfförmigen Kohlenwasserstoffen unter einem durch Messen festgestellten Druck von etwa 100 mm ! Hg gefüllt.
Diese Kohlenwasserstoffe sind ein Rückstand der vomusgegangen elektrothermischen Verschwelung. Ihr Druck war ziemlich gleichmässig über den ganzen Schieferkokskörper verteilt. Es zeigte sich, dass sich die Verbrennungsprodukte von der Gruppe der Einlasslöcher aus in alle Richtungen ausbreiteten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit war in allen Richtungen ungefähr dieselbe, ausser in einer, in welcher die Verbrennungsgase sehr viel rascher strömten. In einem bestimmten Augenblick war der Halbmesser, innerhalb dessen VeI1brenmmgsgase erhalfen wurden, in fast allen Richtungen von den Einblaselöchern aus ungefähr 10-12m.
In einem schmalen Sektor wurde jedoch festgestellt, dass sich die Verbrennungsgase nicht weniger als 27 m von der Gruppe der Binlass1öcher vorwärts bewegt hatten.
Der schnellere Fluss in dieser Richtung muss einem entsprechend verlaufenden Spalt oder einer ändern Unregelmässigkeit im Gestein zugeschrieben werden.
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wurde der Versuchsbetrieb nach öffnen einiger der Auslasslochventile in die Atmosphäre wiederholt. An diesen Punkten wurde der Druck in dem Gestein somit unter den Druck der Umge- bung von ungefähr 100 mm Hg gesenkt. Die Versuchsbedmgungen erhielten somit dieselbe
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alsLagerstätte anschaulich gemacht. Die Erfindung lässt sich aber auch bei beliebigen andern unterirdischen Vorkommen mit brennbarer organischer Substanz anwenden.
Hiezu gehören unbearbeiteter Ulschiefer, Teersand und verkokter Teersand (gebildet durch Verschwelung von Teersand an seiner natürlichen Lagerstätte)* sand und ausgebeuteter Olsand, der noch eine kleine Menge 01 enthält, Lignit, Kohle oder andere kohlenstoffhaltige und brennbare oder brennstoffhaltige Vorkommen.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Untercagsausbeutung in unterirdischen Vorkommen enthaltener brennbarer organischer Substanz an der natürlichen Lagerstätte unter Anwendung von mehreren, die Lagerstätte durchdringenden Bohrlöchern, wobei durch ein Bohrloch sauerstoffhaltiges Gas in das Vorkommen eingeleitet wird, um die Verbrennung der Substanz hervorzurufen und heisse Verbrennungsprodukte zu bilden, die durch ein
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und die hiedurch erzeugten Schwelprodukte durch ein drittes, in Abstand von den beiden erstgenannten gelegenes Bohrloch abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ein-
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ner Richtung geschaffen wird.