DE3000836A1

DE3000836A1 - Verfahren zum herstellen eines bruchstellen-komplexes in einer formation

Info

Publication number: DE3000836A1
Application number: DE19803000836
Authority: DE
Inventors: John Webster Foster; Clarence Rollins Jones
Original assignee: HDR ENERGY DEV CORP
Current assignee: HDR ENERGY DEV CORP
Priority date: 1979-01-12
Filing date: 1980-01-11
Publication date: 1980-07-24
Also published as: BR8000198A; FR2470240A1; BE883014A

Description

HDR Energy Development Corporation, Suite 1500, Southern Finance Building, 733 Broad Street, Augusta, Georgia 30902 United States of America

Verfahren zum Herstellen eines Bruchstellen-Komplexes in einer Formation

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bruchstellen-Komplexes in einer Formation heißen, trockenen Gesteins.

Geothermische Energie ist eine wichtige potentielle Energiequelle. In der Vergangenheit ist die Nutzbarmachung der aus geothermischen Reservoirs zugänglichen potentiellen Energie auf natürliche hydrothermale Untergrund-Reservoirs beschränkt gewesen. Hydrothermale Reservoirs enthalten genügend ursprüngliche Flüssigkeit, die an die Oberfläche

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BOEHMRRT & BOEHMEKT

,.mittels einer Anzahl von Bohrlöchern gebracht werden kann, um elektrische Energie derart herzustellen, daß sie als ökonomisch verwertbare Energiequellen betrachtet werden können. Bisher ist die in bekannten Formationen heißen, trockenen Gesteins enthaltene Energie nicht gefaßt worden, da derartigen Formationen die ausreichenden Mengen natürlich vorkommender Flüssigkeit fehlen, die an die Oberfläche zur wirtschaftlichen Produktion von Elektrizität gebracht werden könnten.

Bis vor kurzem wurden Reservoirs heißen, trockenen Gesteins nicht ausgebeutet, teilweise wegen der Schwierigkeit und den Kosten des Bohrens in heißem, hartem, kristallinem Gestein, aber hauptsächlich deshalb, da die niedrige Wärmeleitfähigkeit derartiger Formationen es so aussehen ließ, daß Wärmeenergie nicht mit einer nutzbringenden Geschwindigkeit extrahiert werden könnte, wenn keine am unteren Bereich von Bohrlöchern befindliche sehr große Oberfläche irgendeiner Struktur vorhanden war. Es wurde angenommen, daß die notwendige geeignete Wärmeübergangsoberfläche nicht durch bekannte Verfahren im Bohrloch hergestellt werden könnte.

In der US-PS 37 86 858 wird beschrieben, daß eine Wärmeübergangsoberfläche geeigneter Größe in Formationen heißen, trockenen Gesteins durch die übliche Ölfeldtechnik des hydraulischen Aufbrechens hergestellt werden kann. Dieses Patent beschreibt ein Verfahren, Strukturen längs des Bohrloches zur Wärmeenergieextraktion in einer For^ mation heißen, trockenen Gesteins herzustellen, welches Bohren eines ersten (Einbring) Bohrloches zur Formationstiefe, hydraulisches . Aufbrechen der Formation von dem Aufbrechbohrloch aus (zum Herstellen einer dünnen, vertikalen Scheibe mit einer großen Wärmeübergangsoberfläche),

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BOEHMERT & BOcHVIERT

Bohren eines zweiten (Abzugs) Bohrloches, das die Bruchstelle schneidet und Umwälzen einer Wärmeaustauschflüssigkeit innerhalb der Bruchstelle über das Einbringbohrloch und Herausziehen derselben zur Oberfläche über das Abzugsbohrloch zum Extrahieren von Wärmeenergie aufweist.

Das Verfahren der US-PS 37 86 858 hat verschiedene Nachteile. Der erste besteht darin, daß es lediglich eine einzige Bruchfläche, die ihr Reservoir aufweist, verwendet, wodurch die Geschwindigkeit, mit der Wärme extrahiert werden kann gegrenzt wird. Zweitens muß das Abzugsbohrloch präzise so niedergebracht werden, daß es die schmale Bruchfläche schneidet,ohne diese an einem Punkt zu unterbrechen, der irgendeinen wesentlichen Anteil der geschaffenen Wärmetransferfläche kurzschließen würde. Sowohl das Schneiden der Bruchfläche als auch das Treffen derselben an einem bestimmten Punkt kann außerordentlich schwierige und teure Richtungsbohr-Verfahren notwendig machen.

Die US-PS-en 38 78 884 und 38 63 709 enthalten Verfahren zum Herstellen eines geothermisehen Reservoirs, das eine Vielzahl von Bruchflächen aufweist, wodurch die effektive Oberfläche, zugänglich zur Wärmeextraktion, außerordentlich erhöht wird. In der US-PS 38 78 884 wird ein erstes Bohrloch vertikal zur Formation heißen, trockenen Gesteins gebohrt,anschließend von der vertikalen in eine Kompaßrichtung, entsprechend den Formationslinien geringster Hauptspannung, gebohrt. Anschließend wird eine Vielzahl von parallelen Bruchflächen in der Formation durch hydraulisches Aufbrechen an voneinander getrennten Positionen längs dem abgeknickten Bohrloch entwickelt. Ein Abzugsbohrloch wird anschließend oberhalb und parallel zum ersten Bohrloch gebohrt um einen

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Großteil der Bruchflächen zu schneiden. In der US-PS 3 8 63 709 wird ein Paar Löcher durch die Formation heißen, trockenen Gesteins gebohrt und von der Vertikalen abgeknickt. Eine Serie Bruchflächen wird hydraulisch von einem der Bohrlöcher induziert und durch die Formation vorwärts getrieben, um das zweite Bohrloch zu schneiden. Anschließend wird der Bereich des zweiten Bohrloches, in dem es die Bruchflächen schneidet, durch Injektion eines radioaktiven Tracermaterials in die Bruchstelle vom ersten Bohrloch aus lokalisiert. Das zweite Bohrloch wird an diesem Punkt angelegt, . um es in hydraulische Verbindung mit dem anderen Bohrloch zu setzen.

In heiden Fällen bleiben die Nachteile des richtigen Legens des zweiten Bohrlochs im Bruchstellen-Komplex erhalten. In der US-PS 38 78 884 muß das zweite Bohrloch so gebohrt werden, daß es den Bruchstellen-Komplex ohne Kurzschließen irgendwelcher wesentlichen Teile der effektiven Wärmeübergangsoberfläche der Bruchstellen trifft. In der US-PS 3 8 63 709 muß das zweite Bohrloch parallel zu und in einer vorherbestimmten Distanz vom ersten Bohrloch gebohrt werden, wobei der maximale Abstand der maximale Radius ist, längs dem eine einzelne, induzierte Bruchstelle sich wahrscheinlich ausbreitet. Daher besteht die Möglichkeit, daß es die Bruchstelle nicht trifft,,.wenn diese Distanz zu groß ist oder daß die effektive Wärmeübergangsfläche kurzgeschlossen wird, wenn dieser Abstand zu klein ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu liefern, mittels dessen die Einbring- und Abzugsbohrlöcher in Verbindung während des Hersteilens des Wärmeübertragungs-Bruchstellen-Komplexes gebracht werden können, wobei das Auftreten von Kurzschlüssen weitgehend

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BOEHMSBT & BCEHMERT

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vermieden werden soll und es ermöglicht wird, größere und wirkungsvollere Wärmeaustauschflachen auszubilden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, das gekennzeichnet ist durch folgende Schritte:

a) Bohren von mindestens einem Flüssigkeits-Einbringbohrloch und mindestens einem Flüssigkeits-Abzugsbohrloch im wesentlichen vertikal zu dem ungefähren Bereich in einer kristallinen Gesteinsformation einer zur Extraktion nutzbarer Wärmeenergie geeigneten Temperatur,

b) Abknicken der Bohrlöcher von ihrer vertikalen Richtung in eine angenähert rechtwinkelig zur Kompaßrichtung der wahrscheinlichsten Bruchebene der Formation (Telegene derart, daß das Abzugsbohrloch oberhalb parallel zu dem und in etwa der gleichen vertikalen Ebene wie das Flüssigkeits-Einbringbohrloch "liegt; und

c) Gleichzeitiges Aufbrechen der Formation von den Einbring- und Abzugsbohrlöchern aus, um eine einzige, verbindende großflächige Bruchstelle herzustellen, um die Bohrlöcher hydraulisch zu verbinden.

Erfindungsgemäß wird also ein Verfahren vorgeschlagen, durch das die Einbring- und Abzugsbohrlöcher in sichere Verbindung während der Herstellung des wärmeübertragenden Bruchstellen-Komplexes gebracht werden können, wodurch die durch Nicht-treffen oder Rurzschließendes-Treffen bei bekannten Verfahren hervorgerufenen Probleme vermieden werden können. Zusätzlich können offensichtlich durch das erfinöungsgemäßeVerfahren Bruchstellen-Komplexe mit einer

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größeren Wärmeübergangsoberfläche als durch die Durchführung bekannter Verfahren mögliche hervorgerufen werden. Das Ausbilden von Bruchflächen mit größeren Wärmeübergangsoberflächen erlaubt es, Wärme mit größeren Geschwindigkeiten pro Einheit Bohr-Kosten zu extrahieren, als es mit Verfahren nach dem Stand der Technik erreichbar ist.

Folgend aus der Erfindung wird eine Vielzahl von vertikalen Bohrlöchern in die betreffende Formation heißen, trockenen Gesteins gebohrt. In einer Tiefe, bei der nutzbare Wärmeenergie extrahiert werden kann, werden die Bohrlöcher vom Vertikalen längs einer etwa senkrecht zur liorizontalkomponente der angenommenen Bruchfläche der Formation Gerichteten abgeknickt. Bohrkernproben werden längs der abgeknickten Bohrlöcher genommen, um den Grad der Vertikalität der erwarteten·· Bruchfläche der Formation zu bestimmen ( die Abweichung von der absoluten Vertikalen der Vertikalkomponente) . Aufbrechmittel sind in der Vielzahl von abgeknickten Bohrlöchern angeordnet und so aufgereiht, daß sie in die einzige, erwartete Bruchfläche fallen. Die Formation wird von der Vielzahl von Bohrlöchern aus gleichzeitig aufgebrochen, wodurch eine einzige £llipsoidale oder doppelt-ellipsoidale, verbindende Bruchstelle großer Oberfläche, die die Vielzahl von Bohrlöchern hydraulisch : verbindet, geschaffen wird. Auf diese' Art und Weise werden die Bohrlöcher in sichere Verbindung während der Ausbildung der Bruchstelle gebracht und eine Bruchstelle sehr großer Oberfläche geschaffen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung in der ein Ausführungsbeispiel· an Hand der aus einer einzigen Figur bestehenden Zeichnung erläutert ist.

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Die einzige Figur beschreibt eine geothermische Formation heißen, trockenen Gesteins, in die eine Vielzahl von Bohrungen vertikal eingebracht wurde . und die, nachdem ein erwünschter Temperaturbereich erreicht wurde, von der Vertikalen abweichen und sich angenähert senkrecht zur erwarteten Bruch-Ebene der Formation erstrecken. Vertikale Bruchlinien, die sich seitlich um einen vorherbestimmten Zwischenraum voneinander getrennt längs den abgeknickten Bohrlöchern befinden, sind eingezeichnet. Die Oberflächen-Ausrüstung und das verbindende Bohrungsrohrsystem in der oberen Gesteinsschicht zur Umwandlung der Wärmeenergie, die über die Vielzahl von Bohrungen extrahiert und in elektrische Energie umgewandelt wird, sind ohne Einzelheiten dargestellt. Einzelheiten derartiger Oberflächen-Ausrüstungen und Bohrlochverbindungseinrichtungen, die allgemein bekannt sind, sind auf der Zeichnung bezeichnet und sollen nicht weiter diskutiert werden.

Formationen heißen, trockenen Gesteins haben Permeabilitäten im Bereich von etwa 1 u. darcy bis zu etwa 10 millidarcy. Der Temperaturbereich, in dem nützliche Wärmeenergie herausgezogen werden kann, bewegt sich zwischen 100 C für Raumheizung&zwecke bis zu 3OO C und mehr für die Herstellung von elektrischer Energie. Erfindungsgemäß wird eine Formation heißen, trockenen Gesteins niedriger Permeabilität bevorzugt, um die mit Formationen hoher Permeabilität verbundenen Probleme des Verlustes an umlaufender Flüssigkeit möglichst klein zu halten. Da die Erfindung sich hauptsächlich auf die Herstellung eines Bruchlinienkomplexes in heißem, trockenem Gestein für die Herstellung von elektrischer Energie bezieht, wird eine Formation heißen, trockenen Gesteins mit einer Temperatur von etwa 235° C oder mehr bevorzugt.

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Elektrische Energie kann auch aus Formationen mit etwas niedrigereren Temperaturen hergestellt werden, Temperaturen von mehr als etwa 3OO C können ebenfalls nutzbar gemacht werden, wenn Unter-Tage-Instrumentation und -Werkzeuge zugänglich werden, die derartig hohe Temperaturbereiche ertragen können.

Die Lage derartiger Formationen heißen, trockenen Gesteins, die in ökonomisch zugänglichen Tiefen liegen, ist bekannt und weitere können durch Anwendung geophysikalischer Techniken entdeckt werden. Wie in der Figur gezeigt, wird, wenn eine Formation heißen, trockenen Gesteins 1 der gewünschten Charakteristika ausgewählt worden ist, eine Vielzahl von Bohrlöchern 2, 3 (mindestens ein Einbring-Bohrloch 2 und ein Abzugs-Bohrloch 3) vertikal in die Formation gebohrt, bis eine bevorzugte Formationstemperatur T₁, bevorzugt etwa 235° C, erreicht wird. Das Bohrloch, das schließlich als Einbring-Bohrloch 2 dienen soll, wird vertikal gebohrt und um eine zusätzliche Länge D durch die Formation verlängert, die dem Zwischenraum zwischen den Bohrlöchern entspricht, und von der Vertikalen abknickt. Dieser Abstand wird im folgenden genauer beschrieben werden. Im allgemeinen sind die Flächen, längs denen sich Formations-Bruchstellen ausrichten in Tiefen von mehr als mehreren tausend Metern, wo die meisten Formationen heißen, trockenen Gesteins auftreten, in einer angenähert vertikalen Ebene angeordnet. Derartige Formationen sind bereits in soweit untersucht worden, daß die Kompaßrichtung der vertikalen Ebene, längs der diese Formation am wahrscheinlichsten brechen wird, bereits bekannt ist. Falls dieses nicht bekannt ist oder auch zusätzlich, kann eine Kompaß-ausge-

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richtete Probe vom Boden von mindestens einem vertikalen Bohrloch genommen werden und der Bohrkern sowie sein von ihm freigemachter Raum nach Kornorientierung des Gesteins sowie tektoriischer Spannung analysiert werden, dieses erlaubt, zusammen mit anderen geophysikalischen Daten, die über das Gestein zugänglich sind, die wahrscheinlichste Richtung der Ebene, längs der ein vertikaler Bruch verlaufen wird, zu bestimmen. Andere, alternative Verfahren können angewandt werden, um die Richtung der Bruchebene zu bestimmen, wie zum Beispiel, eine Testbruchlinie herzustellen, deren Richtung durch Injektion von radioaktiven Tracern oder durch Verwendung von Druckpackungen bestimmt werden kann.

Nachdem die Kompaßrichtung der am wahrscheinlichsten scheinenden Bruchebene der Formation bestimmt worden ist, werden die Bohrlöcher 2 a und 3 a von der Vertikalen in einer Richtung angenähert senkrecht zur Kompaßrichtung derartiger Ebenen abgeknickt. Obwohl bevorzugt Rechtwinkeligkeit zwischen den umgelenkten Bohrlöchern und der angenommenen Bruchebene erreicht wird, ist absolute Rechtwinkeligkeit nicht wesentlich. Die abgeknickten Bohrlöcher können die angenommenen Bruchebenen in einem Winkel, der von der Rechtwinkeligkeit bis zu etwa 45 abweicht, schneiden. Der Ausdruck "angenähert rechtwinkelig" soll also einen derartigen Variationsbereich umschließen. Der Winkel der Abweichung von der Vertikalen des abgeknickten Bohrlochbereichs kann um so wenig wie 5 bis so viel wie 90 abweichen, Winkel von zwischen bis etwa 45 sind bevorzugt. Der Abweichungswinkel hängt von einem Kompromiß,bestimmt durch den Temperaturgradienten der Formation und den Bohr-Kosten des Verfahrens ab. Da im allgemeinen die abgeknickten Bohrlöcher durch

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die Formation heißen, trockenen Gesteins bevorzugt so lange verlängert werden, bis eine Temperatur von mindestens etwa 15° C mehr erreicht wird, wäre das Ausmaß zusätzlichen Bohrens eine Funktion des Temperaturgradienten der Formation und des Winkels der Abweichung von der Vertikalen. Unabhängig vom Temperaturgradienten, oder in Fällen, wo die Winkelabweichung von der Vertikalen 90 ist, muß die Minimaldistanz der abgeknickten Bohrlöcher, um die sie sich durch die Formation heißen, trockenen Gesteins erstrecken, genügend sein, um die Vielzahl von Bruchebenen unterzubringen, die anschließend längs der abgeknickten Bohrlöcher induziert werden. Diese Minimaldistanz ist eine Funktion der Anzahl von erwünschten Brüchen mal dem Abstand zwischen den Brüchen.

Eine Vielzahl von Bohrlöchern 2 a und 3 a werden durch die Formation in einem derartigen Verhältnis gebohrt, daß eines angenähert parallel in etwa der gleichen vertikalen Ebene zum anderen liegt. Da die abgeknickten Teile in einer Formation niedriger Permeabilität liegen, wird zur Zeit angenommen, daß dieser Bereich,ohne daß die Anwendung von Bohrverrohrung oder Gehäusen nötig wäre, gebohrt werden kann. Das Weglassen von Produktionsrohren würde signifikant die Bau-Kosten senken und wird daher bevorzugt. Falls jedoch das Aufbrechen nicht ordnungsgemäß in Abwesenheit von Produktionsrohren hervorgerufen werden kann, kann ein solches längs den abgeknickten Abschnitten ein.-' gezogen werden. Nachdem eine Vielzahl von.Bohrlöchern durch die Formation heißen, trockenen Gesteins in der .erwünschten Länge niedergebracht worden ist, wird eine weitere, Kompaß-ausgerichtete Bohrkernprobe vom Boden von mindestens einem abgeknickten Bohrloch und bevorzugt von allen Bohrlöchern gezogen. Diese Proben und/oder die von ihnen frei-

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gemachten Räume werden analysiert, um die Kornorientierung des Gesteins, tektonische Spannungen und andere physikalische Größen zu bestimmen, um den Grad von Vertikalität festzustellen, der für die am meisten wahrscheinliche Bruchebene der Formation erwartet werden kann.

Der Abstand der Vielzahl von Bohrlöchern längs ihrer abgeknickten Längen D wird hauptsächlich durch den Abstand bestimmt, den eine hydraulisch induzierte Bruchstelle innerhalb der Formation vorwärts kommen wird. Wenn ein derartiger Abstand schon von Feldversuchen bekannt ist, kann die Vielzahl von Bohrlöchern gleichzeitig fertiggestellt werden, wobei der Abstand zwischen ihren umgebogenen Abschnitten weniger als etwa 2-mal der Radius der Fortbewegungsdistanz eines einzelnen Bruches beträgt. Diese Distanz kann so groß wie 2 1/2-rmal die Fortbewegungsdistanz gemacht werden, da der radiale Abstand zwischen den Bohrlöchern einzelner, miteinander verbundenen Brüche, die durch gleichzeitiges Aufbrechen von der Vielzahl von Bohrlöchern anschließend induziert werden, die Summe der Radien zweier einzeln induzierter Bruchlinien übersteigen soll. Um die höchste Wahrscheinlichkeit von Bruchverbindungen zu erreichen und einen Sicherheitsbereich zu schaffen,wird der Abstand bevorzugt nicht mehr als zweimal der Ausbreitungsabstand gewählt.

Falls die Ausbreitungsdistanz nicht aus Rechnungen vorhersehbar ist, kann die Vielzahl von Bohrlöchern nacheinander niedergebracht werden, wobei ein Test-Aufbrechen am Boden des ersten fertiggestellten Bohrloches veranlaßt wird. Die Ausbreitungsdistanz jedes einzeln hervorgerufenen Test-Bruches kann gemessen werden und an-

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schließend das andere oder die anderen Bohrlöcher fertiggestellt werden, um einen Abstand von nicht mehr als dem Doppelten der Ausbreitungsdistanz vom ersten Bohrloch einzuhalten.

Nach Fertigstellung der auf Abstand angeordneten Bohrlöcher wird die Formation von mindestens zwei Bohrlöchern, 2 a und 3 a, gleichzeitig aufgebrochen. Gleichzeitiges Aufbrechen kann durch Verwendung der Sprexz-Dichtungstechnologie(straddle packer technology) erreicht werden. Doppelte Isolations-Dichtungen 4 und 5 (dargestellt durch die betonten Linien der Bohrlöcher in der Zeichnung) werden in die Vielzahl von Bohrlöchern eingebracht und derart in Bezug zueinander angeordnet, so daß die Ebene, in der die Dichtungen liegen, der vertikalen Richtung der wahrscheinlichsten Bruchebene, wie bereits vorher bestimmt, entspricht. Jede Zone doppelter Isolations-Dichtungen 4 und 5 wird auf der Unterseite und gleichzeitig oberhalb jeder Dichtungszone durch hydraulische oder mechanische Einrichtungen abgedichtet. Der Druck wird graduell und gleichzeitig durch unabhängige hydraulische Einrichtungen in jedem Bohrloch erhöht, so daß der Gesteinsbruchdruck innerhalb eines Bereichs von wenigen Sekunden in jedem Bohrloch, im wesentlichen gleichzeitig ,erreicht wird. Der zum Hervorrufen von Bruchbildung notwendige Druck kann auf Basis hauptsächlich des Spannungswiderstands des Gesteins in situ an jedem Bohrloch ausgerechnet werden. Alternativ dazu und genauer kann ein einzelner Testbruch in einem Bohrloch hervorgerufen und der bruchauslösende Druck empirisch bestimmt werden.

Es ist wichtig, daß der hydraulische Druck innerhalb jeder Dichtungszone gleichzeitig gradweise über etwa 1O bis 3O Minuten angehoben werden kann. Das gradweise An-

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heben des Druckes bewirkt eine Beanspruchung des ausgesetzten Gesteins an der Dichtungsseite, die den molekularen Druck des Gesteins in diesen Bereichen erhöht. Die Beanspruchung strahlt durch den Fels. Um es der Beanspruchung zu ermöglichen, sich in maximaler Reichweite von jeder Packungszone aus zu erstrecken, so daß die von jedem Bohrloch ausgeübte Beanspruchung bei einem Punkt zwischen den Bohrlöchern überlappen wird, muß das Druck-Anwachsen gradweise und gleichzeitig bewirkt werden. Das Erhöhen des molekularen Druckes oder der Spannung im Gestein zwischen den Bohrlöchern macht dieses für Brüche empfänglicher. Nachdem gleichzeitig der bruchbildende Druck auf jedes Bohrloch erreicht worden ist, tritt Bruchbildung bei jedem ein, im wesentlichen im Zeitraum von wenigen Sekunden, und findet längs der Linien maximaler Spannung statt, wodurch eine einzige, große, verbindende Bruchstelle gebildet -wird.

Das graduelle Anwachsen des Druckes zum Hervorrufen sich überlappender Beanspruchungsbereiche zwischen den Bohrlöchern vor der Bruchbildung ist auch aus einem anderen Grunde wichtig. Alle hydraulisch hervorgerufenen Bruchstellen in Formationen heißen, trockenen Gesteins haben sehr geringe Breiten. Im Fall eines einzelnen vorwärts getriebenen Bruches wird die Breite des Bruches gegen seine Randbereiche hin schrittweise kleiner und ist an seinem Endbereich Null. Wenn versucht werden würde, eine einzige, verbindende Bruchstelle durch nacheinander folgendes Aufbrechen bei jedem Bohrloch zu erreichen, würde im besten Fall diese einzelne Bruchstelle das Produkt von zwei einzeln hervorgerufenen Brüchen sein, die sich in ihren äußeren Bereichen schneiden und dadurch verbinden.

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Der Verbindungsbereich würde dann auch ein Bereich minimaler Bruchbreite sein₇ wodurch ein Bereich hohen Widerstands oder Fließwiderstands für die Austauschflüssigkeit i-n-einer derartigen Bruchstelle zustandekäme. Dieser Bereich hohen Widerstandes würde die hydraulische Effizienz der nachfolgenden Wärmeextraktionsoperationen signifikant herabsetzen. Durch das Anlegen eines Bereichs sich überlappender Spannungszonen im Gestein zwischen den Bohrlöchern, wodurch Verbindungsbildung bei gleichzeitigem Aufbrechen erfolgt, sollte die Breite der so entstehenden Bruchstellen, die im Bereich der Überlappungsstellen auftritt, größer sein als die, die durch aufeinander folgendes Aufbrechen resultierte.

Das Erreichen des Aufbrechdruckes in jedem Bohrloch ruft gleichzeitig einen Zusammenbruch des Gesteins hervor, wodurch eine maximale Wahrscheinlichkeit, hydraulische Verbindung zwischen den Bohrlöchern zu erreichen, folgt. Die induzierte Bruchstelle 8 hat eine sehr große Oberfläche mit minimalem Widerstand an den Verbindungsflächen und sollte eine im wesentlichen einzige Fläche bilden. Die verbundenen Bruchstellen 8 können leicht unregelmäßig sein, sie sind also nicht buchstäblich eine einzelne ideale Fläche, aber sie sollen hier weiterhin als Einzel-Flächen-Bruchstelle bezeichnet werden.

Bei einem bevorzugten Aufbrechverfahren wird der hydraulische Druck in den Spreiz-Dichtungszonen jedes Bohrlochs gradweise gleichzeitig bis zu einem Punkt gerade unterhalb des berechneten oder gemessenen Felsbrechpunktes an jeder Dichtungsfläche erhöht und dort konstant gehalten. Anschließend wird eine gleichzeitige

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Welle hohen Drucks, so daß der Gesamtdruck in den Dichtungszonen jedes Bohrlochs im wesentlichen den Fels-Brechdruck übersteigt, an alle Dichtungsbereiche aller betroffenen Bohrlöcher angelegt. Die plötzliche und gleichzeitige Anwendung hohen Drucks erhöht die Wahrscheinlichkeit außerordentlich, daß das Brechen gleichzeitig erfolgt und dadurch eine große einzige, verbundene Bruchfläche hervorgerufen wird.

Die plötzliche Druckwelle kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden» Beispielsweise kann eine Hilfspumpe an der Oberfläche befestigt werden, um ein Reservoir_/ gefüllt mit unter hohem Druck stehender hydraulischer Flüssigkeit zu liefern. Dieses Hochdruckreservoir würde mit dem hydraulischen System der Dichtungen durch schnell öffnende Ventile verbünden. Nachdem ein Druck in der Nähe des Gesteinsaufbrechdruckes unten in den Bohrlöchern über die Primärpumpen erreicht worden ist, würden die schnell öffnenden Ventile geöffnet und es daher dem Hochdruckreservoir erlauben, sich plötzlich in die hydraulischen Leitungen jeder Dichtungszone zu entspannen. Dies würde nicht nur die notwendige Hochdruckwelle hervorrufen, sondern zusätzlich den Druck während des Aufbrechverfahrens aufrechterhalten.

Zum Aufbau der plötzlichen Druckwelle kann ein hydraulischer Ramm-Bär an die hydraulischen Leitungen für jede Dichtung angeschlossen werden.

Alternativ dazu können die hydraulischen Leitungen an eine Spreng-Einrichtung an der Oberfläche angeschlossen werden, wie in der US-PS 38 48 674 beschrieben,

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genauso können Sprengstoffe unten in den Bohrlöchern eingesetzt werden,um den gleichzeitigen Aufbau einer Hochdruckwelle hervorzurufen.

Nachdem die erste Bruchstelle hergestellt worden ist, werden die Spreiz-Dichtungen durch Druckabbau oder mechanisch gelöst und in eine neue Position in jedem Bohrloch eingebracht. Das Verfahren wird wiederholt, um eine weitere Bruchstelle herzustellen. Bevorzugt wird die Anfangsbruchstelle am untersten Teil der abgeknickten Bohrlöcher hervorgerufen, wobei das Verfahren nacheinander an höheren Stellen wiederholt wird.

Das sich wiederholende Verfahren,aleichzeitig ebene einzelne Bruchflächen 8 herzustellen, ergibt einen massiven Bruchstellen-Komplex 6, der als Heiß-Gesteins-Ofen bezeichnet werden soll. Die Zeichnung zeigt aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich einen Komplex, der vier Bruchstellen aufweist. Selbstverständlich kann ein derartiger Komplex eine wesentlich größere Anzahl von Bruchstellen aufweisen und durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden. Die individuellen Bruchstellen, die den Ofen aufweisen, sollten zwischen 20 bis 50 Meter Abstand angeordnet seinem sicherzustellen, daß jede im wesentlichen thermisch isoliert von der anderen arbeitet. Um sicherzustellen, daß sich derartige Bruchstellen nicht schließen, können sie mit Sand, Kies, künstlichem Füllmaterial oder ähnlichem gefüllt werden.

Der so hergestellte Heiß-Gesteins-Ofen weist Millionen Quadratmeter Wärmeaustauschfläche zur Wärmeextraktion durch Umlaufen einer Wärmeaustauschflüssigkeit, wie zum

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Beispiel Wasser, auf, um eine geeignete Kapazität zu liefern und eine ökonomisch annehmbare Lebenszeit des Ofens sicherzustellen. Die an die Oberfläche gelieferte aufgeheizte Flüssigkeit wird verwandt werden, um Wärmeenergie eder elektrische Energie . durch Wärmeaustauschoberflächeneinriehtungen 7 zu liefern, aber auch für andere Zwecke. Da es beabsichtigt ist, das Wärmeaustauschverfahren als geschlossene Erd-Schleife zu betreiben, kann die Wärmeaustauschflüssigkeit kontinuierlich in dem heißen Gesteinsofen zur Wärmeextraktion umlaufen. Ein derartiger Ofen sollte auch durchlässig genug für das Umlaufen geothermischer Flüssigkeit sein, wobei ein akzeptierbarer Widerstand für den Flüssigkeitsfluß durch die notwendige Erd-Schleife geboten wird.

Im Falle, daß Wärmeextraktion für einen längeren Zeitraum ein Abfallen der Heiß-Gesteins-Ofentemperatur bis auf einen nicht akzeptierbaren Wert hervorruft, kann ein neuer Ofenkomplex durch Verlängern aller Bohrlöcher und gleichzeitigem Aufbrechen einer unberührten Sektion des Gesteins, wie bereits beschrieben, gebildet werden. Der alte Ofen kann von dem geothermischen Kreislauf isoliert werden, bis seine ursprüngliche Temperatur sich regeneriert, woraufhin er wieder in den Dienst des unterirdischen Kreislaufs gestellt werden kann.

Während das hier beschriebene Verfahren als solches zur Herstellung eines unterirdischen Ofenkomplexes zur Wärmeenergieextraktion beschrieben worden ist, sind auch andere Anwendungen dieses Verfahrens möglich. Das Verfahren kann auch in anderen Formationen als Formationen heißen, trockenen Gesteins verwandt werden,um unterirdischen Lagerraum für das Ablagern von Abfallmaterialien, wie radio-

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aktiven Feststoffen und Flüssigkeiten, zu bilden. Zusätzlich kann das Verfahren verwandt werden, um einen unterirdischen Komplex für die Kohlevergasung oder das Abbauen von Mineralien durch Dampf- oder Chemikalieninjektion in die unterirdischen Bereiche zu bilden.

Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den nachfolgenden Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

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BEZUG3Z3ICHENLI3TE (LIST OF RSFSRENCE NUMERALS)

1	Formation heißen, trockenen Gesteins	1
P	Einbringbohrloch	2
	Abzugsbohrloch	^
4	Zone doppelter Isolations-Dichtung	4
5	Zone doppelter Isolations-Dichtung	5
6	Bruchstellen-Komplex	6
7	Wärme-Äüstausch-Einrichtungen	7
8	Einzelflächenbruchstelle	8
9		9
10		10
11		11
12		12
		15
14		14
^5		15
16		16
17		17
18		18
19		19
20		20
21		21
22		22
23		25
24		24
25		25
?fi		26
27	•	27
28		28
29		29
30		30

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Leerseite

Claims

BOEHMERT Λ BOEHMERT H 1316 ANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Herstellen eines Bruchstellen-Komplexes in einer Formation heißen, trockenen Gesteins, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Bohren von mindestens einem Flüssigkeits-Einbringbohrloch und mindestens einem Flüssigkeits-Abzugsbohrloch im wesentlichen vertikal zu dem ungefähren Bereich in einer kristallinen Gesteinsformation einer zur Extraktion nutzbarer Wärmeenergie geeigneten Temperatur,"

b) Abknicken der Bohrlöcher von ihrer vertikalen Richtung in eine angenähert rechtwinkelig zur Kompaßrichtung der wahrscheinlichsten Bruchebene der Formation Gelegene derart, daß das Abzugsbohrloch oberhalb parallel zu dem und in etwa der gleichen vertikalen Ebene wie das Flüssigkeits-Einbringbohrloch -. liegt; und

c) Gleichzeitiges Aufbrechen der Formation von den Einbring- und Abzugsbohrlöchern aus, um eine einzige, verbindende großflächige Bruchstelle herzustellen, um die Bohrlöcher hydraulisch zu verbinden=

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

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Orientierungsmittel zum Aufbrechen der Formation in den Einbring- und Abzugsbohrlöchern in vertikaler Richtung zur erwarteten Bruchebene der Formation.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es gradweise gleichzeitiges Unterdrucksetzen der Aufbrechmittel bis zum Erreichen des Gesteins-Aufbrechdruckes zum gleichzeitigen Aufbrechen der Formation von den Bohrlöchern aus aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Aufbrechmittel gleichzeitig über einen Zeitraum von etwa 1O bis etwa 30 Minuten erhöht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitiges Aufbrechen an einer Vielzahl von parallelen Stellen längs den abgeknickten Abschnitten der Einbring- und Abzugsbohrlöcher wiederholt wird, um einen Bruchstellen-Komplex hervorzurufen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Vielzahl von Bruchstellen zwischen etwa 20 bis etwa 50 Metern liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbring- und Abzugsbohrlöcher längs ihrer abgeknickten Abschnitte durch einen Abstand von weniger als ungefähr dem Doppelten der Ausbreitungsdistanz eines einzeln gebildeten Bruches getrennt sind.

8. Verfahren zum Herstellen eines Bruchstellen-Komplexes in einer Formation heißen, trockenen Gesteins, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Q3Ö03ö/07U

BOEHMERT & BOEHMERl

3001)836

a) Bohren von mindestens einem Flüssigkeits-Einbringbohrloch und mindestens eines Flüssigkeits-Abzugsbohrloches im wesentlichen vertikal zu dem ungefähren Bereich in einer kristallinen Gesteinsformation einer zur Extraktion von nutzbarer Wärmeenergie geeigneten Temperatur;

b) Abknicken der Bohrlöcher von ihrer vertikalen Richtung in eine Richtung angenähert rechtwinkelig zur Kompaßrichtung der wahrscheinlichsten Bruchebene der Formation derart, daß das Abzugsbohrloch oberhalb parallel zu dem und in etwa der gleichen vertikalen Ebene wie das Flüssigkeits-Einbringbohrloch. liegt,

c) Orientieren von Mitteln zum Aufbrechen der Formation innerhalb der Einbring- und Abzugsbphrlöcher entsprechend der vertikalen- Richtung der erwarteten Bruchebene der For-'mation; und

d) gradweises Unterdrucksetzen der Aufbrechmittel bis zu einem Bereich kurz unterhalb des Gesteins-Bruchdruckes der Formation und gleichzeitiges Aufbrechen der Formation von den Einbring- und Abzugsbohrlöchern aus durch plötzliches Anwenden von zum Gesteinsbrechdruck überschüssigem Druck in den AufbrechmitteIn,um eine einzige verbindende großflächige Bruchstelle zur hydraulischen Verbindung der Bohrlöcher herzustellen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Spreng-Mittel eingesetzt werden, um einen plötzlichen Hochdruck in den Aufbrechmitteln hervorzurufen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

03003*0/0744

BOEHMEST & EOEHMERT

daß ein hydraulischer Ramm-Bär eingesetzt wird, um einen plötzlichen Hochdruck in den Aufbrechmitteln hervorzurufen.

030030/0744

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