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Verfahren zur Gewinnung von Öl aus Ulschieferlagerstätten und anderen
sedimentären geologischen Schichten mit organischer Substanz durch elektrothermische
Erhitzung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrothermischen Gewinnung
von Öl- aus Ölschiefer und anderen sedimentären ;geologischen Schächten mit organischer
Substanz, wie beispielsweise bituminöser Kalkstein, Teersand u. dgl.
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Es ist bekannt, d'aß sich durch Erhitzung des Gesteins in 0l,schieferlagern
und ähnl'ic'hen sedimentären geologischen Schichten mit organischer Substanz infolge
der durch die Erhitzung dies Gesteins bewirkten Aufspaltung der im Gestein vorhandenen
organischen Verbindungen Öl in Form von ölhaltigen Gasen oder Dämpfen frei wird.
Bekannt ist bereits, die Erhitzung des Gesteins am Ort, d. h. an der natürlichen
Lagerstätte des Gesteins, dadurch zu bewirken, daß Bohrlöcher in. das Gesteinslager
getrieben werden, in -welche elektrische Heizkörper zur Erhitzung und Sdhwelung
des Gesteins eingelassen werden. Zur Gewinnung der durch die Schwelun;g gebildeten
ölhaltigen Gase sind besondere Abzugslöcher :im Gestein vorgesehen, durch welche
die Gase abgezogen werden, um dann gesammelt und durch Konden,sierumg oder andere
Verfahren nutzbringend verwertet zu werden.
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Die Erfindung hat sich nun die gestellt, durch vorteilhaftere Ausnutzung
der für die Erhitzung des Gesteins erforderli.uhen Wärmeenergien die Kosten der
Bildung und Gewinnung der ölhaftigen Gase aus Ö,lschiefergesteii:n und anderen sedimentären
geologischen Schichten mit organischer Substanz zu senken und somit das Verfahren
so wirtschaftlIeh zu gastalten, daß dasselbe sich auch für verhältnismäßig ölarmen
Schiefer lohnt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadürch,
daß die Erhitzung des Gesteins zur Durc'hfü'hrung der Sdhwelung in zwei voneinander
getrennten Erhitzungsstufen erfoljgt. Das Gestein wird; demzufolge erfindungsgemäß
zunächst bis auf etwa 25o° C aufgdheiz t. Bei dieser Temperatur beginnt die ölb.ilidende
Sehwelung :im Gestein, die erst in der Nähe von 300° C einen nennenswerten Umfang
erreicht. Nach der Aufheizung erfolgt erfindungsgemäß in einer zweiten Erhitzungsstufe
die eigentliche Schwelung.
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Erfindungsgemäß wird die Aufheizung vorteiilhaft periodisch betrieben,
während die Schwellung zweckmäßig kontinuierlich erfolgt. Diese: Maßnahme hat eine
Mehrzahl bedeutsamer Vorteile zur Folge. Auf diese Weise kannbeispielsweise die
Aufheizung in so!fche Zeitabschnitte verlegt werden, in .denen ein billiger Übersdhuß
an elektrischer Energiebeispielsweise im Sommer und während der Nachtstunden - vorhanden
ist. Das Gestein wirkt dann .sozusagen als. Akkumdlato,r für :den billigen elektrischen
Überschußstroüz,. indem die elektrische Energie in Form von Wärme aufgespeichert
wird.
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Ein weiterer Vorteil dieser Maßnahme ist, wie nachfolgend bei der
Beschreibung .des Ausfü'hrungsbeispiels noch näher erläutert Wird, daß !hierdurch
im Gestein vorhandene Risse und Spalten vor der Schwelung mehr oder weniger geschlossen
werden, wodurch das Entweichen der bei der Sehwelung sich bildenden wertvollen Dämpfe
und Gase auf unerwünschten Wegen verhindert wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
an Hand dessen die Erfindung und die sieh .daraus ergebenden Vorteile nachfolgend
noch näher beschrieben sind. Es zeigt Fig. i schematisch einen lotrechten Schnitt
durch ein Schiefergesteinsl.ager und Fig. 2 und 3 zwei Diagramme.' In der Fig. i
- äst ein Öfischieferlager ro dargestellt, das von einer Kalkgesteinsschicht 12
und gegebenenfalls von eines- Erds.ficht 14 überlagert ist. In lotrecht abgesenkten
Bo'hrlöc'hern ,ist eine große Anzahl elektrischer Heizkörper 16 angebracht, die
ihre .Wärme an das Schieferlager ro abgeben. Die Heizkörper 16 stehen duireh Zweigleitengen
18 mit einem elektrischen Stromt'eitungsnetz 2o in Verbindung, mittels welchem die
Heizkörper mit niedriggespanntem, elektrischem Strom gespeist werden.
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Durch -zweckmäßige Anordnung der .die Heizkörper 16 enthaltenden Bohrlöcher
und der Abzugslöcher läßt sich die Erhitzung :des Schiefergesteins dergestalt vornehmen,
daß eine waagerecht vorschreitende Wärmefront geschaffen wird, deren Wanderrichtung
in dar Fig. i .mit 22 bezeichnet ist. Gemäß der Erfindung wird die Erhitzung des
Schiefergesteins in zwei Stufenvorgenommen, und zwar in einer Aufheizstufe.und einer
nachfolgenden Schwelungsstufe. -' Die Rufheizung erfolgt bei diem .in der Zeichnung
veranschaulichten Ausführungsbeispiel innerhalb eines von den sbrchpünktierten Linien
24 und 26 begrenzten Bereichs. des Sdhnefergesteins. Die in diesem Bereich befindlichen
Heizkörper 16 sind an das Stromleitungsnetz 2o angeschlossen. Die Temperatur steigt
bei der Aufheizung gradweise durch aufeinanderfolkendes Einschaltren neuer Reihen
von Heizkörpern 16 gemäß der Kurve 30 der Fig. 2, derenAbszisse die. Flächenerstreckung
des SchieferfePdes gemäß der Eig. r in derRichtu.ng der Wärmefront angibt, während
die Ordinate die Temperatur im Schiefergestein anzeigt. Wäh tuend der Aufheizung
wird das Schiefergestein auf eine der Linie 32 der Fig. 2 entsprechende Temperatur
- be.ispielswei e auf 240 bis 28o° -erhitzt, bei der noch keime wesentliche Schwelung
stattfindet.
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Die Schwelung wird innerhalb eines von den Linien 34 und 36 der Fig.
i und 2 begrenzten Bernie hes des Gesteins betrieben, das von dem Au.fheizungsbereidh
24, 26 dürcJh den Bereich 26, 34 getrennt ist. Während der Schwelung wird die Temperatur
des Gesteins in dem Bereich 34, 36,stufenweise gemäß der Kurve 38 auf die Endtemperatur
von 36obis42o° C gemäß derLinie4o der Fig.2 gesteigert. Nach Ablauf einer gewissen
Zeit erreicht dann die Aufheizungszone die Kurve 301 und die Schweil@zone die Kurve
381. Im Schiefergestein sind ailso zwei. getrennte Erhitzungszonen vorhanden, die
in derselben Richtung vorwärts wandern.
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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung
werden .dem Schiefergestein für die Aufheizung etwa zweii. Drittel der insgesamt
erforderlichen Wärmemenge zugeführt, während: das ,restliche Drittel dem Gestein
-für die Sehwelung zugeführt wird. Bei dieser Bemessung der zugeführten Wärmemenge
ist die Wandergeschwindigkeit der Sdhwe'lzone ungefähr gleich der Wandergeschwindigkeit
der Auflh:eizungszone. Während nun die Schwellung zweckmäßig kontinuierrlicherfolgt,
kann jedoch die Aufheizung periodisch erfolgen.
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Als Beispiel, sei ein Fall angenommen, bei dem die Au:fheizung nur
während der Hälfte der Zeitdauer vorgenommen wird, während welcher die Sdhwelung
stattfindet. Angenommen sei ferner, daß den einzelnen Heizkörpern jeweils die gleiche
Energiemenge zugeführt wird. Da für die Rufheizung insgesamt zwei Drittel der gesamten
Wärmeenergie ,benötigt werden, müssen während der Dauer der Awfheizung im Bereich
derselben viermal soviel Heizkörper eingeschaltet sein als in der Schwelzone. Die
Rufheizung wird ,also während der Dauer derselben mit doppelter Intensität betrieben.
Hieraus, ergibt sich aber, daß dann auch die Wandergeschwindigkeit der von den Linien
24 und 26 begrenzten -Aufheizungszone doppelt so groß ist wie die Wandergeschwindigkeit
der Schwelzone zwischen den Linien 34und 36. Zwischen den beiden Erhützungszonen
24, 26 und 34, 36, und zwar zwischen der Linie 26 und der Linie 34, befindet sich
eine Zone, deren Länge veränderlich ist und in der die Temperatur bereits eine Höhe
gemäß der Linie 32 .der. Fig. 2 erreicht hat. Die Temperatur in dem Bereich 26,_
34 befindet .sich also bereits auf einer Höhle, bei welcher mit der eigentlichen
Schwehing
begonnen werden kann. Wird die Aufheizung nun unterbrochen,
dann vermindert sich der Abstand zwischen den Linien 26 und 34., wird dieselbe wieder
in Gang gesetzt, dann vergrößert sieh der Abstand wieder.
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Die Unterbrechung der Wärmezufuhr zum Schiefergestein, sobald dasselbe
die Temperaturhöhe der Linie 32 erreicht hat, bringt mehrere sehr bedeutsame VorteiIe
mit sich. Während einem Heizkörper 16 Wärme zugeführt wird, nimmt das Schiefergestein
um ihn :herum. ungleiche Temperatur an, und zwar nimmt die Temperatur in der Richtung
vom Heizkörper weg -entsprechend etwa der Kurve d-2 der Fig. 3 ab. In dieser Figur
stellt die Abszisse .1.4 die Entfernung vom Heizkörper und die Ordinate -a.5 die
Temperaturhöhe dar. Nach der Abschaltung des elie drisdhen Stromes gleicht sich
die Temperatur im Gestein gemäß der Kurve 4.6 der Fig.3 jedoch aus. Im Schiefergestein
wird also während des Intervalls zwischen den beiden Erhitzungs,perioden ein gewisser
Wärmeausgleich innerhalb der erwärmten Gesteinspartie stattfinden.
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Schiefergestein hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr
o,ooooi. Bei Abständen von 2 bis 3 m zwischen den einzelnen Heizkörpern 16 treten
infolge der aus der Fig. 3 ersichtlichen beträchtlichen Temperaturunterschiede -
z. B. 200° C-sehr unterschiedlicheundverschiedenartige Wärmespannungen .m Gestein
auf. Durchweg ist jedoch eine Neigung zu eigner Wärmeausdehnung in waagerechter
Richtung vorhanden, die durch die allgemeine Erhitzung des Gesteins bedingt ist.
Infolge dieser Wärmeausdehnung schließen sich alle im Schiefergestein vorhandenen
lotrechten Risse und Spalten; somit wirkt die Aufhei.zuug abdi:chtend. Beim Ausgleich
der Temperatur während des Intervalls zwischen den beiden Erhitzungsperioden verbreitert
sich der Bereich des Schließens vorkommender Risse und Spalten. Die Unterbrechung
der Wärmezufuhr wirkt demzufolge in weitgehendem Ausmaß dtem Übelstand eines Entweichens
der bei der Schmelzung erzeugten Gase auf unerwünschten Wegen, nämil,ich durch die
Spalten und Risse im Gestein, entgegen.
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Die periodische Durchführung der Aufheizung gestattet es ferner, dieselbe
in solche Zeitabschnitte zu verlegen, in dienen .billige Kraft zur Erzeugung elektrischen
Stromes, z. B. Wasserkraft, in verhältnismäßigem Überfluß verfügbar ist. Damit ergibt
sich beinsichtlich der Aufhaizung, die zwei Drittel der insgesamt erforderlichen
Wärmemenge beansprucht, eine wirtsc'haftl'ich rationelle Ausnutzung vorhandener
natürlicher Energiequellen. Die Sc'hwelung hingegen, die nur ein Drittel der insgesamt
erforderlichen Wärmemenge beansprucht, wird unter verhältnismäßig gleichförmig r
Zufuhr elektrischer Kraft durchgeführt.
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Bei :der elektrothermischen Schieferölgewinnung werden einerseits
ölhaltige Gase gewonnen, aus denen das Öl durch Kondensation gewonnen wird, andererseits
fallen aber auch andere gasförmige Kohl'enwasserstoffe sowie Wasserstoffgas an,
die sich nur unter großen Schwierigkeiten bei niedrigen Temperaturen kondensieren
lassen und die deswegen nachstehend als schwer kondensierbare Gase bezeichnet werden.
Diese letzteren Gase machen durchweg etwa die Hälfte aliler erhaltenen Kohlenwasserstoffe
aus und haben ungefähr denselben effektiven Heizwert wie die flüssigen Kdhtenw asserstoffe.
Auf jedes Litergewonnenen Öls fäl'l't zugleich etwa i m3 Gas an. Dieses Gas ist
ein vorzüglicher Brennstoff und hat, richtig benutzt, einen bedeuten: den Handeliswert,
der dem des öles gleichkommt. Im
Hinblick auf die Verteilungs- und Absatzmöglichkeiten
ist das Gas jedoch weniger leicht verwertbar. Für eine Verteilung des Gases an eine
Vielzahl von Verbrauchern benötigt man ein umfangreiches Gasleitungsnetz, das erhebliche
Anlagekosten erfordert und .sich nicht nutzbringend betreiben läßt, wenn von einer
Erzeugungsstelle aus jährlich z. B. nur etwa Zoo ooo m3 Gas abzugeben wären. Soweit
im Gas vorhandene verwertbare Bestandteile nicht unmittelbar an Ort und Stelle ausgewertet
werden können, wie beispielsweise Schwefeil u. dgl., wird das Gas daher zweckmäßti:g
als Brennstoff in einer Kraftzentrale für die Erzeugung elektrischen Stromes verwertet.
Diese elektrische Energie kann erfindungsgemäß gegebenenfalls auch gemeinsam mit
anderer, z. B. mit Wasserkraft erzeugter elektrischer Energie für die Schwelurig
des Schiefergesteins verwendet werden.
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Die Schwelung fäßt sich also durch zweckmäßiges Einstellen der Temperatur,
auf weldhe das Gestein während der Aufheizung gebracht wird, und unter Ausnutzung
der anfallenden brennbaren Gase auch ohne Zufuhr von werkfremder Energie betreiben.
Die örtl.icihe gasbeheizte Kraftzentrale erhält auf diese Weise eine kontinuierliche
und, falls gewünscht, gleichmäßige Belastung, während, was besonders wichtig ist,
die Schwelurig einen gleichförmigen und ungestörten Verlauf erfährt, der völlig
unabhängig von den stark sehwankenden Stromverhältnissen einer Energieerzeugung
vor allem durch Wasserkraft ist. Es. kann jedoch auch die Schwelurig während verschiedener
Zeitabschnitte bzw. Jahreszeiten mit ungleicher Intensität betrieben werden, falls
dies wünschenswert erscheint.
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Die Erzeugungskosten des Schieferrohöles lassen ,h mittels des vorstehend
beschriebenen Vers ir fahrens einmal' durch die vorteilhafte Ausnutzung der in Wasserkraft-
oder sonstigen Fernkraftwerken zeitweise auftretenden Überschußenergien sowie andererseits
durch .die Verwendung der schwer kondensierbarenGase zur Durchführung der Schwelung
wesenbl:ich verringern. Darüber hinaus verhindert das Verfahren weitgehend das Entweichen
wertvoller bei der Schwelurig entstehender ölhaltiger und anderer Gase und gestaltet
auch somit die .Gewinnung von Schieferrdhöl auf elektrothermischem Wege wirtschaftlicher
als bisher'. Die Größe der meisten für eine Verschwelung igeeigneten Schiefervorkommen
gestattet es, @daß gemäß der Erfindung sehr große örtl'ic'he Kraftzentralen mit
den anfallenden schwer kondensierbaren Gasen beheizt werden können, die neben der
Erzeugung des für die Schwel:ung erforderlichen elektrischen Stromes
auch
zur Aufnahme von Spitzenbelastungen auf dem Fernkraftverteilungsnetz mit verfügbar
genalten werden können. Während der Aufnahme der Spitzenbelastungen auf dem Fernkraftverteilungsnetz
kann die COlherstelTung gegebenenfalls zeitweilig auch eingestellt werden.