THEORETISCHE UND EXPERIMENTELLE GRUNDLAGEN...

Freiberger Forschungsforum 66. Berg- und Hüttenmännischer Tag vom 18. bis 19. Juni 2015

KOLLOQUIUM 4 – „Bohrlochintegrität – Voraussetzung für erfolgreiche Bohr-, Förder- und Speichertechnik“

Abdel Haq, Amer (UGS Untergrundspeicher- und Geotechnologie-Systeme GmbH)

THEORETISCHE UND EXPERIMENTELLE GRUNDLAGEN FÜR EIN NEUES TESTVERFAHREN ZUM NACHWEIS DER TECHNISCHEN INTEGRITÄT VON GASKAVERNEN WÄHREND DES SPEI-CHERBETRIEBES

Da die geografische Verteilung des natürlichen Vorkommens von Erdöl und Erdgas weltweit mit den Energieverbraucherländern nicht übereinstimmt, ist die Sicherung der kontinuierli-chen Energieversorgung insbesondere für die Industrieländer von großer Bedeutung. Aus diesem Grund wurden Mitte der 60er-Jahre die ersten Salzkavernen für die Speicherung von Erdöl und Erdgas zur Sicherung einer stabilen Energieversorgung errichtet oder umgerüstet.

Im Jahr 2012 lag der weltweite Erdgasverbrauch bei etwa 3,5 ∙ 103 Milliarden m3 i. N. Die Prognose für das Jahr 2030 geht von etwa 5 bis 5,5 ∙ 103 Milliarden m3 i. N. aus. Aus die-sem Grund wird ersichtlich, dass die Notwendigkeit, Erdgasspeicher zur Sicherung der konti-nuierlichen Energieversorgung auszubauen und weiterhin zu entwickeln, immer mehr an Bedeutung gewinnt. Mit dem wachsenden Bedarf an Speicherkapazität steigen auch die si-cherheitstechnischen und wirtschaftlichen Anforderungen an die Gasspeicherkavernen, so-dass trotz der rasanten Wachstums- und Alterungsprozesse sowohl die Sicherheit von Mensch und Umwelt als auch die Wirtschaftlichkeit dieser Speicherart gewährleistet werden muss.

Die natürliche Dichtheit des Steinsalzes ist eine wichtige Voraussetzung für eine technisch sichere und wirtschaftlich rentable Speicherung von Erdöl und Erdgas. Das Steinsalz ist durch seine petrophysikalischen und geohydrodynamischen Eigenschaften sowohl hydraulisch als auch pneumatisch als dicht anzusehen. Die Permeabilität des Steinsalzes ist sehr gering und liegt zwischen 10−21 m2 und 10−23 m2.

Durch die Langzeitbelastung der Kaverneninstallation (Ein- und Ausspeisebetrieb) können signifikante technische und gebirgsmechanische Änderungen in der Zugangsbohrung bezie-hungsweise in der bohrlochnahen Zone stattfinden. Bis zum heutigen Tag wird der techni-sche und gebirgsmechanische Zustand eines gasgefüllten Kavernenspeichers nur durch die vorhandenen technischen Angaben der Zugangsbohrung beziehungsweise durch gebirgsme-chanische Rechenmodelle in Abhängigkeit von der Betriebsart und der Betriebsdauer simu-liert und bewertet. Dies lässt natürlich Interpretationsvarianzen und entsprechende Ergeb-nisunschärfen zu, die letztendlich bei der Bewertung des technischen Bohrungszustandes große Sicherheitsmargen erfordern. Aus den oben genannten Gründen ergibt sich die Not-wendigkeit, die Gasdichtheit dieses Kavernenspeichers durch geeignete Testmethoden wie-derholt zu überprüfen, sodass die technische Integrität und somit die technische Sicherheit nach längerer Betriebszeit erneut nachgewiesen werden kann.

Freiberger Forschungsforum 66. Berg- und Hüttenmännischer Tag vom 18. bis 19. Juni 2015

KOLLOQUIUM 4 – „Bohrlochintegrität – Voraussetzung für erfolgreiche Bohr-, Förder- und Speichertechnik“

Bei allen konventionellen Testverfahren und -technologien wird immer vorausgesetzt, dass die Kavernenbohrung beziehungsweise die Kaverne zur Zeit der Testdurchführung noch mit Sole gefüllt ist. Dadurch kann der zu testende Bereich mithilfe des Testgases genau definiert werden. Aufgrund des Aggregatzustandes und somit des extremen Dichteunterschiedes wird die Trennung zwischen dem Testgas und der in der Kaverne befindlichen Sole ermöglicht. Somit kann eine Massenbilanz des Testgases und dementsprechend eine Verlustrate ermit-telt werden, ohne Rücksicht auf Ergebnisverfälschung durch unkontrollierte Vermischung des Testgases mit der in der Kaverne befindlichen Sole.

Das Ziel der durchgeführten Untersuchungen bestand darin, mithilfe von Versuchsmodellen und Modellrechnungen die theoretischen und experimentellen Grundlagen für ein neues Testverfahren zu schaffen, das den Nachweis der Gasdichtheit einer Gaskavernenbohrung während des Speicherbetriebes ermöglicht.

66. Berg- und Hüttenmännischer Tag, Freiberger Forschungsforum, 18. und 19. Juni 2015

Theoretische und experimentelle Grundlagen für ein neues Testverfahren zum Nachweis der technischen Integrität von

Gaskavernen während des Speicherbetriebes

Dr.-Ing. Amer Abdel Haq Untergrundspeicher und Geotechnologie-Systeme GmbH Berliner Chaussee 2 15749 Mittenwalde/Mark

© Untergrundspeicher- und Geotechnologie-Systeme GmbH

Aufgabenstellung und Ziele

Festlegung der theoretischen und experimentellen Grundlagen für ein neues Testverfahren, das den Nachweis der Gasdichtheit einer Kavernenbohrung während des Speicherbetriebes ermöglicht

2


Beschreibung des neuen Testverfahrens

CH

H

H

H

He

N2

NaCl

Konventionelle Testverfahren

Neues Testverfahren

3

mkg/1,250 ρ 3N2 =

mkg/1.200 ρ 3NaCl =

mkg/ 0,1785ρ 3He =

mkg/0,7200 ρ 3CH4 =


Beschreibung des neuen Testverfahrens

mmm BeginnEndeVerlust -=

tmm VerlustVerlust Δ=

C

HH

H H

He

4


Diffusion

He

C HH

H

H

C

HH

H H

C

HH

H H

HeC

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

HeHeHeC

HH

H H

HeHeC

HH

H H

HeHeHeHe

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

HeHeHeHeHeHeHeHeHeHeHeHeHe

C

HH

H H

HeHeHeHeHe HeHeHeHe

Diff

usio

n

HeHe

C

HH

H H

C

HH

H H

5


Konvektion

He

C HH

H

H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

HeHeHeHeHeHeHe

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

HeHeHeHeHeHeHeHeHeHeHeHeHe

HeHeHeHeHe HeHeHeHeHeHe HeHe

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

C

HH

H H

HeHeHeHeHeHe

6


Numerische Modellierung Reale Kavernengeometrie

min 15=t h 1,5=t

7


Experimentelle Untersuchung

PIPIC

PIC

PIC

FIC

PI FIC QIR

QIRFICPI

FIC QIR

QIR

PIC

FIC

100 1 bar bar

200 100 bar bar

DP 100

Regelventil

Kugelhahn

VentilDruckregelung

Mengenregelung

100 1 bar bar

100 1 bar bar

200 100 bar bar

200 100 bar bar

ZuleitungEntlastungsleitungPermanententlastungsleitung

Legende

Gaskonzentrations-messung

Sicherheits-abblaseventil

Ausblas-einrichtungen

FlaschenbatterieStickstoff

FlaschenbatterieMethan

FlaschenbatterieHelium

S12

S5

S4S1

He

CH4

N2

Versuchsaufbau

1. Testgase

2. Druckregler und V-System

3. Versuchskörper

4. Konzentrations- messung

9


Versuchsreihe 3: Hemmung der konvektionsbedingten Vermischung

CH4

Konvektionszellen

Transportweg

Aluminiumschaum-ScheibePVC-Scheibe

Rohrschuh

Konvektionszellen

He

y

z


11


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

S12-He S5-He S4-He S1-He

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

S12-He S5-He S4-He S1-He

C [1 = 100 %]

t [h] t [h]

C [1 = 100 %]

K 298,15=T OK 299,65=T U

K 298,15=T OK 299,65=T U

K 1,5=ΔTbar 90=p

Ohne Konvektionssperre Mit Konvektionssperre S12

S5

S4S1


12


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 20 40 60

K 298,15=T OK 299,65=T U

bar 90 =p

t [h]

C [1

= 1

00 %

]

Diffusionskoeffizienten mit Konvektionssperre K 1,5=TΔ min


14


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

02468

10121416182022242628303234363840

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

He-

Volu

men

ante

il [%

]

Druc

k [b

ar];

Kum

ulie

rte

He-

Men

ge [m

³]; T

empe

ratu

r [°C

]

Zeit [min]Kumulierte He-Menge (mit Verlust) Systemdruck (mit Verlust)Kumulierte He-Menge (ohne Verlust) Systemdruck (ohne Verlust)Delta kumulierte He-Menge Temperatur (ohne Verlust)Temperatur (mit Verlust) Volumenkonzentration He (mit Verlust)Volumenkonzentration He (ohne Verlust)

∆V He 2,1 m³


15


Zusammenfassung und Schlussfolgerung

Die Erstellung einer Massenbilanz des Testgases (He) bei Vorhandensein eines gasförmigen Speichermediums (CH4) unter den thermodynamischen

und geometrischen Bedingungen einer Gasspeicherbohrung konnte mit einer relativen Abweichung von 5 % messtechnisch

nachgewiesen werden.

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