bzw. Vollliquidation von letzten zementierten Rohrtouren ... - RDB eV

Bohrtechnik
Teil- bzw. Vollliquidation von letzten zementierten
Rohrtouren auf Kavernenspeicherbohrungen
Dipl.-Ing. Marcel Preißler, Mittenwalde*
Bohrungen auf Kavernenspeichern
(Bild 1)gehen im Gegensatz
zu Bohrungen für Aquiferspeicher
bzw. Gaslagerstätten in einen
künstlich geschaffenen Hohlraum
über.
Dieser Hohlraum soll nach
Beendigung der Solphase in
den meisten Fällen als Speicher
für Erdgas genutzt werden. Die
Rohrabsetzteufen, die Dimensionierung
der Futterrohre, die
Bohrlochinstallationen usw. sind
dementsprechend auszulegen
und müssen, besonders unter Beachtung
der häufigen Wechselbeanspruchungen
durch Ein- und
Ausspeisebetrieb den technischen
Sicherheitsanforderungen genügen.
Die technische Konzipierung
einer Kavernenbohrung erfolgt
in erster Linie unter der Vorgabe
eines maximalen Speicherdruckes
(Betriebsdruck) unter Berücksichtigung
der Gebirgsmechanik in
Verbindung mit einem möglichst
großen Förderquerschnitt. Für
den Speicherdruck gilt, je tiefer
sich der Rohrschuh der letzten
zementierten Rohrtour befindet,
desto höher kann der Betriebsdruck
einer Gasspeicherkaverne
gewählt werden. Gebirgsmechanisch
werden in Abhängigkeit von
der Salzstruktur Mindestanforderungen
an den Abstand des
Rohrschuhs zur Salzschwebe und
zum Kavernendach (entspricht
Kavernenhalslänge) gestellt.
Für den späteren Gasspeicherbetrieb
ist die Gasdichtheit der
letzten zementierten Rohrtour
*Dipl.-Ing. Marcel Preißler, Projektingenieur,
Bohren/Porenspeicherkomplettierung: UGS
GmbH Mittenwalde, Berliner Chaussee 2,
15749 Mittenwalde/Mark; Tel.: 033764/82390;
Fax: 033764/82260
e-mail: preissler@ugsnet.de
Vortrag vom 14.06.2007 anlässlich des 58.
Berg- und Hüttenmännischen Tages an der
TU Bergakademie Freiberg
1 Bohranlage Franks 900
Foto: M. Preißler
und die Qualität der Zementation,
das heißt der Zementanbindung
zwischen Rohrtour und Gebirge
(Salz), von besonderer Bedeutung.
Dies trifft insbesondere für
den Rohrschuhbereich zu.
Aufgrund fehlerhafter Zementationsdurchführungen
und durch den Solbetrieb
selbst können Beschädigungen an der Zementbindung
(Gebirge-Zementstein und
Zementstein-Rohr) der letzten zementierten
Rohrtouren entstehen. Während der
Zementierarbeiten kann ein unbeabsichtigtes
Überpumpen von Verdrängungsflüssigkeit
in den Ringraumbereich eine befriedigende
Zementanbindung verhindern.
Während des Solbetriebes entstehen
die nachträglichen Schädigungen häufig
durch Verlust der Schutzflüssigkeit, eines
„Blanket“ genannten Mediums, das die
unkontrollierte Aussolung der Kaverne
verhindern soll.
Das Blanket lagert sich dabei in durch
den Solprozess entstandenen Auskesselungen
ein. Auskesselungen werden
häufig durch nicht erkannte Kaliumchlorid-
Einlagerungen oder Bänke verursacht. Die
Kontrolle des Solprozesses wird dadurch
erschwert und die Entwicklung der Kaverne
kann sich nachteilig gestalten.
In Verbindung mit Bohrlochneigungen
und Konvergenzerscheinungen des Salzes
können folgende Probleme auftreten:
● Hintersolung der letzten zementierten
Rohrtour (Bild 2)
● Anhebung der Kavernenfirste (Bild 3)
und
● Auskesselungen im Kavernenhalsbereich.
Dadurch ergeben sich Einschränkungen
für den zukünftigen Gasspeicherbetrieb.
Tritt eine Hintersolung der letzten zementierten
Rohrtour auf oder das Kavernendach
befindet sich höher als geplant,
muss der Betriebsdruck der Kaverne minimiert
werden. Das hat zur Folge, dass geringere
Gasmengen gespeichert werden
können und so die Wirtschaftlichkeit des
Speichers eingeschränkt wird. Im ungünstigsten
Fall bleiben Kavernen ungenutzt
oder werden zweckentfremdet eingesetzt.
Aufgrund der derzeitigen Marktsituation
für die Gasspeicherung werden, um über
zusätzlichen Speicherraum zu verfügen,
seitens der Speicherbetreiber mittlerweile
Reparaturmaßnahmen an beschädigten
Kavernenbohrungen durchgeführt.
Schwerpunkt dieser Reparaturmaßnahmen
ist die Herstellung einer gasdichten
Zementbindung bis zum Rohrschuhbereich
der letzten zementierten Rohrtour. Unter
Berücksichtigung des Schädigungsgrades
der Zementation und der Wirtschaftlichkeit
sind im Weiteren 2 Varianten, Voll- und
Teilliquidation, der letzten zementierten
Rohrtour zu diskutieren.
Technische Lösungen
Vorbemerkungen
Die Voll- oder Teilliquidation der letzten
zementierten Rohrtour sowie die anschließende
Neuverrohrung bzw. der Linereinbau
über einer solegefüllten Kaverne beinhaltet
nachstehende Arbeitsschritte:
● Setzen einer temporären Absperrung
im Kavernenhals
● Schneiden und/oder Fräsen der letzten
zementierten Rohrtour
● Unterschneiden des offenen Bohrlochbereiches
● Rohreinbau bzw. Liner(Innenrohr-)einbau
● Zementation und Zementerhärtung
● Herstellen der Befahrbarkeit zur Kaverne
● Unterschneiden des Kavernenhalsbereiches
● Bohrlochmessung
● Gasdichtheitstest.
Die möglichen Probleme der einzelnen Arbeitsschritte
sowie die Vor- und Nachteile
der Voll- und Teilliquidation der letzten ze-
398 bergbau 9/2007

Bohrtechnik
eine dichte Absperrung nicht erreicht werden
kann. Gründe dafür sind:
● Oualität des Bohrloches
● Rauhigkeit/Unebenheit der
Bohrlochwand
● Auskesselungen und Störungen im
Setzbereich.
Dadurch liegen die Gummielemente des IBP
nicht vollständig an der Bohrlochwand an
und erlauben so einen Umstieg der Sole.
Erschwert wird das Einbringen der Absperrung,
wenn der potentielle Setzbereich
des IBP vollständig durch die letzte zementierte
Rohrtour überdeckt wird bzw. im Vorfeld
kein Kavernenhals vorhanden ist.
In diesem Falle muss der Setzbereich
erst freigelegt bzw. geschaffen werden.
Dies erfolgt durch Schneiden der Rohre
unterhalb der vorhandenen Zementanbindung.
Die Rohre sind dabei nach Möglichkeit
in die Kaverne abzustoßen. Es ist zu
beachten, dass sich hinter den Rohren Ansammlungen
von Blanketmedium (Stickstoff,
Dieselöl usw.) befinden können.
Daher ist, besonders bei gasförmigen
Blanketmedien, der Einsatz von Bohrlochsicherungseinrichtungen
unumgänglich.
Ist der Kavernenhals freigelegt, kann
durch entsprechende Bohrlochmessverfahren
über die weitere Vorgehensweise
entschieden werden.
Unter Umständen kann erst im Anschluss
daran die Detailplanung für die Reparaturmaßnahme
vorangetrieben werden.
2 Hintersolte Rohrtour Grafik: USG GmbH 3 Anhebung der Kavernenfirste
mentierten Rohrtour werden in den folgenden
Abschnitten detaillierter betrachtet.
Vorbereitende Maßnahmen
Unter Berücksichtigung der einführend
genannten Probleme (Hintersolung der
letzten zementierten Rohrtour, Anhebung
der Kavernenfirste und Auskesselungen
im Kavernenhals) stellt das Einbringen
einer temporären Absperrung im Bereich
des Kavernenhalses eine besondere Herausforderung
dar. Die temporäre Absperrung
(Bild 4) schließt den Druck der Kaverne
ein, ermöglicht einen Spülungsumlauf
und dient als Widerlager für die spätere
Zementation.
4 Temporäre Absperrung
Grafik: USG GmbH
Um einen Setzbereich für die Absperrung
festlegen zu können, ist der Kavernenhals
zu vermessen. Der Kavernenhals
ist dafür im Vorfeld durch Unterschneidearbeiten
(Vergrößerung des Bohrlochdurchmessers)
entsprechend zu konditionieren.
Als temporäre Absperrung hat sich in
der Praxis das Einbringen eines Inflatable
Bridge Plugs in Verbindung mit einer Kiesund
Zementbrücke bewährt (Bild 4).
Der Inflatable Bridge Plug (IBP) ist ein
„aufblasbares“ Dichtelement. Das Gummielement
expandiert durch Einpumpen
von Flüssigkeit und lehnt sich an die Bohrlochwand
an. Je nach Durchmesserverhältnissen
und Anforderungen kann der
Grafik: UGS GmbH
IBP nach Abschluss der Arbeiten wieder
geborgen werden oder muss in die Kaverne
abgestoßen (Lost in Hole) bzw. mittels
Meißeleinsatz zerbohrt werden. Der Setzbereich
des IBP muss einen gleichmäßigen
Bohrlochdurchmesser aufweisen, um
damit einen dichten Abschluss der Gummielemente
gegenüber der Bohrlochwand
zu ermöglichen. Der IBP ist für den zu
erwartenden Differenzdruck auszulegen
und muss nach Beendigung der Arbeiten
wieder einfach aus dem Bohrloch zu entfernen
sein.
Die Kiesbrücke dient dem Schutz des
IBP. Erreicht nach Aufbohren der Zementbrücke
der Meißel die Kiesschicht, so ist
dies durch Erhöhung des Bohrfortschrittes
bzw. durch Abfallen der Hakenlast erkennbar.
Der IBP kann so einfach lokalisiert
und geborgen werden.
Die Zementbrücke dient als eigentliche
Verankerung gegenüber dem Gebirge.
Gelegentlich zeigt sich jedoch, dass
Vollliquidation
Die konsequenteste Lösung für die Wiederherstellung
des für den Speicherbetrieb
notwendigen technischen Zustandes einer
Kavernenbohrung ist die vollständige Liquidation
der letzten zementierten Rohrtour
und das anschließende Einbringen
und Zementieren einer neuen Rohrtour
(Bild 6).
Je nach Untertagesituation werden umfangreiche
Fräs- und Rohrschneidearbeiten
notwendig.
Fräsen von langen Rohrtoursektionen
sind mittlerweile Standardarbeiten. Trotz
allem sind detaillierte Vorplanungen hinsichtlich
der Werkzeugauswahl, der Spülungszusammensetzung
und der Zusammensetzung
der Spülungsreinigungskette
notwendig.
Bewährt hat sich in jüngster Vergangenheit
der Einsatz von Spanabtrennungsanlagen.
Dadurch wurden zeit- und
personalaufwendige Reinigungsarbeiten
am Spülungsreinigungssystem enorm minimiert.
Gleichzeitig kann damit die Form und
Menge der anfallenden Späne besser
kontrolliert werden, wodurch genauere
Rückschlüsse auf die Fräsarbeiten möglich
sind [2].
Ist die Rohrtour vollständig beseitigt,
so wird der gesamte offene Bohrlochabschnitt
unterschnitten.
Nachfolgend wird die gasdicht ausgeführte
letzte zementierte Rohrtour neu
bis in die geplante Rohrschuhteufe eingebracht
und zementiert. Nach der Zementerhärtung
wird der Rohrschuh aufgebohrt,
die Zement- und Kiesbrücke entfernt und
der Inflatable Bridge Plug geborgen bzw.
in die Kaverne abgestoßen.
Der Durchmesser der letzten zementierten
Rohrtour entspricht weiter den
ursprünglichen Planungen. Die abschließende
Komplettierung kann „klassisch“
mit Produktionspacker (Abdichtung des
Ringraums zur Kaverne) und Tail Pipe
(Endrohr) erfolgen. Der Produktionspacker
wird so nah wie möglich am Rohrschuh
der letzten zementierten Rohrtour
bergbau 9/2007 399

Bohrtechnik
eingebracht. Die Förderrohrtour wird über
eine Ratch-Latch-Seal-Unit (Dichteinheit)
mit dem Packer verbunden.
Nachteilig gestaltet sich bei dieser Variante
der Zeit- und Kostenfaktor. Das Herausfräsen
von Rohrtouren kann je nach
Frässtrecke mehrere Monate in Anspruch
nehmen. Aufgrund dessen wird in einigen
Fällen eine Teilliquidierung beschädigter
Rohrtouren angestrebt.
Teilliquidation
Ziel der Teilliquidierung ist es, nur den
beschädigten oder unzureichend zementierten
Teil der Rohrtour zu entfernen.
Die Rohrschuhteufe wird anschließend
durch Einbau eines Liners neu eingestellt
(Bild 6).
Das Schneiden und Entfernen der Rohre
mit schlechter Zementanbindung erfolgt
idealerweise bereits mit den vorbereitenden
Maßnahmen zum Einbringen einer
temporären Absperrung.
Durch Einbringen der Linerrohrtour
werden der offene Bohrlochbereich sowie
weitere beschädigte Rohrbereiche der alten
Rohrtour überdeckt. Für die Neueinstellung
der Rohrschuhteufe des Liners
sind die gebirgsmechanischen Vorgaben
zu beachten. Die Überlappung des Liners
im Casingbereich hat nach W.E.G. für
Durchmesser größer 7“ mindestens 100 m
zu betragen. Kleinere Überlappungssektionen
wurden jedoch schon genehmigt.
Ist die Linerrohrtour eingebaut, so wird
der Linerhanger in der vorherigen Rohrtour
verankert, der Zement verpumpt und
abschließend das Packerelement, dienend
als zusätzlich dichtende Absperrung
gegenüber dem Ringraum, gesetzt. Nach
Zementerhärtung erfolgt die Statusermittlung
der Rohrtour, und die Kavernenbohrung
kann für den Gasbetrieb komplettiert
werden.
Durch den Einbau eines Liners werden
jedoch die ursprünglichen Durchmesserverhältnisse
verändert. Dies hat zur Folge,
dass ein Einbau einer „klassischen Komplettierung“
(Bild 7) zu einer Verringerung
des Förderquerschnittes führt und damit
mit einer Verringerung der maximalen
Aus- und Einspeiserate einhergeht.
Um die ursprünglichen Durchmesserverhältnisse
realisieren zu können, wird
versucht, den Liner in die Komplettierung
mit einzubeziehen. Lange Linersektionen,
gleichzeitig dienend als Gaskomplettierung,
können gegebenenfalls einer gesonderten
Genehmigungsfähigkeit unterliegen.
Es bieten sich folgende Varianten
an:
● Liner mit Linerkopfpacker in Kombination
mit einem Produktionspacker mit
aktivierbarer Tail-Pipe-Dichtung (Bild 8)
● Liner mit Linerkopfpacker und integrierter
Ratch-Latch-Seal-Unit (Bild 9).
5 Vollliquidation Grafik: UGS GmbH
6 Teilliquidation Grafik: UGS GmbH
7 Liner mit Produktionspacker
Grafik: UGS GmbH
Liner mit Kopfpacker und
Produktionspacker
Bei dieser Variante wird das Tail Pipe
der Komplettierung in den Linerkopf eingefahren
und dort abgedichtet. In den
Liner selbst werden die notwendigen Landenippel
integriert (Bild 8). Der Produktionspacker
wird oberhalb des Linerkopfes
gesetzt. Diese Variante bedarf besonderer
Sorgfalt während und nach der Zementation.
Während der Zementation sind
Zementanhaftungen im Landenippelprofil
und in der Dichtfläche für das Tail Pipe zu
vermeiden. Beim Aufbohren des Zementes
kann das Landenippelprofil beschädigt
werden. Das kann dazu führen, dass im
Landenippel keine Setzvorgänge mehr
durchführbar sind bzw. das Landenippel
keinen dichten Abschluss gewährleisten
kann. Der Produktionspacker befindet sich
zudem weiter vom Rohrschuh entfernt.
Die Förderrohrtour wird, wie bei der „klassischen
Komplettierung“, in die Ratch-
Latch-Seal-Unit eingefahren.
Liner mit Linerkopfpacker und
integrierter Ratch-Latch-Seal-Unit
Bei dieser Variante wird auf den Produktionspacker
verzichtet. Die Ratch-Latch-
Seal-Unit wird in den Linerkopf integriert.
Das Einbringen einer Linerkomplettierung
mit in den Linerkopfpacker integrierter
Ratch-Latch-Seal-Unit stellt aufgrund des
fehlenden Produktionspackers eine Möglichkeit
zur Reduzierung der Kosten dar.
Die Förderrohrtour wird, wie gehabt, in die
in den Liner integrierte Ratch-Latch-Seal-
Unit eingefahren (Bild 9).
Referenzen für diese Variante auf Kavernenbohrungen
sind zum jetzigen Zeitpunkt
nicht bekannt. Seitens UGS wird
derzeit eine Rekomplettierung in dieser
Ausführung geplant und demnächst
durchgeführt.
Im Allgemeinen entsprechen Teilliquidierungen
von Rohrtouren gegenüber Vollliquidierungen
einer Reparatur der Kavernenbohrung.
Soll der Liner Bestandteil der Gaskomplettierung
werden, so muss die Komplettierung
schon im Vorfeld der Reparaturplanungen
feststehen.
Der Vorteil gegenüber der Vollliquidation
liegt im geringeren Zeit- und damit im
geringeren Kostenbedarf.
Ausblick
Aufgrund der derzeitigen Marktsituation
für die Gasspeicherung werden seitens der
Speicherbetreiber immer häufiger Reparaturmaßnahmen
an beschädigten Kavernenbohrungen
ausgeführt. Die Wiederzuführung
einer Kavernenbohrung für den Speicherbetrieb
erfolgt dabei unter Berücksichtigung der
Vorgaben (Gebirgsmechanik, Speicherdruck,
400 bergbau 9/2007

Bohrtechnik
8 Liner mit Linerkopfpacker und Produktionspacker
Grafik: UGS GmbH
Ein- und Ausspeiserate) für den späteren
Betrieb der Kaverne.Gebirgsmechanisch
werden in Abhängigkeit der Salzstruktur
Mindestanforderungen für den Abstand
des Rohrschuhs zur Salzschwebe und
9 Linerkopf mit integrierter Ratch Latch Seal
Unit
Grafik: UGS GmbH
zum Kavernendach gestellt. Für den Speicherdruck
gilt, je tiefer sich der Rohrschuh
der letzten zementierten Rohrtour befindet,
desto höher kann der Betriebsdruck
einer Gasspeicherkaverne gewählt werden.
Vorbereitend muss die Kavernenbohrung
gegenüber der Kaverne abgesperrt
werden. Der Setzbereich der temporären
Absperrung ist entsprechend zu ermitteln
und vorzubereiten.
Die Vollliquidation von Rohrtouren ist die
konsequenteste Variante und kann unabhängig
von der späteren Komplettierung
geplant werden. Sie beinhaltet das vollständige
Herausfräsen der beschädigten
Rohrtour und das Neueinbringen der Rohrtour
mit anschließender Zementation.
Dagegen entspricht die Teilliquidation
von Rohren mit anschließendem Einbau
von Linern einer Reparatur. Die bestehende
Rohrtour wird nur im Rohrschuhbereich
entfernt. In die Planung dieser Variante ist
das spätere Komplettierungskonzept mit
zu integrieren.
Die Entscheidung, ob eine Voll- oder
Teilliquidation angestrebt wird, hängt maßgeblich
von den wirtschaftlichen Gesichtspunkten
ab.
Literaratur
[1] DIN EN 1918 „Untergrundspeicherung von
Gas“; 1998
[2] Belohlavek, Bungert, Schulz; „Wirtschaftliches
Fräsen langer Futterrohrstrecken als Alternative
zu Neubohrungen“; DGMK Frühjahrstagung
2005
Bohren, Workover und Solen
Die sichere, kostengünstige und
umweltfreundliche Bevorratung
von Energieträgern, Rohstoffen
und chemischen Produkten in
tiefen geologischen Formati onen
ist das Spezialgebiet der
Untergrundspeicher- und
Geotechnologie-Systeme GmbH.
Herausragendes Kennzeichen
unseres traditionsreichen
Ingenieur- und Serviceunternehmens
ist, dass unter einem Dach
alle Geologie-, Engineering-,
Bohr-, Workover- und
Solkapazitäten vereint sind, die
für die durch gängige Abwicklung
von Untergrundspeicher-Projekten
erforderlich sind - von ersten
Voruntersuchungen bis zur
Fertigstellung und Betriebsführung
schlüsselfertiger Anlagen.
Die Errichtung und der Betrieb von Untergrundspeichern
sind undenkbar ohne
Serviceleistungen aus dem Bereich Bohren,
Workover und Solen.
In der Praxis bewährte Bohrmannschaften,
geleitet von erfahrenen Bohrmeistern
und unterstützt von kompeten ten Tiefbohringenieuren,
Messtechnikern und Instandhaltungspersonal,
sind spezialisiert auf
alle spezifischen untertägigen Leistungen,
die für die Errichtung und In standhaltung
eines Untergrundspeichers erforderlich
sind.
Dabei kann aus erster Hand auf die
Kenntnisse und Er fahrungen in den Engineering-Fachbereichen
Speicher - und
Geotechnik sowie Technik und Technologie
unter Tage zurückgegriffen werden.
Im Gegenzug fließen die in der Feldpraxis
gesammelten Erfahrungen ohne
Umwege in die Ingenieurarbeit ein - ein
Vorteil, der bislang einzigartig in Deutschland
ist und nicht zuletzt den Auftraggebern
zugute kommt. Die Gewährleistung
von Gesundheits- und Arbeitsschutz sowie
die Berücksichtigung der Belange von
Qualität und Umweltschutz haben in der
Tätigkeit des Service bereiches einen hohen
Stellenwert. Dies findet auch seinen
Ausdruck in der SCC- Zertifizierung (Safety
Certificate for Contractors) sowie in
der Mitgliedschaft im IADC (International
Association of Drilling Contractors) und
ist ebenfalls von direktem Nutzen für die
Kunden.
Das im Service-Bereich tätige Personal
ist in hohem Maße mit den spezifischen
Anforderungen der Untergrundspeicherung
vertraut und auf unterschiedlichen
Positionen ein setzbar. Das ermöglicht - im
Interesse der Kunden - einen effizienten
Personaleinsatz und garantiert hohe Flexibilität.
Zur Erfüllung seiner Aufgaben verfügt
der Service-Bereich über 6 fahrbare
Bohr- und Workover-Anlagen, Sol- und
Gaserstbefüllungsstationen, Messfahrzeuge
zur Durch führung UGS - spezifischer
Messleistungen, Werkstätten für die
Instandhaltung sowie Lagerflächen für die
Vorhaltung von Untertage-Ausrüstungen
und -Materialien einschließlich des dazugehörigen
Personals.
Mit dieser Ausstattung können alle wesentlichen
aus der Untergrundspeicherung
erwachsenden untertägigen Aufgaben abgedeckt
werden. Spezialausrüstungenwerden
- wenn erforderlich - angemietet.
Informationen:
UGS GmbH,
Berliner Chaussee 2,
15794 Mittenwalde/Mark,
www.ugsnet.de
bergbau 9/2007 401