Устройство для добычи in-situ битума или сверхтяжелой нефти
Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к устройствам, предназначенным для добычи битума или сверхтяжелой нефти из месторождений нефтеносного песка. Согласно изобретению устройство представляет собой вытянутую проводящую петлю (10, 15, 20) выполненную с возможностью питания электрической мощностью высокочастотного генератора на заданной глубине месторождения. При этом значение индуктивности проводящей петли (10, 15, 20) компенсируется соответственно на отдельных участках или непрерывно. Предпочтительным образом один из проводников (10, 15) проводящей петли (10, 15, 20) может быть расположен, в основном, вертикально над транспортной трубой (102). Моделирование показало, что установка для добычи может эксплуатироваться исключительно с устройством для индуктивного нагрева (так называемый метод EMGD). За счет воздействия тепловой энергии в месторождениях достигается снижение вязкости битума или сверхтяжелой нефти. 41 з.п. ф-лы, 19 ил.
Изобретение относится к устройству для добычи in-situ битума или сверхтяжелой нефти из месторождений нефтеносного песка в качестве резервуара, причем резервуар подвергается воздействию тепловой энергии для снижения вязкости имеющегося в нефтеносном песке битума или сверхтяжелой нефти, для чего предусмотрено электрическое/электромагнитное нагревательное устройство.
Близкие к поверхности месторождения нефтеносного песка могут, при необходимости, разрабатываться открытым способом, причем затем должна осуществляться подготовка для отделения нефти. Известны также способы in-situ, когда за счет подачи растворителей или разжижителей и/или, с другой стороны, за счет нагрева или расплавления сверхтяжелой нефти или битума она/он становится текучей/текучим уже в резервуаре. Способы in-situ подходят, в частности, для удаленных от поверхности резервуаров.
Наиболее распространенным и применяемым способом in-situ добычи битума является способ SAGD (Steam Assisted Gravity Drainage - парогравитационное дренирование). При этом водяной пар, который может быть добавлен в растворитель, нагнетается под высоким давлением по трубе, проходящей горизонтально внутри резервуара. Нагретый, расплавленный и отделенный от песка или породы битум просачивается ко второй, лежащей глубже примерно на 5 м трубе, по которой происходит откачка разжиженного битума. Водяной пар должен выполнять при этом несколько задач одновременно, а именно подачу энергии нагрева для разжижения, отделение от песка и создание давления в резервуаре, чтобы, с одной стороны, геомеханическим путем сделать его проницаемым для транспортировки битума, а, с другой стороны, обеспечить откачку битума без дополнительных насосов.
Способ SAGD начинается с нагрева обеих труб паром обычно в течение 3 месяцев, чтобы сначала как можно быстрее разжижить битум в пространстве между трубами. Затем осуществляются подача пара в резервуар по верхней трубе и откачка по нижней трубе.
Из US 2006/0151166 А1 известен способ резистивного нагрева месторождения тяжелой нефти, при котором для снижения вязкости тяжелой нефти предусмотрен инструмент с электродами для трехфазного резистивного нагрева месторождения. В более ранних, предварительно не опубликованных заявках заявителя AZ 102007008292.6 «Устройство и способ добычи in-situ углеводородсодержащего вещества из подземного месторождения» и AZ 102007036832.3 «Устройство для добычи in-situ углеводородсодержащего вещества» уже предлагались способы электрического/электромагнитного нагрева для добычи in-situ битума и/или сверхтяжелой нефти, при которых происходит, в частности, индуктивный нагрев резервуара.
Исходя из уровня техники, задачей изобретения является создание устройства подходящей конструкции для электрического/электромагнитного нагрева резервуара месторождения нефтеносного песка.
Эта задача в устройстве для добычи in-situ битума или сверхтяжелой нефти из месторождений нефтеносного песка в качестве резервуара, причем резервуар подвергают воздействию тепловой энергии для снижения вязкости имеющегося в нефтеносном песке битума или сверхтяжелой нефти, для чего предусмотрены, по меньшей мере, одно электрическое/электромагнитное нагревательное устройство и транспортная труба для отвода разжиженного битума или сверхтяжелой нефти, согласно изобретению решается тем, что на заданной глубине резервуара параллельно и в горизонтальном направлении проложены, по меньшей мере, два линейно вытянутых проводника, причем концы проводников электропроводящим образом соединены между собой внутри или снаружи резервуара и образуют сообща проводящую петлю, которая реализует заданное комплексное сопротивление и снаружи резервуара подключена к внешнему генератору переменного тока для вырабатывания электрической мощности, причем индуктивность проводящей петли компенсирована на отдельных участках.
Дополнительно к снабжаемым электрической мощностью проводникам предусмотрена нагнетательная труба для нагрева резервуара водяным паром.
Проводники проложены на одинаковой глубине резервуара рядом друг с другом на заданном расстоянии, предпочтительно 5-60 м.
Проводники могут быть проложены на разной глубине резервуара друг над другом на заданном расстоянии, предпочтительно 5-60 м.
Компенсация индуктивностей Li на отдельных участках линии осуществлена за счет последовательных емкостей Ci.
Проводники имеют круглое сечение с наружным диаметром 10-50 см (0,1-0,5 м).
Проводники выполнены трубчатыми, причем каждый проводник снабжен конденсаторами Ci для прямого и обратного проводников.
Предусмотрена изолирующая труба для трубчатых проводников, в которой на отдельных участках друг против друга расположены трубчатый наружный электрод и трубчатый внутренний электрод, связанные между собой соответственно диэлектриком.
Для повышения емкости или электрической прочности параллельно могут быть включены несколько конденсаторных электродов.
Диэлектрик состоит из керамики, например алюмосиликатов Al6Si2O13, или из композита на основе тефлона, стекловолокна и керамики.
Охватывающая электроды труба содержит слой изоляции или полностью состоит из изолятора.
Предусмотрены средства для подачи электролита для трубчатых проводников из наружного электрода, диэлектрика и внутреннего электрода.
Электролит проходит внутри проводника.
Электролит на отдельных участках может быть выведен из внутренней трубы.
Предусмотрены выходные отверстия с клапанами для вывода электролита из внутренней трубы.
Клапаны выполнены с возможностью регулирования, в частности открывания и закрывания, по времени и в пространстве на отдельных участках, т.е. независимо друг от друга.
Отрегулированная проводящая петля работает от высокочастотного генератора мощности при резонансной частоте.
В качестве высокочастотного генератора мощности использовано силовое электронное рабочее средство, выполненное одно- или многофазным, предпочтительно трехфазным.
Высокочастотный генератор мощности образован преобразователем с управляемой частотой.
Предусмотрен высокочастотный генератор мощности, выходная частота которого согласована с резонансной частотой компенсированной проводящей петли.
Высокочастотный генератор мощности расположен снаружи резервуара в закрытом контейнере с возможностью подключения в нем снаружи резервуара к проводящей петле.
Компенсированная проводящая петля выполнена многофазной, например трехфазной.
Генератор мощности в виде высокочастотного генератора выполнен с возможностью вырабатывания электрической мощности до 2500 кВт при 5-200 кГц, например 450 кВт при 50 кГц.
Генератор мощности состоит из параллельной схемы из нескольких преобразователей тока, за счет чего достигается максимально высокая выходная мощность.
Может быть использован генератор мощности, состоящий из последовательной схемы из нескольких преобразователей тока, за счет чего также достигается максимально высокая выходная мощность.
Электрическая мощность генератора мощности вырабатывается за счет смещенного тактирования отдельных инверторов, чем достигается высокая выходная мощность при индивидуально низкой коммутационной частоте.
Инверторы выполнены из силовых полупроводников.
Устройство согласно изобретению содержит выходной трансформатор для согласования напряжения.
Преобразователь тока с преобладающими свойствами источника тока выполнен с возможностью преобразования своего выходного сигнала для обеспечения, при необходимости, преобладания свойств источника напряжения в независимый от нагрузки сигнал напряжения.
Преобразователь тока с преобладающими свойствами источника напряжения выполнен с возможностью преобразования своего выходного сигнала для обеспечения, при необходимости, преобладания свойств источника тока в независимый от нагрузки сигнал тока.
Один из проводников проводящей петли расположен по существу вертикально над транспортной трубой.
Отклонение проводящей петли от вертикального расположения над транспортной трубой меньше расстояния d2 от транспортной трубы.
Боковое отклонение проводящей петли от вертикального расположения над транспортной трубой составляет менее 10 м.
Боковое отклонение проводящей петли от вертикального расположения над транспортной трубой предпочтительно составляет менее 5 м.
Проводники проложены на разной глубине резервуара с боковым смещением на заданном расстоянии, преимущественно 5-60 м.
Проводники могут быть проложены на разной глубине резервуара друг над другом без бокового смещения на заданном расстоянии, преимущественно 5-60 м.
Один индуктор (индуктивный частичный проводник) служит прямым проводником, а другой индуктор - обратным проводником, причем прямой и обратный проводники проводят ток одинаковой силы с фазовым сдвигом 180°.
Один индуктор может служить прямым проводником, а два индуктора служат при этом обратными проводниками, причем каждый из обратных проводников проводит ток половинной силы с фазовым сдвигом 180° по отношению к току прямого проводника.
Согласно другому варианту выполнения один индуктор служит прямым проводником, и более двух индукторов служат обратными проводниками, причем фазовый сдвиг токов прямого проводника по отношению ко всем обратным проводникам составляет 180°, а сумма токов обратных линий соответствует току прямой линии.
Может быть предусмотрено, что три индуктора несут одинаковую силу тока, а фазовый сдвиг между ними составляет соответственно 120°.
Три индуктора со стороны входа питаются от генератора трехфазного тока, а со стороны выхода соединены в нейтрали.
Три индуктора могут нести токи разной силы и иметь иные, нежели 120°, фазовые сдвиги, причем силы тока и фазовые сдвиги выбраны с возможностью соединения с нейтралью.
Объектом изобретения является горнопромышленное применение резонансно согласованного колебательного контура для индуктивного нагрева, обозначенного как резервуар месторождения нефтеносного песка под землей на глубине до нескольких сотен метров в процессе добычи нефти in-situ. Предложенное устройство содержит для этого известный сам по себе внешний генератор переменного тока для вырабатывания электрической мощности, служащий для запитывания проводящей петли. Последняя образована двумя или более проводниками, которые внутри или снаружи резервуара электропроводящим образом соединены между собой. Индуктивность проводящей петли компенсирована на отдельных участках. Таким образом, предотвращена нежелательная реактивная мощность. Запитанная переменным током проводящая петля создает переменное магнитное поле в резервуаре, за счет которого в резервуаре вырабатываются вихревые токи, приводящие к его нагреву.
В изобретении следует различать два индуктивных эффекта:
- общая индуктивность проводящей петли, которая образована преимущественно за счет нежелательной собственной индуктивности проводящей петли и должна быть компенсирована, чтобы предотвратить сильное падение напряжения вдоль линий и не требовать от генератора реактивной мощности;
- желательная взаимная индуктивность с резервуаром, которая обеспечивает течение тока и тем самым нагрев резервуара.
С помощью предложенного устройства возможен нагрев тяжелой нефти вязкостью, например, 5-15°API при окружающих температурах 10-280°С. Благодаря этому нефть в гравитационном за счет повышения текучести процессе может течь к нижнему непроницаемому граничному слою резервуара и стекать там по известным дренажным эксплуатационным трубам, после чего она посредством подъемных насосов качается на поверхность Земли или за счет давления созданного в резервуаре в результате нагрева и/или подачи пара, подается на поверхность, преодолевая силу тяжести.
В изобретении процесс электромагнитного нагрева может быть комбинирован с паровым процессом, который для улучшения проницаемости и/или проводимости осуществляется, например, за счет дополнительного электролитического обогащения. Можно также осуществлять паровую стимуляцию периодически за счет эксплуатационной трубы в начале фазы нагрева или позднее.
В одном варианте осуществления изобретения чисто электромагнитно-индуктивный способ нагрева и добычи битума может быть предусмотрен с особенно оптимальным расположением индукторов. При этом важно расположить один из индукторов непосредственно над эксплуатационной трубой, т.е. без заметного горизонтального смещения. Правда, при бурении скважин полностью избежать смещения нельзя. В любом случае оно должно быть менее 10 м, преимущественно менее 5 м, что при соответствующих размерах месторождения считается пренебрежимо малым.
При этом речь идет о позиционировании индукторов, являющихся решающими именно для способа добычи без пара, а также об электрическом соединении частичных проводников.
Поскольку изобретение направлено исключительно на электромагнитный нагрев, речь идет о способе EMGD (Electro-Magnetic Gravity Drainage - электромагнитное гравитационное дренирование). В этом способе речь идет о позиционировании индукторов с отдельными частичными проводниками, являющихся решающими именно для способа добычи без пара, а также об электрическом соединении частичных проводников.
Другие подробности и преимущества изобретения приведены в нижеследующем описании примеров его осуществления с помощью чертежей в сочетании с формулой изобретения. На чертежах схематично изображают:
Фиг.1 - разрез резервуара нефтеносного песка с нагнетательной и транспортной трубами;
Фиг.2 - перспективный фрагмент резервуара нефтеносного песка с горизонтально проходящей в резервуаре электрической проводящей петлей;
Фиг.3 - электрическую компенсацию продольных индуктивностей линии за счет последовательных емкостей;
Фиг.4 - разрез проводника с трубчатыми электродами встроенных конденсаторов;
Фиг.5 - проводник с расположенными друг в друге трубчатыми электродами встроенных конденсаторов;
Фиг.6 - трубчатый проводник со встроенными конденсаторами и устройством для подачи электролита;
Фиг.7а, 7b - электрический принцип устройств из Фиг.4 и 5 в виде традиционного коаксиального устройства;
Фиг.8 - первое схемотехническое выполнение генератора мощности для индуктивного нагревательного контура, подходящего для применения на Фиг.1 и 2;
Фиг.9 - второе схемотехническое выполнение генератора мощности для индуктивного нагревательного контура с параллельным включением инверторов;
Фиг.10 - третье схемотехническое выполнение генератора мощности для индуктивного нагревательного контура с последовательным включением тактовых инверторов;
Фиг.11 - за счет комбинации Фиг.1 и 2 уровень техники способа SAGD с электромагнитно-индуктивной поддержкой;
Фиг.12 - электрическое соединение двух индуктивных частичных проводников;
Фиг.13 - электрическое соединение трех индуктивных частичных проводников с параллельным включением двух частичных проводников;
Фиг.14 - электрическое соединение трех частичных проводников с источником трехфазного тока;
Фиг.15, 16 - четыре варианта нового способа EMGD с разным расположением индукторов.
Одинаковые или одинаково действующие элементы обозначены на фигурах одинаковыми или соответствующими друг другу ссылочными позициями. Фигуры описаны ниже соответственно группами.
На Фиг.1 и 2 изображено называемое резервуаром месторождение 100 нефтеносного песка, причем для дальнейших рассуждений всегда берется блок 1 в форме прямоугольного параллелепипеда длиной l, шириной w и высотой h. Длина l может составлять, например, до 500 м, ширина w - 60-100 м, а высота h - 20-100 м. Следует учесть, что, исходя от поверхности Е Земли, могут иметь место «перекрывающие породы» толщиной s до 500 м.
Для реализации способа SAGD на Фиг.1 известным образом в резервуаре 100 имеется нагнетательная труба 101 для паро-паровой или пароводяной смеси и транспортная труба 102 для разжиженного битума или нефти.
На Фиг.2 изображено устройство для индуктивного нагрева. Оно может быть образовано проложенной в грунте, например, на длину от нескольких сотен метров до 1,5 км проводящей петлей 10, 20, причем индукторные линии 10, 20 проходят рядом друг с другом на заданном расстоянии и соединены между собой на конце элементом 15 или 15' в проводящую петлю. Элемент 15 расположен, в частности, снаружи, а элемент 15' - внутри резервуара 100. Вначале проводники 10, 20 проходят вертикально или под плоским углом через перекрывающие породы до резервуара 100 и снабжаются электрической мощностью от высокочастотного генератора 60, который может быть размещен во внешнем корпусе. В частности, проводники 10, 20 проходят рядом друг с другом на одинаковой глубине, при необходимости, однако, также друг над другом. Между проводниками 10, 20 имеется боковое смещение.
Типичные расстояния между прямым и обратным проводниками 10, 20 составляют 5-60 м при наружном диаметре 10-50 см (0,1-0,5 м).
Электрическая двухпроводная линия 10, 20 с названными выше типичными размерами имеет значение продольной индуктивности 1,0-2,7 мкГ/м. Значение поперечной емкости составляет при названных размерах всего 10-100 пФ/м, так что емкостными поперечными токами можно сначала пренебречь. При этом следует избегать волновых эффектов. Скорость волны определяется значениями емкости и индуктивности проводящего устройства. Характеристическая частота устройства обусловлена длиной петли и скоростью распространения волны вдоль линии 10, 20. Длину петли следует выбирать при этом такой короткой, чтобы здесь не возникали мешающие волновые эффекты.
Можно видеть, что имитированное распределение плотности мощности потерь радиально уменьшается в плоскости перпендикулярно проводникам, образующейся при противофазном запитывании верхнего и нижнего проводников.
Для индуктивно введенной мощности нагрева 1 кВт на метр двухпроводной линии при 50 кГц требуется амплитуда тока около 350 А для низкоомных резервуаров с удельными сопротивлениями 30 Ом·м и примерно 950 А для высокоомных резервуаров с удельными сопротивлениями 500 Ом·м. Необходимая амплитуда тока 1 кВт/м падает в квадрате с частотой возбуждения, т.е. при 100 кГц амплитуды тока падают до 1/4 упомянутых значений.
При средней амплитуде тока 500 А при 50 кГц и типичном значении индуктивности 2 мкГ/м индуктивное падение напряжения составляет около 300 В/м.
С приведенными выше общими длинами двойных проводников 10, 20 общее индуктивное падение напряжения суммировалось бы до значений >100 кВ. Таких высоких напряжений необходимо избегать по следующим причинам:
- Управляющий преобразователь характеризуется полной мощностью, т.е. запирающим напряжением и нагрузочной способностью по току, так что уменьшение потребности в реактивной мощности является непременной.
- Электроды пришлось бы изолировать от резервуара 100 так, чтобы они выдерживали высокие напряжения для предотвращения резистивного протекания тока, что потребовало бы больших толщин изолирующего слоя и привело бы к удорожанию электродов и их размещения в резервуаре.
- Проблемы с изоляцией или опасность пробоев, в частности в точках ввода тока.
Поэтому предусмотрена компенсация индуктивности L линии на отдельных участках за счет дискретно или непрерывно выполненных последовательных емкостей С, как это схематично показано на Фиг.3. Этот вид компенсации известен, правда, из уровня техники в системах индуктивной передачи энергии на системы поступательного движения. В данной связи благодаря этому возникают особые преимущества.
Характерной особенностью интегрированной в линию компенсации является то, что частота высокочастотного генератора мощности должна быть согласована с резонансной частотой токовой петли. Это значит, что двухпроводная линия 10, 20 может эксплуатироваться для нагрева целесообразно, т.е. с высокими амплитудами тока, только при такой частоте.
Решающее преимущество этого состоит в том, что предотвращается суммирование индуктивных напряжений вдоль линии. Если в приведенном выше примере, т.е. 500 А, 2 мкГ/м, 50 кГц и 300 В/м, каждые 10 м размещать в прямом и обратном проводниках по одному конденсатору Ci емкостью 1 мкФ, то эксплуатация этого устройства при 50 кГц может осуществляться в резонансном режиме. Таким образом, возникающие индуктивные и соответственно емкостные суммарные напряжения ограничены до 3 кВ.
При уменьшении расстояния между соседними конденсаторами Ci значения емкости должны возрастать обратно пропорционально расстоянию при уменьшенном пропорционально расстоянию требовании к электрической прочности конденсаторов, чтобы достичь этой резонансной частоты.
На Фиг.4 изображен предпочтительный вариант интегрированных в линию конденсаторов С. Емкость образуется цилиндрическими конденсаторами Ci между трубчатым наружным электродом 32 участка I и трубчатым внутренним электродом 34 участка II, между которыми находится диэлектрик 33. Соответственно соседний конденсатор образуется между участками II и III.
От диэлектрика конденсатора С помимо высокой электрической прочности требуется также высокая термостойкость, поскольку проводник находится в индуктивно нагретом резервуаре 100, который может достигать температуры, например, 250°С, и резистивные потери в проводниках 10, 20 могут привести к дальнейшему нагреву электродов. Требованиям к диэлектрику 33 отвечает большое число конденсаторных керамических материалов.
Например, группа алюмосиликатов, т.е. фарфоры, имеют термостойкость в несколько сот градусов и электрическую пробивную прочность >20 кВ/мм при относительной диэлектрической проницаемости 6. Таким образом, упомянутые цилиндрические конденсаторы могут быть реализованы с требуемой емкостью и могут иметь конструктивную длину, например, 1-2 м.
Если конструктивная длина должна быть короче, то следует предусмотреть расположение друг в друге нескольких коаксиальных электродов в соответствии с принципом на Фиг.5 и 7b. В линию могут быть интегрированы любые другие обычные конструктивные формы конденсаторов, если они обладают требуемыми электрической прочностью и термостойкостью.
На Фиг.4 весь электрод уже окружен изоляцией. Изоляция от окружающего грунта необходима, чтобы предотвратить резистивные токи через грунт между соседними участками, в частности в зоне конденсаторов. Изоляция препятствует также протеканию тока между прямым и обратным проводниками. Однако требования к электрической прочности изоляции по сравнению с некомпенсированной мощностью >100 кВ снижены в приведенном примере до примерно 3 кВ и могут быть удовлетворены за счет большого числа изоляционных материалов. Как и диэлектрик конденсаторов, изоляция должна длительно выдерживать повышенные температуры, вследствие чего опять-таки напрашиваются керамические изоляционные материалы. При этом толщину изолирующего слоя нельзя выбирать слишком маленькой, поскольку иначе емкостные токи утечки могут стекать в окружающий грунт. В данном примере достаточно толщин изолирующего слоя более, например, 2 мм.
На Фиг.5 далее показано, что несколько трубчатых электродов включены параллельно. Предпочтительным образом параллельное включение конденсаторов может быть использовано для повышения их емкости или электрической прочности. Электрический принцип изображен на Фиг.7b.
При расположении на Фиг.4 на отдельных участках подача электролита может осуществляться для целенаправленного повышения нагревательного действия. На Фиг.6 компенсированный электрод дополнен изолированной внутренней трубой 40 с изолированными выходными отверстиями 41, 42, 43. Таким образом, в резервуар можно подавать, например, воду или электропроводящий водный солевой раствор или другие электролиты, чтобы повысить проводимость резервуара.
Кроме того, подаваемая вода может служить для охлаждения проводников. При замене выходных отверстий клапанами изменение проводимости может целенаправленно осуществляться на отдельных участках во времени и пространстве.
Повышение проводимости служит для повышения индуктивного нагревательного действия без необходимости повышения амплитуды тока в проводниках.
Следовательно, на Фиг.4 и 5 компенсация продольной индуктивности осуществляется посредством преимущественно концентрированных поперечных емкостей: вместо размещения в линии более или менее коротких конденсаторов в качестве концентрированных элементов значение емкости, которым двухпроводная линия, например коаксиальная линия или многопроводная линия, так и так располагает по всей своей длине, может использоваться для компенсации продольной индуктивности. Для этого с равными промежутками попеременно разрываются внутренний и наружный проводники, что вынуждает ток течь через распределенные поперечные емкости. Такой способ описан в DE 102004009896 A1. В этом относящемся к уровню техники документе подробно поясняется, как резонансную частоту можно установить за счет промежутков между разрывами линии.
Последние концепции, поясняемые с помощью Фиг.7а, 7b, могут быть и в этом случае предпочтительно использованы для проводников для индуктивного нагрева резервуара, если они, как уже сказано, снабжены дополнительной наружной изоляцией, чтобы предотвратить резистивные поперечные токи в окружающий грунт. При этом обозначают: 51-52 - электроды, ci - распределенные по электродам индуктивности, 54 - соответствующий разрыв проводников. Преимущество распределенных емкостей заключается в меньшем требовании к пробивной прочности диэлектрика.
Разумеется, компенсированный электрод с распределенными емкостями может использоваться также в комбинации с устройством для подачи электролита.
В перекрывающих породах, через которые прямой и обратный проводники направлены к резервуару 100, нагревательное действие нежелательно: на вертикальном участке двойных проводников 10, 20, который еще не находится в резервуаре 100, а ведет вниз к нему, прямой 10 и обратный 20 проводники могут располагаться друг от друга на небольшом расстоянии, например 1-3 м, в результате чего их магнитные поля уже на небольшом расстоянии от двухпроводной линии компенсируются, а индуктивное нагревательное действие соответственно уменьшается.
В качестве альтернативы прямой 10 и обратный 20 проводники могут быть окружены охватывающим их экраном из высокопроводящего материала, чтобы избежать индуктивного нагрева окружающих перекрывающих пород.
В качестве другой альтернативы на вертикальном участке прямого и обратного проводников возможно коаксиальное проводящее устройство, которое приводит к полному гашению магнитных полей на наружном участке и тем самым не вызывает также индуктивного нагрева окружающего грунта. Повышенное при этом значение поперечной емкости может быть использовано для выполнения гиратора, который согласно уровню техники преобразует напряжение преобразователя постоянного тока с преобладающими свойствами источника напряжения в переменный ток.
Во всех трех названных методах необходима компенсация соответствующего значения индуктивности проводящего устройства, включая, возможно, имеющийся экран.
На Фиг.8 изображен генератор 60 мощности, выполненный в виде высокочастотного генератора. Он выполнен трехфазным и имеет предпочтительным образом трансформаторную связь и силовые полупроводники в качестве схемных элементов. Собственно компенсированная проводящая петля 10, 20 изображена здесь абстрактно в виде индуктора 95. В частности, схема содержит инвертор с преобладающими свойствами источника напряжения. Преобладание свойств источника тока с независимым от нагрузки колебанием основной гармоники, которое регулируется посредством элементов фильтра, возникает при подходящем выборе согласующего четырехполюсника позади него. В зависимости от топологии согласующего четырехполюсника возникает разная токовая нагрузка питающего инвертора.
Выполненный на Фиг.7 в виде генератора мощности высокочастотный генератор 60 может вырабатывать мощность до 2500 кВт. Обычно используются частоты 5-20 кГц.
При необходимости могут использоваться также более высокие частоты. При этом в питающем преобразователе возникают повышенные, в определенных условиях слишком высокие коммутационные потери. Во избежание этого можно:
- Несколько инверторов включить параллельно либо при резонансной частоте и небольшой индивидуальной мощности и высокой общей мощности. Например, следует сослаться на топологию Фиг.9, при которой полномостовые/четырехквадрантные регуляторы с преобладающими свойствами источника напряжения, параллельно включаясь, питают фильтр, который преобразует прямоугольное выходное напряжение в выходной ток и амплитуда колебания основной гармоники которого независима от нагрузочного импеданса.
- Соответственно несколько инверторов можно включить последовательно, как на Фиг.10.
- В качестве альтернативы несколько инверторов в той же топологии, как на Фиг.1, эксплуатируемые с тактовым сдвигом при низкой индивидуальной частоте, могут достигать высокой частоты (резонансная частота fr) на выходе трансформатора.
Как уже сказано, в случае такого генератора требуется эксплуатация в резонансных условиях, чтобы достичь компенсации реактивной мощности. При необходимости управляющая частота требует при эксплуатации подрегулирования подходящим образом.
На Фиг.8 поясняется функционирование уже упомянутого в связи с Фиг.2 высокочастотного генератора 60. Исходя из трехфазного источника 65 переменного напряжения, происходит управление трехфазным выпрямителем 70, к которому проводом с конденсатором 71 подключен трехфазный инвертор 75, вырабатывающий периодические прямоугольные сигналы подходящей частоты. Через согласующую схему 80 из индуктивностей 81 и конденсаторов 82 происходит управление индукторами 95 в качестве выхода. Можно также отказаться от согласующей схемы.
В случае чистой проводящей петли 10, 15, 20 на Фиг.2, представляющей собой двухполюсный индуктор, можно использовать также однофазный генератор. Такие генераторы имеются на рынке, например, мощностью 440 кВт при 50 кГц.
На Фиг.9 изображена соответствующая схема из трех параллельно включенных инверторов 75, 75', 75''. Здесь в качестве примера подключена согласующая схема 85 из индуктивностей 86, 86', 86''. За согласующей схемой 85 следуют, как на Фиг.8, индукторы (не показаны).
На Фиг.10 показано функционирование последовательной схемы из трех инверторов 75, 75', 75'', когда при смещенном тактировании достигаются более высокие частоты и мощности, а при равнофазном тактировании - более высокие напряжения и мощности. Для этого включенные инверторы 75, 75', 75'' включаются посредством трансформатора 80 с индуктивностями 81, 81', 81'' на первичной стороне и индуктивностями 82, 82', 82'' на вторичной стороне, так что на вторичной стороне возникает последовательная схема. Перед трансформатором 80 также может быть включен согласующий четырехполюсник для согласования с индукторами 95.
Описанные высокочастотные генераторы могут использоваться, в принципе, как это описано, в качестве преобразователей тока с преобладающими свойствами источника напряжения или соответственно в качестве преобразователей тока с преобладающими свойствами источника тока в резервуарах, где происходит или не происходит поддержка паром. Резервуары с небольшой горизонтальной проницаемостью, недостаточно паропроницаемые, могут нагреваться этим способом на больших пространствах. Даже если электропроводность резервуара имеет неоднородности, например проводящие участки, электроизолированные от остального резервуара, на этих островках могут образовываться вихревые токи, вырабатывающие джоулево тепло. Здесь невозможно эффективно использовать вертикальные электроды с резистивным нагревом, поскольку это требует связанных электропроводящих зон между электродами. Кроме того, в связи между собой находятся проводимость резервуара и проницаемость.
На Фиг.11, представляющей собой, в принципе, комбинацию Фиг.1 и 2 в проекции, выбраны следующие обозначения:
0: фрагмент нефтяного резервуара, многократно повторяющийся в обе стороны;
1': горизонтальная трубная пара («Wellpair») с нагнетательной трубой а и эксплуатационной трубой b, в сечении;
А: 1-й горизонтальный параллельный индуктор;
В: 2-й горизонтальный параллельный индуктор;
4: индуктивное запитывание за счет электрического соединения на концах индукторов (Фиг.12);
w: ширина резервуара, расстояние от одной трубной пары до другой (обычно 50-200 м);
h: высота резервуара, толщина геологического нефтяного слоя (обычно 20-60 м);
d1: горизонтальное расстояние от А до 1: w/2;
d2: вертикальное расстояние от А и В до а: 0,1 м до 0,9·h (обычно 20-60 м).
Расположение частичного проводника проводящей петли непосредственно над эксплуатационной трубой дает то преимущество, что битум в окружении над эксплуатационной трубой в сравнительно короткое время нагревается и тем самым становится жидкотекучим. За счет этого по истечении сравнительно короткого времени, например 6 месяцев, начинается эксплуатация, связанная с разгрузкой резервуара от давления. Обычно давление в резервуаре ограничено и зависит от толщины перекрывающих пород, чтобы предотвратить прорыв испаренной воды (например, 12 бар на глубине 120 м, 40 бар на глубине 400 м и т.д.). Поскольку в результате электронагрева давление в резервуаре возрастает, значение тока для нагрева должно регулироваться в зависимости от давления. Это, в свою очередь, значит, что более высокая мощность нагрева возможна только после начала эксплуатации. Ранняя добыча обеспечивается близким расположением индукторов. Близкое расположение двух индукторов, интегрированных в проводящую петлю, невозможно, поскольку тогда индуктивная мощность нагрева сильно уменьшилась бы, а требуемое значение тока в кабеле слишком возросло бы.
Соответствующее электрическое соединение показано на Фиг.12-14. При этом следует различать, имеются ли два или три частичных проводника.
На Фиг.12 А обозначает первый, а В - второй индуктивные частичные проводники, к которым подключен преобразователь/высокочастотный генератор 60 из Фиг.2.
На Фиг.13 изображен вариант соединения, в котором используются три индуктора, причем два из них несут половину тока. На Фиг.13 А обозначает первый, В - второй, а С - третий индуктивные частичные проводники, причем частичные проводники В и С включены параллельно. Возможны и другие комбинации частичных проводников. Имеется преобразователь/высокочастотный генератор.
На Фиг.14 изображен вариант соединения, в котором используются три индуктора, которые, однако, подключены к генератору трехфазного тока и потому имеют одинаковое значение тока. На Фиг.14 А обозначает первый, В - второй, а С - третий индуктивные частичные проводники. Все они подключены к трехфазному преобразователю/высокочастотному генератору.
Варианты соединения на Фиг.12-14 используются для реализации описанных ниже с помощью Фиг.15-18 расположений индукторов в резервуаре. При этом один индуктор, например индуктивный частичный проводник А или А', служит прямым проводником, а индуктор В или В' - обратным проводником, причем прямой и обратный проводники несут в этом случае одинаковую силу тока с фазовым сдвигом 180° по отношению к Фиг.15 и 16.
На Фиг.13 индуктор А может служить прямым проводником, а индукторы В и С - обратными проводниками. При этом включенные параллельно обратные проводники В и С несут по половине силе тока с фазовым сдвигом 180° по отношению к току прямого проводника А.
Наконец, один индуктор может служить прямым проводником, а более двух индукторов - обратными проводниками, причем фазовый сдвиг токов прямого проводника ко всем обратным проводникам составляет 180°, а сумма токов обратных линий соответствует току прямой линии.
На Фиг.14 три индуктора А, В, С несут одинаковую силу тока, а фазовый сдвиг между ними может составлять соответственно 120°. Три индуктора А, В, С запитываются со стороны входа генератором трехфазного тока, а со стороны выхода соединены с нейтралью, которая может лежать внутри или снаружи резервуара и соответствует соединительному элементу 15. При этом также возможно, чтобы три индуктора А, В, С несли неодинаковые силы тока и имели иные, нежели 120°, фазовые сдвиги. Силы тока и фазовые сдвиги выбираются таким образом, чтобы обеспечить схему с нейтралью. В этом случае в любой момент времени сумма токов прямых линий соответствует сумме токов обратных линий.
На Фиг.15 изображен первый предпочтительный вариант способа EMGD. Первый индуктор расположен над эксплуатационной трубой, а второй индуктор - на линии симметрии. Выбраны следующие обозначения:
0: фрагмент нефтяного резервуара, многократно повторяющийся в обе стороны;
b: эксплуатационная труба в сечении;
А: 1-й горизонтальный параллельный индуктор;
В: 2-й горизонтальный параллельный индуктор;
A': 1-й горизонтальный параллельный индуктор соседнего фрагмента резервуара;
4: индуктивное запитывание за счет электрического соединения на концах индукторов (Фиг.4);
w: ширина резервуара, расстояние от одной трубной пары до следующей (обычно 50-200 м);
h: высота резервуара, толщина геологического нефтяного слоя (обычно 20-60 м);
d1: горизонтальное расстояние от А до В: w/2;
d2: вертикальное расстояние от В до b: предпочтительно 2-20 м;
d3: вертикальное расстояние от А до b: предпочтительно 10-20 м.
На Фиг.16 изображен второй предпочтительный вариант способа EMGD. Первый индуктор расположен над эксплуатационной трубой, а второй индуктор - на линии симметрии, причем в отличие от Фиг.15 имеются две отдельные цепи тока. Выбраны следующие обозначения:
0: фрагмент нефтяного резервуара, многократно повторяющийся в обе стороны;
b: эксплуатационная труба в сечении;
А: 1-й горизонтальный параллельный индуктор;
В: 2-й горизонтальный параллельный индуктор;
А': 1-й горизонтальный параллельный индуктор соседнего фрагмента резервуара;
В': 2-й горизонтальный параллельный индуктор соседнего фрагмента резервуара;
4: индуктивное запитывание за счет электрического соединения на концах индукторов (Фиг.13);
w: ширина резервуара, расстояние от одной трубной пары до следующей (обычно 50-200 м);
h: высота резервуара, толщина геологического нефтяного слоя (обычно 20-60 м);
d1: горизонтальное расстояние от А до В: w/2;
d2: вертикальное расстояние от В до b: предпочтительно 2-20 м;
d3: вертикальное расстояние от А до b: предпочтительно 10-20 м.
На Фиг.17 изображен третий предпочтительный вариант способа EMGD. Первый индуктор расположен над эксплуатационной трубой, а два индуктора - на линии симметрии, причем цепь тока разветвлена. Выбраны следующие обозначения:
0: фрагмент нефтяного резервуара, многократно повторяющийся в обе стороны;
b: эксплуатационная труба в сечении;
А: 1-й горизонтальный параллельный индуктор непосредственно над эксплуатационной трубой b;
В: 2-й горизонтальный параллельный индуктор на линии симметрии относительно соседнего фрагмента резервуара;
С: 3-й горизонтальный параллельный индуктор на линии симметрии относительно соседнего фрагмента резервуара;
4: индуктивное запитывание за счет электрического соединения на концах индукторов (Фиг.13);
5: второе индуктивное запитывание за счет электрического соединения на концах индукторов;
w: ширина резервуара, расстояние от одной трубной пары до следующей (обычно 50-200 м);
h: высота резервуара, толщина геологического нефтяного слоя (обычно 20-60 м);
d1: горизонтальное расстояние от А до С: w/2;
d2: вертикальное расстояние от А до b: предпочтительно 2-20 м;
d3: вертикальное расстояние от С до b: предпочтительно 10-20 м.
На Фиг.18 изображен четвертый предпочтительный вариант способа EMGD. Первый индуктор расположен над эксплуатационной трубой, и имеются два других индуктора с боковым смещением, причем также имеется разветвленная цепь тока. Выбраны следующие обозначения:
0: фрагмент нефтяного резервуара, многократно повторяющийся в обе стороны;
b: эксплуатационная труба в сечении;
А: 1-й горизонтальный параллельный индуктор непосредственно над эксплуатационной трубой b;
В: 2-й горизонтальный параллельный индуктор;
С: 3-й горизонтальный параллельный индуктор;
4: индуктивное запитывание за счет электрического соединения на концах индукторов (Фиг.13 или 14);
5: второе индуктивное запитывание за счет электрического соединения на концах индукторов;
w: ширина резервуара, расстояние от одной трубной пары до следующей (обычно 50-200 м);
h: высота резервуара, толщина геологического нефтяного слоя (обычно 20-60 м);
d1: горизонтальное расстояние от А до С и от В до A: w/2;
d2: вертикальное расстояние от А до b: предпочтительно 2-20 м;
d3: вертикальное расстояние от С и В до b: предпочтительно 5-20 м.
Выше описаны различные варианты, которые конкретизируют объект основной заявки на способ EMGD. Следующие варианты рассматриваются как особенно предпочтительные:
- Фиг.15 с вариантом соединения на Фиг.12. Один индуктор В находится над эксплуатационной трубой b, а второй индуктор А - на границе симметрии с соседним частичным резервуаром.
- Фиг.16 с двумя цепями тока и вариантом соединения на Фиг.12. Два индуктора А и А' находятся на границах симметрии с соседними частичными резервуарами. Два индуктора В и В' находятся над эксплуатационной трубой b и над эксплуатационной трубой (не показана) соседнего частичного резервуара.
- Фиг.17 с вариантом соединения на Фиг.13 или 14. Один индуктор А находится над эксплуатационной трубой b, а второй индуктор В - на границе симметрии с левым соседним частичным резервуаром. Третий индуктор С находится на границе симметрии с правым соседним частичным резервуаром.
- Фиг.18 с вариантом соединения на Фиг.13 или 14. Один индуктор А находится над эксплуатационной трубой b, а второй индуктор В - на горизонтальном расстоянии d1 от нее. Третий индуктор С находится также на горизонтальном расстоянии d1, однако с другой стороны.
1. Устройство для добычи in-situ битума или сверхтяжелой нефти из месторождений нефтеносного песка в качестве резервуара, причем резервуар подвергают воздействию тепловой энергии для снижения вязкости имеющегося в нефтеносном песке битума или сверхтяжелой нефти, для чего предусмотрены, по меньшей мере, одно электрическое/электромагнитное нагревательное устройство и транспортная труба для отвода разжиженного битума или сверхтяжелой нефти, отличающееся тем, что на заданной глубине резервуара (1) параллельно и в горизонтальном направлении проложены, по меньшей мере, два линейно вытянутых проводника (10, 20), причем концы проводников (10, 20) электропроводящим образом соединены между собой внутри или снаружи резервуара (100) и образуют сообща проводящую петлю (10, 15, 20), которая реализует заданное комплексное сопротивление и снаружи резервуара (100) подключена к внешнему генератору (60) переменного тока для вырабатывания электрической мощности, причем индуктивность проводящей петли (10, 15, 20) компенсирована на отдельных участках.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно к снабжаемым электрической мощностью проводникам (10, 20) предусмотрена нагнетательная труба (101) для нагрева резервуара (1) водяным паром.
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что проводники (10, 20) проложены на одинаковой глубине резервуара (100) рядом друг с другом на заданном расстоянии, предпочтительно 5-60 м.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проводники (10, 20) проложены на разной глубине резервуара (100) друг над другом на заданном расстоянии, предпочтительно 5-60 м.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что компенсация индуктивностей (Li) на отдельных участках линии осуществлена за счет последовательных емкостей (Ci).
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проводники (10, 20) имеют круглое сечение с наружным диаметром 10-50 см (0,1-0,5 м).
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проводники (10, 20) выполнены трубчатыми, причем каждый проводник (10, 20) снабжен конденсаторами (Ci) для прямого и обратного проводников.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что предусмотрена изолирующая труба (30) для трубчатых проводников (10, 20), в которой на отдельных участках напротив друг друга расположены трубчатый наружный электрод (32) и трубчатый внутренний электрод (34), связанные между собой соответственно диэлектриком (33).
9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что для повышения емкости или электрической прочности параллельно включены несколько конденсаторных электродов (32, 34, 35).
10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что диэлектрик (33) состоит из керамики, например алюмосиликатов (Al6Si2O13), или из композита на основе тефлона, стекловолокна и керамики.
11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что охватывающая электроды (32, 34, 35) труба (30) содержит слой изоляции (31) или полностью состоит из изолятора.
12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что предусмотрены средства (40-44) для подачи электролита (45) для трубчатых проводников из наружного электрода (32), диэлектрика (33) и внутреннего электрода (34, 35).
13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что электролит (45) проходит внутри проводника.
14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что электролит (45) на отдельных участках может быть выведен из внутренней трубы (40).
15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что предусмотрены выходные отверстия (41-44) с клапанами для вывода электролита (45) из внутренней трубы (40).
16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что клапаны выполнены с возможностью регулирования, в частности открывания и закрывания, по времени и в пространстве на отдельных участках, т.е. независимо друг от друга.
17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отрегулированная проводящая петля (10, 15, 20) работает от высокочастотного генератора (60) мощности при резонансной частоте (fr).
18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что в качестве высокочастотного генератора (60) мощности использовано силовое электронное рабочее средство, выполненное одно- или многофазным, предпочтительно трехфазным.
19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что высокочастотный генератор мощности образован преобразователем (60-80) с управляемой частотой.
20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что предусмотрен высокочастотный генератор (60) мощности, выходная частота которого согласована с резонансной частотой (fr) компенсированной проводящей петли (10, 15, 20).
21. Устройство по п.17, отличающееся тем, что высокочастотный генератор (60) мощности расположен снаружи резервуара (100) в закрытом контейнере с возможностью подключения в нем снаружи резервуара (100) к проводящей петле (10, 15, 20).
22. Устройство по п.1 или 17, отличающееся тем, что компенсированная проводящая петля (10, 15, 20) выполнена многофазной, например трехфазной.
23. Устройство по п.17, отличающееся тем, что генератор (60) мощности в виде высокочастотного генератора выполнен с возможностью вырабатывания электрической мощности до 2500 кВт при 5-200 кГц, например 450 кВт при 50 кГц.
24. Устройство по п.19, отличающееся тем, что генератор (60) мощности состоит из параллельной схемы из нескольких преобразователей тока (75, 75', 75''), за счет чего достигается максимально высокая выходная мощность.
25. Устройство по п.19, отличающееся тем, что генератор (60) мощности состоит из последовательной схемы из нескольких преобразователей тока (75, 75', 75''), за счет чего достигается максимально высокая выходная мощность.
26. Устройство по п.19, отличающееся тем, что электрическая мощность генератора (60) мощности вырабатывается за счет смещенного тактирования отдельных инверторов (75, 75', 75''), чем достигается высокая выходная мощность при индивидуально низкой коммутационной частоте.
27. Устройство по п.24 или 25, отличающееся тем, что инверторы (75, 75', 75'') выполнены из силовых полупроводников.
28. Устройство по одному из пп.23-25, отличающееся тем, что оно содержит выходной трансформатор (80) для согласования напряжения.
29. Устройство по п.24 или 25, отличающееся тем, что преобразователь тока с преобладающими свойствами источника тока выполнен с возможностью преобразования своего выходного сигнала для обеспечения, при необходимости, преобладания свойств источника напряжения в независимый от нагрузки сигнал напряжения.
30. Устройство по п.24 или 25, отличающееся тем, что преобразователь тока с преобладающими свойствами источника напряжения выполнен с возможностью преобразования своего выходного сигнала для обеспечения, при необходимости, преобладания свойств источника тока в независимый от нагрузки сигнал тока.
31. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один из проводников (10, 15) проводящей петли (10, 15, 20) расположен по существу вертикально над транспортной трубой (102).
32. Устройство по п.31, отличающееся тем, что отклонение проводящей петли (10, 15, 20) от вертикального расположения над транспортной трубой (102) меньше расстояния (d2) от транспортной трубы (102).
33. Устройство по п.32, отличающееся тем, что боковое отклонение проводящей петли (10, 15, 20) от вертикального расположения над транспортной трубой (102) составляет менее 10 м.
34. Устройство по п.33, отличающееся тем, что боковое отклонение проводящей петли (10, 15, 20) от вертикального расположения над транспортной трубой (102) составляет менее 5 м.
35. Устройство по п.31, отличающееся тем, что проводники (10, 20) проложены на разной глубине резервуара (100) с боковым смещением на заданном расстоянии, преимущественно 5-60 м.
36. Устройство по п.31, отличающееся тем, что проводники (10, 20) проложены на разной глубине резервуара (100) друг над другом без бокового смещения на заданном расстоянии, преимущественно 5-60 м.
37. Устройство по п.31 или 36, отличающееся тем, что один индуктор (индуктивный частичный проводник А или А') служит прямым проводником, а один индуктор (В или В') - обратным проводником, причем прямой и обратный проводники (А, В или А'; В') проводят ток одинаковой силы с фазовым сдвигом 180°.
38. Устройство по п.31 или 36, отличающееся тем, что один индуктор (А) служит прямым проводником, а два индуктора (В, С) служат обратными проводниками, причем каждый из обратных проводников (В, С) проводит ток половинной силы с фазовым сдвигом 180° по отношению к току прямого проводника (А).
39. Устройство по п.31 или 36, отличающееся тем, что один индуктор служит прямым проводником, а более двух индукторов служат обратными проводниками, причем фазовый сдвиг токов прямого проводника по отношению ко всем обратным проводникам составляет 180°, а сумма токов обратных линий соответствует току прямой линии.
40. Устройство по п.31 или 36, отличающееся тем, что три индуктора (А, В, С) несут одинаковую силу тока, а фазовый сдвиг между ними составляет соответственно 120°.
41. Устройство по п.40, отличающееся тем, что три индуктора (А, В, С) со стороны входа питаются от генератора трехфазного тока, а со стороны выхода соединены в нейтрали.
42. Устройство по п.31 или 36, отличающееся тем, что три индуктора (А, В, С) несут разные силы тока и имеют иные, нежели 120°, фазовые сдвиги, причем силы тока и фазовые сдвиги выбраны с возможностью соединения с нейтралью.
