Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников

Авторы патента:


Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников
Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников
Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников
Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников
Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников
Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников
Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников
Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников
Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников
Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников
Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников
Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников
Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников

 


Владельцы патента RU 2455796:

СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)

Система нагрева предназначена для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников. Проводники состоят из отдельных групп проводников, при этом группы проводников образованы в периодически повторяющихся участках заданной длины, которые задают резонансную длину, и две или больше таких групп проводников емкостно связаны. При этом каждый проводник может быть предпочтительно отдельно изолирован и состоять из одного единственного провода, выполненного многонитевым, многоленточным и/или многопленочной структуры. Изобретение позволяет исключить активные дополнительные потери, а также повысить электрическую и механическую прочность. 18 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Изобретение относится к системе для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников.

Для добычи тяжелой нефти или битумов из месторождения нефтяных песков или горючих сланцев с помощью трубных систем, которые вводятся через скважины, необходимо значительно увеличивать их текучесть. Этого можно достичь посредством повышения температуры месторождения, которое далее называется резервуаром. Если для этого применяется исключительно индуктивное нагревание, или же дополнительно для поддержки известного способа SAGD, то возникает проблема, что индуктивное падение напряжения вдоль большой длины индуктора, например 1000 м, приводит к необходимости очень высоких напряжений, вплоть до нескольких 100 кВ, с которыми трудно справляться как с точки зрения изоляции относительно резервуара, соответственно породы, так и в генераторе относительно реактивной мощности.

Для поддержи нагревания резервуара с помощью ввода пара в соответствии с известным способом SAGD (гравитационного дренирования пласта с помощью пара) или в качестве полной замены этого ввода пара можно применять различно действующие электромагнитные конфигурации индукторов и электродов, подробное описание которых приведено в неопубликованных заявках заявителя AZ 102007036832, AZ 102007008292 и AZ 102007040606.

При общем уровне техники индукционного нагревания можно предотвращать возникновение больших индуктивных напряжений за счет последовательного соединения участков индукторов и интегрированных емкостей, которые настроены на рабочую частоту в качестве последовательного колебательного контура. В неопубликованной заявке заявителя AZ 102007040605 приведено подробное описание коаксиальных систем проводников с концентрированными емкостями, а также принцип распределенных емкостей на основе опубликованной немецкой патентной заявки DE 102004009896 А1. Названная первой система проводников имеет различные особенности, такие как небольшая гибкость, высокая стоимость изготовления, дорогая высоковольтная керамика. Названная последней система проводников не предназначена для указанной в начале цели применения.

В противоположность этому, задачей данного изобретения является создание системы проводников, которая в качестве индукторной системы пригодна для цели нагревания нефтяных песков.

Задача решена, согласно изобретению, с помощью совокупности признаков п.1 формулы изобретения. Модификации указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно изобретению предлагается емкостно соединять две или больше групп проводников в периодически повторяющихся участках. При этом каждый проводник отдельно изолирован и состоит из одного единственного провода или из множества изолированных в свою очередь проводов. В частности, образуется так называемая многонитевая проводящая структура, которая уже предложена в электротехнике для других целей. При необходимости может быть реализована для той же цели многоленточная и/или многопленочная проводящая структура.

При практическом применении для индуктивного нагревания для соответствующей назначению цели нагревания нефтяных песков при частоте возбуждения, например, 10-50 кГц обычно необходимы две группы проводников с 1000-5000 нитей в каждой группе, когда необходимо получать эффективную резонансную длину в диапазоне 20-100 м. Однако могут быть предусмотрены более чем две группы проводников.

В системах согласно изобретению резонансная частота обратно пропорциональна расстоянию между прерываниями групп проводников. Выполнение емкостно компенсированных многонитевых проводников можно осуществлять с помощью специальных высокочастотных многопроволочных гибких проводов. Однако в качестве альтернативного решения, выполнение емкостно компенсированного многонитевого проводника можно осуществлять также с помощью массивных проводов.

Согласно изобретению компенсированный многонитевой проводник предпочтительно выполнен из транспонированных, соответственно, сплетенных отдельных проводников, а именно так, что каждый отдельный проводник встречается одинаково часто внутри резонансной длины на каждом радиусе. Аналогично обычным проводникам типа Милликен, компенсированный многонитевой проводник может быть образован из нескольких групп проводников, которые расположены вокруг общего центра.

Отдельные компенсированные подгруппы проводников предпочтительно состоят из скрученных массивных или высокочастотных многопроволочных гибких проводов. При этом поперечные сечения подгрупп проводников могут отклоняться от круглой или шестиугольной формы и иметь, например, форму сектора. Центральную свободную от проводников зону внутри поперечного сечения компенсированного многонитевого проводника типа Милликен можно использовать для повышения прочности на растяжение. Для этого можно применять установленные постоянно или с возможностью удаления тросы из искусственного волокна или удаляемые стальные тросы.

Центральную зону без проводников внутри поперечного сечения компенсированного многонитевого проводника типа Милликен можно использовать для охлаждения с помощью охлаждающей жидкости, в частности воды или масла. Кроме того, там могут быть предпочтительно установлены датчики температуры, которые можно применять для контроля и управления подачей тока или жидкостного охлаждения.

Для установки индуктора, который состоит из компенсированного многонитевого проводника, в резервуар предлагается втягивать индуктор в прежде установленную пластмассовую трубу с большим внутренним диаметром. При этом можно вводить, например, масло в качестве смазывающего средства.

Во время работы, т.е. при подаче тока в систему проводников согласно изобретению можно пространство между индуктором и пластмассовой трубой затоплять водой, в частности водой с небольшой электрической проводимостью или, например, трансформаторным маслом, которое перед этим может служить также в качестве смазывающего средства.

Если требуется активное охлаждение индуктора с помощью охлаждающего средства, то согласно изобретению предлагается нагнетать охлаждающее средство в промежуточное пространство и центральную свободную от проводников зону, а именно в противоположных направлениях.

Указанные выше подробно модификации и конкретные выполнения изобретения имеют, в частности, следующие преимущества:

Лежащие друг в друге и с тесным прилеганием в пространстве группы проводников сильно связаны емкостно. За счет этого образуется резонансный последовательный контур, в котором на резонансной частоте компенсируется сдвиг по фазе между током и напряжением за счет индуктивностей проводников и емкостей между группами проводников.

За счет расстояния между прерываниями регулируется резонансная частота проводника. Кроме того, эта длина определяет индуктивное падение напряжения и задает требования к электрической прочности изоляции соответственно диэлектрика.

Применение высокочастотных многопроволочных гибких проводов уменьшает, соответственно предотвращает активные дополнительные потери на основании скин-эффекта.

Если многонитевой проводник согласно изобретению должен иметь небольшую резонансную длину, то необходимы высокие погонные емкости. Таким образом, требуется разделение общего поперечного сечения проводника на множество отдельных проводников, например до нескольких тысяч отдельных проводников. Предпочтительно, в этом случае диаметр отдельного проводника настолько мал, что больше не возникает повышения сопротивления за счет скин-эффекта.

Согласно изобретению переплетение, соответственно транспонирование отдельных проводников внутри резонансной длины, предотвращает активные дополнительные потери на основании так называемого эффекта близости. Кроме того, это уменьшает требования к прочности относительно напряжения изоляции диэлектрика за счет более гомогенных плотностей тока смещения. Расположение нескольких подгрупп проводников вокруг общего центра позволяет применять скрученные в трос провода вместо переплетенных или транспонированных проводов без необходимости отказа от уменьшения активных дополнительных потерь за счет эффекта близости, при одновременном упрощении изготовления.

При прокладке в соответствии с предназначением индукторов в резервуаре залежей нефтяных песков можно ожидать нагрузки на растяжение в несколько 10 т, которые могут быть слишком большими для ослабленного прерываниями компенсированного проводника, так, например, может уменьшиться электрическая прочность диэлектрика. Поэтому желательно механическое усиление.

При выполнении индуктора с небольшим проводящим поперечным сечением, в частности поперечным сечением из меди, может быть необходимо активное охлаждение системы согласно изобретению, для чего в системе предпочтительно имеются открытые свободные пространства, соответственно промежуточные пространства. Пластмассовая труба служит для удерживания скважины открытой, для защиты индуктора при установке и во время работы. Таким образом уменьшается нагрузка на индуктор во время протягивания за счет уменьшения трения. Жидкость в промежуточном пространстве обеспечивает хороший тепловой контакт с пластмассовой трубой и с резервуаром, который необходим для пассивного охлаждения индуктора. При окружающей температуре резервуара примерно, например, 200°С активные потери в индукторе можно отводить до около 20 Вт/м за счет теплопроводности, без превышения температуры в индукторе критичного для тефлоновой изоляции значения 250°С.

С помощью противоположного протекания охлаждающего средства внутри и снаружи проводника достигается более равномерная температура вдоль индуктора, который может иметь длину около 1000 м, чем при протекании потоков охлаждающего средства в одном направлении.

Другие подробности и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания примеров выполнения в соединении с формулой изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:

фиг.1 - часть резервуара нефтяных песков с проходящей горизонтально в резервуаре электрической проводящей петлей, в изометрической проекции;

фиг.2 - схема последовательного резонансного контура с концентрированными емкостями для компенсации индуктивностей проводника;

фиг.3 - схема емкостно компенсированной коаксиальной линии с распределенными емкостями;

фиг.4 - схема емкостно связанных в продольном направлении групп нитей;

фиг.5 - поперечное сечение многонитевого проводника;

фиг.6 - распределение электрического поля в поперечном сечении многонитевого проводника из 2 групп и 60 нитей;

фиг.7 - график емкости двух групп проводников в зависимости от числа проводников;

фиг.8 - график зависимости активного соприкосновения от частоты для различных диаметров провода;

фиг.9 - поперечное сечение скрученного в трос компенсированного многонитевого проводника типа Милликен;

фиг.10 - альтернативное решение относительно фиг.9;

фиг.11 - проводник из четырех квадрантов, в изометрической проекции;

фиг.12 - поперечное сечение скрученного в трос компенсированного многонитевого проводника типа Милликен в направляющей трубе; и

фиг.13 - график зависимости тока индуктора от частоты для различных мощностей нагревания.

Одинаковые, соответственно одинаково действующие элементы на фигурах, обозначены одинаковыми или соответствующими позициями.

На фиг.1 показано называемое резервуаром залегание нефтяных песков, при этом для специального рассмотрения всегда выделяется имеющий форму прямоугольного параллелепипеда блок 1 длиной l, шириной w и высотой h. Длина l может составлять, например, несколько 500 м, а высота h примерно 20-100 м. Следует учитывать, что исходя из поверхности E земли может иметься слой покрывающей породы с толщиной s до 500 м.

На фиг.1 показана система для индуктивного нагревания участка 1 резервуара. Она может быть образована с помощью длинной, т.е. от нескольких 100 м до 1,5 км, проложенной в породе проводящей петли 10-20, при этом прямой проводник 10 и обратный проводник 20 проходят рядом друг с другом, т.е. на одинаковой глубине, и соединены друг с другом на конце с помощью элемента 15 внутри или снаружи резервуара. Вначале проводники 10 и 20 проходят вертикально или под острым углом вниз и снабжаются электрической энергией от высокочастотного генератора 60, который может быть размещен в наружном корпусе.

На фиг.1 проводники 10 и 20 проходят рядом друг с другом на одинаковой глубине. Однако они могут проходить также друг над другом. Ниже проводящей петли 10/20, т.е. на дне блока 1 резервуара, показана добывающая труба 1020, по которой можно транспортировать сжиженный битум или тяжелую нефть.

Типичные расстояния между прямым и обратным проводниками 10, 20 составляют 5-60 м при наружном диаметре проводников 10 - 50 см (0,1-0,5 м).

Электрический двойной проводник 10, 20 на фиг.1 с указанными выше типичными размерами имеет индуктивность на единицу длины от 1,0 до 2,7 мкГн/м. Поперечная емкость составляет при указанных размерах лишь 10-100 пФ/м, так что емкостными поперечными токами можно сначала пренебречь. При этом следует избегать волновых эффектов. Волновая скорость задается погонной емкостью и индуктивностью проводящей системы. Характеристическая частота системы зависит от длины петли и скорости распространения волн вдоль системы двойного проводника 10, 20. Поэтому длину петли следует выбирать настолько короткой, чтобы не возникли мешающие волновые эффекты.

Можно показать, что моделированное распределение плотности мощности потерь уменьшается в радиальном направлении в плоскости, перпендикулярной проводникам, которое образуется при противофазном питании током верхнего и нижнего проводников.

Для индуктивно вносимой нагревательной мощности 1 кВт на один метр двойной линии при частоте 50 кГц необходима амплитуда тока примерно 350 А для низкоомных резервуаров с удельным сопротивлением 30 Ом·м, и примерно 950 А для высокоомных резервуаров с удельным сопротивлением 500 Ом·м. Необходимая амплитуда тока для 1 кВт/м падает в зависимости от квадрата частоты возбуждения, т.е. при частоте 100 кГц амплитуды тока падают до ¼ указанных выше значений.

При средней амплитуде тока 500 А при частоте 50 кГц и типичной погонной индуктивности 2 мкГн/м индуктивное падение напряжения составляет примерно 300 В/м.

Ниже приводится подробное описание электрического и термического выполнения компенсированного по реактивной мощности многонитевого индуктора. В более ранней не опубликованной заявке на патент Германии AZ 102007040605 уже приведено описание основного принципа компенсации отдельных участков коаксиальной линии с распределенными емкостями. В последующем используется относящееся к этому принципу описание этой заявки.

Конкретный пример выполнения емкостно компенсированного многонитевого проводника состоит в следующем: две группы проводников имеют совместно медное поперечное сечение, например, 1200 мм2. Это поперечное сечение распределено на 2790 отдельных сплошных провода с диаметром 0,74 мм каждый. Каждый провод имеет изоляцию из тефлона с толщиной стенки несколько больше 0,25 мм и имеет двойную резонансную длину 2*20,9 м = 41,8 м. Расположение проводов в продольном направлении происходит со смещением на резонансную длину в соответствии с приведенным ниже описанием и фиг.4.

Расположение проводников образует в поперечном сечении шестиугольную решетку, как показано на фиг.5. При этом в плоскости поперечного сечения осуществляется сжимание так, что провода расположены на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Излишняя изоляция заполняет промежутки в шестиугольной решетке. В этом случае обе группы проводников имеют при попеременном расположении проводов на кольцах в соответствии с фиг.5 погонную емкость 115,4 нФ/м. Тогда проводник на резонансной длине 20,9 м при частоте 20 кГц компенсирован по емкости. Активное сопротивление также при частоте 20 кГц составляет 30 мкОм/м. При амплитуде переменного тока 825 А можно вводить в резервуар с удельным сопротивлением 555 Ом·м индуктивную нагревательную мощность 3 кВт/м, когда прямой и обратный проводники имеют расстояние друг от друга 106 м, и эта конфигурация периодически повторяется. Активные потери в проводнике в среднем (среднеквадратически) по резонансной длине составляют при этом 15,1 Вт/м. Это приводит в зависимости от положенной в основу тепловой модели резервуара с постоянной температурой 200°С и при расстоянии 0,5 м или 2,5 проводников друг от друга к нагреванию проводников до 230-250°С, так что еще не требуется дополнительное жидкостное охлаждение. При этом изоляция должна выдерживать напряжение 3,6 кВ. Для тефлона электрическая прочность составляет 20-36 кВ. То есть при толщине изоляции 0,5 мм требуется примерно одна треть электрической прочности.

Как показано в схеме на фиг.2, предусмотрена компенсация индуктивности L линии на участках с помощью дискретных или непрерывных последовательных емкостей С. Это показано в упрощенном виде на фиг.2. Показана эквивалентная схема питаемого из источника 25 переменного тока проводящего контура с комплексным сопротивлением 26, в котором на участках имеются индуктивности Li и емкости Ci. Таким образом на участках происходит компенсация линии.

Указанный вид компенсации известен из уровня техники в системах индуктивной передачи энергии на совершающие поступательное движение системы. В данном случае за счет этого обеспечиваются особые преимущества.

Новым в интегрированной в линию компенсации является то, что частота высокочастотного генератора линии должна быть настроена на резонансную частоту контура тока. Это означает, что двойная линия 10, 20 на фиг.1 для индуктивного нагревания может работать целесообразно, т.е. с высокими амплитудами тока, лишь на этой частоте.

При этом решающее преимущество состоит в том, что предотвращается сложение индуктивных напряжений вдоль линии. Если, например, в указанном выше примере, т.е. при 500 А, 2 мкГн/м, 50 кГц и 300 В/м, например, каждые 10 м в прямой и обратный проводники введен конденсатор Ci емкостью 1 мкФ, то эта система может работать в резонансе на частоте 50 кГц. Тем самым возникающие индуктивные и, соответственно, емкостные суммарные напряжения ограничены 3 кВ.

Если расстояние между соседними конденсаторами Ci уменьшить, то величины емкостей должны увеличиваться обратно пропорционально расстоянию для получения той же резонансной частоты, при этом пропорционально расстоянию уменьшаются требования к электрической прочности конденсаторов.

На фиг.3 показан предпочтительный вариант выполнения интегрированных в линию конденсаторов с емкостью С каждый. Емкость образуется цилиндрическими конденсаторами Ci между трубчатым наружным электродом 32 первого участка и трубчатым внутренним электродом 34 второго участка, между которыми находится диэлектрик 33. Соответственно соседний конденсатор образован между следующими участками.

Для диэлектрика конденсатора С, наряду с высокой электрической прочностью, требуется дополнительно высокая температурная устойчивость, поскольку проводник находится в индуктивно нагреваемом резервуаре 100, в котором температура может достигать, например, 250°С, и резистивные потери в проводниках 10, 20 могут приводить к дальнейшему нагреванию электродов. Требования к диэлектрику 33 выполняются многими конденсаторными керамиками.

На практике, например, группа алюмосиликатов, т.е. фарфоры, имеют температурную устойчивость в несколько 100°С и прочность относительно электрического пробоя более 20 кВ/мм при допустимой величине 6. С их помощью можно реализовывать указанные выше цилиндрические конденсаторы с требуемой емкостью при конструктивной длине, например, 1-2 м.

Когда конструктивная длина должна быть короче, то необходимо предусматривать вставление друг в друга нескольких коаксиальных электродов в соответствии с показанным на фиг.2-4 принципом. В линию можно интегрировать также конденсаторы другой обычной конструктивной формы, если они имеют требуемую электрическую прочность и температурную устойчивость. Для этого служит радиальная конструкция системы проводников, которая показана в виде поперечных сечений.

На фиг.4 показана принципиальная схема емкостно связанных групп 100 и 200 нитей в продольном направлении. Можно видеть, что отдельные участки проводов периодически повторяются и что в этой первой структуре 100 расположена вторая структура 200 с отдельными участками проводов, при этом их длина одинакова, и при этом первая группа участков проводов и вторая группа участков проводов перекрываются на заданном расстоянии. Тем самым задается резонансная длина RL, которая является характерной для емкостной связи групп нитей в продольном направлении.

На фиг.5 вся система индукторов уже окружена изоляцией 150. Изоляция от окружающей породы является необходимой для предотвращения резистивных токов через породу между соседними участками, в частности, в зоне конденсаторов. Кроме того, изоляция предотвращает прохождение резистивного тока между прямым и обратным проводниками. Однако требования к изоляции относительно электрической прочности снижаются по сравнению с некомпенсированной линией с более 100 кВ до слегка более 3 кВ, как в приведенном выше примере, и тем самым могут быть выполнены с помощью многих изолирующих материалов. Изоляция должна, так же как диэлектрик конденсаторов, длительно выдерживать высокие температуры, так что снова напрашиваются керамические изолирующие материалы. При этом толщина слоя изоляции не должна быть слишком малой, поскольку в противном случае емкостные токи утечки могут стекать в окружающую породу. В приведенном выше примере выполнения достаточными являются толщины изолирующего материала больше, например, 2 мм.

На фиг.5, 9, 10 и 12 показана в разрезе соответствующая система с 36 нитями, которая снова состоит из двух групп нитей. При этом, в частности, на фиг.5 показана конструкция и комбинация вставленной друг в друга системы из 36 нитей. А именно, при этом многонитевые проводники первой группы обозначены позициями 101-118, а многонитевые проводники второй группы - позициями 201-218. При структуре в виде шестиугольной системы средняя зона 150 в центре проводников свободна.

Таким образом, в целом получаются заданные интенсивностью структуры изоляции. На фиг.6 показана в поперечном разрезе состоящая из двух групп система из 60 многонитевых проводников, которая снова имеет шестиугольную конструкцию. При этом проводники 401-430 (заштрихованы влево) относятся к первой группе многонитевых проводников, а проводники 501 - 530 (заштрихованы вправо) относятся ко второй группе многонитевых проводников. Группы многонитевых проводников заделаны в изолирующую среду. За счет специальной структуры групп проводников получаются два отдельных проводника, которые соединены группами через электрическое поле высокой интенсивности и связаны с другим проводником через слабое поле, что можно подтвердить посредством расчета модели.

В шестиугольной структуре согласно фиг.5 и 6 центральная зона 150 свободна от поля. Эту зону 150 можно использовать для введения охлаждающих средств или же для введения механических усилений для повышения прочности на растяжение. Для этого можно применять, например, постоянно установленные или удаляемые канаты из искусственного волокна или же удаляемые стальные тросы. Это еще будет более подробно пояснено ниже.

На графике на фиг.7 показано в логарифмическом масштабе по оси абсцисс количество n отдельных проводов, а на оси ординат - погонная индуктивность в мкФ/м. Показаны кривые 71-74 для различных поперечных сечений проводников, а именно кривая 71 для поперечного сечения 600 мм2, кривая 72 для поперечного сечения 1200 мм2, кривая 73 для поперечного сечения 2400 мм2 и кривая 74 - для поперечного сечения 4800 мм2.

Отдельные кривые 71-72 проходят параллельно с одинаковым монотонным подъемом: как и следовало ожидать, емкость многопроволочного гибкого провода повышается экспоненциально в зависимости от количества проводов, но линейно в зависимости от поперечного сечения.

Из фиг.7 следует, что можно устанавливать емкостную компенсацию, с одной стороны, в зависимости от количества проводов и, с другой стороны, в зависимости от общего поперечного сечения. При этом в основу положена геометрия проводников в соответствии с фиг.4 и 5 с одинаковой тефлоновой изоляцией. Таким образом, при заданной площади поперечного сечения можно определять необходимое количество многопроволочных гибких проводов.

На фиг.8 показаны графики зависимости от частоты активного сопротивления для различных диаметров проволоки. На оси абсцисс нанесены частоты в Гц, а на оси ординат - сопротивление R на единицу длины в Ом/м, при этом для обеих координат снова выбран логарифмический масштаб. Показаны кривые 81-84 для различных диаметров провода в качестве параметра, а именно кривая 81 для диаметра 0,5 мм, кривая 82 для диаметра 1 мм, кривая 83 для диаметра 2 мм и кривая 84 для диаметра 5 мм.

Кривые 81-84 проходят в начальной зоне параллельно оси абсцисс и затем монотонно поднимаются по существу с одинаковым подъемом: как и следовало ожидать, сопротивление возрастает экспоненциально в зависимости от частоты, с одной стороны, и диаметра провода, с другой стороны. При этом при определении силы тока исходили из температуры 260°С.

Прохождение кривых 81-84 на фиг.8 показывает, в частности, влияние скин-эффекта при указанной температуре. Из кривых 81-84 следует, что активное сопротивление сначала является по существу постоянным в диапазоне до различной пограничной частоты между 103 и 105 Гц, при этом сопротивление обратно пропорционально диаметру провода, и затем сопротивление увеличивается с увеличением частоты.

На фиг.9 шесть пучков 91-96 проводников расположены в виде шестиугольников вокруг центрального полого пространства 97. В противоположность этому, на фиг.10 шесть пучков 91'-96' проводников расположены наподобие кусков торта в виде секторов вокруг центрального полого пространства 97'. Свободные пространства 97, соответственно 97', обеспечивают возможность размещения охлаждающих устройств или механических усиливающих устройств. Соответствующие средства не изображены отдельно на фиг.9 и 10.

Из фиг.11 следует, что при принципиальном расположении в соответствии с фиг.10 с имеющими форму секторов элементами из отдельных проводников предпочтительно, что отдельные проводники скручены в продольном направлении всего кабеля. Таким образом, на окружности проводника образуются линии, например, от С до D, которые иллюстрируют азимутальное скручивание отдельных проводников. При этом в плоскости разреза в левом квадранте создается прохождение поля в соответствии с изображенными стрелками.

На фиг.12 показана пластмассовая труба 120, в которой расположена система проводников из многопроволочных гибких проводов. Труба 120 может состоять, например, из пластмассы, при этом в трубе 120 образуется кольцеобразное промежуточное пространство 121, в котором размещен изолятор с шестиугольными структурами 122 проводников. При этом существенным снова является наличие центральной, не содержащей проводников зоны 123, в которой могут быть расположены необходимые для использования в соответствии с предназначением указанных проводников вспомогательные средства. В частности, такое расположение со свободным от проводников центром 123 обеспечивает возможность применения скрученных проводов вместо переплетенных или транспонированных проводов, без необходимости отказа от уменьшения активных дополнительных потерь за счет эффекта близости. За счет этого возможно сравнительно простое изготовление.

Для использования в соответствии с предназначением, в частности, подробно поясненных на основании фиг.4, 5, а также 9-12 проводниковых систем для нагревания резервуара нефтяных песков длиной в несколько 100 м, необходимо учитывать соответствующие краевые условия. При прокладке индуктора следует ожидать, в частности, значительные нагрузки на растяжение, которые могут лежать в диапазоне нескольких 10 т. За счет этого ослабленный за счет прерываний согласно фиг.4 компенсированный проводник может быть перегружен, вследствие чего уменьшается электрическая прочность диэлектрика. Для этого предусмотрены механические усиления, которые осуществляются, в частности, с помощью стальных тросов. Кроме того, может быть необходимо активное охлаждение.

При расположении согласно фиг.12 наружная пластмассовая труба 120 служит, в частности, для удерживания скважины открытой, а также для защиты индуктора при установке и во время работы установки с системой для индуктивного нагревания залежи нефтяных песков. За счет этого уменьшается нагрузка на растяжение индуктора во время втягивания за счет уменьшения трения.

Специально при расположении согласно фиг.12 внутри пластмассовой трубы 120 может быть расположена жидкость для охлаждения кольцеобразного промежуточного пространства 120. Здесь жидкость создает хороший тепловой контакт с пластмассовой трубой 120 и через нее с резервуаром, при этом снова требуется, по меньшей мере, пассивное охлаждение индуктора. Например, при окружающей температуре резервуара, например 200°С, необходимо отводить активные потери в индукторе, равные примерно 20 Вт/м за счет теплопроводности, при этом температура в самом индукторе не превышает критичную для тефлоновой изоляции величину 250°С.

Кроме того, расположение согласно фиг.12 обеспечивает возможность противоходного охлаждения. При этом центральное полое пространство 97 используется для одного направления протекания охлаждающей жидкости, а кольцевое пространство 121 внутри пластмассовой трубы 120 - для другого направления протекания охлаждающей жидкости.

На фиг.13 нанесены линейно на оси абсцисс частота в кГц, а на оси ординат - ток индуктора в А. Показана зависимость тока индуктора от частоты, при этом в качестве параметра заданы различные мощности нагревания, а именно для кривой 131-1 кВт/м, для кривой 132-3 кВт/м, для кривой 133-5 кВт/м и для кривой 134-10 кВт/м.

Отдельные кривые 131-134 имеют примерно гиперболическое прохождение. Из этого следует, что зависимость тока индуктора от частоты становится сильнее при увеличивающемся нагревании, если принять потери мощности в резервуаре постоянными. Таким образом, с помощью кривых 131-134 можно определять необходимые для определенных мощностей нагревания токи, соответственно частоты.

Поясненные подробно на основании фигур системы с емкостно компенсированными многонитевыми проводниками обеспечивают возможность эффективного индуктивного нагревания нефтяных песков или других залежей тяжелой нефти. Расчеты и испытания показали, что достигается эффективное нагревание резервуара, за счет чего понижается вязкость связанного в песке битума, соответственно тяжелой нефти, и тем самым достигается достаточная текучесть имеющего перед этим высокую вязкость сырья.

1. Система для индуктивного нагревания залежей нефтяных песков и тяжелой нефти с помощью проводящих ток проводников, которые состоят из отдельных групп проводников, отличающаяся тем, что группы проводников образованы в периодически повторяющихся участках заданной длины, которые задают резонансную длину (RL), и что две или больше таких групп проводников емкостно связаны, при этом предусмотрена многонитевая, многоленточная и/или многопленочная структура проводников.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что каждый проводник отдельно изолирован и состоит из одного единственного провода.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что каждый проводник состоит из множества изолированных проводов, которые образуют так называемый высокочастотный многопроволочный гибкий провод.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что имеются две группы с 1000-5000 нитей в каждой группе с получением резонансных длин (RL) в диапазоне от около 20 до около 100 м.

5. Система по любому из пп.3 или 4, отличающаяся тем, что емкостно компенсированный многонитевой проводник выполнен из транспонированных и/или сплетенных отдельных проводников так, что каждый отдельный проводник встречается одинаково часто внутри резонансной длины (RL) на каждом радиусе системы.

6. Система по любому из пп.3 или 4, отличающаяся тем что компенсированный многонитевой проводник образован аналогично обычным проводникам из нескольких групп проводников, которые расположены вокруг общего центра.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что отдельные компенсированные подгруппы проводников предпочтительно состоят из скрученных массивных или высокочастотных многопроволочных гибких проводов.

8. Система по п.6, отличающаяся тем, что поперечные сечения подгрупп проводников могут иметь круглую или шестиугольную форму (фиг.9-12).

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что подгруппы проводников выполнены в форме секторов.

10. Система по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что центральная свободная от проводников зона внутри поперечного сечения компенсированного многонитевого проводника используется для механического усиления и повышения прочности на растяжение.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что для усиления применяются тросы из искусственного волокна или тросы из стекловолокна или стальные тросы, установленные, по меньшей мере, временно и/или с возможностью удаления.

12. Система по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что центральная зона без проводников внутри поперечного сечения компенсированного многонитевого проводника имеет средства для охлаждения.

13. Система по п.12, отличающаяся тем, что в качестве средства для охлаждения имеется, соответственно, предусмотрена возможность введения жидкости, в частности воды или масла.

14. Система по п.12, отличающаяся тем, что в центральной зоне расположены датчики температуры, в частности датчики из стекловолокна или датчики Брэгга, которые применяются для контролирования и/или управления током или жидкостным охлаждением.

15. Система по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что индуктор установлен в пластмассовой трубе с большим внутренним диаметром.

16. Система по п.15, отличающаяся тем, что между пластмассовой трубой и индуктором имеется смазочный материал.

17. Система по п.15, отличающаяся тем, что во время работы между индуктором и пластмассовой трубой имеется жидкость, например вода с небольшой электрической проводимостью, и/или смазочная жидкость, или изолирующая жидкость.

18. Система по п.16, отличающаяся тем, что в промежуточное пространство и/или в центральную, не имеющую проводников зону нагнетается охлаждающее средство, в частности, в противоположных направлениях.

19. Система по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что имеется заданная индуктивность, а также заданная погонная емкость индуктора, так что система может работать при заранее заданной частоте с последовательной компенсацией.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в индукционных нагревателях и других электротехнологических нагрузках. .

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при проектировании источников питания для индукционных нагревателей и других высокочастотных электротехнических нагрузок.

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности и может быть использовано для повышения устойчивого состояния круглой плоской пилы в процессе обработки.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках для индукционного нагрева и плавки металлов. .

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках для индукционного нагрева и плавки металлов. .

Изобретение относится к электротехнике, к электроиндукционной термической обработке концевых областей трубчатого материала. .

Изобретение относится к поверхностной закалке деталей и может быть использовано в различных отраслях промышленности. .

Изобретение относится к электрическому индукционному нагревательному аппарату. .

Изобретение относится к индуктивному нагреву заготовки из электропроводного материала посредством вращения заготовки (10) относительно магнитного поля, которое создают посредством по меньшей мере одной запитываемой постоянным током сверхпроводящей обмотки (60) на железном сердечнике (55.2, 55.3, 55.4), напряжение обратной индукции может быть уменьшено, если в обмотке (60) создают и поддерживают запитывают постоянный ток с величиной, которая создает в железном сердечнике по меньшей мере в области обмотки плотность магнитного потока, при которой относительная магнитная проницаемость материала железного сердечника является меньшей, чем в обесточенном состоянии обмотки

Изобретение относится к подводу и распределению электрической энергии по проводам и кабелям и воздушных линий, а именно к устройствам для очистки проводов и кабелей от снега и льда

Изобретение относится к технике теплового воздействия на текучие среды и может быть использовано в нефтяной, газовой, химической и пищевой промышленностях для регулирования реологических свойств вязких и высоковязких текучих сред. Способ монтажа индуктора на протяженных объектах, при котором индуктор навивают, на протяженный объект, причем кабель располагают вдоль протяженного объекта, фиксируют на протяженном объекте так, что создают провисы в виде петель с закрепленными концами, а сами петли наматывают на протяженный объект с расчетным шагом, определяемым длиной петли. Предлагаемый способ монтажа индуктора на протяженных объектах обеспечивает повышение ремонтопригодности протяженных объектов и снижение затрат на монтажные работы индуктора на протяженных объектах. 7 ил.

Изобретение относится к индукционной тепловой обработке непрерывных или дискретных изделий, в которой для управления индукцией тепловой обработкой изделий используют управление на основе широтно-импульсной модуляции или управление амплитудой. Технический результат - изменение частоты инвертора при регулировке уровня выходной мощности и управление частотой источника мощности для достижения оптимального индукционного нагрева за счет управления глубины проникновения. В устройстве и способе индукционного нагрева изделия изделие продвигается сквозь индуктор для его индукционной термообработки. Индуктор имеет электрическую мощность переменной частоты. При изменении частоты величиной электрической мощности управляют путем регулировки скважности или амплитуды. Альтернативно, изделие может быть неподвижным, а индуктор может перемещаться вдоль изделия, либо можно использовать комбинированное и скоординированное перемещение как изделия, так и индуктора. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 16 ил.

Настоящее изобретение относится к устройству для смешивания с резервуаром для приема смешиваемого продукта, расположенного внутри резервуара смешивающего инструмента, и нагревательного устройства для нагрева смешиваемого продукта. Для разработки устройства для смешивания указанного в начале типа, которое позволит по возможности быстрый нагрев смешиваемого продукта, предпочтительно также до температур свыше 200°С, согласно изобретению предлагается, что резервуар по меньшей мере частично выполнен из электропроводящего материала и внутри резервуара рядом с его стенкой и/или дном предусмотрено скребковое устройство. Нагревательное устройство имеет по меньшей мере одну возбуждаемую переменным электрическим полем катушку, которая расположена таким образом, что за счет возникающего при измененном потоке тока изменения электромагнитного поля в электропроводящем материале резервуара создаются вихревые токи. В устройстве создается непрерывная вертикальная составляющая потока смешиваемого продукта, что повышает равномерность нагрева. 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способу индукционного нагрева металлической детали, такой как лист или пруток, при этом устройство нагрева содержит магнитосвязанные индукторы. Каждый индуктор получает питание от соответствующего ему инвертора, связанного с конденсатором для образования колебательного контура, которые имеют приблизительно одинаковую резонансную частоту, при этом каждым инвертором управляет блок управления, чтобы изменять амплитуду и фазу тока, проходящего через соответствующий индуктор, устройство дополнительно содержит средства определения указанного тока, а также средства определения действительного температурного профиля указанной детали. Способ содержит следующие этапы: сравнивают действительный температурный профиль с контрольным температурным профилем, вычисляют контрольный профиль плотности мощности, который устройство нагрева должно подавать в указанную деталь; вычисляют искомые токи, которые должны выдавать инверторы, чтобы токи индукторов достигали соответствующих искомых значений для подачи контрольного профиля плотности мощности в деталь; определяют токи, проходящие через индукторы, чтобы сравнить их с искомыми значениями и определить подлежащие коррекции отклонения токов и передают команды коррекции в зависимости от отклонений токов. Изобретения обеспечивают точное управление температурным профилем, применяемым для нагреваемых деталей различных размеров и природы. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к способу и устройству для нагревания объекта посредством электромагнитной индукции. Аппарат (200) для нагрева объекта (10) посредством электромагнитной индукции содержит по меньшей мере один ротор (101), содержащий по меньшей мере один постоянный магнит (103а, 103b). Аппарат содержит также статор (102) для создания изменяющегося магнитного поля, выполненный с возможностью взаимодействия по меньшей мере с одним магнитом (103а, 103b) ротора и приведения тем самым этого ротора во вращение вокруг своей оси (104). Магниты (103а, 103b) ротора (101) выполнены с возможностью создавать при вращении ротора (101) изменяющееся магнитное поле и вихревые токи внутри объекта (10), так что объект (10) нагревается посредством электромагнитной индукции, генерируемой изменяющимся магнитным полем, и вихревыми токами. Изобретение обеспечивает создание устройств, более простых и реализующих нагрев со специальным температурным распределением в нагреваемом объекте. 2 н. и 33 з.п. ф-лы, 20 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в вакуумных установках для плавки и термообработки металлов. Технический результат: непрерывный контроль симметрии и величины напряжения вывода индуктора относительно заземленной нейтрали питающей сети, быстрое снижение напряжения на нагрузке при увеличении контролируемого напряжения выше установленного значения, надежное и плавное выключение преобразователя при пробое вывода нагрузки на заземленную нейтраль, повышение электрического КПД индуктора, улучшение формы выходного тока. В преобразователь частоты введен четвертый мост. Нагрузка выполнена из двух параллельно соединенных секций, включенных последовательно между инвертирующими мостами двух параллельных цепей. Рассмотрен способ управления преобразователем частоты. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к индукционному нагревательному устройству, которое нагревает среду теплоносителя, используя индукционный нагрев, и к системе генерирования энергии, содержащей такое индукционное нагревательное устройство. Технический результат - повышение эффективности нагрева теплоносителя. Индукционное нагревательное устройство содержит ротор, имеющий вал вращения, и статор, имеющий нагревательный участок, расположенный на расстоянии от ротора. На роторе предусмотрена катушка, которая генерирует магнитный поток в направлении нагревательного участка. Нагревательный участок сформирован из композитного материала, содержащего магнитный материал и электропроводный материал, и имеет конструкцию, в которой участок магнитного материала и участок электропроводного материала скомбинированы. В нагревательном участке выполнен проточный канал, в котором циркулирует нагреваемый теплоноситель. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх