СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ "IN-SITU" БИТУМА ИЛИ ОСОБО ТЯЖЕЛОЙ ФРАКЦИИ НЕФТИ
METHOD AND DEVICE FOR IN-SITU TRANSPORTATION OF BITUMEN OR EXTRA HEAVY OIL

Группа изобретений относится к способу транспортировки «in-situ» битума или особо тяжелой фракции нефти из месторождений нефтеносного песка как резервуара согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения. Наряду с этим изобретение относится к соответствующему устройству для осуществления способа.
Для транспортировки особо тяжелых фракций нефти или битумов из месторождений нефтеносного песка или месторождений горючего сланца посредством систем трубопроводов, которые возводятся посредством скважин, текучесть имеющихся в твердой консистенции исходных материалов должна быть значительно повышена. Это может быть достигнуто посредством повышения температуры месторождения в резервуаре.
Если для этого применяется индуктивный нагрев исключительно или для поддержки обычного способа SAGD (поддерживаемый паром гравитационный дренаж), то возникает проблема, состоящая в том, что на соседние, одновременно обтекаемые током индукторы может оказываться негативное воздействие в противоположном направлении. Таким образом, соседние, одновременно обтекаемые током индукторы ослабляются в отношении подаваемой в резервуар мощности нагрева.
о
В более ранних неопубликованных немецких патентных заявках AZ 10 2007 0082926, AZ 10 2007 0368323, а также AZ 10 2007 0406055 отдельные пары индукторов, то есть прямой и обратный проводники, в заданной геометрической конфигурации обтекаются током, чтобы нагревать резервуар индуктивным способом. При этом сила тока используется для установления желательной мощности нагрева, в то время как фазовое положение 180 постоянно устанавливается между соседними индукторами. Это противофазное обтекание током получается вынужденным образом из работы пары индукторов с прямым и обратным проводниками к генератору. В параллельной патентной заявке того же заявителя под названием «Установка для добычи «in-situ» углеродсодержащего вещества», в числе прочего, описано управление распределением мощности нагрева в случае решетки индукторов, причем это достигается за счет возможности регулировки амплитуд и фазового положения соседних пар индукторов. Все поданные до сих пор заявки на выдачу патента исходят из того, что обтекание током в течение больших промежутков времени от дней до месяцев испытывает лишь незначительные настройки и имеет место постоянное сопоставление генератора паре индукторов.
Исходя из этого, задачей изобретения является предложить подходящие способы и создать соответствующие устройства, которые служат повышению эффективности при добыче из резервуаров с запасами нефтеносного песка и горючих сланцев.
Указанная задача в способах вышеназванного типа решается признаками пункта 1 формулы изобретения. Соответствующее устройство приведено в пункте 13 формулы изобретения. Варианты осуществления способа и соответствующего устройства приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Предметом изобретения является то, чтобы при электрическом нагреве резервуара существенные для этого параметры необходимых электрических генераторов мощности выполнить переменными по времени и/или по местоположению, и предусмотреть возможность изменять эти параметры извне резервуара для оптимизации объемного расхода во время транспортировки битумов или особо тяжелых фракций нефти. Для этого создаются широкие возможности управления для обтекания (запитки) током индукторов, причем, в особенности, также локально определяемые температуры могут использоваться в качестве параметров регулирования. Для этого температуры в резервуаре могут измеряться локально распределенным образом, например, у отдельных индукторов, но при необходимости также вне резервуара, в именно, в так называемых покрывающих слоях, то есть в областях породы выше резервуара или в нижних слоях, то есть в областях породы под резервуаром.
В отдельности изобретение включает в себя различные комбинационные возможности из отдельных индукторов и сопоставляемых с ними генераторов. В частности, возможны следующие мероприятия:
1. В соответствии с изобретением предложено проводить запитку током соседних индукторов во времени последовательно и предпочтительно применять пространственно далеко разнесенные прямой и обратный проводники. Далее ниже для примера показано последовательное во времени переключение четырех пар индукторов. При этом индукторы, которые служат в качестве прямых и обратных проводников, могут выбираться посредством отдельных переключателей.
2. Запитка током пар индукторов может осуществляться, например, в одинаковые временные интервалы. При этом, ввиду высокой теплоемкости резервуара, могут выбираться большие временные интервалы в диапазоне часов или суток, если термическая нагрузочная способность индукторов не превышается.
3. Временные интервалы запитки током могут выбираться различными для отдельных пар индукторов и изменяться на разных фазах эксплуатации резервуара.
4. Комбинация прямого и обратного проводников для образования пары индукторов может изменяться на разных фазах эксплуатации резервуара.
5. Для регулирования временных интервалов, а также для комбинирования индукторов в пары прямого и обратного проводников может привлекаться температура индукторов или окружающего их резервуара. Так термически незначительно нагруженные индукторы могут предпочтительно запитываться током, или области резервуара с более низкой температурой могут предпочтительно нагреваться.
6. Образование пар индукторов может использоваться для воздействия на составляющие мощности нагрева в покрывающих слоях, резервуаре и нижних слоях. В течение различных временных фаз эксплуатации резервуара может выполняться переключение между обоими типами запитки током - последовательной во времени или одновременной запитки током с несколькими генераторами.
7. Может осуществляться пространственно близко расположенное направление проводки через покрывающие слои к стороне генератора и/или соединения, чтобы избежать нежелательного нагрева покрывающих слоев или снизить его.
8. Вместо переключателей на прямых и обратных проводниках могут применяться несколько постоянным образом соединенных генераторов, которые могут работать последовательно во времени или одновременно с одинаковыми или разными частотами.
9. При запитке током соседних индукторов с различными частотами не возникают никакие эффекты компенсации, и общая мощность (и ее распределение) получается из суммы мощностей нагрева (или их распределений) отдельных индукторов.
10. Эффективное сопротивление, которое представляет резервуар в качестве вторичной обмотки, для далеко разнесенных прямого и обратного проводников намного выше, чем в случае рядом расположенных проводников, за счет чего при сравнительно низких токах в индукторе (первичной обмотке) в резервуар могут вводиться высокие мощности нагрева.
11. При работе генераторов с различными частотами выгодным образом предотвращается индуктивная связь генераторов на основной и высших гармониках, которая иначе могла бы привести к неисправностям или высоким нагрузкам генераторов.
12. Емкостным образом скомпенсированные индукторы в принципе могут быть изготовлены с настройкой на любую рабочую частоту. Если генераторы могут формировать малую часть создаваемой в целом реактивной мощности или их компенсация посредством емкостных или индуктивных соединений может осуществляться непосредственно в генераторе, могут применяться единые выполнения индукторов, которые настроены на среднюю рабочую частоту. С помощью этих внешних компенсационных схем в остальном одинаковые индукторы могут работать при незначительно отличающихся частотах, что является достаточным, чтобы избегать эффектов компенсации.
Изобретение основывается на знании, полученном при глубоких исследованиях, что с помощью вышеизложенных мер реализуются существенные преимущества по сравнению с уровнем техники. Ими являются следующие:
1: Действительное сопротивление индуктивного нагрева резервуара существенно увеличивается, например, в 4 раза. Это означает, что при одинаковой амплитуде тока в индукторах мощность нагрева в резервуаре может иметь в 4 раза более высокое значение по отношению к одновременной запитке током.
В рамках изобретения одновременно проводились вычисления на модели: по методу «конечных элементов» (FEM) исходили из такой модели, которая содержит непосредственно одну пару индукторов, причем четыре такие участка размещены рядом друг с другом, и по одному другому участку без индукторов образуют левый и правый краевой диапазон.
Совместно получается предпочтительным образом 2d-FEM-модель с восемью отдельными индукторами, которые, например, образуют четыре отдельные пары индукторов (1/5), (2/6), (3/7) и (4/8), а также соответствующие краевые области. Эта 2d-FEM-модель может применяться для исследования распределения мощности нагрева при различных запитках током.
Путем вычисления получается затем соответствующее распределение мощности нагрева, если первый индуктор служит как прямой проводник и по возможности далеко разнесенный индуктор служит как обратный проводник. Общая мощность нагрева составляет Р1 в Вт/м при продолжительной запитке индукторов током заданной амплитуды I1 при заданной частоте F1. Предпочтительным образом при этом исходят из частоты 10 кГц, причем принципиально пригодны частоты от 1 до 500 кГц.
о
При одновременном обтекании током всех индукторов с одинаковой амплитудой I1 при одинаковой частоте F1 получается другое распределение мощности нагрева. При этом токи соседних индукторов имеют, соответственно, сдвиг фазы 180. Но полная мощность нагрева составляет при этом вновь примерно Р1 в Вт/м.
2: Если в приведенном в (1) примере запитываются током, например, четыре отдельные пары индукторов (1/5), (2/6), (3/7) и (4/8), соответственно, в течение четверти (25%) времени, то для этого требуется только один генератор (преобразователь переменного тока), который может поставлять ток с указанной амплитудой тока (1350 А) с 4-кратной действительной мощностью, но при этом не повышается потребная реактивная мощность. Тем самым в среднем по времени одинаковая мощность нагрева вводилась бы в резервуар, как при одновременной запитке током согласно пункту 1. Это означает, что вместо четырех генераторов, которые должны предоставлять по ¼ желательной мощности нагрева в качестве действительной мощности и дополнительно реактивную мощность, зависимую от индуктора, требуется только один генератор с 4-кратной действительной мощностью, не требуя повышения потребной реактивной мощности.
3: Теперь может достигаться регулирование распределения мощности нагрева согласно соответствующим требованиям. Так, например, можно компенсировать неоднородности в температурном распределении ввиду неравномерного нагрева из-за инжекции пара в границах.
4: Как по пункту (3), для этого может осуществляться регулирование распределения мощности нагрева.
5: Временные вариации запитки током в комбинации со свободным выбором прямых и обратных проводников могут предпочтительно использоваться для того, чтобы защитить индукторы от слишком высоких температур, ввиду их омических потерь, которые имеют место дополнительно к внешнему нагреву, в резервуаре.
6: На составляющие мощности нагрева в покрывающих слоях, резервуаре и нижних слоях может оказываться влияние через запитку током индукторов в границах, что будет дополнительно описано ниже.
7: С помощью последних названных мер минимизируются потери в покрывающих слоях. Совместная проводка всех линий через покрывающие слои обеспечивает возможность свободного группирования прямых и обратных проводников с преимуществами по пунктам 3-6.
8: Предпочтительным образом теперь возможна простая смена типов запитки током.
9: Альтернативным образом предлагается запитывать током соседние индукторы одновременно, но с различными частотами. Например, возможно соединение четырех пар индукторов с четырьмя генераторами различных частот.
10: Каждый генератор питает пару прямого и обратного проводников индукторов, причем отдельные проводники пространственно по возможности удалены друг от друга.
11: Частоты используемых генераторов при последнем способе действия не должны быть целым кратным друг друга.
12: Частоты используемых генераторов могут быть почти равными, например, отличаться друг от друга менее чем на 5%.
Другие особенности и преимущества изобретения следуют из последующего описания чертежей и примеров выполнения со ссылками на чертежи, в связи с пунктами формулы изобретения.
На чертежах показано следующее:
Фиг.1 - сечение через резервуар нефтеносного песка с повторяющимися блоками в виде резервуара и соответствующей горизонтально проходящей в резервуаре электрической структурой проводников,
Фиг.2 - схема соединения четырех пар индукторов с последовательной во времени запиткой током,
Фиг.3 - схема соединения четырех пар индукторов с одновременной запиткой током с отдельными генераторами, которые могут иметь различные частоты, причем соответствующие прямой и обратный проводники пространственно далеко разнесены друг от друга, и
Фиг.4 - схема соединения четырех пар индукторов с отдельными генераторами различных частот, причем соответствующие прямой и обратный проводники расположены рядом друг с другом.
В то время как фиг.1 показывает пространственное представление как линейно повторяющуюся конфигурацию (массив), фиг.2-4 изображают соответствующие виды в плане, то есть горизонтальные сечения в плоскости индукторов при наблюдении сверху, причем покрывающие породы (покрывающие слои) расположены по обе стороны напротив. Одинаковые элементы на чертежах имеют одинаковые ссылочные позиции. Чертежи далее описываются частично совместно.
Для транспортировки особо тяжелых фракций нефти или битумов из месторождений нефтеносного песка или месторождений горючего сланца посредством систем трубопроводов, которые возводятся посредством скважин, текучесть битумов, подобных твердому веществу или вязких особо тяжелых фракций нефти, должна быть значительно повышена. Это может быть достигнуто посредством повышения температуры месторождения (резервуара), что вызывает понижение вязкости битумов или особо тяжелых фракций нефти.
Более ранние патентные заявки заявителя были направлены преимущественно на то, чтобы применять индуктивный нагрев для поддержки обычного SAGD-способа. При этом прямой и обратный проводники индукторных линий, которые совместно образуют индукционный шлейф, предпочтительно размещены на большом расстоянии порядка 50-150 м. Взаимное ослабление противоположно обтекаемых током прямого и обратного проводников является незначительным и может допускаться.
Преимущественно рассматриваются так называемые EMGD-способы, в которых индуктивный нагрев должен использоваться как единственный способ нагрева резервуара, без ввода горячего пара, что, в числе прочего, имеет преимущество пониженного или практически отсутствующего расхода воды.
При одном только индуктивном нагреве индукторы должны размещаться ближе к продуктопроводу для битумов, чтобы обеспечить возможность своевременного начала добычи при одновременном пониженном давлении в резервуаре. Тем самым прямой и обратный проводники также придвинуты ближе друг к другу. Это несет собой проблему, заключающуюся в том, что взаимное ослабление поля противоположно запитываемых током прямого и обратного проводников является значительным и ведет к сниженной мощности нагрева. Это может, в принципе, компенсироваться посредством более высоких индукторных токов, за счет чего, однако, требования к токонесущей способности проводников и, тем самым, затраты на их изготовление заметно повысились бы.
Является возможным пространственно близко расположенные соседние проводники запитывать током во времени последовательно, то есть не одновременно, за счет чего проблема ослабления поля не возникает. При этом предпочтительным является то, что генератор (преобразователь переменного тока) может быть использован для нескольких проводящих шлейфов. Но при этом недостатком является то, что индукторы запитываются током только в течение доли времени и только тогда способствуют нагреву резервуара. Это поясняется ниже со ссылками на фиг.2-4.
На фиг.1 представлено устройство для индуктивного нагрева. Оно может быть образовано посредством длинного, то есть длиной от нескольких 100 м до 1,5 км, проложенного в резервуаре проводящего шлейфа 10-20, причем прямой проводник 10 и обратный проводник 20 проведены рядом друг с другом, то есть на одинаковой глубине, на заданном расстоянии и на конце с помощью элемента 15 соединены друг с другом как проводящий шлейф внутри или вне резервуара 100. Вначале проводники 10 и 20 вертикально или под заданным углом в скважинах проводятся вниз через покрывающие породы (покрывающие слои) и запитываются электрической мощностью от высокочастотного генератора 60, который может быть размещен во внешнем корпусе.
В частности, проводники 10 и 20 проходят на одинаковой глубине либо рядом друг с другом, либо один над другим. При этом целесообразным может являться сдвиг проводников. Типичные расстояния между прямым и обратным проводниками 10, 20 составляют от 30 до 60 м при внешнем диаметре проводника от 10 до 50 см (0,1-0,5 м).
Электрический двойной проводник 10, 20 на фиг.1 с вышеназванными типовыми размерами имеет индуктивность на единицу длины линии от 1,0 до 2,7 мкГн/м. Поперечная емкость на единицу длины при названных размерах составляет от 10 до 100 пФ/м, так что емкостными поперечными токами сначала можно пренебречь. При этом волновых эффектов следует избегать. Волновая скорость определяется емкостью и индуктивностью на единицу длины конфигурации проводников.
Характеристическая частота конфигурации индукторов по фиг.1 обусловлена длиной шлейфа и скоростью распространения волн вдоль конфигурации двойной линии 10, 20. Поэтому длину шлейфа следует выбирать настолько короткой, чтобы здесь не возникали мешающие волновые эффекты.
На фиг.2 показано, каким образом могут быть соединены четыре пары индукторов с последовательной во времени запиткой током. При этом ссылочной позицией 60 вновь обозначен высокочастотный генератор мощности, выходы которого подаются на переключающие блоки 61, 61'. Переключающие блоки 61, 61' имеют, соответственно, четыре различных контакта, причем переключающий блок 61 подключен к четырем индукторам 1, 2, 3, 4 в качестве прямых проводников, а переключающий блок 61' - к четырем индукторам 5, 6, 7, 8 в качестве обратных проводников. Датчик 62 такта переключения обеспечивает переключение или подключение генераторного напряжения к отдельным проводникам 1-8.
Отдельные индукторы 1-8 размещены согласно фиг.1 в резервуаре 100. С обеих сторон резервуара 100 имеются области 105, которые не должны нагреваться и феноменологически представляют покрывающие породы (слои). Кроме того, к концам индукторов подключено соединение 15, которое соединяет между собой прямой и обратный проводники. Соединение 15 может быть размещено над землей или под землей.
i
С последней конфигурацией возможно при управлении, соответственно, нагревать отдельные соседние области резервуара. Это может осуществляться, в особенности, во времени друг за другом, то есть последовательно. Датчик 62 такта переключения может при этом управляться от отдельного управляющего блока 63, который, в частности, учитывает температуру Т в резервуаре 100. Для этого не показанные на фиг.2 датчики температуры могут, например, размещаться на отдельных индукторах или проводниках индукторов, чтобы там измерять локальные температуры Т и передавать в управляющий блок 63 для оценки. Таким образом, могут учитываться, в частности, превышения температур на индукторах.
Но также возможно измерять температуры локально в других местах в резервуаре 100 или также в покрывающих слоях и/или нижних слоях и учитывать при управлении генераторами. При этом является существенным, что таким образом отдача мощности генераторами может изменяться и согласовываться с соответствующими требованиями, которые изменяются на временных фазах эксплуатации месторождения. Это справедливо, особенно из-за того, что временные фазы при эксплуатации являются длительными, например, годы и более.
На фиг.3 показана конфигурация согласно фиг.2, видоизмененная в том, что имеется четыре высокочастотных генератора 60', 60”, 60”' и 60””, которые, соответственно, попарно управляют двумя из индукторов 1-8. Вновь имеется наземное или подземное соединение 15. При такой конфигурации в особенности можно запитывать током четыре индуктора одновременно с различными силами тока при различных частотах.
1
2
3
4
Конфигурация согласно фиг.3 может быть видоизменена в том, что также применяются различные частоты. Это представлено на фиг.4, где вновь восемь индукторов 1-8 размещены в резервуаре параллельно друг другу. Соответственно по два индуктора 1-8 управляются от отдельного генератора 60'-60””. При этом в данном случае выбираются такие генераторы, которые генерируют различные задаваемые частоты. Например, генератор 60' имеет частоту f, генератор 60” - частоту f, генератор 60”' - частоту f, генератор 60”” - частоту f. За счет питания токами различных частот теперь целенаправленным образом по-разному нагреваются отдельные области.
На основе примеров было показано, что на составляющие мощности нагрева в покрывающих слоях (ОВ), резервуаре 100 и нижних слоях (UB) через дифференцированное обтекание током индукторов может оказываться влияние в заданных пределах. Эти составляющие представляются ниже для детально исследованного примера:
а: При запитке током, например, индукторов 1-5 получается, например, процентное распределение потерь:
ОВ 31,3%, резервуар 45,5% и UB 23,2%.
b: При одновременной запитке током всех индукторов получается, напротив:
ОВ 24,2%, резервуар 62,8% и UB 13,0%.
Последнее означает, что большая часть мощности нагрева в резервуаре затем передается на хранение, если осуществляется одновременная запитка током индукторов, а именно, со сдвигом фазы φ=180 между соседними индукторами. Поэтому предпочтительным может быть переключение между типами запитки током в зависимости от временного процесса эксплуатации месторождения, в частности, в зависимости от желательного распределения мощности нагрева генераторов или используемого при этом количества генераторов.
В заключение следует отметить, что при размещении генераторов мощности вне резервуара также возможна подземная установка генератора, что при обстоятельствах может быть предпочтительным. В этом случае электрическая мощность при более низкой частоте, то есть 50-60 Гц, или при необходимости также как постоянный ток может проводиться вниз, и под землей может выполняться преобразование в кГц-диапазон, так что не возникает никаких потерь в покрывающих слоях.
i
В целом может быть установлено, что электрические параметры, важные для нагрева резервуара, задаются переменными по времени и/или по месту и могут изменяться извне резервуара для оптимизации объемного расхода во время транспортировки битума. В соответствующем устройстве имеется по меньшей мере один генератор, но предпочтительно несколько генераторов, причем его/их электрические параметры (I, f, φ) являются переменными.