УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ДОБЫЧИ НА МЕСТЕ ЗАЛЕГАНИЯ (in-situ) БИТУМА ИЛИ ТЯЖЕЛОЙ ФРАКЦИИ НЕФТИ
APPARATUS AND METHOD FOR EXTRACTION OF BITUMEN OR HEAVY OIL FRACTIONS AT DEPOSIT (in-situ)

Изобретение относится к способу для добычи на месте залегания (in-situ) битума или тяжелой фракции нефти из месторождений нефтеносного песка в качестве резервуара согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения. Наряду с этим изобретение также относится к соответствующему устройству для осуществления способа.
Для добычи тяжелой фракции нефти или битума из месторождений нефтеносного песка или горючего сланца посредством систем трубопроводов, которые прокладываются через скважины, текучесть исходного материала, имеющегося в твердой консистенции, должна быть существенно повышена. Это может достигаться за счет повышения температуры месторождения в резервуаре.
Если для этого применяется индуктивный нагрев исключительно или для поддержки обычного способа гравитационного дренирования при закачке пара (SAGD), то возникает проблема, состоящая в том, что соседние одновременно обтекаемые током индукторы могут оказывать друг на друга негативное влияние. Так соседние противоположно обтекаемые током индукторы ослабляются относительно доставляемой в резервуар мощности нагрева.
Согласно более ранним патентным заявкам Германии DE 10 2007 008 292.6, DE 10 2007 036 832.3 и DE 10 2007 040 605.5, отдельные пары индукторов, то есть прямой и обратный проводники в заданных геометрических конфигурациях, обтекаются током, чтобы резервуар нагреть индуктивным способом. При этом сила тока используется для установки желательной мощности нагрева, в то время как фазовое положение жестко установлено как 180° между соседними индукторами. Это противофазное обтекание током вынужденным образом следует из работы пары индукторов с прямым и обратным проводниками к генератору. В параллельной патентной заявке заявителя, озаглавленной «Установка для добычи на месте залегания углеродсодержащего вещества», описывается, в том числе, управление распределением мощности нагрева в решетке индукторов, причем это достигается путем установки амплитуд тока и фазового положения смежных пар индукторов. Все предшествующие патентные заявки исходят из того, что обтекание током в течение больших промежутков времени от суток до месяцев испытывает лишь незначительные подстройки, и имеет место жесткое соответствие между генератором и парой индукторов.
Исходя из этого, задачей изобретения является предложить подходящие способы и соответствующие устройства, которые способствуют повышению эффективности добычи из месторождений нефтеносного песка или горючего сланца.
Эта задача в способе вышеуказанного типа решается признаками пункта 1 формулы изобретения. Соответствующее устройство приведено в пункте 11 формулы изобретения. Дальнейшие развития способа и соответствующего устройства приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение относится к способу для добычи углеводородсодержащего вещества, особенно битума или тяжелой фракции нефти, из резервуара, причем резервуар может нагружаться тепловой энергией для снижения вязкости вещества, для чего предусмотрены по меньшей мере два проводящих шлейфа для индуктивного обтекания током в качестве электрического/электромагнитного нагрева. Соответствующий из по меньшей мере двух проводящих шлейфов включает в себя по меньшей мере два линейно протяженных проводника, которые в горизонтальной ориентации проведены на заданной глубине резервуара. Предусмотрены по меньшей мере два генератора переменного тока для электрической мощности, которые соответственно подключены к одному из проводящих шлейфов, причем первый из по меньшей мере двух генераторов переменного тока и по меньшей мере один второй из по меньшей мере двух генераторов переменного тока функционируют синхронно друг с другом по их частоте и с постоянным фазовым положением.
При этом проводники предпочтительно по существу на одном участке линейны и параллельны друг другу.
Фазовое положение имеет предпочтительно разность фаз, равную нулю. В качестве альтернативы, могут также предусматриваться отличные от нуля постоянные разности фаз. Существенным является только, что оба генератора по отношению друг к другу имеют постоянное, то есть синхронное, фазовое положение.
За счет этой синхронности питающего тока получается, что проводящие шлейфы в резервуаре формируют магнитное поле синхронно друг с другом, и тем самым индуцированное электрическое поле в резервуаре усиливается.
Согласно уровню техники может предусматриваться работа нескольких проводящих шлейфов в одном местоположении, при этом каждый инвертор подключен последовательно. Это означает, что среднее количество энергии в этом повторно-кратковременном режиме работы не может максимизироваться. При этом может предусматриваться повторно-кратковременный режим работы и попеременный режим работы индукционных шлейфов, потому что за счет интерференции применяемой средней частоты могут возникать вихревые токи, которые обуславливают в резервуаре рассеяние джоулева тепла.
Предложенное изобретение, однако, нацелено, в частности, на то, что для добычи углеводородов, таких как тяжелые фракции нефти и битум, из месторождений нефтеносного песка или горючего сланца посредством систем трубопроводов, которые размещаются в скважинах, их текучесть может быть существенным образом повышена. За счет гравитации можно затем реализовать дренаж смеси углеводородов.
В соответствии с изобретением предложено, что генераторы переменного тока (инверторы) всех проводящих шлейфов работают синхронно, в частности, с одинаковой частотой и постоянным, но предпочтительно устанавливаемым, фазовым положением. Для случая, когда части резервуара должны нагреваться по-разному, может осуществляться индивидуальное регулирование амплитуды тока отдельных проводящих шлейфов и, альтернативно или дополнительно, подстройка фазового положения.
За счет синхронной работы при одинаковой частоте и фазовом положении в резервуар может вводиться повышенная максимально возможная энергия, которую инверторы могут совместно вырабатывать.
Предпочтительным образом при изменении частоты и/или фазового положения первого из по меньшей мере двух генераторов переменного тока частота и/или фазовое положение второго из по меньшей мере двух генераторов переменного тока подстраиваются таким образом, что после этой подстройки два генератора переменного тока в отношении частоты и/или фазового положения вновь работают синхронно друг другу.
В одной форме выполнения может, например, быть предусмотрено, что в различных временных фазах эксплуатации резервуара обтекание током проводящих шлейфов может изменяться относительно амплитуды тока или напряжения, и/или частоты, и/или фазового положения. Относительно частоты вариации могут ограничиваться +/-10% относительно резонансной частоты скомпенсированного по емкости проводящего шлейфа.
В частности, могут, однако, первый из по меньшей мере двух генераторов переменного тока и второй из по меньшей мере двух генераторов переменного тока эксплуатироваться таким образом, что их фазовые положения по отношению друг к другу постоянны, причем, в частности, их фазовые положения могут смещаться по отношению друг к другу заданным образом.
Предпочтительным образом по меньшей мере два генератора переменного тока могут вырабатывать по отношению друг к другу одинаковые или различные амплитуды тока.
Согласно предпочтительному выполнению изобретения по меньшей мере два генератора переменного тока могут быть синхронизированы по отношению друг к другу таким образом, что представляющая изменение частоты и/или изменение фазы информация от первого из по меньшей мере двух генераторов переменного тока передается на другой из по меньшей мере двух генераторов переменного тока.
Передача информации может при этом осуществляться предпочтительно между блоками управления генераторов переменного тока.
Один из генераторов переменного тока может, таким образом, определяться как задающий, который предпочтительно посредством подключения к шине, например, световод, или посредством радиоканала упомянутую информацию, которая может представлять тактовый сигнал или частотную информацию, может передавать на все другие (подчиненные) генераторы переменного тока, так что для всех генераторов переменного тока для работы применяется одинаковая частота, например предпочтительная рабочая частота между 1 кГц и 200 кГц. Дополнительно, как упомянуто выше, на каждом генераторе переменного тока может индивидуально выполняться установка амплитуды тока, а также разности фаз относительно задающего генератора.
В альтернативном варианте выполнения по меньшей мере два генератора переменного тока могут таким образом синхронизироваться друг с другом, что представляющая изменение частоты и/или изменение фазы информация от одного тактового генератора передается на по меньшей мере два генератора переменного тока.
Тем самым, например, сигнал отдельно размещенного опорного осциллятора может распределяться на все блоки управления генераторов переменного тока, и там посредством синтезатора (например, со схемами фазовой автоподстройки частоты) может генерироваться желательная частота и желательное фазовое положение, возможно включая индивидуально смещенное фазовое положение.
Предпочтительным образом передача информации для синхронизации между блоками управления генераторов переменного тока осуществляется цифровым способом.
Кроме того, за счет соответствующего одного из по меньшей мере двух генераторов переменного тока, на основе приема информации, характеризующей изменение частоты и/или изменение фазы, частота и/или фазовое положение для соответствующего из по меньшей мере двух генераторов переменного тока актуализируется. При этом актуализация частоты и/или фаз всех генераторов переменного тока предпочтительно осуществляется одновременно. Альтернативно или дополнительно, кратковременно, например, от нескольких секунд до минут, амплитуда тока или напряжения всех генераторов может снижаться на малое значение, например ниже 5% максимального значения, или на нуль, в то время как происходит актуализация частоты и/или разности фаз. Повышение выходных токов всех генераторов на заданное значение осуществляется затем с актуализированными параметрами.
Кроме того, для соответствующего генератора переменного тока при актуализации частоты и/или фазового положения сохраняется заданное значение для амплитуды тока и заданное значение для разности фаз по отношению к переданному фазовому положению.
Кроме того, предметом соответствующего изобретению выполнения может быть то, что при электрическом нагреве резервуара решающие для этого параметры необходимых электрических генераторов переменного тока могут быть реализованы переменными по времени и/или по положению, и может быть предусмотрена возможность изменять эти параметры извне резервуара для оптимизации объема добычи во время добычи битума или тяжелой фракции нефти. Тем самым создаются широкие возможности управления для обтекания током индукторов проводящих шлейфов, причем, в частности, также могут использоваться локально регистрируемые температуры в качестве параметров управления. Для этого могут измеряться температуры в резервуаре, но, при необходимости, также и вне резервуара.
Согласно варианту выполнения изобретения предпочтительным образом термически незначительно нагружаемые индукторы могут обтекаться током или, например, области резервуара могут нагреваться предпочтительно до незначительной температуры.
Кроме того, во время различных временных фаз эксплуатации резервуара может выполнять переключение между обоими типами обтекания током - последовательного во времени или одновременного обтекания током с применением нескольких генераторов.
Может осуществляться пространственно близкое друг к другу направление проводников через покрывающие слои породы на стороне генераторов и/или соединения, чтобы избежать или снизить нежелательный нагрев покрывающих слоев.
Кроме того, генераторы переменного тока могут быть выполнены таким образом, что их рабочие частоты являются устанавливаемыми.
Кроме того, соседние проводящие шлейфы могут обтекаться током таким образом, что не возникают никакие эффекты погасания.
Дополнительно может использоваться то, что активное сопротивление, которое представляет резервуар как вторичную обмотку, для далеко друг от друга удаленных прямого и обратного проводников, может быть намного выше, чем при близко друг к другу расположенных проводниках, за счет чего при сравнительно низких токах в проводящем шлейфе (первичной обмотке) в резервуар могут вводиться высокие мощности нагрева.
Другие особенности и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания чертежей, иллюстрирующих примеры выполнения, в связи с формулой изобретения. На чертежах представлено следующее:
фиг. 1 - фрагмент месторождения нефтеносного песка с повторяющимися блоками в качестве резервуара и соответствующих проходящих горизонтально в резервуаре электрических проводящих структур;
фиг. 2 - схема соединения четырех пар индукторов с одновременным обтеканием током с отдельными генераторами с согласуемыми друг с другом частотами, причем соответствующие прямой и обратный проводники пространственно расположены на удалении друг от друга.
В то время как фиг. 1 показывает пространственное представление в виде линейно повторяющейся конфигурации (решетки), фиг. 2 показывает вид в плане, то есть горизонтальное сечение в плоскости индукторов при наблюдении сверху, причем покрывающая порода находится по обе стороны. Одинаковые элементы на чертежах имеют одинаковые ссылочные позиции. Чертежи далее описываются частично совместно.
Для добычи тяжелой фракции нефти или битума из месторождений нефтеносного песка или горючего сланца посредством систем трубопроводов, которые проложены в скважинах в нефтяном месторождении, текучесть твердого битума или вязких тяжелых фракций нефти должна значительно улучшаться. Это может быть реализовано посредством повышения температуры месторождения (резервуара), что обеспечивает понижение вязкости битума или тяжелой фракции нефти.
Более ранние патентные заявки настоящего заявителя преимущественно были направлены на то, чтобы применять индуктивный нагрев для поддержки обычного SAGD-способа. При этом прямой и обратный проводники индукторных линий, которые совместно образуют индукционный шлейф, размещены на сравнительно большом расстоянии, например 50-150 м.
Все более рассматриваются EMGD-способы, при которых индуктивный нагрев должен использоваться в качестве единственного способа нагрева резервуара без ввода горячего пара, следствием чего является преимущество, состоящее в уменьшении или практическом отсутствии потребления воды.
При одном только индуктивном нагреве индукторы должны размещаться близко к битумному продуктопроводу, чтобы обеспечить возможность своевременного начала добычи при одновременно уменьшенном давлении в резервуаре. Тем самым прямой и обратный проводники сдвигаются ближе друг к другу. Это приносит с собой проблему, состоящую в том, что взаимное ослабление поля в противоположно обтекаемых током прямом и обратном проводниках является значительным и приводит к снижению мощности нагрева при постоянной силе тока, то есть к меньшим активным сопротивлениям. В принципе, это может компенсироваться более высокими токами индукторов, из-за чего, однако, заметно повышались бы требования к токонесущей способности проводников и, тем самым, затраты на их изготовление.
Является возможным выполнять обтекание током пространственно соседних проводников последовательно по времени, то есть не одновременно, за счет чего не возникает проблема ослабления поля. При этом предпочтительным является, что генератор (инвертор) может использоваться для нескольких проводящих шлейфов. Однако при этом недостатком является то, что индукторы только долю времени обтекаются током и лишь тогда вносят вклад в обогрев резервуара.
На фиг. 1 представлена компоновка для индуктивного нагрева. Она может быть образована длинным, то есть от нескольких 100 м до 1,5 км, продолженным в резервуаре 100 проводящим шлейфом 10-20, причем прямой проводник 10 и обратный проводник 20 проведены рядом друг с другом, то есть на той же самой глубине, на заданном расстоянии друг от друга и на конце через элемент 15 соединены между собой как проводящий шлейф внутри или вне резервуара. Вначале проводники 10 и 20 вертикально или под заданным углом вводятся в скважины через горную породу вниз и снабжаются мощностью от ВЧ генератора 60, который может размещаться во внешнем корпусе 60.
В особенности, проводники 10 и 20 проходят по существу на одинаковой глубине либо рядом друг с другом, либо один над другим. При этом может быть целесообразным смещение проводников. Типично, расстояния между прямым и обратным проводниками 10, 20 равны от 10 до 60 м при внешнем диаметре проводника от 10 до 50 см (от 0,1 до 0,5 м).
Электрический двойной проводник 10, 20 с вышеуказанными типовыми размерами имеет удельную индуктивность от 1,0 до 2,7 мкГн/м. Индуктивное падение напряжения вдоль двойной линии - здесь имеется в виду прямой и обратный проводники индуктора - компенсируется посредством введенных последовательных емкостей. Удельная поперечная емкость, которая при указанных размерах составляет лишь от 10 до 100 пФ/м, не является действительной, так как практически никакое напряжение не приложено между проводниками, и им можно пренебречь. Тем самым можно избежать волновых эффектов.
Характеристическая частота индукторной конфигурации из фиг. 1 обусловлена длиной шлейфа двойной линии 10, 20 и интегрированными емкостями.
На фиг. 2 четыре высокочастотных генератора 60', 60”, 60”', 60”” имеются как соответствующие изобретению генераторы переменного тока, которые соответственно попарно управляют индукторами 1-8 (четыре индуктора 1, 2, 3, 4 как прямые проводники, остальные четыре индуктора 5, 6 7, 8 как обратные проводники).
Отдельные индукторы 1-8 согласно фиг. 1 размещены в резервуаре 100. По обе стороны от резервуара 100 имеются области 105, которые не должны нагреваться и феноменологически представляют покрывающие породы. Кроме того, на концах индукторов подключено соединение 15, которое соединяет друг с другом прямой и обратный проводники. Соединение 15 может размещаться на поверхности или под землей.
С такой конфигурацией, в частности, можно выполнять обтекание током нескольких пар индукторов одновременно с различными силами тока при различных частотах, причем в соответствии с изобретением не предусматривается режим работы с различными частотами, а предусматривается синхронный режим генераторов и тем самым также индукторов.
Генераторы 60', 60”, 60”', 60”” мощности имеют соответственно блоки 61', 61”, 61”', 61”” управления, которые посредством шины 70 или другого соединения соединены между собой коммуникационно- или информационно-технически. Через шину 70 может производиться обмен информацией между блоками 61', 61”, 61”', 61”” управления.
Предполагается, что генератор 60' мощности является задающим по отношению к устанавливаемой частоте и фазовому положению, с которым согласуются другие генераторы 60”, 60”', 60”” мощности. Предпочтительно блоком 61' управления генератора 60' мощности определяются текущие частота и фазовое положение, устанавливаемые в генераторе 60' мощности, и передаются на все другие блоки 61”, 61”', 61”” управления в любом кодировании. Принимающие блоки 61”, 61”', 61”” управления оценивают принятое по шине 70 сообщение и затем управляют зависимыми генераторами 60”, 60”', 60”” мощности таким образом, что эти частота и фазовое положение для выдаваемого тока подстраиваются к частоте и фазовому положению задающего генератора 60' мощности.
Предпочтительным образом посредством всех зависимых генераторов 60”, 60”', 60”” мощности устанавливается по существу та же частота, что и частота задающего генератора 60' мощности.
Относительно фазового положения может быть желательным, что все зависимые генераторы 60”, 60”', 60”” мощности устанавливаются на одинаковое фазовое положение задающего генератора 60' мощности. Разность фаз, таким образом, равна нулю. В качестве альтернативы, генераторы 60', 60”, 60”', 60”” мощности могут работать со смещенным относительно друг друга фазовым положением, если при работе это не приводит к сдвигам. Таким образом, зависимыми генераторами 60”, 60”', 60”” мощности устанавливается фазовое положение, которое имеет отличающуюся от нуля разность фаз относительно задающего генератора 60' мощности, причем, однако, разность фаз во временной характеристике остается постоянной и не изменяемой.
Изменения по частоте и фазовому положению предпочтительно следует предпринимать, только если они должны подстраиваться, чтобы быть по существу синхронными.
В качестве альтернативы к указанной структуре «задающий-подчиненный» все предусмотренные генераторы 60', 60”, 60”', 60”” мощности могут работать в зависимости от тактового сигнала. Этот тактовый сигнал может передаваться на все подключенные к шине 70 блоки 61', 61”, 61”', 61”” управления генераторов 60', 60”, 60”', 60”” мощности, так что затем все генераторы 60', 60”, 60”', 60”” мощности согласуются или актуализируются по частоте и фазовому положению соответственно тактовому сигналу.
Независимо от частоты и фазового положения может быть предпочтительным, что все генераторы 60', 60”, 60”', 60”” мощности работают с различными амплитудами тока, соответственно условиям, например температуре, в резервуаре.
Соединение через шину 70 следует рассматривать только в качестве примера. Различные другие каналы связи также возможны.
Для достижения хорошего совпадения и стабильного режима работы может также использоваться осциллятор, который задает частоту.
В заключение, следует отметить, что при конфигурации генератора мощности вне резервуара также возможна подземная установка генератора, что может быть предпочтительным при некоторых обстоятельствах. В этом случае электрическая мощность проводилась бы вниз на низкой частоте, то есть 50-60 Гц, или также как постоянный ток, и преобразование в кГц-диапазон могло бы осуществляться также под землей, так что в горной породе не возникает никаких потерь.