НАГРЕВАТЕЛЬ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
FIELD HEATER

Изобретение относится к нагревателю месторождения для индуктивного нагревания геологической формации, в частности месторождения нефтеносных песков, горючих сланцев, особо тяжелой нефти или тяжелой нефти.
Для добычи на месте углеводородов из подземного месторождения, например, для добычи тяжелой нефти из битума, из залежей нефтеносных песков или горючих сланцев, необходимо достижение возможно большей текучести подлежащих добыче углеводородов. Одной возможностью улучшения текучести углеводородов при их добыче является повышение имеющейся в месторождении геологической формации температуры посредством нагревания месторождения.
Известный метод повышения температуры месторождения геологической формации, состоит в индуктивном нагревании с помощью индуктора, который помещается в месторождение, т.е. в геологическую формацию. С помощью индуктора в электрически проводящем месторождении наводятся вихревые токи, которые нагревают месторождение, так что вследствие этого происходит улучшение текучести имеющихся в месторождении углеводородов.
Для достижения достаточного повышения температуры геологической формации, обычно требуются большие нагревательные мощности. На основании возникающей на основании этого большой амплитуды напряжения, индуктор должен иметь достаточную электрическую изоляцию относительно геологической формации. Следовательно, электрическая изоляция индуктора ограничивает его нагревательную мощность максимальной нагревательной мощностью.
В основу данного изобретения положена задача повышения максимальной нагревательной мощности нагревателя месторождения.
Задача решена с помощью нагревателя месторождения с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения, и с помощью способа с признаками независимого пункта 8 формулы изобретения, а также с помощью применения с признаками независимого пункта 14 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения указаны предпочтительные варианты выполнения и модификации изобретения.
Нагреватель месторождения, согласно изобретению, для индуктивного нагревания геологической формации содержит по меньшей мере один первый и второй генератор переменного тока и по меньшей мере частично расположенную внутри геологической формации электрическую проводящую петлю. Согласно изобретению, проводящая петля электрически соединена с первым и вторым генератором переменного тока так, что обеспечивается возможность нагрузки проводящей петли в первой зоне с помощью первого генератора переменного тока первым переменным током, а во второй зоне - с помощью второго генератора переменного тока вторым переменным током.
Согласно изобретению, подача тока, т.е. нагрузка проводящей петли электрическим переменным током, происходит с помощью первого и второго генератора переменного тока. При этом первый генератор переменного тока предпочтительно расположен у первой зоны, а второй генератор переменного тока предпочтительно расположен у второй зоны проводящей петли.
Поэтому для подачи тока предусмотрены по меньшей мере два генератора переменного тока (первый и второй генератор переменного тока). За счет этого, согласно изобретению, уменьшаются, в частности наполовину, амплитуды напряжения в генераторах переменного тока, которые предусмотрены для нагрузки или подачи тока в проводящую петлю первого и второго переменного тока, по сравнению с подачей тока в проводящую петлю с помощью единственного генератора переменного тока.
За счет уменьшения амплитуд напряжения в генераторах переменного тока, согласно изобретению, меньше электрически нагружается изоляция проводящей петли, так что при заданной изоляции проводящей петли повышается нагревательная мощность нагревателя месторождения. За счет этого возможно более оптимально используется уже имеющаяся изоляция или изоляционная способность проводящей петли. Если максимальная нагревательная мощность нагревателя месторождения не должна повышаться, то можно на основании уменьшения амплитуд напряжения предпочтительно уменьшать электрическую изоляцию проводящей петли относительно ее электрической изоляционной способности.
Кроме того, могут быть уменьшены требования к электрической изоляции внутри генераторов переменного тока. При заданной изоляции или изоляционной способности проводящей петли можно с помощью двойной подачи переменного тока (первого и второго переменного тока) в проводящую петлю повышать максимальную нагревательную мощность, которая ограничена указанной изоляцией, например, в два раза.
Проводящая петля проходит от первого генератора переменного тока ко второму генератору переменного тока и от второго генератора переменного тока обратно к первому генератору переменного тока. За счет этого проводящая петля имеет первый проводящий участок и второй проводящий участок. Первый проводящий участок проходит от первого генератора переменного тока ко второму генератору переменного тока. Второй проводящий участок проходит от второго генератора переменного тока к первому генератору переменного тока. Таким образом, первый и второй проводящий участок образуют проводящую петлю.
В способе, согласно изобретению, работы нагревателя месторождения, первый генератор переменного тока создает первый переменный ток, и второй генератор переменного тока создает второй переменный ток. Согласно изобретению, расположенная по меньшей мере частично внутри геологической формации проводящая петля в первой зоне нагружается первым переменным током, а во второй зоне - вторым переменным током.
Другими словами, происходит двойная подача тока в проводящую петлю, при этом проводящая петля образует индуктор для индуктивного нагревания геологической формации. За счет этого обеспечиваются уже указанные применительно к нагревателю месторождения равнозначные и равноценные преимущества.
При применении, согласно изобретению, нагревателя месторождения, нагреватель месторождения, согласно данному изобретению, применяется для уменьшения вязкости содержащего углеводороды вещества, которое находится в геологической формации.
Содержащее углеводороды вещество может содержать тяжелые нефти, особенно тяжелые нефти, битумы, нефтеносные пески и/или горючий сланец. За счет применения нагревателя месторождения предпочтительно нагревается  геологическая формация, а также имеющееся в геологической формации вещество, за счет чего уменьшается вязкость вещества. Другими словами, за счет применения нагревателя месторождения повышается, соответственно, улучшается текучесть содержащего углеводороды вещества. Содержащее углеводороды вещество содержит по меньшей мере углеводороды, которые предусмотрены для добычи, в частности, для добычи на месте.
Предпочтительно, первая и вторая зона расположены раздельно вдоль проводящей петли.
Другими словами, проводящая петля нагружается в первом месте с помощью первого генератора переменного тока первым переменным током, а в отличном от первого места втором месте - с помощью второго генератора переменного тока вторым переменным током. Поэтому происходит двойная электрическая нагрузка или подача в проводящую петлю переменного тока в двух различных местах или в двух различных зонах проводящей петли. Первый и второй генератор переменного тока предпочтительно расположены не непосредственно друг за другом, т.е. на достаточном расстоянии друг от друга.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения изобретения, первый и второй генератор переменного тока расположены вне геологической формации.
За счет этого генераторы переменного тока могут быть расположены на расстоянии друг от друга предпочтительно без дополнительных скважин. Кроме того, расположение над землей генераторов переменного тока обеспечивает простой доступ к генераторам переменного тока, например, для технического обслуживания.
Предпочтительно, второй генератор переменного тока расположен в зоне (второй зоне) проводящей петли, которая при заданной геометрической форме проводящей петли находится на возможно большем расстоянии от первого генератора переменного тока, т.е. от первой зоны. За счет этого, предпочтительно не изменяется или претерпевает отрицательное влияние геометрическая форма проводящей петли за счет наличия второго генератора переменного тока. В частности, нет необходимости в удлинении или в значительном удлинении проводящей петли за счет наличия второго генератора переменного тока. В частности, нет необходимости в удлинении или в значительном удлинении проводящей петли на основании двойной подачи тока, по сравнению с одинарной подачей тока.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения первый генератор переменного тока расположен снаружи, а второй генератор переменного тока внутри геологической формации.
Предпочтительно, за счет расположения под землей второго генератора переменного тока, отходящее тепло второго генератора переменного тока, которое образуется при работе второго генератора переменного тока, отдается в окружающую второй генератор переменного тока геологическую формацию. Другими словами, предпочтительно улучшается или поддерживается нагревание геологической формации за счет расположенного в геологической формации второго генератора переменного тока. Таким образом, потери на преобразование, которые возникают во втором генераторе переменного тока, остаются в месторождении, соответственно, в геологической формации.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения изобретения, проводящие участки проводящей петли, которые расположены между первым и вторым генератором переменного тока, выполнены одинаково относительно их проводящей длины.
Другими словами, первый и второй генераторы переменного тока расположены симметрично вдоль проводящей петли. При этом первый проводящий участок проходит от первого генератора переменного тока ко второму генератору переменного тока, а второй проводящий участок - от второго генератора переменного тока к первому генератору переменного тока. Первый и второй участок проводящей петли имеют приблизительно одинаковую проводящую длину. Следовательно, с помощью двух генераторов переменного тока происходит симметричная относительно длины проводящей петли подача тока в проводящую петлю. За счет этого предпочтительно уменьшаются приблизительно вдвое амплитуды напряжения на генераторах переменного тока и/или в первом и втором проводящем участке по сравнению с одинарной подачей тока.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения изобретения, первый и/или второй генератор переменного тока содержат преобразователь частоты.
За счет этого можно предпочтительно согласовывать частоту первого и/или второго переменного тока с резонансной частотой проводящей петли. Для образования электрического колебательного контура, в частности, электрического последовательного колебательного контура, с резонансной частотой, проводящая петля имеет по меньшей мере один конденсатор. Индуктивность электрического колебательного контура образуется индуктивностью самой проводящей петли. С помощью преобразователя частоты можно предпочтительно согласовывать частоту подаваемого тока с резонансной частотой проводящей петли, так что при резонансе предпочтительно происходит компенсация реактивной мощности.
Если второй генератор переменного тока расположен в геологической формации, то потери на преобразование в преобразователе частоты, которые составляют обычно 1-10% общей мощности преобразователя частоты, отдаются в геологическую формацию. Потери преобразования вводятся непосредственно в геологическую формацию, за счет чего она дополнительно нагревается.
Предпочтительно, первый и второй генератор переменного тока имеют расстояние друг от друга по меньшей мере 100 м.
За счет этого предпочтительно обеспечивается возможность нагревания по большой поверхности и/или в большом объеме геологической формации с помощью проводящей петли.
Согласно одному особенно предпочтительному варианту выполнения изобретения, первый и второй генератор переменного тока работают со связью по фазе.
Работа со связью по фазе первого и второго генератора переменного тока отличается тем, что разница между фазой первого и второго генератора переменного тока не изменяется или лишь едва изменяется во времени. При этом разница по фазе между первым и вторым переменным током предпочтительно составляет 0° или 180°, при этом она при одинаковой полярности генераторов переменного тока предпочтительно составляет 0°, а при противоположной полярности генераторов переменного тока - 180°. За счет этого предпочтительно обеспечивается, что происходит сложение амплитуд напряжения, а не обоюдное погашение (вычитание) амплитуд напряжения генераторов переменного тока.
Особенно предпочтительно первый и второй переменный ток генерируются с одинаковой частотой.
За счет этого предпочтительно обеспечивается возможность наложения друг на друга переменных токов по существу с одной частотой. Особенно предпочтительно, что при неизменной разнице фаз первого и второго переменного тока они уже имеют одинаковую частоту.
Кроме того, предпочтительно генерирование первого и второго переменного тока с одинаковой амплитудой напряжения.
За счет этого происходит подача тока в проводящую петлю предпочтительно симметрично относительно амплитуд напряжения.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения изобретения, проводящая петля нагружается первым и/или вторым переменным током, при этом частота первого и/или второго переменного тока лежит в диапазоне от 10 кГц до 200 кГц.
Особенно предпочтительно частота в указанном диапазоне от 10 кГц до 200 кГц соответствует резонансной частоте проводящей петли, при этом для образования электрического колебательного контура проводящая петля содержит по меньшей мере один конденсатор. За счет этого может происходить компенсация реактивной мощности.
Кроме того, частота переменных токов является относительно низкой по сравнению с известными способами нагревания месторождения. Предпочтительно, за счет этого могут быть уменьшены предохранительные расстояния, которые должны выдерживаться при более высоких частотах. Таким образом, предпочтительно улучшается безопасность нагревания месторождения.
Предпочтительно, амплитуда напряжения первого и второго переменного тока составляет по меньшей мере 10 киловольт (10 кВ).
За счет этого предпочтительно обеспечивается высокий первый и второй переменный ток по меньшей мере 100 Ампер (100 А), так что обеспечивается достаточная нагревательная мощность по меньшей мере один мегаватт (1 МВ).
Другие преимущества, признаки и подробности изобретения следуют из приведенного ниже описания примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - нагреватель месторождения, который содержит два генератора переменного тока для работы проводящей петли, в изометрической проекции;
фиг. 2 - упрощенная электрическая эквивалентная схема нагревателя месторождения из фиг. 1, и
фиг. 3 - упрощенная электрическая эквивалентная схема нагревателя месторождения, который содержит четыре генератора переменного тока для работы проводящей петли.
Одинаковые или эквивалентные элементы обозначены на фигурах одинаковыми позициями.
На фиг. 1 схематично показан в изометрической проекции нагреватель 1 месторождения, который содержит первый и второй генератор 2.1, 2.2 переменного тока для работы проводящей петли 4.
Проводящая петля 4 по меньшей мере частично расположена в геологической формации 6 месторождения. Геологическая формация 6 содержит содержащее углеводороды вещество, т.е. подлежащие добыче углеводороды, например, тяжелые нефти, особенно тяжелые нефти, битумы, нефтесодержащий песок и/или горючий сланец. Кроме того, геологическая формация 6 может содержать геологическую формацию и/или содержащий углеводороды земной слой 6.2, в частности, несколько земных слоев 6.1, …, 6.3.
Проводящая петля 4 проходит по меньшей мере через или внутри земного слоя 6.2, который имеет подлежащие добыче углеводороды, в частности, месторождения тяжелой нефти, особенно тяжелой нефти, битума, нефтесодержащего песка и/или горючего сланца. Содержащий углеводороды земной слой 42 окружен лежащим сверху земным слоем 6.1 и лежащим снизу земным слоем 6.3. Геологическая формация 6 содержит указанные земные слои 6.1, …, 6.3.
Проводящая петля 4 образует индуктор 4, при этом проводящая петля 4 установлена, например, на глубине от 50 м до 85 м в геологической формации 6. При этом проводящая петля 4 имеет для образования электрического колебательного контура, который предусмотрен для компенсации реактивной мощности, несколько конденсаторов.
Кроме того, проводящая петля 4 имеет первый и второй проводящий участок 4.1, 4.2. Первый проводящий участок 4.1 проходит от первого генератора 2.1 переменного тока ко второму генератору 2.2 переменного тока. Второй проводящий участок 4.2 проходит от второго генератора 2.2 переменного тока обратно к первому генератору 2.1 переменного тока. При этом первый и второй проводящий участок 4.1, 4.2 образуют проводящую петлю 4.
Первый генератор 2.1 переменного тока расположен в первой зоне 3.1, а второй генератор 2.2 переменного тока расположен во второй зоне 3.2 проводящей петли 4. Первый и второй проводящий участок 4.1, 4.2 достигают наибольшего расстояния друг от друга, например 50 м, в земном слое 6.2, который имеет подлежащие добычи углеводороды.
Первый и второй генератор 2.1, 2.2 переменного тока расположены вне геологической формации 6 и внутри окружающего месторождение  воздушного слоя 5. Первый и второй генератор 2.1, 2.2 переменного тока работают со связью по фазе, т.е. разница фаз между генерируемым с помощью первого генератора 2.1 переменного тока первым переменным током и генерируемым с помощью второго генератора 2.2 переменного тока переменным током изменяется во времени лишь немного. При этом неизменная разница фаз предпочтительно составляет 0° или 180°, в зависимости от полярности первого и второго генератора 2.1, 2.2 переменного тока. Генерируемые с помощью первого и второго генератора 2.1, 2.2 переменного тока переменные токи имеют одинаковую частоту и амплитуду напряжения. Предпочтительно первый и второй генератор 2.1, 2.2 переменного тока имеют приблизительно одну и ту же амплитуду напряжения, при этом могут быть предусмотрены различные амплитуды напряжения.
Кроме того, проводящая петля 4 может нагружаться током с помощью более двух генераторов переменного тока. За счет этого предпочтительно уменьшаются дополнительно соответствующие амплитуды напряжения в генераторах переменного тока и в проводящих участках между генераторами переменного тока. Если применяется, например, N генераторов переменного тока, то электрические требования к изоляции проводящей петли 4 могут уменьшаться на фактор 1/N, если активное напряжение выше реактивного напряжения соответствующего проводящего участка между соответствующими двумя генераторами переменного тока. При этом N является натуральным числом, которое равно или больше двух.
По меньшей мере часть из N генераторов переменного тока может быть расположена внутри геологической формации 6. За счет этого потери, например потери преобразования, расположенных в генераторах переменного тока преобразователей частоты, предпочтительно могут отдаваться в геологической формации 6.
На фиг. 2 показана электрическая эквивалентная схема проводящей петли 4 из фиг. 1. При этом проводящая петля 4 содержит несколько конденсаторов 8. Индуктивности 7 образованы самой проводящей петлей 4.
В первой и второй зоне 3.1, 3.2 проводящей петли 4, проводящая петля 4 нагружается с помощью соответствующих генераторов 2.1, 2.2 переменного тока соответствующим переменным током. С помощью конденсаторов 8 и индуктивностей 7 образуется электрический колебательный контур с заданной конденсаторами 8 и индуктивностями 7 резонансной частотой. Предпочтительно, когда первый и второй генератор 2.1, 2.2 переменного тока работают с резонансной частотой указанного электрического колебательного контура. За счет этого происходит особенно предпочтительная компенсация реактивной мощности.
Первый и второй генератор 2.1, 2.2 переменного тока предпочтительно расположены симметрично относительно проводящей длины проводящей петли 4, т.е. что первый проводящий участок 4.1 имеет по существу ту же проводящую длину, что и второй проводящий участок 4.2.
На фиг. 3 показана электрическая эквивалентная схема проводящей петли 4, которая нагружается соответствующим переменным током в четырех зонах 3.1, …, 7.4. Для этого проводящая петля 4 электрически связана с первым, вторым, третьим и четвертым генератором 2.1, …, 2.4 переменного тока. Соответствующие лежащие между двумя генераторами переменного тока проводящие участки имеют предпочтительно одну и ту же проводящую длину. Другими словами, генераторы 2.1, …, 2.4 переменного тока расположены симметрично вдоль проводящей петли 4. Следовательно, они разделяют проводящую петлю 4 на одинаково длинные проводящие участки.
Как показано уже на фиг. 1 и/или 2, проводящая петля 4 имеет несколько конденсаторов 8 и индуктивностей 7 для образования электрического колебательного контура. Третий и четвертый генераторы 3.3, 7.4 переменного тока могут быть предпочтительно расположены в геологической формации 6, т.е. под землей.
В общем, проводящая петля 4 может быть электрически соединена с более чем четырьмя генераторами переменного тока. Другими словами, происходит N-кратная подача тока в проводящую петлю 4. За счет этого может быть уменьшено на фактор 1/N требование к изоляции проводящей петли 4 относительно геологической формации 6.
Хотя изобретение было подробно показано и пояснено с помощью предпочтительных примеров выполнения, изобретение не ограничивается раскрытыми примерами выполнения, или специалисты в данной области техники могут выводить из них другие варианты выполнения, без выхода за объем защиты изобретения.