ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ
HIGH-FREQUENCY SYSTEM FOR EXTRACTING HYDROCARBONS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе, упрощающей добычу углеводородов, в частности, - к системе добычи с помощью высокочастотного нагрева высоковязких углеводородов на месте залегания посредством антенны, содержащей массив коаксиальных преобразователей типов волн.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
На современном уровне техники известны многочисленные способы и системы для добычи углеводородов посредством нагрева самих углеводородов.
В частности, в заявках на патент или в уже опубликованных патентах раскрываются способы и системы для применения высокочастотного нагрева в нефтяных скважинах. В этих документах обычно описывается устройство, содержащие генераторы высокочастотной энергии, устанавливаемые на поверхности, линии передачи для транспортировки высокочастотного сигнала к основанию скважины и конструкции (антенны) для излучения или применения высокочастотной энергии в геологическом формировании.
В некоторых ссылочных патентных документах описываются возможные способы нефтедобычи, которые можно реализовать посредством высокочастотного нагрева на месте залегания, в частности:
Снижение уровня высокой вязкости тяжелой нефти (US 7,891,421, Method and apparatus for in-situ RF heating (способ и устройство для высокочастотного нагрева на месте залегания), Kasevich (2011));
Разжижение твердых углеводородов в условиях резервуара (битуминозные пески) (US 2012/0090844, Simultaneous Conversion and recovery of bitumen using RF (одновременная переработка и извлечение битума с использованием высокой частоты), Madison и др. (2012));
Нефтедобыча с помощью высокотемпературного пиролиза керогенов (в нефтеносном сланце) (US 4,485,869, Recovery of liquid hydrocarbons from oil shaie by electromagnetic heating in situ (извлечение жидких углеводородов из нефтеносного сланца с помощью электромагнитного нагрева на месте залегания), Sresty и др. (1984));
Добыча биологических продуктов из нефтеносного сланца (US 4,508,168, RF applicator for in situ heating (высокочастотный излучатель для нагрева на месте залегания), Heeren (1985))
Переработка на месте залегания (повышение качества) посредством нагрева тяжелой нефти до высокой температуры (с использованием или без использования ввода веществ, слоев катализаторов и/или других реактивных веществ) (US 2010/0219107, Radio Frequency Heating of petroleum ore by particle susceptors (высокочастотный нагрев углеводородной руды посредством обнаружителей частиц), Parsche (2010); US 7,441,597, Method and apparatus for in-situ RF assisted gravity drainage of oil (способ и устройство для гравитационного дренажа нефти с помощью высокочастотного излучения на месте залегания), Kasevich (2008));
Способы для нагнетания пара с помощью высокочастотного нагрева (US 2012/0061080, Inline RF heating for SAGD operations (внутритрубный высокочастотный нагрев для операций SAGD), Sultenfuss и др. (2012); US 8,646,527, RF enhanced SAGD method for recovery of hydrocarbons (улучшенный высокочастотный способ SAGD для извлечения углеводородов), Trautman и др. (2014)).
Кроме того, существуют патентные ссылочные документы, относящиеся к различным типам антенн или излучателей для скважин:
Дипольные, спиральные, соленоидные или коллинеарные антенны (US 7,441,597, Method and apparatus for in-situ RF assisted gravity drainage of oil (способ и устройство для гравитационного дренажа нефти с помощью высокочастотного излучения на месте залегания), Kasevich (2008); US 2012/0061380, Apparatus and method for heating of hydrocarbon deposits by RF driven coaxial sleeve (устройство и способ для нагрева месторождения углеводородов с помощью управляемой высокочастотным сигналом коаксиальной муфты), Parsche (2012));
Массивы электродов (US 4,485,869, Recovery of liquid hydrocarbons from oil shale by electromagnetic heating in situ (извлечение жидких углеводородов из нефтеносного сланца с помощью электромагнитного нагрева на месте залегания), Sresty и др. (1984));
Закольцованные двухпроводные линии передачи, формирующие растянутые петли (US 2012/0061383, Litz Heating Antenna (антенна с обмоточным проводом для нагревания), Parsche (2012));
Трехмерные линии передачи и муфты (US 8,453,739, Triaxial linear induction antenna array for increased heavy oil recovery (трехмерная индукционная антенная решетка для извлечения нефти с повышенной тяжестью), Parsche (2013); US 2013/0334205, Subterranean antenna including antenna element and coaxial line therein and related methods (подземная антенна, содержащая антенный элемент и коаксиальную линию, и соответствующие способы), Wright и др. (2013)).
В некоторых из этих ссылочных документов (US 7,441,597; US 2012/0061380) описываются проволочные антенны резонансного типа. Длина антенн таких типов обычно ограничена несколькими метрами и позволяет нагревать до высокой температуры ограниченную часть резервуара вокруг антенны. Системы, оснащенные антеннами такого типа, могут быть эффективными для нефтеносных песков. Такие антенны устанавливаются в специальных металлических конструкциях скважины или, в некоторых случаях, используются непосредственно элементы оборудования скважины. Другие системы (описанные, например, в заявке US 4,485,869) основаны на массивах электродов, установленных в отверстиях основания для формирования конденсаторной конструкции. В этих системах нагрев осуществляется внутри объема основания, разделенного электродами.
Эти системы были предложены для извлечения углеводородов из пластов нефтеносного сланца.
Наконец, другие системы, предложенные для применения в нефтеносных песках, основаны на трехосных или вытянутых петлевых конструкциях, устанавливаемых в горизонтальных скважинах (US 2013/0334205; US 8,453,739; US 2012/0061383). Эти антенные системы, работающие на относительно низкой частоте (в диапазоне 1-10 кГц) и мощности порядка нескольких МВт, предлагаются для высокотемпературного нагрева, распределяемого вдоль горизонтальной скважины с целью сжижения твердых битумных материалов.
Ниже приводится сводка ограничений и практических недостатков, характерных для систем известного уровня техники.
Остронаправленные резонансные антенны не эффективны для горизонтальных скважин с отводными каналами значительной длины (например, длины порядка сотен метров). Это объясняется тем, что резонансные антенны не могут быть эффективными для распределенного излучения вдоль скважины, даже если их длины типичны для рассматриваемых отводных каналов. Например, диполь длиной 1000 м, который подводится из центра и излучает в дисперсионной среде (типичный диапазон электрической проводимости нефтяных резервуаров составляет от 0,001 до 0,1 См), распространяет электрическое поле, ограниченное несколькими метрами, вокруг точки подвода электроэнергии, независимо от физической длины диполя.
Этот показатель также представляет собой характеристику резонансных антенн других типов с геометрическими структурами, отличными от структуры диполя, такими как спиральная, соленоидная или коллинеарная антенны с коаксиальным симметричным вибратором. Таким образом, этот класс антенн невозможно использовать для распределения энергии по отводному каналу.
Однако распределенные антенны, разработанные для функционирования на частотах 1-10 кГц, характеризуются другими недостатками. Параметры трехосных антенн не позволяют конфигурировать или разрабатывать излучающий массив в зависимости от характеристик окружающей среды или требуемого распределения энергии по отводному каналу. В частности, не определен способ, посредством которого высокочастотная мощность могла бы равномерно распределяться по отводному каналу. Кроме того, конструкция трехосных антенн может быть очень громоздкой с учетом необходимости построения конструкций вибраторов, окружающих линию передачи. Последний аспект может вызывать неудобства при встраивании антенн в нефтяные скважины.
Однако закольцованные двухпроводные антенны, формирующие растянутые петли, обладают другими недостатками. Первый из них следует из того факта, что в двухпроводной линии возникают большие потери при переносе энергии. Это может привести к заметным потерям энергии в нефтяной скважине, что неблагоприятно сказывается на передаче энергии на глубину резервуара. Кроме того, как и в случае использования трехосных антенн, отсутствует четкая процедура контроля распределения мощности, передаваемой в среду передачи. По-видимому, единственным параметром, определяющим характеристики излучения конструкции, является расстояние между двумя проводниками двухпроводной линии, которое в любом случае ограничено участком внутри скважины, в которой эта конструкция установлена.
Предлагаемые антенны, работающие на частотах 1-10 кГц, обладают другими недостатками. Антенны такого типа работают в диапазонах частот, в которых распределение электромагнитной энергии в радиальном направлении (относительно оси скважины) не может управляться путем управления частотой. Это происходит потому, что в диапазоне 1-10 кГц глубина проникновения поля (глубина, на которую электромагнитное поле проникает в среду передачи, вычисляемая по формуле d=sqrt(2/(sωμ)), где s - электрическая проводимость, ω - угловая частота электромагнитных колебаний, и μ - магнитная проницаемость) значительно больше соответствующего луча нагрева (который обычно составляет порядка 10-15 м). При s=0,01 См глубина проникновения поля фактически составляет порядка 50-160 м для частот в диапазоне между 10 и 1 кГц.
Из этого следует, что нагрев осуществляется на близком расстоянии (r<<d), на котором распределение электромагнитного поля в радиальном направлении не зависит от частоты.
Однако на более высоких частотах значения глубины проникновения поля сравнимы с тепловым лучом (например: 1,5-5 м на частотах 10-1 МГц). Это может полезным образом использоваться при тепловом извлечении, поскольку позволяет регулировать распределение глубины проникновения энергии в среду передачи (в радиальном направлении) путем выбора частоты, благодаря чему может регулироваться температурный диапазон в радиальном направлении. Регулирование температурного диапазона может использоваться для достижения максимальной мобильности добычи нефти в горных породах и увеличения производительности скважины.
ЦЕЛЬ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящей заявке на патент предлагается технология, которая устраняет, по меньшей мере частично, недостатки доступных в настоящее время систем.
ОБЩЕЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к системе нагрева высоковязких углеводородов в резервуаре, содержащем отводной канал с гидравлическим соединением, при этом система содержит высокочастотный генератор, подходящий для генерации электромагнитного сигнала; коаксиальную линию передачи, соединенную с генератором и подходящую для передачи сигнала по скважине, при этом коаксиальная линия содержит внешний проводник и внутренний проводник, которые разделены слоем диэлектрического материала; по меньшей мере один преобразователь типов волн, расположенный вдоль коаксиальной линии передачи, при этом по меньшей мере один преобразователь типов волн разрывает коаксиальную линию передачи в отводном канале и содержит первый и второй проводники, причем первый проводник преобразователя реализует электрическое соединение между внешним проводником линии передачи в восходящем направлении относительно преобразователя и внешним проводником линии передачи в нисходящем направлении относительно преобразователя, а второй проводник преобразователя реализует электрическое соединение между внутренним проводником линии передачи в восходящем направлении относительно преобразователя и внутренним проводником линии передачи в нисходящем направлении относительно преобразователя; причем упомянутый по меньшей мере один преобразователь типов волн обеспечивает - при наличии высокочастотного сигнала, передаваемого вдоль коаксиальной линии передачи, - нарушение дифференциального режима распространения сигнала вдоль коаксиальной линии передачи и наведение тока во внешнем проводнике коаксиальной линии передачи и электромагнитного поля в окружающей области, которое вызывает нагрев углеводородов в резервуаре.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения система содержит множество преобразователей типов волн, распределенных вдоль коаксиальной линии передачи внутри отводного канала. Согласно предпочтительному варианту осуществления множество преобразователей типов волн включает массив преобразователей типов волн, равномерно расположенных вдоль коаксиальной линии передачи. Каждый преобразователь типов волн посредством нарушения дифференциального режима распространения сигнала излучает часть высокочастотной мощности, которая распространяется вдоль коаксиальной линии, в результате чего создается излучение, распределяемое вдоль массива преобразователей типов волн.
Преобразователи типов волн могут быть емкостного, индуктивного типа или могут представлять собой комбинацию этих двух типов. Индуктивные преобразователи вызывают нарушение дифференциального режима распространения сигнала вдоль коаксиальной линии передачи посредством по меньшей мере одного индуктивного элемента. Емкостные преобразователи вызывают нарушение дифференциального режима распространения сигнала вдоль коаксиальной линии передачи посредством по меньшей мере одного емкостного элемента.
Система, соответствующая настоящему изобретению, позволяет распределять высокочастотное излучение на значительные расстояния по отводному каналу в горизонтальной, вертикальной или наклонной нефтяной скважине.
Система такого вида позволяет эффективно увеличивать производительность скважин для извлечения высоковязких углеводородов, в частности тяжелой нефти, благодаря возможности равномерного нагрева резервуара и поддерживать умеренную температуру по всей длине отводного канала.
Важность высоковязких углеводородов, используемых в качестве энергетических ресурсов, постоянно растет в результате развития усовершенствованных способов добычи нефти, таких как тепловое извлечение.
Нагрев резервуара с использованием высокочастотной энергии посредством антенной системы, расположенной в буровой скважине, может представлять собой эффективную альтернативу традиционным способам нагнетания пара, поскольку он не требует потребления значительных объемов воды и может обеспечить такие преимущества, как управляемое распределение энергии, уменьшение зависимости от характеристик резервуара (в частности, производительность способов нагнетания пара в значительной степени зависит от пропускной способности резервуара и целостности покрывающей породы), компактное оборудование, ограниченный расход энергии на баррель производимой нефти благодаря возможности достижения высокого уровня эффективности передачи энергии к основанию скважины и возможности управления распределением энергии внутри резервуара.
Таким образом, высокочастотный нагрев может представлять собой эффективную альтернативу нагнетанию пара для теплового извлечения тяжелой нефти и может также использоваться для умеренного нагрева (порядка всего нескольких десятков градусов в области резервуара вокруг соответствующей скважины) в тех случаях, когда такой нагрев в значительной степени эффективен для уменьшения вязкости нефти и увеличения производительности скважины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для того чтобы упростить описание некоторых предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, далее приводятся ссылки на ряд чертежей.
На фиг. 1 показана система нагрева высоковязких углеводородов в отводном канале в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 показан механизм преобразования электромагнитных волн в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 3 показан преобразователь типов волн в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4 показаны некоторые альтернативные варианты реализации преобразователя типов волн;
на фиг. 5 показаны возможные варианты реализации оконечной части антенны, которые могут использоваться в системе в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения система функционирует посредством применения мощности порядка 100-1000 кВт на частотах в диапазоне 0,1-10 МГц. Такой вариант осуществления изобретения может быть предпочтительным для умеренного нагрева вдоль отводного канала в пределах порядка нескольких сотен метров, например 1000 м и более. Такой вариант осуществления может в значительной степени увеличить производительность скважины для добычи тяжелой нефти и в то же самое время обеспечить ограниченный расход энергии на баррель производимой нефти. Согласно такому варианту осуществления температура в скважине может увеличиваться на 50°С, на 28°С в пяти метрах в радиальном направлении от скважины, на 13°С в десяти метрах от скважины и на 10°С в пятнадцати метрах от скважины.
Согласно последующим предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения для извлечения тяжелой нефти используется система, работающая на частотах в диапазоне от 0,1 до 10 МГц.
Система, к которой относится настоящее изобретение, путем расчета параметров массива может приспосабливаться для различных резервуаров и обеспечивать требуемое распределение высокочастотного излучения вдоль скважины.
Кроме того, система, к которой относится настоящее изобретение, позволяет формировать высокочастотные линии с ограниченными участками, что является преимущественным аспектом при установке антенны непосредственно в добывающих скважинах стандартных размеров без необходимости в дополнительных специальных скважинах.
Таким образом, система, к которой относится настоящее изобретение, характеризуется возможностью управляемого излучения вдоль отводного канала на рассматриваемых частотах.
В частности, преимущество состоит в конфигурации, в которой излучение является однородным, или, вернее, мощность, излучаемая каждым преобразователем типов волн, постоянна в пределах отводного канала.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения система, показанная на фиг. 1, содержит высокочастотный генератор 101, скважинный перфоратор 103, коаксиальный высокочастотный соединитель 105 и массив 107 коаксиальных преобразователей типов волн, который входит в состав антенной системы 100.
Высокочастотный генератор 101 преимущественно устанавливается на поверхности и работает в диапазоне частот 0,1-10 МГц. В некоторых вариантах осуществления генератор может поставлять мощность <= 1 МВт для умеренного нагрева, если этого достаточно для значительного уменьшения вязкости тяжелой нефти. В других вариантах осуществления мощность может быть >= 1 МВт, если требуются высокие температуры на расстоянии в несколько метров от скважины, для того чтобы обеспечить подвижность углеводорода.
Существуют различные способы конструирования высокочастотного генератора высокой мощности, работающего в диапазоне рассматриваемых частот. Передатчик может представлять собой массив твердотельных усилителей, электронных ламп или комбинацию этих двух решений.
Передатчик также может содержать инвертор. Генератор также может включать в свой состав блок согласования импеданса, который согласует выход передатчика с нагрузкой для максимального увеличения мощности, переносимой в среду передачи. Выход генератора соединяется с устьем скважины посредством коаксиального кабеля.
Скважинный перфоратор 103 является частью системы, которая позволяет передавать сигнал с поверхности внутрь скважины посредством конструкции, интегрированной в оборудование в устье скважины. Два конца перфоратора соединяются с коаксиальным кабелем, исходящим из генератора, и коаксиальным кабелем, установленным внутри скважины, для передачи мощности в основание скважины.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения скважинный перфоратор имеет коаксиальную конструкцию.
В другом варианте осуществления перфоратор имеет двухпроводную конструкцию.
Для создания перфоратора может использоваться любая электрическая конструкция, обеспечивающая ограниченные значения вносимых и обратных потерь.
Конструкция коаксиальной линии 105 передачи в основании скважины позволяет передавать сигнал в основание скважины или на вход антенны. Для формирования коаксиального кабеля могут использоваться конструкции различных типов.
Коаксиальный кабель должен обеспечивать характеристики, подходящие для расстояния, на которое передается мощность, в отношении как пиковой, так и средней мощности, а также вносить низкое ослабление в сигнал, для того чтобы постоянно передавать требуемую мощность в основание скважины и поддерживать высокий уровень эффективности использования электроэнергии.
Эти характеристики улучшаются по мере увеличения диаметра кабеля. С этой целью коаксиальный кабель должен разделяться на участки внешнего проводника (оплетка) и внутреннего проводника (жила), достаточно большие для передачи мощности на требуемое расстояние.
Характеристики коаксиального кабеля также зависят от диэлектрического материала, отделяющего внутренний проводник от внешнего. Использование материалов с низкими диэлектрическими потерями позволяет увеличивать расстояние, на которое кабель может передавать мощность, и повышает эффективность передачи. Например, для формирования кабеля, подходящего в этом применении, могут использоваться такие материалы, как PTFE (polytetrafluoroethylene, политетрафторэтилен) и расширенный PTFE, которые отличаются низкими потерями. Для формирования коаксиального кабеля также преимущественно могут использоваться диэлектрические материалы других типов.
Длина антенны массива коаксиальных преобразователей типов волн совместима с длиной отводного канала или соответственно пропорциональна длине отводного канала (например, 30%, 50% или 70%).
Длина антенны, таким образом, зависит от длины отводного канала и может изменяться в зависимости от типа скважины и резервуара. Для горизонтальных скважин типичная длина отводного канала может составлять 1000 м.
Значительные длины буровой скважины также могут использоваться для вертикальной или наклонной скважин, которые пересекают очень толстые резервуары (например, длина отводного канала составляет 100 м).
В таком контексте антенна массива преобразователей типов волн может конструироваться и использоваться для нагрева резервуара на всем протяжении отводного канала вертикальной или наклонной скважины. Преобразователи 107 типов волн представляют собой электрические конструкции, соединяемые друг с другом вдоль коаксиального кабеля 105. Функция конкретной конструкции преобразователей типов волн состоит в нарушении дифференциального режима распространения высокочастотного сигнала вдоль кабеля. При нарушении режима распространения устанавливается синфазный режим. В результате генерируются токи, протекающие вне коаксиального кабеля, в коаксиальном участке, центрированном в точке установки преобразователя. С такими внешними токами в окружающей области связано электромагнитное поле, нагревающее геологическое формирование. Этот механизм используется для передачи наружу части мощности, переносимой вдоль коаксиального кабеля.
Использование массива преобразователей типов волн, расположенных вдоль коаксиальной линии, позволяет передавать значительную часть мощности или всю мощность, поступающую в коаксиальный кабель. На фиг. 2 показан механизм преобразования электромагнитных волн, лежащий в основе функционирования антенны. На чертеже показано, как разрыв в линии передачи (в результате наличия преобразователя типов волн) изменяет распределение токов непосредственно вдоль линии и генерирует синфазные токи вне линии.
Массив взаимосвязанных преобразователей типов волн в коаксиальной линии формирует антенну, устанавливаемую на участке отводного канала.
Преобразователи типов волн оснащены по меньшей мере двумя проводниками. Первый проводник соединяет оплетку коаксиального участка, расположенного в восходящем направлении линии, с оплеткой коаксиального участка, расположенного в нисходящем направлении линии. Второй проводник соединяет жилу коаксиального участка, расположенного в восходящем направлении линии, с жилой коаксиального участка, расположенного в нисходящем направлении линии.
Желательно, чтобы геометрия проводников в преобразователях типов волн выбиралась для создания индуктивных и/или емкостных элементов. Элементы такого вида нарушают дифференциальный режим распространения сигнала вдоль коаксиального кабеля и позволяют установить синфазный режим. В последнем случае наводятся токи во внешней оплетке коаксиального кабеля и электромагнитное поле в окружающей области.
Электромагнитное поле с частотой f нагревает окружающую среду посредством механизмов индуктивного или диэлектрического нагрева, или комбинации этих двух механизмов.
2
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения токи, протекающие во внешней оплетке, наводят магнитное поле в окружающей области, в частности, - внутри резервуара. Изменение магнитного поля во времени, в свою очередь, наводит электрическое поле внутри резервуара, в результате чего вырабатываются вихревые токи, определяемые формулой J = sE, где J - плотность тока, s - электрическая проводимость резервуара, и Е - наведенный электрический ток. Мощность, рассеиваемая на единицу объема внутри геологического носителя, вычисляется по формуле q = 0,5sE. Эта процедура формирует основу для высокочастотного нагрева антенной, установленной в скважине.
Преобразователи типов волн представляют собой элементы, с обеих сторон соединяемые с коаксиальным кабелем посредством подходящих соединителей, в качестве которых могут использоваться коаксиальные или двухпроводные соединители.
Преобразователи типов волн могут быть индуктивного типа. Индуктивность может формироваться геометрической структурой одного из двух проводников или обоими проводниками. Индуктивность может формироваться путем комбинации геометрической структуры проводников с использованием материалов с высокой магнитной восприимчивостью.
Преобразователи типов волн могут быть емкостного типа. Емкость может формироваться геометрической структурой одного из двух проводников или обоими проводниками. Емкость может формироваться путем комбинации геометрической структуры проводников с использованием материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.
Преобразователи типов волн могут быть индуктивно-емкостного типа. Преобразователи такого типа характеризуются комбинацией описанных выше конструкций.
На фиг. 3 показана общая электрическая схема, относящаяся к преобразователям типов волн. На чертеже показано, что возможны различные комбинации индуктивных и емкостных элементов. Любой из двух проводников, содержащий преобразователь типов волн (внутренний и внешний), может включать в свой состав один или более индуктивных элементов и/или один или более емкостных элементов, соединенных последовательно и/или параллельно. Другая возможность заключается в формировании непосредственного соединения для внутреннего или внешнего проводника.
На фиг. 4 показаны конкретные варианты реализации индуктивных, емкостных и индуктивно-емкостных преобразователей типов волн. В частности, на фиг. 4а показан преобразователь типов волн индуктивно-емкостного типа, в котором внешний проводник скручен для формирования катушки, которая создает индуктивный параметр, а внутренний проводник разрывается парой пластин, которые создают емкостной параметр; на фиг. 4b показан преобразователь типов волн индуктивно-емкостного типа, в котором внешний проводник разрывается парой пластин, которые создают емкостной параметр, а внутренний проводник скручен для формирования катушки, которая создает индуктивный параметр. С другой стороны, на фиг. 4с показан преобразователь типов волн индуктивного типа, в котором внешний проводник скручен для формирования катушки, которая создает индуктивный параметр, а внутренний проводник формирует непосредственное соединение из жилы коаксиального кабеля в восходящем направлении с жилой коаксиального кабеля в нисходящем направлении. С другой стороны, на фиг. 4d показан преобразователь типов волн индуктивного типа, в котором внешний проводник скручен для формирования катушки, которая создает индуктивный параметр, и внутренний проводник, как и внешний, также скручен для формирования катушки, которая создает индуктивный параметр; наконец, на фиг. 4е показан преобразователь типов волн индуктивного типа, в котором внешний проводник скручен для формирования катушки, коаксиальной по отношению к внутреннему проводнику, в отличие от указанных выше структур, в которых спирали расположены сбоку относительно внутреннего проводника.
Преобразователи типов волн, располагаемые на коаксиальной линии, разрывают линию передачи, что приводит к излучению части мощности в пределах среды, окружающей антенну. Электромагнитные характеристики преобразователя типов волн могут описываться посредством двух фундаментальных параметров: КПД антенны (отношение излучаемой мощности к мощности, подводимой на вход преобразователя типов волн) и обратные потери (отношение отражаемой мощности к подводимой мощности).
Значения таких параметров в конкретном преобразователе типов волн зависит от различных переменных, в частности - от значений индуктивности и/или емкости, формируемых преобразователем типов волн, частоты и характеристик электромагнитного поля (диэлектрическая проницаемость и электрическая проводимость) резервуара, электромагнитных характеристик жидкостей внутри скважины и любых параметров покрытия антенны. Из этого следует, что конструкция массива и преобразователей типов волн или, скорее, выбор расстояния между преобразователями типов волн вдоль коаксиального массива, тип конструкции преобразователя и относительные значения индуктивности и/или емкости в зависимости от диапазона частот, а также электромагнитные характеристики окружающей среды являются одним из основных аспектов при конструировании систем, к которым относится настоящее изобретение.
В частности, конструктивные характеристики различных преобразователей типов волн, используемых для формирования массива, как правило, отличаются друг от друга. Преобразователи типов волн, расположенные в начале массива, должны быть сконструированы для обеспечения низкого КПД антенны, то есть - для излучения ограниченной части мощности, подаваемой на вход, и передачи значительной части мощности в нисходящем направлении.
С другой стороны, преобразователи типов волн, расположенные в конце массива, должны поддерживать высокий КПД антенны для излучения значительной части оставшейся мощности.
Оконечная часть антенны (соответствующая основанию скважины) может формироваться различным образом. Эта часть может представлять собой цепь короткого замыкания или разомкнутую цепь для возврата оставшейся мощности, не излученной из преобразователей типов волн, так чтобы эта мощность могла излучаться в процессе возврата по антенне, или эта часть может представлять собой антенну резонансного типа, такую как коаксиальный монополь, предназначенный для излучения оставшейся мощности, не излученной из массива преобразователей типов волн.
На фиг. 5 показаны возможные варианты реализации оконечной части антенны, в частности, - разомкнутая цепь, цепь короткого замыкания и монополь, сформированный из коаксиального кабеля.
Скважина может представлять собой открытую буровую скважину в резервуаре или, в предпочтительном варианте, может быть облицована трубой из непроводящего материала (такого как стекловолокно, политетрафторэтилен или другой термопластичный материал, керамика или системы непроводящих материалов другого типа) для поддержки излучения антенной, установленной внутри нее.
Система, к которой относится настоящее изобретение, преимущественно может формироваться путем согласования антенны с резервуарами, имеющими различные или разнородные характеристики в пределах отводного канала, путем выбора электрических параметров и позиционирования каждого преобразователя типов волн вдоль массива.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения конкретные преобразователи типов волн могут разрабатываться для управления параметрами излучения вдоль отводного канала.
Например, цифровое моделирование, выполняемое с использованием приборов, моделирующих электромагнитные антенны, показывает, что путем установки значений индуктивности в диапазоне от нескольких десятых до нескольких десятков мкГн возможно получить диапазон значений КПД антенны, позволяющий выполнять равномерный нагрев через отводной канал длиной 1000 м. Например, при сопротивлении в резервуаре в диапазоне 50-200 Ом/м (диапазон сопротивлений, типичный для геологических формирований, образованных из горных пород, характеризующихся высоким насыщением углеводородов и ограниченным насыщением воды) возможно достичь КПД антенны в диапазоне от 1% до 3% (что требуется для конструкции массива из 100 элементов и общей длины антенны, составляющей 1000 м) на частоте 1 МГц с использованием индуктивных преобразователей типов волн (с катушкой, соединяющей участки оплетки коаксиального кабеля), характеризующихся значениями индуктивности в диапазоне примерно от 0,5 мкГн до 10 мкГн. Такие значения индуктивности могут быть получены путем формирования катушек с диаметром, подходящим для установки в скважине, и количеством витков в диапазоне от 8 до 32. Длина таких преобразователей типов волн может составлять порядка 40-60 см.
Кроме того, благодаря таким значением индуктивностей из каждого преобразователя типов волн возвращается небольшая мощность (для первых преобразователей в массиве, КПД которых равен порядка 1%, обратные потери составляют примерно -24 дБ, а для конечных преобразователей массива, КПД которых равен порядка 30% или более, обратные потери составляют -10 дБ), и это позволяет достичь значения общих обратных потерь антенны порядка -15 дБ, что достаточно для данного применения (эквивалентно передаче в породы 97% мощности и возврату в генератор 3% мощности).
Этот пример осуществления настоящего изобретения иллюстрирует возможность достижения распределенного высокочастотного нагрева с высоким уровнем производительности. Кроме того, такого рода предварительные условия, касающиеся электрических параметров, позволяют формировать преобразователи в условиях, когда участки конструкции ограничены значениями, совместимыми с их установкой в отводном канале эксплуатационных скважин.
Например, диаметр 6 см (эквивалентно 2,4 дюйма) может быть совместим с установкой в эксплуатационной скважине. Это справедливо, поскольку эксплуатационная скважина может иметь диаметр бурового отверстия, равный 8,5 дюймов, и внутренний диаметр облицовки порядка 5 дюймов. Таким образом, согласно примеру осуществления настоящего изобретения после установки антенны в скважине остается пространство для возможного покрытия антенны и для потока нефти на поверхность.
Установка высокочастотной системы в эксплуатационной скважине позволяет максимизировать эффективность теплового воздействия в процессе концентрации нагрева рядом с эксплуатационной скважиной и уменьшить количество скважин, которые требуется пробурить в области месторождения.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения также возможно минимизировать активные потери, возникающие вдоль отводного канала, путем применения коаксиальной транспортной линии (наиболее эффективная линия передачи в рассматриваемом диапазоне частот) в антенном участке. Это можно реализовать с помощью коаксиального кабеля с низким ослаблением для формирования массива преобразователей типов волн, такого как коаксиальный кабель, используемый для высокочастотного соединения между поверхностью и антенным входом. Измерения уровня отражений в диапазоне частот могут выполняться на высокочастотной линии, установленной в скважине, путем соединения линии с анализатором спектра. Измерения уровня отражений на поверхности зависят от возврата соответствующего сигнала из каждого преобразователя типов волн. Информация, полученная в результате измерения коэффициента отражения, может, таким образом, использоваться для контроля характеристик излучения антенны и окружающей среды передачи, а также для оптимизации рабочей частоты.
Система, к которой относится настоящее изобретение, может применяться в области теплового извлечения в отдельной скважине или в разделенных скважинах (нагревательной и эксплуатационной) и может сочетаться с другими усовершенствованными способами извлечения (IOR/EOR, Improved Oil Recovery/Enhanced Oil Recovery (улучшенная/усовершенствованная добыча нефти)).