ЭКРАНИРОВАННАЯ МНОГОПАРНАЯ СИСТЕМА В КАЧЕСТВЕ ПОДВОДЯЩЕЙ ЛИНИИ К ИНДУКТИВНОЙ ПЕТЛЕ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ В МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ
SCREENED MULTI-PAIR SYSTEM AS A SUPPLY LINE TO INDUCTIVE LOOP FOR HEATING IN HEAVY OIL FIELDS

Изобретение касается системы нескольких электрических пар проводов для симметричного питания потребителя.
Для добычи сверхтяжелых нефтей или битумов из залежей нефтеносного песка или горючего сланца посредством систем труб, которые вводятся в них через скважины, должна значительно повышаться жидкотекучесть нефтей. Это может достигаться путем повышения температуры залежи или, соответственно, бассейна, например, методом Steam Assisted Gravity Drainage (SAGD) - парогравитационного дренажа (ПГД).
При методе ПГД водяной пар, к которому могут быть добавлены растворители, под высоким давлением нагнетается через горизонтально проходящую внутри бассейна трубу. Нагретый, расплавленный и отделенный от песка или породы битум просачивается во вторую, расположенную примерно на 5 м глубже трубу, через которую происходит нагнетание ожиженного битума. При этом водяной пар должен одновременно выполнять несколько задач, а именно осуществлять передачу тепловой энергии для ожижения, отделение песка, а также повышение давления в бассейне, чтобы, с одной стороны, сделать бассейн геомеханически проницаемым для транспортировки битума (проницаемость), а с другой стороны, обеспечить возможность нагнетания битума без дополнительных насосов.
Дополнительно к методу ПГД или вместо него может использоваться индуктивный обогрев для поддержки или нагнетания сверхтяжелых нефтей или битумов. Такого рода индуктивное нагревание описано в публикации DE 102008044953 А1. При этом электромагнитный индуктивный обогрев состоит из петли провода, которая проложена в бассейне и при снабжении током индуцирует в окружающем грунте вихревые токи, которые нагревают его. Чтобы достичь желаемых плотностей мощности нагрева, равных обычно 1-10 кВт на метр длины индуктора, требуется в зависимости от проводимости бассейна создавать силы тока в несколько 100 Ампер при частотах, равных обычно 20-100 кГц. Для компенсации индуктивного падения напряжения по петле провода включаются промежуточные емкости, вследствие чего образуется последовательный резонансный контур, который работает при своей резонансной частоте и на клеммах представляет собой чисто омическую нагрузку. Без этих последовательных конденсаторов на присоединительных клеммах суммарное индуктивное падение напряжения петель провода длиной до нескольких 100 м составило бы от нескольких 10 кВ до более 100 кВ, что, в частности, вряд ли поддается управлению в отношении изоляции относительно грунта.
Из WO 2012/036984 А1 известна электромагнитная обогревательная система. Обогревательная система включает в себя первый и второй отдельный провод, из которых каждый имеет изолированный участок и не изолированный участок и состоит из по меньшей мере одной проволоки. Первые и вторые отдельные провода переплетены, скручены друг с другом или как переплетены, так и скручены друг с другом таким образом, что неизолированный участок каждого отдельного провода граничит с изолированным участком другого отдельного провода. Кроме того, описываются система и способ нагрева геологической формации. Система включает в себя обогревательную систему в буровой скважине, которая распространяется внутрь формации, экстракционную буровую скважину, которая соединена с насосом и расположена под первой буровой скважиной, и устройство передачи, которое соединено с обогревательной системой. Способ включает в себя шаги: предоставление компонентов системы, подключение обогревательной системы к устройству передачи высокочастотной энергии, подача в обогревательную систему высокочастотной энергии при использовании устройства передачи и откачивание углеводородов из экстракционной буровой скважины.
Кроме того, должна была бы осуществляться компенсация реактивной мощности у генератора или в генераторе.
В DE 102008062326 А1 предлагается соединить емкостным соединением две или более групп проводов периодически повторяющимися участками определенной длины (resonance lenght, резонансная длина). При этом каждый провод в отдельности изолирован и состоит из одной единственной проволоки или множества, в свою очередь, самостоятельно изолированных проволок. В частности, образуется т.н. многофиламентная структура провода, которая уже предлагалась в электротехнике для других целей. При необходимости для той же цели может также реализовываться многоленточная и/или многопленочная структура провода.
Независимо от вида примененного индуктора с емкостной компенсацией, проблема заключается в том, чтобы с наименьшими возможными потерями передавать мощность нагрева от генератора или соответственно преобразователя частоты, который предпочтительно расположен на поверхности земли или соответственно моря, в петлю провода в бассейне.
Другую проблему представляет собой проникновение верхнего слоя, Overburden (вскрыши), через подводящие линии, которое должно происходить таким образом, чтобы ни при каких обстоятельствах текучие среды из бассейна не могли неконтролируемо попадать на поверхность, что также известно под ключевым словом Caprock Integrity (сохранность покрытия).
Дополнительно к этому проблему представляет собой также нагрузка механическим и гидравлическим внешним давлением, которую должна выдерживать подводящая линия, как Onshore (на берегу), так и Offshore (в открытом море), в частности, при бассейнах, находящихся на глубине более 1000 м, что соответствует давлению свыше 100 бар.
До сих пор исходят преимущественно из того, что соединение петли провода с преобразователем осуществляется с помощью индукционного провода с емкостной компенсацией. Потери в покрывающих породах, вскрыше, могут в значительной степени предотвращаться, когда прямой и обратный провод прокладываются параллельно и на небольшом расстоянии друг от друга, например < 5 м, в то время как не осуществляется никакое металлическое, в частности никакое ферромагнитное, экранирование/покрытие каждой отдельной ветки индуктора - прямого или соответственно обратного провода, так как иначе в нем возникали бы значительные потери от вихревых токов и гистерезиса. Такое ограничение по материалу облицовки буровой скважины запрещает, в частности, использование общепринятых в остальных случаях, например при ПГД, стальных труб. То есть потребовались бы полимерные трубы для облицовки буровой скважины и устья буровой скважины из полимерного материала, например стекловолокнистого полимерного материала, которые в принципе могут изготавливаться, однако являются дорогостоящими и в настоящее время не сертифицированы.
Например, в US 1625125 А описана пара электрических проводов, которая разделяется на несколько пар проводов, при этом прямой и обратный провод пары проводов расположены, соответственно чередуясь конциклически и/или будучи равномерно распределены, для уменьшения самоиндукции в проводах линии электропередачи.
WO 00/00989 А1 описывает способ получения одно- или многофазного электрического кабеля для проведения тока через изолированные провода и для создания слабого внешнего магнитного поля, чтобы при этом получить кабель, у которого по меньшей мере один из вышеназванных проводов образован из двух или более изолированных отдельных проводов по параллельной схеме, и у которого сумма площадей поперечного сечения отдельных проводов равна предусмотренной площади поперечного сечения провода, и у которого сумма токов, которые текут через отдельные провода, равна заданному току, который течет через провод. Расположение в кабеле таково, что каждый из вышеназванных отдельных проводов находится рядом с проводом или отдельным проводом, который имеет либо другую фазу, либо другое направление тока.
Известно также выполнение соединения в виде коаксиального провода. При этом выходное напряжение преобразователя запитывается между внутренним и внешним проводом коаксиального провода, чтобы проникать сквозь покрывающие породы. В бассейне внутренний и внешний провод разведены Y-образно, чтобы образовывать две ветки индуктора, и соединены друг с другом на противоположном конце еще в бассейне, чтобы замыкать петлю провода. Однако вследствие симметричного питания наружная оболочка коаксиального провода не может сажаться на потенциал земли и поэтому требует электрической внешней изоляции. При таком расположении магнитные поля вне коаксиальных проводов и поэтому также не возникают потери от вихревых токов в покрывающих породах. Кроме того, коаксиальный провод, снабженный электрической внешней изоляцией, может быть также покрыт стальной трубой, которая забетонирована в покрывающие породы, чтобы обеспечивать уплотнение относительно бассейна. Кроме того, применимы общепринятые стальные устья буровой скважины. Однако недостатком является необходимость внешней изоляции. Во-первых, она может отказать электрически, что может вести к пробоям к бурильной головке или облицовке буровой скважины, во-вторых, через кольцевой зазор между внешней изоляцией и окружающей облицовкой буровой скважины текучие среды из бассейна могли бы попадать на поверхность, когда отказывает уплотнение. Этот риск повышается вследствие того, что при вводе коаксиальной подводящей линии в облицовку буровой скважины в реальных условиях возникают повреждения и/или попадают загрязняющие примеси.
Из DE 1615041 А1 известна система проводов, у которой отдельные фазы трех отдельно изолированных фазовых проводов изолируются друг от друга внутри трубы с помощью текучей среды и у которой на предопределенных расстояниях предусмотрены опорные шайбы из керамического материала или другого хорошего изоляционного материала для обеспечения по существу равного расстояния от фаз фазного провода друг до друга и до трубы.
Исходя из уровня техники, задачей изобретения является создать надлежащее устройство или соответственно систему проводов для питания электрического или соответственно электромагнитного нагревания бассейна месторождения тяжелой нефти или соответственно нефтеносного песка, которое минимизирует экологические риски и может эксплуатироваться эффективно.
Эта задача решается посредством системы нескольких электрических пар проводов для симметричного питания потребителя, в частности петли провода с емкостной компенсацией, для индуктивного нагревания месторождений углеводородсодержащих веществ, таких как нефтеносный песок, битум, тяжелая нефть, природный газ, сланцевый газ, и покрывающей их экранной трубы, при этом прямые и обратные провода пар проводов расположены, соответственно чередуясь конциклически и/или будучи равномерно распределены, внутри экранной трубы, покрывающей эти несколько пар проводов. При этом провода радиально и равномерно распределены по периметру на предопределенном расстоянии, при этом прямой и обратный провод пары проводов расположен, чередуясь. Предпочтительно провода расположены на расстоянии друг от друга. При этом расстояние между боковыми поверхностями двух проводов, например, по меньшей мере равно диаметру одного из проводов. Благодаря полному заключению электрического поля в структуру провода может отсутствовать электрическая изоляция экранной трубы относительно окружающего грунта в случаях применения на берегу или, соответственно, относительно окружающей морской воды в открытом море.
Расположение пар прямого и обратного провода позволяет получить симметричный провод, который идеально подходит для того, чтобы передавать в петлю провода симметричное потенциалу земли выходное напряжение генератора, это относится, в частности, к применению изолирующего выходного трансформатора, имеющего заземленное ответвление от середины. Чем больше количество пар прямого и обратного провода в описанной чередующейся системе, тем быстрее окружающие их электрические и магнитные поля спадают наружу в направлении экранной трубы. Соответственно этому возникающие в экранной трубе токи и связанные с ними потери ниже. Кроме того, используются провода со скругленным поперечным сечением провода в виде сектора. При этом могут достигаться более высокие погонные емкости и вместе с тем более низкие полные сопротивления линии без повышения максимальной силы электрического поля.
Это может использоваться для уменьшения размеров поперечного сечения провода, или, соответственно, расширения в сторону понижения пределов достижимых полных сопротивлений линии без повышения требований к способности диэлектрика выдерживать напряжение.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления поперечные сечения проводов выполнены полыми. Благодаря этому может снижаться вес и лучше использоваться поперечное сечение провода при высоких частотах, здесь до 200 кГц.
В зависимости от механического и электрического требования условия применения может выбираться действующая в качестве диэлектрика изоляция между проводами из полимерного материала или керамики или в виде текучей среды. Твердые диэлектрики, такие как диэлектрики из полимерного материала или керамики, обладают теми преимуществами, что они одновременно поддерживают провода и уплотняют провод от протекания текучих сред из бассейна, благодаря чему обеспечивается сохранность покрытия. Газы в качестве диэлектрика обладают тем преимуществом, что они длительно выдерживают высокие температуры. Также некоторые силиконовые или синтетические масла при высоких температурах около или выше 300°С могут использоваться в качестве диэлектрика. Жидкие или газообразные диэлектрики обладают тем преимуществом, что они не сопротивляются изгибу провода, и их способность выдерживать электрическое напряжение сохраняется. По сравнению с газовым наполнением предпочтительно также, что, например, применяемое в качестве диэлектрика масло вследствие его удельного веса может создавать гидростатическое давление, которое примерно соответствует давлению окружающего грунта. Соответственно этому внешний провод поддерживался бы внутренним давлением масла.
В другом предпочтительном варианте осуществления на предопределенных расстояниях предусмотрены опорные шайбы для крепления или направления проводов в экранной трубе. Опорные шайбы необходимы, чтобы удерживать проведенные в экранной трубе провода в определенном положении и одновременно обеспечивать продольную герметичность провода. В случае жидких диэлектриков потребовались бы, однако, небольшие отверстия в опорных шайбах, благодаря чему внешний провод может поддерживаться внутренним давлением масла.
В одном из особенно целесообразных вариантов осуществления провода или пары проводов в экранной трубе расположены в форме спирали. Прокладывание пар проводов в виде спирали предпочтительно при прокладке в коленах, так как оно обеспечивает возможность продольной компенсации внутренних или соответственно внешних колен. Кроме того, при этом дополнительно может достигаться дальнейшее уменьшение электромагнитного излучения.
Провода и/или экранная труба предпочтительно должны изготавливаться из обладающего высокой электрической проводимостью и неферромагнитного материала (например, алюминия), чтобы уменьшить или, соответственно, избежать омических потерь и магнитных потерь на гистерезис.
Другие преимущества в изобретении получаются, потому что экранная труба имеет концентрически многослойную конструкцию. Поскольку крайний внутренний слой состоит из хорошего электрического проводника, например алюминия, омические потери могут уменьшаться. С помощью материала проводника, не являющегося ферромагнитным, то есть диамагнитного или парамагнитного материала, предотвращаются потери на гистерезис. Крайний внутренний слой проводника толщиной уже в несколько миллиметров, например 3-5 глубин проникновения скин-слоя, достаточен, чтобы обеспечивать достаточно высокое электромагнитное экранирование. Другой слой, например из стали, может обеспечивать требуемую механическую прочность. При необходимости могут наноситься другие полимерные покрытия в качестве защиты от коррозии, которые, в частности, могут быть необходимы в случаях применения в открытом море.
Другие подробности и преимущества изобретения содержатся в последующем описании фигур примеров осуществления и в соответствующих примерах осуществления.
На единственной фигуре показан вид в перспективе сечения по продольной оси провода на схематичном - без претензий изображении для пояснения изобретения.
На единственной фигуре изображены несколько прямых проводов 1, а также обратных проводов 2 одного из вариантов осуществления системы нескольких пар 3 электрических проводов для симметричного питания потребителя (не показан) внутри покрывающей их экранной трубы 4. При этом прямой и обратный провод 1, 2 образуют пару 3 проводов, причем несколько пар 3 проводов расположены в покрывающей экранной трубе таким образом, что отдельные прямые и обратные провода 1, 2 распределяются, соответственно чередуясь, конциклически и равномерно внутри экранной трубы 4. В данном случае изображаются три из всего 6 проводов 1, 2, соответственно образующих три пары 3 проводов, которые распределены на примерно одинаковом расстоянии по периметру круга и расположены, будучи отделены друг от друга одинаковыми расстояниями. Благодаря этому минимизируются отрицательные воздействия электрических и магнитных полей вследствие токов, текущих в проводах 1, 2 или, соответственно, парах 3 проводов.
В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления количество пар 3 прямых 1 и обратных 2 проводов при описанном чередующемся расположении увеличивается, так как при этом окружающие их электрические поля особенно быстро ослабляются наружу в направлении экранной трубы 4. Благодаря этому уменьшаются образующиеся в экранной трубе 4 вихревые токи и связанные с ними потери.
6
В настоящем примере осуществления в качестве изоляции или, соответственно, диэлектрика между проводами 1, 2 предусмотрена текучая среда, например, газ, такой как азот или SF, или жидкость, такая как трансформаторное или силиконовое масло. Жидкие или газообразные диэлектрики обладают тем преимуществом, что они не сопротивляются изгибу провода, и их способность выдерживать электрическое напряжение сохраняется. Однако на определенных расстояниях, например от одного до двадцати метров, необходимы опорные шайбы, которые удерживают провода 1, 2 в определенном положении и одновременно обеспечивают продольную герметичность провода. Газы в качестве диэлектрика обладают тем преимуществом, что они длительно выдерживают высокие температуры. Также некоторые силиконовые или синтетические масла при высоких температурах около или выше 300°С могут использоваться в качестве диэлектрика.
В другом варианте осуществления изобретения, например, вместо газового наполнения используется масло, которое вследствие его удельного веса может создавать гидростатическое давление, примерно соответствующее давлению окружающего грунта. Благодаря этому внешний провод может поддерживаться внутренним давлением масла, для чего, однако, в опорных шайбах 5 должны предусматриваться небольшие отверстия.
В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления следующие друг за другом распределенные опорные шайбы 5 каждый раз слегка повернуты друг относительно друга, при этом отдельные провода 1, 2 или соответственно пары 3 проводов образуют спираль. Благодаря проводке пар 3 проводов в виде спирали они могут особенно предпочтительно прокладываться в коленах для компенсации длины внутренних или соответственно внешних поворотов. Кроме того, такое «скручивание» обеспечивает дополнительное уменьшение, в частности, электромагнитного излучения проводов 1, 2.
Покрывающая пары 3 проводов экранная труба 4 может сажаться на потенциал земли или соответственно может без электрической изоляции проводиться через грунт или соответственно морскую воду. При используемых здесь высоких по сравнению с сетевой частотой рабочих частотах в пределах 10-200 кГц заземление при емкостном коротком замыкании обеспечено даже тогда, когда в качестве защиты от коррозии нанесено тонкое, например толщиной 0,5 мм, полимерное наружное покрытие. Отсюда вытекают существенные преимущества по сравнению с более разделенной пространственно и неэкранированной проводкой прямых и обратных проводов 1, 2, которые известны из уровня техники.
Пары 3 проводов, включая экранную трубу 4, могут проводиться через общепринятое на рынке устье буровой скважины из стали, так как вне экранной трубы нет никаких электромагнитных полей. В ином случае электромагнитные поля приводили бы к нежелательному и недопустимому нагреву стального устья буровой скважины, или к необходимости электрически не проводящего и не ферромагнитного устья буровой скважины, например, из полимерного материала. Устья буровых скважин из полимерного материала в настоящее время, однако, еще не разрабатываются.
Кроме того, прокладка экранированных пар 3 проводов через буровую скважину для соединения между поверхностью и бассейном может осуществляться обычным образом с помощью уплотнения из бетона, так как вне провода не возникают никакие электромагнитные поля. Наружная экранная труба 4 может обслуживаться таким же образом, как и прочие общепринятые в нефтегазовой промышленности трубопроводы. При этом может обеспечиваться требуемая герметичность, что является обязательным для процедуры получения допуска этого метода.
Не имеющее полей и вместе с тем не имеющее потерь наружное пространство, в частности, при осуществлении прокладки через морскую воду является предпочтительным, так как электрическая проводимость соленой воды, равная прибл. 5 С/м, многократно, прибл. в 10-1000 раз, выше, чем в случаях применения в покрывающих породах на берегу. Прокладка неэкранированного индукционного кабеля через морскую воду приводила бы к соответственно более высоким и, возможно, более неприемлемым электрическим потерям, которых можно избежать с помощью экранированного многопарного провода 3.
Этот многопарный экранированный провод 3 соединяет петлю провода с емкостной компенсацией, которая проложена в бассейне, с генератором мощности, например преобразователем (не показан) на поверхности. Для этого все прямые провода 1 соединяются вместе и сажаются на выходную клемму генератора, и также все обратные провода 2 соединяются вместе и сажаются на другую выходную клемму генератора. Таким же образом на другом конце подводящей линии в бассейне все прямые провода 1 сажаются на одну ветвь петли провода, а все обратные провода 2 сажаются на другую ветвь петли. Обычно отбор мощности осуществляется на преобразователе через выходной трансформатор для электрической изоляции и адаптации напряжения к нагрузке. Предпочтительно может использоваться выходной трансформатор с ответвлением от середины. Ответвление от середины для заземления может сажаться на экранную трубу 4, при этом при рабочей частоте имеется емкостное заземление даже тогда, когда экранная труба 4 покрыта электрически изолирующим покрытием, например полимерным материалом, защитной покраской и пр. Волновое полное сопротивление пар 3 поводов может задаваться путем соответствующего исполнения поперечного сечения, т.е. диаметра трубы и расстояния между трубами, а также расстояния до экранной трубы 4, и выбора диэлектрика в широких пределах, например 1-500 Ом. Это осуществляется согласованно с полным сопротивлением генератора и нагрузки и электрической длиной пар 3 проводов. При заземленном ответвлении от середины на выходном трансформаторе обеспечивается симметричное выходное напряжение. Это важно, чтобы надежно удерживать на потенциале земли экранную трубу 4 и все соединенные с ней рабочие средства, например устье буровой скважины.
Если компенсированный индукционный кабель, как это происходит в данном случае, сам непосредственно подключен к выходному трансформатору преобразователя, адаптация полного сопротивления должна обеспечиваться одним только выходным трансформатором. Однако если, как описано здесь, для соединения генератора, преобразователя, возможно, включая выходной трансформатор, в петлю провода в бассейне применяется линия передачи, она может дополнительно или альтернативно использоваться в качестве линейного трансформатора. Для этого должно надлежащим образом выбираться полное сопротивление (Z) линии: Z_линии = sqrt (Z_генератора * Z_нагрузки). Рабочая частота петли провода должна согласовываться с электрической длиной экранированной многопарной подводящей линии 3 таким образом, чтобы получалось преобразование λ/4 или соответственно (2*n+1)*λ/4, где n=0, 1, 2, …. Могут также получаться другие преобразования, которые также включает в себя часть компенсации реактивной мощности петли провода.