ИНДУКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ НЕФТЕНОСНОГО ПЛАСТА, В ЧАСТНОСТИ ПЛАСТА ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ
INDUCTION APPARATUS FOR HEATING AN OIL RESERVOIR, IN PARTICULAR HEAVY OIL RESERVOIR

Данное изобретение относится к индукционному устройству для нагревания пласта тяжелой нефти, а также к способу изготовления такого индукционного устройства.
Известно, что для добычи нефти необходимы новые пути. Кроме того, известно, что залежи, которые не были доступны до настоящего времени, необходимо привлекать для добычи нефти. Такими не доступными до настоящего времени нефтеносными пластами являются, например, пласты так называемой тяжелой нефти, в которых тяжелая нефть присутствует в земле в распределенном виде. Для обеспечения возможности добычи имеющейся в таком виде тяжелой нефти необходимо нагревание тяжелой нефти и вызываемое им уменьшение вязкости. Для такого нагревания уже используются различные концепции. Одной известной концепцией является электрическое нагревание с помощью индукционных кабелей, которые прокладываются в пласте тяжелой нефти.
Проблемой при известном электрическом нагревании является прокладка индукционного кабеля в пласте тяжелой нефти с возможно меньшими затратами. Также большой проблемой является длительная стабильность индукционного кабеля. Так, в принципе известно, что в существующую или создаваемую скважину можно вводить трубу-оболочку в виде трубы из стеклопластика. Через эту трубу-оболочку, которая служит для обеспечения стабильности, вводится индуктор. Недостатком этого способа является то, что индуктор по существу лежит свободно внутри трубы-оболочки в непосредственном контакте с трубой-оболочкой. На этих контактных поверхностях может происходить локальное повышение температуры индуктора, которое в экстремальном случае может приводить к перегреву индуктора. Кроме того, индуктор во время введения и извлечения трется непосредственно о трубу-оболочку. Это может приводить к механическим повреждениям индуктора. Также недостатком является то, что трещины в трубе-оболочке могут приводить к полной разгерметизации и, соответственно, к потере стабильности индукционного устройства.
Задачей данного изобретения является по меньшей мере частичное устранение указанных выше недостатков. В частности, задачей данного изобретения является создание индукционного устройства для нагревания пласта тяжелой нефти, а также способа изготовления индукционного устройства, которые экономичным и простым образом обеспечивают возможность введения индукционного устройства в породу пласта тяжелой нефти и одновременно предпочтительно увеличивают срок службы, соответственно длительную стабильность индукционного устройства при использовании.
Указанная выше задача решена с помощью индукционного устройства с признаками пункта 1 формулы изобретения и с помощью способа с признаками пункта 11 формулы изобретения. Другие признаки и подробности изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения, описания и формулы изобретения. При этом признаки и подробности, описание которых приведено применительно к индукционному устройству, справедливы, естественно, также для способа согласно изобретению и наоборот, так что относительно раскрыва отдельных аспектов изобретения всегда справедливы перекрестные ссылки.
Индукционное устройство согласно изобретению служит для нагревания пласта тяжелой нефти или другого нефтеносного пласта, например пласта особенно тяжелой нефти, или пласта, в котором залегают битумы. Такое индукционное устройство имеет по меньшей мере одну трубу-оболочку и по меньшей мере один индуктор, который расположен внутри трубы-оболочки. При этом между индуктором, например проводящим кабелем, и трубой-оболочкой образовано промежуточное пространство. Индукционное устройство, согласно изобретению, характеризуется тем, что в промежуточном пространстве в осевом направлении индукционного устройства расположено множество центрирующих средств. Эти центрирующие средства находятся в контакте как с трубой-оболочкой, так и с индуктором. При этом промежуточное пространство заполнено механически стабилизирующим, в частности электрически изолирующим наполнительным материалом.
Согласно изобретению, пласт тяжелой нефти расположен, в частности, в земле. Так, например, внутри породы один участок насыщен, соответственно заполнен, тяжелой нефтью, который образует пласт тяжелой нефти.
Для попадания в пласт тяжелой нефти необходима скважина, в которую вводится индукционное устройство, согласно изобретению. Ниже приводится краткое пояснение процесса введения. Так, после создания скважины, в скважину вводится труба-оболочка. При этом труба-оболочка выполнена достаточно гибкой, так что ее можно проводить также вдоль изгибов скважины. Затем в трубу-оболочку вводят индуктор. На основании предусмотрения, согласно изобретению, множества центрирующих средств, которые находятся в контакте как с трубой-оболочкой, так и с индуктором, в трубе-оболочке автоматически образуется при втягивании индуктора промежуточное пространство, которое задает свободное расстояние в радиальном направлении между индуктором и трубой-оболочкой. Это свободное пространство, которое образовано с помощью промежуточного пространства, после введения индуктора заполняется электрически изолирующим наполнительным материалом, предпочтительно в текучем, в частности в жидком виде. Заполнение может осуществляться чисто под действием силы тяжести или с помощью насосов, соответственно всасывающих установок. Электрически изолирующий наполнительный материал можно подвергать непосредственно или опосредованно затвердеванию. Под опосредованным затвердеванием понимается пассивное затвердевание в течение времени. Также можно осуществлять с помощью индуктора первое нагревание и соответствующую индукцию в окружающей породе, с целью выполнения с меньшей температурой, чем при использовании индукционного устройства, затвердевания наполнительного материала с увеличенной скоростью.
Наполнительный материал является, в частности, материалом, который, наряду со своим электрически изолирующим свойством, имеет текучий основной вид. В этом текучем основном виде наполнительный материал можно вводить в трубу-оболочку и в промежуточное пространство. Предпочтительно, наполнительный материал в своем текучем виде пригоден для нагнетания, так что можно осуществлять увеличение скорости введения. Для текучего введения возможно, естественно, также применение порошковых наполнительных материалов, которые способны течь, соответственно сыпаться. Однако предпочтительным является жидкое введение с последующим затвердеванием.
Под функцией механической стабилизации с помощью наполнительного материала следует понимать, что при работе индукционного устройства возможна передача сил между индуктором и наполнительным материалом. Другими словами, наполнительный материал при использовании представляет защиту от механического воздействия, например в виде давления окружающей породой. При этом не имеет значения, в каком виде наполнительный материал попадает в промежуточное пространство. Так, в качестве наполнительного материала можно использовать материалы, которые в виде насыпного материала засыпаются в промежуточное пространство. Возможно также, что текучий материал можно вводить под действием силы тяжести или с помощью насосов, как будет пояснено ниже.
Предпочтительно, когда центрирующие средства также выполнены электрически изолирующими. Однако решающим является то, что в индукционном устройстве, согласно изобретению, электрическая изоляция, а также защита относительно необходимой длительной стабильности для индуктора от химических и/или физических влияний осуществляется с помощью наполнительного материала. В соответствии с этим, труба-оболочка для индукционного устройства, согласно изобретению, может быть выполнена значительно более дешевой и более простой относительно выбора материала. Труба-оболочка должна быть лишь достаточно стабильной, чтобы служить в качестве оболочки во время заполнения наполнительным материалом. Дальнейшее состояние трубы-оболочки для работы индукционного устройства не имеет значения. Так, труба-оболочка во время использования индукционного устройства может, например, порваться или даже расплавиться, без оказания отрицательного влияния на длительную стабильность индуктора и тем самым индукционного устройства.
В качестве наполнительного материала может быть выбран цемент или аналогичный строительный материал, который обеспечивает достаточную механическую стабильность и химическую и/или физическую длительную стабильность, с целью обеспечения защиты, согласно изобретению, индуктора.
Нагревание с помощью индуктора окружающей породы может осуществляться, например, до температуры примерно 250°С. Центрирующие средства могут быть выполнены как отдельно друг от друга, так и в соединении друг с другом. Так, например, возможна сеточная структура, которая выполнена отдельно от трубы-оболочки и индуктора. Таким образом, центрирующие средства могут быть введены перед введением индуктора. Таким образом, они образуют самостоятельный конструктивный элемент. Однако для уменьшения стоимости и затрат труда во время монтажа предпочтительно, как будет пояснено ниже, когда центрирующие средства закреплены по меньшей мере на одном из обоих конструктивных элементов, а именно на трубе-оболочке и/или на индукторе.
Естественно, возможно также, что центрирующие средства по меньшей мере на некоторых участках выполнены полыми или пористыми. Так, наполнительный материал может по меньшей мере частично проникать в эти центрирующие средства. Предпочтительно также, когда во время или после заполнения и во время или после затвердевания наполнительного материала центрирующие средства по меньшей мере частично растворяются. Так, например, наполнительный материал можно вводить с такой температурой, которая приводит к растворению центрирующих средств. Тем самым центрирующие средства выполняют лишь функцию образования и задания промежуточного пространства перед введением наполнительного материала. В таком варианте выполнения центрирующие средства больше не являются слабыми местами в оболочке из наполнительного материала. Вместо этого, в конечном итоге, наполнительный материал по существу полностью заполняет промежуточное пространство.
Предпочтительно, когда в индукционном устройстве, согласно изобретению, центрирующие средства, индуктор и/или наполнительный материал имеют температурную стабильность примерно до 250°С. Возможно также, что все или лишь один или часть этих конструктивных элементов имеют соответствующую температурную стабильность. Примерно 250°С предпочтительно является температурой использования относительно необходимого нагревания с помощью индукционного устройства, согласно изобретению. Очевидно, что труба-оболочка не должна иметь такую температурную стабильность, поскольку она необходима исключительно для образования индукционного устройства. После выполнения этой функции больше нет необходимости в функциях защиты с помощью трубы-оболочки, так что дефект трубы-оболочки после затвердевания наполнительного материала не оказывает влияния на работу индукционного устройства.
Индукционное устройство, согласно изобретению, может быть модифицировано тем, что наполнительный материал является текучим, вводимым в промежуточное пространство и затвердевающим материалом. Как уже пояснялось во вступительной части, индукционное устройство можно изготавливать особенно экономично и просто. В частности, материал может быть не только текучим, но также пригодным также для транспортировки с помощью насоса, так что может осуществляться силовая поддержка при введении наполнительного материала. Затвердевание может осуществляться, например, посредством сушки и/или посредством сшивания отдельных составляющих частей материала. Таким образом, обеспечивается физическая и/или химическая стабильность наполнительного материала, которая обеспечивает защиту, согласно изобретению, индуктора.
Кроме того, предпочтительно, когда в индукционном устройстве, согласно изобретению, наполнительный материал имеет по меньшей мере один из следующих материалов:
- цемент,
- бетон,
- синтетическая смола.
Приведенное выше перечисление представляет не окончательный список. В частности, в качестве материала предпочтительным является цемент или бетон, поскольку соотношение между текучестью при введении, скоростью затвердевания и физической, а также химической длительной стабильностью является особенно предпочтительным. Затвердевание этого наполнительного материала может осуществляться, например, с помощью первой фазы нагревания с уменьшенной индукционной мощностью. Так, может быть задана температура затвердевания, которая лежит выше комнатной температуры, соответственно температуры в месте применения и ниже температуры нагревания в рабочем режиме индукционного устройства. Таким образом, дополнительно повышается скорость изготовления индукционного устройства, согласно изобретению.
Кроме того, предпочтительно, когда в индукционном устройстве, согласно изобретению, центрирующие средства задают расстояние между индуктором и трубой-оболочкой одинаковым во всех радиальных направлениях или по существу одинаковым. Это означает, что расстояния, соответственно промежуточное пространство во всех радиальных направлениях выполнено по существу равноудаленным. Равноудаленное выполнение имеет то преимущество, что из-за зависимости нагревательной мощности от расстояния индуктора до окружающей породы может происходить равномерное нагревание окружения. Если обеспечивается по существу во всех радиальных направлениях одинаковое или по существу одинаковое расстояние, то можно исходить из по существу одинакового нагревания в радиальном направлении породы и тем самым пласта тяжелой нефти. Это равномерное воздействие обеспечивает выполнение желаемого уменьшения вязкости залегающей вокруг тяжелой нефти, без вызывания в некоторых местах слишком высокой вязкости и в других местах слишком низкой вязкости. Таким образом, это одинаковое расстояние улучшает последующую добычу нагретой и поэтому имеющей меньшую вязкость тяжелой нефти. В частности, это равноудаленное расстояние сохраняется также по всей осевой длине индукционного устройства, при этом это осуществляется, например, за счет соответствующего распределения центрирующих средств как в окружном направлении, так и в осевом направлении.
Также может быть предпочтительным, когда в индукционном устройстве, согласно изобретению, индуктор имеет медный сердечник с окружающим стойким к температуре изоляционным слоем. В частности, этот изоляционный слой содержит PEEK (полиэфирэфиркетон) или PFA (полимеры перфторалкокси). Изоляционный слой служит, в первую очередь, для температурной защиты и электрической защиты медного сердечника. Тем самым обеспечивается, что не происходит повреждения медного сердечника при введении наполнительного материала. Также в качестве индуктора можно применять по существу известный и стандартный проводящий кабель. Температурная стойкость изоляционного слоя служит дополнительно для защиты медного сердечника и в соответствии с этим для уменьшения температуры использования медного сердечника, так что может быть улучшена индукционная мощность за счет уменьшенной рабочей температуры.
Дополнительное преимущество достигается, когда в индукционном устройстве, согласно изобретению, центрирующие средства выполнены электрически изолирующими. В частности, центрирующие средства имеют PEEK и/или PFA. Такие центрирующие средства можно закреплять на одном из конструктивных элементов, например, с помощью способа литья под давлением. Тем самым центрирующие средства не являются слабыми местами в наполнительном материале, так что также здесь обеспечивается желаемая электрическая и термическая стабильность.
Кроме того, предпочтительно, когда в индукционном устройстве, согласно изобретению, форма центрирующих средств на участках контакта с индуктором и/или трубой-оболочкой выполнена с минимизацией трения. Это приводит к улучшенному и более легкому введению индуктора в трубу-оболочку. При введении происходит относительное движение между индуктором и центрирующими средствами, соответственно между центрирующими средствами и трубой-оболочкой. Это относительное движение сопровождается трением между центрирующими средствами и индуктором и трубой-оболочкой в зависимости от выполнения мест контакта. Выполнение с минимальным трением уменьшает возникающие силы трения, так что обеспечивается более легкое и в соответствии с этим с меньшими усилиями введение индуктора. Минимизация трения может обеспечиваться, например, за счет уменьшенной контактной поверхности, соответственно уменьшенного участка контакта. Предпочтительными являются небольшие поверхности соприкосновения, линейные соприкосновения или даже точечные или по существу точечные соприкосновения. Так, например, в качестве центрирующих средств могут быть предусмотрены скошенные или сферические головки.
Также предпочтительно, когда в индукционном устройстве, согласно изобретению, центрирующие средства расположены с равномерным или по существу с равномерным распределением в окружном направлении и/или в осевом направлении промежуточного пространства. Под распределением предпочтительно понимается расстояние, при котором каждые два центрирующих средства расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. В осевом направлении центрирующие средства предпочтительно расположены ступенчато или по спирали. Предпочтительно, равномерное расположение осуществляется симметрично или по существу симметрично, так что по всему окружному направлению, так же как по всей осевой длине индукционного устройства, может образовываться промежуточное пространство с равноудаленными расстояниями. За счет этого предпочтительно полностью предотвращается провисание индуктора.
Кроме того, предпочтительно, когда в индукционном устройстве, согласно изобретению, по меньшей мере некоторые центрирующие средства закреплены либо на индукторе, либо на трубе-оболочке. Крепление осуществляется предпочтительно перед введением индуктора, соответственно, трубы-оболочки в землю. За счет этого можно выполнять предварительную подготовку, которая уменьшает затраты труда при введении на месте в пласт тяжелой нефти. Крепление можно осуществлять, например, с помощью клеевого соединения или посредством непосредственного нанесения центрирующих средств и затвердевания в желаемой форме. В соответствии с этим, предметом данного изобретения является также выполненный соответствующим образом индуктор с центрирующими средствами для образования индукционного устройства, согласно изобретению. Предметом данного изобретения является также труба-оболочка с лежащими внутри закрепленными центрирующими средствами для выполнения индукционного устройства, согласно изобретению.
Другим предметом данного изобретения является способ изготовления индукционного устройства, имеющий следующие стадии:
- введения трубы-оболочки в скважину в пласте тяжелой нефти,
- введения индуктора внутрь трубы-оболочки, при этом с помощью центрирующих средств образуется промежуточное пространство между трубой-оболочкой и индуктором,
- заполнения промежуточного пространства текучим, затвердеваемым и, в частности, электрически изолирующим наполнительным материалом, и
- затвердевания наполнительного материала.
Введение трубы-оболочки можно осуществлять, например, посредством механической подачи. Индуктор можно, например, втягивать, при этом, среди прочего, можно применять тяговый трос, который расположен внутри трубы-оболочки.
При этом втягивание предпочтительно осуществляется вместе с центрирующими средствами, которые могут быть закреплены, например, на трубе-оболочке и/или на индукторе. Затем с помощью активной подачи с помощью насосов или всасывающих установок или под действием силы тяжести вводится текучий наполнительный материал. Затвердевание электрически изолирующего наполнительного материала можно осуществлять посредством нагревания до промежуточной температуры с помощью индукционного устройства. Возможно также затвердевание в течение времени.
Способ, согласно изобретению, может быть модифицирован тем, что создается индукционное устройство, согласно данному изобретению. Таким образом, достигаются те же преимущества, что и подробно поясненные выше применительно к индукционному устройству, согласно изобретению.
Ниже приводится более подробное пояснение данного изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. Применяемые при этом понятия «слева», «справа», «вверху» и «внизу» относятся к ориентации чертежей с нормально читаемыми позициями. При этом на чертежах схематично изображено:
фиг. 1 - индукционное устройство во время использования;
фиг. 2 - вариант выполнения индукционного устройства, согласно изобретению;
фиг. 3 - другой вариант выполнения индукционного устройства, согласно изобретению;
фиг. 4 - разрез другого варианта выполнения индукционного устройства, согласно изобретению;
фиг. 5 - разрез другого варианта выполнения индукционного устройства, согласно изобретению;
фиг. 6 - разрез другого варианта выполнения индукционного устройства, согласно изобретению;
фиг. 7 - разрез другого варианта выполнения индукционного устройства, согласно изобретению, на виде сбоку.
На фиг. 1 схематично показана возможность использования индукционного устройства 10, согласно изобретению. Оно находится большей частью под поверхностью породы 200, в которой расположен пласт 100 тяжелой нефти. Своим наибольшим продольным участком в горизонтальном направлении индукционное устройство 10 проходит через пласт тяжелой нефти.
Как показано на фиг. 2–7, индукционное устройство имеет центрально расположенный индуктор 30 во внутреннем пространстве трубы-оболочки 20. Между трубой-оболочкой 20 и индуктором с помощью множества центрирующих средств 50 образовано соответствующее промежуточное пространство 40. Все варианты выполнения имеют общим то, что промежуточное пространство 40 имеет по существу равноудаленное расстояние в радиальном направлении между индуктором 30 и трубой-оболочкой 20.
Создание индукционного устройства 10, согласно изобретению, осуществляется следующим указанным схематично образом. На фиг. 1 можно видеть, что бурение породы 200 необходимо выполнять по меньшей мере с одним местом поворота вправо. Через это место поворота должна проходить при введении труба-оболочка 20. В соответствии с этим, труба-оболочка 20 выполнена достаточно гибкой, с целью введения в вертикальном направлении в скважину и поворота внутри скважины в горизонтальное направление, т.е. поворота слева направо. Затем вводится индуктор 30, так что с помощью центрирующих средств 50 образуется указанное выше промежуточное пространство 40. Затем в промежуточное пространство 40 вводится наполнительный материал 60, предпочтительно в текучем виде. Затвердеванием введенного текучего наполнительного материала завершается способ изготовления индукционного устройства 10. Дальнейшее состояние окружающей трубы-оболочки 20 не имеет значение для работы индукционного устройства 10, поскольку за счет введенного и затвердевшего наполнительного материала 60 обеспечивается физическая и/или химическая защита индуктора 30.
На фиг. 2 и 3 показаны различные возможности распределения в осевом направлении центрирующих средств 50. Так, на фиг. 2 показано ступенчатое распределение отдельных центрирующих средств 50 в осевом направлении. На фиг. 3 показано распределение по спирали центрирующих средств 50.
На фиг. 4–6 показаны различные возможности расположения с различным креплением центрирующих средств 50. В варианте выполнения на фиг. 4 три центрирующих средства 50 одной ступени закреплены исключительно на окружающей трубе-оболочке 20. В соответствии с этим, контактные участки 52 соприкасаются на своем направленном внутрь контактном участке 52 с индуктором 30 и удерживают его в желаемом положении. На фиг. 5 показан обратный вариант выполнения, в котором центрирующие средства 50 закреплены на индукторе 30 и через контактные участки 52 соприкасаются с расположенной снаружи трубой-оболочкой 20. На фиг. 6 показана комбинация вариантов выполнения, показанных на фиг. 4 и 5. Во всех случаях в промежуточном пространстве 40 находится введенный в текучем состоянии и затвердевший наполнительный материал 60.
На фиг. 7 показан схематично разрез на виде сбоку, на котором можно видеть, что индуктор 30 выполнен с медным сердечником 32 и изолирующим слоем 34. Можно видеть, что центрирующие средства 50 могут быть закреплены как на окружающей трубе-оболочке 20, так и на индукторе 30. В данном случае показаны различные формы центрирующих средств 50. Так, например, за счет выполнения центрирующих средств 50 в форме сферической или эллиптической головки достигается минимизация трения в месте контакта с лежащим противоположно конструктивным элементом. В рамках данного изобретения возможна также наклонная структура центрирующих средств 50.
Применяемый индуктор имеет следующий принцип действия.
Для добычи особо тяжелой нефти или битумов из известных месторождений нефтеносных песков или горючих сланцев желательно значительно повышать их текучесть. Этого можно достигать за счет повышения температуры месторождения (пласта). Это повышение температуры можно осуществлять с помощью индуктора. Для этого, например, отдельные пары индукторов из прямого и обратного проводов или группы пар индукторов с различной геометрической конфигурацией снабжаются током, с целью индуктивного нагревания пласта. При подходящем снабжении переменным током вокруг индуктора образуется электромагнитное поле, которое, в свою очередь, проникает в окружающую породу и с помощью электромагнитной индукции возбуждает определенные проводящие компоненты в земле, например воду, или битумы, или углеводороды в любых других химических соединениях.
Индуктор действует по меньшей мере относительно частей залежи в качестве индуктивного электрического нагревания. За счет проводимости по меньшей мере частей залежи ее можно нагревать концентрично вокруг обоих проходящих по возможности параллельно участков индуктора. Индуктор может быть, в частности, стержнеобразными металлическими проводниками или скрученными металлическими кабелями, в частности из хорошо проводящего металла, которые могут быть выполнены в виде резонансного контура для создания электромагнитного поля.
В частности, индуктор не является резистивным нагревателем, который действует лишь в качестве простого термического излучателя. В противоположность этому, индуктор не создает непосредственно тепловую энергию, а лишь переменное поле, которое может проникать в породу и лишь там на основании возбуждения частиц в породе вызывать повышение температуры.
Приведенное выше пояснение вариантов выполнения является описанием данного изобретения исключительно в рамках примеров. Естественно, что отдельные признаки вариантов выполнения, если технически целесообразно, можно свободно комбинировать друг с другом, без выхода за рамки данного изобретения.