ИНДУКТОР ДЛЯ НАГРЕВА МЕСТОРОЖДЕНИЙ СВЕРХТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ И НЕФТЕНОСНОГО ПЕСКА
INDUCTOR FOR HEATING DEPOSITS OF EXTRA-HEAVY OIL AND OIL-BEARING SAND

Изобретение касается штекерного элемента, а также состыковываемой с ним системы модульных соединителей, в частности для получения цилиндрических конденсаторов.
Для добычи сверхтяжелой нефти или битумов из залежей нефтеносного песка или горючих сланцев с помощью системы труб, которые вводятся в месторождение через буровые скважины, необходимо существенно повысить реологические свойства нефти. Это может быть достигнуто за счет повышения температуры месторождения (пласта), например, методом гравитационного дренажа с применением пара (SAGD), при котором в скважины закачивается водяной пар.
При этом методе SAGD водяной пар, к которому может быть добавлен растворитель, под высоким давлением нагнетается через трубу, проходящую горизонтально внутри пласта. Нагретый расплавленный и освобожденный от песка или породы битум просачивается ко второй трубе, которая проложена примерно на 5 м глубже и через которую осуществляется добыча ожиженного битума. При этом водяной пар одновременно должен выполнять несколько задач, а именно: подачу энергии нагрева для ожижения, отделение от песка, а также повышение давления в пласте, чтобы, с одной стороны, геомеханически сделать пласт проницаемым для транспортировки битума (проницаемость), а с другой стороны, сделать возможной добычу битума без дополнительных насосов.
Дополнительно к этому методу SAGD или вместо него для поддержания или добычи сверхтяжелой нефти или битума может использоваться индуктивный нагрев.
При этом электромагнитный индуктивный нагрев обеспечивается петлей проводников, которая проложена в пласте и при прохождении по ней тока индуцирует в лежащей вокруг породе вихревые токи, которые эту породу нагревают. Для достижения желаемых плотностей выделения тепловой энергии, обычно составляющей 1-10 кВт на метр длины индуктора, необходимо - в зависимости от проводимости пласта - подать ток требуемой силы в несколько сотен ампер при частотах, обычно составляющих 20-100 кГц. Для компенсации индуктивных скачков напряжения вдоль петли проводников осуществляют промежуточное включение емкостей, за счет чего возникает последовательный резонансный контур, который эксплуатируется на его резонансной частоте и на контактах представляет собой чисто омическую нагрузку. Без таких последовательных конденсаторов индуктивные скачки напряжения в петле проводников длиной до нескольких сотен метров могли бы на присоединительных контактах в сумме достигать от нескольких десятков киловольт до более 100 киловольт, что, среди прочего, едва ли приемлемо в плане изоляции относительно породы.
Кроме того, потребовалась бы компенсация реактивной мощности на генераторе (осцилляторе) или в нем.
Проблема емкостно компенсированных индукторов с изолирующими системами или системами диэлектриков на полимерной основе заключается в ограниченном по верхним значениям диапазоне рабочих температур. Способность выдерживать предельное импульсное напряжение и частичный разряд существенно снижается, когда температуры достигают примерно 150°C или превышают это значение. Если для пластов со сверхтяжелой нефтью может оказаться достаточным повышение температуры, например, до 50°C, чтобы существенно ускорить добычу, то для пластов битуминозных песков, как правило, требуются более высокие температуры (>100°C). При гибридных методах добычи - SAGD, поддерживаемый индуктивным нагревом, (EM-SAGD) - необходимо считаться также с тем, что пар из инжектора, соответственно, увеличивающаяся паровая камера достигает индуктора, так что температуры на индукторе могут достигать свыше 200°C. За счет этого могут происходить электрические пробои или частичные разряды.
Уже известны емкостно компенсированные индукторы с сосредоточенными конденсаторами на керамической основе для повышенной термостойкости при индуктивном нагреве месторождений тяжелой нефти или битуминозного песка, представляющие собой индуктор с механическими жесткими сосредоточенными емкостями, которые соединены друг с другом гибкими трубами, изолированными с внешней стороны. Благодаря использованию конденсаторов на керамической основе может быть достигнута требуемая термостойкость. Такое же требование в отношении электроизоляционных свойств предъявляется и к внешней изоляции труб. Однако, поскольку эта внешняя изоляция не обладает одновременно функцией диэлектрика, то может быть увеличена толщина слоя. При этом, однако, сохраняются требования и в отношении термостойкости и гибкости.
Кроме того, известны распределенные емкости, базирующиеся на коаксиальных проводящих структурах. При этом получаются резонансные длины около 10 м или более и конденсаторные участки длиной 1-2 м. К тому же нужна отдельная внешняя изоляция.
В полезной модели DE 20 2007 005 696 U1 раскрыт имеющий форму трубы конструктивный элемент для сооружения трубопроводов, шахт, фасонных элементов и т.п., предназначенных для агрессивных жидкостей или паров, имеющий ствол трубы и торцевые концы, причем эти концы для создания герметичного соединения с соседними трубами выполнены ответными друг другу, и при этом ствол трубы выполнен из цементного бетона, а концы трубы выполнены из бетона, устойчивого к воздействию химических реагентов, причем ствол трубы на своей внутренней поверхности снабжен слоем, устойчивым к воздействию химических реагентов, причем устойчивый к воздействию химических реагентов бетон концов трубы примыкает к устойчивому к воздействию химических реагентов слою через сплошной окружной замыкающий шов. При этом предусмотрено, что в этом замыкающем шве расположены средства для повышения сопротивления потоку, которые с одной стороны герметично соединены с устойчивым к воздействию химических реагентов слоем, а с другой стороны герметично соединены с устойчивым к воздействию химических реагентов бетоном.
Кроме того, из полезной модели DE 94 00 877 U1 известна двухкамерная трубная система для установок сбора дождевой воды. Такая двухкамерная трубная система состоит из различных двухкамерных элементов, таких как переходные/соединительные патрубки, прямая труба, вертикальные дуги, горизонтальные дуги и разветвительные патрубки, форма и размеры которых, а также свойства материала такие же, как и у обычных трубных элементов с муфтами и кольцевыми уплотнениями, однако, во внутренней зоне, имеется перегородка, которая делит внутренний диаметр пополам, за счет чего в верхней камере осуществляется подвод дождевой воды в резервуар, а в нижней камере происходит слив или перелив дождевой воды из резервуара в обычную сеть каналов.
Исходя из этого уровня техники задача данного изобретения заключается в создании устройства, концепция которого пригодна для электрического или электромагнитного нагрева пласта битуминозного месторождения.
Эта задача решается посредством системы модульных соединителей, которая содержит несколько штекерных элементов для получения конденсаторов. Каждый штекерный элемент в направлении своей продольной протяженности содержит три участка, причем первый участок на одном конце штекерного элемента имеет суженную форму, которая является комплементарной форме третьего участка на обращенном от первого участка конце штекерного элемента, причем между первым и третьим участками расположен второй участок, который соединяет друг с другом первый и второй участки. Посредством этого штекерного элемента - путем состыковывания нескольких однотипных штекерных элементов - можно получать модульные конструкции из отдельных конструктивных элементов. Предваряя последующее описание, следует указать, что особенно предпочтительно при этом «состыковывать» электрические компоненты, например, конденсаторы с различными габаритами и емкостью.
По меньшей мере два штекерных элемента выполнены с возможностью состыковывания в систему модульных соединителей, причем первый участок каждого штекерного элемента может вставляться в третий участок следующего штекерного элемента и т.д. В зависимости от требований таким образом могут «составляться» конструктивные компоненты разных размеров и с разными свойствами.
Такие штекерные элементы могут состыковываться в конденсатор изменяемого размера и емкости, причем отдельные, расположенные коаксиально друг другу слои системы модульных соединителей, образованной посредством таких штекерных элементов, включают в себя по меньшей мере два слоя электропроводящего материала, между которыми расположено по одному слою диэлектрического материала. Благодаря этому можно получать конденсаторы почти любой «величины», в частности такие, которые пригодны для компенсации индуктивностей, возникающих при силе тока в несколько сотен ампер и частотах около 20-100 кГц, какие, например, действуют при рассмотренном выше способе нагрева нефтеносных пластов.
И наконец, при расчете емкостно компенсированных индукторов с полимерными изолирующими системами требуется учитывать существенно сниженные требования к способности выдерживать предельное импульсное напряжение и частичный разряд при высоких температурах. Это может происходить из-за того, что возникающие на емкостях напряжения соответственно понижаются. Для этого необходимо увеличить число последовательно включенных емкостей таким образом, что общее индуктивное падение напряжения будет распределяться на такое большое число конденсаторов, что будет сохраняться предельное значение напряжения, сниженное из-за повышенной температуры. Последовательное включение нескольких конденсаторов уменьшает, однако, общую емкость, что может быть скомпенсировано за счет повышенной емкости отдельного конденсатора, если рабочая частота (=резонансная частота) должна поддерживаться постоянной.
При распределенных конденсаторах, которые используют погонную емкость между группами проводников, это ведет к увеличенному сечению линии с соответствующим возрастанием расхода материала. Кроме того, возрастает количество перебоев вследствие укороченных резонансных длин, что сопряжено с дополнительным повышением производственных затрат.
В другом особенно предпочтительном варианте выполнения изобретения несколько штекерных элементов, стыкуемых в конденсатор изменяемого размера и изменяемой емкости, образуют одновременно проводящую структуру индуктора. Благодаря этому может быть создана универсальная концепция для реализации электрического или электромагнитного нагревания пласта месторождения битуминозного песка.
Данное изобретение касается также штекерного элемента для системы модульных соединителей согласно изобретению.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления штекерный элемент в направлении своей продольной протяженности имеет сквозное отверстие от конца первого участка до обращенного от него конца третьего участка. Благодаря этому можно получать простым образом «полые» компоненты, например, трубы.
Особенно целесообразно выполнить штекерный элемент в виде тела вращения, симметричного относительно оси вращения. Таким путем можно получать формы и компоненты, которым, например, в радиальном направлении могут быть приданы одинаковые физические свойства, что является необходимым для многих конструктивных элементов.
Соответственно назначению отдельные участки штекерного элемента содержат несколько расположенных коаксиально друг другу слоев разнородных материалов, количество которых разное на разных участках.
В другом предпочтительном варианте выполнения коаксиально расположенные слои первого участка и коаксиально расположенные слои третьего участка дополняют друг друга с образованием соответствующих расположенных коаксиально друг другу слоев второго участка штекерного элемента - в последовательности слоев и толщине выбранного материала. Так, например, цилиндрические конденсаторы - в зависимости от расположения и выбора материала коаксиальных слоев - могут быть состыкованы в один «большой» компонент.
В одном подходящем варианте выполнения штекерного элемента во втором участке штекерного элемента могут быть предусмотрены радиальные сверленые отверстия. Так как этот второй участок в общем получается с более толстой стенкой, чем оба других участка штекерного элемента, то он и механически более стабилен. Благодаря этому второй, т.е. средний участок пригоден для выполнения в нем отверстий или выемок.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения во втором участке штекерного элемента предусмотрены радиальные пазы, которые могут заполняться определенным материалом, например, пластмассой. Эти пазы могут быть предусмотрены внутри или снаружи поперечного сечения участка. Путем целенаправленного «ослабления» радиального поперечного сечения можно, например, изменять механические свойства штекерного элемента. Такой штекерный элемент за счет предусмотренных пазов во втором участке становится более упругим. Пазы дополнительно могут быть заполнены пластмассой, благодаря чему может быть ограничена возможная свобода движений.
Другие детали и преимущества данного изобретения явствуют из последующего описания чертежей, на которых представлены примеры осуществления изобретения. На них показано следующее:
Фиг. 1 - конструкция штекерного элемента согласно одному варианту осуществления изобретения, в сечении плоскостью, параллельной оси вращения;
Фиг. 2 - конструкция системы модульных соединителей, соответственно, сборка системы посредством штекерных элементов согласно варианту осуществления изобретения по фиг. 1, в сечении плоскостью, параллельной оси вращения;
Фиг. 3 - вид в перспективе штекерного элемента согласно другому варианту осуществления изобретения, в сечении плоскостью, параллельной оси вращения;
Фиг. 4 конструкция штекерного элемента согласно еще одному варианту осуществления изобретения, в сечении плоскостью, параллельной оси вращения.
Одинаковые или одинаково действующие узлы на чертежах снабжены одинаковыми или соответствующими ссылочными позициями.
На фиг. 1 наглядно показана в сечении, симметричном относительно оси вращения, конструкция штекерного элемента 10 согласно одному варианту осуществления изобретения. В случае штекерного элемента 10 речь идет о штекерном элементе 10, посредством которого может быть «состыкован» цилиндрический конденсатор C. При этом указанный штекерный элемент 10 разделен на три участка 1, 2, 3, причем первый участок 1 имеет цилиндрическую форму, которая является ответной для третьего участка 3, за счет чего первый участок 1 может полностью входить в третий участок 3 следующего штекерного элемента 10 (см. фиг. 2).
Первый участок 1 имеет цилиндрическую форму, причем первый электропроводящий слой L1 образует первый проводник L1, и коаксиально ему расположен диэлектрический слой D1. Третий участок 3 в свою очередь тоже составлен из нескольких слоев, расположенных коаксиально друг другу, причем за диэлектрическим слоем D3 следует второй электропроводящий слой L3, который образует второй проводник. Слой L3, образующий второй проводник, примыкает к слою оболочки U, которая по всему периметру штекерного элемента 10 изолирует снаружи третий и второй участки 3, 2.
Диэлектрический слой D1 первого участка 1, а также диэлектрический слой D3 третьего участка 3 еще одного штекерного элемента 10 при состыковывании двух штекерных элементов 10 образуют диэлектрический слой D (=D1+D3) цилиндрического конденсатора C, конструкция которого включает первый электропроводящий слой L1 первого проводника, общий диэлектрический слой D1+D3, а также второй электропроводящий слой L3 второго проводника. Средний участок штекерного элемента 10 образуется вторым участком 2. Второй участок 2 соединяет первый участок 1 с третьим участком 3 и выполнен таким образом, что его слоистая структура D2, L2, D2, U обеспечивает однородный переход между слоями при состыковывании нескольких штекерных элементов 10 в систему 100 модульных соединителей, так что получается единственный цилиндрический конденсатор C со слоями из одинаковых материалов и одной толщины.
С помощью штекерного элемента 10 можно, таким образом, конструировать (собирать) цилиндрические конденсаторы, высота которых соответствует длине первого участка 1 первого штекерного элемента 10 и второго участка 2 еще одного штекерного элемента 10.
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения упомянутые три проводящих участка L1, L2 и L3 одновременно образуют проводящую структуру индуктора, причем конструкция указанной системы 100 модульных соединителей на отдельных участках соответствует структуре коаксиального проводника.
На фиг. 2 показана собранная конструкция из нескольких штекерных элементов 10, образующая систему 100 модульных соединителей, в сечении плоскостью, проходящей параллельно общей оси вращения. При этом система 100 модульных соединителей, содержащая четыре штекерных элемента 10, образует последовательную схему из трех цилиндрических конденсаторов C.
2
3
2
3
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения коаксиальная структура конденсатора C имеет наружный диаметр от 10 до 50 см и содержит предпочтительно керамический диэлектрик D, например, AlO с толщиной слоя 10-50 мкм, причем толщина стенки трубки у электрических слоев, соответственно, проводников L1, L3 составляет от 5 до 20 мм. Благодаря этому достигаются большие значения емкости в диапазоне от 0,5 до 10 мкФ/м. За счет больших значений погонных емкостей получаются короткие резонансные длины, между 0,5 и 2 м. В соответствии с этим частота последовательного резонансного контура из индуктивности короткого участка (от 0,5 до 2 м) прямого, соответственно, обратного проводника индукционной петли и верхнего из цилиндрических конденсаторов C приводит к желаемой резонансной частоте в диапазоне от 10 до 200 кГц. С этим связано сравнительно незначительное индуктивное падение напряжения между 100 и 300 В. Такое напряжение должно выдерживаться как диэлектриком D(=D1+D3) цилиндрического конденсатора, так и внешней изоляцией или, соответственно, оболочкой U относительно окружающей породы. В частности, AlO обладает требуемой высокой прочностью на электрический пробой от 20 до 30 кВ/мм, но в качестве диэлектрика D могут оказаться пригодными и специальные стеклянные пленки.
Цилиндрическая структура внутренних и внешних электродов, соответственно, электропроводящих слоев L1 первого участка 1 и L3 третьего участка 3 с соединяющим участком 2 образует при этом конденсатор C, который соответствует одному коаксиальному участку проводящей структуры.
На фиг. 3 наглядно представлен еще один предпочтительный вариант выполнения штекерного элемента 10, показанного в изометрии в сечении плоскостью, параллельной оси вращения. В этом варианте осуществления штекерного элемента 10 второй участок 2 имеет радиальные сверленые отверстия B. Эти радиальные сверленые отверстия B обеспечивают сквозной проход текучей среды, причем транспортировка текучей среды происходит из пласта внутрь сквозного отверстия R (здесь - внутрь трубы), в частности, для добычи нефти или битума, или изнутри трубы R в пласт - в случае закачки газа, воды или рассола. Подача газа или жидкости внутрь трубы R может предназначаться также для охлаждения индуктора.
На фиг. 4 в сечении плоскостью, параллельной оси вращения, показана структура штекерного элемента 10 согласно другому варианту осуществления изобретения. При этом средний, второй участок 2 имеет пазы N, которые обращены внутрь трубы R. Посредством этих пазов N можно оказывать влияние на жесткость отдельных штекерных элементов 10, соответственно, на всю систему 100 модульных соединителей, благодаря чему можно преодолеть изгибы, например, с радиусом 150 м вдоль изогнутых участков скважины. Одновременно снижаются механические напряжения в диэлектрике на конденсаторном участке. Кроме того, сохраняется желаемая прочность на электрический пробой. В еще одном особенно предпочтительном варианте осуществления пазы N заполнены мягкой пластмассой. Мягкая пластмасса не препятствует при этом изгибанию, однако, обеспечивает гладкость внутренних или, соответственно, наружных поверхностей, что является преимуществом при протягивании индуктора или при пропускании текучей среды через индуктор (здесь не показано).
Можно ожидать, что при состыковывании отдельных штекерных элементов 10 из-за шероховатости поверхностей и/или вследствие технологических допусков будут оставаться маленькие (даже крошечные) заполненные воздухом промежутки между электропроводящими слоями L1 и L3, в которых могли бы возникать частичные разряды. Благодаря нанесению специальных покрытий можно избежать возникновения таких полостей на поверхности диэлектрика D1, D3, D. Получается промежуточный электрод (здесь не показано), на который включения воздуха не оказывают негативного влияния. Идеальная ситуация, при которой общая толщина диэлектрика D (=D1+D3) получена из обоих слоев электродов, и его поверхность совершенно гладкая, так что не возникает никаких воздушных включений. Кроме того, покрытие графитом может выполнять роль скользящего слоя при состыковывании штекерных элементов 10 системы 100 модульных соединителей.
Оболочка U из полимерного материала, например, из PE, PVC, штекерного элемента 10 или системы 100 модульных соединителей служит механической защитой при установке, однако, к ней не предъявляются какие-либо требования по электрическим свойствам и поэтому она может быть удалена во время эксплуатации.
2
3
Кроме того, существенные преимущества компоновки с помощью системы 100 модульных соединителей состоят в том, что индуктор продолжает оставаться работоспособным даже при коротком замыкании отдельных конденсаторов C при минимальном снижении резонансной частоты. Далее, нанесенные, например, методом плазменно-электролитического оксидирования (PEO - Plasma Electrolytic Oxidation) или микродугового оксидирования (MAO - Micro-Arc Oxidation), керамические и высокопрочные слои AlO благодаря великолепному сцеплению дают возможность изгиба по меньшей мере с большими радиусами, которые имеют место в упомянутых случаях при добыче нефти или битумов.