СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ IN SITU БИТУМА ИЛИ ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ
METHOD AND DEVICE FOR TRANSPORTATION BITUMEN OR HEAVY OIL IN SITU

Изобретение относится к способу транспортировки “in situ” (на месте добычи) битума или тяжелой нефти из месторождений нефтеносного песка согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения. Наряду с этим изобретение относится к соответствующему устройству для осуществления способа.
Согласно немецкому патенту DE 1020087040605 B4, озаглавленному «Vorrichtung zur “in situ” - Forderung von Bitumen oder Schwerstol», предложено устройство, согласно которому обозначенное как резервуар месторождение нефтеносного песка нагружается тепловой энергией для снижения вязкости битума или тяжелой нефти таким образом, что предусмотрено по меньшей мере одно электрическое/электромагнитное нагревание и имеется транспортировочная труба для отвода сжиженного битума или тяжелой нефти, для чего на заданной глубине резервуара проведены по меньшей мере два линейно проходящие проводника в горизонтальной ориентации, причем концы проводников внутри или снаружи резервуара электропроводно соединены и совместно образуют проводящий шлейф, который реализует заданное комплексное сопротивление, и вне резервуара подключены к внешнему генератору переменного тока для электрической мощности, причем индуктивность проводящего шлейфа на участках компенсируется. Тем самым резервуар индуктивно обогревается.
В основу вышеуказанного патента положен известный способ транспортировки SAGD (поддерживаемый паром гравитационный дренаж): SAGD способ инициируется тем, что в типовом случае 3 месяца обе трубы подогреваются паром, чтобы сначала по возможности быстро битум в пространстве между трубами привести в жидкое состояние. Затем осуществляется подача пара в резервуар через верхнюю трубу, и транспортировка через нижнюю трубу может начинаться.
В более ранних неопубликованных немецких заявках того же заявителя (AZ 10 2007 008 192.6 под названием «Vorrichtung und Verfahren zur “in situ”- Gewinnung einer kohlenwasserstoffhaltigen Substanz unter Herabsetzung deren Viskositat aus einer unterirdischen Lagerstatte» и AZ 10 2007 036 832.3 под названием «Vorrichtung zur “in situ” - Gewinnung einer kohlenwasserstoffhaltigen Substanz») уже предложены электрические/электромагнитные способы нагрева для транспортировки “in situ” битума и/или тяжелой нефти, при которых, в частности, осуществляется индуктивный нагрев резервуара.
Коммерчески используемыми являются способы добычи битума из нефтеносного песка посредством пара и горизонтальных скважин (SAGD). Для этого большие количества водяного пара требуются для нагрева битума, и в результате получаются большие количества воды, подлежащей очистке. При этом уже указывалось на возможность подземного нагрева битума без использования пара. Чисто электрорезистивный нагрев битума для добычи также известен.
Исходя из вышеназванного патента и дальнейшего уровня техники, задачей изобретения является усовершенствование способа и создание соответствующего устройства.
Указанная задача решается признаками пункта 1 формулы изобретения. Соответствующее устройство является предметом пункта 10 формулы изобретения. Варианты осуществления соответствующего изобретению способа и соответствующего устройства приведены в зависимых пунктах.
Предметом изобретения является то, что предлагается чисто электроиндуктивный способ нагрева и добычи битума с особенно благоприятным расположением индукторов. При этом существенным является размещение одного из индукторов непосредственно над производственной трубой, то есть без заметного горизонтального смещения. Хотя невозможно полностью избежать смещения при размещении скважин, смещение в любом случае должно быть менее 10 м, предпочтительно менее 5 м, что при соответствующих размерах месторождений может рассматриваться как пренебрежимо малое.
При этом речь идет о позиционировании индукторов, которые являются важными именно для способа добычи без использования пара, а также об электрическом соединении частичных проводников.
В то время как в цитированном выше патенте электромагнитный процесс нагрева может комбинироваться с паровым процессом (SAGD), в дополнительном изобретении, таким образом, ориентируются исключительно на электромагнитный нагрев, что далее обозначается как способ EMGD (электромагнитный гравитационный дренаж). При EMGD-способе речь идет о позиционировании индукторов с отдельными частичными проводниками, которые являются важными именно для способа добычи без использования пара, а также об электрическом соединении частичных проводников.
За счет нескольких, в частности, трех частичных проводников, например, возможно, вначале процесса нагрева работать с переменным током, чтобы максимально быстро достичь нагрева битума и/или тяжелой нефти вблизи трубы нефтепродукта (продуктопровода), чтобы затем переключиться на трехфазный ток, и наоборот: за счет соответствующего тока для нагрева добыча может быть максимизирована.
Другие особенности и преимущества изобретения следуют из последующего описания чертежей и примеров выполнения со ссылками на чертежи, в связи с пунктами формулы изобретения.
На чертежах в схематичном представлении показано следующее:
Фиг.1 - сечение через резервуар нефтеносного песка с инжекционной и транспортировочной трубой согласно уровню техники,
Фиг.2 - вид в перспективе фрагмента резервуара нефтеносного песка с горизонтально в резервуаре проходящим электрическим проводящим шлейфом согласно основной патентной заявке,
Фиг.3 - уровень техники посредством комбинации фиг.1 и фиг.2 SAGD-способа с электромагнитной индуктивной поддержкой,
Фиг.4 - электрическая схема соединения индуктивных частичных проводников в случае двух частичных проводников,
Фиг.5 - электрическая схема соединения индуктивных частичных проводников в случае трех частичных проводников с параллельным включением двух частичных проводников,
Фиг.6 - электрическая схема соединения индуктивных частичных проводников в случае трех частичных проводников с трехфазным током,
Фиг.7-10 - четыре варианта нового EMGD-способа с различными конфигурациями индукторов.
Подобные или одинаково действующие блоки снабжены на чертежах одинаковыми или соответствующими ссылочными позициями. Чертежи далее описаны по группам.
На фиг.1 и 2 изображено месторождение 100 нефтеносного песка, обозначенное в виде резервуара, причем для дальнейших рассмотрений будет принят блок 1 в виде параллелепипеда с длиной l, шириной w и высотой h. Длина l может, например, составлять 500 м, ширина w от 60 до 100 м и высота h примерно от 20 до 100 м. Следует учитывать, что исходя от поверхности Е земли, могут иметься покрывающие породы толщиной s до 500 м.
При реализации известного из уровня техники SAGD-способа согласно фиг.1 в резервуаре 100 нефтеносного песка месторождения имеются инжекционная труба 101 для пара или смеси воды/пара и транспортировочная труба 102 для сжиженного битума или нефти.
На фиг.2 показано устройство индуктивного нагрева. Оно может быть образовано длинным, от нескольких сотен метров до 1,5 км, проводящим шлейфом 10-20, проложенным в земле, причем прямой проводник 10 и обратный проводник 20 проведены рядом, то есть на одной глубине, и на конце через элемент 15 соединены друг с другом внутри или вне резервуара 100. В начале проводники 10 и 20 проводятся вертикально или под тупым углом вниз и запитываются от высокочастотного генератора 60, который может размещаться во внешнем корпусе, электрической мощностью. В частности, проводники 10 и 20 проходят на одинаковой глубине либо рядом один с другим, либо один над другим. При этом имеет значение смещение проводников.
Типовые расстояния между прямым и обратным проводниками 10, 20 составляют от 10 до 60 м при внешнем диаметре проводников от 10 до 50 см (от 0,1 до 0,5 м).
Электрический двойной проводник 10, 20 на фиг.2 с вышеназванными типовыми размерами имеет распределенную индуктивность на единицу длины от 1,0 до 2,7 мкГн/м. Поперечная (шунтирующая) емкость на единицу длины при названных размерах находится в пределах лишь от 10 до 100 пФ/м, так что емкостными поперечными токами можно пренебречь. При этом следует избегать волновых эффектов. Волновая скорость определяется емкостью и индуктивностью на единицу длины конфигурации проводников. Характеристическая частота схемы обусловлена длиной шлейфа и скоростью распространения волн вдоль схемы двойного проводника 10, 20. Поэтому длину шлейфа следует выбирать настолько малой, чтобы не возникали помеховые волновые эффекты.
В основной патентной заявке показывается, что моделируемое распределение плотности мощности помех в плоскости, перпендикулярной проводникам, - как оно образуется при противофазных токах верхнего и нижнего проводников - спадает радиально.
На фиг.3, которая в принципе представляет комбинацию фиг.1 и 2 в проекции, выбраны следующие обозначения:
0: участок резервуара нефти, повторяющийся многократно по обе стороны
1': пара горизонтальных труб (пара скважин) с инжекционной трубой а и трубой b нефтепродукта, представление в поперечном сечении
А: 1 горизонтальный параллельный индуктор
В: 2 горизонтальный параллельный индуктор
4: индуктивное возбуждение током за счет электрического соединения на концах индукторов (согласно фиг.3)
w: ширина резервуара, расстояние от одной из пары скважин до другой (в типовом случае 50-200 м)
h: высота резервуара, толщина геологического нефтеносного пласта (в типовом случае 20-60 м)
d1: горизонтальное расстояние от А до 1 равно w/2
d2: вертикальное расстояние от А и В до а: от 0,1 м до 0,9*h (в типовом случае 20-60 м)
о
Специально посредством расположения частичных проводников шлейфа проводников непосредственно над трубой нефтепродукта (продуктопроводом) получают преимущество, состоящее в том, что битум в окрестности над продуктопроводом в сравнительно короткое время нагревается и тем самым становится жидким. Это обуславливает то, что спустя короткое время (например, спустя 6 месяцев) начинается производство, которое сопровождается снижением давления резервуара. В типовом случае давление резервуара ограничено и зависит от толщины покрывающих пород, чтобы предотвратить прорыв преобразованной в пар воды (например, 12 бар на глубине 120 м, 40 бар на глубине 400 м и т.д.). Так как из-за электрического нагрева давление в резервуаре повышается, необходимо линейную токовую нагрузку для нагрева регулировать в зависимости от давления. Это, в свою очередь, означает, что повышенная мощность нагрева возможна только после начавшегося производства. Более ранняя транспортировка становится возможной за счет более близкого расположения индукторов. Близкое расположение двух противофазных (со сдвигом 180С) индукторов, которые соединены проводящим шлейфом, невозможно, так как тогда индуктивное нагревание сильно снизилось бы, и требуемая линейная токовая нагрузка в кабеле была бы слишком высокой.
Соответствующая электрическая схема соединений следует из фиг.4-6: при этом следует различать, имеются ли два или три частичных проводника.
На фиг.4: А представляет собой первый индуктивный частичный проводник (прямой проводник), а В - второй индуктивный частичный проводник (обратный проводник), к которым подключен инвертор/высокочастотный генератор 60 по фиг.2.
На фиг.5 показан вариант включения, в котором используются три индуктора, причем два из них переносят половинный ток. На фиг.5: А представляет собой первый индуктивный частичный проводник, В - второй индуктивный частичный проводник и С - третий индуктивный частичный проводник, причем частичные проводники В и С включены параллельно. Также возможны другие комбинации частичных проводников. Имеется инвертор/ высокочастотный генератор.
На фиг.6 показан вариант включения, в котором также используются три индуктора, которые, однако, подключены к генератору трехфазного тока и поэтому все имеют одинаковую линейную токовую нагрузку со сдвигом фазы 120°. На фиг.6: А представляет собой первый индуктивный частичный проводник, В - второй индуктивный частичный проводник и С - третий индуктивный частичный проводник. Все частичные проводники подключены к инвертору/высокочастотному генератору трехфазного тока.
Варианты включения согласно фиг.4-6 используются, чтобы реализовать описанные далее с помощью фиг.7-10 конфигурации индукторов в резервуаре. При этом индуктор, например индуктивный частичный проводник А или А', служит в качестве прямого проводника, а индуктор В или В' - в качестве обратного проводника, причем прямой и обратный проводники в этом случае переносят одну и ту же силу тока со сдвигом фазы на 180° по отношению к изображениям в сечении на фиг.7 и 8.
о
Согласно фиг.5, также индуктор А может служить в качестве прямого проводника, а два индуктора В и С - в качестве обратных проводников. При этом параллельно включенные обратные проводники В и С переносят, соответственно, половинную силу тока со сдвигом фазы на 180 по отношению к току в прямом проводнике А.
Наконец, один индуктор может служить в качестве прямого проводника, а более чем два индуктора - в качестве обратных проводников, причем сдвиг фазы токов прямого проводника ко всем обратным проводникам составляет 180°, а сумма токов обратных проводников соответствует току прямого проводника.
Соответственно фиг.6, три индуктора А, В и С могут переносить одну и ту же силу тока, и сдвиг фазы между ними может составлять, соответственно, 120°. Три индуктора А, В и С со стороны входа запитываются от генератора трехфазного тока, а со стороны выхода соединены с нулевой точкой в соединении звездой, которая может лежать внутри или снаружи резервуара и соответствует элементу 15 соединения. При этом также возможно, что три индуктора А, В и С переносят не равные силы тока, и имеют сдвиги фазы иные, чем 120°. Силы тока и сдвиги фаз выбираются таким образом, чтобы была возможной схема соединения с нулевой точкой в соединении звездой. В этом случае в любой момент времени сумма токов прямых проводников соответствует сумме токов обратных проводников.
На фиг.7 показан первый предпочтительный вариант изобретения для EMGD-способа. Имеются первый индуктор над продуктопроводом и второй индуктор на линии симметрии. Выбраны следующие обозначения:
0: участок резервуара нефти, повторяющийся многократно по обе стороны
b: продуктопровод, представление в поперечном сечении
А: 1 горизонтальный параллельный индуктор
В: 2 горизонтальный параллельный индуктор
А': 1 горизонтальный параллельный индуктор соседнего участка резервуара
4: индуктивное возбуждение током за счет электрического соединения на концах индукторов (согласно фиг.4)
w: ширина резервуара, расстояние от одной пары скважин до следующей (в типовом случае 50-200 м)
h: высота резервуара, толщина геологического нефтеносного пласта (в типовом случае 20-60 м)
d1: горизонтальное расстояние от А до В (w/2)
d2: вертикальное расстояние от В до b: предпочтительно от 2  до 20 м
d3: вертикальное расстояние от А до b: предпочтительно от 10  до 20 м.
На фиг.8 показан другой предпочтительный вариант изобретения для EMGD-способа. Имеются первый индуктор над продуктопроводом и второй индуктор на линии симметрии, причем в отличие от фиг.7 выбраны два отдельных токовых контура. Выбраны следующие обозначения:
0: участок резервуара нефти, повторяющийся многократно по обе стороны
b: продуктопровод, представление в поперечном сечении
А: 1 горизонтальный параллельный индуктор
В: 2 горизонтальный параллельный индуктор
А': 1 горизонтальный параллельный индуктор соседнего участка резервуара
В': 1 горизонтальный параллельный индуктор соседнего участка резервуара
4: индуктивное возбуждение током за счет электрического соединения на концах индукторов (согласно фиг.5)
w: ширина резервуара, расстояние от одной пары скважин до следующей (в типовом случае 50-200 м)
h: высота резервуара, толщина геологического нефтеносного пласта (в типовом случае 20-60 м)
d1: горизонтальное расстояние от А до В (w/2)
d2: вертикальное расстояние от В до b: предпочтительно от 2  до 20 м
d3: вертикальное расстояние от А до b: предпочтительно от 10  до 20 м.
На фиг.9 показан третий предпочтительный вариант изобретения для EMGD-способа. Имеются первый индуктор над продуктопроводом и два индуктора на линии симметрии, причем токовый контур разветвлен. Выбраны следующие обозначения:
0: участок резервуара нефти, повторяющийся многократно по обе стороны
b: труба нефтепродукта, представление в поперечном сечении
А: 1 горизонтальный параллельный индуктор непосредственно над продуктопроводом b
В: 2 горизонтальный параллельный индуктор на линии симметрии к соседнему участку резервуара
С: 3 горизонтальный параллельный индуктор на линии симметрии к соседнему участку резервуара
4: индуктивное возбуждение током за счет электрического соединения на концах индукторов (согласно фиг.5 или 6)
5: второе индуктивное возбуждение током за счет электрического соединения на концах индукторов
w: ширина резервуара, расстояние от одной пары скважин до следующей (в типовом случае 50-200 м)
h: высота резервуара, толщина геологического нефтеносного пласта (в типовом случае 20-60 м)
d1: горизонтальное расстояние от А до С (w/2)
d2: вертикальное расстояние от А до b: предпочтительно от 2  до 20 м
d3: вертикальное расстояние от С до b: предпочтительно от 10 до 20 м.
На фиг.10 показан четвертый предпочтительный вариант изобретения для EMGD-способа. Имеются первый индуктор над продуктопроводом и два других индуктора с боковым смещением, причем вновь имеется разветвленный токовый контур. Выбраны следующие обозначения:
0: участок резервуара нефти, повторяющийся многократно по обе стороны
b: продуктопровод, представление в поперечном сечении
А: 1 горизонтальный параллельный индуктор непосредственно над продуктопроводом b
В: 2 горизонтальный параллельный индуктор
С: 3 горизонтальный параллельный индуктор
4: индуктивное возбуждение током за счет электрического соединения на концах индукторов (согласно фиг.5 или 6)
w: ширина резервуара, расстояние от одной пары скважин до следующей (в типовом случае 50-200 м)
h: высота резервуара, толщина геологического нефтеносного пласта (в типовом случае 20-60 м)
d1: горизонтальное расстояние от А до С, а также от В до А (w/2)
d2: вертикальное расстояние от А до b: предпочтительно от 2 до 20 м
d3: вертикальное расстояние от С и В до b: предпочтительно от 5 до 20 м.
Выше были описаны различные варианты, которые конкретизируют предмет основной патентной заявки для EMGD-способа. В качестве особенно предпочтительных рассматриваются следующие варианты:
- Фиг.7 с вариантом включения по фиг.4. Индуктор В находится над продуктопроводом b, второй индуктор А находится на границе симметрии с соседним частичным резервуаром.
- Фиг.8 с двумя токовыми контурами и вариантом включения по фиг.4. Два индуктора А и А' находятся на границе симметрии с соседним частичным резервуаром. Два индуктора В и В' находятся над продуктопроводом b, а также не показанным здесь продуктопроводом соседнего частичного резервуара.
- Фиг.9 с вариантом включения по фиг.5 или 6. Индуктор А находится над продуктопроводом b, второй индуктор В находится на границе симметрии с левым соседним частичным резервуаром. Третий индуктор С находится на границе симметрии с правым соседним частичным резервуаром.
- Фиг.10 с вариантом включения по фиг.5 или 6. Индуктор А находится над продуктопроводом b, второй индуктор В находится на горизонтальном расстоянии d1 от последнего. Третий индуктор С находится на горизонтальном расстоянии d1, но на другой стороне.
Существенным компонентом устройства является, как уже описано выше, что индуктор находится непосредственно над продуктопроводом. Кроме того, приведены типы схем соединения (фиг.5 и 6) в комбинации позиционированием индукторов (фиг.8-10), которые обеспечивают варьирование распределение тока и, тем самым, распределения мощности нагрева между индуктором непосредственно над продуктопроводом и удаленными от него индукторами. Тем самым EMGD-способ особенно предпочтительным образом может быть осуществлен, как описано ниже.
EMGD может быть разделен на три фазы.
Фаза 1 образует нагревание резервуара, при этом не происходит добыча битума. При этом осуществляется расплавление битума в непосредственной окрестности от индукторов. Расплавленные зоны еще изолированы одна от другой, также не существует никакой коммуникации к продуктопроводу.
В фазе 2 битум в окрестности индуктора, который расположен непосредственно над продуктопроводом, расплавлен настолько, что возникает соединение с продуктопроводом. Добыча из этой средней зоны резервуара осуществляется с сопровождающим снижением давления. По-прежнему не существует никакой коммуникации к расплавленным зонам расположенных дальше внешних индукторов.
В фазе 3 средняя и внешне расположенные расплавленные зоны соединяются, что сопровождается снижением давления во внешних зонах. Добыча осуществляется из всего резервуара до полной эксплуатации месторождения.
Для предпочтительного выполнения EMGD в фазе 1 мощность нагрева концентрируется на индукторе непосредственно над продуктопроводом, чтобы достичь по возможности более ранней добычи. В последующих фазах 2 и 3 осуществляется непрерывное или поэтапное смещение составляющих мощности нагрева от средней зоны во внешние зоны, с учетом нагрузочной способности по давлению соответствующей зоны резервуара. Это требует, в зависимости от типа соединения и позиционирования индукторов, различных способов действий:
В случае конфигурации соответственно фиг.8 применяются различные, отдельно управляемые генераторы для подачи тока в А, А' и В, В'. Тем самым возможно независимое, соответствующее потребностям нагревание средней зоны и внешних зон посредством управления соответствующими генераторами.
В случае конфигураций соответственно фиг.9 и 10, в комбинации со схемой соединения соответственно фиг.6, вклады мощности нагрева в средней зоне и внешних зонах не являются независимыми друг от друга, а в определенных границах устанавливаются с помощью следующих режимов работы:
о
i) Для максимальной концентрации составляющих мощности нагрева на средней зоне (предпочтительно в фазе 1) индуктор А должен работать как прямой проводник, а индукторы В и С - как обратные проводники. При этом генератор служит в качестве источника переменного тока, и сдвиг фаз между А и В, С составляет 180. При однородной электрической проводимости резервуара составляющие мощности нагрева равны Ѕ (А, средняя зона) к ј (В) и ј (С).
о
ii) При подаче тока с одинаковыми амплитудами и сдвигом фазы на 120 (трехфазный ток) получается равномерная составляющая мощности нагрева по 1/3 полной мощности для А, В и С, что предпочтительно применяется в фазах 2 и 3.
iii) После достаточного нагрева средней зоны там в конечном счете не требуется вводить дальнейшую мощность нагрева, и подача тока в индуктор А может полностью прерываться (по меньшей мере временами). Для этого осуществляется работа генератора переменного тока с индуктором В в качестве прямого проводника и индуктора С в качестве обратного проводника. Составляющие мощности нагрева равны 0 для А и по S для В и С.
В соответствии с требованиями к распределению мощности нагрева EMGD-фаз устанавливается один из описанных выше режимов работы i)-iii). Между этими режимами работы в пределах EMGD-фаз может производиться многократное переключение.
В качестве варианта режима работы ii) также возможны другие амплитудные соотношения и сдвиги фаз, которые также могут привести к асимметричным распределениям мощности нагрева, если условия резервуара этого требуют. В качестве экстремального случая является возможным, один из расположенных внешним образом индукторов (В или С) оставить обесточенным, а в индуктор А в качестве прямого проводника и в индуктор С или В в качестве обратного проводника подавать ток, для чего генератору требуется вырабатывать только переменный ток.