УСТАНОВКА ДЛЯ ДОБЫЧИ НА МЕСТЕ СОДЕРЖАЩЕГО УГЛЕВОДОРОДЫ ВЕЩЕСТВА
PLANT FOR ON-SITE PRODUCTION OF SUBSTANCE CONTAINING HYDROCARBONS

Изобретение относится к установке для добычи на месте содержащего углеводороды вещества из подземного месторождения с понижением его вязкости. Такая установка служит, в частности, для добычи битума или особо тяжелой нефти из резервуара под покрывающей породой, как это имеет место, например, в Канаде в месторождениях горючих сланцев и/или нефтеносных песков.
Для добычи особенно тяжелой нефти или битумов из известных месторождений горючих сланцев и/или нефтеносных песков необходимо значительно повышать их текучесть. Этого можно достигать за счет повышения температуры месторождения (пласта). Если для этого применяется индукционный нагрев, то возникает проблема, состоящая в том, что электрические прямой и обратный провода для питания введенных в пласт индукторов непреднамеренно нагревают также покрывающие породы. Вводимая так в покрывающие породы энергия нагревания представляет потери для нагревания пласта, которые необходимо предотвращать.
Повышение текучести можно осуществлять, с одной стороны, за счет введения растворяющих, соответственно, разбавляющих средств и/или, с другой стороны, за счет нагревания, соответственно, плавления особенно тяжелой нефти или битумов, для чего с помощью системы труб, которые вводятся через скважины, выполняется нагревание.
Наиболее распространенным и применяемым способом добычи на месте битумов или особенно тяжелой нефти является способ SAGD (Steam Assisted Gravity Drainage=гравитационный отбор с помощью пара). При этом водяной пар, в который может быть добавлено растворяющее средство, нагнетают под высоким давлением через проходящую горизонтально внутри пласта трубу. Нагретые, расплавленные и отделенные от песка или породы битумы или особенно тяжелая нефть просачиваются ко второй, лежащей примерно на 5 м глубже трубе, через которую осуществляется добыча сжиженного битума или особенно тяжелой нефти, при этом расстояние от нагнетательной трубы до добычной трубы зависит от геометрии пласта.
При этом водяной пар должен выполнять одновременно несколько задач, а именно, ввода нагревательной энергии для сжижения, отделения песка, а также понижения давления в пласте, с целью, с одной стороны, обеспечения геомеханической проницаемости пласта для прохождения битумов и, с другой стороны, обеспечения возможности добычи битума без дополнительных насосов.
Способ SAGD начинается с того, что обычно в течение трех месяцев через обе трубы вводят пар, для того чтобы возможно быстрее сжижать битум в пространстве между трубами. Затем вводят пар лишь через верхнюю трубу, и можно начинать добычу через нижнюю трубу.
В ранней, не опубликованной немецкой патентной заявке AZ. 10 2007 008 292.6 уже указано, что обычно применяемый для этого способ SAGD можно дополнять индукционным нагревательным устройством. Кроме того, в ранней, не опубликованной немецкой патентной заявке AZ. 10 2007 036 832.3 приведено описание устройства, в которой имеются параллельно проходящие на фиг. 5 системы индукторов, соответственно, электродов, которые соединены над землей с генератором, соответственно, вентильным преобразователем переменного тока.
Таким образом, в ранних, не опубликованных немецких патентных заявках AZ. 10 2007 008 292.6 и AZ. 10 2007 036 832.3 предлагается ввод пара совмещать с индукционным нагреванием месторождения. При этом при необходимости может дополнительно осуществляться также еще резистивное нагревание между двумя электродами.
В указанных выше устройствах всегда необходимо проводить электрическую энергию через электрический прямой провод и электрический обратный провод.
Согласно ранним патентным заявкам, отдельные пары индукторов или же группы пар индукторов с различными геометрическими конфигурациями снабжаются током из прямого и обратного проводов, с целью индукционного нагревания пласта. При этом необходимо исходить из постоянного расстояния между индукторами внутри пласта, что при равномерном распределении электрической проводимости приводит к постоянной мощности нагревания вдоль индукторов. Приведено описание проходящих близко друг к другу в пространстве прямых и обратных проводов на участках, в которых пронизываются покрывающие породы, с целью минимизации там потерь.
Изменение мощности нагревания вдоль индукторов можно осуществлять, как не указано в ранних, не опубликованных заявках, посредством специального нагнетания на некоторых участках электролитов, за счет чего изменяется полное сопротивление. Это требует предусмотрения соответствующих устройств для нагнетания электролита, которые сложно интегрировать в индукторы или которые требуют дополнительных дорогостоящих скважин.
Исходя из этого, задачей изобретения является оптимизация указанного выше устройства для индукционного нагревания и упрощение относительно ввода энергии. Дополнительно к этому, должно быть минимизировано само потребление мощности.
Задача решена, согласно изобретению, с помощью совокупности признаков пункта 1 формулы изобретения. Модификации указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Предметом изобретения является установка индукционного нагревания, в которой прямой и обратный провода для индукторных линий проходят по существу вертикально и имеют небольшое боковое расстояние друг от друга максимально 10 м. Однако предпочтительно, расстояние меньше 5 м. Для этого в покрывающей породе могут иметься параллельные скважины на этом расстоянии друг от друга, так что для этого обратные провода проходят по отдельности. Предпочтительно, можно исходить из одной единственной скважины, в которой совместно проходят прямые и обратные провода. Это имеет то преимущество, что в проходящей вертикально зоне практически не расходуется электрическая мощность, поскольку в проходящих вместе вблизи друг друга проводах компенсируются электромагнитные действия.
Таким образом, согласно изобретению, прямые и обратные провода индукционной линии могут быть отдельными, проходящими в боковом направлении рядом друг с другом проводами. Они могут образовывать также сплетенные друг с другом линии и, в частности, также коаксиальные линии. В частности, такие коаксиальные линии могут проходить в узко согласованных с ними скважинах.
В частности, при указанном последнем выполнении, на конце совместно проходящих проводов имеется разветвление (так называемое Y-образное соединение). Отходящие от него, горизонтально направленные индукторные линии могут проходить в одинаковом, но также в противоположных направлениях.
В одной модификации изобретения проходящие горизонтально в месторождении индукторные линии могут иметь на некоторых участках различные расстояния друг от друга. В частности, можно предотвращать потери за счет того, что в зонах, в которых нет необходимости и/или не желательно индукционное нагревание, линии проходят снова параллельно друг другу на небольшом расстоянии, так что не расходуется напрасно мощность нагревания.
В изобретении возможны различные комбинации признаков, соответственно, возможности модификации изобретения. Ниже приводится подробное описание существенных модификаций.
1. Сведенные вместе в пару проводов проходящие вертикально прямые и обратные провода можно, как указывалось выше, предпочтительно вводить в одну единственную скважину, которая проходит в пласт, с целью разветвления лишь в пласте (Y-образное соединение). При этом пара из прямого и обратного провода может быть скручена или выполнена коаксиально и изолирована по отдельности или совместно в сплошной изоляции. Применение единственной скважины, которая достигает пласта, возможно также для нескольких пар из прямого и обратного провода.
Наряду с этим, согласно изобретению, возможно специальное, оптимальное для соответствующего участка выполнение системы проводов. При этом первый участок, от генератора до разветвления, может быть выполнен с особенно небольшими потерями, например, из высокочастотного многопроволочного провода при, возможно, уменьшенных требованиях к температурной стойкости. Второй участок выполнен с помощью действующего в качестве индуктора отдельно изолированного провода. При этом следует учитывать повышенные механические требования и высокие температурные требования к работе, в то время как низкие активные потери провода имеют второстепенное значение. Третий участок образован электродом, не изолированным концом провода, который на основании своей длины и, например, за счет окружающей соленой воды имеет небольшое переходное сопротивление к пласту. Такие меры (зоны ввода соленой воды у не изолированного конца) известны и представляют низкоомное заземление.
Для предотвращения суммирования индуктивного падения напряжения вдоль всей длины провода, в данном случае также применяется предпочтительно компенсированная линия с резонансной системой проводов и последовательным резонансным контуром, как описано в указанных выше ранних патентных заявках.
Применение компенсированных линий на участке проходящих в пласте индукторных линий обязательно необходимо на основании его длины и в большинстве случаев большого расстояния (>5м) между индукторами. На участках I и III можно отказаться от компенсированных линий, когда участки имеют короткую длину (<20 м), соответственно, расстояние между прямым и обратным проводом очень небольшое (<0,5 м). Очень небольшое расстояние и связанная с этим небольшая индуктивность на единицу длины участка линии имеется, в частности, при скрученных или коаксиальных прямых и обратных проводах.
2. Согласно изобретению, требуются мощные генераторы. Удачным вариантом выполнения мощных генераторов в рассматриваемом диапазоне частот являются вентильные преобразователи переменного тока, как описано подробно в указанной выше немецкой патентной заявке AZ 10 2007 008 292.6. Вентильные преобразователи переменного тока поставляют, наряду с мощностью основной частоты (частоты переключения), значительные доли верхних гармоник, т.е. мощность при частотах, в целое число раз превышающих основную частоту. В рамках данного изобретения в специальной модификации предлагается использовать несколько смежных пар прямого и обратного провода, которые имеют резонанс преимущественно на основной частоте, и некоторые пары, которые имеют резонанс на гармониках, параллельно одному или группе вентильных преобразователей переменного тока, так что мощность вентильных преобразователей переменного тока используется также на верхних гармониках. За счет непосредственной близости точек питания, для этого особенно пригодны многосторонние скважины.
3. Существенным для изобретения является согласование и выполнение индукторных линий. Отдельный компенсированный индуктор состоит из повторяющихся на участках, емкостно связанных групп проводов, в которых индуктивность и емкость на единицу длины, а также длина задают резонансную частоту. В этой связи предлагаются такие конфигурации поперечного сечения проводов, в которых распределение плотности тока на оба провода является ротационно симметричными или приблизительно ротационно симметричными относительно оси индуктора. Это уже является предметом ранней, не опубликованной патентной заявки AZ 10 2008 012 895.4 заявителя.
4. В качестве альтернативного решения, оба заземленных на конце индуктора могут проходить в различных, например, противоположных направлениях. Кроме того, предлагается продолжать систему индукторов периодически в направлении х и/или периодически в направлении у. В специальной модификации изобретения предлагается предусмотрение возможности регулирования амплитуды тока и фазового положения смежных генераторов, для чего пригодна решетка из индукторных линий и генераторов.
5. Решетка индукторов в соответствии с п.4 пригодна для нагревания пласта в большом объеме. Согласно изобретению, предлагается располагать несколько нагнетательных и добычных труб перпендикулярно ориентации (и ниже) индукторов. В соответствии с этим, индукторы не должны, как указывалось в большинстве случаев до настоящего времени, проходить параллельно добычным и нагнетательным трубам, а могут быть ориентированы под углом, в частности, перпендикулярно добычной трубе, т.е. в поперечном направлении. Это позволяет изменять нагревательную мощность вдоль добычных труб и, в частности, раньше начинать добычу, поскольку в точках перекрещивания индукторов и добычных труб расстояние между ними является очень небольшим. При этом перпендикулярная ориентация является лишь специальным случаем. Те же преимущества обеспечиваются уже также при меньших углах между индукторами и добычными трубами.
6. Когда нет необходимости в охлаждении индукторов, например, с помощью соленой воды, соленую воду можно в качестве альтернативного решения подводить к подлежащим заземлению концам индукторов, т.е. к электродным участкам. Кроме того, охлаждающая среда и электролит (соленая вода) могут быть различными жидкостями. Охлаждающая среда может циркулировать в индукторе (например, в проходящих коаксиально прямом и обратном трубопроводах для охлаждающей среды) и в замкнутом охлаждающем контуре с теплообменниками. Относительно этого снова указывается на раннюю заявку AZ 10 2007 008 292.6.
7. Инжекцию соленой воды для лучшего заземления ряда решетки индукторов в соответствии с п.6 можно в качестве альтернативного решения выполнять с помощью снабженной в некоторых местах прорезями трубы, которая вводится через горизонтальную скважину и ориентирована перпендикулярно индукторам, совместно для нескольких индукторов.
В качестве альтернативного решения, в рамках изобретения электродные участки могут проходить в содержащих воду слоях вне пласта (выше или ниже), с целью реализации электрически хорошо проводящего соединения с окружающей породой с возможно меньшими аппаратными расходами. Часто содержащие воду слои содержатся в покрывающей и/или подстилающей породе.
Кроме того, в одной модификации изобретения предлагается изменять на некоторых участках расстояние между прямым и обратным проводом компенсированного по емкости индуктора внутри пласта. Изменение расстояния приводит на некоторых участках к различной индуктивности на единицу длины двойной линии. Предлагается компенсировать изменение индуктивности на единицу длины за счет согласованных резонансных длин и/или за счет согласованной емкости на единицу длины, например, за счет различной толщины диэлектрика при постоянных резонансных длинах. Можно компенсировать изменение индуктивности на единицу длины за счет комбинации из изменения емкости на единицу длины и согласования резонансных длин.
Прокладку оптимальных по расстоянию индукторов в пласте можно осуществлять согласованно с геологическими особенностями в пласте уже в начале добычи. Ее можно осуществлять при необходимости в качестве дооснащения уже работающих пар добычных и нагнетающих труб.
Прокладку оптимального по расстоянию индуктора можно также осуществлять дополнительно к уже имеющимся индукторам. При этом можно осуществлять электрическое соединение с прямыми и обратными проводами ранее проложенных индукторов, при этом работа может осуществляться при последовательном резонансе за счет согласования частоты в генераторе/вентильном преобразователе переменного тока. Изменение расстояния можно осуществлять в вертикальном и/или горизонтальном направлении, за счет чего возможно согласование распределения нагревательной мощности с геометрией пласта.
С помощью указанной последней модификации изобретения предпочтительно обеспечивается равномерное распределение нагревательной мощности вдоль индукторов для различной на некоторых участках электрической проводимости за счет согласования расстояний. При этом прокладку индукторов можно осуществлять так, что предотвращается образование больших камер пара в горизонтальном и/или вертикальном направлении.
За счет указанной модификации изобретения можно предотвращать пронизывание часто образующейся в начале нагнетательной трубы паровой камеры выдвинутым вперед, соответственно, и/или проходящим под тупым углом больше 90° индуктором. При этом можно при необходимости осуществлять установку генератора в концевой зоне пары нагнетательной и добычной трубы.
Новая установка имеет относительно известных из уровня техники и также относительно раскрытых в ранних, не опубликованных патентных заявках установок, соответственно, устройств значительные преимущества. Такими преимуществами являются:
К 1: Магнитные поля в проходящих на небольшом расстоянии друг от друга, пропускающих ток прямых и обратных проводах компенсируют друг друга почти полностью, так что уже в непосредственном окружении в покрывающей породе могут быть индуцированы лишь небольшие вихревые токи и тем самым сильно уменьшается потеря мощности. При этом с точки зрения потери мощности коаксиальное выполнение прямых и обратных проводов является идеальным, однако требует повышенных затрат на разветвления. При коаксиальном расположении окружение полностью свободно от полей. Это позволяет также применять электрически проводящие и магнитные материалы (сталь) для окружения пары прямого и обратного провода, соответственно, облицовывать скважину стальными трубами на участке пары проводов. Кроме того, экономится одна скважина. Дополнительно к этому, значительно уменьшается излучение электромагнитных волн и облегчается экранирование генератора в точке подключения, за счет чего уменьшается зона облучения, в которой не должен находиться рабочий персонал.
К 2: Обеспечивается значительная экономия скважин при сохранении указанного в п.1 преимущества. Необходимая для этого техника бурения уже разработана и известна как бурение нескольких горизонтальных скважин. Кроме того, один генератор может работать на основании пространственной близости попеременно с различными индукторами, соответственно, можно несколько генераторов подключать вместе, например, в фазе предварительного нагревания, к одному индуктору. Кроме того, уменьшаются затраты на экранирование, когда можно использовать несколько генераторов в одной экранированной кабине.
К 3: Заземление концов проводов приводит к замыканию проводной петли, без необходимости непосредственного электрического соединения концов проводов. Поэтому конфигурация проводов не требует особых технологий бурения, а можно использовать имеющиеся стандартные технологии бурения. Изолированный индукторный участок удерживает ток в проводе и предотвращает преждевременное короткое замыкание через пласт, что обеспечивает возможность равномерного распределения потерь вдоль индуктора. Распределение потерь, которое можно определять с помощью трехмерного моделирования, можно изображать в плоскости на глубине индуктора. В конкретном примере (10 кГц, 707 А, среднеквадратически) вводимые в породу потери распределяются следующим образом: 0,3% в паре прямого и обратного провода (участок А), 96,5% в индукторе (участок В) и 3,3% в концах проводов (участок С).
К 4: Таким образом, предотвращаются эффекты длины волны, которые приводят иначе к изменениям тока вдоль провода и тем самым к соответствующему изменению плотности потерь мощности.
К 5: Мощность в высоких гармониках вентильных преобразователей переменного тока для нагревания пласта, которые в противном случае проявлялись бы в виде потерь в вентильном преобразователе переменного тока и могли приводить даже к его разрушению.
К 6: Ротационно-симметричное распределение тока в случае, когда на определенном радиусе вокруг оси индуктора нет плотности тока, приводит к образованию не имеющего поля внутреннего пространства индуктора, которое можно использовать для пропускания соленой воды или для механического усиления индуктора, например, с помощью стального троса, без возникновения при этом потерь на вихревые токи в соленой воде, соответственно, стальном тросе, т.е. без возникновения дополнительного нагревания индуктора.
К 7: При расходящихся в разные стороны индукторах, так же как при продолжении в направлении х и проходящих параллельно нагнетательных и добычных труб, длина индуктора должна составлять лишь часть длины труб, что является предпочтительным при изготовлении, установке (максимальная длина проникновения зависит от жесткости индуктора и может быть меньше, чем у труб) и при работе (уменьшение требований к напряжению генераторов и снижение требований к давлению нагнетания соленой воды). Возможность регулирования фазового положения генераторов относительно друг друга позволяет оказывать влияние на обратные токи через пласт и тем самым на распределение плотности потерь мощности в пласте.
К 8: Индуцируемые индукторами электрические поля проходят параллельно им и тем самым при предлагаемой ориентации перпендикулярно нагнетательным и добычным трубам. Таким образом, можно достигать значительной индуктивной развязки индукторов и труб, за счет чего предотвращаются или по меньшей мере сильно уменьшаются напряжения на трубах, нагревание вихревыми токами непосредственного окружения труб, а также оказание влияния, соответственно, помехи для электрического оборудования (такого как датчики) в трубах или на трубах.
К 9: Изготовление и обеспечение рабочей надежности индукторов упрощается, когда нет необходимости в предусмотрении устройства для направления соленой воды. С другой стороны, уменьшается также количество дополнительных (вертикальных) скважин, которые необходимы для нагнетания соленой воды, когда электродные участки сводятся близко друг к другу.
К 10: Предпочтительно осуществляемое сведение вместе электрических прямых и обратных проводов и размещение в одной скважине экономит на практике значительные расходы на бурение.
Можно создавать на некоторых участках согласованную величину нагревательной мощности. На преимущественно вертикальных участках прямой и обратный провода проходят близко друг к другу. За счет этого можно получать очень небольшие мощности индукционного нагревания в окружающем покрывающем слое, например, лишь 2,5 Вт/м (фиг. 5, таблица, строка 1, расстояние 0,25 м), что желательно, поскольку нагревание покрывающего слоя не требуется. На участках 2-7 прямой и обратный провода проходят с различными расстояниями между ними, за счет чего можно согласовывать величину нагревательной мощности с каждым участком. Чем больше расстояние, тем больше нагревательная мощность на единицу длины. В таблице (фиг. 5) приведены нагревательные мощности для типичного пласта для различных расстояний между прямым и обратным проводом, которые получаются при пропускании тока силой 825 А (амплитуда) и частотой 20 кГц. Современная техника бурения позволяет уменьшать расстояния до 5 м, за счет чего обеспечивается возможность изменения нагревательной мощности в рассматриваемом пласте в 80 раз (111 Вт/м при расстоянии 5м, 8874 Вт/м при расстоянии 100 м) при одинаковом токе на участках, что обуславливается последовательным включением. За счет этого обеспечивается возможность введения согласованной с геологическими и добычными условиями пласта на участках нагревательной мощности.
Кроме того, внизу таблицы указаны величины индуктивности на единицу длины двойной линии из прямого и обратного провода индуктора. Они изменяются в зависимости от расстояния. При этом влияние различных проводимостей очень небольшое. Сам индуктор представляет в целом последовательную схему из последовательных резонансных контуров. Последовательный контур образуется участком линии с резонансной длиной. В идеальном случае все последовательные контуры имеют резонанс на одинаковой частоте. За счет этого получаются наименьшие напряжения вдоль индуктора. Изменяющиеся на участках расстояния приводят в индукторах постоянной резонансной длины к неполной компенсации на участках, что приводит к увеличению требований к стойкости по напряжению диэлектрика между группами проводов, что в худшем случае может приводить к пробоям и разрушению индуктора. Это можно предотвращать за счет согласования резонансной длины и тем самым емкости этого участка с имеющейся там индуктивностью на единицу длины.
Согласно изобретению, емкость на единицу длины можно предпочтительно легко согласовывать с соответствующей индуктивностью на единицу длины, за счет чего без изменения резонансной длины можно устанавливать на участках одну и ту же резонансную частоту. С помощью указанной меры можно достигать цели минимальных требований по напряжению.
Когда геологические условия в пласте хорошо известны, можно в соответствии с этим осуществлять согласованную прокладку индукторов с согласованными на участках с потребностью нагревательной мощности расстояниями. Это можно осуществлять практически одновременно с введением труб для нагнетания пара и добычи для способа SAGD, так что индукционное нагревание используется уже в фазе предварительного нагревания.
Предпочтительно, можно использовать также следующую последовательность операций. Сначала в течение нескольких месяцев или лет выполняют способ SAGD без электромагнитной поддержки. Паровые камеры уже образованы. Изменения длины паровых камер вдоль нагнетающих пар и добычных труб, как правило, не желательны, поскольку они могут приводить к преждевременному прорыву пара на отдельных участках (steam breakthrough region). Если такой прорыв пара происходит, то при некоторых условиях добыча еще находящихся на остальных участках пласта битумов становится больше не экономичной (отношение пара к нефти (SOR)<3), за счет чего возможны большие экономические потери. Такие потери можно предотвращать, когда задолго до прорыва пара используется индукционное нагревание для регулирования расширения паровых камер. Для этого необходимо согласованно с требуемой на участках мощностью дополнительного индукционного нагревания осуществлять оптимальную по расстоянию прокладку индукторов. При таком дооснащении можно осуществлять добычу на существующих полях применения способа SAGD.
В конкретных примерах выполнения, показанных на соответствующих фигурах, индукторы находятся внутри пласта на одинаковой глубине, и изменение расстояния осуществляется исключительно в горизонтальном направлении. Прокладку прямого и обратного проводов индуктора можно осуществлять также на различной глубине, когда достигаемое за счет этого распределение нагревательной мощности и/или прокладка индукторных линий являются более благоприятными, например, на основании меньшей стоимости бурения за счет более мягких пород или других краевых геологических условий.
Если в пласте на различных участках имеются различные электрические проводимости, то плотность нагревательной мощности можно гомогенизировать за счет согласования расстояния между индукторами. Для этого в таблице приведен пример. Если необходимо вводить в пласт на участке с удельным сопротивлением 555 Ом*м мощность 4 кВт/м, то при этой указанной в качестве примера геометрии расстояние между индукторами должно составлять 50 м. Если электрическая проводимость на другом участке пласта составляет лишь половину, то необходимо увеличивать расстояние между индукторами до 67 м, чтобы снова вводить нагревательную мощность 4 кВт/м.
В некоторых секциях прямые и обратные провода могут предпочтительно проходить близко друг к другу, когда в них требуется лишь небольшая плотность нагревательной мощности. Таким образом, прямые и обратные провода возможно проходят через паровую камеру и подвергаются там воздействию высоких температур (например, 200°С), что может приводить к преждевременному старению индуктора и тем самым к сокращению срока службы. Это можно предотвращать, когда, как показано в секции VI, зона паровой камеры обходится в горизонтальном или вертикальном направлении.
Часто в способе SDAG паровая камера увеличивается в начале горизонтального участка паровой камеры быстрее, чем в лежащих дальше впереди участках, поскольку температура пара и давление пара являются максимальными вблизи точки ввода. Это приводит часто к образованию большой паровой камеры. Поэтому может быть целесообразным отказаться там от дополнительного индукционного нагревания, также с целью предотвращения преждевременных прорывов пара. Для этого генератор может быть перемещен вперед, так что индуктор не должен в начале проходить через паровую камеру.
Того же можно достигать, когда индуктор проходит под тупым углом вниз, когда генератор должен быть установлен вблизи нагнетательных и добычных труб. При этом предпочтительно экономится длина индуктора и связанные с этим расходы на бурение. Кроме того, можно предотвращать преждевременное старение индуктора в зоне первой паровой камеры.
Согласно изобретению, возможны индукторные системы, в которых петля замыкается под землей, что можно осуществлять с помощью усовершенствованных технологий бурения. При этом генератор может быть, как показано, установлен в концевой зоне пары труб или же, как показано на предыдущих фигурах, вблизи начала трубной пары (так называемых устьях скважины). Замкнутая под землей проводящая петля в обход паровой камеры приводит к уменьшению длины индуктора и тем самым к сокращению расходов.
Другие подробности и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично и частично в изометрической проекции изображено:
фиг. 1 - месторождение нефтяных песков из нескольких элементарных зон с несколькими системами проводов для индукционного нагревания пласта и с добычной трубой;
фиг. 2 - система проводов для индукционного нагревания пласта с заземленными индукторами;
фиг. 3 - система, согласно фиг. 2, с различными на некоторых участках расстояниями между проводами индуктора;
фиг. 4 - система индукторов, согласно фиг. 3, с восемью секциями с различными расстояниями между проводами, на виде сверху;
фиг. 5 - выполнение компенсированного индуктора с распределенными емкостями;
фиг. 6 - поперечное сечение многожильного провода с двумя группами жил;
фиг. 7 - система с большой образованной паровой камерой на начальном участке нагнетательной трубы и смещенным относительно нее положением генератора, на виде сверху;
фиг. 8 - система, согласно фиг. 7, с положением генератора в концевой зоне трубной пары и замкнутой под землей проводящей петлей, на виде сверху;
фиг. 9 - система для индукционного нагревания пласта с проходящими в противоположных направлениях и заземленными индукторами; и
фиг. 10 - часть двумерной решетки из индукторов и генераторов со сведенными вместе на некоторых участках электродными участками с целью заземления.
На отдельных фигурах одинаковые элементы обозначены одинаковыми, соответственно, аналогичными позициями. Описание некоторых фигур приводится частично совместно.
В трехмерных изображениях месторождения с нефтяным пластом в соответствии с фиг. 1-3, а также 6, 9 и 10, позицией 100 обозначен элементарный блок пласта, который рассматривается при описании других фигур. Такой элементарный блок произвольно повторим в обоих горизонтальных направлениях месторождения.
Последнее следует, например, из фиг. 1: лежащее под землей месторождение нефтяных песков образует пласт, при этом образуются друг за другом, соответственно, рядом друг с другом элементарные блоки 100 длиной l, высотой h и толщиной w. Над пластом 100 находится покрывающая порода 105 с толщиной s. Соответствующие слои (подстилающие породы) находятся под пластом 100, однако не изображены на фиг. 1.
1
В известном способе SAGD на основании пласта 100 находятся по существу друг над другом нагнетательная труба для ввода пара, с помощью которого понижается вязкость битума или особенно тяжелой нефти, и транспортировочная, соответственно, добычная труба. Добычная труба обозначена на фиг. 1 позицией 102, в то время как нагнетательная труба здесь не изображена и возможно также не требуется. Предлагается предусмотрение для электрического нагревания пласта 100 проводов и/или электродов. Специально для индукционного нагревания на фиг. 1 провода выполнены в виде индукторных линий 10, 20. Индукторные линии 10, 20 проходят в пласте 100 на заданном расстоянии a друг от друга по существу параллельно и горизонтально.
Существенным на фиг. 1 является то, что добычная труба 102 и индукторные линии 10, 20 проходят не в одинаковом направлении, а образуют, в частности, прямой угол друг с другом. Возможны также другие углы, т.е. другие ориентации индукторных линий и добычных труб. Таким образом, можно учитывать геологические краевые условия.
2
1
2
С повторяющимися блоками 100 согласованы соответствующие генераторы 60, 60'… в виде высокочастотных генераторов на земле, из которых электрическая мощность подается в индукторы через прямой и обратный провода. Для этого прямые и обратные провода необходимо вводить через покрывающую породу вертикально в пласт. Если расстояние а между прямым и обратным проводом в вертикальной зоне является возможно меньшим и а>а, то не происходит нагревания и экономится энергия.
Для этого на фиг. 1 имеются две скважины 12, 12', которые имеют расстояние друг от друга меньше 10 м. Это немного по сравнению с размерами пласта и, в частности, длиной индукторных линий 10, 20. В одной скважине проходит прямой провод, а в другой скважине - обратный провод, при этом в пласте при переходе к индукторным линиям осуществляется увеличение расстояния в несколько раз.
Вместо отдельных параллельных скважин можно для направления прямого и обратного провода использовать одну единственную скважину, за счет чего обеспечивается возможность получения еще меньшего расстояния. В единственной скважине прямой и обратный провода могут быть скручены друг с другом или же образовывать коаксиальный кабель, который разветвляется в пласте.
На фиг. 1 и 2, а также 6-8 изображена система координат с координатами х, у и z, которая облегчает горную ориентацию. Координатная система может иметь также другую ориентацию.
Специально на фиг. 2 показано, что внутри земной толщи сначала следует зона 105 с покрывающей породой, затем месторождение с пластом 100 битумов и/или особенно тяжелой нефти и под ним непроницаемая для нефти зона 106, так называемая подстилающая порода. Такая почва типична для месторождений горючего сланца, соответственно, нефтяных песков.
Как показано на фиг. 2, от генератора 60 в виде высокочастотного генератора, расположенного на земле, электрическая энергия вводится в месторождение 100. Для этого в данном случае имеется единственная вертикальная скважина 12, которая проходит в зону пласта 100 и там переходит в две горизонтальные скважины, которые отдельно не обозначены. Кроме того, предусмотрены средства для ввода через покрывающие породы растворенной в воде соли (так называемого рассола), которая имеет подходящую проводимость.
В вертикальной скважине 12 расположена пара проводов с общим электрическим прямым и обратным проводом 5, при этом концы прямого и обратного проводов соединены с генератором 60 в виде преобразователя энергии. Другие концы проходят до пласта 100.
При достижении пласта 100 пара 5 из прямого и обратного провода разветвляется. Для этого имеется так называемое Y-образное разветвление 25. Исходя из Y-образного разветвления 25, в пласт 100 проходят индукторные линии 10 и 20 горизонтально и параллельно в пласте 100 и вплоть до зоны введенной соли, в которой линии 10 и 20 не изолированы и действуют в качестве электрических индукторов. В частности, в зоне индукторных линий 10, 20 должно происходить индукционное нагревание.
С помощью такого устройства значительно уменьшается мощность потерь, поскольку магнитные поля проходящих на небольшом расстоянии друг от друга и пропускающих в противоположном направлении токи прямых и обратных проводов в зоне А почти полностью компенсируются. Пара сведенных вместе прямых и обратных проводов может быть выполнена, например, в виде коаксиальной линии 5. В частности, при коаксиальном расположении окружение такой пары проводов полностью свободно от полей. Это позволяет применять электрически проводящие и магнитные материалы для окружения пары прямых и обратных проводов, соответственно, заключать вертикальную скважину 12 в стальную трубу.
Выполнение Y-образного разветвления 25 осуществляется само по себе известным электронным образом и не нуждается в этой связи в подробном описании.
Поскольку образование электромагнитных волн в зоне вертикальной скважины 12 значительно уменьшено, то экранирование генератора 60 в точке ввода можно выполнять более компактным. Это предпочтительно сказывается на так называемой зоне воздействия, в которой не должен находиться персонал.
На фигурах собственно добычная труба обозначена позицией 102. Она выполнена в соответствии с уровнем техники так, что в ней собирается сжиженный битум, после чего он отсасывается известным образом.
В конце обоих проводов 10 и 20 образуется, как показано на фиг. 1, соответствующая приблизительно цилиндрическая зона 11/12 с солью, которая имеет особое значение для электрической проводимости и тем самым для индукционного нагревания. За счет этого достигается действие низкоомного заземления индукторов, без необходимости их соединения друг с другом через отдельную проводную петлю под землей или снаружи.
Таким образом, на фиг. 2 образуются три зоны: линии 10/20 от генератора 60 до разветвления 25 образуют первый участок А, в пласте 100 - второй участок В и в концевой зоне - третий участок С. На отдельных участках А, В и С можно предпочтительно выбирать различные расположения проводов. Например, на первом участке А применяется гибкий многопроволочный провод. В противоположность этому, на втором участке В применяются действующие в качестве индукторных линий изолированные провода (isolated single conductor), в то время как на третьем участке С имеются не изолированные концы проводов, которые образуют электроды.
i
На фиг. 3 показано, что в системе, согласно фиг. 1, в этом случае индукторные линии 10 и 20 не должны проходить параллельно. Вместо этого они имеют на отдельных участках различные расстояния a друг от друга, которые могут быть согласованы с условиями месторождения. Они могут иметь в зависимости от геологических условий участки для индуктивного воздействия и проходить там очень близко друг к другу, так что их поля компенсируются. В частности, в случае, когда в месторождении 100 имеется газовый пузырь 30 за счет ввода пара с помощью способа SAGD, который представляет так называемую «глухую» зону и/или уже исчерпанную зону, параллельная система линий 10/20 может проходить там в обход этой зоны пузыря пара и снова расширяться позади пузыря 30 пара, с целью обеспечения индукционного нагревания. На конце снова известным образом образуется проводная петля, которая замкнута, в частности, под землей, что просто осуществлять с точки зрения технологии.
i
Такая индукторная система показана на виде сверху на фиг. 4. Показаны в целом восемь секций I, II, …, VIII с различными расстояниями a между индукторными линиями 10/20. Следует отметить, что для секций I, II, …, VIII необходимо выполнять по отдельности меры компенсации линий с учетом изменяемых резонансных длин.
i
В приведенной ниже таблице указаны индуктивности на единицу длины двойной линии, т.е. прямого и обратного проводов индуктора. Как указывалось выше, она изменяется в зависимости от расстояния a между примерно 0,46 и 1,61 мкГн/м. При этом влияние различной проводимости пласта очень небольшое. Индуктор представляет в целом последовательно включенные последовательные резонансные контура.
R
Последовательный контур образован участком линии с резонансной длиной L. Поэтому в идеальном случае все последовательные контура имеют одинаковую резонансную частоту. Тем самым получают возможно меньшие напряжения вдоль индуктора. Однако изменяющиеся на участках расстояния приводят в индукторах с постоянной резонансной длиной к неполной на отдельных участках компенсации, что приводит к более высоким требованиям к прочности по напряжению диэлектрика между группами жил. При некоторых обстоятельствах это может приводить также к пробоям или даже к разрушению индуктора.
Это можно предотвращать за счет согласования на отдельных участках резонансной длины и тем самым емкости этого участка с имеющейся там индуктивностью на единицу длины.
<b>Таблица</b>
Расстояние между проводами, в м
Сопротивление пласта, в Омм
Линейная нагревательная мощность, в Вт/м
Индуктивность(аналитическая),в МкГн/м
Индуктивность(метод конечных элементов),в МкГн/м
Резонансная длина при частоте 20 кГц, в м
0,25
555
2,5
0,456
0,456
37,1
5
555
111
1,055
1,055
24,4
10
555
356
1,194
1,193
22,9
15
555
688
1,275
1,273
22,2
50
555
4059
1,516
1,490
20,5
100
555
8874
1,564
1,569*
20,0
100
2*555
6859
1,564
1,608*
19,8
67
2*555
4067
1,574
1,552
20,1
В столбце 1 таблицы указано расстояние между индукционными линиями в м, в столбце 2 - сопротивление пласта в м, в столбце 3 - вносимая электрическая мощность в Вт/м, в столбце 4 и 5 - индуктивность в мкГн/м (аналитическая и рассчитанная с помощью метода конечных элементов) и в столбце 6 - резонансная длина в м для частоты генератора 20 кГц.
R
Можно видеть, что с увеличением расстояния между индукторными линиями увеличивается линейная нагревательная мощность в качестве электрической мощности потерь. И наоборот из этого следует, что при сравнительно небольшом расстоянии между индукторными линиями имеется лишь небольшая мощность потерь, поскольку при лежащих вблизи друг друга линиях электромагнитные поля, как при вертикально проходящей паре 5 прямого и обратного проводов, максимально компенсируются, и тем самым не возникает индукционного нагревания. Этот эффект можно использовать при необходимости. Точно также изменяется при этом резонансная длина L линии, которая должна быть соответствующим образом согласована, как это подробно раскрыто в ранней заявке AZ 10 2007 008 282.6.
В таблице приведены также согласованные для соответствующего расстояния между прямым и обратным проводом резонансные длины, для получения на участках одинаковой резонансной частоты, например, 20 кГц. Относительное изменение резонансной длины обратно пропорционально квадратному корню индуктивности на единицу длины. Это означает, что резонансная длина на вертикальных участках с расстоянием между индукторами, например, 0,25 м, примерно в два раза больше, чем при номинальном расстоянии между индукторами 100 м. Соответствующие изменения возникают, например, при резонансной частоте 100 кГц. А именно, резонансные частоты между 1 и 500 кГц рассматриваются как пригодные, при этом при расчетах была выбрана, с одной стороны, частота 10 кГц и, с другой стороны, частота 100 кГц.
Как уже указывалось в начале, компенсация индукторных линий является предметом ранней патентной заявки AZ 10 2007 008 282.6 и там приведено ее подробное описание, так что ее полное содержание включается в данное описание. В частности, для этого можно применять так называемые многожильные провода, показанные на фиг. 5, для чего снова делается ссылка на раннюю патентную заявку AZ 10 2008 036 832.3.
R
В этой связи делается ссылка на фиг. 5 и 6: на фиг. 5 схематично показана конструкция компенсированного провода для индукторных линий с распределенными емкостями, а на фиг. 6 - поперечный разрез по линии VI-VI. Линии образованы из проводов 51 и 52, которые в соответствии с фиг. 6 образуют многожильные линии внутри изоляции 53. При этом резонансная длина L может быть согласована с изменяющимся в секциях расстоянием между индукторными линиями.
На фиг. 7 показано, что в системе, согласно фиг. 2, может иметься, например, особенно большая паровая камера 30 на начальном участке нагнетательной трубы. В этом случае рекомендуется смещать положение генератора 60 на поверхности или располагать его в концевой зоне пары проводов 10/20. В этом случае линии замыкаются с помощью подземной проводной петли 15, которая может быть также расположена непосредственно позади паровой камеры.
На фиг. 7 и 8 показаны соответствующие схемы на виде сверху. Из этих обеих фигур следует, что концепция данного изобретения пригодна также для дооснащения существующих установок для добычи битумов и особенно тяжелой нефти. На практике определенные области месторождений нефтяных песков уже разрабатывались с помощью известных способов SAGD, при этом в уже разрабатываемых зонах обычно образуются большие паровые пузыри. С помощью устройства с «мобильным» высокочастотным генератором 60 можно сдвигать индукторную систему от начального участка системы нагнетательной и добычной труб и смещать вперед. Точно также возможно предусмотрение положения генератора в концевой зоне трубной пары. В этом случае индукторная проводная петля замкнута предпочтительно всегда под землей.
На фиг. 9 показана система, в которой в соответствии с фиг. 1 имеется вертикальная скважина 12 примерно в середине показанного пласта 100. У находящегося там же генератора 60 в вертикальную скважину 12 введена проводная пара 5. При достижении пласта 100 имеется такое разветвление 25, при котором горизонтальные провода 110, 120 проходят в диаметрально противоположных направлениях, т.е. с увеличивающимся расстоянием между ними, и затем там заземляются через электроды 111 и 121.
Соответствующее распределение нагревательной мощности при этой геометрии также для этого случая рассчитано с помощью способа конечных элементов (FEM) и дает удовлетворительные краевые условия.
При такой прокладке индукторных линий можно также выводить не изолированные концы проводов из пласта в зоне более высокой электрической проводимости. Например, для этого пригодны содержащие воду слои снаружи пласта, например, в покрывающей породе или в подстилающей породе.
Наконец, на фиг. 10 показана модификация установки, согласно фиг. 1, с системами, согласно фиг. 9, в которой образована двумерная система 200 из отдельных индукторов. Индукторы состоят из расходящихся линий в двух лежащих рядом друг с другом рядах. При этом над месторождением 100 находятся, соответственно, два ряда генераторов 60, 60', 60”, …, от которых проходят соответствующие пары 5, 5', 5”, … проводов через покрывающие породы вертикально к месторождению 100 и разветвляются с помощью соответствующих рядов разветвлений 25, 25', 25”, … в противоположных направлениях.
За счет противоположного включения таких систем можно минимизировать мощность потерь и тем самым оптимизировать выделяемую нагревательную мощность.
ij
ij
ij
Специфичным для показанной на фиг. 10 двумерной решетки является то, что она состоит из нескольких антенн, которые на фиг. 10 конкретно образованы из отдельных индукторных пар 110/120, которыми можно управлять по отдельности по амплитуде и фазе тока. Для этого для каждой индукторной пары предусмотрен собственный генератор из группы показанных на фиг. 10 распределенных в виде решетки генераторов 60.
В целом следует отметить, что прямые и обратные провода индукторных линий в покрывающей породе проходят на глубину месторождения по существу вертикально и по сравнению с длиной линий имеют меньшее расстояние а максимально 10 м, однако, в частности, меньше 5 м. Предпочтительно, индукторные линии проходят в месторождении горизонтально и имеют на отдельных участках различные расстояния между ними, за счет чего обеспечивается возможность изменения распределения мощности. Если проходящие в покрывающей породе электрические прямые и обратные провода объединяются в пару проводов, то пара проводов проходит через единственную скважину в пласт и разветвляется лишь в пласте. В этом случае в покрывающей породе не возникают потери мощности.