УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ФОКУСИРОВАННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА НА МЕСТЕ ЗАЛЕГАНИЯ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ ПЛАСТОВ
DEVICE AND METHOD FOR FOCUSED ELECTRIC HEATING AT OIL-GAS BEARING BEDS OCCURRENCE PLACE

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[1] Данная заявка испрашивает приоритет по временной патентной заявке U.S. Provisional Application Ser. No. 62/178,148, зарегистрирована 3 апреля 2015 г., включена в виде ссылки в данном документе для всех целей.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение
[2] Настоящее изобретение относится, в общем, к способам и системам для получения углеводородов из подземных пластов.
2. Описание уровня техники
[3] Углеводороды разведывают и извлекают из подземных пластов в течение нескольких десятилетий. Со временем, добыча углеводородного сырья из нефтяных и газовых скважин уменьшается, и в некоторый момент требуется капитальный ремонт для увеличения добычи углеводородного сырья. С годами разработаны различные процедуры для интенсификации притока нефти из подземных пластов, как в новых, так и в существующих скважинах.
[4] Хорошо известно, что на каждый баррель углеводородного сырья, извлеченного из подземного коллектора с начала нефтеразведки, приходятся по меньшей мере два барреля нефти, остающейся в нем. Указанное происходит, поскольку нефть в поровых пространствах в пласте прилипает к поверхности и увеличивает вязкость. Предпринимали ряд попыток извлечения данной нефти. Один подход заключается в бурении вспомогательных или нагнетательная скважин вокруг эксплуатационной скважины. Пар высокого давления, детергенты, двуокись углерода и другие газы подают насосами в данные вспомогательные скважины для вытеснения нефти. Результаты оказались минимально эффективными при высоких затратах. Пар показал некоторые перспективы. Пар может генерировать давление и нагрев. Нагрев уменьшает вязкость, и давление вытесняет нефть к эксплуатационной скважине. Вместе с тем, вода кипит при более высоких температурах под более высоким давлением. Пар, генерируемый на поверхности и закачиваемый вниз на глубину в тысячи футов (1 фут=0,3 м), не способен вымывать углеводороды.
[5] В последнее время добычу углеводородов стали улучшать с помощью методики, известной как гидроразрыв пласта. Горизонтальные стволы скважин малого диаметра бурят в сланцевых пластах. Огромное давление, прикладываемое к текучей среде в данных скважинах, разрывает сланец для высвобождения захваченных углеводородов. Для получения данного давления требуется много энергии и других ресурсов.
[6] В различных зонах по всему миру имеются большие запасы вязких углеводородов, известных как битуминозные пески, оцениваемые, как альтернатива извлекаемым без тепловой обработки запасам. В настоящее время данные залежи разрабатывают и извлекают на поверхность где их плавят и дистиллируют для получения полезных продуктов. Разработка данных залежей наносит вред окружающей среде, и горную разработку нельзя применять для добычи глубоко залегающих углеводородов.
[7] Во время второй мировой войны в Германии, испытывающей дефицит углеводородов, открыли методику, называемую технологией Фишера-Тропша, для получения углеводородов из угля. Технология требует большого количества теплоты. Горная разработка данных угольных залежей наносит вред окружающей среде и ее нельзя применять для добычи глубоких залежей угля.
[8] В океанах, вблизи полюсов, учеными открыты большие запасы гидратов. Гидраты являются замерзшими газообразными углеводородами. Для извлечения гидратов требуется большое количество теплоты.
[9] Требуется создание способов и систем для обеспечения нагрева для получения углеводородов из подземных пластов, которые не причиняют вреда окружающей среде и являются экономически эффективными.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[10] Вариант осуществления настоящего изобретения дает возможность генерирования давления в горизонтальных стволах скважин, одинакового с требуемым во время гидроразрыва, но за долю стоимости последнего. В варианте осуществления изобретения можно экономически эффективно подавать значительное количество теплоты, требуемой для извлечения вязких углеводородов и углеводородов из залежей гидратов и угля, без вреда для окружающей среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[11] Для детального понимания элементов, преимуществ и аспектов вариантов осуществления настоящего изобретения, кратко описанных выше в разделе «сущность изобретения», ниже приведено подробное описание изобретения со ссылками на его предпочтительные варианты осуществления, показанные на прилагаемых чертежах, которые являются частью описания.
[12] Вместе с тем, следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только обычные варианты осуществления данного изобретения и не ограничивают его объем, изобретение допускает другие равно эффективные варианты осуществления.
[13] На фиг. 1 показан вид сбоку с частью в виде сечения инструмента предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, спущенного в обсаженную скважину.
[14] На фиг. 1A показано сечение по линии 1A-1A, фиг. 1.
[15] На фиг. 2 показано с увеличением сечение участка узла металлического рычага и электродов.
[16] На фиг. 2A показано сечение по линии 2A-2A, фиг. 2.
[17] На фиг. 3 показана функциональная схема четырехполюсного вращающегося переключателя для соединения каротажного кабеля с электродами на индивидуальных металлических рычагах.
[18] На фиг. 4 показаны эквипотенциальные поверхности, проходящие снаружи от трубы.
[19] На фиг. 5 показана электрическая схема электронного оборудования системы согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
[20] На фиг. 6 показаны инструменты согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, применяемые в нагнетательных скважинах, окружающих эксплуатационную скважину.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[21] На эквипотенциальной поверхности, погруженной в проводящую среду, если электрический ток инжектируют нормально на одной стороне эквипотенциальной поверхности, ток должен проходить нормально до поверхности с сечением, одинаковым с инжектированным током. Ток должен поддерживать одинаковое сечение на некотором расстоянии. Данное расстояние должно зависеть от протяженности эквипотенциальной поверхности, удельной электропроводности среды, частоты тока и единообразия проводящей среды. Данный ток должен увеличивать температуру среды на данном расстоянии вследствие прохождения тока в сечении. Можно получить любую требуемую температуру посредством регулирования абсолютной величины и продолжительности электрического тока в сечении.
[22] Настоящее раскрытие описывает способ создания указанной эквипотенциальной поверхности и теплового пучка в проводящей среде. Рассмотрим проводящую металл трубу, P, зарытую в проводящей среде G, такой как геологическая среда, как показано на фиг. 1. Каротажный инструмент 10 с металлическими рычагами 12, предпочтительно гибкими металлическими рычагами, спущен в трубе P. Каждый металлический рычаг 12 имеет изолирующие ролики 14 которые создают контакт со стенкой трубы P, когда рычаги 12 выдвинуты. Инструмент 10 с полностью выдвинутыми рычагами в металлической трубе P показан на фиг. 1. Рычаги 12 предпочтительно выдвигаются в виде рычагов зонта и создают контакт со стенкой трубы P через непроводящие ролики 14. Предпочтительно, имеется достаточно рычагов 12, перекрывающих трубу по периметру. В варианте трубы P меньшего диаметра, рычаги 12 перекрываются.
[23] Каждый рычаг 12 соединен с каждым другим рычагом 12 электрическим кабелем 48, при этом все они имеют одинаковый потенциал. Каротажный кабель 16 имеет четыре провода. Четыре провода каротажного кабеля 16 соединены с четырехполюсным вращающимся переключателем 18, показанным на фиг. 3. Функцией вращающегося переключателя 18 является соединение четырех электродов каждого рычага 12 через каротажный кабель 16 с контрольно-измерительными приборами на поверхности, как показано на фиг. 5, каждый раз одного рычага 12.
[24] Четыре полюса вращающегося переключателя 18 механически соединены так, что все рычаги перемещаются вместе, когда поворачиваются. Каждый из четырех проводов каротажного кабеля 16 соединяется с одним из центральных рычагов 18A-18D, как показано на фиг. 3. Вращающийся переключатель 18 имеет столько положений, сколько имеется металлических рычагов 12. Положения с центральным рычагом 18A соединены проводом со всеми рычажными инжекционными электродами. Аналогично, положения с центральными рычагами 18B, 18C и 18D соединены проводом со всеми фокусирующими и контрольными электродами всех рычагов. При любом положении вращающегося переключателя 18 все электроды в одном металлическом рычаге 12 соединены с контрольно-измерительными приборами на поверхности. Возвратные электроды 22, 24 инжекционного и фокусирующего тока на поверхности зарыты в землю, как показано на фиг. 1.
[25] Токи инжектируют в металлические рычаги 12 через центральный инжекционный электрод A и окружающий коаксиальный фокусирующий электрод B как показано на фиг. 2 и 2A. Контрольные коаксиальные электроды C и D лежат между электродами A и B, как показано на фиг. 2 и 2A. Непроводящий материал 46 обернут вокруг электродов A, C, D и B. Металлический рычаг 12 изолирован от фокусирующего электрода B но электрически соединен с контрольным электродом D. Площади сечения инжекционного электрода A и фокусирующего электрода B выполнены одинаковыми. Падение напряжения вдоль путь тока в однородной среде должно быть одинаковым. Мониторинг напряжения между контрольными электродами C и D осуществляют на поверхность и его могут регулировать, варьируя напряжение фокусирующего источника. Напряжение фокусирующего источника регулируют до получения нулевой разности напряжений и фаз между контрольными электродами C и D. Когда указанное происходит, создается эквипотенциальная поверхность 26 по всей длине инструмента 10 и за его пределами. Данный эквипотенциал существует для большого расстояния от центра трубы P. Схема эквипотенциальной поверхности 26 показана на фиг. 4.
[26] В зависимости от длины трубы P, частоты сигнала, удельной электропроводности и однородности среды, эквипотенциальные поверхности 26 существуют параллельно поверхности трубы P на большом протяжении. Токи, выходящие из электродов A и B, должны проходить нормально к эквипотенциальной поверхности 26, устанавливая одинаковое сечение. Если напряжение электродов A и B поднимается до некоторого уровня, при котором ток в зоне фокусирования значительно увеличивается, в такой зоне создается тепловой пучок, как показано на фиг. 6. Поскольку ток является постоянным на данном отрезке длины, температура должна быть постоянной. Можно получить и поддерживать любую требуемую температуру посредством регулирования напряжения задающего генератора.
[27] Базовое электронное оборудование показано на фиг. 5. Низкочастотный задающий генератор 28 подает питание на трансформатор 30 с двумя одинаковыми вторичными обмотками. Одна из обмоток приводит в действие усилитель мощности 32 и выходная мощность подается на инжекционный электрод A. С другой вторичной обмотки подается питание на усилитель 34 фазового сдвига и регулируемый по амплитуде усилитель 36. Выходная мощность подается на усилитель 38 мощности, выходная мощность которого приводит в действие фокусирующий электрод B через выходной трансформатор 40. Контрольные электроды C и D соединены с фазовым детектором 42 и дифференциальным амплитудным детектором 44. Сигналы с данных детекторов 42, 44 передаются на усилитель 34 фазового сдвига и регулируемый по амплитуде усилитель 36 как показано на фиг. 5. Данная система управления с обратной связью должна регулировать фазу и амплитуду на передающем сигнал электроде B так, что разность напряжения и фаз между контрольными электродами C и D должна быть равна нулю. Когда указанное достигается, должна создаваться эквипотенциальная поверхность 26 на поверхности трубы P, как показано на фиг. 4.
[28] Осуществляется мониторинг токов, проходящих в инжекционном и фокусирующем электродах A и B, соответственно. По ним можно определить удельное сопротивление пласта на пути сфокусированного пучка. Рычаги 12 инструмента 10 являются аналогичными наклономеру. Посредством перемещения инструмента 10 вверх и вниз и переключения электропитания между всеми рычагами можно проводить каротаж токов со всех рычагов 12 по глубине. С помощью избирательного переключения рычагов 12 можно определить удельное сопротивление, связанное с каждым из рычагов 12, на каждой глубине. Можно получить наклон во всех направлениях и, таким образом, определять направление каждого рычага 12, нацеленного на пласт. Зная пористость пласта, можно определить насыщение углеводородами. Таким образом, обеспечивая оператору на поверхности выявление рычага 12, который следует запитать высоким током для вымывания углеводородов. Когда углеводороды вымываются, удельное сопротивление пласта увеличивается и можно выявлять количество остаточных углеводородов, остающихся в пласте.
[29] На фиг. 6 показаны инструменты 10 согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, применяемые в нагнетательных скважинах 50, окружающих эксплуатационную скважину 52. С инструментом 10 в одной или нескольких вспомогательных или нагнетательных скважинах 50, спущенных в несущую остаточную нефть зону R, и возвратными электродами 22, 24, зарытыми в землю, тепловой пучок 54 может генерировать температуры, значительно выше 300° C для нагрева всего вокруг и вытеснения нефти в эксплуатационную скважину 52. В каждой нагнетательной скважине 50 тепловой пучок 54 можно сканировать по вертикали посредством перемещения инструмента 10 вверх и вниз в обсадной колонне P. Пучок 54 можно сканировать радиально посредством переключения электропитания между рычагами 12. Таким образом, всю нефтегазоносную зону R можно подвергать воздействию теплового пучка 54. По контрольным токам можно определить степень и процент истощения. Таким образом, коллектор можно полностью дренировать.
[30] Отрезок длины сфокусированного тока теплового пучка 54 существует, когда существуют эквипотенциальные поверхности 26. После этого имеет место растекание 56 тока и больше нет какого-либо сопротивления току до достижения им возвратного электрода. На фиг. 6 показана линия тока в зоне, где он остается сфокусированным, позиция 54 и затем линия тока, где имеет место его растекание 56, когда ток становится расфокусированным.
[31] В различных зонах по всему миру имеются большие запасы вязких углеводородов, известных как битуминозные пески, оцениваемые, как альтернатива извлекаемым без тепловой обработки запасам. В настоящее время данные залежи разрабатывают и извлекают на поверхность, где их плавят и дистиллируют для получения полезных продуктов. Указанное, во первых, наносит вред окружающей среде и, во вторых, неприменимо для добычи глубоко залегающих углеводородов.
[32] Применяя эксплуатационную скважину 52, окруженную несколькими нагнетательными скважинами 50, и применяя горизонтальное бурение, можно бурить скважины между данными скважинами и эксплуатационными скважинами. В данные скважины подается насосом смесь токопроводящей текучей среды и керосина. Установив данное устройство 10 в каждую из данных скважин на глубине, где пробурены горизонтальные стволы, можно нагревать смесь текучей среды и керосина до очень высокой температуры для плавления битуминозных песков, уменьшения их вязкости и обеспечения притока из них в эксплуатационную скважину 52. Данный процесс не загрязняет окружающую среду, и его можно применять для извлечения нефти из битуминозных песков на любой глубине.
[33] Система 10 настоящего изобретения может генерировать давление в горизонтальных стволах одинаковое с требуемым во время гидроразрыва, но за долю стоимости последнего.
[34] В океанах, вблизи полюсов учеными открыты большие запасы гидратов. Гидраты являются замерзшими газообразными углеводородами. Извлечение гидратов требует большого расхода тепловой энергии. Указанное устройство 10 идеально подходит для данной цели.
[35] Во время второй мировой войны в Германии, испытывающей дефицит углеводородов, открыли методику, называемую технологией Фишера-Тропша, для получения углеводородов из угля. Технология требует большого количества теплоты. Применяя данный инструмент, можно генерировать углеводороды из угля на глубинах, слишком больших для сегодняшних горных разработок и также, не загрязняя окружающую среду.
[36] С учетом изложенного выше становится очевидным, что варианты осуществления настоящего изобретения дают возможность достижения некоторых или всех аспектов и признаков, изложенных выше, вместе с другими аспектами и признаками, присущими устройству, раскрытому в данном документе.
[37] Хотя несколько конкретных геометрических построений раскрыты подробно в данном документе, многие другие геометрические вариации, реализующие базовые принципы и идеи данного изобретения, являются возможными. Приведенное выше раскрытие и описание изобретения являются только его иллюстрацией и объяснением, и различные изменения в размере, форме и материалах, а также в деталях показанной конструкции, можно выполнять без отхода от сущности изобретения. Представленные варианты осуществления, поэтому, следует считать чисто иллюстративными и не ограничивающими объем изобретения, определяемый его формулой, а не приведенным выше описанием, и все изменения, которые соответствуют по значению и диапазону его эквивалентам по пунктам формулы, относятся к его объему.