КОНДЕНСАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВОДЯЩЕГО ШЛЕЙФА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ДОБЫЧИ "НА МЕСТЕ" ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ И БИТУМОВ ИЗ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТЕНОСНОГО ПЕСКА
CONDENSING DEVICE FOR CONDUCTIVE LOOP OF DEVICE FOR "ON SCENE" EXTRACTION OF HEAVY OIL AND BITUMENS FROM OIL-SAND DEPOSITS

Настоящее изобретение касается конденсаторного устройства для проводящего шлейфа устройства для добычи «на месте» тяжелой нефти и битумов из месторождений нефтеносного песка, проводящего шлейфа, включающего в себя множество проводящих элементов, и конденсаторного устройства и способа изготовления проводящего шлейфа.
Известно, что для добычи нефти используются также нефтяные месторождения, в которых нефть должна отделяться от песка в разделительном процессе. В месторождениях, в которых нефтяной песок, однако, не доступен в открытой разработке, обычно осуществляется добыча нефти путем нагревания нефтяного песка. При этом вязкость связанной нефти уменьшается таким образом, что она может откачиваться традиционным способом. При известных способах для нагревания нефтяного песка применяются нагретый пар, нагретый воздух или аналогичные горячие газы. Это влечет за собой тот недостаток, что возможность транспортировки газов в желаемое место в грунте, а именно к месту залежи нефтяного песка, должна создаваться очень трудоемким образом. Кроме того, вследствие иногда очень глубоких и широко растянутых месторождений следует учитывать высокие издержки, связанные с возникающей потерей давления при вводе газов/паров.
Известно также, что для создания индуцированного вихревого тока в окружающем грунте для нагрева грунта применяется индукционный кабель. Такой индукционный кабель предпочтительно питается переменным током в пределах частот от 10 кГц до 200 кГц и прокладывается в виде проводящего шлейфа в грунте бассейна.
Чтобы достичь желаемых индуцированных вихревых токов в грунте, к проводящему шлейфу прикладывается соответствующий переменный ток. Однако вследствие большой длины такого проводящего шлейфа, которая может составлять до нескольких километров, существует проблема, что вследствие напряжений, индуцируемых в окружающем грунте, создаются относительно высокие падения напряжения. Эти высокие падения напряжения приводят к огромным расходам и издержкам при подготовке к эксплуатации такого рода проводящего шлейфа.
Из WO 2009/027305 A2 принципиально известно решение такой проблемы. Так, там описано, что отдельные филаменты образуют проводник с распределенной емкостью. Другими словами, множество конденсаторов по существу постоянно распределяются по ходу проводящего шлейфа, так что с помощью этих конденсаторов может достигаться компенсация индуктивного падения напряжения.
Недостатков описанного выше решения является, что эта система распределенных конденсаторов представляет собой ограничение в отношении механических свойств самого проводящего шлейфа. Проводящий шлейф должен вводиться в грунт, например, через скважину. Кроме того, проводящий шлейф не обязательно проходит по прямому участку, а может также иметь изгибы и повороты. Соответственно при вводе и при эксплуатации такого проводящего шлейфа должно учитываться, чтобы проводящие элементы или, соответственно, все конструктивные элементы проводящего шлейфа выдерживали соответствующую растягивающую нагрузку или, соответственно, изгибающую нагрузку. Это приводит к тому, что известные проводящие шлейфы, снабженные распределенными емкостями, могут использоваться не во всех областях применения. Кроме того, ограничиваются возможности применения самых разных материалов для диэлектрических материалов отдельных конденсаторов, так как они тоже должны выдерживать соответствующие изгибающие напряжения и растягивающие напряжения. Это приводит, кроме того, к увеличенным толщинам кабеля или, соответственно, к худшим компенсирующим мощностям.
Задачей настоящего изобретения является по меньшей мере частично устранить описанные выше недостатки у устройств для добычи тяжелой нефти и битумов из месторождений нефтеносного песка. В частности, задачей настоящего изобретения является предоставить конденсаторное устройство для проводящего шлейфа устройства для добычи «на месте» тяжелой нефти и битумов из месторождений нефтеносного песка, соответствующий проводящий шлейф, а также способ изготовления проводящего шлейфа, которые способны оптимальным по стоимости и простым образом обеспечить желаемую устойчивость к растягивающему и изгибающему напряжению, а также высокие диэлектрические или пробивные прочности конденсатора.
Вышеназванная задача решается с помощью конденсаторного устройства с признаками п. 1 формулы изобретения, проводящего шлейфа с признаками п. 9 формулы изобретения, а также способа с признаками п. 13 формулы изобретения. Другие признаки и детали изобретения содержатся в зависимых пунктах формулы изобретения, описании и чертежах. При этом признаки и детали, которые описаны в связи с предлагаемым изобретением конденсаторным устройством, разумеется, имеют значение также в связи с предлагаемым изобретением способом, а также предлагаемым изобретением проводящим шлейфом, и соответственно наоборот, так что при раскрытии отдельных аспектов изобретения всегда делается или может делаться двухсторонняя ссылка.
Предлагаемое изобретением конденсаторное устройство предназначено для проводящего шлейфа устройства для добычи «на месте» тяжелой нефти и битумов из месторождений нефтеносного песка. Оно отличается тем, что предусмотрены корпус и расположенный в нем конденсаторный блок для компенсации индуктивного падения напряжения по проводящему шлейфу. Кроме того, имеются два соединительных разъема, причем каждый соединительный разъем выполнен для механического и электрически проводящего соединения между конденсаторным блоком и проводящим элементом проводящего шлейфа. При этом предлагаемое изобретением конденсаторное устройство может в каждом случае вставляться между двумя проводящими элементами. Это означает, что каждое конденсаторное устройство одним соединительным разъемом механически и электрически соединено точно с одним соседним проводящим элементом, то есть всего с двумя соседними проводящими элементами посредством двух соединительных разъемов. При наличии нескольких конденсаторных устройств между двумя соседними проводящими элементами предпочтительно всегда расположено только одно единственное конденсаторное устройство. Можно также говорить о том, что соединительные разъемы предпочтительно выполнены отдельно для каждого единственного проводящего элемента, так что многократное подключение к разъемам или, соответственно, проводящему элементу невозможно. Исполнение соединительных разъемов для механического и электрического соединения может быть выполнено таким образом, чтобы оба эти вида соединений обеспечивались посредством одних и тех же средств и/или в одном и том же месте соединительного разъема. Кроме того, возможно также, чтобы осуществлялось механическое соединение, в частности, с силовым замыканием, в отдельном от электрического соединения месте, в частности, гибким и электрически изолирующим образом. Для электрического контактирования могут, например, применяться многопроволочные гибкие провода, спиральные пружины, ленты и/или флажки.
С помощью предлагаемого изобретением конденсаторного устройства желаемая емкость для компенсации индуктивного падения напряжения концентрируется в конденсаторном устройстве, благодаря чему проводящие элементы могут представлять собой простые проводники. Эти проводящие элементы могут быть, например, выполнены в виде металлических труб, в частности алюминиевых или медных труб. Благодаря концентрации емкостей в конденсаторном устройстве проводящими элементами или, соответственно, конденсаторным устройством могут обеспечиваться различные условия механических нагрузок. Так, конденсаторное устройство может быть выполнено относительно механически жестким, так как относительно всей длины проводящего шлейфа оно имеет лишь небольшой осевой размер. В частности, оно имеет длину в пределах от 0,5 и 1 м или, соответственно, приблизительно 60 см. При этом при вводе в скважину такое конденсаторное устройство может также прокладываться с различными радиусами, без необходимости изгиба самого конденсаторного устройства. Также при этом конденсаторном устройстве необязательно необходима более высокая растягивающая нагрузка, так как она тоже может восприниматься проводящими элементами.
По сравнению с известными устройствами, которые показаны, например, в WO 2009/027305, достигается отделение механического и электрически проводящего разъема от действия конденсатора, в частности от диэлектрика. Передача монтажных усилий или напряжений при вводе проводящего шлейфа в скважину выполняется, таким образом, этими соединительными разъемами, а уже не непосредственно конденсаторным блоком, в частности не диэлектриком или пластинами конденсатора. Предлагаемое изобретением конденсаторное устройство образует, таким образом, так сказать, конденсаторный модуль, который через соединительные разъемы изолирует механическое соединение с проводящими элементами от функции конденсатора и соответствующих конструктивных элементов конденсаторного блока.
Сами проводящие элементы значительно длиннее и имеют длину, например, от 10 до 20 м. Это приводит к тому, что проводящие элементы обеспечивают желаемую свободу изгиба, чтобы следовать прямолинейной или же криволинейной форме внутри бассейна месторождения нефтяного песка. Другими словами, с помощью предлагаемого изобретением конденсаторного устройства обеспечивается концентрированная емкость, так что в отношении механических требований к проводящему шлейфу можно говорить о дифференциации между возможностью изгиба проводящих элементов, с одной стороны, и высокой механической жесткостью конденсаторного устройства, с другой стороны.
Конденсаторный блок предлагаемого изобретением конденсаторного устройства, разумеется, может быть выполнен самым различным образом. Предпочтительно для обеспечения желаемой емкости в конденсаторном блоке могут применяться пластины конденсатора или пластинчатые элементы. Также, разумеется, возможны более сложные варианты осуществления, такие как, например, снабженные покрытием гибкие пленки, которые покрыты стекловидными диэлектрическими пленками и обеспечивают возможность еще более широких или, соответственно, более гибких конструктивных форм такого конденсаторного устройства. Конденсаторное устройство предпочтительно имеет общую длину от половины до приблизительно 1 м, в частности приблизительно 0,6 м. Оно имеет толщину, равную приблизительно от 50 до 250 мм, в частности от приблизительно 100 до приблизительно 180 мм. При этом оно предпочтительно соответствует диаметрам примыкающих и соседних проводящих элементов, так что оно по существу может вставляться в проводящий шлейф, не образуя переходов. Что касается общей длины, отдельные конденсаторные устройства распространяются предпочтительно менее чем по 50% общей длины проводящего шлейфа. Предпочтительно это значение еще меньше, например от приблизительно 5 до приблизительно 20% длины проводящего шлейфа. Таким образом, предоставляются, так сказать, дискретные конденсаторы или, соответственно, дискретные емкости, которые могут монтироваться в таком проводящем шлейфе по существу гибко в отношении их мест.
Соединительные разъемы у предлагаемого изобретением конденсаторного устройства предпочтительно расположены на обеих торцевых сторонах в осевой протяженности конденсаторного устройства. Это приводит к тому, что конденсаторное устройство может особенно просто интегрироваться по ходу проводящего шлейфа, так как оно по существу следует геометрии проводящего шлейфа или, соответственно, соседних проводящих элементов.
Предлагаемое изобретением конденсаторное устройство может при этом изготавливаться или, соответственно, соединяться с проводящими элементами как на месте при применении в скважине, то есть перед вводом в скважину, так и в положении его монтажа. Это повышает гибкость применения конденсаторных устройств, так как, в частности, на стройплощадке на месте перед вводом в скважину может приниматься решение, где или, соответственно, сколько конденсаторных устройств необходимы в определенных положениях проводящего шлейфа.
Другое преимущество может достигаться за счет того, что у предлагаемого изобретением конденсаторного устройства конденсаторный блок имеет по меньшей мере две пластины конденсатора с расположенным между ними диэлектрическим слоем. При этом пластины конденсатора находятся каждая в электрически проводящем контакте с одним соединительным разъемом. Другими словами, при этом создается контакт с каждым соседним проводящим элементом. Это приводит к тому, что, например, первый проводящий элемент посредством первого соединительного разъема непосредственно или опосредствованно находится в электрически проводящем контакте с первой пластиной конденсатора или, соответственно, с первым количеством пластин конденсатора. То же самое относится также ко второму, например правому проводящему элементу, который непосредственно или опосредствованно находится в электрически проводящем контакте со второй пластиной конденсатора или, соответственно, со вторым количеством пластин конденсатора. Отдельные пластины конденсатора расположены друг напротив друга и изолированно, так что между ними выполняется диэлектрический слой. При этом обеспечивается желаемая емкость для компенсации индуцированных падений напряжения. Предпочтительно предусмотрено множество пластин конденсатора. В целом речь идет предпочтительно о количестве, составляющем от 100 до 1000 отдельных пластин конденсатора. Они могут быть, например, выполнены из алюминия или меди. Толщина отдельных пластин должна быть относительно мала и составляет, в частности, порядка приблизительно 30 мкм. Предпочтительно расстояния между пластинами конденсатора по существу постоянны, так что по существу можно говорить о параллельном расположении. При этом в относительно малом конструктивном пространстве может обеспечиваться большая емкость, так что даже при компактном исполнении конденсаторного устройства могут достигаться желаемые преимущества изобретения.
Кроме того, предпочтительно, если у предлагаемого изобретением конденсаторного устройства конденсаторный блок имеет два держателя пластин, на каждом из которых электрически проводящим образом установлена по меньшей мере одна пластина конденсатора. Таким образом, этот держатель пластин служит, так сказать, для механической опоры пластин конденсатора. Он поддерживает эти пластины конденсатора, которые, в частности, установлены на держателе пластин параллельно друг другу. Это приводит к тому, что при наличии двух держателей пластин, имеющих каждый по существу параллельно установленные пластины конденсатора, соответствующие пакеты пластин конденсатора этих двух держателей пластин, например, подобно гребню, сцепляются друг с другом. При этом у большинства пластин конденсатора на их обеих сторонах посредством диэлектрического слоя обеспечивается емкость относительно противоположной пластины конденсатора. Другими словами, при этом варианте осуществления держатель пластин может также называться опосредствованным электрически проводящим контактом между данной пластиной конденсатора и данным соединительным разъемом.
Также предпочтительно, если у предлагаемого изобретением конденсаторного устройства по меньшей мере один держатель пластин по меньшей мере на отдельных участках выполнен в виде полутрубы. Так как известные проводящие шлейфы часто представляют собой проводящие элементы, которые имеют круглое или по существу круглое поперечное сечение, по существу выполненный на отдельных участках в виде полутрубы держатель пластин следует этой по существу круглой форме поперечного сечения. При этом под исполнением держателя пластин в виде полутрубы следует, в частности, понимать геометрическую протяженность, которая следует криволинейной поверхности. Так, путем изгиба по меньшей мере на отдельных участках плоской пластины может получаться такого рода держатель пластин в виде полутрубы. При этом может достигаться лучшая интеграция конденсаторного устройства в известный проводящий шлейф. Кроме того, место внутри конденсаторного устройства, то есть внутри корпуса, используется особенно предпочтительным образом. Так, держатели пластин в виде полутрубы могут, например, распространяться по цилиндрической боковой поверхности или, соответственно, участку цилиндрической боковой поверхности. Предпочтительно можно, таким образом, говорить о цилиндрической полутрубе, которая имеет протяженность вокруг оси цилиндра, в частности, приблизительно 140°. Пластины конденсатора при таком варианте осуществления имеют по меньшей мере одну закругленную или, соответственно, частично закругленную кромку, которая вставлена в эту цилиндрическую полутрубу или, соответственно, находится с ней в электрически проводящем контакте.
Кроме того, может быть предпочтительно, если у предлагаемого изобретением конденсаторного устройства пластины конденсатора по меньшей мере частично имеют покрытие в виде диэлектрического слоя. Таким образом может полностью или по меньшей мере частично обеспечиваться необходимый диэлектрический слой для образования желаемых емкостей. Если покрытие наносится на пластины конденсатора до монтажа, то, например, при спрессовывании этих пластин в один узел данный диэлектрический слой может также использоваться в качестве адгезивного материала между отдельными пластинами конденсатора. Покрытие предпочтительно представляет собой керамический материал, который обеспечивает желаемые электротехнические требования даже при высоких температурах. Керамический материал применим вообще только у предлагаемого изобретением конденсаторного устройства, так как при распределенной емкости по уровню техники керамический материал вследствие возникающих растягивающих и изгибающих нагрузок повреждался бы при вводе проводящего шлейфа в грунт. Только благодаря концентрации емкостей в соответствии с настоящим изобретением механические нагрузки фокусируются на проводящих элементах, так что конденсаторное устройство может выполняться механически более жестким и вместе с тем более защищенным. При этом в качестве диэлектрического слоя могут также применяться более чувствительные материалы, такие как, например, керамические материалы. Разумеется, в качестве диэлектрического слоя могут применяться также другие материалы, такие как, например, стекло или стекловидные материалы или, соответственно, стеклянные пленки. В рамках настоящего изобретения возможно также применение слюды в качестве диэлектрического слоя.
Также предпочтительно, если у предлагаемого изобретением конденсаторного устройства диэлектрический слой по меньшей мере частично выполнен в виде текучей среды. Для этого расстояния между отдельными пластинами конденсатора предпочтительно должны быть постоянными или по существу постоянными. Это может осуществляться, например, посредством крепления, в частности в виде обоймы. Это приводит к тому, что исполнение отдельных пластин конденсатора в виде обоймы хотя и обладает механической устойчивостью, однако диэлектрический слой в виде текучей среды не передает на данную пластину конденсатора никакого механического напряжения или, соответственно, только небольшое механическое напряжение. В качестве текучей среды может, например, применяться жидкость или газ, в частности защитный газ. При этом предлагаемое изобретением конденсаторное устройство может быть выполнено еще более нечувствительным в отношении механических нагрузок снаружи.
Кроме того, может быть предпочтительно, если у предлагаемого изобретением конденсаторного устройства конденсаторный блок и/или корпус наполнены жидкотекучим отверждаемым материалом. Это может быть, например, смоляной материал, в частности синтетическая смола. В качестве примера здесь можно было бы назвать эпоксидную смолу. Этот жидкотекучий отверждаемый материал представляет собой предпочтительно электрическую изоляцию конденсаторного блока в корпусе. Кроме того, этот наполнитель может также частично или полностью представлять собой диэлектрический слой. Наполнители, кроме того, предпочтительно адаптированы к тепловым расширениям в пределах температур до 300°C. В частности, эта адаптация приводит к тому, что тепловое расширение материала сокращается до минимума для снижения механических напряжений внутри конденсаторного устройства. Разумеется, возможна также керамическая или частично керамическая заливка, которая тоже одновременно образует диэлектрический слой конденсаторного блока. Заливка может также содержать высокотемпературный клей.
Другое преимущество достигается тогда, когда у предлагаемого изобретением конденсаторного устройства соединительные разъемы выполнены по меньшей мере для одного из следующих видов механических соединений:
- винтовое соединение,
- сварное соединение,
- заклепочное соединение,
- посадка, в частности прессовая посадка.
В приведенном выше перечне речь идет о возможностях, которые не окончательным образом представляют собой механическую компоненту соединения данного соединительного разъема. В частности, они особенно легко могут изготавливаться на месте, например, когда речь идет о посадке или, соответственно, о винтовом соединении. Причем это исполнение механического соединения может сопровождаться изоляцией, так что, например, каждый соединительный разъем может содержать изолирующий материал, например, в форме круглого кольца.
Другим предметом настоящего изобретения является проводящий шлейф, снабженный множеством проводящих элементов для устройства для добычи «на месте» тяжелой нефти и битумов из месторождений нефтеносного песка. Такой предлагаемый изобретением проводящий шлейф отличается тем, что между несколькими из каждых двух соседних проводящих элементов конденсаторное устройство в соответствии с настоящим изобретением посредством своих соединительных разъемов соединено электрически проводящим и механическим соединением с соседними проводящими элементами. Другими словами, здесь речь идет о проводящем шлейфе, у которого применено множество проводящих элементов и множество предлагаемых изобретением конденсаторных устройств. Между каждыми двумя соседними проводящими элементами предпочтительно расположено всегда только одно единственное конденсаторное устройство. Распределение конденсаторных устройств может при этом осуществляться как симметрично, так и асимметрично. Это означает, что распределение конденсаторного устройства может выполняться равномерно по всему проводящему шлейфу. Также можно предусмотреть отдельные области проводящего шлейфа с более высокой плотностью конденсаторного устройства, например, через каждые 15 м. Другие области наделены более низкой плотностью конденсаторного устройства, например, только через каждые 40 м. Здесь возможно гибкое реагирование на соответствующие ситуации в грунте, так что можно избегать ненужно высоких количеств конденсаторных устройств и тем самым снижать расходы. Благодаря применению предлагаемого изобретением конденсаторного устройства предлагаемый изобретением проводящий шлейф несет с собой такие же преимущества, которые подробно пояснены со ссылкой на предлагаемое изобретением конденсаторное устройство. Проводящие элементы, например, выполнены из алюминия или меди и, в частности, не являются ферромагнитными, для снижения или во избежание потерь Гистерезиса. Проводящие элементы проводящего шлейфа могут предпочтительно иметь одинаковые или по существу одинаковые прочности на растяжение.
Предлагаемый изобретением проводящий шлейф может совершенствоваться в том отношении, чтобы количество проводящих элементов более чем на 1 превышало количество конденсаторных блоков. Это означает, что по меньшей мере между двумя конденсаторными блоками расположены два или больше проводящих элементов. Это приводит к тому, что расстояние между отдельными конденсаторными блоками может гибким образом регулироваться за счет количества соответственно примененных находящихся между ними проводящих элементов. Это осуществляется, в частности, на месте, так что благодаря наличию двух отдельных основных конструктивных элементов, а именно проводящего элемента, длиной, например, приблизительно 20 м, и конденсаторного устройства возможен выбор множества гибких конфигураций.
Другой вариант осуществления предлагаемого изобретением проводящего шлейфа может достигаться за счет того, что проводящие элементы по меньшей мере частично включают в себя металлические трубы, в частности алюминиевые трубы. Благодаря тому, что для желаемой индукции в окружающем грунте служит преимущественно поверхность проводящих элементов, при применении металлических труб возможна экономия материала. В частности, трубы внутри совершенно пусты, так что также снижается вес. Поверхность этих металлических труб предпочтительно покрыта изоляцией во избежание коротких замыканий с окружающим грунтом. Альтернативно алюминиевым трубам возможны также, например, медные трубы.
Предлагаемый изобретением проводящий шлейф может быть предпочтительным образом усовершенствован в том отношении, чтобы проводящие элементы по меньшей мере на отдельных участках могли сгибаться и/или нагружаться на растяжение. В частности, обеспечивается возможность изгиба с радиусами до 100 м, при этом возможна растягивающая нагрузка более 10 т. Эта возможность изгибающей или, соответственно, возможность растягивающей нагрузки важна, в частности, при вводе в грунт. Возможность изгиба предпочтительно обеспечивается по существу исключительно проводящими элементами, так что конденсаторные устройства соответственно могут иметь более высокую механическую устойчивость. При этом равным образом должна быть обеспечена возможность растягивающей нагрузки проводящих элементов и конденсаторных устройств.
Изобретение касается также проводящего шлейфа, в частности, в соответствии с предыдущими абзацами, при этом проводящий шлейф выполнен в виде кабеля-индуктора для индукционного нагрева месторождения тяжелой нефти или нефтяного песка. При этом изобретение касается индуктора с емкостной компенсацией, снабженного концентрированными, выполненными на основе керамики конденсаторами для повышенной термостойкости с целью индукционного нагрева месторождений тяжелой нефти или нефтяного песка.
Для добычи тяжелых нефтей или битумов из залежей нефтяного песка или горючих сланцев посредством систем труб, которые вводятся через скважины, должна значительно повышаться жидкотекучесть нефтей. Это может достигаться путем повышения температуры залежи (бассейна). Для этого может применяться индукционный нагрев самостоятельно или в дополнение к обычному методу парагравитационного дренажа (SAGD: steam assisted gravity drainage). При этом электромагнитный индукционный нагрев состоит из проводящего шлейфа, который проложен в бассейне и при подаче тока индуцирует в окружающем грунте вихревые токи, которые нагревают его. Для достижения желаемых удельных мощностей нагрева, равных обычно от 1 до 10 кВт на метр длины индуктора, требуется, в зависимости от проводимости бассейна, прикладывать токи с силой в несколько 100 ампер при частотах, равных обычно 20-100 кГц. Для компенсации индуктивного падения напряжения по проводящему шлейфу включаются промежуточные емкости, благодаря чему возникает последовательный резонансный контур, который работает при своей резонансной частоте и на клеммах представляет собой чисто омическую нагрузку. Без этих последовательных конденсаторов индуктивное падение напряжения проводящих шлейфов, имеющих длину до нескольких сотен метров, составляло бы в сумме от нескольких 10 кВ до более 100 кВ на соединительных клеммах, что, в частности, вряд ли осуществимо с токи зрения изоляции относительно грунта. Кроме того, компенсация реактивной мощности должна была бы осуществляться на генераторе или внутри него (осциллятор).
Среди конденсаторов, включенных последовательно с участками проводящего шлейфа, могут различаться концентрированные (сравн. фиг. 5) и распределенные по проводнику конденсаторы (сравн. фиг. 6 и фиг. 7). На фиг. 1 показана электрическая схема последовательного резонансного контура с концентрированными емкостями для компенсации индуктивностей проводника. На фиг. 6 показана схема коаксиального проводника с емкостной компенсацией, снабженного распределенными емкостями. На фиг. 7 показана схема групп филаментов с емкостной связью в продольном направлении.
До сих пор развитие технологии концентрировалось на распределенных емкостях и при этом на изолированных полимерным материалом (например, фторполимеры, ПЭЭК (полиэфирэфиркетоны)) многофиламентных проводниках. Проблема индукторов с емкостной компенсацией с помощью изолирующих/диэлектрических систем на основе полимеров заключается в ограниченном сверху диапазоне рабочих температур. Диэлектрическая и пробивная прочность значительно снижается, когда достигаются или превышаются температуры, равные приблизительно 150°C. В то время как у бассейнов тяжелой нефти повышение температуры, составляющее, например, менее 50°C, может быть достаточным, чтобы значительно ускорить добычу, у бассейнов по добыче битумнов (нефтяного песка), как правило, необходимы более высокие температуры (>100°C). При гибридных методах (SAGD с дополнительным индукционным нагревом, EM-SAGD) должно, кроме того, приниматься в расчет, что пар из инжектора, или, соответственно, растущая паровая камера достигает индуктора, так что температуры на индукторе могут составлять свыше 200°C.
При расчете индукторов с емкостной компенсацией, снабженных полимерными системами изоляции, следует учитывать значительно сниженную диэлектрическую и пробивную прочность при повышенных температурах. Это может случиться, когда возникающие на емкостях напряжения соответственно снижаются. Для этого необходимо повысить число последовательно включенных емкостей таким образом, чтобы общее индуктивное падение напряжения распределялось по такому количеству конденсаторов, чтобы соблюдался предел напряжения, сниженный вследствие повышенной температуры. Последовательное включение нескольких конденсаторов снижает, однако, общую емкость, что должно компенсироваться повышенной емкостью отдельного конденсатора, когда рабочая частота (= резонансная частота) должна быть постоянной. При распределенных конденсаторах, в которых используется емкостное покрытие между группами проводников, это приводит к повышенному поперечному сечению проводника с соответствующим повышенным расходом материала. Кроме того, число прерываний (сравн. фиг. 3) повышается вследствие более коротких резонансных длин, что связано с дополнительно повышенными производственными издержками.
Исходя из этого, задачей этой части изобретения является дополнительно оптимизировать описанное выше устройство или, соответственно, решить вышеназванные проблемы.
Эта задача в соответствии с изобретением решается с помощью признаков независимого п. 13 формулы изобретения.
Эта часть изобретения основана на разделении функций электрической изоляции проводника и диэлектрика конденсатора, обе которые до сих пор должны были обеспечиваться системой изоляции на основе полимерного материала.
Индуктор с емкостной компенсацией выполняется с концентрированными конденсаторами соответственно фиг. 5, при этом конденсаторы содержат керамический (кристаллический или, соответственно, стекловидный) диэлектрик. Кабель-индуктор, в частности, выполнен в виде предлагаемого изобретением проводящего шлейфа, а конденсатор, в частности, в виде предлагаемого изобретением конденсаторного устройства. Причем под концентрированным конденсатором подразумевается, что сумма конструктивных длин всех конденсаторов составляет только, как правило, небольшую долю (например, 5-20%, однако может также составлять 50%) общей длины проводящего шлейфа. Электрические и механические соединения между конденсаторами, которые по существу способствуют участвуют в создании индуктивностей соответственно фиг. 5, образуются частями проводника, которые могут представлять собой трубы или филаментные проводники (многопроволочные гибкие провода). Электрические и механические (с геометрическим замыканием) соединения между конденсаторами и частями проводника (проводящими элементами), то есть соединительные разъемы, могут осуществляться посредством винтовых соединений, сварных соединений, усадочных или клеевых соединений или комбинации вышеназванных технологий соединения.
Для протягивания индукторного шлейфа (проводящего шлейфа) в скважины, которые ранее были выполнены в грунте, требуются, во-первых, достаточно высокая прочность на растяжение (составляющая несколько 10 т), а во-вторых, определенная способность к изгибу (сравнимая со способностью к изгибу стальных буровых штанг, радиусы изгиба обычно более 100 м). Последняя должно обеспечиваться преимущественно частями проводника (проводящими элементами), в то время как конденсаторы (конденсаторные устройства) рассчитываются механически более жесткими, так что они почти не подвержены изгибу.
2
3
2
3
На фиг. 8 изображен участок индуктора, состоящий из конденсатора и расположенных с обеих сторон частей проводника. Указанные материалы (диэлектрик AlO, Al-трубы с полимерной наружной изоляцией ПЭЭК) представляют собой один из примеров. Части проводника должны состоять из хорошо электрически проводящего, однако не ферромагнитного материала (например, медь, алюминий). Электрическая изоляция частей проводника от окружающего грунта может предпочтительно представлять собой керамическое покрытие, если оно выдерживает требуемую изгибающую нагрузку. Альтернативно возможны полимерные изоляции (фторполимеры, ПЭЭК, ППС (полифениленсульфид) и пр.). Хотя они имеют более низкую тепловую нагрузочную способность по сравнению с керамическими изоляциями, однако с помощью полимерных изоляций достижима термостойкость до 250°C, так как при наружной изоляции одновременно не требуются одновременно очень высокие диэлектрические и пробивные прочности. Высокие диэлектрические и пробивные прочности при высоких температурах требуются, однако, у диэлектрика конденсатора, который здесь назван керамикой AlO. Однако могут также применяться диэлектрики из стеклянной пленки или слюды. Отдельные пластины пакета конденсатора (конденсаторный блок конденсаторного устройства) могут склеиваться друг с другом высокотемпературным клеем, например элеколитом, спаиваться или свариваться. Изображенные на фиг.8 «токовые шины» могут выполняться в виде полутруб, и так путем простого привертывания к частям проводника создавать соединение, способное пропускать ток. Пакет конденсатора, в свою очередь, может склеиваться, свариваться или спаиваться с полутрубами.
Предпочтительным образом получается разделение функций соответственно различным электрическим и механическим требованиям, благодаря чему всегда могут применяться наилучшим образом пригодные материалы.
У этой части изобретения могут, в частности, получаться следующие преимущества:
- высокие диэлектрические и пробивные прочности при одновременно высоких температурах конденсаторов с керамическими (или, соответственно, стеклянными пленочными, слюдяными) диэлектриками;
- способность к изгибу преимущественно достигается посредством более гибких соединительных проводов, где электрические требования к наружной изоляции снижены. Это позволяет получить достаточно жесткую конструкцию конденсаторов, что и обеспечивает возможность применения керамик;
- надлежащий выбор размеров допускает соединительные проводники длиной меньше 20 м, возможность транспортировки которых проста. При этом могут также реализовываться проводящие шлейфы с большими общими длинами (1-3 км), так как сборка должна осуществляться только у скважины;
- приемочные испытания в отношении механических и электрических требований могут осуществляться для каждого конденсатора и каждого соединительного провода независимо в надлежащих испытательных камерах (например, печи с устройствами измерения частичного разряда) до интеграции в общую систему;
- замена дефектных конденсаторов или соединительных проводов условно (после отключения индуктора) возможна;
- изготовление компонентов проводящего шлейфа может осуществляться одновременно в разных производственных мастерских.
Настоящее изобретение и его усовершенствования поясняются подробнее в рамках одного из примеров осуществления с помощью фиг. 5-8.
Также предметом настоящего изобретения является способ изготовления проводящего шлейфа, в частности, в соответствии с настоящим изобретением. Такого рода способ отличается тем, что несколько предлагаемых изобретением конденсаторных устройств через их соединительные разъемы соединяются с каждыми двумя соседними проводящими элементами - электрически проводящим и механическим соединением. При этом благодаря применению предлагаемых изобретением нескольких конденсаторных устройств достигаются те же преимущества, которые были подробно пояснены со ссылкой на предлагаемый изобретением проводящий шлейф или, соответственно, со ссылкой на предлагаемое изобретением конденсаторное устройство.
Предлагаемый изобретением способ может совершенствоваться в том отношении, что дополнительно проводящий шлейф по меньшей мере на отдельных участках снабжается изоляционным слоем. Это может осуществляться, например, путем обматывания изоляционной лентой. В частности, при этом может осуществляться изоляция зазоров между конденсаторными устройствами и проводящими элементами. Это может быть достаточным, в частности, тогда, когда как конденсаторное устройство, так и проводящий элемент уже предварительно снабжены изоляционным слоем. Также в рамках настоящего изобретения, разумеется, возможна полная изоляция на месте посредством сплошного изоляционного слоя.
Также одним из усовершенствований предлагаемого изобретением способа является, когда расстояние между конденсаторными устройствами регулируется посредством соответствующей длины находящихся между ними проводящих элементов таким образом, что зависящее от геометрии каждого участка проводящего шлейфа индуктивное покрытие при использовании компенсируется конденсаторным устройством с постоянной или по существу постоянной емкостью. Предпочтительно применяются проводящие элементы с постоянной или по существу постоянной, в частности, унифицированной длиной. Выбор осуществляется предпочтительно таким образом, чтобы компенсировалась индуктивность, зависящая от геометрии каждого участка проводящего шлейфа. Также возможно, чтобы для компенсации на отдельных участках индуктивности проводящего шлейфа регулировались как значение емкости конденсаторных устройств, так и длина проводящих элементов.
Настоящее изобретение поясняется подробнее с помощью прилагаемых фигур чертежа. Схематично показано:
фиг. 1: первый вариант осуществления предлагаемого изобретением конденсаторного устройства;
фиг. 2: другой вариант осуществления предлагаемого изобретением конденсаторного блока;
фиг. 3: один из вариантов осуществления предлагаемого изобретением проводящего шлейфа; и
фиг. 4: другой вариант осуществления предлагаемого изобретением проводящего шлейфа;
фиг. 5: электросхема последовательного резонансного контура, включающего в себя концентрированные емкости для компенсации индуктивностей проводников;
фиг. 6: схема коаксиального проводника с емкостной компенсацией, включающего в себя распределенные емкости;
фиг. 7: схема соединенных емкостной связью групп филаментов в продольном направлении;
фиг. 8: участок индуктора, включающий в себя концентрированную емкость и трубчатые соединительные проводники.
Элементы с одинаковой функцией и принципом действия на фиг. 1-8 всегда снабжены одними и теми же ссылочными обозначениями.
На фиг. 1 изображен первый вариант осуществления предлагаемого изобретением конденсаторного устройства 10. Оно снабжено корпусом 20, который предпочтительно оказывает электрически изолирующее действие. Внутри этого корпуса 20 расположен конденсаторный блок 30. Он имеет множество расположенных друг напротив друга пластин 34 конденсатора, которые могут называться соответственно пакетом пластин конденсатора. Все они опираются на держатель 38 пластин. Каждый держатель 38 пластин одновременно по меньшей мере частично образует соединительные разъемы 32a и 32b. В этих соединительных разъемах 32a и 32b происходит контактирование механическим и электрически проводящим образом с подключенными там позднее проводящими элементами.
Вариант в сборе виден, например, на фиг. 3. Там у конденсаторного устройства 10 в соответствии с фиг. 1 с обеих сторон у каждого соединительного разъема 32a и 32b установлен проводящий элемент 110. Соединение механическим способом происходит предпочтительно посредством прессовой посадки, то есть, в частности, путем термической усадки. Проводящие элементы 110 охвачены изоляционным слоем 120, в частности, из полимерного материала. При этом в наружном направлении обеспечивается полная электрическая изоляция, которая затем продолжается с конденсаторным блоком 10 через корпус 20. Зазор между конденсаторным устройством 10 и проводящим элементом 110 может, например, дополнительно электрически изолироваться изоляционной лентой.
Как хорошо видно на фиг. 3, проводящие элементы 110 являются полыми, и конденсаторный блок 30 концентрирован в конденсаторном устройстве 10. Проводящие элементы 110 могут при этом выдерживать изгибающие и растягивающие нагрузки, без наступления в конденсаторном устройстве 10 разрушений или механических повреждений конденсаторного блока 30 вследствие такого напряжения.
На фиг. 2 изображен другой вариант осуществления предлагаемого изобретением конденсаторного блока 30. Там отдельные пластины 34 конденсатора покрыты диэлектрическим слоем, так что при последующем спрессовывании может получаться пакет для конденсаторного блока 30. При таком варианте осуществления, с одной стороны, уменьшается занимаемая площадь, и одновременно обеспечивается необходимая механическая устойчивость конденсаторного блока 30.
На фиг. 4 в схематичном изображении показана одна из ситуаций применения. Так, проводящий шлейф 100, который, например, показан на фиг. 3, проложен там в грунте. В виде коробки показана рабочая станция, посредством которой может регулироваться напряжение режима индукции проводящего шлейфа 100.
Предпочтительно проводящий шлейф выполнен гибким, так что этот проводящий шлейф может сгибаться и может вводиться в любую скважину.
Приведенное выше пояснение фигур чертежа описывает настоящее изобретение только в рамках примеров. Разумеется, отдельные признаки отдельных вариантов осуществления, если это технически целесообразно, могут свободно комбинироваться друг с другом, без выхода за рамки настоящего изобретения.
2
3
2
3
Как уже пояснялось, на фиг. 8 изображен участок индуктора, состоящий из конденсатора и расположенных с обеих сторон частей проводника. Указанные материалы (диэлектрик AlO, Al-трубы с полимерной наружной изоляцией ПЭЭК) представляют собой один из примеров. Части проводника должны состоять из хорошо электрически проводящего, однако не ферромагнитного материала (например, медь, алюминий). Электрическая изоляция частей проводника от окружающего грунта может предпочтительно представлять собой керамическое покрытие, если оно выдерживает требуемую изгибающую нагрузку. Альтернативно возможны полимерные изоляции (фторполимеры, ПЭЭК, ППС (полифениленсульфид) и пр.). Хотя они имеют более низкую тепловую нагрузочную способность по сравнению с керамическими изоляциями, однако с помощью полимерных изоляций достижима термостойкость до 250°C, так как при наружной изоляции одновременно не требуются очень высокие диэлектрические и пробивные прочности. Высокие диэлектрические и пробивные прочности при высоких температурах требуются, однако, у диэлектрика конденсатора, который здесь назван керамикой AlO. Однако могут также применяться диэлектрики из стеклянной пленки или слюды.