CN102197191A - 就地提取沥青或特重油的方法和设备 - Google Patents

Abstract

为了减小沥青或特重油的粘度，可设置电/电磁加热装置，其中，在规定的蓄油层深度，至少两个直线伸展的导线沿水平方向延伸。这些导线在蓄油层内部或外部互相导电连接，共同构成导线环路并在蓄油层外部与在外面的交流发电机连接。按本发明规定，蓄油层加热的关键电参数可随时间和/或随地点改变，以及在沥青提取期间可以从蓄油层外部改变，以优化提取量。在相关的设备中存在至少一台发电机(60；60′、60″、60″′、60″″)，但优选地多台发电机，其电功率参数(I、f_i、

)是可变的。

Description

就地提取沥青或特重油的方法和设备

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述从作为蓄油层的油砂矿床就地提取沥青或特重油的方法。此外，本发明还涉及一种实施所述方法的相关设备。

为了借助通过钻孔置入的管道系统从油砂或油页岩矿床提取特重油或沥青，必须显著增大以固态稠度存在的原材料的可流动性。这可以通过提高蓄油层内的矿床温度达到。

若为此仅仅使用感应加热，或将其用于支持常见的蒸汽辅助重力泄油(Steam Assisted Gravity Drainage；缩写SAGD)方法，则出现的问题是，同时供电的相邻感应器彼此可有不利的影响。例如电流反向流动的相邻感应器会减弱储存在蓄油层内的加热功率。

在未提前公开的早期德国专利申请文件DE102007008292.6、DE102007036832.3以及DE102007040605.5中，各感应器对，亦即往返导线，按规定的几何构型供电，使蓄油层感应加热。在这里，当相邻感应器之间固定调整为180°相位时，利用电流强度调整期望的加热功率。这种反相的供电必然源于一个包括对于发电机往返导线的感应器对的工作。在本申请人名为“就地获得含碳物质的设备”的平行的专利申请中，主要说明在一个感应器阵列中控制加热功率的分配，所述的控制通过相邻感应器对电流幅值和相位的可调性达到。迄今所有的专利申请其出发点均在于，在从数日至数月长的时间范围内供电仅经历小量调整以及发电机与感应器对存在固定的配置关系。

由此出发本发明的目的是，建议适用的方法和创造相关的设备，用于提高从油砂或油页岩蓄油层的提取效率。

此目的在前言所述类型的方法中采取权利要求1所述措施达到。在权利要求13中说明相关的设备。方法和相关设备的进一步发展是各项从属权利要求的技术主题。

本发明的技术主题是，在蓄油层电加热时，使必需的发电机为此的关键参数可随时间和/或随地点改变，以及提供可能性，在沥青或特重油提取期间从蓄油层外部改变这些参数，以优化提取量。由此为感应器的供电提供最大程度的控制可能性，尤其还可以将检测到的当地温度用作控制参数。此外，温度可以在蓄油层内就地分散测量，例如在各感应器处测量，但必要时也可以在蓄油层外部，确切地说在所谓的上层，亦即在蓄油层上方的岩体区内，或在下层，亦即在蓄油层下方的岩体区内测量。

更详细地说，本发明包含可供电的各个感应器与可为其配设的发电机各种各样不同的组合可能性。尤其可采取下列措施：

1.按本发明建议，相邻感应器的供电按时间顺序进行，以及优选地使用空间彼此远离的往返导线。在后面为此举例说明按时间顺序接通四个感应器对。其中起往返导线作用的感应器可通过各个转换开关选择。

2.感应器对的供电可例如以相同的时间长度进行。在这里基于蓄油层高的热容量，可选择在数小时或数日范围内长的时间段，只要不超过感应器承热负荷的能力。

3.对各个感应器对可以选择不同的供电时间长度，以及在蓄油层不同的开采阶段可以改变。

4.组合往返导线构成一个感应器对，在蓄油层不同的开采阶段可以改变。

5.为了控制时间长度和为了将感应器组合为往返导线对，可以利用感应器温度或在感应器周围的蓄油层温度。因此热负荷小的感应器可优先供电，或温度较低的蓄油层区优先加热。

6.一个感应器对的构成可以利用于影响在上层、蓄油层和下层中的加热功率份额。在蓄油层时间上不同的开采阶段，可以在两种供电方式之间转换，亦即按时间顺序供电或用多台发电机同时供电。

7.空间位置彼此紧邻的导线穿过上层可以在发电机一侧和/或连接装置一侧进行，以避免或减小上层不希望的加热。

8.取代往返导线的转换开关，可以采用多台固定连接的发电机，它们可以按时间顺序或同时以相同或不同频率运行。

9.在相邻感应器用不同频率供电时不发生抵消效应，以及由各感应器加热功率(或其分布)之和得出总加热功率(及其分布)。

10.作为次级绕组的蓄油层的有效电阻对大间距的往返导线比紧邻的导线大得多，由此用感应器(初级绕组)内比较小的电流可以在蓄油层内加入大的加热功率。

11.在发电机以不同频率运行时，优选地在基波和谐波时避免发电机感应耦合，要不然这种耦合会导致发电机误工作或高负荷。

12.电容补偿的感应器应与各自工作频率基本谐调地制造。若发电机可提供小部分要施加的总无效功率，或其补偿可通过直接在发电机上的电容或电感线路进行，便可以使用统一的与平均工作频率调谐的感应器设计。此外，借助这些外部补偿线路，相同的感应器可以在频率有微小差别时工作，这足以避免抵消效应。

本发明基于通过详细研究获得的成果，表明采取上述措施与先有技术相比获得一些突出的优点。这些优点尤其包括：

第1点，蓄油层感应加热的有效电阻显著增大，例如大4倍。这意味着，在感应器内的电流幅值相同时，蓄油层中的加热功率可以有比同时供电高四倍的值。

在本发明的范围内实施模型计算：按“有限元”法(FEM)从这样一种模型出发，亦即它正好含有一个感应器对，四个这种部分并列布置以及另一个没有感应器的部分分别构成左和右边界区。

总共有利地得到一个2维FEM模型，它包括八个单个感应器以及相关的边界区，这些感应器例如构成四个独立的感应器对(1/5)、(2/6)、(3/7)、(4/8)。这种2维FEM模型可使用于研究不同供电时的加热功率分布。

当第一个感应器用作前进导线以及一个尽可能远离的感应器用作返回导线时，通过计算得出一种适用的加热功率分布。当感应器连续用规定的频率f1、规定的幅度I1的电流供电时，总加热功率为P1(W/m)。在这里优选地以频率10kHz为出发点，频率在1与500kHz之间原则上是恰当的。

在给所有感应器供给相同频率f1、相同电流幅值I1的电流时，得出另一种加热功率分布。在这种情况下相邻感应器的电流总是有相位移180°。但在这里总的加热功率仍大约为P1(W/m)。

第2点，若在第1点所列举的例子中，例如四个单个感应器对(1/5)、(2/6)、(3/7)、(4/8)分别用时间的四分之一(25％)供电，则为此只需要一台发电机(变换器)，它可以提供所需要的具有4倍有效功率的列举的电流幅值(1350A)的电流，但并不增加无效功率需求。因此通过定时装置在蓄油层中加入与按第一点同时供电时相同的加热功率。这意味着，取代4台发电机，它们必须分别提供期望的加热功率的1/4作为有效功率和除此之外取决于感应器的无效功率，仅还需要一台有4倍有效功率的发电机，与此同时并不增加无效功率需求。

第3点，现在可以根据当时的需求实现加热功率分布的控制。因此，例如基于不均匀加热导致温度分布的不均匀性，可以通过有限的蒸汽喷射补偿。

第4点，因此如第3点那样可以进行加热功率分布的控制。

第5点，按时间改变供电并与自由选择往返导线均结合，可以有利地利用于保护感应器，防止除了通过蓄油层外部加热外基于其电阻损失导致温度过高。

第6点，在上层、蓄油层和下层的加热功率份额可以通过感应器的供电有限地影响，对此下面还会详细说明。

第7点，采用上述措施使上层内的损失最小。所有导线共同通过上层，允许具有第3至第6点所述优点地自由组合往返导线。

第8点，现在有利地有可能简单地变换供电方式。

第9点，与之不同，建议相邻感应器同时但用不同频率供电。例如四个感应器对的线路可以与四台不同频率的发电机线路接通。

第10点，每台发电机供给感应器的一个往返导线对，其中，各导线铺设为彼此空间距离尽可能远。

第11点，在上面那些方法的情况下，参与的发电机的频率彼此不应成整数多倍。

第12点，参与的发电机的频率可大体相同，例如彼此相差小于5％。

由下面借助附图对实施例的说明并结合权利要求书，得出本发明的其他详情和优点。

其中：

图1表示部分油砂矿床，包括作为蓄油层的一些重复的单元以及各个在蓄油层内水平延伸的电导线结构；

图2示意表示四个按时间顺序供电的感应器对的线路布置；

图3示意表示四个用各个单独的可以有不同频率的发电机同时供电的感应器对的线路布置，其中，相关的往返导线彼此在空间远距离铺设；以及

图4示意表示四个感应器对和各个单独的有不同频率的发电机的线路布置，其中相关的往返导线并排铺设。

图1表示沿直线重复排列(阵列)的透视图，而图2至4分别是从上面看的俯视图，亦即感应器平面内的水平剖面，其中覆盖层(“上层”)处于对置的两侧。在图中相同的构件有同样的附图标记。这些图在下面有些部分共同说明。

为了借助通过钻孔置入油矿床内的管道系统从油砂或油页岩矿床提取特重油或沥青，必须显著增大固体状沥青或粘稠的特重油的可流动性。这可以通过提高矿床(蓄油层)温度达到，温度增高促使降低沥青或特重油的粘度。

本申请人早先的专利申请，主要针对使用感应加热支持普通的SAGD方法。其中，共同构成感应环路的感应器往返导线，按比较大的例如50-150m间距布置。在这种情况下电流反向流动的往返导线彼此削弱很小以及可以被容忍。

随着越来越关注所谓的EMGD(电磁加热式重力泄油)方法，其中不加入热蒸汽而使用感应加热作为蓄油层唯一的加热方法，尤其带来减少或实际上没有水消耗量的优点。

在仅仅感应加热时，感应器必须配置在沥青输出管附近，为的是能在蓄油层内压力减小的同时提前开始生产。因此，往返导线同样彼此移近。由此带来的问题是，电流反向流动的往返导线严重削弱彼此的磁场，并导致减小加热功率。尽管原则上这可以通过增大感应器的电流加以补偿，然而由此显著提高对导线载流能力的要求，并因而显著提高其制造成本。

在空间紧邻的导线可以按时间顺序，亦即不同时供电，由此不发生磁场削弱的问题。在这种情况下有利的是，可将一台发电机(变换器)使用于多个导线环路。但此时的缺点是，感应器仅部分时间供电和仅在供电时才有助于蓄油层加热。这在下面借助图2至4说明。

图1表示感应加热装置结构。它可以通过一个铺设在蓄油层100内长的，亦即几百米至1.5公里的导线环路10至20构成，其中前进导线10和返回导线20按规定的间距并列地在同一深度延伸，以及在蓄油层内部或外部，在端部通过构件15互相连接成为导线环路。导线10和20在一开始垂直或以规定的角度在孔内穿过面层(“上层”)向下延伸，并由可安装在外部箱体内的HF(高频)发电机60供电。

尤其是，导线10和20在同样的深度或并列或上下叠置地延伸。在这种情况下导体错置是合理的。典型地，当导线外径为10至50cm(0.1至0.5m)时，往返导线10、20之间的间距为10至60m。

图1中具有上述典型尺寸的双重电导线10、20有单位长度的纵向电感为1.0至2.7μH/m。在上述尺寸的情况下单位长度的横向电容仅为10至100pF/m，所以电容横向电流起初可以忽略不计。在这里应避免波效应。波速取决于导线结构的单位长度电容和电感。

图1中感应器结构的特征频率由环路长度和沿双重导线10、20结构的波传播速度决定。因此环路长度选择得足够短，使得在这里不产生干扰的波效应。

图2表示，可以如何在线路上布置按时间顺序供电的四个感应器对。其中仍用60表示高频发电机，它们向配电单元61、61′输出。配电单元61、61′各有四个不同触头，其中配电单元61与四个作为前进导线的感应器1、2、3、4连接，以及配电单元61′与四个作为返回导线的感应器5、6、7、8连接。转换节拍发生器62保证为各导线1至8转换或接通发电机电压。

相应于图1，各感应器1至8配置在蓄油层100内。蓄油层10两侧存在区域105，它们不应加热和现象学上表述为“面层”，亦即上层或下层。此外，连接装置15与感应器端部连接。连接装置15可以设在地面上或地下。

采用上述结构可以分别控制蓄油层各相邻区的加热。这尤其可以按时间先后，亦即顺序进行。转换节拍发生器62在这里可以由一个单独的控制单元63控制，它尤其考虑蓄油层100内的温度。由此可在各感应器或感应器导线处定位例如在图2中没有表示的温度传感器，以便测量那里的当地温度T_i并传给控制单元63进行评估。由此可尤其考虑感应器的过热温度。

但也可以测量蓄油层100内其他位置或在上层和/或下层内的当地温度，并在控制发电机时加以考虑。在这方面重要的是，能改变发电机的输出功率以及能满足随矿床开采时段改变的当时要求。这是特别适宜的，因为开采时段很长，例如若干年或更长。

图3与按图2的结构其差别为，存在四台高频发电机60′、60″60″′和60″″，它们分别控制成对的每两个感应器1至8。仍存在一个地面上或地下的连接装置15。采用这种结构尤其可以给四个感应器对同时供给频率不同强度不同的电流。

按图3的结构可以变型为也使用不同的频率。这在图4中示出，其中仍在蓄油层内互相平行地排列八个感应器1至8。感应器1至8中每两个由一个单独的发电机60′至60″″控制。在这种情况下选择那些可产生不同的可预定频率的电流的发电机。例如，发电机60′有频率f₁、发电机60″有频率f₂、发电机60″′有频率f₃以及发电机60″″有频率f₄。现在通过供给频率不同的电流可以有针对性地对各区域进行不同加热。

借助例子表示，通过感应器供给不同电流，可以在规定的限度内影响在上层(OB)、蓄油层100和下层(UB)内的加热份额。最后，针对研究的具体例子描述这些份额：

a：在例如感应器1至5供电时例如得出百分率能耗分布：

OB 31.3％，蓄油层45.5％和UB 23.2％。

b：在所有感应器同时供电时则结果为：

OB 24.2％，蓄油层62.8％和UB 13.0％。

上述含意是，在感应器实施同时供电时，大部分加热功率储存在蓄油层内，确切地说，在相邻感应器之间有相位移

因此可以有利地按照矿床开采的时间过程，尤其根据发电机期望的加热功率分布或此时使用的发电机数量，在供电方式之间转换。

最后应当指出，在蓄油层外部布置发电机时也可以将发电机安装在地下，这在有些情况下可能是有利的。在这种情况下，低频的，亦即50-60Hz或必要时直流电的电功率，向下导引以及在地下进行变换频率到kHz范围内的变频，从而在覆盖层内不产生损失。

总之可以肯定，规定用于蓄油层加热的关键电参数可按时间和/或随地点改变，以及在沥青提取期间可以从蓄油层外部改变，以优化提取量。在相关的设备中存在至少一台发电机，但优选地多台发电机，其电参数(I、f_i、

)是可变的。

Claims (22)

1.一种从作为蓄油层的油砂矿床就地提取沥青或特重油的方法，其中，向蓄油层中加入热能以减小沥青或特重油的粘度，为此设置至少一个电/电磁加热装置和设置用于运出液态沥青或特重油的提取管，以及，在规定的蓄油层深度，至少两个直线伸展的导线至少部分平行于水平方向延伸，其中，导线端在蓄油层内部或外部导电连接，并且共同构成导线环路以及在蓄油层外部与用作电源的在外面的交流发电机连接，其特征为：对于蓄油层的电/电磁加热的关键参数可随时间和/或随地点改变，以及在沥青或特重油提取期间从蓄油层外部改变，以优化提取量。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征为，对于蓄油层的感应加热借助导线和感应器通过加入至少一台发电机的电功率进行，其中，所述至少一台发电机的电功率是可变的，以及在沥青或特重油提取期间改变以适应当时的需求。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征为，在油砂矿床不同的开采时段改变对于感应器的供电。

4.按照权利要求2所述的方法，其特征为，所述至少一台发电机为感应加热以不同的必要时可变的频率运行。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征为，所述至少一台发电机的输出电流是可变的，以及在沥青或特重油提取期间改变以适应当时的需求。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征为，在使用多台分别为一个感应环路供电的发电机时，电流的相位可彼此相对改变并适应于当时的需求。

7.按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征为，检测蓄油层内部的当地温度并应用于控制感应器按时间顺序供电和/或应用于发电机的电流幅值控制。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征为，在感应器所在地检测蓄油层温度。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征为，使用感应器和导线连接装置的温度上限来控制按时间顺序供电。

10.按照权利要求8所述的方法，其特征为，使用感应器的温度控制流过感应器的电流的幅值。

11.按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征为，检测蓄油层外部，尤其蓄油层上层和/或下层内的当地温度，并将其用于控制的目的。

12.按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征为，通过事后在蓄油层内置入感应器推断油砂矿床未开采的区域。

13.一种实施按照权利要求1或权利要求2至12之一所述方法的设备，包括在蓄油层内延伸作为独立感应器的导线以及在蓄油层外部配置的至少一台发电机，其特征为：所述至少一台发电机(60；60′、60″、60″′、60″″)作为电源在其决定输出功率方面的参数(I、fi、

)是可变的。

14.按照权利要求13所述的设备，其特征为，设有一些用于将所述至少一台发电机(60；60′、60″、60″′、60″″)各个输出端顺序接通至所述感应器(1-8)的器件。

15.按照权利要求13所述的设备，其特征为，所述至少一台发电机(60；60′、60″、60″′、60″″)有用于不同频率(f_i)的各个输出端。

16.按照权利要求13所述的设备，其特征为，存在多台用于不同频率(f_i)的发电机(60；60′、60″、60″′、60″″)。

17.按照权利要求13所述的设备，其特征为，用于电磁加热的导线在蓄油层(100)内水平延伸以及构成各个感应器(1-8)。

18.按照权利要求13至17之一所述的设备，其特征为，用于电磁加热的导线(1-8)有一个导线环路(15)。

19.按照权利要求13至18之一所述的设备，其特征为，由感应器(1-8)和连接装置(15)组成的导线环路配备有检测温度(T_i)的传感器。

20.按照权利要求13至19之一所述的设备，其特征为，存在一些在外面的转换装置(62、63)，它们将各个不同的感应器导线(1-8)连接为一个感应器环路。

21.按照权利要求13至20之一所述的设备，其特征为，借助在外面的转换装置(62、63)通过转换，选择感应器导线(1-8)的距离并因而加入的加热功率。

22.按照权利要求11所述的设备，其特征为，设置温度传感器测量在蓄油层(100)内部的温度(T_i)和/或外部的温度，并将其用于发电机(60；60′；60″；60″′；60″″)按时间顺序的控制和/或电流幅值控制。

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