CN102341564A - 用于地表下的碳氢化合物加热的原位环形天线阵列 - Google Patents

Abstract

公开了一种通过发射RF能量来加热地表下地层(10)的环形天线阵列(86，96)以及通过地表下的环形天线阵列加热地表下地层的方法。天线是近似的环路(72)并被置于相邻的环路附近。天线是由RF能量驱动的。

Description

用于地表下的碳氢化合物加热的原位环形天线阵列

技术领域

本发明涉及通过射频电磁波(RF)对地质地表下地层中的碳氢化合物材料的加热。更具体而言，涉及通过从一个或多个多边形天线发射的RF能量来进行加热。

背景技术

从包含油砂沉积物、页岩沉积物以及碳酸盐沉积物的稠油油藏中进行提取要求对沉积物进行加热，以将碳氢化合物与其它地质材料分离，并将碳氢化合物维持在它们将流动的温度。对这样的沉积物进行加热的已知方法包括蒸汽加热、电阻加热以及通过RF能量的加热。

通过现有的RF系统加热地表下的含稠油地层效率不高，因为传统方法要匹配功率源(发射器)以及被加热的不均匀材料的阻抗，不均匀的加热导致被加热的材料中的的热梯度无法接受，电极/天线的间距效率低下，与被加热材料的电耦合差，由于天线构成和所使用的频率，由现有的天线发射的能量和发射的频率对待加热的材料的穿透有限。现有用于对地表下地层中的稠油进行RF加热的天线通常是偶极天线。美国专利4,140,179和4,508,168公开了位于地表下稠油沉积物内以加热那些沉积物的现有偶极天线。

偶极天线阵列被用于加热地表下地层。美国专利No.4,196,329公开了被异相地驱动以加热地表下地层的偶极天线阵列。

发明内容

本发明的一个方面涉及加热地表下地层的环形天线阵列，所述环形天线阵列包括：位于地表下地层内的第一环形天线，该第一环形天线大致位于第一平面内，并大体构成半径为r的圆弧；以及位于地表下地层内的第二环形天线，该第二环形天线与第一天线相邻，大体构成半径为r的第二圆弧，并且大致位于第二平面内，第二平面平行于第一平面，并与第一平面相隔距离r。

本发明的另一方面涉及加热地表下地层的方法，该方法包括：将大体沿着半径为r的第一圆弧的并且大体在第一平面内的第一环形天线置于地表下地层内；将大体沿着半径为r的第二圆弧的并且大体在第二平面内的第二环形天线置于地表下地层内，第二平面大致平行于第一平面并与第一平面相隔距离r；以及，向所述第一和第二天线提供相等的频率、振幅以及相位的RF能量。

本发明的另一方面涉及近似于螺旋状以形成用于加热地表下地层的环形天线阵列的环形天线。该天线构成位于地表下地层内的第一环路，该第一环路大致位于第一平面内，并由从第一位置延伸到第二位置的天线的第一多个相连的段形成。天线还构成位于地表下地层内的第二环路，该第二环路大致位于第二平面内，与第一环路分离，并由从第三位置延伸到第四位置的天线的第二多个相连的段所形成。天线的一个段从第二位置延伸到第三位置。

附图说明

图1是通过偶极天线对地表下地层进行模拟加热的例示。

图2是通过环形天线对地表下地层进行模拟加热的例示。

图3示出了根据本发明的通过多边形环形天线对油砂地层进行加热。

图4示出了构成四边形以接受根据本发明的环形天线的链接的钻孔的地层。

图5示出了图4所示的钻孔中的根据本发明的天线。

图6是根据本发明的地表下多边形环形天线阵列的等距视图。

图7示出了由图6所示出的多边形环形天线阵列所产生的磁性近场。

图8是根据本发明的通过一系列部分环路近似于螺旋状的地下天线的等距视图。

图9示出了由Litz导体所形成的根据本发明的天线的横断面。

具体实施方式

下面将参考附图更全面地描述本发明，在附图中，示出了本发明的各实施例。然而，本发明可以许多不同的形式来实现，并且不应该被理解为仅限于此处所阐述的实施例。相反地，这些实施例是本发明的示例，本发明具有由权利要求书的语言所指出的全部的范围。相同的编号通篇表示的相同的元件。

地表下地层通过来自被置于要加热的材料内并因此被这些材料包围的天线的RF辐射来加热。地表下材料主要在嵌入的天线的无功近场区被加热。因此，通过偶极天线对地表下材料的加热主要通过近场电(E)场的电介质加热而实现。如图1所示，对与偶极天线相邻的均质材料的加热，如通过吸收率所评估的，沿着天线的长度有显著差异。对天线附近的材料的剧烈加热是不希望的，因为对小区域的剧烈加热不是对能量的有效利用，并且还因为对地表下地层的过分加热会产生不能渗透的材料，并阻止或阻碍对碳氢化合物材料的提取。

通过环形天线发射的RF场不同于由近场区的偶极天线发射的场。环形天线的卷曲产生近场磁场。环形天线可以由多边形近似。多边形的边数越大，约接近弯曲的环形天线的卷曲。如图2所示，由环形天线所产生的近场比偶极天线更加均匀地对环绕天线的均质材料进行加热。环形天线对于加热其中由磁场产生涡流电流的材料特别有利。水就是一种这样的材料。

必须加热以从包含油砂沉积物、页岩沉积物以及碳酸盐沉积物的地表下地层中提取的碳氢化合物一般与包括水的其它材料混合。那里，其它材料使通过RF发射加热变得可行，因为碳氢化合物一般通过RF辐射加热效果差。对地表下碳氢化合物地层施加RF发射一般会加热除碳氢化合物以外的材料，并且这些被加热的材料通过热传导来加热碳氢化合物。碳氢化合物沉积物，特别是油砂沉积物，通常包含水。水是导电的，因此，容易通过磁场而发热。因此，需要环形天线用于加热天线近场内的这些沉积物。

可以通过注入RF感受器来提高通过射频磁场对地表下地层的加热。氢氧化钠碱液增大原位水的导电性，并由此增大由射频磁场所产生的涡电流的流动。

图3示出了通过根据本发明的环形天线对油砂沉积物进行加热。如图3所示，油砂地层10在遮盖覆盖层区域12下面。从覆盖层12的表面上的分离的位置24和26钻两个钻孔，14以及16。钻孔14和16分别从位置24和26朝向彼此延伸，以在油砂地层10内的位置28处会合。环形天线34从覆盖层12的表面上的RF发射器32延伸。环形天线34从发射器32延伸到覆盖层12的表面上的位置24和26处的钻孔14和16的开口，并穿过钻孔14和16。环形天线34只部分地被置于油砂地层10内。

图4示出了被钻进油砂地层10内的四个钻孔42、44、46和48。钻孔42和48分别是从覆盖层12的表面上的分离的位置52和58钻的。钻孔42和48分别从位置52和58朝向彼此延伸，以在油砂地层10内的位置62处会合。钻孔44和46分别是从覆盖层12的表面上的分离的位置54和56钻的。钻孔44和46分别从覆盖层12的表面上的分离的位置54和56延伸。位置54和56位于从位置52延伸到位置58的线上，并在位置52和58之间。位置54与位置52相邻并与其分离，位置56与位置58相邻并与其分离。钻孔44从大体平行于钻孔42的位置54延伸，以在位于位置62和位置58之间的油砂地层10内的位置64处与钻孔48相交。钻孔46从大体平行于钻孔48的位置56延伸，以在位于位置62和位置52之间的油砂地层10内的位置66处与钻孔42相交。如图4所示，钻孔44和46在靠近覆盖层12和油砂地层10的交界面的位置68处彼此相交。钻孔46从位置68延伸到位置66，而钻孔44从位置68延伸到位置64。分别从位置66延伸到62、从位置62延伸到位置64、从位置64延伸到位置68，以及从位置68延伸到位置66的钻孔42、48、44和46的截面构成四个相连的钻孔段，这些段在油砂地层10内构成四边形72。多边形72大体位于一个平面内。

图5示意性地示出了穿过钻孔46延伸到四边形72的天线74。天线74在钻孔多边形72内构成环路。位置56所示出的发射器76连接到天线74，以向天线74提供RF信号。

图6示出了位于油砂地层10内阵列中的两个天线，82和92。天线82和92各自分别构成四边形环路86和96，其大体彼此平行地位于油砂地层10内。在图6的等距视图中所示出的环路86和96优选地被形成为近似于与多边形的中心相距距离r处的环路。多边形环路86和96在距中心距离r处不是均匀的。尽管如此，它们可以大体以距离r为特征，该距离r近似于多边形86和96所沿环路的半径。如图6所示，天线82和92相隔该距离r。发射器84和94分别驱动天线82和92，每一个都以相等的频率、振幅和相位向它们附接的天线提供RF能量。

通过将天线82和92相对于彼此如图6所示的位置定位，由天线所产生的近磁场彼此重叠，以产生大致恒定加热的区域。图7示出了由如图6中所指出平面7中的天线82和92所产生的磁场。图7示出了天线82和92的截面。轮廓102、104、106、108和110位于由于天线82和92的近场而均匀加热的区域的边缘。由图6和7所示出的相对位置处的天线82和92所产生的近场重叠彼此，以产生围绕天线82和92的材料的所示出的大的加热区域。

图8示出了位于油砂地层10内的天线110。RF能量通过发射器120被提供到天线110。天线110通过延伸穿过交叉钻孔的截面来近似油砂地层10中的螺旋配置。钻孔132从覆盖层12的表面上的位置152延伸穿过覆盖层12并进入到油砂地层10到位置133。钻孔134从覆盖层12的表面上的与位置152分离的位置154延伸进入覆盖层12和油砂地层10。钻孔134延伸以在位置133处与钻孔132相交，并延伸超出位置133进入油砂地层10到位置135处。钻孔136从覆盖层12的表面上的与位置152分离的位置156延伸到覆盖层12中和油砂地层10中。钻孔136大体平行于钻孔132延伸以在位置135处与钻孔134相交。钻孔132、134以及136位于第一平面上。钻孔138从覆盖层12的表面上的与位置152、154以及156分离的位置158延伸到覆盖层12中和油砂地层10中。钻孔138延伸以与钻孔136在位于油砂地层10内并且在位置135和156之间的位置137处交叉。钻孔138从钻孔132、134和136所在的第一平面延伸。

钻孔140从覆盖层12的表面上的与位置152分离的位置160延伸到覆盖层12中和油砂地层10中。钻孔140大体平行于钻孔132延伸，以与钻孔138在油砂地层10内的位置139处交叉。钻孔140延伸超出位置139到油砂地层10中的更深的位置141。钻孔142从覆盖层12的表面上的与位置154分离的位置162延伸到覆盖层12中和油砂地层10中。钻孔142大体平行于钻孔134延伸以在位置141处与钻孔140交叉。钻孔142延伸超出位置141到油砂地层10中的更深的位置143。钻孔144从覆盖层12的表面上的与位置160和156分离的位置164延伸到覆盖层12中和油砂地层10中。钻孔144大体平行于钻孔140而延伸以在位置143处与钻孔142交叉。钻孔140、142和144位于第二平面中。钻孔146从覆盖层12的表面上的与位置160、162和164分离的位置168延伸到覆盖层12中和油砂地层10中。钻孔146大体平行于钻孔138并延伸以与钻孔144在油砂地层10内的并且在位置143和164之间的位置145处交叉。钻孔146从钻孔140、142以及144所在的第二平面延伸。钻孔148从覆盖层12的表面上的与位置162分离的位置172延伸到覆盖层12中和油砂地层10中。钻孔148与钻孔146在位于油砂地层10内并且在位置145和168之间的位置147处交叉。

天线110通过在交叉的钻孔内延伸的一系列相连的段而近似于螺旋状。天线110的第一段穿过钻孔132延伸到油砂地层10中直到位置133。第二段穿过钻孔134从位置133延伸到位置135。天线110的第三段穿过钻孔136从位置135延伸到位置137。第四段穿过钻孔138从位置137延伸到位置139。天线110的第五段穿过钻孔140从位置139延伸到位置141。第六段穿过钻孔142从位置141延伸到位置143。天线110的第七段穿过钻孔144从位置143延伸到位置145。天线110的第八段穿过钻孔146从位置145延伸到位置147。天线110的第九段穿过钻孔148从位置147延伸到覆盖层12的表面。

天线110构成部分环形天线的阵列，每一个部分环路是由穿过钻孔延伸的三个相连的段所形成。部分环路由钻孔132、134以及136，钻孔134、136以及138，钻孔136、138以及140，钻孔138、140以及142，钻孔140、142以及144，以及钻孔142、144以及146所形成。由钻孔132、134以及136中的第一、第二以及第三段所形成的部分环路位于第一平面中，由钻孔140、142以及144中的第五、第六以及第七段所形成的部分环路位于第二平面中。由钻孔132、134、136、138、140、142、144以及146中的天线110的段所形成的一系列部分环路穿过油砂地层10近似于螺旋状。

根据本发明的天线发射RF能量，以加热天线的近场区中的周围地表下材料。如本发明人的美国专利No.7,205,947所描述的，在被称为表面效应的效应中，射频电流趋向于沿着导体的表面流动，该专利以引用的方式并入本文中。此效应限制了用于承载RF能量的导线横截面的可用的量。由于根据本发明的天线旨在发射相当大的能量，因此，该表面效应在根据本发明的天线中是特别不希望的。如申请人的美国专利所描述的，可以使用利兹(Litz)线来降低天线中的不希望有的表面效应。如图9所示的利兹线122的横截面所示，利兹线是由编织在一起的多条线130形成的。优选地，多条线130是带有外绝缘层132的绝缘线，以形成绝缘的束133。多条线130可以包括介电绳股。绝缘的束133的组135可以被编织或缠绕在一起，并包括外绝缘层134。组135也可以被编织或缠绕在一起，以定义具有又一个外绝缘层136的利兹线天线环路。组135可以围绕由电介质构成的芯138编织或缠绕。

Claims (10)

1.一种用于加热地表下地层的环形天线阵列，包括：

位于所述地表下地层内的第一环形天线，所述第一天线大致位于第一平面内，并大体沿着半径为r的第一圆弧形成；以及

位于所述地表下地层内的第二环形天线，所述第二天线

与所述第一天线相邻，

大体沿着半径为r的第二圆弧形成；以及

大致位于第二平面内，

所述第二平面大体平行于所述第一平面，并且与所述第一平面相隔距离r。

2.一种用于加热地表下地层的方法，包括：

将第一环形天线置于所述地表下地层内，以大体位于第一平面内，所述第一环形天线大体沿着半径为r的第一圆弧；

将第二环形天线置于所述地表下地层内以大体位于第二平面内，所述第二平面大体平行于所述第一平面，并与所述第一平面相隔距离r，而所述第二环形天线大体沿着半径为r的第二圆弧，以及

向所述第一和第二天线提供具有相等的频率、振幅以及相位的RF能量。

3.一种近似于螺旋状以形成用于加热地表下地层的环形天线阵列的环形天线，所述天线包括：

位于所述地表下地层内的第一环路，所述第一环路是由从第一位置延伸到第二位置的第一多个相连的段形成的；

位于所述地表下地层内的第二环路，所述第二环路与所述第一环路分离，并由从第三位置延伸到第四位置的第二多个相连的段形成；以及

所述第二环路的一个段，从所述第二位置延伸到所述第三位置。

4.根据前面的任何一个权利要求所述的本发明，其中，所述第一环路和所述第二环路分别是由一系列相连的大体是直的段所形成的。

5.根据前面的任何一个权利要求所述的本发明，其中，所述第一环路和所述第二环路构成多边形。

6.根据前面的任何一个权利要求所述的本发明，其中，所述第一环路和所述第二环路分别构成四边形。

7.根据前面的任何一个权利要求所述的本发明，其中，所述第一环路和所述第二环路分别由利兹线所形成。

8.根据前面的任何一个权利要求所述的本发明，进一步包括将增大所述地层中的材料的导电性的感受器引入到所述地层中。

9.根据权利要求7所述的本发明，其中，所述感受器包括氢氧化钠。

10.根据前面的任何一个权利要求所述的本发明，其中，所述第一环路大体位于第一平面内，所述第二环路大体位于第二平面中，所述第二平面与所述第一平面是分离的。

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