DE102007040605B3

DE102007040605B3 - Vorrichtung zur "in situ"-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl

Info

Publication number: DE102007040605B3
Application number: DE102007040605A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Diehl; Norbert Dr. Huber; Bernd Wacker; Jan Dr. Weigel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2027-08-28

Abstract

Zur Viskositätserniedrigung von Bitumen oder Schwerstöl in Lagerstätten wird die Lagerstätte mit Wärmeenergie beaufschlagt, wobei neben einer Dampfbeaufschlagung nach dem so genannten SAGD-Verfahren insbesondere eine induktive und/oder resistive Heizung vorgesehen sein kann. Erfindungsgemäß wird eine linear ausgedehnte Leiterschleife (10, 15, 20) in vorgegebener Tiefe der Lagerstätte und von einem Hochfrequenzerzeuger mit elektrischer Leistung gespeist, wobei ein Induktivitätsbelag der Leiterschleife (10, 15, 20) jeweils abschnittsweise oder kontinuierlich kompensiert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur „in situ"-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus Ölsand-Lagerstätten als Reservoir, wobei das Reservoir mit Wärmeenergie zur Viskositätserniedrigung des im Ölsand vorhandenen Bitumens oder Schwerstöl beaufschlagt wird, wozu eine elektrische/elektromagnetische Heizung vorgesehen ist.
Oberflächennahe Ölsand-Lagerstätten können gegebenenfalls im Tagebau abgebaut werden, wobei anschließend eine Aufbereitung zur Separation des Öls erfolgen muss. Es sind aber auch „in situ"-Verfahren bekannt, bei dem durch Einbringen von Lösungs- bzw. Verdünnungsmitteln und/oder zum anderen durch Aufheizen bzw. Aufschmelzen des Schwerstöls oder Bitumens bereits im Reservoir fließfähig gemacht wird. Die „in situ"-Verfahren sind insbesondere für nicht oberflächennahe Reservoire geeignet.
Das am weitesten verbreitete und angewendete „in situ"-Verfahren zur Förderung von Bitumen ist das SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage)-Verfahren. Dabei wird Wasserdampf, der dem Lösungsmittel zugesetzt sein kann, unter hohem Druck durch ein innerhalb des Reservoirs horizontal verlaufendes Rohr eingepresst. Das aufgeheizte, geschmolzene und vom Sand oder Gestein abgelöste Bitumen sickert zu einem zweiten etwa 5 m (Abstand von Injektor – und Produktionsrohr abhängig von Reservoirgeometrie) tiefer gelegenen Rohr, durch das die Förderung des verflüssigten Bitumens erfolgt. Der Wasserdampf hat dabei mehrere Aufgaben gleichzeitig zu erfüllen, nämlich die Einbringung der Heizenergie zur Verflüssigung, das Ablösen vom Sand sowie den Druckaufbau im Reservoir, um einerseits das Reservoir geomechanisch für einen Bitumentransport durchlässig zumachen (Permeabilität) und andererseits die Förderung des Bitumens ohne zusätzliche Pumpen zu ermöglichen.
Das SAGD-Verfahren startet, indem typischerweise 3 Monate beide Rohre durch Dampf aufgeheizt werden, um zunächst möglichst schnell das Bitumen im Raum zwischen den Rohren zu verflüssigen. Danach erfolgt die Dampfeinbringung in das Reservoir durch das obere Rohr und die Förderung durch das untere Rohr kann beginnen.
Aus der US 2006/0151166 A1 ist ein Verfahren für die resistive Beheizung einer Schweröllagerstätte bekannt, bei dem zur Verringerung der Viskosität des Schweröls ein Werkzeug mit Elektroden für eine dreiphasige resistive Beheizung der Lagerstätte vorgesehen ist. Mit den älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen AZ 10 2007 008 292.6 mit der Bezeichnung „Vorrichtung und Verfahren zur in situ-Gewinnung einer kohlenwasserstoffhaltigen Substanz unter Herabsetzung deren Viskosität aus einer unterirdischen Lagerstätte" und AZ 10 2007 036 832.3 mit der Bezeichnung „Vorrichtung zur in situ-Gewinnung einer kohlenwasserstoffhaltigen Substanz" der Anmelderin werden bereits elektrische/elektromagnetische Heizverfahren für eine „in situ"-Förderung von Bitumen und/oder Schwerstöl vorgeschlagen, bei denen insbesondere eine induktive Beheizung des Reservoirs erfolgt.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung mit geeigneter Konzeption zur elekrisch/elektromagnetischen Heizung des Reservoirs einer Ölsand-Lagerstätte zu schaffen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist die bergbauliche Anwendung eines resonant abgestimmten Schwingkreises zur induktiven Erwärmung einer als Reservoir bezeichneten Ölsand-Lagerstätte unter Ta ge in einer Tiefe von bis zu mehreren 100 Metern in einem „in situ"-Ölproduktionsprozess. Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält dazu einen an sich bekannten externen Wechselstromgenerator für elektrische Leistung, der zur Bestromung einer Leiterschleife dient. Die Leiterschleife wird gebildet aus zwei oder mehr Leitern, die innerhalb oder außerhalb des Re servoirs elektrisch leitend verbunden sind. Die Induktivität der Leiterschleife ist abschnittsweise kompensiert. Damit ist eine unerwünschte Blindleistung vermieden. Die wechselbestromte Leiterscheife erzeugt ein Wechselmagnetfeld im Reservoir, durch das Wirbelströme im Reservoir angeworfen werden, die zur Aufheizung desselben führen.
Bei der Erfindung sind zwei induktive Effekte zu unterscheiden:

– Die Gesamtinduktivität der Leiterschleife, die hauptsächlich durch die unerwünschte Selbstinduktivität der Leiterschleife gebildet wird und kompensiert werden muss, um hohen Spannungsabfall entlang der Leitungen zu verhindern und dem Generator keine Blindleistung abzufordern.
– Die erwünsche Gegeninduktivität zum Reservoir, die den Stromfluss und damit das Heizen des Reservoirs ermöglicht

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Aufheizen von unkonventionellem schwerem Öl mit Viskositäten von z. B. 5°API bis 15°API von Temperaturen von 10°C Umgebungstemperatur auf bis zu 280°C möglich. Dadurch kann das Öl in einem durch die Verbesserung der Fluidität gravitativen Prozess zur unteren nichtpermeablen Grenzschicht des Reservoirs fließen und von dort mittels bekannter Drainage-Produktionsrohre abfließen, um entweder mittels Anhebepumpen an die Erdoberfläche gepumpt oder durch den im Reservoir durch Beheizung und/oder Dampfeinbringung aufgebauten Druck schwerkraftüberwindend an die Oberfläche gefördert zu werden.
Bei der Erfindung kann der elektromagnetische Heizprozess insbesondere mit einem Dampfprozess kombiniert sein, welcher für eine verbesserte Permeabilität und/oder Leitfähigkeit z. B. durch eine zusätzliche elektrolytische Anreicherung eingespeist wird. Es ist auch möglich, die Dampfstimulation durch das Produktionsrohr zu Beginn der Aufheizphase oder später zyklisch erfolgen zu lassen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
1 einen Schnitt durch ein Ölsand-Reservoir mit Injektions- und Förderrohr,
2 einen perspektivischen Ausschnitt aus einem Ölsand-Reservoir mit einer horizontal im Reservoir verlaufenden elektrischen Leiterschleife,
3 eine Verdeutlichung der elektrischen Kompensation von Leitungslängsinduktivitäten durch Serienkapazitäten,
4 einen Schnitt durch einen Leiter mit rohrförmigen Elektroden der integrierten Kondensatoren,
5 einen Leiter mit ineinander verschachtelten rohrförmigen Elektroden der integrierten Kondensatoren,
6 einen rohrförmigen Leiter mit integrierten Kondensatoren und einer Vorrichtung zur Elektrolyteinbringung,
7a und 7b das elektrische Prinzip der Vorrichtungen gemäß 4 und 5 als konventionelle Koaxialanordnung,
8 eine erste schaltungstechnische Ausführung eines Leistungsgenerators für einen induktiven Heizkreis, der für eine Anwendung bei 1/2 geeignet ist,
9 eine zweite schaltungstechnische Ausführung eines Leistungsgenerators für einen induktiven Heizkreis mit Parallelschaltung von Wechselrichtern und
10 eine dritte schaltungstechnische Ausführung eines Leistungsgenerators für einen induktiven Heizkreis mit Reihenschaltung von getakteten Wechselrichtern.
Gleiche oder gleich wirkende Einheiten sind in den Figuren mit gleichen oder sich entsprechenden Bezugzeichen versehen.
Die Figuren werden nachfolgend jeweils gruppenweise zusammen beschrieben.
In den 1 und 2 ist eine als Reservoir bezeichnete Ölsand-Lagerstätte 100 dargestellt, wobei für die weiteren Betrachtungen immer eine quaderförmige Einheit 1 mit der Länge l, der Breite w und der Höhe h herausgegriffen wird. Die Länge l kann beispielsweise bis zu einigen 500 m, die Breite w 60 bis 100 m und die Höhe h etwa 20 bis 100 m betragen. Zu berücksichtigen ist, dass ausgehend von der Erdoberfläche E ein „Deckgebirge" der Stärke s bis zu 500 m vorhanden sein kann.
Bei Realisierung des SAGD-Verfahrens ist gemäß 1 in bekannter Weise in dem Ölsand-Reservoir 100 der Lagerstätte ein Injektionsrohr 101 für Dampf- oder Wasser/Dampf-Gemisch und ein Förderrohr 102 für das verflüssigte Bitumen oder Öl vorhanden.
In 2 ist eine Anordnung zur induktiven Heizung dargestellt. Diese kann durch eine lange, d. h. einige 100 m bis 1.5 km, im Boden verlegte Leiterschleife 10 bis 20 gebildet werden, wobei der Hinleiter 10 und Rückleiter 20 nebeneinander, also in derselben Tiefe, geführt sind und am Ende über ein Element 15 innerhalb oder außerhalb des Reservoirs 100 miteinander verbunden sind. Am Anfang werden die Leiter 10 und 20 vertikal oder in einem flachen Winkel hinunter geführt und von einem HF-Generator 60, der in einem externen Gehäuse untergebracht sein kann, mit elektrischer Leistung versorgt. Insbesondere verlaufen die Leiter 10 und 20 in gleicher Tiefe nebeneinander, ggf. aber auch übereinander.
Typische Abstände zwischen den Hin- und Rückleitern 10, 20 sind 5 bis 60 m bei einem Außendurchmesser der Leiter von 10 bis 50 cm (0,1 bis 0,5 m).
Eine elektrische Doppelleitung 10, 20 in 2 mit den vorstehend genannten typischen Abmessungen weist einen Längsinduktivitätsbelag von 1.0 bis 2.7 μH/m auf. Der Querkapazitätsbelag liegt bei den genannten Abmessungen bei nur 10 bis 100 pF/m, so dass die kapazitiven Querströme zunächst vernachlässigt werden können. Dabei sind Welleneffekte zu vermeiden. Die Wellengeschwindigkeit ist durch den Kapazitäts- und Induktivitätsbelag der Leiteranordnung gegeben. Die charakteristische Frequenz der Anordnung ist bedingt durch die Schleifenlänge und die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit entlang der Anordnung der Doppelleitung 10, 20. Die Schleifenlänge ist daher so kurz zu wählen, dass sich hier keine störenden Welleneffekte ergeben.
Es lässt sich zeigen, dass die simulierte Verlustleistungsdichteverteilung in einer Ebene senkrecht zu den Leitern – wie sie sich bei gegenphasiger Bestromung des oberen und unteren Leiters ausbildet – radial abnimmt.
Für eine induktiv eingebrachte Heizleistung von 1 kW pro Meter Doppelleitung wird bei 50 kHz eine Stromamplitude von etwa 350 A für niederohmige Reservoirs mit spezifischen Widerständen von 30 Ω·m und etwa 950 A für hochohmige Reservoirs mit spezifischen Widerständen von 500 Ω·m benötigt. Die erforderliche Stromamplitude für 1 kW/m fällt quadratisch mit der Anregungsfrequenz. d. h. bei 100 kHz fallen die Stromamplituden auf 1/4 der obigen Werte.
Bei einer mittleren Stromamplitude von 500 A bei 50 kHz und einem typischen Induktivitätsbelag von 2 μH/m beträgt der induktive Spannungsabfall etwa 300 V/m.
Mit den oben genannten Gesamtlängen der Doppelleiter 10, 20 würde sich der gesamte induktive Spannungsabfall auf Werte > 100 kV aufsummieren. Solche hohe Spannungen müssen aus folgenden Gründen vermieden werden:

– Ein steuernder Stromrichter ist durch die Scheinleistung charakterisiert, d. h. die Sperrspannung und Stromtragfähigkeit, so dass die Verringerung des Blindleistungsbedarfs unverzichtbar ist.
– Die Elektroden müssten gegen das Reservoir 100 hochspannungsfest isoliert werden, um einen resistiven Stromfluss zu unterbinden, was große Isolationsschichtdicken erfordern und die Elektroden und deren Einbringung in das Reservoir verteuern würde.
– Isolationsprobleme bzw. Überschlagsgefahren insbesondere an den Stromeinleitungspunkten.

Daher ist vorgesehen, die Leitungsinduktivität L abschnittsweise durch diskret oder kontinuierlich ausgeführte Serienkapazitäten C zu kompensieren, was in 3 schematisch dargestellt ist. Diese Art der Kompensation ist zwar vom Stand der Technik bei Systemen der induktiven Energieübertragung auf translatorisch bewegte Systeme bekannt. Im vorliegenden Zusammenhang ergeben sich dadurch besondere Vorteile.
Eigenart bei einer in die Leitung integrierten Kompensation ist, dass die Frequenz des HF-Leitungsgenerators auf die Resonanzfrequenz der Stromschleife abgestimmt werden muss. Dies bedeutet, dass die Doppelleitung 10, 20 für Heizzwecke zweckmäßig, d. h. mit hohen Stromamplituden, nur bei dieser Frequenz betrieben werden kann.
Der entscheidende Vorteil bei letzterer Vorgehensweise besteht darin, dass eine Addition der induktiven Spannungen entlang der Leitung verhindert wird. Werden beim oben genannten Beispiel – d. h. 500 A, 2 μH/m, 50 kHz und 300 V/m – beispielsweise alle 10 m je ein Kondensator C_i in Hin- und Rückleiter von 1 μF Kapazität eingebracht, kann der Betrieb dieser Anordnung bei 50 kHz resonant erfolgen. Damit sind die auftretenden induktiven und entsprechend kapazitiven Summenspannungen auf 3 kV begrenzt.
Wird der Abstand zwischen benachbarten Kondensatoren C_i verringert, müssen die Kapazitätswerte umgekehrt proportional zum Abstand steigen – bei proportional zum Abstand verringerter Anforderung an die Spannungsfestigkeit der Kondensatoren –, um dieselbe Resonanzfrequenz zu erhalten.
In 4 ist eine vorteilhafte Ausführungsform von in die Leitung integrierten Kondensatoren mit jeweiliger Kapazität C gezeigt. Die Kapazität wird von Zylinderkondensatoren C_i zwischen einer rohrförmigen Außenelektrode 32 eines Abschnitts I und einer rohrförmigen Innenelektrode 34 des Abschnitts II gebildet, zwischen denen sich ein Dielektrikum 33 befindet. Ganz entsprechend wird der benachbarte Kondensator zwischen den Abschnitten II und III gebildet.
Für das Dielektrikum des Kondensators C sind neben einer hohen Spannungsfestigkeit weiterhin eine hohe Temperaturbeständigkeit zu fordern, da sich der Leiter im induktiv geheizten Reservoir 100, das eine Temperatur von z. B. 250°C erreichen kann, befindet und die resistiven Verluste in den Leitern 10, 20 zu einer weiteren Aufheizung der Elektroden führen können. Die Anforderungen an das Dielektrikum 33 werden von einer Vielzahl von Kondensatorkeramiken erfüllt.
Beispielsweise weisen die Gruppe der Aluminiumsilicate, d. h. Porzellane, Temperaturbeständigkeiten von mehreren 100°C und elektrische Durchschlagsfestigkeiten von > 20 kV/mm bei Permittivitätszahlen von 6 auf. Damit können obige Zylinderkondensatoren mit der erforderlichen Kapazität realisiert werden und eine Baulänge von beispielsweise 1 bis 2 m haben.
Wenn die Baulänge kürzer ausfallen soll, ist eine Ineinanderschachtelung mehrerer koaxialer Elektroden entsprechend dem in den 5 und 7b verdeutlichten Prinzip vorzusehen. Auch andere übliche Kondensatorbauformen können in die Leitung integriert werden, solange diese die erforderliche Spannungs- und Temperaturbeständigkeit aufweisen.
In der 4 ist die gesamte Elektrode bereits von einer Isolation umgeben. Die Isolierung gegen das umliegende Erdreich ist notwendig, um resistive Ströme durch das Erdreich zwischen den benachbarten Abschnitten insbesondere im Bereich der Kondensatoren zu verhindern. Die Isolation verhindert weiterhin den resistiven Stromfluss zwischen Hin- und Rückleiter. Die Anforderungen bzgl. der Spannungsfestigkeit an die Isolation sind jedoch gegenüber der unkompensierten Leitung von > 100 kV auf im obigen Beispiel etwas über 3 kV gesunken und damit durch eine Vielzahl von Isolierstoffen zu erfüllen. Die Isolation muss wie bereits das Dielektrikum der Kondensatoren höheren Temperaturen dauerhaft standhalten, womit sich wiederum keramische Isolierstoffe anbieten. Dabei darf die Isolationsschichtdicke nicht zu gering gewählt werden, da sonst kapazitive Leckströme ins umliegende Erdreich abfließen könnten. Isolierstoffdicken größer z. B. 2 mm sind bei obigem Ausführungsbeispiel ausreichend.
Im Einzelnen ist in 5 gezeigt, dass mehrere rohrförmige Elektroden parallel geschaltet sind. Vorteilhafterweise kann die Parallelschaltung der Kondensatoren zur Erhöhung der Kapazität oder zur Erhöhung ihrer Spannungsfestigkeit genutzt werden. Das elektrische Prinzip dazu ist in 7b dargestellt.
Bei einer Anordnung gemäß 4 kann abschnittsweise eine Elektrolyteinbringung zur gezielten Steigerung der Heizwirkung erfolgen: In der 6 ist die kompensierte Elektrode um ein isoliertes Innenrohr 40 mit isolierten Austrittsöffnungen 41, 42 und 43 erweitert. Damit kann beispielsweise Wasser oder eine elektrisch leitfähige wässrige Salzlösung oder andere Elektrolyte in das Reservoir eingebracht werden, um die Leitfähigkeit des Reservoirs zu erhöhen.
Weiterhin kann das eingebrachte Wasser zur Kühlung des Leiters dienen. Werden die Austrittsöffnungen durch Ventile ersetzt, kann die Leitfähigkeitsänderung zeitlich und räumlich abschnittsweise gezielt erfolgen.
Die Erhöhung der Leitfähigkeit dient der Steigerung der induktiven Heizwirkung, ohne die Stromamplitude in den Leitern erhöhen zu müssen.
Bei den 4 bis 5 erfolgt also eine Kompensation der Längsinduktivität mittels vorwiegend konzentrierter Querkapazitäten: Anstelle mehr oder weniger kurzer Kondensatoren als konzentrierte Elemente in die Leitung einzubringen, kann auch der Kapazitätsbelag den eine Zweidrahtleitung wie z. B. eine Koaxialleitung oder Mehrdrahtleitungen ohnehin über ihre gesamt Länge bereitstellen zur Kompensation der Längsinduktivitäten verwendet werden. Dazu wird in gleichen Abständen abwechselnd der Innen- und Außenleiter unterbrochen und so der Stromfluss über die verteilten Querkapazitäten erzwungen. Ein solches Vorgehen ist in der DE 10 2004 009 896 A1 beschrieben. In diesem zum Stand der Technik gehörenden Dokument wird im Einzelnen erläutert, wie die Resonanzfrequenz durch die Abstände zwischen den Leitungsunterbrechungen eingestellt werden kann.
Letztere Konzepte, die anhand von 7a und 7b verdeutlicht sind, können auch hier vorteilhaft für die Leiter zur induktiven Reservoirheizung eingesetzt werden, wenn die Leitungen – wie bereits oben beschrieben – mit einer zusätzlichen Außenisolation versehen werden, um resistive Querströme ins umliegende Erdreich zu unterbinden. Im Einzelnen bedeuten dabei 51 bis 53 die Elektroden, C_i die über die Elektroden verteilten Kapazitäten und 54 eine jeweilige Unterbrechung der Leiter. Der Vorteil der verteilten Kapazitäten liegt in einer verringerten Anforderung an die Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums.
Selbstverständlich ist auch eine kompensierte Elektrode mit verteilten Kapazitäten in Kombination mit einer Vorrichtung zur Elektrolyteinbringung einsetzbar.
Im Deckgefüge, durch das Hin- und Rückleiter zum Reservoir 100 vertikal geführt sind, ist eine Heizwirkung unerwünscht: Im vertikalen Bereich der Doppelleiter 10, 20, die noch nicht im Reservoir 100 liegt, sondern zu diesem hinunterführt, können Hinleiter 10 und Rückleiter 20 in einem kleinen Abstand von beispielsweise 1 bis 3 m platziert werden, wodurch sich deren Magnetfelder bereits in geringerem Abstand von der Doppelleitung kompensieren und die induktive Heizwirkung entsprechend verringert wird.
Als Alternative können Hinleiter 10 und Rückleiter 20 durch eine beide Leiter umschließende Schirmung aus hochleitfähigem Material umgeben werden, um die induktive Erhitzung des umliegenden Erdreichs des Deckgefüges zu vermeiden.
In weiterer Alternative ist eine koaxiale Leiteranordnung in vertikalen Bereich von Hin- und Rückleiter denkbar, die zu einer vollkommenen Auslöschung der Magnetfelder im Außenbereich und damit zu keinerlei induktiven Erhitzung des umliegenden Erdreichs führt. Der dabei erhöhte Querkapazitiätsbelag kann für die Ausführung eines Gyrators, der gemäß dem Stand der Technik eine Spannung eines spannungseinprägenden Stromrichters in einen Wechselstrom umsetzt, mit zu Hilfe gezogen werden.
Bei allen drei genannten Methoden ist eine Kompensation des jeweiligen Induktivitätsbelags der Leiteranordnung einschließlich der evtl. vorhandenen Schirmung notwendig.
In der 8 ist ein Leistungsgenerator 60 dargestellt, der als Hochfrequenzgenerator ausgebildet ist. Der Leistungsgenerator 60 ist dreiphasig aufgebaut und beinhaltet vorteilhafterweise eine transformatorische Kopplung und Leistungshalbleiter als Bauelemente. Die eigentliche, kompensierte Leiterschleife 10, 20 ist hier als Induktor 95 abstrahiert dargestellt eingezeichnet. Insbesondere beinhaltet die Schaltung einen spannungeinprägenden Wechselrichter. Eine Stromeinprägung mit Lastunabhängiger Grundschwingung, die mittels mit tels Filterbauelementen einstellbar ist, ergibt sich bei geeigneter Wahl des Anpassvierpols hinter diesem. Je nach Topologie des Anpassvierpols ergibt sich eine unterschiedliche Strombelastung des speisenden Wechselrichters.
Der gemäß 7 als Leistungsgenerator ausgebildete Hochfrequenzgenerator 60 kann Leistungen bis zu 2500 kW erzeugen. Typischerweise werden Frequenzen zwischen 5 und 20 kHz verwendet.
Gegebenenfalls können auch höhere Frequenzen eingesetzt werden. Dabei entstehen im speisenden Stromrichter erhöhte, u. U. zu hohe Schaltverluste. Zur Abhilfe lassen sich:

– mehrere Wechselrichter entweder bei Resonanzfrequenz und kleiner Individualleistung und hoher Gesamtleistung parallel schalten. Beispielhaft wird auf die Topologie aus 9 verwiesen, bei der spannungseinprägende Vollbrücken/Vier-Quadrantsteller parallel schaltend auf einen Filter speisen, der die rechteckige Ausgangsspannung in einen Ausgangsstrom umsetzt, und dessen Grundschwingungsamplitude unabhängig von der Lastimpedanz ist.
– Entsprechend lassen sich mehrere Wechselrichter wie in 10 in Serie schalten.
– Alternativ können auch mehrere Wechselrichter in selber Topologie wie in 10 versetzt getaktet bei niedriger Individualfrequenz betrieben, eine hohe Frequenz (Resonanzfrequenz f_r) am Transformatorausgang erzielen.

Wie bereits erwähnt, ist bei einem solchen Generator für den bestimmungsgemäßen Gebrauch ein Betrieb unter Resonanzbedingungen erforderlich, um eine Blindleistungskompensation zu erreichen. Gegebenenfalls ist die Ansteuerfrequenz im Betrieb geeignet nachzustellen.
In 8 ist die Funktion des im Zusammenhang mit 2 bereits erwähnten HF-Generators 60 verdeutlicht: Ausgehend von der 3phasigen Netzwechselspannungsquelle 65 wird ein dreiphasiger Gleichrichter 70 angesteuert, dem übereine lei tung mit Kondensator 71 ein dreiphasiger Wechselrichter 75 nachgeschaltet ist, der periodische Rechtecksignale geeigneter Frequenz generiert. Über ein Anpassnetzwerk 80 aus Induktivitäten 81 und Kondensatoren 82 werden Induktoren 95 als Ausgang angesteuert. Ein Verzicht auf das Anpassnetzwerk ist möglich.
Bei reiner Leiterschleife 10, 15, 20 gemäß 2, die einen zweipoligen Induktor darstellt, kann auch ein einphasiger Generator genutzt werden. Solche Generatoren mit beispielsweise 440 KW bei 50 KHz sind kommerziell erhältlich.
In 9 ist eine entsprechende Schaltung mit drei parallel geschalteten Wechselrichtern 75, 75', 75'' dargestellt. Nachgeschaltet ist hier ein Beispiel für ein Anpassnetzwerk 85 aus Induktivitäten 86, 86' und 86'' . Dem Anpassnetzwerk 85 folgen wie in 8 die hier nicht näher gezeigten Induktoren.
In 10 ist schließlich die Funktion einer Reihenschaltung dreier Wechselrichter 75, 75', 75'' realisiert, bei der über versetzte Taktung höhere Frequenzen und Leistungen oder bei gleichphasiger Taktung höhere Spannungen und so Leistungen erreicht werden. Dafür werden die geschalteten Wechselrichter 75, 75', 75'' mittels eines Transformators 80 mit Induktivitäten 81, 81', 81'' auf der Primärseite sowie Induktivitäten 82, 82', 82'' auf der Sekundärseite geschaltet, so dass sich auf der Sekundärseite eine Reihenschaltung ergibt. Dem Transformator 80 kann wieder ein Anpassvierpol den Induktoren 95 vorgeschaltet werden.
Die beschriebenen HF-Generatoren lassen sich grundsätzlich wie beschrieben als spannungseinprägende Stromrichter oder entsprechend als stromeinprägenden Stromrichter in Reservoirs einsetzen, wo eine Unterstützung durch Dampf oder auch nicht erfolgt. Reservoire mit geringer horizontaler Permeabilität, welche ungenügend dampfdurchlässig sind, können mit diesem Verfahren weiträumig beheizt werden. Auch wenn die elektrische Leitfähigkeit des Reservoirs Inhomogenitäten aufweist – beispielsweise leitfähige Bereiche, die elektrisch vom Rest des Reservoirs isoliert sind, können sich in diesen Inseln Wirbelströme ausbilden und Joulesche Wärme erzeugen. Hier ist es nicht effektiv möglich, vertikale Elektroden mit resistivem Heizen einzusetzen, da dies zusammenhängende elektrisch leitfähige Bereiche zwischen den Elektroden erfordert. Zudem stehen Leitfähigkeit des Reservoirs und Permeabilität in Zusammenhang.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 2006/0151166 A1 [0005]
- DE 102007008292 [0005]
- DE 102007036832 [0005]
- DE 102004009896 A1 [0048]

Claims

Vorrichtung zur „in situ"-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus Ölsand-Lagerstätten als Reservoir, wobei das Reservoir mit Wärmeenergie zur Verringerung der Viskosität des Bitumens oder Schwerstöls beaufschlagt wird, wozu wenigstens eine elektrische/elektromagnetische Heizung vorgesehen und ein Förderrohr zum Wegführen des verflüssigten Bitumen oder Schwerstöl vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in vorgegebener Tiefe des Reservoirs (1) wenigstens zwei linear ausgedehnte Leiter (10, 20) parallel in horizontaler Ausrichtung geführt sind, wobei die Enden der Leiter (10, 20) innerhalb oder außerhalb der Reservoirs (100) elektrisch leitend verbunden sind und zusammen eine Leiterschleife (10, 15, 20) bilden, die einen vorgegebenen komplexen Widerstand realisiert und außerhalb des Reservoirs (100) an einen externen Wechselstromgenerator (60) für elektrische Leistung angeschlossen sind, wobei die Induktivität der Leiterschleife (10, 15, 20) abschnittsweise kompensiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den mit elektrischer Leistung versorgten Leitern (10, 20) ein Injektionsrohr (101) zur Beheizung des Reservoirs (1) mit Wasserdampf vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (10, 20) in gleicher Tiefe des Reservoirs (100) nebeneinander in vorgegebenem Abstand, vorzugsweise 5 bis 60 m, geführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (10, 20) in unterschiedlicher Tiefe des Reservoirs (100) übereinander in vorgegebenem Abstand, vorzugsweise 5 bis 60 m, geführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abschnittsweise Kompensation der Leitungsinduktivitäten (L_i) durch Serienkapazitäten (C_i) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (10, 20) einen runden Querschnitt mit einem Außendurchmesser zwischen 10 und 50 cm (0,1 bis 0,5 m) haben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (10, 20) rohrförmig ausgebildet sind und dass bei den Leitern (10, 20) jeweils Kondensatoren (C_i) für den Hin- bzw. Rückleiter vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein isolierendes Rohr (30) für die rohrförmigen Leiter (10, 20) vorhanden ist, in dem jeweils gegenüber liegend abschnittsweise eine rohrförmige Außenelektrode (32) und eine rohrförmige Innenelektrode (34) angeordnet sind, welche jeweils über ein Dielektrikum (33) miteinander gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Kapazität oder Erhöhung der Spannungsfestigkeit mehrere Kondensatorelektroden (32, 34, 35) parallel geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (33) aus Keramik, beispielsweise Aluminiumsilikate (Al₆Si₂O₁₃ ₎ oder aus Kompositen auf der Basis Teflon, Glasfaser und Keramik, gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Elektroden (32, 34, 35) umfassende Rohr (30) eine Isolationsschicht (31) aufweist oder vollständig aus einem Isolator gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (40 bis 44) zur Zuführung eines Elektrolyten (45) für die rohrförmigen Leiter aus Außenelektrode (32), Dielektrikum (33) und Innenelektrode (34, 35) vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (45) innerhalb des Leiters geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (45) jeweils abschnittsweise aus dem Rohr (30) ausgeleitet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Auslässe (41 bis 44) mit Ventilen zur Ausleitung des Elektrolyten (45) aus dem Rohr (30, 40) vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile zeitlich und räumlich abschnittsweise, also unabhängig voneinander, einstellbar ist, insbesondere geöffnet und geschlossen werden können.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgestimmte Leiterschleife (10, 15, 20) von einem HF-Leistungsgenerator (60) bei der Resonanzfrequenz (f_r) betrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als HF-Leistungsgenerator (60) ein Leistungselektronisches Betriebsmittel eingesetzt wird, das ein- oder mehrphasig, vorzugsweise dreiphasig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Leistungsgenerator durch einen frequenzgesteuerten Umrichter (60 bis 80) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein HF-Leistungsgenerator (60) vorhanden ist, dessen Ausgangsfrequenz mit der Resonanzfrequenz (fr) der kompensierten Leiterschleife (10, 15, 20) abgestimmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Leistungsgenerator (60) außerhalb vom Reservoir (100) in einem abgeschlossenen Behälter angeordnet ist und im Behälter außerhalb des Reservoirs (100) an die Leiterschleife (10, 15, 20) ankoppelbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kompensierte Leiterschleife (10, 15, 20) mehrphasig, beispielsweise dreiphasig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsgenerator (60) als HF-Generator elektrische Leistungen bis 2500 kW bei 5 bis 200 kHz, beispielsweise 450 kW bei 50 KHz, liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsgenerator (60) durch Parallelschaltung mehrerer Stromrichter (75, 75', 75'') gebildet wird, so dass eine möglichst hohe Ausgangsleistung erzielt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsgenerator (60) durch Serienschaltung mehrerer Stromrichter (75, 75', 75'') gebildet wird, so dass eine möglichst hohe Ausgangsleistung erzielt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistung des Leistungsgenerators (60) durch versetztes Takten einzelner Wechselrichter (75, 75', 75'') generiert wird, womit eine hohe Ausgangsleistung bei individuell niedriger Schaltfrequenz erzielbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichter (75, 75', 75'') aus Leistungshalbleitern aufgebaut sind.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangstransformator (80) zur Spannungsanpassung verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromeinprägender Stromrichter sein Ausgangssignal ggf. zur Spannungseinprägung in ein lastunabhängiges Spannungssignal umwandelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein spannungseinprägender Stromrichter sein Ausgangssignal ggf. zur Stromeinprägung in ein lastunabhängiges Stromsignal umwandelt.