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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zur induktiven Heizung einer Ölsandlagerstätte und/oder einer Ölschieferlagerstätte mit einer Leitereinrichtung, welche zumindest bereichsweise in die Ölsandlagerstätte und/oder die Ölschieferlagerstätte einbringbar ist, wobei die Leitereinrichtung einen Innenleiter und einen Außenleiter aufweist.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zur Förderung von Schweröl und/oder Bitumen aus einer Ölsandlagerstätte und/oder einer Ölschieferlagerstätte und/oder einer Bitumenlagerstätte und/oder einer Schweröllagerstätte mit einer solchen Heizvorrichtung, sowie ein Verfahren zum Betrieb der Heizvorrichtung.
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Die Förderung von Öl, insbesondere von Schwerölen oder Bitumen beispielsweise aus einem Reservoir einer Ölsandlagerstätte und/oder Ölschieferlagerstätte und/oder einer Bitumenlagerstätte und/oder einer Schweröllagerstätte kann durch verschiedene Methoden verbessert werden. Nach einer Methode kann die Viskosität des Öls erniedrigt werden, indem die Temperatur im Reservoir erhöht wird. Ein in diesem Zusammenhang verbreitetes Verfahren ist das sogenannte SAGD-Verfahren (SAGD – Steam Assisted Gravity Drainage). Hierbei wird Wasserdampf, dem ein Lösungsmittel zugesetzt sein kann, unter hohem Druck durch ein innerhalb des Reservoirs insbesondere horizontal verlaufendes Rohr eingepresst. Hierbei löst sich das Schweröl oder der Bitumen aus dem Ölsand-, Ölschiefer- oder Schwerölvorkommen. Durch ein entsprechendes Förderrohr, welches in das Reservoir eingebracht ist, kann das Schweröl oder das Bitumen abtransportiert werden.
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Eine weitere Methode zur Erhöhung der Temperatur der Lagerstätte ist das Aufheizen der Lagerstelle mittels Elektrizität. Diese Methode kann auch mit dem Dampf-Verfahren kombiniert werden. Das elektrische Heizen kann insbesondere durch Radiowellen oder elektromagnetische Felder erfolgen. Beim induktiven Heizen mittels eines Induktors wird in die Lagerstätte (d.h. in das Erdreich) elektrische Heizenergie eingebracht. Mittels des Induktors werden in elektrisch leitfähigen Lagerstätten durch sich ausbildende elektromagnetische Felder Wirbelströme induziert, welche die Lagerstätte aufheizen, so dass es folglich zu einer Verbesserung der Fließfähigkeit der in der Lagerstätte vorliegenden Kohlenwasserstoffe kommt. Wirbelströme werden dabei insbesondere in dem Porenwasser der Lagerstätte, das durch darin gelöste Salze eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, induziert. Der Wärmeübergang vom Wasser zur Kohlenwasserstoff erfolgt insbesondere durch Wärmeleitung.
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Die elektrische Leistung, welche für das elektrische Heizen benötigt wird, bedingt hohe Anforderungen an das zu verwendende Kabel und dessen elektrischen Parameter. Insbesondere die parasitären Spannungsabfälle entlang des Kabels sind zu beherrschen und auf handhabbare Größenordnungen zu reduzieren. Auch sind hohe Feldstärkenerhöhungen in den Bereichen von Unterbrechungen des Induktorkabels (auch Leitereinrichtung genannt) zu erwarten, was zu weiteren Anforderungen an die elektrische Spannungsfestigkeit führt.
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Bei dem SAGD-Verfahren können zudem entsprechende Heizvorrichtungen eingesetzt werden, mit denen das Reservoir aufgeheizt werden kann und somit die Fließfähigkeit des Bitumens und/oder des Öls erheblich erhöht werden kann. Hierzu werden entsprechende Bohrungen in das Reservoir eingebracht, in welche wiederum eine als Leiterschleife ausgebildete Leitereinrichtung der Heizvorrichtung eingebracht wird. Die Leitereinrichtung ist mit einem Wechselstromgenerator elektrisch verbunden, der zur Bestromung der Leitereinrichtung dient. Die mit dem Wechselstrom behaftete Leitereinrichtung erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld im Reservoir, durch welches Wirbelströme in dem Reservoir erzeugt werden.
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Um die gewünschten Heizleistungsdichten von typisch 1 bis 10 Kilowatt je Meter Länge der Leitereinrichtung zu erreichen, ist es erforderlich – je nach Leitfähigkeit des Reservoirs – Stromstärken von einigen 100 Ampere bei Frequenzen von typisch 20 bis 200 Kilohertz einzuprägen. Zur Kompensation des induktiven Spannungsabfalls entlang der Leitereinrichtung werden üblicherweise Kondensatoren zwischengeschaltet, wodurch ein Serienresonanzkreis entsteht. Dieser Serienresonanzkreis wird bei seiner Resonanzfrequenz betrieben und stellt an seinen Klemmen eine rein ohmsche Last dar. Ohne diese Serienkondensatoren würde sich der induktive Spannungsabfall entlang der Länge der Leitereinrichtung aufsummieren. Da die Leitereinrichtung beispielsweise eine Länge von einigen hundert Metern aufweisen kann, kann sich der induktive Spannungsabfall auf einige 10 bis 100 Kilovolt aufsummieren. Derartige induktive Spannungsabfälle sind unter anderem bezüglich der Isolation gegen das umliegende Erdreich in dem Reservoir schwer handhabbar. Weiterhin müsste eine Kompensation der Blindleistung an oder in dem Wechselstromgenerator erfolgen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache Heizvorrichtung mit Leitereinrichtung anzugeben, welche die elektrischen Eigenschaften erfüllt, die für den Einsatz der Leitereinrichtung in der Heizvorrichtung notwendig sind.
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Eine Lösung der Aufgabe gelingt bei einer Heizvorrichtung nach Anspruch 1, sowie durch eine Anordnung nach Anspruch 9 und nach einem Verfahren nach Anspruch 10. Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 9 und 11 bis 13.
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Eine Heizvorrichtung zur induktiven Heizung einer Lagerstätte für Köhlenwasserstoffe, also insbesondere eine Ölsandlagerstätte und/oder eine Ölschieferlagerstätte und/oder eine Bitumenlagerstätte und/oder eine Schweröllagerstätte weist eine Leitereinrichtung auf. Die Leitereinrichtung ist zumindest bereichsweise in die Lagerstätte einbringbar. Die Leitereinrichtung befindet sich also zumindest teilweise z.B. in der Ölsandlagerstätte und/oder der Ölschieferlagerstätte und/oder der Bitumenlagerstätte und/oder der Schweröllagerstätte. Eie Leitereinrichtung weist einen Innenleiter und einen koaxial zu dem Innenleiter angeordneten Außenleiter auf, wobei der Innenleiter und der Außenleiter kapazitiv gekoppelt sind. Die Heizvorrichtung weist auch einen Wechselstromgenerator zum Bereitstellen eines Wechselstroms auf, wobei der Wechselstromgenerator mit der Leitereinrichtung elektrisch verbunden ist. Die Leitereinrichtung weist eine Endkapazität auf.
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In einer Ausgestaltung der Leitereinrichtung weist diese als Innenleiter ein erstes Rohr auf und als Außenleiter ein zweites Rohr auf. Eine derartige Rohr-im-Rohr Konstruktion bildet eine zylindrische Kapazität aus, welche über die gesamte Länge der Leitereinrichtung verteilt ist. Die Endkapazität kann als eine Art kapazitiver Abschlusswiderstand betrachtet werden und/oder als ein Abstimmungsmittel für den sich ausbildenden Schwingkreis.
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In einer Ausgestaltung der Heizvorrichtung weist die Leitereinrichtung an beiden Endseiten eine Endkapazität auf.
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In einer Ausgestaltung der Heizvorrichtung weist diese benachbarte Leitereinrichtungen auf. Die benachbarten Leitereinrichtungen können von einem Wechselstromgenerator gespeist werden oder von unterschiedlichen Wechselstromgeneratoren. Mittels der Endkapazität lassen sich benachbarte Leitereinrichtungen abstimmen. Die Leitereinrichtungen bilden jeweils eine Schleife, wobei die Leitereinrichtungen insbesondere induktiv gekoppelt sind.
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Durch die eine Endkapazität oder die Vielzahl von Endkapazitäten können benachbarte, also insbesondere induktiv gekoppelte Leitereinrichtungen mit der gleichen Frequenz gespeist werden. Es ist also ein synchroner Betrieb unterschiedlicher Leitereinrichtungen möglich. Durch die Endkapazität ist eine Abstimmung (also ein Tunen) auf eine bestimmte individuelle Resonanzfrequenz einer Leitereinrichtung möglich, um die erforderliche Betriebsfrequenz für das System zu erreichen.
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In einer Ausgestaltung der Heizvorrichtung ist die Endkapazität bzw. sind die Endkapazitäten insbesondere einer Leitereinrichtung und/oder einer Vielzahl von Leitereinrichtungen auf die Speisefrequenz für die jeweilige Leitereinrichtung abgestimmt.
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In einer Ausgestaltung der Heizvorrichtung ist der Kapazitätswert der Endkapazität veränderbar. Der Kapazitätswert kann kontinuierlich oder in Stufen veränderbar sein. Durch die Veränderbarkeit ist eine einfache Anpassung an die Randbedingungen möglich. Beispielsweise kann sich durch zusätzliche Leitereinrichtungen im Reservoir die jeweilige Resonanzfrequenz der Leitereinrichtung ändern.
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Weist die Leitereinrichtung einen Außenleiter und einen Innenleiter auf, insbesondere als Rohr-im-Rohr Konstruktion, so ermöglicht dies eine Verteilung der kapazitiven Eigenschaft der Leitereinrichtung über deren gesamte Länge. Dadurch lässt sich der induktive Spannungsabfall über die Länge der Leitereinrichtung kompensieren.
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Zusammen mit der zusätzlichen Kapazitäten am Ende der Leitereinrichtung (Endkapazitäten), welche als diskrete Kapazitäten realisiert sind, kann die für das Reservoir erforderliche Resonanzfrequenz eingestellt werden. Die Endkapazitäten befinden sich insbesondere an der Oberfläche und nicht im Reservoir.
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Ist die Leitereinrichtung ohne Unterbrechungen des Innenleiters und/oder des Außenleiters ausgeführt, gibt es keine Felderhöhungen in der Leitereinrichtung.
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In einer Ausgestaltung der Heizvorrichtung ist in einen Zwischenraum zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter ein dielektrisches Fluid eingebracht, wobei der Innenleiter und der Außenleiter im Wesentlichen über das dielektrische Fluid kapazitiv gekoppelt sind. Die Endkapazität kann dabei an das verwendete dielektrische Fluid angepasst werden. Das Fluid ist beispielsweise ein Gas, welches insbesondere Stickstoff und/oder Schwefelhexaflourid aufweist. Das Fluid kann aber auch eine Flüssigkeit wie Silikonöl sein.
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In einer Ausgestaltung der Heizvorrichtung ist der Wechselstromgenerator elektrisch, insbesondere direkt, an einem ersten Ende der Leitereinrichtung mit dem Außenleiter und an einem zweiten Ende der Leitereinrichtung mit dem Innenleiter elektrisch verbunden. Anstelle des Wechselstromgenerators kann hier wie auch in den anderen Ausführungen die Leitereinrichtung mit einem Wechselstromnetz bzw. mit einem Drehstromnetz bzw. mit einem Wechselrichter bzw. mit einem Umrichter verbunden sein.
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Ist aber beispielsweise am Ort des Ölreservoirs kein elektrisches Netz ausreichender Leistung vorhanden, so kann ein Wechselstromgenerator eingesetzt werden, welcher z.B. durch einen Diesel oder eine Gasturbine antreibbar ist. Durch die an den Wechselstromgenerator angeschlossene Leitereinrichtung mit einem Innenleiter und einem koaxial zu dem Innenleiter angeordneten Außenleiter, kann das Kohlenwasserstoff Reservoir aufgeheizt werden, da der Innenleiter und der Außenleiter kapazitiv gekoppelt sind, und mit einem Wechselstromgenerator zum Bereitstellen eines Wechselstroms, welcher mit der Leitereinrichtung elektrisch verbunden ist, bestromt werden.
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In einer Ausgestaltung der Heizvorrichtung erfolgt der Anschluss des Wechselstromgenerators an einem Ende der Leitereinrichtung direkt mit dem Außenleiter und kapazitiv mit dem Innenleiter und an dem weiteren Ende der Leitereinrichtung direkt mit dem Innenleiter und kapazitiv mit dem Außenleiter. Bei dieser Ausführungsform weist insbesondere weder der Außenleiter noch der Innenleiter eine Unterbrechung auf. Somit bildet in diesem Fall die komplette Leitereinrichtung eine Resonanzlänge.
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Bei einer Anordnung zur Förderung von Schweröl und/oder Bitumen aus einer Ölsandlagerstätte und/oder einer Ölschieferlagerstätte und/oder einer Bitumenlagerstätte und/oder einer Schweröllagerstätte kann eine Heizvorrichtung nach einer der obig oder im folgenden beschriebenen Ausführungen eingesetzt werden. Die Anordnung weist neben der Heizvorrichtung auch ein Förderrohr zum Fördern des durch die Heizvorrichtung verflüssigten Schweröls und/oder Bitumens auf. Das Förderrohr kann der Innenleiter und/oder der Außenleiter sein.
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In einem Verfahren zum Betrieb einer Heizvorrichtung, nach einer der obig oder im folgenden beschriebenen Ausführungen, wird die Kapazität der Leitereinrichtung verändert, um insbesondere eine Abstimmung der Resonanzfrequenz zu erreichen. Die Veränderung der Kapazität betrifft insbesondere zumindest eine der Endkapazitäten der Leitereinrichtung und/oder das Dielektrikum der Leitereinrichtung, welches ausgetauscht wird um die Kapazität zu verändern. Die Veränderung der Kapazität erfolgt beispielsweise mittels einer Steuerung und/oder einer Regelung, wobei beispielsweise Kondensatorbänke zuschaltbar oder abschaltbar sind.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Frequenz des Wechselstromgenerators verändert. Die Frequenzänderung dient der Einstellung der Betriebsfrequenz, welche von der Resonanzfrequenz und damit von der gewählten Kapazität der Leitereinrichtung abhängt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten exemplarischen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Heizvorrichtung zum induktiven Heizen von Ölsandlagerstätten und/oder Ölschieferlagerstätten und/oder Bitumenlagerstätten und/oder Schweröllagerstätten, wobei die Heizvorrichtung eine Leitereinrichtung mit einem Außenleiter und einem Innenleiter aufweist, und
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2 eine Heizvorrichtung mit Endkapazitäten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Heizvorrichtung 1 zur induktiven Heizung einer Ölsandlagerstätte und/ oder einer Ölschieferlagerstätte und/oder einer Bitumenlagerstätte und/oder einer Schweröllagerstätte. Die Heizvorrichtung 1 kann für eine Anordnung zur Förderung von Schweröl und/oder Bitumen aus diesen Ölsandlagerstätten und/oder Ölschieferlagerstätten und/oder Bitumenlagerstätte und/oder Schweröllagerstätte dienen. Bei diesen Anordnungen wird beispielsweise gemäß dem SAGD-Verfahren mittels eines Rohrs, das in ein Reservoir der Ölsandlagerstätte und/oder der Ölschieferlagerstätte und/oder der Bitumenlagerstätte und/oder der Schweröllagerstätte eingebracht ist, Wasserdampf zusammen mit Lösungsmittel eingebracht. Dies bewirkt, dass sich das Schweröl oder Bitumen aus dem Sand oder dem Gestein herauslösen und somit mittels eines entsprechenden Förderrohrs abtransportiert werden kann. Mittels der Heizvorrichtung 1 kann das Reservoir zusätzlich erwärmt werden.
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Die Heizvorrichtung 1 weist eine Leitereinrichtung 2, die vorliegend als Leiterschleife ausgebildet ist, auf. Die Leitereinrichtung 2 weist einen Innenleiter 3 und einen Außenleiter 4 auf. Der Außenleiter 4 und der Innenleiter 3 können beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein. Der Innenleiter 3 und der Außenleiter 4 bilden zusammen einen Koaxialleiter. Sowohl der Innenleiter 3, wie auch der Außenleiter 4 können ein Rohr sein. Das bzw. die Rohre werden insbesondere aus Einzelrohren zusammengesetzt, welche beispielsweise miteinander verschweißt sind. Die Länge der Leitereinrichtung 2 kann beispielsweise mehrere hundert Meter betragen. Der Durchmesser des Außenleiters kann beispielsweise zwischen 15 und 50 Zentimetern betragen.
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Eine Ausführung der Leitereinrichtung 2 als eine Rohr-in-Rohr-Lösung ist kostengünstig herstellbar. Die Rohre, welche insbesondere koaxial angeordnet sind, bilden eine zylinderartige Kapazität aus, welche sich über die Länge der Leitereinrichtung 2 erstreckt. In der Darstellung nach 1 ist das Rohr des Innenleiters 3 als ein Strich dargestellt.
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In einem Zwischenraum 5 zwischen dem Innenleiter 3 und dem Außenleiter 4 ist ein dielektrisches Fluid angeordnet. Das dielektrische Fluid kann einerseits zur elektrischen Isolierung zwischen dem Innenleiter 3 und dem Außenleiter 4 dienen. Andererseits kann das dielektrische Fluid zur kapazitiven Kopplung des Innenleiters 3 und des Außenleiters 4 dienen. Der Außenleiter 4 bzw. die Verbindung zwischen dem Innenleiter 3 und dem Außenleiter 4 ist beispielsweise hermetisch dicht ausgebildet. Das dielektrische Fluid kann ein Gas sein. Dieses Gas kann beispielsweise Stickstoff und/oder Schwefelhexafluorid aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform ist das dielektrische Fluid eine Flüssigkeit. Eine solche Flüssigkeit kann beispielsweise ein Silikonöl oder ein Synthetiköl sein. Das dielektrische Fluid dient dem kapazitiven Koppeln zwischen dem Innenleiter 3 und dem Außenleiter 4. Es sind also insbesondere keine Kondensatoren als Bauteile zwischen den Innenleiter 3 und den Außenleiter 4 geschaltet.
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Die über die gesamte Länge der Leitereinrichtung 2 verteilte Kapazität kompensiert den induktiven Spannungsabfall über die Länge der Leitereinrichtung 2. Zusammen mit den zusätzlichen Endkapazitäten 10 und 11, welche als diskrete Komponenten realisiert sind und nicht als Teil der Geometrie der Leitereinrichtung 2, kann das System auf die Resonanzfrequenz des Reservoirs abgestimmt werden. Die Endkapazitäten 10 und 11 sind insbesondere an der Oberfläche 13, wie dies auch in 2 dargestellt ist. Da die Leitereinrichtung 2 durch die koaxiale Gestalt und kontinuierliche elektrische Leitung von Außenleiter 4 und Innenleiter 3 keine elektrischen Unterbrechungen aufweist, ergibt sich ein kontinuierliches Feld ohne Sprünge, die durch Leiterunterbrechungen hervorgerufen sein können.
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Die Heizvorrichtung 1 weist auch einen Wechselstromgenerator 6 auf. Der Wechselstromgenerator 6 ist an einem ersten Ende 7 elektrisch, insbesondere ohne Kapazität, mit dem Innenleiter 3 der Leitereinrichtung 2 verbunden und über eine Endkapazität 11 mit dem Außenleiter 4 der Leitereinrichtung 2. An einem zweiten Ende 8 der Leitereinrichtung 2 ist der Wechselstromgenerator 6 mit dem Außenleiter 4 elektrisch, insbesondere ohne Kapazität, verbunden und über eine Endkapazität 10 mit dem Innenleiter 3 der Leitereinrichtung. In diesem Fall dienen also sowohl der Außenleiter 4 als auch der Innenleiter 3 zum Stromtransport. Vorliegend wird der Wechselstrom zwischen dem Innenleiter 3 und dem Außenleiter 4 angelegt, so dass sich entlang der Länge der Leitereinrichtung 2 eine Kapazitive Ladung und Entladung ergibt. In diesem Ausführungsbeispiel weisen weder der Innenleiter 3 noch der Außenleiter 4 eine Unterbrechung auf. Somit bildet die gesamte Leitereinrichtung 2 bzw. die Leiterschleife eine Resonanzlänge.
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Die Darstellung nach 2 zeigt eine Heizvorrichtung 1 mit in ihrem Kapazitätswert einstellbaren Endkapazitäten 10 und 11, was durch einen Pfeil 12 angedeutet ist. Die Endkapazitäten befinden sich an der Oberfläche und die Leitereinrichtung 2 zumindest überwiegend im Untergrund.
