DE2636565A1

DE2636565A1 - Heating tar sands in situ - by electrical induction to assist oil extraction

Info

Publication number: DE2636565A1
Application number: DE19762636565
Authority: DE
Inventors: Sydney T Fisher
Original assignee: FISHER CHARLES B
Current assignee: FISHER CHARLES B
Priority date: 1976-08-13
Filing date: 1976-08-13
Publication date: 1978-02-16

Abstract

Natural underground deposits of crude oil, esp. mixed with e.g. tar or bituminous sands are heated by electrical induction heating of a limited section of the deposit to assist extraction of the oil. Heating is continued until the temp. in the heated section reaches a given value and may be continued during extraction of the oil. It is carried out by passing an alternating current of predetermined voltage, current intensity, wave form and frequency through a conductor which encloses part of the formation. Heating is achieved without affecting the oil present by combustion or carbonisation.

Description

Erwärmung einer Kohle nwas ser-Heating a coal water

stoff-Ablagerung.fabric deposition.

Die Erfindung betrifft die Erwärmung einer insbesondere unterirdischen Ablagerung natürlich vorkommender Kohlenwasserstoffe, z.B. einer Ablagerung von Sand mit eingeschlossenem oder angebundenem Rohöl.The invention relates to the heating of a particularly underground Deposition of naturally occurring hydrocarbons, e.g. a deposition of Sand with entrapped or tethered crude oil.

Im nördlichen Teil der kanadischen Provinz Alberta befinden sich Lagerstätten sogenannter "Teersande" (, die man wahrscheinlich richtiger "bituminöse Sande'1 nennen sollte). Gelegentlich liegen die Lagerstätten an der Oberfläche frei, sind jedoch im allgemeinen von einer Bodenschicht unter schiedlicher Dicke bedeckt. Die bituminösen Sande enthalten einen großen Anteil Quarzsand von z.B. 80%, kleine Mengen Ton, ungefähr 5% Wasser und ungefähr 15, häufig jedoch auch weniger Gewichtsprozent Bitumen. Man schätzt, daß die bituminösen Sand-Ablagerungen mehr als 1012 Barrels bl enthalten.There are deposits in the northern part of the Canadian province of Alberta so-called "tar sands" (which one probably more correctly "bituminous sands" 1 should call). Occasionally the deposits are exposed on the surface but generally covered by a soil layer of varying thickness. the bituminous sands contain a large proportion of quartz sand, e.g. 80%, small amounts Clay, about 5% water and about 15, but often less, weight percent Bitumen. The bituminous sand deposits are estimated to be in excess of 1012 barrels bl included.

Schon seit Jahren werden Anstrengungen zur Gewinnung des öls unternommen. Verschiedene Gewinnungsverfahren sind vorgeschlagen worden. Zu diesen gehört der Vorschlag, den Sand abzubauen und anschließend das Rohöl aus dem Sand zu extrahieren. Mit dem Abbau und der zugeordneten Extraktion sind jedoch unvertretbar hohe Kapitalinvestitionen, hoher Energieeinsatz, ökologische Schäden und Kosten für Extraktion und Raffination verbunden.Efforts to extract the oil have been made for years. Various recovery methods are suggested been. to these include the proposal to mine the sand and then remove the crude oil from the Extract sand. However, with the dismantling and the associated extraction are unacceptable high capital investments, high energy consumption, ecological damage and costs linked for extraction and refining.

Weitere Vorschläge gehen dahin, daß Rohöl aus den Sanden an Ort und Stelle, d.h. in situ ohne vorherigen Abbau des Sandes zu extrahieren. Unter Berücksichtigung der Erkenntnis, daß die meisten abbauwürdigen Rohöllager sehr viel tiefer als die bituminösen Sande in Alberta liegen und daher höheren Temperaturen und Drücken als diese ausgesetzt sind, wurde der Vorschlag gemacht, auf künstlichem Wege in den bituminösen Sanden Albertas gleiche Bedingungen zu erzeugen. Kein Erfolg brachte der Einsatz von Wechselstrom, der an zwei in eine bituminöse Sand-Ablagerung eingebettete Elektroden angelegt wurde, um einen Abschnitt der bituminösen Sand-Ablagerung durch Stromwärme zu erwärmen. Dies lag gewöhnlich an der Bildung verkohlter Strompfade zwischen den Elektroden, wodurch die Stromstärke begrenzt wurde. Da die thermische Leitfähigkeit der Ablagerungen relativ klein ist, konnte durch Erwärmung einzelner Pfade relativ kleiner Abmessungen innerhalb einer bituminösen Sand-Ablagerung auch keine Erhöhung der Gesamttemperatur der Ablagerung oder wenigstens eines ausreichend großen Volumens derselben auf einen gewünschten Wert erzielt werden.Other proposals are that crude oil from the sands in place and Site, i.e. extracting in situ without prior removal of the sand. Considering realizing that most minable crude oil deposits are much deeper than that bituminous sands are located in Alberta and therefore have higher temperatures and pressures than If these are exposed, the suggestion was made to enter the Bituminous sands of Alberta to create equal conditions. No success brought the use of alternating current embedded in a bituminous sand deposit at two Electrodes were applied to a section of the bituminous sand deposit through it To heat electricity heat. This was usually due to the formation of charred current paths between the electrodes, which limited the current. Since the thermal Conductivity of the deposits is relatively small, could be caused by heating individual Paths of relatively small dimensions within a bituminous sand deposit also no increase in the overall temperature of the deposit, or at least sufficient large volume of the same can be achieved to a desired value.

Ein weiterer Vorschlag geht dahin, Rohöl aus unterirdischen bituminösen Sand-Ablagerungen durch gewaltsames Einleiten von Dampf in die Ablagerung zu extrahieren und das Bitumen zu emulgieren. Der Einsatz von Dampf erfordert jedoch die Erzeugung großer Mengen Prozeßwärme an der Oberfläche. Außerdem gibt es das Problem, daß der Dampf nicht immer im ausreichenden Maß auf denjenigen Abschnitt der Ablagerung beschränkt werden kann, aus welchem das Rohöl extrahiert werden soll. Der Dampf hat vielmehr die Neigung, aus der behandelten Ablagerung auszublasen. Bis zu einer halben Tonne Dampf war zur Gewinnung eines Barrels Rohöl erforderlich. Außerdem zeigen die heißen Emulsionen, die einen hohen pH-Wert haben, die Neigung, Quarz zu lösen und Ton zu verdrängen, woraus sich Fließ- und Trennungsprobleme ergeben.Another proposal is to extract crude oil from underground bituminous Extract sand deposits by forcing steam into the deposit and emulsify the bitumen. However, the use of steam requires generation large amounts of process heat on the surface. aside from that there is that Problem that the steam is not always in sufficient measure on that section the deposit from which the crude oil is to be extracted can be restricted. Rather, the steam tends to blow out of the treated deposit. Up to half a ton of steam was required to produce a barrel of crude oil. In addition, the hot emulsions that have a high pH value tend to Dissolving quartz and displacing clay, resulting in flow and separation problems.

Weiterhin ist auch vorgeschlagen worden, einen Teil des Rohöls an Ort und Stelle abzubrennen und dadurch so viel Wärme zu erzeugen, daß sich die Temperatur des verbleibenden Teils des Rohöls ausreichend genug erhöht, daß es in geeignete Bohrungen fließen kann, aus denen es sich dann extrahieren oder abziehen läßt. Diese Verfahren sind jedoch bis heute im großen und ganzen unbefriedigend geblieben und würden selbst bei zufriedenstellender praktischer Durchführbarkeit einen großen Teil der im unterirdischen Rohöl gespeicherten Energie aufgrund des Verbrennungsvorganges vergeuden.Furthermore, it has also been proposed to use part of the crude oil Burn down on the spot and thereby generate so much heat that the temperature of the remaining part of the crude oil is increased sufficiently enough to turn it into suitable Bores can flow from which it can then be extracted or subtracted. These However, methods have remained largely unsatisfactory to date and would be a great one even if the practical feasibility is satisfactory Part of the energy stored in the underground crude oil due to the combustion process waste.

Auch Kernexplosionen, allerdings ohne experimentelle Überprüfung,sind schon erwogen worden, um die Temperatur und den Druck in einer unterirdischen Ablagerung zu erhöhen und dadurch die Gewinnung mindestens eines Teils des Rohöls zu ermöglichen. Sicherlich jedoch würde das Rohöl durch eine Kernexplosion mindestens teilweise verkohlt. Außerdem wäre der überwiegende Anteil oder sogar das gesamte Rohöl, das sich mit einem solchen Verfahren, wenn es überhaupt praktikabel wäre, gewinnen liesse, radioaktiv verseucht.There are also nuclear explosions, albeit without experimental verification Considered the temperature and pressure in an underground deposit to increase and thereby enable the extraction of at least part of the crude oil. Certainly, however, a nuclear explosion would at least partially destroy the crude oil charred. Also, most or all of the crude oil would be that With such a procedure, if it were at all practicable, it could be won, radioactively contaminated.

Die Erfindung geht von der Sberlegung aus, daß Extraktionsmethoden zur Gewinnung von öl aus bituminösen Sanden und dergleichen sehr viel zufriedenstellender wären, wenn es ein befriedigendes Verfahren zur Erwärmung eines ausreichend großen Volumens des bituminösen Sandes an Ort und Stelle, also in situ ohne übermäßigen Verbrauch oder übermäßige Zerstörung z.B. durch Verbrennen, Verkohlen u.s.w., des im Sand eingeschlossenen Rohöls gäbe.The invention is based on the consideration that extraction methods for the extraction of oil from bituminous sands and the like are much more satisfactory would be if there was a satisfactory method of heating a large enough Volume of bituminous sand in place, i.e. in situ without excessive Consumption or excessive destruction e.g. by burning, charring, etc., des there would be crude oil trapped in the sand.

Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Erwärmung eines bestimmten Abschnittes einer Kohlenwasserstoff-Ablagerung an Ort und Stelle anzugeben, bei der keine nennenswerte Verbrennung der Kohlenwasserstoff-Bestandteile an Ort und Stelle innerhalb der durch die Eigenart der Bestandteile der Ablagerung, der Umgebungsbedingungen und der verwendeten Geräte gegebenen Grenzen stattfindet.Accordingly, the object of the invention is to provide a possibility to heat a specific section of a hydrocarbon deposit Specify the place where there is no significant combustion of the hydrocarbon constituents on the spot within the boundaries of the nature of the constituent parts of the deposit, the environmental conditions and the devices used.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch elektrische Induktionserwärmung eines bestimmten Abschnittes einer insbesondere unterirdischen Ablagerung natürlich vorkommender Kohlenwasserstoffe, insbesondere einer Ablagerung von Sand mit eingeschlossenem Rohöl, an Ort und Stelle.The inventive solution to this problem is characterized by electrical induction heating of a particular section of a particular underground deposition of naturally occurring hydrocarbons, in particular a deposit of sand with entrapped crude oil, in place.

Hierbei werden unter "Kohlenwasserstoffe ein oder mehrere Bestandteile des Rohöls, des Lignits oder anderer in der Natur vorkommender unteriridischer Ablagerungen verstanden, von denen einige in Ablagerungen anderer Stoffe, z.B. Sand eingeschlossen sind und die sich aus den Elementen Wasserstoff und Kohlenstoff, manchmal mit zusätzlichen anderen Elementen-, zusammensetzen.Here, “hydrocarbons” are one or more constituents of crude oil, lignite or other naturally occurring underground deposits understood, some of which are trapped in deposits of other substances, e.g. sand are made up of the elements hydrogen and carbon, sometimes with additional other elements, put together.

Die elektrische Induktionserwärmung eines bestimmten Abschnittes der unterirdischen Ablagerung kann dadurch bewirkt werden, daß man Wechselstrom durch einen oder mehrere unterirdische Leiter fließen läßt, die längs eines solchen Weges oder solcher Wege geführt sind, daß das zu behandelnde Volumen der Kohlenwasserstoff-Ablagerung im wesentlichen umschlossen ist. Das Volumen ist dann "im wesentlichen umschlossen", wenn es vom leitfähigen Weg derart umgeben ist, daß beim Hindurchleiten eines Wechselstromes ein elektromagnetisches Feld entsteht, dessen Stärke mindestens in einem' beträchtlichen Abschnitt des umschlossenen Volumens überall so groß istpaß desesich durch Induktion bequem auf eine gewünschte Temperatur erwärmen kann, deren Höhe zur Erleichterung der Extraktion der Kohlenwasserstoffe ausreicht. Bei zweckentsprechender Festlegung von Gestalt und Lage des leitfähigen Weges bzw. Pfades wird praktisch innerhalb der gesamten Masse des umschlossenen Volumens der Ablagerung Wärme erzeugt, wodurch die Temperatur praktisch der gesamten Masse des behandelten Ablagerungs-Abschnittes tatsächlich auf einen so hohen Wert gebracht werden kann, daß die Extraktion der Kohlenwasserstoffe z.B. aus künstlichen Quellen möglich ist.The electrical induction heating of a specific section of the underground deposition can be effected by running alternating current through it flowing one or more underground conductors along such a path or such ways are guided that the volume to be treated of the hydrocarbon deposit is essentially enclosed. The volume is then "essentially enclosed", if it is surrounded by the conductive path in such a way that when an alternating current is passed through it an electromagnetic field is created, the strength of which is at least a 'considerable Section of the enclosed volume everywhere is as large as it is by induction can comfortably heat to a desired temperature, the level of which for relief the extraction of the hydrocarbons is sufficient. With appropriate determination The shape and location of the conductive path or path becomes practical within the total mass of the enclosed volume of the deposit generates heat, thereby the temperature of practically the entire mass of the deposit section treated can actually be brought to such a high value that the extraction of the Hydrocarbons e.g. from artificial sources is possible.

Bei der Erfindung sind Schwierigkeiten aufgrund ernsthafter Ungleichmäßigkeit des Erwärmungsvorganges, wie sie bisher bei dem Verfahren mit Druckdampf und dem Verfahren mit elektrischer Strom- bav. Widerstandserwärmung aufgetreten sind, vermeidbar, da die elektrische Induktionserwärmung nach der Erfindung auf den Eigenschaften der erwärmten Masse beruht. Eine bituminöse Sand-Ablagerung enthält in der Regel einzelne, von einem Wasserfilm überzogene Quarzsandteilchen, zwischen denen sich mit dem Rohöl (zusammen mit Suspensionen von Ton und anderen Verunreinigungen) gefüllte Zwischenräume befinden. Sowohl das Bitumen als auch die mit einem Wasserfilm überzogenen Quarzteilchen können einzeln Energie aus dem angelegten elektromagnetischen Feld innerhalb des vom leitfähigen Weg umschlossenen Abschnittes der Ablagerung absorbieren. Daher wird sich die Temperatur der gesamten erhitzten Masse innerhalb des vom Strom-Weg umschlossenen Volumens allmählich erhöhen, wenn Wechselstrom im Leiter fließt. Es ist möglich, daß in unmittelbarer Nachbarschaft des Leiters eine vereinzelte örtliche Verkohlung eintritt. Jedoch ist diese für das Verfahren insgesamt ohne Bedeutung.Difficulties with the invention are due to serious non-uniformity the heating process, as it was previously in the process with pressurized steam and the Procedure with electrical power bav. Resistance heating has occurred, avoidable, because the electrical induction heating according to the invention on the properties the heated mass is based. A bituminous sand deposit usually contains it individual quartz sand particles covered by a film of water, between which there are with the crude oil (together with suspensions of clay and other impurities) filled spaces are located. Both the bitumen and those with a water film Coated quartz particles can individually extract energy from the applied electromagnetic Field within the section of the deposit enclosed by the conductive path absorb. Therefore, the temperature of the entire heated mass will be within Gradually increase the volume enclosed by the current path when alternating current is present in the Ladder flows. It is possible that a Occasional local charring occurs. However, this is for the procedure as a whole irrelevant.

Wenn die Temperatur der unterirdischen Kohlenwasserstoff-Ablagerung den gewünschten Wert erreicht hat, können die Kohlenwasserstoffe unter Anwendung bekannter oder noch zu entwickelnder Extraktions-Methoden extrahiert werden. Die Erfindung ist allerdings nicht auf diesen an die Erwärmung der unterirdischen Ablagerung anschließenden Extraktionsvorgang gerichtet; mit der Erfindung wird lediglich die Erwärmung als solche angestrebt, auf die dann die Extraktion folgt oder die von der Extraktion begleitet wird. In diesem Zusammenhang ist daran gedacht, daß die Induktionserwärmung mindestens während eines Teils der Zeitspanne fortgesetzt wird, die zur Extraktion des Rohöls benötigt wird.When the temperature of the underground hydrocarbon deposit has reached the desired value, the hydrocarbons can using known or yet to be developed extraction methods are extracted. the Invention, however, is not based on the heating of the underground deposit subsequent extraction process directed; with the invention is only the Warming is sought as such, which is then followed by the extraction or that of the extraction is accompanied. In this context it is thought that the Induction heating is continued for at least part of the period, which is required for the extraction of the crude oil.

Es sind Bohrmethoden bekannt, mit denen sich in der Erde nicht nur gerade, vertikale Bohrlöcher, sondern auch andere Bohrlöcher erzeugen lassen. Diese Bohrmethoden können zur Herstellung eines geeigneten unterirdischen Weges für einen oder mehrere Leiter eingesetzt werden, die dann den Wechselstrom führen, mit welchem die Induktionserwärmung eines von dem Leiter oder von den Leitern im wesentlichen umschl>ssenen Abschnittes einer unterirdischen Rohöl-Ablagerung bewirkt wird. Bei vielen üblichen,auf der elektrischen Induktionserwärmung beruhenden Geräten wird eine schraubenlinienförmige Spule oder Drahtleitung benutzt, wobei der Inhalt des von der Schraubenlinie umschlossenen Volumens durch Induktion für den vom Entwerfen jeweils angestrebten Zweck erwärmt wird. Im Idealfall würde eine toroidförmige Leitungsspule verwendet, da bei einem Toroid oder Torus die mit einer Schraubenlinie verbundenen Endverluste vermieden sind. Um die Schwierigkeiten und den Aufwand zu vermeiden, die mit einer kontinuierlichen Bohrung gekrümmter Wege verbunden sind, kann ein unterirdischer schraubenlinienförmiger Weg durch miteinander verbundene geradlinige Bohrlöcher simuliert werden, die unter geeigneten Winkeln gegenüber der Vertikalen verlaufen und an der Oberfläche an verschiedenen, vorbestimmten Punkten enden. In diese gebohrten Kanäle können ein oder mehrere Leiter eingeführt und miteinander nach üblichen Methoden so verbunden werden, daß ein durchgehender leitfähiger Weg entsteht, welcher ein ökonomisch bedeutender Volumen einer ausgewählten unterirdischen Rohöl-Ablagerung umschließt. Wenn man dann durch diesen leitfähigen Weg einen Wechselstrom fließen läßt, wird die Masse des Materials, das innerhalb des vom leitfähigen Weg im wesentlichen umschlossenen Volumens angeordnet ist, durch Induktion erhitzt.There are drilling methods known, with which in the earth not only straight, vertical drill holes, but also other drill holes. These Drilling methods can be used to create a suitable underground path for one or more conductors are used, which then carry the alternating current, with which the induction heating one of the leader or from the ladders essentially enclosed section of an underground crude oil deposit is effected. With many common ones based on electrical induction heating Devices a helical coil or wire lead is used, whereby the content of the volume enclosed by the helix by induction for is heated to the purpose intended by the design. Ideally, one would Toroid-shaped line coil used, since with a toroid or torus the one with a End losses associated with helical lines are avoided. To the difficulties and avoid the hassle of drilling continuously curved paths connected, an underground helical path through each other connected rectilinear drill holes are simulated, which are at suitable angles run in relation to the vertical and on the surface at different, predetermined Points end. One or more conductors can be inserted into these drilled channels and are connected to one another by conventional methods in such a way that a continuous conductive path arises, which an economically significant volume of a selected enclosing underground crude oil deposit. If you then go through this conductive The way an alternating current flows, becomes the bulk of the material that is inside of the volume substantially enclosed by the conductive path is arranged by Induction heated.

Die Spannung, Stromstärke, Frequenz und Wellenform des Wechselstromes sowie die Zeitdauer des Anlegens werden so gewählt,daß sich die Temperatur der vom leitfähigen Weg im wesentlichen umschlossenen Masse auf einen gewünschten Wert erhöht, der ausreicht, die Vergasung, Verdampfung oder Verflüssigung des Rohöls soweit zu fördern, daß es in geeignete Sammelbohrungm odg andere Bereiche fließen kann, aus denen es in einer nachfolgenden Stufe der Rohölgewinnung extrahiert werden kann.The voltage, current, frequency and waveform of the alternating current and the duration of the application are chosen so that the temperature of the conductive path essentially enclosed mass increased to a desired value, sufficient to gasify, vaporize or liquefy the crude oil promote it in appropriate Collective drilling or other areas can flow from which it is extracted in a subsequent stage of crude oil production can be.

Obwohl die Erfindung in erster Linie zur Anwendung bei der Gewinnung von Rohöl aus den bituminösen Sanden in Alberta gedacht war, ist sie auch für andere Anwendungen von Nutzen. In Colorado und anderen Gebieten der Vereinigten Staaten befinden sich große Ölschiefer-Lager. Die ölschiefer-Ablagerungen liegen gelegentlich an der Oberfläche frei, sind jedoch im allgemeinen von anderen Formationen bedeckt. Im ölschiefer ist Kerogen eingeschlossen bzw. eingebunden. Sicherlich ist bei Anwendung der Erfindung auf diese ölschiefer eine allmähliche Temperaturerhöhung des gebundenen Kerogens innerhalb eines bestimmten Abschnittes des Schiefers möglich, welcher durch Induktion nach den praktisch gleichen Methoden erwärmt wird, wie sie oben unter Bezugnahme auf die bituminösen Sande in Alberta erläutert worden sind.Although the invention is primarily for use in the extraction was intended for crude oil from the bituminous sands of Alberta, it is for others too Applications of benefit. In Colorado and other areas of the United States there are large oil shale deposits. The oil shale deposits lie occasionally free on the surface but generally covered by other formations. Kerogen is enclosed or bound in the oil shale. Certainly is with application the invention on this oil shale a gradual increase in temperature of the bound Kerogens possible within a certain section of the slate, which through Induction is heated by practically the same methods as described above Reference to the bituminous sands in Alberta have been explained.

Weiterhin gibt es in Nordamerika und an anderen Stellen der Erde viele Quellen für flüssiges Rohöl, die mit den üblichen Gewinnungsmethoden erschöpft wurden. Bei diesen Quellen oder Bohrungen verbleiben beträchtliche Mengen in der Größenordnung von z.B. 70% der ursprünglichen Rohöl-Ablagerung im Untergrund. Eine bedeutender Teil, möglicherweise die Hälfte der im Untergrund verbliebenen Rohöl-Reste, kann mit zur Zeit bekannten Methoden auf ökonomische Weise nicht gewonnen werden. Bei solchen "erschöpften" Quellen für flüssiges Rohöl läßt sich die Induktionserwärmung nach der Erfindung wahrscheinlich einsetzen, um die Temperatur der restlichen Rohöl-Ablagerungen im Untergrund zu erhöhen. Man darf erwarten, daß die Temperaturerhöhung dieser Ablagerungen die Uberführbarkeit des Rohöls in Gas oder Dampf oder seine Fließfähigkeit verbessert, wodurch eventuell eine weitere Gewinnung von Rohöl aus solchen Qllollen in einem wirtschaftlich vertretbaren Rahmen ermöglicht wird.Furthermore, there are many in North America and other parts of the world Sources of liquid crude oil that have been exhausted using standard extraction methods. Significant quantities remain on the order of magnitude from these wells or wells of e.g. 70% of the original crude oil deposit in the subsurface. A significant one Part, possibly half, of the crude oil residues remaining in the underground can cannot be obtained economically with currently known methods. at Such "depleted" sources of liquid crude oil can be called induction heating according to the invention probably used to control the temperature of the remaining crude oil deposits to increase underground. One can expect the temperature increase this Deposits the convertibility of the crude oil into gas or steam or its flowability improved, whereby possibly a further extraction of crude oil from such quarries is made possible in an economically justifiable framework.

Schließlich kann man in vielen Teilen Nordamerikas und auch woanders beträchtliche unterirdische Lignit-Ablagerungen antreffen. Von diesen sind zur Zeit viele nicht abbauwürdig, und zwar gelegentlich wegen einer ernsthaften Explosionsgefahr in zugeordneten öl- und Gasablagerungen. Wenn man die Lignit-Ablagerungen vergasen, verdampfen oder verflüssigen könnte, wäre eine Extraktion der Kohlenwasserstoff-Bestandteile mit Methoden möglich, die bisher zur öl- und Gas-Extraktion angewandt worden sind. Ersichtlicherweise bietet die Erfindung auch hier ein potentiell nützliches Verfahren zur Erwärmung unterirdischer Lignit-Äblagerungen auf eine Temperatur, bei welcher eine solche Extraktion möglich ist.After all, you can find it in many parts of North America and elsewhere as well encounter substantial subterranean lignite deposits. Of these are currently many of them not exploitable, occasionally because of a serious risk of explosion in associated oil and gas deposits. If you gas the lignite deposits, could evaporate or liquefy, an extraction of the hydrocarbon constituents would be possible with methods that have previously been used for oil and gas extraction. Obviously, the invention offers a potentially useful method here as well for heating underground lignite deposits to a temperature at which such an extraction is possible.

Im folgenaen ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Figur 1 - eine schematisierte Seitenansicht eines leitfähigen Weges und zugeordneter elektrischer Geräte an der Oberfläche zur Induktionserwärmung eines bestimmten Abschnittes einer bituminösen Sand-Ablagerung oder dergleichen, Figur 2 - eine schematisierte Draufsicht auf die Anordnung gemäß Figur 1, Figur 3 - eine Schemaansicht eines Musters geradliniger Bohrlöcher, die so angeordnet sind, daß der leitfähige Weg gemäß Figur 1 simuliert wird, Figuren 4 und 5 - jeweils eine schematisierte isometrische Ansicht eines alternativen unterirdischen leitfähigen Weges für die induktionserwärmung eines Volumens bituminösen Sandes oder dergleichen.The following is the invention with further advantageous details explained in more detail using schematically illustrated embodiments. In the drawings show: Figure 1 - a schematic side view of a conductive path and associated electrical devices on the surface for induction heating of a certain section of a bituminous sand deposit or the like, figure 2 - a schematic plan view of the arrangement according to FIG. 1, FIG. 3 - a Schematic view of a pattern of rectilinear boreholes arranged so that the conductive path according to Figure 1 is simulated, Figures 4 and 5 - each one Schematic isometric view of an alternative underground conductive Way for induction heating of a volume of bituminous sand or the like.

Die folgende Beschreibung bezieht sich in der Regel auf bituminöse Sand-Ablagerungen. Hierin soll jedoch keine Beschränkung gesehen werden; das zur erläuternde Verfahren und die zu erläuternde Vorrichtung nach der Erfindung können sinngemäß auch auf andere unterirdische Kohlenwasserstoff-Ablagerungen angewandt werden.The following description usually refers to bituminous Sand deposits. However, this should not be seen as a restriction; that to illustrative methods and the device to be explained according to the invention can analogously also applied to other subterranean hydrocarbon deposits will.

Gemäß Figur 1 liegt eine bituminöse Sandschicht 1 zwischen einem Deckgebirge 2 und einem Felsboden 3. Innerhalb der bituminösen Sandschicht verläuft ein elektrischer Leiter 11 längs eines ungefähr Bchraubenlinien- bzw. wendelförmigen Weges, der das Volumen ABCD innerhalb der bituminösen Sandschicht im wesentlichen umschließt. In der Draufsicht auf den gleichen Bereich gemäß Figur 2 ist das gleiche Volumen mit ABEF bezeichnet. An jedem Ende der Schraubenlinie bzw. der Wendel erstreckt sich der Leiter 11 längs je eines Weges bzw. mit je einem Abschnitt 11a bzw. 11b vertikal nach oben bis zur Erdoberfläche 4.According to Figure 1, a bituminous sand layer 1 lies between an overburden 2 and a rock floor 3. Inside the bituminous sand layer there is an electric one Conductor 11 along an approximately helical or helical path that the Volume ABCD within the bituminous sand layer essentially encloses. In the plan view of the same area according to FIG. 2, the same is true Volume labeled ABEF. Extends at each end of the helix or the helix the conductor 11 along a path or with a section 11a or 11b vertically up to the surface of the earth 4.

Von dort ist der Leiter auf der Erdoberfläche mit zwei weiteren, freiliegenden Abschnitten 11c und lid zur Sekundärwicklung eines Transformators 15 geführt. Dieser ist so dicht wie möglich an der Austrittsstelle des Leiters aus der Erde angeordnet, um ohmsche Oberflächen-Verluste kleinzuhalten.From there the conductor is on the surface of the earth with two more exposed ones Sections 11c and lid led to the secondary winding of a transformer 15. This is placed as close as possible to the point where the conductor leaves the earth, to keep ohmic surface losses small.

Der Transformator 15 ist ein Abspanntransformator, der den unterirdischen Leiter 11 mit einer relativ niedrigen Spannung und einer hohen Stromstärke beaufschlagt. Primärseitig wird der Transformator 15 mit Wechselstrom aus'einer Hochspannungs-Fernleitung 17 über einen Umformer 19 zur Frequenzwandlung und Wellenformänderung und eine Steuereinheit 21 gespeist.The transformer 15 is a step-down transformer, the underground Conductor 11 has a relatively low voltage and a high current applied to it. On the primary side, the transformer 15 is supplied with alternating current from a high-voltage long-distance line 17 via a converter 19 for frequency conversion and waveform change and a control unit 21 fed.

Mit dem wendelförmigen Leiter 11 liegt ein Kondensator 13 in Serie, der Resonanz des Leiters 11, welcher aufgrund seiner Gestalt eine beträchtliche Induktivität hat, bei der gewählten Betriebsfrequenz bewirkt.A capacitor 13 is connected in series with the helical conductor 11, the resonance of the conductor 11, which due to its shape a considerable Inductance has caused at the selected operating frequency.

Experimentelle Untersuchungen lassen erwarten, daß die induktive Wärmeentwicklung in der bituminösen Sandschicht von der Frequenz des im Leiter 11 fließenden Wechselstromes und auch von der Gestalt seiner Wellenform abhängt, wobei eine zusätzliche Abhängigkeit von der Temperatur und anderen Parametern während der Erwärmung der unterirdischen Masse gegeben sein kann. Aus diesem Grunde ist der Umformer 19 vorgesehen; mit ihm lassen sich Frequenz und Gestalt der Wellenform des dem Leiter 11 zugeführten Wechselstromes in gewünschter Weise beeinflussen. Sollte sich jedoch später zeigen, daß Frequenz und Wellenform-Gestalt des von der Fernleitung 17 gelieferten Wechselstromes unmittelbar richtig sind, kann der Umformer 19 weggelassen und stattdessen der Transformator 15 über die Steuereinheit 21 unmittelbar an die Fernleitung 17 angeschlossen werden. (In Nordamerika wird die Fernleitung 17 gewöhnlich Wechselstrom mit einer Frequenz von 60Hz und sinusförmiger Wellenform führen).Experimental investigations lead to the expectation that the inductive heat generation in the bituminous sand layer on the frequency of the alternating current flowing in the conductor 11 and also depends on the shape of its waveform, with an additional dependency on the temperature and other parameters during the warming of the underground Dimensions can be given. For this reason the converter 19 is provided; leave with him the frequency and shape of the waveform of the alternating current supplied to the conductor 11 influence in the desired way. However, it should later show that frequency and waveform shape of the alternating current supplied from the trunk line 17 directly are correct, the converter 19 can be omitted and the transformer instead 15 can be connected directly to the long-distance line 17 via the control unit 21. (In North America, trunk line 17 is usually single-frequency AC of 60Hz and sinusoidal waveform).

Die Steuereinheit 21 soll die Einstellung der Stromstärke ermögliche, mit welcher der Transformator 15 den unterirdischen Leiter 11 beaufschlagt. Nach einer angemessenen Zeitspanne wird die Temperatur mindestens eines bedeutenden Anteiles des Volumens ABCD innerhalb der bituminösen Sandschicht fortschreitend einen solchen Wert erreichen,bei welchem sich die Fließfähigkeit des Rohöls soweit verbessert hat, daß es in einer Sammelbohrung oder dergleichen zusammenfließt. Daher ist mindestens ein Thermoelement 23 an geeigneter Stelle innerhalb des Volumens ABCD angeordnet und über Zuleitungsdrähte 25 mit der Steuereinheit 21 verbunden. Das Thermoelement 23 erfaßt die Temperatur der bituminösen Sandschicht in dem vom Leiter 11 umschlossenen Abschnitt. In ihrer einfachsten Ausbildung kann die Steuereinheit 21 einen temperaturempfindlichen Schalter aufweisen, der sich schließt, wenn die vom Thermoelement 23 festgestellte Temperatur unter eine bestimmte untere Grenze fällt, und der sich öffnet, wenn die festgestellte Temperatur über eine vorbestimmte obere Grenze ansteigt.The control unit 21 should enable the setting of the current intensity, with which the transformer 15 acts on the underground conductor 11. To In a reasonable period of time, the temperature becomes at least a significant proportion of the volume ABCD within the bituminous sand layer progressively such Achieve a value at which the flowability of the crude oil improves so far has that it flows together in a collecting bore or the like. Hence, at least a thermocouple 23 is arranged at a suitable location within the volume ABCD and connected to the control unit 21 via lead wires 25. The thermocouple 23 detects the temperature of the bituminous sand layer in that enclosed by the conductor 11 Section. In its simplest form, the control unit 21 can be a temperature-sensitive Have switch that closes when the thermocouple 23 detected Temperature falls below a certain lower limit, and which opens when the detected temperature rises above a predetermined upper limit.

Bei industriellen Induktionswärme-Geräten wird eine zylindrisch-wendelförmige Spulen-Konfiguration häufig angetroffen, da das elektromagnetische Feld innerhalb der Wendel am stärksten und gleichförmig ist und seine Intensität außerhalb der Wendel-Spule abnimmt. Wenn das Material innerhalb des von der Wendel umschlossenen Volumens ebenfalls relativ gleichförmig ist, kann daher erwartet werden, daß die induktive Wärmeenergie zu praktisch allem Material, das von der Spule umschlossen ist, übertragen und eine gleichförmige Erwärmung des gesamten Materials erzielt wird. Das Obengesagte trifft auch auf eine Toroid-Spule zu, wobei mit einem Toroid zusätzlich noch die bei einer Wendel auftretenden Endverluste vermieden sind. Wenn es sich in der jeweiligen Situation ökonomisch rechtfertigen läßt, kann daher ein Toroid oder ein simulierter Toroid anstelle einer Wendel angewandt werden.In the case of industrial induction heating devices, a cylindrical-helical Coil configuration often encountered, since the electromagnetic The field within the helix is strongest and uniform and its intensity decreases outside the helical coil. When the material is within that of the helix enclosed volume is also relatively uniform, it can therefore be expected that the inductive heat energy to practically any material enclosed by the coil is transferred and a uniform heating of the entire material is achieved will. The above also applies to a toroidal coil, with a toroidal in addition, the end losses occurring with a helix are avoided. if it can therefore be economically justified in the respective situation Toroid or a simulated toroid can be used instead of a helix.

Das Maß der Energieabsorption aus dem Wendelförmigen leitfähigen Weg nimmt mit der Intensität des erzeugten elektromagnetischen Feldes zu, außerdem mit der Leitfähigkeit des energieabsorbierenden oder -aufnehmenden Materials, das innerhalb des Wendels angeordnet ist. Das Maß der Energieabsorption nimmt außerdem innerhalb bestimmter Grenzen mit ansteigender Frequenz zu. Aufgrund von Resonanzeffekten kann sich für eine bestimmte Situation bezüglich der Energieabsorption eine optimale Frequenz ergeben, welche sich aber ersichtlicherweise während der Dauer der Erwärmung und während des Extraktionsvorganges ändern kann.The amount of energy absorption from the helical conductive path also increases with the intensity of the generated electromagnetic field the conductivity of the energy absorbing or absorbing material that is inside of the helix is arranged. The degree of energy absorption also decreases within certain limits with increasing frequency. Due to resonance effects, an optimal one for a certain situation with regard to energy absorption Frequency result, which can be seen during the heating period and can change during the extraction process.

Eine Wendel,die rechtwinklig zu der Wendel gemäß Figuren 1 und 2 orientiert ist, läßt sich möglicherweise leichter als die Wendel gemäß Figuren 1 und 2 herstellen. Figur 4 zeigt einen solchen wendelförmigen Weg, der im wesentlichen den Abschnitt bzw; das Volumen GHIJ umschließt, welches durch Induktion erwärmt werden soll.A helix which is oriented at right angles to the helix according to FIGS. 1 and 2 is, can possibly be produced more easily than the helix according to FIGS. FIG. 4 shows such a helical path, essentially the section respectively; encloses the volume of GHIJ which is to be heated by induction.

Jedenfalls läßt sich die Wendel gemäß Figuren 1 und 2 durch eine Anzahl untereinander verbundener geradliniger leitfähiger Wege simulieren, die sich in der aus Figur 3 ersichtlichen Weise herstellen lassen. Die leitfähigen Wege gemäß Figur 3 sind in geradllnigen, mit einander verbundenen Bohrlöchern ausgebildet. Es werden vertikale Bohrlöcher 31 und 71 hergestellt. Bohrlöcher 33, 35,- 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61a 63, 65, 67 und 69 werden unter geeigneten Winkeln gegenüber der Erdoberfläche so hergestellt, daß sich diese Bohrlöcher gegenseitig und mit den vertikalen Bohrlöchern 31 und 71 an Punkten 73, 75, 77, 79, 81, 83, 85, 87, 89, 91, 93e 95, 97, 99, 101, 103, 105, 107, 109, 111 und 113 schneiden, wodurch ein simulierter wendelförmiger oder schraubenlinienförmiger Weg entsteht, welcher am Punkt 73 beginnt und am Punkt 113 endet. Einzelne Leiter können in den jeweils richtigen Åb schnitten, z.B. zwischen den Schnittpunkten und zwischen der Erdoberfläche und den Punkten 73 und 113, der genannten Bohrlöcher angeordnet und an den genannten Schnittpunkten untereinander so verbunden werden, daß ein durchgehender leitfahiger Weg -gebildet ist, welcher mit dem vertikalen Abschnitt 31-beginnt und mit dem vertikalen Abschnitt 71 endet.In any case, the helix according to FIGS. 1 and 2 can be represented by a number Simulate interconnected straight-line conductive paths that are in can be produced in the manner shown in FIG. The conductive paths according to Figure 3 are formed in straight, interconnected boreholes. Vertical drill holes 31 and 71 are made. Drill holes 33, 35, - 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61a 63, 65, 67 and 69 are used under appropriate Angles with respect to the earth's surface are made so that these boreholes are mutually exclusive and with the vertical boreholes 31 and 71 at points 73, 75, 77, 79, 81, 83, 85, 87, 89, 91, 93e 95, 97, 99, 101, 103, 105, 107, 109, 111 and 113 cut, creating a simulated helical or helical path, which begins at point 73 and ends at point 113. Individual conductors can be used in the cut the correct Åb, e.g. between the intersection points and between the Earth surface and the points 73 and 113, of said boreholes and arranged are connected to each other at the mentioned intersections in such a way that a continuous conductive path is formed, which begins with the vertical section 31 and ends with the vertical section 71.

Alternativ können gemäß Figur 5 mehrere, ungefähr rechtecks ge leitfähige Schleifen gebildet werden, von denen jede innerhalb einer Ebene liegt und die Ebenen der einzelnen Schleifen parallel zueinander sind, sd daß ein umschlossenes Volum men KLMNOP definiert wird Natürlich bleiben die rechteckigen Schleifen an einer Stelle, z.B. an einer Ecke, offen, damit ein Stromfluß durch die Schleife möglich ist. Die Schleifen werden dann an der Oberfläche in der aus Figur 5 ersichtlichen Weise untereinander so verbunden, daß zwischen dem an der Oberfläche freiliegenden Anschluß 123 und dem freiliegenden Anschluß 125 ein durchgehender Stromkreis entsteht Weitere mögliche Anordnungen aus untereinander in Serie oder parallel verbundenen Schleifen dürften vom Fachmann auffindbar sein Das Deckgebirge und der Felsboden, welche die unterirdisehen bituminösen Sandschichten in Alberta nach oben und nach unten begrenzen, haben regelmäßig eine deutlich niedrigere thermische Leitfähigkeit als der bituminöse Sand Entsprechend darf erwartet werden, daß Wärmeverluste aus den Rohöl-Ablagerungen klein bleiben. Wärmeverluste aus dem vom Leiter umschlossenen Volumen des bituminösen Sandes werden im allgemeinen in Querrichtung auftreten und zwar in Bereiche des bituminösen Sandes, die außerhalb des vom Leiter umschlossenen Volumens liegen0 Diese 'Verluste" lassen sich zum Vorteil nutzen, wenn auch die benachbarten Volumina oder Abschnitte des bituminösen Sandes induktiv erwärmt werden, so daß der "Verlust" eines bestimmten, umschlossenen Volumens bituminösen Sandes in nützlicher Weise zur Erhohung der Temperatur eines benachbarten umschlossenen Volumens bituminösen Sandes, aus welchem Rohöl extrahiert werden soll, beiträgt.Alternatively, according to Figure 5, several, approximately rectangular ge conductive Loops are formed, each of which lies within a plane and the planes of the individual loops are parallel to each other, sd that an enclosed volume men KLMNOP is defined. Of course, the rectangular loops remain on one Place open, e.g. at a corner, so that current can flow through the loop is. The loops are then shown on the surface in FIG way interconnected in such a way that between the connection exposed on the surface 123 and the exposed terminal 125 a continuous circuit is created possible arrangements of loops connected in series or in parallel should be able to be found by a specialist Boundary up and down underground bituminous sand layers in Alberta, regularly have a significantly lower thermal conductivity than bituminous Sand Correspondingly, it can be expected that heat losses from the crude oil deposits stay small. Heat losses from the volume of the bituminous enclosed by the conductor Sand will generally occur in the transverse direction in areas of the bituminous sand lying outside the volume enclosed by the conductor0 These 'losses' can be used to advantage, albeit the neighboring volumes or sections of the bituminous sand are inductively heated, so that the "loss" of a certain enclosed volume of bituminous sand in a useful manner bituminous to raise the temperature of an adjacent enclosed volume Sand from which crude oil is to be extracted contributes.

In der Tat wird daran gedacht, eine ganze Anordnung induktiv erwärmter Volumina bituminösen Sandes gleichzeitig zu bearbeiten und sich nach einem Programm für fortlaufende Bohrungen, Leiterverlegung, Induktionserwärmung und Rohöl Extraktion fortschreitend auf benachbarte Volumina der rohölhaltigen bituminösen Sand Ablagerungen auszubreiten.In fact, an entire array is thought to be inductively heated Volumes of bituminous sand to be worked on simultaneously and according to a program for continuous drilling, laying of conductors, induction heating and crude oil extraction progressive to adjacent volumes of crude bituminous sand deposits spread out.

Wenn es aus bestimmten Gründen angestrebt wird, ein spezielles Volumen bituminösen Sandes für längere Zeit auf einer erhöhten Temperatur zu halten, kann die Steuereinheit 21 den Strom, welcher dem unterirdischen Leiter 11 zugeführt wird, so verstellen, daß gerade nur die Wirbelstrom-Wärmeenergie an das umschlossene Volumen bituminösen Sandes abgegeben wird, die zur Kompensation der im Laufe der Zeit auftretenden kleinen Wärmeverluste ausreicht. Hierfür dürfte wegen der niedrigen thermischen Leitfähigkeit der oben und unten liegenden Erd- und Felsformationen ein relativ kleiner Energieeinsatz ausreichen.If it is desired for certain reasons, a special volume Keeping bituminous sand at an elevated temperature for long periods of time can the control unit 21 the current which is fed to the underground conductor 11, Adjust so that just the eddy current heat energy to the enclosed volume bituminous sand is released to compensate for the occurring over time small heat losses is sufficient. This is likely because of the low thermal Conductivity of the earth and rock formations above and below a relative a small amount of energy is sufficient.

Der gewöhnlich aus Salzwasser bestehende Wasserfilm, welcher die einzelnen Sandteilchen vieler Ablagerungen in Alberta regelmäßig umgibt, trägt zur Absorption von Energie aus dem angelegten elektromagnetischen Feld durch die vom Leiter umschlossenen Masse bei. Wenn jedoch die Temperatur der Masse bis zum Siedepunkt des Wassers ansteigt, verkocht das Wasser als Dampf. Dieser Dampf kann mit Vorteil zur Erzeugung von Druck benutzt werden, mit welchem das Herausfließen des Rohöls aus der Ablagerung unterstützt wird.The film of water, usually consisting of salt water, which the individual Sand particles regularly surrounding many debris in Alberta contributes to absorption of energy from the applied electromagnetic field through those enclosed by the conductor Mass at. However, if the temperature of the mass rises to the boiling point of water, The water boils off as steam. This steam can be used with advantage to generate pressure can be used with which the outflow of the crude oil from the deposit is supported will.

Die erläuterte Induktionserwärmung läßt sich sinngemäß auch auf die in Colorado anzutreffenden ö.lschiefer-Formationen anwenden.The induction heating explained can also be applied analogously to the Use oil shale formations found in Colorado.

Im Falle restlicher Rohöl-Ablagerungen in Feldern, die durch übliche Methoden erschöpft wurden, könnten die existierenden Bohrlöcher zur Einführung mindestens eines Teils der elektrischen Kabel benutzt werden, die zur Bildung des erforderlichen leitfähigen Weges notwendig sind.In the case of residual crude oil deposits in fields caused by usual Methods have been exhausted, the existing drill holes could at least introduce them part of the electrical cables used to form the required conductive path are necessary.

Natürlich könnten die gleichen Bohrlöcher auch zum Abpumpen der Flüssigkeit benutzt werden, die sich aufgrund der Erhitzung der restlichen rohölhaltigen Masse ergibt.Of course, the same boreholes could also be used to pump out the liquid are used, which are due to the heating of the remaining crude oil-containing mass results.

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Claims

Expectations.

1. Process for heating a deposit, in particular an underground deposit naturally occurring hydrocarbons, particularly a deposit of sand with enclosed crude oil, not shown by electrical induction heating a certain section of the deposit in place.

2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that induction heating was facilitated in preparation for the deposit Carries out extraction of hydrocarbons from it.

3. The method according to claim 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that induction heating is carried out over a period of time until the Temperature of the section is in a certain temperature range.

4. The method according to claim 2 or 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that one can use induction heating during the extraction of hydrocarbons from the deposit continues.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, d a -d u r c h g e It is not stated that an alternating current is used for induction heating certain voltage, current, waveform and frequency flow through a conductor leaves, which essentially encloses the section.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, d a -d u r c h g e it is not indicated that induction heating can be used on a bituminous Deposition carries out.

7. The method according to claim 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that induction heating is carried out on a deposit in which the bitumen is bound in sand.

8. The method according to any one of claims 1 to 5, d a d u r c h g e k It is noted that induction heating is carried out on a deposit, which contains kerogen bound in slate.

9. The method according to any one of claims 1 to 5, d a d u r c h g e k It is noted that induction heating can be applied to a lignite Deposition carries out.

10. The method according to any one of claims 5 to 9, d a d u r c h g e no indication that the conductor is routed in loops or turns, which each enclose part of the section.

11. The method according to claim 10, d a d u r c h g e -k e n n z e i c does not mean that one leads the conductor along a path that is a helix or defines a toroid.

12. The method according to claim 10, d a d u r c h g e -k e n n z e i c This means that the conductor is assembled from sections that form a helix or approximate a toroid.

13. The method according to any one of claims 1 to 12, d a -d u r c h g e k e n n n n e i n e t that one has at least one electrical conductor lengthways at least laid an underground path, the shape and location of which are chosen so that when an electrical voltage is applied to the ends of the conductor, an electrical voltage is applied Circuit is formed, which a volume comprising the section substantially and that an electric current is allowed to flow through the conductor, its strength, frequency and duration for induction heating of the section to can be selected to a desired temperature.