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Einrichtung und Verfahren zur Abstrahlung von Hochfrequenz-
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energie in einen insbesondere unterirdischen Bereich Die Erfindung
bezieht sich auf Einrichtungen und auf Verfahren zur Abstrahlung von Hochfrequenzenergie
in einen mit dieser zu behandelnden, insbesondere unter einer darüber gelagerten
Schicht befindlichen, unterirdischen Bereich.
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Geeignete Einrichtungen zum Zuführen von Hochfrequenzenergie zu unterirdischen
Bereichen sind beispielsweise in der US-Patentschrift 4 140 179 beschrieben. Hierbei
ist eine Koaxialleitung vorgesehen, welche sich durch ein äußeres Futterrohr hindurch
erstreckt und in einer Dipolanordnung endet, die sich in einer blschiefer-Lagerstätte
befindet. Bei den bekannten Einrichtungen ergaben sich jedoch Verluste wesentlicher
Teile der Energie aufgrund von Hochfrequenzströmen, welche im Bohrloch an der Außenseite
der Koaxialleitung nach aufwärts zurückflossen. Die Erhitzung des unterirdischen
Bereiches geschah teilweise oberhalb des gewünschten, zu erhitzenden Bereiches.
Die Dipolanordnung war außerdem so geartet, daß die Impedanzanpassung an die Koaxialleitung
und das Strahlungsmuster eine hohe Empfindlichkeit gegenüber
Änderungen
der Impedanz der blschiefer-Lagerstätte aufgrund von Änderungen der Temperatur und
aufgrund von Änderungen des Gehaltes an organischen Produkten zeigten.
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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Einrichtung
bzw. ein Verfahren zur Abstrahlung von Hochfrequenzenergie in einen mit dieser zu
behandelnden, insbesondere unter einer darüber gelagerten Schicht befindlichen,
unterirdischen Bereich, mittels einer koaxialen übertragungsleitung, deren.
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Innenleiter mit einem Strahlerelement verbunden ist, derart auszugestalten,
daß Energieverluste aufgrund von aus dem zu behandelnden Bereich zurückströmender
Energie vermieden werden und gegenüber bekannten Systemen eine erhöhte Energiezufuhr
zu dem zu behandelnden Bereich mit gutem Wirkungsgrad möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im anliegenden Anspruch
1 angegebenen Merkmale bzw. durch die in den anliegenden Verfahrensansprüchen beschriebenen
Verfahrensmerkmale gelöst.
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Auch sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der hier
vorgeschlagenen Einrichtung bzw. des entsprechenden Verfahrens in den anliegenden
Ansprüchen festgehalten, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der
Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen.
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Im einzelnen ist festzuhalten, daß bei praktischen Ausführungsformen
die Einrichtung eine Hochfreguenz-Abstrahlvorrichtung enthält, welcher über eine
koaxiale Übertragungsleitung Energie zugeführt wird. Der Außenleiter dieser koaxialen
Übertragungsleitung endet in einer Drosselkonstruktion, welche einen koaxialen Rohransatz
vergrößerten Durchmessers enthält, der sich längs des Außenleiters der koaxialen
übertragungsleitung zurück in Richtung zum Leitungsanfang erstreckt. Die Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung
enthält ein im wesentlichen zylindrisches Strahlerelema vergrößerten Durchmessers,
das mit dem Innenleiter der koaxialen übertragungsleitung verbunden ist. Der Außenleiter
der koaxialen
Übertragungsleitung ist mit einem ihn koaxial umgebenden,
leitfähigen Rohrstück verbunden, welches wesentlich größeren Durchmesser als der
genannte Außerleiter.hat und welches-Teil der erwähnten Drosselkonstruktion bildet.
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Vorzugsweise ist eine leitfähige, zur Abdichtung dienende Schalung
vorgesehen, die sich von der Oberfläche aus durch das lockere oberflächennahe Material
hindurch bis zu den festeren Schichten erstreckt, die den mit Hochfrequenzenergie
zu behandelnden, unterirdischen Bereich überdecken. Eine koaxiale Übertragungsleitung
weist als Außenleiter ein Rohr auf, das von der Bodenoberfläche bis zu der erwähnten
Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung reicht, die ein Strahlerelement oder eine ein bestimmtes
Feld erzeugende Elektrode enthält, wobei der Außenleiter elektrisch mit einer vergrößerten
Durchmesser aufweisenden Leiteranordnung Verbindung hat, welche den Außenleiter
nahe seinem unteren Ende umgibt. Die genannte Leiteranordnung bildet an dem unteren
Ende des Außenleiters eine einspringende Sperrkammer, welche sich nach rückwärts
öffnend längs des Außenleiters der koaxialen Übertragungsleitung erstreckt und die
Hochfrequenzströme vermindert, welche längs des Außenleiters zurück nach aufwärts
von der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung abfließen. Der Innenleiter der koaxialen
iJbertragungsleitung reicht von der Bodenoberfläche bis zu dem mittels Hochfrequenzenergie
zu erwärmenden, unterirdischen Bereich und ist unmittelbar an einer großen Durchmesser
besitzenden, leitfähigen Elektrodenkonstruktion befestigt, welche eine Primärelektrode
darstellt, um die Hochfrequenzenergie in den umgebenden Bereich entweder durch Abstrahlung
einzukoppeln oder durch Verwendung der Elektrode in einem eingeschlossenen Feldsystem
einzubringen.
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Die hier vorgeschlagene Einrichtung gestattet auch die Zuführung von
Strömungsmittel durch die Übertragungsleitung hindurch von der Bodenoberfläche zu
der unterirdischen Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung. Im einzelnen kann es sich bei
dem Strömungsmittel
um Flüssigkeit unter hohem Druck zur Injektion
in die zu erhitzenden Bereiche handeln oder es kann ein gasförmiges Medium eingebracht
werden, um die dielektrische Festigkeit der Bereiche um die Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung
herum zu verbessern. Es können auch flüssige oder gasförmige SpUlmittel eingeführt
werden, um die bei der Erwärmung anfallenden Produkte, welche sich unterhalb der
Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung sammeln, zur Bodenoberfläche zu fördern.
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Schließlich wird auch ein Übertragungsleitungssystem vorgeschlagen,
mittels welchem die Hochfrequenzenergie von einem Generator oder Sender aus über
eine veränderbare Impedanzanpassungseinrichtung zu der unterirdischen Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung
geführt wird. Auf diese Weise können Veränderungen der Impedanz einer ölschiefer-Lagerstätte
aufgrund von Änderungen ihrer Temperatur oder aufgrund von Änderungen der Frequenz
der zugeführten Hochfrequenzenergie mit Bezug auf die Ausgangsimpedanz der Hochfrequenzenergiequelle
zu deren Anpassung kompensiert werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegende
Zeichnung beschrieben. Es stellen dar: Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Einrichtung
der hier vorgeschlagenen Art zur Abstrahlung von Hochfrequenzenergie, Fig. 2 einen
Horizontalschnitt durch die Einrichtung nach Figur 1 entsprechend der in dieser
Zeichnung angedeuteten Schnittebene 2-2 im Bereich der Übertragungsleitung, Fig.
3 einen Horizontalschnitt durch die Einrichtung nach Figur 1 entsprechend der in
dieser Zeichnung angedeuteten Schnittebene 3-3 im Bereich der Drosselkonstruktion
der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung,
Fig. 4 einen Horizontalschnitt
durch die Einrichtung nach Figur 1 ensprechend der in dieser Zeichnungsfigur angedeuteten
Schnittebene 4-4 im Bereich des unteren Endes der Drosselkonstruktion gemäß Figur
3, I Fig. 5 einen Horizontalschnitt durch die Einrichtung nach Figur 1 entsprechend
der in dieser Zeichnungsfigur angedeuteten Schnittebene 5-5 im Bereich des am unteren
Ende der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung vorgesehenen Dipols und Fig. 6 eine Aufsicht
auf die Energieerzeugungsanlage und die Steuersysteme für den Betrieb mehrerer Einrichtungen
nach Figur 1.
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In den Figuren 1 bis 5 ist eine mit 10 bezeichnete blschiefer-Lagerstätte
dargestellt, die sich unterhalb einer darüber gelagerten Schicht 12 und über einer
Trägerschicht 14 befindet.
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Eine Bohrung 16 ist von der Bodenoberfläche durch die Deckschicht
12 und durch die Olschiefer-Lagerstätte 10 hindurch bis in die Trägerschicht 14
niedergebracht. Die Deckschicht 12 kann Sedimentmaterial sein, welches eine im wesentlichen
gasdichte Abdeckung über der ölschiefer-Lagerstätte 10 bildet.
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Nach bekannten Techniken ist eine dichte Schalung zu der Deckschicht
12 hin durch ein Stahlfutterrohr 18 hergestellt, das sich von der Bodenoberfläche
aus nach abwärts in das Bohrloch 16 hinein bis zu einem Punkt unterhalb der lockeren
Oberflächenschicht erstreckt und gegen die Wände des Bohrloches durch Beton 20 abgedichtet
ist, welcher das Stahlfutterrohr 18 umgibt. Je nach Größe der verwendeten Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung
können Bohrlochdurchmesser beliebiger Größe vorgesehen werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
hat das Stahlfutterrohr 18 einen
Innendurchmessr von 45,7 cm. Am
Bohrlochkopf sind eine mit Flansch versehene Rohrhülse 22 und ein Deckel 24 vorgesehen.
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Diese sind beispielsweise durch Schweißung am oberen Ende des Stahlfutterrohres
18 befestigt. Eine derartige Verflanschung wird vorzugsweise verwendet, um in dem
Bohrloch 16 einen Druck aufrecht erhalten zu können und Verunreinigungen im Bohrloch,
beispielsweise durch Grundwasser, zu vermeiden.
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Eine koaxiale Ubertragungsleitung 26 erstreckt sich von dem Deckel
24 aus durch die Deckschicht 12 hindurch zu einer Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung
28, die sich in der blschiefer-Lagerstätte 10 befindet. Die Übertragunsleitung 26
ist vorzugsweise mit einem Außenleiter 30 aus Stahlrohr mit einem Innendurchmesser
von beispielsweise etwa 150 mm und einer Wandstärke von etwa 13 mm ausgerüstet.
Mehrere Längenstücke des den Außenleiter 30 bildenden Rohres sind über Schraubverbindungsstücke
32 miteinander verbunden und das oberste Längenstück des Außenleiters 30 ist in
eine öffnung des Deckels 24 eingeschruabt, während das unterste Längenstück des
Außenleiters 30 in eine Adaptereinheit 34 eingeschraubt ist, welche von einem mit
Gewinden versehenen, vergrößerten Durchmesser aufweisenden Kupplunqsstück gebildet
wird, welches die Verbindung zu einem koaxialen Rohrstück 36 herstellt, das sich
in dem Bohrloch 16 nach aufwärts zurück über eine Höhe von etwa einem Achtel der
Wellenlänge der in die ö.lschiefer-Lagerstätte 10 vermittels der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung
einzustrahlenden Hochfrequenzenergie erstreckt. Ein weiteres Rohrstück 38, welches
den selben Durchmesser hat wie das Rohrstück 36, erstreckt sich von der Adaptereinheit
34 nach abwärts über eine Entfernung, welche etwa gleich einem Viertel der Wellenlänge
der Betriebsfrequenz ist. Falls notwendig oder erwünscht kann eine Keramikhülse
40, welche mit Perforationen 41 versehen ist, in das Bohrloch 16 im Bereich der
blschiefer-Lagerstätte 10 eingeführt werden, um ein Einstürzen der Wände während
des Erwärmens zu verhindern.
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Die koaxiale Übertragungsleitung 26 enthält weiter einen Innenleiter
42, der :. beispielsweise wiederum aus Längenstücken eines Stahlrohrs hergestellt
ist. Das obere Ende des obersten Längenstückes des Innenleiters ist in einen Deckel
46 eingeschraubt.
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Eine auf den Deckel 24 aufgesetzte Keramikplatte 44 hält den Innenleiter
42 elektrisch von dem Außenleiter 30 getrennt. Der Deckel 46 ist oben auf die Reramikplatte
44 aufgelegt und mit dem oberen Ende des obersten Längenstückes des den Innenleiter
42 bildenden Rohres so verschraubt, daß innerhalb des Außenleiters 30 der koaxialen
Übertragungsleitung 26 ein Druck aufrecht erhalten werden kann. Mehrere Längenstücke
des den Innenleiter 42 bildenden Rohres sind über aus Metall gefertigte Verbindungsstücke
48 miteinander verbunden und werden von der Innenwand des Außenliters 30 durch keramische
Abstandshalter 50 ferngehalten. Die zusammengefügten Längenstücke des den Innenleiter
42 bildenden Rohres erstrecken sich von dem Deckel 46 nach abwärts innerhalb des
Außenleiters 30 bis zu einem Punkt unterhalb des unteren Endes des Rohrstückes 38.
Ein größeren Durchmesser aufweisender keramischer Abstandshalter 52 umgibt den Innenleiter
42 nahe seinem unteren Ende und nahe dem unteren Ende des Rohrstückes 38, so daß
der Innenleiter 42 koaxial in dem Rohrstück 38 abgestützt ist. Die zuvor erwähnten
keramischen Abstandshalter 50 stützen sich vorzugsweise an den oberen Enden der
Kupplungsstücke oder Verbindungsstücke 48 ab, so daß sie leicht an den Längenstücken
der Rohrstücke des Innenleiters aufgeschoben und verschoben werden könnnen, bevor
die Längenstücke mittels der Verbindungsstücke oder Kupplungsstücke zuammengeschraubt
sind. Der größeren Durchmesser aufweisende keramische Abstandshalter 52 wird mit
Bezug auf die Axialrichtung durch Metallringe 54 festgehalten, welche am untersten
Längenstück des den Innenleiter 42 bildenden Rohres festgeschweißt sind.
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Ein größeren Durchmesser als der Innenleiter 42 aufweisendes Rohrstück
56 ist über ein Anpassungs-Muffenstück 58 mit dem unteren Ende des Innenleiters
42 verschraubt und trägt seinerseits an seinem unteren Ende einen keramischen Abstandshalter
60,
der an der Außenseite des Rohrstückes 56 befestigt ist und
dieses gegenüber der Wand des Bohrloches 16 auf Abstand hält.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, in welchem der Innendurchmesser
des Außenleiters 30 etwa 150 mm beträgt, ist der Innendurchmesser des Innenleiters
42 etwa 50 mm und der Außendurchmesser des Innenleiters beträgt etwa 60 mm. Hierbei
ergibt sich dann ein Wellenwiderstand für die Übertragung der Hochfrequenzenergie
von der Erdoberfläche bis zu der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung 28 von annähernd
50 Ohm. Wird der Innendurchmesser der Rohrstücke 36 und 38 beispielsweise zu etwa
323 mm gewählt, so ist der Wellenwiderstand der Koaxialleitungsabschnitte, welche
den Innenleiter 42 und das Rohrstück 38 als Außenleiter enthalten, annähernd 100
Ohm. Der Außendurchmesser des Rohrstückes 56, welches als Strahlerelement wirksam
ist, kann zu 219 mm gewählt werden, wodurch sich eine abstrahlende Leiterfläche
ergibt, welche leicht in das Bohrloch 16 durch das Stahlfutterrohr 18 hindurch eingebracht
werden kann. Vorzugsweise wählt man die Weite des Rohrstückes 56 so groß wie möglich,
um die Oberflächenfeldstärke an dem Rohrstück 56 während der Abstrahlung von Hochfrequenzenergie
in die olschiefer-Lagerstätte 10 hinein zu vermindern.
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Der Bereich von dem oberen Ende des Rohrstückes 36 bis zu dem unteren
Ende des Rohrstückes 38 ist gemäß einem wichtigen Merkmal der hier vorgeschlagenen
Einrichtung so bemessen, daß er einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen innerhalb
des ölschiefers bei der Betriebsfrequenz der Einrichtung entspricht und einen Impedanzanpassungsabschnitt
106 bildet. Im einzelnen beträgt der Abstand von der Adaptereinheit 34 zu dem unteren
Ende des Rohrstückes 38 annähernd ein Viertel der Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz
des Systems in Luft. Der Impedanzanpassungsabschnitt 106 der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung
28 mit dem Rohrstück 38 und den gegenüberliegenden Teilen des Innenleiters 42 ist
als Impedanzanpassungstransformator wirksam, der die Impedanzanpassung zwischen
der koaxialen über tragungsleitung 26 und dem Strahlerabschnitt 108 der Hochfrequenz
-Abstrahlvorrichtung
28 verbessert. Der Impedanzanpassungsabschnitt 106 vermindert auch im wesentlichen
Maße die Hochfrequenzströme, welche anderenfalls an der Außenseite des Außenleiters
30 von dessen unterem Ende aus nach aufwärts zurückfließen würden, bis sie schließlich
durch Leistungsverluste aufgrund von Abstrahlung in die Deckschicht 12 hinein oder
durch Absorption in der Oberfläche des Außenleiters 30 verschwinden. Aufgrund des
hier angegebenen Aufbaus werden Leistungsverluste aufgrund eines Stromflusses längs
der Außenfläche des Außenleiters 30 stark herabgesetzt, so daß diese Verluste nur
wenige Prozent der Leistung betragen, die über die koaxiale übertragungsleitung
26 nach abwärts geliefert wird.
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Es sei bemerkt, daß die Dielektrizitätskonstante und der verlustwinkel
und somit die Impedanz der blschiefer-Lagerstätte 10 sich mit der Temperatur ändern,
wie dies in der US-Patentschrift 4 140 179 beschrieben ist. Bei der vorliegend angegebenen
Konstruktion ändert sich die Impedanz des Strahlerabschnittes 108 außerordentlich
wenig innerhalb eines breiten Bereiches der Temperaturen der Ölschiefer-Lagerstätte
10. Um solche durch Temperaturänderungen bedingte Impedanzschwankungen zu kompensieren,
ist an der Prdoberfläche eine Impedanzanpassungseinrichtung 62 vorgesehen, welche
sich gegenüber der koaxialen übertragungsleitung 26 als justierbare Impedanz verhält.
Die Einstellung der Impedanzanpassungseinrichtung kann in der Weise erfolgen, daß
die effektive Leistung qemessen wird, welche von der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung
2R zurück längs der koaxialen Übertragungsleitung 26 reflektiert wird, um das Stehwellenverhältnis
auf der übertragungsleitung 26 zu bestimmen. Es zeigt sich also, daß der Strahlerabschnitt
108 so angeregt werden kann, daß sich ein Strahlungsdiagramm ergibt, das in der
allgemeinen Ebene der nlschiefer-Lagerstätte in erster Linie radial nach außen qerichtet
ist, wobei der größte Teil der Leistung auf die Ölschiefer-Lagerstätte konzentriert
ist. Die Frequenz kann bei den hier angegebenen Abmessungen beispielsweise im Bereich
zwischen 1 MHz und 10 MHz
verändert werden. Das Rohrstück 56 hat
vorzugsweise eine Länge von einem Viertel der Wellenlänge der Hochfrequenzenergie
in der ölschiefer-Lagerstätte 10. Der Abstand zwischen dem oberen Ende des Rohrstückes
56 und dem unteren Ende des Rohrstückes 38 ist vorzugsweise gleich einem Viertel
der Wellenlänge bei Betriebsfrequenz in der blschiefer-Lagerstätte, wobei ein größerer
Luftspalt gelassen ist. Die Längen des vergrößerten Durchmesser aufweisenden Rohrstückes
56 und des damit verbundenen Teiles des Innenleiters 62, welche zusammen einen im
wesentlichen eine halbe Wellenlänge messenden Einpol-Strahlerabschnitt 108 bilden,
hängen von der Frequenz der Hochfrequenzenergiequelle 64 und von der effektiven
Wellenlänge der Strahlung in der blschiefer-Lagerstätte 10 sowie von der Strahlungsimpedanz
des Mediums ab.
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Gute Ergebnisse sind beispielsweise bei einer Frequenz von 10 MHz
erzielt worden, wenn die Gesamtlänge des Strahlerabschnittes 108 derart gewählt
worden ist, daß das vergrößerten Durchmesser aufweisende Rohrstück 56, nämlich der
Rohrteil, welcher unterhalb der Schnittebene 5-5 nach Figur 1 gelegen ist, etwa
ein Siebtel der Wellenlänge in Luft betrug, während der Teil des Einpol-Strahlerabschnittes
108, der durch die Auskragung des Innenleiters 42 über das untere Ende des Rohrstückes
38 hinaus, also durch den Leiterabschnitt zwischen den Schnittebenen 4-4 und 5-5
nach Figur 1, gebildet ist, annähernd ein Sechstel der Wellenlänge in Luft lang
war. Wenn sich in der ölschiefer-Lagerstätte 10 ein wesentlicher Anteil von Wasser
befindet, beispielsweise, wenn das darin befindliche Medium zunächst erhitzt wird,
so ist die effektive Länge des Strahlerabschnittes 108 etwas größer als eine halbe
Wellenlänge. Wenn jedoch die Erwärmung fortschreitet und das Wasser entweder in
Dampf umgewandelt wird oder ausgetrieben wird, so fällt die Dielektrizitätskonstante
in dem umgebenden Medium ab und die effektive Wellenlänge nimmt zu. Wird der Einpol-Strahlerabschnitt
108 mit einer effektiven elektrischen Länge betrieben, welche größer als eine halbe
Wellenlänge ist, so vermindert sich die Ausrichtung des Strahlungsdiagramms in Vertikalrichtung.
Die Hochfrequenz-Abstrahlungsvorrichtung 28 hat daher vorzugsweise in der
feuchten
ölschiefer-Lagerstätte 10 mit einer Dielektrizitätskonstanten von beispielsweise
16 und in der behandelten ö1-schiefer-Lagerstätte mit einer Dielektrizitätskonstanten
von bis zu 3 hinunter solche Abmessungen, daß der Einpol-Strahlerabschnitt 108 annähernd
eine halbe Wellenlänge lang ist. Ist also beispielsweise die Frequenz der Hochfrequenzenergiequelle
10 MHz, so daß sich als Wellenlänge im freien Raum 3 x 103 cm oder 30 m ergeben,
so beträgt die Länge des Rohrstückes 56 annähernd 420 cm und der Abstand vom unteren
Ende des Rohrstückes 38 bis zum oberen Abschluß des Adapters 58 beträgt etwa 480
cm.
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Im Betrieb wird der größte Teil der Leistung von dem Strahlerabschnitt
108 abgestrahlt und der Abschnitt 106 wirkt als Resonanz-Impedanztransformator.
Die Rohrstücke 36 und 38 sind als nicht in Resonanz befindliche oder induktiv wirkende
Drosselkonstruktionen wirksam, deren Länge empirisch bestimmt wird, um die Richtcharakteristik
in Horizontalrichtung mit Bezug auf eine Vertikalebene optimal zu gestalten. Durch
Ändern der Frequenz kann die Richtcharakteristik der abgestrahlten Energie entsprechend
verändert werden.
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Die Hochfrequenzenergiequelle 64 liefert Hochfrequenzenergie veränderbarer
Frequenz über eine Koaxialleitung 66 an die Impedanzanpassungseinrichtung 62, welche
die Hochfrequenzenergie über eine Koaxialleitung 68 an die koaxiale Übertragungsleitung
26 weitergibt, wobei der Innenleiter der Koaxialleitung 68 an den Deckel 46 angeschlossen
ist, während der Außenleiter der Koaxialleitung 68 mit dem Deckel 24 Verbindung
hat.
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Wie aus Figur 6 zu ersehen ist, hat die Hochfrequenzenergiequelle
64 vorzugsweise bestimmten Abstand von einer Mehrzahl von Bohrlöchern 16 und die
vorerwähnten Koaxialleitungen und tfbertragunqsleitullgen 66 sind über Entfernungen
von bis zu über 300 m geführt. Auf. diese Weise ist es möglich, einen großen Hochfrequenzsender
zur Speisung mehrerer Bohrlöcher 16 zu verwenden.
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Es ist daher vorteilhaft, wenn das Stehwellenverhältnis auf den Koaxialleitungen
66 möglichst nahe bei eins gehalten wird, so daß die Hochfrequenzverluste in den
Übertragungsleitungen minimal bleiben. Außerdem ist es wünschenswert, daß nur wenig
Leistung oder überhaupt keine Leistung zu der Hochfrequenzenergiequelle 64 reflektiert
wird, um eine Beschädigung der Sendereinrichtungen zu vermeiden und um die Erzeugung
der hochfrequenten Leistung in der Hochfrequenzenergiequelle mit maximalem Wirkungsgrad
vornehmen zu können. Die Impedanzanpassungseinrichtungen 62, welche in herkömmlicher
Weise Induktivitäten und Kapazitäten enthalten können, sind daher in üblicher Art
so eingestellt, daß eine Impedanzanpassung der Koaxialleitungen 66 erhalten wird.
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Während das Rohrstück 56 so bemessen werden kann, daß ein optimales
Strahlungsdiagramm und/oder eine optimale Leistungsabgabe bei einer bestimmten Frequenz
erhalten werden, indem beispielsweise die Länge des Rohrstückes 56 effektiv einem
Viertel der Wellenlänge bei der betreffenden Frequenz im Bohrloch 16 entspricht,
ist es wünschenswert, daß die Frequenz der Hochfrequenzenergiequelle 64 veränderbar
ist, um eine Einstellung bei unterschiedlichen Impedanzen oder unterschiedlichen
Arten von Lagerstätten und/oder bei unterschiedlichen Impedanzen in einer Lagerstätte
während der verschiedenen Phasen der Erhitzung vornehmen zu können. Derartige Impedanzanpassungen
können auch durch Verändern der Ausgangsimpedanz der Impedanzanpassungseinrichtungen
62 erreicht werden, so daß durch eine stehende Welle die richtige Impedanz durch
die verhältnismäßig kurze Koaxialleitung 68 und die koaxiale Übertragungsleitung
26 zu der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung in der Lagerstätte 10 reflektiert wird.
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Die Impedanzanpassungseinrichtung 62 wird vorzugsweise für die gewünschte
Impedanzanpassung in der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung bei niedriger Leistung
der Hochfrequenzenergiequelle 64 eingestellt und die Impedanzanpassung zur Erzeugung
eines niedrigen
Stehwelenverhältnisses in der Koaxialleitung 66
wird dann durch Einstellung vorgenommen. Es versteht sich jedoch, daß die Maßnahmen
zur Impedanzanpassung auch nach einem vorprogrammierten Fahrplan durchgeführt werden
können.
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l Es wurde gefunden, daß eine gute Impedanzanpassung an blschiefer-Lagerstätten
über ein 30 %iges Frequenzband hinweg erzielt werden kann, ohne daß wesentliche
Verluste bezüglich des Wirkungsgrad es der Hochfrequenzenergieübertragung in die
öIschiefer-Lagerstäte hinein auftreten.
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Die koaxiale Übertragungsleitung 26 wird zweckmäßig mit einem Inertgas
oder neutralen Gas, beispielsweise mit Stickstoff, unter Druck gehalten, wobei das
Gas von einer Druckgasquelle 70 über eine Rohrleitung 72, welche in die Hülse 22
hineinführt, sowie über eine Rohrleitung 74, welche an dem Deckel 24 einmündet,
und schließlich durch eine Rohrleitung 76, welche über eine Isolierkupplung 78 angeschlossen
ist und zu der Innenseite des den Innenleiter 42 bildenden Rohres führt, in das
Innere des Systems eingeführt wird.
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Die Druckgasquelle 70 kann Stickstoff von ausreichendem Druck liefern,
um ständig Stickstoff in die den Innenleiter 43 und den Außenleiter 30 bildenden
Rohre sowie in das Futterohr 18 einströmen zu lassen, wodurch eine Stickstoffspülung
an den Wandungen des Bohrloches 16 herab und durch den Raum zwischen dem Innenleiter
und dem Außenleiter erhalten wird. Vorzugsweise haben die keramischen Abstandshalter
in ihren Randbereichen oder Umfangsbereichen Öffnungen, so daß der Stickstoff hindurchströmen
kann. Das Druckgas stützt sich gegen die Flüssigkeitsansammlung 80 am Boden des
Bohrloches 16 ab und drückt die Flüssigkeit durch eine Förderleitung 82 nach aufwärts.
Die Förderleitung 82 kann ein Stahlrohr sein, welches elektrisch durch ein keramisches
Kupplungstück 84 unterbrochen ist, das sich nahe dem unteren Ende des als Strahlerelement
dienenden Rohrstückes 56 befindet.
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Das keramische Kupplungsstück 84 isoliert den Förderleitungsabschnitt
82,
welcher sich im wesentlichen auf Erdpotential befindet, von dem Förderleitungsabschnitt
86, der innerhalb des Innenleiters 42 bis zur Erdoberfläche nach aufwärts reicht
und durch einen Deckel 88 geführt ist, der oben auf dem Deckel 46 befestigt ist.
Schließlich ist der Förderleitungsabschnitt 86 über eine Isolierkupplung 90 zu einem
Sammeltank 92 geführt, aus dem, falls gewünscht, auch etwa hochgeförderter Stickstoff
wieder entnommen werden kann und über die Druckgasquelle 70 neuerlich in die ölschiefer-Lagerstätte
10 hinab gepreßt wird.
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Eine derartige Zirkulation von Stickstoff unterstützt nicht nur die
Förderung von Kerogen oder Ö1 von dem Boden des Bohrloches 16 sondern ermöglicht
auch eine Kühlung überhitzter Bereiche der Übertragungsleitung und/oder der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung,
so daß von der Hochfrequenzenergiequelle 64 hohe Leistungen in die ölschiefer-Lagerstätte
10 hinein übertragen werden können, ohne daß es an Punkten hoher Spannung in dem
System zu einem Spannungszusammenbruch kommt.
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Um die Gasströmung von der Druckgasquelle 70 zu den verschiedenen
Bereichen der Übertragungsleitung und der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung steuern
und kontrollieren zu können, enthalten die Rohrleitungen 72 und 74 jeweils ein Ventil
94. Die Rohrleitung 76 ist mit einem Ventil 96 versehen, das auf der geerdeten Seite
der Isolierkupplung 78 angeordnet ist und schließlich enthält die Rohrleitung von
der Isolierkupplung 99 zu dem Sammeltank 92 ein Ventil 98, derart, daß durch öffnen
und Schließen der Ventile die Gasströmung aus dem Bohrloch erhöht, konstant gehalten
oder vermindert werden kann, je nachdem, in welcher Phase der Förderung man sich
befindet. Durch Aufrechterhalten einer ausreichenden Stickstoff-Spülströmung durch
das Bohrloch 16 vor und während der Einwirkung der Hochfrequenzleistung wird die
Gefahr von Explosionen in dem Bereich der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung minimal
gehalten. Derartige Explosionen können beispielsweise auftreten, wenn Sauerstoff,
der
aus Bestandteilen der Lagerstätte freigesetzt oder nach Installation des Übertragungssystems
im Bohrloch vorhanden ist, sich mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen aus der Langerstätte
zu einem zündwilligen Gemisch vereinigt und eine Roronaentladung oder ein Lichtbogen
an der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung auftritt und das explosive Gemisch zündet.
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Die Länge der koaxialen Übertragungsleitung 26 ist zweckmäßiq ausreichend
groß gewählt, um jeden beliebigen Bereich der öl-.
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schiefer-Lagerstätte 10 zu erreichen. Bei sehr dicken Olschiefer-Lagerstätten
kann die Übertragungsleitung 26 allmählich angehoben oder abgesenkt werden. Hierdurch
wird die Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung 28 angehoben oder abgesenkt, so daß jeweils
unterschiedliche Horizontalschichten der ölschiefer-Lagerstätte dem Intensitätsmaximum
der Strahlung ausgesetzt werden.
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Überschläge oder Kurzschlüsse der Hochfrequenzenergie werden durch
die Verwendung der keramischen Abstandshalter 50, 52, 40 und 60 vermieden, welche
die verschiedenen elektrischen Leiter im wesentlichen konzentrisch zueinander und
zu dem Bohrloch 16 halten, so daß Impedanzveränderungen längs der Übertragungsleitung
aufgrund einer exzentrischen Verlagerung der Leiterteile, welche anderenfalls zwischen
dem Innenleiter und dem Außenleiter der koaxialen übertragungsleitung 26 auftreten
könnten, praktisch ausgeschlossen werden. Exzentrische Verlagerungen würden möglicherweise
zu Stehwellenverhaltnissen führen, die über den vorausberechneten Werten liegen,
so daß sich höhere Spannungsmaxima an bestimmten Punkten längs der Übertragungsleitung
oder an der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung ergäben.
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Die Kanten der Isolatoren oder Abstandshalter sind vorzugsweise abgeschrägt,
um eine Relativbewegung zwischen den Leitern während der Montage zu erleichtern.
Der großen Durchmesser aufweisende Isolations-Abstandshalter 52 ist zwischen dem
unteren Ende des Rohrstückes 38 und dem den Innenleiter 42 bildenden Rohr vorgesehen,
da in diesem Bereich ein Spannungsmaximum auftreten
kann. Ein
derartiges Spannungsmaximum kann sich mit Wahrscheinlichkeit erhöhen, wenn das Stehwellenverhältnis
auf übertragungsleitung 26 zunimmt, so daß bei hohen eingestellten Leistungspegeln
eine Koronaentladung stattfinden kann.
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Die Möglichkeit der Einstellung maximaler Leistung wird nicht nur
durch die Gefahr eines Spannungszusammenbruches sondern auch durch die Verlustleistungen
auf der Übertragungsleitung begrenzt. Die dargestellten Leiter-Konstruktionsteile,
welche aus normalem Stahl gefertigt sind, können daher zweckmäßig mit hochleitfähigem
Werkstoff, beispielsweise mit Kupfer oberflächenbeschichtet sein, so daß Leistungen
von über einem Megawatt über die übertragungsleitung 26 und die Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung
28 in die blschiefer-Lagerstätte 10 hinein übertragen werden können.
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Falls sich die Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung 28 nicht in ausreichender
Tiefe befindet, d. h., falls die darüber gelagerte Schicht 12 nicht ausreichend
dick ist, kann es vorkommen, daß ein bestimmter Anteil der Hochfrequenzenergie bei
großen in die blschiefer-Lagerstätte 10 hinein abgestrahlten Leistungen mit geringer
Intensität auf der Erdoberfläche auftritt. Bei dem hier vorgeschlagenen System sind
Drähte, beispielsweise Stahlseile 100, an der Hülse -22 festgeschweißt und in radiale
Richtung mehrere hundert Fuß ausgelegt, um solche auf der Erdoberfläche auftretende
Strahlung in die Deckschicht 12 hinein zu reflektieren, so daß eine Störung aufgrund
dieser Strahlung verhindert wird, wenn Frequenzen von beispielsweise 10 MHz oder
darunter zur Anwendung kommen. Im allgemeinen werden Frequenzen über 10 MHz in ausreichendem
Maße in den meisten Deckschichtformationen absorbiert, während tiefere Frequenzen
ebenfalls absorbiert werden, wenn sich ausreichend Feuchtigkeit in der betreffenden
Deckschicht befindet. Der Abstand zwischen den radial ausgelegten Drähten oder Drahtseilen
kann beliebig gewählt werden und es können auch, falls erforderlich, Abzweigdrähte
von den radial ausgelegten Drähten vorgesehen sein. Außerdem können, falls in einem
Gebiet mehrere Bohrlöcher in der beschriebenen
Weise behandelt
werden, sich die Drähte oder Drahtseile zwischen den nebeneinander liegenden Einrichtungen
erstrecken.
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Wie bereits in der US-Patentschrift 4 140 179 ausgeführt, ändert sich
die Impedanz sowohl aufgrund der Absorption von Mikrowellenenergie wegen Änderungen
der Leitfähigkeit und aufgrund von Änderungen der Dielektrizitätskonstanten als
Folge des Entzuges des Anteils von Wasser, welcher sich ursprünglich in der blschiefer-Lagerstätte
befand. Die Temperatur, bei welcher das Wasser in Dampf umgewandelt wird und aus
der Lagerstätte gefördert wird, hängt von dem Druck ab, der im Bohrloch aufrechterhalten
wird.
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Wenn beispielsweise das Ventil 98 geschlossen bleibt und das Bohrloch
bzw. seine Wände zunächst mit Stickstoff gespült worden sind und dann unter einen
Druck von etwa 35 Bar gesetzt werden, so kann die Temperatur in der Olschiefer-Lagersätte
10 im Bereich des Bohrloches auf Werte weit über 100"C (mehrere 100"F) erhöht werden,
wobei das Wasser immer noch in flüssiger Form in den Poren der ölschiefer-Lagerstätte
vorhanden ist. Es treten Wassergehalte in der Größenordnung von 3 e bis 30 % auf
und absorbieren wesentliche Anteile der Hochfrequenzenergie.
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Gemäß einem hier angegebenen Verfahren kann die Temperatur in dem
Bohrloch beispielsweise mittels eines Thermoelementes 102 bestimmt werden, wie dies
im übrigen auch in der US-Patentschrift 4 140 179 gezeigt ist. Das Thermoelement
102 ist über eine Leitung 104 mit Anlageteilen an der Erdoberfläche verbunden. Wenn
die Temperatur beispielsweise 371 C erreicht, so führt eine öffnung des Ventiles
98 zu einem Druckabfall im Bohrloch, so daß das Wasser verdampft und die Bohrlochwandungen
auf Temperaturen unterhalb 371"C abgekühlt werden, wodurch die unerwünschten heißen
Bereiche an den freiliegenden Flächen der blschiefer-Lagerstätte vermieden werden.
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Während die koaxiale Übertragungsleitung 26 für die Hochfrequenzströme
Oberflächen darbietet, welche groß sind und daher nur eine geringe Stromdichte bei
einer bestimmten eingestellten Leistunq
führen, können die koaxialen
Leitungen 66 und 68 beispielsweise gebräuchliche Kupfer-Koaxialleitungen sein, welche
einen Außendurchmesser von beispielsweise 79 mm haben. Derartige Koaxialkabel können
über mehrere hundert Meter von einer zentralen Energiequelle aus verlegt werden
und vorzugsweise ist die Impedanzanpassungseinrichtung 62 an der Erdoberfläche möglichst
nahe an dem Bohrloch 16 aufgestellt. Die Impedanz der Hochfrequenzenergiequelle
64 kann also im wesentlichen an die Eingangsimpedanz der Impedanzanpassungseinrichtung
62 angepaßt werden, um ein Stehwellenverhältnis in der Koaxialleitung 66 von beispielsweise
unter 1,5 zu erhalten, während die koaxiale Übertragungsleitung 26 ein Stehwellenverhältnis
von 1,5 bis 5 haben kann, je nachdem, welche Anpassung erforderlich ist, um eine
optimale Abstrahlung der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtung 28 zu erreichen.
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Es sei nun nochmals auf Figur 6 der Zeichnung Bezug genommen.
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Hier ist in Aufsicht eine Anzahl von Rohrlöchern 16 angedeutet, welche
auf einem ölfeld in Abständen von beispielsweise mehreren hundert Fuß auseinanderliegen
und über Koaxialkabel sowie Impedanzanpassungseinrichtungen 62 und von diesen aus
über Koaxialkabel 66 mit einer zentralen Hochfrequenzenergiequelle 64 verbunden
sind. Die Hochfrequenzenergie kann von einem den einziqen Sender enthaltenden Gehäuse
aus, welches sich beispielsweise in einer Kontrollstation befindet, nach einem gewünschten
Programm der Reihe nach auf die verschiedenen Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtungen
innerhalb der einzelnen Bohrlöcher 16 verteilt werden.
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Signale, welche von den Impedanzanpassungseinrichtungen 62 zu der
Kontrollstation geführt werden, können zur Überwachung und/oder Einstellung der
Frequenz und der Impedanzanpassung des Senderausgangs an die, einzelnen Bohrlöcher
verwendet werden.
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Im Rahmen der Erfindung bietet sich dem Fachmann eine Anzahl on Weiterbildungs-
und Abwandlungsmöglichkeiten der beschriebenen Einrichtung bzw. der angegebenen
Verfahren. So können beispielsweise zur Speisung der im Bohrloch befindlichen Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtungen
anstelle von Koaxialleitungen
auch Parallelleitungen verwendet
werden. Weiter können anstelle der angegebenen Frequenzen auch andere Frequenzen
eingesetzt werden und zur Herstellung der Übertragungsleitungen und der Hochfrequenz-Abstrahlvorrichtungen
läßt sich eine Vielzahl von Leiterwerkstoffen verwenden.