EA012931B1 - Способ добычи углеводородов из углеводородных формаций и способ обработки углеводородных формаций - Google Patents

Abstract

Предложены варианты способа извлечения и управляемого нагрева углеводородной среды, или по меньшей мере одного соединения, или химической композиции углеводородной среды, такой как нефтеносный сланец, битуминозный песок, нефтеносный песок, уголь, битум и/или кероген, содержащихся в подземной, содержащей углеводород формации. На подземную углеводородную формацию воздействуют электрическим полем переменного тока, генерируемым радиочастотным колебанием или колебаниями в заданном диапазоне частот, которое нагревает углеводородную среду, тем самым уменьшая её вязкость. Затем извлекают нагретую углеводородную среду на поверхность. Варианты способа предусматривают следующее: (а) осуществляют автоматическую регулировку частоты или частот радиочастотного колебания или множества радиочастотных колебаний, генерируемых блоком генерирования радиосигнала переменной частоты, на основании сигнала обратной связи по меньшей мере одного измеренного in situ параметра путем измерения по меньшей мере одного параметра обратной связи in situ; определения значения или значений частоты или частот с использованием заданного отношения частоты и параметра и изменения фактической частоты или фактических частот радиочастотного колебания или радиочастотных колебаний на заданное значение или значения; и/или (b) осуществляют автоматическую регулировку эффективного импеданса нагрузки для согласования с выходным импедансом блока генерирования сигнала путем измерения эффективного импеданса нагрузки, первоначально зависящего от импеданса углеводородной среды; сравнения эффективного импеданса нагрузки с выходным импедансом блока генерирования сигнала, который генерирует радиочастотное колебание или колебания. Изобретение относится также к устройству для емкостного радиочастотного диэлектрического нагрева и извлечения углеводородной среды из подземной, содержащей углеводород формации.

Description

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к добыче и обработке углеводородов, а в частности к нагреву углеводородных формаций ίη δίΐιι (на месте нахождения) для повышения эффективности добычи и обработки.

Известный уровень техники

Североамериканские резервы нефтеносного сланца и битуминозного песка содержат достаточное количество углеводородного материала, чтобы стать глобальным поставщиком углеводородных продуктов в обозримом будущем. Крупномасштабная промышленная эксплуатация некоторых содержащих углеводород ресурсов, имеющихся в крупных месторождениях на Североамериканском континенте, задерживается по причине существования ряда проблем, особенно из-за высокой стоимости добычи и потенциально существенного отрицательного влияния на окружающую среду. Нефтеносные сланцы также широко распространены в Соединенных Штатах, однако стоимость добычи топлива из них является обычно не конкурентной. Это же самое относится и к битуминозным пескам, оцененные большие запасы которых имеются в Западной Канаде. Кроме того, тяжелые или вязкие виды нефти часто остаются неиспользованными в обычных нефтяных скважинах, что связано с высокой стоимостью их экстракции. Эти типы углеводородных месторождений становятся все более важными, так как резервы сырой нефти с низкой вязкостью быстро истощаются.

Такие материалы, как нефтеносный сланец, битуминозные пески и уголь могут быть подвергнуты тепловой обработке, чтобы получить газы и углеводородные жидкости. Как правило, за счет нагрева создается пористость, проницаемость и/или подвижность, необходимая для осуществления добычи. Нефтеносный сланец представляет собой осадочную горную породу, которая после пиролиза или перегонки образует конденсируемую жидкость, известную как сланцевое масло, и не конденсируемые газообразные углеводороды. Конденсируемую жидкость можно рафинировать в продукты, которые напоминают нефтепродукты. Нефтеносный песок представляет собой непостоянную смесь песка, воды и битума, причем битум обычно присутствует в виде пленки вокруг окруженных водой частиц песка. Несмотря на то что это и является трудоемким делом, различные типы тепловой обработки позволяют извлекать битум, который представляет собой похожую на асфальт сырую смесь углеводородов, имеющую очень высокую вязкость.

При проведении деструктивной перегонки нефтеносного сланца или других твердых или полутвердых углеводородных материалов твердый материал нагревают до соответствующей температуры и извлекают эмитируемые продукты. Однако на практике ограниченная эффективность этого способа препятствует его крупномасштабному промышленному применению. Например, желательная органическая образующая (компонент) в нефтеносном сланце, известная как кероген, составляет относительно малый процент объема сланцевого материала, так что очень большие объемы сланца потребуется нагревать до высоких температур, чтобы извлечь относительно малые количества полезных конечных продуктов. Обработка больших объемов материала, сама по себе, создает проблему, связанную с удалением отходов. Кроме того, требуется существенная энергия для нагрева сланца, причем низкая эффективность процесса нагрева и необходимость осуществления относительно однородного и быстрого нагрева являются ограничивающими факторами успешного применения этого способа.

В случае битуминозных песков объем подлежащего обработке материала, по сравнению с количеством извлеченного продукта, также является относительно большим, так как битум обычно составляет только около 10% от полного веса исходного материала. Обработка материала битуминозных песков является очень трудной, даже при самых лучших обстоятельствах. Такая обработка потенциально приводит к весьма существенному отрицательному влиянию на окружающую среду.

Уже были сделаны различные предложения, которые в широком аспекте можно классифицировать как ίη 8Йи способы, касающиеся обработки углеводородных месторождений и добычи из них углеводородов. Такие способы могут предусматривать проведение подземного нагрева или перегонку материала на месте его нахождения, с малым объемов горных работ или без их проведения, при сохранении (оставлении) твердого материала (отходов) в формации. Полезные образующие формации, в том числе нагретые жидкости с пониженной вязкостью, могут быть подняты на поверхность земли при помощи насосных систем или принудительно подняты на поверхность за счет инжекционных технологий. Для того чтобы такие способы были успешными, необходимо, чтобы количество энергии, которое требуется для осуществления экстракции, было минимальным.

Примеры использования радиочастоты для нагрева относительно больших объемов углеводородных формаций можно найти в следующих патентах США: № 4140180 Впбдез е! а1., 1979; № 4135579 Βο\\ί;·ιηά е! а1., 1979; № 4140179 Кавеукй е! а1., 1979; № 4144935 Впбдез е! а1., 1980; № 4193451 ОаирЫпе 1980; № 4457365 КазеутсЬ е! а1., 1984; № 4470459 Сор1апб е! а1., 1984; № 4513815 ΗιιικΚ11 е! а1., 1985, № 5109927 Зирета\у е! а1., 1992; № 5236039 Ейе18!ет е! а1., 1993 и № 6189611 Казеуюй е! а1., 2001.

В одном предложенном электрическом ίη δίΐιι подходе используют набор решеток дипольных антенн, расположенных в пластике или в другой диэлектрической оболочке в формации, такой как формация битуминозного песка. Источник ОВЧ- или УВЧ-мощности подает питание на антенны и создает

- 1 012931 электромагнитное поле, излучаемое в месторождение. Однако следует иметь в виду, что на этих частотах и принимая во внимание электрические свойства формаций, напряженность поля быстро падает по мере увеличения расстояния от антенн. Следовательно, получают неоднородный нагрев, приводящий к неэффективному перегреву участков формаций, чтобы получить, по меньшей мере, минимальный средний нагрев всего объема формаций.

В другом известном предложении используют ίη δίΐιι электрический индукционный нагрев формаций. Как и других предложениях, процесс зависит от присущей формации электропроводности, которая является ограниченной даже при самых лучших условиях. В частности, вторичные токи индукционного нагрева создают в формациях за счет образования подземной тороидальной индукционной катушки и пропускания электрического тока через витки катушки. За счет бурения вертикальных и горизонтальных стволов скважин образуется подземный тороид, и проводники пропускают через стволы скважин для образования витков тороида. Однако по мере того как формация нагревается и водные пары выходят из нее, электрическое сопротивление формации повышается и требуется увеличивать ток для обеспечения желательного нагрева. Вообще говоря, упомянутые выше технологии ограничены относительно низкой теплопроводностью и электропроводностью объема представляющих интерес формаций. Таким образом, неэффективность, получаемая за счет неоднородного нагрева, делает существующие технологии медленными и неэффективными.

В настоящее время наиболее приемлемым промышленным способом ίη 8Йи экстракции углеводородов из битуминозных песков является способ вытеснения нефти паром, в котором используют комбинацию пара или других газообразных давлений вместе с ВЧ (с радиочастотой) для снижения вязкости, чтобы принудительно вытеснить нефть через песок в ближайшую добывающую скважину. Этот способ требует использования огромных количеств пара высокого давления, который обычно получают с использованием природного газа. Однако по мере того как растет цена сырой нефти, обычно соответствующим образом растет цена природного газа, что повышает стоимость способов вытеснения нефти паром. Способ вытеснения нефти паром порицают за снижение давления природного газа. Поэтому производители газа стремятся производить добычу природного газа раньше добычи битума. Однако для использования способов вытеснения нефти паром требуются подземные давления от резервуаров природного газа, чтобы содействовать вытеснению нефти паром. Потеря резервуара природного газа может сделать способ вытеснения нефти паром неэкономичным.

Управляемый или однородный нагрев объема добываемых углеводородов является желательным, однако известные в настоящее время способы не позволяют решить эту задачу. Вместо этого, известные в настоящее время способы обычно создают неоднородные распределения температур, что может приводит к неэффективному перегреву некоторых участков формаций. Предельные температуры в локализованных областях могут вызывать повреждение продуцирующего объема, такое как карбонизация, образование пленки на поверхности твердых парафинов и образование электрической дуги между проводниками. Более того, испарение воды создает пар, который отрицательно влияет на прохождение частотных колебаний к материалам, которые требуют нагрева.

Ни один из предложенных ранее способов экстракции углеводородов из указанных типов формаций не позволяет отделять нежелательные примеси от ценных углеводородов, ранее их экстракции на поверхность земли. Промывка песка от нагретой нефти обычно требует применения способов с использованием пара или с потреблением других видов энергии. Нежелательные примеси в битуминозном песке могут в 10 раз превышать содержание желательных углеводородов. В результате, создается существенное отрицательное влияние на окружающую среду, за счет удаления в отходы нежелательных примесей, если добывать такое количество углеводородов, которое удовлетворяет потребность США или мировую потребность в нефти. Другой проблемой при промывке песка от нефти является необходимость в производстве и обработке большого количества воды. Требуется не только огромное количество свежей воды, но также и сброс в отходы полученной загрязненной воды, что создает большие проблемы. Удаление в отходы нежелательных органических и неорганических веществ, таких как тяжелые металлы, сера и т.п., которые разделяют от углеводородов, создает дополнительные проблемы, связанные с охраной окружающей среды. Более того, экстракция больших количеств нагретого битума и тяжелой нефти на поверхность земли может высвобождать большие объемы парниковых газов и других загрязняющих веществ в атмосферу во время последующей промывки, хранения сырой нефти и осуществления процессов разделения и очистки.

Несмотря на то что системы ВЧ диэлектрического нагрева ранее уже использовали для нагрева содержащих углеводород формаций, все еще существует необходимость в создании усовершенствованных устройств и технологий обработки, для того чтобы производить быстрый, эффективный и однородный нагрев специфических химических композиций, которые находятся в битуме, и/или индивидуальных углеводородных композиций. Также существует необходимость в создании способа разделения нежелательных примесей от углеводородов и оставления их главным образом в виде отходов в их исходной среде.

Недостатки емкостного ВЧ диэлектрического нагрева.

Специфическим недостатком известных способов емкостного ВЧ диэлектрического нагрева являет

- 2 012931 ся наличие потенциальной возможности теплового убегания или образования горячих пятен в гетерогенной (неоднородной) среде, так как диэлектрический потери часто сильно зависят от температуры. Другим недостатком емкостного нагрева является наличие потенциальной возможности диэлектрического пробоя (образования электрической дуги), если напряженности электрического поля в образце становятся слишком высокими. Более толстые образцы с меньшими воздушными зазорами позволяют работать при более низких напряжениях.

На фиг. 1-4 показан пример известной системы емкостного ВЧ диэлектрического нагрева. Синусоидальный сигнал высокого напряжения высокой частоты переменного тока приложен к набору параллельных электродов 20 и 22 на противоположных сторонах диэлектрической среды 24. Нагреваемая среда 24 расположена между электродами 20 и 22 в области, называемой зоной обработки продукта. Переменный ток смещения протекает через среду 24 в результате того, что полярные молекулы в среде выравниваются и вращаются в противоположных направлениях относительно приложенного электрического поля переменного тока. Прямая проводимость отсутствует. Вместо этого эффективный переменный ток протекает через конденсатор за счет полярных молекул, которые эффективно заряжаются, вращаясь в одну и другую сторону. Нагрев происходит потому, что эти полярные молекулы взаимодействуют с соседними молекулами, в результате чего возникают потери в кристаллической решетке и фрикционные потери при вращении молекул.

Электрическая эквивалентная схема устройства, показанного на фиг. 1, в которой конденсатор включен параллельно резистору, показана на фиг. 2А. Здесь имеется находящийся в фазе с приложенным ВЧ-напряжением 1_К компонент тока и сдвинутый по фазе 1_с компонент тока. Находящийся в фазе компонент тока соответствует резистивным потерям напряжения. Эти потери становятся больше при повышении частоты приложенного сигнала, для фиксированной напряженности электрического поля или градиента напряжения за счет более высокой скорости взаимодействия с соседними молекулами. Чем выше частота переменного поля, тем больше энергия, передаваемая в среду 24, что происходит до тех пор, пока частота не станет такой высокой, что вращение молекул больше не может поддерживаться внешним полем по причине ограничений, создаваемых кристаллической решеткой.

Эта (высокая) частота, которую называют дебаевской резонансной частотой по имени математика, который ее моделировал, представляет собой частоту, на которой действуют ограничения кристаллической решетки. Дебаевская резонансная частота представляет собой частоту, на которой максимальная энергия может быть передана в среду при данной напряженности электрического поля (и, следовательно, может обеспечить максимальный нагрев). Это высокочастотное ограничение обратно пропорционально сложности полярных молекул. Например, углеводороды с полярными боковыми группами или цепями имеют ограничение более медленного вращения и, следовательно, имеют дебаевский резонанс на более низкой частоте, чем простые полярные молекулы воды. Эти дебаевские резонансные частоты также сдвигаются при изменении температуры, когда среда 24 нагревается.

На фиг. 2А-2С показаны электрические эквивалентные схемы диэлектрической системы нагрева, показанной на фиг. 1, для различных типов содержащих углеводород формаций. Результирующие электрические эквивалентные схемы могут отличаться от схемы, показанной на фиг. 2А, в зависимости от характеристик среды 24. Например, в такой среде 24, как углеводородная формация с высоким содержанием влаги и соли, электрическая эквивалентная схема содержит только резистор (фиг. 2В), потому что омические свойства являются преобладающими. В отличие от этого, для среды с низкой засоленностью и влажностью, электрическая эквивалентная схема содержит конденсатор, включенный последовательно с резистором (фиг. 2с).

Различные другие углеводороды, элементы или композиции внутри содержащей углеводород формации могут иметь другие электрические эквивалентные схемы. Более сложные модели имеют, в комбинации, последовательные и параллельные электрические компоненты, позволяющие описать эффекты второго порядка. Любые компоненты любой из моделей могут иметь зависимость от температуры и частоты.

Пример известной системы ВЧ-нагрева показан на фиг. 3 и 4 (известный уровень техники). В этой системе комбинация высоковольтного трансформатора и выпрямителя создает высокое выпрямленное положительное напряжение (от 5 до 15 кВ), подаваемое на анод стандартного триодного мощного генераторного прибора (лампы) СВЧ. Резонансный контур (параллельный резонансный контур с дросселем и конденсатором) включен между анодом и заземленным катодом, как это показано на фиг. 4, и является также частью цепи положительной обратной связи, индуктивно связывающей катод с сеткой лампы, в результате чего возникают колебания и генерируется ВЧ-сигнал. Этот выходной сигнал ВЧ-генератора сигналов поступает на нагрузку комбинированного емкостного диэлектрического и резистивного/омического нагрева через устройство сопряжения, которое содержит цепь связи и систему согласования, предназначенную для согласования импеданса нагрузки и обеспечения максимального подвода мощности нагрева к нагрузке, как это показано на фиг. 3. Аппликатор содержит систему электродов, которая подает ВЧ-энергию в нагреваемую среду 24, как это показано на фиг. 1.

Известная система, показанная на фиг. 1-4, может работать только в узком диапазоне частот и только на фиксированной частоте, обычно в существующих Ι8Μ (промышленность, наука и медицина) поло

- 3 012931 сах. Такой узкий рабочий диапазон частот не позволяет подстраивать импеданс. Любые регулировки параметров системы приходится делать вручную и в отключенном состоянии системы. Кроме того, выбранная частота может дрейфовать. Поэтому даже если известная система и позволяет производить управление, это управление не является точным, надежным, происходящим в реальном масштабе времени или автоматическим.

Сущность изобретения

Задачами и преимуществами настоящего изобретения являются следующие:

(a) создание усовершенствованного способа добычи углеводородов;

(b) создание способа нагрева специфических элементов, химических композиций и/или специфических углеводородов внутри содержащей углеводород формации с использованием системы автоматического емкостного радиочастотного диэлектрического нагрева с переменной частотой;

(c) создание ίη δίΐιι тепловой обработки углеводородных земных формаций с использованием системы автоматического емкостного радиочастотного диэлектрического нагрева с переменной частотой, так чтобы эффективно обеспечивать главным образом однородный нагрев специфического объема формаций;

(ά) создание системы и способа для эффективной тепловой обработки относительно больших блоков углеводородных земных формаций с минимальным отрицательным воздействием на окружающую среду и с высоким чистым отношением рекуперированной энергии к затраченной энергии;

(е) создание способа нагрева специфических элементов и композиций внутри содержащей углеводород формации, с использованием системы автоматического емкостного радиочастотного диэлектрического нагрева с переменной частотой, причем другие элементы и композиции внутри формации являются прозрачными для частоты, которую используют для нагрева выбранных в качестве мишени (заданных, специфических) композиций.

Другие задачи и преимущества обеспечены за счет создания способа нагрева специфических элементов и композиций внутри содержащей углеводород формации, с использованием системы автоматического емкостного радиочастотного диэлектрического нагрева с переменной частотой, который позволяет производить нагрев специфических элементов и композиций внутри формации, чтобы отделять нежелательные примеси от желательных углеводородов или других желательных материалов внутри подземного месторождения, ранее подъема на поверхность земли.

Задачи и преимущества настоящего изобретения станут более понятны из последующего подробного описания изобретения, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ добычи углеводородов из углеводородных формаций и обработки таких формаций, который предусматривает ίη 8Йи процесс нагрева, в котором используют систему автоматического емкостного радиочастотного, с переменной частотой диэлектрического нагрева, которая может содержать флюидную несущую среду (например, воду или солевой раствор), на которую могут не влиять, по желанию, частоты, предназначенные для воздействия на заданные (используемые в качестве мишени) элементы внутри формации.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 (известный уровень техники) показана схема известной системы емкостного ВЧ диэлектрического нагрева.

На фиг. 2А-2С (известный уровень техники) приведены эквивалентные схемы диэлектрической системы нагрева, показанной на фиг. 1, для различных типов содержащих углеводород формаций.

На фиг. 3 (известный уровень техники) показана блок-схема диэлектрической системы нагрева, показанной на фиг. 1.

На фиг. 4 (известный уровень техники) приведена блок-схема секции генерирования мощного ВЧсигнала диэлектрической системы нагрева, показанной на фиг. 3.

На фиг. 5 показана блок-схема емкостной диэлектрической системы нагрева в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 6 показана схема последовательности операций, где приведены операции способов согласования импедансов (полных сопротивлений) для использования в емкостной диэлектрической системе нагрева, показанной на фиг. 5.

На фиг. 7 показана блок-схема, аналогичная показанной на фиг. 5, где приведен альтернативный вариант емкостной диэлектрической системы нагрева.

На фиг. 8 показана схема последовательности операций, где приведены операции способов согласования импедансов для использования в емкостной диэлектрической системе нагрева, показанной на фиг. 7.

На фиг. 9 показан вид сверху матрицы электродов, которая может быть использована в системах, показанных на фиг. 5 и 7.

На фиг. 10 показан разрез по линии 10-10 фиг. 9.

На фиг. 11А-11Е приведены блок-схемы пяти технологических маршрутов нагрева и добычи углеводорода с преимуществами, полученными за счет использования диэлектрической системы нагрева.

На фиг. 12 показаны три скважины генерирования и контроля частоты, причем их устройства приведены в действие на дне углеводородного месторождения.

- 4 012931

На фиг. 13 показана открытая вверх каверна, которая в центре образует более широкую, в виде конуса, основную каверну 335.

На фиг. 14 показана основная каверна, расширенная для того, чтобы включить в себя смежные каверны, показанные на фиг. 13.

На фиг. 15 показана основная каверна, которая вскоре будет ограничена при ее распространении наружу и вверх в формации и начнет приобретать форму купола при эксплуатации формации.

На фиг. 16 показана с увеличением часть основной каверны, находящаяся в скобках 16-16 на фиг. 15, и показаны также различные технологии обработки.

Позиционные обозначения на чертежах

- электрод;

- электрод;

- среда;

- флюидная несущая среда;

- генератор сигналов переменного тока высокой частоты;

- широкополосный линейный усилитель мощности;

- перестраиваемая схема согласования импедансов;

- аппаратура для измерения напряжения, тока и, возможно, температуры;

- переменный ВЧ-сигнал тока смещения;

- компьютер;

- электрически изолированный электродный элемент;

- тепловые датчики;

- электрически изолированный электродный элемент;

- переключатели;

120 - электрод (электроды);

122 - электрод (электроды);

124 - среда;

130 - генератор сигналов переменного тока высокой частоты;

132 - широкополосный линейный усилитель мощности;

133 - соединение между усилителем 132 и схемой 134 согласования;

134 - перестраиваемая схема согласования импедансов;

135 - аппаратура для измерения напряжения, тока и, возможно, температуры;

136 - форма волны переменной ВЧ-мощности;

137а - ВЧ токовый зонд;

137Ь - ВЧ-зонд напряжения;

138 - компьютер;

150 - перестраиваемый направленный ответвитель;

152 - прямой участок измерения мощности;

154 - обратный участок измерении мощности;

156 - измерительное устройство;

158 - объемный резонатор;

159 - емкостная схема согласования;

170 - операция: установка генератора 30 сигналов на начальную частоту или частоты;

172 - операция: измерение температуры среды;

174 - операция: сравнение частоты (частот) и температуры;

176 - операция: принятие решения о необходимости изменения частоты;

178 - операция: изменение частоты, если это необходимо;

181 - операция: автоматический процесс согласования импедансов;

182 - операция: измерение действительного импеданса нагрузки;

184 - операция: выключение емкостной реактивности;

186 - операция: измерение согласования импедансов;

188 - подоперация: измерение прямой и отраженной мощностей;

190 - операция: сравнение импеданса эффективной нагрузки;

192 - операция: подстройка импеданса эффективной нагрузки;

193 - операция: автоматическая подстройка перестраиваемой схемы согласования импедансов;

194 - операция: сравнение измеренной температуры;

196 - операция: конец процесса;

200 - операция: установка генератора 30 сигналов на начальную частоту или частоты;

208 - операция: автоматический процесс согласования импедансов;

210 - операция: измерение действительного импеданса нагрузки;

212 - операция: выключение реактивного компонента импеданса;

213 - операция: измерение согласования импедансов между блоком генератора сигналов и эффективной нагрузкой;

- 5 012931

214 - подоперация: измерение прямой и обратной мощностей;

220 - операция: сравнение импеданса эффективной нагрузки с импедансом блока генератора сигналов;

222 - операция: подстройка импеданса эффективной нагрузки;

224 - подоперация: автоматическая подстройка схемы согласования импедансов;

225 - линия управления;

226 - подоперация: изменение частоты или частот приложенного мощного колебания;

228 - операция: сравнение измеренной температуры с желательной температурой;

229 - операция: продолжение процесса нагрева, если это необходимо;

230 - операция: конец процесса;

301 - скважина;

302 - донные наносы;

304 - среда (содержащая углеводород формация);

306 - коренная подстилающая порода или почва;

308 - резервуар флюидной несущей среды 320;

310 - деррик-кран;

315 - радиоволны;

316 - устройства контроля (датчики ввода данных);

317 - передача данных;

318 - излучающее частоту устройство;

319 - коаксиальный кабель;

320 - флюидная несущая среда;

330 - материал, предназначенный для нагнетания на поверхность;

332 - резервуар;

334 - среда 304 для нагрева;

335 - основная каверна;

338 - основной резервуар;

340 - слой;

342 - слой;

344 - осадочная порода;

346 - напластованный слой;

348 - напластованный слой;

350 - трубная обвязка;

352 - трубная обвязка;

355 - спутниковая каверна;

356 - напластованный слой;

358 - напластованный слой;

360 - напластованный слой;

362 - напластованный слой;

364 - купольная крышка;

368 - излучающее частоту устройство высокой мощности;

370 - способ (процесс);

372 - удаленный подводный резервуар;

374 - удаленный подводный резервуар;

376 - способ;

377 - пульпа;

378 - местоположение.

Подробное описание изобретения

Емкостный ВЧ диэлектрический нагрев.

Раскрытые далее технологии электрического нагрева применимы к различным типам содержащих углеводород формаций, таких как нефтеносный сланец, битуминозные пески, уголь, тяжелая нефть, частично обедненные резервуары (коллекторы) нефти и т.п. Относительно однородный нагрев, который получают за счет применения предложенных технологий, даже в формациях, имеющих относительно низкую электропроводность и относительно низкую теплопроводность, обеспечивает высокую гибкость применения технологий добычи. Поэтому, как это обсуждается далее более подробно, автоматический, с переменной частотой, радиочастотный диэлектрический нагрев в соответствии с настоящим изобретением может быть использован изолированно или в сочетании с другими ίη 8Йи технологиями добычи, чтобы максимально повысить эффективность для данного применения.

Однородный нагрев относительно больших блоков углеводородных формаций удалось обеспечить с использованием автоматического, с переменной частотой, радиочастотного диэлектрического нагрева, который главным образом заключен в нагреваемом объеме и производит диэлектрический нагрев формаций. Важный аспект настоящего изобретения заключается в том, что некоторые углеводородные зем

- 6 012931 ные формации, например не нагретый нефтеносный сланец, обладают характеристиками диэлектрической абсорбции в радиочастотном диапазоне. В отличие от большинства известных ранее подходов электрического нагрева ίη δίίη, использование раскрытого здесь диэлектрического нагрева исключает зависимость (нагрева) от свойств электропроводности формаций.

Отличие емкостного диэлектрического нагрева от омического нагрева.

Емкостный диэлектрический нагрев отличается от низкочастотного омического нагрева в том, что емкостный нагрев зависит от диэлектрических потерь. Омический нагрев, с другой стороны, зависит от прямых омических потерь проводимости в среде и требует непосредственного контакта электродов со средой (в некоторых применениях емкостный и омический нагрев используют совместно).

Способы емкостного ВЧ диэлектрического нагрева обладают преимуществами по сравнению с другими способами электромагнитного нагрева. Например, такие способы нагрева позволяют получать более однородный нагрев по всей геометрии образца, чем способы более высокочастотного излучательного диэлектрического нагрева (например, с использованием СВЧ-диапазона), за счет лучшего или более глубокого проникновения волны в образец и наличия простой однородной картины поля. Кроме того, способы емкостного ВЧ диэлектрического нагрева используют достаточно низкие частоты, позволяющие использовать стандартные мощные лампы с сеткой, которые имеют более низкую стоимость (для данного уровня мощности) и обычно позволяют генерировать намного более высокие уровни мощности, чем лампы СВЧ-диапазона.

Способы емкостного ВЧ диэлектрического нагрева также обладают преимуществами по сравнению с низкочастотным омическим нагревом. Эти преимущества включают в себя способность нагрева среды, такой как среда 24, 124 или 304, показанная на фиг. 5, 7 или 12-16, которая окружена воздушным или флюидным барьером (так как не требуется, чтобы электроды входили в прямой контакт со средой). Следовательно, характеристики емкостного нагрева также меньше зависят от продукта, имеющего гладкий контакт с электродами. Способы емкостного ВЧ диэлектрического нагрева не зависят от наличия ЭС (на постоянном токе) электропроводности и позволяют нагревать изоляторы при условии, что они содержат полярные диэлектрические молекулы, которые могут частично вращаться и создавать диэлектрические потери. Обычное известное построение системы емкостного диэлектрического нагрева описано в книге Е1ес1пс Ргосе55 Неайпд: Тсс11по1ощс5/Ес.|шртсп1/АррПса1юп5. Ьу ОгГеш1, М., Со1итЬи5: Вайе11е Рге55 (1987).

Измерение температуры: до настоящего времени и в соответствии с настоящим изобретением.

Измерение температуры в ходе проведения диэлектрического нагрева в содержащей углеводород формации не является чем-то необычным. Однако ранее измерение температуры использовали в качестве более грубой формы контроля процесса, например, для определения температур коллектора в различных точках, чтобы модулировать мощность генератора. Ранее, частоты определяли в лабораторных испытаниях, чтобы найти оптимальные уставки частоты для генератора и даже прогнозировать подстройки частоты с учетом изменений окружающей среды. Все известные ранее способы, в которых используют ВЧ диэлектрический нагрев, нагревают массу в виде единого целого и не позволяют изменять скорости нагрева специфических химических композиций внутри формации.

Дебаевские частоты.

Следует иметь в виду, что для подземной среды новым является непрерывное измерение диэлектрических свойств и дебаевских частот, связанных с температурой, электропроводностью формации и/или с диэлектрической проницаемостью, и использование этих измерений в качестве параметров для практически мгновенной перестройки частоты (частот), чтобы обеспечить быстрый нагрев специфических химических композиций внутри содержащей углеводород формации. Способность быстро нагревать специфические элементы или химические соединения, углеводород или другой материал, внутри содержащей углеводород формации, обеспечивает технологический прорыв, который позволяет внедрить уникальные технологии добычи и извлечения углеводорода.

Предложенные здесь способы и системы позволяют повысить производительность и обеспечить более точный и надежный контроль процессов нагрева. За счет использования новых способов и систем можно определять специфические диэлектрические свойства углеводородов, элементов или химических соединений внутри битумных отложений или других углеводородных формаций, и/или использовать эти свойства в процессе, непосредственно, как параметры контроля процесса, или косвенно, как эталон для модели, использованной в процессе, которая содержит зависимости, основанные на свойствах. Раскрыты новые пути использования емкостного ВЧ диэлектрического нагрева в различных фазах нагрева углеводородных месторождений, а также раскрыты технологии отделения нежелательных примесей ранее проведения экстракции на поверхность. Далее описаны два возможных подхода.

В соответствии с первым подходом, описанным со ссылкой на систему, показанную на фиг. 5, генерируют ВЧ-колебание с переменной частотой. Колебательный сигнал подают на усилитель и схему согласования импедансов, чтобы получить электрическое поле для нагрева вещества, содержащего углеводород. На основании, по меньшей мере, только измеренной температуры углеводородов, элементов или соединений внутри углеводородного месторождения, и/или одного или нескольких специфических их диэлектрических или омических свойств, производят управление системой, чтобы обеспечить оптималь

- 7 012931 ный нагрев. Следует иметь в виду, что мощные колебания на нескольких частотах могут быть приложены одновременно. В соответствии со вторым подходом, который описан в первую очередь со ссылкой на систему, показанную на фиг. 7, используют усовершенствованную обратную связь для автоматического согласования импедансов. За счет согласования импедансов максимальную мощность подают в нагрузку и обеспечивают максимальную скорость нагрева. Как правило, достижение максимально возможной скорости нагрева является желательным, так как более высокие скорости нагрева специфических углеводородов, элементов или соединений внутри углеводородного месторождения позволяют использовать технологии разделения, которые в настоящее время не применяются. Специфическое внедрение каждого из указанных подходов обсуждается здесь ниже, в последующих разделах, касающихся определения характеристик, а также контроля диэлектрических свойств и согласования импедансов.

Определение характеристик, контроль и моделирование среды.

Определение зависимости диэлектрический свойств от частоты и температуры среды 24, 124 или 304 позволяет содействовать проектированию емкостной диэлектрической системы нагрева для имеющих более низкую вязкость углеводородов, для отделения нежелательных элементов или соединений внутри содержащего углеводород месторождения и для подъема желательных углеводородов, элементов и/или соединений на поверхность, при помощи тех же самых способов в соответствии с настоящим изобретением. Среда 24, 124 или 304 представляет собой углеводородный материал, который может содержать один или несколько из следующих компонентов: углеводороды, кероген, битум, нефтеносные сланцы, парафин, воски, а также другие химические соединения, такие как сера. Преимущественно следует нагревать углеводородное вещество до достаточно высокой температуры, однако при этом следует избегать нежелательного испарения углеводорода. Такой нагрев должен происходить без кипения флюидной несущей среды 26 или 320 (фиг. 5 и 12-16), как это обсуждается далее более подробно. Таким образом, чтобы помочь в выборе соответствующих режимов работы, изучают образцы битуминозного песка, нефтеносного сланца и тяжелой нефти, чтобы оценить воздействия ВЧ-энергии на ключевые свойства углеводородов и связанных с ними элементов, а также на минералы и другие химические соединения, присутствующие в образцах (конкретного) местоположения, причем указанное изучение проводят при различных частотах и температурах. Результаты этих исследований влияют на выбор конструкции систем емкостного диэлектрического нагрева.

Электромагнитная математическая модель и/или математическая модель теплопередачи может быть использована для прогнозирования характеристик диэлектрического нагрева различных углеводородов и связанных с ними материалов формации. В такой модели могут быть использованы 2-Ώ и/или 3Ώ программы математического моделирования, а также методологии конечных элементов, чтобы моделировать композиционные материалы. Наилучшие результаты могут быть достигнуты в том случае, когда в модели объединяют как электромагнитные принципы, так и принципы теплопередачи.

Для подачи меняющегося тока смещения на необходимой частоте регулируемые компоненты контура перестраиваемого ВЧ-генератора сигналов и объединенных с ним схем согласования активно перестраивают для изменения частоты, или перестраивают автоматически, или переключают с использованием системы управления. Таким образом, используют также программируемую систему управления, чтобы задавать частотный профиль. Синтезатор или генератор переменной частоты, широкополосный усилитель мощности, а также объединенные с ними системы согласования и электроды представляют собой полезные компоненты такой системы емкостного диэлектрического нагрева. В некоторых видах реализации осуществляют управление температурой среды 24, 124 или 304 с использованием датчиков температуры, таких как датчики 42, 137а, 137Ъ и/или 316, или инфракрасные датчики, причем полученные данные направляют назад в систему управления, а группы частот от генератора свипируют соответствующим образом, чтобы отслеживать параметры, представляющие интерес, такие как дебаевские резонансы (как это обсуждается далее более подробно) или другие диэлектрические свойства, или другие зависящие от температуры параметры.

Ключевые электромагнитные параметры исследуемой среды 24, 124 или 304 могут быть определены следующим образом:

σ - электропроводность (См/м);

ε - диэлектрическая проницаемость (Ф/м);

μ - магнитная проницаемость (Гн/м);

Е - среднеквадратическая (эффективная) напряженность электрического поля (В/м);

Н - среднеквадратическая напряженность магнитного поля (А/м);

В - магнитная индукция (Вт/м²).

Диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость могут быть подразделены с учетом потерь следующим образом:

ε = ε' - ϊε μ = μ' -)μ (1) (2)

- 8 012931 ε' - член хранения энергии диэлектрической проницаемости;

ε - член потерь диэлектрической проницаемости;

μ' - член хранения энергии магнитной проницаемости;

μ - член потерь магнитной проницаемости.

При проведении анализа экспериментальных данных магнитные потери могут быть приняты равными нулю, причем для большей части частот член диэлектрических потерь ε преобладает над потерями за счет электропроводности σ (т.е. ωε>>σ, где ω=2π£, причем £ представляет собой частоту, Гц). Электропроводность σ измеряют и принимают во внимание только в случае необходимости (главным образом на нижнем конце частотного диапазона). С учетом указанных допущений выражения для эквивалентной емкости и эквивалентного сопротивления фиг. 2 могут быть приведены к следующему виду:

8)/с1 (3)

К =ά/(ωε8) (4) где 8 представляет собой открытую площадь пластин, а ά представляет собой промежуток между электродами.

Как уже было упомянуто здесь выше, системы емкостного нагрева в соответствии с настоящим изобретением работают в полосах средних частот (МГ: 300 кГц-3 МГц) и/или в полосах высоких частот (НГ: 3-30 МГц) и иногда заходят в нижние участки полосы очень высоких частот (МНГ: 30-300 МГц). Частота является достаточно низкой для того, чтобы можно было считать, что рабочая длина волны намного больше размеров среды 24, 124 или 304 углеводородного месторождения, так что получают высоко однородные параллельные линии электрического поля, проходящие через компоненты среды 24, 124 или 304, и/или среды 26 или 320 флюидного носителя, которая является объектом для нагрева.

Согласование импедансов.

Электрический импеданс является мерой полного противодействия контура или части контура протеканию электрического тока при данном приложенном электрическом напряжении и включает в себя как активное сопротивление, так и реактивное сопротивление. Компонент активного сопротивления возникает за счет столкновения токонесущих заряженных частиц с внутренней структурой проводника. Компонент реактивного сопротивления отражает дополнительное противодействие движению электрического заряда и возникает в результате изменения электрических и магнитных полей в контурах, несущих переменный ток. При постоянном токе импеданс становится (активным) сопротивлением.

Использованный здесь термин «входной импеданс» может быть определен как импеданс на входе конкретного компонента или компонентов, в то время как выходной импеданс может быть определен как импеданс на выходе конкретного компонента или компонентов.

Нагревательная нагрузка или, более формально, фактическая нагрузка представляет собой комбинацию среды 24, 124 или 304 (т.е. углеводородных материалов, других специфических композиций, присущих формации, и/или воды), среды 26 или 320 флюидного носителя (если ее используют), и открытой формации, например, емкостных электродов 20, 22, 318 и любой электродной оболочки, которая может присутствовать. Таким образом, использованный здесь термин «импеданс фактической нагрузки» представляет собой входной импеданс, измеренный на входе фактической нагрузки. Импеданс среды 24, 124 или 304 зависит от ее омических и диэлектрических свойств, которые могут зависеть от температуры. Таким образом, импеданс фактической нагрузки обычно изменяется во времени в ходе процесса нагрева, так как импеданс среды 24, 124 или 304 изменяется при изменении температуры.

Эффективно подстроенный импеданс нагрузки, который также представляет собой входной импеданс, является импедансом фактической нагрузки, измененным за счет любых подстроек импеданса. В специфических видах применения подстроенный импеданс включает в себя входной импеданс перестраиваемой схемы согласования импедансов, подключенной к нагрузке, и/или входной импеданс цепи связи, подключенной к структуре, окружающей нагрузку (например, электродов и/или оболочки, если она есть). В этих видах применения эффективная нагрузка включает в себя нагрузку импеданса любых структур подстройки импеданса и фактическую нагрузку. Могут быть использованы и другие подстройки импеданса, которые могут содействовать согласованию эффективно подстроенного импеданса нагрузки с выходным импедансом блока генерирования сигнала. Эффективный импеданс нагрузки является представляющим интерес параметром при предложенном подходе к согласованию импеданса.

Блок генерирования сигнала в соответствии с настоящим изобретением представляет собой компонент (или компоненты), который генерирует силовое колебание, усиливает его (если это необходимо) и подает на нагрузку. В специфических видах применения блок генерирования сигнала содержит генератор сигналов, усилитель, который усиливает выходной сигнал генератора сигналов, и проводники, например, коаксиальный кабель, по которому усиленный выходной сигнал генератора сигналов поступает на нагрузку.

Импедансом блока генерирования сигнала, который представляет интерес, является его выходной

- 9 012931 импеданс. В специфических видах применения выходной импеданс блока генерирования сигнала является главным образом постоянным в рабочем диапазоне частот и не управляемым. Входной импеданс и выходной импеданс усилителя мощности, выходной импеданс генератора сигналов и характеристический импеданс проводника главным образом близки к 50 Ом. Таким образом, выходной импеданс блока генерирования сигнала также главным образом близок к 50 Ом.

Таким образом, в специфических видах применения согласование эффективно подстроенного импеданса нагрузки с выходным импедансом блока генерирования сигнала сводится к такой подстройке эффективно подстроенного импеданса нагрузки, которая приводит его к величине 50 Ом. В зависимости от обстоятельств подходящим согласованием импедансов считают согласование, при котором эффективно подстроенный импеданс нагрузки лежит в диапазоне от 25 до 100 Ом, что соответствует передаче 90% или больше мощности на фактическую нагрузку.

Согласование импедансов проводят главным образом в реальном масштабе времени, причем управление процессом осуществляют на основании измерений, произведенных в ходе процесса. Согласование импедансов может быть осуществлено с использованием нескольких различных способов. Эти способы могут быть использованы индивидуально, однако обычно их используют в сочетании, чтобы обеспечить различные степени подстройки импеданса в полном алгоритме согласования импедансов.

Частота генератора сигналов может быть управляемой. При автоматическом подходе частоту генератора сигналов автоматически изменяют по данным обратной связи измеренного параметра. Например, частота генератора сигналов может быть изменена с учетом фактической температуры нагрузки и заранее заданных зависимостей частоты от температуры. Частота может быть изменена так, чтобы отслеживать дебаевские резонансы, как уже было упомянуто здесь выше, и/или чтобы поддерживать относительное согласование импедансов. Обычно, это может быть использовано в качестве относительно грубого алгоритма управления.

Для обеспечения более точного управления могут быть измерены параметры силового колебания, приложенного к эффективной нагрузки, которые по цепи обратной связи могут поступать для управления частотой. Например, прямая мощность, подводимая к эффективной нагрузке, и обратная мощность, отраженная от эффективной нагрузки, могут быть измерены и использованы в сочетании с данными измерений фактического напряжения и тока на нагрузке, чтобы управлять частотой.

Перестраиваемая схема согласования может быть автоматически перестроена, чтобы согласовать импеданс эффективной нагрузки с выходным импедансом блока генерирования сигнала. В первой операции ряд катушек индуктивности используют на выходном участке цепи согласования импедансов, чтобы подстроить последовательный емкостный компонент импеданса фактической нагрузки. Последовательную катушку индуктивности выбирают на основании измерения начального емкостного компонента, который находят путем измерения напряжении и тока на фактической нагрузке и определения их угла сдвига фаз. Можно также измерять напряжение и ток внутри схемы согласования и контролировать нулевой угол сдвига фаз. При более сложных видах нагрузки необходимо использовать другие модели. Альтернативным подходом является использование параллельной катушки индуктивности (использование индуктивного шунта) для подстройки емкостной нагрузки шунта.

Изменения диэлектрических свойств при нагреве непосредственно влияют на зависимость интенсивности и фазы энергии ВЧ-волны. Результаты измерений этих двух параметров в ходе процесса могут быть связаны с соответствующими изменениями физических свойств обрабатываемого материала. Сначала результирующий импеданс эффективной нагрузки будет чисто резистивным, однако, вероятно, отличающимся от желательного уровня 50 Ом. Во второй операции дополнительные элементы внутри схемы согласования подстраивают для того, чтобы входной импеданс схемы согласования, который определен как импеданс эффективно подстроенной нагрузки для описанного вида реализации, совпадал с желательной величиной 50 Ом. Второй операцией подстройки управляют на основании измеренных уровней прямой и отраженной мощности.

Можно регулировать зазор в емкостной цепи связи с нагрузкой. Такие регулировки могут быть сделаны автоматически в ходе процесса нагрева при помощи серводвигателя. Можно физически регулировать (перемещать) емкостные электроды, которые являются частью фактической нагрузки, чтобы производить небольшие подстройки импеданса фактической нагрузки (другими подстройками управлять еще легче).

Специфические реализации, которые предусматривают согласование импедансов, обсуждаются в следующих разделах, где детально описаны два подхода.

Первый подход - согласование импедансов с использованием измерений температуры (фиг. 5).

Одна из примерных систем, подходящих для осуществления первого подхода, в которой управляют, по меньшей мере, измеренной температурой нагрева углеводородного материала (материалов), специфических химических соединений и/или углеводородов, показана на фиг. 5. Система в соответствии с фиг. 5 содержит генератор сигналов 30 переменного тока высокой частоты, с управлением уровнем его выходного напряжения, широкополосный линейный усилитель 32 мощности, перестраиваемый схему 34 согласования импедансов (для работы на фиксированной или переменной частоте), предназначенную для согласования выходного импеданса усилителя мощности с импедансом емкостной нагрузки, которая

- 10 012931 содержит электроды 20, 22 и среду 24, а также может содержать или не содержать флюидную несущую среду 26, которая, возможно, нагрета. Среда 24 в данном случае представляет собой углеводородный материал, который может содержать один или несколько из следующих компонентов: углеводородные соединения, кероген, сырой битум, нефтеносные сланцы, парафин, воски, а также другие химические соединения, имеющиеся обычно в месторождениях, такие как сера. Флюидная несущая среда 26 преимущественно представляет собой жидкость, такую как вода, солевой раствор или деионизированная вода, однако могут быть использованы и другие флюиды, такие как природный газ, азот, углекислый газ и топочный (дымовой) газ.

Система сконструирована так, чтобы создавать переменный ВЧ-сигнал 36 тока смещения на высокой частоте в диапазоне от 300 кГц до 300 МГц. Этот диапазон включает в себя МГ (от 300 кГц до 3 МГц), НГ (от 3 до 30 МГц) и УНГ (от 30 до 300 МГц) частоты, в нижних областях радиочастотного (КГ) диапазона.

В специфической реализации, показанной на фиг. 5, генератор сигналов 30 переменного тока высокой частоты представляет собой мультичастотный генератор сигналов высокой частоты, который может одновременно генерировать множество различных частот. Несмотря на то что может быть использован и одночастотный генератор сигналов, мультичастотный генератор сигналов является полезным для использования в процессах, в которых зависящие от частоты диэлектрические свойства нагреваемых специфических композиций и/или углеводородов контролируют и используют для управления процессом нагрева, как это объясняется в следующем разделе.

Реализации с использованием дебаевской резонансной частоты.

В одном из примеров эффективность использования энергии и/или скорость нагрева являются максимальными на частоте дебаевского резонанса (определенного здесь выше) среды 24. В других специфических реализациях определяют диэлектрические свойства не на частоте дебаевского резонанса, которые используют для управления емкостным ВЧ диэлектрическим нагревом, например, когда дебаевские резонансы отсутствуют или не являются четко выраженными. Эти другие диэлектрические свойства могут зависеть от частоты и/или температуры, аналогично свойствам на частоте дебаевских резонансов, но могут изменяться с другими скоростями и с другой амплитудой. Примерами таких других диэлектрических свойств являются электропроводность и диэлектрическая проницаемость.

В этом примере высокочастотный сигнал настраивают на оптимальную дебаевскую частоту или частоты среды 24, для нагрева углеводородов и/или химических соединений, которые имеются в углеводородном материале. Множество дебаевских резонансов могут возникать в композиционном материале. Таким образом, множество групп составных частот могут быть приложены для того, чтобы создать несколько дебаевских резонансов. Кроме того, частоты ВЧ-сигналов могут варьировать с температурой, чтобы отслеживать сдвиги дебаевских частот при изменении температуры.

ВЧ-частоту или составной сигнал с различными ВЧ-частотами выбирают так, чтобы они коррелировали с главными группами дебаевских резонансных частот в нагреваемой среде 24. Эти дебаевские резонансы зависят от полярных молекул среды 24 и поэтому они должны быть определены для различных типов углеводородных соединений и/или специфических химических композиций или элементов, которые находятся в углеводородном месторождении, чтобы соответствующим образом программировать систему нагрева. Блок генерирования, в данном случае генератор 30 сигналов переменного тока высокой частоты, позволяет генерировать одновременно несколько частот. Блок управления этой системы нагрева может быть настроен на обеспечение оптимальной эффективности нагрева различных углеводородов или химических композиций.

Частоту или группы составных частот ВЧ-сигнала, которые используют в системе нагрева, изменяют в соответствии с изменениями температуры для учета того факта, что дебаевские резонансные частоты образующих полярных молекул углеводородного материала или других компонентов среды 24 также сдвигаются при изменении температуры.

В наиболее предпочтительном устройстве уровень мощности ВЧ-сигнала и результирующая напряженность электрического поля могут регулироваться автоматически при помощи компьютерной системы управления, которая изменяет ток нагрузки для управления скоростями нагрева, с учетом различных геометрий углеводородов и композиций битума, нефтеносного сланца или тяжелой нефти. Уровень мощности контролируют при помощи: (1) измерения тока и напряженности поля на фактической нагрузки с использованием аппаратуры 35 (фиг. 5) для измерения напряжения и тока; и (2) регулировки напряжения (АС (на переменном тока) напряженности поля), что в свою очередь приводит к изменению тока, пока измерения тока и напряженности поля не покажут, что достигнут желательный уровень мощности. Как это показано на фиг. 5, компьютер 38 также управляет мультичастотным ВЧ, синтезатором 30 сигнала, изменяя его частоты, и подстраивает перестраиваемую схему 34 согласования импедансов.

Схема последовательности операций для первого подхода (фиг. 6).

На фиг. 6 показана схема последовательности операций, которая отражает более детально процесс нагрева в соответствии с первым подходом. В операции 170 генератор 30 сигналов устанавливают на начальную частоту или частоты. Для удобства объяснения в этом примере считают, что устанавливают единственную частоту, однако следует иметь в виду, что приведенное далее описание применимо также и к

- 11 012931 случаям установки множества частот.

Установку частоты можно произвести в соответствии с заданной частотой или с заданным частотным диапазоном, на основании известной зависимости между частотой и температурой. Например, установленная частота может быть выбрана на основании одного или нескольких дебаевских резонансов в среде 24, как уже было упомянуто здесь выше.

В операции 172 измеряют температуру среды 24. В операции 174 измеренную температуру и установленную частоту сравнивают с заранее определенной зависимостью частоты и температуры для среды 24. Эта зависимость может храниться в компьютере 38, например, в виде справочной таблицы.

Если сравнение установленной частоты с заданной частотой показывает, что установленная частота должна быть изменена (операция 176; ΥΕ8), то процесс переходит к операции 178, и установленная частота автоматически изменяется при помощи сигналов управления, посылаемых на генератор 30 сигналов, после чего операцию 174 повторяют. Если изменение установленной частоты не требуется (операция 176; N0), процесс продвигается дальше.

Как это показано пунктиром, после операция 176 проводят процесс 181 автоматического согласования импедансов. В примерном виде реализации автоматическое согласование импедансов начинают с операции 182. В операции 182 измеряют амплитуду и фазу импеданса фактической нагрузки, используя аппаратуру 35 для измерения напряжения и тока, и измеренные величины направляют на компьютер 38. В операции 184 определяют фазовый угол между измеренным напряжением и током, чтобы исключить реактивный компонент импеданса. Таким образом, одним из элементов управления согласованием импедансов является исключение емкостного реактивного компонента фактической нагрузки, что приводит к нулевому сдвигу фаз между напряжением и током.

В операции 186 производят согласование импедансов между блоком генерирования сигнала и эффективной нагрузкой. Согласование импедансов можно контролировать путем измерения силовых колебаний, приложенных к эффективной нагрузке и отраженных от нее (прямой и обратной мощности) (возможная подоперация 188), при условии, что показанная на фиг. 5 система содержит измерительный прибор 156 и направленный ответвитель 150, как это показано на фиг. 7 (что обсуждается далее более подробно; измерение прямой и обратной мощности описано в следующем разделе). После завершения операции 186 процесс переходит к операции 190. В операции 190 импеданс эффективной нагрузки сравнивают с заданным импедансом блока генерирования сигнала. Если согласование импедансов не достаточное, то процесс переходит к операции 192. Если согласование импедансов достаточное, то процесс переходит к операции 194.

В операции 192 подстраивают импеданс эффективной нагрузки. В реализации подхода, показанной на фиг. 5, импеданс эффективной нагрузки подстраивают автоматически за счет регулировки перестраиваемой схемы 34 согласования импеданса, на основании сигналов управления, посланных с компьютера 38 (операция 193). После операции 192 процесс возвращается к операции 186.

В операции 194 измеренную температуру сравнивают с желательной окончательной температурой. Если измеренная температура равна или превышает желательную температуру, процесс нагрева завершают (операция 196). В противном случае, нагрев продолжают и процесс возвращается к операции 172.

Нагрев углеводородов или других заданных элементов или специфических химических композиций может быть завершен очень быстро. Способность быстрого нагрева объясняется описанными выше преимуществами однородного нагрева и максимальной входной мощностью, используемой для нагревания нагрузки, полученной за счет согласования частоты или составных частот генератора с группами дебаевских резонансных частот обрабатываемых композиций, которые находятся в содержащих углеводород формациях 304, и слежение за этими группами дебаевских резонансных частот при изменении температуры. Возможность управления мощностью генератора/системы нагрева позволяет устанавливать скорости нагрева, позволяющие оптимизировать процессы нагрева.

В некоторых вариантах реализации более высокую полную эффективность использования энергии получают за счет согласования частоты или комбинации частот ВЧ-колебания генератора с группами дебаевских резонансных частот специфических композиций, которые имеются в углеводородных формациях, и за счет слежения за этими резонансами при изменении температуры, что приводит к снижению времени нагрева на единицу объема для данной входной энергии.

Полное управление процессом нагрева обеспечивают за счет избирательного нагрева различных образующих (компонентов) среды 24, в том числе битума, углеводородов и/или других специфических композиций. Молекулы углеводорода часто являются полярными. Кроме того, различные композиции, которые содержатся в углеводородных формациях, также могут быть полярными. Например, в виде реализации, в котором контролируют дебаевские резонансы, используют дебаевские резонансы тех образующих углеводородов, для которых желателен нагрев, и избегают дебаевских резонансов для других образующих (например, для воды, серы, песка, сланца и других связанных с углеводородами материалов), для которых нагрев нежелателен, за счет установки частоты или комбинации частот ВЧ-колебания генератора на соответствующие дебаевские резонансы и слежения за ними при изменении температуры, и исключения других дебаевских резонансов. Однако могут быть случаи, когда, наоборот, задачей процесса являются дебаевские резонансы нежелательных образующих (например, воды, серы, песка, сланца,

- 12 012931 органических веществ) для их нагрева, одновременно избегая нагрева желательных углеводородов или контролируя его.

Согласование частоты или комбинации частот ВЧ-колебания генератора с группами дебаевских резонансных частот различных нагретых сред и слежение за этими группами дебаевских резонансных частот при изменении температуры или других входных измеренных параметров приводит к повышению скоростей нагрева.

Полная эффективность использования энергии также повышается за счет согласования частоты или комбинации частот генератора с группами дебаевских резонансных частот различных нагретых сред и слежения за этими группами дебаевских резонансных частот при изменении температуры. Эффективность (использования энергии) также повышается за счет избирательного нагрева различных индивидуальных образующих среды 24 (например, за счет нагрева углеводородов, без воздействия на другие химические композиции), при нацеливании на дебаевские резонансные профили этих образующих и задании уставок генератора, позволяющих их возбуждать и отслеживать при изменении температуры или других входных измеренных параметров.

Характеризация диэлектрических свойств углеводородов в функции частоты и температуры и поиск дебаевских резонансов различных образующих углеводородов представляет большой интерес. При наличии достаточной информации устройство нагрева может быть запрограммировано с высокой точностью. Такая информация может быть получена за счет проведения предварительных экспериментов на специфических композициях (имеющих как желательные, так и нежелательные образующие), которые имеются в углеводородных формациях.

Далее будут приведены примеры, касающиеся аспектов проверки первого подхода.

Второй подход - согласование импедансов с использованием усовершенствованной обратной связи и автоматического управления (фиг. 7).

В соответствии со вторым подходом усовершенствованную обратную связь и автоматическое управление используют для согласования эффективно подстроенного импеданса нагрузки с выходным импедансом блока генерирования сигнала, который вырабатывает усиленное ВЧ-колебание переменной частоты.

На фиг. 7 показана система, аналогичная системе, показанной на фиг. 5, за тем исключением, что система фиг. 7 позволяет производить прямые измерения мощного выходного сигнала усилителя, и использовать результаты измерения для согласования импеданса нагрузки с выходным импедансом блока генерирования сигнала, как это обсуждается далее более подробно. Более конкретно, система, показанная на фиг. 7, позволяет производить измерения прямой и отраженной мощности, а также фазового угла между напряжением и током.

Кроме того, температуру среды 124 в ходе процесса не используют в качестве переменного параметра, в соответствии с которым производят регулировки процесса, несмотря на то что ее могут контролировать для того, чтобы завершить процесс при достижении желательной окончательной температуры. Элементы на фиг. 7, аналогичные элементам фиг. 5, имеют такие же позиционные обозначения, как и на фиг. 5, плюс 100. Например, среда 124 на фиг. 7 аналогична среде 24 на фиг. 5.

Аналогично фиг. 5, на фиг. 7 показан генератор 130 переменного тока высокой частоты, подключенный к широкополосному линейному усилителю 132 мощности, через который выходной сигнал 133 усилителя подают на перестраиваемую схему 134 согласования импеданса. Как и усилитель 32, усилитель 132 представляет собой 2 кВт линейный ВЧ-усилитель мощности с рабочим диапазоном от 10 кГц до 300 МГц, однако следует иметь в виду, что может быть использован и усилитель 500 Вт-100 кВт. Между усилителем 132 и схемой 134 согласования введен перестраиваемый направленный ответвитель 150, с участком 152 измерения прямой мощности и с участком 154 измерения обратной мощности.

Перестраиваемый направленный ответвитель 150 непосредственно подключен к усилителю 132 и к схеме 134 согласования. Участки 152 и 154 измерения прямой и обратной мощности также подключены к соединению 133 (которое может быть предусмотрено на коаксиальной линии передачи) между усилителем 132 и схемой 134 согласования, чтобы получать соответствующие выходные сигналы низкого уровня, пропорциональные прямой и обратной мощности, переданной через соединение 133. Эти выходные сигналы низкого уровня, уровни которых подходят для измерения, могут быть поданы на измерительное устройство 156. Если используют 25 Вт датчик в каждом из участков 152 и 154 измерения прямой и обратной мощности, то способность к измерению прямой и обратной мощности составит 2,5 кВт, при коэффициенте связи 20 άΒ. Измерительное устройство 156 позволяет измерять напряжение коэффициента стоячей волны (КСВ). Напряжение КСВ является мерой согласования импедансов между выходным импедансом схемы генерирования сигнала и эффективным импедансом нагрузки.

Как уже было упомянуто здесь выше, схема 134 согласования позволяет производить такую регулировку импеданса, что эффективно подстроенный импеданс нагрузки будет согласован с выходным импедансом схемы генерирования сигнала. Напряжение КСВ 1:1 свидетельствует об отличном согласовании между выходным импедансом схемы генерирования сигнала и эффективным импедансом нагрузки, в то время как более высокое напряжение КСВ свидетельствует о плохом согласовании. Однако, как уже было упомянуто здесь выше, даже напряжение КСВ 2:1 соответствует тому, что почти 90% мощно

- 13 012931 сти поступают на нагрузку.

Измерительное устройство 156 может также определять коэффициент отражения эффективной нагрузки, который равен квадратному корню отношения обратной (или отраженной) мощности к прямой мощности. В специфических вариантах осуществления измерительным устройством 156 может быть ВЧ широкополосный двухканальный измеритель мощности или измеритель напряжения коэффициента стоячей волны.

Альтернативно или в дополнение к описанным здесь выше способам, можно также управлять нагревом, поддерживая минимальную отраженную мощность, например отраженную мощность, составляющую около 10% или меньше прямой мощности.

Аналогично показанному на фиг. 5, ВЧ мощное колебание 136 переменного тока подают с выхода схемы 134 согласования на нагрузку, которая имеет электроды 120 и 122 и среду 124 для нагрева в зоне обработки продукта между электродами 120 и 122. Как и в случае, показанном на фиг. 5, система, показанная на фиг. 7, содержит аппаратуру 135 для измерения напряжения и тока, позволяющую измерять напряжение, приложенное к емкостной нагрузке, и ток, поступающий в емкостную нагрузку, что может быть использовано для определения мощности нагрузки и степени согласования импедансов. Устройство 135 для измерения напряжения, тока и, возможно, температуры имеет входы, подключенные в ВЧ токовому зонду 137а, который показан подключенным к соединению между цепью 134 и электродом 120, и к ВЧ-зонду 137Ь напряжения, который показан непосредственно подключенным к электроду 120 (но также может иметь емкостное подключение). Показано, что может быть использован дополнительный датчик для измерения температуры или другого подходящего параметра среды 124. Наилучшие результаты могут быть получены в том случае, когда зонды 137а и 137Ь являются широкополосными, а зонд 137Ь напряжения имеет делитель 1000:1. Также может быть использован имеющий емкостное подключение зонд напряжения с делителем, имеющим другое отношение.

Измерения напряжения и тока могут быть также использованы для определения воздействия емкостной реактивности. Емкостная реактивность в контуре возникает тогда, когда конденсаторы или резисторы соединены параллельно или последовательно, а особенно в том случае, когда конденсатор соединен последовательно с резистором. Ток, протекающий через идеальный конденсатор, сдвинут по фазе на -90° относительно приложенного напряжения. После определения фазового угла между напряжением и током, емкостная реактивность может быть отключена за счет регулировки перестраиваемый цепи 134. В частности, индуктивные элементы на выходном участке перестраиваемый схемы 134 согласования могут быть настроены так, чтобы отключить (скомпенсировать - прим. переводчика) емкостный компонент нагрузки.

Сигналы от зондов 137а и 137Ь, которые соответственно несут информацию о токе, поступающем в емкостную нагрузку, и напряжении, приложенном к нагрузке, поступают в компьютер 138. Измерительное оборудование 135 имеет интерфейс компьютера, который переводит сигналы в формат, считываемый компьютером 138. Интерфейсом компьютера может быть карта сбора данных или компонент обычного осциллографа. Если используют осциллограф, то он может индицировать один или оба из сигналов тока и напряжения, или же компьютер может индицировать эти сигналы.

Система, показанная на фиг. 7, содержит управление с обратной связью, что показано стрелками, направленными к компьютеру 138 и от него. На основании входных сигналов, полученных от измерительного прибора 156, от аппаратуры 135 для измерения, и алгоритмов, обработанных компьютером 138, вырабатывают сигналы управления, которые посылают от компьютера 138 на частотный генератор 130 и схему 134 согласования.

Алгоритм управления, исполняемый компьютером, может содержать один или несколько параметров управления, основанных на свойствах углеводородной среды 24, специфических химических композиций и/или углеводородов в среде 24, или во флюидной несущей среде 320 (как это обсуждается далее более подробно), используемых для нагрева, а также может содержать данные относительно измеренного импеданса нагрузки, тока, напряжения, прямой и обратной мощности и т. п. Например, алгоритм может содержать информацию относительно зависимости импеданса от температуры для специфической углеводородной композиции, такой как бутан, в качестве фактора, влияющего на генерируемый сигнал управления, чтобы изменить частоту и/или подстроить импеданс схемы согласования.

Схема последовательности операций для второго подхода (фиг. 8).

На фиг. 8 показана схема последовательности операций, иллюстрирующая операции способов емкостного ВЧ-нагрева с использованием техники согласования импедансов. В операции 200 блок генерирования сигнала устанавливают на начальную частоту, которая, как и в случае операции 170 на фиг. 6, может быть основана на заданной зависимости частоты от температуры, и инициируют процесс нагрева.

Как это показано пунктиром, процесс 208 автоматического согласования импедансов следует за операцией 200. В примерной реализации процесс автоматического согласования импедансов начинают с операции 210. В операции 210 измеряют амплитуду и фазу импеданса фактической нагрузки, с использованием аппаратуры 135 для измерения напряжения и тока, и измеренные данные посылают в компьютер 138. В операции 212 определяют фазовый угол между измеренным напряжением и током, чтобы исключить реактивный компонент импеданса.

- 14 012931

В операции 213 определяют согласование импедансов между блоком генерирования сигнала и эффективной нагрузкой. В этом виде реализации определение согласования импедансов предусматривает измерение прямой и обратной мощностей (подоперация 214), причем напряжение КОВ вычисляют в соответствии с описанным здесь ранее. Вычисленное напряжение КОВ направляют назад в компьютер 138.

В операции 220 эффективный импеданс нагрузки сравнивают с импедансом блока генерирования сигнала, который является постоянным в этом примере. Если согласование, например, является недостаточным, что определяют путем оценки напряжения КСВ, то процесс переходит к операции 222. Если согласование импедансов является достаточным, то процесс переходит к операции 228.

В операции 222 производят подстройку эффективного импеданса нагрузки. Как уже было упомянуто здесь выше, подстройку эффективного импеданса нагрузки, т.е. его повышение или понижение, можно выполнить двумя путями. Как это показано в подоперации 224, импеданс схемы согласования (например, цепи 134) может быть подстроен так, чтобы эффективно подстроенный импеданс нагрузки был согласован с выходным импедансом блока генерирования сигнала. Альтернативно, или совместно с подоперацией 224, может быть изменена частота ВЧ-колебания (подоперация 226), чтобы вызвать изменение эффективно подстроенного импеданса нагрузки. Если изменяют частоту, то может возникнуть необходимость в повторном исключении емкостной реактивности за счет повтора операций 210 и 212, как это показано линией 225 управления, идущей от подоперации 226 к операции 210, ранее достижения операции 213. Если операция 222 предусматривает только подстройку импеданса схемы согласования, то процесс может непосредственно вернуться к операции 213.

Операцию 228 проводят после определения того факта, что обеспечено приемлемое согласование импедансов. В операции 228 контролируемую температуру сравнивают с желательной окончательной температурой. Если измеренная температура равна желательной окончательной температуре или превышает ее, то процесс нагрева завершают (операция 230). В противном случае нагрев продолжают (операция 229) и процесс возвращается к операции 210.

Процесс с использованием операций 210, 220 и 222 обратной связи продолжают с заданной частотой выборки или заданное число раз, во время нагрева. В специфических видах реализации частота выборки составляет ориентировочно 1-5 с. Таким образом, после нагрева заданных компонентов среды изменение эффективно подстроенного импеданса нагрузки периодически контролируют и автоматически подстраивают постоянный выходной импеданс блока генерирования сигнала, что гарантирует использование максимальной мощности для нагрева желательного вещества. В результате углеводород или другой специфический материал будут нагреты быстро и эффективно.

Измерение температуры может быть использовано в качестве дополнительной проверки для содействия контролю процесса нагрева, а также для выбора температуры в качестве дополнительного контрольного параметра, использованного в процессе управления, непосредственно или с использованием зависимых от температур соотношений, которые использованы в алгоритме управления.

Для обеспечения работы системы вне Ι8Μ (промышленность, наука и медицина) ВЧ-полос экранирование может быть использовано для изолирования различных компонентов системы друг от друга и от окружающей среды. Например, как это показано схематично на фиг. 7, объемный резонатор 158 может быть использован для экранирования емкостной нагрузки и связанных с ней схем от окружающей среды. Другие компоненты также могут потребовать экранирования. Экранирование помогает предотвратить взаимное влияние (помехи). Даже если частота изменяется в ходе процесса нагрева, на любой частоте имеется компонент, требующий экранирования. Альтернативный подход заключается в использовании искусственных флуктуаций (с очень быстрым изменением частоты, так что выдержка времени является малой и создается незначительное излучение) или широкого спектра, чтобы снизить требования к экранированию.

Как это показано на фиг. 7, вторичное устройство согласования импедансов, например емкостную цепь 159 связи, включают последовательно между цепью 134 и электродом 120. Изменение емкости емкостной цепи связи помогает обеспечить согласование импедансов.

Обычный серводвигатель (не показан) может быть подключен к конденсаторной цепи связи для изменения ее емкостного сопротивления.

Серводвигатель может быть также подключен к компьютеру 138, чтобы получать от него сигналы управления для подстройки емкостного сопротивления. Обычно емкостную цепь 159 связи используют для проведения относительно грубых регулировок импеданса нагрузки.

Сетевой анализатор (не показан) также может быть использован для определения уровней импеданса. Обычно сетевой анализатор может быть использован только, когда система не работает. Поэтому система может быть кратковременно выключена на различных стадиях цикла нагрева, чтобы определить импеданс емкостной нагрузки и степень согласования импедансов при различных температурах.

Конструкция электрода (фиг. 9 и 10).

В системах, показанных на фиг. 5 или 7, на емкостной нагрузке могут быть использованы решетчатые нагревательные электроды, показанные на фиг. 9 и 10, позволяющие производить точное управление при помощи компьютера 38 нагревом среды 24, а в частности нагревом гетерогенной (неоднородной) среды. По меньшей мере один из электродов, например верхний электрод 20 (фиг. 9 и 10), имеет множе

- 15 012931 ство электрически изолированных электродных элементов 40, таких как инфракрасные тепловые датчики или другие входные устройства. Нижний электрод 22 также имеет множество электрически изолированных электродных элементов 44.

Каждый верхний электродный элемент 40 электрода 20 преимущественно расположен прямо напротив соответствующего нижнего электродного элемента 44 другого электрода 22. Предусмотрено множество переключателей 46, управляемых при помощи компьютера 38, которые могут избирательно включать и выключать протекание тока между противоположными парами электродных элементов 40 и 44, причем индивидуальный, управляемый при помощи компьютера переменный резистор (не показан) может быть включен в цепь каждой электродной пары, параллельно с нагрузкой, чтобы отдельно регулировать ток, протекающий между элементами каждой пары. Такое построение позволяет нагревать индивидуальные области содержащей углеводород формации 304, или искусственно созданного кавернового резервуара 335 среды 24, 304, или флюидной несущей среды 26, 320 (как это обсуждается далее более подробно), с различными скоростями нагрева. Такое построение также защищено от теплового убегания или горячих пятен за счет временного выключения различных пар электродных элементов или возможного создания различных напряженностей поля на различных участках формации или стратификации.

Преимущественно следует также предусмотреть один или несколько датчиков нагрева по меньшей мере на одном из электродов 20 и 22. На фиг. 9 и 10 показано компактное построение, в котором множество распределенных тепловых датчиков 42 введены между электродными элементами 40 верхнего электрода 20. Тепловые датчики 42 собирают данные относительно температур заданных химических композиций, которые имеются в различных местах в углеводородном материале среды 24. Эти данные направляют в виде входного сигнала на компьютер 38. Компьютер использует данные от каждого датчика для расчета любой необходимой регулировки частоты и мощности тока, протекающего между парами электродных элементов, расположенных в непосредственной близости от указанного датчика.

Соответствующие выходные сигналы управления затем поступают на ВЧ-генератор 30 сигналов, цепь 34 и переключатели 46.

Электроды 20 и 22 преимущественно изготовлены из электропроводного и не коррозионного материала, такого как нержавеющая сталь или золото, который подходит для использования в подземной среде. Электроды 20 и 22 могут иметь самую разную форму, в зависимости от формы и природы содержащей углеводород формации или искусственно созданной каверны. Несмотря на то что на фиг. 9 и 10 показан предпочтительный вариант электродов, следует иметь в виду, что для решения специальных задач могут быть использованы и другие построения электродных элементов и датчиков, позволяющие получать аналогичные результаты.

Измерение и характеризация диэлектрических свойств.

Были проведены испытания для того, чтобы измерить и характеризовать различные диэлектрические свойства, в том числе дебаевские резонансы различных образующих углеводородного материала, в функции частоты (100 Гц-100 МГц) и температуры (0-500°С).

Далее подробно описана методика измерения импеданса (модель с параллельными конденсатором и резистором) специфических углеводородных композиций или других химических образующих, которые имеются в формации. Образец помещали между параллельными электродами испытательной арматуры внутри камеры с контролируемой температурой и влажностью. Для осуществления этой методики было использовано следующее оборудование:

НР 4194А: 100 Гц-100 МГц фазовый анализатор импеданса/усиления;

НР 41941А: 10 кГц-100 МГц ВЧ-зонд импеданса, измеряющий ток/напряжение;

НР 16451В: 10 мм, 100 Гц-15 МГц диэлектрическая испытательная арматура для моста с 4-мя зажимами;

НР 16453А: 3 мм, 100 Гц-100 МГц ВЧ/высокотемпературная диэлектрическая испытательная арматура;

Иатаккок Тек!, 1пс.: различные специально разработанные крепления;

И1е1ес!пс Ргобис!к Со.: 9 мм, 100 Гц-1 МГц уплотненная высокотемпературная полутвердая ЬИ3Т жидкостенепроницаемая емкостная диэлектрическая испытательная арматура;

НР 16085В: переходник для сопряжения НР 16453А с НР 4194А, четырехполюсный мостовой порт импеданса (40 МГц);

НР 16099А: переходник для сопряжения НР16453А с НР 4194А, ВЧ IV порт (100 МГц);

Камера температуры/влажности: управляемая компьютером камера температуры/влажности ТНегто!гоп, температура от -68 до +177°С, относительная влажность 10-98%, с ЬИ2 устройством для охлаждения.

Каждая емкостная диэлектрическая испытательная арматура снабжена точным микрометром для измерения толщины образца, которая является критичной при расчете диэлектрических свойств, исходя из измененного импеданса. Различные испытательные арматуры позволяют обеспечивать компромисс между диапазоном измерения импеданса, частотным диапазоном, температурным диапазоном, толщиной

- 16 012931 образца и совместимостью с углеводородным материалом.

Были приготовлены различные содержащие углеводород образцы, которые имеют содержания воды и соли, соответствующие встречающимся в природе месторождениям. Были приготовлены образцы с тремя различными величинами содержания воды и соли, а именно с верхним, средним и нижним значением. Минимум четыре реплики каждой специфической углеводородной композиции были испытаны с каждым диэлектрическим зондом, так что всего было проведено 12 испытаний каждой композиции. Были приготовлены заранее различные группы из четырех реплик, которые являются совместимыми с одним из трех диэлектрических зондов. Кроме макроскопических образцов, отображающих углеводородную формацию, была произведена оценка свойств индивидуальных образующих, таких как специфические углеводородные композиции, кероген, вода, сера, аммоний, или другие образующие, которые в естественных условиях имеются в формации. Эти свойства находят применение в более поздних стохастических моделях свойств углеводорода.

Был выбран частотный диапазон, который перекрывает типичный промышленный диапазон емкостного нагрева (от 300 кГц до 100 МГц) и содержит более низкие частоты (до 100 Гц), чтобы найти электропроводность на постоянном токе или на низкой частоте. Этот диапазон также содержит частоты дебаевского резонанса для различных образующих углеводородного материала, таких как очень сложные цепи молекул углеводорода. Был выбран температурный диапазон от 0 до 99°С для флюидной несущей среды 26, 320, чтобы предотвратить или ограничить испарение флюидной несущей среды 26, 320, когда нагревают углеводородную формацию.

Производят измерение импеданса на образцах (как с параллельным сопротивлением, так и с параллельной емкостью). Затем производят расчет ε' (член хранения энергии диэлектрической проницаемости) и ε (член потерь диэлектрической проницаемости), и электропроводность σ рассчитывают на основании толщины материала и коэффициентов калибровки испытательной арматуры (НеМей Раскагй. 1995. Измерение 1Ье П1е1ес1пс СопзКнИ оГ 8ойй Ма1епа18 - НР 4194А ^рейа^е/Оат-Ркаке Аηа1уζе^. Не\1е!! Раскагй Арр1^саΐ^οη №1е 339-13), и производят свипирование частотных данных. В последующем обсуждении приведены детали определения диэлектрических свойств углеводородов, в том числе дебаевских резонансов.

Моделирование и прогнозирование характеристик емкостного нагрева.

Математическая модель и компьютерная моделирующая программа позволяют моделировать и прогнозировать характеристики емкостного нагрева углеводородных материалов, основанные на охарактеризованных диэлектрических свойствах.

Имеются основные математические модели, которые образуют базу для полного моделирования. Уже было проведено классическое моделирование диэлектрической проницаемости с использованием дебаевских уравнений (ВагЬег, Н. 1983. Е1ес1гойеа1. Ьопйоп: Стпшайа РиЬНзйтд Ытйей. Ме!ахаз, А.С. аηй Мегеййй, К. Г 1983. Ιη Шйизй^ М1сго\ауе Неа1тд. Ре1ег Регедгтиз Мй.; аηй Като, 8., ГК. \\Ίιπιιιόιύ, аηй Т. Vаη ΙΓιζόγ. 1994. Г1е1Й8 аηй \ауез ίη Соттишсайощ Е1ес1гошс8, 3^гй еййюш Νό\ Уогк: ,1о1п1 \11еу & 8опз, 1пс.). Эти уравнения могут быть использованы для моделирования различных релаксационных процессов, связанных с диэлектрическими выравниваниями или сдвигами в ответ на внешнее изменяющееся электрическое поле.

Каждый из этих процессов выравнивания имеет соответствующее время релаксации Т₀, которое является функцией нескольких параметров атомного и молекулярного состава среды 24 и поэтому является мерой самой высокой частоты, на которой эти явления могут происходить. На частоте, равной 1/2пТ₀, происходит дебаевский резонанс, вызывающий пик в коэффициенте потерь ε. Модель для диэлектрической проницаемости с использованием дебаевской функции для единственного процесса релаксации соответствует уравнению (5):

ε = εο [ε + (ε_ά - ε)/(Ι+зсоТ_о)] (5) в котором ε_й - низкочастотная диэлектрическая постоянная среды (Г << дебаевского резонанса);

ε - высокочастотная диэлектрическая постоянная (Г >> дебаевского резонанса);

εο - диэлектрическая проницаемость свободного пространства (8.854е - 12 Г/т).

Следовательно, из уравнения (1) можно найти действительный и мнимый компоненты диэлектрической проницаемости для единственного дебаевского резонанса в следующем виде:

е' = Ео [е» + (ε, - 6^)/( 1+/со²7о²)] (⁶) ε = ωΤοΕο(£(ΐ - €«>)/( 1+ω²Γ₀ ²) (7) ε0 обычно равна или намного больше, чем ε, так что анализ уравнений (6) и (7) показывает, что в окрестности дебаевского резонанса ε' быстро падает и имеется пик в коэффициенте потерь ε. Когда имеется составная среда 24 с множеством времен релаксации, то для нее может быть предложена более общая модель (уравнение (8)), полученная суммированием дебаевских членов (только потери) (Ме!ахаз и Мегеййй, 1983):

- 17 012931 € =^ν^°_§(τ)[ωτ/( Ι+αΛ²)] Δτ (8) в котором §(τ) представляет собой фракцию процессов ориентации поляризации в каждом интервале Δτ.

Это суммирование предполагает наличие линейной комбинации поляризаций или дебаевских резонансов. Существуют также и более сложные математические модели для множества дебаевских резонансов, если линейность отсутствует, и для более сложных составных диэлектрических материалов с переменными геометрическими построениями образующих (Хее1акап1а, Р. 8. 1995. НапбЬоок о£ Е1ес1гота§пеЕс Ма1епа1з. МопоШЫе апс1 СотрозЕе Уегзюпз апс1 Ткеи АррНсаЕопз. Хем Уогк: СКС Ргезз). В случае гетерогенного битума или других углеводородных формаций необходимо включить стохастические переменные в модель относительных концентраций и в пространственные распределения различных образующих, и произвести анализ Монте-Карло для определения статистической составной диэлектрической характеристики каждого блока 3-Ό конечного элемента секционированной модели среды.

Уже было показано (Коиззу, О., 1. А. Реагсе. 1995. ЕоипЕаЕопз апс1 1пЕиз1па1 АррНсаЕопз о£ М1сгомауез апс1 Радио Егедиепсу Е1е1Ез. Ркуз1са1 апс1 Скет1са1з Ме1ЕоЕез. Хем Уогк: .1окп \У1еу & 8опз. БагЬег, 1983; Ме1ахиз и МегеЕЕк, 1983), что мощность на единицу объема (Ру), вводимая в среду при данной напряженности электрического поля, может быть определена в соответствии со следующим уравнением:

Это уравнение в случае может быть выражено как д_ёеп (х,у,г, ί) = Ρ_ν = Р²ае где Е опять представляет собой эффективное значение напряженности электрического поля. Таким образом, для данной напряженности электрического поля пики в коэффициенте ε потерь диэлектрической проницаемости приводят к возникновению пиков в энергии, вводимой в среду, что приводит к более эффективному и быстрому нагреву. Если предположить, что отсутствует теплопередача в среду или из нее, вызванная конвекцией или теплопроводностью, то тогда время нагрева 1_к для данного повышения температуры (ΔΤ) за счет диэлектрического нагрева может быть получено из следующего уравнения (11) (Ог£еш1, 1987):

ΐπ = Срр8Т1Е²®Е (И) в котором С_Р - удельная теплоемкость среды (1/К§°С);

ρ - плотность среды (кг/м³), причем все другие параметры ранее уже были определены.

Более общее уравнение сохранения энергии, которое учитывает теплопередачу (за счет конвекции или теплопроводности от смежных областей) и тепловыделение (член источника диэлектрического нагрева), может быть выражено следующим образом (Коиззу и Реагсе, 1995):

рС_Р(дТ1Ы) - V · (ТСт-νΤ) = β^(χ,γ,ζ,ΐ) где КТ - коэффициент теплопроводности среды и 1 - время. Все другие параметры ранее уже были опре делены.

Аналогичным образом, универсальное определяющее уравнение, решенное для электрического поля (полученное из уравнений Максвелла в дифференциальной форме), может быть выражено следующим образом (Коиззу и Реагсе, 1995):

ν²ν-//£(ό²ν/δΐ²) = -/?μ/6· (13) где ρ_ν - плотность (электрического) заряда и V - электрический потенциал или напряжение.

Уравнение (13) называют уравнением Гельмгольца, которое в случаях, когда производная времени равна нуля, сводится к уравнению Пуассона.

Когда среда является пассивной, не содержащей источника средой, такой как углеводороды, и когда частота работы является достаточно низкой и длина волны достаточно длинной по сравнению с размерами образца, как в случае емкостного нагрева (т.е. в случае квазистатической модели), то уравнение (13) сводится к следующему:

Электрическое поле связано с напряжением при помощи следующего выражения:

- 18 012931

Проще говоря, электрическое поле является отрицательным градиентом напряжения в трех направлениях.

Выражения (8), (9), (12), (14) и (15) служат основой для модели электромагнитного диэлектрического нагрева, которая может быть применена к составной диэлектрической модели, чтобы моделировать углеводородный материал, имеющий несколько образующих.

Кроме того, можно построить составные серии моделей для специфических композиций, которые имеются в углеводородных материалах, причем образец имеет сверху и снизу воздух или слой воды и электроды. Из проведенного здесь раньше обсуждения понятно, что все диэлектрические параметры являются функцией температуры и частоты. Из уравнений (9) и (10) также следует, что мощность, генерированная для нагрева, является функцией коэффициента диэлектрических потерь и напряженности электрического поля. Наконец, из уравнений (13)-(15) можно понять, что напряженность электрического поля является функцией диэлектрических параметров, которые, в свою очередь, являются функцией температуры и частоты.

Таким образом, может быть выработан итеративный решающий алгоритм, позволяющий найти все желательные параметры в этой модели, который также задает последовательности во времени, чередование между электромагнитными и тепловыми решениями и решает их как функцию частоты.

Таким образом, характеризация диэлектрических свойств и прогнозирование характеристик емкостного нагрева углеводородных формаций позволяет производить нагрев на оптимальных частотах, чтобы понизить вязкость углеводородов и химических композиций, таких как парафины. При этом можно исключить частоты или длительности воздействия, которые являются вредными для осуществления процессов добычи и/или очистки.

Различные химические композиции, которые имеются в углеводородном материале, могут иметь оптимальные дебаевские резонансы или частоты, на которых емкостный ВЧ диэлектрический нагрев будет наиболее эффективным. Как уже было упомянуто здесь выше, в описании первого подхода, система емкостного ВЧ диэлектрического нагрева должна быть настроена на эти оптимальные частоты. Эти возможные дебаевские резонансы в углеводородах имеют специфические температурные зависимости. Система емкостного ВЧ диэлектрического нагрева должна быть спроектирована с возможностью слежения за этими температурными зависимостями во время нагрева, по мере повышения температуры. Специфические химические композиции, которые имеются в углеводородном материале, могут иметь и другие оптимальные частоты, которые не обязательно являются дебаевскими резонансами, но все еще являются важными частотами для достижения различных желательных эффектов в углеводородах или в окружающих композициях углеводородной формации. Система емкостного ВЧ диэлектрического нагрева позволяет производить настройку на эти частоты и отслеживать любую из их температурных зависимостей.

Специфические углеводороды или некоторые композиции внутри формации могут также иметь дебаевские резонансы или другие не дебаевские оптимальные частоты, которые являются особенно эффективными при избирательном нагреве заданного продукта. Система емкостного ВЧ диэлектрического нагрева позволяет производить настройку на эти оптимальные частоты и отслеживать их температурную зависимость, чтобы обеспечивать избирательное управление скоростью нагрева заданной композиции.

За счет использования одной из технологий, которая обсуждается далее более подробно, в углеводородной формации образуют каверну, содержащую флюидную несущую среду, которая становится невидимой, или прозрачной, для приложенных ВЧ электрических полей, так что флюидная несущая среда не доходит до ее температуры кипения. Поэтому, флюидная несущая среда и соответствующая система емкостного ВЧ диэлектрического нагрева должны быть согласованы и иметь соответствующие характеристики.

Система емкостного ВЧ диэлектрического нагрева позволяет производить настройку на дебаевские резонансы различных химических композиций, которые имеются в углеводородных формациях, одновременно или с временным мультиплексированием, которое аппроксимирует характеристики одновременного нагрева. Частоту и профиль нагрева следует выбирать так, чтобы обеспечить нагрев формации или специфических химических композиций, и дополнительно обеспечить передачу теплоты во флюидную несущую среду с минимальным или управляемым испарением.

Альтернативно, специфические композиции, которые имеются в углеводородном материале, могут иметь аналогичные диэлектрические свойства, такие как аналогичные дебаевские резонансы, и/или диэлектрические коэффициенты потерь, что позволяет производить более однородный нагрев.

Потенциальные применения последовательности технологических операций (фиг. 11А-11Е).

Существуют различные потенциальные применения предложенной здесь технологии для добычи углеводородов из таких месторождений, как месторождения битуминозного песка, нефтеносных сланцев, угля, тяжелой нефти и других битуминозных или вязких материалов. Эти применения схематично показаны на фиг. 11А-11Е.

На фиг. 11А показана схема последовательности операций для процесса емкостного ВЧ диэлектрического нагрева содержащей углеводород формации, в соответствии с которой устройство может быть настроено на преимущественный или избирательный нагрев специфических композиций, таких как угле

- 19 012931 водороды, за счет настройки на дебаевские резонансы. Эта схема отображает также емкостный ВЧ диэлектрический нагрев перемешанной порошковой суспензии (например, нагретого углеводородного материала).

На фиг. 11В показана схема последовательности операций для процесса емкостного ВЧ диэлектрического нагрева содержащих углеводород формаций внутри подземного месторождения, причем специфические молекулы углеводорода внутри содержащей углеводород формации могут быть нагреты с более высокой интенсивностью, чем другие образующие, такие как песок и сера, или флюидная несущая среда (как это обсуждается далее более подробно). Наоборот, устройство может быть настроено на преимущественный или избирательный нагрев флюидной несущей среды, которая может быть жидкой средой, за счет настройки на ее дебаевские резонансы. Создание каверны, заполненной флюидной несущей средой, позволяет производить нагрев содержащего углеводород слоя, когда он входит в контакт с флюидной несущей средой.

На фиг. 11С показана схема последовательности операций, суммирующая процесс емкостного ВЧ диэлектрического нагрева содержащих углеводород формаций внутри подземного месторождения, причем специфические химические композиции могут быть нагреты с более высокой интенсивностью, чем другие образующие. Для разрушения стойких секций месторождения и ввода их частей в заполненный флюидом резервуар внутри подземной каверны прикладывают гидравлическое давление флюидной несущей среды к содержащей углеводород формации. Флюидная несущая среда может быть подвернута обработке переменной частотой при помощи емкостного ВЧ диэлектрического нагрева, настроенной на специфические композиции.

На фиг. 11Ό показана схема последовательности операций для процесса емкостного ВЧ диэлектрического нагрева содержащих углеводород формаций внутри подземного месторождения, причем специфические молекулы углеводорода или других химических композиций внутри содержащей углеводород формации могут быть нагреты с более высокой интенсивностью, чем другие образующие, такие как песок, сера или флюидная несущая среда. Создание каверны, заполненной флюидной несущей средой, позволяет производить разделение желательных веществ, которые являются более легкими, чем флюидная несущая среда. Эти желательные углеводороды обычно нагревают за счет соответствующей настройки высокой частоты, причем они обычно всплывают на поверхность подземного содержащего среду резервуара. Нежелательные более тяжелые посторонние вещества (примеси) и флюидная несущая среда осаждаются на дне резервуара. Нежелательные примеси обычно остаются относительно холодными, так как они являются прозрачными для приложенной высокой частоты.

На фиг. 11Е показана схема последовательности операций, суммирующая процесс автоматического емкостного ВЧ диэлектрического нагрева переменной частотой индивидуальных стратификаций, которые всплывают на поверхность флюидной несущей среды. После всплытия на поверхность флюидной несущей среды эти стратификации быстро могут быть нагреты до температуры, составляющей несколько сот градусов Цельсия, в результате чего получают процесс, позволяющий дополнительно расслаивать различные углеводородные цепи по плотности, ранее их сбора с поверхности.

Способ экстракции и обработки углеводородов - фаза 1 (фиг. 12).

На фиг. 12 показана углеводородная формация (среда 304) между вскрышей 302 и коренной подстилающей породой или грунтом 306. В этом примере показаны три скважины 301, причем их автоматические емкостные ВЧ диэлектрические системы нагрева переменной частоты были недавно активизированы. Вдоль длины обсадной трубы ствола скважины показаны в виде шестиугольников существующие и будущие излучающие частоту устройства 318. Передаваемая частота (частоты) представлена радиоволнами 315, которые распространяются через флюидную несущую среду 320, в которой образуется основная каверна 335 (в центре) и спутниковые каверны 355 в содержащей углеводород формации, т.е. в среде 304. Первоначально, углеводородные материалы 330 и/или другие материалы (а обычно смесь битуминозных песков, битума, скальной породы, гравия и другого углеводородного материала) откачивают вверх на поверхность земли (как это показано направленными вверх стрелками). Флюидная несущая среда 320, поступающая из резервуара 308 для хранения, инжектируется вниз в каверны 335 и 355 (как это показано направленными вниз стрелками). Каверны 335 и 355, которые могут начинаться как часть углеводородной формации (среды 304) и не являются обычными кавернами (пещерами), непрерывно образуются и расширяются по мере того, как среда 304 нагревается и ее содержимое удаляется. Дерриккраны 310 используют для бурения скважин и для установки обсадных труб и трубной обвязки (содержимое каверны, такое как расплавленные битуминозные пески или разрушенный нефтеносный сланец, образующееся при первоначальном создании каверны, показано позицией 328).

Излучающие частоту устройства 318, вместе с их нагревательной решеткой электродов (таких как электроды 20 и 22, фиг. 9 и 10) и технологическими чувствительными устройствами (такими как тепловые датчики 42, фиг. 9 и 10), а также с другим необходимым оборудованием, могут быть опущены (и подняты) через стволы скважин при помощи деррик-кранов 310. По мере расширения каверн 335 и 355 резервуары 332 флюидной несущей среды 304, с другими материалами или без них, начинают образовываться и увеличиваться в объеме, и/или давление в них начинает повышаться. Как это обсуждается далее более подробно, некоторые резервуары 332 становятся основными резервуарами 338.

- 20 012931

Среда 304 для нагревания показана на фиг. 12 как среда 334 или 340 для тепловой обработки, и она преимущественно находится вблизи от периметра каверн 335 или 355. Размер (горизонтальная и/или вертикальная глубина среды 304, или расстояние от излучающих частоту устройств 318) обрабатываемой среды 334 может варьировать в зависимости от характеристик и свойств формации и желательных углеводородных материалов. Скважина справа на фиг. 12 показана на ранней стадии тепловой обработки среды 304 (которая показана здесь как среда 334), а скважины в центре и слева показаны на последующих стадиях обработки углеводородной формации (и среда после тепловой обработки показана как среда 340). Среды 334 и 340 могут быть аналогичными в конформации, или же они могут быть различными за счет нахождения на различных стадиях обработки и экстракции.

Устройства 316 текущего контроля процесса, такие как датчики напряжения, тока, температуры и инфракрасные тепловые датчики или другие устройства, показаны шевронами вдоль длины обсадных труб скважин. Эти контрольные устройства 316 выполняют ряд функций, в том числе (но без ограничения):

(1) отслеживание изменений заданных нагреваемых химических композиций и сбор любой информации, которая влияет на переменную частоту системы автоматического емкостного ВЧ диэлектрического нагрева, для того, чтобы могли бы быть сделаны подстройки для дополнительного быстрого нагрева материала (материалов); и (2) текущий контроль всех аспектов состояния (условий) внутри скважины и в последующих кавернах, таких как:

(a) температура, давление и перепады градиента воды, (b) состав всех порошковых материалов в воде, (c) электропроводность, (ά) диэлектрическая проницаемость, (е) температура, давление и перепады градиента для всех порошковых материалов в среде 304 и во флюидной несущей среде 320 в резервуаре 332 и в окружающих каверну стенках, (Г) температура и композиция стенок каверны для будущего планирования операций нагрева.

Излучающие частоту устройства 318 получают мощность через передающий кабель 319. Информационный кабель 317 передает информацию с контрольных устройств 316 на компьютер 38 или 138.

Как это показано на фиг. 12, через каждый ствол скважины передают переменную частоту автоматического емкостного ВЧ диэлектрического нагрева, чтобы быстро повысить температуру у дна углеводородной формации. В обычном построении используют гибкий коаксиальный передающий кабель 319, идущий вниз до мощных излучающих частоту устройств 318 (с электродами 20 и 22, не показаны).

Датчики 316 вводят в один или несколько вертикальных или горизонтальных стволов скважин в нагреваемой области. Находящиеся на поверхности земли ВЧ-генераторы подают энергию через коаксиальный передающий кабель (кабели) 319 на электромагнитно связанные, находящиеся внизу скважины электроды 20 и 22, которые преимущественно входят в состав излучающих частоту устройств 318. Температура подземного материала между электродами 20 и 22 возрастает по мере того, как он поглощает электромагнитную энергию. При надлежащей конфигурации система может обеспечивать пространственно контролируемые картины нагрева за счет подстройки рабочей частоты, электрических фаз токов электродов 20 и 22, а также размеров и расположения электродов.

Флюидная несущая среда 320 преимущественно представляет собой воду, однако она может быть и другим флюидом, таким как (но без ограничения), например, деионизированная вода, солевой раствор или жидкая углекислота. Флюидная несущая среда 320 может быть закачена в одну или несколько каверн 335 и 355, чтобы повысить уровень и/или давление резервуара, и/или же она может служить в качестве охладителя, чтобы флюидная несущая среда 320 внутри резервуаров 332 не доходила до точки кипения. В некоторых случаях несущая среда может быть удалена из резервуаров 332 для снижения давления.

Первоначально, этот процесс может потребовать большего количества флюидной несущей среды 320, в зависимости от содержания воды в формации и количества воды, которое формация может отдать в процесс, чем известные в настоящее время способы, которые требуют подачи пара и высокой энергии как для экстракции из подземного месторождения, так и для последующей промывки на поверхности земли. Однако, в целом, в соответствии с настоящим изобретением требуется меньшее количество флюидной несущей среды 320 и энергии, чем для известных в настоящее время способов.

Когда это является практичным, глубокие озерные резервуары должны быть образованы, чтобы генерировать гидроэлектрическую мощность для устройств генерирования частоты и контрольных устройств и чтобы иметь резерв флюидной несущей среды 320. При надлежащем проектировании флюидная несущая среда 320 может быть получена (извлечена) со дна каверн 335 и 355, чтобы уменьшить или исключить энергию, необходимую для закачки указанной среды в каверны. Этот процесс может продолжаться после завершения горных работ, как рентабельный процесс поддержания давления, когда это желательно, во флюидной несущей среде 320 в каверне и как процесс последующего поддержания давлений резерва природного газа.

- 21 012931

Способ экстракции и обработки углеводородов - фаза 2 (фиг. 13).

На фиг. 13 показан пример основной каверны 335, которая образована тремя развивающимися кавернами 335 и 355 фиг. 12, которые соединяются друг с другом по мере их расширения в ходе процесса. Каверна 335 (одна каверна, образованная из трех каверн, показанных на фиг. 12) получает коническую форму, и ее крыша образует направленный вверх пик в центре. Резервуары 332, показанные на фиг. 12, также объединяются и образуют основной резервуар 338. Каверна конической формы желательна по многим причинам, в том числе:

(1) каверна конической формы способствует распространению нагретого углеводородного материала к центру каверны 335. По мере того как вязкость углеводородной формации снижается вблизи основного резервуара 338, происходит распространение среды 304 во флюидную несущую среду 320 в резервуаре 338. Например, когда нагретый битуминозный песок входит в контакт с флюидной несущей средой 320, битум начнет плавать на поверхности флюидной несущей среды 320, в то время как песок и другие отходы будут погружаться на дно резервуара 338 в виде отстоя 344. Нагретый битум и углеводороды могут быть подняты на поверхность земли после их всплытия на поверхность флюидной несущей среды 320;

(2) каверна конической формы обеспечивает максимальную площадь поверхности флюидной несущей среды 320, которая открыта к среде 304;

(3) каверна конической формы позволяет производить эффективное размещение разделенной нежелательной примеси, так как каверна открыта наружу у основания базы месторождения и вверх от центра, в результате чего создаются условия для осаждения осадка к центру дна каверны.

Многие ценные углеводородные соединения с низкими температурами кипения теряются при использовании известных технологий, в которых применяют высокие температуры (выше температуры кипения) и технику быстрого нагрева. Парафин имеет температуру помутнения 40°С и температуру повторного плавления 60°С. Постоянный нагрев среды 304 с использованием средств, которые позволяют контролировать температуру всех заданных композиций, и с использованием средств, которые позволяют собирать нефтепродукты с пониженной вязкостью за счет флюидной несущей среды 320, позволяет создать технологии обработки с более низкой температурой, чем в известных процессах. Меньшее повышение температуры углеводородов означает, что больше углеводородов формации может быть извлечено, и меньше будет теряться за счет вскипания. Пониженная вязкость нагретого углеводородного флюида является результатом снижения количества углеводородов, которые вскипают. Одна из проблем известных процессов с использованием высоких температур и/или быстрого нагрева заключается в том, что чем больше углеводородов вскипает из нагретого углеводородного флюида, тем выше становится вязкость флюида. Раскрытый здесь способ устраняет или существенно ослабляет эту проблему.

Когда нагретый битум и расплавленные парафины поднимаются на поверхность флюидной несущей среды 320 в каверне 335 на фиг. 13, то чем более узким является поперечное сечение каверны, то тем более толстыми будут полосы расслоения расплавленного битума, углеводородов, парафинов и природного газа. Более глубокие расслоения позволяют использовать более направленные частоты нагрева этих расслоений. При более толстых расслоениях могут быть созданы дополнительные фракции (из начальных фракций) и произведена их индивидуальная экстракция. Глубокое расслоение (стратификация) обладает более высокой проводимостью и позволяет производить более эффективный частотный нагрев, чем тонкий слой определенной композиции, так как каждое расслоение может потребовать использования направленного, с переменной частотой, автоматического емкостного ВЧ диэлектрического нагрева. Нагрев индивидуальных расслоений может приводить к такому высокому повышению температур, как 900°С.

Как это показано на фиг. 13, основная каверна 335 теперь является достаточно открытой и имеет такую форму, которая позволяет заполнить ее флюидной несущей средой 320, которая позволяет проводить (пропускать) частоты к среде 304. Резервуар 338 с флюидной несущей средой 320 и/или с другими жидкостями (такими как вода, которая освобождается из формации) позволяет производить осаждение нежелательной примеси в виде осадка 344 на дно каверны. Следует иметь в виду, что такие флюиды, как соленая вода, могут быть проводящими на сотни футов.

Слой 340 обрабатываемой среды 334 обычно находится между основным объемом содержащей углеводород формации и флюидной несущей средой 320 в каверне. Обычно производят нагрев стенок и крыши каверны. Ожидают, что расплавленный битум или освобожденные нефтепродукты и углеводороды будут всплывать на поверхность резервуара 338 в виде слоя 342 у крыши каверны или как пузырьки в непосредственной близости от поверхности резервуара 338 (не обозначены). Нежелательная примесь (композиции, которые не содержат достаточное количество углеводородов или которые имеют плотности, превышающие плотность флюидной несущей среды 320) осаждаются в виде отстоя 344 на дне каверны.

По мере продолжения процесса нагрева начинает образовываться напластованный слой 346 углеводородных частиц. Расплавленный битум, нефтепродукты и углеводороды, которые плавают на поверхности флюидной несущей среды 320, показаны как напластованный слой 346 на фиг. 13. Напластованный

- 22 012931 слой 346 отводят по трубе 350. Природные газы образуют напластованный слой 348 и их собирают в верхней части каверны 335. Напластованный слой 348 отводят по трубе 352.

Скважины, показанные справа и слева на краях фиг. 13, находятся на ранних стадиях обработки. Каверны, такие как спутниковые каверны 355, образуются вокруг основной каверны 335. Содержащая углеводород формация (среда 304) переходит в подвергающуюся тепловой обработке среду 334 в кавернах 355, при подготовке к образованию основной каверны 335, расширяющейся в эти области. Свежую флюидную несущую среду 320 закачивают в каверны 355, если это необходимо, и нагретый битум (прошедшую тепловую обработку среду 334) откачивают с задержкой, чтобы расширить или образовать каверны 355. Эти каверны 355 выполняют множество задач. Одной задачей является использование в качестве ретортной камеры для нагрева образующих. Другой задачей является использование в качестве добывающей скважины для сбора нагретых углеводородов и их подъема на поверхность земли.

Способ экстракции и обработки углеводородов - фаза 3 (фиг. 14).

На фиг. 14 показана основная каверна 335 после ее расширения и включения в нее каверн 355, показанных на фиг. 13. Процесс открывания и активизации дополнительных скважин (справа и слева на краях фиг. 14) для расширения каверны 335 продолжается. Центр каверны 335 поднят и расширен, и теперь имеет вид купола 364. Теперь имеется обширное пространство для того, чтобы уровень резервуара 338 доходил до имеющих наклон вверх стенок и до крыши каверны 335. Перепады давления образуются внутри каверны 335 за счет повышенной глубины резервуара 338. Слой осадка 344 имеет повышенную толщину.

Во время фазы 3, показанной на фиг. 14, расплавленный битум, нефтепродукты и углеводороды расслаиваются и образуют различные слои, причем напластованный слой 356 содержит более плотные соединения, напластованный слой 362 содержит менее плотные соединения, а напластованные слои 358 и 360 содержат соединения с плотностями, промежуточными между плотностями напластованного слоя 356 и напластованного слоя 362. Метан и другие газы поднимаются вверх и образуют напластованный слой 348.

Способ экстракции и обработки углеводородов - фаза 4 (фиг. 15 и 16).

На фиг. 15 и 16 показана передовая фаза многих технологий, раскрытых в соответствии с настоящим изобретением. Каверна 335 на фиг. 15 и ее крупный план на фиг. 16 скоро будут ограничены при распространении наружу в формацию, причем каверна расширена вверх почти до верхней части содержащей углеводород формации (среды 304). Теперь коническая форма каверны, показанной на фиг. 13, становится формой купола, обеспечивающей полную эксплуатацию месторождения.

Устройство 368 у основания обсадной трубы скважины (которое постепенно поднимают над поднимающейся насыпью осадка 344) представляет собой имеющее большую мощность генерирующее частоту устройство и устройство управления автоматическим согласованием импедансов. Если характеристики флюидной несущей среды 320 и/или резервуара 338 позволяют обеспечивать прохождение частоты на большие расстояния, то тогда расположенное по центру мощное генерирующее устройство и устройство управления, такое как устройство 368, является более предпочтительным, чем сетка скважин и устройств, описанных здесь ранее со ссылкой на фиг. 12 и 13.

Процесс 370 позволяет извлекать и рециркулировать слой флюидной несущей среды 320, который обычно представляет собой нагретый слой флюидной несущей среды 320, находящийся непосредственно ниже напластованного слоя 356. При необходимости, автоматический емкостный ВЧ диэлектрический нагрев с переменной частотой может быть произведен вокруг трубы или в трубе процесса 370, чтобы быстро нагревать среду 304 и флюидную несущую среду 320 в процессе обработки суспензии и/или чтобы насыщать резервуар 338 ВЧ-частотами нагрева, для содействия процессу разработки месторождения.

Возможно использование подводных контейнеров 372 и 374 с дистанционным управлением, подвешенных над грунтом и связанных трубами с каверной 335. Возможное использование этих устройств включает в себя следующее:

(a) подвод высокой мощности автоматического емкостного ВЧ диэлектрического нагрева переменной частоты в специфическую область (области) имеющего углеводород месторождения;

(b) подача флюидной несущей среды 320 высокого давления с поверхности земли для гидравлического взрыва непосредственно смежной углеводородной формации и ее разделения на мелкие части. Если флюидную несущую среду 320 используют для гидравлического разделения на зоны нагрева и/или добычи, то тогда должно быть обеспечено насыщение надлежащими частотами флюидной несущей среды 320, ранее разряда. Подводный контейнер 372 с дистанционным управлением имеет напор воды, выходящий из его обоих концов, показанный горизонтальными стрелками, причем имеется постоянный поток флюидной несущей среды 320, насыщенной частотами нагрева битума;

(c) расширение каверны 335 (с использованием контейнера 374 с дистанционным управлением) за счет выбрасывания порошкового материала из зоны проведения горных работ. Несмотря на то что это и не показано, труба может быть соединена с контейнером 374 для дальнейшей транспортировки этих материалов из зоны проведения горных работ. Так как флюидная несущая среда 320 в нагреваемой области становится насыщенной нежелательными примесями, осаждающимися на дне каверны, ее эффективность передачи и/или контроля частот автоматического согласования импеданса падает. Захват и пере

- 23 012931 мещение флюидной несущей среды 320 и среды 304 в другую часть каверны, для проведения дополнительного частотного нагрева и/или отделения нежелательных примесей, может повысить эффективность.

Процесс 376 позволяет выделять напластованный слой или слои 356, 358, 360 и/или 362 расплавленного битума, нефти или углеводородов, и передавать один или несколько этих напластованных слоев глубже в резервуар 338. В то время как содержимое транспортируется в направлении вниз по трубе, автоматический емкостный ВЧ диэлектрический нагрев, с переменной частотой, быстро нагревает содержимое трубы в виде суспензии (взвеси) 377. Процесс 376 имеет потенциал для получения сырых фракций углеводородов из нагретых углеводородных материалов, за счет быстрого нагрева углеводородов в суспензии до необходимой температуры и затем их освобождения под большим гидростатическим давлением, созданным глубокими флюидами (более 30 м). Когда содержимое процесса 376 освобождается глубоко в каверне 335 в местоположении 378 (которое обычно находится у конца труб процесса 376), то специфические соединения в содержимом процесса 376 бомбардируются переменными частотами автоматического емкостного ВЧ диэлектрического нагрева, когда они поднимаются на поверхность каверны 335 для продолжения быстрого нагрева под давлением. Специалисты легко могут рассчитать предписанную температуру, требующуюся для содержимого процесса 376, с учетом гидростатического давления в резервуаре 338, чтобы обеспечить различные уровни фракционирования углеводородов.

При необходимости (например, для очистки более сложных углеводородов) добавки могут быть введены под давлением в последовательный смеситель, встроенный в системы труб процесса 376. Кроме того, несколько фракций могут быть перемешаны вместе с добавками и подвергнуты частотному нагреву в соответствии с ранее описанным, а затем освобождены под давлением, чтобы создать более сложные углеводородные цепи.

Для создания удовлетворительной системы емкостного ВЧ диэлектрического нагрева в соответствии с настоящим изобретением следует учитывать такие факторы, как уровни (напряженности) электрического поля, диапазоны частот, геометрии и окружающие геологические формации. В частности, полезно иметь полные сведения относительно диэлектрических свойств нагреваемых углеводородных материалов в диапазоне частот, температур и давлений. Кроме того, важно исключить любые факторы, которые могут создавать высокие локальные интенсивности напряженности поля.

Можно выбрать флюидную несущую среду 320 для каверны 335 и/или 355 так, чтобы она была главным образом прозрачной для ВЧ-энергии во всем нормальном рабочем диапазоне от 1 до 300 МГц или в его части, так чтобы нагрев углеводородов или других заданных химических композиций мог быть произведен без кипения флюидной несущей среды 320.

Продукт, подлежащий нагреву, может быть окружен не проводящей диэлектрической соединительной флюидной несущей средой 320 (например, деионизированной водой), которая сама по себе не нагревается (так как имеет дебаевский резонанс на намного более высокой частоте), но увеличивает диэлектрическую постоянную зазоров между электродами и нагреваемой средой, в результате чего понижается импеданс зазора и улучшается передача энергии в среду.

Также может быть полезно подавать больше теплоты к внешним краям среды 304 (например, за счет конвекции от предварительно нагретой флюидной несущей среды 320), чтобы помогать компенсировать более высокие потери теплоты, происходящие в этих областях. Этому также может содействовать циркуляция относительно холодной несущей среды 320 к внешним краям среды 304, чтобы исключить кипение несущей среды. Это может быть особенно необходимо в тех случаях, когда среда 304 или специфические композиции внутри среды требуют нагрева до температур выше температуры кипения несущей среды 320. Предварительно нагретая флюидная несущая среда 320 может иметь температуру от 0 до 99°С, в случае воды, или, в более общем случае, диапазон температур ниже температуры кипения среды.

Общие аспекты.

Система емкостного ВЧ диэлектрического нагрева имеет управление мощностью и управление напряжением/уровнем электрического поля, а также потенциально содержит решетку электродов (см. фиг. 9 и 10) для обеспечения точного управления напряженностью поля с учетом времени и положения в среде 304 или во флюидной несущей среде 320.

В дополнение к приведенным здесь выше различным технологическим маршрутам изготовления существует также потенциал для использования этой технологии в сочетании с другими технологиями нагрева, такими как омический или микроволновый нагрев, чтобы улучшить качество продукта, производительность процесса и/или эффективность использования энергии. Можно привести следующие примеры такого применения.

1. Использование омического частотного нагрева во флюидной несущей среде 320, чтобы нагревать формации, которые разрушаются с образованием резервуара 332 и/или 338.

2. Нагрев композиций во флюидной несущей среде 320 микроволнами или с использованием омического частотного нагрева, причем эти композиции требуют использования радиочастот, аналогичных необходимым для образующих, которые не должны быть нагреты.

3. Использование микроволн для дополнительного нагрева области формации, подлежащей нагреву.

4. Использование микроволн для дополнительного нагрева слоя 342 между флюидной несущей сре

- 24 012931 дой 320 в резервуаре 332 и/или 338 и содержащей углеводород средой 304.

За счет использования описанных здесь способов и устройств можно исключить потенциальные недостатки известных способов емкостного ВЧ диэлектрического нагрева. В соответствии с первым подходом потенциальные ограничения могут быть сняты за счет управления частотой и ее согласования с дебаевскими резонансами или с другими параметрами основных образующих среды 304, и слежения за ними при изменении температуры, а также за счет контроля напряженностей поля и оптимизации геометрий продукта, чтобы исключить образование электрической дуги. В соответствии со вторым подходом автоматическое согласование импедансов обеспечивает согласование эффективно подстроенного импеданса нагрузки с выходным импедансом блока генерирования сигнала в результате чего обеспечивается нагрев нагрузки максимальной энергией (в результате чего уменьшается время нагрева).

Для исключения или снижения риска теплового убегания может быть использована система решетчатых электродов, снабженная инфракрасным сканером для контроля всего объема нагреваемой содержащей углеводород формации (среды 304) и/или флюидной несущей среды 320. В ответ на сигналы чувствительного входного устройства (устройств) 316 специфические композиции, которые содержатся в углеводородном материале, такие как углеводороды и/или другие образующие, могут быть независимо нагреты, за счет регулировки локальных напряженностей поля или за счет выключения некоторых участков решетки электродов в различных рабочих циклах, чтобы исключить образование горячих пятен.

Предложенный способ обеспечивает множество преимуществ по сравнению с известными способами. Например, автоматический емкостный ВЧ диэлектрический нагрев с переменной частотой позволяет производить индивидуальную обработку каждого индивидуального расслоения при контроле и регулировках частоты в реальном масштабе времени. Кроме того, предложенное техническое решение требует минимального общего использования воды или удаления отстоя, по сравнению с известными способами. Другим преимуществом является то, что максимальное давление в каверне может поддерживаться при минимальном поступлении воды или других жидкостей или газов, необходимых для создания и поддержания необходимых давлений. Кроме того, предложенный способ требует существенно меньшей энергии. Снижение испарения воды в содержащей углеводород формации само по себе существенно уменьшает потребление энергии, что также важно и может быть еще более важно, так это то, что существенные количества парниковых газов и других побочных продуктов остаются в исходном месторождении.

Несмотря на то что были описаны различные предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения. Следует иметь в виду, что настоящее изобретение может быть внедрено различным образом, в том числе в виде способа, устройства, системы или считываемой компьютером среды. Настоящее изобретение включает в себя все такие модификации, которые не выходят за рамки приведенной далее формулы изобретения с учетом эквивалентов.

Claims (57)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ извлечения и управляемого нагрева углеводородной среды, или по меньшей мере одного соединения, или химической композиции углеводородной среды, содержащихся в подземной содержащей углеводород формации, причем углеводородную среду выбирают из группы, в которую входят нефтеносный сланец, битуминозный песок, нефтеносный песок, уголь, битум и/или кероген, заключающийся в том, что на подземную углеводородную формацию воздействуют электрическим полем переменного тока, генерируемым радиочастотным колебанием или колебаниями в заданном диапазоне частот, которое нагревает углеводородную среду, тем самым уменьшая её вязкость, и извлекают нагретую углеводородную среду на поверхность, причем:

   (a) осуществляют автоматическую регулировку частоты или частот радиочастотного колебания или множества радиочастотных колебаний, генерируемых блоком генерирования радиосигнала переменной частоты, на основании сигнала обратной связи по меньшей мере одного измеренного ίη δίΐιι параметра путем измерения по меньшей мере одного параметра обратной связи ίη δίΐιι. определения значения или значений частоты или частот с использованием заданного отношения частоты и параметра и изменения фактической частоты или фактических частот радиочастотного колебания или радиочастотных колебаний на заданное значение или значения; и/или (b) осуществляют автоматическую регулировку эффективного импеданса нагрузки для согласования с выходным импедансом блока генерирования сигнала путем измерения эффективного импеданса нагрузки, первоначально зависящего от импеданса углеводородной среды, сравнения эффективного импеданса нагрузки с выходным импедансом блока генерирования сигнала, который генерирует радиочастотное колебание или колебания.
2. 2. Способ по п.1, в котором выходной импеданс блока генерирования сигнала заранее устанавливают постоянным.
3. 3. Способ по п.2, в котором выходной импеданс блока генерирования сигнала лежит в диапазоне от

   - 25 012931 до 100 Ом, предпочтительно около 50 Ом.
4. 4. Способ по п.1, в котором измерение эффективного импеданса нагрузки включает в себя измерение напряжения через углеводородную среду и измерение результирующего электрического поля, созданного в углеводородной среде.
5. 5. Способ по п.1, в котором измерение эффективного импеданса нагрузки включает в себя измерение тока радиочастотного колебания, протекающего через углеводородную среду.
6. 6. Способ по п.1, в котором измерение эффективного импеданса нагрузки включает в себя измерение напряжения и тока радиочастотного колебания, протекающего через углеводородную среду, и определение фазового угла между измеренным напряжением и измеренным током.
7. 7. Способ по п.1, в котором измерение эффективного импеданса нагрузки включает в себя измерение уровня прямой мощности радиочастотного колебания генерирующего напряжение тока через углеводородную среду и уровня обратной мощности радиочастотного колебания, отраженной от эффективной нагрузки.
8. 8. Способ по п.7, который дополнительно предусматривает вычисление коэффициента стоячей волны из уровня прямой мощности и уровня обратной мощности.
9. 9. Способ по п.8, который дополнительно предусматривает повтор операции автоматической регулировки эффективного импеданса нагрузки до тех пор, пока коэффициент стоячей волны не составит около 2:1 или меньше, предпочтительно около 1:1.
10. 10. Способ по п.1, в котором автоматическое согласование импеданса нагрузки с выходным импедансом блока генерирования сигнала предусматривает регулировку выбранной частоты или частот приложенного радиочастотного колебания или колебаний.
11. 11. Способ по п.1, в котором автоматическое согласование импеданса нагрузки с выходным импедансом блока генерирования сигнала предусматривает подстройку перестраиваемой схемы согласования импедансов, подключенной к эффективной нагрузке.
12. 12. Способ по п.1, который дополнительно предусматривает периодическое измерение ίη зйн по меньшей мере одной температуры углеводородной среды в ходе нагрева и использование измеренной температуры при автоматической регулировке эффективного импеданса нагрузки для его согласования с выходным импедансом блока генерирования сигнала.
13. 13. Способ по п.1, в котором радиочастотное колебание или колебания имеет длину волны, превышающую геометрический размер углеводородной среды.
14. 14. Способ по п.1, в котором выбранная частота радиочастотного колебания или колебаний превышает 300 кГц и предпочтительно лежит в диапазоне от 1 до 300 МГц.
15. 15. Способ по п.1, в котором углеводородную среду нагревают с использованием радиочастоты или радиочастот и освобождают под давлением.
16. 16. Способ по п.1, в котором по меньшей мере одну специфическую химическую композицию, содержащуюся в углеводородной среде, избирают мишенью для нагрева при помощи радиочастоты или радиочастот.
17. 17. Способ по п.1, в котором углеводородная среда открыта к несущей среде, причем несущая среда позволяет прохождение радиочастотных колебаний для нагрева углеводородной среды.
18. 18. Способ по п.1, в котором параметр обратной связи представляет собой по меньшей мере один из следующих параметров: температуру, прямую мощность, приложенную к эффективной нагрузке, обратную мощность, отраженную от эффективной нагрузки, напряжение при нагрузке, ток при нагрузке, электропроводность, диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость, напряженность поля, магнитную индукцию.
19. 19. Способ по п.17, в котором углеводородную среду нагревают, когда она открыта в резервуар несущей среды.
20. 20. Способ по п.17, в котором углеводородную среду, которая находится в непосредственной близости от резервуара, нагревают, причем температуру несущей среды в резервуаре поддерживают в диапазоне температур ниже температуры кипения несущей среды.
21. 21. Способ по п.17, в котором желательное соединение, полученное за счет нагрева углеводородной среды, образует возместимый слой внутри резервуара несущей среды, причем возместимый слой может быть экстрагирован из резервуара во время операции откачивания.
22. 22. Способ по пп.2, 6 и 7, дополнительно включающий операцию измерения фактического импеданса содержащей углеводород формации и автоматического согласования эффективного импеданса нагрузки с выходным импедансом блока генерирования сигнала за счет, по меньшей мере, регулировки частоты радиочастотного колебания или подстройки перестраиваемого импеданса схемы согласования так, чтобы эффективно подстроенный импеданс нагрузки стал ориентировочно равен выходному импедансу блока генерирования сигнала.
23. 23. Способ по п.1, в котором электрическое поле переменного тока генерируется радиочастотным колебанием или колебаниями с частотой или частотами не выше 300 МГц.
24. 24. Способ разделения, нагрева и извлечения по меньшей мере одного углеводородного соединения углеводородной среды, причем углеводородную среду выбирают из группы, в которую входят нефтенос- 26 012931 ный сланец, битуминозный песок, нефтеносный песок, уголь, битум и/или кероген, происходящей из подземной, содержащей углеводород формации, заключающийся в том, что, по меньшей мере, в области размещения одного углеводородного соединения воздействуют на подземную углеводородную среду электрическим полем переменного тока, причем электрическое поле генерируется радиочастотным колебанием или колебаниями, тем самым уменьшая вязкость углеводородной среды и по меньшей мере одного углеводородного соединения, и извлекают нагретое по меньшей мере одно углеводородное соединение на поверхность, причем периодически измеряют импеданс по меньшей мере одного углеводородного соединения и нежелательных органических и неорганических композиций, в результате чего получают выходной сигнал датчика;

    определяют рассогласования импедансов на основании разности между последним измеренным импедансом и известным импедансом и осуществляют генерирование при помощи компьютера соответствующего выходного сигнала управления, соответствующего указанной разности; и по мере повышения температуры по меньшей мере одного углеводородного соединения и нежелательных органических и неорганических композиций регулируют частоту радиочастотного колебания или колебаний при помощи выходного сигнала управления с компьютера для согласования импеданса с последним измеренным импедансом.
25. 25. Способ по п.24, в котором углеводородная формация открыта в подземный резервуар, при этом резервуар содержит флюидную несущую среду, причем флюидная несущая среда способна пропускать радиочастотные колебания в углеводородную формацию для повышения температуры и снижения вязкости углеводородного соединения, в результате чего по меньшей мере одно углеводородное соединение всплывает на поверхность резервуара и отделяется от другого материала, который осаждается в виде отстоя или другого слоя на дне резервуара.
26. 26. Способ по одному из пп.1-25, в котором испытывают первый образец углеводородной среды для определения первого импеданса при нескольких различных температурах;

    сохраняют полученную информацию, характеризующую зависимость первого импеданса от температуры для углеводородной среды в памяти компьютера;

    пропускают сигнал через второй образец углеводородной среды, содержащей углеводородный материал, причем сигнал, воздействующий на углеводородную среду, представляет собой радиочастоту не выше 300 МГц;

    измеряют импеданс по меньшей мере одного участка второго образца;

    определяют при помощи компьютера зависимость между последним измеренным импедансом углеводородной среды и скоростью нагрева углеводородной среды;

    регулируют скорость нагрева углеводородной среды на основании указанной зависимости.
27. 27. Способ по п.26, в котором углеводородную среду освобождают под давлением.
28. 28. Способ по п.26, в котором автоматически поддерживают согласование импедансов между импедансом химической композиции и заданной постоянной, причем заданная постоянная отражает наличие возможной флюидной несущей среды, на которую не влияет указанная частота или частоты, приложенная(ые) к химической композиции.
29. 29. Способ по п.28, в котором флюидную несущую среду выбирают из группы, в которую входят вода, солевой раствор и/или углекислота.
30. 30. Способ по п.28, в котором флюидную несущую среду нагревают указанной частотой колебания или колебаний и освобождают под давлением.
31. 31. Устройство для емкостного радиочастотного диэлектрического нагрева и извлечения углеводородной среды из подземной, содержащей углеводород формации, причем углеводородную среду выбирают из группы, в которую входят нефтеносный сланец, битуминозный песок, нефтеносный песок, уголь, битум и/или кероген, содержащее источник радиочастотного сигнала переменного тока с радиочастотой не выше 300 МГц для генерации электрического поля переменного тока для нагрева углеводородной среды (24; 124; 304; 334), находящейся в подземной, содержащей углеводород формации;

    по меньшей мере, пару смещенных друг от друга электродов для размещения на противоположных сторонах по меньшей мере части подземной углеводородной формации, подключенных к блоку генерирования радиочастотного сигнала переменного тока и/или схеме;

    частотный контроллер для регулировки частоты или частот радиочастотного сигнала или сигналов в диапазоне различных радиочастот;

    математическую модель, определяющую на основе известного отношения частоты и параметра и измеренных ίη δίΐιι параметров импеданс среды для измеренных параметров; и/или датчик импеданса для измерения данных импеданса углеводородной среды; и/или компьютер, запрограммированный на получение данных импеданса от датчика импеданса и обработку данных импеданса с использованием математической модели, которая прогнозирует импеданс углеводородной среды в функции по меньшей мере одного измеренного ίη δίΐιι параметра, и подачу сигнала

    - 27 012931 управления на частотный контроллер, чтобы регулировать частоту радиочастотного сигнала для согласования измеренного импеданса с заданным импедансом; и насос для извлечения нагретой углеводородной среды на поверхность земли.
32. 32. Устройство по п.31, в котором источник радиочастотного сигнала переменного тока представляет собой генератор частоты, подключенный к усилителю мощности.
33. 33. Устройство по п.32, которое дополнительно содержит схему согласования импедансов, подстраиваемую для согласования выходного импеданса усилителя мощности с импедансом нагрузки, содержащей пару электродов и углеводородную среду в подземной, содержащей углеводород формации, между двумя электродами.
34. 34. Устройство по п.32, которое дополнительно содержит направленный ответвитель, подключенный к линии передачи от усилителя мощности, для приема сигналов, пропорциональных уровням мощности с выхода усилителя.
35. 35. Устройство по п.34, в котором направленный ответвитель содержит участок прямой мощности, который получает сигналы, пропорциональные мощности, выдаваемой усилителем, и участок обратной мощности, который получает сигналы, пропорциональные мощности, отраженной назад к усилителю.
36. 36. Устройство по п.35, которое содержит измеритель, получающий соответствующие сигналы от участков прямой и обратной мощности.
37. 37. Устройство по п.36, в котором измеритель вычисляет напряжение коэффициента стоячей волны.
38. 38. Устройство по п.37, в котором измеритель вычисляет коэффициент отражения нагрузки.
39. 39. Устройство по п.36, в котором компьютер подключен к измерителю и получает от него входные сигналы, причем принятые входные сигналы обрабатываются вместе с данными температуры, для генерирования сигналов управления.
40. 40. Устройство по п.31, в котором пара электродов включает первый электрод, подключенный к источнику, и второй электрод, подключенный к источнику, который установлен с промежутком от первого электрода, так что образуется зона обработки продукта между электродами, причем радиочастотный сигнал проходит через углеводородную среду, расположенную внутри зоны обработки продукта, причем устройство дополнительно содержит средство согласования импедансов, предназначенное для согласования импеданса углеводородной среды, нагреваемой до заданной постоянной, за счет регулировки частоты радиочастотного сигнала.
41. 41. Устройство по п.40, в котором каждый из первого и второго электродов имеет множество электродных элементов, которые электрически изолированы друг от друга, причем элементы первого электрода расположены напротив соответствующих элементов второго электрода, чтобы создать множество пар противоположных электродных элементов.
42. 42. Устройство по п.41, которое дополнительно снабжено управляемым компьютером переключателем, который подключен к каждой паре противоположных электродных элементов, так что индивидуальные пары противоположных электродных элементов могут быть включены и выключены при помощи компьютера.
43. 43. Устройство по п.40, которое дополнительно содержит датчики температуры и в котором, по меньшей мере, некоторые из датчиков температуры установлены на первом электроде.
44. 44. Устройство емкостного радиочастотного диэлектрического нагрева по п.31, дополнительно содержащее схему генерирования сигнала, подключенную к электродам, причем схема генерирования сигнала позволяет создать радиочастотный сигнал переменного тока для заряда электродов и генерирования электрического поля переменного тока в зоне тепловой обработки;

    схему измерения импеданса, подключенную к электродам и к схеме генерирования сигнала, причем схема измерения импеданса измеряет импеданс электродов и по меньшей мере одной химической композиции внутри углеводородной среды, расположенной в зоне тепловой обработки; и контроллер, подключенный к схеме измерения импеданса и к схеме генерирования сигнала, причем контроллер управляет схемой генерирования сигнала и генерированием электрического поля переменного тока, на основании импеданса, измеренного при помощи схемы измерения импеданса.
45. 45. Устройство по п.44, в котором схема генерирования сигнала содержит радиочастотный генератор сигналов переменной частоты.
46. 46. Устройство по п.44, в котором схема генерирования сигнала содержит усилитель, подключенный к радиочастотному генератору сигналов переменной частоты.
47. 47. Устройство по п.31, дополнительно содержащее датчик температуры, предназначенный для измерения температурных данных углеводородной среды, расположенной в зоне обработки продукта;

    компьютер, запрограммированный на получение температурных данных от датчика температуры, чтобы производить обработку температурных данных с использованием математической модели для углеводородной среды и подавать сигнал управления на частотный контроллер, чтобы настраивать частоту радиочастотного сигнала на частоту дебаевского резонанса углеводородной среды при измеренной температуре в зоне обработки продукта.

    - 28 012931
48. 48. Устройство по п.47, в котором математическая модель дает информацию относительно дебаевской резонансной частоты по меньшей мере для одной химической композиции внутри углеводородной среды, дополнительно содержащее входное устройство, которое передает в компьютер информацию относительно типа углеводородной среды, расположенной в зоне обработки продукта.
49. 49. Устройство по п.47, в котором входное устройство передает в компьютер информацию относительно типа углеводородной среды, расположенной в зоне обработки продукта.
50. 50. Устройство по п.47, в котором математическая модель представляет собой таблицу данных, которая содержит дебаевские резонансные частоты при различных температурах по меньшей мере для одной химической композиции внутри углеводородной среды.
51. 51. Устройство по п.47, в котором математическая модель прогнозирует дебаевские резонансные частоты по меньшей мере для одной химической композиции, находящейся в углеводородной среде, на основании диэлектрических свойств химической композиции.
52. 52. Устройство по п.47, которое дополнительно содержит контроллер напряженности поля, который при поступлении сигналов от компьютера регулирует уровень радиочастотного сигнала в зоне обработки продукта.
53. 53. Устройство по п.47, в котором математическая модель дает информацию относительно дебаевской резонансной частоты по меньшей мере для одной химической композиции, находящейся в углеводородной среде; причем устройство дополнительно содержит входное устройство, которое передает в компьютер информацию о том, находится ли углеводородная среда в контакте с химической композицией, которая может функционировать в качестве несущей среды для частоты, передаваемой по меньшей мере одной химической композиции, выбранной в качестве мишени для нагрева; и при этом компьютер запрограммирован на подачу сигнала на частотный контроллер, для настройки частоты радиочастотного сигнала на частоту, которая не является дебаевской резонансной частотой несущей среды.
54. 54. Устройство для емкостного радиочастотного диэлектрического нагрева по п.40, в котором имеется множество датчиков температуры, предназначенных для измерения температурных данных во многих областях углеводородной среды, находящейся в зоне обработки продукта;

    компьютер, который получает температурные данные от датчиков температуры, производит обработку температурных данных с использованием математической модели для углеводородной среды и регулирует по меньшей мере одну характеристику радиочастотного сигнала в ответ на изменения измеренных температур в зоне обработки.
55. 55. Устройство по п.54, в котором каждый из первого и второго электродов имеет множество электродных элементов, которые электрически изолированы друг от друга, причем элементы первого электрода расположены напротив соответствующих элементов второго электрода, чтобы создать множество пар противоположных электродных элементов.
56. 56. Устройство по п.55, в котором имеется управляемый компьютером переключатель, который подключен к каждой паре противоположных электродных элементов, так что индивидуальные пары противоположных электродных элементов могут быть включены и выключены при помощи компьютера.
57. 57. Устройство по п.54, в котором, по меньшей мере, некоторые из датчиков температуры установлены на первом электроде.

    с

    -ЛЛЛЛАЛЛ^Р