EP2315910A2 - Anlage zur in-situ-gewinnung einer kohlenstoffhaltigen substanz - Google Patents

Anlage zur in-situ-gewinnung einer kohlenstoffhaltigen substanz

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EP2315910A2
EP2315910A2 EP09780723A EP09780723A EP2315910A2 EP 2315910 A2 EP2315910 A2 EP 2315910A2 EP 09780723 A EP09780723 A EP 09780723A EP 09780723 A EP09780723 A EP 09780723A EP 2315910 A2 EP2315910 A2 EP 2315910A2
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EP
European Patent Office
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reservoir
inductor
plant according
conductor
return
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EP09780723A
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EP2315910B1 (de
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Dirk Diehl
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/16—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons
    • E21B43/24—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons using heat, e.g. steam injection
    • E21B43/2401—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons using heat, e.g. steam injection by means of electricity
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    • E21B43/24—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons using heat, e.g. steam injection
    • E21B43/2406—Steam assisted gravity drainage [SAGD]
    • E21B43/2408—SAGD in combination with other methods
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/30—Specific pattern of wells, e.g. optimizing the spacing of wells
    • E21B43/305—Specific pattern of wells, e.g. optimizing the spacing of wells comprising at least one inclined or horizontal well
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/46—Dielectric heating
    • H05B6/62—Apparatus for specific applications
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2214/00—Aspects relating to resistive heating, induction heating and heating using microwaves, covered by groups H05B3/00, H05B6/00
    • H05B2214/03—Heating of hydrocarbons

Definitions

  • the invention relates to a plant for the in-situ recovery of a carbonaceous substance from an underground deposit with reduction of its viscosity.
  • a device is used in particular for the production of bitumen or heavy oil from a reservoir under an overburden, as is the case with oil shale and / or oil sand deposits, for example in Canada.
  • the increase in fluidity can be done firstly by introducing solvents or diluents and / or on the other by heating or melting of the heavy oil or bitumen, for which by means of pipe systems, which are introduced through holes, heating takes place.
  • SAGD Steam Assisted Gravity Drainage
  • water vapor which may be added to the solvent, is pressed under high pressure through a tube extending horizontally within the seam.
  • the heated, molten and detached from the sand or rock bitumen or heavy oil seeps to a second about 5 m deeper located pipe through that the promotion of the liquefied bitumen or heavy oil takes place, wherein the distance from the injector and production pipe is dependent on reservoir geometry.
  • the steam has to fulfill several tasks at the same time, namely the introduction of heating energy for liquefaction, the detachment of the sand and the pressure build-up in the reservoir, on the one hand to make the reservoir geomechanically permeable to bitumen transport (permeability) and, on the other hand, the promotion of bitumen without to allow additional pumps.
  • the SAGD process starts by steam being introduced through both pipes for typically three months in order first to liquefy the bitumen in the space between the pipes as quickly as possible. Thereafter, the steam is introduced only through the upper tube and the promotion through the lower tube can begin.
  • Electrolytes take place, whereby the impedance is changed. This requires corresponding electrolyte injection devices that are expensive to integrate in the inductors or require additional costly drilling.
  • the object is achieved by the totality of the features of claim 1. Further developments are specified in the subclaims.
  • the invention relates to an induction-heated system in which the outgoing and return conductors for the inductor lines are guided substantially vertically and have a small lateral distance of at most 10 m. Preferably, however, the distance is less than 5 m.
  • parallel bores can be present in this distance in the cover structure, so that return conductors are guided individually for this purpose.
  • the forward and return conductors of the induction conductors can be separate, laterally side-by-side guided lines.
  • You can also form stranded cables and especially coaxial cables.
  • coaxial cables can be guided in a closely matched wellbore.
  • a branch (so-called Y-junction) is present at the end of the merged lines.
  • the outgoing, horizontally guided inductor lines can run in the same direction but also in opposite directions.
  • the inductor lines running horizontally in the deposit can have different distances in regions.
  • it can
  • the combined in a pair of lines vertically extending forward and return conductors can - as already mentioned - advantageously in a single hole, which reaches down to the reservoir, bring first to branch in the reservoir ('Y-junction').
  • the return conductor pair can be made stranded or coaxial and isolated individually or together - in a continuous insulation.
  • the use of a single borehole, which extends into the reservoir, is also possible for several pairs of return / return conductors.
  • a specialized, optimized to the respective section embodiment of the conductor arrangement is possible.
  • a first section - from the oscillator to the branch - can be designed with particularly low losses, for example by means of HF stranded conductors, with a possibly reduced requirement for temperature resistance.
  • a second section is formed by the single-insulated conductor acting as an inductor. In this case, increased mechanical requirements for installation and increased thermal requirement for operation must be taken into account, while low ohmic conductor losses are secondary.
  • a third section is formed by the electrode, a non-insulated conductor end, which due to its length and z. B. by means of surrounding salt water has a low contact resistance to the reservoir.
  • compensated conductors are mandatory in the section of the inductor lines routed in the reservoir due to its length and the usually large distance (> 5 m) between the inductors.
  • sections I and III u. U. be waived on compensated conductors, if the sections are short ( ⁇ 20 m) or the distance between the return and return conductors is very low ( ⁇ 0.5 m). Very small distance, and associated low inductance of the line section is particularly in stranded or coaxial forward and return conductors.
  • Power generators are needed in the invention.
  • a favorable embodiment of power generators in the considered frequency range are power converters - as described in detail in the above-mentioned German patent application AZ 10 2007 008 292.6.
  • converters deliver considerable proportions of higher harmonics, ie power at integer multiples of the fundamental frequency.
  • it is proposed in a specific refinement to operate several adjacent pairs of return / return conductors, which are predominantly resonant at the fundamental frequency, and some which are resonant in the case of harmonics, to operate in parallel on one or a group of inverters, so that the power of the inverter is also used at the higher harmonics.
  • the single compensated inductor consists of sectionally repeating, capacitively coupled conductor groups whose inductance and capacitance coverings and length determines the resonance frequency.
  • conductor cross-section configurations are proposed whose current density distributions on both conductors are rotationally symmetric or approximately rotationally symmetrical to the inductor axis.
  • the two end-grounded inductors can diverge in different, for example, opposite directions.
  • the array of inductors according to item 4 is suitable for heating the reservoir over a large area.
  • it is proposed to arrange a plurality of injection and production tubes perpendicular to the orientation (and below) of the inductors.
  • the inductors do not generally have to run parallel to the production and injection tubes, but rather oriented at an angle, in particular perpendicular to the production tube - ie. in the transverse direction.
  • This allows a variation de heating power along the production pipes and in particular an early start of delivery, since at the intersections of inductors and production pipes, the distance between these is very low.
  • the vertical orientation is only the special case.
  • salt water can alternatively be introduced by means of vertical bores to the inductor ends to be ground, ie electrode sections.
  • cooling medium and electrolyte may be different liquids.
  • the cooling medium can circulate in the inductor (eg, coaxial outflow and return lines for the cooling medium) and be circulated in a closed cooling circuit with a heat exchanger. Please refer to the earlier application AZ 10 2007 008 292.6.
  • the Salzwasserinjetation for better grounding a row of an inductor array according to Pkt.6 can alternatively be done by means of a locally slotted tube, which is introduced through a horizontal bore and oriented perpendicular to the inductors, for several inductors together.
  • the electrode sections can also be led into water-bearing layers outside the reservoir (above or below) in order to realize a connection with good electrical conductivity to the surrounding soil, which is possible with less expenditure on equipment.
  • water-bearing layers are contained in over- and / or underburden.
  • the laying of a distance-optimized inductor can also be done in addition to existing inductors.
  • an electrical connection can be made with outgoing or return conductors formerly laid inductors, the operation in the series resonance can be done by frequency adjustment on the generator / inverter.
  • the variation in distance can take place in the vertical and / or horizontal direction, which makes it possible to adapt the heating power distribution to the reservoir geometry.
  • the new plant has considerable advantages over the plants or devices previously known from the prior art and also in comparison to the plants or devices described in the earlier, unpublished patent applications. These are in detail: To 1: The magnetic fields of the oppositely energized forward and return conductors are almost completely compensated so that only small eddy currents are induced in the immediate vicinity of the overburden ("overburdening") and thus the power loss is drastically reduced.
  • overburdening overburdening
  • the coaxial design of the forward and return conductors from the power loss view is ideal, but requires increased effort at the junction. In the coaxial arrangement, the environment is completely field-free.
  • this also permits the use of electrically conductive and magnetic materials (steel) for covering the return / return conductor pair or a lining of the bore with steel pipes in the section of the conductor pair. Furthermore, a hole is saved. Furthermore, the emission of electromagnetic waves is considerably reduced and the shielding of the oscillator at the entry point is made more compact or easier, which reduces the exposure range in which no operating personnel may reside.
  • electrically conductive and magnetic materials steel
  • the grounding of the conductor ends leads to electrical closing of the conductor loop, without a direct electrical connection of the conductor ends is necessary.
  • the ladder configuration requires no special drilling techniques, but comes with the existing standard drilling techniques.
  • the isolated inductor section holds the current in the conductor and prevents premature shorting across the reservoir, which allows a uniform loss distribution along the inductor.
  • Ad 4 This avoids wavelength effects that would otherwise lead to variations in the current along the conductors and thus to a corresponding variation in the power dissipation density.
  • Re 5 The power in the higher harmonics of the inverter generators can be used for reservoir heating, which would otherwise be incurred as losses in the inverter and could even destroy it.
  • the rotationally symmetric current distribution provides, in the event that there is no current density in a certain radius around the inductor axis, a field-free Induktorinneres that for passing the salt water or mechanical reinforcement of the inductor by z.
  • a steel cable can be used without causing eddy current losses occur in salt water or steel rope, i. without further heating of the inductor occurs.
  • the inductor length In the case of diverging inductors as well as continuation in the x-direction and parallel injection and production tubes, the inductor length only needs to be a fraction of the length of the tubes, which during manufacture, installation (maximum insertion length is of stiffness of the tube) Depending on inductors and possibly less than tubes) and operation (reduction of the voltage requirements to the generators and reduction of pressure requirements for salt water injection) is advantageous.
  • the adjustability of the phase Senlage the generators relative to each other allows the influence of the return currents through the reservoir and thus the power loss density distribution in the reservoir.
  • FIG. 5 Table Row 1, Distance 0.25 m), which is desirable because heating of the top coat is not intended.
  • the return and return conductors are routed at different distances, so that the heating power can be adapted to the respective section. The larger the distance, the higher the heating power per length.
  • Table ( Figure 5) are heating powers for a typical reservoir is listed for different distances from the return conductor, which results when energized with 825 A (peak) @ 20 kHz.
  • Today's drilling technology allows the distances to be reduced to 5m, whereby a variation of the heating power in the considered reservoir by a factor of 80 can be achieved (111 W / m with 5 m distance, 8874 W / m with 100 m distance) with the same current the sections, which is mandatory due to the series connection. This makes it possible to carry out a heating capacity which is adapted in sections to geological and conveying conditions of the reservoir.
  • the inductance pads of a double lead from the forward and return conductors of the inductor are specified. These vary depending on the distance. The influence of different reservoir conductivities is very low.
  • the inductor as a whole constitutes a series circuit of series resonant circuits. A series circuit is formed by the line section having the resonant length. Ideally, all series circuits are resonant at the same frequency.
  • the capacitance coating can advantageously be easily adapted to the respective inductance coating, which in turn can be set in sections, the same resonant frequency without changing the resonance length. Even with a combination of the latter measure, the goal of minimum voltage requirement can be achieved in sections. If the geological conditions in the reservoir are well known, the inductor laying can be carried out with intervals adjusted in sections to the heating power demand. This can be done practically at the same time as the introduction of the steam injection and production pipes for SAGD, so that the inductive heating is already available for the preheating phase.
  • the SAGD process is initially run for a few months or years without EM support.
  • the steam chambers are already formed. Vapor chamber expansion variations along the steam injection and production pipes are generally undesirable as they may result in vapor breakthrough in individual sections ("steam breakthrough region") .When such vapor breakthrough occurs, and circumstances may do so in the remainder Portions of the reservoir still remaining bitumen (Steam to OiI Ratio (SOR) ⁇ 3) are promoted, which can be associated with large financial losses.Such losses can be avoided if long before a steam breakthrough, the inductive heating to regulate the For this purpose, the distance-optimized inductor laying can be carried out, adapted to the inductive additional heat output that is required in some sections.This retrofit solution can be used to achieve the yield of existing SAGD fields.
  • the inductors are shown within the reservoir at the same depth and the change in distance is accomplished exclusively in the horizontal direction.
  • Laying the return conductor of an inductor can also take place at different depths if the resulting heat output distribution and / or the laying of the inductor lines becomes more favorable, for example due to lower drilling costs which may arise due to softer rock formations or other geological boundary conditions .
  • the heating power density can be homogenized by adjusting the inductor distance. An example is given in the table. Should
  • the inductor spacing must be 50 m in this example geometry. If the electrical conductivity in another section of the reservoir is only half, then the inductor distance is up
  • return conductors can advantageously be kept close together, if only low heating power densities are required there. So run forward and return conductors possibly through the steam chamber and the prevailing high temperatures (eg, 200 0 C) exposed, which can lead to premature aging of the inductor, thereby reducing the service life. This can be avoided if, as shown in Section VI, the area of the steam chamber is bypassed horizontally and / or vertically.
  • the vapor chamber grows faster than in the more upstream sections, since the vapor temperature near the point of introduction is the hottest and the vapor pressure is highest. This often leads to the formation of a large steam chamber. Therefore, it may make sense to do without an additional inductive heating there, also to avoid premature steam breakthroughs.
  • the oscillator can be moved forward, so that the inductor does not need to go through the steam chamber at the beginning. The same can be achieved if the inductor is guided downwards at a more obtuse angle if the oscillator is to continue to be installed near the injection and production tubes. It is advantageous that inductor length and associated drilling costs can be saved. Furthermore, the premature aging of the inductor in the region of the first steam chamber is avoided.
  • inductor arrangements are possible in which the loop is closed underground, which can be done with advanced drilling techniques.
  • the oscillator can be installed as shown in the end of the pipe pair or as in the previous figures in the vicinity of the beginning of the tube pairs (so-called Well-Heads).
  • the submerged conductor loop with recess in the steam chamber saves inductor length and thus costs.
  • FIG. 1 shows an oil sand deposit of several elementary areas with a plurality of conductor arrangements for inductive reservoir heating and a conveyor pipe
  • FIG. 2 shows a conductor arrangement for inductive reservoir heating with grounded inductors
  • FIG. 3 shows an arrangement according to FIG. 2 with sectionally different distances of the inductor lines
  • FIG. 4 shows the plan view of an inductor arrangement according to FIG. 3 with eight sections of different conductor spacings
  • FIG. 5 shows the schematic structure of a compensated inductor with distributed capacitances
  • FIG. 6 shows the cross section of a multifilament conductor with two filament groups
  • 7 shows a plan view of an arrangement with a large-scale steam chamber at the beginning section of the injection tube and an oscillator position displaced therefrom
  • FIG. 8 shows a plan view modified from FIG. 7 with oscillator position in the end region of the tube pair and the conductor loop closed underground;
  • FIG. 9 shows an arrangement for inductive reservoir heating with inductors running and grounded in opposite directions
  • FIG. 10 shows a detail of a two-dimensional inductor-oscillator array with electrode sections that have been merged in sections for the purpose of grounding.
  • Such elementary unit is arbitrarily repeatable in both horizontal directions of the seam.
  • FIG. 1 An underground oil sands deposit (seam) forms the reservoir, with elementary units 100 of a length 1, height h and thickness w being obtained one behind the other or next to each other. Above the reservoir 100 is an overburden layer 105 ("overburden”) of thickness s. Corresponding layers (“underburden”) are located under the reservoir 100, but are not marked in detail in FIG.
  • an injection pipe for introducing steam by means of which the viscosity of the bitumen or heavy oil is lowered, and a conveying or spraying production pipe available.
  • the production pipe is designated 102 in FIG. 1, while an injection pipe is not shown here and, if necessary, also superfluous.
  • the lines are designed as inductor lines 10, 20 in FIG.
  • the inductor lines 10, 20 are guided in the reservoir 100 at a predetermined distance ai substantially parallel and horizontal.
  • production tube 102 and inductor lines 10, 20 do not run in the same direction, but in particular form a right angle. Other angles, i. Orientations of inductor and production pipes exist. This allows for the geological boundary conditions.
  • Each of the repeating units 100 is assigned an oscillator unit 60, 60 ',...
  • an over-the-day RF power generator from which the electrical power is generated and fed via the forward and return conductors into the inductors.
  • the return and return conductors must be routed vertically through the overburden into the reservoir. If the distance a 2 of the forward and return conductors in the vertical range is as low as possible and al> a2 applies, no heating takes place and energy is saved.
  • return conductor can also be performed in a single bore, which there is the possibility of an even smaller distance.
  • the forward and return conductors can be stranded together or form a coaxial cable, which is branched in the reservoir.
  • FIGS. 1, 2 and 6 to 8 each show a coordinate system with the coordinates x, y and z, which facilitates the mining orientation.
  • the coordinate system can also have a different orientation.
  • an oscillator 60 which is used as a high-frequency generator for days, supplies electrical energy to the generator
  • Deposit 100 brought in.
  • a single vertical bore 12 is present in this case, which extends into the region of the reservoir 100 and there passes into two horizontal holes, which are not marked in detail.
  • a pair of conductors with a common electrical return conductor 5 is introduced, wherein the end-side ends of the forward and return conductors are connected to the oscillator 60 as an energy converter. The other ends extend to the reservoir 100.
  • a so-called Y-branch 25 is present.
  • the inductor lines 10 and 20 run horizontally in the reservoir 100 parallel in the reservoir 100 and into the region of the saline-injected region in which the conduits 10 and 20 are not insulated and act as electrical inducers. In particular in the area of the inductor lines 10, 20, the induction heating should thus be formed.
  • the combined return conductor pair may be formed, for example, as a coaxial line 5.
  • the environment of such a pair of conductors is completely field-free. This then allows the use of electrically conductive and magnetic materials for a sheathing of the forward / return pair or a border of the vertical bore 12 with steel pipes.
  • the formation of the Y-branch 25 is carried out in an electrically known manner, which is not discussed in detail in the present context.
  • the shielding of the oscillator 60 at the entry point can be made more compact. This proves to be advantageous for the so-called exposure area, in which no operating personnel may stay.
  • the actual production pipe is indicated by 102.
  • This is conventionally designed in accordance with the prior art such that the liquefied bitumen collects therein, whereafter it is sucked off in a known manner.
  • FIG. 2 Three areas are formed in FIG. 2:
  • the lines 10/20 from the oscillator 60 to the branch 25 form a first section A, in the reservoir 100 a second section B and in the end region a third section C.
  • different conductor arrangements can be selected in the individual sections A, B and C.
  • stranded conductors are used in the first section A.
  • insulated insulated conductors are used for the inductor leads, whereas in the third section C non-insulated conductor ends are present which form electrodes.
  • induction lines 10 and 20 guided in this case need not run parallel. Rather, they have different distances a lr which can be adapted to the conditions of the deposit. Depending on the geological conditions, they can have sections for an inductive interaction with each other and be kept very narrow there, so that their fields compensate each other.
  • the following table shows the inductance coverings of a double cable, ie the return conductor of the inductor. As mentioned, these vary depending on the distance a x between about 0.46 and 1.61 ⁇ H / m. The influence of different reservoir conductivities is very low.
  • the inductor as a whole represents a series connection of series resonant circuits.
  • a series circuit is formed by the line section having the resonance length L R. Ideally, therefore, all series circuits would be resonant at the same frequency. This would give the lowest possible voltages along the inductor. Sectionally varying distances, however, lead in the case of inductors of constant resonance length to partially incomplete compensation, which leads to increased demands on the dielectric strength of the dielectric between filament groups. Under certain circumstances, it may otherwise lead to breakdowns or even to the destruction of the inductor.
  • the relative change in resonant length is proportional to 1 / sqrt (inductivity coating). This means that the resonance length in the vertical sections inductor distance of z. B. 0.25 m is about twice as large as a nominal inductor distance of 100 m. Corresponding changes result, for example, at a resonant frequency of 100 kHz. Specifically, resonant frequencies between 1 and 500 kHz are considered suitable, with 10 kHz on the one hand and 100 kHz on the other.
  • FIG. 5 shows the schematic structure of the compensated conductors for the inductor lines with distributed capacitances
  • FIG. 6 shows the cross section along the line VI-VI.
  • the lines are formed of conductors 51 and 52, which form according to Figure 6 multifilament cables within an insulation 53.
  • the resonance length L R can be adapted to the sectionally changing spacing of the inductor lines.
  • a steam chamber 30, for example designed to be particularly large can be present at the beginning section of the injection pipe.
  • the oscillator position, ie the generator 60 for days move or even in the end of the conductor pair 10/20 to arrange.
  • the lines are closed in this case with an underground conductor loop 15, which may also be located directly behind the steam bubble.
  • FIGS. 7 and 8 show corresponding schemes as a plan view. From these two figures it is particularly clear that the inventive concept is also suitable for retrofitting existing bitumen or heavy oil conveying systems.
  • certain areas of ⁇ lsandla- ger Wun have already been exploited by the known SAGD method, which form in the already exploited areas usually large vapor bubbles.
  • SAGD method which form in the already exploited areas usually large vapor bubbles.
  • By means of a device having a "mobile" high-frequency generator 60 it is possible to displace and to shift the inductor arrangement away from the starting section of the injection / conveying tube device In this case, the inductor conductor loop is advantageously always closed underground
  • FIG. 9 shows an arrangement in which, according to FIG. 1, a vertical bore 12 is present approximately in the middle of the illustrated reservoir 100. At a local oscillator 60 there is again a pair of conductors 5 in the
  • the corresponding distribution of the heating power in this geometry was also calculated for this case by means of FEM (Finite Element Methods) and gave satisfactory boundary conditions. It is also possible with such a routing of the inductor lines, the non-insulated conductor ends out of the reservoir out in areas of higher electrical conductivity. For example, water-bearing strata can be found outside the reservoir, for example in the overburden or underburden.
  • FIG. 10 shows a modification of a system according to FIG. 1b with arrangements according to FIG. 9, in which a two-dimensional 200 is formed from individual inductors.
  • the inductors are shown with diverging lines one behind the other and in two rows next to each other.
  • Two deposits of oscillators 60, 60 ', 60 ", ... are present in each case over the deposit 100, of which pairs of conductors 5, 5', 5",... Are perpendicular through the overburden to the deposit 100 extend and branch off via corresponding rows of branches 25, 25 ', 25' ', ... in opposite directions.
  • each inductor pair is assigned its own generator from the group of the generators 60 1D shown in FIG.
  • the forward and return conductors of the inductor in the overburden are guided substantially vertically to the depth of the deposit and in comparison to the longitudinal extension of the lines have a low lateral distance a of at most 10 m, but in particular less than 5 m.
  • the inductor lines are in led the deposit horizontally and regions have different distances, whereby the power distribution is changeable. If the vertical outward and return conductors running vertically in the overburden are combined to form a line pair, the line pair can be introduced in a single bore which reaches down into the reservoir and can only be branched in the reservoir. In the overburden then no power losses.

Abstract

Beim bekannten SAGD-Verfahren ist eine in die Lagerstätte hineinragende Injektionsrohrleitung und ist wenigstens eine aus der Lagerstätte herausführende Produktionsrohrleitung vorhanden, die zur Verbesserung der Fließfähigkeit des Schwerstöl und/oder Bitumens im Reservoir beide bei Bedarf insbesondere mit Heißdampf beaufschlagbar sind. Es wurde bereits vorgeschlagen, den aktiven Bereich mit der Injektionsrohrleitung zusätzlich als Induktionsheizung bezüglich seiner Umgebung in der Lagerstätte auszubilden. Gemäß der Erfindung sind die Hin- und Rückleiter (5, 5') der Induktorleitungen (10, 20; 110, 120) im Deckgebirge (105) bis zur Tiefe der Lagerstätte (100) im Wesentlichen vertikal geführt und haben im Vergleich zur Längenausdehnung der Leitungen einen geringem lateralen Abstand (a) von höchstens 10 m, insbesondere aber weniger als 5 m. Vorzugsweise sind die Induktorleitungen (10, 20; 110, 120) in der Lagerstätte (100) horizontal geführt und haben bereichsweise unterschiedliche Abstände. Weiterhin wird vorgeschlagen, die im Deckgebirge (105) senkrecht verlaufenden elektrischen Hin- und Rückleiter (5, 5') vorzugsweise zu einem Leitungspaar (5) zusammenzufassen. Dadurch kann das Leitungspaar (5) in einer einzigen Bohrung (12), die bis in das Reservoir (100) hinabreicht, eingebracht und erst im Reservoir (100) verzweigt werden.

Description

Beschreibung
Anlage zur In-Situ-Gewinnung einer kohlenstoffhaltigen Substanz
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur In-Situ- Gewinnung einer kohlenstoffhaltigen Substanz aus einer unterirdischen Lagerstätte unter Herabsetzung von deren Viskosität. Eine solche Vorrichtung dient insbesondere zur Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus einem Reservoir unter einem Deckgebirge, wie es bei Ölschiefer und/oder Ölsandvorkommen beispielsweise in Kanada gegeben ist.
Zur Förderung von Schwerstölen oder Bitumen aus den bekannten Ölsand- oder Ölschiefervorkommen muss deren Fließfähigkeit erheblich erhöht werden. Dies kann durch Temperaturerhöhung des Vorkommens (Reservoirs) erreicht werden. Wird dazu eine induktive Heizung verwendet, tritt das Problem auf, dass die elektrischen Hin- und Rückleiter zur Speisung der in das Re- servoir eingebrachten Induktoren, unbeabsichtigt auch das
Deckgebirge heizen. Die damit im Deckgebirge deponierte Heizleistung stellt Verluste auf Kosten der Reservoir-Heizung dar, die es zu vermeiden gilt.
Die Erhöhung der Fließfähigkeit kann zum einen durch Einbringen von Lösungs- bzw. Verdünnungsmitteln und/oder zum anderen durch Aufheizen bzw. Aufschmelzen des Schwerstöl oder Bitumens erfolgen, wozu mittels Rohrsystemen, welche durch Bohrungen eingebracht werden, eine Beheizung erfolgt.
Das am weitesten verbreitete und angewendete In-Situ-Verfah- ren zur Förderung von Bitumen oder Schwerstöl ist das SAGD (S_team Assisted Gravity .Drainage) -Verfahren . Dabei wird Wasserdampf, dem Lösungsmittel zugesetzt sein können, unter hohem Druck durch ein innerhalb des Flözes horizontal verlaufendes Rohr eingepresst. Das aufgeheizte, geschmolzene und vom Sand oder Gestein abgelöste Bitumen oder Schwerstöl sickert zu einem zweiten etwa 5 m tiefer gelegenem Rohr, durch das die Förderung des verflüssigten Bitumens oder Schwerstöl erfolgt, wobei der Abstand von Injektor und Produktionsrohr abhängig von Reservoirgeometrie ist.
Der Wasserdampf hat dabei mehrere Aufgaben gleichzeitig zu erfüllen, nämlich die Einbringung der Heizenergie zur Verflüssigung, das Ablösen vom Sand sowie den Druckaufbau im Reservoir, um einerseits das Reservoir geomechanisch für Bitumentransport durchlässig zu machen (Permeabilität) und ande- rerseits die Förderung des Bitumens ohne zusätzliche Pumpen zu ermöglichen.
Das SAGD-Verfahren startet, indem für typischerweise drei Monate durch beide Rohre Dampf eingebracht wird, um zunächst möglichst schnell das Bitumen im Raum zwischen den Rohren zu verflüssigen. Danach erfolgt die Dampfeinbringung nur noch durch das obere Rohr und die Förderung durch das untere Rohr kann beginnen.
In der nichtvorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
AZ. 10 2007 008 292.6 mit älterem Zeitrang wird bereits angegeben, dass das dazu üblicherweise verwendete SAGD-Verfahren mit einer induktiven Heizvorrichtung komplettiert werden kann. Des Weiteren wird in der nichtvorveröffentlichten deut- sehen Patentanmeldung AZ. 10 2007 036 832.3 mit älterem Zeitrang eine Vorrichtung vorbeschrieben, bei der in Fig. 5 parallel verlaufende Induktoren- bzw. Elektroden-Anordnungen vorhanden sind, die oberirdisch an den Oszillator bzw. Umrichter angeschlossen sind.
Bei den älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen AZ. 10 2007 008 292.6 und AZ. 10 2007 036 832.3 wird also vorgeschlagen, den Dampfeintrag mit einer induktiven Beheizung der Lagerstätte zu überlagern. Dabei kann gege- benenfalls weiter zusätzlich auch noch eine resistive Beheizung zwischen zwei Elektroden erfolgen. Bei den vorbeschriebenen Einrichtungen muss immer die elektrische Energie über einen elektrischen Hinleiter und einen elektrischen Rückleiter geführt werden. Dazu ist ein nicht unerheblicher Aufwand notwendig.
Bei den älteren Patentanmeldungen werden einzelne Induktorpaare aus Hin- und Rückleiter oder Gruppen von Induktorpaaren in verschiedenen geometrischen Konfigurationen bestromt, um das Reservoir induktiv zu erhitzen. Dabei wird innerhalb des Reservoirs von einem konstanten Abstand der Induktoren ausgegangen, was bei homogener elektrischer Leitfähigkeitsverteilung zu einer konstanten Heizleistung entlang der Induktoren führt. Beschrieben sind die räumlich eng beieinander geführten Hin- und Rückleiter in den Abschnitten, in denen das Deckgebirge („Overburden") durchstoßen wird, um dort die Verluste zu minimieren.
Eine Variation der Heizleistung entlang der Induktoren kann, wie in den älteren nicht vorveröffentlichten Anmeldungen be- schrieben, speziell durch abschnittsweise Injektion von
Elektrolyten erfolgen, womit die Impedanz verändert wird. Dies setzt entsprechend Elektrolytinjektionsvorrichtungen voraus, die aufwendig in die Induktoren zu integrieren sind oder zusätzliche kostspielige Bohrungen erfordern.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, die vorbeschriebene Einrichtung für eine induktive Beheizung zu optimieren und hinsichtlich des Energieeintrages zu vereinfachen. Daneben soll der Leistungsverbrauch selbst minimiert werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Gegenstand der Erfindung ist eine induktionsbeheizte Anlage, bei der die Hin- und Rückleiter für die Induktorleitungen im Wesentlichen vertikal geführt sind und einen geringen lateralen Abstand von höchstens 10 m haben. Vorzugsweise ist der Abstand aber geringer als 5 m. Dafür können im Deckgefüge parallele Bohrungen in diesem Abstand vorhanden sein, so dass hierzu Rückleiter einzeln geführt werden. Vorteilhafterweise ist es möglich, von einem einzigen Bohrloch auszugehen, in dem Hin- und Rückleiter gemeinsam geführt werden. Dies hat den Vorteil, dass im vertikal geführten Bereich praktisch keine elektrische Leistung verbraucht wird, da sich bei den nahe zusammengeführten Leitern die elektromagnetischen Wirkungen kompensieren.
Bei der Erfindung können also Hin- und Rückleiter der Induktionsleiter separate, lateral nebeneinander geführte Leitungen sein. Sie können auch miteinander verseilte Leitungen und insbesondere auch Koaxialleitungen bilden. Insbesondere derartige Koaxialleitungen können in einem eng daran angepassten Bohrloch geführt werden.
Insbesondere bei letzterer Ausbildung ist am Ende der zusammengeführten Leitungen eine Verzweigung (sog. Y-Junction) vorhanden. Die davon abgehenden, horizontal geführten Induk- torleitungen können in gleiche, aber auch in entgegengesetzte Richtungen verlaufen.
In erfinderischer Weiterbildung können die in der Lagerstätte horizontal verlaufenden Induktorleitungen bereichsweise un- terschiedliche Abstände haben. Insbesondere können dadurch
Verluste vermieden werden, indem in Bereichen, in denen keine induktive Heizung notwendig und/oder erwünscht ist, die Leitungen wiederum eng parallel geführt werden, so dass keine unnötige Heizleistung verbraucht wird. Bei der Erfindung ergeben sich unterschiedlichste Merkmalskombinationen bzw. Möglichkeiten einer erfinderischen Weiterbildung. Die wesentlichen Weiterbildungen sind nachfolgend im Einzelnen aufgeführt:
1. Die in einem Leitungspaar zusammengefassten senkrecht verlaufenden Hin- und Rückleiter lassen sich - wie bereits erwähnt - vorteilhafterweise in eine einzige Bohrung, die bis ins Reservoir hinabreicht, einbringen, um erst im Reservoir zu verzweigen ( , Y-Junction' ) . Dabei kann das Hin-/Rück- leiterpaar verseilt oder koaxial ausgeführt sein und einzeln oder zusammen - in einer zusammenhängenden Isolation - isoliert sein. Die Verwendung eines einzigen Bohrlochs, das ins Reservoir hinabreicht, ist auch für mehrer Hin-/Rückleiter- paare möglich.
Daneben ist mit der Erfindung eine spezialisierte, auf den jeweiligen Abschnitt optimierte Ausführung der Leiteranordnung möglich. Dabei kann ein erster Abschnitt - vom Oszilla- tor bis zur Verzweigung - beispielsweise durch HF-Litzenleiter besonders verlustarm ausgeführt werden, bei evtl. verringerter Anforderung an die Temperaturbeständigkeit. Ein zweiter Abschnitt wird durch den als Induktor wirksamen einzeln isolierten Leiter gebildet. Dabei sind erhöhte mechani- sehe Anforderungen zur Installation und erhöhte thermische Anforderung zum Betrieb zu berücksichtigen, während geringe ohmsche Leiterverluste nachrangig sind. Ein dritter Abschnitt wird durch die Elektrode gebildet, einem nichtisolierten Leiterende, das aufgrund seiner Länge und z. B. mittels umgeben- den Salzwassers einen geringen Übergangswiderstand zum Reservoir aufweist. Derartige Maßnahmen (, Saline injeeted regions at non-isolated tips' ) sind bekannt und stellen damit eine niederohmige Erdung dar. Um die Aufsummierung des induktiven Spannungsabfalls entlang der gesamten Leiterlänge zu verhindern, wird auch hier vorteilhafterweise ein kompensierter Leiter mit einem resonanten Leitersystem und einem Serienresonanzkreis - wie in den oben angegeben älteren Patentanmeldungen beschrieben ist -verwendet .
Die Verwendung kompensierter Leiter ist im Abschnitt der im Reservoir geführten Induktorenleitungen aufgrund seiner Länge und des meist großen Abstands (> 5 m) zwischen den Induktoren zwingend notwendig. In den Abschnitten I und III kann u. U. auf kompensierte Leiter verzichtet werden, wenn die Abschnitte kurz (< 20 m) sind bzw. der Abstand zwischen Hin- und Rückleiter sehr gering (< 0,5 m) ist. Sehr geringer Abstand, und damit verbunden geringe Induktivitätsbelag des Leitungsabschnitt liegt insbesondere bei verseilten oder koaxialen Hin- und Rückleitern vor.
2. Bei der Erfindung werden Leistungsgeneratoren benötigt. Eine günstige Ausführungsform von Leistungsgeneratoren in dem betrachteten Frequenzbereich sind Stromrichter - wie in oben erwähnten deutschen Patentanmeldung AZ 10 2007 008 292.6 im Einzelnen beschrieben ist. Stromrichter liefern neben der Leistung bei der Grundfrequenz (Schaltfrequenz) erhebliche Anteile höhere Harmonischer, d.h. Leistung bei ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz. Im Rahmen vorliegender Erfindung wird in einer spezifischen Weiterbildung vorgeschlagen, mehre benachbarte Hin-/Rückleiterpaare, die überwiegend bei der Grundfrequenz resonant sind, und einige, die bei Harmoni- sehen resonant sind, parallel an einem oder einer Gruppe von Umrichtern zu betreiben, so dass die Leistung der Umrichter auch bei den höheren Harmonischen genutzt wird. Wegen der unmittelbaren Nähe der Einspeisepunkte sind dazu besonders die multi-lateralen Bohrungen geeignet. 3. Wesentlich sind bei der Erfindung die Zuordnung und Ausbildung der Induktorleitungen. Der einzelne kompensierte Induktor besteht aus abschnittsweise sich wiederholenden, kapazitiv verkoppelten Leitergruppen, deren Induktivitäts- und Kapazitätsbeläge sowie Länge die Resonanzfrequenz festlegt. Im vorliegenden Zusammenhang werden solche Leiterquerschnittskonfigurationen vorgeschlagen, deren Stromdichteverteilungen auf beiden Leitern rotationssymmetrisch oder annähernd rotationssymmetrisch zur Induktorachse sind. Dies ist bereits Gegenstand der älteren nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin AZ 10 2008 012895.4.
4. Alternativ können die beiden endseitig geerdeten Induktoren in unterschiedliche, beispielsweise entgegen gesetzte Richtungen auseinanderstreben. Weiterhin wird vorgeschlagen, die Induktoranordnung periodisch in x-Richtung und/oder periodisch in y-Richtung fortzusetzen. In spezifischer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Stromamplituden und Phasenlage benachbarter Generatoren einstellbar zu ma- chen, wozu ein Array aus Induktorleitungen und Generatoren geeignet ist.
5. Das Array von Induktoren entsprechend Pkt. 4 ist geeignet, das Reservoir großräumig zu beheizen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, mehrere Injektions- und Produktionsröhren senkrecht zur Orientierung (und unterhalb) der Induktoren anzuordnen. Demzufolge brauchen die Induktoren nicht wie bisher meist beschrieben parallel zu den Produktions- und Injektionsrohren verlaufen, sondern unter einem Winkel, im speziel- len senkrecht zum Produktionsrohr orientiert - d.h. in Querrichtung. Dies erlaubt eine Variation de Heizleistung entlang der Produktionsrohre und insbesondere einen frühzeitigen Förderbeginn, da an den Kreuzungspunkten von Induktoren und Produktionsrohren der Abstand zwischen diesen sehr gering ist. Dabei ist die senkrechte Orientierung nur der Spezialfall.
Dieselben Vorteile ergeben sich bereits auch unter kleineren Winkel zwischen Induktoren und Produktionsrohren. 6. Wenn eine Kühlung der Induktoren mittels z. B. Salzwasser nicht erforderlich ist, kann Salzwasser alternativ mittels senkrechter Bohrungen an die zu erdenden Induktorenden, d.h. Elektrodenabschnitte, eingebracht werden. Weiterhin können Kühlmedium und Elektrolyt (Salzwasser) unterschiedliche Flüssigkeiten sein. Das Kühlmedium kann im Induktor zirkulieren (z. B. koaxial verlaufende Hin- und Rückleitungen für das Kühlmedium) und in einem geschlossenen Kühlkreis mit Wärmetauscher umgewälzt werden. Hierzu wird nochmals auf die älte- re Anmeldung AZ 10 2007 008 292.6 verwiesen.
7. Die Salzwasserinjektion zur besseren Erdung einer Zeile eines Induktor-Arrays entsprechend Pkt.6 kann alternativ mittels eines stellenweise geschlitzten Rohres, das durch eine Horizontalbohrung eingebracht wird und senkrecht zu den Induktoren orientiert ist, für mehrere Induktoren gemeinsam erfolgen .
Alternativ können im Rahmen der Erfindung die Elektroden- Abschnitte auch in wasserführende Schichten außerhalb des Reservoirs (oberhalb oder unterhalb) geführt werden, um eine elektrisch gut leitenden Verbindung zum umliegenden Erdreich zu realisieren, was mit geringerem apparativen Aufwand möglich ist. Vielfach sind wasserführende Schichten in Over- und/oder Underburden enthalten.
In erfinderischer Weiterbildung wird weiterhin vorgeschlagen, den Abstand von Hin- und Rückleiter eines kapazitiv kompensierten Induktors innerhalb des Reservoirs abschnittsweise zu variieren. Die Abstandsänderung verursacht abschnittsweise unterschiedliche Induktivitätsbeläge der Doppelleitung. Es wird vorgeschlagen, die Variation des Induktivitätsbelages durch angepasste Resonanzlängen und/oder durch angepasste Kapazitätsbeläge, beispielweise durch unterschiedliche Dielek- trikumsdicken, bei konstanten Resonanzlängen auszugleichen. Es ist auch möglich, die Variation des Induktivitätsbelages durch eine Kombination aus Kapazitätsbelagsänderung und Anpassung der Resonanzlängen auszugleichen. Die Verlegung von abstandoptimierten Induktoren im Reservoir kann nunmehr angepasst an die geologischen Gegebenheiten im Reservoir bereits zu Beginn der Förderung erfolgen. Sie kann gegebenenfalls als Nachrüstung für bestehende bereits fördernde Produktions- und Dampfinjektionsrohrpaare erfolgen.
Die Verlegung eines abstandsoptimierten Induktors kann auch zusätzlich zu bereits vorhandenen Induktoren erfolgen. Dabei kann eine elektrische Verschaltung mit Hin- oder Rückleitern früher verlegter Induktoren erfolgen, wobei der Betrieb bei der Serienresonanz durch Frequenzanpassung am Generator/Umrichter erfolgen kann. Die Abstandsvariation kann in vertikaler und/oder horizontaler Richtung erfolgen, womit eine An- passung der Heizleistungsverteilung an die Reservoirgeometrie möglich ist.
Mit letzterer erfinderischer Weiterbildung ergibt sich vorteilhafterweise eine Homogenisierung der Heizleistung entlang der Induktoren für abschnittsweise unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten durch Abstandsanpassung. Dabei kann eine Induktorverlegung derart erfolgen, dass groß ausgebildeten Dampfkammern horizontal und/oder vertikal ausgewichen wird.
Durch die angegebene erfinderische Weiterbildung ist eine
Vermeidung der Durchdringung der vielfach am Anfang des Injektionsrohres ausgebildeten Dampfkammer durch nach vorne verlagertem bzw. und/oder unter einem stumpferen Winkel als 90° nach unten verlaufenden Induktors möglich. Gegebenenfalls kann dabei die Installation des Oszillators im Endbereich des Injektions- und Produktionsrohrpaares erfolgen.
Die neue Anlage hat gegenüber den vom Stand der Technik vorbekannten und auch gegenüber den in den altern, nicht vorver- öffentlichten Patentanmeldungen vorbeschriebenen Anlagen bzw. Vorrichtungen erhebliche Vorteile. Diese sind im Einzelnen: Zu 1 : Die Magnetfelder der in geringem Abstand geführten entgegensetzt bestromten Hin- und Rückleiter kompensieren sich nahezu vollständig, so dass bereits in unmittelbarer Umgebung im Deckgebirge ( , Overburden' ) nur noch kleine Wirbelströme induziert werden und damit die Verlustleistung drastisch reduziert wird. Dabei ist die koaxiale Ausführung von Hin- und Rückleiter aus Verlustleistungssicht ideal, erfordert jedoch erhöhten Aufwand an der Verzweigung. Bei der koaxialen Anordnung ist die Umgebung vollständig feldfrei. Dies erlaubt ins- besondere auch die Verwendung von elektrisch leitfähigen und magnetischen Werkstoffen (Stahl) für eine Umhüllung des Hin- /Rückleiterpaares bzw. einer Auskleidung der Bohrung mit Stahlrohren im Abschnitt des Leiterpaares. Weiterhin wird eine Bohrung eingespart. Weiterhin wird die Abstrahlung elek- tromagnetische Wellen erheblich reduziert und die Schirmung des Oszillators am Einspeisepunkt kompakter bzw. erleichtert, was den Expositionsbereich, in dem sich kein Betriebspersonal aufhalten darf, verkleinert.
Zu 2 : Es ergibt sich eine beachtliche Einsparung an Bohrungen unter Beibehaltung des unter Pkt. 1 angegebenen Vorteils. Die dazu benötigte Bohrtechnik ist zwischenzeitlich entwickelt und als , multi-lateral drilling' bekannt. Weiterhin kann ein Oszillator aufgrund der räumlichen Nähe wechselweise an ver- schiedenen Induktoren betrieben werden, bzw. mehrere Oszillatoren zeitweise, z. B. in während der Vorheizphase, auf einen Induktor zusammengeschaltet werden. Wiederum verringert sich der Schirmungsaufwand, wenn mehrer Oszillatoren in einer Schirmkabine betreiben werden können.
Zu 3: Die Erdung der Leiterenden führt zum elektrischen Schließen der Leiterschleife, ohne dass eine direkte elektrische Verbindung der Leiterenden notwendig wird. Damit erfordert die Leiterkonfiguration keine besonderen Bohrtechniken, sondern kommt mit den vorhandenen Standardbohrtechniken aus. Der isolierte Induktor-Abschnitt hält den Strom im Leiter und verhindert den vorzeitigen Kurzschluss über das Reservoir, was eine gleichmäßige Verlustverteilung entlang des Induktors ermöglicht. Man kann die Verlustverteilung, die mittels 3d-EM Simulation ermittelbar ist, in der Ebene auf Tiefe des Induktors darstellen. In einem konkreten Beispiel (10 kHz, 707 A rms) verteilen sich die ins Erdreich eingebrachten Verluste wie folgt: 0,3 % beim Hin-/Rückleiterpaar (Abschnitt A), 96,5 % beim Induktor (Abschnitt B) und 3,2 % um die Leiterenden (Abschnitt C) .
Zu 4 : Damit werden Wellenlängeneffekte vermieden, die sonst zu Stromvariationen entlang der Leiter und damit zu entsprechender Variation der Verlustleistungsdichte führen würden.
Zu 5: Die Leistung in den höheren Harmonischen der Umrichter- generatoren kann zur Reservoirheizung genutzt werden, die anderenfalls als Verluste im Umrichter anfallen würden und diesen sogar zerstören könnten.
Zu 6: Die rotationssymmetrische Stromverteilung liefert, für den Fall, dass in einem gewissen Radius um die Induktorachse kein Stromdichte vorliegt, ein feldfreies Induktorinneres, das zur Hindurchleitung des Salzwassers oder zur mechanischen Verstärkung des Induktors durch z. B. ein Stahlseil genutzt werden kann, ohne dass dabei im Salzwasser bzw. Stahlseil Wirbelstromverluste auftreten, d.h. ohne dass eine weitere Erwärmung des Induktors auftritt.
Zu 7 : Bei auseinander strebenden Induktoren wie auch bei Fortsetzung in x-Richtung und parallel verlaufenden Injekti- ons- und Produktionsröhren braucht die Induktorlänge nur einen Bruchteil der Länge der Röhren zu haben, was bei Herstellung, Installation (max. Einbringlänge ist von Steifigkeit des Induktors abhängig und evtl. geringer als von Röhren) und Betrieb (Herabsetzung der Spannungsanforderungen an die Gene- ratoren und Herabsetzung der Druckanforderungen zur Salzwasserinjektion) vorteilhaft ist. Die Einstellbarkeit der Pha- Senlage der Generatoren relativ zueinander erlaubt die Beeinflussung der Rückströme durch das Reservoir und damit der Verlustleistungsdichteverteilung im Reservoir.
Zu 8 : Die von den Induktoren induzierten elektrischen Felder verlaufen parallel zu diesen und damit bei der vorgeschlagenen Orientierung senkrecht zu den Injektions- und Produktionsröhren. Damit kann eine weitgehende induktive Entkopplung von Induktoren und Röhren erreicht werden, womit Spannungen auf den Röhren, Wirbelstromheizung in der unmittelbaren Umgebung der Röhren sowie die Beeinflussung bzw. Störung von elektrischer Ausstattung (wie Sensoren) in/an den Röhren verhindert oder zumindest stark vermindert werden.
Zu 9 : Die Herstellung und die Betriebssicherheit der Induktoren werden vereinfacht, wenn keine Vorrichtung zur Salzwasserleitung vorgesehen werden muss. Andererseits verringert sich die Zahl der zusätzlichen (senkrechten) Bohrungen, die zur Injektion des Salzwassers benötigt wird, wenn die Elek- trodenabschnitte dicht zusammengeführt werden.
Zu 10: Die vorzugsweise erfolgende Zusammenfassung von elektrischem Hin- und Rückleiter und Einbringen in eine Bohrung spart in der Praxis erhebliche Bohrkosten.
Es kann eine abschnittsweise angepasste Heizleistungsstärke erzeugen werden. In den vorwiegend vertikalen Abschnitten sind Hin- und Rückleiter eng beieinander geführt. Damit können sehr geringe induktive Heizleistungen in der umgebenden Deckschicht ( , Overburden' ) von beispielsweise nur 2,5 W/m
(Fig. 5: Tabelle Zeile 1, Distance 0,25 m) erhalten werden, was wünschenswert ist, da Heizung des Deckschicht nicht beabsichtigt ist. In den Abschnitten 2 bis 7 werden die Hin- und Rückleiter mit verschiedenen Abständen geführt, womit die Heizleistungsstärke an den jeweiligen Abschnitt angepasst werden kann. Je größer der Abstand desto höher der Heizleistung pro Länge. In Tabelle (Fig. 5) sind Heizleistungen für ein typisches Reservoir für unterschiedliche Abstände von Hin- und Rückleiter gelistet, die sich bei Bestromung mit 825 A (peak) @ 20 kHz ergeben. Die heutige Bohrtechnik erlaubt die Abstände bis auf 5m zu reduzieren, womit sich eine Variation der Heizleistung in dem betrachteten Reservoir um den Faktor 80 erzielen lässt (111 W/m mit 5 m Abstand, 8874 W/m mit 100 m Abstand) bei gleicher Bestromung der Abschnitte, was aufgrund der Reihenschaltung zwingend ist. Damit ist eine auf geologischen und fördertechnischen Gegeben- heiten des Reservoirs abschnittsweise angepasste Heizleistungseinbringung möglich.
In der Tabelle weiter unten sind die Induktivitätsbeläge einer Doppelleitung aus Hin- und Rückleiter des Induktors ange- geben. Diese variieren in Abhängigkeit vom Abstand. Dabei ist der Einfluss unterschiedlicher Reservoir-Leitfähigkeiten sehr gering. Der Induktor als ganzes stellt eine Serienschaltung von Serienresonanzkreisen dar. Ein Serienkreis wird durch den Leitungsabschnitt mit der Resonanzlänge gebildet. Idealerwei- se sind alle Serienkreise bei derselben Frequenz resonant.
Damit werden die geringsten Spannungen entlang des Induktors erhalten. Abschnittsweise variierte Abstände führen bei Induktoren konstanter Resonanzlänge zu abschnittsweise unvollständiger Kompensation, was mit erhöhte Anforderungen an die Spannungsfestigkeit des Dielektrikum zwischen Filamentgruppen führt, was schlimmstenfalls zu Durchschlägen und Zerstörung des Induktors führen kann. Abhilfe ist zu schaffen, indem die Resonanzlänge und damit die Kapazität dieses Abschnittes an den dort vorliegenden Induktivitätsbelag angepasst werden.
Bei der Erfindung kann der Kapazitätsbelag vorteilhafterweise leicht an den jeweiligen Induktivitätsbelag angepasst werden, womit ohne Änderung der Resonanzlänge wiederum abschnittsweise dieselbe Resonanzfrequenz eingestellt werden kann. Auch mit einer Kombination von letzterer Maßnahme kann das Ziel minimaler Spannungsanforderung abschnittsweise erreicht werden . Wenn die geologischen Gegebenheiten im Reservoir gut bekannt sind, kann darauf abgestimmt die Induktorverlegung mit abschnittsweise an den Heizleistungsbedarf angepassten Abständen erfolgen. Dies kann praktisch zeitgleich mit der Einbrin- gung der Dampfinjektions- und Produktions-Rohre für SAGD erfolgen, so dass die induktive Heizung bereits für die Vorheizphase zur Verfügung steht.
Vorteilhaft kann auch folgende Vorgehensweise sein: Der SAGD- Prozess wird zunächst einige Monate bis Jahre ohne EM-Unterstützung gefahren. Die Dampfkammern sind bereits ausgebildet. Variationen der Dampfkammerausdehnung entlang der Dampfinjektions- und Produktions-Rohre sind im Allgemeinen unerwünscht, da sie zu einem vorzeigen Dampfdurchbruch in einzelnen Ab- schnitten führen können („Steam breakthrough region") . Ist ein solcher Dampfdurchbruch erfolgt, kann und Umständen das in den übrigen Abschnitten des Reservoirs noch befindliche Bitumen nicht mehr wirtschaftlich (Steam to OiI Ratio (SOR) < 3) gefördert werden, womit große finanzielle Verluste verbunden sein können. Solche Verluste können vermieden werden, wenn lange bevor ein Dampfdurchbruch erfolgt, die induktive Heizung zur Regulation der Dampfkammerausdehnung genutzt wird. Dazu kann angepasst auf die abschnittsweise erforderliche induktive Zusatzheizleistung die abstandsoptimierte In- duktorverlegung erfolgen. Mit dieser Nachrüstlösung kann die Ausbeute bestehender SAGD-Felder erfolgen.
Bei den konkreten Ausführungsbeispielen mit den zugehörigen Figuren weiter unten sind die Induktoren innerhalb des Reser- voirs in derselben Tiefe dargestellt und die Abstandsänderung wird ausschließlich in horizontaler Richtung bewerkstelligt. Eine Verlegung von Hin- und Rückleiter eines Induktors kann auch in unterschiedlichen Tiefen erfolgen, wenn die damit erzielte Heizleistungsverteilung und/oder die Verlegung der In- duktorleitungen damit günstiger werden, beispielsweise aufgrund geringerer Bohrkosten, die sich wegen weicheren Gesteinsformationen oder anderer geologischer Randbedingungen ergeben können. Liegen abschnittsweise unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten im Reservoir vor, so kann die Heizleistungsdichte homogenisiert werden, indem der Induktorabstand angepasst wird. In Tabelle ist dazu ein Beispiel angegeben. Sollen
4 kW/m in einem Reservoir-Abschnitt mit spezifischem Widerstand von 555 Ohm*m eingebracht werden, hat bei dieser Beispielgeometrie der Induktorabstand 50 m zu betragen. Beträgt die elektrische Leitfähigkeit in einem anderen Abschnitt des Reservoirs nur die Hälfte, so ist der Induktorabstand auf
67 m zu erhöhen, um wiederum 4 kW/m Heizleistung einzubringen .
In bestimmten Sektionen können Hin- und Rückleiter vorteil- hafterweise eng beieinander geführt werden, wenn dort nur geringer Heizleistungsdichten erforderlich sind. Damit verlaufen Hin- und Rückleiter eventuell durch die Dampfkammer und sind den dort herrschenden hohen Temperaturen (beispielsweise 2000C) ausgesetzt, was zu vorzeitigen Alterung des Induktors und damit zur Verringerung der Lebensdauer führen kann. Dies kann vermieden werden, wenn wie in Sektion VI dargestellt, der Bereich der Dampfkammer horizontal und/oder vertikal umgangen wird.
Vielfach wächst beim SAGD-Verfahren am Begin des horizontalen Abschnitts die Dampfkammer schneller als in den weiter vorne liegenden Abschnitten, da die Dampftemperatur nahe des Einleitungspunkts, am heißesten ist und der Dampfdruck am höchsten ist. Das führt vielfach zur Ausbildung einer großen Dampfkammer. Daher kann es sinnvoll sein dort auf eine zusätzliche induktive Heizung zu verzichten, auch um vorzeitige Dampfdurchbrüche zu vermeiden. Dazu kann der Oszillator nach vorne verlagert werden, so dass der Induktor die Dampfkammer am Beginn nicht zu durchlaufen braucht. Gleiches kann erreicht werden, wenn der Induktor unter einem stumpferen Winkel nach unten geführt wird, wenn der Oszillator weiterhin nahe der Injektions- und Produktionsrohre installiert werden soll. Vorteilhaft ist, dass Induktorlänge und damit verbundene Bohrkosten eingespart werden können. Weiterhin wird die vorzeitige Alterung des Induktors im Bereich der ersten Dampfkammer vermieden.
Bei der Erfindung sind Induktoranordnungen möglich, bei der die Schleife unterirdisch geschlossen ist, was mit weiterentwickelten Bohrtechniken erfolgen kann. Der Oszillator kann dabei wie dargestellt im Endbereich des Rohrpaares installiert werden oder wie in den vorigen Figuren in der Nähe des Anfang der Rohrpaare (sog. Well-Heads) . Die unterirdisch ge- schlössen Leiterschleife mit Aussparung der Dampfkammer spart Induktorlänge und damit Kosten.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen .
Es zeigen jeweils in schematischer und teilweise perspektivischer Darstellung
Figur 1 eine Ölsand-Lagerstätte aus mehreren Elementarbereichen mit mehreren Leiteranordnungen zur induktiven Reservoir-Heizung und einem Förderrohr,
Figur 2 eine Leiteranordnung zur induktiven Reservoir-Heizung mit geerdeten Induktoren,
Figur 3 eine Anordnung entsprechend Figur 2 mit abschnittsweise verschiedenen Abständen der Induktorleitungen, Figur 4 die Aufsicht einer Induktoranordnung gemäß Figur 3 mit acht Sektionen unterschiedlicher Leiterabstände, Figur 5 den schematischen Aufbau eines kompensierten Induktors mit verteilten Kapazitäten,
Figur 6 den Querschnitt eines Multifilamentleiters mit zwei FiIamentgruppen, Figur 7 eine Aufsicht auf eine Anordnung mit einer groß ausgebildeten Dampfkammer am Anfangsabschnitt des Injektionsrohres und einer davon verlagerten Oszillatorposition, Figur 8 eine von Figur 7 abgewandelte Aufsicht mit Oszillatorposition im Endbereich des Rohrpaares und unterirdisch geschlossener Leiterschleife,
Figur 9 eine Anordnung zur induktiven Reservoir-Heizung mit in entgegen gesetzten Richtungen verlaufenden und ge- erdeten Induktoren und
Figur 10 einen Ausschnitt aus einem zweidimensionalen Induk- tor-Oszillator-Array mit abschnittsweise zusammengeführten Elektrodenabschnitten zwecks Erdung.
Bei den einzelnen Figuren haben gleiche Elemente gleiche bzw. sich entsprechende Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.
In den dreidimensionalen Darstellungen eines Flözes mit Ölre- servoir entsprechend den Figuren 1 bis 3 sowie 6, 9 und 10 bedeutet 100 jeweils eine Elementareinheit des Reservoirs, das jeweils für die Einzelbeschreibungen der weiteren Figuren betrachtet wird. Eine solche Elementareinheit ist in beide horizontale Richtungen des Flözes beliebig wiederholbar.
Letzteres geht beispielsweise aus der Figur 1 hervor: Ein unter Tage liegendes Ölsand-Vorkommen (Flöz) bildet das Reservoir, wobei sich hintereinander bzw. nebeneinander sich Elementareinheiten 100 einer Länge 1, Höhe h und Dicke w erge- ben. Über dem Reservoir 100 befindet sich eine Deckgebirgs- schicht 105 („Overburden") mit Dicke s. Entsprechende Schichten ( „Underburden") befinden sich unter dem Reservoir 100, sind aber in Figur 1 nicht im Einzelnen gekennzeichnet.
Beim bekannten SAGD-Verfahren sind auf dem Grund des Reservoirs 100 im Wesentlichen übereinander ein Injektionsrohr zum Einbringen von Dampf, durch den die Viskosität des Bitumens oder Schwerstöls erniedrigt wird, und ein Förder- bzw. Pro- duktionsrohr vorhanden. Das Produktionsrohr ist in Figur 1 mit 102 bezeichnet, während ein Injektionsrohr hier nicht dargestellt und gegebenenfalls auch überflüssig ist. Bereits vorgeschlagen wurde, zur elektrischen Beheizung des Reser- voirs 100 Leitungen und/oder Elektroden vorzusehen. Speziell zur induktiven Beheizung sind in Figur 1 die Leitungen als Induktorleitungen 10, 20 ausgeführt. Die Induktorleitungen 10, 20 sind im Reservoir 100 im vorgegebenen Abstand ai im Wesentlichen parallel und horizontal geführt.
Wesentlich ist in Figur 1 dass Produktionsrohr 102 und Induktorleitungen 10, 20 nicht in gleiche Richtung verlaufen, sondern insbesondere einen rechten Winkel bilden. Es können auch andere Winkel, d.h. Orientierungen von Induktorleitungen und Produktionsrohren, vorliegen. Damit lässt den geologischen Randbedingungen Rechnung tragen.
Den sich wiederholenden Einheiten 100 ist jeweils ein Oszillatoreinheit 60, 60', ... als HF-Leistungsgenerator über Tage zugeordnet, von denen die elektrische Leistung erzeugt wird und über Hin- und Rückleiter in die Induktoren eingespeist wird. Dazu müssen Hin- und Rückleiter durch das Deckgebirge senkrecht in das Reservoir geführt werden. Sofern der Abstand a2 von Hin- und Rückleiter im vertikalen Bereich möglichst gering ist und al > a2 gilt, erfolgt keine Beheizung und es wird Energie eingespart.
In Figur 1 sind dafür zwei Bohrungen 12, 12' vorhanden, die einen Abstand von weniger als 10 m haben. Dies ist gering im Vergleich zu den Dimensionen des Reservoirs und insbesondere der Länge der Induktorleitungen 10, 20. In der einen Bohrung wird der Hinleiter und in der anderen Bohrung der Rückleiter geführt, wobei im Reservoir beim Übergang zu den Induktorleitungen eine Aufweitung auf einen mehrfachen Abstand vorgenom- men wird.
Statt in separaten parallelen Bohrungen können Hin- und Rückleiter auch in einer einzigen Bohrung geführt werden, womit sich die Möglichkeit eines noch geringeren Abstandes ergibt. In einem einzigen Bohrloch können die Hin- und Rückleiter miteinander verseilt werden oder auch ein Koaxialkabel bilden, das im Reservoir verzweigt wird.
In den Figuren 1, 2 sowie 6 bis 8 ist jeweils ein Koordinatensystem mit den Koordinaten x, y und z eingezeichnet, das die bergmännische Orientierung erleichtert. Das Koordinatensystem kann auch eine andere Orientierung haben.
Speziell anhand Figur 2 ist verdeutlicht, dass unterhalb des Erdbodens zunächst ein Bereich 105 mit Deckgebirge, anschließend eine Lagerstätte mit einem Reservoir 100 an Bitumen und/oder Schwerstöl und darunter ein für Öl undurchlässiger Bereich 106, das so genannte Grundgebirge, folgen. Solche Boden- bzw. Gesteinsformationen sind für Ölschiefer- bzw. 01- sandlagerstätten typisch.
Gemäß Figur 2 wird von einem Oszillator 60 als Hochfrequenz- generator, der über Tage steht, elektrische Energie in die
Lagerstätte 100 hineingebracht. Dafür ist in diesem Fall eine einzige Vertikalbohrung 12 vorhanden, die bis in den Bereich des Reservoirs 100 verläuft und dort in zwei horizontale Bohrungen übergeht, die nicht im Einzelnen gekennzeichnet sind. Von außerhalb des Deckgebirges sind weiterhin Mittel zum Einbringen von in Wasser gelöstem Salz (so genannte Saline) vorgesehen, welche geeignete Leitfähigkeitseigenschaften haben.
In die Vertikalbohrung 12 ist ein Leiterpaar mit einem ge- meinsamen elektrischen Hin- und Rückleiter 5 eingebracht, wobei die endseitigen Enden von Hin- und Rückleiter mit dem Oszillator 60 als Energiewandler verbunden sind. Die anderen Enden verlaufen bis zum Reservoir 100.
Beim Erreichen des Reservoirs 100 verzweigt sich das Hin-/
Rückleiterpaar 5. Dafür ist eine so genannte Y-Verzweigung 25 vorhanden. Von der Y-Verzweigung 25 ausgehend verlaufen im Reservoir 100 die Induktorleitungen 10 und 20 horizontal und parallel im Reservoir 100 und bis in den Bereich der salzinjizierten Region, in welchem die Leitungen 10 und 20 nicht isoliert sind und als elektrische Induktoren wirken. Insbesondere im Bereich der Induktorleitungen 10, 20 soll sich al- so die Induktionsheizung ausbilden.
Mit einer solchen Einrichtung wird die Verlustleistung erheblich reduziert, da sich die Magnetfelder der in geringem Abstand geführten entgegengesetzt bestromten Hin- und Rücklei- ter sich im Bereich A nahezu vollständig kompensieren. Das zusammengefasste Hin- und Rückleiterpaar kann beispielsweise als Koaxialleitung 5 ausgebildet sein. Insbesondere bei der koaxialen Anordnung ist die Umgebung eines solchen Leiterpaares vollständig feldfrei. Dies erlaubt dann die Verwendung von elektrisch leitfähigen und magnetischen Werkstoffen für eine Umhüllung des Hin-/Rückleiterpaares bzw. einer Einfassung der vertikalen Bohrung 12 mit Stahlrohren.
Die Ausbildung der Y-Verzweigung 25 erfolgt in elektrotech- nisch bekannter Art und Weise, auf die im vorliegenden Zusammenhang nicht näher eingegangen wird.
Da die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen im Bereich des senkrechten Bohrloches 12 erheblich reduziert ist, kann die Schirmung des Oszillators 60 am Einspeisepunkt kompakter ausgebildet sein. Dies erweist sich als vorteilhaft für den so genannten Expositionsbereich, in dem sich kein Betriebspersonal aufhalten darf.
In den Figuren ist das eigentliche Produktionsrohr mit 102 angedeutet. Dies ist in üblicher Weise gemäß dem Stand der Technik so ausgebildet, dass sich darin das verflüssigte Bitumen sammelt, wonach es in bekannter Weise abgesaugt wird.
Am Ende der beiden Leiter 10 und 20 ergibt sich gemäß Figur 1 jeweils ein in etwa zylindrischer salzbeeinflusster Bereich 11/12, der für die elektrische Leitfähigkeit und damit die induktive Heizwirkung von besonderer Bedeutung ist. Es wird damit die Wirkung einer niederohmigen Erdung der Induktoren erreicht, ohne dass diese über eine separate Leiterschleife unter- oder über Tage miteinander verbunden sein müssen.
Insgesamt bilden sich in Figur 2 also drei Bereiche aus:
Die Leitungen 10/20 vom Oszillator 60 bis zur Verzweigung 25 bilden einen ersten Abschnitt A, im Reservoir 100 einen zweiten Abschnitt B und im Endbereich einen dritten Abschnitt C. In den einzelnen Abschnitten A, B und C können vorteilhafter- weise unterschiedliche Leiteranordnungen gewählt werden. Beispielsweise sind im ersten Abschnitt A Litzenleiter verwendet. Im zweiten Abschnitt B werden dagegen für die Induktorleitungen wirksame isolierte Leiter („isolated Single conduc- tor") verwendet, während im dritten Abschnitt C nicht iso- lierte Leiterenden vorhanden sind, die Elektroden bilden.
In Figur 3 ist gezeigt, dass bei einer Anordnung entsprechend Figur 1 in diesem Fall geführten Induktionsleitungen 10 und 20 nicht parallel verlaufen brauchen. Vielmehr haben sie ab- schnittsweise unterschiedliche Abstände alr was den Gegebenheiten der Lagerstätte angepasst werden kann. Sie können je nach den geologischen Bedingungen untereinander Abschnitte für eine induktive Wechselwirkung haben und dort sehr eng geführt sein, so dass sich deren Felder kompensieren. Insbeson- dere für den Fall, dass in der Lagerstätte 100 eine Gasblase 30 durch den Dampfeintrag mittels SAGD-Verfahren vorhanden ist, die einen so genannte „tauben" Bereich darstellt und/ oder die bereits ausgebeutet ist, kann dort die parallele Anordnung der Leitungen 1/20 um diesen Dampfblasen-Bereich eng herumgeführt werden und sich hinter der Dampfblase 30 wieder erweitern, um die induktive Heizwirkung zu generieren. Am Ende ergibt sich wiederum in bekannter Weise eine Leiterschleife, die insbesondere überirdisch geschlossen wird, was fertigungstechnisch einfach zu erreichen ist. Eine entsprechende Aufsicht einer solchen Induktoranordnung ergibt sich aus Figur 4. Es sind hier insgesamt acht Sektionen I, II, ..., VIII mit unterschiedlichen Abständen ax der Induktorleitungen 10/20 eingetragen. Zu beachten ist, dass für die Sektionen I, II, ..., VIII jeweils separat einzelne Kompensationsmaßnahmen der Leitungen unter Berücksichtigung der veränderten Resonanzlängen durchgeführt werden.
In der nachfolgenden Tabelle sind die Induktivitätsbeläge ei- ner Doppelleitung, d.h. Hin- und Rückleiter des Induktors, angegeben. Wie erwähnt variieren diese in Abhängigkeit vom Abstand ax zwischen etwa 0,46 und 1,61 μH/m. Dabei ist der Einfluss unterschiedlicher Reservoir-Leitfähigkeiten sehr gering. Der Induktor als ganzes stellt eine Serienschaltung von Serienresonanzkreisen dar.
Ein Serienkreis wird durch den Leitungsabschnitt mit der Resonanzlänge LR gebildet. Idealerweise wären daher alle Serienkreise bei derselben Frequenz resonant. Damit würden die geringst möglichen Spannungen entlang des Induktors erhalten. Abschnittsweise variierende Abstände führen aber bei Induktoren konstanter Resonanzlänge zu einer abschnittsweise unvollständigen Kompensation, was zu erhöhten Anforderungen an die Spannungsfestigkeit des Dielektrikums zwischen Filamentgrup- pen führt. Unter Umständen kann es ansonsten zu Durchschlägen oder gar zur Zerstörung des Induktors kommen.
Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, indem in den einzelnen Abschnitten die Resonanzlänge und damit die Kapazität dieses Abschnittes an den dort vorliegenden Induktivitätsbelag angepasst werden. Tabel le :
In Spalte 1 der Tabelle ist der Abstand der Induktionsleitungen in m, in Spalte 2 die Resistivität der des Reservoirs in m, in Spalte 3 die eingebrachte elektrische Leistung in W/m, n Spalte 4 und die Induktivität in μH/m (analytisch und mittels FEM berechnet) und in Spalte 6 die Resonanzlänge i m für eine Oszillatorfrequenz von 2OkHz aufgetragen.
Es ist ersichtlich, dass mit größer werdendem Abstand der Induktorleitungen die Heizleistungsrate als elektrische Verlustleistung ansteigt. In Umkehrung ergibt sich daraus, dass bei vergleichsweise geringem Abstand der Induktorleitungen nur eine geringe Verlustleistung anfällt, da sich bei nahe nebeneinander liegenden Leitungen die elektromagnetischen Felder - wie bei dem vertikal geführten Hin- und Rückleiterpaar 5 - weitestgehend kompensieren und damit keine induktive Heizungswirkung entsteht. Dieser Effekt kann bedarfsweise ausgenutzt werden. Gleichermaßen ändert sich dabei die Resonanzlänge LR der Leitung, die entsprechend angepasst werden muss wie es im Einzelnen in der älteren Anmeldung AZ 10 2007 008 282.6 dargestellt ist. In der Tabelle sind also die für den jeweiligen Abstand von Hin- und Rückleiter angepassten Resonanzlängen gelistet, um abschnittsweise dieselbe Resonanzfrequenz, beispielsweise 20 kHz, zu erhalten. Die relative Änderung der Resonanzlänge ist proportional zu 1/sqrt (Induktivitätsbelag) . Dies bedeutet, dass die Resonanzlänge in den vertikalen Abschnitten Induktorabstand von z. B. 0,25 m etwa doppelt so groß ist, wie bei einem nominellen Induktorabstand von 100 m. Entsprechende Änderungen ergeben sich beispielsweise bei einer Resonanzfre- quenz von 100 kHz. Im Einzelnen werden Resonanzfrequenzen zwischen 1 und 500 kHz als geeignet angesehen, wobei bei den Berechnungen einerseits 10 kHz und andererseits 100 kHz gewählt wurden.
Wie einleitend bereits erwähnt, ist die Kompensation der Induktorleitungen Gegenstand der älteren Patentanmeldung AZ 10 2007 008 282.6 und dort bereits im Einzelnen beschrieben, worauf hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Insbesondere können dazu so genannte Multifilamentleiter entsprechend Figur 5 verwendet werden, wozu wiederum auf die ältere Patentanmeldung AZ 10 2008 036 832.3 verwiesen wird.
In letzterem Zusammenhang wird auf die Figuren 5 und verwiesen: Figur 5 zeigt den schematischen Aufbau der kompensierten Leiter für die Induktorleitungen mit verteilten Kapazitäten und Figur 6 den Querschnitt längs der Linie VI - VI. Die Leitungen werden aus Leitern 51 und 52 gebildet, die entsprechend Figur 6 Multifilament-Leitungen innerhalb einer Isolation 53 bilden. Die Resonanzlänge LR kann dabei an den sich sektionsweise ändernden Abstand der Induktorleitungen ange- passt werden.
Anhand Figur 7 wird verdeutlicht, dass bei einer Anordnung entsprechend Figur 2 eine beispielsweise besonders groß aus- gebildete Dampfkammer 30 am Anfangsabschnitt des Injektionsrohres vorhanden sein kann. In diesem Fall empfiehlt es sich, die Oszillatorposition, d.h. den Generator 60, über Tage zu verschieben oder auch im Endbereich des Leiterpaares 10/20 anzuordnen. Die Leitungen werden in diesem Fall mit einer unterirdischen Leiterschleife 15 geschlossen, die auch direkt hinter der Dampfblase angeordnet sein kann.
In Figur 7 und 8 sind entsprechende Schemata als Aufsicht dargestellt. Aus diesen beiden Figuren wird insbesondere deutlich, dass das erfindungsgemäße Konzept auch zur Nachrüstung bestehender Bitumen oder Schwerstöl-Förderanlagen geeig- net ist. In der Praxis können bestimmte Gebiete von Ölsandla- gerstätten bereits mit dem bekannten SAGD-Verfahren ausgebeutet worden sein, wobei sich in den bereits ausgebeuteten Bereichen üblicherweise große Dampfblasen ausbilden. Durch eine Vorrichtung mit „mobilem" Hochfrequenzgenerator 60 ist es möglich, die Induktoranordnung vom Anfangsabschnitt der In- jektions-/Förderrohr-Vorrichtung zu verschieben und nach vorne zu verlagern. Genauso gut ist es möglich, die Oszillatorposition im Endbereich des Rohrpaares vorzusehen. In diesem Fall wird dann die Induktor-Leiterschleife vorteilhafterweise immer unterirdisch geschlossen
In Figur 9 ist eine Anordnung dargestellt, bei der entsprechend Figur 1 eine Vertikalbohrung 12 etwa in der Mitte des gezeigten Reservoirs 100 vorhanden ist. An einem dort befind- liehen Oszillator 60 ist wiederum ein Leiterpaar 5 in die
Vertikalbohrung 12 eingebracht. Beim Erreichen der Lagerstätte 100 ist nunmehr eine solche Verzweigung 25 vorhanden, bei der die Horizontalleiter 110, 120 diametral in entgegengesetzte Richtungen - also mit größer werdenden Abstand - ver- laufen und jeweils dort abschließend über Elektroden 111 und 121 geerdet sind.
Die zugehörige Verteilung der Heizleistung bei dieser Geometrie wurde auch für diesen Fall mittels FEM (Finite Elemente Methoden) berechnet werden und ergab befriedigende Randbedingungen . Es ist bei einer solchen Verlegung der Induktorleitungen auch möglich, die nicht isolierten Leiterenden aus dem Reservoir heraus in Bereiche höherer elektrischer Leitfähigkeit zuführen. Beispielsweise bieten sich dafür wasserführende Schich- ten außerhalb des Reservoirs, beispielsweise im Overburden oder Underburden an.
In der Figur 10 ist schließlich eine Modifikation einer Anlage gemäß Figur Ib mit Anordnungen gemäß Figur 9 dargestellt, bei der ein zweidimensionales 200 aus einzelnen Induktoren gebildet ist. Die Induktoren sind mit auseinanderlaufenden Leitungen hintereinander und in zwei Reihen nebeneinander dargestellt. Über der Lagerstätte 100 sind dabei ganz entsprechend zwei jeweils zwei Reihen von Oszillatoren 60, 60', 60'', ... vorhanden, von denen jeweils Leiterpaare 5, 5', 5'', ... senkrecht durch das Deckgebirge zur Lagerstätte 100 verlaufen und sich über entsprechende Reihen von Verzweigungen 25, 25', 25'', ... in entgegengesetzte Richtungen abzweigen.
Durch Gegeneinanderschaltungen solcher Anordnungen lässt sich die Verlustleistung minimieren und damit die umgesetzte Heizleistung optimieren.
Spezifisch für das in Figur 10 dargestellte zweidimensionale Array ist, dass es aus einer Vielzahl von Antennen besteht, die in Figur 10 konkret durch die einzelnen Induktorpaare 1101D/1201D, gebildet sind, welche individuell nach Stromamplitude und Phase angesteuert werden können. Dazu ist jedem Induktorpaar ein eigener Generator aus der Gruppe der in Fi- gur 10 dargestellten arraymäßig verteilten Generatoren 601D zugeordnet .
Insgesamt ist festzuhalten, dass nunmehr die Hin- und Rückleiter der Induktorleitungen im Deckgebirge bis zur Tiefe der Lagerstätte im Wesentlichen vertikal geführt sind und im Vergleich zur Längenausdehnung der Leitungen einen geringem lateralen Abstand a von höchstens 10 m, insbesondere aber weniger als 5 m haben. Vorzugsweise sind die Induktorleitungen in der Lagerstätte horizontal geführt und bereichsweise unterschiedliche Abstände haben, womit die Leistungsverteilung veränderbar ist. Werden die im Deckgebirge senkrecht verlaufenden elektrischen Hin- und Rückleiter zu einem Leitungspaar zusammengefasst, kann das Leitungspaar in einer einzigen Bohrung, die bis in das Reservoir hinabreicht, eingebracht und erst im Reservoir verzweigt werden. Im Deckgebirge entstehen dann keine Leistungsverluste.

Claims

Patentansprüche
1. Anlage zur In-Situ-Gewinnung einer kohlenwasserstoffhal- tigen Substanz aus einer unterirdischen Lagerstätte über we- nigstens eine aus der Lagerstätte herausführende Produktionsrohrleitung, insbesondere zur Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus einem Reservoir unter einem Deckgebirge, unter Herabsetzung von deren Viskosität, wobei der Produktionsrohrleitung in der Lagerstätte Mittel für eine Induktionsheizung bezüglich der Umgebung der Produktionsrohrleitung zugeordnet sind, die einen elektrischen Hochleistungsgenerator außerhalb des Deckgebirges und Lagerstätte, einen elektrischer Hin- und Rückleiter sowie daran angeschlossene Induktorleitungen beinhalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Hin- und Rückleiter (5) der Induktorleitungen (10, 20; 110, 120) im Deckgebirge (105) bis zur Tiefe der Lagerstätte (100) im Wesentlichen vertikal geführt sind und im Vergleich zur Längenausdehnung der Leitungen einen geringen lateralen Abstand (a) von höchstens 10 m, insbesondere aber weniger als 5 m, haben.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Hin- und Rückleiter (5) für die beiden Induktorleitungen
(10, 20; 110, 120) in parallelen Bohrungen (12, 12') mit einem Abstand von höchstens 10 m geführt werden.
3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den parallelen Bohrungen (12, 12') die Hin- und Rückleiter
(5) für die beiden Induktorleitungen (10, 20; 110, 120) als kapazitiv kompensierte Leitungen geführt sind.
4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Hin- und Rückleiter (5) für die beiden Induktorleitungen
(10, 20; 110, 120) einen lateralen Abstand von maximal 0,25 m haben und in einer gemeinsam Bohrung (12) geführt sind.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Bohrung (12) einen Durchmesser < 0,5m hat, in dem die Hin- und Rückleiter (5) für die beiden Induktorleitungen in einem Abstand eng nebeneinander geführt sind.
6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hin- und Rückleiter (5) für die beiden Induktorleitungen (10, 20; 110, 120) gegeneinander isoliert sind und eine gemeinsame Leitung bilden.
7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Hin- und Rückleiter (5) in der Bohrung (12) gegen- bzw. miteinander verseilt sind.
8. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Hin- und Rückleiter (5) in der Bohrung (12) eine Koaxi- alleitung bilden.
9. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der einzigen Bohrung (12) mehrere Leiterpaare (5X) aus Hin-/Rückleiter für die Induktorleitun- gen (10 ± /20 x; 110 ± /120 x) geführt sind.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zusammengefasste Leitungspaar (5) aus Hin- und Rückleiter für die Induktorleitungen (10, 20) im Reser- voir (100) verzweigt wird.
11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verzweigung ein so genanntes Y-Junction (25) gebildet wird.
12. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Oszillator (60) bis zum Reservoir (100) ein erster Abschnitt (A), im Reservoir ein zweiter Abschnitt (B) im Reservoir und im Endbereich mit Leiterschleife (15) und/oder Saline (11, 21) ein dritter Abschnitt (C) ge- bildet wird.
13. Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Abschnitten (A, B, C) jeweils ein un- terschiedlicher Aufbau der Leiter (5; 10, 20; 11, 21; 110, 120) gewählt sind.
14. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Abschnitt (A) Litzenleiter für das Hin-/Rückleiterpaar
(5) verwendet werden.
15. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Abschnitt (B) für die Induktorleitungen (10, 20; 110, 120) wirksam isolierte Leiter („isolated Single conductor") verwendet werden.
16. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Abschnitt (B) für die Induktorleitungen (10, 20; 110, 120) kapazitiv kompensierte Leiter verwendet werden.
17. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Abschnitt (C) nicht isolierte Leiterenden vorhanden sind, die Elektroden (11, 21) zum Salinenbereich bilden.
18. Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (11, 21) zusammen mit Salzanreicherungen einen elektrische Schleife bilden.
19. Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht isolierte Leiterenden (11, 21) vom Reservoir (100) in Schichten höherer elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise zu wasserführenden Schichten außerhalb des Reservoirs (100) geführt werden.
20. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende von Abschnitt A die Induktorleitungen (110, 120) in die gleiche Richtung verlaufen.
21. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende von Abschnitt A die Induktorleitungen (110, 120) in entgegengesetzte Richtung verlaufen.
22. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Reservoir (100) horizontal verlaufenden Induktorleitungen (10, 20; 110, 120) untereinander bereichsweise unterschiedliche Abstände (ax) haben.
23 Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Induktorleitungen (10, 20; 110, 120) im Reservoir (100) jeweils Sektionen (I - VIII) mit angepasster Resonanzlänge (LR) gebildet sind, derart dass alle Sektionen bei derselben Frequenz resonant sind.
24. Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass „taube" bzw. ausgebeutete Gebiete der Lagerstätte (100), beispielsweise Bereiche mit einer Dampfblase (30), von den In- duktorleitungen (10, 20; 110, 120) jeweils paarweise umgangen werden .
25. Anlage nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Induktorleitungen (10, 20; 110, 120) im umgangenem Ge- biet eng geführt sind und sich deren elektromagnetischen Felder somit kompensieren und der Heizleistungseintrag gering ist .
26. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Array (160) von Leiterpaaren (11Oi,
12O1) und Leistungsgeneratoren (60ij) gebildet ist.
27. Anlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Leistungsgenerator (60ij) ein Leiterpaar (11Oi, 12O1) zu- geordnet ist.
28. Anlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (160) mit der Ausrichtung der Leitungspaare (110, 120) in einem vorgegebenen Winkel zur Richtung der Förderrohre (102x) , insbesondere quer dazu, angeordnet ist.
29. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsgenerator (60) für mehrere Leitungspaare (11Oi, 12O1) verwendbar ist.
30. Anlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsgeneratoren (6O111) des Arrays (160) umschaltbar sind.
31. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsgeneratoren Hochfrequenz- Oszillatoren (6O111) sind, die elektrische Leistung mit Frequenzen zwischen 1 und 500 kHz erzeugen
32. Anlage nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz ca. 10 kHz ist.
33. Anlage nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz ca. 100 kHz ist.
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