EP2315910B1 - Anlage zur in-situ-gewinnung einer kohlenstoffhaltigen substanz - Google Patents

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EP2315910B1
EP2315910B1 EP09780723.4A EP09780723A EP2315910B1 EP 2315910 B1 EP2315910 B1 EP 2315910B1 EP 09780723 A EP09780723 A EP 09780723A EP 2315910 B1 EP2315910 B1 EP 2315910B1
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EP
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reservoir
inductor
lines
conductor
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Dirk Diehl
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Siemens AG
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    • E21B—EARTH OR ROCK 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
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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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
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK 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
    • E21B43/30—Specific pattern of wells, e.g. optimising the spacing of wells
    • E21B43/305—Specific pattern of wells, e.g. optimising 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 S team A ssisted G ravity D rainage
  • 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 for bitumen transport (permeability) and on the other hand, the promotion of bitumen without additional pumps to enable.
  • 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.
  • a variation of the heating power along the inductors can, as described in the older non-prepublished applications, especially by sectionwise injection of electrolytes, 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 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 Induktor effet can run in the same, but also in opposite directions.
  • the inductor lines running horizontally in the deposit can have different distances in regions. In particular, this can be avoided by losses in areas where no inductive heating is necessary and / or desired, the lines are again performed closely parallel, so that no unnecessary heating power is consumed.
  • a specialized, optimized to the respective section embodiment of the conductor arrangement is possible.
  • a first section - from the oscillator to the branch - be carried out particularly low loss, for example by RF stranded conductor, possibly with reduced requirement for temperature resistance.
  • a second section is formed by the single-insulated conductor acting as an inductor. Increased mechanical requirements for installation and increased thermal requirements 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.
  • Such measures (“Saline injected regions at non-isolated tips") are known and thus represent a low-impedance grounding.
  • a compensated conductor with a resonant conductor system and a series resonant circuit - as described in the above-mentioned earlier patent applications - is also advantageously used here.
  • 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 change in distance causes sections of different inductance of the double line.
  • the laying of distance-optimized inductors in the reservoir can now be adapted to the geological conditions in the reservoir already at the beginning of the promotion. It may optionally be done as a retrofit for existing already promoting production and Dampfinjetechnischsrohrschreibe.
  • 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 distance variation can take place in the vertical and / or horizontal direction, whereby an adaptation of the heating power distribution to the reservoir geometry is possible.
  • the inductance pads of a double line 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. Thus, the lowest voltages along the inductor are obtained. Sectionally varied distances lead in inductors constant resonant length to partially incomplete compensation, resulting in increased demands on the dielectric strength of the dielectric between filament groups, which in the worst case can lead to breakdowns and destruction of the inductor. Remedy is to be created by the resonance length and thus the capacity of this section are adapted to the existing inductance there.
  • 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.
  • the inductor laying can be carried out with intervals adjusted in sections to the heating power demand. This can be done practically simultaneously with 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 several months or years without EM support.
  • the steam chambers are already formed. Vapor chamber expansion variations along the steam injection and production tubes are generally undesirable because they can result in showable vapor breakthrough in individual sections ("steam breakthrough region"). If such a steam breakthrough occurs can and circumstances, the bitumen still in the other sections of the reservoir no longer economical (S team to O il R atio (SOR) ⁇ 3) are promoted, so heavy financial losses can be connected. Such losses can be avoided if long before a steam breakthrough, the inductive heating is used to regulate the Dampfschdehnung. For this purpose, the spacer-optimized inductor laying can be carried out adapted to the inductive additional heating power required in sections. With this retrofit solution, the yield of existing SAGD fields can be achieved.
  • the inductors are shown within the reservoir at the same depth and the change in distance is accomplished only in the horizontal direction. Laying of 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 are thus more favorable, for example due to lower drilling costs, which may result from 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. If 4 kW / m are to be introduced in a reservoir section with a specific resistance of 555 ohm * m, the inductor spacing must be 50 m in this example geometry. If the electrical conductivity in another section of the reservoir is only half, the inductor distance must be increased to 67 m in order to generate 4 kW / m heating power again.
  • return and return conductors can advantageously be guided close together, if only low heating power densities are required there.
  • the return conductor may run through the steam chamber and be exposed to the high temperatures prevailing there (for example 200 ° C.), which may lead to premature aging of the inductor and thus to a reduction in 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 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 underground closed conductor loop with recess of the steam chamber saves inductor length and therefore costs.
  • 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 length l, height h and thickness w being produced one behind the other or next to one another. Above the reservoir 100 is an overburden layer 105 ("overburden”) of thickness s. Corresponding layers (“underburden”) are under the reservoir 100, but are in FIG. 1 not marked in detail.
  • production tube 102 and inductor lines 10, 20 do not run in the same direction, but in particular form a right angle. There may also be other angles, ie orientations of inductor lines and production tubes. 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 a1> a2, there is no heating and energy is saved.
  • FIG. 1 are for two holes 12, 12 'available, which have a distance of less than 10 m. This is small in comparison to the dimensions of the reservoir and in particular the length of the inductor lines 10, 20.
  • the forward conductor and in the other bore of the return conductor is guided, wherein in the reservoir at the transition to the inductor lines widening to a multiple distance is made.
  • 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 FIGS. 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.
  • FIG. 2 illustrates that below the ground first an area 105 with overburden, then a deposit with a reservoir 100 of bitumen and / or heavy oil and below an oil-impermeable area 106, the so-called basement, follow.
  • Such soil or rock formations are typical for oil shale or oil sands deposits.
  • FIG. 2 is introduced into the deposit 100 by an oscillator 60 as a high-frequency generator, which stands for days, electrical energy.
  • 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.
  • the forward / return pair 5 branches.
  • 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, therefore, the induction heating should 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 electrotechnically 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.
  • the lines 10/20 of the oscillator 60 to the branch 25 form a first section A, in the reservoir 100, a second section B and in the end a third section C.
  • the individual sections A, B and C may advantageously different Conductor arrangements are selected.
  • stranded conductors are used in the first section A.
  • insulated conductor in the second section B, on the other hand, insulated conductor ("isolated single conductor") are used for the inductor lines, while in the third section C uninsulated conductor ends are present which form electrodes.
  • FIG. 3 is shown that in an arrangement accordingly FIG. 1 lead in this case guided induction lines 10 and 20 need not be parallel. Rather, they have sections of different distances a i , 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.
  • a gas bubble 30 is present by the vapor input by SAGD method, which represents a so-called "deaf" area and / or which is already exploited, there can be the parallel arrangement of the lines 1/20 around this area of the vapor bubbles, and widen again behind the vapor bubble 30 to generate the inductive heating effect.
  • SAGD method which represents a so-called "deaf" area and / or which is already exploited
  • FIG. 4 A corresponding supervision of such an inductor arrangement results from FIG. 4 , There are here a total of eight sections I, II, ..., VIII entered with different distances a i of the inductor 10/20. It should be noted that for the sections I, II,..., VIII separately individual compensation measures of the lines are carried out taking into account the changed resonance lengths.
  • the following table shows the inductance coverings of a double cable, ie the return conductor of the inductor. As mentioned, these vary between about 0.46 and 1.61 ⁇ H / m depending on the distance a i . 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 lead but in inductors constant resonant length to a 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 resonance lengths adapted for the respective distance of the return conductor are listed so as to obtain, in sections, the same resonant frequency, for example 20 kHz.
  • 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 resonance frequency of 100 kHz.
  • 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 the cross section along the line VI - VI.
  • the lines are formed of conductors 51 and 52, respectively FIG. 6 Multifilament lines within an insulation 53 form.
  • the resonance length L R can be adapted to the sectionally changing distance of the inductor lines.
  • FIG. 7 is clarified that in an arrangement accordingly FIG. 2
  • a particularly large trained steam chamber 30 may be present at the beginning portion of the injection tube.
  • the oscillator position ie the generator 60
  • 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 corresponding schemes are shown as a top view. From these two figures it is particularly clear that the inventive concept is also suitable for retrofitting existing bitumen or heavy oil conveyor systems.
  • certain areas of oil sands deposits have already been exploited by the known SAGD method, with large vapor bubbles usually forming in the areas already exploited.
  • SAGD simple vapor bubbles usually forming in the areas already exploited.
  • By means of a device with "mobile" high frequency generator 60 it is possible to displace and redirect the inductor assembly from the initial section of the injection / delivery tube device. It is equally possible to provide the oscillator position in the end region of the tube pair. In this case, the inductor conductor loop is then advantageously always closed underground
  • FIG. 9 an arrangement is shown in the corresponding FIG. 1 a vertical bore 12 is provided approximately in the center of the illustrated reservoir 100.
  • a pair of conductors 5 is again introduced into the vertical bore 12.
  • a branch 25 is now present, in which the horizontal conductors 110, 120 run diametrically in opposite directions-that is to say with an increasing distance-and are in each case earthed via electrodes 111 and 121 there.
  • the non-insulated conductor ends out of the reservoir out in areas of higher electrical conductivity.
  • water-bearing layers offer themselves outside the reservoir, for example in the overburden or underburden.
  • FIG. 10 is finally a modification of a system according to FIG. 1b with arrangements according to FIG. 9 shown in which a two-dimensional 200 is formed of 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 respectively present above the deposit 100, of which pairs of conductors 5, 5', 5",... Are perpendicular through the overburden to the deposit 100 run and branch off via corresponding rows of branches 25, 25 ', 25'', ... in opposite directions.
  • each inductor pair 110 ij / 120 ij is formed, which can be controlled individually by current amplitude and phase.
  • each inductor pair is assigned its own generator from the group of the generators 60 ij distributed in arrays 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.

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Description

  • 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 Reservoir 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-Verfahren zur Förderung von Bitumen oder Schwerstöl ist das SAGD(Steam 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 andererseits 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 deutschen 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 gegebenenfalls 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.
  • Solche Einrichtungen sind im US4,144,935 , DE2636530 und US4,116,273 beschrieben
  • 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 beschrieben, 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 Induktorleitungen können in gleiche, aber auch in entgegengesetzte Richtungen verlaufen.
  • In erfinderischer Weiterbildung können die in der Lagerstätte horizontal verlaufenden Induktorleitungen bereichsweise unterschiedliche 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. 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-/Rückleiterpaar 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-/Rückleiterpaare möglich.
  • Daneben ist mit der Erfindung eine spezialisierte, auf den jeweiligen Abschnitt optimierte Ausführung der Leiteranordnung möglich. Dabei kann ein erster Abschnitt - vom Oszillator 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 mechanische 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 umgebenden Salzwassers einen geringen Übergangswiderstand zum Reservoir aufweist. Derartige Maßnahmen (,Saline injected 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 Harmonischen 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 machen, 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 speziellen 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 ältere 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 ElektrodenAbschnitte 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 Dielektrikumsdicken, 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 Anpassung 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 ältern, nicht vorveröffentlichten 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 insbesondere 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 elektromagnetische 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 verschiedenen 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 Umrichtergeneratoren 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 Injektions- 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 Generatoren und Herabsetzung der Druckanforderungen zur Salzwasserinjektion) vorteilhaft ist. Die Einstellbarkeit der PhaSenlage 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 Elektrodenabschnitte 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 Gegebenheiten des Reservoirs abschnittsweise angepasste Heizleistungseinbringung möglich.
  • In der Tabelle weiter unten sind die Induktivitätsbeläge einer Doppelleitung aus Hin- und Rückleiter des Induktors angegeben. 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. Idealerweise 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 Einbringung 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 Abschnitten 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 Oil 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 Induktorverlegung 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 Reservoirs 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 Induktorleitungen 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 vorteilhafterweise 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 200°C) 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 geschlossen Leiterschleife mit Aussparung der Dampfkammer spart Induktorlänge und damit Kosten.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen 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 Filamentgruppen,
    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 geerdeten Induktoren und
    Figur 10
    einen Ausschnitt aus einem zweidimensionalen Induktor-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 Ölreservoir 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 l, Höhe h und Dicke w ergeben. Über dem Reservoir 100 befindet sich eine Deckgebirgsschicht 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. Produktionsrohr 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 Reservoirs 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 a1 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 a1 > 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 vorgenommen 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. Ölsandlagerstätten typisch.
  • Gemäß Figur 2 wird von einem Oszillator 60 als Hochfrequenzgenerator, 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 gemeinsamen 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 also 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 Rückleiter 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 elektrotechnisch 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 vorteilhafterweise 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 conductor") verwendet, während im dritten Abschnitt C nicht isolierte 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 abschnittsweise unterschiedliche Abstände ai, 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. Insbesondere 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 ai 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 einer Doppelleitung, d.h. Hin- und Rückleiter des Induktors, angegeben. Wie erwähnt variieren diese in Abhängigkeit vom Abstand ai 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 Filamentgruppen 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. Tabelle:
    Entfernung der Leiter [m] Reservoir-Widerstand [Ωm] Heizleistungsrate [W/m] Induktivität (analytisch) [µH/m] Induktivität (FEM) [µH/m] Resonanzlänge @ 20kHz [m]
    0.25 555 2.5 0.456 0.456 37.1
    5 555 111 1.055 1.055 24.4
    10 555 356 1.194 1.193 22.9
    15 555 688 1.275 1.273 22.2
    50 555 4059 1.516 1.490 20.5
    100 555 8874 1.564 1.569* 20.0
    100 2*555 6859 1.564 1.608* 19.8
    67 2*555 4067 1.574 1.552 20.1
  • 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 20kHz 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 Resonanzfrequenz 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 angepasst werden.
  • Anhand Figur 7 wird verdeutlicht, dass bei einer Anordnung entsprechend Figur 2 eine beispielsweise besonders groß ausgebildete 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 geeignet ist. In der Praxis können bestimmte Gebiete von Ölsandlagerstätten 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 Injektions-/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 befindlichen 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 - verlaufen 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 Schichten außerhalb des Reservoirs, beispielsweise im Overburden oder Underburden an.
  • In der Figur 10 ist schließlich eine Modifikation einer Anlage gemäß Figur 1b 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 110ij/120ij, gebildet sind, welche individuell nach Stromamplitude und Phase angesteuert werden können. Dazu ist jedem Induktorpaar ein eigener Generator aus der Gruppe der in Figur 10 dargestellten arraymäßig verteilten Generatoren 60ij 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 (32)

  1. Anlage zur In-Situ-Gewinnung einer kohlenwasserstoffhaltigen Substanz aus einer unterirdischen Lagerstätte über wenigstens 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, und 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 haben, und dadurch gekennzeichnet, dass die im Reservoir (100) horizontal verlau-j,h4ben> fenden Induktorleitungen (10, 20; 110, 120) untereinander bereichsweise unterschiedliche Abstände (ai) 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 Koaxialleitung bilden.
  9. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der einzigen Bohrung (12) mehrere Leiterpaare (5i) aus Hin-/Rückleiter für die Induktorleitungen (10 i /20 i; 110 i /120 i) 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 Reservoir (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) gebildet wird.
  13. Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Abschnitten (A, B, C) jeweils ein unterschiedlicher 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 Anspruch 21, 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.
  23. Anlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass "taube" bzw. ausgebeutete Gebiete der Lagerstätte (100), beispielsweise Bereiche mit einer Dampfblase (30), von den Induktorleitungen (10, 20; 110, 120) jeweils paarweise umgangen werden.
  24. Anlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Induktorleitungen (10, 20; 110, 120) im umgangenem Gebiet eng geführt sind und sich deren elektromagnetischen Felder somit kompensieren und der Heizleistungseintrag gering ist.
  25. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Array (160) von Leiterpaaren (110i, 120i) und Leistungsgeneratoren (60ij) gebildet ist.
  26. Anlage nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Leistungsgenerator (60ij) ein Leiterpaar (110i, 120i) zugeordnet ist.
  27. Anlage nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (160) mit der Ausrichtung der Leitungspaare (110, 120) in einem vorgegebenen Winkel zur Richtung der Förderrohre (102i), insbesondere quer dazu, angeordnet ist.
  28. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsgenerator (60) für mehrere Leitungspaare (110i, 120i) verwendbar ist.
  29. Anlage nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsgeneratoren (60ij) des Arrays (160) umschaltbar sind.
  30. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsgeneratoren Hochfrequenz-Oszillatoren (60ij) sind, die elektrische Leistung mit Frequenzen zwischen 1 und 500 kHz erzeugen
  31. Anlage nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz ca. 10 kHz ist.
  32. Anlage nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz ca. 100 kHz ist.
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