EP2321496A1 - Verfahren und vorrichtung zur "in-situ"-förderung von bitumen oder schwerstöl - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur "in-situ"-förderung von bitumen oder schwerstöl

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Publication number
EP2321496A1
EP2321496A1 EP09780765A EP09780765A EP2321496A1 EP 2321496 A1 EP2321496 A1 EP 2321496A1 EP 09780765 A EP09780765 A EP 09780765A EP 09780765 A EP09780765 A EP 09780765A EP 2321496 A1 EP2321496 A1 EP 2321496A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reservoir
inductors
bitumen
generator
power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09780765A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Diehl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2321496A1 publication Critical patent/EP2321496A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • E21B43/16—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

Definitions

  • the invention relates to a method for "in situ" - promotion of bitumen or heavy oil from oil sands deposits as a reservoir according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to the associated apparatus for performing the method.
  • the object of the invention is to make the relevant parameters of the necessary electric power generators temporally and / or locally variable in the electric heating of the reservoir and to provide the possibility of these parameters from outside the reservoir for optimizing the delivery volume during the conveyance of the bitumen or heavy oil to change.
  • the widest possible control options for the energization of the inductors are created, in particular, locally detected temperatures can be used as control variables.
  • the temperatures in the reservoir can be distributed locally, for example at the individual inductors, but possibly also outside the reservoir, in the so-called overburden, ie in the mountain region above the reservoir, or in the underburden, ie in the mountain region below the reservoir become.
  • the invention includes various possible combinations of individually energizable inductors and these assignable generators. In particular, the following measures are possible:
  • the invention it is proposed to perform the energization of adjacent inductors temporally sequential and preferably to use spatially widely spaced forward and return conductors. Below, by way of example, the temporally sequential wiring of four inductor pairs is shown.
  • the inductors, which serve as forward and return conductors, can be selected by means of individual switches.
  • the energization of the Induktorschreibe can be done, for example, at equal time proportions. Due to the high heat capacities of the reservoir, large time intervals in the range of hours or days can be selected, provided that the thermal load capacity of the inductors is not exceeded.
  • the time shares of the energization can be chosen differently for the individual inductor pairs and changed during different phases of the exploitation of the reservoir.
  • thermally low-loaded inductors can preferably be energized or reservoir areas low temperature preferably heated.
  • An inductor pair formation can be used to influence the heating power components in the overburden, reservoir and underburden.
  • Wiring in close proximity to one another in space can be carried out by over-wiring on the generator and / or connection side in order to avoid or reduce the unwanted heating of the overburden.
  • the effective resistance which represents the reservoir as secondary winding, is much higher for far-distant forward and return conductors than for closely adjacent conductors, whereby high heat outputs can be introduced into the reservoir with comparatively low currents in the inductor (primary winding).
  • the capacitively compensated inductors are basically tuned to the respective operating frequency to manufacture. If the generators can deliver a small part of the total reactive power to be applied, or their compensation can be effected by capacitive or inductive circuits directly at the generator, uniform inductor designs tuned to a mean operating frequency can be used. Otherwise, using these external compensation circuits, inductors can be operated at slightly different frequencies, which is sufficient to avoid cancellation effects.
  • the invention is based on the insight gained in detailed investigations that significant advantages over the prior art are realized with the measures indicated above. These are in particular:
  • Re 1 The effective resistance of the inductive reservoir heater is significantly increased, for example by a factor of 4. This means that with the same current amplitude in the inductor, the heating power in the reservoir can have a four times higher value relative to a simultaneous energization.
  • FEM finite element method
  • Amplitude at a given frequency f1 Preferably, it is assumed that a frequency of 10 kHz, in principle, frequencies between 1 and 500 kHz are suitable.
  • Re 2 In the example given under point 1, for example, four individual pairs of inductors (1/5), (2/6), (3/7) and (4/8) are each energized to a quarter (25%) of the time, This requires only one generator (inverter), which can supply the required current of the specified current amplitude (1350 A) with four times the active power, but without increasing the reactive power requirement. Thus, the same heating power would be introduced into the reservoir in the time average as with simultaneous energization according to point 1. This means that instead of four generators, each provide 1/4 of the desired heating power as active power and in addition a dependent on the inductor reactive power need only a generator with 4 times the active power needed without the reactive power demand increases.
  • the heating power in Overburden, reservoir and underburden can be influenced by a current to the inductors within limits, which will be discussed below.
  • Ad 9 Alternatively, it is proposed to simultaneously feed adjacent inductors with different frequencies. For example, the wiring of four inductor pairs possible with four generators of different frequency.
  • Each generator feeds a pair of return conductors of the inductors, the individual conductors being spatially as far apart as possible.
  • FIG. 1 shows a section of an oil sand deposit with a repeating unit as a reservoir and an electrical conductor structure running horizontally in the reservoir
  • FIG. 2 shows the diagram of the wiring of four inductor pairs with temporally sequential energization
  • Figure 3 shows the scheme of the wiring of four inductor pairs with simultaneous energization with separate generators, which may have different frequencies, the associated return conductors are spatially far apart and
  • Figure 4 shows the scheme of the wiring of four inductor pairs with separate generators of different frequencies, the associated forward and return conductors are adjacent.
  • Figure 1 shows a perspective view as a linear repeating array
  • Figures 2 to 4 are respectively plan views, i. Horizontal sections in the Induktorbene seen from above, with the overlying mountains ("Overburden") is on both sides opposite.Equal elements in the figures have the same reference numerals . The figures are described below partially together.
  • Heavy oils are significantly improved. This can be achieved by increasing the temperature of the reservoir (reservoir), which causes a decrease in the viscosity of the bitumen or heavy oil.
  • FIG. 1 shows an arrangement for inductive heating.
  • the conductors 10 and 20 are routed vertically or at a predetermined angle into holes through the overburden ("overburden") and are powered by an RF generator 60 which may be housed in an external housing.
  • the conductors 10 and 20 extend at the same depth either side by side or one above the other. It may be useful to offset the ladder. Typical distances between the return and return conductors 10, 20 are 10 to 60 m with an outer diameter of the conductors of 10 to 50 cm (0.1 to 0.5 m).
  • An electrical double line 10, 20 in Figure 1 with the aforementioned typical dimensions has a Lekssindukt foundedsbelag of 1.0 to 2.7 uH / m.
  • the cross-capacitance coating is only 10 to 100 pF / m with the dimensions mentioned, so that the capacitive cross-currents can initially be neglected. At the same time wave effects should be avoided.
  • the shaft speed is given by the capacitance and inductance of the conductor arrangement.
  • FIG. 1 is due to the loop length and the wave propagation speed along the arrangement of the double line 10, 20.
  • the loop length is therefore to be chosen so short that no disturbing wave effects result here.
  • FIG. 2 shows how four inductor pairs can be switched with temporally sequential energization.
  • 60 is again the high frequency power generator. whose outputs are applied to switching units 61, 61 '.
  • the switching units 61, 61 'each have four different contacts, the switching unit 61 being connected to four inductors 1, 2, 3, 4 as a forward conductor and the switching unit 61' to four inductors 5, 6, 7, 8 as a return conductor.
  • a switching clock 62 provides for switching or switching on the generator voltage to the individual lines 1 to 8.
  • the individual inductors 1 to 8 are arranged according to FIG. 1 in the reservoir 100. There are areas 105 on both sides of the reservoir 100 which are not to be heated and phenomenologically represent the "overburden.” Furthermore, a connection 15 is connected to the ends of the inductors which connect the forward and return conductors
  • Connection 15 can be arranged above or below ground.
  • the switching clock 62 can be controlled by a separate control unit 63, which takes into account in particular the temperature T in the reservoir 100.
  • temperature sensors not shown in FIG. 2, can be placed on the individual inductors or inductor lines in order to locally measure temperatures T 1 there and to conduct them to the control unit 63 for evaluation. In particular, it is thus possible to take into account excess temperatures at the inductors.
  • FIG. 3 the arrangement according to FIG. 2 is modified such that four high-frequency power generators 60 ',
  • 60 '', 60 '' 'and 60' '' 'are present which drive in pairs two of the inductors 1 to 8. Again, there is an overground or underground connection 15. With this arrangement, it is possible, in particular, to supply four inductor pairs with different current intensities at different frequencies at the same time.
  • FIG. 3 An arrangement according to FIG. 3 can be modified such that different frequencies are also used.
  • FIG. 4 in which in turn eight inductors 1 to 8 are arranged in the reservoir parallel to one another.
  • two of the inductors 1 to 8 are driven by a separate generator 60 'to 60''''.
  • those generators are selected which generate different predefinable frequencies.
  • generator 60 ' has frequency fi, generator 60''frequency f 2 , generator 60''' frequency f 3, and generator 60 ''''' frequency f 4 .
  • the low frequency electrical power i. 50-60Hz or possibly also as direct current, led down and could be a conversion into the kHz range underground, so that no losses occur in the overburden.
  • the electrical parameters decisive for the heating of the reservoir can be preset variably in terms of time and / or location and can be changed from outside the reservoir to optimize the delivery volume during the conveyance of the bitumen.
  • at least one generator is present, but preferably a plurality of generators, wherein its electrical parameters (I, f lr ⁇ ) are variable.

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Abstract

Es wurde bereits beschrieben, zur Verringerung der Viskosität von Bitumen oder Schwerstöl eine elektrische/elektromagnetische Heizung vorzusehen, bei der in vorgegebener Tiefe des Reservoirs wenigstens zwei linear ausgedehnte Leiter in horizontaler Ausrichtung geführt sind. Die Leiter sind innerhalb oder außerhalb des Reservoirs elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden zusammen eine Leiterschleife und sind außerhalb des Reservoirs an einen externen Wechselstromgenerator für elektrische Leistung angeschlossen. Gemäß der Erfindung wird die Beheizung des Reservoirs maßgeblichen elektrischen Parameter zeitlich und/oder örtlich variabel vorgegeben und können von außerhalb des Reservoirs zur Optimierung des Fördervolumens während der Förderung des Bitumens verändert werden. Bei der zugehörigen Vorrichtung ist wenigstens ein Generator (60; 60', 60", 60'", 60'''') vorhanden, vorzugsweise aber mehrere Generatoren, wobei dessen Parameter (I, fi f) für die elektrische Leistung variabel sind.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur „in-situ"-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur „in-situ"- Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus Ölsandlagerstätten als Reservoir gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Förderung von Schwerstölen oder Bitumen aus Ölsand- oder Ölschiefervorkommen mittels Rohrsystemen, welche durch Bohrungen eingebracht werden, muss die Fließfähigkeit der in fester Konsistenz vorliegenden Ausgangsstoffe erheblich erhöht werden. Dies kann durch Temperaturerhöhung des Vorkommens im Reservoir erreicht werden.
Wird dazu eine induktive Heizung ausschließlich oder zur Un- terstützung des üblichen SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage) -Verfahrens verwendet, tritt das Problem auf, dass benachbarte gleichzeitig bestromte Induktoren sich gegenseitig negativ beeinflussen können. So schwächen sich benachbarte entgegengesetzt bestromte Induktoren bezüglich der im Reservoir deponierten Heizleistung.
Bei den älteren deutschen, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldungen AZ 10 2007 008 292.6, AZ 10 2007 036 832.3 sowie AZ 10 2007 040 605.5 werden einzelne Induktorpaare, d.h. Hin- und Rückleiter, in vorgegebener geometrischer Konfiguration bestromt, um das Reservoir induktiv zu erhitzen. Dabei wird die Stromstärke zum Einstellen der gewünschten Heizleistung genutzt, während die Phasenlage mit 180° zwischen benachbarten Induktoren fest eingestellt ist. Diese gegenphasige Bestromung ergibt sich zwangsläufig aus dem Betrieb eines Induktorpaares mit Hin- und Rückleiter zu einem Generator. In einer parallelen Patentanmeldung der Anmelderin mit der Bezeichnung „Anlage zur In-Situ-Gewinnung einer kohlenstoffhal- tigen Substanz" wird unter anderem die Steuerung der Heizleistungsverteilung bei einem Array von Induktoren beschrieben, wobei dies durch die Einstellbarkeit der Stromamplituden und Phasenlage benachbarte Induktorpaare erreicht wird. Alle bisherigen Patentanmeldungen gehen davon aus, dass die
Bestromung über größere Zeiträume von Tagen bis Monaten nur geringe Anpassungen erfährt und eine feste Zuordnung eines Generators zu einem Induktorpaar besteht.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, geeignete Verfahren vorzuschlagen und zugehörige Vorrichtungen zu schaffen, die zur Verbesserung der Effektivität bei der Förderung aus Ölsand- oder Ölschiefer-Reservoiren dienen.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist im Patentanspruch 13 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
Gegenstand der Erfindung ist es, bei der elektrischen Beheizung des Reservoirs die dafür maßgeblichen Parameter der notwendigen elektrischen Leistungsgeneratoren zeitlich und/oder örtlich variabel zu gestalten und die Möglichkeit vorzusehen, diese Parameter von außerhalb des Reservoirs zur Optimierung des Fördervolumens während der Förderung des Bitumens oder Schwerstöls zu verändern. Damit werden weitestgehende Steuerungsmöglichkeiten für die Bestromung der Induktoren geschaffen, wobei insbesondere auch lokal erfasste Temperaturen als Steuergrößen herangezogen werden können. Dazu können die Temperaturen im Reservoir lokal verteilt, beispielsweise an den einzelnen Induktoren, aber gegebenenfalls auch außerhalb des Reservoirs, und zwar im sog. Overburden, d.h. im Gebirgsbe- reich oberhalb des Reservoirs, oder im Underburden, d.h. im Gebirgsbereich unterhalb des Reservoirs, gemessen werden. Im Einzelnen beinhaltet die Erfindung unterschiedlichste Kombinationsmöglichkeiten von einzeln bestrombaren Induktoren und diesen zuordenbaren Generatoren. Insbesondere sind folgende Maßnahmen möglich:
1. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Bestromung benachbarter Induktoren zeitlich sequentiell durchzuführen und bevorzugt räumlich weit auseinander liegende Hin- und Rückleiter zu verwenden. Weiter unten ist dazu beispielhaft die zeitlich sequentielle Beschaltung von vier Induktorpaaren gezeigt. Dabei können die Induktoren, die als Hin- und Rückleiter dienen, durch einzelne Umschalter ausgewählt werden.
2. Die Bestromung der Induktorpaare kann beispielweise zu gleichen Zeitanteilen erfolgen. Aufgrund der hohen Wärmekapazitäten des Reservoirs können dabei große Zeitintervalle im Bereich von Stunden oder Tagen gewählt werden, soweit die thermische Belastbarkeit der Induktoren nicht überschritten wird.
3. Die Zeitanteile der Bestromung können unterschiedlich für die einzelnen Induktorpaare gewählt und während verschiedener Phasen der Ausbeutung des Reservoirs verändert werden.
4. Die Kombination von Hin- und Rückleiter zur Bildung eines Induktorpaares kann während verschiedener Phasen der Ausbeutung des Reservoirs verändert werden.
5. Zur Steuerung der Zeitintervalle sowie zur Zusammenstel- lung der Induktoren zu Hin- und Rückleiterpaaren kann die
Temperatur der Induktoren bzw. die des sie umgebende Reservoirs herangezogen werden. So können thermisch gering belastete Induktoren bevorzugt bestromt werden bzw. Reservoirbereiche geringer Temperatur bevorzugt beheizt werden. 6. Eine Induktorpaarbildung kann zur Beeinflussung der Heizleistungsanteile in Overburden, Reservoir und Underburden genutzt werden. Während verschiedener zeitlicher Ausbeutungsphasen des Reservoirs kann zwischen beiden Bestromungsarten - zeitlich sequentielle oder gleichzeitige Bestromung mit mehreren Generatoren -umgeschaltet werden.
7. Es kann eine räumlich eng beieinander liegende Leitungsführung durch Overburden auf der Generator- und/oder Verbin- dungsseite erfolgen, um die unerwünschte Beheizung des Over- burdens zu vermeiden bzw. zu verringern.
8. Anstelle der Umschalter an Hin- und Rückleiter können mehrere fest verbundene Generatoren verwendet werden, die zeit- lieh sequentiell oder gleichzeitig mit gleichen oder unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden können.
9. Bei der Bestromung benachbarter Induktoren mit unterschiedlichen Frequenzen treten keine Auslöschungseffekte auf und die Gesamtheizleistung (und deren Verteilung) ergeben sich aus der Summe der Heizleistungen (bzw. deren Verteilungen) der einzelnen Induktoren.
10. Der Wirkwiderstand, den das Reservoir als Sekundärwick- lung darstellt, ist für weit entfernter Hin- und Rückleiter sehr viel höher als bei eng benachbarten Leitern, wodurch mit vergleichsweise geringen Strömen im Induktor (Primärwicklung) hohe Heizleistungen ins Reservoir eingebracht werden können.
11. Beim Betrieb der Generatoren mit unterschiedlichen Frequenzen wird vorzugsweise eine induktive Verkopplung der Generatoren bei Grund- und Oberwellen vermieden, die ansonsten zu Fehlfunktionen bzw. hohen Belastungen der Generatoren führen könnte . 12. Die kapazitiv kompensierten Induktoren sind grundsätzlich abgestimmt auf die jeweilige Betriebsfrequenz zu fertigen. Wenn die Generatoren einen kleinen Teil der insgesamt aufzubringenden Blindleistung liefern können, bzw. deren Kompensa- tion durch kapazitive bzw. induktive Beschaltungen direkt am Generator erfolgen kann, können einheitliche Induktorauslegungen, die auf eine mittlere Betriebsfrequenz abgestimmt sind, verwendet werden. Mithilfe dieser externen Kompensationsschaltungen können sonst gleich Induktoren bei geringfügig unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden, was ausreichend ist, um Auslöschungseffekte zu vermeiden.
Die Erfindung beruht auf der bei eingehenden Untersuchungen gewonnenen Erkenntnis, dass mit den vorstehend angegebenen Maßnahmen wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik realisiert werden. Diese sind insbesondere:
Zu 1: Der Wirkwiderstand der induktiven Reservoir-Heizung wird erheblich gesteigert, beispielsweise um den Faktor 4. Dies bedeutet, dass bei gleicher Stromamplitude in den Induktor die Heizleistung im Reservoir einen vierfach höheren Wert relativ zu einer gleichzeitigen Bestromung haben kann.
Im Rahmen der Erfindung wurden Modellrechnungen durchgeführt: Es wurde nach der Methode der „Finite Elemente" (FEM) von einem solchen Modell ausgegangen, das gerade ein Induktorpaar enthält, wobei vier solcher Abschnitte nebeneinander angeordnet sind und je ein weiterer Abschnitt ohne Induktoren den linken und rechten Randbereich bilden.
Zusammen ergibt sich vorteilhafterweise ein 2d-FEM-Modell mit acht einzelnen Induktoren, die beispielsweise vier separate Induktorpaare (1/5), (2/6), (3/7) und (4/8) bilden, sowie zugehörigen Randbereichen. Dieses 2d-FEM-Modell kann zur Unter- suchung der Heizleistungsverteilung bei unterschiedlichen Bestromungen verwendet werden. Durch Berechnung ergibt sich dann eine geeignete Heizleistungsverteilung, wenn ein erster Induktor als Hinleiter und ein möglichst weit entfernte Induktor als Rückleiter dient. Die gesamte Heizleistung beträgt Pl in W/m bei andauernder Bestromung der Induktoren mit einem Strom vorgegebener Il
Amplitude bei vorgegebener Frequenz f1. Vorzugsweise wird dabei von einer Frequenz von 10 kHz ausgegangen, wobei prinzipiell Frequenzen zwischen 1 und 500 kHz geeignet sind.
Bei gleichzeitiger Bestromung aller Induktoren mit der gleichen Stromamplitude Il bei gleicher Frequenz fl ergibt sich eine andere Heizleistungsverteilung. Dabei weisen die Ströme benachbarter Induktoren jeweils eine Phasenverschiebung von 180° auf. Die gesamte Heizleistung beträgt aber hierbei wie- derum in etwa Pl in W/m.
Zu 2: Werden bei dem unter Punkt 1 angegebenen Beispiel beispielsweise vier einzelne Induktorpaare (1/5), (2/6), (3/7) und (4/8) jeweils zu ein Viertel (25 %) der Zeit bestromt, wird dazu lediglich ein Generator (Umrichter) benötigt, der den erforderlichen Strom der angegebenen Stromamaplitude (1350 A) mit der 4fachen Wirkleistung liefern kann, jedoch ohne dass der Blindleistungsbedarf steigt. Damit würde im zeitlichen Mittel die gleiche Heizleistung in das Reservoir eingebracht werden wie bei gleichzeitiger Bestromung gemäß Punkt 1. Dies bedeutet, dass anstelle von vier Generatoren, die je 1/4 der gewünschten Heizleistung als Wirkleistung und zusätzlich eine vom Induktor abhängigen Blindleistung zur Verfügung stellen müssen, wird nur noch ein Generator mit der 4fachen Wirkleistung benötigt, ohne dass der Blindleistungsbedarf steigt.
Zu 3: Es kann nunmehr eine Steuerung der Heizleistungsverteilung entsprechend der jeweiligen Erfordernisse erreicht wer- den. So können beispielsweise Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung aufgrund von ungleichmäßiger Heizung durch Dampfinjektion in Grenzen kompensiert werden. Zu 4: Wie unter Punkt 3 kann damit eine Steuerung der Heizleistungsverteilung erfolgen.
Zu 5: Die zeitliche Variation der Bestromung in Kombination mit der freien Wahl von Hin- und Rückleiter kann vorteilhafterweise genutzt werden, um die Induktoren vor zu hohen Temperatur aufgrund ihrer ohmschen Verluste die zusätzlich zu externer Erwärmung durch das Reservoir erfolgt zu schützen.
Zu 6 : Die Heizleistungsanteile in Overburden, Reservoir und Underburden können über eine Bestromung der Induktoren in Grenzen beeinflusst werden, worauf weiter unten noch eingegangen wird.
Zu 7 : Mit letzteren Maßnahmen werden die Verluste im Overburden minimiert. Das zusammenführen aller Leitungen durch den Overburden erlaubt eine freie Zusammenstellung von Hin- und Rückleiter mit den Vorteilen nach den Punkten 3.-6.
Zu 8 : Vorteilhafterweise ist nunmehr ein einfacher Wechsel der Bestromungsarten möglich.
Zu 9: Alternativ wird vorgeschlagen, benachbarte Induktoren gleichzeitig aber mit unterschiedlichen Frequenzen zu bestro- men. Beispielhaft die Beschaltung von vier Induktorpaaren möglich mit vier Generatoren unterschiedlicher Frequenz.
Zu 10: Jeder Generator speist ein Hin-/Rückleiterpaar der Induktoren, wobei die einzelnen Leiter räumlich möglichst weit auseinander liegen.
Zu 11: Die Frequenzen der beteiligen Generatoren sollten bei letztere Vorgehensweise keine ganzzahligen Vielfache voneinander sein.
Zu 12: Die Frequenzen der beteiligen Generatoren können nahezu gleich sein, z. B. kleiner 5 % voneinander abweichen. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen .
Es zeigen
Figur 1 einen Ausschnitt aus einer Ölsand-Lagerstätte mit sich wiederholendem Einheiten als Reservoir und je- weiliger horizontal im Reservoir verlaufenden elektrischen Leiterstruktur,
Figur 2 das Schema der Beschaltung von vier Induktorpaaren mit zeitlich sequentieller Bestromung,
Figur 3 das Schema der Beschaltung von vier Induktorpaaren mit gleichzeitiger Bestromung mit separaten Generatoren, die unterschiedliche Frequenzen haben können, wobei die zugehörigen Hin- und Rückleiter räumlich weit auseinander liegen und
Figur 4 das Schema der Beschaltung von vier Induktorpaaren mit separaten Generatoren unterschiedlicher Frequenzen, wobei die zugehörigen Hin- und Rückleiter nebeneinander liegen.
Während Figur 1 eine perspektivische Darstellung als sich Ii- near wiederholende Anordnung (Array) zeigt, sind die Figuren 2 bis 4 jeweils Aufsichten, d.h. horizontale Schnitte in der Induktorebene von oben gesehen, wobei sich das Deckgebirge („Overburden") beidseitig gegenüber befindet. Gleiche Elemente in den Figuren haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren werden nachfolgend teilweise gemeinsam beschrieben.
Zur Förderung von Schwerstölen oder Bitumen aus Ölsand- oder Ölschiefervorkommen mittels Rohrsystemen, welche durch Bohrungen in die Öllagerstätte eingebracht werden, muss die Fließfähigkeit des feststoffartigen Bitumens bzw. der zähen
Schwerstöle erheblich verbessert werden. Dies kann durch Temperaturerhöhung des Vorkommens (Reservoirs) erreicht werden, was eine Erniedrigung der Viskosität des Bitumens bzw. Schwerstöls bewirkt.
Die früheren Patentanmeldungen der Anmelderin zielten vorwie- gend darauf ab, eine induktive Heizung zur Unterstützung des üblichen SAGD-Verfahrens zu verwenden. Dabei sind Hin- und Rückleiter der Induktorleitungen, die zusammen die Induktionsschleife bilden, in vergleichsweise großen Abstand von beispielsweise 50-150 m angeordnet. Die gegenseitige Schwä- chung der entgegengesetzt bestromten Hin- und Rückleiter ist dabei gering und kann toleriert werden.
Zunehmend werden sog. EMGD-Verfahren betrachtet, bei denen die induktive Heizung als alleiniges Heizverfahren des Reser- voirs ohne Heißdampfeinbringung eingesetzt werden soll, was u. a. den Vorteil von vermindertem bzw. von praktisch keinem Wasserverbrauch mit sich bringt.
Bei alleiniger induktiver Heizung müssen die Induktoren näher am Bitumen-Produktionsrohr angeordnet werden, um einen frühzeitigen Produktionsbeginn bei gleichzeitig vermindertem Druck im Reservoir zu ermöglichen. Damit rücken Hin- und Rückleiter ebenfalls näher aneinander. Dies bringt das Problem mit sich, dass die gegenseitige Feldschwächung der entge- gengesetzt bestromten Hin- und Rückleiter erheblich ist und zu verminderter Heizleistung führt. Dies kann zwar prinzipiell durch höhere Induktorströme ausgeglichen werden, womit jedoch die Anforderungen an die Stromtragfähigkeit der Leiter und damit deren Herstellungskosten erheblich steigen würden.
Es ist möglich, räumlich eng benachbarte Leiter zeitlich sequentiell, d.h. also nicht gleichzeitig, zu bestromen, womit das Problem der Feldschwächung nicht auftritt. Vorteilhaft dabei ist, dass ein Generator (Umrichter) für mehrere Leiter- schleifen eingesetzt werden kann. Dabei ist aber nachteilig, dass die Induktoren nur einen Bruchteil der Zeit bestromt sind und nur dann zur Reservoirheizung beitragen. Dies wird weiter unten anhand der Figuren 2 bis 4 verdeutlicht. In Figur 1 ist eine Anordnung zur induktiven Heizung dargestellt. Diese kann durch eine lange, d.h. einige 100 m bis 1,5 km, in einem Reservoir 100 verlegte Leiterschleife 10 bis 20 gebildet werden, wobei der Hinleiter 10 und Rückleiter 20 nebeneinander, also in derselben Tiefe, im vorgegebenen Abstand geführt sind und am Ende über ein Element 15 als Leiterschleife innerhalb oder außerhalb des Reservoirs 100 miteinander verbunden sind. Am Anfang werden die Leiter 10 und 20 vertikal oder in einem vorgegebenen Winkel in Bohrungen durch das Deckgebirge („Overburden") hinunter geführt und von einem HF-Generator 60, der in einem externen Gehäuse untergebracht sein kann, mit elektrischer Leistung versorgt.
Insbesondere verlaufen die Leiter 10 und 20 in gleicher Tiefe entweder nebeneinander oder aber übereinander. Dabei kann ein Versatz der Leiter sinnvoll sein. Typische Abstände zwischen den Hin- und Rückleitern 10, 20 sind 10 bis 60 m bei einem Außendurchmesser der Leiter von 10 bis 50 cm (0,1 bis 0,5 m) .
Eine elektrische Doppelleitung 10, 20 in Figur 1 mit den vorstehend genannten typischen Abmessungen weist einen Längsinduktivitätsbelag von 1,0 bis 2,7 μH/m auf. Der Querkapazi- tätsbelag liegt bei den genannten Abmessungen bei nur 10 bis 100 pF/m, so dass die kapazitiven Querströme zunächst vernachlässigt werden können. Dabei sind Welleneffekte zu vermeiden. Die Wellengeschwindigkeit ist durch den Kapazitätsund Induktivitätsbelag der Leiteranordnung gegeben.
Die charakteristische Frequenz einer Induktoranordnung aus
Figur 1 ist bedingt durch die Schleifenlänge und die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit entlang der Anordnung der Doppelleitung 10, 20. Die Schleifenlänge ist daher so kurz zu wählen, dass sich hier keine störenden Welleneffekte ergeben.
In Figur 2 ist dargestellt, wie vier Induktorpaare mit zeitlich sequentieller Bestromung geschaltet werden können. Dabei ist mit 60 wiederum der Hochfrequenz-Leistungsgenerator be- zeichnet, dessen Ausgänge auf Schalteinheiten 61, 61' gegeben werden. Die Schalteinheiten 61, 61' haben jeweils vier unterschiedliche Kontakte, wobei die Schalteinheit 61 an vier Induktoren 1, 2, 3, 4 als Hinleiter und die Schalteinheit 61' an vier Induktoren 5, 6, 7, 8 als Rückleiter angeschlossen sind. Ein Umschalttaktgeber 62 sorgt für das Umschalten bzw. Anschalten der Generatorspannung an die einzelnen Leitungen 1 bis 8.
Die einzelnen Induktoren 1 bis 8 sind entsprechend Figur 1 im Reservoir 100 angeordnet. Beidseitig des Reservoirs 100 sind Bereiche 105 vorhanden, die nicht beheizt werden sollen und phänomenologisch das „Overburden" darstellen. Weiterhin ist eine Verbindung 15 an die Enden der Induktoren angeschlossen, welche die Hin- und Rückleiter miteinander verbindet. Die
Verbindung 15 kann ober- oder unterirdisch angeordnet sein.
Mit letzterer Anordnung ist es möglich, gesteuert jeweils einzelne benachbarte Bereiche des Reservoirs zu beheizen. Dies kann insbesondere zeitlich nacheinander, d.h. sequentiell, erfolgen. Der Umschalttaktgeber 62 kann dabei von einer separaten Steuereinheit 63 angesteuert werden, die insbesondere die Temperatur T im Reservoir 100 berücksichtigt. Dafür können beispielsweise in Figur 2 nicht dargestellte Tem- peratursensoren an den einzelnen Induktoren bzw. Induktorleitungen platziert werden, um dort lokal Temperaturen T1 zu messen und an die Steuereinheit 63 zur Auswertung zu leiten. Es können so insbesondere Übertemperaturen an den Induktoren berücksichtigt werden.
Möglich ist es aber auch, die Temperaturen lokal an anderen Stellen im Reservoir 100 oder auch im Overburden und/oder Un- derburden zu messen und bei der Ansteuerung der Generatoren zu berücksichtigen. Wesentlich ist dabei, dass sich so die Leistungsabgabe der Generatoren verändern und an die jeweiligen Anforderungen, die sich in den zeitlichen Ausbeutungsphasen der Lagerstätte ändert, anpassen lassen. Dies gilt inbe- sondere deswegen, da die Zeitphasen bei der Ausbeutung lang sind, beispielsweise Jahre und mehr.
In Figur 3 ist die Anordnung gemäß Figur 2 dahingehend abge- ändert, dass vier Hochfrequenz-Leistungsgeneratoren 60',
60'', 60''' und 60'''' vorhanden sind, welche jeweils paarweise zwei der Induktoren 1 bis 8 ansteuern. Es ist wiederum eine ober- oder unterirdische Verbindung 15 vorhanden. Mit dieser Anordnung ist es insbesondere möglich, vier Induktor- paare gleichzeitig mit unterschiedlichen Stromstärken bei unterschiedlichen Frequenzen zu bestromen.
Eine Anordnung gemäß Figur 3 kann dahingehend abgewandelt werden, dass auch unterschiedliche Frequenzen verwendet wer- den. Dies ist in Figur 4 dargestellt, bei der wiederum acht Induktoren 1 bis 8 im Reservoir parallel zueinander angeordnet sind. Jeweils zwei der Induktoren 1 bis 8 werden von einem separaten Generator 60' bis 60'''' angesteuert. Dabei sind in diesem Fall solche Generatoren gewählt, die unter- schiedlich vorgebbare Frequenzen generieren. Beispielsweise hat Generator 60' die Frequenz fi, Generator 60'' die Frequenz f2, Generator 60''' die Frequenz f3 und Generator 60'''' die Frequenz f4. Durch die Versorgung mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen werden nunmehr gezielt die einzel- nen Bereiche unterschiedlich beheizt.
Anhand der Beispiele wurde gezeigt, dass die Heizleistungsanteile in Overburden (OB), Reservoir 100 und Underburden (UB) über eine differenzierte Bestromung der Induktoren in vorge- gebenen Grenzen beeinflusst werden können. Diese Anteile werden für ein im Einzelnen untersuchten Beispiel abschließend wiedergegeben :
a: Bei Bestromung beispielsweise der Induktoren 1 bis 5 er- gibt sich beispielsweise eine prozentuale Verlustverteilung von :
OB 31,3 %, Reservoir 45,5 % und UB 23,2 %. b: Bei gleichzeitiger Bestromung aller Induktoren ergibt sich dagegen :
OB 24,2 %, Reservoir 62,8 % und UB 13,0 %.
Letzteres bedeutet, dass der größte Teil der Heizleistung im Reservoir dann deponiert wird, wenn eine gleichzeitige Bestromung der Induktoren erfolgt, und zwar mit einer Phasenverschiebung von φ = 180 zwischen benachbarten Induktoren. Daher kann eine Umschaltung zwischen den Bestromungsarten je nach dem zeitlichen Ablauf der Lagerstättenausbeutung vorteilhaft sein, insbesondere in Abhängigkeit von der gewünschten Heizleistungsverteilung der Generatoren bzw. der dabei eingesetzten Generatorenanzahl.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass bei einer Anordnung des Leistungsgenerators außerhalb des Reservoirs auch eine unterirdische Installation des Generators möglich ist, was unter Umständen vorteilhaft sein kann, In diesem Fall würde dann die elektrische Leistung bei niedriger Frequenz, d.h. 50-60Hz oder gegebenenfalls auch als Gleichstrom, nach unten geführt und könnte eine Umrichtung in den kHz-Bereich unterirdisch erfolgen, so dass keine Verluste im Deckgebirge auftreten .
Insgesamt kann festgehalten werden, dass die zur Beheizung des Reservoirs maßgeblichen elektrischen Parameter zeitlich und/oder örtlich variabel vorgegeben werden und von außerhalb des Reservoirs zur Optimierung des Fördervolumens während der Förderung des Bitumens verändert werden können. Bei der zuge- hörigen Vorrichtung ist wenigstens ein Generator vorhanden, vorzugsweise aber mehrere Generatoren, wobei dessen/deren elektrische Parameter (I, flr φ) variabel sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur „in situ"-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus Ölsand-Lagerstätten als Reservoir, wobei das Reservoir mit Wärmeenergie zur Verringerung der Viskosität des Bitumens oder Schwerstöls beaufschlagt wird, wozu wenigstens eine elektrische/elektromagnetische Heizung vorgesehen ist und ein Förderrohr zum Wegführen des verflüssigten Bitumens oder Schwerstöls vorgesehen ist und in vorgegebener Tie- fe des Reservoirs wenigstens zwei linear ausgedehnte Leiter zumindest abschnittsweise parallel in horizontaler Ausrichtung geführt sind, wobei die Enden der Leiter innerhalb oder außerhalb des Reservoirs elektrisch leitend verbunden sind und zusammen eine Leiterschleife bilden sowie außerhalb des Reservoirs an einem externen Wechselstromgenerator für elektrische Leistung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die für die elektrische/elektromagnetische Beheizung des Reservoirs maßgeblichen Parameter zeitlich und/oder örtlich variabel sind und von außerhalb des Reservoirs zur Optimie- rung des Fördevolumens während der Förderung des Bitumens oder Schwerstöls verändert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine induktive Beheizung des Reservoirs durch Einbringung von elektrischer Leistung wenigstens eines Leistungsgenerators über Leitungen und Induktoren erfolgt, wobei die elektrische Leistung des wenigstens einen Leistungsgenerators variabel ist und während der Förderung des Bitumens oder Schwerstöls verändert und den jeweiligen Bedürfnissen angepasst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in verschiedenen zeitlichen Ausbeutungsphasen der Ölsand-Lager- stätte die Bestromung der Induktoren geändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Leistungsgenerator für die induktive Heizung mit unterschiedlichen, gegebenenfalls variablen Frequenzen, betrieben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsströme des wenigstens einen Leistungsgenerators variabel sind und während der Förderung des Bitumens oder Schwerstöls verändert und den jeweiligen Bedürfnissen ange- passt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung mehrer Leistungsgeneratoren, die jeweils eine Induktionsschleife bestromen, die Phasenlage der elektrischen Ströme relativ zueinander variabel sind und den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden.
7. Verfahren nach einem der vorliegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen innerhalb des Reservoirs lokal erfasst und zur Steuerung der zeitlich sequentiellen Bestromung der Induktoren und/oder zur Stromamplitudensteuerung der Leistungsgeneratoren verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Reservoirs lokal an den Induktoren erfasst wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturobergrenzen der Induktoren und Leitungsverbindungen zur Steuerung der zeitlich sequentiellen Bestromung verwendet werden .
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an den Induktoren zur Amplitudensteuerung der durch die Induktoren fließenden Ströme verwendet wird.
11. Verfahren nach An, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen außerhalb des Reservoirs, insbesondere lokal im Over- und/oder Underburden des Reservoirs, erfasst werden und zu Steuerungszwecken herangezogen werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch nachträglich in das Reservoir eingebrachte Induktoren nicht ausgebeutete Bereiche der Ölsand-Lagerstätte erschlossen werden.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12, mit im Reservoir geführten Leitungen als separate Induktoren und außerhalb des Reservoirs zugeordneten wenigstens einem Leistungsgenerator, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens ein Generator (60; 60', 60", 60'", 60'''') für die elektrische Leistung hinsichtlich seiner die Ausgangsleistung bestimmender Parameter (I, fi, φ) variabel ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur sequentiellen Anschaltung der einzelnen Ausgänge des wenigstens einen Generators (60; 60', 60'',60''', 60'''') an die Induktoren (1 - 8) vorhanden sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Generator (60; 60', 60'',60''', 60'''') einzelne Ausgänge für unterschiedliche Frequenzen (fj hat.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Generatoren (60; 60', 60", 60'", 60'"') für unterschiedliche Frequenzen (fx) vorhanden sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter für die elektromagnetische Heizung im Reservoir (100) horizontal geführt sind und einzelne Induktoren (1 - 8) bilden.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (1 - 8) für die elektromagnetische Heizung eine Leiterschleife (15) haben.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen aus Induktoren (1 - 8) und Verbindung (15) mit Sensoren zur Erfassung von Temperaturen (T1) ausgestattet sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass externe Umschaltmittel (62, 63) vorhanden sind, die jeweils unterschiedliche Induktorleitungen (1 - 8) zu einer Induktorschleife verbinden.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Umschalten mittels der externen Umschaltmittel (62, 63) der Abstand der Induktorleitungen
(1 - 8) und damit der eingebrachten Heizleistung ausgewählt wird.
22. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren die Temperaturen (T1) innerhalb und/oder außerhalb des Reservoirs (100) angeordnet sind und zur zeitlich sequentiellen Steuerung und/oder Stromamplituden-Steuerung der Generatoren (60; 60', 60", 60'", 60'''') verwendet werden.
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