EP2633153B1

EP2633153B1 - Verfahren zur "in situ"-förderung von bitumen oder schwerstöl aus ölsand-lagerstätten als reservoir

Info

Publication number: EP2633153B1
Application number: EP11770719.0A
Authority: EP
Inventors: Dirk Diehl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: EP2633153A1; CA2812711C; WO2012041877A1; DE102010043302A1; CA2812711A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur "in situ"-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus Ölsand-Lagerstätten als Reservoir. Das Reservoir wird induktiv über wenigstens einen elektrischen stromdurchflossenen Leiter erwärmt, um eine Verringerung der Viskosität des Bitumens oder Schwerstöls zu erreichen. Über wenigstens eine perforierte Fluidführung, welche den wenigstens einen Leiter zumindest abschnittsweise umgibt oder umfasst, wird ein Fluid in das Reservoir über die Perforierung in der Fluidführung eingeführt.
Zur Förderung von Kohlenwasserstoffen wie z.B. Schwerölen oder Bitumen aus Lagerstellen mit Ölsand- oder Ölschiefervorkommen, im Weiteren Reservoir genannt, können Tagebaumethoden oder "in-situ" Methoden verwendet werden. CA 2 304 938 A1 offenbart eine in-situ Methode, wobei ein durch ein Reservoir verlaufendes, geschlitztes Förderrohr induktiv erwärmt wird. Ein Lösemittel wird durch das Förderrohr geleitet, durch die Hitze verdampft und ins Reservoir zur Mobilisierung von Erdöl injiziert.
Eine weitere "in-situ" Methode ist das SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage)-Verfahren. Dabei wird über ein Rohr Wasserdampf unter hohem Druck in das Erdreich durch ein innerhalb des Reservoirs horizontal verlaufendes Rohr eingebracht. Der Wasserdampf erwärmt das Schweröl oder Bitumen im Reservoir, wobei es fließfähig wird. Das erhitzte, fließfähige Schwerstöl oder Bitumen sickert über Gravität zu einem zweiten, z.B. etwa 5 m tiefer angeordneten Rohr, durch welches es abgepumpt bzw. gefördert wird. Alternativ oder unterstützend kann das Reservoir induktiv erwärmt werden, z.B. durch eine isolierte, stromdurchflossene Leiterschleife, welche in ihrer Umgebung Ströme im Erdreich des Reservoirs induziert. Die induzierten Ströme werden vor allem von der Ionenleitfähigkeit in Flüssigkeiten getragen. Der Betrag der magnetischen Flussdichte um den Leiter der Leiterschleife nimmt nährungsweise umgekehrt proportional mit dem Abstand zum Leiter ab. Bei homogener elektrischer Leitfähigkeit des umliegenden Erdreichs führt dies näherungsweise zu einer Abnahme der Heizleistungsdichte um den Leiter. Die Heizleistungsdichte um den Leiter ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands vom Leiter. Somit tritt in unmittelbarer Umgebung zum isolierten Leiter die höchste Heizleistungsdichte auf. Dies führt zunächst zu einer starken Erwärmung des Erdreichs in unmittelbarer Umgebung vom Leiter, was durch Wärmeleitung auch zu einer entsprechend hohen Temperatur T_L des Leiters selbst führt. Dies erfolgt sogar, wenn die ohmschen Verluste im Leiter selbst sehr klein sind.
Der Leiter zur induktiven Erwärmung des Reservoirs, welcher auch Induktor genannt wird und z.B. aus der DE 102007040605 B3 bekannt ist, besteht aus einer Reihe von Materialien. Insbesondere werden im Leiter Dielektrika zur kapazitiven Kompensation verwendet, um elektrische Verluste im Leiter selbst so gering wie möglich zu halten. Zur Isolation des elektrisch leitfähigen Materials, insbesondere gegenüber dem umliegenden Erdreich, wird Isolationsmaterial verwendet, welches z.B. aus PFA, PTFE und/oder PEEK besteht oder dieses umfasst bzw. enthält. Das Dielektrikum und das Isolationsmaterial sind in der Regel bis maximal 150°C thermisch stabil, auch über längere Zeiten wie Stunden, Tage, Monate und Jahre hinweg.
Um über längere Zeiträume hinweg zuverlässig Schwerstöl und/oder Bitumen fördern zu können, mit Unterstützung durch induktive Erwärmung des Reservoirs über wenigstens eine Leiterschleife mit isoliertem elektrischem Leiter, muss die Temperatur des Leiters unterhalb einer kritischen Temperatur von z.B. 150°C gehalten werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Isolation und das Dielektrikum zeitlich thermisch stabil sind und der Leiter nicht durch hohe Temperaturen beschädigt wird. Dies ist gerade in Hinblick auf die hohen elektrischen Spannungen von größer 10 kV und Heizleistungen im Bereich von MW schwierig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren anzugeben, bei welchem die Temperatur eines Leiters zur induktiven Erwärmung des Erdreichs eines Reservoirs einen kritischen Wert nicht übersteigt.
Die angegebene Aufgabe wird bezüglich des Verfahrnes zur "in situ"-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus Ölsand-Lagerstätten als Reservoir mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur "in situ"-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus Ölsand-Lagerstätten als Reservoir gehen aus den zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale des Hauptanspruchs mit Merkmalen der Unteransprüche und Merkmale der Unteransprüche untereinander kombiniert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur "in situ"-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus Ölsand-Lagerstätten als Reservoir umfasst, dass das Reservoir induktiv über wenigstens einen elektrischen stromdurchflossenen Leiter zur Verringerung der Viskosität des Bitumens oder Schwerstöls erwärmt wird, und dass über wenigstens eine perforierte Fluidführung, welche den wenigstens einen Leiter zumindest abschnittsweise umgibt oder umfasst, ein Fluid in das Reservoir über die Perforierung in der Fluidführung eingeführt wird. Das Fluid verringert eine elektrische Leitfähigkeit im Reservoir, zumindest in der Umgebung der Fluidführung und/oder des Leiters. Mit den Leiter zumindest abschnittsweise umfassen ist unter anderem zu verstehen, dass der Leiter und die Fluidführung selbst benachbart angeordnet sind und z.B. umgeben sind von einer gemeinsamen Isolierung gegenüber dem Erdreich, welche die gleiche und/oder die selbe Perforierung wie die Fluidführung aufweist oder für Fluide zumindest partiell durchlässig ist.
Durch Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit in der Umgebung der Fluidführung wird der vom stromdurchflossenen Leiter induzierte Strom in der Umgebung der Fluidführung bzw. des Leiters reduziert. Dadurch wird die induktiv erzeugte Heizleistung in der Umgebung des Leiters bzw. der Fluidführung verringert und die Temperatur des Leiters bzw. der Fluidführung, insbesondere durch Wärmeleitung von induktiv erzeugter Wärme in der unmittelbaren Umgebung, wird begrenzt.
Als Fluid kann Wasser mit einer geringen Leitfähigkeit, als die Leitfähigkeit von im Reservoir befindlichem Wasser, in das Reservoir eingeführt werden. Die Menge des eingeleiteten Wassers und/oder dessen Leitfähigkeit sollte abhängig von dem Wert bestimmt werden, auf welchen die Temperatur T_L begrenzt werden soll, und insbesondere abhängig von der verwendeten Stromstärke/Spannung zur Induktion durch den Leiter.
Alternativ oder zusätzlich kann als Fluid Gas in das Reservoir eingeführt werden. Dabei ist Luft als Gas besonders kostengünstig und einfach zu verwenden. Es kann aber auch als Gas Kohlendioxid und/oder Stickstoff verwendet werden oder das Gas kann Kohlendioxid und/oder Stickstoff umfassen.
Als Fluid kann auch eine Lösung aus chemischen Substanzen in das Reservoir eingeführt werden, dessen chemische Substanzen zu einem schwerlöslichen Salz im Reservoir reagieren und dadurch zu einer Ausfällung von Ionen im Reservoir führen. Dabei ist es von Vorteil, wenn eine chemische Analyse vor dem Einführen der Lösung in das Reservoir erfolgt. Es kann wenigstens ein Fluid, insbesondere Wasser, aus dem Reservoir verwendet werden, um Ionen in dem aus dem Reservoir entnommenen Fluid zu bestimmen und abhängig von den bestimmten Ionen die chemischen Substanzen in der Lösung auszuwählen. Auch Konzentrationsbestimmungen können dazu beitragen die richtige Zusammensetzung der Lösung zu erstellen, mit welcher die Temperatur der direkten Umgebung des Leiters und damit des Leiters selbst bei einer bestimmten Bestromung der Leiter auf einen vorgegebenen Wert bzw. unterhalb eines Grenzwertes gehalten werden kann. Die Konzentration und Art der Ionen in der Lösung sollte dazu führen, dass mit der Lösung Ionen im Reservoir z.B. in Form eines schwerlöslichen Salzes ausgefällt werden, und so die Gesamtionenkonzentration der frei beweglichen, geladenen und somit induktiv über den Stromdurchflossenen Leiter bewegbaren Ionen auf einen Wert verringert wird, welcher bei vorgegebenem Aufbau und Bestromung des Leiters zu einer vorgegebenen Temperatur T_L in seiner direkten Umgebung führt. Durch Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit im Reservoir wird die induktive Erwärmung über den stromdurchflossenen Leiter verringert.
Die Temperatur T in der direkten oder indirekten Umgebung des Leiters und/oder der Fluidführung kann auf einen maximalen Wert beschränkt werden, insbesondere auf einen Wert kleiner 150°C. Dabei kann eine zuvor beschriebene Fluideinleitung ins Reservoir oder eine Kombination der zuvor beschriebenen Arten an Fluideinleitung verwendet werden. Die Temperatur kann auf einen maximalen Wert beschränkt werden, bei welchem Komponenten einer Vorrichtung zur "in situ"-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus Ölsand-Lagerstätten als Reservoir, insbesondere Isolationsmaterialien des Leiters, Dielektrika zwischen Leiterkomponenten und/oder Materialien der Fluidführung, temperaturstabil sind. Bei einer Temperatur von kleiner 150°C sind Materialien wie Dielektrika und Isolierstoffe, z.B. PFA, PTFE und/oder PEEK in der Regel thermisch stabil und werden nicht mit der Zeit thermisch beschädigt. Dadurch wird eine Schädigung des Leiters durch hohe Temperaturen in seiner direkten Umgebung vermieden, indem die Temperaturen unterhalb eines Grenzwertes gehalten werden.
Das Fluid kann die elektrische Leitfähigkeit in der Umgebung der Fluidführung insbesondere im Bereich von 3 m um die Fluidführung herum verringern. Dies kann ausreichend sein, um über die Umgebung durch Wärmeleitfähigkeit transportierte Wärme zum Leiter hin so zu verringern bis hin zu verhindern, dass die Temperatur T_L des Leiters einen kritischen Grenzwert bei induktiver Erwärmung der Leiterumgebung nicht überschreitet.
Der elektrische Leiter kann von einem Wechselstrom mit einer Stromstärke im Bereich von mehr als 100 A, insbesondere 270 A, und/oder mit einer Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 100 kHz, insbesondere 75 kHz, durchflossen werden, wodurch insbesondere das Erdreich des Reservoirs in der Umgebung des elektrischen Leiters durch induzierte Ströme im Erdreich erwärmt wird. Dabei kann eine Heizleistung im Bereich von mehreren MW erzeugt werden, bei Spannungen über den elektrischen Leiter im Bereich von größer 10 KV. Es sind auch andere Werte möglich, insbesondere abhängig von der Ausführungsform des Leiters, der Bodenbeschaffenheit, dem zu fördernden Schwerstöl oder Bitumen und weiteren bei der Ölförderung über induktives Heizen beteiligten Parametern.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Es wird in den Figuren dargestellt:

Figur 1: ein Schnitt durch ein Ölsand-Reservoir 100 mit Injektions- 101 und Förderrohr 102,
Figur 2: ein perspektivischer Ausschnitt aus einem ÖlsandReservoir 1 mit einer horizontal im Reservoir verlaufenden elektrischen Leiterschleife 2,
Figur 3: ein perforierter, rohrförmiger Leiter 3 mit integrierten Kondensatoren und einer Vorrichtung zur Elektrolyteinbringung.

In den Figuren 1 und 2 ist eine als Reservoir bezeichnete Ölsand-Lagerstätte 100 dargestellt, wobei für die weiteren Betrachtungen immer eine quaderförmige Einheit 1 mit der Länge l, der Breite w und der Höhe h herausgegriffen wird. Die Länge l kann beispielsweise bis zu einigen 500 m, die Breite w 60 bis 100 m und die Höhe h etwa 20 bis 100 m betragen. Zu berücksichtigen ist, dass ausgehend von der Erdoberfläche E ein "Deckgebirge" der Stärke s bis zu 500 m vorhanden sein kann.
Bei Realisierung des SAGD-Verfahrens ist gemäß Figur 1 in bekannter Weise in dem Ölsand-Reservoir 100 der Lagerstätte ein Injektionsrohr 101 für Dampf- oder Wasser/Dampf-Gemisch und ein Förderrohr 102 für das verflüssigte Bitumen oder Öl vorhanden.
In Figur 2 ist eine bekannte Anordnung zur induktiven Heizung dargestellt. Diese kann durch eine lange, d.h. einige 100 m bis 1.5 km, im Boden verlegte Leiterschleife 10 bis 20 gebildet werden, wobei der Hinleiter 10 und Rückleiter 20 nebeneinander, also in derselben Tiefe, geführt sind und am Ende über ein Element 15 innerhalb oder teilweise außerhalb des Reservoirs 100 miteinander verbunden sind. Am Anfang werden die Leiter 10 und 20 vertikal oder in einem flachen Winkel 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 nebeneinander, ggf. aber auch übereinander.
Typische Abstände zwischen den Hin- und Rückleitern 10, 20 sind 5 bis 60 m bei einem Außendurchmesser der Leiter von 10 bis 50 cm.
Eine elektrische Doppelleitung 10, 20 in Figur 2 mit den vorstehend genannten typischen Abmessungen weist einen Längsinduktivitätsbelag von 1.0 bis 2.7 µH/m auf. Der Querkapazitätsbelag 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 Kapazitäts- und Induktivitätsbelag der Leiteranordnung gegeben. Die charakteristische Frequenz der Anordnung 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.
Es lässt sich zeigen, dass die simulierte Verlustleistungsdichteverteilung in einer Ebene senkrecht zu den Leitern - wie sie sich bei gegenphasiger Bestromung des oberen und unteren Leiters ausbildet - radial abnimmt.
Für eine induktiv eingebrachte Heizleistung von 1 kW pro Meter Doppelleitung wird bei 50 kHz eine Stromamplitude von etwa 350 A für niederohmige Reservoirs mit spezifischen Widerständen von 30 Ω·m und etwa 950 A für hochohmige Reservoirs mit spezifischen Widerständen von 500 Ω·m benötigt. Die erforderliche Stromamplitude für 1 kW/m fällt quadratisch mit der Anregungsfrequenz. d.h. bei 100 kHz fallen die Stromamplituden auf 1/4 der obigen Werte.
Bei einer mittleren Stromamplitude von 500 A bei 50 kHz und einem typischen Induktivitätsbelag von 2 µH/m beträgt der induktive Spannungsabfall etwa 300 V/m.
Um den gesamten induktiven Spannungsabfall über eine Leiterschleife 2 auf Werte kleiner 100 kV in der Summe zu beschränken, und um damit Isolationsprobleme zu vermeiden, wird die Leitungsinduktivität L abschnittsweise durch diskret oder kontinuierlich ausgeführte Serienkapazitäten C kompensiert. Eigenart bei einer in die Leitung integrierten Kompensation ist, dass die Frequenz des HF-Leitungsgenerators auf die Resonanzfrequenz der Stromschleife abgestimmt werden muss. Dies bedeutet, dass die Doppelleitung 10, 20 für Heizzwecke zweckmäßig, d.h. mit hohen Stromamplituden, nur bei dieser Frequenz betrieben werden kann.
Dadurch wird eine Addition der induktiven Spannungen entlang der Leitung verhindert. Werden beim oben genannten Beispiel - d.h. 500 A, 2 µH/m, 50 kHz und 300 V/m - beispielsweise alle 10 m je ein Kondensator C_i in Hin- und Rückleiter von 1 µF Kapazität eingebracht, kann der Betrieb dieser Anordnung bei 50 kHz resonant erfolgen. Damit sind die auftretenden induktiven und entsprechend kapazitiven Summenspannungen auf 3 kV begrenzt.
Wird der Abstand zwischen benachbarten Kondensatoren C_i verringert, müssen die Kapazitätswerte umgekehrt proportional zum Abstand steigen - bei proportional zum Abstand verringerter Anforderung an die Spannungsfestigkeit der Kondensatoren -, um dieselbe Resonanzfrequenz zu erhalten.
Eine vorteilhafte, in Fig. 3 dargestellte und aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform mit in der Leitung 2 integrierten Kapazitäten sieht vor, dass die Kapazität von Zylinderkondensatoren C_i zwischen einer rohrförmigen Außenelektrode 32 eines Abschnitts I und einer rohrförmigen Innenelektrode 34 des Abschnitts II gebildet wird, zwischen denen sich ein Dielektrikum 33 befindet. Ganz entsprechend wird der benachbarte Kondensator zwischen den Abschnitten II und III gebildet.
Für das Dielektrikum des Kondensators C sind neben einer hohen Spannungsfestigkeit weiterhin eine hohe Temperaturbeständigkeit zu fordern, da sich der Leiter im induktiv geheizten Reservoir 100, das eine Temperatur von z.B. 250°C erreichen kann, befindet und die resistiven Verluste in den Leitern 10, 20 zu einer weiteren Aufheizung der Elektroden führen können. Die Anforderungen an das Dielektrikum 33 werden von einer Vielzahl von Kondensatorkeramiken erfüllt.
Beispielsweise weisen die Gruppe der Aluminiumsilicate, d.h. Porzellane, Temperaturbeständigkeiten von mehreren 100°C und elektrische Durchschlagsfestigkeiten von > 20 kV/mm bei Permittivitätszahlen von 6 auf. Damit können obige Zylinderkondensatoren mit der erforderlichen Kapazität realisiert werden und eine Baulänge von beispielsweise 1 bis 2 m haben.
Wenn die Baulänge kürzer ausfallen soll, ist eine Ineinanderschachtelung mehrerer koaxialer Elektroden vorzusehen. Dies ist der Einfachheit halber in den Fig. nicht dargestellt. Auch andere übliche Kondensatorbauformen können in die Leitung integriert werden, solange diese die erforderliche Spannungs- und Temperaturbeständigkeit aufweisen.
In der Figur 3 ist die gesamte Elektrode bereits von einer Isolation umgeben. Die Isolierung gegen das umliegende Erdreich ist notwendig, um resistive Ströme durch das Erdreich zwischen den benachbarten Abschnitten insbesondere im Bereich der Kondensatoren zu verhindern. Die Isolation verhindert weiterhin den resistiven Stromfluss zwischen Hin- und Rückleiter. Die Anforderungen bzgl. der Spannungsfestigkeit an die Isolation sind jedoch gegenüber der unkompensierten Leitung von > 100 kV auf im obigen Beispiel etwas über 3 kV gesunken und damit durch eine Vielzahl von Isolierstoffen zu erfüllen. Die Isolation muss wie bereits das Dielektrikum der Kondensatoren höheren Temperaturen dauerhaft standhalten, womit sich wiederum keramische Isolierstoffe anbieten. Dabei darf die Isolationsschichtdicke nicht zu gering gewählt werden, da sonst kapazitive Leckströme ins umliegende Erdreich abfließen könnten. Isolierstoffdicken größer z. B. 2 mm sind bei obigem Ausführungsbeispiel ausreichend.
Es können auch mehrere rohförmige Elektroden parallel geschaltet sein. Vorteilhafterweise kann die Parallelschaltung der Kondensatoren zur Erhöhung der Kapazität oder zur Erhöhung ihrer Spannungsfestigkeit genutzt werden.
Bei einer Anordnung gemäß Figur 3 kann nach dem Stand der Technik abschnittsweise eine Elektrolyteinbringung ins Erdreich zur gezielten Steigerung der Heizwirkung erfolgen. Dazu weist die Leitung 2 neben der kompensierten Elektrode ein isoliertes Innenrohr 40 mit isolierten Austrittsöffnungen 41, 42 und 43 auf, was im Weiteren auch als perforiert bezeichnet wird. Dadurch kann beispielsweise Wasser oder eine elektrisch leitfähige wässrige Salzlösung oder andere Elektrolyte in das Reservoir eingebracht werden, um die Leitfähigkeit des Reservoirs zu erhöhen.
Weiterhin kann das eingebrachte Wasser zur Kühlung des Leiters dienen. Werden die Austrittsöffnungen durch Ventile ersetzt, kann die Leitfähigkeitsänderung zeitlich und räumlich abschnittsweise gezielt erfolgen.
Die Erhöhung der Leitfähigkeit dient der Steigerung der induktiven Heizwirkung, ohne die Stromamplitude in den Leitern erhöhen zu müssen.
In Fig. 3 erfolgt eine Kompensation der Längsinduktivität mittels vorwiegend konzentrierter Querkapazitäten. Anstelle mehr oder weniger kurzer Kondensatoren als konzentrierte Elemente in die Leitung einzubringen, kann auch der Kapazitätsbelag den eine Zweidrahtleitung wie z. B. eine Koaxialleitung oder Mehrdrahtleitungen ohnehin über ihre gesamt Länge bereitstellen zur Kompensation der Längsinduktivitäten verwendet werden. Dazu wird in gleichen Abständen abwechselnd der Innen- und Außenleiter unterbrochen und so der Stromfluss über die verteilten Querkapazitäten erzwungen. Der Vorteil der verteilten Kapazitäten liegt in einer verringerten Anforderung an die Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums.
Selbstverständlich ist auch eine kompensierte Elektrode mit verteilten Kapazitäten in Kombination mit einer Vorrichtung zur Elektrolyteinbringung einsetzbar.
Im Deckgefüge, durch das Hin- und Rückleiter zum Reservoir 100 vertikal geführt sind, ist eine Heizwirkung unerwünscht: Im vertikalen Bereich der Doppelleiter 10, 20, die noch nicht im Reservoir 100 liegt, sondern zu diesem hinunterführt, können Hinleiter 10 und Rückleiter 20 in einem kleinen Abstand von beispielsweise 1 bis 3 m platziert werden, wodurch sich deren Magnetfelder bereits in geringerem Abstand von der Doppelleitung kompensieren und die induktive Heizwirkung entsprechend verringert wird.
Als Alternative können Hinleiter 10 und Rückleiter 20 durch eine beide Leiter umschließende Schirmung aus hochleitfähigem Material umgeben werden, um die induktive Erhitzung des umliegenden Erdreichs des Deckgefüges zu vermeiden.
In weiterer Alternative ist eine koaxiale Leiteranordnung in vertikalen Bereich von Hin- und Rückleiter denkbar, die zu einer vollkommenen Auslöschung der Magnetfelder im Außenbereich und damit zu keinerlei induktiven Erhitzung des umliegenden Erdreichs führt. Der dabei erhöhte Querkapazitätsbelag kann für die Ausführung eines Gyrators, der gemäß dem Stand der Technik eine Spannung eines spannungseinprägenden Stromrichters in einen Wechselstrom umsetzt, mit zu Hilfe gezogen werden.
Bei allen drei genannten Methoden ist eine Kompensation des jeweiligen Induktivitätsbelags der Leiteranordnung einschließlich der evtl. vorhandenen Schirmung notwendig.
Der Leistungsgenerator 60 in Fig. 2 ist als Hochfrequenzgenerator ausgebildet. Er kann Leistungen bis zu 2500 kW erzeugen. Typischerweise werden Frequenzen zwischen 5 und 20 kHz verwendet. Es können aber auch höhere Frequenzen verwendet werden. Der Leistungsgenerator 60 ist dreiphasig aufgebaut und beinhaltet vorteilhafterweise eine transformatorische Kopplung und Leistungshalbleiter als Bauelemente. Insbesondere beinhaltet die Schaltung einen spannungseinprägenden Wechselrichter. Eine Stromeinprägung mit Lastunabhängiger Grundschwingung, die mittels mittels Filterbauelementen einstellbar ist, ergibt sich bei geeigneter Wahl des Anpassvierpols hinter diesem. Je nach Topologie des Anpassvierpols ergibt sich eine unterschiedliche Strombelastung des speisenden Wechselrichters.
Wie bereits erwähnt, ist bei einem solchen Generator für den bestimmungsgemäßen Gebrauch ein Betrieb unter Resonanzbedingungen erforderlich, um eine Blindleistungskompensation zu erreichen. Gegebenenfalls ist die Ansteuerfrequenz im Betrieb geeignet nachzustellen.
Bei einer Leiterschleife 10, 15, 20 gemäß Figur 2, die einen zweipoligen Induktor darstellt, kann auch ein einphasiger Generator genutzt werden. Solche Generatoren mit beispielsweise 440 KW bei 50 KHz sind kommerziell erhältlich.
Wie zuvor beschrieben und aus dem Stand der Technik bekannt, kann über Einbringung von Elektrolyt ins Erdreich eine gezielte Steigerung der Heizwirkung erfolgen. Es kann beispielsweise Wasser oder eine elektrisch leitfähige wässrige Salzlösung oder andere Elektrolyte in das Reservoir eingebracht werden, um die Leitfähigkeit des Reservoirs zu erhöhen.
Problematisch dabei, wie auch ohne Einbringung von Elektrolyt, ist die Erwärmung des Leiters 3 bzw. der Leiterschleife 10, 20, 15 durch Wärmeleitung vom Erdreich zum Leiter 3. Wie zuvor erwähnt sind die Materialien wie Isolator und Dielektrikum nur bis zu bestimmten Temperaturen stabil, abhängig von der Materialwahl. Bei hohen Heizleistungen kann deshalb alternativ oder zusätzlich (zeitlich folgend), über Einbringung eines Fluids in das Erdreich erfindungsgemäß die Leitfähigkeit der Umgebung der Leiter 3 gezielt herabgesetzt werden. Als Fluide dienen dabei unter anderem Wasser, und/oder Gase wie Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, und/oder Lösungen aus chemischen Substanzen, welche im Reservoir zu schwerlöslichen Salzen reagieren und dadurch zu einer Ausfällung von Ionen im Reservoir führen.
Dadurch kann bei induktiver Heizung des Erdreichs über den Leiter 3 die Heizleistung in unmittelbarer Umgebung des Leiters 3 reduziert werden. Durch das Fluid wird die Leitfähigkeit in der Umgebung, z.B. bis hin zu 3 m um den Leiter 3 herum, herabgesetzt. Die Abnahme der Leitfähigkeit ist besonders stark in unmittelbarer Umgebung vom Leiter 3, dort wo die meiste Heizleistung durch Induktion auftritt. Die induzierten Ionenströme im Erdreich um den Leiter 3 herum werden durch das Fluid bzw. die Herabsetzung der Leitfähigkeit im Erdreich verringert. In weiter entfernten Bereichen des Leiters 3, wo die Heizleistung durch Induktion geringer ist, erfolgt weniger bis hin zu keiner Herabsetzung der Leitfähigkeit durch das Fluid. Dieses wird zwar auch in entfernteren Bereichen des Erdreichs durch z.B. Diffusion eingebracht, jedoch in einem viel geringerem Ausmaß als in unmittelbarer näher um den Leiter 3 herum. Dadurch wird die geringere Heizleistung, welche in vom Leiter 3 entfernteren Bereichen des Erdreichs auftritt, nicht weiter reduziert bzw. nur geringfügig reduziert. In unmittelbarer Umgebung, mit der Entfernung vom Leiter 3 hin abnehmend, wird die Leitfähigkeit, damit die induzierte Heizleistung und somit die Erwärmung reduziert. Die geringere Wärmemenge in der Umgebung des Leiters 3 führt zu einer geringeren Wärmeleitung zum Leiter 3 hin und somit zu einer geringeren Erwärmung des Leiters 3 selbst. Die Temperatur T_L des Leiters 3 kann so auf einen maximalen Wert beschränkt werden, bei welchem die einzelnen Materialien des Leiters 3 thermisch nicht geschädigt werden und langzeitstabil sind.
Durch das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren wird die Heizleistung in der Umgebung des elektrischen Leiters 3 vergleichmäßigt. In direkter Umgebung wird bei hohen induzierten Feldstärken um den Leiter 3 herum durch Verringerung der Leitfähigkeit die Heizleistung verringert, während weiter entfernt die Leitfähigkeit nicht bzw. nur geringfügig geändert wird und somit die Heizleistung im Wesentlichen gleich bleibt. Bei gleicher elektrischer Leistung für die Induktion über den Leiter 3 wird der Leiter 3 weniger stark erwärmt, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Dadurch kann die Leistung solange weiter gesteigert werden, solange der kritische Temperaturwert am Leiter 3 nicht erreicht wird, bei welchen Materialien wie z.B. Isolation oder Dielektrikum beschädigt werden. So wird erreicht, dass entfernt vom Leiter 3 über mehr Induktion eine bessere Erwärmung des Erdreichs erfolgt und somit eine bessere Verflüssigung bzw. Fließbarmachung des Schwerstöls oder Bitumen. Über Reduktion der Leitfähigkeit in der Umgebung des Leiters 3 wird gleichzeitig weniger Erwärmung in der direkten Umgebung des Leiters 3 erreicht und somit ein geringerer Wärmetransport zum Leiter 3 hin, was eine geringere Erwärmung des Leiters 3 selbst zur Folge hat. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne Schädigung des Leiters 3 in einer größeren Umgebung des Leiters 3 Schwerstöl oder Bitumen verflüssigt werden und eine Fördermenge erhöht werden.
Die Erfindung ist nicht auf das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel des Verfahrens beschränkt. Auch Kombinationen von Verfahren aus dem Stand der Technik mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind möglich. So ist z.B. ein zeitlich aufeinander folgendes Einbringen von Elektrolyt zur Erhöhung der Leitfähigkeit, gefolgt von einer Einbringung von Fluid zur Verringerung der Leitfähigkeit in der Umgebung des Leiters 3 möglich. Dadurch kann z.B. eine erste Förderung von Schwerstöl und Bitumen in der direkten Umgebung des Leiters 3 bei geringerer Induktion und Heizleistung erfolgen. Darauffolgend, nach Einbringung des Fluids zur Verringerung der Leitfähigkeit, kann bei höherer Leistung ohne Schädigung der Leitung 3 Schwerstöl oder Bitumen entfernter von der Leitung 3 verflüssigt und somit gefördert werden.
Auch ein wiederholt, abwechselndes Einbringen von Elektrolyt zur Erhöhung der Leitfähigkeit und von Fluid zur Verringerung der Leitfähigkeit ist möglich. Dadurch kann zeitweise eine Abkühlung der Leitung 3 erreicht werden. Auch ein pulsweises, wiederholtes Einbringen nur von Fluid zur Verringerung der Leitfähigkeit ist möglich.
Ein Einbringen von Elektrolyt zur Erhöhung der Leitfähigkeit, gefolgt von einer Einbringung von Fluid zur Verringerung der Leitfähigkeit in der Umgebung des Leiters 3 kann auch von Vorteil sein, wenn in entfernteren Bereichen vom Leiter 3 eine gute Förderung von Schwerstöl oder Bitumen erreicht werden soll. So kann der Elektrolyt zur Erhöhung der Leitfähigkeit in entferntere Bereiche eingebracht werden, z.B. durch hohen Druck und/oder Diffusion, und in der direkten Umgebung des Leiters 3 kann das darauffolgend eingebrachte Fluid zur Verringerung der Leitfähigkeit den Elektrolyt zur Erhöhung der Leitfähigkeit verdrängen. Dadurch wird in entfernteren Bereichen die induzierte Heizleistung erhöht, während in der direkten Umgebung des Leiters 3 und am Leiter 3 selbst die Erwärmung verringert wird. Dabei kann gerade von Vorteil sein, dass ein flüssiger Elektrolyt Wärme besser leitet als z.B. ein Gas. So kann entfernt vom Leiter die geringere Induktion kompensiert werden durch eine bessere Leitfähigkeit und unmittelbar in der Umgebung des Leiters 3 kann ein Gas zu einem verringertem Wärmetransport zum Leiter 3 hin führen.
Die zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren führen selbst oder in Kombination zu einer verbesserten Schwerstöl- oder Bitumen-Förderung, durch hohe einsetzbare elektrische Leistung und damit verbundene Induktion bei verringerter Gefahr der thermischen Schädigung des Leiters 3 bzw. der Materialien seiner Komponenten, wie z.B. Dielektrikum und/oder Isolation.

Claims

Verfahren zur "in situ"-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus Ölsand-Lagerstätten (100) als Reservoir (1), wobei das Erdreich des Reservoirs (1) induktiv über wenigstens einen elektrischen stromdurchflossenen Leiter (3) durch in der Umgebung des elektrischen Leiters (3) im Erdreich induzierte Ströme zur Verringerung der Viskosität des Bitumens oder Schwerstöls erwärmt wird, und wobei über wenigstens eine perforierte Fluidführung (30), welche den wenigstens einen Leiter (3) zumindest abschnittsweise umgibt oder umfasst, ein Fluid (45) in das Reservoir (1) über die Perforierung (41, 42, 43) in der Fluidführung (30) eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (45) eine elektrische Leitfähigkeit im Reservoir (1) in der Umgebung der Fluidführung (30) verringert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid (45) Wasser mit einer geringeren Leitfähigkeit, als die Leitfähigkeit von im Reservoir (1) befindlichem Wasser, in das Reservoir (1) eingeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid (45) Gas in das Reservoir (1) eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Luft verwendet wird oder das Gas Luft umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Kohlendioxid und/oder Stickstoff verwendet wird oder das Gas Kohlendioxid und/oder Stickstoff umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid (45) eine Lösung aus chemischen Substanzen in das Reservoir (1) eingeführt wird, dessen chemische Substanzen zu einem schwerlöslichen Salz im Reservoir (1) reagieren und dadurch zu einer Ausfällung von Ionen im Reservoir (1) führen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine chemische Analyse wenigstens eines Fluids aus dem Reservoir (1) verwendet wird, um Ionen zu bestimmen und abhängig von den bestimmten Ionen die chemischen Substanzen in der Lösung (45) ausgewählt werden, um dann mit der Lösung (45) Ionen im Reservoir (1) auszufällen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit im Reservoir (1) die induktive Erwärmung über den stromdurchflossenen Leiter (3) verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur T in der direkten oder indirekten Umgebung des Leiters (3) und/oder der Fluidführung (30) auf einen maximalen Wert beschränkt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur T auf einen maximalen Wert beschränkt wird, bei welchem Komponenten einer Vorrichtung zur "in situ"-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus Ölsand-Lagerstätten (100) als Reservoir (1) temperaturstabil sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (3) von einem Wechselstrom mit einer Stromstärke im Bereich von mehr als 100 A und/oder mit einer Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 100 kHz durchflossen wird.