专利名称：用于通过轴向rf耦合器加热烃类矿床的装置和方法
技术领域：
本发明涉及通过射频(RF)电磁场加热地质地下地层中的烃类材料(hydrocarbon material)，更具体而言，本发明提供一种用于通过由耦合到RF能量源的套管发射的RF能 量加热包含浙青矿石、油砂、油页岩、焦油砂或重油的混合物的方法和装置。
背景技术：
从包括油砂矿床、页岩矿床和碳酸盐矿床的重油库中进行提取要求加热矿床，以 从其他地质材料中分离烃类并以烃类可以流动的温度保持烃类。一种加热这样的矿床的常 用已知方法被称为蒸汽辅助重力泄油或SAGD。在SAGD中，在地层中钻出两个平行的水平 井，相互在垂直方向上邻近。上部的井为注入井，下部的井为生产井。首先将蒸汽引入两个 井以加热井附近的重油。重油流入创建多孔地层的生产井，蒸汽通过所述多孔地层向外渗 透以加热地层。当加热的油可以从注入井流到生产井时，停止到生产井的蒸汽注入。将蒸 汽注入到注入井以加热井周围的更大的区域以持续提取重油。
SAGD的一个缺点是，对材料添加了水，这需要大量的能量以去除。出于环境因素和 效率/成本因素，有利的是减少或消除用于处理浙青矿石、油砂、油页岩、焦油砂及重油中 的水的量，并提供一种加热方法，其是高效和环境友好的，并且适于对浙青、油砂、油页岩、 焦油砂及重油的后期挖掘处理。许多浙青资源可能太浅或具有不足的盖层以用于蒸汽增强 的回收。
现有的用于地下地层中的重油的RF加热设施通常为垂直偶极子状天线。美国专 利NO. 4，140, 179和NO. 4，508, 168公开了这样的现有偶极子天线，其被置于地下重油矿床 中的垂直井中以加热这些矿床。已推荐偶极子天线的阵列用于加热地下地层。美国专利 NO. 4，196，329公开了偶极子天线的阵列，其被异相驱动以加热地下地层。因此，现有的用于 通过RF加热地下重油生产地层的系统通常依赖于置于井内的特别构造的且结构复杂的RF 发射结构。发明内容
本发明的一方面涉及一种用于加热易受RF加热的材料的装置。该装置包括连接 到轴向耦合器的RF功率源，所述轴向耦合器通过RF能量驱动诸如钻杆的线性元件。
本发明的另一方面涉及一种加热材料的方法，所述方法通过将RF能量耦合到被 彼此邻近地置于烃类材料的地质矿床中的管道并控制每个管道中的RF能量的相位关系以 创建邻近管道的期望能量场而进行。
本发明的另一方面包括使用与发射RF能量的元件邻近的轴向反应器以开始和停 止通过发射元件的RF流流动。
图1示出用于向烃类矿床中发射RF能量的根据本发明的装置。
图2示出用于将RF能量耦合到线性传导元件的根据本发明的装置。
图3示出图2所示的装置的驱动绕组的实施例的截面图。
图4示出具有RF传导涂层和绝缘层的管道的部分。
图5示出被置于烃类矿床内的腔室中的根据本发明的装置。
图6示出对从传导元件向周围烃类材料传输RF能量的模拟。
图7示出根据本发明的装置，其中分离的RF耦合器向延伸到烃类材料中的两个传 导元件提供同相RF能量。
图8示出通过模拟图7所示的装置的操作创建的RF能量传输。
图9示出根据本发明的装置，其中分离的RF耦合器向延伸到烃类材料中的两个传 导元件提供异相RF能量。
图10示出通过模拟图9所示的装置的操作创建的RF能量传输。
图11示出根据本发明的装置，其中分离的RF耦合器向延伸到烃类材料中的两个 传导元件和连接到这两个传导元件的分流元件提供同相RF能量。
图12示出用于控制根据本发明的装置中的RF流的RF轴向反应器。
图13示出根据本发明的装置，包括图12所示的RF轴向反应器。
图14示出本发明的涡流加热机制。
具体实施方式
下面将参考附图更全面地描述本发明，其中示出本发明的一个或多个实施例。然 而，本发明可以体现为多种不同的形式，并且不应被解释为限于本文给出的实施例。而是， 这些实施例是本发明的实例，本发明的全部范围由权利要求的语言指示。相同的标号在全 文中表示类似的元件。
RF加热由于可以在减小的地下压力下提供加热而可以提供对在其他方式下难以 提取的资源的提取。RF电磁加热可包括施加高达三种的分离的RF能量电场，磁场和电流。 重油地层经常含现场液态水，从而为RF加热提供了良好的感受器(susc印tor)。例如，加拿 大的Athabasca区域油砂可以具有在IMHz以下的频率下的约O. 002到O. 15mhos/m的电导 率，使得油砂适于RF加热。
图1示出根据本发明的RF驱动装置10，其用于将RF能量耦合到延伸到井的邻近 内腔16和18中的管道(pipe) 12和14。内腔16和18相互分离并从表面22向下延伸通 过烃类矿床26的覆盖层24。如图所示，内腔16和18从向下的方向转弯以基本水平地延伸 通过烃类矿床26。该配置常规地用于烃类材料的SAGD提取。
装置10包括用于驱动RF耦合器34的RF能量源32，所述RF耦合器与连接在管道 12和14之间的导电分流元件17邻近。导电分流元件17可以例如为承载液体或固体金属 线的中空管道。图2示出RF驱动装置10的实施例。
图2以截面图示出的驱动装置10包括RF能量源32，其包括阻抗匹配电路以保持 高效能量传输。耦合器34包括RF传导驱动绕组42，其从RF能量源32的一个接头延伸，围 绕磁性螺绕环(toroid)44的截面一圈或多圈，并延伸到RF能量源32的第二接头。驱动绕 组42的线优选包括表面绝缘物,诸如搪瓷或Teflon,并且驱动绕组42的导体可以是实心或 绞合线类型。螺绕环44形成围绕管道46延伸的闭合回路。螺绕环优选由高磁导率材料制成，所述材料诸如为铁线、铁带铁氧体(iron tape ferrite)、铁粉或娃钢叠层。可以使用矿 物油浴(未示出)以冷却螺绕环44。磁性螺绕环44围绕示出为管道46的耦合线性传导元 件延伸。该耦合线性元件也可以是金属线、缆线或甚至绞合缆线。注意，在图2中，示例耦 合器34有利地提供到单个管道的端部上的电接头，在所述端部可能不能容易地形成两个 常规电端子。
现在将描述用于图2的实施例的操作的理论。RF能量源32跨接两个接头对驱动 绕组42施加RF电位(电压)，使得RF电流在其中流动。驱动绕组42中的电流然后根据安 培定律创建由磁性螺绕环俘获的RF磁场。螺绕环44提供磁路径或“磁路”以加强且传递 圆周地围绕管道46的磁场。螺绕环44的RF磁场又感应电流以沿着管道46的外表面轴向 流动。感应的轴向流动RF电流向下移动到管道46的下部48。管道46的下部48通入烃 类矿床26中，于是管道46将RF电流传递到那里。于是可以根据RF频率和地层特性，例如 电导率和磁导率，以若干方法实现在烃类矿床26中的加热。在优选操作理念中，通过感应 在烃类矿床26中形成涡流电流，其通过根据熟知的电加热公式I2R的焦耳效应作为热量耗 散。本发明不限于对烃类地层的涡流加热。RF流还可以创建E场，其提供以高频对原生极 性水分子的介电加热。另外，E场可以通过变为可以通过作为电极的管道46被置于地层中 的传导电流或位移电流以低频加热。
如本发明人的美国专利No. 7，205, 947 (其整体内容通过引用并入本文)所述，RF 流在称为趋肤效应的效应中趋向于沿着导体的表面流动。该效应以及匝之间的绕组邻近效 应限制了用于承载RF能量的导体截面的有用量。因为期望驱动绕组42传递大量的能量， 在驱动绕组42中尤其不期望发生该趋肤效应。如本申请人的美国专利所述，可以使用绞合 线以减少系统中的不期望的趋肤效应。如图3所示的绞合线52的截面所示，通过编织在一 起的多个线54形成绞合线。多个线54优选为单独绝缘的线，其具有外部绝缘层56以形成 绝缘束58。介电股可与多个线54被包括在一起。绝缘束58的组62可以被编织或扭在一 起并且包括外部绝缘层64。组62也可以被编织或扭在一起以限定绞合线驱动绕组42，其 具有更外层的绝缘层64。组62可以绕由电介质制成的芯66编织或扭合。绞合导体有利于 减少RF趋肤效应、铁导体中的磁趋肤效应以及导体邻近效应。
如图1所示，延伸到烃类矿床中的管道经常延伸通过地质覆盖层。覆盖层通常是 导电的，从而RF能量可能当管道通过覆盖层时由于传导或以其他方式从管道损耗。RF驱动 装置可以最便利地被置于表面22的上方，并且其目的当然是无损耗地将RF能量传送通过 覆盖层24到达烃类矿床。可通过在管道在覆盖层中的部分周围提供抑制或阻止能量损耗 的材料而避免到覆盖层24的能量损耗。在图2的实施例中，材料28围绕管道在覆盖层中 的部分。材料28可以是绝缘的，也可以是这样的涂层将诸如铁粉的大量不传导磁屏蔽材 料混合到诸如娃橡胶或Portland水泥的不导电介质中。
图4示意示出延伸通过覆盖层24并进入烃类矿床26中的管道46。绝缘材料74 围绕管道46的从磁性螺绕环44 (以虚线大略示出)延伸到烃类矿床26的部分。绝缘材料 74可以是环氧树脂、陶瓷或其他常规电绝缘材料。绝缘材料74还可以通过在常规绝缘材料 中包括铁粉或铁氧体粉而包括铁磁性质，例如具有高磁导率。除了减少由于传导到覆盖层 的损耗之外，可通过提供高度传导的材料的涂层而增强RF耦合的效率，该涂层以低于常规 钢管道材料的损耗在与螺绕环44邻近并延伸到烃类矿床26中的管道46上传导RF能量。一种这样的材料是铜，由于它不是磁性的，它比钢将RF电流从表面传导到材料的更深处， 并且其电导率是钢的大约20倍。如图4所示，可以在管道46的外表面上提供铜镀层72的涂层，以增强与螺绕环44的RF耦合。
图5示出用于将延伸通过覆盖层的管道绝缘的备选方案。在图5中，将RF能量源 32置于覆盖层的表面22的上方。轴86向下延伸通过覆盖层24到达烃类矿床26中的腔室 88。管道12和14延伸通过腔室88。分流元件17在腔室88中从管道12延伸到管道14， 并且将RF耦合器34置于与腔室88内的分流元件17邻近。该配置具有这样的优势在从管道12和14到周围材料的能量损耗是期望的位置处对管道12和14提供RF能量。如图所示，该配置在通过常规SAGD操作使用时可以增强蒸汽加热。将蒸汽82引入管道12，并且在位于远离RF耦合器34的位置处的表面22上方从管道14移出油84。
图6示出自RF电磁场的单位为瓦特/公里的热量的模拟比吸收率，所述RF电磁场通过延伸到地质地层中并通过置于表面上方的螺绕环与RF能量耦合的管道在地质地层中创建。图6示出了，可以从与RF能量耦合的传导元件将大量的能量传输到地质地层。管道46包括磁性螺绕环44 (其仅以截面示出，以更加清楚)。在图6中，RF能量源32施加I 瓦特的功率以进行说明，然而，根据期望的加热速度、井长度等，可以使用O. 5到10兆瓦的功率级别。时间为t = 0，从而射频电流刚刚被接通。热透几乎是瞬时的，并且可以理解， 根据地层的电导率，径向半功率加热半径可以是10米以上。根据公知的公式δ =V 2ρ/ ω μ，沿井的纵向渗透可以是约2射频趋肤深度，从而其可以通过选择RF能量源32的频率而调节。在图6的实例中，施加的功率是I瓦特，频率是13. 56Mhz，并且地层初始电导率是O.Olmhos/m。在该实例中，使用I瓦特的施加的RF以简化比 较，并且可根据井长度、加热速度和实现的温度要求使用所说的O. 5到5兆瓦的功率级别。如果允许随时间持续进行加热，邻近井管道的地层中的液态水将达到饱和温度，例如，在井管道附近的液态水将被转变为高质量蒸汽。当该饱和区成熟，行波蒸汽波前沿井向下移动，这延伸了加热深度，从而加热区随时间生长。发生该效应是因为，RF加热在深度和压力下在饱和温度处变为热调节的。液态水是RF加热感受器，而水蒸气不是。从而本发明可通过热动力学加热到较大深度。 实现的沿井的温度图(未示出)可以是表面的100C到根据井深度的约300C。重油相比于常规的油可能更靠近表面。在图6的配置中，使用更高的射频，并且在管道上不使用不导电涂层，从而在表面开始加热，这对于环境修复是有价值的。较低频率和管道46上的绝缘涂层可能降低表面附近的加热。
图7示出用于分别通过分离的RF耦合器35和37将RF能量耦合到管道12和14 中的装置。未设置分流元件以连接管道12和14。耦合器35和37都通过RF能量源32驱动。RF能量源32具有第一接头31和第二接头33。如图7示意性所示，接头31和33被连接到耦合器35和37以如箭头I12和I14所示地相互同相地驱动耦合器35和37，从而形成两个分离的偶极子天线。同相RF驱动围绕管道12和14创建通常为圆形的场，如图8的模拟结果所示。
图9示出与图7所示类似的用于分别通过分离的RF耦合器35和37将RF能量耦合到管道12和14中的装置。未设置分流元件以连接管道12和14。耦合器35和37都通过RF能量源32驱动。RF能量源32具有第一接头31和第二接头33。如图9示意性所示， 接头31和33被连接到耦合器35和37以如箭头I12和I14所示地相互异相地驱动耦合器35和37，从而类似于单骨架缝隙偶极子天线地工作。
异相RF驱动围绕管道12和14创建电磁场，如作为图9的A-A面的截面图的图 10的模拟结果所示，所述电磁场从管道12和14水平延伸。在图10中，管道12和14取向为进出页面，比吸收率等值线的单位为瓦特/公里，并且在开始施加RF功率的时间t = O 时进行加热。为了方便标定，在表面的发射器的射频是ΙΚΗζ，发射功率是I瓦特。根据期望的加热速度、井深度、井间隔等，满标度系统可以施加大约O. 5到10兆瓦。地下地层为富 Athabasca油砂,其中使用测量的感应电阻值进行分析对于矿石的O. 0055mhos/m电导率、 对于覆盖层的O. 060mhos/m以及对于其中含增加的水和盐的矿石下方的O. 2mhos/m。由于在烃类矿石上方和下方的覆盖层和下层(underburden)比矿石更导电，其类似于电容器板， 其沿着边界条件增加加热。在井管道之间也有对加热能量的聚集，这可以有利于开始蒸汽辅助重力泄油(SAGD)井对以启动蒸汽对流。井管道之间的聚集加热通过位移电流(例如电场感应)并且由于在管道之间构造添加导致涡流电流的圆形磁近场而进行。在加热等值线图中出现低幅值圆形人字状波纹图案(在图10的线型等值线图中不能绘制)，这进一步肯定了圆形磁近场的重要。如果持续图10所示的加热，温度热调节且限制在蒸汽饱和温度或地下水的沸点。蒸汽饱和区形成于井管道之间并且随时间生长。从而，当蒸汽饱和区增大时， 加热区将随时间从井向外扩大。RF电磁加热是耐久和可靠的，因为，由于电场感应磁场感应，不需要与地层中的液态水的导电接触。从而井天线在被置于蒸汽饱和区或由于矿石开采导致的空腔中时可以是有效的。
本发明包括用于合成或改变地层中的RF加热图案的形状的方法。该方法包括调节无线电发射频率，降低频率增加了渗透和热梯度，并且降低射频起到相反的作用。该方法包括在(一个或多个)井管道天线上使用电绝缘涂层，以增加沿井的加热的纵向渗透。该方法包括升高频率以修改蒸汽饱和区生长的热动力，因为电磁加热相对于非常慢的传导加热具有快得多的速率渗透(近似瞬时)。
图11示出用于将RF能量耦合到管道12和14中以形成期望的RF场的装置。RF 耦合器35和37分别与管道12和14邻近，RF耦合器34与连接到管道12和14的分流元件17邻近。每个RF耦合器34、35和37连接到其自身的RF能量源32。通过该装置，提供到每个RF耦合器34、35和37的RF能量可以被分离地控制以调节围绕管道12和14的RF 场的形状和强度。从而可以在本发明中使用多个RF耦合器以合成各种地下RF加热图案。 例如，间隔的多个RF耦合器可以控制沿井的轴向热量渗透，并且可以以不同幅值和相位的 RF功率供应RF耦合器以从所说的正弦曲线到二项式曲线到均匀地调节沿管道的RF电流分布。
图12示出轴向反应器(reactor) 88,其可以开始和停止沿轴向导体的流流动,所述轴向导体诸如为根据本发明的装置中的管道46。轴向反应器88插入可用作RF扼流圈的串联感应电抗。轴向反应器88包括围绕管道46延伸的磁性螺绕环92。绕组94围绕螺绕环92缠绕以在其相对于电容器96的相对端结束。轴向反应器88与通过沿管道46流动的 RF流创建的 磁场耦合，通过使得将串联电感串联引入管道46而阻止RF流流过轴向反应器 88。在电学上，轴向反应器88等同于被切为两段并插入串联绕组的管道46。图12实施例的轴向反应器88在共振时提供最大效果，并且共振频率为约Fr= 1/2 π V (LC)，其中L是绕组94的电感(单位为亨利)，C为电容器96的电容(单位为法拉)。在轴向反应器88的另一实施例(未示出)中，省略电容器96，绕组94的两端被连接在一起，绕组94的匝数增加以 通过匝之间的分布电容使轴向反应器88共振。当然，轴向反应器88不限于仅在共振下工 作。在另一可优选用于在频率范围上工作的实施例(未示出)中，从图12的实施例省略绕组 94。
图13示出根据本发明的用于包括两个轴向反应器102和104的装置。轴向反应 器104沿着管道46位于其在烃类矿床中的水平延伸的近似一半的位置。RF能量源32具有 接头31和33，其在轴向反应器104的相对侧连接到管道46。可以在RF能量源32与接头 31、33之间使用诸如同轴缆线或绝缘线的传输线35。轴向反应器104阻止RF流流动，从而 创建常规偶极子天线构造。第二轴向反应器102位于从轴向反应器104分离的位置，在该 位置，管道104向上朝向表面22延伸。轴向反应器102通过阻止RF流到达管道46的通过 覆盖层的部分而阻止覆盖层中的RF能量损耗，从而可以将加热区107限制到反应器102的 一侧。在优选实施例中，轴向反应器102和104包含与电容器96共振的绕组94，然而，本发 明不限于这样要求电容器或者甚至绕组，因为磁芯111和113在一些情况中可独自提供足 够的扼流和驱动效果。
参考图14，将描述本发明的几种加热方法中的一种，例如涡流方法。应理解，图14 旨在教导在本发明范围内的操作的理论。还应理解，本发明可通过除电磁能量或方法以外 的能量或方法提供加热，并且不限于涡流。在图14中，RF电流I沿传导天线管道502轴向 流动。管道502被包覆有不导电绝缘层504，如环氧树脂或Teflon (聚四氟乙烯)。绝缘 管道然后通过导电材料506 (诸如含液态水的烃类矿石)的区域。轴向RF电流I根据安培 定律使得磁近场H围绕管道502。磁场H又使得在部分传导材料506中形成涡流I。于是 通过根据普遍关系P=I2R的焦耳效应在材料506中发生电阻加热。可以理解，可以不进行直 接电接触而进行矿石加热，例如，不需要像电极一样接触管道502。RF加热的涡流方法相比 于电极方法可以在烃类矿床中更稳健和可靠，所述电极方法可能需要裸露的导体和直接液 态水接触。当管道502在空腔或腔室中从矿石“搁浅(stranded)”时，或者当管道502被一 层干燥的砂包围时，所述涡流加热可以保持有效。通常，可以根据需要升高RF频率，以当地 下地层在资源提取期间随时间改变时确保加热效果。在涡流加热中，负载电阻以及从而天 线驱动电阻随着升高的频率而迅速增大，其可以被调节以适当地最小化天线管道502中的 导体损耗。在一些富含浙青的矿石中，600到2000赫兹的频率可以提供在渗透/加热梯度 和足够高的天线驱动电阻之间的有用的折中。在涡流方法中，不使用诸如微波或无线电波 的远场波，而是使用反应近磁场。作为背景，不需要天线是回环类型(例如卷曲或圆形)以通 过磁场获得涡流加热。回环类型天线具有径向磁近场，而直线性天线具有圆形磁近场。线 性天线具有足够的磁近场强度以用于涡流加热，并且直线形状使得它们更适于安装在烃类 井的典型几何形状中。
概括地说，本发明的各个实施例提供了用于使用连续传导结构激励RF加热地下 地层的方法。可以对井管道供应RF电流，而不需要将管道分开以形成常规电驱动不连续 性。
权利要求
1.一种用于通过从传导线性元件发射的RF能量加热地质烃类材料的装置，包括 线性传导元件，其延伸到地质烃类中； 磁芯，其围绕传导元件延伸以形成闭合回路； RF功率源，其具有第一接头和第二接头；以及 驱动绕组，其与RF功率源的第一接头连接并从该第一接头延伸，围绕磁芯延伸到并连接到RF功率源的第二接头。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括 第二线性传导元件，其延伸到地质烃类中，并且 其中线性传导元件包括延伸到第二传导元件中的分流元件，并且 磁芯围绕线性传导元件的分流元件延伸。
3.根据权利要求1所述的装置，其中磁芯被置于地质烃类材料内。
4.根据权利要求1所述的装置，其中驱动绕组包括绞合线。
5.根据权利要求1所述的装置，其中传导线性元件从地质烃类材料延伸通过覆盖层并到达覆盖层的上表面的上方，并且其中线性传导元件还包括外部绝缘层，该外部绝缘层包围线性元件的延伸通过覆盖层的部分。
6.根据权利要求1所述的装置，其中传导线性元件从地质烃类材料延伸通过覆盖层并到达覆盖层的上表面的上方，并且其中磁芯在该上表面的上方。
7.根据权利要求1所述的装置，其中线性传导元件还包括该线性元件上的与外部绝缘层邻近的传导涂层。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括轴向反应器，其被置于与线性传导元件邻近，以提供对到线性传导元件的区域的RF流流动的感应电阻。
全文摘要
一种通过将延伸到烃类矿床中的线性传导元件耦合到RF功率源而加热易受RF加热的该材料的装置。该装置包括连接到驱动绕组的RF功率源，该驱动绕组围绕磁芯回路延伸，并且该磁芯回路围绕RF传导线性元件延伸。可以使用一个或多个装置以将RF能量耦合到延伸到烃类矿床中的传导元件，以在元件中实现期望的RF流。RF能量可被耦合到在烃类矿床内彼此邻近的传导元件，以在烃类矿床内创建期望的加热区域。磁芯回路可以开始和停止RF能量以定位加热。
文档编号E21B36/00GK103003613SQ201180035317
公开日2013年3月27日 申请日期2011年6月24日 优先权日2010年7月20日
发明者F·E·帕斯科 申请人:哈里公司