用於地表下的碳氫化合物加熱的原位環形天線陣列的製作方法
2023-05-13 07:49:31
專利名稱：用於地表下的碳氫化合物加熱的原位環形天線陣列的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過射頻電磁波(RF)對地質地表下地層中的碳氫化合物材料的加熱。更具體而言，涉及通過從一個或多個多邊形天線發射的RF能量來進行加熱。
背景技術：
從包含油砂沉積物、頁巖沉積物以及碳酸鹽沉積物的稠油油藏中進行提取要求對沉積物進行加熱，以將碳氫化合物與其它地質材料分離，並將碳氫化合物維持在它們將流動的溫度。對這樣的沉積物進行加熱的已知方法包括蒸汽加熱、電阻加熱以及通過RF能量的加熱。通過現有的RF系統加熱地表下的含稠油地層效率不高，因為傳統方法要匹配功率源(發射器)以及被加熱的不均勻材料的阻抗，不均勻的加熱導致被加熱的材料中的的熱梯度無法接受，電極/天線的間距效率低下，與被加熱材料的電耦合差，由於天線構成和所使用的頻率，由現有的天線發射的能量和發射的頻率對待加熱的材料的穿透有限。現有用於對地表下地層中的稠油進行RF加熱的天線通常是偶極天線。美國專利4，140，179和 4，508，168公開了位於地表下稠油沉積物內以加熱那些沉積物的現有偶極天線。偶極天線陣列被用於加熱地表下地層。美國專利No. 4，196，329公開了被異相地驅動以加熱地表下地層的偶極天線陣列。
發明內容
本發明的一個方面涉及加熱地表下地層的環形天線陣列，所述環形天線陣列包括位於地表下地層內的第一環形天線，該第一環形天線大致位於第一平面內，並大體構成半徑為r的圓弧；以及位於地表下地層內的第二環形天線，該第二環形天線與第一天線相鄰，大體構成半徑為r的第二圓弧，並且大致位於第二平面內，第二平面平行於第一平面， 並與第一平面相隔距離r。本發明的另一方面涉及加熱地表下地層的方法，該方法包括將大體沿著半徑為 r的第一圓弧的並且大體在第一平面內的第一環形天線置於地表下地層內；將大體沿著半徑為r的第二圓弧的並且大體在第二平面內的第二環形天線置於地表下地層內，第二平面大致平行於第一平面並與第一平面相隔距離r ；以及，向所述第一和第二天線提供相等的頻率、振幅以及相位的RF能量。本發明的另一方面涉及近似於螺旋狀以形成用於加熱地表下地層的環形天線陣列的環形天線。該天線構成位於地表下地層內的第一環路，該第一環路大致位於第一平面內，並由從第一位置延伸到第二位置的天線的第一多個相連的段形成。天線還構成位於地表下地層內的第二環路，該第二環路大致位於第二平面內，與第一環路分離，並由從第三位置延伸到第四位置的天線的第二多個相連的段所形成。天線的一個段從第二位置延伸到第三位置。
圖1是通過偶極天線對地表下地層進行模擬加熱的例示。圖2是通過環形天線對地表下地層進行模擬加熱的例示。圖3示出了根據本發明的通過多邊形環形天線對油砂地層進行加熱。圖4示出了構成四邊形以接受根據本發明的環形天線的連結的鑽孔的地層。圖5示出了圖4所示的鑽孔中的根據本發明的天線。圖6是根據本發明的地表下多邊形環形天線陣列的等距視圖。圖7示出了由圖6所示出的多邊形環形天線陣列所產生的磁性近場。圖8是根據本發明的通過一系列部分環路近似於螺旋狀的地下天線的等距視圖。圖9示出了由Litz導體所形成的根據本發明的天線的橫斷面。
具體實施例方式下面將參考附圖更全面地描述本發明，在附圖中，示出了本發明的各實施例。然而，本發明可以許多不同的形式來實現，並且不應該被理解為僅限於此處所闡述的實施例。 相反地，這些實施例是本發明的示例，本發明具有由權利要求書的語言所指出的全部的範圍。相同的編號通篇表示的相同的元件。地表下地層通過來自被置於要加熱的材料內並因此被這些材料包圍的天線的RF 輻射來加熱。地表下材料主要在嵌入的天線的無功近場區被加熱。因此，通過偶極天線對地表下材料的加熱主要通過近場電(E)場的電介質加熱而實現。如圖1所示，對與偶極天線相鄰的均質材料的加熱，如通過吸收率所評估的，沿著天線的長度有顯著差異。對天線附近的材料的劇烈加熱是不希望的，因為對小區域的劇烈加熱不是對能量的有效利用，並且還因為對地表下地層的過分加熱會產生不能滲透的材料，並阻止或阻礙對碳氫化合物材料的提取。通過環形天線發射的RF場不同於由近場區的偶極天線發射的場。環形天線的捲曲產生近場磁場。環形天線可以由多邊形近似。多邊形的邊數越大，約接近彎曲的環形天線的捲曲。如圖2所示，由環形天線所產生的近場比偶極天線更加均勻地對環繞天線的均質材料進行加熱。環形天線對於加熱其中由磁場產生渦流電流的材料特別有利。水就是一種這樣的材料。必須加熱以從包含油砂沉積物、頁巖沉積物以及碳酸鹽沉積物的地表下地層中提取的碳氫化合物一般與包括水的其它材料混合。那裡，其它材料使通過RF發射加熱變得可行，因為碳氫化合物一般通過RF輻射加熱效果差。對地表下碳氫化合物地層施加RF發射一般會加熱除碳氫化合物以外的材料，並且這些被加熱的材料通過熱傳導來加熱碳氫化合物。碳氫化合物沉積物，特別是油砂沉積物，通常包含水。水是導電的，因此，容易通過磁場而發熱。因此，需要環形天線用於加熱天線近場內的這些沉積物。可以通過注入RF感受器來提高通過射頻磁場對地表下地層的加熱。氫氧化鈉鹼液增大原位水的導電性，並由此增大由射頻磁場所產生的渦電流的流動。圖3示出了通過根據本發明的環形天線對油砂沉積物進行加熱。如圖3所示，油砂地層10在遮蓋覆蓋層區域12下面。從覆蓋層12的表面上的分離的位置M和沈鑽兩個鑽孔，14以及16。鑽孔14和16分別從位置M和沈朝向彼此延伸，以在油砂地層10內的位置觀處會合。環形天線34從覆蓋層12的表面上的RF發射器32延伸。環形天線34 從發射器32延伸到覆蓋層12的表面上的位置M和沈處的鑽孔14和16的開口，並穿過鑽孔14和16。環形天線34隻部分地被置於油砂地層10內。圖4示出了被鑽進油砂地層10內的四個鑽孔42、44、46和48。鑽孔42和48分別是從覆蓋層12的表面上的分離的位置52和58鑽的。鑽孔42和48分別從位置52和58朝向彼此延伸，以在油砂地層10內的位置62處會合。鑽孔44和46分別是從覆蓋層12的表面上的分離的位置M和56鑽的。鑽孔44和46分別從覆蓋層12的表面上的分離的位置 54和56延伸。位置M和56位於從位置52延伸到位置58的線上，並在位置52和58之間。位置M與位置52相鄰並與其分離，位置56與位置58相鄰並與其分離。鑽孔44從大體平行於鑽孔42的位置M延伸，以在位於位置62和位置58之間的油砂地層10內的位置 64處與鑽孔48相交。鑽孔46從大體平行於鑽孔48的位置56延伸，以在位於位置62和位置52之間的油砂地層10內的位置66處與鑽孔42相交。如圖4所示，鑽孔44和46在靠近覆蓋層12和油砂地層10的交界面的位置68處彼此相交。鑽孔46從位置68延伸到位置66，而鑽孔44從位置68延伸到位置64。分別從位置66延伸到62、從位置62延伸到位置64、從位置64延伸到位置68，以及從位置68延伸到位置66的鑽孔42、48、44和46的截面構成四個相連的鑽孔段，這些段在油砂地層10內構成四邊形72。多邊形72大體位於一個平面內。圖5示意性地示出了穿過鑽孔46延伸到四邊形72的天線74。天線74在鑽孔多邊形72內構成環路。位置56所示出的發射器76連接到天線74，以向天線74提供RF信號。圖6示出了位於油砂地層10內陣列中的兩個天線，82和92。天線82和92各自分別構成四邊形環路86和96，其大體彼此平行地位於油砂地層10內。在圖6的等距視圖中所示出的環路86和96優選地被形成為近似於與多邊形的中心相距距離r處的環路。多邊形環路86和96在距中心距離r處不是均勻的。儘管如此，它們可以大體以距離r為特徵，該距離r近似於多邊形86和96所沿環路的半徑。如圖6所示，天線82和92相隔該距離r。發射器84和94分別驅動天線82和92，每一個都以相等的頻率、振幅和相位向它們附接的天線提供RF能量。通過將天線82和92相對於彼此如圖6所示的位置定位，由天線所產生的近磁場彼此重疊，以產生大致恆定加熱的區域。圖7示出了由如圖6中所指出平面7中的天線82 和92所產生的磁場。圖7示出了天線82和92的截面。輪廓102、104、106、108和110位於由於天線82和92的近場而均勻加熱的區域的邊緣。由圖6和7所示出的相對位置處的天線82和92所產生的近場重疊彼此，以產生圍繞天線82和92的材料的所示出的大的加熱區域。圖8示出了位於油砂地層10內的天線110。RF能量通過發射器120被提供到天線 110。天線110通過延伸穿過交叉鑽孔的截面來近似油砂地層10中的螺旋配置。鑽孔132 從覆蓋層12的表面上的位置152延伸穿過覆蓋層12並進入到油砂地層10到位置133。鑽孔134從覆蓋層12的表面上的與位置152分離的位置巧4延伸進入覆蓋層12和油砂地層 10。鑽孔134延伸以在位置133處與鑽孔132相交，並延伸超出位置133進入油砂地層10 到位置135處。鑽孔136從覆蓋層12的表面上的與位置152分離的位置156延伸到覆蓋層12中和油砂地層10中。鑽孔136大體平行於鑽孔132延伸以在位置135處與鑽孔134 相交。鑽孔132、134以及136位於第一平面上。鑽孔138從覆蓋層12的表面上的與位置 152、154以及156分離的位置158延伸到覆蓋層12中和油砂地層10中。鑽孔138延伸以與鑽孔136在位於油砂地層10內並且在位置135和156之間的位置137處交叉。鑽孔138 從鑽孔132、134和136所在的第一平面延伸。鑽孔140從覆蓋層12的表面上的與位置152分離的位置160延伸到覆蓋層12中和油砂地層10中。鑽孔140大體平行於鑽孔132延伸，以與鑽孔138在油砂地層10內的位置139處交叉。鑽孔140延伸超出位置139到油砂地層10中的更深的位置141。鑽孔 142從覆蓋層12的表面上的與位置巧4分離的位置162延伸到覆蓋層12中和油砂地層10 中。鑽孔142大體平行於鑽孔134延伸以在位置141處與鑽孔140交叉。鑽孔142延伸超出位置141到油砂地層10中的更深的位置143。鑽孔144從覆蓋層12的表面上的與位置 160和156分離的位置164延伸到覆蓋層12中和油砂地層10中。鑽孔144大體平行於鑽孔140而延伸以在位置143處與鑽孔142交叉。鑽孔140、142和144位於第二平面中。鑽孔146從覆蓋層12的表面上的與位置160、162和164分離的位置168延伸到覆蓋層12中和油砂地層10中。鑽孔146大體平行於鑽孔138並延伸以與鑽孔144在油砂地層10內的並且在位置143和164之間的位置145處交叉。鑽孔146從鑽孔140、142以及144所在的第二平面延伸。鑽孔148從覆蓋層12的表面上的與位置162分離的位置172延伸到覆蓋層12中和油砂地層10中。鑽孔148與鑽孔146在位於油砂地層10內並且在位置145和 168之間的位置147處交叉。天線110通過在交叉的鑽孔內延伸的一系列相連的段而近似於螺旋狀。天線110 的第一段穿過鑽孔132延伸到油砂地層10中直到位置133。第二段穿過鑽孔134從位置 133延伸到位置135。天線110的第三段穿過鑽孔136從位置135延伸到位置137。第四段穿過鑽孔138從位置137延伸到位置139。天線110的第五段穿過鑽孔140從位置139延伸到位置141。第六段穿過鑽孔142從位置141延伸到位置143。天線110的第七段穿過鑽孔144從位置143延伸到位置145。天線110的第八段穿過鑽孔146從位置145延伸到位置147。天線110的第九段穿過鑽孔148從位置147延伸到覆蓋層12的表面。天線110構成部分環形天線的陣列，每一個部分環路是由穿過鑽孔延伸的三個相連的段所形成。部分環路由鑽孔132、134以及136，鑽孔134、136以及138，鑽孔136、138以及140，鑽孔138、140以及142，鑽孔140、142以及144，以及鑽孔142、144以及146所形成。 由鑽孔132、134以及136中的第一、第二以及第三段所形成的部分環路位於第一平面中，由鑽孔140、142以及144中的第五、第六以及第七段所形成的部分環路位於第二平面中。由鑽孔132、134、136、138、140、142、144以及146中的天線110的段所形成的一系列部分環路穿過油砂地層10近似於螺旋狀。根據本發明的天線發射RF能量，以加熱天線的近場區中的周圍地表下材料。如本發明人的美國專利No. 7，205，947所描述的，在被稱為表面效應的效應中，射頻電流趨向於沿著導體的表面流動，該專利以引用的方式併入本文中。此效應限制了用於承載RF能量的導線橫截面的可用的量。由於根據本發明的天線旨在發射相當大的能量，因此，該表面效應在根據本發明的天線中是特別不希望的。如申請人的美國專利所描述的，可以使用利茲 (Litz)線來降低天線中的不希望有的表面效應。如圖9所示的利茲線122的橫截面所示，利茲線是由編織在一起的多條線130形成的。優選地，多條線130是帶有外絕緣層132的絕緣線，以形成絕緣的束133。多條線130可以包括介電繩股。絕緣的束133的組135可以被編織或纏繞在一起，並包括外絕緣層134。組135也可以被編織或纏繞在一起，以定義具有又一個外絕緣層136的利茲線天線環路。組135可以圍繞由電介質構成的芯138編織或纏繞。
權利要求
1.一種用於加熱地表下地層的環形天線陣列，包括位於所述地表下地層內的第一環形天線，所述第一天線大致位於第一平面內，並大體沿著半徑為r的第一圓弧形成；以及位於所述地表下地層內的第二環形天線，所述第二天線與所述第一天線相鄰， 大體沿著半徑為r的第二圓弧形成；以及大致位於第二平面內，所述第二平面大體平行於所述第一平面，並且與所述第一平面相隔距離r。
2.一種用於加熱地表下地層的方法，包括將第一環形天線置於所述地表下地層內，以大體位於第一平面內，所述第一環形天線大體沿著半徑為r的第一圓弧；將第二環形天線置於所述地表下地層內以大體位於第二平面內，所述第二平面大體平行於所述第一平面，並與所述第一平面相隔距離r，而所述第二環形天線大體沿著半徑為r 的第二圓弧，以及向所述第一和第二天線提供具有相等的頻率、振幅以及相位的RF能量。
3.一種近似於螺旋狀以形成用於加熱地表下地層的環形天線陣列的環形天線，所述天線包括位於所述地表下地層內的第一環路，所述第一環路是由從第一位置延伸到第二位置的第一多個相連的段形成的；位於所述地表下地層內的第二環路，所述第二環路與所述第一環路分離，並由從第三位置延伸到第四位置的第二多個相連的段形成；以及所述第二環路的一個段，從所述第二位置延伸到所述第三位置。
4.根據前面的任何一個權利要求所述的本發明，其中，所述第一環路和所述第二環路分別是由一系列相連的大體是直的段所形成的。
5.根據前面的任何一個權利要求所述的本發明，其中，所述第一環路和所述第二環路構成多邊形。
6.根據前面的任何一個權利要求所述的本發明，其中，所述第一環路和所述第二環路分別構成四邊形。
7.根據前面的任何一個權利要求所述的本發明，其中，所述第一環路和所述第二環路分別由利茲線所形成。
8.根據前面的任何一個權利要求所述的本發明，進一步包括將增大所述地層中的材料的導電性的感受器引入到所述地層中。
9.根據權利要求7所述的本發明，其中，所述感受器包括氫氧化鈉。
10.根據前面的任何一個權利要求所述的本發明，其中，所述第一環路大體位於第一平面內，所述第二環路大體位於第二平面中，所述第二平面與所述第一平面是分離的。
全文摘要
公開了一種通過發射RF能量來加熱地表下地層(10)的環形天線陣列(86，96)以及通過地表下的環形天線陣列加熱地表下地層的方法。天線是近似的環路(72)並被置於相鄰的環路附近。天線是由RF能量驅動的。
文檔編號E21B43/24GK102341564SQ201080010111
公開日2012年2月1日 申請日期2010年3月1日 優先權日2009年3月2日
發明者F·E·帕斯切 申請人:哈裡公司