EP3204596B1 - Lagerstättenheizung - Google Patents

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EP3204596B1
EP3204596B1 EP15794866.2A EP15794866A EP3204596B1 EP 3204596 B1 EP3204596 B1 EP 3204596B1 EP 15794866 A EP15794866 A EP 15794866A EP 3204596 B1 EP3204596 B1 EP 3204596B1
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EP
European Patent Office
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alternating current
conductor loop
generator
conductor
deposit
Prior art date
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Application number
EP15794866.2A
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English (en)
French (fr)
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EP3204596A1 (de
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
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3204596A1 publication Critical patent/EP3204596A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3204596B1 publication Critical patent/EP3204596B1/de
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    • 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
    • E21B36/00—Heating, cooling or insulating arrangements for boreholes or wells, e.g. for use in permafrost zones
    • E21B36/04—Heating, cooling or insulating arrangements for boreholes or wells, e.g. for use in permafrost zones using electrical heaters
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2214/00—Aspects relating to resistive heating, induction heating and heating using microwaves, covered by groups H05B3/00, H05B6/00
    • H05B2214/03—Heating of hydrocarbons

Definitions

  • the invention relates to a deposit heating for inductive heating of a soil, in particular an oil sands, oil shale, heavy oil or heavy oil deposit.
  • hydrocarbons from an underground deposit for example, for the promotion of heavy oils or bitumen from oil sands or oil shale deposits, it is necessary to achieve the greatest possible flowability of the hydrocarbons to be pumped.
  • One way to improve the fluidity of the hydrocarbons in their promotion is to increase the temperature prevailing in the soil of the deposit by means of a deposit heating.
  • a known method for increasing the temperature of the deposit or the soil is the inductive heating by means of an inductor, which is in the deposit, that is introduced into the soil.
  • an inductor By means of the inductor eddy currents are induced in electrically conductive deposits, which heat the deposit, thus resulting in an improvement in the flowability of the hydrocarbons present in the deposit.
  • the inductor In order to obtain a sufficient increase in temperature of the soil typically high heat outputs are required. Due to the high voltage amplitude occurring thereby, the inductor must have a sufficient electrical insulation with respect to the ground. The electrical insulation of the inductor consequently limits its heating power to a maximum heating power.
  • the DE 10 2008 044955 A1 discloses a deposit heater according to the preamble of claim 1.
  • the present invention has for its object to increase the maximum heat output of a deposit heating.
  • the energization that is, the loading of the conductor loop with an electrical alternating current, by means of a first and second alternator.
  • the first alternator is preferably arranged on the first region and the second alternator preferably on the second region of the conductor loop.
  • At least two alternators are provided for energizing the conductor loop.
  • voltage amplitudes at the alternating current generators which are provided for applying or energizing the conductor loop with the first and second alternating current, are reduced, in particular halved, compared to the current supply to the conductor loop by means of a single alternating current generator.
  • the insulation of the conductor loop is electrically less loaded according to the invention, so that for a given insulation of the conductor loop, the maximum heating power of the deposit heating is increased.
  • the limited and already existing isolation or isolation capability of the conductor loop is used as optimally as possible. If the maximum heating power of the deposit heating is not to be increased, the electrical insulation of the conductor loop with regard to its electrical insulation capability can advantageously be reduced due to the reduction of the voltage amplitudes.
  • the requirement for electrical isolation within the alternators can be reduced.
  • the maximum heating power which is limited by the said insulation, can be increased, for example by a factor of two, by means of the double current supply to the conductor loop with alternating current (first and second alternating current).
  • the conductor loop extends from the first alternator to the second alternator and from the second alternator back to the first alternator.
  • the conductor loop has a first conductor section and a second conductor section.
  • the first conductor portion extends from the first alternator to the second alternator.
  • the second conductor portion extends from the second alternator to the first alternator.
  • the first and second conductor section thus form the conductor loop.
  • a first alternator In a method according to the invention for operating a deposit heater, a first alternator generates a first alternating current and a second alternator generates a second alternating current.
  • the hydrocarbonaceous substance may comprise heavy oils, heavy oils, bitumen, oil sand and / or oil shale.
  • deposit heating advantageously the soil and the substance present in the soil is heated, whereby the viscosity of the substance is reduced. In other words, the flowability of the hydrocarbonaceous substance is increased or improved by the use of the deposit heating.
  • the hydrocarbon-containing substance comprises at least hydrocarbons which are intended for delivery, in particular for in situ production.
  • the conductor loop is acted on at a first location by means of the first alternating current generator with a first alternating current and at a second location different from the first location by means of the second alternating current generator with the second alternating current.
  • the first and second alternator are advantageously not immediately one behind the other, that is arranged generously spaced from each other.
  • the first and second alternator are arranged outside the soil.
  • the second AC generator is arranged in a region (second region) of the conductor loop, which is at a given geometry of the conductor loop as far as possible from the first AC generator, that is spaced from the first region.
  • the geometry of the conductor loop is advantageously not changed or adversely affected by the presence of the second alternator.
  • the conductor loop does not have to be extended or only slightly extended due to the double electrical current supply compared with a simple electrical current supply.
  • the first alternator outside and the second alternator within the soil is arranged.
  • the waste heat of the second alternator which is generated during operation of the second alternator, introduced into the soil surrounding the second alternator.
  • the heating of the soil improved or supported by the second alternator arranged in the ground Conversion losses, which occur in the second alternator, thus remain in the reservoir or in the ground.
  • the first and second alternators are arranged symmetrically along the conductor loop.
  • the first conductor portion extends from the first alternator to the second alternator and the second conductor portion extends from the second alternator back to the first alternator.
  • the first and second conductor sections have approximately the same conductor length. Consequently, by means of the two alternating current generators, there is a symmetrical energization of the conductor loop with respect to the length of the conductor loop.
  • the voltage amplitudes at the alternators and / or in the first and second conductor sections are advantageously approximately halved compared to a simple energization.
  • the first and / or second alternator comprise / comprises a frequency converter.
  • the frequency of the first and / or second alternating current can be adapted to a resonance frequency of the conductor loop.
  • the conductor loop has at least one capacitor.
  • the inductance of the electrical resonant circuit is formed by the inductance of the conductor loop itself.
  • the conversion losses of the frequency converter which typically amount to one to ten percent of the total power of the frequency converter, are delivered to the ground.
  • the conversion losses are introduced directly into the soil, whereby this additionally heats up.
  • the first and second alternator have a distance of at least 100 m.
  • a phase-coupled operation of the first and second alternator is characterized in that the phase difference between the phase of the first and second alternating current is not or only rarely varies in time.
  • the phase difference between the first and second alternating current is preferably 0 ° or 180 °, with the same polarity of the alternators 0 ° and 180 ° is preferred with opposite polarity of the alternators. This advantageously ensures that an addition of the voltage amplitudes and not a mutual extinction (difference) of the voltage amplitudes of the alternators takes place.
  • the first and second alternating current are generated at the same frequency.
  • the conductor loop is subjected to a first and / or second alternating current, wherein the frequency of the first and / or second alternating current is in the range of 10 kHz to 200 kHz.
  • a frequency in the range of 10 kHz to 200 kHz which corresponds to the resonant frequency of the conductor loop, wherein for forming an electrical resonant circuit, the conductor loop comprises at least one capacitor. This can be done a reactive power compensation.
  • the frequency of the alternating currents compared to known methods for deposit heating is relatively low.
  • this safety distances, which must be met at higher frequencies, can be reduced.
  • the security of the deposit heating is thus improved.
  • a voltage amplitude of the first and second alternating current which is at least 10 kilovolts (10 kV).
  • FIG. 1 3 is a schematic three-dimensional representation of a deposit heater 1, which comprises a first and a second alternator 21, 22 for operating a conductor loop 4.
  • the conductor loop 4 is at least partially introduced into a soil 46 of the deposit.
  • the soil 46 comprises a hydrocarbon-containing substance, that is to say hydrocarbons to be transported, for example heavy oils, heavy oils, bitumen, oil sands and / or oil shale.
  • the soil 46 may comprise a geological formation and / or a hydrocarbon-containing earth layer 42, in particular a plurality of earth layers 41,..., 43.
  • the conductor loop 4 extends at least through and / or within a layer of earth 42 which contains the hydrocarbons to be transported, especially heavy oils, heavy oils, bitumen, oil sands or oil shale deposits.
  • the hydrocarbonaceous earth layer 42 is surrounded by an overlying earth layer 41 and an underlying earth layer 43.
  • Soil 46 comprises said earth layers 41, ..., 43.
  • the conductor loop 4 forms an inductor 4, wherein the conductor loop 4, for example, at a depth of 50 m to 85 m, is introduced into the soil 46.
  • the conductor loop 4 for forming an electrical resonant circuit, which is provided for reactive power compensation, a plurality of capacitors.
  • the conductor loop 4 has a first and a second conductor section 44, 45.
  • the first conductor portion 44 extends from the first alternator 21 to the second alternator 22.
  • the second conductor portion 45 extends from the second alternator 22 back to the first alternator 21.
  • the first and second conductor portions 44, 45 form the conductor loop 4.
  • the first AC generator 21 is arranged in a first region 31 and the second AC generator 22 in a second region 32 of the conductor loop 4.
  • the first and second conductor sections 44, 45 reach their greatest distance, for example of 50 m, in the earth layer 42, which has the hydrocarbons to be conveyed.
  • the first and second alternators 21, 22 are disposed outside of the soil 46 and within an air layer 40 surrounding the reservoir 1.
  • the first and second alternators 21, 22 are operated in phase-locked mode, that is to say that the phase difference between the first alternating current generated by the first alternating-current generator 21 and the second alternating-current generated by the second alternating-current generator 22 is not or only slightly in time varied.
  • a fixed phase difference of 0 ° or 180 °, depending on the polarity of the first and second alternator 21, 22, an advantage.
  • the alternating currents generated by the first and second alternators 21, 22 have the same frequency and current amplitude.
  • the first and second alternators 21, 22 have approximately the same voltage amplitude, wherein different voltage amplitudes may be provided.
  • the conductor loop 4 can be energized by means of more than two alternators. This advantageously further reduces the respective voltage amplitudes at the AC generators and in the conductor sections between the AC generators.
  • N alternators are used, the electrical demand on the insulation of the conductor loop 4 against the ground 46 may decrease by a factor of 1 / N, if the effective voltage is higher than the reactive voltage of the respective conductor section between each two alternators.
  • N is a natural number greater than or equal to two.
  • At least a portion of the N alternators may be disposed within the soil 46.
  • losses for example conversion losses of frequency converters arranged in the alternators, are advantageously delivered to the ground 46.
  • FIG. 2 shows a schematic electrical equivalent circuit diagram of the conductor loop 4 FIG. 1 ,
  • the conductor loop 4 comprises a plurality of capacitors 52.
  • the inductors 51 are formed by the conductor loop 4 itself.
  • the conductor loop 4 is in each case acted upon by means of the alternating current generators 21, 22 in each case with an alternating current.
  • the capacitors 52 and inductors 51 forms an electrical series resonant circuit with a predetermined by the capacitors 52 and inductors 51 resonant frequency. It is advantageous to operate the first and second alternators 21, 22 at the resonant frequency of said series electrical oscillator. This results in a particularly advantageous reactive power compensation.
  • the first and second alternators 21, 22 are arranged symmetrically with respect to the conductor length of the conductor loop 4, that is to say that the first conductor section 44 has substantially the same conductor length as the second conductor section 45.
  • FIG. 3 a schematic electrical equivalent circuit of a conductor loop 4 is shown, which is acted upon in four areas 31, ..., 34 each with an alternating current.
  • the conductor loop 4 with a first, second, third and fourth alternator 21, ..., 24 is electrically coupled.
  • the lying between each two alternators conductor sections preferably have the same conductor length.
  • the alternators 21,..., 24 are arranged symmetrically along the conductor loop 4. They thus divide the conductor loop 4 in the same length conductor sections.
  • the conductor loop 4 has a plurality of capacitors 52 and inductors 51 for forming an electrical series resonant circuit.
  • the third and fourth alternators 33, 34 may preferably be arranged in the ground 46, that is to say underground.
  • the conductor loop 4 may be electrically coupled to more than four alternators. In other words, there is an N-fold energization of the conductor loop 4. Thus, the electrical requirement for the insulation of the conductor loop 4 against the ground 46 can be reduced by a factor of 1 / N.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Lagerstättenheizung zur induktiven Heizung eines Erdreiches, insbesondere einer Ölsand-, Ölschiefer, Schwerstöl- oder Schweröllagerstätte.
  • Zur in-situ Förderung von Kohlenwasserstoffen aus einer unterirdischen Lagerstätte, beispielsweise zur Förderung von Schwerölen oder Bitumen aus Ölsand oder Ölschiefervorkommen, ist es notwendig, eine möglichst große Fließfähigkeit der zu fördernden Kohlenwasserstoffe zu erreichen. Eine Möglichkeit die Fließfähigkeit der Kohlenwasserstoffe bei ihrer Förderung zu verbessern, ist die im Erdreich der Lagerstätte vorherrschende Temperatur mittels einer Lagerstättenheizung zu erhöhen.
  • Eine bekannte Methode zur Erhöhung der Temperatur der Lagerstätte beziehungsweise des Erdreiches ist das induktive Heizen mittels eines Induktors, welcher in die Lagerstätte, das heißt in das Erdreich, eingebracht wird. Mittels des Induktors werden in elektrisch leitfähigen Lagerstätten Wirbelströme induziert, welche die Lagerstätte aufheizen, sodass es folglich zu einer Verbesserung der Fließfähigkeit der in der Lagerstätte vorliegenden Kohlenwasserstoffe kommt.
  • Um eine ausreichende Temperaturerhöhung des Erdreiches zu erhalten sind typischerweise hohe Heizleistungen erforderlich. Aufgrund der dadurch auftretenden hohen Spannungsamplitude muss der Induktor gegenüber dem Erdreich eine ausreichende elektrische Isolation aufweisen. Die elektrische Isolation des Induktors begrenzt folglich dessen Heizleistung auf eine maximale Heizleistung.
  • Die DE 10 2008 044955 A1 offenbart eine Lagerstättenheizung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die maximale Heizleistung einer Lagerstättenheizung zu erhöhen.
  • Die Aufgabe wird durch eine Lagerstättenheizung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 8 sowie durch eine Verwendung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 14 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
  • Eine erfindungsgemäße Lagerstättenheizung zur induktiven Heizung eines Erdreiches umfasst wenigstens einen ersten und zweiten Wechselstromgenerator und eine wenigstens teilweise innerhalb des Erdreiches angeordnete elektrische Leiterschleife. Erfindungsgemäß ist die Leiterschleife mit dem ersten und zweiten Wechselstromgenerator derart elektrisch gekoppelt, dass die Leiterschleife in einem ersten Bereich mittels des ersten Wechselstromgenerators mit einem ersten Wechselstrom und in einem zweiten Bereich mittels des zweiten Wechselstromgenerators mit einem zweiten Wechselstrom beaufschlagbar ist.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Bestromung, das heißt die Beaufschlagung der Leiterschleife mit einem elektrischen Wechselstrom, mittels eines ersten und zweiten Wechselstromgenerators. Hierbei ist der erste Wechselstromgenerator bevorzugt am ersten Bereich und der zweite Wechselstromgenerator bevorzugt am zweiten Bereich der Leiterschleife angeordnet.
  • Zur Bestromung der Leiterschleife sind daher wenigstens zwei Wechselstromgeneratoren (erster und zweiter Wechselstromgenerator) vorgesehen. Dadurch werden erfindungsgemäß Spannungsamplituden an den Wechselstromgeneratoren, die für die Beaufschlagung oder Bestromung der Leiterschleife mit dem ersten und zweiten Wechselstrom vorgesehen sind, gegenüber der Bestromung der Leiterschleife mittels eines einzigen Wechselstromgenerators verringert, insbesondere halbiert.
  • Durch die Verringerung der Spannungsamplituden an den Wechselstromgeneratoren wird erfindungsgemäß die Isolation der Leiterschleife elektrisch geringer belastet, sodass bei gegebener Isolation der Leiterschleife die maximale Heizleistung der Lagerstättenheizung erhöht wird. Dadurch wird die begrenzte und bereits vorhandene Isolation oder Isolationsfähigkeit der Leiterschleife möglichst optimal genutzt. Soll die maximale Heizleistung der Lagerstättenheizung nicht erhöht werden, so kann aufgrund der Verringerung der Spannungsamplituden vorteilhafterweise die elektrische Isolation der Leiterschleife bezüglich ihrer elektrischen Isolationsfähigkeit verringert werden.
  • Weiterhin kann die Anforderung an die elektrische Isolation innerhalb der Wechselstromgeneratoren verringert werden. Bei gegebener Isolation oder Isolationsfähigkeit der Leiterschleife kann mittels der zweifachen Bestromung der Leiterschleife mit Wechselstrom (erster und zweiter Wechselstrom) die maximale Heizleistung, welche durch die genannte Isolation begrenzt ist, beispielsweise um einen Faktor zwei, erhöht werden.
  • Die Leiterschleife erstreckt sich vom ersten Wechselstromgenerator zum zweiten Wechselstromgenerator und vom zweiten Wechselstromgenerator zurück zum ersten Wechselstromgenerator. Dadurch weist die Leiterschleife einen ersten Leiterabschnitt und einen zweiten Leiterabschnitt auf. Der erste Leiterabschnitt erstreckt sich vom ersten Wechselstromgenerator zum zweiten Wechselstromgenerator. Der zweite Leiterabschnitt erstreckt sich vom zweiten Wechselstromgenerator zum ersten Wechselstromgenerator. Der erste und zweite Leiterabschnitt bilden somit die Leiterschleife aus.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Lagerstättenheizung erzeugt ein erster Wechselstromgenerator einen ersten Wechselstrom und ein zweiter Wechselstromgenerator einen zweiten Wechselstrom. Erfindungsgemäß wird eine wenigstens teilweise innerhalb eines Erdreiches angeordnete Leiterschleife in einem ersten Bereich mit dem ersten Wechselstrom und in einem zweiten Bereich mit dem zweiten Wechselstrom beaufschlagt.
  • Mit anderen Worten erfolgt eine zweifache Bestromung der Leiterschleife, welche Leiterschleife den Induktor zum induktiven Heizen des Erdreiches ausbildet. Es ergeben sich zur bereits genannten Lagerstättenheizung gleichartige und gleichwertige Vorteile.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Verwendung einer Lagerstättenheizung wird eine Lagerstättenheizung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verringerung der Viskosität einer kohlenwasserstoffhaltigen Substanz, die in einem Erdreich vorliegt, verwendet.
  • Die kohlenwasserstoffhaltige Substanz kann Schweröle, Schwerstöle, Bitumen, Ölsand und/oder Ölschiefer, umfassen. Durch die Verwendung der Lagerstättenheizung wird vorteilhafterweise das Erdreich sowie die im Erdreich vorliegende Substanz erwärmt, wodurch die Viskosität der Substanz verringert wird. Mit anderen Worten wird durch die Verwendung der Lagerstättenheizung die Fließfähigkeit der kohlenwasserstoffhaltigen Substanz erhöht beziehungsweise verbessert. Die kohlenwasserstoffhaltige Substanz umfasst wenigstens Kohlenwasserstoffe, die für eine Förderung, insbesondere für eine in-situ Förderung, vorgesehen sind.
  • Bevorzugt sind der erste und zweite Bereich disjunkt entlang der Leiterschleife angeordnet.
  • Mit anderen Worten wird die Leiterschleife an einer ersten Stelle mittels des ersten Wechselstromgenerators mit einem ersten Wechselstrom und an einer von der ersten Stelle verschiedenen zweiten Stelle mittels des zweiten Wechselstromgenerators mit dem zweiten Wechselstrom beaufschlagt. Es erfolgt daher eine zweifache elektrische Beaufschlagung oder Bestromung der Leiterschleife mit Wechselstrom an zwei verschiedenen Stellen oder in zwei verschiedenen Bereichen der Leiterschleife. Der erste und zweite Wechselstromgenerator sind vorteilhafterweise nicht unmittelbar hintereinander, das heißt großzügig zueinander beabstandet angeordnet.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste und zweite Wechselstromgenerator außerhalb des Erdreiches angeordnet.
  • Dadurch können die Wechselstromgeneratoren vorteilhafterweise ohne weitere Bohrungen beabstandet voneinander angeordnet werden. Ferner ermöglicht die oberirdische Anordnung der Wechselstromgeneratoren einen einfachen Zugang zu den Wechselstromgeneratoren, beispielsweise für Wartungsarbeiten.
  • Vorteilhafterweise ist der zweite Wechselstromgenerator in einem Bereich (zweiter Bereich) der Leiterschleife angeordnet, der bei einer vorgegebenen Geometrie der Leiterschleife möglichst weit vom ersten Wechselstromgenerator, das heißt vom ersten Bereich beabstandet ist. Dadurch wird vorteilhafterweise die Geometrie der Leiterschleife durch das Vorhandensein des zweiten Wechselstromgenerators nicht verändert oder nachteilig beeinträchtigt. Insbesondere muss die Leiterschleife aufgrund der zweifachen elektrischen Bestromung gegenüber einer einfachen elektrischen Bestromung nicht oder nur geringfügig verlängert werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Wechselstromgenerator außerhalb und der zweite Wechselstromgenerator innerhalb des Erdreiches angeordnet.
  • Vorteilhafterweise wird durch die unterirdische Anordnung des zweiten Wechselstromgenerators die Abwärme des zweiten Wechselstromgenerators, welche beim Betrieb des zweiten Wechselstromgenerators erzeugt wird, in das den zweiten Wechselstromgenerator umgebende Erdreich eingebracht. Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise das Heizen des Erdreiches durch den im Erdreich angeordneten zweiten Wechselstromgenerator verbessert oder unterstützt. Wandlungsverluste, welche im zweiten Wechselstromgenerator auftreten, verbleiben somit in der Lagerstätte beziehungsweise im Erdreich.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind Leiterabschnitte der Leiterschleife, welche Leiterabschnitte zwischen dem ersten und zweiten Wechselstromgenerator angeordnet sind, bezüglich ihrer Leiterlänge gleich ausgebildet.
  • Mit anderen Worten sind der erste und zweite Wechselstromgenerator symmetrisch entlang der Leiterschleife angeordnet. Hierbei erstreckt sich der erste Leiterabschnitt vom ersten Wechselstromgenerator zum zweiten Wechselstromgenerator und der zweite Leiterabschnitt vom zweiten Wechselstromgenerator zurück zum ersten Wechselstromgenerator. Der erste und zweite Leiterabschnitt weisen annähernd dieselbe Leiterlänge auf. Es erfolgt folglich mittels der zwei Wechselstromgeneratoren eine bezüglich der Länge der Leiterschleife symmetrische Bestromung der Leiterschleife. Dadurch werden vorteilhafterweise die Spannungsamplituden an den Wechselstromgeneratoren und/oder im ersten und zweiten Leiterabschnitt gegenüber einer einfachen Bestromung annähernd halbiert.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen/umfasst der erste und/oder zweite Wechselstromgenerator einen Frequenzumrichter.
  • Dadurch kann vorteilhafterweise die Frequenz des ersten und/oder zweiten Wechselstromes auf eine Resonanzfrequenz der Leiterschleife angepasst werden. Zur Ausbildung eines elektrischen Schwingkreises, insbesondere eines elektrischen Serienschwingkreises, mit einer Resonanzfrequenz weist die Leiterschleife wenigstens einen Kondensator auf. Die Induktivität des elektrischen Schwingkreises wird durch die Induktivität der Leiterschleife selbst gebildet. Mittels des Frequenzumrichters kann vorteilhafterweise die Frequenz der Bestromung an die Resonanzfrequenz der Leiterschleife angepasst werden, sodass in Resonanz eine vorteilhafte Blindleistungskompensation erfolgt.
  • Ist der zweite Wechselstromgenerator innerhalb des Erdreiches angeordnet, so werden die Wandlungsverluste des Frequenzumrichters, welche typischerweise ein bis zehn Prozent der Gesamtleistung des Frequenzumrichters betragen, an das Erdreich abgegeben. Die Wandlungsverluste werden direkt in das Erdreich eingebracht, wodurch sich dieses zusätzlich erwärmt.
  • Bevorzugt weisen der erste und zweite Wechselstromgenerator einen Abstand von wenigstens 100 m auf.
  • Dadurch wird vorteilhafterweise eine großflächige und/oder großräumige Beheizung des Erdreiches mittels der Leiterschleife ermöglicht.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden der erste und zweite Wechselstromgenerator phasengekoppelt betrieben.
  • Ein phasengekoppelter Betrieb des ersten und zweiten Wechselstromgenerators ist dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendifferenz zwischen der Phase des ersten und zweiten Wechselstromes zeitlich nicht oder nur kaum variiert. Hierbei beträgt die Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten Wechselstrom bevorzugt 0° oder 180°, wobei bei gleicher Polarität der Wechselstromgeneratoren 0° und bei entgegengesetzter Polarität der Wechselstromgeneratoren 180° bevorzugt ist. Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass eine Addition der Spannungsamplituden und nicht eine gegenseitige Auslöschung (Differenz) der Spannungsamplituden der Wechselstromgeneratoren erfolgt.
  • Besonders bevorzugt werden der erste und zweite Wechselstrom mit gleicher Frequenz erzeugt.
  • Dadurch wird vorteilhafterweise eine Überlagerung der Wechselströme mit im Wesentlichen einer Frequenz ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist, dass bei einer festen Phasendifferenz des ersten und zweiten Wechselstromes diese bereits die gleiche Frequenz aufweisen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, den ersten und zweiten Wechselstrom mit gleicher Spannungsamplitude zu erzeugen.
  • Dadurch wird die Leiterschleife vorteilhafterweise bezüglicher der Spannungsamplituden symmetrisch bestromt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Leiterschleife mit einem ersten und/oder zweiten Wechselstrom beaufschlagt, wobei die Frequenz des ersten und/oder zweiten Wechselstromes im Bereich von 10 kHz bis 200 kHz liegt.
  • Besonders bevorzugt ist eine Frequenz im genannten Bereich von 10 kHz bis 200 kHz, die der Resonanzfrequenz der Leiterschleife entspricht, wobei zur Ausbildung eines elektrischen Schwingkreises die Leiterschleife wenigstens einen Kondensator umfasst. Dadurch kann eine Blindleistungskompensation erfolgen.
  • Weiterhin ist die Frequenz der Wechselströme gegenüber bekannten Verfahren zur Lagerstättenheizung vergleichsweise niedrig. Vorteilhafterweise können dadurch Sicherheitsabstände, die bei höheren Frequenzen eingehalten werden müssen, verringert werden. Vorteilhafterweise wird somit die Sicherheit der Lagerstättenheizung verbessert.
  • Vorteilhaft ist eine Spannungsamplitude des ersten und zweiten Wechselstromes, welche wenigstens 10 Kilovolt (10 kV) beträgt.
  • Dadurch wird vorteilhafterweise ein hoher erster und zweiter Wechselstrom von wenigstens 100 Ampere (100 A) ermöglicht, sodass eine ausreichende Heizleistung mit wenigstens einem Megawatt (1 MW) sichergestellt wird.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:
    • Figur 1
    eine dreidimensionale Darstellung einer Lagerstättenheizung, die zwei Wechselstromgeneratoren zum Betrieb einer Leiterschleife umfasst;
    Figur 2
    ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild der Lagerstättenheizung aus Figur 1; und
    Figur 3
    ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild einer Lagerstättenheizung, die vier Wechselstromgeneratoren zum Betrieb einer Leiterschleife umfasst.
  • Gleichartige oder äquivalente Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
  • In Figur 1 ist eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Lagerstättenheizung 1 gezeigt, die einen ersten und zweiten Wechselstromgenerator 21, 22 zum Betrieb einer Leiterschleife 4 umfasst.
  • Die Leiterschleife 4 ist wenigstens teilweise in ein Erdreich 46 der Lagerstätte eingebracht. Das Erdreich 46 umfasst eine kohlenwasserstoffhaltige Substanz, das heißt zu fördernde Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Schweröle, Schwerstöle, Bitumen, Ölsand und/oder Ölschiefer. Weiterhin kann das Erdreich 46 eine geologische Formation und/oder eine kohlenwasserstoffhaltige Erdschicht 42, insbesondere eine Mehrzahl von Erdschichten 41,...,43, umfassen.
  • Die Leiterschleife 4 erstreckt sich wenigstens durch und/oder innerhalb einer Erdschicht 42, die die zu fördernde Kohlenwasserstoffe, insbesondere Schweröle, Schwerstöle, Bitumen, Ölsand oder Ölschiefervorkommen, aufweist. Die kohlenwasserstoffhaltige Erdschicht 42 ist von einer darüber liegenden Erdschicht 41 und einer darunter liegenden Erdschicht 43 umgeben. Das Erdreich 46 umfasst die genannten Erdschichten 41,...,43.
  • Die Leiterschleife 4 bildet einen Induktor 4 aus, wobei die Leiterschleife 4, beispielsweise in einer Tiefe von 50 m bis 85 m, in das Erdreich 46 eingebracht ist. Hierbei weist die Leiterschleife 4 zur Ausbildung eines elektrischen Schwingkreises, der zur Blindleistungskompensation vorgesehen ist, eine Mehrzahl von Kondensatoren auf.
  • Weiterhin weist die Leiterschleife 4 einen ersten und einen zweiten Leiterabschnitt 44, 45 auf. Der erste Leiterabschnitt 44 erstreckt sich vom ersten Wechselstromgenerator 21 zum zweiten Wechselstromgenerator 22. Der zweite Leiterabschnitt 45 erstreckt sich vom zweiten Wechselstromgenerator 22 zurück zum ersten Wechselstromgenerator 21. Der erste und zweite Leiterabschnitt 44, 45 bilden hierbei die Leiterschleife 4 aus.
  • Der erste Wechselstromgenerator 21 ist in einem ersten Bereich 31 und der zweite Wechselstromgenerator 22 in einem zweiten Bereich 32 der Leiterschleife 4 angeordnet. Der erste und zweite Leiterabschnitt 44, 45 erreichen ihren größten Abstand, beispielsweise von 50 m, in der Erdschicht 42, die die zu fördernden Kohlenwasserstoffe aufweist.
  • Der erste und zweite Wechselstromgenerator 21, 22 sind außerhalb des Erdreiches 46 und innerhalb einer die Lagerstätte 1 umgebenden Luftschicht 40 angeordnet. Der erste und zweite Wechselstromgenerator 21, 22 werden phasengekoppelt betrieben, das heißt, dass die Phasendifferenz zwischen dem mittels des ersten Wechselstromgenerators 21 erzeugten ersten Wechselstrom und dem mittels des zweiten Wechselstromgenerators 22 erzeugten zweiten Wechselstrom zeitlich nicht oder nur geringfügig variiert. Hierbei ist eine feste Phasendifferenz von 0° oder 180°, je nach Polarität des ersten und zweiten Wechselstromgenerators 21, 22, von Vorteil. Die mittels des ersten und zweiten Wechselstromgenerators 21, 22 erzeugten Wechselströme weisen die gleiche Frequenz und Stromamplitude auf. Bevorzugt weisen der erste und zweite Wechselstromgenerator 21, 22 annähernd dieselbe Spannungsamplitude auf, wobei verschiedene Spannungsamplituden vorgesehen sein können.
  • Weiterhin kann die Leiterschleife 4 mittels mehr als zwei Wechselstromgeneratoren bestromt werden. Dadurch werden vorteilhafterweise die jeweiligen Spannungsamplituden an den Wechselstromgeneratoren und in den Leiterabschnitten zwischen den Wechselstromgeneratoren weiter verringert. Werden beispielsweise N Wechselstromgeneratoren verwendet, so kann sich die elektrische Anforderung an die Isolation der Leiterschleife 4 gegen das Erdreich 46 um einen Faktor 1/N verringern, falls die Wirkspannung höher als die Blindspannung des jeweiligen Leiterabschnittes zwischen jeweils zwei Wechselstromgeneratoren ist. Hierbei ist N eine natürliche Zahl, die größer gleich zwei ist.
  • Wenigstens ein Teil der N Wechselstromgeneratoren kann innerhalb des Erdreiches 46 angeordnet sein. Dadurch werden vorteilhafterweise Verluste, beispielsweise Wandlungsverluste von in den Wechselstromgeneratoren angeordneten Frequenzumrichter, an das Erdreich 46 abgegeben.
  • Figur 2 zeigt ein schematisches elektrisches Ersatzschaltbild der Leiterschleife 4 aus Figur 1. Hierbei umfasst die Leiterschleife 4 eine Mehrzahl von Kondensatoren 52. Die Induktivitäten 51 werden durch die Leiterschleife 4 selbst ausgebildet.
  • Im ersten und zweiten Bereich 31, 32 der Leiterschleife 4 wird die Leiterschleife 4 jeweils mittels der Wechselstromgeneratoren 21, 22 jeweils mit einem Wechselstrom beaufschlagt. Durch die Kondensatoren 52 und Induktivitäten 51 bildet sich ein elektrischer Serienschwingkreis mit einer durch die Kondensatoren 52 und Induktivitäten 51 vorgegebenen Resonanzfrequenz aus. Es ist von Vorteil den ersten und zweiten Wechselstromgenerator 21, 22 mit der Resonanzfrequenz des genannten elektrischen Serienschwingkreises zu betreiben. Dadurch erfolgt eine besonders vorteilhafte Blindleistungskompensation.
  • Der erste und zweite Wechselstromgenerator 21, 22 sind bezüglich der Leiterlänge der Leiterschleife 4 symmetrisch angeordnet, das heißt, dass der erste Leiterabschnitt 44 im Wesentlichen dieselbe Leiterlänge wie der zweite Leiterabschnitt 45 aufweist.
  • In Figur 3 ist eine schematische elektrische Ersatzschaltung einer Leiterschleife 4 gezeigt, die in vier Bereichen 31,...,34 jeweils mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird. Hierzu ist die Leiterschleife 4 mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Wechselstromgenerator 21,...,24 elektrisch gekoppelt. Die zwischen jeweils zwei Wechselstromgeneratoren liegenden Leiterabschnitte weisen bevorzugt dieselbe Leiterlänge auf. Mit anderen Worten sind die Wechselstromgeneratoren 21,...,24 symmetrisch entlang der Leiterschleife 4 angeordnet. Sie teilen folglich die Leiterschleife 4 in die gleichlangen Leiterabschnitte auf.
  • Wie bereits in den Figuren 1 und/oder 2 weist die Leiterschleife 4 eine Mehrzahl von Kondensatoren 52 und Induktivitäten 51 zur Ausbildung eines elektrischen Serienschwingkreises auf. Der dritte und vierte Wechselstromgenerator 33, 34 können bevorzugt im Erdreich 46, das heißt unterirdisch, angeordnet sein.
  • Generell kann die Leiterschleife 4 mit mehr als vier Wechselstromgeneratoren elektrisch gekoppelt sein. Mit anderen Worten erfolgt eine N-fache Bestromung der Leiterschleife 4. Dadurch kann die elektrische Anforderung an die Isolation der Leiterschleife 4 gegen das Erdreich 46 um einen Faktor 1/N verringert werden.

Claims (14)

  1. Lagerstättenheizung (1) zur induktiven Heizung eines Erdreiches (46), die wenigstens einen ersten und zweiten Wechselstromgenerator (21, 22) und eine wenigstens teilweise innerhalb des Erdreiches (46) angeordnete elektrische Leiterschleife (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleife (4) mit dem ersten und zweiten Wechselstromgenerator (21, 22) derart elektrisch gekoppelt ist, dass die Leiterschleife (4) in einem ersten Bereich (31) mittels des ersten Wechselstromgenerators (21) mit einem ersten Wechselstrom und in einem zweiten Bereich (32) mittels des zweiten Wechselstromgenerators (22) mit einem zweiten Wechselstrom beaufschlagbar ist.
  2. Lagerstättenheizung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Bereich (31, 32) disjunkt entlang der Leiterschleife (4) angeordnet sind.
  3. Lagerstättenheizung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Wechselstromgenerator (21, 22) außerhalb des Erdreiches (46) angeordnet sind.
  4. Lagerstättenheizung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wechselstromgenerator (21) außerhalb und der zweite Wechselstromgenerator (22) innerhalb des Erdreiches (46) angeordnet ist.
  5. Lagerstättenheizung (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterabschnitte (44, 45) der Leiterschleife (4), welche zwischen dem ersten und zweiten Wechselstromgenerator (21, 22) angeordnet sind, bezüglich ihrer Leiterlänge gleich ausgebildet sind.
  6. Lagerstättenheizung (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Wechselstromgenerator (21, 22) einen Frequenzumrichter umfassen/umfasst.
  7. Lagerstättenheizung (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Wechselstromgenerator (21, 22) einen Abstand von wenigstens 100 m aufweisen.
  8. Verfahren zum Betrieb einer Lagerstättenheizung (1), bei dem ein erster Wechselstromgenerator (21) einen ersten Wechselstrom und ein zweiter Wechselstromgenerator (22) einen zweiten Wechselstrom erzeugt, und bei dem eine wenigstens teilweise innerhalb eines Erdreiches (46) angeordnete Leiterschleife (4) in einem ersten Bereich (31) mit dem ersten Wechselstrom und in einem zweiten Bereich (32) mit dem zweiten Wechselstrom beaufschlagt wird.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem der erste und zweite Wechselstromgenerator (21, 22) phasengekoppelt betrieben werden.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem der erste und zweite Wechselstrom mit gleicher Frequenz erzeugt werden.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem der erste und zweite Wechselstrom mit gleicher Spannungsamplitude erzeugt werden.
  12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem der erste und zweite Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 200 kHz erzeugt werden.
  13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der erste und zweite Wechselstrom mit einer Spannungsamplitude von wenigstens 10 kV erzeugt werden.
  14. Verwendung einer Lagerstättenheizung (1) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 zur Verringerung der Viskosität einer kohlenwasserstoffhaltigen Substanz, die in einem Erdreich (46) vorliegt.
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