TW201218521A - Diaxial power transmission line for continuous dipole antenna - Google Patents

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201218521 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於能量傳輸線°詳言之’本發明係關於屏蔽 之雙轴傳輸線，其特別適合用於使用連續導體（諸如、、由 井管路）作為偶極天線來傳輸用於加熱之射頻（「RF ) & 量之有利裝置及方法中所使用之電功率的傳輸。 【先前技術】 由於世界之標準原油蘊藏枯竭，且對石油之繼續需求使 石油價格上升，故石油生產者正在t試處理來自遞青礦 石、油砂、焦油砂及重油沈積物之烴。此等材料常常在砂 子或黏土之天然存在混合物中發現。由於瀝青礦石、= 砂、油葉岩 '焦油砂及重油之極高黏度，在提取標準原油 時所使用之鑽探及精煉方法通常不可用。因此，石油自此 等沈積物之回&需要加熱以分離煙與其他地質材料且將煙 維持在其將流動之溫度下。蒸汽通常用以在被稱為蒸㈣ 助重力泄油系統或SAGD系統之物中提供此熱。有時亦使 用電及RF加熱。加熱及處理可在原位或在露天開採沈積物 之後在另一位置發生。 歸因於以下原因，藉由先前技術RF系統加熱含有地下重 油之地層已為低效率的：匹配電源（傳輸器）及加熱中之異 質材料之阻抗的傳統方法，導致受熱材料中之不可接受之 熱梯度的不均勻加熱，電極/天線之無效間距，至受㈣ 不良電輕口，待藉由先前技術天線所發射之能量加熱 ;斗的有限穿透，及歸因於所使用之天線形式及頻率之 156825.doc 201218521 發射頻率。用於地下地層中之重油之先前技術RF加熱的天 線通常為偶極天線。美國專利第4，140，179號及第4,5〇8，168 號揭示定位於地下重油沈積物内以加熱彼等沈積物之先前 技術偶極天線。 偶極天線之陣列已用以加熱地下地層。美國專利第 4,196,329號揭示異相地驅動以加熱地下地層之偶極天線的 陣列。 在偶極天線之功率傳輸線處頻繁地產生磁場及電場。一 般而言，地下地層中之表土層一般比礦石容易導電。因 此，可優先對表土層而非目標地層進行電場及磁場經由用 於RF加熱之功率傳輸線對表土層的施加。 【發明内容】 本發明之一態樣為一種用於將功率供應至一連續偶極天 線之方法。一交流電源電連接至一變壓器之一主側。一第 一同軸饋線之一内部導體電連接在該變壓器的一副側與一 線性導體中之一驅動間斷之一第一側之間。該第一同軸饋 線包括該内部導體及一外鞘。一第二同軸饋線之一内部導 體電連接在該變壓器的該副側與該線性導體中之該驅動間 斷之一第二側之間。该第二同軸饋線包括該内部導體及一 外鞘。該第一同軸饋線及該第二同軸饋線之該等内部導體 係經由一電谷器電連接。該變壓器之該副側電連接至該第 一同軸饋線及該第二同軸饋線之該等外勒。 該方法之該線性導體可為連續的，且該驅動間斷可為一 不導電磁珠。該不導電磁珠可包括：鐵氧體、磁石、磁鐵 156825.doc 201218521 礦、粉末狀鐵、鐵片、石夕鋼粒子、具有表面絕緣體塗層之 五羰基E鐵粉’或此等材料中之兩者或兩者以上的一組 合。此外，該連續線性導體可包含油井管路。 ' 本發明之另-態樣為_種用於將功率供應至一連續偶極 天線之方法。一交流電源電連接至一變壓器之一主侧。— 第-同軸饋線之-内部導體電連接在該變壓器的一副側盘 -第-線性導體之間。該第一同軸饋線包括該内部導體： -外鞘。一第二同軸饋線之一内部導體電連接在該變壓器 ㈣副側H線性導體m同轴饋線包括該 内部導體及-外鞘。該第二線性導體大體平行於該第一線 性導體定位。該第-同轴饋線及該第二同軸饋線之該等内 部導體係、經由-電容器電連接1變壓器之該副側電連接 至該第一同軸饋線及該第二同軸饋線之該等外鞘。該方法 中之該第一線性導體及該第二線性導體可包含井管路。 本發明之另一態樣為一種用於將功率供應至一連續偶極 天線之裝置。該裝置包括一具有一驅動間斷之線性導體、 -交流電源及-第一同軸饋線。該第一同軸饋線包括一内 部導體及-㈣^該裝置進_步包括—第二同軸饋線。該 第二同軸饋線包括一内部導體及一外鞘。該裝置進一步包 括一具有一主側及一副側之變壓器。該變壓器之該主側電 連接至該交流電源。該變壓器之該副側藉由該第一同軸饋 線之該内部導體在該驅動間斷的一第一側上電連接至該線 性導體。該變壓器之該副側藉由該第二同軸饋線之該内部 導體在該驅動間斷的一第二側上電連接至該線性導體。該 156825.doc 201218521 第-同轴饋線及該第二同軸饋線之該等内部導體係經由一 電容器電連接。該變廢器之該副側電連接至該第_ 線之該外鞘及該第二同軸饋線之該外鞘。 該裝置之該線性導體可為連續的，且該驅動間斷可為一 不導電磁珠。該不導電磁珠可包括：鐵氧體、磁石、磁鐵 礦、粉末狀鐵、鐵片、石夕鋼粒子、具有表面絕緣體塗屏之 五幾基E鐵粉’或此等材料中之兩者或兩者以上的—组 合。此外，該連續線性導體可包含油井管路。 本發明之又-態樣為—種用於將功率供應至—連續偶極 天線之裝置。該裝置包括一第一線性導體、一第二線性導 體、-交流電源及-第一同軸饋線。該第一同轴饋線包括 -内部導體及-外勒、該裝置進—步包括—第二同㈣ 線。該第二同軸饋線包括一内部導體及一外顆。該裂置進 -步包括-具有一主側及一副側之變壓器。該變壓器之該 主側電連接至該交流電源。該變壓器之該副側藉由該第一 同軸饋線之該内部導體電連接至該第一線性導體。該變壓 益之該副側藉由該第二同軸饋線之該内部導體電連接至該 第一線性導體。該第一同軸饋線及該第二同軸饋線之該等 内部導體係經由-電容器電連接。該變壓器之該副側電連 接至該第一同軸饋線之該外鞘及該第二同軸饋線之該外 勒° «置中之該第_線性導體及該第二線性導體可包含 井管路。 本發明之其他態樣將自本發明顯而易見。 【實施方式】 156825.doc 201218521 現將更全面地描述本發明之標的’且展示本發明之一或 多個實施例。然而，本發明可以許多不同形式具體化且不 應被解釋為限於本文中所闡述之實施例。實情為，此等實 =例為本發明之實例，本發明具有藉由申請專利範圍之語 言所指示的完整範疇。 本發明之連續偶極天線提供呈不導電磁珠而非導體中之 裂口或間隙之形式的驅動間斷。因此，本發明之連續偶極 天線在導體（諸如’管）不得含有裂口或間隙的應用中特別 有用’且必須已置放於天線置放之所要位點處或附近。油 井為此應用。新的或現有之油井管路可供本發明之連續偶 極天線利用，且該（等）不導電磁珠可預成形且圍繞油井管 路置放或在原位圍繞管路注入。此消除對天線之單獨陣列 的需要，及與此等單獨陣列相關聯之各種問題中之若干 者。 本發明之雙軸傳輸線可使用兩個連續同㈣線來提供穿 過表土層之屏蔽傳輸線，以藉由發源於（多根）功率傳輸線 之電場及磁場之不合需要的施加來防止在其中加熱。連續 金屬同軸勒之壁厚度遠大於灯集膚深度，以使得磁場及電 場不能穿透該勒、傳輸線之雙轴組態提供具有電流之前向 及返回支路的完整電路’且.屏蔽係穿過表土層在兩個單獨 屏蔽管内部實現《此促進安裝之便利，因為可能不需要井 筒（well bore)之間的跳線連接。在一些應用中，此等跳線 連接可能難以在地面以下安裝。 圖1為典型的先前技術偶極天線之表示。先前技術天線 156825.doc 201218521 10包括同軸饋入12，該同軸饋入又包括内部導體14及外部 導體16 ifct等導體中之母—者在—末端處經由饋線22連接 至偶極天線區段18。導體14及16之另一末端連接至交流電 源（圖中未繪示）。偶極天線區段18之間的無屏蔽間隙或裂 口 20形成導致射頻傳輸之驅動間斷。油井管路一般不適合 用作習知偶極天線，因為形成驅動間斷所需之井管路中的 間隙或裂口亦可形成管路中之漏洞（丨eak)。 現轉至圖2，本發明之連續偶極天線5〇在無裂口或間隙 之連續導體64中提供驅動間斷。天線5〇包括同軸饋入52， 該同軸饋入又包括内部導體54及外部導體56。此等導體中 之每一者在一末端處經由饋線62連接至偶極天線區段58 ^ 導體54及56之另一末端連接至交流電源（圖中未繪示）。請 注意，偶極天線區段58之間不存在無屏蔽間隙或裂口。實 情為，不導電磁珠6〇圍繞饋線62之間的連續導體以定位。 不導電磁珠60對抗隨著電流試圖在饋線62之間流動所產生 之磁場’且藉此形成驅動間斷。 轉至圖3中之用於石油生產之連續偶極天線的簡化描 缯· ’井管1 02為連續偶極天線1 〇〇之連續導體。井管】之 較深區段貫穿生產區域110,該區域可包含石油、水、砂 子及其他組份。無屏蔽饋線1〇6連接至AC源1〇4且下降穿 過淺層區段108以連接至井管1〇2。不導電磁珠（圖中未繪 不）圍繞來自饋線106之連接之間的井管1〇2定位。隨著加 熱生產區域li〇,石油及其他液體將穿過井管1〇2流至連接 112處之表面，然而，生產區域11〇上方之較淺區域1〇8通 156825.doc 201218521 常包含損耗極高之材料，且無屏蔽傳輸線ι〇6在區域ιΐ4中 產生熱，其表示此配置中之效率損失。 圖4中之連續偶極天線15〇藉由使用屏蔽同轴饋入156來 解決此效率敎。難_饋人156在表面處連接至^源 154且下降以經由饋線158連接至井管152。第一不導電磁 珠160圍繞來自饋線158之連接之間的井管152定位。第二 不導電磁珠162亦包圍井管152且與第一不導電磁珠16〇間 隔開以產生兩個幾乎相等長度之偶極天線區段164。因 此，第一不導電磁珠16〇形成驅動間斷，而第二不導電磁 珠1 62限制天線區段長度。隨著連續偶極天線丨5〇加熱井區 域，石油及其他液體穿過井管152流至連接166處之表面。 不導電磁珠可包含（例如）鐵氧體、磁石、磁鐵礦、粉末 狀鐵、鐵片、矽鋼粒子、具有表面絕緣體塗層之五羰基E 鐵粉，或此等材料中之兩者或兩者以上的組合。不導電磁 珠材料可預成形或置放於基質材料（諸如，波特蘭水泥、 橡膠、乙稀等）中’且在原位圍繞井管注入。 圖5中之連續偶極天線200利用屏蔽偶軸饋入2〇6。屏蔽 偶軸饋入206在表面處連接至AC源204且下降以經由饋線 208連接至井管2 02。不導電磁珠210圍繞來自饋線208之連 接之間的井管202定位。不導電磁珠2 10形成驅動間斷。類 似於先前實施例，第二不導電磁珠可定位以產生兩個幾乎 相等長度之偶極天線區段214 ^隨著連續偶極天線200加熱 井區域，石油及其他液體穿過井管202流至連接216處之表 面。 156825.doc -10- 201218521 圖6中所見之連續偶極天線250結合用於烴之原位處理之 現有的蒸汽輔助重力泄油（SAGD)系統使用。當以蒸汽加 熱方式使用時，穿孔井管252加熱生產井管258周圍之區 域。在使用FR加熱之本實施例中’穿孔井管252用於加 熱。在表面處連接至AC源254之同軸饋入利用内部饋入 255(其選徑於穿孔井管252内）及在表面處連接至穿孔井管 252的外部饋入257。内部饋入255係經由連接器線2兄連接 至穿孔井管252。第一不導電磁珠260圍繞來自内部饋入 255及外部饋入257之連接之間的井管252定位。此不導電 磁珠260形成驅動間斷。第二不導電磁珠262經定位以產生 兩個幾乎相等長度之偶極天線區段264。第二不導電磁珠 262亦用來防止管區段256中之損耗。隨著連續偶極天線 250加熱井區域，石油及其他液體流至生產井管中且接 著流至連接266處之表面。石油及其他液體接著通常抽汲 至提取槽中以用於儲存及/或進一步處理β 圖7中所描繪之連續偶極天線300亦結合SAGD系統使 用。此天線使用在表面處連接至AC源304且選徑於穿孔井 管302内之偶軸饋入3〇3。偶軸饋入3〇3係經由連接器線3〇2 連接至跨越第一不導電磁珠31〇之穿孔井管3〇2。第一不導 電磁珠310形成驅動間斷。第二不導電磁珠312經定位以產 生兩個幾乎相等長度之偶極天線區段314。第二不導電磁 珠312亦用來防止管區段3〇6中之損耗。隨著連續偶極天線 300加熱井區域，石油及其他液體流至生產井管318中且接 著流至連接316處之表面。 156825.doc 201218521 現轉至圖8，連續偶極天線3 5 0利用屏蔽三軸饋入3 5 6。 三軸饋入356在表面處連接至AC源354且選徑於井管352 内’且跨越連接359處之第一不導電磁珠360且經由連接器 線358連接。第一不導電磁珠360形成驅動間斷。第二不導 電磁珠3 62經定位以產生兩個幾乎相等長度之偶極天線區 段364。類似於先前實施例，第二不導電磁珠362亦用來防 止管區段3 6 8中之能量損耗及熱損耗。隨著連續偶極天線 350加熱井區域’石油及其他液體流過三軸饋線356周圍之 井管352且在連接366處之表面處離開。 圖9中屐示一類似實施例，但使用雙軸嵌入饋入配置。 雙軸饋入411在表面處連接至AC源404且下降至井管402。 AC源404連接至變壓器主側405。變壓器副側4〇6供應同軸 饋入409及410。雙軸饋線係使用線4〇7及電容器4〇8平衡。 同軸饋入409及410係經由饋線412跨越第一不導電磁珠414 連接。第一不導電磁珠414形成驅動間斷。第二不導電磁 珠416經定位以產生兩個幾乎相等長度之偶極天線區段 418 »第二不導電磁珠416亦用來防止管區段4〇3中之能量 損耗及熱損耗。隨著連續偶極天線4〇〇加熱井區域，石油 及其他液體流過井管402且在連接420處之表面處離開。 圖9a—般描繪與圖9之屏蔽雙軸嵌入饋入配置相關聯之 電場及磁場動力學。此實施例集中於利用地上之兩個平行 孔來提供兩元件之線性天線陣列，諸如，可用於蒸汽輔助 重力泄油提取之水平方向鑽探（HDD)井的水平延展。圖h 中之雙軸饋人之平行導體天線可合成方向加熱圖案及/或 156825.doc 12 201218521 將熱集中在該等天線之間’此（例如）對起始用於SAGD啟 動之對流有用。圖9a中之天線配置提供嵌入電流饋入，且 箭頭指示電流之存在及方向^上部天線元件712及下部天 線元件722可為線性（直線）電導體，諸如貫穿地下礦石之金 屬管或導線。傳輸線管區段714及724可穿過表土層延展至 表面處之傳輸器，且該等管區段可含有彎曲（圖中未繪 不）。同軸内部導體716及726可穿過表土層輸送電。 磁RF抗流器732及734置放於該等傳輸線管區段（其中不 希望有RF電磁場之加熱）之上。RF抗流器732及734為不導 電材料（諸如’波特蘭水泥中之鐵氧體粉末）之區，且該等 抗流器提供串聯電感以中止射頻電流且阻止射頻電流在管 之外部流動。磁RF抗流器732、734可離開轉位742及744 — 距離设置，以使得包圍彼等區段中之該等管的礦石將被加 熱。或者，RF抗流器732、734可鄰近於轉位742及744設置 以防止沿著管714及724之加熱。管區段714及724僅在其穿 過表土層區（其中不希望有RF電磁加熱）之内表面上攜載電 流。 官區段716及726在其外部充當加熱天線，同時在其外部 亦提供屏蔽傳輸線。產生雙工電流，且電流在管之内部及 外部上在不同方向上流動。此係歸因於磁集膚效應及導體 集膚效應。導電表土層及下伏岩層可受激發以充當夾在其 間之礦石之天線，藉此提供水平散熱及邊界區域加熱。因 此，導體712及714可設置在水平平坦之礦脈之頂部及底部 附近。 156825.doc -13- 201218521 圖9b描繪以與圖9之單一線性組態相反之雙線性組態使 用油井管路及雙轴饋入的本發明之連續偶極天線6〇〇之另 一實施例。此處，饋線饋入平行導體601及602。此等導體 (例如）在使用現有之SAGD系統時可為管。雙軸饋入611在 表面處連接至AC源604且下降至井管601及602 » AC源604 連接至變壓器主側605 »變壓器副側6〇6供應同軸饋入609 及610。雙轴饋線係使用線6〇7及電容器608平衡。同軸饋 入609及610分別連接至井管6〇1及602。同軸饋入609及610 自身可包含井管路。隨著連續偶極天線6〇〇加熱井區域， 石油及其他液體流過井管602且在連接62〇處之表面處離 開。 為了使地下加熱圖案變化，可使導體6〇 [及6〇2上之電流 平打或垂直》電流之方向取決於表面連接，亦即，連接是 形成差刀模式抑或共同模式天線陣列。此處，穿過表土層 區提供電屏蔽之傳輸線。此有利地提供將在地下形成之多 兀件之線性導體天線陣列而&需形成可能難以實施之井筒 之間的地下電連接。另夕卜，此提供穿過表土層之電流之屏 蔽同軸型傳輸，以防止該處的不合需要之加熱。 作為奇景，電絕緣但無屏蔽之導體上之通過表土層的電 流可引起表土層φ夕π人咖λ τ之不5需要之加熱，除非使用接近 之頻率。然而，接近DC之頻率下的操作可由於許多原因 (:括對液體水接觸之需要、礦石中之不可靠加熱，及過 又之電導體規格要求）而為不良的。本實施例可在任何射 頻下操作而無表土層加熱問冑，且可在礦石中可靠地加熱 156825.doc 201218521 而無需天線導體與礦石之間的液體水接觸。 優先设置於礦石中之導體601及602可視情況分別用不導 電電絕緣612及613覆蓋。不導電電絕緣612及613使天線之 負載電阻增加且降低導體載流量要求。因此，可使用小規 格導線或至少較小的鋼管或導線。絕緣亦可減小或消除導 體之電流腐蝕》 導體601及602在不與礦石導電接觸之情況下藉由使用近 磁場（H)及近電場（E)可靠地發熱。不導電磁抗流器614及 615 /σ著管之位置判定RF加熱在地上開始之處。磁抗流器 614及615可包含注入至地中之填充有鐵氧體粉末之水泥罩 忒，或藉由其他構件（諸如，套管）實施。在圖9b中所描繪 之電網路中，表面將〇 ' 180度之相位激發提供至管天線元 件601及602，此可提供增加之水平散熱。如一般熟習此項 技術者可瞭解，AC源604在需要時可連接至僅一個井筒之 同轴傳輸線’以僅沿著一個地下管進行加熱。 圖9c展示在表面處具有兩個單獨ac源（AC源622及AC源 623)之天線陣列。此等ac源中之每一者伺服機械分離之井 天線。AC源622及623之振幅及相位可相對於彼此變化， 以合成地下之不同的加熱圖案或個別地控制沿著每一井汽 之加熱。舉例而言’由AC源623所供應之電流的振幅可遠 大於由源622所供應之電流的振幅，此可減少在生產期間 沿著下部生產井（producer)管天線之加熱。可在較早啟動 時間期間使由AC源622所供應之電流的振幅高於Ac源622 之振幅。許多電激發模式因此為可能的，且井天線管6〇1 156825.doc 201218521 及6 0 2可為個別天線或作為一陣列一起工作之天線。 可藉由AC源622及633之0度及18〇度相對定相在管601與 602之間汲取電流’以將加熱集中在該等管之間。或者， AC源622及603可為電同相的以減小管6〇1與602之間的加 熱。作為背景’均勻介質中之rf施加器天線之加熱圖案傾 向於為簡單的三角函數，諸如cos2 Θ。然而，地下重烴地 層常常為各向異性的。因此，地層感應電阻率對數應以數 位分析方法使用，以預測已實現之RF加熱圖案。RF加熱 之已貫現等溫線常常遵循較多與較少導電地球層之間的邊 界條件。最陡峭之溫度梯度通常正交於地球岩層^因此， 圖9a、圖9b及圖9c說明可用以藉由調整傳遞至井天線6〇i 及602之電流的振幅及相位來調整地下加熱之形狀的天線 陣列技術及方法。應理解，可將三個或三個以上井天線置 放於地下。本發明之天線陣列不限於兩個天線。 圖1 〇中展示本發明之連續偶極天線之例示性電路等效模 型。該電路等效模型為分析用之晝出以表示實體系統之電 特性的電路圖（electrical diagram)。因此，應理解圖 之圖為用於解釋之手段。電流源（較佳為RF產生器）具有電 位或電麼502(Vgenerat()r)且將電流5〇8(Igenerat(Jr)供應至兩個饋 入節點（例如，端子）504及506。在此實例中，磁珠之任一 側上存在一個節點。510及512分別表示電感及電阻。51〇 表示通過珠粒之管區段之電感（Lbead)，且512表示通過珠粒 之管區段的電阻（rbead)。電阻器514(rore)及電容器5i6(Core) 分別表示連接至珠粒之任一側上之管或跨越該等管耦接的 156825.doc 16 201218521 烴礦石之電阻及電容。電流5丨8通過珠粒（Ibead)且電流52〇 通過礦石（IQre)。穿過珠粒及穿過礦石之兩個路徑跨越該等 饋入節點並聯。經由此分流器520供應至礦石之電流由下 式給出： ore LZ〇re/(Zore + Zbea(j)]Igenerat〇r 由於電流通過最小阻抗之路徑，故珠粒在Αμ>>ζ。“時 為井「天線」提供電驅動為足夠的。當珠粒之感性電抗大 於礦石之負載電阻（亦即，Xi bead>>r。”）時，本發明之連續 偶極天線之較佳操作發生。磁珠接著充當跨越井管中之虛 擬間隙所插入之串聯電感器，其又提供驅動間斷。為清楚 起見，本電路分析中未展示一些特性，諸如，（多根）表面 引線之導體電阻、井管電阻、井管自《、輻射電阻(若存 在）等。一般而言，由通過珠粒之管所產生之感性電抗大 約與官的一匝（若管圍繞珠粒纏繞）之感性電抗相同。圖i i 展示根據本發.明之連續偶極天線之例示性磁珠的自阻抗 (以歐姆為單位）。該自阻抗為跨越通過珠粒之小直徑導電 管所看到的阻抗’且不包括天線元件。例示性珠粒量測3 呎之直徑及6呎之長度’且包含與矽橡膠混合之燒結錳辞 鐵氧體粉末。例示性珠粒為約7G重量％之鐵氧體。例示性 珠粒之相對磁導率卜在丨〇 KHz下為95〇法/公尺。例示性珠 淖在10 Khz下顯出658微亨之電感。例示性珠粒之感性電 抗足以為許多烴井之RF加熱/激勵提供充足的電驅動間 斷。在最低頻率（約100至1〇〇〇 Hz)下，珠粒之任一側上之 井管可充當用於電阻加熱的電極，從而藉由接觸將電流傳 I56825.doc -17- 201218521 遞至地層。 ιΛη iChz之頻率下，通過例示性珠粒之任一 在約1 Khz至1〇0 > 淥生形成用於礦石中之感應加熱之渦電 側上之井管的電流# * <么電負載阻抗藉由井天線歸諸於表面傳 流的近磁場。礦石& A斯眼抗一般歸因於感應加熱而隨著上升頻 輸器，且礦石負載^ <爽中描述根據本發明之候選井天線之實 率迅速地上升。下$ 例： -一一^一·^性井天線系統資料 __*···"一***^- 水平方向鑽探(HDD) 井類型 — 豐富的Athabasca油砂 礦石 >一*"***-***" 1 Khz 分析頻率 一^ 500法/公尺(1 KHz下） 礦石初始相對電容^___^^^^ 0.005姆歐/公尺(1 KHz下;） 礦石初始電導率，σ__---_ 1 ^0/ 1 tjy〇 破石初始含水百分數(以 1公里 水平延展長度，1 _——< ^8公分 官直徑，d ---- 營絕後 ________ 外部井管為裸露的 珠粒位置Ml入敢、 _________ 水平延展之中點 珠粒磁材料 -— -燒結之粉末狀錳鐵氧體， 珠粒基質材料 y—-— 矽橡膠(波特蘭水泥亦為合適的） 珠粒電感 ^ >50毫亨 主要電加熱模式 一一 來自天線導體之感應(近磁場之施加） 礦石之負載電阻r丨(初始）___一·一-- 587歐姆 礦石之負載電容 — 3800微微法 --zl_____—--- 徑向熱梯度(初始） 〆---- 約 1/r7 至礦石中之初始徑向熱寶透，在饋入 約8公尺 點附近(耗散5〇%能量之深度） 圖12展示根據本發明之連續偶極天線之用天線井所激勵 的礦石地層中之熱施加之瞬時速率（以瓦特/平方公尺為單 156825.doc 201218521 位）的例示性圖案。圖12中之圖案恰在RF功率最初接通（時 間t=〇)之後且關於至礦石之5兆瓦的總傳遞功率展示。rf 激發為1 KHz下之正弦波。定向為穿過水平方向鑽探 (HDD)井之底部部分的又丫平面切口（水平區段）之定向。如 可瞭解，存在熱能至礦石地層中之許多公尺深之幾乎瞬時 的穿透。此可比所進行之加熱方法快得多。 稍後，圖12之初始加熱圖案將縱向地生長，以使得烴礦 石沿著井之整個水平區段變暖。換言之，飽和溫度帶（例 如’蒸汽波（圖中未繪示））圍繞磁珠16〇形成且沿著管天線 1〇2生長及行進。最終實現之溫度圖形（圖中未繪示）在形狀 上可為幾乎圓柱形的且沿著井覆蓋任何所要長度。 飽和溫度帶生長及行進所用之速率取決於礦石之比熱、 礦石之含水量、RF頻率及所經過之時間。由於在天線饋入 點（圖中未繪示’但在磁珠160之任一側上）附近之h2〇同相 地自液體變為蒸氣，故提供熱調節’因為礦石溫度不會上 升至地層中之水沸騰溫度以上。水蒸氣並非rF加熱感受 器’而液體水為RF加熱感受器》巧·實現之最高溫度為在礦 石地層中之深度壓力下之沸騰（Η20相轉變）溫度。此溫度 可為（例如）攝氏100度至攝氏300度。 瀝青礦石（諸如’ Athabasca油砂）一般在低於海平面處之 /弗水之溫度的溫度下充分溶融以用於提取。即使當井天線 不與礦石水導電接觸時，井天線仍將可靠地繼續加熱礦 石’因為RF加熱包括電場及磁場（E及H)兩者。一般而言， 與本發明之連續偶極天線相關聯之RF加熱的機制未必限於 156825.doc •19- 201218521 電或磁加熱。該等機制可包括下列各者中之一或多者：藉 由用井管或包含裸電極之其他天線導體將電流⑴施加至礦 石所產生之電阻加熱；藉由來自井管或其他天線導體之近 磁場Η之施加所產生的涉及礦石中之渦電流之形成的感應 加熱’及由藉由近電場（Ε)之施加所輸送之位移電流所引 起的加熱。在後一情況下’可將井天線視為電容器板之同 類。 根據本發明之連續偶極天線，可能需要用足以消除電流 至礦石中之直接類電極傳導之不導電層或塗層來使井天線 與礦石電絕緣。此意欲最初提供更均勻之加熱。當然，井 天線亦可能不與礦石電絕緣，且電場及磁場加熱仍可被利 用。 圖13展示根據本發明之連續偶極天線以電磁方式加熱之 例示性井的簡化溫度圖。在圖丨3中，已允許RF電磁加熱進 行一段時間。因此，圖12中所描繪之初始熱施加圖案已擴 展以使大的礦石帶沿著井天線1〇2之整個水平長度得到加 熱。呈行波蒸汽前部之形式的飽和溫度帶168已自不導電 磁珠160向外傳播。飽和溫度帶168可包含扁圓之三維區， 其中'/JHl度已上升至原位水之彿點。飽和帶16 8中之溫度取 決於礦石地層之深度處之壓力。 飽和溫度帶168可主要含有瀝青及砂子，特別在礦石抽 出（withdrawal)尚未開始之情況下。若礦石已經過提取以 用於生產，則飽和溫度帶168可為填充有蒸汽之腔室。取 決於加熱之程度及生產’飽和溫度帶亦可為瀝青、砂子及/ 156825.doc •20· 201218521 或蒸氣之混合。 圖13中亦描繪梯度溫度帶166。梯度溫度帶166可包含炼 融瀝青之壁’熔融瀝青係藉由重力排出至附近或下面之生 產井（圖中未繪示）。歸因於用以增強熔融之rF加熱，溫度 梯度可為陡的。飽和溫度帶168之直徑可藉由以下操作而 相對於其長度變化：使射頻（赫茲）變化、使所施加之RF# 率（瓦特）及/或RF加熱之持續時間（例如，分鐘、小時或天） 變化。 電磁加熱為耐用且可靠的，因為井天線可不管飽和溫度 帶168中之條件而在梯度溫度帶166中繼續加熱β井天線 102並不需要天線表面處之液體水接觸來繼續加熱，因為 電場及磁場向外顯出以到達液體水且繼續加熱。礦石中之 原位液體水經受電磁加熱，且礦石總體上藉由至原位水之 熱傳導而發熱。由於蒸汽並非電磁加熱感受器，故一形式 之熱調節發生，且溫度可能不超過礦石中之水的沸騰溫 度。 不同於穿過管將蒸汽迫至井令之習知蒸汽提取方法，本 發明之連續偶極天線之電磁加熱可穿過不透性岩石發生且 不需要對流。由於利用了蒸汽增強型石油回收方法，故電 磁加熱可減小對可能需要之烴礦石之上之蓋岩的需要。另 外，可減小或消除對用以製成注入蒸汽之表面水資源之需 要。 RF加熱實際上可同時停止及開始以調節生產。RF加熱 在井之哥命中可僅為RF。然而，RF加熱亦可藉由習知蒸 156825.doc -21 - 201218521 汽加熱來實現。在該情況下，RF加熱可為有利的，因為其 可開始用於習知蒸汽加熱之啟動之對流。Rf加熱亦可驅動 所注入之溶劑或催化劑以增強石油回收，或修改所獲得之 產品的特性。因此，RF加熱可用於起始礦石中之對流流動 以用於蒸汽加熱之務後應用’或加熱在井之壽命中可僅為 RF，或兩者。 圖13中所展示之第二不導電磁珠162用以防止表土層中 之不合需要的加熱。第二不導電磁珠162抑制超出珠粒162 位置朝向表面之在天線中之電流流動。此為本發明之連續 偶極天線勝於蒸汽（其中井係穿過永凍層操作）之—優點。 不同於用於增強型石油回收之蒸汽注入方法，使用本發明 之連續偶極天線之井管路在表面附近可比使用蒸汽注入方 法之井管路更冷。 當針對磁珠材料陳述詞不導電（n〇nc〇nductive或 electrically nonconductive)時，應理解，此意謂著對珠粒 而言為成塊地不導電的。強磁性之元素（例如，Fe、NI、

Co、Gd及Dy)當然導電，且在RF應用中，此可導致渦電流 及減小之磁導率。藉由在珠粒中形成磁材料之多個區及使 δ亥等區彼此絕緣而在本發明之連續偶極天線珠粒中減輕此 情況。此絕緣可包含（例如）疊層、絞合、導線繞芯、經塗 佈之粉末顆粒或多晶晶格摻雜（鐵氧體、石榴石、尖晶 石）。個別磁粒子可包含許多原子之基團，但粒徑小於約 一個射頻集膚深度可能較佳（但不需要）。集膚深度可根據 公式預測： 156825.doc •22· 201218521 Δδ=(1/νπμ〇)[ν(ρ/μΓ£)] 其中： δ =以公尺為單位之集膚深度； μ〇=自由空間之磁導率;；：4 71><1〇-7亨/公尺. μΓ=介質之相對磁導率； ρ=以歐姆/公尺為單位之介質之電阻率；且 f=以赫茲為單位之波之頻率 個別磁粒子可浸沒於不導電介質（諸如’例如但非限 制，波特蘭水泥、矽橡膠或酚）中。將該等粒子浸沒於此 專"質中用來使粒子彼此絕緣。每一磁粒子亦可在其表面 上具有絕緣塗層，諸如磷酸鐵（HjO4)。該等磁粒子亦可 混合至用以將井管密封至地中之波特蘭水泥中。在該情況 下，珠粒由此可注入至適當位置（例如，原位模製）。一些 合適之珠粒材料包括：充分燒結之粉末狀錳鋅鐵氧體，諸 如，National Magnetics Group Inc.(Bethlehem，Pennsylvania) 所製造之型號M08 ; Powder Processing Technology LLC (Valparaiso Indiana)所製造之 FP215,及 Fair-Rite Products (Wallkill，New York)所製造之混合 79。 在本發明之連續偶極天線中，井管可與礦石電絕緣或不 電絕緣。換言之’管可具有不導電之外層或根本不具有外 層。當管不絕緣時，管至礦石之導電接觸准許經由傳導之 電流自井管天線半電池（half element)至礦石中之流動的焦 耳效應（P=I2R)電阻加熱。因此，井管自身變為電極。此操 作方法較佳在自DC至約1〇〇 Hz之頻率下進行，但本發明之 156825.doc -23- 201218521 連續偶極天線不限於該頻率範園β 當管與礦石絕緣時，RF電流沿著管之流動轉換管周圍之 近磁場，從而准許礦石之感應加熱。此係因為管天線之圓 形近磁場經由一化合物或兩步驟過程轉換礦石中之渦電 渦電流最後藉由焦耳效應（p=I2R)發熱。rf加熱之感 應模式可較佳自約！ KHz至2〇 KHz，但本發明之連續偶極 天線不限於僅此頻率範圍。 感應加熱負載電阻通常隨著頻率上升。在位移電流藉由 近電場（E)自絕緣管轉換至礦石中之情況下，又一加熱模 弋可形成。本發明之連續偶極天線由此可使用許多電模式 將熱施加至礦石，且特別不限於任何一個模式。 本發明之井管可視情況含有複數個磁珠以沿著井管（圖 中未、、’曰示）形成多個電饋入點。該多個饋入點可串聯或並 聯連線。該複數個珠粒饋入點可使沿著管之電流分佈（位 置相關之電流振幅及相位)變化。此等電流分佈可經合成 (例如，均勻、正弦、二項或甚至行波）。 根據本發明之連續偶極天線’傳輸器之頻率可變化以隨 時間增加或減少天線至礦石負載中之麵合。此又使加熱之 速率及呈現給傳輸器之電負载變化。舉例而言，頻率可隨 時間或隨著資源自地層抽出而升高。 井珠160之形狀可為(例如)球形或扁圓的，或甚至為圓 柱或套筒。球形珠粒形狀對節省材料要求而言可為較佳 的’而細長形狀對安裝需要而言為較佳的。^朱粒16〇可包 含具有薄塗層之管之區。舉例而言，井珠副在態樣及保 I56825.doc -24 · 201218521 形上可為實質上細長的，以准許連同管一起插入至井筒 中〇 【圖式簡單說明】 圖1描繪典型的先前技術偶極天線； 圖2描繪本發明之連續偶極天線之實施例； 圖3描繪無屏蔽傳輸線所引起之加熱； 圖4描繪使用油井管路及同轴偏移饋入之本發明之連續 偶择天線的實施例； 圖5描繪使用油井管路及偶軸偏移饋入之本發明之連續 偶極天線的實施例； 圖6描繪使用SAGD井管路及同軸嵌入饋入之本發明之連 續偶極天線的實施例； 圖7描繪使用SAGD井管路及偶軸嵌入饋入之本發明之連 續偶極天線的實施例； 圖8描繪使用油井管路及三軸嵌入饋入之本發明之連續 偶極天線的貫施例； 圖9描繪使用油井管路及雙軸嵌入饋入之本發明之連續 偶極天線的貫施例； 圖9a描繪根據圖9之雙軸饋入之電流； 圖9b描繪使用油井管路及雙軸饋入之本發明之連續偶極 天線的另一實施例； 圖9c描繪在表面處具有兩個單獨AC源之天線陣列； 圖10描繪本發明之連續偶極天線之實施例的電路等效模 型； 156825.doc •25- 201218521 圖11描繪根據本發明之連續偶極天線之例示性磁珠的自 阻抗； 圖1 2描繪根據本發明之連續偶極天線之連續偶極天線井 在時間t=0的例示性初始加熱速率圖案；及 圖13描繪例示性井之簡化溫度圖。 【主要元件符號說明】 10 先前技術天線 12 同軸饋入 14 内部導體 16 外部導體 18 偶極天線區段 20 無屏蔽間隙或裂口 22 饋線 50 本發明之連續偶極天線 52 同抽饋入 54 内部導體 5 6 外部導體 5 8 偶極天線區段 60 不導電磁珠 62 饋線 64 連續導體 100 連續偶極天線 102 井管 104 AC源 156825.doc ,, 201218521 106 無屏蔽饋線/無屏蔽傳輸線 108 淺層區段/較淺區域 110 生產區域 112 連接 114 區域 150 連續偶極天線 152 井管 154 AC源 156 屏蔽同軸饋入 158 饋線 160 第'一不導電磁珠 162 第二不導電磁珠 164 偶極天線區段 166 連接/梯度溫度帶 168 飽和溫度帶 200 連續偶極天線 202 井管 204 AC源 206 屏蔽偶軸饋入 208 饋線 210 不導電磁珠 214 偶極天線區段 216 連接 250 連續偶極天線 156825.doc « -27- 201218521 252 穿孔井管 254 AC源 255 内部饋入 256 管區段 257 外部饋入 258 生產井管/連接器線 260 第一不導電磁珠 262 第二不導電磁珠 264 偶極天線區段 266 連接 300 連續偶極天線 302 穿孔井管/連接器線 303 偶轴饋入 304 AC源 306 管區段 310 第一不導電磁珠 312 第二不導電磁珠 314 偶極天線區段 316 連接 318 生產井管 350 連續偶極天線 352 井管 354 AC源 356 屏蔽三軸饋入 -28* 156825.doc 201218521 358 連接器線 359 連接 360 第一不導電磁珠 362 弟二不導電磁珠 364 偶極天線區段 366 連接 368 管區段 400 連續偶極天線 402 井管 403 管區段 404 AC源 405 變壓器主側 406 變壓器副側 407 線 408 電容器 409 同轴饋入 410 同軸饋入 411 雙轴饋入 412 饋線 414 第一不導電磁珠 416 弟二不導電磁珠 418 偶極天線區段 420 連接 502 電位或電壓 156825.doc -29- 201218521 504 506 508 510 512 514 516 518 520 600 601 602 604 605 606 607 608 609 610 611 612 613 614 615 饋入節點 饋入節點 電流 電感 電阻 電阻器 電容器 電流 電流/分流裔 連續偶極天線 導體/井管/管天線元件 導體/井管/管天線元件 AC源 變壓器主側 變壓器副側 線 電容器 同轴饋入 同袖馈入 雙軸饋入 不導電電絕緣 不導電電絕緣 不導電磁抗流裔 不導電磁抗流益 156825.doc •30- 201218521 620 連接 622 AC源 623 AC源 712 上部天線7L件 714 傳輸線管區段 716 同軸内部導體 722 下部天線元件 724 傳輸線管區段 726 同轴内部導體 732 磁RF抗流器 734 磁RF抗流器 742 轉位 744 轉位 156825.doc - 31 -

Claims (1)

1. 201218521 七、申請專利範圍： ^.-種用於將功率供應至—連續偶極天線之裝置，其包 含： ’、 線性導體，該線性導體具有一驅動間斷； 一交流電源； ’ 一第一同軸饋線，該第一同軸饋線包含一内部導體 一外鞘； 反 第一同軸饋線，該第二同軸饋線包含該内部導 一外鞘； -變壓器’該變壓器具有一主側及一副側，該變壓器 之》亥主側電連接至該交流電源，該變壓器之該副側藉由 該第同軸饋線之該内部導體在該驅動間斷之—第 ,φ 吊—側 電連接至該線性導體，且該變壓器之該副側藉由該第 一同軸饋線之該内部導體在該驅動間斷之一第二側上電 連接至該線性導體； 其中該第一同軸饋線及該第二同轴饋線之該等内部導 體係經由一電容器電連接；且 5亥變壓器之該副側電連接至該第一同軸饋線之該外勒 ‘ 及忒第二同軸饋線之該外鞘。 2. 如凊求項1之裝置，其中該線性導體為連續的，且該驅 動間斷為一不導電磁珠。 3. 如吻求項2之裝置，其中該不導電磁珠可包含下列各者 中之一或多者：，鐵氧體、磁石、磁鐵礦、粉末狀鐵、鐵 IJ 妙鋼粒子’或具有表面絕緣體塗層之五羰基Ε鐵 156825.doc 201218521 粉。 4. 如請求項2或3之裝置，其中兮查 穴τ成運續線性導體包含油井管 路。 5. -種用於將功率供應至—連續偶極天線之裝置，其包 含： 一第一線性導體； 一第二線性導體； 一交流電源； -第-同轴麟’該第―同㈣線包含—内部導體及 一外鞘； -第二同軸饋線’該第二同軸饋線包含該内部導體及 一外鞘； -變壓器，該變歷器具有一主側及一副側，該變壓器 之該主侧電連接至該交流電源，該變壓器之該㈣藉由 該第一同軸饋線之該内部導體電連接至該第—線性導 體’且該變壓器之該副側藉由該第二同軸饋線之該内部 導體電連接至該第二線性導體； 其中該第一同軸饋線及該第二同轴饋線之該等内部導 體係經由一電容器電連接；且 其中該變壓器之該副側電連接至該第一同軸饋線之該 外鞘及該第二同車由饋線之該外銷。 6. —種用於將功率供應至一連續偶極天線之方法，其勺 含： 八^ 將一交流電源電連接至一變壓器之一主側； 156825.doc 201218521 將一第一同軸饋線之—内部導體電連接在該變壓器的 一副側與一線性導體中之一驅動間斷之一第一側之間， β亥第一同軸饋線包含該内部導體及一外鞘； 將一第二同軸饋線之一内部導體電連接在該變壓器的 該副側與該線性導體中之該驅動間斷之一第二側之間， 該第二同軸饋線包含該内部導體及一外鞘； 絰由一電容器電連接該第一同軸饋線及該第二同軸饋 線之該等内部導體；及 將。玄變壓器之該副側電連接至該第一同軸饋線及該第 二同軸饋線之該等外鞘。 7. 如請求項6之方法，纟中該線性導體為連續的，且該驅 動間斷為一不導電磁珠。 8. 如請求項7之方法，其中該不導電磁珠包含：鐵氧體、 磁石磁鐵礦、粉末狀鐵、鐵片、矽鋼粒子、具有表面 絕緣體塗層之五羰基Ε鐵粉，或此等材料中之兩者或兩 者以上的一组合。 9_如請求項7或8之方法，其中該連續線性導體包含油井管 路。 10. —種用於將功率供應至一連續偶極天線之方法，其包含 • 將—交流電源電連接至一變壓器之一主側； 將—第一同軸饋線之一内部導體電連接在該變壓器的 -副側與一第_線性導體之間’該第一同軸饋線包含該 内部導體及一外鞘； 將第一同軸饋線之一内部導體電連接在該變壓器的 156825.doc 201218521 該副側與一第二線性導體之間，該第二線性導體大體平 行於該第一線性導體定位，該第二同軸饋線包含該内部 導體及一外鞘； 經由一電容器電連接該第一同軸饋線及該第二同軸饋 線之該等内部導體；及 將該變壓器之該副側電連接至該第一同軸饋線及該第 二同軸饋線之該等外鞘。 156825.doc