DE102008062326A1

DE102008062326A1 - Anordnung zur induktiven Heizung von Ölsand- und Schwerstöllagerstätten mittels stromführender Leiter

Info

Publication number: DE102008062326A1
Application number: DE102008062326A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Diehl
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2009-09-17
Also published as: PL2250858T3; CA2717607A1; ES2367561T3; RU2010140801A; EP2250858B1; US20140326444A1; SI2250858T1; US10000999B2; CA2717607C; ATE519354T1; WO2009109489A1; EP2250858A1; US8766146B2; US20110006055A1; RU2455796C2; PT2250858E

Abstract

Bei einer Anordnung zur induktiven Heizung von Ölsand- und Schwerstöllagerstätten mittels stromführender Leiter bestehen die Leiter aus einzelnen Leitergruppen, wobei die Leitergruppen in periodisch wiederholten Abschnitten definierter Länge, welche eine Resonanzlänge (R_L) definieren, ausgebildet sind und jeweils zwei oder mehr derartiger Leitergruppen kapazitiv verkoppelt sind. Dabei kann vorteilhafterweise jeder Leiter einzeln isoliert sein und aus einem einzigen Draht bestehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur induktiven Heizung von Ölsand- und Schwerstöllagerstätten mittels stromführender Leiter.
Zur Förderung von Schwerstölen oder Bitumen aus Ölsand- oder Ölschiefervorkommen mittels Rohrsystemen, welche durch Bohrungen eingebracht werden, muss deren Fließfähigkeit erheblich erhöht werden. Dies kann durch Temperaturerhöhung des Vorkommens, das nachfolgend als Reservoir bezeichnet wird, erreicht werden. Wird dazu ausschließlich oder eine induktive Heizung oder ergänzend zur Unterstützung des bekannten SAGD-Verfahrens verwendet, tritt das Problem auf, dass der induktive Spannungsabfall entlang der großen Länge des Induktors von z. B. 1000 m zu sehr hohen Spannungen bis zu einigen 100 kV führen kann, die weder bei der Isolation gegen das Reservoir bzw. das Erdreich noch am Generator bezüglich der Blindleistung beherrscht werden können.
Zur Unterstützung der Reservoir-Heizung mittels Dampfinjektion nach dem bekannten SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage)-Verfahren oder als vollständiger Ersatz dieser Dampfinjektion können verschiedene elektromagnetische wirkende Induktoren- und Elektroden-Konfigurationen verwendet werden, die in den nicht vorveröffentlichten Anmeldungen der Anmelderin mit AZ 10 2007 036 832, AZ 10 2007 008 292 und AZ 10 2007 040 606 im Einzelnen beschrieben sind.
Bei allgemeinen Stand der Technik der Induktionsbeheizung kann der Aufbau hoher induktiver Spannungen durch eine Serienschaltung bestehend aus Induktorabschnitten und integrierten Kapazitäten verhindert werden, die auf die Arbeitsfrequenz als Serienschwingkreis abzustimmen sind. In der nicht vorveröffentlichten Anmeldung der Anmelderin mit AZ 10 2007 040 605 sind eine koaxiale Leiteranordnung mit konzentrierten Kapazitäten sowie das Prinzip der verteilten Kapazitäten basierend auf der veröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 009 896 A1 detailliert beschrieben. Erstere Leiteranordnung weist verschiedene Eigenheiten, wie geringe Biegsamkeit, hohe Herstellungskosten, teure Hochspannungskeramiken, auf. Letztere Leiteranordnung ist nicht für den eingangs angegebenen bestimmungsgemäßen Zweck ausgerichtet.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es demgegenüber, eine Leiteranordnung zu schaffen, die als Induktoranordnung für den Zweck der Ölsandheizung einsetzbar ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zwei oder mehr Leitergruppen in periodisch wiederholten Abschnitten definierter Länge (,resonance length') kapazitiv zu verkoppeln. Dabei ist jeder Leiter einzeln isoliert und besteht aus einem einzigen Draht oder einer Vielzahl von wiederum für sich isolierten Drähten. Insbesondere wird eine sog. Multifilament-Leiterstruktur gebildet, die in der Elektrotechnik für andere Zwecke bereits vorgeschlagen wurde. Gegebenenfalls kann auch eine Multiband- und/oder Multifolien-Leiterstruktur für den gleichen Zweck realisiert werden.
Bei der praktischen Anwendung werden zur induktiven Heizung für den bestimmungsgemäßen Zweck der Ölsandheizung bei Erregerfrequenzen von z. B. 10–50 kHz typischerweise zwei Leitergruppen zu je 1000–5000 Filamenten benötigt, wenn wirksame Resonanzlängen im Bereich von 20–100 m erhalten werden sollen. Es können aber auch mehr als zwei Leitergruppen vorhanden sein.
Bei den Anordnungen gemäß der Erfindung ist die Resonanzfrequenz umgekehrt proportional zum Abstand der Unterbrechungen der Leitergruppen. Der Aufbau eines kapazitiv kompensierten Multifilamentleiters kann mittels spezifischer HF-Litzen erfolgen. Der Aufbau eines kapazitiv kompensierten Multifilamentleiters kann aber auch alternativ mittels massiver Drähte erfolgen.
Bei der Erfindung ist ein kompensierter Multifilamentleiter vorteilhafterweise aus transponierten bzw. verflochtenen Einzelleitern aufgebaut und zwar derart, dass jeder Einzelleiter innerhalb der Resonanzlänge auf jedem Radius gleichhäufig anzutreffen ist. In Anlehnung an konventionelle Leiter vom Milliken-Typ kann ein kompensierter Multifilamentleiter aus mehreren Leitergruppen, die um das gemeinsame Zentrum angeordnet sind, aufgebaut sein.
Die einzelnen kompensierten Leiteruntergruppen bestehen vorteilhafterweise aus verseilten Massiv- oder HF-Litzen-Drähten. Dabei können die Querschnitte der Leiteruntergruppen von der runden oder hexagonalen Form abweichen und zum Beispiel sektorförmig sein. Der zentrale leiterfreie Bereich innerhalb des Querschnitts eines kompensierten Multifilamentleiter vom Milliken-Typ kann zur mechanischen Verstärkung zur Erhöhung der Zugfestigkeit genutzt werden. Dazu sind permanent eingebrachte oder entfernbare Kunstfaserseile oder entfernbare Stahlseile verwendbar.
Der zentrale leiterfreie Bereich innerhalb des Querschnitts eines kompensierten Multifilamentleiters vom Milliken-Typ kann zur Kühlung mittels einer zirkulierenden Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder Öl, genutzt werden. Weiterhin können dort vorteilhafterweise Temperatursensoren untergebracht sein, die zur Überwachung und Steuerung der Bestromung und/oder der Flüssigkeitskühlung verwendet werden können.
Zur Installation des Induktors, der aus kapazitiv kompensierten Multifilamentleiters im Reservoir besteht, wird vorge schlagen, den Induktor vorzugsweise in ein zuvor eingebrachtes Kunststoffrohr größeren Innendurchmessers einzuziehen. Dabei kann z. B. ein Öl als Gleitmittel eingebracht werden.
Während des Betriebs, d. h. Bestromung des erfindungsgemäßen Leiteranordnung, kann der Raum zwischen Induktor und Kunststoffrohr mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser geringer elektrischer Leitfähigkeit oder z. B. Transformatorenöl, das auch zuvor bereits als Gleitmittel dienen kann, geflutet sein.
Sofern eine aktive Kühlung des Induktors mittels eines zirkulierenden Kühlmittels angestrebt wird, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Kühlmittel im Zwischenraum und zentralen leiterfreien Bereich zu pumpen und zwar in entgegen gesetzte Richtungen.
Vorstehend im Einzelnen genannten Weiterbildungen und Konkretisierungen der Erfindung haben insbesondere folgende Vorteile.

– Die ineinander und räumlich eng beieinander liegenden Leitergruppen sind stark kapazitiv verkoppelt. Damit wird ein Serienresonanzkreis aufgebaut, bei dem sich bei der Resonanzfrequenz die Phasenverschiebungen von Strom und Spannung durch die Leitungsinduktivitäten durch Kapazitäten zwischen den Leitergruppen gerade kompensieren.
– Über den Abstand der Unterbrechungen wird die Resonanzfrequenz des Leiters eingestellt. Weiterhin bestimmt diese Länge den induktiven Spannungsabfall und legt die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der Isolation bzw. des Dielektrikums fest.
– Die Verwendung von HF-Litze reduziert bzw. vermeidet die ohmschen Zusatzverluste aufgrund des Skin-Effekts.

Sofern beim erfindungsgemäßen Multifilamentleiter geringe Resonanzlängen erreicht werden sollen, sind hohe Kapazitätsbeläge erforderlich. Damit ist eine Aufteilung des Gesamtlei terquerschnitts in eine Vielzahl von Einzelleitern, beispielsweise bis zu mehreren tausend Einzelleitern, notwendig. Vorteilhafterweise ist dann ist der Durchmesser des Einzelleiters bereits so gering, dass eine Widerstandserhöhung durch Skin-Effekt nicht mehr auftritt.
Bei der Erfindung vermeidet das Verflechten bzw. Transponieren der Einzelleiter innerhalb der Resonanzlänge vermeidet ohmsche Zusatzverluste aufgrund des sog. Proximity-Effekts. Weiterhin reduziert es die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der Isolation des Dielektrikums durch homogenere Verschiebungsstromdichten. Die Anordnung mehrer Leiteruntergruppen um das gemeinsame Zentrum erlaubt die Verwendung von verseilten Drähten – anstelle von verflochtenen oder transponierten Drähten ohne auf die Verminderung der ohmschen Zusatzverluste durch den Proximity-Effekt verzichten zu müssen – bei gleichzeitig vereinfachter Fertigung.
Bei der bestimmungsgemäßen Verlegung des Induktors im Reservoir von Ölsandlagerstätten sind Zugbelastungen von einigen 10 t zu erwarten, die den durch Unterbrechungen geschwächten kompensierten Leiter überfordern könnten, so z. B. die Spannungsfestigkeit des Dielektrikums verringern könnten. Daher ist eine mechanische Verstärkung anzustreben.
Bei Auslegung des Induktors mit geringem Leiterquerschnitt, insbesondere Querschnitt aus Kupfer, kann eine aktive Kühlung der erfindungsgemäßen Anordnung notwendig werden, wofür vorteilhafterweise offene Freiräume bzw. Zwischenräume in der Anordnung vorhanden sind. Ein Kunststoffrohr dient dem Offenhalten der Bohrung, dem Schutz des Induktors bei der Installation und dem Betrieb. So verringert es die Zugbelastung auf den Induktor während des Einziehens durch Verringerung der Reibung. Eine Flüssigkeit im Zwischenraum stellt den guten thermischen Kontakt zum Kunststoffrohr und zum Reservoir her, der zur passiven Kühlung des Induktors benötigt wird. Bei einer Umgebungstemperatur des Reservoirs von z. B. 200°C können ohmsche Verluste im Induktor bis etwa 20 W/m durch Wärmelei tung abgeführt werden, ohne dass die Temperatur im Induktor den für Teflon-Isolation kritischen Werte von 250°C überschreitet.
Mit der gegenläufigen Kühlmittelströmung innerhalb und außerhalb der Leiter wird eine gleichmäßigere Temperatur entlang des Induktors, der etwa 1000 m lang sein kann, erreicht, als dies für gleichgerichtete Kühlmittelströme der Fall wäre.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Es zeigen in schematischer Darstellung
1 einen perspektivischen Ausschnitt aus einem Ölsand-Reservoir mit einer horizontal im Reservoir verlaufenden elektrischen Leiterschleife,
2 ein Schaltbild eines Serienresonanzkreises mit konzentrierten Kapazitäten zu Kompensation der Leitungsinduktivitäten,
3 ein Schema einer kapazitiv kompensierten Koaxialleitung mit verteilten Kapazitäten,
4 ein Schema der kapazitiv verkoppelten Filamentgruppen in Längsrichtung,
5 den Querschnitt eines Multifilamentleiters,
6 die Verteilung des elektrischen Feldes eines 2-Gruppen-60-Filamentleiters im Querschnitt,
7 graphische Darstellung von Kapazitätsbelag zweier Leitergruppen in Abhängigkeit von der Leiteranzahl,
8 graphische Darstellung von Frequenzabhängigkeit der ohmschen Widerstands für verschiedene Drahtdurchmesser,
9 einen Querschnitt eines verteilten kompensierten Multifilamentleiter vom Milliken-Typ,
10 eine Alternative zu 9,
11 eine perspektivische Darstellung eines Vier-Quadrantenleiters,
12 den Querschnitt eines verseilten kompensierten Multifilamentleiters vom Milliken-Typ in einem Führungsrohr und
13 eine graphische Darstellung von Abhängigkeit der Induktorbestromung von der Frequenz für verschiedene Heizleistungen.
Gleiche bzw. gleichwirkende Elemente der Figuren haben gleiche bzw. sich entsprechende Bezugszeichen. Die Figuren werden nachfolgend gruppenweise zusammen beschrieben.
In der 1 ist eine als Reservoir bezeichnete Ölsand-Lagerstätte dargestellt, wobei für die spezifischen 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.
In 1 ist eine Anordnung zur induktiven Heizung des Reservoirausschnittes 1 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 bzw. 15' innerhalb oder außerhalb des Reservoirs miteinander zu einer Schleife 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.
In 1 verlaufen die Leiter 10 und 20 in gleicher Tiefe nebeneinander. Sie können aber auch übereinander geführt werden. Unterhalb der Leiterschleife 10, 15, 20, d. h. auf dem Boden der Reservoireinheit 1, ist ein Förderrohr 1020 angedeutet, über das verflüssigtes Bitumen oder Schwerstöl transportiert werden kann.
Typische Abstände zwischen den Hinleiter 10 und Rückleiter 20 sind 5 bis 60 m bei einem Außendurchmesser der Leiter von 10 bis 50 cm (0,1 bis 0,5 m). Auch größere Abstände, beispielsweise im Bereich von 100 m, sind möglich.
Die elektrische Doppelleitung 10, 20 aus 1 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.
Im Folgenden wird eine elektrische und thermische Auslegung eines blindleistungskompensierten Multifilamentinduktors im Einzelnen beschrieben. In der älteren nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung AZ 10 2007 040 605 ist bereits das Grundprinzip der abschnittsweisen Kompensierung einer Koaxialleitung mit verteilten Kapazitäten vorbeschrieben. Auf die diesbezügliche Beschreibung der älteren Anmeldung wird nachfolgend zurückgegriffen:
Ein konkretes Beispiel einer Auslegung eines kapazitiv kompensierten Multifilamentleiters sieht wie folgt aus: Zwei Leitergruppen haben zusammen beispielsweise 1200 mm² Kupfer-Querschnitt. Dieser Querschnitt wird verteilt auf beispielsweise 2790 einzelne massive Drähte mit einem Durchmesser von je 0,74 mm. Jeder der Drähte erhält eine Isolation aus Teflon mit einer Wandstärke von etwas mehr als 0,25 mm und wird auf die doppelte Resonanzlänge von 2·20,9 m = 41,8 gebracht. Die Anordnung der Drähte 100 und 200 in Längsrichtung erfolgt mit einem Versatz um die Resonanzlänge entsprechend der weiter unten beschriebenen 4.
Die Leiteranordnung hat im Querschnitt eine hexagonale Struktur und ist insbesondere in 5 wiedergegeben. Es wird dabei eine Verpressung in der Querschnittsebene derart vorgenommen, dass die Drähte auf einen gegenseitigen Abstand von 0,5 mm gebracht werden. Die überflüssige Isolation füllt die Zwickel im hexagonalen Gitter. Die beiden Leitergruppen weisen bei abwechselnder Anordnung der Drähte auf den Ringen entsprechend 5 dann einen Kapazitätsbelag von 115,4 nF/m auf. Mit deiner Resonanzlänge R_L von 20,9 m ist der Leiter bei 20 kHz kapazitiv kompensiert. Der ohmsche Widerstand bei 20 kHz beträgt dann 30 μΩ/m. Mit einer Wechselstromamplitude von 825 A (peak) kann eine induktive Heizleistung von 3 kW/m (rms) in ein vorgegebenes Reservoir eines spezifischen Widerstands von 555 Ωm eingebracht werden, wenn Hin- und Rückleiter 10, 20 einen Abstand von beispielsweise etwa 106 m haben und diese Konfiguration periodisch fortgesetzt wird. Die ohmschen Verluste im Leiter gemittelt über eine Resonanzlänge belaufen sich dabei auf ca. 15,1 W/m (rms). Diese führen – je nach zugrunde gelegtem thermischen Modell des vorgegebenen Reservoirs 1, T = 200°C konstant in 0,5 m oder 2,5 m Abstand vom Leiter – beispielsweise zu einer Aufheizung des Leiters von etwa 230–250°C, womit noch keine zusätzliche Flüssigkeitskühlung benötigt wird. Die Isolation müsste dabei einer Spannung von 3,6 kV widerstehen. Für Teflon werden Spannungsfestigkeiten von 20–36 kV/mm angegeben. D. h. bei einer Isolationsdicke von 0,5 mm wird etwa ein drittel der Spannungsfestigkeit gefordert.
Gemäß Schemazeichnung in 2 ist vorgesehen, die jeweilige Leitungsinduktivität abschnittsweise durch diskret oder kontinuierlich ausgeführte Serienkapazitäten C_i zu kompensieren. Dies wird anhand 2 schaltungsmäßig verdeutlicht, wobei ein Ersatzschaltbild eines mit einer Wechselstromquelle 25 betriebenen Leiterkreises mit komplexem Widerstand 26 dargestellt ist, bei dem jeweils abschnittsweise Induktivitäten L_i und Kapazitäten C_i vorhanden sind. Es erfolgt somit eine abschnittsweise Kompensation der Leitung.
Letztere Art der Kompensation ist an sich vom Stand der Technik bei Systemen der induktiven Energieübertragung auf translatorisch bewegte Systeme bekannt. Im vorliegenden Zusammenhang ergeben sich dadurch besondere Vorteile.
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 Doppel-Induktorleitung 10, 20 der 1 für eine induktive Beheizung zweckmäßigerweise, d. h. mit hinreichend hohen Stromamplituden, nur bei dieser Frequenz betrieben werden kann.
Der entscheidende Vorteil bei letzterer Vorgehensweise besteht darin, dass eine Addition der induktiven Spannungen entlang der Leitung verhindert wird. 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.
In 3 ist eine vorteilhafte Ausführungsform von in die Leitung integrierten Kondensatoren mit jeweiliger Kapazität C gezeigt. Die Kapazität wird von Zylinderkondensatoren C_i zwischen einer rohrförmigen Außenelektrode 32 eines ersten Abschnittes und einer rohrförmigen Innenelektrode 34 eines zweiten Abschnittes gebildet, zwischen denen sich ein Dielektrikum 33 befindet. Ganz entsprechend wird der benachbarte Kondensator zwischen darauffolgenden Abschnitten gebildet.
Für das Dielektrikum des die Leitungskapazität darstellenden-Kondensators C_i sind neben einer hohen Spannungsfestigkeit weiterhin eine hohe Temperaturbeständigkeit zu fordern, da sich der Leiter im induktiv geheizten Reservoir 1020 aus 1, das eine Temperatur von z. B. 250°C erreichen kann, befindet und die resistiven Verluste in den Induktorleitungen 10, 20 zu einer weiteren Aufheizung führen können. Die Anforderungen an das Dielektrikum 33 werden von einer Vielzahl von Kondensatorkeramiken erfüllt.
In der Praxis weisen beispielsweise die Gruppe der Aluminiumsilicate, d. h. Porzellane, Temperaturbeständigkeiten von mehreren 100°C und elektrische Durchschlagsfestigkeiten von > 20 kV/mm bei Permittivitätszahlen von etwa 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 Induktorelektroden entsprechend dem anhand der 2 bis 4 verdeutlichten Prinzip vorzusehen. Es können auch andere übliche Kondensatorbauformen können in die Leitung integriert werden, solange diese die erforderliche Spannungs- und Temperaturbeständigkeit aufweisen. Dafür dient der radiale Aufbau der Leiteranordnungen, der anhand der Querschnittsdarstellungen der 5 und 6 sowie 9 bis 12 verdeutlicht wird.
In der 4 ist das prinzipielle Schema von zwei kapazitiv verkoppelten Filamentgruppen 100 und 200 in Längsrichtung dargestellt. Ersichtlich ist, dass sich einzelne Drahtabschnitte vorgegebener Länge periodisch wiederholen und dass in dieser ersten Struktur 100 eine zweite Struktur 200 mit einzelnen Drahtabschnitten angeordnet ist, wobei jeweils die gleiche Länge gegeben ist und wobei sich die erste Gruppe der Drahtabschnitte und die zweite Gruppe der Drahtabschnitte in einem vorgegebenen Abstand überlappen. Damit wird eine Resonanzlänge R_L definiert, welche signifikant für die kapazitive Verkopplung der Filamentgruppen in Längsrichtung ist.
In der 5 ist die gesamte Induktoranordnung von einer Isolation 300 umgeben. Eine Isolierung gegen das umliegende Erdreich ist deshalb notwendig, damit resistive Ströme durch das Erdreich zwischen den benachbarten Abschnitten insbesondere im Bereich der Kondensatoren verhindert werden. Insgesamt soll die Isolation 300 weiterhin den resistiven Stromfluss zwischen Hin- und Rückleiter 10, 20 verhindern. 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 können damit durch eine Vielzahl von Isolierstoffen erfüllt werden. 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.
Schnitte einer entsprechenden Anordnung mit 36 Filamenten, die wiederum aus zwei Filamentgruppen besteht, sind in den 5, 9, 10 und 12 dargestellt. Dabei verdeutlicht insbesondere 5 den Aufbau und die Kombination der verschachtelten Anordnung aus 36 einzelnen Filamenten. Im Einzelnen sind dabei die Filamentleiter der ersten Gruppe mit 111 bis 128 und die Filamentleiter der zweiten Gruppe mit 201 bis 218 bezeichnet. Bei der Struktur nach Art einer hexagonalen Anordnung ist ein Mittenbereich 160 im Zentrum der leiterfrei und entweder mit Isolationsmaterial ausgefüllt oder als Hohlraum ausgebildet, was weiter unten noch beschrieben wird.
Statt der Ausbildung als Multifilamente können derartige Strukturen auch als Multiband oder Multifolienstrukturen realisiert sein, womit sich das prinzipielle Ergebnis ergibt.
Insgesamt ergeben sich in 5 entsprechend der dargestellten Intensitätsstrukturen vorgegebene Isolierungen. In 6 ist der Schnittdruck eine Zweigruppen-60-Filamentleiteranordnung, die wie 5 als hexagonale Struktur aufgebaut ist. Dabei gehören die Leiter 401 bis 430 zur ersten Gruppe der Filamentleiter und die Leiter 501 bis 530 zur zweiten Gruppe der Filamentleiter. Die Leitergruppen sind in einem isolierenden Medium 450 eingebettet. Durch die spezifische Struktur der Leitergruppen ergeben sich jeweils solche Einzelleiter, die einerseits über ein elektrisches Feld hoher Intensität (rechts schraffiert) zu ersten benachbarten Leitern und andererseits über ein elektrisches Feld niedriger Intensität (links schraffiert) zu jeweils benachbarten Leitern verbunden sind. Dies kann durch Modellrechnungen bestätigt werden.
Bei der hexagonalen Struktur gemäß 5 und 6 ist der zentrale isolierte Bereich 300' in 5 bzw. der freie Bereich 307 in 6 feldfrei. Diese Bereiche können zum Einbringen von Kühlmitteln oder aber auch zum Einbringen von mechanischen Verstärkungen zwecks Erhöhung der Zugfestigkeit genutzt werden. Dazu sind beispielsweise permanent eingebrachte oder entfernbare Kunstfaserseile oder auch entfernbare Stahlseile verwendbar. Hierauf wird weiter unten noch im Einzelnen eingegangen.
In der graphischen Darstellung gemäß 7 ist – jeweils im logarithmischen Maßstab – auf der Abszisse die Anzahl n der einzelnen Drähte dargestellt und auf der Ordinate die Längskapazität in μF/m. Es sind Graphen 71 bis 74 für unterschiedliche Leiterquerschnitte dargestellt und zwar Graph 71 für einen Querschnitt von 600 mm², Graph 72 für einen Querschnitt von 1200 mm², Graph 73 für einen Querschnitt von 2400 mm² und Graph 74 für einen Querschnitt von 4800 mm². Die einzelnen Graphen 71 bis 72 verlaufen parallel mit gleicher, monotoner Steigung: Wie zu erwarten, steigt die Litzendraht-Kapazität exponentiell mit der Drahtzahl, aber linear mit dem Querschnitt an.
Aus 7 ist ableitbar, dass sich die kapazitive Kompensation einerseits in Abhängigkeit von der Zahl der Leiter und andererseits vom Gesamtquerschnitt einstellen lässt. Dabei wurde eine Geometrie der Leiter gemäß den 4 und 5 mit einer jeweils gleichen Teflonisolation zugrunde gelegt. Bei vorgegebener Querschnittsfläche kann also die notwendige Zahl von Litzenleitern bestimmt werden.
In der graphischen Darstellung der 8 ist die Frequenzabhängigkeit des ohmschen Längswiderstandes 9 für verschiedene Drahtdurchmesser dargestellt. Auf der Abszisse ist die Frequenz in Hz und auf der Ordinate ist der Widerstand ρ pro Längeneinheit in Ω/m aufgetragen, wobei wiederum für beide Koordinaten der logarithmischer Maßstab gewählt ist. Es sind Graphen 81 bis 84 für unterschiedliche Drahtdurchmesser als Parameter dargestellt, und zwar Graph 81 für einen Durchmesser von 0,5 mm, Graph 82 für einen Durchmesser von 1 mm, Graph 83 für einen Durchmesser von 2 mm und Graph 84 für einen Durchmesser von 5 mm. Die Graphen 81 bis 84 verlaufen im Anfangsbereich parallel zur Abszisse und steigen dann mit im Wesentlichen gleicher Steigung monoton an: Wie zu erwarten steigt der Längswiderstand exponentiell mit der Frequenz einerseits und dem Drahtdurchmesser andererseits. Dabei wird bei Bestromung von einer Temperatur von 260°C ausgegangen.
Aus dem Verlauf der Graphen 81 bis 84 in 9 ist insbesondere der Einfluss des Skineffektes bei der angegebenen Temperatur entnehmbar. Aus den Graphen 81 bis 84 ergibt sich, dass der längenbezogene ohmsche Widerstand zunächst im Bereich bis zu unterschiedlichen Grenzfrequenzen zwischen 10³ und 10⁵ Hz im Wesentlichen konstant ist, wobei der Widerstand umgekehrt proportional dem Drahtdurchmesser ist und dass dann bei ansteigenden Frequenzen auch der Widerstand ansteigt.
In 9 sind sechs Leiterbündel 91 bis 96 in hexagonaler Geometrie um einen zentralen Hohlraum 97 angeordnet und von einer Isolierung 98 umgeben. In 10 sind dagegen sechs Leiterbündel 101 bis 106 in etwa tortenstückartig als Segmente um einen zentralen Hohlraum 107 angeordnet und in ein anderes Material 108 eingebettet. Die Freiräume 97 bzw. 107 beinhalten Möglichkeiten zur Aufnahme von Kühlmitteln oder von mechanischen Verstärkungseinrichtungen. Entsprechende Mittel sind in den 9 und 10 nicht im Einzelnen dargestellt.
Aus 11 ergibt sich, dass es – bei einer prinzipiellen Anordnung entsprechend 10 mit vier sektorartigen Paketen 101' bis 104' aus Einzelleitern – vorteilhaft ist, die einzelnen Leiter in Längsrichtung des gesamten Induktors verdrillt auszubilden. Es ergeben sich somit auf dem Umfang des Kabelpaketes Linienbereiche, welche die azimutale Verdrillung der einzelnen Leiter verdeutlichen. In der Schnittfläche ergibt sich dabei im linken Quadranten ein Feldverlauf entsprechend den eingezeichneten Pfeilen. Die vier Quadranten sind durch senkrecht aufeinander stehende Isolierelemente 140, 140' getrennt.
In der 12 ist Kunststoffrohr 120 dargestellt, in das die Anordnung mit den Litzenleitern entsprechend 9 eingebracht ist. Das Rohr 120 kann beispielsweise aus einem auf eine Metallhülse 121 aufgezogenen Kunststoff bestehen, wobei sich im Rohr 120 ringförmig zum inneren Aufbau aus Isolator 98 mit den hexagonalen Leiterstrukturen 91 bis 96 ein Zwischenraum 122 ergibt. Wesentlich ist dabei wiederum ein zentrischer leiterfreier Bereich 97, in dem für den bestimmungsgemäßen Gebrauch der beschriebenen Leiter notwendige Hilfsmittel eingebracht werden können. Insbesondere erlaubt eine solche Anordnung mit dem leiterfreien Zentrum 123 die Verwendung von verseilten Drähten anstelle von verflochtenen oder transponierten Drähten, ohne auf die Verminderung der ohmschen Zusatzverluste durch den Proximity-Effekt verzichten zu müssen. Dadurch ist eine vergleichsweise einfache Fertigung möglich.
Für die bestimmungsgemäßen Verwendung der insbesondere anhand der 4, 5 sowie 9 bis 12 im Einzelnen beschriebenen Leiteranordnungen zur induktiven Beheizung von Ölsand-Reservoirs 1 von einigen hundert Metern Ausdehnung sind die jeweiligen Randbedingungen zu beachten. Bei der Verlegung des Induktors sind insbesondere erhebliche Zugbelastungen zu erwarten, die im Bereich von einigen 10 Tonnen liegen können. Dadurch kann der durch Unterbrechungen gemäß 4 geschwächte kompensierte Leiter überfordert werden, insoweit dass die Spannungsfestigkeit des Dielektrikums verringert ist. Hierfür sind mechanische Verstärkungen vorzusehen, die insbesondere durch Stahlseile erfolgen können. Weiterhin kann eine aktive Kühlung realisiert werden.
Bei der Anordnung gemäß 12 dient das äußere Kunststoffrohr 120 insbesondere dem Offenhalten der Bohrung in der Lagerstätte 1 der 1, sowie dem Schutz des eigentlichen Induktors bei der Installation und beim Betrieb der Anlage mit der Leiteranordnung zur induktiven Beheizung der Ölsand-Lagerstätte 1. Dadurch wird die Zugbelastung auf den Induktor während des Einziehens durch Verringerung der Reibung verringert.
Speziell bei der Anordnung gemäß 12 kann die Flüssigkeit zur Kühlung des ringförmigen Zwischenraums 122 innerhalb des Kunststoffrohres 120 geführt werden. Hier stellt die Flüssigkeit einen guten thermischen Kontakt zum Kunststoffrohr 120 und darüber zum Reservoir 1 her, wobei wiederum zumindest eine passive Kühlung des Induktors erforderlich ist. Beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur des Reservoirs von z. B. 200°C sollen die ohmschen Verluste im Induktor von etwa 20 W/m durch die Wärmeleitung abgeführt werden, ohne dass die Temperatur im Induktor selbst den für Teflonisolationen kritischen Wert von etwa 250°C überschreitet.
Die Anordnung gemäß 12 bietet insbesondere die Möglichkeit einer gegenläufigen Kühlung. Dabei wird der zentrale Hohlraum 97 für die eine Richtung der strömenden Flüssigkeit und der Ringraum 122 innerhalb des Kunststoffrohrs 120 für die andere Richtung der strömenden Flüssigkeit genutzt.
In 13 sind – jeweils in linearer Darstellung – auf der Abszisse die Frequenz in kHz und auf der Ordinate der Induktorstrom in Ampere aufgetragen. Es wird die Abhängigkeit des Induktorstromes von der Frequenz wiedergegeben, wobei als Parameter unterschiedliche Heizleistungen angegeben sind und zwar für den Graphen 131 die Heizleistung 1 kW/m, für den Graphen 132 die Heizleistung 3 kW/m, für den Graphen 133 die Heizleistung 5 kW/m und für den Graphen 134 die Heizleistung 10 kW/m. Die einzelnen Graphen 131 bis 134 haben jeweils einen in etwa hyperbolischen Verlauf. Daraus ergibt sich, dass die Abhängigkeit der Induktorbestromung von der Frequenz mit zunehmender Heizleistung stärker wird, sofern konstante Leistungsverluste im Reservoir vorausgesetzt werden. Insofern können anhand der Graphen 131 bis 134 die für bestimmte Heizleistungen notwendigen Ströme bzw. Frequenzen abgelesen werden.
Die anhand der Figuren im Einzelnen beschriebene Anordnung mit den kapazitiv kompensierten Multifilamentleitern ermöglicht eine wirksame induktive Beheizung von Ölsänden. Praktische Erprobungen haben ergeben, dass eine effektive Erwärmung des Ölsandreservoirs erreicht wird, womit die Viskosität des im Sand gebundenen Bitumens bzw. Schwerstöls erniedrigt und damit eine hinreichend Fließfähigkeit erreicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007040605 [0004, 0046]
- DE 102004009896 A1 [0004]

Claims

Anordnung zur induktiven Heizung von Ölsand- und Schwerstöllagerstätten mittels stromführender Leiter, die aus einzelnen Leitergruppen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitergruppen in periodisch wiederholten Abschnitten definierter Länge, welche eine Resonanzlänge (R_L) definieren, ausgebildet sind und dass zwei oder mehr derartiger Leitergruppen kapazitiv verkoppelt sind, wobei eine Multifilament-, Multiband- und/oder Multifolie-Leiterstruktur vorliegt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leiter einzeln isoliert und aus einem einzigen Draht besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leiter aus einer Vielzahl von isolierten Drähten besteht, die eine so genannte HF-Litze bilden.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Gruppen von je 1000 bis 5000 Filamenten vorhanden sind und Resonanzlängen (R_L) im Bereich von etwa 20 bis etwa 100 m erhalten werden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein kapazitiv kompensierter Multifilamentleiter aus transponierten und/oder verflochtenen Einzelleitern derart aufgebaut ist, dass jeder Einzelleiter innerhalb der Resonanzlänge (R_L) auf jedem Radius der Anordnung gleichhäufig aufzutreffen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein kompensierter Multifilamentleiter in Anlehnung an konventionelle Leiter aus mehreren Leiteruntergruppen gebildet ist, die um ein gemeinsames Zentrum angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen kompensierten Leiteruntergruppen aus verseilten Massiv- oder HF-Litzendrähten besteht.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Leiteruntergruppen eine runde oder hexagonale Form aufweisen. (9 bis 12)
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteruntergruppen sektorförmig ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale leiterfreie Bereich innerhalb des Querschnittes eines kompensierten Multifilamentleiters zur mechanischen Verstärkung und Erhöhung der Zugfestigkeit genutzt wird.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstärkung Kunststofffaserseile oder Glasfaserseile oder Stahlseile verwendet werden, die zumindest temporär einbringbar und/oder entfernbar sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale leiterfreie Bereich innerhalb des Querschnittes eines kompensierten Multifilamentleiters Mittel zur Kühlung aufweist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Kühlung eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder Öl, vorhanden bzw. einbringbar ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im zentralen Bereich Temperatursensoren, insbesondere Glasfasersensoren oder Braggfasern, angeordnet sind, die zur Überwachung und/oder Steuerung der Bestromung und/oder der Flüssigkeitskühler verwendbar sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor in einem Kunststoffrohr größeren Innendurchmessers eingebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Gleitmittel zwischen dem Kunststoffrohr und dem Induktor vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebes zwischen Induktor und Kunststoffrohr eine Flüssigkeit geringer elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise Wasser und/oder eine Schmierflüssigkeit oder Isolationsflüssigkeit, vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenraum und/oder im zentralen leiterfreien Bereich Kühlmittel gepumpt wird, insbesondere in entgegengesetzte Richtungen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine definierte Induktivität sowie ein definierter Kapazitätsbelag des Induktors vorliegen, so dass die Anordnung bei einer vorher bestimmten Frequenz seriell kompensiert betrieben werden kann.