用于碳氢化合物的回收的射频(RF)系统摘要
本发明涉及用于便于碳氢化合物的提取、特别是借助于包括模式转换器的同轴阵
列的天线通过在原位对高粘度碳氢化合物的RF加热进行的提取的系统。
描述
发明领域
本发明涉及用于便于碳氢化合物的提取、特别是借助于包括模式转换器的同轴阵
列的天线通过在原位对高粘度碳氢化合物的RF加热进行的提取的系统。
现有技术
从现有技术中已知用于借助于加热碳氢化合物本身来提取碳氢化合物的很多方
法和系统。特别是，专利申请或已经公布的专利公开了用于在油井内施加RF热的方法和系
统。这些文档通常描述包括在表面处安装的RF能量的发生器、用于将RF信号运送到井的底
部的传输线路和用于将RF能量辐射或施加到地质层组的结构(天线)的装置。一些专利参考
文档描述可借助于在原位的RF加热来实现的用于石油开采的可能方法，特别是：
●减小重油的粘度(US 7,891,421Method and apparatus for in-situ RF
heating Kasevich(2011))
●在储层条件中的固体碳氢化合物的液化(沥青沙)(US 2012/
0090844Simultaneous Conversion and recovery of bitumen using RF Madison等人
(2012))
●通过对油母岩质(在油页岩中)的高温热解来生产油(US 4,485,869 Recovery
of liquid hydrocarbons from oil shale by electromagnetic heating in situ
Sresty等人(1984))
●由油页岩生产有机产品(US 4,508,168RF applicator for in situ heating
Heeren(1985))
●通过将重油加热到高温(在有或没有材料、催化床层和/或其它反应物质的引入
的情况下)进行原位转换(升级)(US 2010/0219107 Radio Frequency Heating of
petroleum ore by particle susceptors Parsche(2010)；US 7,441,597 Method and
apparatus for in-situ RF assisted gravity drainage of oil Kasevich(2008))
●用于注入由RF加热协助的蒸汽的方法(US 2012/0061080Inline RF heating
for SAGD operations Sultenfuss等人(2012)；US 8,646,527 RF enhanced SAGD method
for recovery of hydrocarbons Trautman等人(2014))
此外，存在涉及不同类型的天线或井的施加器的专利参考文档：
●天线，不管是偶极子、螺旋形、螺线管还是共线的(US 7,441,597 Method and
apparatus for in-situ RF assisted gravity drainage of oil Kasevich(2008)；US
2012/0061380 Apparatus and method for heating of hydrocarbon deposits by RF
driven coaxial sleeve Parsche(2012))；
●电极阵列(US 4,485,869 Recovery of liquid hydrocarbons from oil
shale by electromagnetic heating in situ Sresty等人(1984))；
●对折到本身上以形成细长环的双线传输线路(US 2012/0061383 Litz Heating
Antenna Parsche(2012))；
●三轴传输线路和套筒(US 8,453,739 Triaxial linear induction antenna
array for increased heavy oil recovery Parsche(2013)；US 2013/0334205
Subterranean antenna including antenna element and coaxial line therein and
related methods Wright等人(2013))。
这些参考资料中的一些(US 7,441,597；US 2012/0061380)描述了共振类型的天
线。这些类型的天线通常限于几米的长度并允许在天线周围的储层的有限部分被加热到高
温。具有这类天线的系统可提供对油砂的有效解决方案。通过将专门的金属结构安装到井
内或在一些情况下利用完成元件本身来得到这类天线。其它系统(如例如在US 4,485,869
中描述的)基于用于形成冷凝器结构的安装在大地中的孔中的电极的阵列。在这些系统中，
在由电极划界的大地的体积内部实现加热。这些系统被提出用于在油页岩露头中的碳氢化
合物的回收。
最后，对应用于油砂而提出的其它系统基于用于安装在水平井内部的三轴或细长
环结构(US 2013/0334205、US 8,453,739、US 2012/0061383)。在相对低的频率(在1-10kHz
的范围内)和大约几MW的功率下被供电的这些天线系统被提出用于沿着水平井分布加热到
固态沥青的液化所需的高温。
现有技术的系统有限制和实际缺点，如下面概述的。
集中类型的共振天线对具有非常长的排泄管(例如具有大约数百米的长度)的水
平井不是有效的。这是因为共振天线在沿着井分布辐射方面不能是有效的，即使它们具有
所涉及的排泄管的典型的长度。例如，从中心提供并在分散介质内辐射的1000m长的偶极子
(油储层的导电率的一般范围在0.001和0.1S/m之间)分布被限制到在供应点周围几米的电
场，而不考虑偶极子的物理长度。
这个性能也是具有与偶极子的几何结构不同的几何结构(例如螺旋形、螺线管或
与同轴套筒偶极子共线)的其它类型的共振天线的特征。因此，不可能利用这类天线来沿着
排泄管分布能量。
然而，被设计成在1-10kHz的频率下工作的分布式天线具有其它缺点。三轴天线的
参数不允许辐射阵列的配置或设计是周围介质的特征或沿着排泄管的能量的期望分布的
函数。特别是，没有限定RF功率可沿着排泄管均匀地分布的方式。
此外，考虑到对在传输线路周围的套筒结构的需要，三轴天线可以是非常庞大的
结构。这最后一个方面可构成用于将天线合并到油井内的缺点。
然而，对折到本身上以形成细长环的双线线路天线具有其它缺点。这些缺点中的
第一个在于产生双线线路在输送能量时具有高损失的事实。这可导致在油井内部的能量的
显著损失，这对在储层内深处的能量的输送是缺点。此外且类似于三轴天线，可如何控制输
送到介质的功率的分布并不清楚。看起来确定结构的辐射特性的唯一参数是在双线线路的
两个导体之间的距离，其在任何情况下被限制到在它被安装于的井内部的部分。
具有1-10kHz的频率的所提出的天线具有其它缺点。这类天线在频率范围内操作，
在所述频率范围内，在辐射方向(相对于井的轴)上的电磁能的分布不能通过控制频率来被
控制。这是因为在1-10kHz的范围内，透入深度(skin depth)(电磁场穿透介质时的深度等
于d＝sqrt(2/(sωμ))，其中s是导电率，ω是电磁场的角频率，以及μ是磁导率)比所涉及的
加热射线(其通常可以是大约10-15m)大得多。当s＝0.01S/m时，透入深度对于在10和1kHz
之间的频率将实际上是大约50-160m。
由此可见，加热范围与近范围重合(r＜＜d)，其中在辐射方向上的电磁场的分布
不取决于频率。
然而，在较高频率下，透入深度值与加热射线可比较(例如在10-1MHz的频率下的
1.5-5m的透入深度)。这可被用于热回收的益处，因为它允许在介质中深处的能量的分布
(在辐射方向上)通过频率的选择来调节，这可因此用于调节在辐射方向上的温度范围。温
度范围的调节可用于最大化在岩石中的油的移动性并增加井的生产率。
本发明的目的
本专利申请的目的是提供至少部分地克服当前可用的系统的缺点的技术。
本发明的一般陈述
本发明涉及用于加热在包括具有液压连接的排泄管的储层中的高粘度碳氢化合
物的系统，系统包括：适合于产生电磁信号的射频发生器；连接到发生器并适合于沿着井传
输信号的同轴传输线路，同轴线路包括由电介质材料层分离的外部导体和内部导体；沿着
同轴传输线路定位的至少一个模式转换器，其中至少一个模式转换器中断在排泄管内的同
轴传输线路并包括第一导体和第二导体，转换器的第一导体提供在转换器的上游的传输线
路的外部导体和转换器的下游的传输线路的外部导体之间的电连接，以及转换器的第二导
体提供在转换器的上游的传输线路的内部导体和转换器的下游的传输线路的内部导体之
间的电连接；至少一个模式转换器适合于在沿着同轴传输线路的RF信号的存在的情况下提
供信号沿着同轴传输线路的传播的差分模式的干扰并引起在同轴传输线路的外部导体中
的电流和在周围区域中的使储层内的碳氢化合物加热的电磁场。
根据本发明的优选实施方式，系统包括沿着排泄管内部的同轴传输线路分布的多
个模式转换器。在优选实施方式中，多个模式转换器包括沿着同轴传输线路以有规律的间
隔放置的模式转换器的阵列。每个模式转换器借助于差分传播模式的干扰而辐射沿着同轴
线路传播的一部分RF功率，产生沿着模式转换器的阵列分布的辐射。
模式转换器可具有电容或电感类型或实际上这两者的组合。电感转换器借助于至
少一个电感元件引起信号沿着同轴传输线路的传播的差分模式的干扰。电容转换器借助于
至少一个电容元件引起信号沿着同轴传输线路的传播的差分模式的干扰。
根据本发明的系统允许RF辐射在水平、垂直或倾斜油井中的排泄管的很长长度上
分布。
这类系统允许井的生产率的有效增加，用于高粘度碳氢化合物、特别是重油的回
收，从而具有均匀地加热储层并缓和在排泄管的整个长度上的温度的能力。
由于回收油的先进方法(例如热回收)的发展，高粘度碳氢化合物作为能量源的重
要性不断地增长。
借助于位于钻孔中的天线系统使用RF能量来加热储层可以是传统蒸汽注入方法
的有效替代方案，因为它不需要消耗大量水且可提供优点，例如能量的受控分布、对储层的
特性的较小依赖性(特别是，蒸汽注入方法的性能在很大程度上取决于储层的渗透率和冠
岩的连续性)、紧凑设备、由于在将能量输送到井的底部时实现高水平的效率的可能性和控
制储层内部的能量的分布的可能性而产生的每桶油的能量的有限花费。
射频(RF)加热因此可以是用于对重油的热回收的蒸汽注入的有效替代方案，且也
可用于实现中等加热(在所讨论的井周围的储层部分中的大约仅仅几十度)，在这样的情况
下，这样的加热将油的粘度减小到明显的程度方面和在增加井的生产率方面是有效的。
附图的简要描述
现在将参考一系列附图以便于对本发明的一些优选实施方式的描述：
图1示出根据本发明的优选实施方式的用于加热排泄管中的高粘度碳氢化合物的
系统；
图2示出根据本发明的优选实施方式的电磁模式转换的机制；
图3示出根据本发明的实施方式的模式转换器；
图4示出模式转换器的一些可选实施方式；
图5示出可在根据本发明的系统中使用的天线的端部的可能实施方式。
优选实施方式的详细描述
在本发明的优选实施方式中，系统通过在0.1-10MHz的范围内的频率下施加在大
约100-1000kW的功率来操作。本发明的这类实施方式可能在实现沿着在长度上大约几百米
(例如1000m或更长)的排泄管的中等加热时是有利的。这类实施方式可在相当大的程度上
增加重油井的生产率，同时确保所生产的每桶油能量的有限花费。在这类实施方式中，温度
的增加可以是在井处50℃、在辐射方向上离井5米远处28℃、离井10米远处13℃以及离井15
米远处10℃。
在本发明的另一优选实施方式中，在0.1和10MHz之间的频率下操作的系统用于重
油的回收。
本发明所涉及的系统可通过阵列参数的设计而设合于不同的储层并适合于实现
沿着井的RF辐射的期望分布。
此外，本发明所涉及的系统允许有限部分的RF线路被得到，这是当将天线直接安
装在标准尺寸的生产井中时的有利方面，而不需要额外的专用井。
本发明所涉及的系统因此特征在于在所涉及的频率下以受控方式沿着排泄管辐
射的能力。
特别有利的是其中辐射是均匀的或更确切地从每个模式转换器辐射的功率沿着
排泄管是不变的配置。
根据本发明的优选实施方式，如图1所示的系统包括RF发生器101、井射孔器103、
同轴RF连接器105和包括天线系统100的模式转换器107的同轴阵列。RF发生器101有利地安
装在表面上并在0.1-10MHz的频率范围内操作。在一些实施方式中，发生器可输送<＝1MW的
功率以实现中等加热(如果这足以在相当大的程度上减小重油的粘度)。在其它实施方式
中，如果有在离井几米的距离上达到高温以便使碳氢化合物流通的要求，功率可以>＝1MW。
存在各种方式来在所涉及的频率的范围内构造高功率RF发生器。发射机可采取固
态放大器的阵列、真空管或组合这两者的混合解决方案的形式。
发射机也可包括逆变器。发生器也可合并阻抗适配器单元，其使来自发射机的输
出适合于负载，以便最大化到介质的功率的传输。发生器输出端借助于同轴电缆连接到井
头。
井头射孔器103是使信号能够通过集成在井头处的设备中的结构从表面传输到井
的内部的系统的部分。射孔器的两端连接到来自发生器的同轴电缆和安装在井内部的同轴
电缆，用于将功率传输到井的底部。
在本发明的实施方式中，井头射孔器在构造中是同轴的。在另一实施方式中，射孔
器具有双线结构。
给出有限插入损失和返回损失值的任何电气结构可用于形成射孔器。
在井的底部处的同轴传输线路105是允许信号传输到井的底部或天线输入端的结
构。不同类型的结构可用于形成同轴电缆。
同轴电缆必须确保适合于在峰值功率和平均功率方面进行功率输送的距离以及
信号的低衰减的特征，以便能够将期望功率连续地输送到井的底部并提供高水平的能量效
率。
当电缆的直径增加时，这些特征提高。为此目的，同轴电缆必须形成尺寸上具有外
部导体(包线)和内部导体(核心)的部分足够大以在期望距离上输送功率。同轴电缆的特征
也取决于将内部导体从外部导体分离的电介质材料。具有低电介质损失的材料的使用使电
缆能够传输功率的距离和效率增加。可用于形成适合于应用的电缆的材料例如是具有低损
失的PTFE(聚四氟乙烯)和膨胀的PTFE。其它类型的电介质材料也可有利地用于形成同轴电
缆。
模式转换器的同轴阵列的天线具有与排泄管的长度或与排泄管的相关比例(例如
30％、50％或70％)可相容的长度。
天线的长度因此取决于排泄管的长度，并可因此随着井和储层的类型而改变。对
于水平井，一般排泄管长度可以是1000m。相当大的长度的钻孔也可发现于非常厚的储层
(例如100m的排泄管长度)交叉的垂直或倾斜井中。
在这样的背景下，模式转换器的阵列的天线可被设计和用于加热在垂直或倾斜井
的排泄管的整个范围上的储层。
模式转换器107是沿着同轴电缆105连接到彼此的电气结构。模式转换器的特定结
构具有干扰RF信号沿着电缆的传播的差分模式的功能。传播模式的干扰建立公共模式。这
产生在同轴部分中的同轴电缆之外流动的电流，同轴部分以模式转换器被安装于的点为中
心。电磁场与在周围区域中的这样的外部电流相关，且这加热地质层组。这个机制将沿着同
轴电缆传输的功率的一部分输送到外部。
沿着同轴线路定位的模式转换器的阵列的使用允许被供应到同轴电缆的相当大
的部分的或所有的功率被输送。图2示出用于转换电磁模式的机制的图示，该机制是构成天
线的基础的操作原理。附图示出在传输线路中的不连续性(从模式转换器的存在产生)如何
改变沿着线路本身的电流的分布并在线路外部产生公共模式电流。
在同轴线路上的互连的模式转换器的阵列形成安装在排泄管的部分中的天线。
模式转换器具有至少两个导体。第一导体将在线路的上游的同轴部分的包线连接
到在线路的下游的同轴部分的包线。第二导体将在线路的上游的同轴部分的核心连接到在
线路的下游的同轴部分的核心。
有利地，在模式转换器中的导体的几何结构被选择为以便创建电感和/或电容元
件。这类元件干扰信号沿着同轴电缆的传播的差分模式并允许公共模式被建立。后者引起
在同轴电缆的外部包线中的电流和在周围区域中的电磁场。
频率f的电磁场借助于电感或电介质加热机制或这两者的组合来加热周围介质。
在本发明的实施方式中，在外部包线中流动的电流引起在周围区域中且特别是在
储层内部的磁场。随着时间变化的磁场中的变化又引起在储层内部的电场，这产生J＝sE的
涡流，其中J是电流密度，s是储层的电导率以及E是感应电流。在地质介质内部的每单位体
积耗散的功率是q＝0.5s E2。这个过程由安装在井中的天线形成RF加热的基础。
模式转换器是借助于适当的连接器在两侧上连接到同轴电缆的元件，连接器在类
型上可以是同轴的或双线的。
模式转换器可具有电感类型。电感可由两个导体中的一个导体或两个导体的几何
结构引起。电感可通过组合导体的几何结构与高磁化率的材料的使用来引起。
转换器可具有电容类型。电容可由两个导体中的一个导体或两个导体的几何结构
引起。电容可通过组合导体的几何结构与高磁化率的材料的使用来引起。
转换器可具有电感-电容类型。这类转换器特征在于上面所述的结构的组合。
图3示出涉及模式转换器的一般电气布局。附图示出电感和电容的各种组合是可
能的。包括模式转换器(内部和外部)的这两个导体中的任一个可包括串联和/或并联连接
的一个或多个电感元件和/或一个或多个电容元件。另一可能性是内部导体或外部导体形
成直接连接。
图4示出电感、电容和电感-电容模式转换器的特定实施方式。特别是，图4a示出电
感-电容类型的模式转换器，其中外部导体被缠绕以形成创建电感参数的线圈结构，以及其
中内部导体被创建电容参数的一对板中断；图4b示出电感-电容类型的模式转换器，其中外
部导体被创建电容参数的一对板中断，以及内部导体被缠绕以形成创建电感参数的线圈结
构。图4c相反示出电感类型的模式转换器，其中外部导体被缠绕以形成创建电感参数的线
圈结构，以及内部导体形成从同轴电缆上游的核心到同轴电缆下游的核心的直接链路。图
4d相反示出电感类型的模式转换器，其中外部导体被缠绕以形成创建电感参数的线圈结
构，以及内部导体像外部导体一样也被缠绕以形成创建电感参数的线圈结构；最后，图4e示
出电感类型的模式转换器，其中外部导体被缠绕以形成与内部导体有关的线圈，与上面的
结构不同，其中线圈相对于内部导体被横向地定位。
将模式转换器定位在同轴线路上产生在传输线路上的不连续性，这使功率的一部
分在围绕天线的介质内辐射。模式转换器的电磁行为可由两个基本参数描述：辐射的效率
(所辐射的功率相对于输入到模式转换器的功率的比例)和返回损失(所反射的功率相对于
功率输入的比例)。
在特定的模式转换器中的这样的参数的值取决于各种变量，特别是由模式转换器
引起的电感和/或电容的值、频率和储层的电磁特性(介电常数和电导率)、在井内部的流体
的电磁特性和任何天线覆盖。由此可见，阵列和模式转换器的设计或更确切地在沿着同轴
阵列的模式转换器之间的距离、转换器的结构类型和作为频率范围的函数的电感和/或电
容的相对值以及周围介质的电磁特性的选择是在构造本发明所涉及的系统时的主要方面
之一。
特别是，用于形成阵列的模式转换器通常具有不同于彼此的结构特征。位于阵列
的开始部分处的模式转换器可设计成提供低辐射效率，也就是说，以辐射作为输入的功率
的有限部分，并允许功率的相当大的部分传输到下游。
位于阵列的末尾的模式转换器相反必须提供高辐射效率以辐射剩余功率的相当
大的部分。
天线的端部(相应于井的底部)可以用各种方式形成。它可以是短路或开路以从模
式转换器返回剩余的未辐射功率并允许其在其沿着该天线或共振类型的天线(例如同轴单
极子)返回时被辐射，以从模式转换器的阵列辐射剩余未辐射功率。
图5示出天线端部、特别是开路、短路和从同轴电缆产生的单极子类型的天线的可
能的实施方式。井可以是储层内的敞开钻孔，或它可以有利地与非导电材料(诸如玻璃纤
维、PTFE或其它热塑性材料、陶瓷的材料或其他类型的非导电材料的系统)的管成一直线以
允许来自在其内部安装的天线的辐射。
本发明所涉及的系统可有利地通过使天线适合于具有沿着排泄管的不同特性或
异质特性的储层通过电气参数的选择和沿着阵列的每个模式转换器的定位来形成。
在本发明的一个方面中，单独的模式转换器可设计成控制沿着排泄管的辐射的剖
面。
例如，在电磁天线建模仪器上执行的数字模拟表明，通过建立在从十分之几到几
十微亨的范围内的电感值，可能得到导致在1000m长的排泄管上的均匀加热的辐射效率的
范围。例如，在50-200欧姆米的储层内的电阻率范围(由岩石度量组成的地质层组的典型的
电阻率范围，其中有高饱和碳氢化合物和有限的水饱和)内，可能使用其特征在于在大约
0.5μH和10μH之间的电感值的电感类型的模式转换器(具有连接同轴电缆的包线部分的线
圈)以1MHz的频率实现在1％和3％之间的辐射效率的范围(其是100个元件的阵列和1000m
的总天线长度的结构所需的)。可通过形成具有与在井中的安装相容的直径并具有在8和32
之间的匝数的线圈来得到这样的电感值。这种类型的模式转换器可具有大约40-60cm的长
度。
而且，使用这类电感值，小功率从每个模式转换器返回(对于在阵列中的第一转换
器，有大约1％的效率，返回损失是大约-24dB，以及对于在阵列的端部处的转换器，有大约
30％或更大的效率，返回损失是大约-10dB)，且这允许实现天线的大约-15dB的总返回损失
的目标、对应用足够的值(相当于输送到地层的97％的功率以及朝着发生器返回的3％的功
率)。
这个示例性实施方式显示实现给出高水平的性能的分布式RF加热的可能性。而
且，这类电气先决条件使模式转换器能够关于结构的部分被限制到与它们在生产井的排泄
管中的安装相容的值而被构造。
纯粹作为例子，6cm(相当于2.4英寸)的直径可与在生产井中的安装相容。这是因
为生产井可具有8.5英寸的钻孔直径和具有大约5英寸的内径的衬套。因此，示例性实施方
式允许天线安装在井中，同时为可能的天线覆盖和为油到表面的流动留下空间。
在生产井中的RF系统的安装允许热刺激的有效性被最大化，同时集中接近生产井
的热并减小必须在生产田地中打的井的数量。
在本发明的另一方面中，也可能通过利用在天线部分中的同轴运输线路(在所涉
及的频率的范围内的最有效的传输线路)来最小化沿着排泄管的欧姆损失。这可通过使用
低衰减同轴电缆来实现以形成模式转换器的阵列，例如用于在表面和天线输入端之间的RF
连接的同轴电缆。可通过将线路连接到频谱分析仪来在井中安装的RF线路上执行在频率的
范围上的反射的测量。在表面处的反射测量依赖于来自每个模式转换器的相应的信号的返
回。从反射测量术得到的信息因此可用于监控天线和周围介质的辐射特征并优化操作频
率。
本发明所涉及的系统可有利地应用于单独的井或分开的井(加热器和产生器)的
热回收，并可与其它先进回收方法(IOR/EOR、改进的油回收/增强的油回收)组合。