同轴布置的模式转换器摘要
本发明涉及用于产生在沿着同轴传输线路传输的RF信号的传播的差分模式中的
干扰的设备。
描述
发明领域
本发明涉及用于产生在沿着同轴传输线路传输的RF(射频)信号的传播的差分模
式中的干扰的设备。
特别是，这类设备在用于借助于RF辐射进行高粘度碳氢化合物的原位加热的系
统，特别地用于创建沿着包括由模式转换器构成的同轴阵列的天线的干扰的系统，更特别
地包括插入用于高粘度油的分布式加热的系统中的模式转换器的同轴阵列的RF系统。
现有技术
本发明的设备可用于其中存在对产生在沿着同轴传输线路传输的RF信号的传播
的差分模式中的干扰的需要的情况。
特别是，本发明的设备使用在借助于通过RF而加热碳氢化合物本身来提取碳氢化
合物的领域中。在该领域的现有技术中，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 7,891,421 Method 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 2012/0090844
Simultaneous 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 4,508,168 RF 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 2012/0061080 Inline 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涂敷器的专利参考文档：
●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![]()
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的频率下透入
深度是1.5-5m)。这用于热回收的益处，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
本发明涉及用于产生在沿着同轴传输线路传输的RF信号的传播的差分模式中的
干扰的设备，线路包括由电介质材料层分离的外部导体和内部导体，设备包括：第一导体；
第二导体；连接装置，其适合于形成在设备和同轴传输线路之间的电连接，使得设备的第一
导体形成在设备的上游的传输线路的外部导体和设备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形成在设备的上游的传输线路的内部导体和设备的下游
的传输线路的内部导体之间的电连接；其中，在存在沿着同轴传输线路的RF信号的情况下，
产生在沿着同轴传输线路的所述信号的传播的差分模式中的干扰，引起在同轴传输线路的
外部导体中的电流和在围绕同轴传输线路的区域中的电磁场。在本发明的优选实施方式
中，这类设备创建沿着同轴线路的电感元件，其引起在传播的差分模式中的干扰，这对于辐
射的公共模式是有利的。
在本发明的另一实施方式中，这类设备创建电容或电感和电容元件以干扰传播的
差分模式。
这类转换器的系统借助于特定类型的天线(如例如在由同一申请人并行地提交的
申请中所述的情形)允许提供沿着油井的排泄管的RF辐射的分布和在生产井内的储层部分
的均匀并受控的加热。均匀加热代表在增加重油井的生产率中的关键方面。
本发明涉及由模式转换器形成的电气结构，其用于例如形成天线阵列。
由于回收油的先进方法(例如热回收)的发展，重油作为能量源的重要性不断地增
长。使用包括位于钻孔中的天线的系统借助于射频来加热储层可以是传统蒸汽注入方法的
有效替代方案，提供优点，例如良好的能量分布、对储层的特性的较小依赖性、紧凑设备、高
效率水平和在油相中集中能量的方式。辐射射频(RF)可以因此是重油的热回收的有效替代
方案，因为它对地质层组较不敏感，且能够在储层的大体积上分布热。
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
档通常描述包括安装在表面处的RF能量的发生器、用于将RF信号输送到井的底部的传输线
路和用于将RF能量辐射和/或施加到地质层组的结构(天线)的装置。
根据本发明的优选实施方式，用于在油井中的RF加热的同轴布置的模式转换器的
使用提供各种优点，包括在长排泄管部分上分布RF能量的可能性，提供长排泄管部分的均
匀RF加热，根据周围介质的电磁特性来调整这类阵列的辐射行为，以及形成用于安装在生
产井中的有限块的天线。
根据本发明的系统能够形成适合于可能的应用的具有电磁性能(总辐射效率、沿
着排泄管的辐射的分布的剖面以及返回损失)的分布式天线。
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示出根据本发明的实施方式的模式转换器；
图2示出模式转换器的一些可选实施方式；
图3示出根据本发明的实施方式的模式转换器，其中连接的例子是利用同轴线路
对接的。
优选实施方式的详细描述
根据本发明的实施方式，设备包括可用作用于形成井中的RF天线的模式转换器的
电气结构。用于借助于同轴天线加热井的系统，根据本发明的(一个或多个)设备可以应用
到的同轴天线例如在由同一申请人的与本申请并行地提交的专利申请中进行描述的情况。
通过在0.1-10MHz的范围内的频率下施加大约100-1000kW的功率来操作。根据这
些参数的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℃。在另一实施方式中，
系统在0.1-10MHz的频率下操作并用于回收重油。
此外，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。
因此，系统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。
根据用于借助于由配备有模式转换器的同轴天线输出的RF辐射进行加热的系统
的可能配置，系统包括RF发生器、井射孔器、同轴RF连接器和根据本发明的优选实施方式的
一个或多个模式转换器(例如其同轴阵列)。RF发生器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。
根据在上面提到的并行专利申请中描述的系统的井头射孔器是使信号能够通过
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。
井头射孔器通常在构造中是同轴的或具有双线结构。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。其它电介质材料也可有利地用于形成同轴电缆。
包括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。排泄管的长度和钻孔的相当大的部分也可发现于
非常厚的储层(例如在垂直的井中100m的排泄管长度)交叉的垂直或倾斜井中。
在这样的背景下，包括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。
模式转换器是沿着同轴电缆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。
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。
作为可选方案，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介电常数的材料的使用来引
起。
转换器也可具有电感-电容类型。这类转换器特征在于上面所述的结构的组合。
由模式转换器引起的电感和/电容值在天线的设计阶段被选择并取决于储层的电
磁特性、在井的内部的流体的电磁特性和任何天线覆盖以及对特定的模式转换器寻求的辐
射的效率。
在形成阵列的多个转换器的情况下，单独的模式转换器可具有彼此不同的结构特
性。特别是，位于阵列的开始部分处的模式转换器必须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。
如图1所示，模式转换器具有至少两个导体：第一导体将在设备的上游的同轴电缆
的包线连接到在设备的下游的同轴电缆的包线，以及第二导体将在设备的上游的同轴电缆
的核心连接到在设备的下游的同轴电缆的核心。由这两个导体采用的几何形状使得电感元
件和/或电容元件沿着传输线路被创建。图1示出一个实施方式，其中两个导体中的每个创
建四个不同的元件：两个电感和两个电容(对于外部导体，这些是C1、C2、L1和L2；对于内部
导体，这些元件是C3、C4、L3和L4)。如附图所示，这样的元件可串联和/或并联地连接到彼
此，以便根据引用需要可引起相等的电感和电容值。图1所示的结构是示例性实施方式，其
中在单模转换器内使用多个电感和电容元件。在实践中，可有利地使用图1所示的电感和电
容元件中的仅仅一些来形成模式转换器。
图2示出从图1所示的模式转换器中的一些模式转换器的示例性实施方式，其中只
选择一些元件。
特别是，图2a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2b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2c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2d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2e示出电感类型的模式转换器，其中外部导体被缠绕以形成相对于
内部导体同轴的线圈，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。
如图3所示，根据本发明的优选实施方式，模式转换器100具有至少两个导体103和
105。模式转换器连接到同轴传输线路(也被称为天线)上，同轴传输线路连接到发生器并适
合于沿着排泄管传输信号，同轴线路包括由电介质材料层分离的外部导体(也被称为包线)
和内部导体(也被称为核心)。模式转换器的第一导体103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105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。
模式转换器可借助于适当的连接器连接到同轴电缆，连接器可具有同轴或双线类
型。根据如图3所示的优选实施方式，同轴类型的连接器107确保在模式转换器100和同轴传
输线路之间有连接。
在图3中所示的转换器具有电感类型，其中中央导体105将在上游的同轴部分的核
心连接到在下游的同轴部分的核心，以及相对于中央导体的同轴类型的线圈导体103将在
上游的同轴部分的包线连接到在下游的同轴部分的包线。