限定流体通道的传输线段耦合器及相关方法

申请号 CN201410045346.3 申请日 2014-02-07 公开(公告)号 CN103972671A 公开(公告)日 2014-08-06
申请人 哈里公司; 发明人 T·迪特莫; M·汉; R·和维特; B·怀特;
摘要 本 发明 涉及限定 流体 通道的传输线段 耦合器 及相关方法。提供一种用于将第一和第二同轴传输线段耦合在一起的传输线段耦合器,每个传输线段包括内管状导体和围绕其的外管状导体以及其间的 电介质 。该耦合器装置包括:外管状 轴承 体, 定位 在第一和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口末端内;以及内管状轴承体,配置为在所述外管状轴承体内可滑动地移动以与之限定线性轴承。所述内管状轴承体被配置为限定与所述第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口末端连通的流体通道。
权利要求

1.一种传输线段耦合器,用于将第一和第二同轴传输线段耦合在一起,第一和第二同轴传输线段每个包括内管状导体和围绕内管状导体的外管状导体以及在它们之间的电介质,所述装置包括:
外管状轴承体,位于第一和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口末端内;以及内管状轴承体,配置为在所述外管状轴承体内可滑动地移动以与其定义线性轴承,所述内管状轴承体配置为定义与第一和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口末端连通的流体通道。
2.如权利要求1所述的传输线段耦合器,其中所述内管状轴承体包括:
从所述外管状轴承向外延伸的相对的第一和第二末端;以及
延伸于所述相对的第一和第二末端之间的中间部分。
3.如权利要求2所述的传输线段耦合器,其中所述内管状轴承体的中间部分的长度大于所述外管状轴承体以定义线性轴承行程限制。
4.如权利要求2所述的传输线段耦合器,其中所述第一末端和所述中间部分螺纹耦合在一起。
5.如权利要求2所述的传输线段耦合器,其中所述第一末端配置为可滑动地接收在所述第一同轴传输线段的管状内导体的开口末端内,其中所述第二末端配置为固定到所述第二同轴传输线段的管状内导体的开口末端。
6.一种制造传输线段耦合器的方法,所述传输线段耦合器用于将第一和第二同轴传输线段耦合在一起,第一和第二同轴传输线段每个都包括内管状导体和围绕内管状导体的外管状导体以及在它们之间的电介质,所述方法包括:
形成外管状轴承体,所述外管状轴承体位于第一和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口末端内;
形成内管状轴承体,所述内管状轴承体配置为在所述外管状轴承体内可滑动地移动以与其定义线性轴承,所述内管状轴承体配置为定义与第一和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口末端连通的流体通道;以及
将所述内管状轴承体定位在所述外管状轴承体内。
7.如权利要求6所述的方法,其中形成所述内管状轴承体包括形成所述内管状轴承体以包括从所述外管状轴承向外延伸的相对的第一和第二末端、以及延伸于所述相对的第一和第二末端之间的中间部分。
8.如权利要求7所述的方法,其中形成所述内管状轴承体包括形成所述内管状轴承体使得所述内管状轴承体的中间部分的长度大于所述外管状轴承体以定义线性轴承行程限制。
9.如权利要求7所述的方法,其中形成所述内管状轴承体包括将所述第一末端和所述中间部分螺纹耦合在一起。
10.如权利要求6所述的方法,还包括将相应的导电弹簧定位在所述外管状轴承体的每个末端上,每个导电弹簧配置为咬合第一和第二同轴传输线段的相应内管状导体的相应开口末端。

说明书全文

限定流体通道的传输线段耦合器及相关方法

技术领域

[0001] 本发明涉及氢化合物资源回收领域,更特别地,涉及利用RF加热的碳氢化合物资源回收。

背景技术

[0002] 全世界的能量消耗总地来说在增加,并且传统的碳氢化合物资源正在被消耗。为了试图满足需求,可能需要利用非传统资源。例如,诸如重油之类的非常黏稠的碳氢化合物资源可能陷在焦油砂中,它们的黏稠性质导致无法进行传统的油井生产。估计在这种焦油砂地层中可找到数万亿桶的油储备。
[0003] 在一些实例中,目前经由露天开采来提取这些焦油砂沉积物。对更深沉积物的原地提取的另一种方法被称为蒸汽辅助重泄油(Steam-Assisted Gravity Drainage,SAGD)。在储层温度下重油是不动的,因此油通常被加热以减小其黏度并且使油流可动。在SAGD中,注入井生产井的对被形成为在地表中横向延伸。每对注入/生产井包括下方生产井和上方注入井。注入/生产井通常位于下盖层与上盖层之间的地层的产油层中。
[0004] 上方注入井通常用于注入蒸汽,并且下方生产井收集流出地层的经加热的原油沥青,以及来自注入蒸汽的凝结的任何。注入的蒸汽形成在地层中垂直和水平扩张的蒸汽腔。来自蒸汽的热量减小了重原油或沥青的黏度,这使得其可以向下流入下方生产井中,在那里其被收集和回收。蒸汽和气体由于其较低的密度而上升,使得蒸汽在下方生产井处不被生产,并且疏水控制被用于实现相同的效果。诸如甲烷、二化碳和硫化氢之类的气体例如可倾向于在蒸汽腔中上升并且填充油留下的空隙空间,从而限定蒸汽上方的绝缘层。油和水流通过重力驱动排泄进入下方生产井中。
[0005] 在大约储层压力下操作注入和生产井可解决不利地影响高压蒸汽过程的不稳定性问题。SAGD在适当的储层中可产生可高达地质储量(OOIP)的70%到80%的平滑均匀的产量。SAGD过程可能对页岩薄层和其他垂直屏障相对敏感,因为随着岩石被加热,不均匀热膨胀引起其中的断裂,从而使得蒸汽和流体可以流过。SAGD的效率可能是较老的蒸汽吞吐(cyclic steam stimulation,CSS)过程的两倍。
[0006] 世界上的许多国家具有大量油砂沉积物,包括美国、俄罗斯和中东的各个国家。油砂可代表世界总石油资源的三分之二那么多,其中例如在加拿大阿萨巴斯卡油砂中有至少1.7万亿桶。当前,只有加拿大有大规模的商业油砂产业,虽然在委内瑞拉也生产少量来自油砂的油。因为油砂产量的增加,加拿大已成为美国的石油和成品油的最大单一供应者。油砂现在是加拿大石油生产的几乎一半的来源,虽然由于2008年经济低迷,关于新项目的工作已被推迟,而委内瑞拉的产量在近年来已在下滑。在其他国家还没有大量从油砂生产石油。
[0007] Banerjee等人的美国已公布专利申请No.2010/0078163公开了一种碳氢化合物回收过程,其中提供了三个井,即用于注入水的最上方井、用于将微波引入储层中的中间井和用于生产的最下方井。微波发生器生成微波,这些微波通过一系列波导被引导到中间井上方的区域中。微波的频率处于基本上等于水的谐振频率的频率,从而水被加热。
[0008] 顺着这些思路,Dreher Jr.等人的美国已公布申请No.2010/0294489公开了使用微波来提供加热。活化剂在地表下方被注入并被微波加热,并且活化剂随后对生产井中的重油加热。Wheeler等人的美国已公布申请No.2010/0294489公开了类似的方法。
[0009] Kasevich的美国专利No.7,441,597公开了使用射频发生器来向位于油/气生产井的水平部分上方的RF井的水平部分施加RF能量。油的黏度由于RF能量而减小,这使得油由于重力而排出。通过油/气生产井回收油。
[0010] 不幸的是,例如由于失败的取油而引起的利用SAGD提取油的长生产时间可导致大量热量损失到邻近的土壤、蒸汽的过度消耗和回收的高成本。通常还使用大量水资源来利用SAGD回收油,这影响了环境。有限的水资源也可限制油回收。SAGD例如在永久冻土区域中也不是可用的过程。
[0011] 另外,尽管存在利用RF能量来提供加热的系统,但这种系统可由于RF源、传输线和/或天线之间的阻抗失配而效率低下。这些失配随着地层加热的增大而变得尤其严重。另外,这种应用可要求高功率水平,高功率水平可导致相对较高的传输线温度,而相对较高的传输线温度可导致传输失败。这也可导致热膨胀问题,因为不同的材料可不同地膨胀,这可使得难以维持电气互连和流体互连。

发明内容

[0012] 因此,本发明的一个目的是为碳氢化合物资源回收系统和相关方法提供RF加热的增强操作特性。
[0013] 这些和其他目的、特征和优点由一种传输线段耦合器提供,该传输线段耦合器用于将第一同轴传输线段和第二同轴传输线段耦合在一起,该第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的每一个包括内管状导体和围绕该内管状导体的外管状导体以及其间的电介质。该耦合器包括:外管状轴承体,定位在第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口末端内;以及内管状轴承体,被配置为在外管状轴承体内可滑动地移动以与之限定线性轴承。内管状轴承体被配置为限定与第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口端连通的流体通道。因此,该传输线段耦合器有利地为传输线段提供了机械、电气和流体耦合,同时也适应了由于增大的操作温度引起的材料膨胀,例如在用于碳氢化合物资源回收的地层加热应用中。
[0014] 更具体而言,内管状轴承体可包括从外管状轴承向外延伸的相对的第一末端和第二末端,以及在相对的第一末端和第二末端之间延伸的中间部分。内管状轴承体的中间部分可具有大于外管状轴承体的长度以定义线状轴承行程限制。传输线段耦合器还可包括承载在第一末端和第二末端的每一个上的相应的密封环。另外,第一末端和中间部分可以螺纹连接方式耦合在一起。另外,第一末端可被配置为被可滑动地接收在第一同轴传输线段的管状内导体的开口末端内,并且第二末端可被配置为固定到第二同轴传输线段的管状内导体的开口末端。
[0015] 传输线段耦合器还可包括承载在外管状轴承体的每一末端上的相应的导电弹簧,该导电弹簧被配置为咬合第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的相应内管状导体的相应开口末端。更具体而言,外管状轴承体可对于每个导电弹簧在其外表面上具有相应的环状弹簧接收沟道
[0016] 传输线段耦合器还可包括在第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的相邻管状外导体之间限定的接头内的用于外管状轴承体的电介质支撑件。此外,电介质支撑件可以有至少一个流体通道穿过它。作为示例,外管状体可包括,并且内管状体可包括铜。
[0017] 一种用于加热有钻井孔在其中延伸的地层中的碳氢化合物资源的相关装置包括:RF天线,被配置为定位在钻井孔内;RF源;以及传输线,被配置为定位在钻井孔中并且耦合在RF天线与RF源之间。传输线包括多个传输线片段。每个传输线片段包括:第一同轴传输线段和第二同轴传输线段,其中每一个包括内管状导体和围绕该内管状导体的外管状导体以及其间的电介质,以及传输线段耦合器,例如以上简要描述的那种。
[0018] 一种相关方法用于制作传输线段耦合器,该传输线段耦合器用于将第一同轴传输线段和第二同轴传输线段耦合在一起,该第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的每一个包括内管状导体和围绕该内管状导体的外管状导体以及其间的电介质。该方法包括形成外管状轴承体,其被定位在第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口末端内。该方法还包括形成内管状轴承体,其被配置为在外管状轴承体内可滑动地移动以与之限定线性轴承,内管状轴承体被配置为限定与第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口末端连通的流体通道,该方法并且包括将内管状轴承体定位在外管状轴承体内。
[0019] 本发明还可以实现为如下各项。
[0020] 1、一种传输线段耦合器,用于将第一同轴传输线段和第二同轴传输线段耦合在一起,该第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的每一个包括内管状导体和围绕该内管状导体的外管状导体以及其间的电介质,该装置包括:
[0021] 外管状轴承体,定位在所述第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口末端内;以及
[0022] 内管状轴承体,被配置为在所述外管状轴承体内可滑动地移动以与之限定线性轴承,所述内管状轴承体被配置为限定与所述第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口末端连通的流体通道。
[0023] 2、如项目1所述的传输线段耦合器,其中,所述内管状轴承体包括:
[0024] 从所述外管状轴承向外延伸的相对的第一末端和第二末端;以及[0025] 在所述相对的第一末端和第二末端之间延伸的中间部分。
[0026] 3、如项目2所述的传输线段耦合器,其中,所述内管状轴承体的所述中间部分具有大于所述外管状轴承体的长度以限定线性轴承行程限制。
[0027] 4、如项目2所述的传输线段耦合器,还包括承载在所述第一末端和第二末端的每一个上的相应的密封环。
[0028] 5、如项目2所述的传输线段耦合器,其中,所述第一末端和所述中间部分以螺纹连接方式耦合在一起。
[0029] 6、如项目2所述的传输线段耦合器,其中,所述第一端被配置为被可滑动地接收在所述第一同轴传输线段的管状内导体的开口末端内;并且其中,所述第二端被配置为固定到所述第二同轴传输线段的管状内导体的开口末端。
[0030] 7、如项目1所述的传输线段耦合器,还包括承载在所述外管状轴承体的每一末端上的相应的导电弹簧,该导电弹簧被配置为咬合所述第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的相应内管状导体的相应开口末端。
[0031] 8、如项目7所述的传输线段耦合器,其中,所述外管状轴承体对于每个导电弹簧在其外表面上具有相应的环状弹簧接收沟道。
[0032] 9、如项目1所述的传输线段耦合器,还包括用于所述外管状轴承体的电介质支撑件,被承载在所述第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的相邻管状外导体之间限定的接头内。
[0033] 10、如项目1所述的传输线段耦合器,其中,所述电介质支撑件有至少一个流体通道穿过它。
[0034] 11、如项目1所述的传输线段耦合器,其中,所述外管状体包括黄铜;并且其中,所述内管状体包括铜。
[0035] 12、一种用于加热有钻井孔在其中延伸的地层中的碳氢化合物资源的装置,该装置包括:
[0036] 射频(RF)天线,被配置为定位在所述钻井孔内;
[0037] RF源;以及
[0038] 传输线,被配置为定位在所述钻井孔中并且耦合在所述RF天线与所述RF源之间,所述传输线包括多个传输线片段,每个传输线片段包括:
[0039] 第一同轴传输线段和第二同轴传输线段,其中每一个包括内管状导体和围绕该内管状导体的外管状导体以及其间的电介质,以及传输线段耦合器,包括:
[0040] 外管状轴承体,定位在所述第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的所述内管状导体的相邻开口末端内,以及
[0041] 内管状轴承体,被配置为在所述外管状轴承体内可滑动地移动以与之限定线性轴承,所述内管状轴承体被配置为限定与所述第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的所述内管状导体的相邻开口末端连通的流体通道。
[0042] 13、如项目12所述的装置,其中,所述内管状轴承体包括:
[0043] 从所述外管状轴承向外延伸的相对的第一末端和第二末端;以及[0044] 在所述相对的第一末端和第二末端之间延伸的中间部分。
[0045] 14、如项目13所述的装置,其中,所述内管状轴承体的所述中间部分具有大于所述外管状轴承体的长度以限定线性轴承行程限制。
[0046] 15、如项目13所述的装置,还包括承载在所述第一末端和第二末端的每一个上的相应的密封环。
[0047] 16、如项目13所述的装置,其中,所述第一末端和所述中间部分以螺纹连接方式耦合在一起。
[0048] 17、如项目13所述的装置,其中,所述第一末端被配置为被可滑动地接收在所述第一同轴传输线段的所述管状内导体的开口末端内;并且其中,所述第二末端被配置为固定到所述第二同轴传输线段的所述管状内导体的开口末端。
[0049] 18、如项目12所述的装置,还包括承载在所述外管状轴承体的每一端上的相应的导电弹簧,该导电弹簧被配置为咬合所述第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的相应内管状导体的相应开口末端。
[0050] 19、如项目12所述的装置,还包括在所述第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的相邻管状外导体之间限定的接头内的用于所述外管状轴承体的电介质支撑件。
[0051] 20、一种用于制作传输线段耦合器的方法,该传输线段耦合器用于将第一同轴传输线段和第二同轴传输线段耦合在一起,该第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的每一个包括内管状导体和围绕该内管状导体的外管状导体以及其间的电介质,该方法包括:
[0052] 形成外管状轴承体,其被定位在所述第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口末端内;以及
[0053] 形成内管状轴承体,其被配置为在所述外管状轴承体内可滑动地移动以与之限定线状轴承,所述内管状轴承体被配置为限定与所述第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的内管状导体的相邻开口末端连通的流体通道;以及
[0054] 将所述内管状轴承体定位在所述外管状轴承体内。
[0055] 21、如项目20所述的方法,其中,形成所述内管状轴承体包括将所述内管状轴承体形成为包括从所述外管状轴承向外延伸的相对的第一末端和第二末端,以及在所述相对的第一末端和第二末端之间延伸的中间部分。
[0056] 22、如项目21所述的方法,其中,形成所述内管状轴承体包括形成所述内管状轴承体以使得所述内管状轴承体的中间部分具有大于所述外管状轴承体的长度以限定线性轴承行程限制。
[0057] 23、如项目21所述的方法,还包括在所述第一末端和第二末端的每一个上的定位相应的密封环。
[0058] 24、如项目21所述的方法,其中,形成所述内管状轴承体包括将所述第一末端和所述中间部分以螺纹连接方式耦合在一起。
[0059] 25、如项目20所述的方法,还包括在所述外管状轴承体的每一末端上定位相应的导电弹簧,每个导电弹簧被配置为咬合所述第一同轴传输线段和第二同轴传输线段的相应内管状导体的相应开口末端。附图说明
[0060] 图1是根据本发明用于在地层中加热碳氢化合物资源的装置的示意性框图
[0061] 图2是示出来自图1的装置的传输线、液体电介质巴伦(balun)和液体调谐腔的示意性横截面图。
[0062] 图3是来自图1的装置的巴伦的实施例的横截面透视图。
[0063] 图4是不同流体水平下图4的巴伦的扼流电抗和谐振频率的曲线图。
[0064] 图5是图2的巴伦的下端的实施例的示意性横截面视图,示出了用于向其中添加/去除流体和/或气体的方法。
[0065] 图6是图2的巴伦的示意性电路表示,其还包括第二巴伦。
[0066] 图7是与图1的装置结合使用的传输线段耦合器的透视图。
[0067] 图8是图7的传输线段耦合器的端视图。
[0068] 图9是图7的传输线段耦合器的横截面视图。
[0069] 图10是图7的内导体传输线段耦合器的横截面视图。
[0070] 图11和12分别是图7的传输线段耦合器的完全分解和部分分解视图。
[0071] 图13是用于图1的装置的示范性流体源配置的示意性框图。
[0072] 图14、15和16是示出与图1的装置相关联的方法方面的流程图
[0073] 图17是示出图1的装置的各种示例液体调谐腔配置的操作特性的史密斯圆图。

具体实施方式

[0074] 现在将在下文中参考附图来更充分地描述本发明,在附图中示出了本发明的优选实施例。然而,本发明可以以许多不同的形式实现并且不应当被解释为局限于本文记载的实施例。更确切地说,提供这些实施例是为了使得本公开将会透彻且完整,并且将会向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。相似的附图标记始终指代相似的元素。
[0075] 一开始参考图1,首先描述用于加热具有钻井孔33的地层32中的碳氢化合物资源31(例如油砂等等)的装置30。在图示的示例中,钻井孔33是横向延伸的钻井孔,虽然系统30在不同的配置中可结合垂直或其他钻井孔使用。系统30还包括用于RF天线或换能器35的射频(RF)源34,其中RF天线或换能器35定位在钻井孔33中邻近碳氢化合物资源
31处。RF源34定位在地层32上方,并且例如可以是RF功率发生器。在示范性实现方式中,横向延伸的钻井孔33在地层32内可延伸几百米。另外,典型的横向延伸钻井孔33可具有约十四英寸以下的直径,虽然在一些实现方式中可使用更大的钻井孔。虽然没有示出,但在一些实施例中,在钻井孔33下方可使用第二或生产钻井孔,例如SAGD实现方式中将会找到的那种,用于收集通过加热从地层32释放的石油等等。
[0076] 传输线38在钻井孔33内、RF源34与RF天线35之间延伸。RF天线35包括内管状导体36、外管状导体37和有利地用作偶极天线的其他电气方面。这样,RF源34可用于差分地驱动RF天线35。也就是说,RF天线35可具有可从非平衡驱动信号驱动的平衡设计。地下加热应用的典型频率范围操作可在约100kHz到10MHz的范围,并且例如具有若干兆瓦的功率水平。然而,将会明白,在不同实施例中可使用其他配置和操作值。
[0077] 电介质可分隔开内管状导体36和外管状导体37,并且这些导体在一些实施例中可以是同轴的。然而,将会明白,在不同实施例中可使用其他天线配置。外管状导体37通常将会部分或完全暴露以将RF能量辐射到碳氢化合物资源31中。
[0078] 传输线38可包括多个分离的片段,这些片段随着RF天线35沿着钻井孔33被推进或馈给而相继耦合在一起。传输线38还可包括内管状导体39和外管状导体40,内管状导体39和外管状导体40例如可由电介质材料分隔开。如果需要,电介质也可围绕外管状导体40。在一些配置中,内管状导体39和外管状导体40可以是同轴的,虽然在其他实施例中也可使用其他传输线导体配置。
[0079] 装置30还包括巴伦(balun,或称为换衡器)45,其在钻井孔内邻近RF天线35处耦合到传输线38。一般来说,巴伦45用于馈给RF天线35所引起的电流的共模抑制。更具体而言,巴伦45可用于将许多电流限制到RF天线35,而不是例如允许其传播回到传输线的外导体40,从而帮助维持期位置处的体积加热,同时实现高效、安全且顺应电磁干扰(EMI)要求的操作。
[0080] 然而,在钻井孔33内深处邻近RF天线35的地方(例如,井下几百米处)实现巴伦并且一旦部署了就不再接近,这对典型的电气或机械控制的巴伦可能是成问题的。希望有可变的操作频率来促进向RF天线35和地层32进行最优功率传送,其中地层32是随着加热而随时间变化的。四分之一波长类型的巴伦很适合于钻孔RF天线35的操作特性,这是由于相对较高的长度对直径纵横比和相对较低的损耗,这带来了增强的系统效率。然而,这种配置也是相对窄带的,意味着其在井的寿命期间可需要若干次调整,并且相对较高的物理纵横比也可加剧由导体之间的小径向间距引起的电压击穿问题。
[0081] 更具体而言,当为了碳氢化合物加热应用而尝试在地层深处部署巴伦时,可存在若干困难之处。虽然一些巴伦配置利用机械滑动短路件配置以改变阻抗设定,但考虑到用于碳氢化合物加热的相对较长的波长,这可导致难以实现这种机械调谐配置。也就是说,在典型的钻井孔尺寸和低频率操作下,滑动短路件为了覆盖期望的操作范围而所需要的行进距离可能是不现实的。另外,这可能也要求必须有相对复杂的机械设计来移动滑动短路件,这要求移动经过电绝缘体和电机,其可能难以装入井的有限空间约束内。另外,大幅地增大典型钻井孔和传输线的尺寸以适应这种机械调谐特征是极为昂贵的。
[0082] 另外转向图2和图3,不是利用诸如滑动短路件之间的机械调谐配置,巴伦45有利地包括限定液体腔50的主体,液体腔50被配置为在其中接收某个量的电介质液体51。另外,巴伦45可被配置为在其中接收可调整或可改变量的电介质液体以有利地提供可调整的频率操作,因为RF天线35的操作特性在加热过程期间变化,从而要求在变化的频率下的操作。
[0083] 更具体而言,巴伦45的主体包括围绕同轴传输线的管状主体。管状主体包括纵向耦合在传输线的外导体40和RF天线35之间的导电部分52和绝缘部分53。绝缘部分53可包括固体绝缘材料,虽然其在一些实施例中也可包括非固体绝缘体。另外,一个或多个短路导体54(其可利用有(一个或多个)流体开口穿过它的环状导电环来实现)电气耦合在导电部分52与同轴传输线38之间,更具体而言是耦合在导电部分52与同轴传输线的外导体40之间。导电部分52可充当传输线38的包层或保护性外壳,并且通常将会包括具有充分的刚性以允许传输线被向下推进到钻井孔33中的金属(例如等等)。绝缘部分可包括电介质材料,例如高温复合材料,其也具有充分的刚性以抵抗推进到钻井孔中和升高的热量水平,虽然也可使用其他适当的绝缘体材料。替换实施例也可利用流体或气体来形成此绝缘体。
[0084] 如下文将进一步论述的,在一些实施例中,内导体39内的空间限定电介质液体回路的第一通道(例如,供应通道),并且内导体与外导体40之间的空间限定电介质液体回路的第二通道(例如,返回通道)。电介质液体回路允许流体(例如,诸如矿物油、油、去离子水、酯基油等等之类的液体)通过同轴传输线38循环。此流体可具有多个功能,包括将传输线保持在期望的操作温度范围内,因为考虑到用于供应RF天线35的相对较高的功率和碳氢化合物储层的温度,不然的话就可能发生传输线的过度加热。此流体的另一功能可以是增强同轴结构(包括巴伦)的高电压击穿特性。在有液体回路可用的情况下,巴伦45有利地还包括一个或多个55,用于选择性地传输来自流体回路中的液体腔50的电介质液体51(例如,返回通道)。这有利地允许了根据需要从液体腔50中排出液体51。作为示例,阀55可包括压力促动阀,并且装置30还可包括与液体电介质发生流体连通耦合的压力(例如气体)源28,以根据需要促动阀。例如,气体源28可以是氮气或其他适当的气体源,其具有相对较低的介电常数(Er)值,这使得较重的流体经由阀55选出。替换实施例可利用孔口来取代阀,并且动态调整来自地表的气体压力以改变液体腔50中的液体水平。
[0085] 液体腔50由挡液塞56限定,挡液塞56位于液体腔的一端附近并且将巴伦45与RF天线35分离开来。也就是说,挡液塞56将电介质流体51保持在液体腔50内、RF天线35外,并且限定了巴伦45的“底”端或远端。液体电介质源29(以及可选的压力/气体源)可通过在导电部分52(即,外壳体)与外导体40之间限定的通道经由井口处的环来供应液体腔50。在一些实施例中,另一个阀(未示出)耦合在内导体39与外导体40之间以根据需要从冷却回路(即,从供应通道)供应电介质流体到液体腔50中。另一个方法是在外导体40与壳体之间(或壳体外部)铺设单独的管道来向液体腔50供应电介质流体或从液体腔50排出电介质流体。一般来说,可能希望对电介质液体51进行过滤或者以其他方式用净化的电介质液体来替换液体腔中的电介质液体以维持期望的操作特性。
[0086] 因此,上述配置可有利地用于提供具有固定机械尺寸的相对较大规模且可调整的四分之一波长巴伦,而无需移动机械部件。更确切地说,仅利用可调整的电介质流体水平和气体就可有利地将巴伦45调谐到期望的谐振频率,而电介质流体水平和气体可以容易地根据需要从井口控制。这样,此配置有利地帮助避免了与在钻井孔33内的相对空间受约束并且遥远的位置中实现滑动短路件或其他机械调谐配置相关联的困难之处。另外,使用电介质流体帮助了在巴伦45内部提供改善的电介质击穿强度以允许高功率操作。
[0087] 将参考图4的曲线图57来进一步理解巴伦的操作,图4示出了模型液体巴伦58的仿真性能。在图示的示例中,对于内导体使用3-1/8英寸的直径,并且对于外导体使用十英寸的直径,外导体具有0.1英寸的壁厚度。对于模型巴伦58使用100m的整体长度,并且示出了从10m到100m范围中的各种流体长度的各种电抗/频率值。在仿真中使用具有2.25的Er和大约0的tan(d)的电介质流体(即,矿物油)。
[0088] 将会明白,可调谐带宽的范围与相对介电常数的平方根成比例,如下:
[0089]
[0090] 从图示的仿真结果中还将会明白,有损电介质降低了共模阻抗,并且巴伦的更低特性阻抗降低了共模阻抗(例如,外导体的更小外直径)。利用给定的测试配置有利地实现了Er~150%的巴伦调谐范围,虽然利用不同的配置可实现不同的调谐范围。这样,巴伦45通过例如帮助阻挡沿着外导体40的共模电流来有利地支持了RF天线35的增强性能,这也允许了有针对性的加热和遵从表面辐射和安全要求。
[0091] 将参考图14的流程图100来进一步理解示范性安装和操作细节。从框101开始,巴伦45被耦合或连接到RF天线35,并且在框102,传输线38随后以片段形式随着组装结构被沿着钻井孔33向下馈给而耦合到巴伦的相反端。在框103、104,液体腔50随后被利用上述方法之一来填充到期望的开始操作水平,并且通过从RF源34向传输线供应RF信号,加热可开始。应当注意,在一些实施例中,不需要一定在加热开始之前填充液体腔50。
[0092] 在框105-106,在井的使用寿命(可持续若干年)期间,可进行测量(例如,阻抗、共模电流等等)以确定何时对流体水平进行改变是适当的,从而结束图14中所示的方法(框107)。也就是说,不同流体水平的期望操作值(例如图4中所示的那些)的参考指标或数据库可用于确定适当的新电介质流体水平以提供期望的操作特性,这或者是通过手动配置,或者是通过计算机实现的控制器来适当地改变流体水平。电介质流体也可以根据需要被过滤或替换以维持期望的操作特性,如上所述。
[0093] 另外参考图5至图9,在一些实施例中,通过使用同轴传输线38内包括的液体调谐段60,可以提供额外的调谐调整。更具体而言,在图2的示例中,传输线38示例性地包括两个调谐段60,虽然在不同实施例中可以使用单个调谐段或多于两个调谐段。每个调谐段60包括内导体39、围绕内导体的外导体40和内外导体之间的挡液塞61以限定调谐腔,该调谐腔被配置为接收电介质液体62,其上有气体顶空63。从而,经由可调整的液体水平,随着RF天线的操作特性在加热过程期间变化,液体调谐段60可有利地用于将天线的阻抗与RF功率的源相匹配。
[0094] 更具体而言,气体和液体源可与调谐段60发生流体通信耦合,以便电介质液体62相对于气体顶空63的水平是可调整的。在图5的示例中,外部线64(例如,电介质管)可邻近传输线并且与调谐腔发生流体通信耦合。这里,流体耦合端口65、66如图所示通过外包层52和外导体40将外部线64连接到流体调谐腔。应当注意,在一些实施例中,如果希望,线64可铺设在包层52与外导体40之间,而不是在导体外部。
[0095] 在图示实施例中,还包括阀67(例如,压力促动阀)以允许电介质液体62从调谐腔排出到冷却流体回路中。这里,通过在内导体内部铺设流体线68,将冷却流体回路完全包括在内导体39内。在此示例中,流体线68用于流体供应,而流体返回通过内导体内的剩余空间发生,但如果希望,在其他实施例中流体线68也可改为用于冷却流体返回。如上所述,在一些实施例中类似的阀也可用于将电介质流体从冷却流体回路提供到调谐腔中,虽然在外部线64存在的情况下,其可用于提供液体和气体供应和去除两者,而无需到冷却流体回路的单独阀开口。在一些实施例中,在井口处可使用叶片环(vaned annulus)以为各种流体调谐腔提供多个流体路径。
[0096] 在一些配置中,多个远程控制的阀可用于减少所需的流体通道的数目。远程控制可经由一公用流体通道执行,该流体通道能够经由预定的压力脉冲序列或者例如经由使用指定波形的电气信令(例如,施加在RF激励信号上的调制)来解一个或多个阀。通过传输线38中包括的并行或串行总线线缆、ESP线缆等等可提供单独馈给的信号。
[0097] 如上所述,随着地层32被加热,其复杂的介电常数随着时间变化,改变了RF天线35的输入阻抗。此外,作为直接接触换能器,RF天线35可在两种模式中操作,即导电模式和电磁模式,这导致了很不相同的驱动点阻抗。调谐段60可通过减小在传输线38中向上返回的反射能量来有利地允许能量从RF天线35到周围地层32的更高效输送。
[0098] 调谐段60有利地提供了一种物理上线状的、相对高功率的调谐器,其具有可经由电介质液体62和气体顶空63的可变水平来远程调整的特性阻抗(ZO)。更具体而言,每个调谐段60的下方流体部分提供低Z调谐元件(例如,类似于旁路电容器),而每个调谐段的上方部分提供高Z调谐元件(例如,类似于串联电感器)。电介质液体62的水平决定这些长度的比率。多个调谐段60可串联或级联耦合以根据需要提供不同的调谐范围。
[0099] 调谐段60的其他优点是它们的物理结构是线状的并且在机械上是相对简单的,这可有利地促进在碳氢化合物加热环境(例如,油砂回收)中的使用。这里,再一次地,此方法可提供在匹配较深的地表下RF天线阻抗方面的很大灵活性,而没有机械调谐配置可遇到的相关困难之处。
[0100] 将参考图6中所示的示例实现方式来进一步理解调谐段60的操作特性,图6是图2中所示的两个调谐段的串联的示意性等效电路。更具体而言,第一调谐段60a包括高Z元件(即,表示气体顶空63)TL1a,和低Z元件(即,表示液体填充段)TL1b。第二调谐段60类似地包括高Z元件TL2a和低Z元件TL2b。RF源34由电阻器R-TX表示,其在图示配置中具有25欧姆的电阻值。
[0101] 现在参考图17中所示的史密斯圆图170来描述使用上述等效电路元件的第一个仿真的结果。对于此仿真,对于每个调谐段60使用50m的整体长度,并且对于电介质液体使用具有2.7的Er的矿物油,并且以空气(Z0=32欧姆)作为顶空气体,并且使用5MHz的操作频率。R_TX的值是25欧姆,而使用22欧姆的值来表示RF天线35。此配置有利地在高达4∶1电压驻波比(VSWR)的所有相位提供了天线阻抗的匹配调谐,如图17中的区域171所示。另一个类似的仿真利用了经调整的20欧姆的Z0值,并且对于RF天线35利用了12欧姆的值。此配置对于期望的操作相位产生了高达大约3.4∶1VSWR的仿真调谐范围,如区域172所表示。还有一个仿真利用了不同的电介质流体,即具有80的Er的去离子水,30m的调谐段,经调整的70欧姆的Z0,以及1MHz的操作频率。这里,仿真结果指示大约
24∶1的VSWR范围,如区域173所表示。这代表了调谐器配置的非常高的多样性和能力。
[0102] 将会明白,可以使用具有不同Er值的不同电介质流体来用调谐性能交换其他特性,例如电压击穿。另外,如果希望,调谐段60可具有各种长度和阻抗,并且在不同实施例中可使用不同数目的调谐段,以及介于其间的固定Z0传输线段。
[0103] 将参考图15的流程图110来进一步理解与调谐段60相关联的示范性安装和操作细节。从框111开始,一个或多个调谐段60串联耦合到RF天线35(以及其中没有液体调谐腔的其他调谐段,以限定传输线38),并且在框112,组装结构随后被沿着钻井孔33向下馈给。在一些实施例中也可包括上述巴伦45,虽然也可单独使用调谐片段和巴伦。在框113、114,随后可利用上述方法之一来将调谐腔填充到液体与气体顶空的期望比率,并且通过从RF源34向传输线供应RF信号,加热可开始。应当注意,在一些实施例中,不需要一定在加热开始之前填充液体腔50。
[0104] 在框115-116,可进行测量以确定何时对电介质流体水平/气体顶空进行改变是适当的,从而结束图15中所示的方法(框117)。这里,再一次地,不同液体/气体比率的期望操作值的参考指标或数据库可用于确定适当的新电介质流体水平以提供期望的操作特性,这或者是通过手动配置,或者是通过计算机实现的控制器来适当地改变流体水平。电介质流体也可以根据需要被过滤或替换以维持期望的操作特性,如上面所述的那样。
[0105] 现在另外转到图7-12,现在描述用于将同轴传输线的片段耦合在一起的传输线段耦合器或“弹头”70。更具体而言,可通过随着RF天线被更深地馈给到钻井孔中,将一系列片段耦合在一起以增长传输线的长度,来安装传输线。典型的传输线段的长度可能大约为二十至四十英尺,但在不同实施例中可使用其他片段长度。正如本领域技术人员将会明白的,弹头70可能对于将限定冷却流体回路的传输线段耦合在一起尤其有用。然而,在一些实施例中,与本文所示那种类似的线状轴承配置可用于耦合液体调谐段或巴伦,例如以上所述的那些。
[0106] 弹头70被配置为耦合第一和第二同轴传输线段72a、72b,其中每一个如上所述包括内管状导体39a和围绕内管状导体的外管状导体40a,以及其间的电介质。弹头70包括要定位在第一和第二同轴传输线段72a、72b的内管状导体39a、39b的相邻开口末端73a、73b内的外管状轴承体71,和被配置为在外管状轴承体内可滑动地移动以与之限定线性轴承的内管状轴承体74。内管状轴承体74被配置为限定与第一和第二同轴传输线段72a、72b的内管状导体39a、39b的相邻开口末端73a、73b连通的流体通道。
[0107] 更具体而言,内管状轴承体74包括从外管状轴承71向外延伸的相对的第一和第二末端75a、75b,以及在相对的第一和第二末端之间延伸的中间部分76。内管状轴承体74的中间部分76具有大于外管状轴承体71的长度以限定线性轴承行程限制,线性轴承行程限制由外管状轴承71与第二末端76b之间的间隙77限定(参见图10)。更具体而言,间隙77允许了线性滑动余地以适应片段热膨胀。作为示例,约1/2英寸的间隙77距离一般提供了典型碳氢化合物加热实现中经历的操作温度(例如在典型钻井孔深度下大约内部150℃、外部20℃)和压力水平(例如内部约200至1200PSI)的充分余地,但可以使用其他间隙距离。
[0108] 弹头70还包括承载在第一和第二末端75a、76b的每一个上的一个或多个相应的密封环78a、78b(例如,O型环)。此外,第一末端75a和中间部分76可以以螺纹连接方式耦合在一起。在这点上,如果希望,可提供孔特征84来用于扭矩工具的把握。另外,第一末端75a被配置为被可滑动地接收在第一同轴传输线段72a的管状内导体39a的开口末端73a内,并且第二末端75b被配置为固定到第二同轴传输线段73b的管状内导体39b的开口末端73b。更具体而言,第二端75b中可具有卷边槽84,其中管状内导体39b的开口末端73b被折卷以在其间提供稳固的连接。
[0109] 弹头70还包括承载在外管状轴承体71的每一末端上的相应的导电弹簧79a、79b。弹簧79a、79b被配置为咬合第一和第二同轴传输线段72a、72b的相应内管状导体39a、39b的相应开口末端73a、73b。更具体而言,外管状轴承体71对于每个导电弹簧39a、39b在其外表面上可具有相应的环状弹簧接收沟道80a、80b。图示的弹簧79a、79b是“表带弹簧”环类型的,其有利地提供了从内导体39a通过内管状轴承体71到内导体39b的连续电接触。
然而,在不同实施例中也可使用其他弹簧配置(例如“弹簧指”配置)或可由固定构件(例如固定的O型环等等)偏置的电接触。
[0110] 为了提供增强的导电性,弹簧79a、79b可包括铍,其也帮助适应热膨胀,但在不同实施例也可使用其他适当的材料。内管状轴承体74例如可包括黄铜,以例如提供增强的电流流动和耐磨性,但在不同实施例中也可使用其他适当的材料。如果希望,第一末端75a(或内管状轴承体74的其他部分)也可被覆盖以镍、金等等,以提供增强的性能。类似地,外管状轴承体71也可包括黄铜,并且如果希望也可被覆盖以金等等。这里,再一次地,在不同实施例中可使用其他适当的材料。
[0111] 弹头70还包括在第一和第二同轴传输线段72a、72b的相邻管状外导体40a、40b之间限定的接头82内的对于外管状轴承体71的电介质支撑件81。此外,电介质支撑件81可具有通过它的一个或多个流体通道83以例如允许电介质冷却流体通过,如上所述。在图10中可见,电介质支撑件81坐落或安置在外管状轴承体71中形成的相应沟槽中。
[0112] 由于上述结构,弹头70有利地提供了多功能RF传输线同轴内耦合器,这允许了电介质流体传输和隔离以及内导体39与外导体40之间的热膨胀的差异。更具体而言,虽然一些同轴内耦合器允许不同片段之间的一些流体传送,但这种耦合器一般不支持热膨胀系数(CTE)失配适应。在内导体39和外导体40具有CTE不同的不同材料成分并且传输线被部署在高热环境中(例如碳氢化合物资源加热应用)的情况下,这可变得尤其成问题。例如,在典型的同轴传输线中,内导体39可包括铜,而外导体40包括不同的导体,例如
[0113] 如图9中所示,弹头70有利地允许了各种流动选项,包括一个方向上的内部流动,以及通过井口处的环在相反方向上的外部返回流动。另外,如图10中所示,内管状轴承体74的密封、均一且流线型的内表面允许了间断相对较小的流动。
[0114] 现在简要描述用于制作弹头70的相关方法。该方法包括形成外管状轴承体71,形成被配置为在外管状轴承体内可滑动地移动以与之限定线状轴承的内管状轴承体74,并且将内管状轴承体定位在外管状轴承体内。更具体而言,在工厂可将第二末端75b折卷到同轴传输线段的内导体39b,并且将外管状轴承体74定位在内管状轴承体71上。随后将第一末端75a螺旋固定(或以其他方式附接)到中间部分76以将组装的弹头70固定到同轴传输线段72b。随后可将完成的组装件装运到井场,在这里它与其他类似的片段端到端耦合以限定要被向下馈给到钻井孔33中的传输线38。
[0115] 现在另外参照图13和图16,现在描述基于通过传输线38的冷却流体循环来提供额外的RF调谐(或独立RF调谐的)另一种有利的方法。作为背景,为了加热周围媒质并且更容易促进碳氢化合物资源(例如石油)的提取,相对高功率的天线被部署在地下,邻近碳氢化合物资源31,如上所述。随着地质地层被加热,其复杂的介电常数随着时间而变化,这意味着用于对地层加热的RF天线35的输入阻抗也随着时间而变化。为了将能量从RF天线35高效地输送到周围媒质,传输线38的特性阻抗应当紧密匹配RF天线的输入阻抗。
[0116] 根据本实施例,用于冷却传输线38的循环电介质流体的相对介电常数可被调节或调整,使得同轴传输线的特性阻抗在RF天线35的输入阻抗随着时间变化时更紧密地匹配它。此方法尤其有益之处在于,一般认为传输线38和RF天线35一旦被部署在钻井孔33中就是不可接近的。另外,因为低频率和高功率水平,使用分立电路元件的阻抗匹配单元可能在钻井孔应用中难以实现。另外,虽然可以改变RF信号的频率以改变输入阻抗的虚部(即,电抗),但这对于将输入阻抗的实部(即,电阻)匹配到传输线38的特性阻抗没有多大帮助。
[0117] 因此,液体冷却剂源129有利地被配置为耦合到传输线38并且提供经过具有可调整的电气参数(例如介电常数)的液体冷却剂回路的液体冷却剂。液体冷却剂源129包括液体130和与之发生流体通信耦合的热交换器133。泵130有利地使液体冷却剂循环经过传输线138和热交换器133的液体冷却剂回路以冷却传输线,以便其可维持期望的操作特性,如上所述。正如本领域技术人员将会明白的那样,可以使用各种类型的液体热交换器布置。
[0118] 另外,液体冷却剂源129还包括多个液体冷却剂储存器132a、132b,每个用于相应的不同液体冷却剂。可以使用例如以上所述那些的电介质液体冷却剂(例如,矿物油、硅油,等等)。更具体而言,每个液体冷却流体可具有不同值的电气参数。另外,混合器131与泵130和液体冷却剂储存器132a、132b耦合以便可调整地混合不同的液体冷却剂以调整电气参数。液体冷却剂在一些实施例中可以是可混合的。也就是说,具有不同的介电常数的两种或更多种可混合电介质流体的混合物可被混合以提供与变化的RF天线35阻抗的连续阻抗匹配。
[0119] 在一些实施例中,控制器134可耦合到混合器131(以及泵130),其用于基于传输线38的变化阻抗来控制冷却流体混合。也就是说,控制器134被配置为在传输线38和RF天线的阻抗在加热循环的过程期间变化时测量这些阻抗,并且相应地改变冷却流体混合物以提供适当的电气参数来改变阻抗以获得增强的效率。在一些实施例中,控制器134可以可选地包括通信接口135,通信接口135被配置为提供经由通信网络(例如,蜂窝、因特网,等等)的远程访问。这可有利地允许对冷却流体混合物的远程监视和改变,这对于难以达到的远程安装可能尤其有利。另外,除了RF操作特性以外,这也可允许对井的其他操作参数(包括压力、温度、可用流体水平等等)的远程监视。
[0120] 具体地,可通过改变传输线内部使用的冷却流体的介电常数来改变同轴传输线38的特性阻抗。可利用容易得到的流体按离散的步阶来改变流体的介电常数,或者通过部署具有任意介电常数的定制流体来以连续方式改变流体的介电常数。给定以上所述的典型钻井孔尺寸,介电常数的典型值范围在约Er=2至5,更具体而言为约2.1至4.5,这可导致约15欧姆至30欧姆的特性阻抗。更具体而言,对于具有直径d的内导体和直径D的外导体的同轴传输线,在内导体被填充以给定Er的流体的情况下,同轴传输线的特性阻抗Z0如下:
[0121]
[0122] 因此,上述方法可有利地提供减小的RF信号损耗,因此向整个系统提供更高的效率。此方法还可在RF天线35和同轴传输线38两者内提供相对较高的电压击穿增强。此外,冷却剂混合物还可提供压力平衡,从而允许RF天线35被维持在给定的地下压力。电介质冷却流体混合物还提供冷却路径以冷却传输线38,并且可选地冷却RF天线35和巴伦壳体(如果使用的话)。
[0123] 现在参考图16来描述用于加热其中延伸有钻井孔的地层中的碳氢化合物资源的相关方法。从框121开始,该方法包括将RF传输线耦合到RF天线以及在框122将RF传输线和RF天线定位在钻井孔内,在这里RF传输线限定穿过它的液体冷却剂回路。在框123和124,该方法还包括从RF源向传输线供应RF信号,并且从液体冷却剂源通过液体冷却剂回路循环具有可调整的电气参数的液体冷却剂。由于需要额外的调谐,可以适当地调整液体冷却剂的电气参数(125-126),如上文进一步论述,这结束了图16中所示的方法(框127)。
[0124] 应当注意,可类似地改变或调整上述液体巴伦45或液体调谐段60中使用的电介质流体的电气参数以有利地改变液体巴伦或液体调谐段的操作特性。也就是说,改变流体的电介质属性是调谐液体巴伦45或液体调谐段60的中心频率的另一种方法。另外,在不同组件中可使用具有不同电气参数的电介质流体(例如,冷却回路流体、巴伦流体、或者调谐段流体)。
[0125] 受益于以上描述和相关附图中给出的教导,本领域技术人员将想到本发明的许多修改和其他实施例。因此,要理解,本发明不限于所公开的具体实施例,并且修改和实施例欲被包括在所附权利要求的范围内。
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