专利名称：连续偶极天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及射频(“RF”)天线。具体来说，本发明涉及用于利用诸如油井管道的连续导体作为偶极天线来发送用于加热的RF能量的有利装置和方法。
背景技术：
随着世界标准原油储备的枯竭，和针对石油的持续需求导致油价上升，石油生产者尝试从浙青矿、油砂、柏油砂、以及重油沉积物中加工碳氢化合物。这些材料通常在砂或粘土的天然混合物中找得到。因为浙青矿、油砂、油页岩、柏油砂以及重油的极高粘度，所以在提取标准原油中使用的钻探和提炼方法通常不可用。因此，从这些沉积物中回收石油需要加热，以从其它地质材料中分离碳氢化合物并且保持碳氢化合物处于它们将流动的温度。通常使用蒸汽在已知为蒸汽辅助重力泄油系统(或SA⑶系统)中提供这种热。电和RF 加热有时也被采用。加热和加工可以就地发生，或者在露天开采沉积物之后在另一位置发生。
通过现有RF系统来加热地下重油支承地层因匹配电源(发射器)的阻抗与被加热的异质材料的阻抗的传统方法而效率低下，不稳定的加热导致被加热材料中的无法接受的热梯度，电极/天线的低效间距，针对被加热材料的差电气耦合，要通过由现有天线发射的能量和因所使用天线形式和频率而造成的发射频率来加热的材料的有限渗透。用于对地下地层中的重油的现有RF加热的天线通常为偶极天线。美国专利no. 4140179和no. 4508168 公开了定位在地下重油沉积物内以加热那些沉积物的现有偶极天线。
偶极天线阵列已经被用于加热地下地层。美国专利no. 4196329公开了一种被异相驱动来加热地下地层的偶极天线阵列。发明内容
本发明的一方面是一种根据本发明的连续偶极天线的、用于利用连续导体作为偶极天线的方法，该方法可以包括利用第一非导电磁珠包围连续导体的第一部分，接着横跨该非导电磁珠向该连续导体应用电源。该第一非导电磁珠可以由以下一种或多种组成铁氧体、磁性氧化物、磁铁矿、铁粉、铁片、硅钢颗粒或者具有表面绝缘体涂层的五羟基戊铁粉末。有利的是，连续导体可以由油井管道组成。
电源可以利用各种构造来应用。例如，电源可以利用同轴或孪轴(twin-axial)馈电部应用至连续导体，其中每一个都具有插入构造或者偏置构造。其它示例性构造可以包括三轴插入馈电部和双轴偏置馈电部。
该方法还可以包括利用第二非导电磁珠包围连续导体的第二部分，以在第一非导电磁珠的任一侧上有效地创建两个几乎等长的偶极天线部。第二非导电磁珠还可以由以下一种或多种组成铁氧体、磁性氧化物、磁铁矿、铁粉、铁片、硅钢颗粒或者具有表面绝缘体涂层的五羟基戊铁粉末(Fe (CO) 5)。
本发明的另一方面是一种根据本发明的连续偶极天线的、用于利用射频能量来发热的装置，该装置可以包括被定位成包围连续导体的第一部分的第一非导电磁珠，和在第 一非导电磁珠的任一侧上连接至连续导体的电源。第一非导电磁珠可以由以下材料中的一 种或多种组成铁氧体、磁性氧化物、磁铁矿、铁粉、铁片、硅钢颗粒、或者具有表面绝缘体涂 层的五羟基戊铁粉末。有利的是，连续导体可以由油井管道组成。由于装置的电源可以利用各种构造来应用。例如，电源可以利用同轴或孪轴 (twin-axial)馈电部应用至连续导体，其中每一个都具有插入构造或者偏置构造。其它示 例性构造可以包括三轴插入馈电部和双轴偏置馈电部。该装置还可以包括第二非导电磁珠，第二非导电磁珠被定位成包围连续导体的第 二部分，以在第一非导电磁珠的任一侧上有效地创建两个几乎等长的偶极天线部。第二非 导电磁珠还可以由以下一种或多种组成铁氧体、磁性氧化物、磁铁矿、铁粉、铁片、硅钢颗 粒或者具有表面绝缘体涂层的五轻基戍铁粉末。根据本公开，将清楚本发明的其它方面。
图I描绘了典型的现有技术偶极天线。图2描绘了本发明的连续偶极天线的一实施例。图3描绘了通过无屏蔽传输线路造成的加热。图4描绘了利用油井管道和同轴偏置馈电部的本发明的连续偶极天线的实施例。图5描绘了利用油井管道和孪轴偏置馈电部的本发明的连续偶极天线的实施例。图6描绘了利用SAGD井管道和同轴插入馈电部的本发明的连续偶极天线的实施 例。图7描绘了利用SAGD井管道和孪轴插入馈电部的本发明的连续偶极天线的实施 例。图8描绘了利用油井管道和三轴插入馈电部的本发明的连续偶极天线的实施例。图9描绘了利用油井管道和双轴插入馈电部的本发明的连续偶极天线的实施例。图9a描绘了根据图9的双轴馈电部的电流。图9b描绘了利用油井管道和双轴馈电部的本发明的连续偶极天线的另一实施 例。图9c描绘了在表面处具有两个分离AC源的天线阵列。图10描绘了本发明的连续偶极天线的一实施例的电路等效模型。图11描绘了根据本发明的连续偶极天线的示例性磁珠的自阻抗。图12描绘了根据本发明的连续偶极天线的针对连续偶极天线井在时间t=0时的 示例性初始加热速率图案。图13描绘了示例性井的简化温度图。
具体实施例方式下面，对本公开的主题进行更全面描述，并且示出了本发明的一个或多个实施例。 然而，本发明可以按许多不同形式具体实施，并且不应视为对在此阐述的实施方式进行限 制。相反，这些实施例是本发明的示例，其具有通过权利要求书的语言所表明的全部范围。
图I是典型现有技术偶极天线的表示图。现有技术天线10包括同轴馈电部12，其依次包括内导体14和外导体16。这些导体中的每一个在一个端部处经由馈电线22连接至偶极天线部18。导体14和16的另一端部连接至交流电源(未示出)。偶极天线部18之间的无屏蔽间隙或中断20形成导致射频发送的驱动间断部。油井管道通常不适于用作常规偶极天线，因为油井管道中的为形成驱动间断部所需的间隙或中断还将形成管道中的泄露。
下面转至图2，本发明的连续偶极天线50在没有中断或间隙的连续导体64中提供驱动间断部。天线50包括同轴馈电部52，其又包括内导体54和外导体56。这些导体中的每一个在一个端部处经由馈电线62连接至偶极天线部58。导体54和56的另一端部连接至交流电源(未示出)。应注意到，在偶极天线部58之间不存在无屏蔽间隙或中断。相反的是，在馈电线62之间环绕连续导体64定位了非导电磁珠60。非导电磁珠60与随着电流尝试在馈电线62之间流动而产生的磁场相对，并由此形成驱动间断部。
转至图3中的用于石油生产的连续偶极天线的简单描绘，油井管102是用于连续偶极天线100的连续导体。油井管102的更深部分经过生产区110，其可以包括石油、水、 砂砾以及其它成分。无屏蔽馈电线106连接至AC源104，并且下降通过较浅部分108以连接至油井管102。在与馈电线106的连接部之间环绕油井管102定位非导电磁珠(未示出)。 随着生产区110被加热，石油和其它液体将通过油井管102流向连接部112处的表面。然而，生产区110上的较浅区域108典型地由非常损耗的材料组成，并且无屏蔽传输线106在区域114中发热，其表示这种布置中的效率损耗。
图4中的连续偶极天线150通过使用屏蔽的同轴馈电部156来解决这种效率损耗。屏蔽的同轴馈电部156在表面处连接至AC源154，并且下降以经由馈电线158连接至油井管152。在与馈电线158的连接部之间环绕油井管152定位第一非导电磁珠160。第二非导电磁珠162也包围油井管152,并且与第一非导电磁珠160隔开以创建两个几乎等长的偶极天线部164。由此，第一非导电磁珠160形成驱动间断部，而第二非导电磁珠162限制天线部长度。随着连续偶极天线150加热油井区，石油和其它液体通过油井管152流向连接部166处的表面。
非导电磁珠例如可以由以下各项组成铁氧体、磁性氧化物、磁铁矿、铁粉、铁片、 硅钢颗粒或者具有表面绝缘体涂层的五羟基戊铁粉末。非导电磁珠材料可以按基体材料 (诸如波特兰水泥、橡胶、乙烯基等)来执行或放置，并且环绕油井管就地注入。
图5中的连续偶极天线200利用屏蔽的孪轴馈电部206。屏蔽的孪轴馈电部206 在表面处连接至AC源204，并且下降以经由馈电线208连接至油井管202。在与馈电线208 的连接部之间环绕油井管202定位非导电磁珠210。非导电磁珠210形成驱动间断部。与先前实施例类似的是，第二非导电磁珠可以被定位成创建两个几乎等长的偶极天线部214。 随着连续偶极天线200加热油井区，石油和其它液体通过油井管202流向连接部216处的表面。
在图6中看到的连续偶极天线250结合现有蒸汽辅助重力泄油(SAGD)系统使用， 以就地加工碳氢化合物。当与蒸汽热一起使用时，穿孔的油井管252加热环绕生产油井管 258的区域。在利用FR加热的本实施例中，穿孔的油井管252被用于加热。在表面处连接至AC源254的同轴馈电部利用在穿孔的油井管252内路由的内部馈电部255、以及在表面处连接至穿孔的油井管252的外部馈电部257。内部馈电部255经由连接器线路258连接至穿孔的油井管252。在与内部馈电部255和外部馈电部257的连接部之间环绕油井管252 定位第一非导电磁珠260。该非导电磁珠260形成驱动间断部。第二非导电磁珠262被定位成创建两个几乎等长的偶极天线部264。第二非导电磁珠262还用于防止管道部256中的损耗。随着连续偶极天线250加热油井区，石油和其它液体流入生产油井管258并接着流向连接部266处的表面。石油和其它液体接着典型地泵入提取罐，以供存储和/或进一步加工。
图7描绘的连续偶极天线300也结合SAGD系统使用。该天线使用在表面处连接至AC源304的孪轴馈电部303，并且在穿孔的油井管302内路由。孪轴馈电部303经由连接器线路302横跨第一非导电磁珠310连接至穿孔的油井管302。第一非导电磁珠310形成驱动间断部。第二非导电磁珠312被定位成创建两个几乎等长的偶极天线部314。第二非导电磁珠312还用于防止管道部306中的损耗。随着连续偶极天线300加热油井区，石油和其它液体流入生产油井管318并接着流向连接部316处的表面。
下面转至图8，连续偶极天线350利用屏蔽的三轴馈电部356。三轴馈电部356在表面处连接至AC源354，并且在油井管352内路由，并且在连接部359处并经由连接器线路 358横跨第一非导电磁珠360连接。第一非导电磁珠360形成驱动间断部。第二非导电磁珠362被定位成创建两个几乎等长的偶极天线部364。与先前实施例类似的是，第二非导电磁珠362还用于防止管道部368中的能量和热损耗。随着连续偶极天线350加热油井区， 石油和其它液体环绕三轴馈电线356流过油井管352，并且在连接部366处的表面退出。
图9中示出了类似实施例，但使用了双轴插入馈电部布置。双轴馈电部411在表面处连接至AC源404，并且下降至油井管402。AC源404连接至变压器初级侧405。变压器次级侧406提供同轴馈电部409和410。双轴馈电线利用线路407和电容器408来平衡。同轴馈电部409和410经由馈电线412横跨第一非导电磁珠414连接。第一非导电磁珠414 形成驱动间断部。第二非导电磁珠416被定位成创建两个几乎等长的偶极天线部418。第二非导电磁珠416还用于防止管道部403中的能量和热损耗。随着连续偶极天线400加热油井区，石油和其它液体流过油井管402并在连接部420处的表面退出。
图9a总体上描绘了与图9的屏蔽双轴插入馈电部布置相关联的电场和磁场动态。 该实施例致力于提供一种双部件线性天线阵列，其利用地球中的两个平行孔(如水平定向钻进(HDD)井的横向行进)，如可以被用于蒸汽辅助重力泄油提取。图9a中的双轴馈电平行导体天线可以合成定向加热图案，和或集中天线之间的热，其例如有用于发动用于SAGD启动的对流。图9a中的天线布置提供了一种插入电流馈电部，并且箭头指示存在电流的存在及方向。上天线部件712和下天线部件722可以是线性(或直线)电导体，如穿过地下矿的金属管或导线。传输线管道部分714和724可以通过覆盖层到达表面处的发射器，并且它们可以包含弯曲部(未示出)。同轴内部导体716和726可以通过覆盖层运送电力。
磁RF扼流圈732和734放置在传输线管道部分上不希望利用RF电磁场来加热之处。RF扼流圈732和734是由非导电材料(如波特兰水泥中的铁氧体粉末)制成的区域，并且它们提供串联电感，以抑制并停止射频电流在管道外侧上流动。磁RF扼流圈732、734可以远离换位部742和744 —距离定位，以使那些部分中包围管道的矿石被加热。另选的是， RF扼流圈732、734可以靠近换位部742和744定位，以防止沿管道714和724加热。管道部分714和724通过不希望RF电磁加热的覆盖区仅在它们的内表面上运送电流。
管道部分716和726在它们的外部充任加热天线，同时还在它们的内部提供屏蔽的传输线。生成双向电流，并且电流在管道的内部和外部按不同方向流动。这是由于磁致趋肤效应和导体趋肤效应的缘故。可以激发导电覆盖层和底层(underburden)以充任用于夹在其间的矿石的天线，由此提供水平热传播和边界区加热。因此，导体712和714可以靠近水平平坦矿脉的顶部和底部定位。
与图9的单一线性构造形成对比，图9b描绘了在双重线性构造中利用油井管道和双轴馈电部的本发明的连续偶极天线600的另一实施例。这里，馈电线向平行导体601和 602馈电。这些导体可以是管道，例如在利用现有SAGD系统时。双轴馈电部611在表面处连接至AC源604并且下降至油井管601和602。AC源604连接至变压器初级侧605。变压器次级侧606提供同轴馈电部609和610。双轴馈电线利用线路607和电容器608来平衡。 同轴馈电部609和610分别连接至油井管601和602。同轴馈电部609和610本身可以由油井管道组成。随着连续偶极天线600加热油井区，石油和其它液体流过油井管602并在连接部620处的表面退出。
为改变地下加热图案，可以使导体601和602上的电流平行或正交。电流的方向取决于表面连接，即，这些连接是否形成差模或共模天线阵列。这里，导电屏蔽的传输线设置通过覆盖区。这有利地提供了要在地下形成的多部件线性导体天线阵列，而不必在井眼之间进行地下电连接(其可能难以实现)。另外，其提供了通过覆盖层的电流的屏蔽的同轴型传送，以防止在那里的不需要的加热。
作为背景，电流经过电绝缘但无屏蔽的导体上的覆盖层可以导致覆盖层中的不需要的加热，除非使用接近DC的频率。然而，在接近DC的频率下的操作由于许多理由可能是不希望的，包括需要液态水接触、矿石中的不可靠加热、以及过大的电导体规格需求。本实施例可以按任何射频操作，而不存在覆盖层加热问题，并且可以在矿石中可靠地加热，而不需要天线导体与矿石之间的液态水接触。
优先定位在矿石中的导体601和602可以可选地分别覆盖有非导电绝缘部612和 613。非导电绝缘部612和613增加了天线的电负载电阻，并且缩减了导体载流容量需求。 由此，可以使用较小规格的导线，或者至少使用更小的钢管或导线。这种绝缘部同样可以缩减或消除导体的电化腐蚀。
导体601和602利用邻近磁场(H)和邻近电场(E)可靠加热,而不需要与矿石导电接触。非导电磁扼流圈614和615沿着管道的位置确定RF加热在地球中哪里开始。磁扼流圈614和615可以由注入到地球中的铁氧体粉末填充水泥壳组成，或者通过其它方式(如套管)实现。其处于图％描绘的电气网络中，表面向管道天线部件601和602提供O度、 180度相位激励，其可以提供增加的水平热传播。如本领域普通技术人员应当清楚，若希望的话，AC源604可以连接至仅一个井眼的同轴传输线，以仅沿着一个地下管道加热。
图9c示出了在表面处具有两个分离AC源的天线阵列、AC源622和AC源623。这些AC源中的每一个都服务于机械分离的井天线。AC源622和623的幅值和相位可以彼此相对地改变，以使合成地下不同的加热图案，或者单个地控制沿每一个井眼的加热。例如， 由AC源623提供的电流的幅值可以比由源622提供的电流的幅值更大，其可以缩减在生产期间沿着更低生产者管道天线的加热。可使由AC源622提供的电流的幅值高于AC源622在早先启动时间期间的电流的幅值。由此，许多电气激发模式都是可以的，并且井天线管道 601和602可以是单个天线或者作为阵列一起工作的天线。
电流可以按AC源622和633的O度与180度相对定相在管道601与602之间汲取，以在管道之间集中加热。另选的是，AC源622和603可以电气上同相，以缩减管道601 与602之间的加热。作为背景，RF高频发热电极(applicator)天线在均匀介质中的加热模式倾向于简单的三角函数，如cos20。然而，底层重碳氢化合物地层通常各向异性。因此， 形成感应电阻率测井记录(log)应当与数字分析方法一起使用，以预测所实现的RF加热图案。RF加热的所实现的温度轮廓线通常跟随或多或少的传导地球层之间的边界条件。最陡的温度梯度通常正交于地球岩层。由此，图9a、9b和9c例示了天线阵列技术和方法，其可以被用于通过调节向井天线601和602递送的电流的幅值和相位，来调节地下加热的形状。 应当明白，可以将三个或更多个井天线放置在地下。本发明的天线阵列不限于两个天线。
图10示出了本发明的连续偶极天线的示例性电路等效模型。电路等效模型是被绘制成表示用于分析的物理系统的电气特性的电气图。由此，应当明白，图10的图是出于解释目的的策略。电流源(优选为RF发生器)具有电势或电压502 (VgeneratOT)，并且向两个馈电部节点(例如，端子)504和506提供电流508 (Igenerator)0在这个示例中，在磁珠的任一侧上存在一个节点。510和512分别表不电感和电阻。510表不穿过磁珠的管道部分的电感(Lbead),而512表示穿过磁珠的管道部分的电阻((rbead)。电阻器514 (r_)和电容器 561 (Core)分别表示连接至磁珠的任一侧上的管道或横跨其耦接的碳氢化合物矿的电阻和电容。电流518穿过磁珠(Ibead)而电流520穿过矿石(1_)。通过磁珠和通过矿石的两条路径横跨馈电部节点并行。通过该分流器向矿石提供的电流520通过下式给出
I ore [Zore/ (Zore+Zbead) ] !generator
随着电流经过阻抗最小的路径，在Zbead >> Zore时，遭受磁珠向井“天线”提供电驱动。本发明的连续偶极天线的优选操作在磁珠的感抗大于矿石的负载电阻时出现，即， Xlbead >> Γ0Γ6ο接着，磁珠充任横跨井管道中的虚拟间隙插入的串联电感器，其再提供驱动间断部。为清楚起见，在本发明的电路分析中未示出某些特性，如表面引线的导体电阻、井管道电阻、井管道自感、辐射电阻(如有的话)等。一般来说，由穿过磁珠的管道所产生的感抗大约和管道的一圈(如果其环绕磁珠缠绕)的感抗相同。图11示出了根据本发明的连续偶极天线的示例性磁珠的自阻抗(单位为欧姆)。自阻抗是横跨穿过磁珠的小直径导电管道看到的阻抗，并且不包括天线部件。示例性磁珠测量为直径3英寸，长6英寸，并且由混合有硅橡胶的烧结锰锌铁氧体粉末组成。示例性磁珠按重量大约有70%的铁氧体。示例性磁珠的相对磁导率μ r在IOKHz下为950法拉/米。示例性磁珠在IOKhz下产生658微亨的电感。示例性磁珠的感抗足以提供足够的电驱动间断部，以供许多碳氢化合物井的RF加热 /仿真。在最低频率(大约100至1000Hz)下，磁珠的任一侧上的井管道可以充任用于电阻加热并通过接触向地层递送电流的电极。
在大约IKhz至IOOKhz的频率下，经过示例性磁珠的任一侧上的井管道的电流生成形成用于在矿石中的感应加热的涡电流的磁近场。矿石的电负载阻抗通过井天线参照至表面发射器，并且矿石负载阻抗通常随着因感应加热而造成的上升频率而快速上升。下表描述了根据本发明的示例候选井天线
示例性井天线系统数据井类型水平方向钻进(HDD)矿石富阿萨巴斯卡(Athabasca)油砂分析频率I Khz矿石初始相对介电常数ε,.500法拉/米(在I KHz下)矿石初始导电率σ0.005姆欧/米(在I KHz下)矿石初始水百分比，按重量计算1.5 %水平行进长度iI千米管道直径d28厘米管道绝缘外部井管道裸露磁珠位置(馈电点)水平行进的中点磁珠磁性材料烧结粉末状锰铁氧体，^ 950磁珠基体材料硅橡胶(波特兰水泥也适合)磁珠电感>50毫亨主要电加热模式来自天线导体的感应(施加磁近场)矿石的初始电负载电阻T1587欧姆矿石的负载电容3800微微法拉径向热梯度，初始大约1/r7到矿石中的初始径向热渗透，在馈电点附近(针对 50 %能量耗散的深度)大约8米
图12示出了利用根据本发明的连续偶极天线的天线井仿真的矿石地层中的瞬间热施加速率(瓦特/米2)的示例性图案。示出图12中的图案是在RF功率刚刚初始接通之后(时间t=0)，并且针对5兆瓦特的直至矿石的总递送电功率。RF激发是IKHz下的正弦波。 取向是沿水平定向钻进(HDD)井的底部截取的XY平面(水平剖面)的取向。如可以清楚，存在深入到矿石地层中许多米的热量的近瞬时渗透。这可以比传导加热方法更加快。
随后，图12的初始加热图案将纵向生长，以使碳氢化合物矿沿井的整个水平剖面变暖。换句话说，饱和温度区(例如，蒸汽波(未示出))环绕磁珠160形成，并且沿管道天线102生长和行进。最终实现的温度图案(未示出)在形状上可以是近柱状，并且沿井覆盖任何希望的长度。
饱和温度区生长和行进的速率取决于特定热的矿石、矿石的水含量、RF频率、以及经过的时间。随着天线馈电点(未示出，但处于磁珠160的任一侧上)附近的H2O按从液态至气态的相态通过时，提供了热调节，因为矿石温度未上升超过地层中的水沸点温度。水蒸气不是RF承热器，而液态水是RF承热器。所实现的最大温度是在矿石地层中的深度压力下的沸点(H20相变)温度。其例如可以为从100摄氏度至300摄氏度。
诸如阿萨巴斯卡油砂的浙青矿通常在低于海平面处沸水的温度的温度下足够融化以提取。即使井天线因RF加热包括电(E)场和磁(H)场而没有与矿水导电接触，其也将可靠地继续加热矿石。一般来说，与本发明的连续偶极天线相关联的RF加热的机构不必受限于电或磁加热。机构可以包括以下一个或多个通过利用井管道或包括裸电极的其它天线导体向矿石施加电流(I)的电阻性加热；涉及通过从井管道或其它天线导体施加磁近场 H而在矿石中形成涡电流的感应加热；以及由通过施加电近场(E)而传送的位移电流所产生的加热。在后一情况下，井天线可以被认为类似于电容器板。
根据本发明的连续偶极天线，可以希望利用非导电层或足以消除直接电极状传导电流到矿石中的涂层来电绝缘井天线与矿石。其旨在初始地提供更均勻的加热。当然，井天线同样可以不与矿石电绝缘，并且仍可以利用电和磁场加热。
图13示出了根据本发明的连续偶极天线电磁地加热的示例性井的简化温度图。 在图13中，已经允许RF电磁加热进行达一段时间。由此，图12中描绘的初始热施加图案已经扩展，以导致沿井天线102的整个水平长度加热大区域的矿石。采用行波蒸汽前部的形式的饱和温度区168已经从非导电磁珠160向外传播。饱和温度区168可以包括扁圆三维区域，其中，温度已经上升至原位置水的沸点。饱和区168中的温度取决于矿石地层深度处的压力。
饱和温度区168主要可以包含浙青和砂，特别在尚未开始矿石提取的情况下。如果矿石已经被提取以生产，则饱和温度区168可以是蒸汽充满腔。根据加热和生产的范围， 饱和温度区还可以是浙青、砂和/或蒸汽的混合物。
图13还描绘了梯度温度区166。梯度温度区166可以包括融化浙青的壁，其因重力而排放至附近或底层生产井(未示出)。温度梯度可以因RF加热而陡峭，以增强融化。饱和温度区168的直径可以通过改变射频(赫兹)、通过改变所施加的RF功率(瓦特)、和/或 RF加热的持续时间(例如，分钟、小时或天)，而相对于其长度改变。
由于井天线可以在梯度温度区166中持续加热而不管饱和温度区168中的状态， 因而电磁加热持久且可靠。井天线102在天线表面处不需要液态水接触来继续加热，因为电场和磁场向外发展以到达液态水并继续加热。矿石中的原位液态水经历电磁加热，并且矿石因去往原位水的热传导而整体加热。由于蒸汽不是电磁承热器，因而出现热调节的形式，并且温度可以不超出矿石中水的沸点温度。
与其中将蒸汽通过管道推入井中的常规蒸汽提取方法不同，本发明的连续偶极天线的电磁加热可以贯穿不透水岩石发生而不需要对流。电磁加热可以缩减针对碳氢化合物矿上方的冠岩(capiOck)的需要，如利用蒸汽增强石油回收方法所需要的。另外，可以缩减或消除针对用于制成注入蒸汽的表面水资源的需要。
事实上，RF加热可以瞬间停止和开始以调节生产。RF加热可以针对井的寿命仅 RF。然而，RF加热也可以伴随常规蒸汽加热。在该情况下，RF加热可以是有利的，因为其可以开始用于启动常规蒸汽加热的对流。RF加热还可以驱动所注入溶剂或催化剂，以增强石油回收，或者修改所获得产品的特性。由此，可以将RF加热用于启动矿石中的对流流动，以供稍后施加蒸汽加热，或者加热可以为针对井的寿命仅为RF,或两者。
图13所示第二非导电磁珠162被用于防止覆盖层中不需要的加热。第二非导电磁珠162抑制天线中的电流超过磁珠162位置流向表面。这是本发明的连续偶极天线与其中穿过永冻土操作井的蒸汽的优点。与用于增强石油回收的蒸汽注入方法不同，利用本发明的连续偶极天线的油井管道与利用蒸汽注入方法的油井管道相比，可以在表面附近更冷。
当针对磁珠材料陈述词语“非导电”或“不导电”时，应当明白，其意指磁珠整体不导电。强磁性元素(例如，Fe、NI、Co、Gd以及Dy)当然是导电的，并且在RF应用中，这可以导致涡电流并且缩减磁导率。这在本发明的连续偶极天线磁珠中通过在磁珠中形成多个磁性材料区并将它们彼此绝缘来减轻。这种绝缘例如可以包括层压、绞合、线绕芯体、涂敷粉粒或者多晶格掺杂(铁氧体、石榴石、尖晶石)。单个磁性颗粒可以由许多原子组构成，但可以优选但不是所需要的是，颗粒尺寸小于大约一个射频趋肤深度(skin depth)。趋肤深度可以根据下面的公式来预测
Δ δ = (I/ V Ji μ Q) [ V ( P / μ rf)]
其中
δ =趋肤深度(单位为米)；
μ。=自由空间磁导率^ 4 X 10_7亨利/米；
μ r=介质的相对磁导率；
P=介质的电阻率(单位为欧姆/米)；以及
f=波的频率(单位为赫兹)
单个磁性颗粒可以浸入非导电介质(举例来说且不按限制方式，如波特兰水泥、 硅橡胶、或苯酚)中。将颗粒浸入这种介质中用于使颗粒彼此绝缘。每一个磁性颗粒还可以在其表面上具有绝缘涂层，举例来说，如磷酸(H3PO4)铁。这些磁性颗粒还可以混合到被用于密封进入到地球的油井管道的波特兰水泥中。在该情况下，磁珠由此可以被注入到位置，例如，就地模制。一些合适的磁珠材料包括全烧结粉末锰锌铁氧体，如由 National Magnetics Group Inc. of Bethlehem, Pennsylvania 制造的型号 M08 ;Powder Processing Technology LLC ofValparaiso Indiana 的 FP215,以及 Fair-Rite Products of Wallkill, NewYork 的 mix 79。
在本发明的连续偶极天线中，油井管道可以与矿石电绝缘或不电绝缘。换句话说， 这些管道可以具有非导电外层，或者根本没有外层。当这些管道不绝缘时，管道与矿石的导电接触准许经由传导电流从油井管道天线半电池(half element)流入矿石中的焦耳效应 (P=I2R)电阻性加热。由此，油井管道本身变为电极。这种操作方法优选地按从DC至大约 IOOHz的频率进行，尽管本发明的连续偶极天线不限于该频率范围。
当这些管道与矿石绝缘时，RF电流沿着管道的流动转换环绕管道的磁近场，准许矿石的感应加热。这是因为管道天线的环形磁近场经由复合或两步工序在矿石中转换涡电流的缘故。涡电流最终通过焦耳效应((P=I2R)加热。RF加热的感应模式可以优选地例如11从IKHz至20KHz，尽管本发明的连续偶极天线不仅限于该频率范围。
感应加热负载电阻典型地随着频率上升。但可以形成另一加热模式，在该模式中， 位移电流通过电(E )近场从绝缘管道转换到矿石中。本发明的连续偶极天线由此可以利用许多电气模式来向矿石施加热，并且具体来说，不限于任何一种模式。
本发明的油井管道可以可选地包含多个磁珠，以形成沿油井管道的多个电气馈电点(未示出)。多个馈电点可以串联或并联布线。多个磁珠馈电点可以改变沿管道的电流分布(关于位置的电流幅值和相位)。这些电流分布可以合成，例如，统一、正弦、二项式、甚或行波。
根据本发明的连续偶极天线，发射器的频率可以随着时间改变以增加或减小天线到矿石负载的耦合。这又改变加热速率以及向发射器呈现的电气负载。例如，频率可以随着时间上升，或者随着从地层提取资源而上升。
油井磁珠160的形状例如可以是球形或扁圆形，甚或圆柱形或套筒形。对于节约材料需求球形磁珠形状可以是优选的，而对于安装需要细长形状是优选的。磁珠160可以包括具有薄涂层的管道的区域。例如，油井磁珠160可以在纵横上为细长的，并且共形以准许沿管道插入到井眼中。
权利要求
1.一种用于利用连续导体作为偶极天线的方法，该方法包括 利用第一非导电磁珠包围连续导体的第一部分；并且 横跨非导电磁珠向连续导体应用电源。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，第一非导电磁珠包括以下至少一种波特兰水泥和磁粉；铁氧体、磁性氧化物、磁铁矿、铁粉、铁片、硅钢颗粒、或五羟基戊铁粉末。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，连续导体由油井管道组成。
4.根据权利要求I所述的方法，包括利用馈电部向连续导体应用电源，所述馈电部包括同轴偏置馈电部；孪轴偏置馈电部；同轴插入馈电部；孪轴插入馈电部；三轴插入馈电部；或双轴偏置馈电部。
5.
6.根据权利要求5所述的方法，其中，第二非导电磁珠包括以下至少一种波特兰水泥和磁粉；铁氧体、磁性氧化物、磁铁矿、铁粉、铁片、硅钢颗粒、或五羟基戊铁粉末。
7.一种用于利用射频能量来产生热的装置，该装置包括 连续导体； 围绕连续导体的第一部分设置的第一非导电磁珠；以及 在第一非导电磁珠的任一侧连接至连续导体的电源。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，第一非导电磁珠包括以下至少一种波特兰水泥和磁粉；铁氧体、磁性氧化物、磁铁矿、铁粉、铁片、硅钢颗粒、或五羟基戊铁粉末。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，连续导体由油井管道组成。
10.根据权利要求7所述的装置，其中，电源与连续导体之间的连接部包括同轴偏置馈电部；孪轴偏置馈电部；同轴插入馈电部；孪轴插入馈电部；三轴插入馈电部；或双轴偏置馈电部。
11.根据权利要求7所述的装置，还包括第二非导电磁珠，第二非导电磁珠围绕连续导体的第二部分设置，以在第一非导电磁珠的任一侧上创建两个等长的偶极天线部。
全文摘要
一种偶极天线，其可以通过利用非导电磁珠包围连续导体的一部分，并接着横跨非导电磁珠向连续导体应用电源来创建。非导电磁珠在不需要导体中的中断或间隙的情况下创建驱动间断部。电源可以利用多种优选屏蔽构造来连接至或应用至连续导体，这种屏蔽构造包括同轴或孪轴插入或偏置馈电部、三轴插入馈电部、或双轴偏置馈电部。第二非导电磁珠可以定位成包围连续导体的第二部分，以在第一非导电磁珠的任一侧上有效地创建两个几乎等长的偶极天线部。这些非导电磁珠可以由各种非导电磁性材料组成，并且被预先成形以供环绕导体安装，或者在地下应用中环绕导体注入。可以实现碳氢化合物矿的电磁加热。
文档编号H01Q9/16GK102948009SQ201180030577
公开日2013年2月27日 申请日期2011年6月17日 优先权日2010年6月22日
发明者F·E·帕斯切 申请人:哈里公司