Dielectric Properties of Oil Sands at 2.45 GHz Determined with Rectangular Cavity Resonator

Les carburants de fossile relativement faciles à obtenir avec un coût peu élevé d'extraction continuent à être la forme dominante d'énergie dans le monde entier, malgré qu'on ne puisse pas les considérer comme sources d'énergie propre pour l'environnement. Suite aux pressions écologiques croissantes, y compris celles des changements climatiques, différentes techniques de production sont examinées pour réduire l'impact sur l'environnement. L'étude présente vise une première étape d'un projet de recherche ultime pour trouver une façon de faire plus écologique dans l'extraction du pétrole à partir des sables bitumineux en utilisant l'énergie micro-onde. Les sables bitumineux sont un mélange naturel et visqueux de sable (ou d'argile), d'eau et d'une substance extrêmement lourde qu'on appelle « bitumen ». Ils peuvent contenir de grandes quantités de soufre et évidemment de pétrole. L'Alberta contient la plus grande concentration de sables de pétrole dans le monde. Les sables bitumineux de l'Alberta se trouvent principalement en trois régions : Athabasca, Cold Lake, et Peace River. Le secteur entier dispose du plus grand dépôt au monde à lui seul, contenant entre 1,7 et 2,5 trillions de barils. Les sables bitumineux peuvent être traités en surface pour l'extraction du pétrole ou in-situ lorsque la présence du pétrole est trop profonde, ce qui est l'approche typique lorsqu'il s'agit des opérations plus viables économiquement. Dans le procédé d'extraction, le bitume est en premier lieu transformé en produits plus légers qui peuvent être facilement raffinés par la suite. La première et seule étude sur les sables bitumineux utilisant les micro-ondes, qui nous a inspiré pour mener notre projet ultime, a été présentée par Bosisio et al [5]. Dans son étude expérimentale, les échantillons de sable mêlés de goudron ont été chauffés avec des micro-ondes de puissance, à une fréquence de 2450±50 MHz. La recherche présente vise à séparer le pétrole brut des sables bitumineux par un applicateur d'énergie micro-onde à 915 et 2450 MHz avec une puissance pouvant aller jusqu'à 10,000 W, ce qui est beaucoup plus élevé comme puissance que l'étude expérimentale de Bosisio qui a utilisé 100 W. Pour cette étape, nous avons besoin de savoir les caractéristiques électriques du milieu traité, particulièrement la permittivité complexe des sables bitumineux.

Abstract

Relatively easy and inexpensive fossil fuels continue to be the dominant form of energy around the world although they are not considered as environment friendly energy sources. With increasing environmental pressures including climate change, different production techniques are being investigated to reduce our impact on the environment. This study is the first stage of a research project that aims to find a cleaner and greener way to extract oil sands by using microwave energy applicators. Oil sands are naturally viscous mixtures of sand or clay, water and an extremely heavy substance called bitumen. It can contain large amounts of sulfur and is the oil component of oil sands. Alberta contains the largest concentration of oil sands in the world. Alberta's oil sands are contained in three deposits: Athabasca, Cold Lake and Peace River. The entire area composes the largest single deposit of oil in the world, containing between 1.7 and 2.5 trillion barrels. Oil sands can be produced either through surfacing mining or in-situ methods which is the typical approach when the oil sands are too deep to support surface mining operations economically. In the upgrading process, bitumen is chemically and physically changed into lighter products that can be easily refined. The first and only study of oil sands using microwave energy, prior to this project, was carried out by Bosisio et al [5]. In his experimental study, oil sand samples were heated with microwave power at a frequency of 2450±50 MHz. The final goal of our research would be to separate crude oil from oil sands by heating them with microwave energy applicator working at 2450 MHz with a power up to 10,000 W which is much higher than Bosisio's first experimental study done in 1977 using 100 W. At this initial step, we seek to determine the complex permittivity of oil sands because the microwave engineering of oil sands would require precise knowledge of its electromagnetic properties. These properties are defined in terms of dielectric constant (ε') and loss factor (ε"). Permittivity is actually a complex number. Relative complex permittivity is also complex when the permittivity is complex and it is the ratio of epsilon complex to epsilon zero (εr' and εr'').The only study on the complex permittivity measurements of oil sands at 2450 MHz was reported by Erdogan et al [9 – 11].