專利名稱：降低油的粘度以進(jìn)行從包含碳?xì)浠衔锏牡貙拥纳a(chǎn)的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明總的涉及從各種地下地層諸如碳?xì)浠衔锇貙由a(chǎn)碳?xì)浠衔铩?、?或其它產(chǎn)品的方法與系統(tǒng)。某些實(shí)施例涉及降低地下地層中重碳?xì)浠衔锏恼扯炔⑸a(chǎn)重碳?xì)浠衔锏姆椒ㄅc系統(tǒng)。
相關(guān)技術(shù)的描述在地下地層獲得的碳?xì)浠衔锿ǔＳ米髂茉础⒂米髟?、和用作消費(fèi)產(chǎn)品。關(guān)注可利用碳?xì)浠衔镌吹南囊约瓣P(guān)注生產(chǎn)的碳?xì)浠衔锏南陆档目傮w質(zhì)量已經(jīng)導(dǎo)致工藝的發(fā)展以便更有效回收、處理、和/或可利用碳?xì)浠衔镌吹氖褂谩？梢允褂矛F(xiàn)場(chǎng)的工藝以便從地下地層分離碳?xì)浠衔锊牧?。地下地層中碳?xì)浠衔锊牧系幕瘜W(xué)和/或物理性質(zhì)可能需要改變以允許碳?xì)浠衔锊牧细菀椎貜牡叵碌貙臃蛛x。該化學(xué)和物理變化可以包括產(chǎn)生可分離的流體的現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)、成分變化、可溶解性能變化、密度變化、相變化、和/或碳?xì)浠衔锊牧显诘貙又姓扯鹊淖兓?。流體可以是，但不局限于氣體、液體、乳化液、泥漿、以及/或者具有類似液體流動(dòng)的流動(dòng)特征的固體顆粒流。
在北美、南美、非洲和亞洲發(fā)現(xiàn)包含在相對(duì)可滲透的地層的重碳?xì)浠衔?例如，重油和/或?yàn)r青)的大儲(chǔ)量。瀝青可以被表面開(kāi)采并濃縮成較輕的碳?xì)浠衔镏T如原油、粗汽油、煤油、和/或氣體油。表面碾磨工藝還可以從砂子分離瀝青。分離的瀝青可以使用傳統(tǒng)的精煉方法轉(zhuǎn)變成輕的碳?xì)浠衔?。碾磨和濃縮瀝青砂子通常比從傳統(tǒng)的儲(chǔ)油層生產(chǎn)較輕的碳?xì)浠衔镔F得多。
在現(xiàn)場(chǎng)從瀝青砂子生產(chǎn)碳?xì)浠衔锟梢酝ㄟ^(guò)加熱和/或注射氣體諸如蒸汽到地層中來(lái)實(shí)現(xiàn)。授予Ostapovich等的美國(guó)專利No.5211230和授予Leaute的美國(guó)專利No.5339897描述了位于含油儲(chǔ)層的水平生產(chǎn)井。使用垂直注射井以注射氧化劑到儲(chǔ)油層以在現(xiàn)場(chǎng)燃燒。
授予Ljunstrom的美國(guó)專利No.2780450描述了“在現(xiàn)場(chǎng)”加熱(即，用來(lái)分布在地下的油層)以轉(zhuǎn)變或破碎厚的瀝青狀物質(zhì)成為有價(jià)值的油和氣體。
授予Ware等的美國(guó)專利No.4597441描述了同時(shí)在儲(chǔ)油地層中接觸油、熱、和氫以便有效地進(jìn)行氫化和/或氫分解以增加油的回收。
授予Glandt的美國(guó)專利No.5046559描述了電預(yù)熱噴射器井與生產(chǎn)井之間的瀝青砂地層的一部分。將蒸汽噴射到地層中以生產(chǎn)碳?xì)浠衔铩?br> 授予Glandt等的美國(guó)專利No.5060726描述了一種裝置與方法用以通過(guò)用水平電極和蒸汽激勵(lì)來(lái)預(yù)熱薄的、比較高的導(dǎo)電層而對(duì)粘稠的瀝青砂沉積物進(jìn)行生產(chǎn)。連續(xù)預(yù)熱直到在鄰近高導(dǎo)電層的薄預(yù)熱區(qū)域中瀝青的粘度被降低到足以允許蒸汽噴射到瀝青砂沉積物中。于是整個(gè)沉積物通過(guò)蒸汽驅(qū)油而進(jìn)行生產(chǎn)。
具有重碳?xì)浠衔锏脑S多地下地層目前不可用于生產(chǎn)重碳?xì)浠衔铩＿@可能是由于對(duì)正常生產(chǎn)方法諸如氣體提升來(lái)說(shuō)重碳?xì)浠衔锞哂刑叩恼扯群?或由于加熱重碳?xì)浠衔锏姆椒ㄊ遣豢煽康暮?或不經(jīng)濟(jì)可行的。因此，就需要一種降低重碳?xì)浠衔镎扯鹊目煽亢徒?jīng)濟(jì)可行的系統(tǒng)和方法因而可以從地下地層生產(chǎn)重碳?xì)浠衔?，否則該地下地層不能用于重碳?xì)浠衔锏纳a(chǎn)。
概述本發(fā)明提供一種處理包含碳?xì)浠衔锏牡貙拥姆椒?，它包括?duì)處于包含碳?xì)浠衔锏貙又械目字械囊粋€(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電體施加電流以提供電阻熱輸出；使該熱從導(dǎo)電體傳遞到包含碳?xì)浠衔锏牡貙拥囊徊糠忠虼私档偷貙又械脑诨蚪咏椎牟糠种械牧黧w的粘度；在孔中的一個(gè)或更多個(gè)位置提供氣體以降低流體的密度以便通過(guò)地層壓力將孔中的流體向地層表面提升；并經(jīng)過(guò)地層的孔生產(chǎn)流體。
本發(fā)明還結(jié)合上述發(fā)明提供(a)在孔中放置一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電體；(b)通過(guò)從孔泵送流體而從該孔生產(chǎn)至少一些流體；(c)從孔經(jīng)處于孔中的管道生產(chǎn)流體和/或經(jīng)沿管道放置的一個(gè)或更多個(gè)閥提供氣體；以及(d)將地層中在或接近孔處的溫度限制到最高250℃。
結(jié)合上述發(fā)明中的一個(gè)或更多個(gè)，本發(fā)明還提供(a)降低在或接近孔處的流體的粘度到最高0.05Pa·s；(b)該氣體包括甲烷；以及(c)包含碳?xì)浠衔锏牡貙邮窍鄬?duì)可滲透的包含重碳?xì)浠衔锏牡貙印?br> 結(jié)合上述發(fā)明中的一個(gè)或更多個(gè)發(fā)明，本發(fā)明還提供(a)導(dǎo)電體中的至少一個(gè)包括電阻性的鐵磁材料，導(dǎo)電體中的至少一個(gè)當(dāng)電流流過(guò)一個(gè)或更多個(gè)電導(dǎo)體時(shí)提供熱量，一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電體提供在所選溫度以上或接近此所選溫度的減少量的熱量；以及(b)選擇的溫度近似為鐵磁材料的居里溫度。
結(jié)合以上發(fā)明中的一個(gè)或更多個(gè)，本發(fā)明還提供(a)對(duì)一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電體施加交流電或調(diào)制的直流電；(b)自動(dòng)地提供在所選溫度以上或接近該所述溫度的減少量的熱量；(c)當(dāng)提供熱輸出的導(dǎo)電體低于選擇的溫度至少50℃時(shí)提供初始電阻熱輸出，并自動(dòng)地提供在選擇的溫度以上或接近該選擇的溫度的減少量的熱量；(d)提供每米導(dǎo)電體長(zhǎng)度最多200W的選擇溫度以上或接近該選擇溫度的減少量的熱量和/或提供每米導(dǎo)電體長(zhǎng)度至少300W的選擇溫度以下熱量輸出；以及(e)從導(dǎo)電體中的至少一個(gè)提供熱輸出，其中這些導(dǎo)電體在選擇的溫度以上或接近該選擇時(shí)溫度的電阻是這些導(dǎo)電體在選擇溫度以下50℃時(shí)的電阻的80％或更小。
附圖簡(jiǎn)述對(duì)于技術(shù)人員來(lái)說(shuō)得益于以下詳細(xì)描述并參照附圖本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)，其中

圖1和2表示在生產(chǎn)井孔中用溫度限制加熱器加熱并從地層生產(chǎn)的實(shí)施例。
圖3和4表示可以置于井孔中用于氣體提升的加熱/生產(chǎn)組件的實(shí)施例。
圖5表示生產(chǎn)管道與加熱器的實(shí)施例。
圖6表示加熱地層的實(shí)施例。
圖7表示具有選擇加熱的加熱器井的實(shí)施例。
圖8、9和10表示帶具有鐵磁部分和非鐵磁部分的外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。
圖11、12、13和14表示帶具有放置在外套內(nèi)的鐵磁部分與非鐵磁部分的外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。
圖15、16和17表示具有鐵磁外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。
圖18、19和20表示具有外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。
圖21、22、23和24表示溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。
圖25、26和27表示具有上覆巖層部分和加熱部分的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。
圖28A和28B表示具有鐵磁內(nèi)導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。
圖29A和29B表示具有鐵磁內(nèi)導(dǎo)體和非鐵磁芯子的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。
圖30A和30B表示具有鐵磁外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。
圖31A和31B表示具有是抗腐蝕合金的外套的鐵磁外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。
圖32A和32B表示具有鐵磁外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。
圖33表示具有支撐構(gòu)件的復(fù)合導(dǎo)體的實(shí)施例的剖面圖。
圖34表示在管道中的導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例。
圖35表示具有低溫鐵磁外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例。
圖36表示管道中的導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例。
圖37和38表示管道中的導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。
圖39表示具有絕緣導(dǎo)體的管道中的導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。
盡管本發(fā)明可容許各種修改和變化型式，但在附圖中以舉例方式表示其特定的實(shí)施例并在此可以詳述。該附圖可能不按比例。但應(yīng)該理解，附圖和對(duì)其描述不試圖將本發(fā)明局限于特別公開(kāi)的形式，相反，本發(fā)明包含所有處于由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍以內(nèi)的修改、等效型式和變化。
詳細(xì)描述使用此處描述的系統(tǒng)、方法和加熱器可以解決上述問(wèn)題。例如，處理包含碳?xì)湮锏牡貙拥姆椒ò▽?duì)一個(gè)或更多個(gè)位于地層中的孔中的導(dǎo)電體施加電流以提供電阻熱輸出。該方法還包括允許熱從導(dǎo)電體傳遞到包含碳?xì)浠衔锏牡貙拥囊徊糠忠蚨档土嗽诨蚪咏貙拥目椎牟糠至黧w的粘度。該方法還包括在孔中的一個(gè)或更多個(gè)位置提供氣體以降低流體的密度因而通過(guò)地層的壓力在孔中將流體向地層的表面提升。通過(guò)孔產(chǎn)生流體。
以下描述總的涉及處理地層中碳?xì)浠衔锏南到y(tǒng)和方法?？梢蕴幚磉@種地層以生產(chǎn)碳?xì)浠衔锂a(chǎn)品、氫和其它產(chǎn)品。
“碳?xì)浠衔铩蓖ǔ６x成主要由碳和氫原子構(gòu)成的分子。碳?xì)浠衔镞€可以包括其它元素，諸如但不局限于，鹵族、金屬元素、氮、氧和/或硫。碳?xì)浠衔锟梢允堑痪窒抻?，油母巖、瀝青、焦瀝青、油類，天然礦物臘和瀝青巖。碳?xì)浠衔锟梢蕴幵诘厍蛑械某练e物中或與之鄰近。該沉積物可以包括但不局限于，沉積巖、砂子、硅化物、碳酸鹽、硅藻土和其它多孔介質(zhì)。“碳?xì)浠衔锪黧w”是包括碳?xì)浠衔锏牧黧w。碳?xì)浠衔锪黧w可以包括、產(chǎn)生、或被產(chǎn)生在非碳?xì)浠衔锪黧w中(例如，氫、氮、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水和氨)。
“地層”包括一個(gè)或更多個(gè)碳?xì)浠衔锇瑢?、一個(gè)或更多個(gè)非碳?xì)浠衔飳印⑸细矌r層、和/或下伏巖層。該上覆巖層和/或下伏巖層可以包括巖石、油頁(yè)巖、泥石巖、或濕/密集的碳酸巖。在現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)變工藝的某些實(shí)施例中，上覆巖層和/或下伏巖層可包括碳?xì)浠衔锇瑢踊蛘弑容^不可滲透的和在現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中不經(jīng)受溫度的碳?xì)浠衔锇瑢?，該轉(zhuǎn)變過(guò)程導(dǎo)致上覆巖層和/或下伏巖層的碳?xì)浠衔锇瑢拥拿黠@特性變化。例如，下伏巖層可以包含油頁(yè)巖或泥石巖，但是下伏巖層在現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中不允許加熱到熱解溫度。在某些情況中，上覆巖層和/或下伏巖層可以少許可滲透。
“地層流體”和“生產(chǎn)的流體”指的是從地層分離的流體并可能包括熱解流體、合成氣體、活動(dòng)的碳?xì)浠衔?、和?蒸汽)。地層流體可能包括碳?xì)浠衔锪黧w和非碳?xì)浠衔锪黧w。
“熱源”是基本上通過(guò)傳導(dǎo)和/或輻射熱傳遞對(duì)地層的至少一部分提供熱的任何系統(tǒng)。
“加熱器”是在井中或接近井孔區(qū)域產(chǎn)生熱的任何系統(tǒng)。加熱器可以是但不局限于，電加熱器、循環(huán)的熱傳遞流體或蒸汽、燃燒器、與地層中或從地層生產(chǎn)的材料反應(yīng)的燃燒室、和/或其組合。術(shù)語(yǔ)“井孔”指的是由鉆井或管道插入到地層中制成的地層中的孔。如此處使用的，術(shù)語(yǔ)“井”和“孔”，當(dāng)指地層中的孔時(shí)，可以與術(shù)語(yǔ)“井孔”交替使用。
“絕緣的導(dǎo)體”指的是能傳導(dǎo)電的且整個(gè)或部分被電絕緣材料覆蓋的細(xì)長(zhǎng)材料。術(shù)語(yǔ)“自控制”指的是控制加熱器的輸出而沒(méi)有任何型式的外部控制。
“熱解”是由于應(yīng)用熱使化學(xué)鍵斷裂。熱解包括只通過(guò)熱將一種化合物轉(zhuǎn)變成一種或更多種其它物質(zhì)。熱可以被傳到地層的一部分以導(dǎo)致熱解?！盁峤饬黧w”或“熱解產(chǎn)品”指的是在碳?xì)浠衔锏臒峤膺^(guò)程中產(chǎn)生的流體。由熱解反應(yīng)產(chǎn)生的流體可能和地層中的其它流體混合。該混合物將被看成熱解流體或熱解產(chǎn)物。熱解流體，包括但不局限于，碳?xì)浠衔?、氫、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫、氨、氮、水和其混合物?br> “可凝的碳?xì)浠衔铩笔窃?5℃和101kPa絕對(duì)壓力下凝結(jié)的碳?xì)浠衔??？赡奶細(xì)浠衔锟梢园ň哂刑荚訑?shù)大于4的碳?xì)浠衔锏幕旌衔?。“非可凝碳?xì)浠衔铩笔窃?5℃和101kPa絕對(duì)壓力下不凝結(jié)的碳?xì)浠衔?。非可凝碳?xì)浠衔锟梢园ň哂刑荚訑?shù)小于5的碳?xì)浠衔铩?br> “重碳?xì)浠衔铩笔钦吵硖細(xì)浠衔锪黧w。重碳?xì)浠衔锟梢园ǜ哒吵硖細(xì)浠衔锪黧w諸如重油、瀝青和/或?yàn)r青混合料。重碳?xì)浠衔锟梢园ㄌ己蜌洌约拜^小濃度的硫、氧和氮。在重碳?xì)浠衔镏幸部赡艹霈F(xiàn)少量的附加元素。重碳?xì)浠衔锟梢酝ㄟ^(guò)API(美國(guó)石油學(xué)會(huì))比重來(lái)分類。重碳?xì)浠衔锿ǔ＞哂械陀?0°的API比重。重油，例如通常具有10°-20°的API比重，而瀝青通常具有低于10°的API比重。碳?xì)浠衔锏恼扯韧ǔＴ?5℃時(shí)至少是0.1Pa·s(帕斯卡—秒)。重碳?xì)浠衔镆部梢园ǚ枷阕寤蚱鋸?fù)雜環(huán)的碳?xì)浠衔铩?br> 在相對(duì)可滲透的地層中可以發(fā)現(xiàn)重碳?xì)浠衔?。該相?duì)可滲透的地層可以包括，例如在砂子或碳酸鹽中產(chǎn)生的重碳?xì)浠衔??！跋鄬?duì)可滲透的”，對(duì)于地層或其部分，被定義成10毫達(dá)西(millidarcy)或更多的平均可滲透性(例如，10毫達(dá)西、100毫達(dá)西、或1000毫達(dá)西)?！拜^低的可滲透性”被定義成，對(duì)于地層或其部分，最大10毫達(dá)西的平均滲透性。1達(dá)西等于0.99平方微米。通常不可滲透層具有最大0.1毫達(dá)西的滲透性。
“瀝青”是粘稠的通常具有在15℃時(shí)至少10Pa·s的粘度的碳?xì)浠衔铩r青的特定比重通常至少是1.000。瀝青可能具有最大10°的API比重。
“瀝青砂地層”是一種在其中碳?xì)浠衔镏饕尸F(xiàn)重碳?xì)浠衔锏男问胶?或在礦粒結(jié)構(gòu)或其它基質(zhì)巖性石(例如，砂石或碳酸鹽)中產(chǎn)生的地層。
在某些情況中，相對(duì)可滲透地層的某些或全部碳?xì)浠衔锊糠挚赡苤饕侵靥細(xì)浠衔锖?或無(wú)支撐礦粒結(jié)構(gòu)且僅浮動(dòng)(或無(wú)浮動(dòng))的礦物質(zhì)(例如，瀝青混合料池)的瀝青。
“熱的疊加”指的是從兩個(gè)或多個(gè)熱源向地層的選擇部分提供熱量，以致地層的溫度至少在兩個(gè)熱源之間的一個(gè)位置受到熱源的影響。
“居里溫度”是這樣的溫度，在該溫度以上鐵磁材料失去其所有鐵磁特性的溫度。
“調(diào)制的直流電(DC)”指的是考慮表皮效應(yīng)的任何隨時(shí)間變的電流在鐵磁導(dǎo)體中電的流動(dòng)。
對(duì)溫度限制加熱器的“調(diào)節(jié)比”是居里溫度以下的最高AC(交流電)或調(diào)制DC(直流電)電阻與居里溫度以上的給定電流的最低電阻的比。
在降低的熱輸出加熱系統(tǒng)、裝置和方法的本文中，“自動(dòng)地”意味著這種系統(tǒng)和裝置以某種方式起作用而沒(méi)有使用外部控制(例如，外部控制器諸如具有溫度傳感器和反饋回路的控制器、比例積分微分控制器、或預(yù)測(cè)控制器)。
“溫度限制加熱器”通常指的是在特定溫度以上調(diào)節(jié)熱輸出(例如，降低熱輸出)而不使用外部控制諸如溫度控制器、功率調(diào)節(jié)器、解調(diào)器、或其它裝置。溫度限制加熱器可以是交流的或調(diào)制的(例如，“斷續(xù)”的)直流的功率電阻加熱器。
熱源可以加熱鄰近生產(chǎn)井孔(靠近生產(chǎn)井孔區(qū)域)的地層一定體積因此生產(chǎn)井孔中和鄰近生產(chǎn)井孔的體積中的流體的溫度要比導(dǎo)致流體分解的溫度低。該熱源可以放置在生產(chǎn)井孔中或靠近生產(chǎn)井孔。在某些實(shí)施例中，熱源是一個(gè)溫度限制加熱器。在某些實(shí)施例中，兩個(gè)或多個(gè)熱源可以向容積供熱。來(lái)自熱源的熱可以降低生產(chǎn)井孔中或附近的原油的粘度。在某些實(shí)施例中，來(lái)自熱源的熱使生產(chǎn)井孔中或附近的流體流動(dòng)和/或增大流體向生產(chǎn)井孔的徑向流動(dòng)。在某些實(shí)施例中，降低原油的粘度能使或增加來(lái)自生產(chǎn)井孔的重油或中等比重的油(近似12°至20°的API比重的油)的氣體提升。在某些實(shí)施例中，地層中的油的粘度至少是0.05Pa·s?？赡鼙仨毨么罅康奶烊粴庖蕴峁┚哂?.05Pa·s以上的粘度的油的氣體提升。降低在地層中的生產(chǎn)井孔中或生產(chǎn)井孔附近油的粘度到0.03Pa·s或更小(下降到0.001Pa·s或更低)的粘度可減少提升來(lái)自地層的油所需的天然氣量。在某些實(shí)施例中，由諸如泵的其它方法生產(chǎn)降低粘度的油。
通過(guò)提升在或接近生產(chǎn)井孔的溫度以降低地層中在生產(chǎn)井孔中和接近生產(chǎn)井孔的油的粘度可以增加來(lái)自地層的油的生產(chǎn)率。在某些實(shí)施例中，增加來(lái)自地層的油的生產(chǎn)率超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)冷生產(chǎn)的2倍、3倍、4倍或更大到20倍，該冷生產(chǎn)在生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有地層的外部加熱。使用靠近生產(chǎn)井孔區(qū)域的加熱某些地層為增加油的產(chǎn)量可能是更經(jīng)濟(jì)可行的。具有大約0.05米3(日每米井孔長(zhǎng)度)與0.20米3/(日每米井孔長(zhǎng)度)之間的冷生產(chǎn)率的地層使用加熱以降低生產(chǎn)井孔區(qū)域附近的粘度在生產(chǎn)率上可能具有明顯的改進(jìn)。在某些地層中，使用長(zhǎng)度達(dá)775米、1000米或達(dá)1500米的生產(chǎn)井。例如，使用長(zhǎng)度在450米與775米之間的生產(chǎn)井，使用550米與800米之間的生產(chǎn)井或650米與900米之間的生產(chǎn)井。因此，在某些地層中可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的明顯增加。在冷生產(chǎn)率不在0.05米3/(日每米井孔長(zhǎng)度)與0.20米3/(日每米井孔長(zhǎng)度)之間的地層中可以使用加熱生產(chǎn)井孔區(qū)域附近，但加熱這種地層可能不是經(jīng)濟(jì)合適的。通過(guò)加熱井孔區(qū)域附近可能不顯著地增加較高的冷生產(chǎn)率，同時(shí)較低的生產(chǎn)率不可能增加到經(jīng)濟(jì)的有用值。
使用溫度限制加熱器以降低在或靠近生產(chǎn)井的油粘度可防止與非溫度限制加熱器相關(guān)的問(wèn)題同時(shí)由于熱部位加熱地層中的油。因?yàn)榧訜崞魇翘幵谔叩臏囟人匀绻訜崞鬟^(guò)度加熱油則一個(gè)可能的問(wèn)題是非溫度限制加熱器可能造成在或靠近生產(chǎn)井處的油的焦化部。生產(chǎn)井中的較高溫度還可能造成鹽水在井中沸騰，這可能導(dǎo)致剝落地層。達(dá)到較高溫度的非溫度限制加熱器還可能造成對(duì)其它井孔元件(例如，用于砂石控制的篩子、泵、或閥)損壞。地層的部分可能造成熱部位膨脹靠住加熱器或塌陷。在某些實(shí)施例中，加熱器(溫度限制加熱器或非溫度限制加熱器的另一型式)具有下面的部分因?yàn)橄麓钩^(guò)長(zhǎng)的加熱器距離。這些下面的部分可能處于在井孔下面聚集的重油或?yàn)r青中。在這些下面的部分處，由于重油或?yàn)r青的焦化部該加熱器可能擴(kuò)展熱部位。標(biāo)準(zhǔn)的非溫度限制加熱器可能在這些熱部位過(guò)熱，因此沿加熱器的長(zhǎng)度產(chǎn)生不均勻的熱量。使用溫度限制加熱器可以防止加熱器在熱部位處或下面部分過(guò)熱并提供沿井孔長(zhǎng)度更均勻的加熱。
在某些實(shí)施例中，油或?yàn)r青在多孔襯里或加熱器/生產(chǎn)井孔中的篩中焦化部(例如，焦化部可以在加熱器與襯里之間或襯里與地層之間形成)。油或?yàn)r青也可以在鉆井口的底部分和鉆孔底加熱器/生產(chǎn)井孔中焦化部，如在圖7中所示并如下所描述的。溫度限制加熱器可以限制加熱器/生產(chǎn)井孔的溫度在焦化部溫度以下以防止在井中焦化部因此在井孔中的生產(chǎn)不會(huì)堵塞。
圖1表示在生產(chǎn)井孔中使用溫度限制加熱器加熱并從地層生產(chǎn)的一個(gè)實(shí)施例。生產(chǎn)管道100處在井孔102中。在某些實(shí)施例中，井孔102的一部分基本上水平地位于地層104中。在某些實(shí)施例中，井孔基本上垂直地位于地層中。在一個(gè)實(shí)施例中，井孔102是一個(gè)開(kāi)放的井孔(一個(gè)露出的井孔)。在某些實(shí)施例中，井孔具有套或壁，它們具有許多孔或孔以使流體能流入井孔中。
管道100可以用碳鋼或更抗腐蝕的材料諸如不銹鋼制成。管道100可以包括用以氣體提升或泵生產(chǎn)的油到地表面的裝置和機(jī)構(gòu)。例如，管道100包括用于提升工藝的氣體提升閥。在授予Vinegar等的美國(guó)專利No.6715550和授予Bass等的美國(guó)專利申請(qǐng)出版物No.2002-0036085以及授予Hirsch等的美國(guó)專利申請(qǐng)出版物No.2003-0038734中公開(kāi)了氣體提升的控制系統(tǒng)和閥。管道100可以包括一個(gè)或更多個(gè)孔(孔)以能使流體流到生產(chǎn)管道中。在某些實(shí)施例中，管道100中的孔是管道中的一部分，它保持在井孔102中的液面以下。例如，孔是在管道100的水平部分。
加熱器106位于管道100中，如圖1所示。在某些實(shí)施例中，加熱器106位于管道100外面，如圖2所示。位于生產(chǎn)管道外面的加熱器可以耦合(搭接)到生產(chǎn)管道。在某些實(shí)施例中，多個(gè)加熱器(例如，2、3或4個(gè)加熱器)圍繞管道100放置。多個(gè)加熱器的使用可以減少由僅在生產(chǎn)管道的一側(cè)上加熱造成的生產(chǎn)管道的彎曲或拐折。在一個(gè)實(shí)施例中，加熱器106是溫度限制加熱器。加熱器106提供熱以降低井孔102中或附近的流體(諸如油或碳?xì)浠衔?的粘度。在某些實(shí)施例中，加熱器106提高井孔102中的流體溫度達(dá)250℃的溫度或稍低(例如，225℃、200℃或者150℃)。加熱器106可能處于較高的溫度(例如，275℃、300℃或者325℃)因?yàn)榧訜崞鬏椛錈岬焦艿?00同時(shí)在加熱器和管道之間存在某些溫度損失。因此從加熱器產(chǎn)生的熱不將井孔中流體的溫度提高到250℃以上。
在某些實(shí)施例中，加熱器106包括鐵磁材料諸如Carpenter溫度補(bǔ)償器“32”、合金42-6、合金52、Invar 36、或其它鐵—鎳或鐵—鎳—鉻合金。在某些實(shí)施例中，在加熱器106中使用鎳或鎳鉻合金。在某些實(shí)施例中，加熱器106包括具有更高導(dǎo)熱性材料的復(fù)合導(dǎo)體諸如在加熱器里面的銅以改善加熱器的調(diào)節(jié)比。來(lái)自加熱器106的熱加熱在或靠近井孔中的流體以降低流體的粘度并增加通過(guò)管道100的生產(chǎn)率。
在某些實(shí)施例中，加熱器106在井孔102中液面以上的部分(諸如圖1和2所示井孔的垂直部分)具有比處在液面以下加熱器部分較低的最高溫度。例如，處于井孔中液面以上的加熱器106的部分可能具有100℃的最高溫度而處于液面以下的加熱器的部分具有250℃的最高溫度。在某些實(shí)施例中，這一加熱器包括兩個(gè)或多個(gè)具有不同居里溫度的鐵磁體部分以實(shí)現(xiàn)要求的熱模式。向液面以上并較接近地表面井孔102的部分提供較少的熱可以節(jié)約能量。
在某些實(shí)施例中，加熱器106在其外表面上是電絕緣的并允許在管道100中自由地移動(dòng)。例如，加熱器106可以包括加熱電纜內(nèi)導(dǎo)體(furnace cable inner conductor)。在某些實(shí)施例中，電絕緣定中心裝置被放置在加熱器106的外面以保持管道100與加熱器之間的一個(gè)間隙。定中心裝置由氧化鋁、氣體壓力燒結(jié)反應(yīng)結(jié)合氮化硅或氮化硼、其它電絕緣和熱阻材料和/或其組合制成。在某些實(shí)施例中，加熱器106電耦合到管道100因此與該管道完成電回路。例如，交流電壓可以施加到加熱器106和管道100因此交流電流向下流到加熱器的外表面并返回到在生產(chǎn)管道內(nèi)表面上的井頭。加熱器106和管道100可以包括鐵磁材料所以交流電流基本上限制在到加熱器外面的表皮深度和/或生產(chǎn)管道內(nèi)側(cè)的表皮深度。在管道100的底或附近放置一滑動(dòng)連接器以將生產(chǎn)管道與加熱器106電氣地耦合。
在某些實(shí)施例中，加熱器106是周期循環(huán)的(接通和斷開(kāi))因此通過(guò)管道100生產(chǎn)的流體不會(huì)過(guò)度加熱。在一個(gè)實(shí)施例中，接通加熱器106一個(gè)特定的時(shí)間直到井孔102中或附近流體的溫度達(dá)到要求的溫度(例如，加熱器的最高溫度)。在加熱時(shí)間(例如，10天、20天或30天)的過(guò)程中，通過(guò)管道100的生產(chǎn)可以停止以使地層中的流體能“均熱(soak)”并獲得降低的粘度。在加熱斷開(kāi)或降低之后，通過(guò)管道100的生產(chǎn)開(kāi)始同時(shí)來(lái)自地層的流體被生產(chǎn)而沒(méi)有對(duì)流體提供過(guò)量的熱。在生產(chǎn)當(dāng)中，井孔102中或附近的流體將冷卻，沒(méi)有從加熱器106提供的熱量。當(dāng)流體達(dá)到生產(chǎn)明顯慢下來(lái)的溫度時(shí)，停止生產(chǎn)同時(shí)加熱器106回到接通以再加熱流體?？梢灾貜?fù)這一過(guò)程直到達(dá)到要求的生產(chǎn)量。在某些實(shí)施例中，提供較低溫度的熱量以保持生產(chǎn)的流體的流動(dòng)。例如，在井孔102的上部可以提供低溫?zé)崃?例如，100℃、125℃或150℃)以保持流體從冷卻到低溫。
圖3表示加熱/生產(chǎn)組件的一個(gè)實(shí)施例，它被放置在井孔中用于氣體提升。加熱/生產(chǎn)組件108可以處于地層的井孔中(如圖1或2中表示的井孔102)。管道放置在套110內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，管道100是螺旋管諸如6厘米直徑的螺旋管。套110具有10厘米與25厘米之間的直徑(例如，14厘米、16厘米或18厘米的直徑)。加熱器106被連接到管道100的一端。在某些實(shí)施例中，將加熱器106放置在管道100內(nèi)。在某些實(shí)施例中，加熱器106是管道100的有阻力部分。在某些實(shí)施例中，加熱器106連接到管道100的一個(gè)長(zhǎng)度。
孔112處在加熱器106與管道100的接頭處或附近。在某些實(shí)施例中，孔112是管道100中的窄縫或窄口。在某些實(shí)施例中，孔112包括管道100中的多個(gè)孔?？?12允許生產(chǎn)流體從井孔流入管道100。多孔套管114允許流體流入加熱/生產(chǎn)組件108中。在某些實(shí)施例中，多孔套管114是一個(gè)線繞的篩子。在一個(gè)實(shí)施例中，多孔套管114是一個(gè)9厘米直徑的線繞篩子。
多孔套管114可以用密封材料連接到套管110上。密封材料116防止流體從多孔套管114外面流入套管110中。密封材料116還可以放置在套110內(nèi)以防止流體向上流到套與管道100之間的環(huán)狀空間。密封組件118用于密封管道100到密封材料116。密封組件118可以沿井孔的長(zhǎng)度固定管道100的一個(gè)位置。在某些實(shí)施例，密封組件118考慮管道100的不密封因此可以從井孔拆除生產(chǎn)管道和加熱器106。
使用饋入裝置120以穿過(guò)引入電纜122以供電到加熱器106。引入電纜122可以用卡頭124固定到管道100上。在某些實(shí)施例中，使用分開(kāi)的饋入裝置使引入電纜122穿過(guò)密封材料。
提升氣體(例如，天然氣、甲烷、二氧化碳、丙烷、和/或氮)可以提供到管道100與套管110之間的環(huán)形空間。閥126沿管道100的長(zhǎng)度放置以使氣體能進(jìn)入生產(chǎn)管道并提供生產(chǎn)管道中流體的氣體提升。提升氣體可以與管道100中的流體混合以降低流體的密度并考慮來(lái)自地層的流體的提升。在某些實(shí)施例中，閥126位于地層的上覆巖層部分中因此在上覆巖層部分中提供氣體提升。在某些實(shí)施例中，通過(guò)管道100與套管110之間的環(huán)狀空間產(chǎn)生流體同時(shí)可以通過(guò)閥126提供提升氣體。
在一個(gè)實(shí)施例中，使用連接到管道100的泵生產(chǎn)流體。該泵可以是一臺(tái)可浸入水下的泵(例如，電或氣動(dòng)力可浸入水下的泵)。在某些實(shí)施例中，加熱器連接到管道100以保持管道和/或泵中流體的降低的粘度。
在某些實(shí)施例中，諸如附加的螺旋管管道的附加管道放置在地層中。可以在附加管道中放置傳感器。例如，可以在管道中放置生產(chǎn)測(cè)井工具以識(shí)別生產(chǎn)區(qū)域的位置和/或評(píng)估流量。在某些實(shí)施例中，在附加管道中放置溫度傳感器(例如，分布溫度傳感器、光纖傳感器、和/或一組熱電偶)以確定地下的溫度分布。
在井中使用事先存在的加熱/生產(chǎn)組件的某些實(shí)施例(例如，為事先存在的生產(chǎn)井、加熱器井、或監(jiān)測(cè)井改進(jìn)加熱/生產(chǎn)組件)?？赡茉陬A(yù)先存在的井中使用的加熱/生產(chǎn)組件的一個(gè)例子如圖4所示。某些事先存在的井可能包括泵。在事先存在井中的泵可以留在與加熱/生產(chǎn)組件一起改進(jìn)的加熱/生產(chǎn)井中。
圖4表示可以位于用于氣體提升的井孔中的加熱/生產(chǎn)組件的一個(gè)實(shí)施例。在圖4中，管道100位于生產(chǎn)管道128的外面。在一個(gè)實(shí)施例中生產(chǎn)管道128的外面是11.4厘米直徑的生產(chǎn)管子。套管110具有24.4厘米的直徑。多孔套管114具有11.4厘米的直徑。密封組件118密封生產(chǎn)管道128里面外面的管道100。在一個(gè)實(shí)施例中，泵130是一臺(tái)噴射泵諸如一臺(tái)底井組件噴射泵。
在某些實(shí)施例中，防止熱傳遞到管道100中。圖5表示管道100和防止熱傳遞到管道中加熱器106的一個(gè)實(shí)施例。加熱器106連接到管道100。加熱器106包括鐵磁部分132與非鐵磁部分134。鐵磁部分132在降低井孔中或附近的流體的粘度的溫度處提供熱量。非鐵磁部分提供少量的或不提供熱。在某些實(shí)施例中，鐵磁部分132與非鐵磁部分是6米的長(zhǎng)度。在某些實(shí)施例中，鐵磁部分132和非鐵磁部分是3米與12米之間的長(zhǎng)度、4米與11米之間的長(zhǎng)度或5米與10米之間的長(zhǎng)度。在某些實(shí)施例中，非鐵磁部分134包括許多孔136以使流體能流到管道100。在某些實(shí)施例中，設(shè)置加熱器因此無(wú)需多孔以使流體能流到管道100。
管道100可以具有許多孔136以使流體能進(jìn)入管道。許多孔136與加熱器106的非鐵磁部分134一致。與鐵磁部分132一致的管道100的許多部分包括絕緣管道138。管道138可以是真空絕緣的管道。例如，管道138可以是從石油技術(shù)服務(wù)公司(德克薩斯州的休斯敦)得到的真空絕緣生產(chǎn)管子。管道138防止熱從鐵磁部分132傳遞到管道100中。限制熱傳遞到管道100中降低熱損失和/或防止管道中流體的過(guò)度加熱。在一個(gè)實(shí)施例中，加熱器106沿加熱器的整個(gè)長(zhǎng)度提供熱同時(shí)管道100包括沿生產(chǎn)管道的整個(gè)長(zhǎng)度的管道138。
在某些實(shí)施例中，使用多于一個(gè)的井孔102使用溫度限制加熱器以從地層生產(chǎn)重油。圖6表示具有井孔102位于碳?xì)浠衔飳?40中的一個(gè)實(shí)施例的端視圖。井孔102的部分基本上水平地呈三角形模式放置在碳?xì)浠衔飳?40中。在某些實(shí)施例中，井孔102具有30米到60米、35米到55米、或40米到50米的間隔。井孔102可以包括生產(chǎn)管道和先前描述的加熱器。可以通過(guò)井孔102以在對(duì)地層冷生產(chǎn)率以上的增加的生產(chǎn)率加熱并生產(chǎn)流體。生產(chǎn)可以以一選擇的時(shí)間(例如，5年到10年、6年到9年、或7年到8年)連續(xù)進(jìn)行，直到從每個(gè)井孔產(chǎn)生的熱開(kāi)始重疊(即熱的開(kāi)始重疊)。在此時(shí)間，從下面井孔來(lái)的熱(諸如靠近碳?xì)浠衔飳?40底部的井孔102)在連續(xù)生產(chǎn)的同時(shí)被連續(xù)、減少、或關(guān)閉?？梢酝Ｖ股厦婢字械纳a(chǎn)(諸如靠近碳?xì)浠衔飳?40的頂部的井孔102)因此碳?xì)浠衔飳又械牧黧w向下面的井孔排放。在某些實(shí)施例中功率增加到上井孔而溫度上升到居里溫度以上以增加熱的噴射率。以這一過(guò)程排放地層的流體增加從地層的總的碳?xì)浠衔锏幕厥铡?br> 在一個(gè)實(shí)施例中，在水平加熱器/生產(chǎn)井中使用溫度限制加熱器。該溫度限制加熱器可以提供選擇的熱量到井的水平部分的“鉆孔底”和“鉆井口”。通過(guò)鉆孔底可以比通過(guò)鉆井口向地層提供較多的熱，產(chǎn)生一個(gè)鉆孔底的“熱部分”和在鉆井口的“溫暖部分”。地層的流體可以在熱部分中形成并通過(guò)溫暖部分生產(chǎn)，如圖7所示。
圖7表示用于選擇地加熱地層的加熱器井的一個(gè)實(shí)施例。熱源142放置在碳?xì)浠衔飳?40中的孔144中。在某些實(shí)施例中，孔144基本上是碳?xì)浠衔飳?40中的水平孔。多孔套管114放置在孔144中。多孔套管114提供防止碳?xì)浠衔飳?40中的碳?xì)浠衔锖?或其材料塌陷到孔144中的支撐。多孔套管114中的許多孔考慮流體從碳?xì)浠衔飳?40流動(dòng)到孔144中。熱源142可以包括熱部分146。熱部分146是熱源的在比鄰近熱源部分較高熱輸出處工作的一部分。例如，熱部分146可以在650瓦/米與1650瓦/米、650瓦/米與1500瓦/米、或800瓦/米與1500瓦/米之間輸出。熱部分146可以從熱源的“鉆井口”延伸到“鉆井底”。熱源鉆井口是熱源最靠近在該點(diǎn)熱源進(jìn)入碳?xì)浠衔飳拥囊稽c(diǎn)的部分。熱源的鉆孔底是熱源的末端，它距熱源進(jìn)入碳?xì)浠衔飳幼钸h(yuǎn)。
在一個(gè)實(shí)施例中，熱源142包括溫暖部分148。溫暖部分148是熱源的一部分，它在比熱部分146較低熱輸出處工作。例如，溫暖部分148可以在30瓦/米與1000瓦/米、30瓦/米與750瓦/米、或100瓦/米與750瓦/米之間輸出。溫暖部分148可以處于更靠近熱源142的鉆井口。在某些實(shí)施例中，溫暖部分148是熱部分146與上覆巖層部分150之間的過(guò)渡部分(例如，過(guò)濾導(dǎo)體)。上覆巖層部分150位于上覆巖層152中。上覆巖層部分150提供比溫暖部分148較低的熱輸出。例如，上覆巖層部分150可以在10瓦/米與90瓦/米、15瓦/米與80瓦/米、或25瓦/米與75瓦/米之間輸出。在某些實(shí)施例中，上覆巖層部分150對(duì)上覆巖層152盡可能不提供熱。但是，可以使用某些熱以保持通過(guò)孔144生產(chǎn)的流體處于上覆巖層152中的蒸汽相。
在某些實(shí)施例中，熱源142的熱部分146將碳?xì)浠衔锛訜岬阶銐蚋叩臏囟纫詫?dǎo)致在碳?xì)浠衔飳?40中形成焦化部。焦化部154可能出現(xiàn)在包圍孔144的區(qū)域。溫暖部分148可以在較低熱輸出時(shí)工作因此焦化部不在或靠近熱源142的溫暖部分形成。焦化部154可以從孔144作為從熱源142向外傳遞的熱徑向延伸到孔。但是，在一定的距離處，焦化部154不再形成因?yàn)樘細(xì)浠衔飳?40中的溫度在一定的距離處將達(dá)不到焦化部溫度。不形成焦化部的距離是熱輸出(從熱源142的瓦/米)、結(jié)構(gòu)的型式、地層中的碳?xì)浠衔锖?、以及地層中其它條件的函數(shù)。
焦化部154的地層防止流體通過(guò)焦化部流入孔144中。但是地層中的流體可以通過(guò)熱源142(例如，在熱源的溫暖部分148處)的鉆井口處的孔144生產(chǎn)，在該處有少量或無(wú)焦化部地層。在熱源142的鉆井口處的較低溫度降低通過(guò)鉆井口生產(chǎn)的地層流體的增加的破碎的可能性。流體通過(guò)地層在水平方向比垂直方向可以更容易地流動(dòng)。典型地，在相對(duì)可滲透地層中水平的可滲透性是大約5至10倍地大于垂直可滲透性。因此，流體基本上在水平方向沿?zé)嵩?42的長(zhǎng)度流動(dòng)。在比通過(guò)碳?xì)浠衔飳?40中的生產(chǎn)井生產(chǎn)流體的更早的時(shí)間通過(guò)孔144生產(chǎn)地層流體是可能的。通過(guò)孔144的較早生產(chǎn)時(shí)間是可能的因?yàn)榭赘浇臏囟扔捎趶臒嵩?42通過(guò)碳?xì)浠衔飳?40的熱傳送要比更遠(yuǎn)離孔的溫度增加得更快?？梢允褂玫貙恿黧w早期的生產(chǎn)以便在地層的開(kāi)始加熱過(guò)程中保持碳?xì)浠衔飳?40中的較低壓力。地層的開(kāi)始加熱就是在地層中的生產(chǎn)井中開(kāi)始生產(chǎn)之前加熱的時(shí)間。地層中較低的壓力可以增加從地層的液體的生產(chǎn)。此外，通過(guò)孔144生產(chǎn)地層流體可以減少在地層中需要的生產(chǎn)井的數(shù)量。
加熱器的某些實(shí)施例包括開(kāi)關(guān)(例如熔斷絲和/或恒溫器)，當(dāng)加熱器中達(dá)到一定條件時(shí)，該開(kāi)關(guān)就斷開(kāi)到加熱器或加熱器的部分的動(dòng)力。在某些實(shí)施例中，使用“溫度限制加熱器”以提供到地層的熱。該溫度限制加熱器是在特定溫度以上調(diào)節(jié)熱輸出的一種加熱器(例如降低熱輸出)，而不使用外部控制(諸如溫度控器、功率調(diào)節(jié)器、解調(diào)器或其它裝置。溫度限制加熱器可以是交流的(AC)(交變電流)或調(diào)制(例如，“斷續(xù)的”)直流的(DC)(直流電流)功率電阻加熱器。
溫度限制加熱器可以被構(gòu)造成和/或可以包括在某些溫度為加熱器提供自動(dòng)溫度限制特性的材料。在某些實(shí)施例中，在溫度限制加熱器中使用鐵磁材料。鐵磁材料可以在或接近材料的居里溫度時(shí)自我限制溫度以便當(dāng)施加交流電流到該材料時(shí)提供在或接近居里溫度時(shí)的降低的熱量。在某些實(shí)施例中，鐵磁材料與其它材料耦合(例如，高導(dǎo)電材料、高強(qiáng)度材料、抗腐蝕材料、或其組合)以提供各種電的和/或機(jī)械的特性。溫度限制加熱器的某些零件可以具有比溫度限制加熱器的其它零件較低的電阻(由不同幾何形狀和/或通過(guò)使用不同的鐵磁和/或非鐵磁材料引起的)。具有不同材料和/或尺寸的溫度限制加熱器的零件允許適應(yīng)從加熱器的每一部分的要求的輸出。在溫度限制加熱器中使用鐵磁材料典型地要比在溫度限制加熱器中使用開(kāi)關(guān)或其它控制裝置更便宜和更可靠。
溫度限制加熱器比其它加熱器可能更可靠。溫度限制加熱器可能不易于由于地層中的熱部位而發(fā)生故障或損壞。在某些實(shí)施例中，溫度限制加熱器考慮地層的基本上均勻的加熱。在某些實(shí)施例中，溫度限制加熱器通過(guò)沿加熱器的整個(gè)長(zhǎng)度在較高平均熱輸出下工作能夠更有效地加熱地層。溫度限制加熱器在沿加熱器整個(gè)長(zhǎng)度的更高的平均熱輸出下工作是因?yàn)槿绻丶訜崞魅魏我稽c(diǎn)的溫度超過(guò)、或大致超過(guò)加熱器的最大工作溫度，不必要降低對(duì)整個(gè)加熱器的加熱器功率，如典型的恒定功率加熱器的情況那樣。從接近加熱器居里溫度的溫度限制加熱器的熱輸出自動(dòng)地被降低而無(wú)需對(duì)加到加熱器的交流電流的控制調(diào)節(jié)。由于溫度限制加熱器各部分電特性(例如，電阻)的改變自動(dòng)地降低熱輸出。因此，在加熱過(guò)程的較大部分中由溫度限制加熱器供給較多的熱。
在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)溫度限制加熱器施加交流電流或調(diào)制的直流電流時(shí)，包括溫度限制加熱器的系統(tǒng)初始提供第一熱輸出然后在接近、在加熱器電阻部分的居里溫度或居里溫度以上處提供降低的熱量。溫度限制加熱器可施以在井頭供給的交流電流或調(diào)制的直流電流。該井頭可以包括用于給溫度限制加熱器供給動(dòng)力的動(dòng)力源和其它零件(例如，調(diào)制元件、變壓器、和/或電容器)。溫度限制加熱器可能是用以加熱地層一部分的許多加熱器的一個(gè)。
在某些實(shí)施例中，溫度限制加熱器包括導(dǎo)電體，當(dāng)對(duì)該導(dǎo)電體施加交流電流或調(diào)制的直流電流時(shí)它以表皮效應(yīng)(skin effect)或臨近效應(yīng)(proximity effect)加熱器工作。該表皮效應(yīng)限制電流深入到導(dǎo)體內(nèi)部的深度。對(duì)于鐵磁材料，由導(dǎo)體的磁導(dǎo)率控制表皮效應(yīng)。鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率典型地是在10與1000之間(例如，鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率典型地至少是10同時(shí)可能是至少50、100、500、1000或更大)。當(dāng)鐵磁材料的溫度升到居里溫度以上和/或當(dāng)增加施加的電流時(shí)，鐵磁材料的磁導(dǎo)率明顯降低同時(shí)表層深度徑向地?cái)U(kuò)大(例如，表層深度以磁導(dǎo)率的倒平方根擴(kuò)大)。在接近、在或超過(guò)居里溫度和/或增加施加的電流時(shí)，磁導(dǎo)率的降低會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體的交流或調(diào)制的直流電阻的降低。當(dāng)溫度限制加熱器基本上由恒定電流源供電時(shí)，接近、達(dá)到或超過(guò)居里溫度的加熱器部分可能具有減少的熱擴(kuò)散。不在或不接近居里溫度的溫度限制加熱器的部分可以由表皮效應(yīng)加熱來(lái)控制，由于較高的電阻負(fù)荷該加熱使加熱器能具有高的熱擴(kuò)散。
使用溫度限制加熱器以加熱地層中碳?xì)浠衔锏膬?yōu)點(diǎn)是選擇導(dǎo)體以具有在要求的溫度工作范圍中的居里溫度。在要求的工作溫度范圍內(nèi)工作允許相當(dāng)大的熱噴射進(jìn)入地層同時(shí)保持溫度限制加熱器、以及其它在設(shè)計(jì)限制溫度以下的設(shè)備的溫度。設(shè)計(jì)的限制溫度是這樣的一個(gè)溫度，在該溫度諸如腐蝕、蠕變和/或變形的特性是被負(fù)面影響的。溫度限制加熱器的溫度限制特性防止鄰近地層中低導(dǎo)熱性“熱部位”的加熱器的過(guò)加熱或燒毀。在某些實(shí)施例中，根據(jù)在加熱器中使用的材料，溫度限制加熱器能夠降低或控制熱輸出和/或在25℃、37℃、100℃、250℃、500℃、700℃、800℃、900℃、或更高達(dá)到1131℃以上的溫度耐受熱。
溫度限制加熱器的使用可以使熱有效傳遞到地層。熱的有效傳遞可以減少加熱地層到要求的溫度所需的時(shí)間。例如，當(dāng)使用配置傳統(tǒng)的恒定功率加熱器的12米加熱器間隔時(shí)，在綠河油母頁(yè)巖中，高溫?zé)峤獾湫偷匦枰訜岬?.5年到10年。對(duì)于同樣的加熱器間隔，溫度限制加熱器可以允許較大的平均熱輸出同時(shí)保持加熱器設(shè)備溫度在設(shè)備設(shè)計(jì)的限制溫度以下。以由溫度限制加熱器提供的較大平均熱輸出比由恒定功率加熱提供的較小平均熱輸出的較早時(shí)間可能出現(xiàn)地層中的熱解。例如，在綠河油母頁(yè)巖中，使用具有12米加熱器井間隔的溫度限制加熱器在5年后可能出現(xiàn)高溫?zé)峤狻Ｓ捎诓痪_的井間隔或鉆井，在那里加熱器井過(guò)分靠近在一起，溫度限制加熱器與熱部位相互抵消。在某些實(shí)施例中，溫度限制加熱器考慮對(duì)加熱器井的超時(shí)的增加的功率輸出，該加熱器井已被隔開(kāi)太遠(yuǎn)，或者對(duì)太靠近在一起的加熱器井限制功率輸出。溫度限制加熱器還在鄰近上覆巖層和下伏巖層的區(qū)域提供較大的功率以補(bǔ)償在這個(gè)區(qū)域的熱損失。
在溫度限制加熱器中使用的鐵磁合金或多種鐵磁合金確定該加熱器的居里溫度。對(duì)于各種材料的居里溫度數(shù)據(jù)列在“美國(guó)物理研究院手冊(cè)”、第二版、McGraw-Hill，5-170頁(yè)到5-176頁(yè)。鐵磁導(dǎo)體可以包括一或多種鐵磁元素(鐵、鈷、和鎳)和/或這些元素的合金。在某些實(shí)施例中，鐵磁導(dǎo)體包括鐵—鉻(Fe-Cr)合金，該合金包含鎢(W)(例如，HCM12A和SAVE12(日本的Sumitomo金屬公司)，和/或鐵合金，它包含鉻(例如，F(xiàn)e-Cr合金、Fe-Cr-W合金、Fe-Cr-V(釩)合金、Fe-Cr-Nb(銻)合金)。三個(gè)主要鐵磁元素中，鐵具有大約770℃的居里溫度；鈷具有大約1131℃的居里溫度；而鎳具有大約358℃的居里溫度。鐵—鈷合金具有高于鐵的居里溫度的居里溫度。例如，具有2％重量的鈷的鐵—鈷合金具有大約800℃的居里溫度；具有12％重量的鈷的鐵—鈷合金具有大約900℃的居里溫度；而具有20％重量的鈷的鐵—鈷合金具有大約950℃的居里溫度。鐵—鎳合金具有低于鐵的居里溫度的居里溫度。例如，具有20％重量的鎳的鐵—鎳合金具有大約720℃的居里溫度，而具有60％重量的鎳的鐵—鎳合金具有大約560℃的居里溫度。
作為合金使用的某些非鐵磁元素可提高鐵的居里溫度。例如，具有5.9％重量的釩的鐵—釩合金具有大約815℃的居里溫度。其它非鐵磁元素(例如，碳、鋁、銅、硅、和/或鉻)可以與鐵或其鐵磁材料制成合金以降低居里溫度。提高居里溫度的非鐵磁材料可以與降低居里溫度的非鐵磁材料結(jié)合并與鐵或其它鐵磁材料制成合金以生產(chǎn)一種具有要求的居里溫度及其它要求的物理和/或化學(xué)特性的材料。在某些實(shí)施例中，居里溫度材料是一種諸如NiFe2O4的鐵氧體。在其它實(shí)施例中，居里溫度材料是諸如FeNi3或Fe3Al的雙化合物。
當(dāng)接近居里溫度時(shí)通常磁特性消失。C.James的(IEEE出版社，1955年)“工業(yè)電加熱手冊(cè)”表示一種典型的對(duì)1％碳鋼(具有1％碳的重量的鋼)的曲線。磁導(dǎo)率的消失在650℃以上的溫度開(kāi)始且當(dāng)溫度超過(guò)730℃時(shí)趨于完全消失。因此，自我限制溫度可能略在鐵磁導(dǎo)體的實(shí)際居里溫度以下。在1％碳鋼中電流流動(dòng)的表皮深度在室溫處是0.132厘米而在720℃處增加到0.445厘米。從720℃到730℃，表皮深度陡增到超過(guò)2.5厘米。因此，使用1％碳鋼的溫度限制加熱器實(shí)施例在650℃和730℃之間自我限制。
表皮深度通常定義為交流電流和調(diào)制的直流電流深入到導(dǎo)電材料中的有效深度。通常，電流密度隨沿導(dǎo)體的半徑從外表面到中心的距離指數(shù)地降低。在該深度電流密度是表面電流密度的近似1/e的深度稱之為表皮深度。對(duì)具有直徑遠(yuǎn)大于深入深度的實(shí)心圓柱桿，或者對(duì)具有超過(guò)深入深度的壁厚的空心圓柱體，表皮深度δ是
δ＝1981.5×(ρ/(μ×f))1/2(1)式中δ＝表皮深度(英寸)；ρ＝工作溫度時(shí)的電阻率(歐姆—厘米)；μ＝相對(duì)磁導(dǎo)率；以及f＝頻率(赫茲)。
式(1)是從C.James Erickson的“工業(yè)電加熱手冊(cè)”(IEEE出版，1955)獲得的。對(duì)于大多數(shù)材料，電阻率隨溫度增加。相對(duì)磁導(dǎo)率通常隨溫度和電流變化?？梢杂昧硗獾墓揭栽u(píng)估磁導(dǎo)率和/或表皮深度對(duì)溫度和/或電流二者的變化。μ對(duì)電流的關(guān)系曲線從μ對(duì)磁場(chǎng)的關(guān)系曲線上升。
可以選擇在溫度限制加熱器中使用的材料以提供要求的調(diào)節(jié)比。對(duì)溫度限制加熱器可以選擇至少1.1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、10∶1、30∶1或50∶1的調(diào)節(jié)比。也可以使用較大的調(diào)節(jié)比。選擇的調(diào)節(jié)比取決于許多因素，包括但不限于，溫度限制加熱器處于其中的地層的型式和/或在井孔中使用的材料的溫度極限。在某些實(shí)施例中，通過(guò)將附加的銅或另外的良好導(dǎo)電體連接到鐵磁材料(例如，添加銅以降低居里溫度以上的電阻)增加調(diào)節(jié)比。
溫度限制加熱器可以在加熱器的居里溫度以下提供最小的熱輸出(功率輸出)。在某些實(shí)施例中，最小的熱輸出是至少400瓦/米、600瓦/米、700瓦/米、800瓦/米、或更高達(dá)2000瓦/米。當(dāng)溫度限制加熱器的一部分的溫度接近或在居里溫度以上時(shí)，該溫度限制加熱器降低熱輸出的量到加熱器的該部分。該減少量的熱量可以顯著地小于居里溫度以下的熱輸出。在某些實(shí)施例中，減少量的熱量最多是400瓦/米、200瓦/米、或100瓦/米，或可能接近0瓦/米。
在某些實(shí)施例中，溫度限制加熱器可以基本上獨(dú)立于加熱器上的熱負(fù)荷在一定的工作溫度范圍中工作。“熱負(fù)荷”是熱從加熱系統(tǒng)傳遞到其周圍的速率。應(yīng)該理解熱負(fù)荷可以隨周圍的溫度和/或周圍的熱傳導(dǎo)率變化。在一個(gè)實(shí)施例中，溫度限制加熱器在溫度限制加熱器的居里溫度處或以上工作，這樣對(duì)于減少特別接近加熱器的一部分處1瓦/米的熱負(fù)荷而言，加熱器的工作溫度最多增加1.5℃、1℃或0.5℃。
由于居里效應(yīng)，在居里溫度以上交流或調(diào)制的直流電阻和/或溫度限制加熱器的熱輸出可能銳減。在某些實(shí)施例中，居里溫度以上或接近居里溫度的電阻或熱輸出值最多是在居里溫度以下的某一點(diǎn)處的電阻或熱輸出值的一半。在某些實(shí)施例中，居里溫度以上或接近居里溫度的熱輸出是居里溫度以下(例如，居里溫度以下30℃、居里溫度以下40℃、居里溫度以下50℃、或居里溫度以下100℃)某一點(diǎn)處的熱輸出的最多40％、30％、20％或更少、減到0％。在某些實(shí)施例中，居里溫度以上或接近居里溫度的電阻減少到居里溫度以下(例如，居里溫度以下30℃、居里溫度以下40℃、居里溫度以下50℃、或居里溫度以下100℃)某一點(diǎn)處的電阻的80％、70％、60％、50％或更小到0％。
在某些實(shí)施例中，調(diào)節(jié)交流頻率以改變鐵磁材料的表皮深度。例如，室溫處的1％碳鋼的表皮深度在60赫茲是0.132厘米、在180赫茲是0.0762厘米、以及在440赫芝是0.046厘米。由于加熱器的直徑典型地是比表皮深度二倍要大，使用較高頻率(并因此具有較小直徑的加熱器)降低加熱器成本。對(duì)于固定的幾何形狀，較高的頻率導(dǎo)致較高的調(diào)節(jié)比。在較高頻率的調(diào)節(jié)比通過(guò)較低頻率的調(diào)節(jié)比乘以較高頻率的平方根被較低頻率的平方根除來(lái)計(jì)算。在某些實(shí)施例中，使用100Hz與1000Hz之間的、140Hz與200Hz之間的、或400Hz與600Hz之間的頻率(例如，180Hz、540Hz、或720Hz)。在某些實(shí)施例中可以使用高頻率。例如，高頻率可以是至少1000Hz。
為了保持基本上恒定的表皮深度直到達(dá)到溫度限制加熱器的居里溫度，當(dāng)加熱器是冷的時(shí)該加熱器可以在較低頻率處工作而當(dāng)加熱器是熱的時(shí)則在較高頻率處工作。但是，線路頻率加熱通常是有利的，因?yàn)樗恍璋嘿F的元件諸如動(dòng)力供給、變壓器、或變頻的電流調(diào)制器。線路頻率通常是電流供給頻率。線路頻率通常是60Hz，但根據(jù)電流供給源可以是50Hz或另一個(gè)頻率。使用市售的設(shè)備如固態(tài)可變頻率動(dòng)力源可以產(chǎn)生較高的頻率。將三相電力轉(zhuǎn)變成具有三倍頻率的單相電力的變壓器是市售的。例如，60Hz的高壓三相電力可以變換成在180Hz和在較低電壓的單相電力。這種變壓器不太貴且比固態(tài)可變頻動(dòng)力供應(yīng)的能量效率更高。在某些實(shí)施例中，使用將三相電力轉(zhuǎn)變成單相電力的變壓器以增加供給到溫度限制加熱器的電力的頻率。
在某些實(shí)施例中，調(diào)制的直流(例如，斷續(xù)直流、波形調(diào)制直流、或周期直流)可以用來(lái)向溫度限制加熱器提供電力。直流調(diào)制器或直流斷續(xù)器可以耦合到直流電源以提供調(diào)制的直流輸出。在某些實(shí)施例中，直流電源可以包括用于調(diào)制直流的裝置。直流調(diào)制器的一個(gè)例子是直流到直流的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在行業(yè)中直流到直流的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是周知的。直流典型的是調(diào)制的或斷續(xù)為要求的波形。直流調(diào)制的波形，包括但不局限于，方波、正弦波、變形正弦波、變形方波、三角形的、和其它規(guī)則或不規(guī)則的波形。
調(diào)制直流波形通常限定調(diào)制的直流的頻率。因此，可以選擇調(diào)制的直流波形以提供要求的調(diào)制的直流頻率。調(diào)制的直流波形的調(diào)制率(如斷續(xù)率)可以變化以改變調(diào)制的直流頻率。可以在高于通?？傻玫降慕涣黝l率處調(diào)制直流。例如，可以在至少1000Hz的頻率處提供調(diào)制的直流。增加供給電流的頻率到較高值有利地增加溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比。
在某些實(shí)施例中，調(diào)節(jié)或變化調(diào)制的直流的波形以改變調(diào)制的直流頻率。使用溫度限制加熱器且在高電流或高電壓的過(guò)程中在任何時(shí)間直流調(diào)制器可以能夠調(diào)節(jié)或改變調(diào)制的直流波形。因此提供到溫度限制加熱器的調(diào)制的直流不局限于單一頻率或甚至一小組頻率值。使用直流調(diào)制器的波型選擇典型地考慮調(diào)制直流頻率的一個(gè)寬的范圍并考慮調(diào)制直流頻率的離散控制。因此，較容易地設(shè)定調(diào)制直流頻率在一個(gè)特殊的值而交流頻率通常限制到線路頻率的增加值。調(diào)制直流頻率的離散控制考慮更可選擇的控制溫度限制加熱器的整個(gè)調(diào)節(jié)比。能夠選擇地控制溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比考慮在設(shè)計(jì)與構(gòu)造溫度限制加熱器中要使用的材料的較寬的范圍。
在某些實(shí)施例中，初始使用非調(diào)制的直流或很低頻率的調(diào)制直流供給溫度限制加熱器的電力。在加熱的較早時(shí)間使用非調(diào)制直流或很低頻率的直流降低與較高頻率相關(guān)的損失。在初始加熱時(shí)間中使用非調(diào)制直流和/或很低頻率的調(diào)制直流也是比較便宜的。在溫度限制加熱器中達(dá)到選擇的溫度之后，使用調(diào)制的直流、較高頻率的調(diào)制直流或交流以提供電力到溫度限制加熱器因此在接近、處于或居里溫度以上時(shí)熱輸出將減少。
在某些實(shí)施例中，調(diào)節(jié)調(diào)制直流的頻率或交流的頻率以補(bǔ)償在使用過(guò)程中溫度限制加熱器的特性變化(例如，諸如溫度與壓力的地下條件)。在評(píng)估下井條件的基礎(chǔ)上改變提供到溫度限制加熱器的調(diào)制直流頻率或交流頻率。例如，當(dāng)溫度限制加熱器在深孔中的溫度增加時(shí)，增加供給加熱器的電流的頻率可能是有利的，因此增加了加熱器的調(diào)節(jié)比。在一個(gè)實(shí)施例中，評(píng)估深孔中溫度限制加熱器的下井溫度。
在某些實(shí)施例中，改變調(diào)制直流的頻率、或交流頻率以調(diào)節(jié)溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比(turndown ratio)?？梢哉{(diào)節(jié)該調(diào)節(jié)比以補(bǔ)償沿溫度限制加熱器長(zhǎng)度出現(xiàn)的熱部位。例如，增加調(diào)節(jié)比，因?yàn)闇囟认拗萍訜崞髟谀承┎课徽兊锰珶?。在某些?shí)施例中，變化調(diào)制直流的頻率，或交流的頻率，以調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)比而不評(píng)估地下?tīng)顟B(tài)。
在或接近鐵磁材料的居里溫度時(shí)，電壓的相對(duì)小的變化可能造成電流負(fù)荷的相對(duì)大的改變。電壓的相對(duì)小的變化在供給溫度限制加熱器電力時(shí)可能產(chǎn)生問(wèn)題，特別在或接近居里溫度時(shí)。該問(wèn)題包括但不局限于，斷開(kāi)電路斷路器和/或燒壞保險(xiǎn)絲。在某些實(shí)施例中，電流供應(yīng)(例如，調(diào)制直流或交流的供給)提供比較恒定的電流大小，它基本上不隨溫度限制加熱器的負(fù)荷改變而變化。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)溫度限制加熱器的負(fù)荷變化時(shí)，電流供應(yīng)提供保持在選擇的恒定電流值的15％以內(nèi)、10％以內(nèi)、5％以內(nèi)、或2％以內(nèi)。
溫度限制加熱器可產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)荷。該感應(yīng)負(fù)荷是由于某些被鐵磁材料使用的以產(chǎn)生除去產(chǎn)生電阻熱輸出外的磁場(chǎng)施加的電流。當(dāng)下井溫度在溫度限制加熱器中變化時(shí)，該加熱器的感應(yīng)負(fù)荷由于加熱器中鐵磁材料的磁特性隨溫度變化而改變。溫度限制加熱器的感應(yīng)負(fù)荷可能造成施加到加熱器的電流和電壓之間的相移。
施加到溫度限制加熱器的實(shí)際功率的減少可以由電流波形的時(shí)間滯后而造成(例如，由于感應(yīng)負(fù)荷電流具有相對(duì)于電壓的相移)和/或由電流波形的畸變而造成(例如，通過(guò)引入由于非線性負(fù)荷的諧振而造成的電流波形的畸變)。因此，由于相移或波形畸變施加選擇量的功率可能需要較大電流。如果相同的電流同相位且未畸變，實(shí)際施加的功率與將被傳輸?shù)囊曉诠β实谋仁枪β室驍?shù)。該功率因數(shù)經(jīng)常小于或等于1。當(dāng)無(wú)相移或波形的畸波時(shí)該功率因數(shù)等于1。
由于相移實(shí)際施加到溫度限制加熱器的功率由式(2)來(lái)描述P＝I×V×cos(θ)；(2)式中P是施加到加熱器的實(shí)際功率；I是施加的電流；V是施加的電壓；θ是電壓與電流之間的相位角差。如果波形沒(méi)有畸變，則cos(θ)等于功率因數(shù)。
在較高頻率(例如，至少1000Hz、1500Hz、或2000Hz的調(diào)制直流頻率)，相移和/或畸變的問(wèn)題更顯著。在某些實(shí)施例中，使用一個(gè)電容器以補(bǔ)償由感應(yīng)負(fù)荷造成的相移?？梢允褂秒娙葚?fù)荷以平衡負(fù)荷因?yàn)閷?duì)于電容的電流與對(duì)于電感的電流是180°的相位差。在某些實(shí)施例中，使用可變電容器(例如，固態(tài)開(kāi)關(guān)電容器)以補(bǔ)償由變化的感應(yīng)負(fù)荷造成的相移。在一個(gè)實(shí)施例中，在溫度限制加熱器的井頭處放置可變電容器。在井頭處放置的可變電容器使電容更容易地響應(yīng)溫度限制加熱器的電感負(fù)荷的變化而變化。在某些實(shí)施例中，可變電容器與溫度限制加熱器一起被放置在地下、加熱器內(nèi)的地下、或盡可能靠近加熱導(dǎo)體以便最小化由于電容器造成的線路損耗。在某些實(shí)施例中，可變電容器被放置在加熱器井的范圍的中心位置(在某些實(shí)施例中，對(duì)于幾個(gè)溫度限制加熱器可以使用一個(gè)可變電容器)。在一個(gè)實(shí)施例中，可變電容器被放在加熱器場(chǎng)所與通用供電設(shè)備之間的電氣連接處。
在某些實(shí)施例中，使用可變電容器以維持溫度限制加熱器的功率因數(shù)或者溫度限制加熱器中導(dǎo)電體的功率因數(shù)在一個(gè)選定值以上。在某些實(shí)施例中，使用可變電容器以保持溫度限制加熱器的功率因數(shù)在選定值0.85、0.90、或0.95以上。在某些實(shí)施例中，改變可變電容器中的電容以保持溫度限制加熱器的功率因數(shù)在選定值以上。
在某些實(shí)施例中，預(yù)先確定調(diào)制直流的波形形狀以補(bǔ)償相移和/或諧振畸變。通過(guò)調(diào)制波形將波形預(yù)先確定為一特定的形狀。例如，編程或設(shè)計(jì)直流調(diào)制器以輸出特殊形狀的波形。在某些實(shí)施例中，改變預(yù)先確定形狀的波形以補(bǔ)償由相移和/或諧振畸變中的變化造成的溫度限制加熱器的電感負(fù)荷的變化。在某些實(shí)施例中，評(píng)估加熱器狀態(tài)(例如，下井溫度或壓力)并用以確定預(yù)先確定形狀的波形。在某些實(shí)施例中，通過(guò)使用基于加熱器設(shè)計(jì)的模擬與計(jì)算確定預(yù)先確定形狀的波形。也可以使用模擬和/或加熱器狀態(tài)以確定可變電容器的需要的電容。
在某些實(shí)施例中，調(diào)制的直流波形在100％(完全電流負(fù)荷)與0％(無(wú)電流負(fù)荷)之間調(diào)制直流。例如，方波可以在100％(100安)與0％(0安)(全波調(diào)制)之間、100％(100安)與50％(5安)之間、或75％(75安)與25％(25安)之間調(diào)制100安的直流?？梢源_定較低的電流負(fù)荷作為基礎(chǔ)電流負(fù)荷。
在某些實(shí)施例中，調(diào)節(jié)電壓和/或電流以改變鐵磁材料的表皮深度。增加電壓和/或降低電流可以減少鐵磁材料的表皮深度。較小的表皮深度允許使用較小直徑的溫度限制加熱器，因而降低設(shè)備的成本。在某些實(shí)施例中，施加的電流是至少1安培(A)、10A、70A、100A、200A、500A、或較大達(dá)到2000A。在某些實(shí)施例中，在200伏以上、480伏以上、650V以上、1000伏以上、1500伏以上、或更高達(dá)10000伏施加交流電流。
在一個(gè)實(shí)施例中，溫度限制加熱器包括一個(gè)在外導(dǎo)體里面的內(nèi)導(dǎo)體。該內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體繞中心軸線徑向地布置。該內(nèi)和外導(dǎo)體可以通過(guò)絕緣層隔開(kāi)。在某些實(shí)施例中，該內(nèi)和外導(dǎo)體在溫度限制加熱器的底部耦合。電流可以通過(guò)內(nèi)導(dǎo)體流入溫度限制加熱器并通過(guò)外導(dǎo)體返回。一個(gè)或兩個(gè)導(dǎo)體可以包括鐵磁材料。
絕緣層可以包括具有高導(dǎo)熱性的電絕緣陶瓷，諸如氧化錳、氧化鋁、二氧化硅、氧化鈹、氮化硼、氮化硅，或其組合。該絕緣層可以是壓實(shí)的粉末(例如，壓實(shí)陶瓷粉末)。壓實(shí)可以改善導(dǎo)熱性并提供較高的絕緣電阻。對(duì)于低溫的應(yīng)用，可以使用例如由含氟聚合物、聚酰亞胺、聚酰胺和/或聚乙烯制成的聚合物絕緣層。在某些實(shí)施例中，聚合物絕緣層由全氟烷(PFA)或聚醚迷酮(PEEKTM(英國(guó)Victrex Ltd.))制成。該絕緣層可以選擇為紅外透明的以有助于從內(nèi)導(dǎo)體到外導(dǎo)體的熱傳輸。在一個(gè)實(shí)施例中，該絕緣層是透明的硅砂。絕緣層可以是空氣或無(wú)反應(yīng)的氣體諸如氦、氮、或六氟化硫。如果絕緣層是空氣或一種無(wú)反應(yīng)的氣體，可能有一個(gè)設(shè)計(jì)用以防止內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體之間電接觸的絕緣墊片。該絕緣墊片可以用例如高純度氧化鋁或其它導(dǎo)熱、電絕緣材料諸如氮化硅制成。該絕緣墊可以是纖維陶瓷材料諸如NextelTM312(明尼蘇達(dá)州圣保羅的3M公司)、云母帶、或玻璃纖維。陶瓷材料可以用氧化鋁、氧化鋁—硅酸鹽、氧化鋁—硅酸硼、氮化硅、氮化硼或其它材料制成。
該絕緣層可以是柔性的或基本上允許變形的。例如，如果絕緣層是固態(tài)或壓實(shí)的材料，它們基本上填滿內(nèi)和外導(dǎo)體之間的空間，則溫度限制加熱器是柔性的和/或基本上容許變形的。作用在外導(dǎo)體上的力可以通過(guò)絕緣層傳遞到固態(tài)內(nèi)導(dǎo)體，該內(nèi)導(dǎo)體可以抗破碎。這種溫度限制加熱器可以被彎曲、呈折線形、以及呈螺旋狀而不造成外導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體彼此電短路。如果在地層加熱過(guò)程井孔要承受明顯的變形，則容許變形是重要的。
在某些實(shí)施例中，選擇外導(dǎo)體以抗腐蝕和/或蠕變。在一個(gè)實(shí)施例中，奧氏體(非鐵磁的)不銹鋼諸如304H、347H、347HH、316H、310H、347HP、NF709(日本鋼鐵公司)不銹鋼，或其組合可以用作外導(dǎo)體。該外導(dǎo)體還可以包括殼導(dǎo)體。例如，可以包一層抗腐蝕合金諸如800H或347H不銹鋼的腐蝕保護(hù)層在鐵磁碳鋼管的上面。如果不要求高溫強(qiáng)度，則可以用具有良好抗腐蝕性的鐵磁材料諸如一種鐵素體不銹鋼構(gòu)成該外導(dǎo)體。在一個(gè)實(shí)施例中，82.3％重量的鐵與17.7％重量的鉻(678℃居里溫度)的鐵素體合金提供要求的抗腐蝕性。
“金屬手冊(cè)”8卷291頁(yè)(美國(guó)材料協(xié)會(huì))(ASM)包括鐵—鉻合金的居里溫度與合金中鉻含量的關(guān)系的曲線圖。在某些溫度限制加熱器實(shí)施例中，將分開(kāi)的支撐桿或管(用347H不銹鋼制成)連接到由鐵—鉻合金制成的溫度限制加熱器上以提供強(qiáng)度和/或抗蠕變能力?？梢赃x擇支撐材料和/或鐵磁材料以提供在650℃的至少20.7MPa的100000小時(shí)的蠕變—斷裂強(qiáng)度。在某些實(shí)施例中，100000小時(shí)的蠕變強(qiáng)度是在650℃的至少13.8MPa或在650℃的至少6.9MPa。例如347H鋼具有在或650℃以上的良好的蠕變斷裂強(qiáng)度。在某些實(shí)施例中，對(duì)于較長(zhǎng)的加熱器和/或較高的土壤或流體應(yīng)力，100000小時(shí)蠕變—斷裂強(qiáng)度范圍為6.9MPa到41.3MPa或更高。在具有內(nèi)鐵磁導(dǎo)體和外鐵磁導(dǎo)體的實(shí)施例中，表皮效應(yīng)電流通道出現(xiàn)在內(nèi)導(dǎo)體的外面和外導(dǎo)體的里面。因此外導(dǎo)體的外面可以包一層抗腐蝕合金，諸如不銹鋼，而不影響外導(dǎo)體里面的表皮效應(yīng)電流通道。
在某些具有內(nèi)鐵磁導(dǎo)體和外鐵磁導(dǎo)體的實(shí)施例中，表皮效應(yīng)電流通道出現(xiàn)在內(nèi)導(dǎo)體的外面上和外導(dǎo)體的里面。因此，外導(dǎo)體的外面可以包以抗腐蝕合金，諸如不銹鋼，而不影響外導(dǎo)體的里面的表皮效應(yīng)電流通道。
在居里溫度具有至少為表皮深度的厚度的鐵磁導(dǎo)體中當(dāng)在居里溫度附近表皮深度陡增時(shí)能使鐵磁材料的交流電阻顯著地降低。在某些實(shí)施例中，當(dāng)鐵磁導(dǎo)體沒(méi)有包以高導(dǎo)電材料諸如銅時(shí)，導(dǎo)體的厚度可以是居里溫度附近的表皮深度的1.5倍、居里溫度附近的表皮深度的3倍、或者甚至居里溫附近的表皮深度的10倍或更多。如果鐵磁材料包以銅，鐵磁材料的厚度與居里溫度附近的表皮深度基本上相同。在某些實(shí)施例中，包有銅的鐵磁導(dǎo)體具有居里溫度附近的表皮深度的至少3/4。
在某些實(shí)施例中，溫度限制加熱器包括具有鐵磁管和非鐵磁、高導(dǎo)電芯子的復(fù)合導(dǎo)體。非鐵磁、高導(dǎo)電芯子可減小導(dǎo)體的直徑。例如，該導(dǎo)體可以是1.19厘米直徑的復(fù)合導(dǎo)體，其帶有0.575厘米直徑的銅芯子，該芯子帶有包圍該芯子的0.298厘米厚的鐵素體不銹鋼或碳鋼。復(fù)合的導(dǎo)體能使溫度限制加熱器的電阻在居里溫度附近更陡地減少。隨著表皮深度在居里溫度附近增加到包括銅芯子，電阻很陡地降低。
該復(fù)合的導(dǎo)體可以增加溫度限制加熱器的導(dǎo)電性和/或能使加熱器在低壓處工作。在一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體防止比較平坦的電阻對(duì)溫度的分布。在某些實(shí)施例中，溫度限制加熱器防止在100℃與750℃之間或300℃與600℃之間電阻對(duì)溫度較平坦的分布。該較平坦的電阻對(duì)溫度的分布也可以通過(guò)調(diào)節(jié)，例如，溫度限制加熱器中的材料和/或材料的結(jié)構(gòu)在其它溫度范圍被防止。在某些實(shí)施例中，選擇復(fù)合導(dǎo)體中每種材料的相對(duì)厚度以產(chǎn)生溫度限制加熱器的要求的電阻對(duì)溫度的分布。
圖8-32表示溫度限制加熱器的各種實(shí)施例。這些圖中任一圖所表示的溫度限制加熱器的實(shí)施例的一個(gè)或更多個(gè)特征可以與這些圖中表示的溫度限制加熱器的其它實(shí)施例的特征結(jié)合。在某些描述的實(shí)施例中，溫度限制加熱器的尺寸被選定成在60Hz交流的頻率處工作。應(yīng)該理解，可以從此處描述的那些調(diào)節(jié)溫度限制加熱器的尺寸以便溫度限制加熱器以類似的方式在其它交流頻率或以調(diào)制的直流工作。
圖8表示具有有鐵磁部分與非鐵磁部分的外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。圖9和10表示圖8所示的實(shí)施例的橫剖視圖。在一個(gè)實(shí)施例中，使用鐵磁部分以提供熱到地層中的碳?xì)浠衔飳?。在地層的上覆巖層中使用非鐵磁部分134。非鐵磁部分134對(duì)上覆巖層提供134極少量的熱或不提供熱，因此防止在上覆巖層中熱損失并改善加熱器的效率。鐵磁部分132包括鐵磁材料諸如409不銹鋼或410不銹鋼。409不銹鋼作為帶材是容易得到的。鐵磁部分132具有0.3厘米的厚度。非鐵磁材料部分是具有0.3厘米厚度的銅。內(nèi)導(dǎo)體156是銅。內(nèi)導(dǎo)體156具有0.9厘米的直徑。電絕緣體158是氮化硅、氮化硼、氧化錳粉末，或者另一種合適的絕緣體材料。
圖11表示具有放置在殼內(nèi)的鐵磁部分和非鐵磁部分的外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的一個(gè)實(shí)施例的剖面圖。圖12、13和14表示圖11所示實(shí)施例的橫剖面圖。鐵磁部分132是具有0.6厘米厚度的410不銹鋼。非鐵磁部分134是具有0.6厘米厚度的銅。內(nèi)導(dǎo)體156是具有0.9厘米直徑的銅。外導(dǎo)體160包括鐵磁材料。外導(dǎo)體160在加熱器的上覆巖層部分中提供一些熱。在上覆巖層中提供的一些熱防止在上覆巖層中流體的冷凝或回流。外導(dǎo)體是具有3.0厘米外徑和0.6厘米厚度的409、410、或446不銹鋼。電絕緣體158是具有0.3厘米厚度的氧化錳粉末。在某些實(shí)施例中，電絕緣體158是氮化硅、氮化硼、或六方晶系氮化硼。導(dǎo)體部分162可以與具有鐵磁部分132和/或外導(dǎo)體160的內(nèi)導(dǎo)體156耦合。
圖15表示具有鐵磁外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。該加熱器被放置在抗腐蝕的外殼中。在外導(dǎo)體與外套之間放置導(dǎo)電層。圖16與17表示圖15所示的實(shí)施例的橫剖視圖。外導(dǎo)體160是3/4英寸Schedule 80 446不銹鋼管。在一個(gè)實(shí)施例中，在外導(dǎo)體160與外套166之間放置導(dǎo)電層。導(dǎo)電層164是一銅層。外導(dǎo)體160包以導(dǎo)電層164。在某些實(shí)施例中，導(dǎo)電層164包括一個(gè)或更多個(gè)分段(例如，導(dǎo)電層164包括一個(gè)或更多個(gè)銅管分段)。外套166是11/4英寸Schedule80 347H不銹鋼管或11/2英寸Schedule 160 347H不銹鋼管。在一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)導(dǎo)體156是有云母帶和玻璃纖維絕緣層的絞合鍍鎳銅錢的4/0MGT-1000加熱(furnace)電纜。4/0MGT-1000加熱電纜是UL型5107(可從賓夕法尼亞州的Phoenixvill的Allied電線與電纜公司得到)。導(dǎo)電部分162耦合內(nèi)導(dǎo)體156與外套166。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電部分是銅。
圖18表示具有外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。該外導(dǎo)體包括鐵磁部分與非鐵磁部分。該加熱器置于抗腐蝕外套中。在外導(dǎo)體與外套之間放置一導(dǎo)電層。圖19和20表示圖18所示實(shí)施例的橫剖視圖。鐵磁部分132是409、410、或446不銹鋼具有0.9厘米的厚度。非鐵磁部分134是具有0.9厘米厚度的銅。鐵磁部分132與非鐵磁部分134放置在外套166中。外套166是具有0.1厘米厚度的304不銹鋼。導(dǎo)電層164是銅層。電絕緣體158是氮化硅、氮化硼、或氧化錳具有0.1至0.3厘米的厚度。內(nèi)導(dǎo)體156是具有1.0厘米直徑的銅。
在一個(gè)實(shí)施例中，鐵磁部分132是具有0.9厘米厚度的446不銹鋼。外套166是具有0.6厘米厚度的410不銹鋼。410不銹鋼具有比446不銹鋼更高的居里溫度。這種溫度限制加熱器可以“包含”電流，這樣該電流不易從該加熱器流到周圍的地層和/或任何周圍的水(例如，鹽水、地下水或地層水)。在此實(shí)施例中，電流經(jīng)鐵磁部分132流動(dòng)直到達(dá)到鐵磁部分的居里溫度。在達(dá)到鐵磁部分的居里溫度以后，電流經(jīng)導(dǎo)電層164流動(dòng)。外套166的鐵磁特性(410不銹鋼)防止電流在外套的外面流動(dòng)及“包含”該電流。外套166也可以具有對(duì)溫度限制加熱器提供強(qiáng)度的一定厚度。
圖21表示溫度限制加熱器的一個(gè)實(shí)施例的剖面圖。溫度限制加熱器的加熱部分包括非鐵磁內(nèi)導(dǎo)體和一個(gè)鐵磁外導(dǎo)體。溫度限制加熱器的上覆巖層部分包括一個(gè)非鐵磁外導(dǎo)體。圖22、23和24表示圖21所示實(shí)施例的橫剖視圖。內(nèi)導(dǎo)體156是具有1.0厘米的銅。電絕緣體158放置在內(nèi)導(dǎo)體156與導(dǎo)電層164之間。電絕緣體158是具有0.1厘米至0.3厘米的厚度的氮化硅、氮化硼或氧化錳。導(dǎo)電層164具有0.1厘米厚度的銅。絕緣層168是在導(dǎo)電層164外面的環(huán)狀空間中。該環(huán)狀空間的厚度可以是0.3厘米。絕緣層168是硅砂。
加熱部分170可以提供熱到地層中的一個(gè)或更多個(gè)碳?xì)浠衔飳印＜訜岵糠?70包括鐵磁材料諸如409不銹鋼或410不銹鋼。加熱部分170具有0.9厘米的厚度。端帽172連接到加熱部分170的端部。端帽172將加熱部分170連接到內(nèi)導(dǎo)體156和/或?qū)щ妼?64。端帽172是304不銹鋼的。加熱部分170連接到上覆巖層部分174。上覆巖層部分174包括碳鋼和/或其它合適的支撐材料。上覆巖層部分174具有0.6厘米的厚度。上覆巖層部分174排有導(dǎo)電層176。導(dǎo)電層176是具有0.3厘米厚度的銅。
圖25表示具有上覆巖層部分和加熱部分的溫度限制加熱器一個(gè)實(shí)施例的剖面圖。圖26和27表示圖25所示的實(shí)施例的橫剖視圖。該上覆巖層部分包括內(nèi)導(dǎo)體156的部分156A。部分156A是1.3厘米直徑的銅。加熱部分包括內(nèi)導(dǎo)體156的部分156B。部分156B是具有直徑0.5厘米的銅。部分156B放置在鐵磁導(dǎo)體178中。鐵磁導(dǎo)體178是具有0.4厘米厚度的446不銹鋼。電絕緣體158是具有0.2厘米的厚度的氮化硅、氮化硼或氧化錳。外導(dǎo)體160是具有0.1厘米厚度的銅。外導(dǎo)體160放置在外套166中。外套166是具有0.2厘米厚度的316H或347H不銹鋼。
圖28A和28B表示具有鐵磁內(nèi)導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。內(nèi)導(dǎo)體156是1英寸Schedule XXS 446不銹鋼管。在某些實(shí)施中，內(nèi)導(dǎo)體156包括409不銹鋼、410不銹鋼、殷鋼36、合金42-6、合金52、或其它鐵磁合金。合金42-6是42.5％重量的鎳、5.75％重量的鉻、及剩余部分的鐵。合金42-6具有295℃的居里溫度。合金52是50.5％重量的鎳、0.10％重量的硅、0.30％重量的錳、和剩余部分的鐵。合金52具有482℃的居里溫度。內(nèi)導(dǎo)體156具有2.5厘米的直徑。電絕緣體158是氮化硅、氮化硼、氧化錳、聚合物、Nextel陶瓷纖維、云母或玻璃纖維。外導(dǎo)體160是銅或任何其它非鐵磁材料諸如鋁。外導(dǎo)體160連接到外套166。外套166是304H、316H、或347H不銹鋼。在此實(shí)施例中，在內(nèi)導(dǎo)體156中產(chǎn)生熱的大部分。
圖29A和29B表示具有鐵磁內(nèi)導(dǎo)體和非鐵磁芯子的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。內(nèi)導(dǎo)體156包括446不銹鋼、409不銹鋼、410不銹鋼、殷鋼36、合金42-6、合金52、或其它鐵磁材料。芯子180緊密地結(jié)合在內(nèi)導(dǎo)體156的里面。芯子180是銅或其它非鐵磁材料的桿。芯子180在拉伸操作之前以緊密配合插入內(nèi)導(dǎo)體156里面。在某些實(shí)施例中，芯子180和內(nèi)導(dǎo)體156被共擠壓結(jié)合。外導(dǎo)體160是347H不銹鋼。拉伸或滾壓操作以壓實(shí)電絕緣體158可以確保內(nèi)導(dǎo)體156和芯子180之間的良好電接觸。在此實(shí)施例中，起初在內(nèi)導(dǎo)體156中產(chǎn)生熱直到接近居里溫度。隨著交流電流深入芯子180然后電阻銳降。
圖30A和30B表示具有鐵磁外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例的剖面圖。內(nèi)導(dǎo)體156是鎳包銅。電絕緣體158是氮化硅、氮化硼、或氧化錳。外導(dǎo)體160是1英寸Schedule碳鋼管子。在此實(shí)施例中，起初在外導(dǎo)體160中產(chǎn)生熱，導(dǎo)致跨越電絕緣體158的小的溫度差。
圖31A與圖31B表示具有用抗腐蝕合金包覆的鐵磁外導(dǎo)體的溫度限制加熱器一實(shí)施例的剖面圖。內(nèi)導(dǎo)體156是銅。外導(dǎo)體160是1英寸的Schedule XXS不銹鋼管子。外導(dǎo)體160被連接到外套166。外套166由抗腐蝕材料(例如，347H不銹鋼)制成。外套166提供深孔中對(duì)腐蝕流體的保護(hù)。最初在外導(dǎo)體160中產(chǎn)生熱，導(dǎo)致跨越電絕緣體158的小的溫度差。
圖32A和32B表示具有鐵磁外導(dǎo)體的溫度限制加熱器一實(shí)施例的剖面圖。該外導(dǎo)體包覆一導(dǎo)電層和一抗腐蝕合金。內(nèi)導(dǎo)體156是銅。電絕緣體158是氮化硅、氮化硼、或氧化錳。外導(dǎo)體160是1英寸Schedule 80 446不銹鋼管子。外導(dǎo)體160被連接到外套166。外套166由抗腐蝕材料制成。在一個(gè)實(shí)施例中，在外導(dǎo)體160與外套166之間放置導(dǎo)電層164。初始在外導(dǎo)體160中產(chǎn)生熱，導(dǎo)致跨越電絕緣體158的小的溫度差。當(dāng)外導(dǎo)體接近居里溫度時(shí)導(dǎo)電層164能使外導(dǎo)體160的電阻銳減。外套166提供對(duì)井孔中的腐蝕流體的保護(hù)。
在某些實(shí)施例中，導(dǎo)體(例如，內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體、或鐵磁導(dǎo)體)是包括二種或多種不同材料的復(fù)合導(dǎo)體。在某些實(shí)施例中，該復(fù)合導(dǎo)體包括二種或多種徑向放置的材料。在某些實(shí)施例中，該復(fù)合導(dǎo)體包括鐵磁導(dǎo)體和非鐵磁導(dǎo)體。在某些實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體包括放置在非鐵磁芯子上的鐵磁導(dǎo)體?？梢允褂枚N或多種材料以得到居里溫度以下的溫度區(qū)域中的比較平坦的電阻對(duì)溫度的分布和/或在或接近居里溫度處的電阻的銳減(高的調(diào)節(jié)比)。在某些情況中，使用二種或多種材料以提供對(duì)溫度限制加熱器的多于一個(gè)的居里溫度。
在此處描述的任何電加熱器實(shí)施例中可以使用復(fù)合電導(dǎo)體作為導(dǎo)體。例如，可以使用復(fù)合導(dǎo)體作為導(dǎo)體在管道中的加熱器或絕緣的導(dǎo)體加熱器中的導(dǎo)體。在某些實(shí)施例中，該復(fù)合導(dǎo)體可以連接到支撐構(gòu)件諸如支撐導(dǎo)體。該支撐構(gòu)件可以用于對(duì)復(fù)合導(dǎo)體提供支撐因此該復(fù)合導(dǎo)體不依賴在或接近居里溫度處的強(qiáng)度。該支撐構(gòu)件對(duì)于至少100米長(zhǎng)度的加熱器是有用的。該支撐構(gòu)件可以是具有良好高溫蠕變強(qiáng)度和良好抗腐蝕性的非鐵磁構(gòu)件。用于支撐構(gòu)件的材料的例子包括但不局限于，Haynes625合金和HaynesHR120合金(HaynesInternational，Kokomo，IN)、NF 709，Incoloy800H合金和347HP合金(Allegheny Ludlum Corp.，Pittsburgh，PA)。在某些實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體中的幾種材料彼此直接耦合(例如，銅焊、冶金地結(jié)合、或擠壓)和/或與支撐構(gòu)件耦合。使用支撐構(gòu)件可以將鐵磁構(gòu)件與必須對(duì)溫度控制加熱器提供支撐分開(kāi)，特別在或接近居里溫度處。因此，設(shè)計(jì)溫度限制加熱器在鐵磁材料的選擇中可以更靈活。
圖33表示具有支撐構(gòu)件的復(fù)合導(dǎo)體實(shí)施例的剖面圖。芯子180被鐵磁導(dǎo)體178和支撐構(gòu)件182包圍。在某些實(shí)施例中，芯子180、鐵磁導(dǎo)體178和支撐構(gòu)件182被直接耦合(例如，銅焊在一起、冶金地結(jié)合在一起、或擠壓在一起)。在一個(gè)實(shí)施例中，芯子180是銅，鐵磁導(dǎo)體178是446不銹鋼，同時(shí)支撐構(gòu)件182是347H合金。在某些實(shí)施例中，支撐構(gòu)件是Schedule 80管子。支撐構(gòu)件180包圍具有鐵磁導(dǎo)體178和芯子180的復(fù)合導(dǎo)體。將鐵磁導(dǎo)體178與芯子180，例如，通過(guò)共擠壓工藝結(jié)合以形成復(fù)合導(dǎo)體。例如，復(fù)合導(dǎo)體是1.9厘米外徑446不銹鋼鐵磁導(dǎo)體包圍0.95厘米直徑的芯子。此復(fù)合導(dǎo)體在1.9厘米Schedule 80支撐構(gòu)件里面產(chǎn)生1.7的調(diào)節(jié)比。
在某些實(shí)施例中，相對(duì)于鐵磁導(dǎo)體178的恒定外直徑調(diào)節(jié)芯子180的直徑以調(diào)節(jié)溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比。例如，芯子180的直徑可以增加到1.14厘米同時(shí)保持鐵磁導(dǎo)體178的外徑在1.9厘米以增加加熱器的調(diào)節(jié)比到2.2。在某些實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體中的導(dǎo)體(例如，芯子180和鐵磁導(dǎo)體178)由支撐構(gòu)件182分開(kāi)。
在某些實(shí)施例中，使用溫度限制加熱器以實(shí)現(xiàn)較低溫度的加熱(例如，為加熱生產(chǎn)井中的流體、加熱地表面管線、或者降低井孔中或井孔區(qū)域附近的流體的粘度)。變化溫度限制加熱器的鐵磁材料允許較低溫度的加熱。在某些實(shí)施例中，鐵磁導(dǎo)體用具有比446不銹鋼較低居里溫度的材料制造。例如，鐵磁導(dǎo)體可以是鐵和鎳的合金。該合金可以具有30％重量和42％重量之間的鎳以及其余是鐵。在一個(gè)實(shí)施例中，該合金是Invar(殷鋼)36。Invar 36是在鐵中有36％的鎳并具有277℃的居里溫度。在某些實(shí)施例中，合金是三成份合金，例如，鐵、鉻和鎳。例如，一種合金可具有6％重量的鉻、42％重量的鎳、和52％重量的鐵。一個(gè)殷鋼36的2.5厘米直徑的桿具有居里溫度處的大約2到1的調(diào)節(jié)比。在銅芯子上放置殷鋼36合金可以允許較小的桿直徑。銅芯子可以導(dǎo)致高的調(diào)節(jié)比。
對(duì)于包括銅芯子或銅外殼的溫度限制加熱器，可以用相對(duì)的擴(kuò)散電阻層如鎳保護(hù)銅。在某些實(shí)施例中，復(fù)合內(nèi)導(dǎo)體包括包覆在鎳上的鐵，該鎳包覆在銅芯子上。相對(duì)擴(kuò)散電阻層防止銅遷移到加熱器的例如包括絕緣層的其它層中。在某些實(shí)施例中，在加熱器安裝到井孔中的過(guò)程中相對(duì)不可滲透層防止銅在井孔中沉積。
對(duì)于低溫應(yīng)用，圖34中的鐵磁導(dǎo)體178是連接到導(dǎo)體184的合金42-6。導(dǎo)體184可以是銅的。在一個(gè)實(shí)施例中，鐵磁導(dǎo)體178是在銅導(dǎo)體184上的1.9厘米外徑的合金42-6，具有外直徑對(duì)銅直徑的為2∶1的比。在某些實(shí)施例中，鐵磁導(dǎo)體178包括其它低溫鐵磁材料，諸如合金32、合金52、殷鋼36、鐵—鎳—鉻合金、鐵—鎳合金、鎳—鉻合金、或其它鎳合金。管道186可以是由碳鋼制造的空心的吸引器桿。在管道186中使用的碳鋼或其它材料限制交流電流或調(diào)制的直流到管道里面以防止在地層表面處的偏離電壓。定中心裝置188可以由氣體壓力燒結(jié)反應(yīng)結(jié)合的氮化硅制成。在某些實(shí)施例中，定中心裝置188由聚合物制成，諸如PFA或PEEKTM。在某些實(shí)施例中，聚合物絕緣體是沿加熱器的整個(gè)長(zhǎng)度的包層。導(dǎo)體184和鐵磁導(dǎo)體178用滑動(dòng)連接器190被電耦合到管道186。
圖35表示具有低溫鐵磁外導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實(shí)施例。外導(dǎo)體160是玻璃密封合金42-6。合金42-6可以從Carpenter Metals(Reading，Pennsylvania)或Anomet Products，Inc(Shrewsbury，Massachusetts)得到。在某些實(shí)施例中，外導(dǎo)體160包括其它成份和/或材料以得到不同的居里溫度(例如，Carpenter TemperatureCompensator“32”(199℃的居里溫度；從Carpenter Metals得到)或殷鋼36)。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電層164連接(例如，包覆、焊接、或銅焊)到外導(dǎo)體160。導(dǎo)電層164是銅層。導(dǎo)電層164改善外導(dǎo)體160的調(diào)節(jié)比。外套166是諸如碳鋼的鐵磁材料。外套166保護(hù)外導(dǎo)體160不受腐蝕環(huán)境的影響。內(nèi)導(dǎo)體156可以具有電絕緣體158。電絕緣體158可以是用重疊的玻璃纖維編織物卷繞的云母帶。在一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)導(dǎo)體156和電絕緣體158是4/0MGT-1000加熱電纜或3/0MGT-1000加熱電纜。4/0MGT-1000或3/0MGT-1000加熱電纜可從Allied Wire and Cable公司(Phoenixville，Pennsyvania)得到。在某些實(shí)施例中，保護(hù)編織物如不銹鋼編織物可放置在電絕緣體158的上面。
導(dǎo)電部分162將內(nèi)導(dǎo)體156電耦合到外導(dǎo)體160和/或外套166。在某些實(shí)施例中，外套166接觸或電接觸導(dǎo)電層164(例如，如果加熱器以水平的構(gòu)形放置)。如果外套166是諸如碳鋼的鐵磁材料(具有外導(dǎo)體160的居里溫度以上的居里溫度)，電流只在外套的里面?zhèn)鞑?。因此，在工作過(guò)程中外套的外面保持電安全。在某些實(shí)施例中，外套166向下壓延(例如，在一模具中向下擠壓)到導(dǎo)電層164上所以在外套與導(dǎo)電層之間形成緊密的配合。加熱器可以卷盤成螺旋管以插入井孔中。在其它實(shí)施例中，在導(dǎo)電層164與外套166之間有一環(huán)狀空間，如圖35所示。
圖36表示溫度限制的導(dǎo)體在管道中的加熱器實(shí)施例。管道186是一空心吸引器桿，它由諸如合金42-6、合金32、合金52、殷鋼36、鐵—鎳—鉻合金、鐵—鎳合金、鎳合金、或鎳—鉻合金的鐵磁合金制成。內(nèi)導(dǎo)體156具有電絕緣體158。電絕緣體158是用重疊的玻璃纖維編織物卷繞的云母帶。在一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)導(dǎo)體156和電絕緣體158是4/0MGT-1000加熱電纜或3/0MGT-1000加熱電纜。在某些實(shí)施例中，使用聚合物絕緣體以降低加熱器的居里溫度。在某些實(shí)施例中，保護(hù)性編織物放置在電絕緣體158上。管道186具有大于居里溫度處表皮深度的壁厚(例如，居里溫度處表皮深度的2至3倍)。在某些實(shí)施例中，更導(dǎo)電的導(dǎo)體耦合到管道186以增加加熱器的調(diào)節(jié)比。
圖37表示導(dǎo)體在管道中的溫度限制加熱器實(shí)施例的剖面圖。導(dǎo)體184耦合(例如，包覆、共擠壓、壓配合、內(nèi)部壓延)到鐵磁導(dǎo)體178。導(dǎo)體184與鐵磁導(dǎo)體178之間的冶金結(jié)合是合適的。鐵磁導(dǎo)體178耦合到導(dǎo)體184的外面因此交流電流通過(guò)室溫下鐵磁導(dǎo)體的表皮深度傳播。導(dǎo)體184提供在升高的溫度下對(duì)鐵磁導(dǎo)體178的機(jī)械支撐。鐵磁導(dǎo)體178是鐵、鐵合金(例如，鐵與10％至27％重量的鉻以抗腐蝕)、或任何其它鐵磁材料。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)體184是304不銹鋼以及導(dǎo)體178是446不銹鋼。導(dǎo)體184和鐵磁導(dǎo)體178用滑動(dòng)連接器190電耦合到管道186。管道186可以是非鐵磁材料諸如奧氏體不銹鋼。
圖38表示導(dǎo)體在管道中的溫度限制加熱器實(shí)施例的剖面圖。管道186耦合到鐵磁導(dǎo)體178(例如，包覆、壓配合、或壓延到鐵磁導(dǎo)體里面)。鐵磁導(dǎo)體178耦合到管道186里面以能使交流電流通過(guò)室溫下鐵磁導(dǎo)體的表皮傳播。管道186提供在升高的溫度下對(duì)鐵磁導(dǎo)體178的機(jī)械支撐。管道186與鐵磁導(dǎo)體178使用滑動(dòng)連接器190電耦合到導(dǎo)體184。
圖39表示導(dǎo)體在管道中的溫度限制加熱器具有絕緣的導(dǎo)體的實(shí)施例的剖面圖。絕緣的導(dǎo)體192包括芯子180、電絕緣體158、和外套166。外套166由高導(dǎo)電材料諸如銅制成。芯子180由諸如合金42-6、合金32、殷鋼36、鐵—鎳—鉻合金、鐵—鎳合金、鎳合金或鎳—鉻合金等低溫鐵磁材料制成。在某些實(shí)施例中，外套166與芯子180的材料可以交換因此外套是鐵磁導(dǎo)體而芯子是加熱器的高導(dǎo)電部分。在外套166或芯子180中使用的鐵磁材料可以具有大于居里溫度處表皮深度的厚度(例如，是居里溫度處表皮深度的2至3倍)。端帽172放置在絕緣的導(dǎo)體192的一端處以便將芯子180耦合到滑動(dòng)連接器190。端帽172由不腐蝕的、導(dǎo)電材料諸如鎳或不銹鋼制成。在某些實(shí)施例中，管道186是由例如碳鋼制造的空心吸引器桿。
溫度限制加熱器可以是單相加熱器或三相加熱器。在三相加熱器實(shí)施例中，該溫度限制加熱器具有三角形或Y形構(gòu)形。在三相加熱器中三個(gè)鐵磁導(dǎo)體的每一個(gè)可以在一個(gè)分開(kāi)的套內(nèi)。三個(gè)導(dǎo)體之間的連接可以在加熱器拼接部分里的底部處進(jìn)行。該三個(gè)導(dǎo)體對(duì)拼接部分里的套保持絕緣。
在某些三相加熱器實(shí)施例中，三個(gè)鐵磁導(dǎo)體被公共外金屬套里的絕緣層分開(kāi)。該三個(gè)導(dǎo)體可以與套絕緣或者三個(gè)導(dǎo)體在加熱器組件的底部處連接到套。在另一實(shí)施例中，單個(gè)外套或三個(gè)外套是鐵磁導(dǎo)體而內(nèi)導(dǎo)體可以是非鐵磁的(例如，鋁、銅、或高導(dǎo)電合金)。另一選擇，三個(gè)非鐵磁導(dǎo)體的每一個(gè)是在一個(gè)分開(kāi)的鐵磁套里面，同時(shí)三個(gè)導(dǎo)體之間的連接是在加熱器拼接部分里面的底部處進(jìn)行。該三個(gè)導(dǎo)體可與拼接部分里的套絕緣。
在某些實(shí)施例中，三相加熱器包括三個(gè)位于分開(kāi)的井孔中的分支。該三個(gè)分支可以在公共接觸部分中的底部處被耦合(例如，中央井孔、連接井孔或充填接觸部分的溶液)。
在某些實(shí)施例中，溫度限制加熱器包括單一的具有經(jīng)地層返回電流的鐵磁導(dǎo)體。該加熱元件可以是鐵磁的管(在一個(gè)實(shí)施例中，是446不銹鋼(具有25％重量的鉻和620℃以上的居里溫度)包覆在304H、316H或347H不銹鋼的上面)，該加熱元件經(jīng)加熱的目標(biāo)部分延伸并與在電接觸部分中的地層進(jìn)行電接觸。該電接觸部分可以位于加熱的目標(biāo)部分以下。例如，該電接觸部分是在地層的下伏巖層中。在一個(gè)實(shí)施例中，電接觸部分是60米深的具有比加熱器井孔較大直徑的部分。在電接觸部分中的管子是高導(dǎo)電性金屬。電接觸部分中的環(huán)狀空間可以用接觸材料/溶液來(lái)充填諸如鹽水或其它可以增大與地層的電接觸的材料(例如金屬珠或赤鐵礦)。該電接觸部分可以位于飽和區(qū)域的低電阻鹽水中以保持通過(guò)該鹽水的電接觸。在該電接觸區(qū)域中，管子的直徑可以增加到允許最大電流流進(jìn)具有在流體中低的熱擴(kuò)散的地層中。電流可以經(jīng)過(guò)鐵磁管子流入加熱的部分并加熱管子。
在一個(gè)實(shí)施例中，三相溫度限制加熱器經(jīng)過(guò)地層被制成具有電流連接。每個(gè)加熱器包括單一居里溫度加熱元件，該元件具有在加熱的目標(biāo)部分以下飽和區(qū)域的鹽水中的電接觸部分。在一個(gè)實(shí)施例中，三個(gè)這種加熱器在三相Y構(gòu)形中的表面處被電連接。該三個(gè)加熱器可以以來(lái)自表面的三角形型式而使用。在某些實(shí)施例中，電流經(jīng)地返回到三個(gè)加熱器之間的中點(diǎn)。該三相居里加熱器可以以覆蓋整個(gè)地層的型式被復(fù)制。
經(jīng)過(guò)高導(dǎo)熱性區(qū)域的加熱器的一部分可以設(shè)計(jì)成以傳遞更多的熱擴(kuò)散到高導(dǎo)熱性區(qū)域中?？梢酝ㄟ^(guò)改變加熱元件的橫截面面積和在加熱元件中使用不同的材料完成加熱器的設(shè)計(jì)。在某些部分也可以修改絕緣層的導(dǎo)熱性以控制熱輸出以提高或降低現(xiàn)在的居里溫度區(qū)域。
在一個(gè)實(shí)施例中，溫度限制加熱器包括一個(gè)空心的芯子或空心的內(nèi)導(dǎo)體。形成加熱器的各層可以是多孔的以使來(lái)自井孔的流體(例如，地層流體或水)能進(jìn)入空心的芯子。可以將空心的芯子中的流體經(jīng)空心的芯子傳送(例如，泵送或氣體提升)到表面。在某些實(shí)施例中，具有空心芯子或空心內(nèi)導(dǎo)體的溫度限制加熱器可以用作一個(gè)加熱器/生產(chǎn)井或一個(gè)生產(chǎn)井。經(jīng)過(guò)空心內(nèi)導(dǎo)體可以將流體諸如蒸汽噴射到地層中。
例子溫度限制加熱器的非限制性例子及溫度限制加熱器特性陳述如下。
圖40表示在不同施加電流處0.75英寸直徑、6英寸長(zhǎng)的42-6合金與0.375英寸直徑的銅芯子復(fù)合體的電阻(毫歐)時(shí)溫度(℃)的數(shù)據(jù)。曲線194、196、198、200、202、204、206和208表示電阻分布作為銅芯子的合金42-6桿在300安交流(曲線194)、350安交流(曲線196)、400安交流(曲線198)、450安交流(曲線200)、500安交流(曲線202)、550安交流(曲線204)、600安交流(曲線206)以及10安直流(曲線208)的溫度的函數(shù)。對(duì)于施加的交流電流，隨著增加溫度電阻逐漸降低直到達(dá)到居里溫度。當(dāng)溫度接近居里溫度時(shí)，電阻更陡地降低。相反，對(duì)于施加的直流電流，電阻隨溫度逐漸增加。
圖41表示在不同的施加電流處，10.75英寸直徑、6英尺長(zhǎng)合金42-6的桿與0.375英寸直徑銅芯子復(fù)合體的功率輸出(瓦/英尺)對(duì)溫度的數(shù)據(jù)。曲線210、212、214、216、218、220、222和224表示功率作為銅芯子合金42-6的桿在300安交流(曲線210)、350安交流(曲線212)、400安交流(曲線214)、450安交流(曲線216)、500安交流(曲線218)、550安交流(曲線220)、600安交流(曲線222)和10安直流(曲線224)的溫度的函數(shù)。對(duì)于施加的交流電流，隨增加的溫度功率輸出逐漸減少直到達(dá)到居里溫度。當(dāng)溫度接近居里溫度時(shí)，功率輸出更陡地減小。相反，對(duì)施加的直流電流功率輸出顯示對(duì)溫度的較平坦的分布。
圖42表示在不同的施加電流處，對(duì)0.75英寸直徑、6英尺長(zhǎng)合金52的桿與0.375英寸直徑銅芯子復(fù)合體的電阻(毫歐姆)對(duì)溫度(℃)的數(shù)據(jù)。曲線226、228、230、232和234表示電阻分布作為銅芯子的合金52桿在300安交流(曲線226)、400安交流(曲線228)、500安交流(曲線230)、600安交流(曲線232)、以及10安直流(曲線234)的溫度的函數(shù)。對(duì)于施加的交流電流，電阻隨增加的溫度逐漸增加直到320℃附近。在320℃之后，電阻開(kāi)始逐漸下降，當(dāng)溫度接近居里溫度時(shí)更陡地下降。在居里溫度處，交流電阻很陡地下降。相反，對(duì)施加的直流電阻顯示隨溫度的逐漸增加。對(duì)于400安的施加的交流電流(曲線GL102)調(diào)節(jié)比是2.8。
圖43表示在不同的施加電流處對(duì)10.75英寸直徑、6英尺長(zhǎng)合金52的桿與0.375英寸直徑的銅芯子的復(fù)合體的功率輸出(瓦/英尺)對(duì)溫度(℃)的數(shù)據(jù)。曲線236、238、240和242表示功率作為對(duì)銅芯子的合金52的桿在300安交流(曲線236)、400安交流(曲線238)、500安交流(曲線240)和600安交流(曲線242)的溫度的函數(shù)。對(duì)于施加的交流電流，隨著增加的溫度功率輸出逐漸增加直到320℃附近。在320℃之后，功率輸出開(kāi)始逐漸降低，當(dāng)溫度接近居里溫度時(shí)，較陡地降低。在居里溫度處，功率輸出非常陡地降低。
本發(fā)明的各個(gè)方面的進(jìn)一步修改與另外的實(shí)施例對(duì)于技術(shù)人員由于這些描述可能是明顯的。因而，此描述僅作為說(shuō)明而構(gòu)成的同時(shí)是為了指導(dǎo)技術(shù)人員執(zhí)行本發(fā)明的總的方法。應(yīng)該理解，此處表示和描述的本發(fā)明的形式是作為當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例而取的。對(duì)于此處說(shuō)明和描述的那些可以置換的元件與材料，零件和過(guò)程可以改變，同時(shí)可以獨(dú)立地利用本發(fā)明的某些特征，在具有本發(fā)明的這一描述的益處之后對(duì)于技術(shù)人員所有的將顯而易見(jiàn)。不偏離如以下權(quán)利要求所描述的本發(fā)明的精神和范圍在此處描述的元件中可以進(jìn)行改變。此外，應(yīng)該理解，在某些實(shí)施例中，可以獨(dú)立地結(jié)合此處描述的特征。
權(quán)利要求
1.一種處理包含碳?xì)浠衔锏牡貙拥姆椒?，包括施加電流到位于地層中的孔中的一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電體以提供電阻熱輸出；使熱從導(dǎo)電體傳輸?shù)桨細(xì)浠衔锏牡貙拥囊徊糠种幸员憬档驮谠摬糠种泻驮诨蚪咏貙又械目滋幍牧黧w的粘度；在孔中的一個(gè)或更多個(gè)位置提供氣體以降低流體的密度以便通過(guò)地層的壓力在孔中將流體向地層的表面提升；以及通過(guò)孔生產(chǎn)流體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該方法還包括在孔中放置一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中將在或接近孔處的流體的粘度降低到最多0.05Pa·s。
4.如權(quán)利要求1-3的任意一項(xiàng)所述的方法，其中該方法還包括通過(guò)從孔泵送流體以從孔生產(chǎn)至少一些流體。
5.如權(quán)利要求1-4的任意一項(xiàng)所述的方法，其中氣體包括甲烷。
6.如權(quán)利要求1-5的任意一項(xiàng)所述的方法，其中該方法還包括經(jīng)過(guò)位于孔中的管道從孔生產(chǎn)流體和/或通過(guò)沿管道設(shè)置的一個(gè)或更多個(gè)閥提供氣體。
7.如權(quán)利要求1-6的任意一項(xiàng)所述的方法，其中該方法還包括限制在或接近孔處的地層的溫度最高到250℃。
8.如權(quán)利要求1-7的任意一項(xiàng)所述的方法，其中該方法還包括施加交流或調(diào)制的直流到一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電體。
9.如權(quán)利要求1-8的任意一項(xiàng)所述的方法，其中導(dǎo)電體的至少一個(gè)包括電阻鐵磁材料，導(dǎo)電體中的至少一個(gè)在電流通過(guò)一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電體流動(dòng)時(shí)提供熱，一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電體提供在選擇的溫度以上或接近該選擇的溫度的減少量的熱量。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該方法還包括自動(dòng)地提供在選擇的溫度以上或接近選擇的溫度的減少量的熱量。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其中該方法還包括當(dāng)提供熱輸出的導(dǎo)電體在選擇的溫度以下至少50℃時(shí)提供初始的電阻熱輸出，并自動(dòng)地提供在選擇的溫度以上或接近選擇的溫度的減少量的熱量。
12.如權(quán)利要求9-11任意一項(xiàng)所述的方法，其中選擇的溫度接近鐵磁材料的居里溫度。
13.如權(quán)利要求9-12任意一項(xiàng)所述的方法，其中該方法還包括提供每米導(dǎo)電體長(zhǎng)度最多200瓦的選擇溫度以上或附近的減少量的熱量和/或提供每米導(dǎo)電體長(zhǎng)度至少300瓦的選擇溫度以下的熱輸出。
14.如權(quán)利要求1-13任意一項(xiàng)所述的方法，其中該方法還包括從導(dǎo)電體的至少一個(gè)提供熱輸出，其中這些導(dǎo)電體在選擇溫度以上或附近的電阻是這些導(dǎo)電體在選擇溫度以下50℃時(shí)的電阻的80％或更小。
15.如權(quán)利要求1-14任意一項(xiàng)所述的方法，其中包含碳?xì)浠衔锏牡貙邮前靥細(xì)浠衔锏南鄬?duì)可滲透的地層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種方法包括施加電流到處于結(jié)構(gòu)孔中的一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電體以提供電阻熱輸出；允許熱從導(dǎo)電體傳遞到包含碳?xì)浠衔锏牡貙拥囊徊糠忠虼嗽诨蚪咏Y(jié)構(gòu)中孔的一部分的流體的粘度被降低；在孔中的一個(gè)或更多個(gè)位置提供氣體以降低流體的密度因此該流體在孔中通過(guò)結(jié)構(gòu)壓力向著結(jié)構(gòu)的表面被提升；并通過(guò)孔產(chǎn)生流體。
文檔編號(hào)E21B43/12GK1946919SQ200580012728
公開(kāi)日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月23日
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