專利名稱：利用非鐵磁導(dǎo)體的溫度限制加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于從各種地下地層例如含烴地層加熱和生產(chǎn)烴、氫和/或其它產(chǎn)品的方法和系統(tǒng)。實施例涉及用于加熱地下地層的溫度限制加熱器。

背景技術(shù)：
從地下地層獲取的烴通常用作能源、原料和消費(fèi)品。對可利用烴資源枯竭的擔(dān)憂以及對所生產(chǎn)的烴總體質(zhì)量下降的擔(dān)憂引起對用于可利用烴資源更高效回收、加工和/或使用的工藝的開展?，F(xiàn)場工藝可用來從地下地層中開采烴材料。地下地層中的烴材料的化學(xué)性質(zhì)和/或物理性質(zhì)可能需要改變，以便更容易地從地下地層中開采烴材料?；瘜W(xué)變化和物理變化可包括產(chǎn)生可開采流體的現(xiàn)場反應(yīng)、地層中烴材料的組成變化、可溶性變化、密度變化、相變和/或粘度變化。流體可以是氣體、液體、乳液、泥漿和/或具有類似于液體流動的流動特性的固體顆粒流，但并不局限于這些。
加熱器可放置在井眼中，以在現(xiàn)場工藝期間加熱地層。運(yùn)用井下加熱器的現(xiàn)場工藝的例子顯示在Ljungstrom的美國專利號2,634,961；Ljungstrom的美國專利號2,732,195；Ljungstrom的美國專利號2,780,450；Ljungstrom的美國專利號2,789,805；Ljungstrom的美國專利號2,923,535；和Van Meurs等的美國專利號4,886,118中。
在Ljungstrom的美國專利號2,923,535和Van Meurs等的美國專利號4,886,118中描述了加熱油頁巖層的應(yīng)用?？梢詫崃繎?yīng)用于油頁巖層，以熱解油頁巖層中的油母。熱量也可以破碎地層，以增加地層的滲透率。增大的滲透率可以使地層流體移動至生產(chǎn)井，在這里，從油頁巖層中開采流體。在Ljungstrom披露的某些工藝中，例如，含氧氣態(tài)介質(zhì)被引入滲透層，優(yōu)選從預(yù)熱步驟起一直很熱以起動燃燒。
可以使用熱源加熱地下地層?？梢允褂秒娂訜崞魍ㄟ^輻射和/或傳導(dǎo)加熱地下地層。電加熱器可以以電阻方式加熱元件。Germain的美國專利號2,548,360描述了一種電加熱元件，其被放置在井眼內(nèi)的粘性油中。該加熱元件加熱油，并使之變稀，以允許油從井眼泵出。Eastlund等的美國專利號4,716,960描述了石油井的電加熱管，其通過使相對低壓的電流流過該管，來防止固體的形成。Van Egmond的美國專利號5,065,818描述了一種電加熱元件，其粘接到井孔中，不需要環(huán)繞加熱元件的殼體。
有些加熱器可能會由于在地層中存在熱點(diǎn)而損壞或故障。如果沿著加熱器的任意點(diǎn)上的溫度超過或即將超過加熱器的最高工作溫度，則必須減少整個加熱器的供電量，以避免在地層中的熱點(diǎn)上或熱點(diǎn)附近發(fā)生加熱器故障和/或地層過熱。有些加熱器直到加熱器達(dá)到某一溫度極限，才能沿加熱器長度提供均勻的熱量。有些加熱器不能有效地加熱地下地層。因而，具有這樣一種加熱器是非常有利的，所述加熱器沿加熱器長度提供均勻熱量；對地下地層進(jìn)行有效地加熱；當(dāng)加熱器的一部分接近選定溫度時提供自動溫度調(diào)節(jié)；和/或在低于選定溫度時具有大體上線性的磁性和高功率因子。


發(fā)明內(nèi)容
在此所述的實施例總體上涉及用于處理地下地層的系統(tǒng)、方法和加熱器。在此所述的實施例總體上還涉及其中具有新部件的加熱器。利用在此所述的系統(tǒng)和方法可以獲得這種加熱器。
在某些實施例中，本發(fā)明提供了一種或多種系統(tǒng)、方法和/或加熱器。在有些實施例中，所述系統(tǒng)、方法和/或加熱器用于處理地下地層。
在某些實施例中，本發(fā)明提供了一種加熱器，包括鐵磁導(dǎo)體；和電耦合于所述鐵磁導(dǎo)體的電導(dǎo)體，其中，所述鐵磁導(dǎo)體相對于所述電導(dǎo)體設(shè)置，使得由鐵磁導(dǎo)體中隨時間變化的電流產(chǎn)生的電磁場在低于或接近選定溫度的溫度下將大部分電流流動約束在電導(dǎo)體。
在更進(jìn)一步的實施例中，來自特定實施例的特征可以與來自其它實施例的特征組合。例如，來自一個實施例的特征可以與來自任一其它實施例的特征組合。
在更進(jìn)一步的實施例中，利用在此所述的任一方法、系統(tǒng)或加熱器，進(jìn)行地下地層的處理。
在更進(jìn)一步的實施例中，附加特征可以添加到在此所述的特定實施例中。



對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，通過下面的詳細(xì)描述，并參照附圖，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中 圖1是含烴地層加熱階段的圖示。
圖2是用于處理含烴地層的現(xiàn)場轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的一部分的實施例的示意圖。
圖3是管道內(nèi)導(dǎo)體熱源的實施例的橫截面圖。
圖4是可移除的管道內(nèi)導(dǎo)體熱源的實施例的橫截面圖。
圖5描繪了溫度限制加熱器的實施例，其中支撐構(gòu)件在低于鐵磁導(dǎo)體的居里溫度時提供大部分熱量輸出。
圖6和7描繪了溫度限制加熱器的實施例，其中護(hù)套在低于鐵磁導(dǎo)體的居里溫度時提供大部分熱量輸出。
圖8A和8B是帶有三軸導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實施例的橫截面圖。
圖9描繪了溫度限制加熱器的高溫實施例。
圖10描繪了對于具有銅芯體、碳鋼鐵磁導(dǎo)體和不銹鋼347H不銹鋼支撐構(gòu)件的溫度限制加熱器在若干電流，通過實驗所測量的電阻-溫度關(guān)系； 圖11描繪了對于具有銅芯體、鐵-鈷鐵磁導(dǎo)體和不銹鋼347H不銹鋼支撐構(gòu)件的溫度限制加熱器在若干電流，通過實驗所測量的電阻-溫度關(guān)系； 圖12描繪了對于具有銅芯體、碳鋼鐵磁導(dǎo)體和不銹鋼347H不銹鋼支撐構(gòu)件的溫度限制加熱器在兩個交流電流，通過實驗所測量的功率因子-溫度關(guān)系； 圖13描繪了對于具有銅芯體、碳鋼鐵磁導(dǎo)體和不銹鋼347H不銹鋼支撐構(gòu)件的溫度限制加熱器在若干電流，通過實驗所測量的調(diào)節(jié)比-最大輸送功率關(guān)系； 圖14描繪了對于所找到的相關(guān)性和碳鋼的原始數(shù)據(jù)的相對導(dǎo)磁率-磁場關(guān)系的例子。
圖15顯示了對于四個溫度和400A電流的集膚深度-磁場關(guān)系結(jié)果曲線。
圖16顯示了電流為300A、400A和500A時的實驗結(jié)果和數(shù)字(計算)結(jié)果之間的比較。
圖17顯示了與通過理論模型計算出的1100時的集膚深度有關(guān)的加熱元件的每英尺AC電阻。
圖18描繪了對于溫度限制加熱器而言的各個加熱器部件的每單位長度所產(chǎn)生的功率-集膚深度關(guān)系。
圖19A-C是溫度限制加熱器的電阻-溫度關(guān)系的理論計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比較。
雖然本發(fā)明適合于各種變形和替代方式，但是，在附圖中通過舉例的方式給出了具體實施例，這些實施例在這里將被詳細(xì)描述。附圖并不是按比例繪制的。但是，應(yīng)當(dāng)明白，附圖和詳細(xì)描述并不是要把本發(fā)明局限于所公開的具體形式，相反，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)覆蓋落入由附帶的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明精神和范圍之內(nèi)的所有改進(jìn)、等同物或替代方案。

具體實施例方式 下面的描述總體上涉及用于處理地層中的烴的系統(tǒng)和方法。這些地層可以被處理以便生產(chǎn)烴類產(chǎn)品、氫和其它產(chǎn)品。
“烴”一般定義為主要由碳和氫原子形成的分子。烴還可以包括其它元素，例如鹵素、金屬元素、氮、氧和/或硫，但并不局限于這些。烴可以是油母、瀝青、焦性瀝青、油、天然礦物蠟和瀝青巖，但并不局限于這些。烴可以位于地層的礦石母巖中或其附近。母巖可以包括沉積巖、砂巖、沉積石英巖、碳酸鹽巖、硅藻巖及其他多孔介質(zhì)，但并不局限于這些。“烴流體”是包括烴的流體。烴流體可以包括、夾帶或者被夾帶在非烴流體中，例如氫、氮、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水和氨。
“地層”包括一個或多個含烴層、一個或多個非烴層、履蓋層和/或下伏地層。“履蓋層”和/或“下伏地層”包括一個或多個不同類型的不可滲透材料。例如，履蓋層和/或下伏地層可以包括巖石、頁巖、泥巖或濕的/緊密的碳酸鹽巖。在現(xiàn)場轉(zhuǎn)化工藝的一些實施例中，履蓋層和/或下伏地層可以包括一個含烴層或多個含烴層，在現(xiàn)場轉(zhuǎn)化工藝期間，這些含烴層是相對不滲透的，并且不受溫度影響，所述的現(xiàn)場轉(zhuǎn)化工藝導(dǎo)致履蓋層和/或下伏地層的含烴層特性發(fā)生明顯變化。例如，下伏地層可以包含頁巖或泥巖，但是在現(xiàn)場轉(zhuǎn)化工藝期間，下伏地層不允許被加熱到熱解溫度。在有些情況下，履蓋層和/或下伏地層可以稍微滲透。
“熱源”可以是主要通過熱傳導(dǎo)和/或熱輻射傳遞向地層的至少一部分提供熱量的任何系統(tǒng)。例如，熱源可包括電加熱器，例如設(shè)置在管道中的絕緣導(dǎo)體、細(xì)長構(gòu)件和/或?qū)w。熱源還可以包括通過在地層外或在地層內(nèi)燃燒燃料而產(chǎn)生熱量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以是表面燃燒器、井下氣體燃燒器、無焰分布燃燒室和自然分布燃燒室。在有些實施例中，提供給一個或多個熱源或在一個或多個熱源中產(chǎn)生的熱量可以由其它能源來供給。其它能源也可以直接加熱地層，或者將能量供給給傳遞介質(zhì)，由傳遞介質(zhì)直接或間接加熱地層。應(yīng)當(dāng)理解，向地層施加熱量的一個或多個熱源可以使用不同的能源。因而，例如，對于給定的地層，某些熱源可以從電阻加熱器供給熱量，有些熱源可以從燃燒提供熱量，有些熱源可以從一個或多個能源提供熱量(例如化學(xué)反應(yīng)、太陽能、風(fēng)能、生物量或其它再生能源)?；瘜W(xué)反應(yīng)可以包括放熱反應(yīng)(例如氧化反應(yīng))。熱源還可以包括向緊鄰和/或圍繞加熱位置、例如加熱器井的區(qū)域提供熱量的加熱器。
“加熱器”是用于在井中或附近井眼區(qū)域產(chǎn)生熱量的任何系統(tǒng)或熱源。加熱器可以是電加熱器、燃燒器、與地層中的或從地層產(chǎn)生的材料反應(yīng)的燃燒室和/或它們的組合，但并不局限于這些。
“現(xiàn)場轉(zhuǎn)化工藝”指的是從熱源加熱含烴地層以將至少一部分地層的溫度提高到熱解溫度以上的工藝，這樣，在地層中產(chǎn)生熱解流體。
“絕緣導(dǎo)體”是指任何細(xì)長材料，該細(xì)長材料能夠?qū)щ?，并且它全部或部分地被電絕緣材料覆蓋。
細(xì)長構(gòu)件可以是裸金屬加熱器或暴露金屬加熱器?！奥憬饘佟焙汀氨┞督饘佟笔侵覆话娊^緣層、例如礦物絕緣的金屬，電絕緣層設(shè)計成能在細(xì)長構(gòu)件的整個工作溫度范圍內(nèi)為金屬提供電絕緣。裸金屬和暴露金屬可以包含包括腐蝕抑制器、例如天然出現(xiàn)的氧化層、涂敷的氧化層和/或薄膜的金屬。裸金屬和暴露金屬包括帶有聚合物電絕緣或其它類型電絕緣的金屬，這些電絕緣在細(xì)長構(gòu)件的典型工作溫度下不能保持電絕緣性質(zhì)。這種材料可以放置在金屬上，在加熱器使用期間可以被熱降解。
“溫度限制加熱器”泛指無需利用外部控制、例如溫度控制器、功率調(diào)節(jié)器、整流器或其它裝置，就能在規(guī)定溫度以上調(diào)節(jié)熱量輸出(例如減小熱量輸出)的加熱器。溫度限制加熱器可以是AC(交流電)或調(diào)制(例如“突變”)DC(直流)供電的電阻加熱器。“居里溫度”是在該溫度以上鐵磁材料失去其全部的鐵磁性質(zhì)的溫度。除了在居里溫度以上失去其全部鐵磁性質(zhì)以外，當(dāng)增大的電流通過該鐵磁材料時也開始失去其鐵磁性質(zhì)。
“隨時間變化的電流”是指在鐵磁導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)電荷流并且具有隨時間變化的幅度的電流。隨時間變化的電流既包括交流電(AC)，又包括調(diào)制直流電(DC)。
“交流電(AC)”是指隨時間大體上正弦地反向變化的電流。AC在鐵磁導(dǎo)體中生成集膚效應(yīng)電荷流。
“調(diào)制直流電(DC)”是指任何大體上隨時間非正弦變化的電流，其在鐵磁導(dǎo)體中生成集膚效應(yīng)電荷流。
溫度限制加熱器的“調(diào)節(jié)比”是指對于給定電流，在居里溫度以下的最高AC或調(diào)制DC電阻與居里溫度以上的最低電阻的比值。
在減少熱量輸出的加熱系統(tǒng)、設(shè)備和方法的上下文中，術(shù)語“自動”意思是這些系統(tǒng)、設(shè)備和方法以某種方式起作用，無需采用外部控制(例如諸如帶有溫度傳感器和反饋回路的控制器、PID控制器或預(yù)測控制器的外部控制器)。
術(shù)語“井眼”是指通過鉆進(jìn)或把管道插入地層內(nèi)所形成在地層中的孔。井眼可以具有基本上圓形橫截面形狀或其它橫截面形狀。正如在此所使用的，當(dāng)指的是地層中的開口時，術(shù)語“井”和“開口”可以與術(shù)語“井眼”互換地使用。
地層中的烴可以以各種方式處理以生產(chǎn)出許多不同的產(chǎn)品。在某些實施例中，地層中的烴被分階段處理。圖1示出了加熱含烴地層的多個階段。圖1還示出了從地層產(chǎn)生地層流體的每噸等量桶數(shù)(y軸)產(chǎn)量(“Y”)與加熱地層的攝氏度(x軸)溫度(“T”)之間的關(guān)系。
甲烷的解吸和水的汽化發(fā)生在階段1的加熱期間?？梢员M可能快地執(zhí)行通過階段1加熱地層。例如，當(dāng)最初加熱含烴地層時，地層中的烴可以解吸吸附了的甲烷。解吸的甲烷可以從地層中開采出來。如果含烴地層被進(jìn)一步加熱，含烴地層中的水就被汽化。在有些含烴地層中，水可能占地層中孔隙容積的10％到50％。在有些地層中，水占孔隙容積的更多或更少部分。在地層中，水通常在160℃到285℃之間、在600kPa絕對壓力到7000kPa絕對壓力之間汽化。在有些實施例中，汽化的水在地層中產(chǎn)生潤濕性變換，和/或增加地層壓力。潤濕性變化和/或增大的壓力可能會影響地層中的熱解反應(yīng)或其它反應(yīng)。在某些實施例中，汽化的水可以從地層中開采出來。在有些實施例中，汽化的水在地層中或地層外被用于蒸汽抽出和/或蒸餾。從地層中去除水和增加地層中孔隙容積，可以增大孔隙容積中烴的存儲空間。
在某些實施例中，在階段1加熱之后，地層被被進(jìn)一步加熱，使得地層中的溫度達(dá)到(至少)初始熱解溫度(例如，如階段2所示的溫度范圍下端的溫度)。地層中烴的熱解可能貫穿整個階段2。熱解溫度隨著地層中烴的種類的不同而改變。熱解溫度范圍可以包括在250℃和900℃之間的溫度。用于生產(chǎn)所希望的產(chǎn)品的熱解溫度只延伸總熱解溫度范圍的一部分。在有些實施例中，用于生產(chǎn)所希望的產(chǎn)品的熱解溫度范圍可以包括在250℃和400℃之間的溫度或在270℃和350℃之間的溫度。如果地層中烴的溫度經(jīng)過從250℃到400℃的溫度范圍慢慢升高，則在溫度接近400℃時基本上就可以完成熱解產(chǎn)品的生產(chǎn)。在用于生產(chǎn)所希望的產(chǎn)品的整個熱解溫度范圍內(nèi)，烴的平均溫度可以以每天小于5℃、每天小于2℃、每天小于1℃或每天小于0.5℃的速度升高。通過使用多個熱源加熱含烴地層，可以在熱源周圍建立熱梯度，這些熱源在整個熱解溫度范圍內(nèi)慢慢地升高地層中烴的溫度。
在對所希望的產(chǎn)品的整個熱解溫度范圍內(nèi)，溫度增加速度可能會影響從含烴地層中產(chǎn)生地層流體的質(zhì)量和數(shù)量。在對所希望的產(chǎn)品的整個熱解溫度范圍內(nèi)，溫度的慢慢升高會阻止地層中大鏈?zhǔn)椒肿拥幕顒印Ｔ趯λＭ漠a(chǎn)品的整個熱解溫度范圍內(nèi)，溫度的慢慢升高會制約生成不期望的產(chǎn)品的活動烴之間的反應(yīng)。在對所希望的產(chǎn)品的整個熱解溫度范圍內(nèi)，溫度的慢慢升高允許從地層中產(chǎn)生高質(zhì)量、高API重度的烴。在對所希望的除去的整個熱解溫度范圍內(nèi)，溫度的慢慢升高允許開采出存在于地層中的大量烴作為烴產(chǎn)品。
在有些現(xiàn)場轉(zhuǎn)化實施例中，一部分地層被加熱至所希望的溫度，而不是在整個溫度范圍內(nèi)慢慢地加熱。在有些實施例中，所希望的溫度為300℃、325℃或350℃。也可以選擇其它溫度作為所希望的溫度。來自熱源的熱量的疊加，使得在地層中可以比較快速和有效地建立所希望的溫度?？梢哉{(diào)節(jié)從熱源輸入到地層中的能量，以使地層中的溫度基本上保持在所希望的溫度上。地層中的被加熱部分基本上保持在所希望的溫度，直到熱解衰減，以致從地層中生產(chǎn)所希望的地層流體變得不經(jīng)濟(jì)。受到熱解的部分地層可包括只通過一個熱源的熱傳遞來使其進(jìn)入熱解溫度范圍內(nèi)的區(qū)域。
在某些實施例中，包括熱解流體的地層流體從地層中被開采出來。隨著地層溫度的升高，產(chǎn)生的地層流體中可凝結(jié)烴的量會減少。在高溫下，地層主要產(chǎn)生甲烷和/或氫。如果在整個熱解范圍內(nèi)加熱含烴地層，那么，朝著熱解范圍的上限，地層只可產(chǎn)生少量的氫。在所有可利用氫耗盡之后，通常出現(xiàn)只能從地層中開采極小量的流體。
在烴熱解之后，大量的碳和一些氫仍然存在于地層中。以合成氣體的形式從地層中產(chǎn)生留在地層中的大部分碳。合成氣體的產(chǎn)生在如圖1所示的階段3加熱期間進(jìn)行。階段3可以包括將含烴地層加熱至足以生成合成氣體的溫度。例如，在從400℃到1200℃、從500℃到1100℃或從550℃到1000℃的溫度范圍內(nèi)可以產(chǎn)生合成氣體。當(dāng)產(chǎn)生合成氣體的流體被引入到地層中時，地層中被加熱部分的溫度可以確定在地層中所產(chǎn)生的合成氣體的組成。通過一個或多個生產(chǎn)井可以從地層中開采出所生成的合成氣體。
貫穿熱解和合成氣體生成，從含烴地層中產(chǎn)生的流體總能量含量可以保持相對恒定。在較低地層溫度下熱解期間，大部分采出流體可能是具有高能量含量的可凝結(jié)烴。但是，在較高熱解溫度時，較少的地層流體包括可凝結(jié)烴。更多非凝結(jié)地層流體可以從地層中開采出來。在主要產(chǎn)生非凝結(jié)地層流體期間，采出流體的每單位體積能量含量可能會略微衰減。在產(chǎn)生合成氣體期間，與熱解流體相比，采出來的合成氣體的每單位體積能量含量衰減很明顯。但是，在許多情況下，采出來的合成氣體積將大大增加，從而補(bǔ)償減少的能量含量。
圖2是用于處理含烴地層的現(xiàn)場轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的一部分的實施例的示意圖?，F(xiàn)場轉(zhuǎn)化系統(tǒng)包括隔離井200。隔離井用來在處理區(qū)域周圍形成屏障。該屏障阻止流體流入和/或流出處理區(qū)域。隔離井包括脫水井、真空井、捕獲井、噴射井、灌漿井、凝固井或它們的組合，但并不局限于這些。在有些實施例中，隔離井200是脫水井。脫水井可以去除液態(tài)水和/或阻止液態(tài)水進(jìn)入要被加熱的一部分地層或正在被加熱的一部分地層中。在圖2所示的實施例中，所示的隔離井200只是沿著熱源202的一側(cè)延伸，但是，隔離井通常環(huán)繞在被用于或?qū)⒈挥糜诩訜岬貙拥奶幚韰^(qū)域的所有熱源202周圍。
熱源202放置在至少一部分地層中。熱源202可以包括諸如絕緣導(dǎo)體的加熱器、管道內(nèi)導(dǎo)體加熱器、表面燃燒器、無焰分布燃燒室和/或天然分布燃燒室。熱源202也可以包括其它類型的加熱器。熱源202向至少一部分地層提供熱量，以加熱地層中的烴。能量可通過供給管線204供給給熱源202。供給管線204的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)用于加熱地層的熱源類型的不同而不同。熱源的供給管線204可以為電加熱器傳輸電，可以為燃燒室輸送燃料，或者可以輸送在地層中循環(huán)的熱交換流體。
生產(chǎn)井206用于從地層中開采地層流體。在有些實施例中，生產(chǎn)井206可以包括一個或多個熱源。生產(chǎn)井中的熱源可以加熱在生產(chǎn)井處或靠近生產(chǎn)井的地層的一部分或多部分。生產(chǎn)井中的熱源可以阻止從地層中開采出來的地層流體的凝結(jié)和回流。
從生產(chǎn)井206產(chǎn)生的地層流體通過收集管路208輸送至處理設(shè)施210。地層流體也可以從熱源202產(chǎn)生。例如，流體可以從熱源202產(chǎn)生，以控制鄰近熱源的地層中的壓力。從熱源202產(chǎn)生的流體通過管或管路輸送至收集管路208，或者采出流體通過管或管路直接輸送至處理設(shè)施210。處理設(shè)施210可包括分離單元、反應(yīng)單元、濃縮單元、燃料電池、渦輪、存儲容器和/或用于加工采出的地層流體的其它系統(tǒng)和單元。處理設(shè)施可以從由地層開采出來的至少一部分烴形成輸送燃料。
溫度限制加熱器可以具有多種構(gòu)造，和/或可以包括在某些溫度下為加熱器提供自動溫度限制特性的材料。在某些實施例中，鐵磁材料被用于溫度限制加熱器中。鐵磁材料在該材料的居里溫度或其附近可以自己限制溫度，以便在向該材料施加隨時間變化的電流時，在居里溫度或其附近提供減少的熱量。在某些實施例中，鐵磁材料在選定溫度自我限制溫度限制加熱器的溫度，所述選定溫度大約是居里溫度。在某些實施例中，選定溫度在居里溫度的35℃之內(nèi)、25℃之內(nèi)、20℃之內(nèi)或10℃之內(nèi)。在某些實施例中，鐵磁材料與其它材料(例如高導(dǎo)材料、高強(qiáng)度材料、耐腐蝕材料或它們的組合)相結(jié)合，以提供各種電氣性能和/或機(jī)械性能。溫度限制加熱器的某些部分所具有的電阻比溫度限制加熱器的其它部分要低(這是由不同幾何形狀和/或利用不同的鐵磁材料和/或非鐵磁材料造成的)。通過使溫度限制加熱器的各個部分具有不同的材料和/或尺寸，就可以定制從加熱器的每個部分輸出所希望的熱量。
溫度限制加熱器可能比其它加熱器更可靠。溫度限制加熱器不易于因地層中的熱點(diǎn)而損壞或發(fā)生故障。在有些實施例中，溫度限制加熱器可以基本上均勻地加熱地層。在有些實施例中，溫度限制加熱器通過沿加熱器的整個長度以較高的平均熱量輸出進(jìn)行操作，從而能夠更有效地加熱地層。溫度限制加熱器沿加熱器的整個長度以較高的平均熱量輸出進(jìn)行操作，這是因為如果沿著加熱器任意點(diǎn)的溫度超過或即將超過加熱器的最高工作溫度，那么針對整個加熱器而言，供給給加熱器的功率無需減少，而對于典型的恒定瓦特數(shù)的加熱器卻必須減少供給給加熱器的功率。從達(dá)到加熱器的居里溫度的溫度限制加熱器的各部分輸出的熱量會自動減少，無需對施加給加熱器的隨時間變化的電流進(jìn)行受控調(diào)節(jié)。由于溫度限制加熱器各部分的電氣性能(例如電阻)方面的變化，熱量輸出自動減少。因而，在加熱過程的較大部分期間，溫度限制加熱器能提供更大的功率。
在某些實施例中，當(dāng)溫度限制加熱器由隨時間變化的電流激勵時，包括溫度限制加熱器的系統(tǒng)最初提供第一熱量輸出，然后在加熱器的電阻部分的居里溫度附近、之處或之上提供減少的熱量輸出(第二熱量輸出)。第一熱量輸出是一定溫度時的熱量輸出，溫度限制加熱器在低于所述一定溫度時開始自我限制。在有些實施例中，第一熱量輸出是在低于溫度限制加熱器中鐵磁材料的居里溫度的50℃、75℃、100℃或125℃溫度時的熱量輸出。
溫度限制加熱器可以由在井頭供給的隨時間變化的電流(交流電或調(diào)制直流電)激勵。井頭可以包括電源和其它用于向溫度限制加熱器供電的部件(例如調(diào)制部件、轉(zhuǎn)換器和/或電容器)。溫度限制加熱器可以是用于加熱一部分地層的許多加熱器之一。
在某些實施例中，溫度限制加熱器包括導(dǎo)體，當(dāng)向該導(dǎo)體施加隨時間變化的電流時，該導(dǎo)體就作為一種集膚效應(yīng)加熱器或鄰近效應(yīng)加熱器操作。集膚效應(yīng)限制電流滲透到該導(dǎo)體內(nèi)的深度。對于鐵磁材料而言，集膚效應(yīng)受導(dǎo)體的導(dǎo)磁率支配。鐵磁材料的相對導(dǎo)磁率典型在10到1000之間(例如，鐵磁材料的相對導(dǎo)磁率典型至少為10，可以至少為50、100、500、1000或以上)。隨著鐵磁材料的溫度升高到居里溫度和/或隨著所施加的電流的增大，鐵磁材料的導(dǎo)磁率顯著減小，集膚深度快速增大(例如，集膚深度以導(dǎo)磁率的負(fù)二次方根增大)。導(dǎo)磁率的減小，導(dǎo)致在居里溫度或該溫度附近、之處和/或隨著所施加的電流的增大，導(dǎo)體的AC或調(diào)制DC電阻減小。當(dāng)溫度限制加熱器由基本上恒流的電源供電時，接近、達(dá)到或高于居里溫度的加熱器部分可以減少熱耗損。不在居里溫度之處或附近的溫度限制加熱器的部分可以由集膚效應(yīng)加熱支配，這允許加熱器由于較高電阻負(fù)荷而具有高熱耗損。
利用溫度限制加熱器加熱地層中的烴的優(yōu)點(diǎn)在于，導(dǎo)體被選擇成具有在所希望的工作溫度范圍內(nèi)的居里溫度。在所希望的工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行允許大量的熱被噴射到地層內(nèi)，同時把溫度限制加熱器和其它設(shè)備的溫度保持在設(shè)計極限溫度以下。設(shè)計極限溫度是在這些溫度時諸如腐蝕、蠕變和/或變形的性能會受到不利的影響的溫度。溫度限制加熱器的溫度限制性能阻止鄰近地層中低導(dǎo)熱率“熱點(diǎn)”的加熱器過熱或燒壞。在有些實施例中，溫度限制加熱器能降低或控制熱量輸出和/或承受溫度高于25℃、37℃、100℃、250℃、500℃、700℃、800℃、900℃或高達(dá)1131℃的熱量，這取決于加熱器中所使用的材料。
與恒定瓦特數(shù)的加熱器相比，溫度限制加熱器允許更多的熱量噴射到地層內(nèi)，這是因為輸入到溫度限制加熱器中的能量無需被限制成適應(yīng)鄰近加熱器的低導(dǎo)熱率區(qū)域。例如，在Green River油頁巖中，最低富油頁巖層和最高富油頁巖層的導(dǎo)熱率存在至少系數(shù)為3的差別。當(dāng)加熱這種地層時，與受到低導(dǎo)熱率層處的溫度限制的傳統(tǒng)加熱器相比，用溫度限制加熱器可以將更多的熱量傳遞給地層。沿著傳統(tǒng)加熱器整個長度的熱量輸出需要適應(yīng)低導(dǎo)熱率層，以便使加熱器在低導(dǎo)熱率層不會過熱和燒壞。對于溫度限制加熱器而言，鄰近高溫下的導(dǎo)熱率層的熱量輸出將減少，但不處于高溫的溫度限制加熱器的其余部分仍然會提供高的熱量輸出。因為用于加熱含烴地層的加熱器通常具有長的長度(例如至少10m、100m、300m、至少500m、1km或以上，直至10km)，所以，溫度限制加熱器的大部分長度可在居里溫度以下工作，而只有一少部分在溫度限制加熱器的居里溫度或其附近。
溫度限制加熱器的使用使得能夠高效地向地層傳遞熱量。通過高效地傳遞熱量，可以減少把地層加熱至所希望的溫度所需要的時間。對于相同的加熱器間隔，溫度限制加熱器可具有較大的平均熱量輸出，同時把加熱器設(shè)備的溫度保持在設(shè)備設(shè)計極限溫度以下。由于溫度限制加熱器所提供的平均熱量輸出要比恒定瓦特數(shù)加熱器所提供的平均熱量輸出大，地層中的熱解可以在更早的時間發(fā)生。由于井間距不精確，或者鉆井時加熱井靠得太近，溫度限制加熱器抵消熱點(diǎn)。在某些實施例中，對于間隔太遠(yuǎn)的加熱井而言，溫度限制加熱器允許長時間地增大功率輸出，或者對于間隔太近的加熱井而言，允許限制功率輸出。溫度限制加熱器在鄰近履蓋層和下伏地層的區(qū)域也提供更大的功率，以補(bǔ)償這些區(qū)域中的溫度損失。
有利的是，溫度限制加熱器可以用于許多類型的地層中。例如，在瀝青砂地層或相對滲透的含重質(zhì)烴地層中，溫度限制加熱器可用來提供可控制的低溫輸出，以便減少流體粘度，使流體流通和/或增強(qiáng)在井眼或其附近或在地層中的流體的徑向流動。溫度限制加熱器可以用來阻止由于地層的附近井眼區(qū)域過熱而引起過多的焦炭形成。
在有些實施例中，溫度限制加熱器的使用可以消除或減少對昂貴溫度控制回路的需要。例如，溫度限制加熱器的使用，可以消除或減少對執(zhí)行溫度測量的需要和/或在加熱器上利用固定熱電偶以監(jiān)測熱點(diǎn)處的潛在過熱的需要。
在有些實施例中，溫度限制加熱器可能比標(biāo)準(zhǔn)加熱器更經(jīng)濟(jì)地制造或制成。典型鐵磁材料包括鐵、碳鋼或鐵素體不銹鋼。與絕緣導(dǎo)體(礦物絕緣電纜)加熱器中典型使用的鎳基加熱合金(例如鎳鉻合金、商標(biāo)為KanthalTM(瑞典Bulten-Kanthal AB)和/或LOHMTM(美國新澤西州哈里森Driver-Harris公司))相比，這些材料是便宜的。在溫度限制加熱器的一個實施例中，溫度限制加熱器以連續(xù)長度制造成絕緣導(dǎo)體加熱器，以便降低成本和提高可靠性。
溫度限制加熱器可用來加熱含烴地層，這些含烴地層包括油頁巖層、煤層、瀝青砂層和重粘性油，但并不局限于這些。溫度限制加熱器也可用在環(huán)境補(bǔ)救的領(lǐng)域中，以汽化或者破壞土壤污染物。溫度限制加熱器的實施例可用來加熱井眼或海底管線內(nèi)的流體，以阻止石蠟或各種水合物的沉積。在有些實施例中，溫度限制加熱器用于溶解開采地下地層(例如油頁巖或煤層)。在某些實施例中，流體(例如熔鹽)被放置到井眼中，并通過溫度限制加熱器來加熱，以阻止井眼的變形和/或塌陷。在有些實施例中，溫度限制加熱器附著于井眼中的抽油桿上，或者屬于抽油桿本身一部分。在有些實施例中，溫度限制加熱器用來加熱附近井眼區(qū)域，以在生產(chǎn)高粘性原油期間以及在把高粘性油輸送至地表期間減少附近井眼的油粘性。在有些實施例中，在沒有使油變成焦炭的情況下，溫度限制加熱器通過降低油的粘性，使粘性油氣體提升(gas lifting)。溫度限制加熱器可用于硫輸送管線中，使溫度保持在110℃到130℃之間。
溫度限制加熱器的某些實施例可用于溫度升高下的化學(xué)或者精煉工藝，這些工藝需要在較窄的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行控制，以阻止由于局部溫度升高而引起不需要的化學(xué)反應(yīng)或損壞。一些應(yīng)用可包括反應(yīng)器管、焦化裝置和蒸餾塔，但并不局限于這些。溫度限制加熱器也可以用于污染控制裝置(例如催化轉(zhuǎn)化器和氧化裝置)，以允許在沒有復(fù)雜的溫度控制回路的情況下快速加熱至控制溫度。另外，溫度限制加熱器可以用于食品加工，以避免由于溫度過高而損壞食品。溫度限制加熱器也可以用于金屬熱處理(例如焊接接頭的退火)。溫度限制加熱器也可以用于地板式加熱器、燒灼器和/或各種其它設(shè)備。溫度限制加熱器可以與活檢針一起使用，以通過升高體內(nèi)溫度來破壞腫瘤。
溫度限制加熱器的一些實施例在某些類型的醫(yī)療和/或獸醫(yī)裝置中是有用的。例如，溫度限制加熱器可用來治療處理人類或動物組織。用于醫(yī)療或獸醫(yī)裝置的溫度限制加熱器具有鐵磁材料，鐵磁材料包括居里溫度為50℃的鈀銅合金。高頻(例如大于1MHz的頻率)可用來驅(qū)動用于醫(yī)療和/或獸醫(yī)用途的較小的溫度限制加熱器。
用于溫度限制加熱器的鐵磁合金決定了加熱器的居里溫度。在“美國物理學(xué)會手冊(American Institute of Physics Handbook)”第二版，McGraw-Hill，第5-170頁至5-176頁中列出了各種金屬的居里溫度數(shù)據(jù)。鐵磁導(dǎo)體可以包括一種或多種鐵磁元素(鐵、鈷和鎳)和/或這些元素的合金。在有些實施例中，鐵磁導(dǎo)體包括包含鎢(W)(例如，HCM12A和SAVE12(日本Sumitomo Metals公司))的鐵-鉻(Fe-Cr)合金和/或包含鉻的鐵合金(例如Fe-Cr合金、Fe-Cr-W合金、Fe-Cr-V(釩)合金、Fe-Cr-Nb(鈮)合金)。在這三種主要的鐵磁元素中，鐵的居里溫度大約為770℃；鈷(Co)的居里溫度大約為1131℃；鎳的居里溫度大約為358℃。鐵-鈷合金的居里溫度高于鐵的居里溫度。例如，具有2％重量比鈷的鐵-鈷合金的居里溫度大約為800℃；具有12％重量比鈷的鐵-鈷合金的居里溫度大約為900℃；具有20％重量比鈷的鐵-鈷合金的居里溫度大約為950℃。鐵鎳合金的居里溫度低于鐵的居里溫度。例如，具有20％重量比鎳的鐵鎳合金的居里溫度大約為720℃，具有60％重量比鎳的鐵鎳合金的居里溫度大約為560℃。
用作合金的一些非鐵磁元素可以提高鐵的居里溫度。例如，具有5.9％重量比釩的鐵-釩合金的居里溫度大約為815℃。其它非鐵磁元素(例如碳、鋁、銅、硅和/或鉻)可以與鐵或其它鐵磁材料熔合，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相結(jié)合，并與鐵或其它鐵磁材料熔合，以制造具有所希望的居里溫度及其它所希望的物理和/或化學(xué)性能的材料。在有些實施例中，居里溫度材料是鐵素體，例如NiFe2O4。在有些實施例中，居里溫度材料是二元化合物，例如FeNi3或Fe3Al。
溫度限制加熱器的某些實施例可包括一種以上的鐵磁材料。如果在此所述的任何狀態(tài)應(yīng)用于溫度限制加熱器的至少一種鐵磁材料，這樣的實施例也落入在此所述的實施例的范圍之內(nèi)。
鐵磁性能通常隨著接近居里溫度而衰減。C.James Erickson(IEEE Press，1995)的“工業(yè)電加熱手冊(Handbook of ElectricalHeating for Industry)”中顯示了1％碳鋼(具有1％重量比碳的鋼)的典型曲線。導(dǎo)磁率在650℃以上的溫度開始損失，并且當(dāng)溫度超過730℃時趨于完全損失。因而，自我限制溫度可能稍微低于鐵磁導(dǎo)體的實際居里溫度。在1％碳鋼中，用于電流流動的集膚深度在室溫下是0.132em，并且在720℃時，增至0.445em。從720℃至730℃，集膚深度急劇增至超過2.5cm。因而，使用1％碳鋼的溫度限制加熱器實施例在650℃到730℃之間開始自我限制。
集膚深度通常限定了進(jìn)入傳導(dǎo)材料中的隨時間變化的電流的有效穿透深度。一般而言，電流密度與沿著導(dǎo)體半徑從外表面到中心的距離呈指數(shù)關(guān)系減小。電流密度大約為表面電流密度的l/e處的深度被稱為集膚深度。對于直徑比穿透深度大的多的實心圓柱桿而言，或者對于壁厚超過穿透深度的空心圓筒而言，集膚深度δ為 (1)δ＝1981.5*(ρ/(μ*f))1/2； 其中δ＝集膚深度，單位為英寸； ρ＝工作溫度下的電阻系數(shù)(ohm-cm)； μ＝相對導(dǎo)磁率；和 f＝頻率(Hz)。
等式1可從C.James Eriekson的“工業(yè)電加熱手冊”(IEEE Press，1995)中得到。對于大多數(shù)金屬來說，電阻系數(shù)(ρ)隨著溫度而增加。相對導(dǎo)磁率通常隨著溫度和電流的變化而變化?？梢岳幂o助等式來確定導(dǎo)磁率和/或集膚深度關(guān)于溫度和/或電流兩者的變化。μ對電流的依賴產(chǎn)生于μ對磁場的依賴。
用于溫度限制加熱器的材料可以選擇成提供所希望的調(diào)節(jié)比。對于溫度限制加熱器來說，可以選擇至少為1.1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、10∶1、30∶1或50∶1的調(diào)節(jié)比。也可以使用更大的調(diào)節(jié)比。所選擇的調(diào)節(jié)比取決于許多因素，包括，但不限于溫度限制加熱器所處的地層類型(例如，隨著富油頁巖層與貧油頁巖層之間的導(dǎo)熱率方面的較大變化，油頁巖巖層使用了更高的調(diào)節(jié)比)和/或在井眼中使用的材料的溫度極限(例如，加熱器材料的溫度極限)。在有些實施例中，通過把額外的銅或另一種好的電導(dǎo)體耦合到鐵磁材料(例如，添加銅以降低超過居里溫度時的電阻)上，來增大調(diào)節(jié)比。
溫度限制加熱器在低于加熱器的居里溫度下可以提供最小熱量輸出(功率輸出)。在某些實施例中，最小熱量輸出至少為400W/m(瓦特每米)、600W/m、700W/m、800W/m或高達(dá)2000W/m。當(dāng)溫度限制加熱器的一部分接近或超過居里溫度時，溫度限制加熱器通過加熱器的這部分來減小熱量輸出量，減少的熱量基本上小于居里溫度以下時的熱量輸出。在有些實施例中，減小的熱量最多為400W/m、200W/m、100W/m，或者可以接近0W/m。
由于居里效應(yīng)，隨著溫度接近居里溫度，AC或調(diào)制DC電阻和/或溫度限制加熱器的熱量輸出減少，在居里溫度附近或高于居里溫度時，急劇減少。在某些實施例中，在居里溫度以上或附近時的電阻值或熱量輸出值最多是在居里溫度以下某點(diǎn)時的電阻值或熱量輸出值的一半。在有些實施例中，在居里溫度以上或附近時的熱量輸出最多為在居里溫度以下某點(diǎn)(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℃)時的熱量輸出的90％、70％、50％、30％、20％、10％或更少(小至1％)。在某些實施例中，在居里溫度以上或附近時的電阻減少至在居里溫度以下某點(diǎn)(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℃)時的電阻的80％、70％、60％、50％或更少(小至1％)。
在有些實施例中，AC頻率被調(diào)節(jié)，以改變鐵磁材料的集膚深度。例如，在室溫時，1％碳鋼的集膚深度在60Hz為0.132cm，在180Hz為0.0762cm，在440Hz為0.046cm。由于加熱器直徑通常比集膚深度大兩倍，所以利用較高頻率(從而利用較小直徑的加熱器)減少了加熱器成本。對于固定的幾何形狀，較高頻率導(dǎo)致較高調(diào)節(jié)比。通過把較低頻率的調(diào)節(jié)比乘以較高頻率除以較低頻率之后的平方根，來計算較高頻率下的調(diào)節(jié)比。在有些實施例中，采用100Hz到1000Hz之間、140Hz到200Hz之間或400Hz到600Hz之間的頻率(例如180Hz、540Hz或720Hz)。在有些實施例中，可以使用高頻率。頻率可大于1000Hz。
在某些實施例中，調(diào)制DC(例如突變DC、波形調(diào)制DC或循環(huán)DC)可以用來向溫度限制加熱器提供電力。DC調(diào)制器或DC斷路器可以與DC電源耦合在一起，以提供調(diào)制直流電的輸出。在有些實施例中，DC電源可以包括用于調(diào)制DC的裝置。DC調(diào)制器的一個例子是DC-DC變換器系統(tǒng)。DC-DC變換器系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。DC通常被調(diào)制或突變成所希望的波形。用于DC調(diào)制的波形包括正方形波、正弦曲線、變形的正弦曲線、變形的正方形波形、三角形及其它規(guī)則或不規(guī)則波形，但并不局限于這些。
調(diào)制DC波形通常限定了調(diào)制DC的頻率。因而，可以選擇調(diào)制DC波形，以提供所希望的調(diào)制DC頻率?？筛淖冋{(diào)制DC波形的形狀和/或調(diào)制速率(例如突變速率)，以改變調(diào)制DC頻率。DC可以被調(diào)制成高于一般可利用的AC頻率的頻率。例如，可以提供頻率至少為1000Hz的調(diào)制DC。使供電電流的頻率增大至更高值，就能有利地增大溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比。
在某些實施例中，可以調(diào)節(jié)或改變調(diào)制DC波形，以改變調(diào)制DC頻率。在溫度限制加熱器使用以及高電流或高電壓期間的任何時候，DC調(diào)制器都能夠調(diào)節(jié)或改變調(diào)制DC波形。因而，提供給溫度限制加熱器的調(diào)制DC不局限于單個頻率或甚至一小組頻率值。利用DC調(diào)制器進(jìn)行的波形選擇允許較寬范圍的調(diào)制DC頻率且允許離散控制調(diào)制DC頻率。因而，調(diào)制DC頻率更容易被設(shè)定在不同的值，而AC頻率一般被局限于行頻的倍數(shù)。調(diào)制DC頻率的離散控制允許對溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比進(jìn)行更多選擇控制。由于能夠選擇控制溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比，允許在設(shè)計和構(gòu)造溫度限制加熱器時使用的材料范圍更寬。
在某些實施例中，溫度限制加熱器包括復(fù)合導(dǎo)體，該復(fù)合導(dǎo)體具有鐵磁管和非鐵磁的高導(dǎo)電芯體。非鐵磁的高導(dǎo)電芯體減少了導(dǎo)體所需的直徑。芯體或非鐵磁導(dǎo)體可以是銅或銅合金。芯體或非鐵磁導(dǎo)體也可以由呈現(xiàn)低電阻率和接近1的相對導(dǎo)磁率的其它金屬制成(例如，大量非鐵磁材料，諸如鋁和鋁合金，磷青銅，鈹銅，和/或黃銅)。復(fù)合導(dǎo)體使溫度限制加熱器的電阻在居里溫度附近突然減小。隨著集膚深度在居里溫度附近增大以包括銅芯體，電阻非常急劇地減少。
復(fù)合導(dǎo)體可以增大溫度限制加熱器的傳導(dǎo)率和/或允許加熱器在較低電壓下工作。在一個實施例中，復(fù)合導(dǎo)體在其鐵磁導(dǎo)體的居里溫度附近區(qū)域以下的溫度呈現(xiàn)比較平的電阻-溫度關(guān)系曲線。在有些實施例中，溫度限制加熱器在100℃到750℃之間或在300℃到600℃之間呈現(xiàn)較平的電阻-溫度關(guān)系曲線。通過例如調(diào)節(jié)溫度限制加熱器的材料和/或材料構(gòu)成，在其它溫度范圍內(nèi)也可以呈現(xiàn)較平的電阻-溫度關(guān)系曲線。在某些實施例中，選擇復(fù)合導(dǎo)體中各種材料的相對厚度，使溫度限制加熱器生成所希望的電阻-溫度關(guān)系曲線。
在某些實施例中，選擇復(fù)合導(dǎo)體中各種材料的相對厚度，使溫度限制加熱器生成所希望的電阻-溫度關(guān)系曲線。
復(fù)合導(dǎo)體(例如復(fù)合內(nèi)導(dǎo)體或復(fù)合外導(dǎo)體)可以通過以下方法制造，包括，但不限于混合擠壓、滾軋成形、緊配合管(例如，冷卻內(nèi)構(gòu)件并加熱外構(gòu)件，然后將內(nèi)構(gòu)件插入外構(gòu)件中，接著進(jìn)行拉延工序和/或允許系統(tǒng)冷卻)、爆炸或電磁包覆、圓弧堆焊、縱向帶焊接、等離子粉末焊接、鋼坯混合擠壓、電鍍、拉延、濺蝕、等離子沉積、混合擠壓鑄造、磁成形、熔化缸鑄造(位于外部內(nèi)的內(nèi)芯體材料的或反之亦然)、插入之后進(jìn)行焊接或高溫?zé)酢⑵帘位钚詺怏w焊接(SAG)和/或?qū)?nèi)管插入外管之后通過液壓成形或使用生鐵機(jī)械膨脹內(nèi)管，從而使內(nèi)管膨脹并型鍛到外管上。在有些實施例中，鐵磁導(dǎo)體被編織在非鐵磁導(dǎo)體上。在某些實施例中，復(fù)合導(dǎo)體利用類似于那些用于包覆(例如把銅包覆到鋼上)的方法形成。銅覆層與基體鐵磁材料之間冶金接合是有利的。通過混合擠壓工序制成的復(fù)合導(dǎo)體可由AnometProducts(美國Massachusetts，Shrewsbury)公司提供，該混合擠壓工序形成了較好的冶金接合(例如銅與446不銹鋼之間較好的結(jié)合)。
圖3-9描繪了溫度限制加熱器的各種實施例。在這些附圖中的任意附圖中所描繪的實施例的溫度限制加熱器的一個或多個特征可以與在這些附圖中所描繪的溫度限制加熱器的其它實施例的一個或多個特征相結(jié)合。在這里所描述的某些實施例中，溫度限制加熱器的尺寸設(shè)計成能在60Hz AC頻率工作。應(yīng)當(dāng)理解，可以調(diào)節(jié)這里所述的溫度限制加熱器的尺寸，以便利用溫度限制加熱器在其它AC頻率以類似的方式工作或利用調(diào)制DC電流工作。
圖3是管道內(nèi)導(dǎo)體加熱器的實施例的橫截面圖。導(dǎo)體212設(shè)置在管道214內(nèi)。導(dǎo)體212是由導(dǎo)電材料制成的桿或管道。在導(dǎo)體212的兩端存在低電阻部分218，用以在這些部分進(jìn)行較少加熱。低電阻部分218通過使導(dǎo)體212在該部分具有更大橫斷面面積而形成，或者這些部分由具有較小電阻的材料制成。在某些實施例中，低電阻部分218包括耦合于導(dǎo)體212的低電阻導(dǎo)體。
管道214由導(dǎo)電材料制成。管道21 4設(shè)置在烴層220的開口216中。開口216具有收容管道214的直徑。
導(dǎo)體212可以通過定心器222置于管道214中心處。定心器222使導(dǎo)體212與管道214電氣隔離。定心器222阻止運(yùn)動，使導(dǎo)體212恰當(dāng)?shù)囟ㄎ辉诠艿?14中。定心器222由陶瓷材料或陶瓷材料和金屬材料的組合制成。定心器222阻止管道214中的導(dǎo)體212變形。定心器222沿著導(dǎo)體212接觸或隔開大約0.1m(米)到大約3m或以上之間的間隔。
導(dǎo)體212的第二低電阻部分218可以將導(dǎo)體212與井頭224耦合在一起，如圖3所示。電流從電源電纜226通過導(dǎo)體212的低電阻部分218施加于導(dǎo)體212。電流從導(dǎo)體212通過滑動連接器228流至管道214。管道214與履蓋層殼體230和井頭224電氣絕緣，以使電流返回至電源電纜226。在導(dǎo)體212和管道214中可以產(chǎn)生熱量。所產(chǎn)生的熱量在管道214和開口216中輻射，以加熱至少一部分烴層220。
履蓋層殼體230可以設(shè)置在履蓋層232中。在有些實施例中，履蓋層殼體230由阻止加熱履蓋層232的材料(例如加強(qiáng)材料和/或水泥)環(huán)繞。導(dǎo)體212的低電阻部分218可以被放置在履蓋層殼體230中。導(dǎo)體212的低電阻部分218由例如碳鋼制成。導(dǎo)體212的低電阻部分218可以通過使用定心器222置于履蓋層殼體230中心處。定心器222沿著導(dǎo)體212的低電阻部分218隔開大約6m到大約12m的間隔，或者例如隔開大約9m的間隔。在一個加熱器實施例中，導(dǎo)體212的低電阻部分218通過一個或多個焊接處耦合于導(dǎo)體212。在其它加熱器實施例中，低電阻部分螺紋結(jié)合、螺紋并焊接或其它方式耦合到導(dǎo)體上。在履蓋層殼體230中，低電阻部分218幾乎不或不產(chǎn)生任何熱量。填料(packing)234可以放置在履蓋層殼體230和開口216之間。填料234可用作履蓋層232和烴地層220之間的接頭上的帽，以允許在履蓋層殼體230與開口216之間的環(huán)空中填充材料。在有些實施例中，填料234阻止流體從開口216流到地表236。
圖4是可移除的管道內(nèi)導(dǎo)體熱源的實施例的橫截面圖。管道214穿過履蓋層232被放置在開口216中，使管道與履蓋層殼體230之間保留一間隙。流體可以通過管道214與履蓋層殼體230之間的該間隙從開口216中開采出來。流體可以通過管道238從間隙中開采出來。管道214和包含在管道中與井頭224耦合在一起的熱源部件可以作為單件從開口216中移除。熱源可以作為單件被移除，以便修理、更換和/或用于地層的另一部分。
對于其中鐵磁導(dǎo)體在居里溫度以下提供大部分電阻熱量輸出的溫度限制加熱器來說，大部分電流流過具有磁場(H)與磁感應(yīng)(B)之間的高非線性函數(shù)的材料。這些非線性函數(shù)可以引起強(qiáng)的感應(yīng)效應(yīng)和畸變，強(qiáng)的感應(yīng)效應(yīng)和畸變導(dǎo)致溫度限制加熱器的功率因子在居里溫度以下的溫度下減小。這些效應(yīng)致使溫度限制加熱器的電源供給難以控制，并可以導(dǎo)致附加的電流流過地表和/或履蓋層供電導(dǎo)體。昂貴的和/或難以實施的控制系統(tǒng)，例如可變電容器或調(diào)制電源可用來嘗試補(bǔ)償這些效應(yīng)，并且嘗試控制溫度限制加熱器，其中，大部分電阻熱量輸出由流過鐵磁材料的電流提供。
在某些溫度限制加熱器實施例中，當(dāng)溫度限制加熱器處于鐵磁導(dǎo)體的居里溫度以下或其附近時，鐵磁導(dǎo)體將大部分電流的流動約束在耦合于鐵磁導(dǎo)體的電導(dǎo)體上。電導(dǎo)體可以是鞘、護(hù)套、支撐構(gòu)件、耐腐蝕構(gòu)件或其它電阻構(gòu)件。在有些實施例中，鐵磁導(dǎo)體把大部分電流的流動約束到位于最外層與鐵磁導(dǎo)體之間的電導(dǎo)體。鐵磁導(dǎo)體位于溫度限制加熱器的橫截面中，以致于在鐵磁導(dǎo)體的居里溫度處或以下的鐵磁導(dǎo)體磁性將大部分電流的流動約束在電導(dǎo)體上。由于鐵磁導(dǎo)體的集膚效應(yīng)，大部分電流的流動被約束到電導(dǎo)體上。因而，在加熱器的大部分工作范圍中，大部分電流流過具有大體上線性電阻特性的材料。
在某些實施例中，鐵磁導(dǎo)體和電導(dǎo)體位于溫度限制加熱器的橫截面中，使得鐵磁材料的集膚效應(yīng)在溫度低于鐵磁導(dǎo)體的居里溫度時限制電流在電導(dǎo)體和鐵磁導(dǎo)體中的穿透深度。因而，在高達(dá)鐵磁導(dǎo)體的居里溫度處或其附近的溫度時，電導(dǎo)體提供溫度限制加熱器的大部分電阻熱量輸出。在某些實施例中，可選擇電導(dǎo)體的尺寸，使之提供所希望的熱量輸出特性。
因為在居里溫度以下，大部分電流流過電導(dǎo)體，所以溫度限制加熱器具有的電阻-溫度關(guān)系曲線至少部分地反映了電導(dǎo)體中材料的電阻-溫度關(guān)系。因而，如果電導(dǎo)體的材料具有基本上線性的電阻-溫度關(guān)系曲線，則在鐵磁導(dǎo)體的居里溫度以下，溫度限制加熱器的電阻-溫度關(guān)系曲線基本上是線性的。例如，溫度限制加熱器具有類似于圖11所示曲線的電阻-溫度關(guān)系曲線，其中在居里溫度以下，大部分電流在電導(dǎo)體中流動。溫度限制加熱器的電阻與流過加熱器的電流幾乎沒有任何關(guān)系，直到溫度接近居里溫度。在居里溫度以下，大部分電流在電導(dǎo)體中流動，而不是在鐵磁導(dǎo)體中流動。
其中大部分電流在電導(dǎo)體中流動的溫度限制加熱器的電阻-溫度關(guān)系曲線在鐵磁導(dǎo)體的居里溫度附近或之處還趨向呈現(xiàn)急劇的電阻減小。居里溫度附近或之處的急劇的電阻減小比居里溫度附近的更平緩的電阻減小更易于控制。
在某些實施例中，電導(dǎo)體中的材料和/或材料尺寸可選擇成，使溫度限制加熱器在鐵磁導(dǎo)體的居里溫度以下具有所希望的電阻-溫度關(guān)系曲線。
其中在居里溫度以下大部分電流在電導(dǎo)體中流動而不是在鐵磁導(dǎo)體中流動的溫度限制加熱器更易于預(yù)知和/或控制。其中在居里溫度以下大部分電流在電導(dǎo)體中流動而不是在鐵磁導(dǎo)體中流動的溫度限制加熱器的行為可以通過例如其電阻-溫度關(guān)系曲線和/或其功率因子-溫度關(guān)系曲線來預(yù)知。電阻-溫度關(guān)系曲線和/或功率因子-溫度關(guān)系曲線可以通過例如確定溫度限制加熱器的行為的實驗測量、確定或預(yù)知溫度限制加熱器的行為的分解等式和/或確定或預(yù)知溫度限制加熱器的行為的模擬實驗來確定或預(yù)知。
在某些實施例中，所確定或預(yù)知的溫度限制加熱器特性用于控制溫度限制加熱器。在加熱器工作期間，可根據(jù)電阻和/或功率因子的測量(確定)控制溫度限制加熱器。在有些實施例中，可根據(jù)加熱器工作期間電阻和/或功率因子的確定以及該確定與加熱器的預(yù)知特性的比較控制供給給溫度限制加熱器的功率或電流。在某些實施例中，溫度限制加熱器的控制不需要測量加熱器的溫度或加熱器附近的溫度。無需溫度測量就能控制溫度限制加熱器，消除了與井下溫度測量有關(guān)的操作成本。與基于所測量的溫度控制加熱器相比，基于電阻和/或加熱器的功率因子的確定控制溫度限制加熱器，還減少了用于調(diào)節(jié)供給給加熱器的功率或電流的時間。
隨著溫度限制加熱器的溫度靠近或超過鐵磁導(dǎo)體的居里溫度，鐵磁導(dǎo)體的鐵磁性能的降低允許電流流過溫度限制加熱器的導(dǎo)電橫截面的較大部分。因而，溫度限制加熱器的電阻減小，在鐵磁導(dǎo)體的居里溫度或其附近，溫度限制加熱器自動提供減小的熱量輸出。在某些實施例中，高導(dǎo)電構(gòu)件耦合于鐵磁導(dǎo)體和電導(dǎo)體，以在鐵磁導(dǎo)體的居里溫度或居里溫度以上減少溫度限制加熱器的電阻。高導(dǎo)電構(gòu)件可以是內(nèi)導(dǎo)體、芯體或另一個由銅、鋁、鎳或它們的合金制成的導(dǎo)電構(gòu)件。
與利用鐵磁導(dǎo)體的溫度限制加熱器中的鐵磁導(dǎo)體相比，在居里溫度以下的溫度下將大部分電流流動約束在電導(dǎo)體上的鐵磁導(dǎo)體具有較小的橫截面，以在直至居里溫度或其附近提供大部分電阻熱量輸出。使用電導(dǎo)體以在居里溫度以下提供大部分電阻熱量輸出的溫度限制加熱器在低于居里溫度的溫度下具有低磁感應(yīng)，這是因為與在居里溫度以下由鐵磁材料提供大部分電阻熱量輸出的溫度限制加熱器相比，較少的電流流過鐵磁導(dǎo)體。鐵磁導(dǎo)體半徑(r)上的磁場(H)與流過鐵磁導(dǎo)體和芯體的電流(I)除以半徑的結(jié)果成正比，或 (2)H∝I/r。
因為對于利用外導(dǎo)體以在居里溫度以下提供大部分電阻熱量輸出的溫度限制加熱器來說，只有一部分電流流過鐵磁導(dǎo)體，所以，溫度限制加熱器的磁場可以比大部分電流流過鐵磁材料的溫度限制加熱器的磁場小得多。磁場越小，相對導(dǎo)磁性(μ)就越大。
鐵磁導(dǎo)體的集膚深度(δ)與相對導(dǎo)磁性(μ)的平方根成反比 (3)δ∝(1/μ)1/2。
相對導(dǎo)磁性的增大減小了鐵磁導(dǎo)體的集膚深度。但是，因為在低于居里溫度的溫度下，只有一部分電流流過鐵磁導(dǎo)體，對于具有大的相對導(dǎo)磁率的鐵磁材料而言，鐵磁導(dǎo)體的半徑(或厚度)可以減小，以補(bǔ)償減小的集膚深度，同時在低于鐵磁導(dǎo)體的居里溫度下的溫度仍然允許集膚效應(yīng)限制電流在電導(dǎo)體上的穿透深度。鐵磁導(dǎo)體的半徑(厚度)可以在0.3mm和8mm之間、0.3mm和2mm之間或2mm和4mm之間，這取決于鐵磁導(dǎo)體的相對導(dǎo)磁性。鐵磁導(dǎo)體厚度的減小降低了溫度限制加熱器的制造成本，這是因為鐵磁材料的成本往往占溫度限制加熱器成本的顯著部分。通過增大鐵磁導(dǎo)體的相對導(dǎo)磁率，提供了溫度限制加熱器的更高調(diào)節(jié)比和在鐵磁導(dǎo)體居里溫度或其附近電阻的更急劇地減小。
具有高的相對導(dǎo)磁率(例如至少200，至少1000，至少1×104，或至少1×105)和/或高的居里溫度(例如至少600℃，至少700℃，或至少800℃)的鐵磁材料(例如純化鐵或鐵-鈷合金)在高溫時通常具有較低的耐腐蝕性和/或較低的機(jī)械強(qiáng)度。對于溫度限制加熱器而言，電導(dǎo)體在高溫時可提供耐腐蝕性和/或高的機(jī)械強(qiáng)度。因而，主要根據(jù)鐵磁性能來選擇鐵磁導(dǎo)體。
在低于鐵磁導(dǎo)體的居里溫度時，把大部分電流流動約束在電導(dǎo)體可以減少功率因子的變化。因為在居里溫度以下，只有一部分電流流過鐵磁導(dǎo)體，所以，除了在居里溫度或其附近之外，鐵磁導(dǎo)體的非線性鐵磁性能幾乎對溫度限制加熱器的功率因子沒有任何影響。甚至在居里溫度或其附近，與其中鐵磁導(dǎo)體在居里溫度以下提供大部分電阻熱量輸出的溫度限制加熱器相比，對功率因子的影響也減少了。因而，很少需要或無需外部補(bǔ)償(例如可變電容器或波形改變)來調(diào)節(jié)溫度限制加熱器的電感負(fù)荷的變化以便保持較高的功率因子。
在某些實施例中，在鐵磁導(dǎo)體的居里溫度以下把大部分電流流動約束到電導(dǎo)體的溫度限制加熱器在加熱器使用期間，使功率因子維持在0.85以上、0.9以上或0.95以上。任何功率因子的減小都只發(fā)生在溫度限制加熱器接近居里溫度的溫度的部分中。在使用期間，溫度限制加熱器的大多數(shù)部分通常不處于居里溫度或其附近。這些部分具有接近1.0的高功率因子。在加熱器的使用期間，即使加熱器的一些部分的功率因子低于0.85，整個溫度限制加熱器的功率因子也能維持在0.85以上、0.9以上或0.95以上。
維持高功率因子也使電源和/或控制設(shè)備例如固態(tài)電源或SCR(硅可控整流器)成本低。如果功率因子由于電感負(fù)荷變化量太大，這些設(shè)備可能不能正確工作。功率因子維持更高值；但是，這些設(shè)備可以用來為溫度限制加熱器提供功率。固態(tài)電源還具有允許精調(diào)和控制調(diào)節(jié)供給給溫度限制加熱器的功率。
在有些實施例中，變換器用于向溫度限制加熱器提供功率。多個電壓抽頭(taps)可制造在變換器內(nèi)，以向溫度限制加熱器提供功率。多個電壓抽頭允許所供給的電流在多個電壓之間來回轉(zhuǎn)換。這使電流維持在由多個電壓抽頭限制的范圍之內(nèi)。
高的導(dǎo)電構(gòu)件或內(nèi)導(dǎo)體增大溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比。在某些實施例中，增大高導(dǎo)電構(gòu)件的厚度，以增大溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比。在有些實施例中，減小電導(dǎo)體的厚度，以增大溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比。在某些實施例中，溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比在1.1到10之間、2到8之間或3到6之間(例如，調(diào)節(jié)比至少為1.1，至少為2，或至少為3)。
圖5描繪了溫度限制加熱器的實施例，其中支撐構(gòu)件在低于鐵磁導(dǎo)體的居里溫度時提供大部分熱量輸出。芯體240是溫度限制加熱器的內(nèi)導(dǎo)體。在某些實施例中，芯體240是高導(dǎo)電材料，例如銅或鋁。在有些實施例中，芯體240是提供機(jī)械強(qiáng)度和良好的電導(dǎo)率的銅合金，例如分散加強(qiáng)銅。在一個實施例中，芯體240是Glidcop(美國NorthCarolina，Research Triangle Park，SCM Metal Products公司)。鐵磁導(dǎo)體242是位于電導(dǎo)體244與芯體240之間的鐵磁材料薄層。在某些實施例中，電導(dǎo)體244也是支撐構(gòu)件248。在某些實施例中，鐵磁導(dǎo)體242是鐵或鐵合金。在有些實施例中，鐵磁導(dǎo)體242包括具有高的相對導(dǎo)磁率的鐵磁材料。例如，鐵磁導(dǎo)體242可以是純化鐵，例如Armco鐵錠(英國AK Steel有限公司)。具有一定純度的鐵通常具有大約400的相對導(dǎo)磁率。通過在氫氣(H2)中在1450℃對鐵進(jìn)行退火以使之純化，來增大鐵的相對導(dǎo)磁率。鐵磁導(dǎo)體242的相對導(dǎo)磁率的增大，允許鐵磁導(dǎo)體的厚度減小。例如，未純化鐵的厚度約為4.5mm，而純化鐵的厚度約為0.76mm。
在某些實施例中，電導(dǎo)體244對鐵磁導(dǎo)體242和溫度限制加熱器提供支撐。電導(dǎo)體244可以由在鐵磁導(dǎo)體242的居里溫度附近或以上提供良好的機(jī)械強(qiáng)度的材料制成。在某些實施例中，電導(dǎo)體244也是耐腐蝕構(gòu)件。電導(dǎo)體244(支撐構(gòu)件248)可以為鐵磁導(dǎo)體242提供支撐，并且也耐腐蝕。電導(dǎo)體244由在高達(dá)鐵磁導(dǎo)體242的居里溫度和/或高于該居里溫度的溫度提供所希望的電阻熱量輸出的材料制成。
在一個實施例中，電導(dǎo)體244是347H不銹鋼。在有些實施例中，電導(dǎo)體244是另一種導(dǎo)電的、具有良好機(jī)械強(qiáng)度的耐腐蝕材料。例如，電導(dǎo)體244可以是304H、316H、347HH、NF709、Incoloy800H合金(美國West Virginia，Huntington，Inco Alloys International)、HaynesHR120合金或Inconel617合金。
在有些實施例中，電導(dǎo)體244(支撐構(gòu)件248)在溫度限制加熱器的不同部分包括不同的合金。例如，電導(dǎo)體244(支撐構(gòu)件248)的下部分是347H不銹鋼，而電導(dǎo)體(支撐構(gòu)件)的上部分是NF709。在某些實施例中，在電導(dǎo)體(支撐構(gòu)件)的不同部分使用不同的合金，以便增大電導(dǎo)體(支撐構(gòu)件)的機(jī)械強(qiáng)度，同時維持所希望的溫度限制加熱器的加熱性能。
在有些實施例中，鐵磁導(dǎo)體242在溫度限制加熱器不同部分包括不同鐵磁導(dǎo)體?？梢栽跍囟认拗萍訜崞鞯牟煌糠质褂貌煌蔫F磁導(dǎo)體，以改變居里溫度，從而改變不同部分的最高工作溫度。在有些實施例中，溫度限制加熱器上部分的居里溫度低于加熱器下部分的居里溫度。上部分的較低的居里溫度提高了加熱器上部分的蠕變斷裂強(qiáng)度壽命。
在圖5所示的實施例中，鐵磁導(dǎo)體242、電導(dǎo)體244和芯體240的尺寸設(shè)計成，使得當(dāng)溫度低于鐵磁導(dǎo)體的居里溫度時，鐵磁導(dǎo)體的集膚深度限制大部分電流在支撐構(gòu)件中流動的穿透深度。因而，在高達(dá)鐵磁導(dǎo)體242的居里溫度處或其附近的溫度時，電導(dǎo)體244提供溫度限制加熱器的大部分電阻熱量輸出。在某些實施例中，圖5中所描繪的溫度限制加熱器小于(例如，直徑為3cm、2.9cm、2.5cm或以下)沒有使用電導(dǎo)體244來提供大部分電阻熱量輸出的其它溫度限制加熱器。圖5所描繪的溫度限制加熱器較小，這是因為，與其中由鐵磁導(dǎo)體提供大部分電阻熱量輸出的溫度限制加熱器所必需的鐵磁導(dǎo)體尺寸相比，鐵磁導(dǎo)體242薄。
在有些實施例中，支撐構(gòu)件和耐腐蝕構(gòu)件在溫度限制加熱器中是不同的構(gòu)件。圖6和7描繪了溫度限制加熱器的實施例，其中護(hù)套在低于鐵磁導(dǎo)體的居里溫度時提供大部分熱量輸出。在該實施例中，電導(dǎo)體244是護(hù)套246。電導(dǎo)體244、鐵磁導(dǎo)體242、支撐構(gòu)件248和芯體240(在圖6中)或內(nèi)導(dǎo)體252(在圖7中)的尺寸設(shè)計成，使得鐵磁導(dǎo)體的集膚深度限制大部分電流在護(hù)套厚度中流動的穿透深度，在某些實施例中，電導(dǎo)體244是在低于鐵磁導(dǎo)體242的居里溫度時提供電阻輸出熱量的耐腐蝕材料。例如，電導(dǎo)體244是825不銹鋼或347H不銹鋼。在有些實施例中，電導(dǎo)體244具有小的厚度(例如，約為0.5mm)。
在圖6中，芯體240是高導(dǎo)電材料，例如銅或鋁。支撐構(gòu)件248是347H不銹鋼或其它在鐵磁導(dǎo)體242的居里溫度或其附近具有良好的機(jī)械強(qiáng)度的材料。
在圖7中，支撐構(gòu)件248是溫度限制加熱器的芯體，而且是347H不銹鋼或其它在鐵磁導(dǎo)體242的居里溫度或其附近具有良好的機(jī)械強(qiáng)度的材料。內(nèi)導(dǎo)體252是高導(dǎo)電材料，例如銅或鋁。
圖8A和8B是帶有三軸導(dǎo)體的溫度限制加熱器的實施例的橫截面圖，其中中間導(dǎo)體250包括電導(dǎo)體和鐵磁材料。電導(dǎo)體可以位于中間導(dǎo)體250外部。電導(dǎo)體和鐵磁材料的尺寸設(shè)計成，使得當(dāng)溫度低于鐵磁材料的居里溫度時，鐵磁材料的集膚深度限制大部分電流在電導(dǎo)體中流動的穿透深度。在高達(dá)鐵磁導(dǎo)體的居里溫度處或其附近的溫度時，電導(dǎo)體提供中間導(dǎo)體250(和三軸溫度限制加熱器)的溫度限制加熱器的大部分電阻熱量輸出。電導(dǎo)體由在高達(dá)鐵磁構(gòu)件的居里溫度和/或高于該居里溫度的溫度下提供所希望的電阻熱量輸出的材料制成。例如，電導(dǎo)體是347H不銹鋼、304H、316H、347HH、NF709、Incoloy800H合金、HaynesHR120合金或Inconel617合金。
在某些實施例中，溫度限制加熱器的材料和結(jié)構(gòu)選擇成允許在高溫使用加熱器(例如在85℃)。圖9描繪了溫度限制加熱器的高溫實施例。在圖9中所描繪的加熱器用作管道內(nèi)導(dǎo)體加熱器，大部分熱量產(chǎn)生于管道214中。因為大多數(shù)熱量是在管道214中產(chǎn)生，而不是在導(dǎo)體212產(chǎn)生，所以管道內(nèi)導(dǎo)體加熱器可以提供更高的熱量輸出。使熱量在管道214內(nèi)產(chǎn)生，減少了與管道與導(dǎo)體212之間熱遷移有關(guān)的熱量損失。
芯體240和導(dǎo)電層254是銅。在有些實施例中，如果工作溫度接近或高于銅的熔點(diǎn)，芯體240和導(dǎo)電層254是鎳。支撐構(gòu)件248是在高溫下具有良好的機(jī)械強(qiáng)度的導(dǎo)電材料。承受最高溫度至少為870℃的用于支撐構(gòu)件248的材料可以是MO-RE合金((美國Pennsylvania，Scottdale)Duraloy Technologies公司)、CF8C+((美國Wisconsin，Waukesha)Metaltek Intl.)或Inconel617合金，但并不局限于這些。承受最高溫度至少為980℃的用于支撐構(gòu)件248的材料可以包括Incoloy合金MA 956，但并不局限于此。管道214中的支撐構(gòu)件248為管道提供機(jī)械支撐。導(dǎo)體212中的支撐構(gòu)件248為芯體240提供機(jī)械支撐。
電導(dǎo)體244是薄的耐腐蝕材料。在某些實施例中，電導(dǎo)體244是347H、617、625或800H不銹鋼。鐵磁導(dǎo)體242是具有高的居里溫度的鐵磁材料，例如鐵-鈷合金(例如含15％重量比鈷的鐵-鈷合金)。
在某些實施例中，在高達(dá)鐵磁導(dǎo)體242的居里溫度處或其附近的溫度時，電導(dǎo)體244提供溫度限制加熱器的大多數(shù)熱量輸出。導(dǎo)電層254增大了溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比。
在有些實施例中，溫度限制加熱器用于實現(xiàn)低溫加熱(例如，在生產(chǎn)井中加熱流體，加熱地表管線，或減小井眼或附近井眼區(qū)域的流體粘度)。通過改變溫度限制加熱器的鐵磁材料，允許進(jìn)行低溫加熱。在有些實施例中，鐵磁導(dǎo)體由居里溫度低于446不銹鋼的材料制成。例如，鐵磁導(dǎo)體可以是鐵和鎳的合金。該合金具有30％重量比到42％重量比之間的鎳，其余為鐵。在一個實施例中，合金是不脹鋼(Invar)36。不脹鋼36在鐵中具有36％重量比的鎳，其居里溫度為277℃。在有些實施例中，合金是三組分合金，例如具有鉻、鎳和鐵的三組分合金。例如，合金具有6％重量比鉻、42％重量比鎳和52％重量比鐵。由不脹鋼36制成的2.5cm直徑桿在居里溫度下具有大約為2∶1的調(diào)節(jié)比。通過將不脹鋼36合金放置在銅芯體上，可以使桿直徑更小。銅芯體可以引起高的調(diào)節(jié)比。低溫加熱器實施例中的絕緣體可以由高性能聚合物絕緣體(例如PFA或PEEKTM)制成，此時其與居里溫度低于聚合物絕緣體的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)的合金一起使用。
例子 非限制性的例子闡明在下面。
把一個6英尺的溫度限制加熱器元件放置在6英尺的347H不銹鋼筒內(nèi)。加熱器元件與筒串聯(lián)連接。加熱元件和筒被放置在爐中。爐用來升高加熱器元件和筒的溫度。在變化的溫度下，一系列電流流過加熱器元件并通過筒返回。加熱器元件的電阻和加熱器元件的功率因子根據(jù)電流流通期間的測量來確定。
圖10描繪了對于具有銅芯體、碳鋼鐵磁導(dǎo)體和不銹鋼347H不銹鋼支撐構(gòu)件的溫度限制加熱器在若干電流下，通過實驗所測量的電阻(mΩ)-溫度(℃)關(guān)系。鐵磁導(dǎo)體是居里溫度為770℃的低碳鋼。鐵磁導(dǎo)體被夾在銅芯體與347H支撐構(gòu)件之間。銅芯體的直徑為0.5″。鐵磁導(dǎo)體的外徑為0.765″。支撐構(gòu)件的外徑為1.05″。筒是3″表160347H不銹鋼筒。
數(shù)據(jù)256表示施加300A、60Hz AC電流時的電阻-溫度關(guān)系。數(shù)據(jù)258表示施加400A、60Hz AC電流時的電阻-溫度關(guān)系。數(shù)據(jù)260表示施加500A、60Hz AC電流時的電阻-溫度關(guān)系。曲線262表示施加10A DC電流時的電阻-溫度關(guān)系。電阻-溫度關(guān)系數(shù)據(jù)表明，溫度限制加熱器的AC電阻線性增大，直至接近鐵磁導(dǎo)體的居里溫度的溫度。在居里溫度附近，AC電阻快速減小，直到AC電阻等于居里溫度以上的DC電阻。AC電阻在居里溫度以下的線性依賴至少部分地反映了347H的AC電阻在這些溫度下的線性依賴。因而，AC電阻在居里溫度以下的線性依賴表明，在這些溫度，大部分電流流過347H支撐構(gòu)件。
圖11描繪了對于具有銅芯體、鐵-鈷鐵磁導(dǎo)體和不銹鋼347H不銹鋼支撐構(gòu)件的溫度限制加熱器在若干電流下，通過實驗所測量的電阻(mΩ)-溫度(℃)關(guān)系數(shù)據(jù)。鐵-鈷鐵磁導(dǎo)體是帶有6％重量比鈷的鐵-鈷導(dǎo)體，其居里溫度為834℃。鐵磁導(dǎo)體被夾在銅芯體與347H支撐構(gòu)件之間。銅芯體的直徑為0.465″。鐵磁導(dǎo)體的外徑為0.765″。支撐構(gòu)件的外徑為1.05″。筒是3″表160 347H不銹鋼筒。
數(shù)據(jù)264表示施加100A、60Hz AC電流時的電阻-溫度關(guān)系。數(shù)據(jù)266表示施加400A、60Hz AC電流時的電阻-溫度關(guān)系。曲線268表示10A DC時的電阻-溫度關(guān)系。該溫度限制加熱器的AC電阻比上述溫度限制加熱器在更高的溫度下向下轉(zhuǎn)折。這是由于添加的鈷使鐵磁導(dǎo)體的居里溫度升高的緣故。AC電阻基本上與具有支撐構(gòu)件尺寸的347H鋼管的AC電阻相同。這表明，在這些溫度，大部分電流流過347H支撐構(gòu)件。圖11中的電阻曲線具有與圖10中的電阻曲線大體上相同的形狀。
圖12描繪了對于具有銅芯體、鐵-鈷鐵磁導(dǎo)體和不銹鋼347H不銹鋼支撐構(gòu)件的溫度限制加熱器在兩個AC電流，通過實驗所測量的電阻(y軸)-溫度(℃)關(guān)系。曲線270表示施加100A、60Hz AC電流時的功率因子-溫度關(guān)系。曲線272表示施加400A、60Hz AC電流時的功率因子-溫度關(guān)系。除了在居里溫度附近的區(qū)域外，功率因子接近一個單位(1)。在居里溫度附近區(qū)域，非線性磁性和流過鐵磁導(dǎo)體的較大部分電流在加熱器中產(chǎn)生感應(yīng)效應(yīng)和降低功率因子的畸變。圖12顯示在該試驗中，在所有溫度下，該加熱器的功率因子的最小值維持在0.85以上。因為用于加熱地下地層的溫度限制加熱器只有一些部分可以在任何給定的時間點(diǎn)處于居里溫度，并且在使用期間這些部分的功率因子不會低于0.85，所以，在使用期間，整個溫度限制加熱器的功率因子會維持在0.85以上(例如0.9以上或0.95以上)。
根據(jù)對于具有銅芯體、鐵-鈷鐵磁導(dǎo)體和347H不銹鋼支撐構(gòu)件的溫度限制加熱器的試驗數(shù)據(jù)，可以計算出與溫度限制加熱器所傳送的最大功率(W/m)有關(guān)的調(diào)節(jié)比(y軸)。圖13中顯示了這些計算的結(jié)果。圖13中的曲線顯示，對于高達(dá)約2000W/m的加熱器功率而言，調(diào)節(jié)比(y軸)維持在2以上。這條曲線用來去定加熱器以穩(wěn)定的方式有效地提供熱量輸出的能力。具有與圖13中曲線類似的曲線的溫度限制加熱器能夠提供充足的熱量輸出，同時維持阻止該加熱器過熱或失靈的溫度限制性能。
使用一理論模型來預(yù)知試驗結(jié)果。該理論模型以對復(fù)合導(dǎo)體的AC電阻的分析解法為基礎(chǔ)。復(fù)合導(dǎo)體具有一薄層鐵磁材料，其相對導(dǎo)磁率μ2/μ0＞＞1，該鐵磁材料薄層被夾在兩個非鐵磁材料之間，兩個非鐵磁材料的相對導(dǎo)磁率，μ1/μ0和μ3/μ0，接近一(unity)，在兩個非鐵磁材料內(nèi)部，集膚效應(yīng)可以忽略不計。在該模型中，假定鐵磁材料是線性的。另外，從用于該模型的磁性數(shù)據(jù)中提取相對導(dǎo)磁率，μ2/μ0的方法一點(diǎn)也不嚴(yán)格。
在該理論模型中，三個導(dǎo)體，從最內(nèi)部到最外部，具有的半徑a＜b＜c，導(dǎo)電率分別為σ1、σ2和σ3。各處的電場和磁場具有諧波形式 電場 (7)E1(r，t)＝ES1(r)ejωt；r＜a； (8)E2(r，t)＝ES2(r)ejωt；a＜r＜b；和 (9)E3(r，t)＝ES3(r)ejωt；b＜r＜c. 磁場 (10)H1(r，t)＝HS1(r)ejωt；r＜a； (11)H2(r，t)＝HS2(r)ejωt；a＜r＜b；和 (12)H3(r，t)＝HS3(r)ejωt；b＜r＜c. 在交接面上所滿足的邊界條件為 (13)ES1(a)＝ES2(a)；HS1(a)＝HS2(a)；和 (14)ES2(b)＝ES3(b)；HS2(b)＝HS3(b). 電流在非居里導(dǎo)體中均勻流動，所以 (15)和 (16)I-2πbHS3(b)＝π(c2-b2)JS3(b)＝π(c2-b2)σ3ES3(b). I表示流經(jīng)復(fù)合導(dǎo)體樣本的總電流。等式13和14用來按照有關(guān)材料2(鐵磁材料)的邊界條件表示等式15和16。得到 (17)和 (18)I＝2πbHS2(b)+π(c2-b2)σ3ES2(b). ES2(r)滿足等式 (19) 和 (20)C2＝j(luò)ωμ2σ2. 利用事實 (21) 等式17和18的邊界條件用ES2表示，它的導(dǎo)數(shù)如下 (22)和 (23) 無因次坐標(biāo)x代入等式 (24) 當(dāng)r＝a時，x是-1，當(dāng)r＝b時，x是1。等式19利用x寫成 (25) 和 (26)和 (27)β＝(b-a)/(b+a). α可以表示為 (28)α＝αR(1-i)， 和 (29) 等式22和23可以表示為 (30)和 (31) 在等式30和31中，速記標(biāo)志Ea和Eb分別用于ES2(a)和ES2(b)，并代入無因次參數(shù)γa、γb和標(biāo)準(zhǔn)化電流

。這些數(shù)值根據(jù)下列等式給出 (32)和 (33) 等式32可以通過利用等式29以無因次參數(shù)表示。結(jié)果是 (34) 等式34還可撰寫成 (35)γa＝(σ1/σ2)aαR/δ；γb＝2(σ3/σ2)(c2-b2)αR/(δb). 在材料中產(chǎn)生的平均每單位長度功率由下列等式給出 (36) AC電阻則是 (37) 為得到等式25的近似解，在等式25中假定β小得足以忽略不計。如果鐵磁材料(材料2)的厚度比其平均半徑小得多，則保持這個假定。則通解采取形式 (38)ES2＝Aeαx+Be-αx. 那么 (39)Ea＝Ae-α+Beα；和 (40)Eb＝Aeα+Be-α. 將等式38-40代入等式30和31，對A和B得到下列系列等式 (41)α(Ae-α-Beα)＝-jγa(Ae-α+Be-α)；和 (42) 重新整理等式41，對B得到用A表示的表達(dá)式 (43) 還可以寫成 (44) 和 (45) 如果 (46)A＝|A|exp(iφA) 回查A的相位(phase)，則 (47)φA＝0. 根據(jù)等式44 (48)B＝|B|exp(iφB)，和 (49)|B|＝(Г+/Г-)exp(-2αR)|A|；且 (50)φB＝2αR-φ+-φ-；這里 (51)和 (52)φ±＝tan-1{φ±/αR}. 則 (53)Ea＝|A|exp(-αR+iαR)+|B|exp{αR+i(φB-αR)}；和 (54)Eb＝|A|exp(αR-iαR)+|B|exp{-αR+i(φB+αR)}. 因此 (55A)Re[Ea]＝|A|exp(-αR)cos(αR)+|B|exp(αR)cos(φB-αR)； (55B)Im[Eα]＝|A|exp(-αR)sin(αR)+|B|exp(αR)sin(φB-αR)； (55C)Re[Eb]＝|A|exp(αR)cos(αR)+|B|exp(-αR)cos(φB+αR)；和 (55D)Im[Ea]＝-|A|exp(αR)sin(αR)+|B|exp(-αR)sin(φB+αR). 流過中心導(dǎo)體和外導(dǎo)體的電流絕對值之比由下列等式給出 (56) 流過中心導(dǎo)體的總電流由下列等式給出 (57)I2＝σ2π(b2-a2)(A+B)sinh(α)/α 此刻 (58)sinh(α)/α＝(1+i){sinh(αR)cos(αR)-icosh(αR)sin(αR)}/(2αR)＝(s++s-i)，和 (59)S±＝{sinh(αR)cos(αR)±cosh(αR)sin(αR)}/(4αR) 因此 (60)Re[I2]＝σ2π(b2-a2){{|A|+|B|cos(φB)}S+-|B|sin(φB)S-}；和 (61)Im[I2]＝σ2π(b2-a2){{|A|+|B|cos(φB)}S-+|B|sin(φB)S+} 從而給出均方根(root-mean-square)電流 (62) 此外，等式40-42用來計算等式29右手側(cè)的第二項(term)(忽略β項)。結(jié)果是 (63)
等式63除以等式62得到AC電阻(參見等式37)的表達(dá)式。
給定尺寸a、b和c以及σ1、σ2和σ3的值，這些值是已知的溫度函數(shù)，并假定鐵磁材料(材料2)的相對導(dǎo)磁率的值，或等同地設(shè)定集膚深度δ，A＝1，由此可以計算每單位長度AC電阻RAC。還可以計算流過內(nèi)導(dǎo)體(材料1)和鐵磁材料(材料2)的均方根電流與總數(shù)之比。那么，對于給定的總RMS電流，可以計算流過材料1和2的RMS電流，這給出了材料2表面上的磁場。利用材料2的磁場數(shù)據(jù)，可以推得μ2/μ0值，由此推得δ值。相對于原始集膚深度標(biāo)繪該集膚深度，生成相交于真實的δ的一對曲線。
磁場數(shù)據(jù)根據(jù)作為鐵磁材料的碳鋼獲得。B-H曲線和相對導(dǎo)磁率可以根據(jù)各個溫度直至1100以及磁場直至200Oe(奧斯特)的磁場數(shù)據(jù)獲得。可以找到很好地適合最高導(dǎo)磁率以及超過導(dǎo)磁率的相關(guān)性。圖14描繪了對于所找到的相關(guān)性和碳鋼的原始數(shù)據(jù)的相對導(dǎo)磁率(y軸)-磁場(Oe)關(guān)系的例子。數(shù)據(jù)274是碳鋼在400時的原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)276是碳鋼在1000時的原始數(shù)據(jù)。曲線278是碳鋼在400時所找到的相關(guān)性。曲線280是碳鋼在1000時所找到的相關(guān)性。
對于上述實驗中的銅/碳鋼/347H加熱器元件的尺寸和材料而言，執(zhí)行如上所述的推理計算，以計算以集膚深度為函數(shù)的位于碳鋼外表面的磁場。理論計算的結(jié)果與來自施加于圖14的磁場數(shù)據(jù)的相關(guān)性的集膚深度-磁場關(guān)系處于相同的繪圖中。理論計算和相關(guān)性針對四個溫度(200、500、800和1100)和五個總均方根(RMS)電流(100A、200A、300A、400A和500A)進(jìn)行。
圖15顯示了對于所有四個溫度和400A電流而言的集膚深度(in)-磁場(Oe)關(guān)系的結(jié)果繪圖。曲線282是來自磁場數(shù)據(jù)在200時的相關(guān)性。曲線284是來自磁場數(shù)據(jù)在500時的相關(guān)性。曲線286是來自磁場數(shù)據(jù)在800時的相關(guān)性。曲線288是來自磁場數(shù)據(jù)在1100時的相關(guān)性。曲線290是碳鋼的外表面上與200時的集膚深度有關(guān)的理論計算。曲線292是碳鋼的外表面上與500時的集膚深度有關(guān)的理論計算。曲線294是碳鋼的外表面上與800時的集膚深度有關(guān)的理論計算。曲線296是碳鋼的外表面上與1100時的集膚深度有關(guān)的理論計算。
把根據(jù)在圖15中相同溫度曲線的交點(diǎn)獲得的集膚深度代入如上所述的等式，由此計算每單位長度AC電阻。隨后計算整個加熱器的總AC電阻，包括筒的AC電阻。在圖16中顯示了電流為300A(實驗數(shù)據(jù)298和數(shù)字曲線300)、400A(實驗數(shù)據(jù)302和數(shù)字曲線304)和500A(實驗數(shù)據(jù)306和數(shù)字曲線308)時的實驗結(jié)果和數(shù)字(計算)結(jié)果之間的比較。雖然數(shù)字結(jié)果比實驗結(jié)果呈現(xiàn)更陡的趨勢，理論模型捕獲實驗數(shù)據(jù)的封閉串(close bunching)，總的來說，這些值完全合理地給定了涉及理論模型中的假定。例如，其中一個涉及滲透率利用的假定由準(zhǔn)靜態(tài)B-H曲線得來，用以處理動態(tài)系統(tǒng)。
描述三部分溫度限制加熱器中的交流電流動的理論模型的一個特點(diǎn)是，AC電阻隨著集膚深度的增大沒有單調(diào)減小。圖17顯示了與通過理論模型計算出的1100時的集膚深度(in)有關(guān)的加熱元件的每英尺AC電阻(mΩ)。通過選擇集膚深度，可以使AC電阻達(dá)到最大，所選擇的集膚深度位于電阻-集膚深度關(guān)系曲線的非單調(diào)部分的頂點(diǎn)(例如圖17中大約0.23英寸處)。
圖18顯示了每個加熱器部件(曲線310(銅芯體)、曲線312(碳鋼)、曲線314(347H外層)和曲線316(總))上的每單位長度所產(chǎn)生的功率(W/ft)-集膚深度(in.)關(guān)系。正如所料，在銅芯體的功率耗損隨著集膚深度的增加而增加的同時，347H的功率耗損減少。碳鋼的最大功率耗損出現(xiàn)在約0.23英寸的集膚深度處，其應(yīng)當(dāng)與功率因子的最小值相對應(yīng)，如圖12所示。碳鋼的電流密度的行為像波長λ＝2πδ的衰減波一樣，該波長在銅/碳鋼和碳鋼/347H交接面上的邊界條件上的效應(yīng)在圖17中的結(jié)構(gòu)之后。例如，AC電阻的局部最小值接近某個值，在該值，碳鋼層厚度相當(dāng)于λ/4。
展開公式，該公式描述了用于模擬特定實施例中的加熱器的性能的溫度限制加熱器的AC電阻-溫度關(guān)系曲線的形狀。圖10和11中的數(shù)據(jù)表明，電阻開始線性上升，然后朝DC線愈加突然地下降。各個加熱器的電阻-溫度關(guān)系曲線可以由如下等式描述 (64)RAC＝AAC+BACT；T＜＜TC；和 (65)RAC＝RDC＝ADC+BDCT；T＞＞TC. 注意，ADC和BDC與電流無關(guān)，而AAC和BAC取決于電流。在等式64和65之間挑選形式進(jìn)行交換，形成下列關(guān)于RAC的表達(dá)式 (66 ) 和 由于AAC和BAC是電流的函數(shù)，所以 (67) 參數(shù)α也是電流的函數(shù)，并呈現(xiàn)平方關(guān)系 (68)α＝α0+α1I+α2I2 參數(shù)β、T0、ADC和BbC與電流無關(guān)。上述實驗中銅/碳鋼/347H加熱器的這些參數(shù)的值列在表2上。
表2 圖19A-C是在300A(圖19A)、400A(圖19B)和500A(圖19C)時的等式66-68中理論計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比較。圖19A描繪了在300A時的電阻(mΩ)-溫度()關(guān)系。數(shù)據(jù)318是300A時的實驗數(shù)據(jù)。曲線320是300A時的理論計算。曲線322是在10A DC時的電阻-溫度關(guān)系曲線。圖19B描繪了在400A時的電阻(mΩ)-溫度()關(guān)系。數(shù)據(jù)324是400A時的實驗數(shù)據(jù)。曲線326是400A時的理論計算。曲線328是在10A DC時的電阻-溫度關(guān)系曲線。圖19C描繪了在500A時的電阻(mΩ)-溫度()關(guān)系。數(shù)據(jù)330是500A時的實驗數(shù)據(jù)。曲線332是500A時的理論計算。曲線334是在10A DC時的電阻-溫度關(guān)系曲線。注意，為了得到每英尺電阻，例如，在模擬工作時，通過理論計算得出的電阻必須除以6。
鑒于該描述，本發(fā)明各個方面的進(jìn)一步改進(jìn)和替換實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。因此，該描述只是解釋性的，其目的是用來教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員執(zhí)行本發(fā)明的一般方式。應(yīng)當(dāng)理解，這里所示的和所描述的本發(fā)明的這些形式作為目前優(yōu)選的實施例。元件和材料可以用這里所示的以及所描述的這些來替換，零件和流程可以顛倒，本發(fā)明的某些特征可以獨(dú)立使用，在閱讀了本發(fā)明的說明書之后，所有這些對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說都是顯而易見的。在沒有脫離下列權(quán)利要求書中所述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對在此所述的元件進(jìn)行改變。另外，應(yīng)當(dāng)理解，在此獨(dú)立地描述的特征在某些實施例中可以結(jié)合起來。
權(quán)利要求
1.一種加熱器，其包括
鐵磁導(dǎo)體；和
電耦合于所述鐵磁導(dǎo)體的電導(dǎo)體，其中，所述鐵磁導(dǎo)體相對于所述電導(dǎo)體設(shè)置，使得由鐵磁導(dǎo)體中隨時間變化的電流產(chǎn)生的電磁場在低于或接近選定溫度的溫度下將大部分電流流動約束到電導(dǎo)體。
2.如權(quán)利要求1所述的加熱器，其特征在于，所述選定溫度是鐵磁導(dǎo)體的居里溫度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的加熱器，其特征在于，鐵磁導(dǎo)體和電導(dǎo)體電耦合在一起，使得在加熱器使用期間加熱器的功率因子保持在0.85以上、0.9以上或0.95以上。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的加熱器，其特征在于，電導(dǎo)體至少部分地圍繞鐵磁導(dǎo)體。
5.如權(quán)利要求1-4之一所述的加熱器，其特征在于，加熱器還包括內(nèi)電導(dǎo)體，所述內(nèi)導(dǎo)體至少部分地由鐵磁導(dǎo)體圍繞，并電耦合于鐵磁導(dǎo)體。
6.如權(quán)利要求5所述的加熱器，其特征在于，內(nèi)電導(dǎo)體包括提供至少一定機(jī)械強(qiáng)度以支撐加熱器的強(qiáng)力構(gòu)件。
7.如權(quán)利要求5或6所述的加熱器，其特征在于，內(nèi)電導(dǎo)體包括銅和/或帶有鎢纖維的銅。
8.如權(quán)利要求1-7之一所述的加熱器，其特征在于，加熱器還包括至少部分地圍繞電導(dǎo)體的鞘，所述鞘包括耐腐蝕材料。
9.如權(quán)利要求1-8之一所述的加熱器，其特征在于，加熱器還包括至少部分地圍繞電導(dǎo)體的電絕緣體。
10.如權(quán)利要求9所述的加熱器，其特征在于，加熱器還包括至少部分地圍繞電絕緣體的導(dǎo)電鞘，其中所述鞘通過電絕緣體與電導(dǎo)體電絕緣。
11.如權(quán)利要求1-10之一所述的加熱器，其特征在于，加熱器具有至少為1.1的調(diào)節(jié)比。
12.如權(quán)利要求1-11之一所述的加熱器，其特征在于，電導(dǎo)體在高達(dá)大約選定溫度的溫度下提供加熱器的大部分電阻熱量輸出。
13.如權(quán)利要求1-12之一所述的加熱器，其特征在于，鐵磁導(dǎo)體和電導(dǎo)體同心地耦合在一起。
14.如權(quán)利要求1-13之一所述的加熱器，其特征在于，電導(dǎo)體和鐵磁導(dǎo)體縱向地耦合在一起。
15.如權(quán)利要求1-14之一所述的加熱器，其特征在于，加熱器配置成(a)在選定溫度以下提供第一熱量輸出，和(b)大約在選定溫度或以上提供第二熱量輸出，與第一熱量輸出相比，第二熱量輸出是減小的。
16.如權(quán)利要求15所述的加熱器，其特征在于，加熱器配置成自動提供第二熱量輸出。
17.如權(quán)利要求15或16所述的加熱器，其特征在于，第二熱量輸出最多為第一熱量輸出的90％，第一熱量輸出為低于選定溫度50℃的溫度下的熱量輸出。
18.如權(quán)利要求1-17之一所述的加熱器，其特征在于，加熱器配置成允許熱量從加熱器傳遞至一部分地下地層。
19.如權(quán)利要求1-18之一所述的加熱器，其特征在于，加熱器配置成放置在地下地層的開口內(nèi)。
20.如權(quán)利要求1-19之一所述的加熱器，其特征在于，鐵磁導(dǎo)體配置成在選定溫度以下或附近的溫度使隨時間變化的電流大體上集中流向電導(dǎo)體。
21.一種用于控制如權(quán)利要求1-20任一所述的加熱器的方法，該方法包括
確定地下地層中的加熱器的電氣特征，所述加熱器配置成加熱至少一部分地層；
把所確定的電氣特征與所預(yù)計的電氣特征行為進(jìn)行比較；和
根據(jù)比較，控制加熱器。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，電氣特征是加熱器的電阻。
23.如權(quán)利要求21或22所述的方法，其特征在于，電氣特征是加熱器的功率因子。
24.如權(quán)利要求21-23之一所述的方法，其特征在于，所述方法還包括基于加熱器的電氣測量，確定電氣特征。
25.如權(quán)利要求21-24之一所述的方法，其特征在于，該方法還包括利用實驗測量、解析等式和/或模擬，確定電氣特征的預(yù)計行為。
26.如權(quán)利要求21-25之一所述的方法，其特征在于，電氣特征的預(yù)計行為確定為加熱器溫度的函數(shù)。
27.如權(quán)利要求21-26之一所述的方法，其特征在于，通過把所確定的電氣特征與電氣特征的預(yù)計行為進(jìn)行比較，確定加熱器的溫度。
28.如權(quán)利要求21-27之一所述的方法，其特征在于，控制加熱器包括控制供給給電加熱器的電流和/或功率。
29.如權(quán)利要求21-28之一所述的方法，其特征在于，所確定的電氣特征是在加熱器的選定溫度附近或以上操作的加熱器長度的百分比。
30.一種利用權(quán)利要求1-19任一所述的加熱器加熱地下地層的方法，該方法包括向一部分地下地層供給熱量。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，地下地層包括烴，該方法還包括使熱量傳遞至地層，使得至少一些烴在地層中被熱解。
32.如權(quán)利要求30或31所述的方法，其特征在于，還包括從地層開采流體。
33.一種組成物，其包括利用權(quán)利要求1-20任一所述的加熱器或利用權(quán)利要求30-32任一所述的方法開采的烴。
34.一種由權(quán)利要求33所述的組成物制成的運(yùn)輸燃料。
35.一種加熱器，其包括
鐵磁導(dǎo)體；和
電導(dǎo)體，其相對于鐵磁導(dǎo)體設(shè)置，使得由鐵磁導(dǎo)體中隨時間變化的電流產(chǎn)生的電磁場在低于或接近選定溫度的溫度下至少將大部分電流流動約束到電導(dǎo)體。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種加熱器。加熱器包括鐵磁導(dǎo)體(242)和電耦合于所述鐵磁導(dǎo)體的電導(dǎo)體(244)。鐵磁導(dǎo)體相對于電導(dǎo)體設(shè)置，使得由鐵磁導(dǎo)體中隨時間變化的電流產(chǎn)生的電磁場在低于或接近選定溫度的溫度下將大部分電流流動約束在電導(dǎo)體。
文檔編號E21B36/04GK101163854SQ200680013090
公開日2008年4月16日 申請日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者C·K·哈里斯, H·J·維訥格 申請人:國際殼牌研究有限公司