專利名稱：具有半導(dǎo)體層的絕緣導(dǎo)體加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于加熱地下地層的系統(tǒng)和方法。更特別地，本發(fā)明涉及用于加熱地下含烴地層的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
從地下地層獲得的烴通常用于能源、原料和消費品。由于對可用烴源用盡的關(guān)注和對生產(chǎn)的烴的整體質(zhì)量下降的關(guān)注，已經(jīng)引起對更高效地開采、處理和/或利用可用烴源的工藝進行開發(fā)。就地工藝可用于從之前不可進入和/或使用可用方法提取太昂貴的地下地層分離出烴材料?？赡苄枰淖兊叵碌貙又袩N材料的化學(xué)和/或物理性能來使烴材料更易于從地下地層分離出，和/或提高烴材料的價值。化學(xué)和物理變化可包括地層中烴材料的產(chǎn)生可分離出的流體的就地反應(yīng)、組分變化、溶解度變化、密度變化、相變和/或粘度變化。 加熱器可放置在井筒中，用于在就地工藝中加熱地層。存在很多不同類型的可用于加熱地層的加熱器。利用井下加熱器的就地工藝的示例示出在授予Ljungstorm的美國專利 No. 2, 634, 961 ;授予 Ljungstorm 的美國專利 No. 2, 732, 195 ;授予 Ljungstorm 的美國專利2，780, 450 ;授予Ljungstorm的美國專利2，789，805 ;授予Ljungstorm的美國專利2，923, 535 ;授予Van Merus等人的4，886, 118 ;和授予Wellington等人的美國專利6，688，387 中。用于地下應(yīng)用中例如在一些應(yīng)用中加熱含烴地層的礦物絕緣(MI)電纜(絕緣導(dǎo)體)較長，可具有更大的外徑，并且可在比MI電纜行業(yè)中通常的電壓和溫度更高的電壓和溫度下操作。在長度長的絕緣導(dǎo)體的制造和/或裝配過程中存在很多潛在的問題。例如，存在潛在的由于用于絕緣導(dǎo)體中的電絕緣體隨時間過去發(fā)生劣化而造成的電和/或機械問題。還存在在絕緣導(dǎo)體加熱器的裝配過程中需要克服的與電絕緣體相關(guān)的潛在問題。例如芯鼓起或其他機械缺陷等問題可能在絕緣導(dǎo)體加熱器裝配過程中發(fā)生。發(fā)生這樣的情況可能在加熱器使用過程中導(dǎo)致電問題，并且可能使得加熱器不能用于其預(yù)期目的。另外，在絕緣導(dǎo)體裝配和/或安裝到地下的過程中，可能存在絕緣導(dǎo)體上的增大應(yīng)力的問題。例如，在用于運輸和安裝絕緣導(dǎo)體的卷軸上纏繞和展開絕緣導(dǎo)體可在絕緣導(dǎo)體上或絕緣導(dǎo)體中的其他部件上產(chǎn)生機械應(yīng)力。因而，需要更可靠的系統(tǒng)和方法來在絕緣導(dǎo)體的制造、裝配和/或安裝過程中降低或消除潛在的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本文所述的實施例總體涉及用于處理地下地層的系統(tǒng)、方法和加熱器。本文所述的實施例還總體涉及其中具有新穎部件的加熱器。這樣的加熱器可通過使用本文所述的系統(tǒng)和方法獲得。在一些實施例中，本發(fā)明提供一種或多種系統(tǒng)、方法和/或加熱器。在一些實施例中，所述系統(tǒng)、方法和/或加熱器用于處理地下地層。在一些實施例中，構(gòu)造成用于加熱地下地層的加熱器包括電導(dǎo)體；至少部分地包圍電導(dǎo)體的半導(dǎo)體層；至少部分地包圍電導(dǎo)體的絕緣層；以及至少部分地包圍絕緣層的導(dǎo)電外鞘。在一些實施例中，用于加熱地下地層的方法包括從至少部分地位于地層的含烴層中的開口內(nèi)的加熱器向所述含烴層的至少一部分提供熱，所述開口從地層的表面延伸穿過地層的上覆巖層部分并進入地層的所述含烴層，其中所述加熱器包括電導(dǎo)體、至少部分地包圍電導(dǎo)體的半導(dǎo)體層、至少部分地包圍電導(dǎo)體的絕緣層、以及至少部分地包圍絕緣層的導(dǎo)電外鞘；容許熱傳遞至地層以使得地層中的至少一些烴活動化；以及從所述地層生產(chǎn)至少某些活動化烴。在另外的實施例中，來自特定實施例的特征可與來自其他實施例的特征組合。例 如，來自一個實施例的特征可與來自其他實施例的任何一個實施例的特征組合。在另外的實施例中，處理地下地層使用本文所述的方法、系統(tǒng)、電源或加熱器中的任何一個進行。在另外的實施例中，其他特征可添加到本文所述的特定實施例。
通過參照下面結(jié)合附圖進行的對根據(jù)本發(fā)明目前優(yōu)選的但是示例性的實施例的詳細描述，將更全面地理解本發(fā)明的方法和設(shè)備的特征和優(yōu)點。圖I顯示了用于處理含烴地層的就地?zé)崽幚硐到y(tǒng)的一部分的實施例的示意性視圖。圖2圖示了絕緣導(dǎo)體熱源的一個實施例。圖3圖示了絕緣導(dǎo)體熱源的一個實施例。圖4圖示了絕緣導(dǎo)體熱源的一個實施例。圖5A和5B圖示了用于絕緣導(dǎo)體加熱器中的限溫加熱器部件的一個實施例的剖視圖。圖6圖示了具有與芯相鄰并且包圍芯的半導(dǎo)體層的絕緣導(dǎo)體的一個實施例。圖7圖示了具有位于電絕緣體內(nèi)部并且包圍芯的半導(dǎo)體層的絕緣導(dǎo)體的一個實施例。圖8圖示了根據(jù)沿著加熱器的長度的位置而變的電場法向分量。圖9圖示了電場強度相對于離芯的距離的情況。圖10圖示了最大無屏障(無半導(dǎo)體層)電場強度的百分比和標(biāo)準(zhǔn)化半導(dǎo)體層厚度相對于電絕緣體與半導(dǎo)體層的介電常數(shù)比的情況。圖11圖示了對于若干介電常數(shù)比，電場強度相對于離芯的標(biāo)準(zhǔn)化距離的情況。雖然本發(fā)明容許有各種修改形式和替代形式，但是在附圖中以示例方式顯示了其特定實施例，并且這里將對它們進行詳細描述。附圖可不按比例繪制。應(yīng)可理解，附圖和關(guān)于其的詳細描述不旨在將本發(fā)明限制到所公開的特定形式，而是相反，本發(fā)明將覆蓋全部落入由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的修改形式、等同形式和替代形式。
具體實施例方式下面的描述總體涉及用于處理地層中的烴的系統(tǒng)和方法。這樣的地層可進行處理來產(chǎn)生烴產(chǎn)物、氫和其他產(chǎn)物?！敖涣麟娏?AC)”指隨時間變化的電流，其基本上以正弦方式改變方向。AC在鐵磁性導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)電流。在降低熱輸出加熱系統(tǒng)、設(shè)備和方法的范圍內(nèi)，術(shù)語“自動”或“自動地”指此類系統(tǒng)、設(shè)備和方法按照特定的方式發(fā)揮作用而不使用外部控制(例如外部控制器，如具有溫度傳感器和反饋環(huán)的控制器、PID控制器或者預(yù)測控制器)?！奥?lián)接”意思是一個或多個物體或部件之間的直接連接或間接連接(例如，一個或多個中介連接)。術(shù)語“直接連接的”意思是物體和部件之間的直接連接，以使物體或部件彼此直接連接，從而使物體或部件以單點(“point of use”)方式操作。 “居里溫度”是指在該溫度以上鐵磁性材料失去其全部鐵磁性能的溫度。除了在居里溫度以上失去全部其鐵磁性能外，鐵磁性材料還在增大的電流經(jīng)過鐵磁性材料時開始失去其鐵磁性能?！暗貙印卑ㄒ粋€或多個含烴層、一個或多個非烴層、上覆巖層和/或下伏巖層?！盁N層”指地層中的含烴的層。烴層可包含非烴材料和烴材料?！吧细矌r層”和/或“下伏巖層”包含一種或多種不同類型的不可滲透材料。例如，上覆巖層和/或下伏巖層可包括巖石、頁巖、泥巖或濕/致密碳酸鹽。在就地?zé)崽幚砉に嚨囊恍嵤├?，上覆巖層和/或下伏巖層可包括在就地?zé)崽幚砉に囘^程中相對不可滲透并且不受溫度影響的一個含烴層或多個含烴層，所述就地?zé)崽幚砉に噷?dǎo)致上覆巖層和/或下伏巖層的多個含烴層的顯著的特性變化。例如，下伏巖層可包含頁巖或泥巖，但是下伏巖層在就地?zé)崽幚砉に囘^程中不允許被加熱到熱解溫度。在一些情況下，上覆巖層和/或下伏巖層可具有一定的滲透性?！暗貙恿黧w”指存在于地層中的流體，并且可包括熱解流體、合成氣、活動化烴和水(蒸汽)。地層流體可包括烴流體以及非烴流體。術(shù)語“活動化流體”指含烴地層中的由于對地層的熱處理而能夠流動的流體?！吧a(chǎn)的流體”指從地層分離出的流體?！盁嵬俊睘槊繂挝粫r間每單位面積的能量流量(例如瓦/平方米)?！盁嵩础睘橛糜诨旧贤ㄟ^傳導(dǎo)和/或輻射熱傳遞向地層的至少一部分提供熱的任何系統(tǒng)。例如，熱源可包括導(dǎo)電材料和/或電加熱器，例如布置在電路中的導(dǎo)體和/或細長構(gòu)件、絕緣導(dǎo)體等。熱源可還包括通過在地層外部或地層中燃燒燃料產(chǎn)生熱的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可以是表面燃燒器、井下氣體燃燒器、無焰分布型燃燒室和自然分布型燃燒室。在一些實施例中，提供到一個或多個熱源的熱或在一個或多個熱源中產(chǎn)生的熱可由其他能量源提供。其他能量源可直接加熱地層，或所述能量可施加到直接或間接加熱地層的傳遞介質(zhì)。應(yīng)可理解，將熱施加到地層的一個或多個熱源可使用不同的能源。因而，例如，對于指定的地層，一些熱源可從導(dǎo)電材料、電阻加熱器供熱，一些熱源可通過燃燒提供熱，一些熱源可從一種或多種其他能源(例如，化學(xué)反應(yīng)、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)或其他可再生能源)提供熱?；瘜W(xué)反應(yīng)可包括放熱反應(yīng)(例如氧化反應(yīng))。熱源也可包括導(dǎo)電材料和/或加熱器，其向靠近和/或圍繞加熱位置例如加熱器井的區(qū)域提供熱。“加熱器”為用于在井中或井筒區(qū)域附近產(chǎn)生熱的任何系統(tǒng)或熱源。加熱器可以是，但不限于，電加熱器、燃燒器、與地層中的材料或從地層生產(chǎn)的材料反應(yīng)的燃燒室，和/或其組合?！盁N”通常限定為主要由碳和氫原子形成的分子。烴也可包含其他元素，例如但不限于鹵素、金屬元素、氮、氧和/或硫。烴可以是，但不限于油母巖、浙青、焦浙青、石油、天然礦物蠟和石浙青。烴可位于地球中的礦物巖石中或與礦物基質(zhì)相鄰?；|(zhì)可包括但不限于沉積巖、砂、沉積石英巖、碳酸鹽、硅藻土和其他多孔介質(zhì)。“烴流體”為包括烴的流體。烴流體可包括、夾帶非烴流體，或被夾帶在非烴流體中，所述非烴流體例如為氫、氮、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水和氨?！熬偷剞D(zhuǎn)化工藝”指從熱源加熱含烴地層，來將地層的至少一部分的溫度升高至高于熱解溫度，以在地層中生成熱解流體的工藝?！熬偷?zé)崽幚砉に嚒敝甘褂脽嵩醇訜岷瑹N地層，來將地層的至少一部分的溫度升高至高于形成活動化流體、導(dǎo)致含烴材料減粘裂化和/或熱解，從而在地層中產(chǎn)生活動化流體、減粘裂化流體和/或熱解流體的溫度。
“絕緣導(dǎo)體”指能夠?qū)щ姴⑶艺w或部分由電絕緣材料覆蓋的任何細長材料?！罢{(diào)制直流電流(DC)”指能夠在鐵磁性導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)電流的任何基本上非正弦時變電流?！暗铩敝傅椭芷诒碇械囊环N或多種其他元素的化合物。氮化物包括但不限于氮化硅、氮化硼或氮化鋁?！按┛住卑ü艿馈⒐?、導(dǎo)管或其他流動通道的壁中的允許流入或流出管道、管、導(dǎo)管或其他流動通道的開口、槽、孔或洞。鐵磁性材料的“相變溫度”指在材料發(fā)生相變(例如從鐵素體到奧氏體)期間的溫度或溫度范圍，該相變使得鐵磁性材料的磁導(dǎo)率降低。這種磁導(dǎo)率的降低類似于由于在居里溫度下鐵磁性材料的磁躍遷而導(dǎo)致的磁導(dǎo)率降低?！盁峤狻笔腔瘜W(xué)鍵由于熱的施加而斷開。例如，熱解可包括只通過加熱將化合物轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N或多種其他物質(zhì)。熱可傳遞到地層的一部分來造成熱解?！盁峤饬黧w”或“熱解產(chǎn)物”指基本上在烴熱解過程中生成的流體。通過熱解反應(yīng)生成的流體可與地層中的其他流體混合?；旌衔飳⒈徽J為是熱解流體或熱解產(chǎn)物。如本文所用，“熱解區(qū)”指地層的發(fā)生反應(yīng)來形成熱解流體的體積(例如，相對可滲透的地層，如浙青砂地層)?！盁岬寞B加”指從兩個或更多個熱源向地層的選定部分提供熱，以使得至少在熱源之間的一個位置處的地層溫度受這些熱源影響?！跋逌丶訜崞鳌蓖ǔＪ侵冈谝?guī)定溫度以上控制熱輸出(例如，減少熱輸出)而無需使用外部控制的加熱器，所述外部控制比如為溫度控制器、功率調(diào)節(jié)器、整流器或其它裝置。限溫加熱器可以是AC (交流電流)或調(diào)制(例如“斬波”)DC (直流電流)供電的電阻加熱器。層的“厚度”指層的截面的厚度，其中，所述截面垂直于所述層的表面?！皶r變電流”指在鐵磁性導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)電流并且大小隨時間變化的電流。時變電流既包括交變電流(AC)又包括調(diào)制直流電流(DC)。其中電流直接施加至加熱器的限溫加熱器的“調(diào)節(jié)比”是對于給定電流，居里溫度以下的最大AC或調(diào)制DC電阻與居里溫度以上的最小電阻的比值。感應(yīng)加熱器的調(diào)節(jié)比是對于施加至加熱器的給定電流，居里溫度以下的最大熱輸出與居里溫度以上的最小熱輸出的比值。“u形井筒”是指從地層中的第一開口延伸穿過地層的至少一部分并且通過地層中的第二開口穿出的井筒。在本文中，井筒可以僅大體上呈“V”形或“U”形，對于視為“U”形的井筒，“U”形的“腿”應(yīng)該理解成不需要彼此平行或垂直于“U”的“底”。術(shù)語“井筒”指地層中通過鉆井或?qū)⒐艿啦迦氲貙又行纬傻亩?。井筒可具有基本上圓形的橫截面，或其他橫截面形狀。如本文所用，術(shù)語“井”和“開口”，當(dāng)涉及地層中的開口時，可與術(shù)語“井筒”互換使用。地層可以多種方式處理來產(chǎn)生很多不同的產(chǎn)品。在就地?zé)崽幚砉に囘^程中，不同的步驟或工藝可用于處理地層。在一些實施例中，地層的一個或多個部分通過溶液采礦來從所述部分分離出可溶礦物。溶液開采礦物可在就地?zé)崽幚砉に囍?、過程中和/或之后進行。在一些實施例中，正在進行溶液采礦的一個或多個部分的平均溫度可保持低于約120。。。 在一些實施例中，地層的一個或多個部分被加熱來從所述部分分離出水，和/或從所述部分分離出甲烷和其他揮發(fā)性烴。在一些實施例中，在水和揮發(fā)性烴分離出過程中，平均溫度可從環(huán)境溫度升高到低于約220°C的溫度。在一些實施例中，地層的一個或多個部分被加熱到允許地層中的烴運動和/或減粘裂化的溫度。在一些實施例中，地層的一個或多個部分的平均溫度升高到所述部分中的烴的活動化溫度(例如，升高到在從100°C到250°C，從120°C到240°C，或從150°C到230°C的溫度范圍)。在一些實施例中，一個或多個部分被加熱到允許地層中進行熱解反應(yīng)的溫度。在一些實施例中，地層的一個或多個部分的平均溫度可升高到所述部分中的烴熱解的溫度(例如從230°C到900°C，從240°C到400°C或從250°C到350°C的溫度范圍)。使用多個熱源加熱含烴地層可能圍繞熱源形成熱梯度，所述熱源在期望加熱速率下將地層中的烴升高到期望溫度。通過為得到期望產(chǎn)物的活動化溫度范圍和/或熱解溫度范圍的溫度升高速率可影響從含烴地層生產(chǎn)的地層流體的質(zhì)量和數(shù)量。將地層溫度緩慢升高通過活動化溫度范圍和/或熱解溫度范圍，可允許從地層生產(chǎn)高質(zhì)量高API比重的烴。緩慢升高地層溫度通過活動化溫度范圍和/或熱解溫度范圍可允許分離出存在于地層中的大量烴作為烴產(chǎn)物。在一些就地?zé)崽幚韺嵤├?，將地層的一部分加熱到期望溫度，而不是將溫度緩慢升高通過一個溫度范圍。在一些實施例中，期望溫度為300°C，325°C或350°C?？蛇x擇其他溫度作為期望溫度。來自熱源的熱的疊加允許期望溫度在地層中相對快速并且高效地建立?？烧{(diào)節(jié)從熱源到地層的能量輸入，以將地層中的溫度基本上保持在期望溫度?？赏ㄟ^生產(chǎn)井從地層生產(chǎn)活動化和/或熱解產(chǎn)物。在一些實施例中，將一個或多個部分的平均溫度升高到活動化溫度，并且將烴從生產(chǎn)井生產(chǎn)。由于活動化降低到低于選定值，因此可將一個或多個部分的平均溫度在生產(chǎn)之后升高到熱解溫度。在一些實施例中，可將一個或多個部分的平均溫度升高到熱解溫度而在達到熱解溫度之前沒有進行太多生產(chǎn)?？赏ㄟ^生產(chǎn)井生產(chǎn)包括熱解產(chǎn)物的地層流體。在一些實施例中，在活動化和/或熱解之后，可將一個或多個部分的平均溫度升高到足夠允許進行合成氣生產(chǎn)的溫度。在一些實施例中，可將烴升高到足夠允許進行合成氣生產(chǎn)的溫度，但是在達到足夠允許進行合成氣生產(chǎn)的溫度之前沒有進行太多生產(chǎn)。例如，合成氣可在約400°C到約1200°C，約500°C到約1100°C，或約550°C到約1000°C的溫度范圍內(nèi)生成。產(chǎn)生合成氣的流體(例如蒸汽和/或水)可引入到所述部分中來產(chǎn)生合成氣。合成氣可從生產(chǎn)井生產(chǎn)。溶液采礦、分離出揮發(fā)性烴和水、使烴活動化、熱解烴、產(chǎn)生合成氣和/或其他工藝可在就地?zé)崽幚砉に囘^程中進行。在一些實施例中，一些工藝可在就地?zé)崽幚砉に囍筮M行。這樣的步驟可包括但不限于，從處理過的部分回收熱、在之前處理過的部分中存儲流體(例如水和/或烴)和/或在之前處理過的部分中隔離二氧化碳。圖I圖示了用于處理含烴地層的就地?zé)崽幚硐到y(tǒng)的一部分的實施例的示意圖。該就地?zé)崽幚硐到y(tǒng)可包括阻隔井200。阻隔井用于圍繞處理區(qū)域形成阻隔屏障。阻隔屏障抑制流體流入和/或流出處理區(qū)。阻隔井包括但不限于脫水井、真空井、捕集井、噴射井、灌漿井、冷凍井或其組合。在一些實施例中，阻隔井200為脫水井。脫水井可去除液體水和/或抑制液體水進入待加熱的地層部分或到達正在加熱的地層。在圖I中所示的實施例中，阻隔井200顯示為僅沿?zé)嵩?02的一側(cè)延伸，但是阻隔井通常環(huán)繞用于或待用于加熱地層熱 處理區(qū)的全部熱源202。熱源202放置在地層的至少一部分中。熱源202可包括加熱器，例如絕緣導(dǎo)體、管內(nèi)導(dǎo)體加熱器、表面燃燒器、無焰分布型燃燒室和/或自然分布型燃燒室。熱源202可還包括其他類型的加熱器。熱源202向地層的至少一部分提供熱，以加熱地層中的烴。能量可通過供給線路204提供到熱源202。供給線路204可根據(jù)用于加熱地層的一個熱源或多個熱源的類型以不同方式構(gòu)造。用于熱源的供給線路204可傳送用于電加熱器的電力，可輸送用于燃燒器的燃料，或輸送在地層中循環(huán)的換熱流體。在一些實施例中，用于就地?zé)崽幚砉に嚨碾娏捎梢粋€核電站或多個核電站提供。核電的使用可使得減少或消除從就地?zé)崽幚砉に嚺欧哦趸?。?dāng)加熱地層時，到地層中的熱輸入可造成地層膨脹和巖土力學(xué)移動。熱源可在脫水步驟之前、與脫水步驟同時或在脫水過程中打開。計算機模擬可為地層對加熱的響應(yīng)建模。計算機模擬可用來開發(fā)用于啟動地層中熱源的方式和時序，以使地層的巖土力學(xué)移動不會不利地影響熱源、生產(chǎn)井和地層中的其他設(shè)備的功能。加熱地層可造成地層的滲透性和/或空隙率的提高。滲透性和/或空隙率的提高可能由于地層中的物質(zhì)因蒸發(fā)和分離出水、分離出烴和/或形成裂紋而減少造成。由于地層的提高的滲透性和空隙率，流體可更容易地在地層的被加熱部分中流動。由于提高的滲透性和空隙率，地層的被加熱部分中的流體可穿過地層移動相當(dāng)大的距離。所述相當(dāng)大的距離可超過1000m，取決于多種因素，例如地層的滲透性、流體的性能、地層的溫度、使流體移動的壓力梯度。流體在地層中移動相當(dāng)大距離的能力使生產(chǎn)井206能夠在地層中相對遠地間隔開。生產(chǎn)井206用于從地層分離出地層流體。在一些實施例中，生產(chǎn)井206包括熱源。生產(chǎn)井中的熱源可在生產(chǎn)井處或附近加熱地層的一個或多個部分。在一些就地?zé)崽幚砉に噷嵤├?，每米生產(chǎn)井的從生產(chǎn)井提供到地層的熱量小于每米熱源的從加熱地層的熱源施加到地層的熱量。從生產(chǎn)井施加到地層的熱可通過蒸發(fā)和分離出與生產(chǎn)井相鄰的液相流體，和/或通過形成宏觀和/或微觀裂紋來提高與生產(chǎn)井相鄰的地層滲透性，來提高與生產(chǎn)井相鄰的地層滲透性。不止一個熱源可設(shè)置在生產(chǎn)井中。當(dāng)來自相鄰多個熱源的熱疊加將地層充分加熱，從而抵消通過使用生產(chǎn)井加熱地層提供的益處時，生產(chǎn)井下部中的熱源可關(guān)閉。在一些實施例中，在生產(chǎn)井下部中的熱源停止之后，生產(chǎn)井的上部中的熱源可保持打開。生產(chǎn)井上部中的熱源可抑制地層流體的冷凝和回流。在一些實施例中，生產(chǎn)井206中的熱源允許地層流體以蒸汽相從地層分離出。在生產(chǎn)井處或穿過生產(chǎn)井提供加熱可(1)當(dāng)生產(chǎn)流體靠近上覆巖層在生產(chǎn)井中移動時，抑制這樣的生產(chǎn)流體的冷凝和/或回流，(2)提高到地層中的熱輸入，(3)與沒有熱源的生產(chǎn)井相比較，提高生產(chǎn)井的生產(chǎn)率，(4)抑制生產(chǎn)井中高碳數(shù)化合物(C6烴和更高碳數(shù)的烴)的冷凝，和/或(5)提高生產(chǎn)井處或附近的地層滲透性。地層中的地下壓力可對應(yīng)于地層中產(chǎn)生的流體壓力。當(dāng)?shù)貙拥谋患訜岵糠种械臏囟壬邥r，被加熱部分中的壓力可由于就地流體的熱膨脹、增多的流體產(chǎn)生和水的蒸發(fā)而 增大?？刂屏黧w從地層分離出的速率可容許控制地層中的壓力。地層中的壓力可在多個不同位置處確定，例如生產(chǎn)井附近或生產(chǎn)井處、熱源附近或熱源處或監(jiān)測井處。在一些含烴地層中，從地層生產(chǎn)烴受到抑制，直到地層中的烴的至少一些已經(jīng)被活動化和/或熱解。當(dāng)?shù)貙恿黧w具有選定質(zhì)量時，地層流體可從地層生產(chǎn)。在一些實施例中，選定質(zhì)量包括至少約20°，30°或40°的API比重。抑制生產(chǎn)直到至少一些烴被活動化和/或熱解，可提高重?zé)N到輕烴的轉(zhuǎn)化。抑制初始生產(chǎn)可盡量減少從地層生產(chǎn)重?zé)N。大量重?zé)N的生產(chǎn)可能需要昂貴的設(shè)備，和/或縮短生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命。在一些含烴地層中，地層中的烴可在已經(jīng)在地層的被加熱部分中產(chǎn)生大的滲透性之前，被加熱到活動化和/或熱解溫度。最初缺乏滲透性可抑制產(chǎn)生的流體輸送到生產(chǎn)井206。在初始加熱過程中，在靠近熱源處，地層中的流體壓力可增大。增大的流體壓力可通過一個或多個熱源202釋放、監(jiān)測、改變和/或控制。例如，選定的熱源202或單獨的減壓井可包括減壓閥，其允許將一些流體從地層分離出。在一些實施例中，可允許由于活動化流體、熱解流體或地層中產(chǎn)生的其他流體的膨脹產(chǎn)生的壓力提高，但是地層中不能存在通到生產(chǎn)井206的通路或任何其他壓力降。流體壓力可允許向靜巖壓力增大。當(dāng)流體接近靜巖壓力時，可在含烴地層中形成裂紋。例如，裂紋可在地層的被加熱部分中從熱源202向生產(chǎn)井形成。被加熱部分中裂紋的產(chǎn)生可釋放所述部分中的一些壓力。地層中的壓力可能必須保持在選定壓力以下，以抑制不期望的產(chǎn)物、上覆巖層或下伏巖層的斷裂和/或地層中烴的結(jié)焦。在到達活動化和/或熱解溫度并且能夠從地層生產(chǎn)之后，地層中的壓力可改變，從而改變和/或控制生產(chǎn)的地層流體的組分，控制地層中可冷凝流體與不可冷凝流體相比的百分比，和/或控制正在生產(chǎn)的地層流體的API比重。例如，減小壓力可導(dǎo)致更大的可冷凝流體組分的生產(chǎn)。可冷凝流體組分可包含更大百分比的烯烴。在一些就地?zé)崽幚砉に噷嵤├?，地層中的壓力可保持足夠高，以促進具有大于20°的API比重的地層流體生產(chǎn)。在地層中保持增大的壓力可抑制就地?zé)崽幚磉^程中地層沉降。保持增大的壓力可減少或消除在表面處壓縮地層流體來在收集管中將流體輸送到處理設(shè)備的需要。
在地層的被加熱部分中保持增大的壓力可令人驚奇地允許生產(chǎn)大量具有提高的質(zhì)量和相對低分子量的烴。壓力可保持為使得生產(chǎn)的地層流體具有最小量的高于選定碳數(shù)的化合物。選定碳數(shù)可最大為25,最大為20,最大為12,或最大為8。一些高碳數(shù)化合物可夾帶在地層中的蒸氣中，并且可隨蒸氣從地層分離出。在地層中保持增大的壓力可抑制高碳數(shù)化合物和/或多環(huán)烴化合物夾帶在蒸氣中。高碳數(shù)化合物和/或多環(huán)烴化合物可以液相保留在地層中非常長時間。該非常長時間可為化合物熱解提供充足時間，以形成較低碳數(shù)化合物。相對低分子量的烴的產(chǎn)生被認為部分由于含烴地層的一部分中的氫的自動產(chǎn)生和反應(yīng)。例如，保持增大的壓力可迫使熱解過程中產(chǎn)生的氫進入地層中的液相。將所述部分加熱到熱解溫度范圍內(nèi)的溫度可將地層中的烴熱解來產(chǎn)生液相熱解流體。產(chǎn)生的液相熱解流體組分可包括雙鍵和/或基。液相中的氫(H2)可減少產(chǎn)生的熱解流體中的雙鍵，由此降低來自產(chǎn)生的熱解流體的長鏈化合物的聚合或形成的可能性。另外，H2還可中和產(chǎn)生的熱解流體中的基。液相中的H2可抑制產(chǎn)生的熱解流體彼此反應(yīng)和/或與地層中的其他化 合物反應(yīng)。從生產(chǎn)井206生產(chǎn)的地層流體可通過收集管208傳輸?shù)教幚碓O(shè)備210。地層流體也可從熱源202生產(chǎn)。例如，流體可從熱源202生產(chǎn)來控制與所述熱源相鄰的地層中的壓力。從熱源202生產(chǎn)的流體可通過導(dǎo)管或管路輸送到收集管208，或生產(chǎn)流體可通過導(dǎo)管或管路直接輸送到處理設(shè)備210。處理設(shè)備210可包括分離裝置、反應(yīng)裝置、提升裝置、燃料電池、渦輪機、存儲容器和/或用于處理生產(chǎn)地層流體的其他系統(tǒng)和裝置。所述處理設(shè)備可形成來自從地層生產(chǎn)的烴的至少一部分的輸送燃料。在一些實施例中，輸送燃料可以是噴射燃料，例如JP-8。絕緣導(dǎo)體可用作加熱器或熱源的電加熱器元件。絕緣導(dǎo)體可包括由電絕緣體圍繞的內(nèi)部電導(dǎo)體(芯)，和外部電導(dǎo)體(護套)。電絕緣體可包括礦物絕緣材料(例如氧化鎂)或其他電絕緣材料。在一些實施例中，絕緣導(dǎo)體放置在含烴地層中的開口中。一些實施例中，絕緣導(dǎo)體放置在含烴地層中的裸眼開口中。將絕緣導(dǎo)體放置在含烴地層中的裸眼開口內(nèi)可使熱通過輻射以及傳導(dǎo)從絕緣導(dǎo)體傳遞到地層。使用裸眼開口可便于絕緣導(dǎo)體從井取回，如果需要的話。在一些實施例中，絕緣導(dǎo)體放置在地層中的套管中，可固牢在地層中，或可使用砂、碎石或其他填料裝填入開口中。絕緣導(dǎo)體可支撐在設(shè)置在開口中的支撐構(gòu)件上。支撐構(gòu)件可以是電纜、桿或管道(例如導(dǎo)管)。支撐構(gòu)件可由金屬、陶瓷、無機材料或其組合制成。由于在使用過程中支撐構(gòu)件的部分可暴露于地層流體和加熱，因此支撐構(gòu)件可耐化學(xué)物質(zhì)和/或耐熱。系繩、點焊和/或其他類型的連接器可用于將絕緣導(dǎo)體在沿絕緣導(dǎo)體長度的不同位置處聯(lián)接到支撐構(gòu)件。支撐構(gòu)件可在地層上表面處附接到井口。在一些實施例中，絕緣導(dǎo)體具有足夠的結(jié)構(gòu)強度，從而不需要支撐構(gòu)件。絕緣導(dǎo)體可在很多情況下具有至少一些柔性，以在發(fā)生溫度變化時防止熱膨脹損壞。在一些實施例中，絕緣導(dǎo)體在沒有支撐構(gòu)件和/或扶正器的情況下放置在井筒中。沒有支撐構(gòu)件和/或扶正器的絕緣導(dǎo)體可具有抑制絕緣導(dǎo)體在使用過程中故障的耐熱和耐蝕、蠕變強度、長度、厚度(直徑)和冶金性能的適當(dāng)組合。圖2圖示了絕緣導(dǎo)體252的一個實施例的端部的立體視圖。絕緣導(dǎo)體252可具有任何期望的橫截面形狀，例如但是不限于圓形(圖2中所示)、三角形、橢圓形、矩形、六邊形或不規(guī)則形狀。在一些實施例中，絕緣導(dǎo)體252包括芯218、電絕緣體214和護套216。芯218可在電流通過所述芯時電阻加熱。交流電流或時變電流和/或直流電流可用于向芯218提供功率，以使芯電阻加熱。在一些實施例中，電絕緣體214抑制向護套216的電流泄漏和電弧放電。電絕緣體214可將芯218中產(chǎn)生的熱量熱傳導(dǎo)到護套216。護套216可向地層輻射或傳導(dǎo)熱。在一些實施例中，絕緣導(dǎo)體252長度為1000米或更長。較長或較短的絕緣導(dǎo)體也可用于滿足特定應(yīng)用的需要。絕緣導(dǎo)體252的芯218、電絕緣體214和護套216的尺寸可選擇 成使絕緣導(dǎo)體具有足夠的強度來甚至在上限工作溫度下仍能夠自支撐。這樣的絕緣導(dǎo)體可從井口或設(shè)置在上覆巖層和含烴地層之間的界面附近的支架懸掛，而無需與絕緣導(dǎo)體一起延伸到含烴地層中的支撐構(gòu)件。絕緣導(dǎo)體252可設(shè)計用于在高可達約1650瓦/米或更高的功率水平下操作。在一 些實施例中，當(dāng)加熱地層時，絕緣導(dǎo)體252在約300瓦/米和約1150瓦/米之間的功率水平下操作。絕緣導(dǎo)體252可設(shè)計成使通常操作溫度下的最大電壓水平不使電絕緣體214產(chǎn)生顯著的熱和/或電擊穿。絕緣導(dǎo)體252可設(shè)計成使護套216不超過將導(dǎo)致護套材料耐蝕性能顯著降低的溫度。在一些實施例中，絕緣導(dǎo)體252可設(shè)計成達到在約650°C和約900°C之間的范圍內(nèi)的溫度?？尚纬删哂衅渌僮鞣秶慕^緣導(dǎo)體來滿足特定操作要求。圖2圖示了具有單個芯218的絕緣導(dǎo)體252。在一些實施例中，絕緣導(dǎo)體252具有兩個或更多個芯218。例如，單個絕緣導(dǎo)體可具有三個芯。芯218可由金屬或其他導(dǎo)電材料制成。用于形成芯218的金屬可包括但不限于鎳鉻合金、銅、鎳、碳鋼、不銹鋼及其組合。在一些實施例中，芯218選擇成具有一定直徑和在操作溫度下的電阻率以使得其由歐姆定律得到的電阻使其在電學(xué)方面和結(jié)構(gòu)方面穩(wěn)定，從而實現(xiàn)選擇的每米功耗、加熱器長度和/或芯材料允許的最大電壓。在一些實施例中，芯218沿絕緣導(dǎo)體252的長度由不同的材料制成。例如，芯218的第一部分可由電阻比所述芯的第二部分低得多的材料制成。第一部分可與不需要加熱到與第二地層一樣高溫度的地層相鄰放置，所述第二地層與第二部分相鄰。芯218的各個部分的電阻率可通過具有可變直徑和/或通過具有由不同材料制成的多個芯部分來調(diào)節(jié)。電絕緣體214可由多種材料制成。通常使用的粉末可包括但不限于，MgO，Al2O3,氧化鋯，BeO，尖晶石的不同的化學(xué)變體，及其組合。MgO可提供良好的熱傳導(dǎo)性和電絕緣性能。期望的電絕緣性能包括低漏電流和高介電強度。低漏電流降低熱擊穿的可能性，高介電強度降低跨過絕緣體電弧放電的可能性。如果漏電流造成絕緣體的溫度漸進升高，則可能發(fā)生熱擊穿，還導(dǎo)致跨過絕緣體電弧放電。護套216可以是外金屬層或?qū)щ妼?。護套216可與熱地層流體處于接觸。護套216可由在高溫度下具有高耐腐蝕性的材料制成?？捎糜谧o套216的期望操作溫度范圍的合金包括但不限于304不銹鋼、310不銹鋼、Inco丨Oy⑧800和Ineonel 600 (Inco AlloysInternational, Huntington, West Virginia, U. S. A.)。護套 216 的厚度可能必須在熱和腐蝕性環(huán)境中足夠使用持續(xù)三到十年。護套216的厚度可通常在約Imm和約3. 5_之間變化。例如，I. 3mm厚的310不銹鋼外層可用作護套216，以提供持續(xù)超過3年的對地層被加熱區(qū)中的硫蝕的良好的化學(xué)耐性。較大或較小的護套厚度可用于滿足特定的應(yīng)用要求。一個或多個絕緣導(dǎo)體可放置在地層中的開口中，以形成一個熱源或多個熱源。電流可傳送通過開口中的每一個絕緣導(dǎo)體來加熱地層。替代地，電流可傳送通過開口中的選定絕緣導(dǎo)體。不使用的導(dǎo)體可用作備用加熱器。絕緣導(dǎo)體可以任何便利方式電聯(lián)接到電源。絕緣導(dǎo)體的每一端可聯(lián)接到穿過井口的引入電纜。這樣的結(jié)構(gòu)通常具有設(shè)置在熱源底部附近的180°彎折(“急轉(zhuǎn)彎”彎折)或拐彎部分。包括180°彎折或拐彎部分的絕緣導(dǎo)體可不需要底部端子，但是180°彎折或拐彎部分可能是加熱器中的電和/或結(jié)構(gòu)弱點。絕緣導(dǎo)體可串聯(lián)、并聯(lián)或以串并聯(lián)混合方式電聯(lián)接在一起。在熱源的一些實施例中，電流可傳送到絕緣導(dǎo)體的導(dǎo)體中，并且可通過在熱源底部處將芯218連接到護套216 (圖2中所示)而通過絕緣導(dǎo)體的護套返回。在一些實施例中，三個絕緣導(dǎo)體252以3相Y形結(jié)構(gòu)電聯(lián)接到電源。圖3圖示了地下地層中的開口內(nèi)以Y形結(jié)構(gòu)聯(lián)接的三個絕緣導(dǎo)體的實施例。圖4圖示了可從地層中的 開口 238取出的三個絕緣導(dǎo)體252的實施例。Y形結(jié)構(gòu)中的三個絕緣導(dǎo)體不需要底部連接。替代地，Y形結(jié)構(gòu)的全部三個絕緣導(dǎo)體可在開口的底部附近連接在一起。所述連接可直接在絕緣導(dǎo)體的加熱部分的端部處或在冷引線(較小電阻部分)的端部處形成，其中所述冷引線在絕緣導(dǎo)體的底部處聯(lián)接到加熱部分。底部連接可使用絕緣體填充或密封的罐或使用環(huán)氧樹脂填充的罐制得。該絕緣體可以是與用作電絕緣材料的絕緣體相同的組分。圖3和4中圖示的三個絕緣導(dǎo)體252可使用扶正器222連接到支撐構(gòu)件220。替代地，絕緣導(dǎo)體252可使用金屬帶直接捆綁到支撐構(gòu)件220。扶正器222可使絕緣導(dǎo)體252在支撐構(gòu)件220上保持在位和/或抑制絕緣導(dǎo)體252在支撐構(gòu)件220上的移動。扶正器222可由金屬、陶瓷或其組合制成。金屬可以是不銹鋼或能夠耐受腐蝕和高溫環(huán)境的任何其他類型的金屬。在一些實施例中，扶正器222為以小于約6m的距離焊接到支撐構(gòu)件的彎曲金屬條帶。用于扶正器222中的陶瓷可以是，但不限于Al2O3,MgO或其他電絕緣體。扶正器222可在支撐構(gòu)件220上保持絕緣導(dǎo)體252的位置，以使絕緣導(dǎo)體的移動在絕緣導(dǎo)體的操作溫度下受到抑制。絕緣導(dǎo)體252也可有些柔性，以承受加熱過程中支撐構(gòu)件220的膨脹。支撐構(gòu)件220、絕緣導(dǎo)體252和扶正器222可放置在烴層240中的開口 238中。絕緣導(dǎo)體252可使用冷引線226聯(lián)接到底部導(dǎo)體接合部224。底部導(dǎo)體接合部224可將每一個絕緣導(dǎo)體252彼此電聯(lián)接。底部導(dǎo)體接合部224可包括導(dǎo)電但是在開口 238中出現(xiàn)的溫度下不熔化的材料。冷引線226可以是具有比絕緣導(dǎo)體252更低電阻的絕緣導(dǎo)體。引入導(dǎo)體228可聯(lián)接到井口 242，以向絕緣導(dǎo)體252提供電力。引入導(dǎo)體228可由相對低電阻的導(dǎo)體制成，以使相對很少的熱由于電流經(jīng)過引入導(dǎo)體而產(chǎn)生。在一些實施例中，引入導(dǎo)體為橡膠或聚合物絕緣的絞合銅線。在一些實施例中，引入導(dǎo)體為具有銅芯的礦物絕緣導(dǎo)體。引入導(dǎo)體228可通過設(shè)置在上覆巖層246和表面250之間的密封凸緣在表面250處聯(lián)接到井口 242。密封凸緣可抑制流體從開口 238漏出到表面250。在一些實施例中，引入導(dǎo)體228使用過渡導(dǎo)體230聯(lián)接到絕緣導(dǎo)體252。過渡導(dǎo)體230可為絕緣導(dǎo)體252的較小電阻部分。過渡導(dǎo)體230可稱為絕緣導(dǎo)體252的“冷引線”。過渡導(dǎo)體230可設(shè)計成每單位長度消耗絕緣導(dǎo)體252的主加熱部分每單位長度中消耗功率的約十分之一到約五分之一的功率。過渡導(dǎo)體230可通常在約I. 5m和約15m之間，但是可使用更短或更長的長度來適應(yīng)特定應(yīng)用要求。在一個實施例中，過渡導(dǎo)體230的導(dǎo)體為銅。過渡導(dǎo)體230的電絕緣體可以是與主加熱部分中所用的相同類型的電絕緣體。過渡導(dǎo)體230的護套可由耐蝕材料制成。在一些實施例中，過渡導(dǎo)體230通過接合接頭或其他聯(lián)接接頭而聯(lián)接到引入導(dǎo)體228。接合接頭也可用于將過渡導(dǎo)體230聯(lián)接到絕緣導(dǎo)體252。接合接頭可必須耐受接近目標(biāo)區(qū)操作溫度的溫度(例如等于目標(biāo)區(qū)操作溫度的一半的溫度)，取決于開口中導(dǎo)體的數(shù)目和接合接頭是否交錯。接合接頭中的電絕緣材料的密度應(yīng)在很多情況下足夠高以耐受所需溫度和操作電壓。在一些實施例中，如圖3中所示，填料248設(shè)置在上覆巖層套管244和開口 238之間。在一些實施例中，增強材料232可將上覆巖層套管244固定到上覆巖層246。填料248可抑制流體從開口 238流動到表面250。增強材料232可包括例如與用于提高高 溫性能的硅砂粉混合的G級或H級波特蘭水泥、爐渣或硅砂粉和/或其混合物。在一些實施例中，增強材料232徑向延伸約5cm到約25cm的寬度。如圖3和4中所示，支撐構(gòu)件220和引入導(dǎo)體228可在地層的表面250處聯(lián)接到井口 242。表面導(dǎo)體234可圍繞增強材料232并聯(lián)接至井口 242。表面導(dǎo)體的實施例可延伸到地層中的開口內(nèi)約3m到約515m的深度。替代地，表面導(dǎo)體可延伸到地層中約9m的深度。電流可從電源提供到絕緣導(dǎo)體252，從而由于絕緣導(dǎo)體的電阻而產(chǎn)生熱。從三個絕緣導(dǎo)體252產(chǎn)生的熱可在開口 238中傳遞來加熱烴層240的至少一部分。由絕緣導(dǎo)體252產(chǎn)生的熱可加熱含烴地層的至少一部分。在一些實施例中，基本上通過產(chǎn)生的熱向地層的輻射來將熱傳遞到地層。由于開口中存在的氣體，因此一些熱可通過熱的傳導(dǎo)或?qū)α鱾鬟f。開口可以是裸眼開口，如圖3和4中所示。裸眼開口消除了與將加熱器熱固牢到地層相關(guān)的成本，與套管相關(guān)的成本，和/或?qū)⒓訜崞鞣庋b在孔中的成本。另外，通過輻射進行的熱傳遞通常比通過傳導(dǎo)更高效，因此加熱器可在裸眼井筒中在較低的溫度下操作。熱源初始操作過程中的傳導(dǎo)性熱傳遞可通過在開口中添加氣體增強。氣體可保持在高可達約27巴絕對壓力的壓力下。氣體可包括但不限于二氧化碳和/或氦。裸眼井筒中的絕緣導(dǎo)體加熱器可有利地自由膨脹或收縮，以適應(yīng)熱膨脹和收縮。絕緣導(dǎo)體加熱器可有利地可從裸眼井筒取出或再布署。在一些實施例中，絕緣導(dǎo)體加熱器組件使用卷繞組件安裝或取出。不止一個卷繞組件可用于同時安裝絕緣導(dǎo)體和支撐構(gòu)件。替代地，支撐構(gòu)件可使用盤管裝置安裝。加熱器可被展開，并且在支架插入井中時連接到支架。電加熱器和支撐構(gòu)件可從卷繞組件展開。襯墊可沿支撐構(gòu)件的長度聯(lián)接到支撐構(gòu)件和加熱器。其他卷繞組件可用于其他電加熱器元件。限溫加熱器可呈在某些溫度下為加熱器提供自動限溫性能的構(gòu)造和/或可包括在某些溫度下為加熱器提供自動限溫性能的材料。在一些實施例中，鐵磁性材料用于限溫加熱器中。鐵磁性材料在材料的居里溫度和/或相變溫度范圍或附近可自我限制溫度，以便當(dāng)時變電流施加于材料時提供減少的熱量。在一些實施例中，鐵磁性材料在選定溫度下自我限制限溫加熱器的溫度，該選定溫度近似為居里溫度和/或在相變溫度范圍中。在一些實施例中，選定溫度在相變溫度范圍和/或居里溫度的大約35°C內(nèi)，大約25°C內(nèi)，大約20°C內(nèi)，或者大約10°C內(nèi)。在一些實施例中，鐵磁性材料與其它材料(例如高傳導(dǎo)性材料、高強度材料、耐腐蝕材料或其組合)聯(lián)接以便提供各種電和/或機械性能。限溫加熱器的一些部件可具有比限溫加熱器的其它部件低的電阻(通過不同幾何形狀和/或通過使用不同鐵磁性和/或非鐵磁性材料所引起)。使得限溫加熱器的部件具有各種材料和/或尺寸，就容許得到來自加熱器的每個部件的期望熱輸出。限溫加熱器可比其它加熱器更可靠。限溫加熱器可較不易于由于地層中的熱點而損壞或失效。在一些實施例中，限溫加熱器容許基本上均勻加熱地層。在一些實施例中，限溫加熱器能夠通過沿著加熱器的整個長度在更高的平均熱輸出下操作而更有效地加熱地層。限溫加熱器沿著加熱器的整個長度在更高的平均熱輸出下操作，這是因為如果沿著加熱器的任一點的溫度超過或即將超過加熱器的最高操作溫度，送往加熱器的功率不必被降低到整個加熱器的程度，而典型的恒定瓦特數(shù)加熱器就是這樣。來自限溫加熱器的接近加熱器的居里溫度和/或相變溫度范圍的部分的熱輸出自動地降低，而不需要對施加至加熱器的時變電流進行受控制的調(diào)節(jié)。由于限溫加熱器的部分的電性能(例如電阻)的變化，熱輸出自動地降低。因此，在加熱過程的更大部分期間，通過限溫加熱器供應(yīng)更多功率。在一些實施例中，當(dāng)限溫加熱器通過時變電流供能時，包括限溫加熱器的系統(tǒng)首·先提供第一熱輸出，然后在接近加熱器的電阻部分的相變溫度范圍和/或居里溫度時，在加熱器的電阻部分的相變溫度范圍和/或居里溫度，或者在加熱器的電阻部分的相變溫度范圍和/或居里溫度以上，提供降低的(第二熱輸出)熱輸出。第一熱輸出為在一定溫度下的熱輸出，在該溫度以下，限溫加熱器開始自我限制。在一些實施例中，第一熱輸出為在限溫加熱器中的鐵磁性材料的居里溫度和/或相變溫度范圍以下大約50°C的溫度，以下大約75°C的溫度，以下大約100°C的溫度或以下大約125°C的溫度的熱輸出。限溫加熱器可通過在井口供應(yīng)的時變電流(交流電流或調(diào)制直流電流)供能。井口可包括電源及用于向限溫加熱器供給功率的其它部件(例如調(diào)制部件、變壓器和/或電容器)。限溫加熱器可為用于加熱地層的一部分的許多加熱器之一。在一些實施例中，較薄的導(dǎo)電層用來在高達鐵磁性導(dǎo)體的居里溫度和/或相變溫度范圍或其附近的溫度的溫度下提供限溫加熱器的電阻熱輸出的大部分。此類限溫加熱器可用作絕緣導(dǎo)體加熱器中的加熱構(gòu)件。絕緣導(dǎo)體加熱器的加熱構(gòu)件可位于外鞘內(nèi)部，在該外鞘與加熱構(gòu)件之間具有絕緣層。圖5A和5B示出了具有作為加熱構(gòu)件的限溫加熱器的絕緣導(dǎo)體加熱器的一個實施例的剖視圖。絕緣導(dǎo)體252包括芯218、鐵磁性導(dǎo)體236、內(nèi)部導(dǎo)體212、電絕緣體214和護套216。芯218為銅芯。鐵磁性導(dǎo)體236例如為鐵或鐵合金。內(nèi)部導(dǎo)體212為非鐵磁性材料構(gòu)成的較薄的導(dǎo)電層，比鐵磁性導(dǎo)體236具有更高的導(dǎo)電性。在一些實施例中，內(nèi)部導(dǎo)體212為銅。內(nèi)部導(dǎo)體212可為銅合金。銅合金通常比鈍銅具有更平的電阻相對于溫度曲線。更平的電阻相對于溫度曲線可提供根據(jù)高達居里溫度和/或相變溫度范圍的溫度改變的熱輸出的較小變化。在一些實施例中，內(nèi)部導(dǎo)體212為具有按重量計算6%的鎳的銅(例如CuNi6或L0HM )。在一些實施例中，內(nèi)部導(dǎo)體212為CuNi10Fe1Mn合金。在鐵磁性導(dǎo)體236的居里溫度和/或相變溫度范圍以下，鐵磁性導(dǎo)體的磁性性能約束通往內(nèi)部導(dǎo)體212的電流流動的大部分。因此，在居里溫度和/或相變溫度范圍以下，內(nèi)部導(dǎo)體212提供絕緣導(dǎo)體252的電阻熱輸出的大部分。在一些實施例中，連同芯218和鐵磁性導(dǎo)體236，內(nèi)部導(dǎo)體212尺寸使得內(nèi)部導(dǎo)體提供期望的熱輸出量和期望的調(diào)節(jié)比。例如，內(nèi)部導(dǎo)體212可具有低于芯218的橫截面積大約2或3倍的橫截面積。通常，如果內(nèi)部導(dǎo)體為銅或銅合金，內(nèi)部導(dǎo)體212必須具有較小的橫截面積，以便提供期望的熱輸出。在一個具有銅內(nèi)部導(dǎo)體212的實施例中，芯218具有O. 66cm的直徑，鐵磁性導(dǎo)體236具有O. 91cm的外徑，內(nèi)部導(dǎo)體212具有I. 03cm的外徑，電絕緣體214具有I. 53cm的外徑，而護套216具有I. 79cm的外徑。在一個具有CuNi6內(nèi)部導(dǎo)體212的實施例中，芯218具有O. 66cm的直徑，鐵磁性導(dǎo)體236具有O. 91cm的外徑，內(nèi)部導(dǎo)體212具有I. 12cm的外徑，電絕緣體214具有I. 63cm的外徑，而護套216具有I. 88cm的外徑。與并不在居里溫度和/或相變溫度范圍以下使用薄內(nèi)部導(dǎo)體來提供大部分熱輸出的絕緣導(dǎo)體相比，此類絕緣導(dǎo)體通常較小并且制造成本更低。電絕緣體214可為氧化鎂、氧化鋁、二氧化硅、氧化鈹、氮化硼、氮化硅或其組合。在一些實施例中，電絕緣體214為氧化鎂的壓實粉末。在一些實施例中，電絕緣體214包括氮化硅的珠粒。在一些實施例中，小的材料層置于電絕緣體214與內(nèi)部導(dǎo)體212之間以便防止銅在較高溫度下遷移至電絕緣體中。例如，小的鎳層(例如大約O. 5mm的鎳)可置于電絕緣體 214與內(nèi)部導(dǎo)體212之間。護套216由耐腐蝕材料制成，例如但并不限于347不銹鋼、347H不銹鋼、446不銹鋼或825不銹鋼。在一些實施例中，在鐵磁性導(dǎo)體236的居里溫度和/或相變溫度范圍或以上，護套216為絕緣導(dǎo)體252提供一些機械強度。在一些實施例中，護套216不用來傳導(dǎo)電流。在一些實施例中，半導(dǎo)體層置于絕緣導(dǎo)體加熱器的芯的外側(cè)。半導(dǎo)體層可至少部分地包圍芯。半導(dǎo)體層可定位成與芯相鄰(介于芯與絕緣層(電絕緣體)之間)或者半導(dǎo)體層可位于絕緣層中。將絕緣導(dǎo)體加熱器中的半導(dǎo)體層置于芯外側(cè)可減輕加熱器中的電場波動和/或減小加熱器中的電場強度。因此，更高電壓可施加于具有半導(dǎo)體層的絕緣導(dǎo)體加熱器，其在芯與外鞘之間產(chǎn)生與利用施加于不帶半導(dǎo)體層的絕緣導(dǎo)體加熱器的較低電壓所獲得的最大電場強度相同的最大電場強度。替代地，當(dāng)兩個加熱器被通電至相同的電壓時，具有半導(dǎo)體層的絕緣導(dǎo)體加熱器產(chǎn)生較低的最大電場強度。圖6示出了具有與芯218相鄰并且包圍芯218 (在芯的表面上)的半導(dǎo)體層254的絕緣導(dǎo)體252的一個實施例。絕緣導(dǎo)體252可為提供電阻熱輸出的絕緣導(dǎo)體加熱器。電絕緣體214和護套(外鞘)216包圍半導(dǎo)體層254和芯218。圖7示出了具有位于電絕緣體214內(nèi)并且包圍芯218的半導(dǎo)體層254的絕緣導(dǎo)體252的一個實施例。半導(dǎo)體層254可為例如BaTiO3或其它適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料，例如但并不限于BaxSivxTi03、CaCu3(TiO3)4或La2Ba2CaZn2Ti304。在一些實施例中，芯218為銅或銅合金(例如銅_鎳合金)，電絕緣體214為氧化鎂，并且護套216為不銹鋼。半導(dǎo)體層254減小了芯218外側(cè)的電場強度。另外，具有包圍芯218的半導(dǎo)體層254可減小或減輕由于芯的表面中的缺陷或不規(guī)則引起的電場波動。減小電場強度和/或減輕電場波動可減小作用于電絕緣體214上的應(yīng)力，減小電絕緣體的可能擊穿并增加加熱器的使用壽命。在一些實施例中，半導(dǎo)體層254具有比電絕緣體214更高的介電常數(shù)。在一些實施例中，通過優(yōu)化半導(dǎo)體層的介電常數(shù)和半導(dǎo)體層的厚度而盡量減小在芯周圍的電場強度。半導(dǎo)體層254和/或電絕緣體214的介電常數(shù)可為分級的(隨離芯218的中心軸線的徑向距離而改變)以便優(yōu)化作用于電場上的效應(yīng)。在一些實施例中，使用多個層來提供期望的分級，其中每個層具有不同的介電常數(shù)(或者半導(dǎo)體層或者電絕緣體層)。對于長的豎直限溫加熱器(例如至少300m、至少500m或至少Ikm長度的加熱器)，在選擇限溫加熱器所用的材料時，懸掛應(yīng)力變得很重要。在沒有正確選擇材料的情況下，支撐構(gòu)件可能不會具有足夠的機械強度(例如蠕變斷裂強度)來在加熱器的操作溫度下支撐限溫加熱器的重量。在一些實施例中，改變用于支撐構(gòu)件的材料來增加在限溫加熱器的操作溫度下的最大容許懸掛應(yīng)力，并因此增加限溫加熱器的最高操作溫度。改變支撐構(gòu)件的材料影響在居里溫度和/或相變溫度范圍以下限溫加熱器的熱輸出，因為改變材料就改變了支撐構(gòu)件的電阻相對于溫度曲線。在一些實施例中，支撐構(gòu)件沿著加熱器的長度由多于一種材料制 成，以使得限溫加熱器盡可能多地保持期望操作性能(例如，在居里溫度和/或相變溫度范圍以下的電阻相對于溫度曲線)，同時提供足夠的機械性能來支撐加熱器。在一些實施例中，在加熱器的多個部分之間使用過渡部分，來提供補償加熱器的多個部分之間的溫度差異的強度。在一些實施例中，限溫加熱器的一個或多個部分具有變化的外徑和/或材料以便為加熱器提供期望性能。實例以下描述非限制性的幾個實例。絕緣導(dǎo)體中的半導(dǎo)體層的實例使用CGMSOL 模擬來評估例如圖6和7中所示的在絕緣導(dǎo)體加熱器中使用半導(dǎo)體層的電場效應(yīng)。在第一次模擬中，為具有不規(guī)則鎳銅合金芯表面(波浪狀芯表面)的絕緣導(dǎo)體加熱器計算電場分量，其中芯表面被BaTiO3半導(dǎo)體層包圍，BaTiO3半導(dǎo)體層或者位于芯的表面上(如圖6中所示)或者位于氧化鎂電絕緣體中(如圖7中所示)。還為沒有半導(dǎo)體層的基本情況計算電場分量。圖8圖示了根據(jù)沿著加熱器的長度的位置(m)而變的電場法向分量(V/m)。曲線256不出了基本情況的電場。曲線258不出了位于表面上的半導(dǎo)體層的電場。曲線260不出了位于電絕緣體中的半導(dǎo)體層的電場。圖8中所示，具有位于芯的表面上的半導(dǎo)體層對于減輕由于芯的不規(guī)則(波浪狀)表面引起的電場波動(電場法向分量的最小變化)最佳。在第二次模擬中，為具有帶缺陷(芯表面中的缺口)的鎳銅合金芯表面的絕緣導(dǎo)體加熱器計算電場強度，其中芯表面被BaTiO3半導(dǎo)體層包圍，BaTiO3半導(dǎo)體層或者位于芯的表面上(如圖6中所示)或者位于氧化鎂電絕緣體中(如圖7中所示)。還為沒有半導(dǎo)體層的基本情況計算電場強度。圖9示出了電場強度(V/m)相對于離芯的距離(m)的情況。曲線262示出了基本情況的電場強度。曲線264示出了位于表面上的半導(dǎo)體層的電場強度。曲線266示出了位于電絕緣體中的半導(dǎo)體層的電場強度。如圖9中所示，在具有位于表面上的半導(dǎo)體層的芯附近減小了電場強度(曲線264 )。使用分析計算來評估如圖6中所示的用于絕緣導(dǎo)體加熱器的半導(dǎo)體層的電性能和有效性。圖10示出了最大無屏障(無半導(dǎo)體層)電場強度(左軸線)的百分比和標(biāo)準(zhǔn)化半導(dǎo)體層厚度(右軸線)相對于電絕緣體與半導(dǎo)體層的介電常數(shù)比((電絕緣體的介電常數(shù))/(半導(dǎo)體層的介電常數(shù)))的情況。如圖10中所示，對于選定介電常數(shù)比(如豎直箭頭所示)，對應(yīng)有使最大電場最小化的半導(dǎo)體層厚度。圖11示出了對于為電絕緣體厚度三分之一的半導(dǎo)體層的若干介電常數(shù)比，電場強度(V/英寸)相對于離芯的標(biāo)準(zhǔn)化距離的情況。曲線268示出了介電常數(shù)比為O. I的電場強度。曲線270示出了介電常數(shù)比為O. 5的電場強度。曲線272示出了介電常數(shù)比為O. 676的電場強度。曲線274示出了介電常數(shù)比為O. 8的電場強度。曲線276示出了不帶半導(dǎo)體層的絕緣導(dǎo)體加熱器(介電強度比為I)的電場強度。如圖11中所示，利用介電常數(shù)比為O. 676獲得芯與護套(外鞘)之間的最低的最大電場強度(曲線272)。應(yīng)可理解，本發(fā)明不限于所述的特定系統(tǒng)，所述系統(tǒng)當(dāng)然可改變。還應(yīng)理解，本文所用的術(shù)語僅出于描述特定實施例的目的，不旨在進行限制。當(dāng)在本說明書中使用時，單數(shù)形式的“一”、“一個”和“該”包括復(fù)數(shù)個所涉及物，除非所述內(nèi)容另外明確指出。因而，例如，提到“一個芯”包括兩個或更多個芯的組合，提到“一種材料”包括多種材料的混合物。借助于本說明書，本發(fā)明的各個方面的其他修改形式和替代實施例對于本領(lǐng)域中 技術(shù)人員將顯而易見。因此，本說明將僅視為是示例性的，并且用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員實現(xiàn)本發(fā)明的一般方式。應(yīng)可理解，本文所示和所述的本發(fā)明的形式應(yīng)視為目前優(yōu)選的實施例。本文示出和描述的元件和材料可替換，部件和工藝可顛倒，本發(fā)明的一些特征可獨立使用，這對于已獲益于對本發(fā)明的說明后的本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的?？蓪λ鲈M行改變而不偏離下面權(quán)利要求書中所述的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)當(dāng)理解，在以下所述權(quán)利要求書的每一個特征可與其它權(quán)利要求的特征組合或分開。例如，兩個或更多個從屬權(quán)利要求的特征可組合在一起以形成多項從屬權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種構(gòu)造成用于加熱地下地層的加熱器，包括 電導(dǎo)體； 至少部分地包圍電導(dǎo)體的半導(dǎo)體層； 至少部分地包圍電導(dǎo)體的絕緣層；以及 至少部分地包圍絕緣層的導(dǎo)電外鞘。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中所述半導(dǎo)體層位于絕緣層內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中所述半導(dǎo)體層至少部分地被所述絕緣層包圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中所述絕緣層至少部分地包圍所述半導(dǎo)體層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中所述半導(dǎo)體層構(gòu)造成用于在使用期間減小電導(dǎo)體中的電場。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中所述半導(dǎo)體層構(gòu)造成用于在使用期間減小絕緣層上的電應(yīng)力。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中所述絕緣層包括氧化鎂。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中所述半導(dǎo)體層具有比絕緣層更高的介電常數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中所述半導(dǎo)體層包括具有變化介電常數(shù)的多個半導(dǎo)體層。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中所述半導(dǎo)體層具有隨離電導(dǎo)體的中心軸線的徑向距離而變化的介電常數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，進一步包括位于絕緣層的與所述半導(dǎo)體層相對的側(cè)上的附加半導(dǎo)體層。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中所述加熱器構(gòu)造成提供電阻熱輸出以加熱地下地層的至少一部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中所述加熱器位于地下地層中的含烴層中的開口內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中所述加熱器位于地下地層中的含烴層內(nèi)，并且所述加熱器構(gòu)造成用于提供電阻熱輸出以加熱地下地層的至少一部分，從而使含烴層中的烴活動化。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中所述加熱器位于地下地層中的含烴層內(nèi)，并且所述加熱器構(gòu)造成用于提供電阻熱輸出以加熱地下地層的至少一部分，從而使含烴層中的烴熱解。
16.一種用于加熱地下地層的方法，包括 從至少部分地位于地層的含烴層中的開口內(nèi)的加熱器向所述含烴層的至少一部分提供熱，所述開口從地層的表面延伸穿過地層的上覆巖層部分并進入地層的含烴層，所述加熱器包括 電導(dǎo)體； 至少部分地包圍電導(dǎo)體的半導(dǎo)體層； 至少部分地包圍電導(dǎo)體的絕緣層；以及 至少部分地包圍絕緣層的導(dǎo)電外鞘； 容許熱傳遞至地層以使得地層中的至少一些烴活動化；以及從所述地層生產(chǎn)至少某些活動化烴。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述半導(dǎo)體層位于絕緣層內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述半導(dǎo)體層至少部分地被所述絕緣層包圍。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述絕緣層至少部分地包圍半導(dǎo)體層。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述半導(dǎo)體層具有比絕緣層更高的介電常數(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述半導(dǎo)體層具有隨離電導(dǎo)體的中心軸線的徑向距離而變化的介電常數(shù)。
22.—種構(gòu)造成用于加熱地下地層的加熱器，包括 電導(dǎo)體； 半導(dǎo)體層； 絕緣層；以及 導(dǎo)電外鞘。
全文摘要
一種用于加熱地下地層的加熱器包括電導(dǎo)體、至少部分地包圍電導(dǎo)體的半導(dǎo)體層、至少部分地包圍電導(dǎo)體的絕緣層、至少部分地包圍絕緣層的導(dǎo)電外鞘。所述加熱器可位于地下地層中的開口內(nèi)。
文檔編號E21B43/24GK102884279SQ201180018322
公開日2013年1月16日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者E·E·德圣里米, V·朱利亞尼, C·K·哈里斯 申請人:國際殼牌研究有限公司