專(zhuān)利名稱(chēng)：帶有與地層基本電絕緣的導(dǎo)管的限溫加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及用于從各種地下地層例如含烴地層中生產(chǎn)烴、氫 氣和/或其它產(chǎn)品的方法和系統(tǒng)。特別地， 一些實(shí)施方案涉及使用具有 與地層電絕緣的導(dǎo)管的限溫加熱器將選擇的地層部分加熱。
背景技術(shù)：
從地下地層中獲得的烴常常用作能源、作為原料和作為消費(fèi)品。 對(duì)可獲得的烴源耗盡的擔(dān)心和對(duì)所生產(chǎn)的烴的總質(zhì)量下降的擔(dān)心已經(jīng) 導(dǎo)致開(kāi)發(fā)了更加有效地采收、加工和/或使用可獲得的烴源的方法?？?使用原位法從地下地層中移出烴物質(zhì)。可能需要改變地下地層內(nèi)的烴 物質(zhì)的化學(xué)和/或物理性能，以允許烴物質(zhì)更加容易地從地下地層中移 出?；瘜W(xué)和物理變化可包括產(chǎn)生可移出流體、組成變化、溶解度變化、 密度變化、相變和/或地層內(nèi)烴物質(zhì)的粘度變化的原位反應(yīng)。流體可以 是但不限于氣體、液體、乳液、淤漿和/或具有與液體流動(dòng)類(lèi)似流動(dòng)特 征的固體顆粒的物流。
在原位法期間，可以將加熱器置于井孔中以加熱地層。使用井下
加熱器的原位法的例子描述于Ljungstrom的美國(guó)專(zhuān)利No. 2， 634， 961、 Ljungstrom的2，732，195、 Ljungstrom的2，780，450、 Ljungstrom的 2， 789， 805、 Ljungstrom的2， 923， 535和Van Meurs等的4， 886， 118中。
將熱施加給油頁(yè)巖地層描述于Ljungstrom的美國(guó)專(zhuān)利 No. 2， 923， 535和Van Meurs等的4， 886， 118中。可以將熱施加給油頁(yè) 巖地層以使油頁(yè)巖地層中的油母質(zhì)熱解。熱也可以使地層斷裂以提高 地層的滲透率。提高的滲透率可以允許地層流體行進(jìn)到生產(chǎn)井中，在 那里將流體從油頁(yè)巖地層中移出。在Ljungstrom披露的一些方法中，層中以引發(fā)燃燒。
可以使用熱源加熱地下地層?？梢允褂秒娂訜崞魍ㄟ^(guò)輻射和/或傳
導(dǎo)將地下地層加熱。電加熱器可以有阻力地加熱元件。Germain的美 國(guó)專(zhuān)利No. 2, 548, 360描述了 一種置于井孔中的粘性油中的電加熱元 件。該加熱器元件將油加熱并且稀釋?zhuān)?吏得油從井孔中泵出。Eastlund 等的美國(guó)專(zhuān)利No. 4, 716, 960描述了通過(guò)使相對(duì)低電壓的電流通過(guò)管 道以防止固體形成而電加熱石油井的管道。Van Egmond的美國(guó)專(zhuān)利 No. 5， 065, 818描述了 一種膠合到井下的電加熱元件，在該加熱元件周 圍沒(méi)有套管。
Vinegar等的美國(guó)專(zhuān)利No. 6， 023， 554描述了位于套管中的電加熱 元件。該加熱元件產(chǎn)生將套管加熱的輻射能?？梢詫⒘罟腆w填料置 于套管與地層之間。套管可以傳導(dǎo)加熱填料，這反過(guò)來(lái)傳導(dǎo)加熱地層。
一些地層可能具有薄的烴層或者在厚的烴層中具有薄的富含層。 可以有利地使用與地層電絕緣的加熱器用于加熱和/或處理這些類(lèi)型 的地層。加熱器與地層電絕緣降低了到地層的電損耗和提高了加熱器 中的加熱效率。將加熱器電絕緣也可以提供更安全的加熱器操作。加 熱器可以基本是u-形的井孔，這減少了地層表面上開(kāi)口的數(shù)目。對(duì)于 降低資金成本和/或降低在地層中鉆探開(kāi)口的影響(例如環(huán)境影響和/ 或表面地形改變)，減少開(kāi)口的數(shù)目可能是希望的。

發(fā)明內(nèi)容
本文中描述的實(shí)施方案總體涉及用于處理地下地層的系統(tǒng)、方法 和加熱器。本文中描述的實(shí)施方案還總體涉及其中具有新型組件的加 熱器。通過(guò)使用本文中描述的系統(tǒng)和方法可以獲得這類(lèi)加熱器。
在一些實(shí)施方案中，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(shí)施方案中，該系統(tǒng)、方法和/或加熱器用于處理地下地層。
在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種用于加熱含烴地層的系統(tǒng)， 其包括位于地層內(nèi)開(kāi)口中的導(dǎo)管，該導(dǎo)管包含鐵磁性材料；位于導(dǎo)管內(nèi)部的電導(dǎo)體，該電導(dǎo)體在導(dǎo)管的端部或接近導(dǎo)管的端部與導(dǎo)管電 連接，使得該電導(dǎo)體和導(dǎo)管串聯(lián)電連接和在將電流施加給系統(tǒng)期間電
流在電導(dǎo)體中以基本與導(dǎo)管中電流流動(dòng)相對(duì)的方向流動(dòng)；其中，在將 電流施加給系統(tǒng)期間，電子的流動(dòng)基本被由電導(dǎo)體中電流流動(dòng)產(chǎn)生的 電磁場(chǎng)限制在導(dǎo)管內(nèi)部，從而使得在251C下導(dǎo)管的外表面處于基本零 電勢(shì)或接近零電勢(shì)；和該導(dǎo)管被構(gòu)造成在將電流施加給系統(tǒng)期間發(fā)熱 并加熱地層。
在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，可組合來(lái)自具體實(shí)施方案的特征和來(lái)自 其它實(shí)施方案的特征。例如來(lái)自一個(gè)實(shí)施方案的特征可與來(lái)自任何其 它實(shí)施方案的特征組合。
在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，使用此處所述的任何一種方法、系統(tǒng)或 加熱器，進(jìn)行地下地層的處理。
在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，可添加附加的特征到此處所述的具體實(shí) 施方案中。


在受益于下述詳細(xì)說(shuō)明并參考附圖的情況下，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于 本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將變得顯而易見(jiàn)，其中 圖l描述了對(duì)加熱含烴地層的階段的說(shuō)明。
圖2給出了用于處理含烴地層的原位熱處理系統(tǒng)的一部分的實(shí)施 方案的示意圖。
圖3描述了其本身與地層電絕緣的基本u-形加熱器的實(shí)施方案。 圖4描述了其本身與地層電絕緣的單端的基本水平的加熱器的實(shí) 施方案。
圖5描述了使用絕緣導(dǎo)體作為中心導(dǎo)體的其本身與地層電絕緣的 單端的基本水平的加熱器的實(shí)施方案。
盡管本發(fā)明易于進(jìn)行各種改進(jìn)和替代形式，但其具體實(shí)施方案通 過(guò)附圖內(nèi)的實(shí)施例方式給出，且可在此處詳細(xì)描述。附圖可能不是按 比例的。然而，應(yīng)當(dāng)理解，附圖及其詳細(xì)說(shuō)明不打算限制本發(fā)明到所公開(kāi)的特定形式，相反，本發(fā)明擬覆蓋落在所附權(quán)利要求定義的本發(fā) 明的精神與范圍內(nèi)的所有改進(jìn)、等價(jià)和替代方案。
具體實(shí)施例方式
下述說(shuō)明一般地涉及處理地層內(nèi)的烴的系統(tǒng)與方法?？商幚磉@種 地層得到烴產(chǎn)品、氫氣和其它產(chǎn)品。
"烴"通常定義為主要由碳和氫原子形成的分子。烴也可包括其 它元素，例如但不限于鹵素、金屬元素、氮、氧和/或硫。烴可以是但 不限于油母質(zhì)、瀝青、焦瀝青、油、天然礦物蠟和瀝青巖。烴可位于 地殼內(nèi)的礦物母巖內(nèi)或者與之相鄰。母巖可包括但不限于沉積巖、砂 子、硅酸鹽、碳酸鹽、硅藻土和其它多孔介質(zhì)。"烴流體"是包含烴 的流體。烴流體可包含、夾帶或者被夾帶在非烴流體內(nèi)，所述非烴流 體例如氫氣、氮?dú)狻? 一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水和氨氣。
"地層"包括一層或多層含烴層、 一層或多層非烴層、上覆地層 和/或下伏地層。"上覆地層"和/或"下伏地層"包括一類(lèi)或更多不 同類(lèi)的不可滲透材料。例如上覆地層和/或下伏地層可包括巖石、頁(yè)巖、 泥巖或濕/致密碳酸鹽。在原位熱處理法的一些實(shí)施方案中，上覆地層 和/或下伏地層可包括一層含烴層或多層含烴層，所述含烴層相對(duì)不可 滲透且沒(méi)有經(jīng)歷導(dǎo)致上覆地層和/或下伏地層中含烴層顯著特性變化 的原位熱處理加工過(guò)程中的溫度。例如下伏地層可包含頁(yè)巖或泥巖， 但不允許加熱上覆地層到原位熱處理法期間的熱解溫度下。在一些情 況下，上覆地層和/或下伏地層可具有一些滲透性。
"地層流體"是指存在于地層內(nèi)的流體，且可包括熱解流體、合 成氣、運(yùn)動(dòng)流體、減粘流體和水(蒸汽)。地層流體可包括烴流體以及 非烴流體。術(shù)語(yǔ)"運(yùn)動(dòng)流體"是指作為熱處理地層的結(jié)果能流動(dòng)的含 烴地層內(nèi)的流體。"所生產(chǎn)的流體，，是指從地層中移出的地層流體。
"熱源"是基本通過(guò)傳導(dǎo)和/或輻射傳熱提供熱量到至少一部分地 層的任何系統(tǒng)。例如熱源可包括電加熱器，例如絕緣導(dǎo)體、伸長(zhǎng)構(gòu)件 和/或在導(dǎo)管內(nèi)布置的導(dǎo)體。熱源也可包括通過(guò)在地層外部或者內(nèi)部燃燒燃料生成熱的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以是表面燃燒器、井下氣體燃燒器、 無(wú)火焰的分布燃燒器和自然分布的燃燒器。在一些實(shí)施方案中，可通 過(guò)其它能源供應(yīng)在一個(gè)或多個(gè)熱源內(nèi)提供或生成的熱量。其它能源可 直接加熱地層，或者可施加能量到傳遞介質(zhì)上，所述傳遞介質(zhì)直接或 間接加熱地層。應(yīng)理解向地層施加熱量的一個(gè)或多個(gè)熱源可使用不同 的能源。因此，例如對(duì)于給定的地層來(lái)說(shuō)，某些熱源可由電阻加熱器 供應(yīng)熱量，某些熱源可由燃燒提供熱量，而某些熱源可由一種或多種 其它能源(例如化學(xué)反應(yīng)、太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物物質(zhì)或其它可再生的能 源)提供熱量?；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 括提供熱量到與加熱位置相鄰區(qū)域和/或在其周?chē)鷧^(qū)域例如加熱器井 的加熱器。
"加熱器"是在井內(nèi)或者在附近的井孔區(qū)域內(nèi)生成熱的任何系統(tǒng) 或熱源。加熱器可以是但不限于電加熱器、燃燒器、與在地層內(nèi)的材 料或者從地層中產(chǎn)生的材料反應(yīng)的燃燒器、和/或它們的組合。
"原位熱處理法"是指用熱源加熱含烴地層以將至少一部分地層 的溫度升高到流動(dòng)或減粘或者熱解溫度之上以使得在地層中生產(chǎn)流動(dòng) 的流體、減粘流體或者熱解流體的方法。
"絕緣導(dǎo)體"是指任何能夠?qū)щ姴⑶胰炕虿糠謂L電絕緣材料覆 蓋的細(xì)長(zhǎng)材料。
細(xì)長(zhǎng)的元件可以是棵露的金屬加熱器或者外露的金屬加熱器。 "棵露的金屬"和"外露的金屬"是指不包括電絕緣層的金屬，所述 電絕緣層如礦物絕緣層，其被設(shè)計(jì)為在細(xì)長(zhǎng)元件的整個(gè)操作溫度范圍 提供金屬的電絕緣?？寐兜慕饘俸屯饴兜慕饘倏梢园òg抑制 劑例如天然形成的氧化層、施加的氧化層和/或薄膜的金屬。棵露的金 屬和外露的金屬包括具有聚合物或其它類(lèi)型的電絕緣的金屬，這些電 絕緣在細(xì)長(zhǎng)元件的典型操作溫度下不能保持電絕緣性能。這類(lèi)材料可 被置于金屬上和在加熱器的使用期間可能熱降解。
"限溫加熱器"通常是指在不使用外部控制例如溫度控制器、功 率調(diào)節(jié)器、整流器或者其它設(shè)備的情況下在指定溫度之上調(diào)節(jié)熱輸出
9(例如降低熱輸出)的加熱器。限溫加熱器可以是AC(交流電流)或調(diào)制 的(例如"斬波的")DC(直流電流)供電的電阻加熱器。
"居里溫度"是在高于該溫度下鐵磁性材料喪失其全部鐵磁性性 能的溫度。除了在高于居里溫度下喪失其全部鐵磁性性能之外，當(dāng)增 加的電流通過(guò)鐵磁性材料時(shí)，鐵磁性材料開(kāi)始喪失其鐵磁性性能。
"隨時(shí)間變化的電流"是指在鐵磁性導(dǎo)體中產(chǎn)生表皮效應(yīng)電流并 且具有隨時(shí)間變化的幅度的電流。隨時(shí)間變化的電流包括交流電流(AC) 和調(diào)制的直流電流(DC)。
"交流電流(AC)"是指基本按正弦反轉(zhuǎn)方向的隨時(shí)間變化的電流。 AC在鐵磁性導(dǎo)體中產(chǎn)生表皮效應(yīng)電流。
"調(diào)制的直流電流(DC)，，是指在鐵磁性導(dǎo)體中產(chǎn)生表皮效應(yīng)電流 的任何基本非正弦的隨時(shí)間變化的電流。
用于限溫加熱器的"調(diào)節(jié)比"是對(duì)于給定的電流在居里溫度以下 最高的AC或調(diào)制DC電阻與在居里溫度以上最低的電阻的比。
在降低的熱輸出加熱系統(tǒng)、設(shè)備和方法的上下文中，術(shù)語(yǔ)"自動(dòng)" 是指這些系統(tǒng)、設(shè)備和方法在不使用外部控制(例如外部控制器如利用 溫度傳感器和反饋回路的控制器、PID控制器或預(yù)測(cè)控制器)的情況下 以一定方式起作用。
術(shù)語(yǔ)"井孔"是指通過(guò)在地層內(nèi)鉆探或者插入導(dǎo)管形成的地層內(nèi) 的孔。井孔可具有基本上圓形的截面，或者為其它截面形狀。此處所 使用的術(shù)語(yǔ)"井"和"開(kāi)口"當(dāng)是指在地層內(nèi)的開(kāi)口時(shí)，可與術(shù)語(yǔ)"井 孔"互換使用。
"u-形井孔"是指從地層中的第一開(kāi)口延伸通過(guò)至少一部分地層 并且在地層中的第二開(kāi)口通出的井孔。在本上下文中，井孔可以?xún)H僅 大致為"v"或"u"的形狀，應(yīng)理解的是對(duì)于被認(rèn)為是"u-形"的井 孔而言，該"u"的"腿"不需要彼此平行或者與"u"的"底部"垂 直。
"熱解，，是由于施加熱量導(dǎo)致的化學(xué)鍵斷裂。例如熱解可包括通 過(guò)單獨(dú)加熱將化合物轉(zhuǎn)化成一種或多種其它物質(zhì)。熱量可轉(zhuǎn)移到一部分地層上以引起熱解。在一些地層中， 一部分地層和/或在地層內(nèi)的其 它材料可通過(guò)催化活性促進(jìn)熱解。"熱解流體"或"熱解產(chǎn)品"是指基本上在熱解烴的過(guò)程中產(chǎn)生 的流體。通過(guò)熱解反應(yīng)產(chǎn)生的流體可與地層內(nèi)的其它流體混合。該混 合物將被視為熱解流體或熱解產(chǎn)品。此處所使用的"熱解區(qū)"是指反 應(yīng)了或者正在反應(yīng)形成熱解流體的地層體積(例如相對(duì)可滲透的地層， 如焦油砂地層)?？梢愿鞣N方式處理地層中的烴以制得許多不同產(chǎn)品。在一些實(shí)施 方案中，地層中的烴分階段進(jìn)行處理。圖l描述了對(duì)加熱含烴地層的 階段的說(shuō)明。圖l還描述了來(lái)自地層的地層流體以桶油當(dāng)量/噸計(jì)的產(chǎn)率("Y" ) (y軸)對(duì)以r計(jì)的加熱地層的溫度("T，， ) (x軸)的例子。在階段1加熱期間出現(xiàn)了甲烷的解吸和水的汽化。通過(guò)階段1加 熱地層可以盡可能迅速地進(jìn)行。例如當(dāng)最初將含烴地層加熱時(shí)，地層 中的烴解吸所吸附的甲烷?？梢詮牡貙又猩a(chǎn)解吸的甲烷。如果將含 烴地層進(jìn)一步加熱，則含烴地層中的水汽化。在一些含烴地層中，水 可以占據(jù)地層中的孔體積的10-50%。在其它地層中，水占據(jù)更大或更 小比例的孔體積。水通常在地層中在160-285t:在600-7000kPa絕壓 的壓力下汽化。在一些實(shí)施方案中，汽化的水產(chǎn)生地層中的潤(rùn)濕性變 化和/或增加的地層壓力。該潤(rùn)濕性變化和/或增加的壓力可以影響地 層中的熱解反應(yīng)或其它反應(yīng)。在一些實(shí)施方案中，從地層中生產(chǎn)汽化 的水。在其它實(shí)施方案中，汽化的水用于在地層中或地層外面的抽汽 和/或蒸餾。將水從地層中排出并且提高地層中的孔體積增加了孔體積 中烴的儲(chǔ)存空間。在一些實(shí)施方案中，在階段1加熱之后將地層進(jìn)一步加熱，以使 得地層中的溫度達(dá)到(至少)最初的熱解溫度(例如在如階段2所示的 溫度范圍下端的溫度)。地層中的烴可能在階段2被熱解。熱解溫度范 圍取決于地層中烴的種類(lèi)而變化。熱解溫度范圍可以包括250-900X: 的溫度。用于生產(chǎn)所希望的產(chǎn)品的熱解溫度范圍可以延伸穿過(guò)總熱解 溫度范圍的僅僅一部分。在一些實(shí)施方案中，用于生產(chǎn)所希望的產(chǎn)品的熱解溫度范圍可以包括250-400X:的溫度或者270-350X:的溫度。如 果地層中烴的溫度緩慢升高通過(guò)25 0-4 001C的溫度，則當(dāng)溫度達(dá)到400 "C時(shí)熱解產(chǎn)品的生產(chǎn)可能基本完成。烴的平均溫度可以在小于5iC/天、小于2x:/天、小于ix:/天或小于o.5t:/天的速率下升高通過(guò)用于生 產(chǎn)所希望的產(chǎn)品的熱解溫度范圍。用多個(gè)熱源加熱含烴地層可以在熱 源周?chē)崽荻?，以緩慢升高地層中烴的溫度通過(guò)熱解溫度范圍。 通過(guò)用于所希望的產(chǎn)品的熱解溫度范圍的溫度升高速率可能影響 從含烴地層中生產(chǎn)的地層流體的質(zhì)量和數(shù)量。將溫度緩慢升高通過(guò)用 于所希望的產(chǎn)品的熱解溫度范圍可能抑制地層中長(zhǎng)鏈分子的流動(dòng)。將溫度緩慢升高通過(guò)用于所希望的產(chǎn)品的熱解溫度范圍可能限制在流動(dòng) 的烴之間產(chǎn)生不希望的產(chǎn)品的反應(yīng)。將地層的溫度緩慢升高通過(guò)用于所希望的產(chǎn)品的熱解溫度范圍可以使得從地層中生產(chǎn)高質(zhì)量、高api比重度的烴。將地層的溫度緩慢升高通過(guò)用于所希望的產(chǎn)品的熱解溫 度范圍可以使得作為烴產(chǎn)品取出在地層中存在的大量的烴。在一些原位熱處理實(shí)施方案中，將一部分地層加熱至所希望的溫 度而不是緩慢加熱使溫度通過(guò)溫度范圍。在一些實(shí)施方案中，所希望的溫度為300X:、 325X:或3501C?？梢赃x擇其它的溫度作為所希望的溫度。來(lái)自熱源的熱的疊加使得在地層中相對(duì)迅速并且有效地建立所 希望的溫度。可以調(diào)節(jié)從熱源到地層中的能量輸入以將地層中的溫度 基本保持在所希望的溫度下。將加熱部分的地層基本保持在所希望的 溫度下直到熱解減少使得從地層中生產(chǎn)所希望的地層流體變得不經(jīng) 濟(jì)。經(jīng)受熱解的地層部分可以包括通過(guò)僅由一個(gè)熱源傳熱而被帶入熱 解溫度范圍內(nèi)的區(qū)域。在一些實(shí)施方案中，從地層中生產(chǎn)包括熱解流體的地層流體。當(dāng) 地層溫度增加時(shí)，生產(chǎn)的地層流體中可冷凝的烴的數(shù)量可能降低。在 高溫下，地層可能產(chǎn)出大部分甲烷和/或氫氣。如果將含烴地層加熱通 過(guò)整個(gè)熱解范圍，則對(duì)于熱解范圍的上限，地層可能產(chǎn)出僅僅少量的 氫氣。在所有可獲得的氫氣枯竭之后，將通常出現(xiàn)來(lái)自地層的最小數(shù) 量的流體產(chǎn)量。在烴熱解之后，大量碳和一些氫氣可能仍然存在于地層中。保留 在地層中的明顯比例的碳可以合成氣的形式從地層中生產(chǎn)。在圖1中描述的階段3加熱期間，可以出現(xiàn)合成氣生成。階段3可以包括將含 烴地層加熱至足以使得合成氣生成的溫度。例如，可以在約400-約 1200X:、約500-約1100r或者約550-約1000匸的溫度范圍內(nèi)生產(chǎn)合 成氣。當(dāng)將產(chǎn)生合成氣的流體引入地層時(shí)，地層的加熱部分的溫度決 定了在地層中生產(chǎn)的合成氣的組成?？梢酝ㄟ^(guò)生產(chǎn)井從地層中移出所 產(chǎn)生的合成氣。在熱解和合成氣生成期間，從含烴地層中生產(chǎn)的流體的總能量含 量可以保持相對(duì)恒定。在相對(duì)低的地層溫度下熱解期間，明顯比例的 所生產(chǎn)的流體可以是具有高能量含量的可冷凝烴。然而在更高的熱解 溫度下，較少的地層流體可以包括可冷凝的烴。更多的不可冷凝地層 流體可以從地層中生產(chǎn)。在主要為不可冷凝地層流體的生成期間，每 單位體積的所生產(chǎn)的流體的能量含量可能稍微降低。在合成氣產(chǎn)生期 間，與熱解流體的能量含量相比，每單位體積的所生產(chǎn)的合成氣的能 量含量明顯降低。然而，生產(chǎn)的合成氣的體積在許多情況下將明顯增 加，由此彌補(bǔ)降低的能量含量。圖2描述了處理含烴地層的一部分原位熱處理系統(tǒng)的實(shí)施方案的 示意圖。原植熱處理系統(tǒng)可包括屏蔽井200。使用屏蔽井在處理區(qū)域 周?chē)纬善帘螌?。屏蔽層抑制流體流出和/或流入處理區(qū)域。屏蔽井包 括但不限于脫水井、真空井、捕集井、注射井、泥漿井、冷凍井或它 們的組合。在一些實(shí)施方案中，屏蔽井200是脫水井。脫水井可除去 液體水和/或抑制液體水進(jìn)入待加熱的一部分地層內(nèi)或者正在加熱的 地層內(nèi)。在圖2描述的實(shí)施方案中，給出了僅僅沿著熱源202的一側(cè) 延伸的屏蔽井200，但屏蔽井典型地包圍所使用的或者待使用的加熱 地層的處理區(qū)域的全部熱源202。熱源202置于至少一部分地層內(nèi)。熱源202可包括加熱器，例如 絕緣導(dǎo)體、導(dǎo)管內(nèi)的導(dǎo)體加熱器、表面燃燒器、無(wú)火焰的分布/或自然 分布的燃燒器。熱源202也可包括其它類(lèi)型的加熱器。熱源202提供熱量到至少一部分地層以加熱地層內(nèi)的烴?？赏ㄟ^(guò)供應(yīng)線(xiàn)204供應(yīng)能 量到熱源202。供應(yīng)線(xiàn)204在結(jié)構(gòu)上可以不同，這取決于加熱地層所 使用的一種熱源或多種熱源的類(lèi)型。用于熱源的供應(yīng)線(xiàn)204可傳輸用 于電加熱器的電，可運(yùn)輸用于燃燒器的燃料，或者可運(yùn)輸在地層內(nèi)循 環(huán)的換熱流體。使用生產(chǎn)井206從地層中除去地層流體。在一些實(shí)施方案中，生 產(chǎn)井206包括熱源。在生產(chǎn)井內(nèi)的熱源可加熱在生產(chǎn)井處或其附近的 地層的一個(gè)或多個(gè)部分。在一些原位熱處理法實(shí)施方案中，以每米生 產(chǎn)井計(jì)，從生產(chǎn)井供應(yīng)到地層內(nèi)的熱量小于以每米熱源計(jì)從加熱地層 的熱源供應(yīng)到地層的熱量。從生產(chǎn)井供應(yīng)到地層的熱量可通過(guò)蒸發(fā)和 除去與生產(chǎn)井相鄰的液相流體，和/或通過(guò)形成宏觀(guān)和/或微觀(guān)斷裂增 加與生產(chǎn)井相鄰的地層的滲透率，從而增加與生產(chǎn)井相鄰的地層的滲 透率。由生產(chǎn)井206生產(chǎn)的地層流體可通過(guò)收集管道208輸送到處理設(shè) 施210中。也可由熱源202生產(chǎn)地層流體。例如可由熱源202生產(chǎn)流 體，以控制與熱源相鄰的地層內(nèi)的壓力。由熱源202生產(chǎn)的流體可通 過(guò)管道或管線(xiàn)輸送到收集管線(xiàn)208中，或者所生產(chǎn)的流體可通過(guò)管道 或管線(xiàn)直接輸送到處理設(shè)施210中。處理設(shè)施210可包括加工所生產(chǎn) 的地層流體用的分離單元、反應(yīng)單元、提質(zhì)單元、燃料電池、渦輪機(jī)、 儲(chǔ)存容器和/或其它系統(tǒng)和單元。處理設(shè)施可由地層生產(chǎn)的至少一部分烴形成輸送燃料。在一些實(shí)施方案中，運(yùn)輸燃料可以是噴氣燃料例如 JP-8。限溫加熱器可以處于構(gòu)件中和/或可以包括在某些溫度下提供用 于加熱器的自動(dòng)限溫性能的材料。在一些實(shí)施方案中，鐵磁性材料用 于限溫加熱器中。鐵磁性材料可以自我限制溫度在材料的居里溫度下 或接近居里溫度，以當(dāng)將隨時(shí)間變化的電流施加給材料時(shí)，在居里溫 度下或接近居里溫度提供減少的熱量。在一些實(shí)施方案中，鐵磁性材 料本身限制限溫加熱器的溫度在接近居里溫度的選擇溫度下。在一些 實(shí)施方案中，選擇的溫度在居里溫度的35C之內(nèi)、25X:之內(nèi)、20匸之內(nèi)或者iox:之內(nèi)。在一些實(shí)施方案中，將鐵磁性材料與其它材料(例 如高度傳導(dǎo)材料、高強(qiáng)度材料、耐腐蝕材料或它們的組合)組合以提供 各種電和/或機(jī)械性能。限溫加熱器的一些部件可以具有比限溫加熱器性和/:非鐵磁性材料造成)、。 吏限J加熱器的部件具有不ii^材料和/ 或尺寸使得能夠調(diào)節(jié)來(lái)自加熱器的每一部件的所希望的熱輸出。限溫加熱器可能比其它加熱器更可靠。限溫加熱器可以不易于遭 受由于地層中熱點(diǎn)導(dǎo)致的故障或失靈。在一些實(shí)施方案中，限溫加熱 器使得能夠基本均勻地加熱地層。在一些實(shí)施方案中，通過(guò)沿著加熱 器的整個(gè)長(zhǎng)度在較高的平均熱輸出下操作，限溫加熱器能夠更有效地 加熱地層。限溫加熱器沿著加熱器的整個(gè)長(zhǎng)度在較高的平均熱輸出下 操作，這是因?yàn)檩斎爰訜崞鞯墓β蕦?duì)于整個(gè)加熱器而言不必如典型的 恒定功率加熱器那樣在沿著加熱器的任何點(diǎn)的溫度超過(guò)或者將超過(guò)加 熱器的最大操作溫度時(shí)被降低。達(dá)到加熱器的居里溫度時(shí)，來(lái)自限溫 加熱器部分的熱輸出自動(dòng)減少，而不用控制地調(diào)節(jié)施加給加熱器的隨 時(shí)間變化的電流。由于限溫加熱器部分的電性能(例如電阻)改變而使 熱輸出自動(dòng)減少。因此，在大部分加熱過(guò)程期間，限溫加熱器提供更 多的功。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)限溫加熱器由隨時(shí)間變化的電流通電時(shí)， 包括限溫加熱器的系統(tǒng)最初提供第 一熱輸出和然后在加熱器的電阻部 分的居里溫度下、其附近或以上提供減少的熱輸出(第二熱輸出)。第 一熱輸出是在限溫加熱器開(kāi)始自我限制的溫度以上的熱輸出。在一些 實(shí)施方案中，第一熱輸出是在低于限溫加熱器中鐵磁性材料的居里溫度50匸、751C、 IOO匸或125C的溫度下的熱輸出。限溫加熱器可以由在井口提供的隨時(shí)間變化的電流(交流電流或 調(diào)制的直流電流)通電。井口可以包括能源和用于將能量提供給限溫加 熱器的其它組件(例如調(diào)制組件、變壓器和/或電容器)。限溫加熱器可 以是用于加熱一部分地層的許多加熱器中的一種。在一些實(shí)施方案中，限溫加熱器包括導(dǎo)體，當(dāng)將隨時(shí)間變化的電流施加給該導(dǎo)體時(shí)，其作為表皮效應(yīng)或近似效應(yīng)加熱器操作。該表皮 效應(yīng)限制了電流滲透到導(dǎo)體內(nèi)部的深度。對(duì)于鐵磁性材料而言，表皮 效應(yīng)由導(dǎo)體的導(dǎo)磁系數(shù)控制。鐵磁性材料的相對(duì)導(dǎo)磁系數(shù)通常為
10-1000(例如，鐵磁性材料的相對(duì)導(dǎo)磁系數(shù)通常為至少I(mǎi)O和可以為至 少50、 100、 500、 1000或更大)。當(dāng)將鐵磁性材料的溫度升高到居里 溫度以上時(shí)和/或當(dāng)施加的電流增加時(shí)，鐵磁性材料的導(dǎo)磁系數(shù)明顯降
數(shù))。導(dǎo)>^系數(shù)的降低導(dǎo)致在居里溫度下、其附近或以上和/或當(dāng)施加 的電流增加時(shí)導(dǎo)體的AC或調(diào)制的DC電阻降低。當(dāng)限溫加熱器通過(guò)基 本恒定的電源通電時(shí)，接近、達(dá)到或者在居里溫度以上的加熱器部分 可能具有降低的熱耗散。不在居里溫度下或附近的限溫加熱器部分可 由表皮效應(yīng)加熱控制，該加熱使得加熱器由于較高的電阻負(fù)荷而具有 高的熱耗散。
使用限溫加熱器加熱地層中的烴的優(yōu)點(diǎn)在于選擇導(dǎo)體使其居里溫 度在所希望的操作溫度范圍內(nèi)。在所希望的操作溫度范圍內(nèi)操作使得 大量的熱注入地層，同時(shí)將限溫加熱器和其它設(shè)備的溫度保持在設(shè)計(jì) 極限溫度以下。設(shè)計(jì)極限溫度是在其下一些性能例如腐蝕、蠕變和/ 或變形被負(fù)面影響的溫度，限溫加熱器的限溫性能抑制了地層中的低 熱導(dǎo)率"熱點(diǎn)"附近加熱器的過(guò)熱或燒毀。在一些實(shí)施方案中，限溫 加熱器能夠降低或控制熱輸出和/或承受在高于25匸、37X:、 100匸、 2501C、 500r、 700X:、 800^、 9001C或更高直到11311C的溫度下的 熱量，這取決于加熱器中使用的材料。
限溫加熱器使得與恒定功率加熱器相比有更多的熱量注入到地 層，這是因?yàn)椴槐叵拗戚斎胂逌丶訜崞髦械哪芰恳赃m應(yīng)加熱器附近的 低熱導(dǎo)率區(qū)域。例如，在格林河(Green River )油頁(yè)巖中，最不富足 的油頁(yè)巖層與最富足的油頁(yè)巖層的熱導(dǎo)率相差至少3倍。當(dāng)加熱這種 地層時(shí)，與用被低熱導(dǎo)率層下的溫度限制的常規(guī)加熱器相比，用限溫 加熱器將明顯更多的熱傳給地層。沿著常規(guī)加熱器的整個(gè)長(zhǎng)度的熱輸 出需要適應(yīng)低熱導(dǎo)率層，使得加熱器在低熱導(dǎo)率層下不會(huì)過(guò)熱和燒毀。對(duì)于限溫加熱器而言，處于高溫下的低熱導(dǎo)率層附近的熱輸出將減少， 但未處于高溫下的限溫加熱器的剩余部分將仍然提供高的熱輸出。由
于用于加熱烴地層的加熱器通常具有長(zhǎng)的長(zhǎng)度(例如至少10m、 100m、 300m、至少500m、 lkm或者更多達(dá)到10km),因此限溫加熱器的大部 分長(zhǎng)度可以在居里溫度以下操作而僅僅少部分在限溫加熱器的居里溫 度下或接近居里溫度。
使用限溫加熱器使得有效地將熱傳給地層。有效的傳熱使得將地 層加熱至所希望的溫度所需的時(shí)間減少。例如在格林河油頁(yè)巖中，當(dāng) 使用用常規(guī)恒定功率加熱器隔開(kāi)的12m加熱器井時(shí)，熱解通常需要加 熱9.5年-10年。對(duì)于相同的加熱器間隔而言，限溫加熱器可以允許 更大的平均熱輸出，同時(shí)保持加熱器設(shè)備溫度低于設(shè)備設(shè)計(jì)極限溫度。 與通過(guò)恒定功率加熱器提供的較低平均熱輸出相比，借助于由限溫加 熱器提供的較大平均熱輸出，地層中的熱解可以在更早的時(shí)刻出現(xiàn)。 例如，在格林河油頁(yè)巖中，使用具有12m加熱器井間隔的限溫加熱器， 熱解可能在5年內(nèi)發(fā)生。限溫加熱器抵抗由于在加熱器井過(guò)于接近的 情況下不準(zhǔn)確的井間隔或者鉆探引發(fā)的熱點(diǎn)。在一些實(shí)施方案中，限 溫加熱器允許對(duì)于被間隔分開(kāi)過(guò)遠(yuǎn)的加熱器井的功率輸出隨著時(shí)間增 加，或者限制對(duì)于間隔過(guò)近的加熱器井的功率輸出。在上覆地層和下 伏地層附近的區(qū)域中，限溫加熱器還提供了更多的能量以彌補(bǔ)這些區(qū) 域的溫度損耗。
限溫加熱器可以有利地在許多類(lèi)型的地層中使用。例如，在瀝青 砂地層或者含有重質(zhì)烴的相對(duì)可滲透地層中，可以使用限溫加熱器以 提供可控制的低溫輸出用于降低流體粘度、使流體流動(dòng)和/或增強(qiáng)在井 孔下或附近或者在地層中流體的徑向流動(dòng)?？梢允褂孟逌丶訜崞饕砸?制由于地層井孔區(qū)域附近過(guò)熱而形成過(guò)量焦炭。
在一些實(shí)施方案中，限溫加熱器的使用消除或減少了對(duì)于昂貴的 溫度控制電路的需要。例如，限溫加熱器的使用消除或減少了進(jìn)行溫 度記錄的需要和/或在加熱器上使用固定的熱電偶以監(jiān)控?zé)狳c(diǎn)處可能 過(guò)熱的需要。在一些實(shí)施方案中，限溫加熱器是容許變形的。井孔中材料的局 部移動(dòng)可能導(dǎo)致在加熱器上的橫向應(yīng)力，這可能使其形狀變形。沿著 加熱器的長(zhǎng)度在其下井孔到達(dá)或接近加熱器的位置可能是熱點(diǎn)，在此 處標(biāo)準(zhǔn)加熱器過(guò)熱并且有燒毀的可能。這些熱點(diǎn)可能降低金屬的屈服
強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，使得加熱器破碎或變形。限溫加熱器可以成形為s 曲線(xiàn)(或其它非線(xiàn)性形狀)，這容許限溫加熱器變形而不會(huì)造成加熱器 故障。
在一些實(shí)施方案中，與標(biāo)準(zhǔn)加熱器相比，對(duì)于生產(chǎn)或制造而言限 溫加熱器更加經(jīng)濟(jì)。典型的鐵磁性材料包括鐵、碳鋼或鐵素體不銹鋼。 與通常在絕緣導(dǎo)體(礦物絕緣電纜)加熱器中使用的鎳基加熱合金(例
如鎳鉻合金、KanthalTM(Bulten-Kanthal AB ， Sweden)和/或 L0HM (Driver-Harris Company, Harrison, New Jersey, U.S.A.)) 相比，這些材料便宜。在限溫加熱器的一個(gè)實(shí)施方案中，限溫加熱器 以連續(xù)的長(zhǎng)度作為絕緣導(dǎo)體加熱器制造以降低成本和提高可靠性。
用于限溫加熱器中的鐵磁性合金決定了加熱器的居里溫度。各種 金屬的居里溫度數(shù)據(jù)歹'J于 "American Institute of Physics Handbook"，第二版，McGraw-Hill, 5-170至5-176頁(yè)中。鐵磁性導(dǎo) 體可以包含一種或多種鐵磁性元素(鐵、鈷和鎳)和/或這些元素的合 金。在一些實(shí)施方案中，鐵磁性導(dǎo)體包括包含鎢(W)的鐵-鉻(Fe-Cr) 合金(例如HCM12A和SAVE12 (Sumitomo Metals Co. ， Japan)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性元素當(dāng)中，鐵具有770匸 的居里溫度；鈷(Co)具有1131E的居里溫度；和鎳具有大約358C的 居里溫度。鐵-鈷合金的居里溫度比鐵的居里溫度更高。例如，具有 2wt。/。鈷的鐵-鈷合金具有800"C的居里溫度；具有12wt。/。鈷的鐵-鈷合金 具有900^C的居里溫度；和具有20w"鈷的鐵-鈷合金具有950X:的居 里溫度。鐵-鎳合金的居里溫度比鐵的居里溫度更低。例如，具有20wt% 鎳的鐵-鎳合金具有720"C的居里溫度，和具有60wt。/。鎳的鐵-鎳合金具 有560。C的居里溫度。用作合金的一些非鐵磁性元素升高了鐵的居里溫度。例如，具有
5. 9wt%釩的鐵-釩合金具有約815匸的居里溫度。其它非鐵磁性元素(例 如碳、鋁、銅、硅和/或鉻)可與鐵或其它鐵磁性材料形成合金以降低 居里溫度。提高居里溫度的非鐵磁性材料可與降低居里溫度的非鐵磁 性材料組合并且與鐵或其它鐵磁性材料形成合金，以制備具有所希望 的居里溫度和其它所希望的物理和/或化學(xué)性能的材料。在一些實(shí)施方 案中，居里溫度材料是鐵素體例如NiFe204。在另一些實(shí)施方案中，居 里溫度材料是二元化合物例如FeNJU或Fe3Al。
限溫加熱器的一些實(shí)施方案可以包括多于一種的鐵磁性材料。如 果將本文中描述的任何條件應(yīng)用于限溫加熱器中的至少 一種鐵磁性材 料，則這些實(shí)施方案處于本文中描述的實(shí)施方案的范圍內(nèi)。
當(dāng)達(dá)到居里溫度時(shí)，鐵磁性性能通常減弱。因此，自我限制的溫 度可能稍微低于鐵磁性導(dǎo)體的實(shí)際居里溫度。表皮深度通常定義了隨 時(shí)間變化的電流進(jìn)入導(dǎo)電材料的有效穿透深度。 一般而言，電流密度 與沿著導(dǎo)體的半徑從外表面到達(dá)中心的距離成指數(shù)降低。在其下電流
密度約為表面電流密度的1/e的深度被稱(chēng)為表皮深度。在1%碳鋼中電 流的表皮深度在室溫下為0. 132cm和在720C增至0. 445cm。從720匸 到730r，表皮深度急劇增加至超過(guò)2. 5cm。因此，使用1%碳鋼的限 溫加熱器實(shí)施方案在650-730匸開(kāi)始自我限制。
對(duì)于大多數(shù)金屬而言，電阻率(p)隨著溫度增加。相對(duì)導(dǎo)磁系數(shù) 通常隨著溫度和電流而變化。可以使用另外的方程以估計(jì)導(dǎo)磁系數(shù)和/ 或表皮深度針對(duì)溫度和/或電流的變化。M對(duì)電流的依賴(lài)性源于H對(duì)電 磁場(chǎng)的依賴(lài)性。
可以選擇用于限溫加熱器中的材料以提供所希望的調(diào)節(jié)比?？梢?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 用于限溫加熱器。也可以釆用更大的調(diào)節(jié)比。選擇的調(diào)節(jié)比可以取決 于許多因素，包括但不限于限溫加熱器位于其中的地層的類(lèi)型(例如較 高的調(diào)節(jié)比可用于油頁(yè)巖地層，在富足和貧瘠的油頁(yè)巖層之間熱導(dǎo)率 有大的變化)和/或用于井孔中的材料的溫度極限(例如加熱器材料的溫度極限)。在一些實(shí)施方案中，通過(guò)將附加的銅或另外的優(yōu)良電導(dǎo)體 連接在鐵磁性材料上而提高調(diào)節(jié)比(例如加入銅以降低高于居里溫度 時(shí)的電阻)。
限溫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)。在一些實(shí)施方案中，最小熱輸出為至少400W/m(瓦特/米)、 600W/m、 700W/m、 800W/m或者更高直到2000W/m。當(dāng)加熱器段的溫度 達(dá)到或高于居里溫度時(shí)，限溫加熱器減小當(dāng)該加熱器段的熱輸出量。 減小的熱量可以明顯小于居里溫度以下的熱輸出。在一些實(shí)施方案中， 減小的熱量至多為400W/m、 200W/m、 lOOW/m或者可能達(dá)到OW/m。
在一些實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)AC頻率以改變鐵磁性材料的表皮深度。 例如，1%碳鋼在室溫下的表皮深度在60Hz下為0. 132cm、在180Hz下 為0. 0762cm，和在440Hz下為0. 046cm。由于加熱器直徑通常大于表 皮深度的兩倍，因此釆用較高的頻率(和因此具有較小直徑的加熱器) 降低了加熱器成本。對(duì)于固定的幾何結(jié)構(gòu)而言，較高的頻率導(dǎo)致較高 的調(diào)節(jié)比。通過(guò)將較低頻率下的調(diào)節(jié)比乘以較高頻率除以較低頻率的 平方根而計(jì)算較高頻率下的調(diào)節(jié)比。在一些實(shí)施方案中，使用 100-lOOOHz、 140-200Hz或者400-600Hz的頻率(例如180Hz、 540Hz 或720Hz)。在一些實(shí)施方案中，可以^使用高頻率。該頻率可以大于 lOOOHz。
在一些實(shí)施方案中，可以使用調(diào)制的DC(例如斬波的DC、波形調(diào) 制DC或循環(huán)的DC)用于將電功率提供給限溫加熱器?？梢詫C調(diào)制 器或DC斬波器連接在DC電源上以提供調(diào)制的直流電輸出。在一些實(shí) 施方案中，DC電源可以包括用于調(diào)制DC的裝置。DC調(diào)制器的一個(gè)例 子是DC/DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。DC/DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)是本領(lǐng)域通常已知的。通 常將DC調(diào)制或斬波成所希望的波形。用于DC調(diào)制的波形包括但不限 于方波、正弦曲線(xiàn)、變形的正弦曲線(xiàn)、變形的方波、三角形和其它規(guī) 則或不規(guī)則波形。
調(diào)制的DC波形通常確定了調(diào)制的DC的頻率。因此，可以選擇調(diào) 制的DC波形以提供所希望的調(diào)制DC頻率。可以改變調(diào)制的DC波形的
20形狀和/或調(diào)制比(例如斬波比)以改變調(diào)制的DC頻率。DC可以在高于 通?？色@得的AC頻率的頻率下調(diào)制。例如，可以在至少1000Hz的頻 率下提供調(diào)制的DC。將提供的電流的頻率增至較高的值有利地提高了 限溫加熱器的調(diào)節(jié)比。
在一些實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)或改變調(diào)制的DC波形以改變調(diào)制的DC 頻率。在使用限溫加熱器期間和在高的電流或電壓下，DC調(diào)制器可能 能夠在任何時(shí)刻調(diào)節(jié)或改變調(diào)制的DC波形。因此，提供給限溫加熱器 的調(diào)制DC不限于單個(gè)頻率或者甚至小的頻率值組。使用DC調(diào)制器的 波形選擇通常允許寬范圍的調(diào)制DC頻率和調(diào)制的DC頻率的離散控制。 因此，調(diào)制的DC頻率更容易設(shè)置在不同的值下，而AC頻率通常限于 多個(gè)行頻率。調(diào)制的DC頻率的離散控制允許對(duì)限溫加熱器的調(diào)節(jié)比更 具選擇性的控制。能夠選擇性控制限溫加熱器的調(diào)節(jié)比允許使用更寬 范圍的材料設(shè)計(jì)和構(gòu)造限溫加熱器。
在一些實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)調(diào)制的DC頻率或AC頻率以彌補(bǔ)在使用 期間限溫加熱器的性能(例如地下條件例如溫度或壓力)的改變。提供 給限溫加熱器的調(diào)制DC頻率或AC頻率基于估計(jì)的井下條件而變化。 例如，當(dāng)井孔中限溫加熱器的溫度增加時(shí)，可以有利地增加提供給加 熱器的電流頻率，由此提高加熱器的調(diào)節(jié)比。在一個(gè)實(shí)施方案中，評(píng) 價(jià)井孔中限溫加熱器的井下溫度。
在一些實(shí)施方案中，改變調(diào)制的DC頻率或AC頻率以調(diào)節(jié)限溫加 熱器的調(diào)節(jié)比?？梢哉{(diào)節(jié)該調(diào)節(jié)比以彌補(bǔ)沿著限溫加熱器長(zhǎng)度出現(xiàn)的 熱點(diǎn)。例如，由于限溫加熱器在某些位置變得過(guò)熱，因此增加調(diào)節(jié)比。 在一些實(shí)施方案中，在不評(píng)價(jià)地下條件的情況下改變調(diào)制的DC頻率或 AC頻率以調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)比。
The Metals Handbook, 8 巻，291 頁(yè)(American Society of Materials (ASM))包括了鐵-鉻合金的居里溫度對(duì)合金中鉻含量的圖 線(xiàn)。在一些限溫加熱器實(shí)施方案中，將單獨(dú)的支撐棒或管(由3WH不 銹鋼制成)連接到由鐵-鉻合金制成的限溫加熱器上以提供屈服強(qiáng)度和 /或抗蠕變性。在一些實(shí)施方案中，選擇支承材料和/或鐵磁性材料以在650"C下提供至少20. 7MPa的100， 000小時(shí)蠕變-斷裂強(qiáng)度。在一些 實(shí)施方案中，該IOO， 000小時(shí)蠕變-斷裂強(qiáng)度在650iC下為至少13. 8MPa 或者在650X:下為至少6. 9MPa。例如，347H鋼在650"下或以上具有 有利的蠕變-斷裂強(qiáng)度。在一些實(shí)施方案中，對(duì)于較長(zhǎng)的加熱器和/或 較高的地層或流體應(yīng)力而言，該100， 000小時(shí)蠕變-斷裂強(qiáng)度為 6. 9-41. 3MPa。
在一些實(shí)施方案中，限溫加熱元件用于u-形井孔的基本水平的階 段?；緐-形的井孔可用于瀝青砂地層、油頁(yè)巖地層或者具有相對(duì)薄 的烴層的其它地層中。瀝青砂或薄的油頁(yè)巖地層可以具有薄的淺層， 使用置于基本u-形井孔中的加熱器更容易和更均勻地將這些淺層加 熱?；緐-形的井孔也可用于處理地層中具有厚的烴層的地層。在一 些實(shí)施方案中，基本u-形的井孔用于進(jìn)入厚的烴地層中的富足層。
與垂直井孔中的加熱器相比，基本u-形的井孔中的加熱器可以具 有長(zhǎng)的長(zhǎng)度，因?yàn)樗郊訜岫尾痪哂写怪奔訜嵩龅降娜渥兓驊覓?應(yīng)力的問(wèn)題。基本u-形的井孔可以利用地層中的天然密封層和/或烴 層的有限厚度。例如，可以將井孔設(shè)置在地層中的天然密封層的上方 或下方，而不需要如垂直取向的井孔中所需要的那樣在天然密封層中 穿出大量的孔。使用基本u-形的井孔代替垂直井孔也可以減少處理地 層的表面印記所需的井的數(shù)目。通過(guò)減少表面上井孔的數(shù)目和表面上 設(shè)備的數(shù)目，使用較少的井降低了設(shè)備的資金成本和降低了處理地層 的環(huán)境影響。與垂直井孔相比，基本u-形的井孔也可以使用較低的上 覆地層段與加熱段的比。
基本u-形的井孔可以允許將井孔的開(kāi)口靈活地設(shè)置在表面上?？?以根據(jù)地層的表面形態(tài)來(lái)設(shè)置井孔的開(kāi)口。在一些實(shí)施方案中，可以 將井孔的開(kāi)口設(shè)置在地理上可達(dá)到的位置例如地形高處(例如小山)。 例如，井孔可以具有在第一地形高處的第一開(kāi)口和在第二地形高處的 第二開(kāi)口以及在第一與第二地形高處之間的地形低處(例如具有淤積
的土方的峽谷)下面的井孔橫段。開(kāi)口的這種設(shè)置可以避免將開(kāi)口或設(shè) 備設(shè)置在地形低處或其它不可達(dá)到的位置。另外，在地形高處的區(qū)域中，水平面可能不是自流的?？梢糟@探井孔以使得開(kāi)口并不位于環(huán)境 敏感的區(qū)域附近，例如但不限于水流、筑巢區(qū)域或動(dòng)物保護(hù)區(qū)附近。
在一些實(shí)施方案中，加熱器與地層電絕緣，因?yàn)樵摷訜崞髟诩訜?br> 器的外側(cè)具有極低或不具有電壓電勢(shì)。圖3描述了本身與地層電絕緣 的基本u-形加熱器的一個(gè)實(shí)施方案。加熱器220具有在表面216上的 第一開(kāi)口處的第一端部和在表面上的第二開(kāi)口處的第二端部。在一些 實(shí)施方案中，加熱器220僅具有在表面上的第一端部，加熱器的第二 端部位于烴層212中(該加熱器是單端加熱器)。圖4和5描述了其本 身與地層電絕緣的單端加熱器的實(shí)施方案。在一些實(shí)施方案中，如圖 4和5中所示，單端加熱器220具有細(xì)長(zhǎng)部分，該部分在烴層212中 基本水平。在一些實(shí)施方案中，單端加熱器220具有取向除烴層212 中基本水平以外的細(xì)長(zhǎng)部分。例如，單端加熱器可以具有在烴層中與 水平成15°取向的細(xì)長(zhǎng)部分。
如圖3-5中所示，加熱器220包括位于烴層212中的加熱元件218。 加熱元件218可以是鐵磁性導(dǎo)管加熱元件或鐵磁性管狀加熱元件。在 一些實(shí)施方案中，加熱元件218是限溫加熱器管狀加熱元件。在一些 實(shí)施方案中，加熱器218是9-13wt。/。的鉻不銹鋼管，例如410不銹鋼 管、T/P91不銹鋼管或者T/P92不銹鋼管。在一些實(shí)施方案中，加熱 元件218包括壁厚為25t!下鐵磁性材料的至少一個(gè)表皮深度的鐵磁性 材料。在一些實(shí)施方案中，加熱元件218包括壁厚為251C下鐵磁性材 料的表皮深度的至少約兩倍、25X:下鐵磁性材料的表皮深度的至少約 三倍或者25 x:下鐵磁性材料的表皮深度的至少約四倍的鐵磁性材料。
加熱元件218與一個(gè)或多個(gè)部分222相連。部分222位于上覆地 層214中。部分222包括較高電導(dǎo)率材料例如銅或鋁。在一些實(shí)施方 案中，部分222是碳鋼內(nèi)的銅包層。
中心導(dǎo)體226位于加熱元件218內(nèi)部。在一些實(shí)施方案中，通過(guò) 將加熱元件和中心導(dǎo)體從一個(gè)或多個(gè)線(xiàn)軸上退繞同時(shí)將它們放入地層 中而將加熱元件218和中心導(dǎo)體226放入或安裝在地層中。在一些實(shí) 施方案中，將加熱元件218和中心導(dǎo)體226 —起連接在單個(gè)線(xiàn)軸上并且作為加熱元件內(nèi)部具有中心導(dǎo)體的單個(gè)系統(tǒng)退繞。在一些實(shí)施方案
中，將加熱元件218和中心導(dǎo)體226設(shè)置在單獨(dú)的線(xiàn)軸上并且在將加 熱元件置于地層中之后將中心導(dǎo)體置于加熱元件內(nèi)部。
在一些實(shí)施方案中，中心導(dǎo)體226位于加熱元件218的中心處或 附近。中心導(dǎo)體226可以沿著中心導(dǎo)體的長(zhǎng)度(例如烴層212中的中心 導(dǎo)體的長(zhǎng)度)與加熱元件218基本電絕緣。在一些實(shí)施方案中，中心導(dǎo) 體226通過(guò)一個(gè)或多個(gè)電絕緣的定中心器與加熱元件218分開(kāi)。定中 心器可以包含氮化硅或另外的電絕緣材料。定中心器可以抑制中心導(dǎo) 體226與加熱元件218之間的電接觸，以使得例如抑制中心導(dǎo)體與加 熱元件之間的電弧或短路。在一些實(shí)施方案中，中心導(dǎo)體226是一種 導(dǎo)體(例如實(shí)心導(dǎo)體或管狀導(dǎo)體)，使得加熱器處于導(dǎo)管中的導(dǎo)體的構(gòu) 造中。
在一些實(shí)施方案中，中心導(dǎo)體226是銅棒或銅管。在一些實(shí)施方 案中，中心導(dǎo)體226和/或加熱元件218具有薄的電絕緣層以抑制加熱 元件的電流泄漏。在一些實(shí)施方案中，薄的電絕緣層是氧化鋁或熱噴 涂的氧化鋁。在一些實(shí)施方案中，薄的電絕緣層是陶瓷組合物的搪瓷 涂層。該薄的電絕緣層可以抑制三相加熱器的加熱元件免于在元件之 間泄漏電流、免于將電流泄露到地層中、和免于將電流泄露到地層中 的其它加熱器中。因此，該三相加熱器可以具有較長(zhǎng)的加熱器長(zhǎng)度。
在一些實(shí)施方案中，中心導(dǎo)體226是絕緣導(dǎo)體。該絕緣導(dǎo)體可以 包括在導(dǎo)電外殼內(nèi)部的導(dǎo)電芯，該芯與外殼之間電絕緣。在一些實(shí)施 方案中，絕緣導(dǎo)體包括在非鐵磁性不銹鋼(例如347不銹鋼)內(nèi)部的銅 芯，在該芯與外殼之間有氧化鎂絕緣。該芯可用于將電流傳導(dǎo)通過(guò)絕 緣導(dǎo)體。在一些實(shí)施方案中，將絕緣導(dǎo)體置于加熱元件218內(nèi)部，而 不需要在絕緣導(dǎo)體與加熱元件之間的定中心器或隔板。如果中心導(dǎo)體 和加熱元件接觸，則該絕緣導(dǎo)體的外殼和電絕緣可以使芯與加熱元件 218電絕緣。因此，芯和加熱元件218被抑制以防止彼此電短路。絕 緣導(dǎo)體或另外的實(shí)心中心導(dǎo)體226可被抑制免于被加熱元件218粉碎 或變形。在一些實(shí)施方案中，如圖3中所示，在表面216上使用電連接224將中心導(dǎo)體226的一個(gè)端部與加熱元件218的一個(gè)端部電連接。 在一些實(shí)施方案中，如圖4和5中所示，在烴層212中使用電連接224 將中心導(dǎo)體226的末端與加熱元件218的末端電連接。因此，在圖3-5 中描述的實(shí)施方案中，中心導(dǎo)體226以串聯(lián)結(jié)構(gòu)與加熱元件218電連 接。在一些實(shí)施方案中，中心導(dǎo)體226是絕緣導(dǎo)體并且該絕緣導(dǎo)體的 芯以串聯(lián)結(jié)構(gòu)與加熱元件218電連接。中心導(dǎo)體226是用于加熱元件 218的回路電導(dǎo)體，使得中心導(dǎo)體中的電流以與加熱元件中的電流相 對(duì)的方向流動(dòng)(如由箭頭228所示)。在加熱元件中的鐵磁性材料的居 里溫度以下，由中心導(dǎo)體226中的電流流動(dòng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)基本將電子 流動(dòng)和熱產(chǎn)生限制在加熱元件218的內(nèi)部(例如加熱元件的內(nèi)壁)。因 此，在低于鐵磁性材料的居里溫度的溫度下(例如在251C下)，加熱元 件218的外部處于基本零電勢(shì)下和加熱元件與地層和任何相鄰的加熱 器或加熱元件電絕緣。加熱元件218的外部處于基本零電勢(shì)下和加熱 元件與地層和任何相鄰的加熱器或加熱元件電絕緣允許在烴層212中 使用長(zhǎng)的加熱器長(zhǎng)度，而沒(méi)有明顯的電(電流)損耗到烴層中。例如， 在烴層212中可以使用長(zhǎng)度為至少約100m、至少約500m或至少約 1000m的加熱器
在將電流施加給加熱元件218和中心導(dǎo)體226的期間，由加熱器 產(chǎn)生熱。在一些實(shí)施方案中，加熱元件218產(chǎn)生加熱器的大部分或全 部的熱輸出。例如，當(dāng)電流流過(guò)加熱元件218中的鐵磁性材料和中心 導(dǎo)體226中的銅或另外的低電阻材料時(shí)，加熱元件產(chǎn)生加熱器的大部 分或全部的熱輸出。通過(guò)允許從發(fā)熱元件(加熱元件218)到地層的直 接傳熱，在外部導(dǎo)體(加熱元件218)而不是中心導(dǎo)體226中產(chǎn)生大部 分熱可以提高到地層的傳熱效率，和可以降低經(jīng)過(guò)加熱器220的熱損 耗(例如中心導(dǎo)體與外部導(dǎo)體之間的熱損耗，如果中心導(dǎo)體是發(fā)熱元件 的話(huà))。在加熱元件218而不是中心導(dǎo)體226中產(chǎn)熱還增加了加熱器 220的產(chǎn)熱表面積。因此，對(duì)于相同的加熱器220操作溫度而言，可 以使用外部導(dǎo)體(加熱元件218)而不是中心導(dǎo)體226作為發(fā)熱元件將 更多的熱提供給地層。在一些實(shí)施方案中，流體流過(guò)加熱器220 (由圖3和4中的箭頭230 表示)以將地層預(yù)熱和/或從加熱元件回收熱。在圖3中描述的實(shí)施方 案中，如由箭頭230所示，流體在加熱元件218內(nèi)部且通過(guò)加熱器元 件218和中心導(dǎo)體226的外部從加熱器220的一端流到加熱器的另一 端。在圖4中描述的實(shí)施方案中，如由箭頭230所示，流體通過(guò)為管 狀導(dǎo)體的中心導(dǎo)體226進(jìn)入加熱器220。中心導(dǎo)體226包括在中心導(dǎo) 體末端的開(kāi)口 232，以允許流體從中心導(dǎo)體中流出來(lái)。開(kāi)口 232可以 是穿孔或其它孔口，其允許流體流入和/或流出中心導(dǎo)體226。如由箭 頭230所示，流體然后返回到加熱元件218內(nèi)部和中心導(dǎo)體226外部 的表面上。在加熱器220內(nèi)部流動(dòng)的流體(由圖3和4中的箭頭230所示)可 用于將加熱器預(yù)熱以初始加熱地層，和/或在對(duì)于原位熱處理法而言結(jié) 束加熱之后從地層回收熱?？梢粤鬟^(guò)加熱器的流體包括但不限于空氣、 水、水蒸氣、氦氣、二氧化碳或其它高熱容流體。在一些實(shí)施方案中， 熱的流體例如二氧化碳、氦氣或DOWTHERM (The Dow Chemical Company, Midland, Michigan, U. S. A.)流過(guò)管狀加熱元件以將熱提供 給地層。在使用電加熱以將熱提供給地層之前，可以使用熱的流體將 熱提供給地層。在一些實(shí)施方案中，除了電加熱之外，使用熱的流體 提供熱。與單獨(dú)使用電加熱將熱提供給地層相比，除了提供電加熱之 外使用熱的流體將熱提供給地層或者將地層預(yù)熱可能更便宜。在一些 實(shí)施方案中，在地層原位熱處理之后，水和/或水蒸氣流過(guò)管狀加熱元 件以從地層回收熱。加熱的水和/或水蒸氣可用于溶液采礦和/或其它 工藝。基于本說(shuō)明書(shū)，本發(fā)明各個(gè)方面的另一些改進(jìn)和替代實(shí)施方案對(duì) 本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)可能是明顯的。因此，本說(shuō)明書(shū)將被看作僅僅是 說(shuō)明性的，其目的在于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施本發(fā)明的一般方式。 應(yīng)理解本文中給出和描述的本發(fā)明形式將被看作是目前優(yōu)選的實(shí)施方 案。 一些要素和材料可以代替本文中描述和說(shuō)明的那些、 一些部件和工藝可以顛倒和本發(fā)明的某些特征可以單獨(dú)使用，所有這些在受益于 本發(fā)明的描述之后，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)均是明顯的。在本文中描 述的要素中可以進(jìn)行改變，只要不偏離描述于后面的權(quán)利要求中的本 發(fā)明的精神和范圍。另外，應(yīng)理解在一些實(shí)施方案中可以將本文中描 述的特征獨(dú)立地組合。
權(quán)利要求
1.一種用于加熱含烴地層的系統(tǒng)，其包括位于地層內(nèi)開(kāi)口中的導(dǎo)管，該導(dǎo)管包含鐵磁性材料；位于導(dǎo)管內(nèi)部的電導(dǎo)體，該電導(dǎo)體在導(dǎo)管的端部或接近導(dǎo)管的端部與導(dǎo)管電連接，使得該電導(dǎo)體和導(dǎo)管串聯(lián)電連接和在將電流施加給系統(tǒng)期間電流在電導(dǎo)體中以基本與導(dǎo)管中電流流動(dòng)相對(duì)的方向流動(dòng)；其中，在將電流施加給系統(tǒng)期間，電子的流動(dòng)基本被由電導(dǎo)體中電流流動(dòng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)限制在導(dǎo)管內(nèi)部，從而使得導(dǎo)管的外表面在25℃下處于基本零電勢(shì)或接近零電勢(shì)；和該導(dǎo)管被構(gòu)造成在將電流施加給系統(tǒng)期間發(fā)熱并加熱地層。
2. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中導(dǎo)管外部基本與地層電絕緣。
3. 權(quán)利要求1或2任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中導(dǎo)管鄰近地層。
4. 權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中導(dǎo)管鄰近地層使得導(dǎo)管壁 中產(chǎn)生的熱傳遞到地層。
5. 權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中構(gòu)造導(dǎo)管以產(chǎn)生系統(tǒng)的大 部分熱輸出。
6. 權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中導(dǎo)管的外圍大于電導(dǎo)體的 外圍，和在導(dǎo)管壁中產(chǎn)生的熱從導(dǎo)管的外圍傳遞到地層。
7. 權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中導(dǎo)管壁厚為25C下的鐵磁 性材料的至少一個(gè)表皮深度。
8. 權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中導(dǎo)管與位于地層中的至少 一個(gè)相鄰導(dǎo)管電絕緣。
9. 權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中開(kāi)口具有在地層表面上的 第一位置的第一端部和在地層表面上的第二位置的第二端部。
10. 權(quán)利要求l-9任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中大部分導(dǎo)管在地層的烴層中基本水平取向。
11. 權(quán)利要求1-IO任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中電導(dǎo)體沿著導(dǎo)管的長(zhǎng)度 基本與導(dǎo)管電絕緣，和電導(dǎo)體在導(dǎo)管的端部附近與導(dǎo)管電連接。
12. 權(quán)利要求1-11任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)定中心器以使導(dǎo)管與電導(dǎo)體電分隔。
13. 權(quán)利要求1-12任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)進(jìn)一步包括在導(dǎo) 管表面上和/或在電導(dǎo)體的外表面上的薄的電絕緣層。
14. 權(quán)利要求l-13任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中構(gòu)造該導(dǎo)管以在鐵磁性 元件的居里溫度以下提供第一熱輸出，構(gòu)造該導(dǎo)管以大約在和高于鐵 磁性元件的居里溫度下自動(dòng)提供第二熱輸出，并且與第一熱輸出相比， 第二熱輸出降低。
15. 權(quán)利要求1-14任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中電導(dǎo)體是絕緣導(dǎo)體，該 絕緣導(dǎo)體包括在導(dǎo)電外殼內(nèi)部的導(dǎo)電芯，且在該芯與外殼之間電絕緣。
16. 權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中芯是銅和外殼是非鐵磁性不銹鋼。
17. 權(quán)利要求l-16任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)具有至少2:1的 調(diào)節(jié)比。
18. 權(quán)利要求1-17任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中導(dǎo)管具有至少100m、至 少500m或至少1000m的長(zhǎng)度并處于地層的烴層中。
19. 權(quán)利要求1-18任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中構(gòu)造導(dǎo)管以允許流體流 過(guò)導(dǎo)管以(a)將導(dǎo)管和系統(tǒng)預(yù)熱和/或(b)從系統(tǒng)回收熱。
20. 權(quán)利要求1-19任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中電導(dǎo)體是在電導(dǎo)體的端 部或端部附近具有開(kāi)口的管狀導(dǎo)體，構(gòu)造該開(kāi)口以允許流體在電導(dǎo)體 的內(nèi)部與導(dǎo)管之間流動(dòng)。
21. —種使用權(quán)利要求1-20任一項(xiàng)的系統(tǒng)將地下地層加熱的方 法，該方法包括將電流提供給導(dǎo)管以向至少 一部分地下地層提供熱量。
22. 權(quán)利要求21的方法，其中該地下地層包含烴，該方法進(jìn)一步包括使熱傳遞到地層以使得至少一些烴在地層中熱解。
23. 權(quán)利要求21-22任一項(xiàng)的方法，其進(jìn)一步包括將熱的傳熱流體提供給導(dǎo)管以向地層提供熱量。
24. 權(quán)利要求23的方法，其中熱的傳熱流體是熱的水、水蒸氣和/或熱的二氧化碳。
25. 權(quán)利要求21-24任一項(xiàng)的方法，其進(jìn)一步包括從地層中生產(chǎn)流體o
26. 權(quán)利要求21-25任一項(xiàng)的方法，其進(jìn)一步包括將流體提供給 導(dǎo)管以從系統(tǒng)回收熱。
27. —種將權(quán)利要求1-20任一項(xiàng)的系統(tǒng)安裝在開(kāi)口中的方法， 該方法包括將導(dǎo)管和電導(dǎo)體從一個(gè)或多個(gè)線(xiàn)軸上退繞，并且將導(dǎo)管和 電導(dǎo)體放入地層內(nèi)開(kāi)口中。
28. —種包含使用權(quán)利要求1-20任一項(xiàng)的系統(tǒng)或者使用權(quán)利要 求21-27任一項(xiàng)的方法從地下地層中生產(chǎn)的烴的組合物。
29. —種由權(quán)利要求28的組合物制備的含烴運(yùn)輸燃料。
全文摘要
一種用于加熱含烴地層的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括位于地層內(nèi)開(kāi)口中的導(dǎo)管。電導(dǎo)體位于導(dǎo)管內(nèi)部。該電導(dǎo)體形成加熱器，其與地層電絕緣，由此降低到地層的電損耗，和該電導(dǎo)體在導(dǎo)管的端部或接近導(dǎo)管的端部與導(dǎo)管電連接，從而使得該電導(dǎo)體和導(dǎo)管串聯(lián)電連接。在將電流施加給系統(tǒng)期間，電流在電導(dǎo)體中以與導(dǎo)管中電流流動(dòng)基本相對(duì)的方向流動(dòng)。電子的流動(dòng)基本被由電導(dǎo)體中電流流動(dòng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)限制在導(dǎo)管內(nèi)部，從而使得在25℃下導(dǎo)管的外表面處于基本零電勢(shì)或接近零電勢(shì)。該導(dǎo)管被構(gòu)造成在將電流施加給系統(tǒng)期間發(fā)熱并加熱地層。
文檔編號(hào)E21B36/04GK101297096SQ200680039493
公開(kāi)日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2006年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月24日
發(fā)明者C·L·桑德伯格, H·J·文格爾 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司