專利名稱：電隔離絕緣導(dǎo)體加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及用于從例如含烴地層的各種地下地層中產(chǎn)出烴 類、氫和/或其他產(chǎn)物的加熱方法和加熱系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
從地下地層獲得的烴類通常用作能源、用作原料、以及用作消費(fèi) 品。對(duì)可用烴資源衰竭的關(guān)注和對(duì)產(chǎn)出烴類的總體質(zhì)量下降的關(guān)注導(dǎo) 致開(kāi)發(fā)出用于更有效地回收、處理和/或使用可用烴資源的方法。就地 處理過(guò)程可用于從地下地層移出烴材料?？赡苄枰淖兊叵碌貙又械?烴材料的化學(xué)和/或物理性能以使烴材料更容易從地下地層移出?；瘜W(xué) 和物理變化可包括地層中烴材料的生成可移出流體的就地反應(yīng)、成分 變化、溶解度變化、密度變化、相變和/或粘度變化。流體可以是，但 是不限于氣體、液體、乳狀液、漿液和/或具有與液體流類似的流動(dòng)特 性的固體顆粒流。
井眼可形成在地層中。在一些實(shí)施例中，套管或其它管道系統(tǒng)可 設(shè)置或形成在井眼中。在一些實(shí)施例中，膨脹管可用于井眼中。加熱 器可設(shè)置在井眼中以在就地處理過(guò)程中加熱地層。
在授予Ljungstrom的美國(guó)專利2,923,535和授予Van Meurs等人 的美國(guó)專利4,886,118中描述了將熱施加至油頁(yè)巖地層。熱可施加覃 油頁(yè)巖地層以熱解油頁(yè)巖地層中的油母。熱還可使地層斷裂以提高地 層的滲透性。增強(qiáng)的滲透性可使地層流體行進(jìn)到生產(chǎn)井，在所述生產(chǎn) 井流體從油頁(yè)巖地層中移出。在由Ljungstrom爿>開(kāi)的一些過(guò)程中， 含氧氣體介質(zhì)被引入可滲透層，優(yōu)選地在所述含氧氣體介質(zhì)由于預(yù)加. 熱步驟而仍然是熱的情況下被引入，以引發(fā)燃燒。
熱源可用于加熱地下地層。電加熱器可用于通過(guò)輻射 /或傳導(dǎo)加熱地下地層。電加熱器可通過(guò)電阻方式加熱元件。授予Germain的美 國(guó)專利2,548,360、授予Eastlund等人的美國(guó)專利4,716,960和授予 Van Egmond的美國(guó)專利5,065,818描述了 一種i殳置在井眼中的電加熱 元件。授予Vinegar等人的美國(guó)專利6,023,554描述了 一種設(shè)置在套管 中的電加熱元件。加熱元件產(chǎn)生輻射能，輻射能加熱套管。
授予Van Meurs等人的美國(guó)專利4,570,715描述了 一種電加熱元 件。所述加熱元件具有導(dǎo)電芯部、包圍的絕緣材料層和包圍的金屬套J 導(dǎo)電芯部可具有在高溫下相對(duì)低的電阻。絕緣材料可具有在高溫下相 對(duì)高的電阻、壓縮強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)性能。絕緣層可阻止從芯部向金屬套 的電弧放電。金屬套可具有在高溫下相對(duì)高的拉伸強(qiáng)度和抗蠕變性能。 授予Van Egmond的美國(guó)專利5，060，287描述了 一種具有銅鎳合金芯部 的電加熱元寸牛。
加熱器可由鍛不銹鋼制造。授予Maziasz等人的美國(guó)專利 7，153，373和Maziasz等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)US 2004/0191109描述 了用作鑄造顯微結(jié)構(gòu)或細(xì)化晶粒板和薄片的改性237不銹鋼。
如上面所概述的，已經(jīng)對(duì)開(kāi)發(fā)用于從含經(jīng)地層經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)出烴類、 氫和/或其它產(chǎn)品的加熱器、方法和系統(tǒng)付出了大量的努力。但是目前 仍存在很多不能從其中經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)出烴類、氫和/或其它產(chǎn)品的含烴地 層。因而，仍需要改進(jìn)的加熱方法和系統(tǒng)以從各種含烴地層中產(chǎn)出烴 類、氫和/或其它產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
在此所描述的實(shí)施例總體涉及用于處理地下地層的系統(tǒng)、方法和 加熱器。在此所描述的實(shí)施例還總體涉及其內(nèi)具有新穎部件的加熱器。 這種加熱器可通過(guò)使用在此所描述的系統(tǒng)和方法獲得。
在某些實(shí)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。在一些實(shí)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(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種用于地下地層的加熱系統(tǒng)， 包括導(dǎo)電體；至少部分地圍繞所述導(dǎo)電體的絕緣層；和包括鐵磁種料的護(hù)套，所述護(hù)套至少部分地圍繞所述絕緣層，其中，在所述導(dǎo)電體導(dǎo)電并且所述護(hù)套的溫度在鐵磁材料的居里溫度以下的同時(shí)，所述護(hù)套的外表面構(gòu)造為幾乎沒(méi)有或沒(méi)有電勢(shì)。
在另外的實(shí)施例中，特定實(shí)施例的特征可與其它實(shí)施例的特征結(jié)合。例如， 一個(gè)實(shí)施例的特征可以與其它實(shí)施例中任一個(gè)的特征結(jié)合。
在另外的實(shí)施例中，利用在此所述的任何方法、系統(tǒng)或加熱器處理地下地層。
在另外的實(shí)施例中，附加特征可添加到在此所述的特定實(shí)施例中。


根據(jù)下述詳細(xì)描述的有益效果和參照附圖，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)
域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)可變得顯而易見(jiàn)，附圖中圖l描述了加熱含烴地層的各階段的圖示。
圖2顯示了用于處理含烴地層的就地?zé)崽幚硐到y(tǒng)的一部分的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖3描述了其本身與地層電隔離的、單端部的、基本上水平的絕緣導(dǎo)體加熱器的一個(gè)實(shí)施例。
圖4A和4B描述了在護(hù)套外側(cè)電隔離的絕緣導(dǎo)體的一個(gè)實(shí)施例的剖視圖。
圖5描述了位于管狀物內(nèi)部的絕緣導(dǎo)體的一個(gè)實(shí)施例的切開(kāi)部分的側(cè)視圖。
圖6描述了位于管狀物內(nèi)部的絕緣導(dǎo)體的一個(gè)實(shí)施例基本上沿圖5的直線A-A剖切的剖視圖。
圖7描述了位于管狀物內(nèi)部的絕緣導(dǎo)體的遠(yuǎn)端部的一個(gè)實(shí)施例的剖視圖。
雖然本發(fā)明易于具有多種修改和替代形式，但是其具體實(shí)施例在附圖中以示例方式進(jìn)行顯示，并且可在此進(jìn)行詳細(xì)描述。附圖可不按比例繪制。但是，應(yīng)該理解的是，附圖和對(duì)附圖的詳細(xì)描述不旨在將本發(fā)明限制為所公開(kāi)的特別形式，而是相反地，旨在覆蓋落入由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同物和替代方案。
具體實(shí)施例方式
下述描述總體涉及用于處理地層中烴類的系統(tǒng)和方法。這種地層可被處理以生產(chǎn)烴產(chǎn)品、氫和其它產(chǎn)品。
"交流電(AC)"是指基本上按照正弦曲線反轉(zhuǎn)方向的時(shí)變電流。AC在鐵磁性導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)電流。
"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所有鐵磁性能外，鐵磁性材料還在增大的電流經(jīng)過(guò)鐵磁性材料時(shí)開(kāi)始失去其鐵磁性能。
"流體壓力"是由地層中的流體產(chǎn)生的壓力。"靜巖壓力"(有時(shí)稱為"靜巖應(yīng)力，，)是與覆巖塊的單位面積的重量相等的地層中的壓力。"流體靜壓，，是由水柱施加在地層中的壓力。
"地層"包括一個(gè)或多個(gè)含烴層、 一個(gè)或多個(gè)非烴層、上覆巖層和/或下伏巖層。"烴層"指地層中的含烴層。烴層可含有非烴材料和經(jīng)材料。"上覆巖層"和/或"下伏巖層"包括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(yè)巖、泥巖或潤(rùn)濕/致密的碳酸鹽。在一些就地?zé)崽幚磉^(guò)程的實(shí)施例中，上覆巖層和/或下伏巖層可包括一層或多層含經(jīng)層，其在就地?zé)崽幚淼奶幚磉^(guò)程中是相對(duì)不可滲透的并且不受溫度影響，所述就地?zé)崽幚韺?dǎo)致上覆巖層和/或下伏巖層的含烴層的性能發(fā)生顯著變化。例如，下伏巖層可含有頁(yè)巖或泥巖，但是下伏巖層在就地?zé)崽幚硖幚砥陂g不允許加熱到熱解溫度。在一些情形中，上覆巖層和/或下伏巖層可以是稍微可滲透的。
"地層流體"是指存在于地層中的流體，并且可包括熱解流體、合成氣、流動(dòng)的烴類和水(蒸汽)。地層流體可包括烴流體以及非烴流體。術(shù)語(yǔ)"流動(dòng)的流體"是指由于地層的熱處理而能夠流動(dòng)的含烴地層中的流體。"產(chǎn)出流體"是指從地層移出的流體。
"熱源"是用于基本上通過(guò)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，熱源可包括電加熱器，比如絕緣導(dǎo)體、細(xì)長(zhǎng)部件和/或布置在導(dǎo)管中的導(dǎo)體。熱源還可包括通過(guò)燃燒地層外部或地層中的燃料來(lái)產(chǎn)生熱的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可以是地表燃燒器、井下氣體燃燒器、無(wú)焰分布式燃燒器和自然分布式燃燒器。在一些實(shí)施例中， 一個(gè)或多個(gè)熱源所提供或產(chǎn)生的熱可由其它能源提供。所述其它能源可直接加熱地層，或者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)該理解的是，將熱施加到地層的一個(gè)或多個(gè)熱源可使用不同的能源。因而，例如，對(duì)于給定地層， 一些熱源可由電阻加熱器提供熱， 一些熱源可通過(guò)燃燒提供熱， 一些熱源可由一個(gè)或多個(gè)其它能源(例如，化學(xué)反應(yīng)、太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)或其它可再生能源)提供熱。化學(xué)反應(yīng)可包括放熱反應(yīng)(例如氧化反應(yīng))。熱源還可包括向加熱位置(比如加熱器井)附近或周圍的區(qū)域提供熱的加熱器。
"加熱器"是用于在井中或井眼附近的區(qū)域產(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、燃燒爐、與地層中的材料或從地層產(chǎn)出的材料發(fā)生反應(yīng)的燃燒器、和/或其組合。
"烴類"通常定義為主要由碳和氫原子形成的分子。烴類還可包括其它元素，比如，但不限于，卣素、金屬元素、氮、氧、和/或硫。烴類可以是，但不限于，油母、瀝青、焦瀝青、油類、天然礦物蠟和瀝青巖。烴類可位于大地中的礦物基體中或與礦物基體相鄰?；w可包括，但不限于，沉積巖、砂、沉積石英巖、碳酸鹽、硅藻土和其它多孔介質(zhì)。"烴流體"是包括烴類的流體。烴流體可包括夾帶非烴流體或被夾帶在非烴流體中的流體，所述非經(jīng)流體比如為氫、氮、 一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水和氨。
"就地轉(zhuǎn)化過(guò)程"是指通過(guò)熱源加熱含烴地層以將地層的至少一部分的溫度升高到熱解溫度以上以使得在地層中產(chǎn)生熱解流體的過(guò)程。
"就地?zé)崽幚磉^(guò)程"是指使用熱源加熱含烴地層以將地層的至少一部分的溫度升高到導(dǎo)致含烴材料地層的流體流動(dòng)、降粘和/或熱解的溫度以上以使得在地層中產(chǎn)生流動(dòng)的流體、降粘的流體和/或熱解的流體的過(guò)程。
"絕緣導(dǎo)體，，是指任何能夠?qū)щ姷牟⑶胰炕虿糠钟呻娊^緣材料覆
7蓋的細(xì)長(zhǎng)物體。
"熱解"是由于施加熱而導(dǎo)致化學(xué)鍵的斷裂。例如，熱解可包括僅通過(guò)熱將化合物轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N或多種其它物質(zhì)。熱可被傳遞到地層的一部分以發(fā)生熱解。
"熱解流體"或"熱解產(chǎn)物，，是指基本上在烴類的熱解期間產(chǎn)生的流體。通過(guò)熱解反應(yīng)產(chǎn)生的流體可與地層中的其它流體混合。混合物被認(rèn)為是熱解流體或熱解產(chǎn)物。如在此所使用的，"熱解區(qū)"是指被反應(yīng)或進(jìn)行反應(yīng)以形成熱解流體的地層體(例如，相對(duì)不可滲透的地層，比如瀝青砂地層)。
"熱的疊加"是指從兩個(gè)或更多個(gè)熱源向地層的選定部分提供熱，以使得在熱源之間的至少 一 個(gè)位置處的地層溫度受熱源影響。
"限溫加熱器，，通常是指加熱器將熱輸出調(diào)節(jié)(例如，減少熱輸出)到規(guī)定溫度以上而無(wú)需使用外部控制器的加熱器，所述外部控制器比如為溫度控制器、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)供電的電阻加
熱器。
"導(dǎo)熱流體，，包括在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(STP)(0。C和101.325 kPa)下具有比空氣高的導(dǎo)熱率的流體。
"導(dǎo)熱率"是材料的一種性能，其描述了對(duì)于材料的兩個(gè)表面之間的給定溫度差，熱以穩(wěn)定狀態(tài)在材料的兩個(gè)表面之間流動(dòng)的速率。
層的"厚度"是指層橫截面的厚度，其中橫截面垂直于層的表面。
"時(shí)變電流"是指在鐵磁性導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚電流并且大小隨時(shí)間變化的電流。時(shí)變電流既包括交變電流(AC )又包括調(diào)制直流電流(DC )。，
限溫加熱器的"調(diào)節(jié)比"是對(duì)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。
"U型井眼"是指從地層中的第 一開(kāi)口延伸穿過(guò)地層的至少 一部分并且從地層中的第二開(kāi)口穿出的井眼。在本文中，井眼可以僅大體上呈"v"型或"u"型，對(duì)于視為"u"型的井眼來(lái)說(shuō)，"u"型的"腿"應(yīng)該理解成不需要彼此平行或垂直于"u"的底部。質(zhì)重質(zhì)烴類可導(dǎo)致提高重質(zhì)
烴類的API重力指標(biāo)。
術(shù)語(yǔ)"井眼"是指通過(guò)鉆井或?qū)⒐艿啦迦氲貙又卸诘貙又行纬傻目?。井眼可具有基本上圓形的橫截面或其它橫截面形狀。如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)"井"和"開(kāi)口 "在指地層中的開(kāi)口時(shí)可與術(shù)語(yǔ)"井眼"互換使用。
地層中的烴類可通過(guò)各種方式處理以生產(chǎn)出很多不同產(chǎn)物。在某些實(shí)施例中，地層中的烴類在各階段中進(jìn)行處理。圖l描述了加熱含烴地層的各階段的一個(gè)圖示。圖l還描述了以來(lái)自地層的每噸地層流體的油當(dāng)量桶數(shù)為單位的產(chǎn)量("Y") (y軸)與以攝氏度為單位的受熱地層的溫度("T") (x軸)的曲線關(guān)系的示例。
在階段1加熱過(guò)程中發(fā)生甲烷解吸和水蒸發(fā)。階段1期間的地層加熱可盡可能快速地進(jìn)行。例如，當(dāng)含烴地層開(kāi)始加熱時(shí)，地層中的烴類解吸所吸附的甲烷。解吸的曱烷可從地層產(chǎn)出。如果進(jìn)一步加熱含烴地層，則含烴地層中的水蒸發(fā)。在一些含烴地層中，水可占據(jù)地層中孔隙體積的約10%至50%之間。在其它地層中，水占據(jù)孔隙體積的更多或更少部分。水通常在地層中在600kPa的絕對(duì)壓力到7000kPa的絕對(duì)壓力下、在160。C至285。C之間蒸發(fā)。在一些實(shí)施例中，蒸發(fā)的水產(chǎn)生地層中的潤(rùn)濕性變化和/或增加的地層壓力。潤(rùn)濕性變化和/或增加的壓力可影響地層中的熱解反應(yīng)或其它反應(yīng)。在某些實(shí)施例中，蒸發(fā)的水從地層產(chǎn)出。在其它實(shí)施例中，蒸發(fā)的水用于在地層中或地層外部進(jìn)行抽汽和/或蒸餾。從地層中移出水和增加地層中的孔隙體積增大了烴類在孔隙體積中的存儲(chǔ)空間。
在某些實(shí)施例中，在階段l加熱后，地層被進(jìn)一步加熱，以使得地層中的溫度達(dá)到(至少)初始熱解溫度(比如在如圖2所示的溫度范圍的下端處的溫度)。地層中的烴類可在整個(gè)階段2進(jìn)行熱解。熱解溫度范圍根據(jù)地層中的烴類的類型而變化。熱解溫度范圍可包括250°C至900。C之間的溫度。用于生產(chǎn)期望產(chǎn)物的熱解溫度范圍可延伸經(jīng)過(guò)總熱解范圍的僅一部分。在一些實(shí)施例中，用于生產(chǎn)期望產(chǎn)物的熱解溫度范圍可包括250 °C至400 。C之間的溫度或270°C至350。C之間的溫度。如果地層中烴類的溫度緩慢升高經(jīng)過(guò)從250°C到400。C的溫度范圍，則當(dāng)溫度接近400。C時(shí)，可基本上完成熱解產(chǎn)物的生產(chǎn)。烴類的平均溫度可以小于5。C/天、小于2。C/天、小于1°C/天或小于0.5。C/天的速率升高來(lái)經(jīng)過(guò)用于生產(chǎn)期望產(chǎn)物的熱解溫度范圍。利用多個(gè)熱源加熱含烴地層可在熱源周圍形成熱梯度，所述熱源使地層中烴類的溫度緩慢地升高經(jīng)過(guò)熱解溫度范圍。
溫度升高經(jīng)過(guò)用于期望產(chǎn)物的熱分解溫度范圍的速率可影響從含烴地層產(chǎn)出的地層流體的質(zhì)量和數(shù)量。將地層溫度緩慢地升高經(jīng)過(guò)用于期望產(chǎn)物的熱解溫度范圍可允許從地層產(chǎn)出高質(zhì)量、高API重力指標(biāo)的烴類。將地層溫度緩慢地升高經(jīng)過(guò)用于期望產(chǎn)物的熱解溫度范圍可允許以烴產(chǎn)物的形式移出存在于地層中的大量烴類。
在一些就地?zé)崽幚淼膶?shí)施例中，代替將溫度緩慢地加熱經(jīng)過(guò)溫度范圍的是將地層的一部分加熱到期望溫度。在一些實(shí)施例中，期望的溫度為300°C、 325°C、或350。C。其它溫度可選擇為期望溫度。疊加來(lái)自熱源的熱允許在地層中相對(duì)快速有效地建立期望溫度。從熱源輸入地層中的能量可被調(diào)節(jié)以使地層中的溫度基本上保持在期望溫度。地層的受熱部分基本上保持在期望溫度，直到熱解減慢使得從地層產(chǎn)出期望的地層流體變得不經(jīng)濟(jì)。地層的發(fā)生熱解的部分可包括通過(guò)來(lái)自僅一個(gè)熱源的熱傳遞而進(jìn)入熱解溫度范圍的區(qū)域。
在某些實(shí)施例中，包括熱解流體的地層流體從地層產(chǎn)出。隨著地層溫度的升高，產(chǎn)出的地層流體中的可冷凝烴類的量可能減少。在高溫下，地層可主要產(chǎn)出曱烷和/或氫。如果在整個(gè)熱解范圍內(nèi)加熱含烴地層，則地層在朝向熱解范圍上限過(guò)程中僅產(chǎn)出少量氫。在所有可用氫氣衰竭時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)從地層中產(chǎn)出極小量的流體。
在烴類熱解之后，大量碳和一些氫可仍然存在于地層中。保留在地層中的大部分碳可以合成氣的形式從地層產(chǎn)出。合成氣的產(chǎn)生可發(fā)生在圖l所示的階段3加熱期間。階段3可包括將含烴地層加熱到足夠高的溫度以允許產(chǎn)生合成氣。例如，合成氣可在大約400。C到大約1200°C、大約500。C到大約UOO。C、或大約550。C到大約1000。C的溫 度范圍內(nèi)產(chǎn)生。當(dāng)產(chǎn)生合成氣的流體被引入地層時(shí)，地層受熱部分的 溫度決定在地層中產(chǎn)生的合成氣的成分。所產(chǎn)生的合成氣可通過(guò)一口 或多口生產(chǎn)井從地層中移出。
由含烴地層產(chǎn)生的流體的總含能量可在整個(gè)熱解和產(chǎn)生合成氣期 間保持相對(duì)恒定。在相對(duì)低的地層溫度下進(jìn)行熱解期間，產(chǎn)出流體中 的大部分可以是具有高含能量的可冷凝烴類。然而，在較高的熱解溫 度下，地層流體中的較少部分包括可冷凝烴類。更多的不可冷凝的地 層流體可從地層產(chǎn)生。產(chǎn)出流體每單位體積的能含量可能在主要產(chǎn)生 不可冷凝的地層流體期間略微下降。在合成氣產(chǎn)生期間，產(chǎn)出的合成 氣的每單位體積的能含量與熱解流體的能含量相比顯著降低。然而， 產(chǎn)出的合成氣的體積在很多情況下顯著增大，從而補(bǔ)償降低的能含量。
圖2顯示了用于處理含烴地層的就地?zé)崽幚硐到y(tǒng)的一部分的一個(gè) 實(shí)施例的示意圖。就地?zé)崽幚硐到y(tǒng)可包括壁障井200。壁障井用于在 處理區(qū)域周圍形成壁障。壁障阻止流體流入和/或流出處理區(qū)域。壁障 井包括但不限于脫水井、真空井、俘獲井、注入井、灌漿井、冷凍井 或其組合。在一些實(shí)施例中，壁障井200是脫水井。脫水井可去除液 態(tài)水和/或防止液態(tài)水進(jìn)入要被加熱或者地層正^L加熱的地層部分。在 圖2所示的實(shí)施例中，壁障井200顯示為僅沿?zé)嵩?02的一側(cè)延伸， 但是壁障井通常圍繞所使用的或?qū)⒁褂玫乃袩嵩?02以加熱地層 的處理區(qū)域。
熱源202i殳置在地層的至少一部分中。熱源202可以包括加熱器， 比如絕緣導(dǎo)體、導(dǎo)體在導(dǎo)管內(nèi)的加熱器、表面燃燒器、無(wú)焰分布式燃 燒器和/或自然分布式燃燒器。熱源202還可包括其它類型的加熱器。 熱源202向地層的至少一部分提供熱量以加熱地層中的經(jīng)類。能量可 通過(guò)供應(yīng)管線204提供給熱源202。供應(yīng)管線204可根據(jù)一個(gè)或多個(gè) 用于加熱地層的熱源的類型而在結(jié)構(gòu)上有所不同。熱源的供應(yīng)管線 204可以輸送用于電加熱器的電能，可以輸送用于燃燒室的燃料，或 者可以輸送在地層中循環(huán)的熱交換流體。在一些實(shí)施例中，用于就地?zé)崽幚磉^(guò)程的電能可由一個(gè)或多個(gè)核電站提供。使用核能允許減少或 消除從就地?zé)崽幚磉^(guò)程中釋放的二氧化碳。
生產(chǎn)井206用于從地層中移出地層流體。在一些實(shí)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)井處或生產(chǎn)井附近加熱地 層的一個(gè)或多個(gè)部分。在一些就地?zé)崽幚磉^(guò)程的實(shí)施例中，由每米生 產(chǎn)井從生產(chǎn)井提供給地層的熱量小于由加熱地層的每米熱源提供給地 層的熱量。
在一些實(shí)施例中，生產(chǎn)井206中的熱源允許從地層中去除地層流 體的汽相。在生產(chǎn)井處或通過(guò)生產(chǎn)井提供熱可用于(l)在該生產(chǎn)流 體靠近覆蓋層在生產(chǎn)井中運(yùn)動(dòng)時(shí)阻止該生產(chǎn)流體冷凝和/或逆流；(2) 增加輸入到地層中的熱；(3)與沒(méi)有熱源的生產(chǎn)井相比提高生產(chǎn)井的 產(chǎn)率；(4)阻止生產(chǎn)井中的高碳數(shù)化合物(C6或以上)的冷凝；和/ 或(5)提高生產(chǎn)井處或生產(chǎn)井附近的地層滲透性。
地層中的地下壓力可對(duì)應(yīng)于地層中產(chǎn)生的流體壓力。隨著地層受 熱部分中的溫度升高，受熱部分中的壓力可由于流體的熱膨脹、生成 流體的增加和水的蒸發(fā)而增大?？刂茝牡貙又幸瞥隽黧w的速率可允許 控制地層中的壓力。地層中的壓力可以在很多不同位置處確定，比如 生產(chǎn)井附近或生產(chǎn)井處、熱源附近或熱源處、或者監(jiān)測(cè)井處。
在一些含烴地層中，從地層沖生產(chǎn)烴類受到抑制，直到地層中的 至少一部分烴類已經(jīng)熱解。當(dāng)?shù)貙恿黧w具有選定質(zhì)量時(shí)，地層流體可 從地層中產(chǎn)出。在一些實(shí)施例中，選定質(zhì)量包括至少大約200、 30?；?40°的API重力指標(biāo)。直到至少一部分烴類被熱解，抑制生產(chǎn)才可以 加快重質(zhì)烴類向輕質(zhì)烴類的轉(zhuǎn)化。抑制初期產(chǎn)量可使從地層產(chǎn)出的重 質(zhì)烴類的量最小。生產(chǎn)大量重質(zhì)烴類可能需要昂貴的設(shè)備和/或縮短生 產(chǎn)設(shè)備的壽命。
在達(dá)到熱解溫度并且允許從地層中進(jìn)行生產(chǎn)之后，地層中的壓力 可發(fā)生變化，用于改變和/或控制產(chǎn)出的地層流體的成分、用于控制地 層流體中可冷凝流體相對(duì)于不可冷凝流體的百分比，和/或用于控制產(chǎn) 出的地層流體的API重力指標(biāo)。例如，降低壓力可導(dǎo)致產(chǎn)出較大的可
12冷凝流體組分?？衫淠黧w組分可包含較大百分比的烯烴。
在一些就地?zé)崽幚磉^(guò)程的實(shí)施例中，地層中的壓力可保持足夠高
以促使產(chǎn)出API重力指標(biāo)大于20。的地層流體。在地層中保持增大的 壓力可以在就地?zé)崽幚砥陂g阻止地層下沉。保持增大的壓力可促使從 地層中產(chǎn)生流體的汽相。汽相的產(chǎn)生允許減小用于輸送從地層產(chǎn)出的 流體的收集管道的尺寸。保持增大的壓力可減少或消除對(duì)在地表處壓 縮地層流體以將收集管道中的流體輸送至處理設(shè)備的需要。
令人驚訝的是，保持地層受熱部分中增大的壓力可允許生產(chǎn)出質(zhì) 量提高并且具有較低分子量的大量烴類。壓力可以保持成使得產(chǎn)出的 地層流體具有最小量的選定碳數(shù)以上的化合物。選定碳數(shù)可以是至多 25、至多20、至多12或至多8。 一些高碳數(shù)化合物可夾帶在地層中的 蒸汽中并且可隨蒸汽一起從地層移出。在地層中保持增大的壓力可抑 制在蒸汽中夾帶高碳數(shù)化合物和/或多環(huán)碳?xì)浠衔?。高碳?shù)化合物和 /或多環(huán)碳?xì)浠衔锟稍诘貙又性谙喈?dāng)長(zhǎng)時(shí)間保持為液相。相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間 可為給化合物提供了足夠長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行熱解以形成低碳數(shù)化合物。
從生產(chǎn)井206產(chǎn)出的地層流體可通過(guò)收集管線208輸送到處理設(shè) 備210。地層流體還可從熱源202產(chǎn)出。例如，流體可以從熱源202 產(chǎn)出以控制與熱源相鄰的地層中的壓力。從熱源202產(chǎn)出的流體可通 過(guò)生產(chǎn)管或管道輸送至收集管線208，或者產(chǎn)出流體可通過(guò)生產(chǎn)管或 管道直接輸送至處理設(shè)備210。處理設(shè)備210可包括分離單元、反應(yīng) 單元、改質(zhì)單元、燃料室、渦輪、儲(chǔ)存容器、和/或用于處理產(chǎn)出的地 層流體的其它系統(tǒng)和單元。處理設(shè)備可將從地層產(chǎn)出的至少一部分烴 類形成運(yùn)輸燃料。在一些實(shí)施例中，運(yùn)輸燃料可以是噴氣燃料，例如 JP-8。
在一些實(shí)施例中，絕緣導(dǎo)體加熱器自身放置在地層中，并且絕緣 導(dǎo)體加熱器的外側(cè)與地層電隔離，這是因?yàn)榧訜崞髟谄渫鈧?cè)幾乎沒(méi)有 或沒(méi)有電勢(shì)。圖3描述了自身與地層電隔離的、單端部的、基本上水 平的絕緣導(dǎo)體加熱器。在該實(shí)施例中，加熱器212是絕緣導(dǎo)體214。； 絕緣導(dǎo)體214可以是礦物絕緣導(dǎo)體加熱器(例如，圖4A和4B所示的絕緣導(dǎo)體214)。絕緣導(dǎo)體214位于烴層218中的開(kāi)口 216內(nèi)。在某些 實(shí)施例中，開(kāi)口 216是無(wú)套管的或棵眼的井眼。在一些實(shí)施例中，開(kāi) 口 216是下套管或下襯管的井眼。在一些實(shí)施例中，絕緣導(dǎo)體加熱器 214是基本上U形加熱器并且位于基本上U形開(kāi)口中。
絕緣導(dǎo)體214幾乎沒(méi)有或沒(méi)有沿著絕緣導(dǎo)體外表面流動(dòng)的電流， 以使得絕緣導(dǎo)體與地層電隔離并且?guī)缀鯖](méi)有或沒(méi)有電流泄漏到地層 中。絕緣導(dǎo)體214的外表面(或護(hù)套)是金屬或熱輻射體，使得熱從 絕緣導(dǎo)體向地層輻射。
圖4A和4B描述了絕緣導(dǎo)體214的一個(gè)實(shí)施例的剖視圖，所述絕 緣導(dǎo)體在護(hù)套220的外側(cè)電隔離。在某些實(shí)施例中，護(hù)套220由鐵磁 性材料制成。在一個(gè)實(shí)施例中，護(hù)套220由410不銹鋼制成。在其它 實(shí)施例中，護(hù)套220由T/P91或T/P92不銹鋼制成。在一些實(shí)施例中， 護(hù)套220可包含碳鋼。芯部222由高傳導(dǎo)性材料(比如，銅或銅合金) 制成。電絕緣體226是電絕緣材料，比如，氧化鎂。絕緣導(dǎo)體214可 以是廉價(jià)的且易于制造成加熱器。
在圖4A和4B所示的實(shí)施例中，如箭頭所示，芯部222將電流帶 入地層。芯部222和護(hù)套220在加熱器的遠(yuǎn)端部(底部)電聯(lián)接。電 流通過(guò)護(hù)套220返回地層表面。如圖4A中的箭頭224所示，護(hù)套220 的鐵磁性性質(zhì)將電流限制到沿著護(hù)套內(nèi)徑的趨膚深度。護(hù)套220的厚 度為護(hù)套中所用的鐵磁材料的趨膚深度的至少2或3倍，以使得大部 分電流限制在護(hù)套的內(nèi)表面而幾乎沒(méi)有或沒(méi)有電流在護(hù)套外徑上流 動(dòng)。因此，在護(hù)套220的外側(cè)幾乎沒(méi)有或沒(méi)有電勢(shì)。使絕緣導(dǎo)體214 的外表面上幾乎沒(méi)有或沒(méi)有電勢(shì)不會(huì)將地層暴露于任何高電壓下，阻 止電流泄漏到地層中，并且減少或消除了對(duì)隔離變壓器的需要，所述 隔離變壓器降低能量效率。
因?yàn)樾静?22由高傳導(dǎo)性材料(比如銅)制成，護(hù)套220由更高 電阻的鐵磁材料制成，所以由絕緣導(dǎo)體214產(chǎn)生的大部分熱在護(hù)套中 產(chǎn)生。在護(hù)套220中產(chǎn)生大部分熱提高了從絕緣導(dǎo)體214向位于絕緣 導(dǎo)體(或其它加熱器)上方的地層的傳熱效率，所述絕緣導(dǎo)體使用芯
14部或中心導(dǎo)體來(lái)產(chǎn)生大部分熱。
在某些實(shí)施例中，芯部222由銅制成。在芯部222中使用銅允許 加熱器的加熱部分和覆蓋層部分具有相同的芯部材料。因此，加熱器 可由一個(gè)長(zhǎng)芯部組件制成。該長(zhǎng)單芯組件減小或消除了對(duì)芯部中的焊 接接頭的需要，所述焊接接頭是不可靠的并且易于失效。另外，長(zhǎng)單 芯組件加熱器可遠(yuǎn)離安裝地點(diǎn)制造并且以最終組件(準(zhǔn)備安裝組件) 的形式運(yùn)送到安裝地點(diǎn)。單芯組件還根據(jù)電絕緣體的擊穿電壓而具有 長(zhǎng)加熱器長(zhǎng)度(例如，大約1000米或更長(zhǎng))。
在某些實(shí)施例中，護(hù)套220由兩層或更多層相同和/或不同材料制 成。護(hù)套220可由兩層或更多層形成以獲得護(hù)套所需的厚度(例如， 厚度為護(hù)套中所用鐵磁材料的趨膚深度的至少3倍)。制造和/或材料 限制會(huì)限制單層護(hù)套材料的厚度。例如，每一層在將所述層制造(形 成)在加熱器上期間可張緊的量可以限制每層的厚度。因此，為了達(dá) 到絕緣導(dǎo)體214的某些實(shí)施例所需的護(hù)套厚度，護(hù)套220可由若干層 護(hù)套材料形成。例如，可以使用三層T/P92不銹鋼來(lái)形成具有厚度為 T/P92不銹鋼的趨膚深度的大約3倍的護(hù)套220。
在一些實(shí)施例中，護(hù)套220包括兩種或多種不同材料。在一些實(shí) 施例中，護(hù)套220包括不同護(hù)套層中的不同材料。例如，護(hù)套220可 具有為其電和/或電磁性質(zhì)而選擇的一或多個(gè)鐵磁材料內(nèi)層和為其不 腐蝕性質(zhì)而選擇的一或多個(gè)外層。
在一些實(shí)施例中，護(hù)套220的厚度和/或護(hù)套的材料沿著加熱器長(zhǎng) 度而發(fā)生變化。護(hù)套220的厚度和/或材料可變化以沿著加熱器長(zhǎng)度改 變電性質(zhì)和/或機(jī)械性能。例如，護(hù)套220的厚度和/或材料可變化以 改變沿著加熱器長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)比或居里溫度。在一些實(shí)施例中，護(hù)套220 的內(nèi)層在加熱器的覆蓋層部分中包括銅或其它高傳導(dǎo)性金屬。銅內(nèi)層 限制加熱器覆蓋層部分中的熱損失。
圖5和6描述了位于管狀物228內(nèi)部的絕緣導(dǎo)體214的一個(gè)實(shí)施 例。絕緣導(dǎo)體214可包括芯部222、電絕緣體226和護(hù)套220。芯部 222和護(hù)套220可在絕緣導(dǎo)體的遠(yuǎn)端部進(jìn)行電聯(lián)接(短接)。圖7描述了位于管狀物228內(nèi)部的絕緣導(dǎo)體214的遠(yuǎn)端部的一個(gè)實(shí)施例的剖面 圖。端帽230可在絕緣導(dǎo)體214和管狀物的遠(yuǎn)端部處將芯部222和護(hù) 套220電聯(lián)接到管狀物228上。端帽230可包括導(dǎo)電材料，比如銅或 鋼。
在某些實(shí)施例中，芯部222是銅的，電絕緣體226是氧化鎂的， 護(hù)套220是非鐵磁性不銹鋼的(例如，347H不銹鋼、204-Cu不銹鋼 或204 M不銹鋼)。絕緣導(dǎo)體214可放置在管狀物228中以保護(hù)絕緣 導(dǎo)體、增強(qiáng)向地層的熱傳遞、和Z或允許絕緣導(dǎo)體盤繞成管或連續(xù)安裝。 管狀物228可由鐵磁材料制成，比如410不銹鋼、T/P91不銹鋼或碳 鋼。在某些實(shí)施例中，管狀物228由耐腐蝕材料制成。在一些實(shí)施例 中，管狀物228由非鐵磁材料制成。
在某些實(shí)施例中，如圖6所示，絕緣導(dǎo)體214的護(hù)套220沿著焊 接接頭232縱向焊接到管狀物228上?？v向焊接可以是將護(hù)套220的 表面焊接到管狀物228上的激光焊、縱列GTAW焊(氣體保護(hù)鵠極電 弧焊)、或者電子束焊。在一些實(shí)施例中，管狀物228由縱向金屬條制 成。圓柱形管可通過(guò)下述方式制成巻繞縱向條材以形成圓柱形管， 隨后將該條材的縱向端部焊接到一起來(lái)形成管狀物。 ，
在某些實(shí)施例中，絕緣導(dǎo)體214在條材的縱向端部焊接到一起時(shí) 被焊接到管狀物228上(在同一焊接過(guò)程中)。例如，絕緣導(dǎo)體214 沿著條材的縱向端部之一放置，以使得護(hù)套220在端部焊接在一起的: 位置處被焊接到管狀物228上。在一些實(shí)施例中，在條材被巻繞以形 成圓柱形管之前，絕緣導(dǎo)體214被焊接到條材的縱向端部之一上。隨 后，條材端部可被焊接以形成管狀物228。
在一些實(shí)施例中，絕緣導(dǎo)體214在另一位置(例如，在遠(yuǎn)離用于 形成管狀物的條材的端部相連的焊縫的周向位置)被焊接到管狀物 228上。例如，絕緣導(dǎo)體214的護(hù)套220可與焊接用于形成管狀物的 條材的縱向端部的位置相對(duì)地沿徑向焊接到管狀物228上。在一些實(shí) 施例中，管狀物228由多個(gè)條材制成，所述條材巻繞在一起并聯(lián)接(例 如，焊接)以形成具有希望厚度的管狀物。使用多于一個(gè)金屬條材可更易于巻繞成用于形成管狀物的圓柱形管。
護(hù)套220和管狀物228可在焊接接頭232處進(jìn)行電和機(jī)械聯(lián)接。 將護(hù)套220縱向焊接到管狀物228上阻止在絕緣導(dǎo)體214和管狀物之 間形成電弧。如果管狀物是鐵磁性的，管狀物228可使電流從芯部222 沿著管狀物內(nèi)部返回。如果管狀物228是非鐵磁性的，比如搪瓷涂層 或噴涂陶瓷的薄電絕緣層可布置在管狀物外側(cè)上以阻止電流從管狀物 泄漏到地層中。在一些實(shí)施例中，流體被置于管狀物228中以增強(qiáng)絕 緣導(dǎo)體214和管狀物之間的熱傳遞和/或阻止在絕緣導(dǎo)體和管狀物之間 形成電弧。流體的實(shí)例包括但不限于導(dǎo)熱氣體，比如氦氣、二氧化碳 或蒸汽。流體還可包括流體，比如油、熔融金屬、或熔融鹽類(例如， 日曬鹽(60%NaNO3/40%KNO3))。在一些實(shí)施例中，熱傳遞流體在 管狀物228內(nèi)部輸送并且在管狀物內(nèi)(在管狀物和絕緣導(dǎo)體214之間 的空間內(nèi))被加熱。在一些實(shí)施例中，光纖、熱電偶或其它溫度傳感 器放置在管狀物228內(nèi)
在某些實(shí)施例中，圖5、 6和7中所示的加熱器由交流電流(或時(shí) 變電流)供電。當(dāng)加熱器利用交流電流供電時(shí)，在管狀物228中產(chǎn)生 大部分熱。如果管狀物228是鐵磁性的并且管狀物的壁厚至少為趨膚 深度的大約兩倍，則加熱器將用作制溫加熱器。與在絕緣導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生 大部分熱的加熱器相比，在管狀物228內(nèi)產(chǎn)生大部分熱量改善了向地 層的熱傳遞。
在閱讀上述說(shuō)明之后，本發(fā)明各個(gè)方面的進(jìn)一步修改和替代實(shí)施 例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。因此，本說(shuō)明應(yīng)解釋為只
是說(shuō)明性的并且用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一般方式。應(yīng) 當(dāng)理解，在此所顯示和所描述的本發(fā)明的形式可以看作是目前優(yōu)選的 實(shí)施例。在此所顯示和所描述的要素和材料可替換，部件和過(guò)程可顛 倒，本發(fā)明的某些特征可獨(dú)立使用，所有這些在理解本發(fā)明的上述說(shuō) 明之后對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)變得顯而易見(jiàn)。在不脫離如下列權(quán)利要 求書所述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)在此描述的要素進(jìn)行改變。另外，應(yīng)當(dāng)理解的是，在此所描述的特征在某些實(shí)施例中可 以結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種用于地下地層的加熱系統(tǒng)，包括導(dǎo)電體；至少部分地圍繞所述導(dǎo)電體的絕緣層；和包括鐵磁材料的護(hù)套，所述護(hù)套至少部分地圍繞所述絕緣層，其中，在所述導(dǎo)電體導(dǎo)電并且所述護(hù)套的溫度低于鐵磁材料的居里溫度的同時(shí)，所述護(hù)套的外表面構(gòu)造為幾乎沒(méi)有或沒(méi)有電勢(shì)。
2. 如權(quán)利要求1所述的加熱系統(tǒng)，其中，所述護(hù)套的厚度是鐵磁材料在低于鐵磁材料的居里溫度50。C時(shí)的趨膚深度的至少2倍或至少3倍。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的加熱系統(tǒng)，其中，所述加熱系統(tǒng)構(gòu)造為使得大部分電流在所述護(hù)套的內(nèi)徑上流過(guò)所述護(hù)套。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的加熱系統(tǒng)，其中，所述護(hù)套和所述導(dǎo)電體在所述護(hù)套和所述導(dǎo)電體的遠(yuǎn)端部電聯(lián)接。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的加熱系統(tǒng)，其中，所述導(dǎo)電體是銅的。
6. 如權(quán)利要求1或2所述的加熱系統(tǒng)，其中，所述護(hù)套由多層材料制成。
7. 如權(quán)利要求1或2所述的加熱系統(tǒng)，其中，所述護(hù)套構(gòu)造為當(dāng)時(shí)變電流施加至所述加熱系統(tǒng)時(shí)在該加熱系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生大部分熱。
8. 如權(quán)利要求1或2所述的加熱系統(tǒng)，其中，所述加熱系統(tǒng)位于井眼中，以使得所述加熱系統(tǒng)提供熱以使地下地層中的經(jīng)類移動(dòng)。
9. 一種用于加熱地下地層的方法，包括向如權(quán)利要求1或2中任一項(xiàng)所述的加熱系統(tǒng)提供電力，所述加熱系統(tǒng)位于地層的開(kāi)口內(nèi)；以及允許熱從所述加熱系統(tǒng)傳遞至地下地層的至少一部分。
10. 如權(quán)利要求IO所述的方法，還包括使用來(lái)自加熱器的熱來(lái)使地下地層中的烴類移動(dòng)。
11. 如權(quán)利要求IO所述的方法，還包括從地下地層產(chǎn)出烴類。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于地下地層的加熱系統(tǒng)，包括導(dǎo)電體和至少部分地圍繞所述導(dǎo)電體的絕緣層。包括鐵磁材料的護(hù)套至少部分地圍繞所述絕緣層。在所述導(dǎo)電體導(dǎo)電并且所述護(hù)套的溫度低于鐵磁材料的居里溫度的同時(shí)，所述護(hù)套的外表面構(gòu)造為幾乎沒(méi)有或沒(méi)有電勢(shì)。
文檔編號(hào)E21B36/00GK101680286SQ200880017260
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
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