專利名稱：用于對(duì)地下地層進(jìn)行加熱的具有導(dǎo)熱流體的溫度受限加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于對(duì)地下地層進(jìn)行加熱的方法和系統(tǒng)。某些實(shí)施例涉及利用在環(huán)狀空間中具有導(dǎo)熱流體的溫度受限加熱器來加熱地下地層例如含烴地層的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
從地下地層獲得的烴通常被用作能源、工業(yè)原材料、消費(fèi)產(chǎn)品。由于人們擔(dān)心可獲得的烴類資源的損耗和開采出的烴類物質(zhì)總體質(zhì)量的降低，從而促使人們研發(fā)了一些方法，以便對(duì)可獲得的烴類資源進(jìn)行更有效率地開采、加工和/或使用。現(xiàn)場處理方法可以被用于從地下地層中開采烴類物質(zhì)。地下地層中的烴類物質(zhì)的化學(xué)和/或物理特性可能需要改變，以便允許能更容易地從地下地層中開采烴類物質(zhì)?；瘜W(xué)和物理變化可包括產(chǎn)生可開采流體的現(xiàn)場反應(yīng)、地層中烴類物質(zhì)的組分變化、熔解度變化、密度變化、相位變化和/或粘度變化。流體可以是氣體、液體、乳狀液、漿液和/或具有與液體流動(dòng)相似的流動(dòng)特性的固體顆粒流，但不限于此。
在現(xiàn)場處理方法期間，加熱器可以被放置在井筒中，以便對(duì)地層進(jìn)行加熱。在以下的美國專利文件中描述了這種現(xiàn)場處理方法的一些例子，這些美國專利為Ljungstrom的US2634961；Ljungstrom的US2732195；Ljungstrom的US2780450；Ljungstrom的US2789805；Ljungstrom的US2923535；Van Meurs等人的US4886118。
可以利用熱源對(duì)地下地層進(jìn)行加熱。電加熱器可以被用于通過輻射和/或傳導(dǎo)來加熱地下地層。電加熱器可以以電阻方式對(duì)一元件進(jìn)行加熱。在Germain的美國專利US2548360中，描述了一種被放置在井筒內(nèi)的粘性油中的電加熱元件。該加熱元件對(duì)油進(jìn)行加熱，使油的粘度減小，以便使得這些油能從井筒中被泵送出來。在Eastlund等人的美國專利US4716960中，描述了石油井的電加熱管，在管道中通過一相當(dāng)?shù)偷碾妷弘娏?，以防止固體的形成。在Van Egmond的美國專利US5065818中，描述了一種電加熱元件，這種電加熱元件被固定至井筒內(nèi)，在加熱元件周圍沒有套管。
有些加熱器可能會(huì)因地層中的熱點(diǎn)而損壞或失效。如果沿著加熱器的任何一個(gè)點(diǎn)的溫度超過或即將超過該加熱器的最大工作溫度，那么就需要減小整個(gè)加熱器的供電量，以避免加熱器發(fā)生故障和/或在地層中的熱點(diǎn)處或熱點(diǎn)附近發(fā)生地層過熱。有些加熱器直到加熱器達(dá)到一特定溫度極限，才能沿著加熱器長度均勻加熱。有些加熱器不能對(duì)地下地層進(jìn)行有效地加熱。因此，有利的是，具有這樣一種加熱器，這種加熱器能沿著加熱器長度進(jìn)行均勻加熱；能對(duì)地下地層進(jìn)行有效地加熱；和/或當(dāng)加熱器的一部分接近一選定溫度時(shí)能自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度。此外，有利的是，在這種加熱器中使用具有高熱導(dǎo)率的流體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種系統(tǒng)，包括加熱器，該加熱器包括一個(gè)或多個(gè)電導(dǎo)體，且該加熱器被構(gòu)造成在把電流施加到加熱器期間產(chǎn)生熱輸出，其中，所述的加熱器包括鐵磁材料；管道，該管道至少部分地環(huán)繞著加熱器；流體，該流體被定位在加熱器和管道之間的空間中，其中，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(STP)(0℃和101.325kPa)下，所述的流體與空氣相比具有較高的熱導(dǎo)率；且其中，這種系統(tǒng)被構(gòu)造成能提供(a)當(dāng)隨時(shí)間變化的電流被施加到加熱器時(shí)，在選定溫度以下，提供第一熱輸出，(b)當(dāng)隨時(shí)間變化的電流被施加到加熱器時(shí)，在選定溫度以上或接近于該選定溫度，提供第二熱輸出。
與上述發(fā)明進(jìn)行組合，本發(fā)明還提供了(a)電導(dǎo)體至少部分地環(huán)繞著非鐵磁材料；(b)流體是電絕緣流體，例如，氦；(c)流體是氦，且電導(dǎo)體和管道之間的空間中容積的至少50％是氦，容積的至少75％是氦，或容積的至少90％是氦；(d)在電導(dǎo)體和管道之間的空間中的流體壓力至少為200kPa，至少為500kPa，至少為700kPa，或至少為1000kPa。
與上面的一個(gè)或多個(gè)發(fā)明相結(jié)合，本發(fā)明還提供了(a)系統(tǒng)包括另外的交流電電源或調(diào)制直流電電源；(b)系統(tǒng)具有的調(diào)節(jié)比至少為1.1比1，至少為2比1，或至少為3比1。
與上面的一個(gè)或多個(gè)發(fā)明相結(jié)合，本發(fā)明還提供了(a)系統(tǒng)包括另外的非鐵磁材料，該非鐵磁材料與鐵磁材料相接合，且該非鐵磁材料具有比鐵磁材料要高的導(dǎo)電性；(b)所選定的溫度大約為鐵磁材料的居里溫度或者是在鐵磁材料的居里溫度的25℃范圍內(nèi)；(c)一些電導(dǎo)體中的至少一個(gè)電導(dǎo)體是細(xì)長的且被構(gòu)造成，使得在選定溫度或接近該溫度的狀態(tài)下，電阻段自動(dòng)地提供第二熱輸出。


通過下面的詳細(xì)描述，并參照附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員就可更好地理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，在這些附圖中圖1是地層中烴類物質(zhì)的一些加熱階段的示意圖。
圖2是用于對(duì)地層中烴類物質(zhì)進(jìn)行處理的現(xiàn)場轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的一部分的實(shí)施例的示意圖。
圖3、4、5是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有外部導(dǎo)體，該外部導(dǎo)體具有鐵磁部分和非鐵磁部分。
圖6、7、8、9是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有外部導(dǎo)體，該外部導(dǎo)體具有放置在護(hù)套內(nèi)的鐵磁部分和非鐵磁部分。
圖10、11、12是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁外部導(dǎo)體。
圖13、14、15是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有外部導(dǎo)體。
圖16A、16B是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁內(nèi)部導(dǎo)體。
圖17A、17B是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁內(nèi)部導(dǎo)體和非鐵磁芯。
圖18A、18B是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁外部導(dǎo)體。
圖19A、19B是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁外部導(dǎo)體，該鐵磁外部導(dǎo)體被鍍有耐腐合金。
圖20A、20B是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁外部導(dǎo)體。
圖21是根據(jù)一實(shí)施例的復(fù)合導(dǎo)體的剖面圖，該復(fù)合導(dǎo)體具有支撐元件。
圖22是根據(jù)一實(shí)施例的復(fù)合導(dǎo)體的剖面圖，該復(fù)合導(dǎo)體具有支撐元件，該支撐元件把導(dǎo)體間隔開。
圖23是根據(jù)一實(shí)施例的復(fù)合導(dǎo)體的剖面圖，該復(fù)合導(dǎo)體環(huán)繞著支撐元件。
圖24是根據(jù)一實(shí)施例的復(fù)合導(dǎo)體的剖面圖，該復(fù)合導(dǎo)體環(huán)繞著管道支撐元件。
圖25是根據(jù)一實(shí)施例的導(dǎo)體位于管道中的加熱器的剖面圖。
圖26A、26B是絕緣的導(dǎo)體加熱器的一實(shí)施例。
圖27A、27B是絕緣的導(dǎo)體加熱器的一實(shí)施例，該加熱器具有一護(hù)套，該護(hù)套位于外部導(dǎo)體的外面。
圖28是位于管道內(nèi)部的絕緣的導(dǎo)體的一實(shí)施例。
圖29、30、31、32、33、34、35、36表示對(duì)于其中桿和管道輻射系數(shù)都為0.8的基本情況以及其中桿輻射系數(shù)被降低到0.4的低輻射系數(shù)情況，加熱桿的溫度是桿內(nèi)所產(chǎn)生電流的函數(shù)。
圖37表示出了對(duì)于在環(huán)狀空間內(nèi)具有空氣或氦且不同加熱器功率而言中央加熱桿(輻射系數(shù)為0.8)溫度與管道溫度之間的關(guān)系。
圖38表示出了對(duì)于在環(huán)狀空間內(nèi)具有空氣或氦且不同加熱器功率而言中央加熱桿(輻射系數(shù)為0.4)溫度與管道溫度之間的關(guān)系。
圖39表示出了對(duì)于環(huán)狀空間內(nèi)具有空氣的導(dǎo)體位于管道中的加熱器而言，在不同溫度，火花間隙擊穿電壓與壓力的關(guān)系。
圖40表示出了對(duì)于環(huán)狀空間內(nèi)具有氦的導(dǎo)體位于管道中的加熱器而言，在不同溫度，火花間隙擊穿電壓與壓力的關(guān)系。
圖41表示對(duì)于446不銹鋼桿而言，在不同的施加電流，電阻與溫度之間的關(guān)系。
圖42表示對(duì)于一溫度受限加熱器在不同的施加電流，電阻與溫度之間的關(guān)系。
圖43表示對(duì)于一實(shí)心的直徑為2.54cm，長度為1.8m的410不銹鋼桿在不同的施加電流情況下，電阻與溫度之間關(guān)系的數(shù)據(jù)。
圖44表示對(duì)于一實(shí)心的直徑為2.54cm，長度為1.8m的410不銹鋼桿在不同的施加的交流電電流，集膚深度與溫度之間關(guān)系的數(shù)據(jù)。
圖45表示一溫度受限加熱器的溫度與時(shí)間之間的關(guān)系。
圖46表示出了2.5cm實(shí)心410不銹鋼桿和2.5cm實(shí)心304不銹鋼桿的溫度與測量時(shí)間數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。
圖47表示出了一種導(dǎo)體位于管道中的加熱器的中心導(dǎo)體的溫度是調(diào)節(jié)比為2∶1的一溫度受限加熱器的地層深度的一個(gè)函數(shù)。
圖48表示出了沿著油頁巖豐富輪廓對(duì)于調(diào)節(jié)比為2∶1而言通過一地層的加熱器熱流量。
圖49表示出了對(duì)于調(diào)節(jié)比為3∶1而言，加熱器溫度與地層深度之間的函數(shù)關(guān)系。
圖50表示出了沿著油頁巖豐富輪廓對(duì)于調(diào)節(jié)比為3∶1而言通過一地層的加熱器熱流量。
圖51表示出了對(duì)于調(diào)節(jié)比為4∶1而言，加熱器溫度與地層深度之間的函數(shù)關(guān)系。
圖52表示出了對(duì)于在模擬中用于對(duì)油頁巖進(jìn)行加熱的加熱器而言，加熱器溫度與深度之間的函數(shù)關(guān)系。
圖53表示出了對(duì)于在模擬中用于對(duì)油頁巖進(jìn)行加熱的加熱器而言，加熱器熱流量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。
圖54表示出了在對(duì)油頁巖進(jìn)行加熱的模擬中，累積的熱輸出與時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系。
盡管本發(fā)明可以具有各種變型，可采用其它的一些形式，但圖中通過舉例的方式給出了本發(fā)明的一些具體實(shí)施例，這些具體實(shí)施例在這里將被詳細(xì)描述，附圖并不是按比例繪制的。然而，應(yīng)當(dāng)知道，附圖和所作的詳細(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)包括落入本發(fā)明構(gòu)思和范圍之內(nèi)的所有的變型、等同方案和替代方案，本發(fā)明的范圍是由所附的權(quán)利要求來限定的。
具體實(shí)施例方式
利用這里所描述的系統(tǒng)、方法和加熱器就可以解決上述問題。例如，系統(tǒng)包括電導(dǎo)體，該電導(dǎo)體被構(gòu)造成在把電流施加到電導(dǎo)體期間產(chǎn)生電阻熱輸出。電導(dǎo)體可包括電阻鐵磁材料。一管道可至少部分地環(huán)繞著電導(dǎo)體。流體可以被定位在電導(dǎo)體和管道之間的空間中。在空間中的溫度和101kPa狀態(tài)下，流體與空氣相比具有較高的熱導(dǎo)率。系統(tǒng)被構(gòu)造成在選定溫度附近或該選定溫度以上時(shí)能提供減小的熱量。
在這里更詳細(xì)描述的本發(fā)明的一些實(shí)施例涉及用于對(duì)地層中的烴類物質(zhì)進(jìn)行加熱的系統(tǒng)和方法。這些地層可以被處理，以便生產(chǎn)出烴類產(chǎn)品、氫氣或其它產(chǎn)品。在這里所使用的術(shù)語被定義如下“烴類物質(zhì)”總體上被定義為主要由碳和氫原子構(gòu)成的分子。烴類物質(zhì)也可包括其它一些元素，例如鹵族元素、金屬元素、氮、氧和/或硫，但并不局限于這些元素。烴類物質(zhì)可以是油母巖、瀝青、焦瀝青、油、天然礦物蠟、瀝青巖，但不局限于這些。烴類物質(zhì)可以位于地層的礦石中或其附近，礦石可包括沉積巖、砂巖、硅酸巖、碳酸巖、硅藻土和其它多孔介質(zhì)，但并不局限于這些。“烴類流體”是指包含烴類物質(zhì)的流體。烴類流體可包括、夾雜或可被夾雜在非烴類流體(例如氫、氮、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水、氨)中。
“地層”包括一個(gè)或多個(gè)含烴類物質(zhì)的層、一個(gè)或多個(gè)非烴類物質(zhì)層、覆蓋層和/或下底層。覆蓋層和/或下底層可包括巖石、頁巖、泥巖或濕的/緊密的碳酸巖。在現(xiàn)場轉(zhuǎn)換方法的一些實(shí)施例中，覆蓋層和/或下底層可包括含烴類物質(zhì)的層或者一些含烴類物質(zhì)的層，在現(xiàn)場轉(zhuǎn)換處理期間，這些含烴類物質(zhì)的層是相對(duì)不滲透的并且不受溫度影響，所述的現(xiàn)場轉(zhuǎn)換處理導(dǎo)致覆蓋層和/或下底層的這些含烴類物質(zhì)的層的特性發(fā)生相當(dāng)大的改變。例如，覆蓋層可包含頁巖或泥巖，但在現(xiàn)場轉(zhuǎn)換處理期間，下底層不允許被加熱至熱解溫度。在某些情況下，覆蓋層和/或下底層可以有點(diǎn)滲透性。
“地層流體”和“產(chǎn)出流體”指的是從地層中開采出的流體，可包括熱解流體，合成氣體，動(dòng)化的烴類物質(zhì)和水(蒸汽)。地層流體可包括烴類流體和非烴類流體。
“熱導(dǎo)流體”包括這樣的流體，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(STP)(0℃和101.325kPa)下，該流體與空氣相比具有更高的熱導(dǎo)率。
“加熱器”是用于在井筒或在井筒區(qū)域附近產(chǎn)生熱量的任何系統(tǒng)。加熱器可以是電加熱器、循環(huán)換熱流體或蒸汽、爐、與地層中的材料或與從地層中生產(chǎn)出的材料進(jìn)行反應(yīng)的燃燒室、和/或它們的組合，但并局限于這些。
“溫度受限加熱器”總體上是指這樣的加熱器，它無需利用外部控制例如溫度控制器、功率調(diào)節(jié)器、調(diào)整器或其它裝置，就能在一規(guī)定溫度范圍以上調(diào)節(jié)熱量輸出(例如，減小熱量輸出)。溫度受限加熱器可以是交流電(AC)供電的或調(diào)制(例如“突變”)直流電(DC)供電的電阻加熱器。
“居里溫度”是指這樣的溫度，即，在該溫度以上，鐵磁材料就失去其全部的鐵磁特性。鐵磁材料除了在居里溫度以上失去其全部的鐵磁特性以外，在增大的電流通過該鐵磁材料時(shí)也開始失去其鐵磁特性。
“隨時(shí)間變化的電流”是指這樣的電流，即，該電流的大小隨著時(shí)間而變化。隨時(shí)間變化的電流包括交流電(AC)和調(diào)制直流電(DC)。
“交流電(AC)”是指隨時(shí)間變化的電流，該電流基本上以正弦方式進(jìn)行反向。交流電在鐵磁導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)電流流動(dòng)。
“調(diào)制直流電(DC)”是指任何基本上非正弦的隨時(shí)間變化的電流，該電流在鐵磁導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)電流流動(dòng)。
溫度受限加熱器的“調(diào)節(jié)比”是指對(duì)于給定電流而言，在居里溫度以下最高交流電或調(diào)制直流電電阻與在居里溫度以上最低電阻的比值。
術(shù)語“井筒”是指通過鉆進(jìn)或把管道插入到地層內(nèi)所形成的地層中的孔眼。在本文中，術(shù)語“井眼”和“井孔”，當(dāng)指地層中的孔眼時(shí)，它們與術(shù)語“井筒”是可互換使用的。
“絕緣導(dǎo)體”是指這樣的細(xì)長材料，即，它能導(dǎo)電，并且全部或部分地被絕緣材料包裹著。術(shù)語“自控制”是指采取無需任何形式的外部控制的方式來控制加熱器的輸出。
在減小熱量輸出的加熱系統(tǒng)、裝置和方法中的上下文中，術(shù)語“自動(dòng)”的意思是這些系統(tǒng)、裝置和方法以特定方式起作用，無需采用外部控制(例如外部控制器，如具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)。
地層中的烴類物質(zhì)可以以各種方式被處理，以便生產(chǎn)出許多不同的產(chǎn)品。在某些實(shí)施例中，這些地層被分階段處理。圖1表示出了對(duì)含有烴類物質(zhì)的一部分地層進(jìn)行加熱的若干階段。圖1還表示出了(y軸)地層的每噸的以桶計(jì)的油當(dāng)量的產(chǎn)量(Y)與(x軸)加熱地層以攝氏度計(jì)的溫度(T)之間的關(guān)系。
在階段1加熱期間，發(fā)生甲烷解吸附和水的蒸發(fā)。通過階段1對(duì)地層進(jìn)行加熱可以被盡快地進(jìn)行。當(dāng)?shù)貙颖婚_始加熱時(shí)，地層中的烴類物質(zhì)就把吸附的甲烷釋放出來。被解吸附的甲烷可以從地層中被開采出來。如果地層被進(jìn)一步加熱，那么，地層中的水就被蒸發(fā)。在地層中，水通常在160℃和285℃之間和在600kPa絕對(duì)壓力至7000kPa絕對(duì)壓力之間被蒸發(fā)。在某些實(shí)施例中，蒸發(fā)的水在地層中產(chǎn)生可濕性改變和/或使地層壓力增大?？蓾裥愿淖兒?或壓力增大會(huì)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)的水從地層被開采出來。在其它一些實(shí)施例中，蒸發(fā)的水在地層中或地層外被用于蒸汽提取和/或蒸餾。通過把水從地層中去除，并增大地層中的孔容積，就可以增大孔容積中存儲(chǔ)烴類物質(zhì)的存儲(chǔ)空間。
在某些實(shí)施例中，在階段1加熱之后，部分地層被進(jìn)一步加熱，從而使得部分地層中的溫度(至少)達(dá)到開始熱解溫度(例如，如階段2所示的溫度范圍的下端點(diǎn)的溫度)。在整個(gè)階段2，地層中的烴類物質(zhì)可以被熱解。熱解溫度范圍隨著地層中的烴的種類的不同而改變。熱解溫度范圍可包括位于250℃至900℃之間的溫度。用于開采期望產(chǎn)品的熱解溫度范圍只可通過整個(gè)熱解溫度范圍的一部分延伸。在某些實(shí)施例中，用于開采期望產(chǎn)品的熱解溫度范圍可包括250℃至400℃之間的溫度、250℃至350℃之間的溫度、或325℃至400℃之間的溫度。如果地層中的烴類物質(zhì)的溫度通過從250℃至400℃的溫度范圍緩慢升高，那么，當(dāng)溫度到達(dá)400℃時(shí)，熱解產(chǎn)品的開采就可以基本完成。利用許多加熱器對(duì)地層進(jìn)行加熱，可以使那些通過熱解溫度范圍使地層中的烴類物質(zhì)的溫度緩慢升高的熱量進(jìn)行疊加。
在某些現(xiàn)場轉(zhuǎn)變實(shí)施例中，一部分地層被加熱至期望溫度，而不是通過熱解溫度范圍來緩慢地加熱。在某些實(shí)施例中，期望溫度為300℃。在某些實(shí)施例中，期望溫度為325℃。在某些實(shí)施例中，期望溫度為350℃。其它的溫度也可以被選擇作為期望溫度。來自多個(gè)加熱器的熱量的疊加，使得在地層中可以相對(duì)快速和有效地達(dá)到期望溫度。從加熱器向地層中輸出的能量可以被調(diào)節(jié)，以便使地層中的溫度保持在期望溫度。地層的被加熱部分基本上被保持在期望溫度，直到熱解衰減而使從地層中開采期望地層流體變得不經(jīng)濟(jì)為止。產(chǎn)生熱解的部分地層可包括這樣一些區(qū)域，這些區(qū)域只通過一個(gè)加熱器的熱傳遞來使其溫度處于熱解溫度范圍內(nèi)。
在某些實(shí)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，開采地層流體中可凝縮的烴類物質(zhì)的量會(huì)降低。在非常高的溫度下，地層主要產(chǎn)生甲烷和/或氫。如果地層在整個(gè)熱解范圍內(nèi)被加熱，那么，朝著熱解范圍的上限，地層就可只產(chǎn)生少量的氫。在大部分可獲得的氫采完之后，就將從地層中開采少量的流體。
在烴類物質(zhì)熱解之后，在加熱部分的地層中仍然存在大量的碳和一些氫。保留在加熱部分的地層中的一部分碳可以以合成氣體的形式從地層中被開采出來。合成氣體的產(chǎn)生可發(fā)生在圖1所示的階段3加熱期間。階段3可包括把經(jīng)加熱部分的地層加熱到一個(gè)足以允許產(chǎn)生合成氣體的溫度?？梢栽?00℃至1200℃，500℃至1100℃，或550℃至1000℃的溫度范圍中開采合成氣體。當(dāng)合成氣體產(chǎn)生流體被引入到地層時(shí)，加熱部分的地層的溫度決定了從該地層中所開采出的合成氣體的組分。可以通過一個(gè)或多個(gè)開采井眼來開采所產(chǎn)生的合成氣體。
圖2表示出了用于對(duì)含有烴類物質(zhì)的地層進(jìn)行處理的現(xiàn)場轉(zhuǎn)變系統(tǒng)中的一部分的實(shí)施例的示意圖。加熱器100被放置在至少一部分地層中。加熱器100向至少一部分地層提供熱量，以便對(duì)地層中的烴類物質(zhì)進(jìn)行加熱。能量可以通過供給管線102被供給到加熱器100。供給管線102的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)加熱地層所用的加熱器類型的不同而不同。加熱器的供給管線102可以為電加熱器傳送電，可以為燃燒器傳送燃料，或者可以傳送在地層中循環(huán)流動(dòng)的熱交換流體。
生產(chǎn)井104被用于從地層中開采地層流體。從生產(chǎn)井104中開采出的地層流體可以通過收集管道106被傳送至處理設(shè)備108。地層流體也可從加熱器100被開采出來。例如，流體可以從加熱器100被開采出來，以便控制鄰近加熱器的地層中的壓力。從加熱器100開采的流體可以通過管系或管道被輸送至收集管道106，或者是，開采出的流體可以通過管系或管道直接被輸送至處理設(shè)備108。處理設(shè)備108可包括分離單元、反應(yīng)單元、濃縮單元、從氣體中去除硫的單元、燃料室、透平機(jī)、存儲(chǔ)容器、和/或用于對(duì)開采出的地層流體進(jìn)行加工處理的其它系統(tǒng)和單元。
用于對(duì)烴類物質(zhì)進(jìn)行處理的現(xiàn)場轉(zhuǎn)變系統(tǒng)可包括一些隔離井110。這些隔離井110被用于在一處理區(qū)域周圍形成隔離。該隔離阻止流體流入和/或流出處理區(qū)域。隔離井包括脫水井、真空井、捕獲井、注射井、灌漿井、凍井、或它們的組合，但并不局限于這些。在某些實(shí)施例中，隔離井110是一些脫水井。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地層。在圖2所示實(shí)施例中，表示出了脫水井只沿著加熱器100的一側(cè)延伸，但是，脫水井通常環(huán)繞在被用于或?qū)⒈挥糜趯?duì)地層進(jìn)行加熱的全部加熱器100周圍。
如圖2所示，除了加熱器100以外，在地層中還可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)生產(chǎn)井104。可以通過生產(chǎn)井104來開采地層流體。在某些實(shí)施例中，生產(chǎn)井104包括加熱器。生產(chǎn)井中的加熱器可以對(duì)生產(chǎn)井處及其附近的地層的一個(gè)或多個(gè)部分進(jìn)行加熱，并且允許地層流體的氣相去除。對(duì)從生產(chǎn)井進(jìn)行液體的高溫泵送的需要被減少或消除。避免或限制高溫液體泵送可以顯著減小生產(chǎn)成本。在生產(chǎn)井或通過生產(chǎn)井提供熱量，可以(1)當(dāng)開采流體正在覆蓋層附近的生產(chǎn)井中移動(dòng)時(shí)，阻止這種開采流體的冷凝和/或回流，(2)增大向地層內(nèi)的熱量輸入，和/或(3)在生產(chǎn)井處或其附近增大地層的可滲透性。在某些現(xiàn)場轉(zhuǎn)變處理實(shí)施例中，從生產(chǎn)井的每米生產(chǎn)井供給到地層的熱量要小于從對(duì)地層進(jìn)行加熱的加熱器的每米加熱器供給到地層的熱量。
某些實(shí)施例的加熱器包括開關(guān)(例如，熔絲和/或恒溫件)，當(dāng)加熱器中到達(dá)特定條件時(shí)，開關(guān)就關(guān)閉加熱器的電源或部分加熱器。在某些實(shí)施例中，利用溫度受限加熱器來向地層中的烴類物質(zhì)提供熱量。
溫度受限加熱器可以有多種結(jié)構(gòu)，和/或包括這樣一些材料，這些材料在特定溫度為加熱器提供自動(dòng)的溫度限制特性。在某些實(shí)施例中，鐵磁材料被用在溫度受限加熱器中。鐵磁材料在該材料的居里溫度或其附近可以自限制溫度，以便當(dāng)向該材料施加隨時(shí)間變化的電流時(shí)，在居里溫度或其附近能提供減小的熱量。在某些實(shí)施例中，在選定溫度條件下，鐵磁材料對(duì)溫度受限加熱器的溫度進(jìn)行自限制，所述的選定溫度大約為居里溫度。在某些實(shí)施例中，所選定的溫度在居里溫度的約35℃范圍內(nèi)、約25℃范圍內(nèi)、約20℃范圍內(nèi)、或約10℃范圍內(nèi)。在某些實(shí)施例中，鐵磁材料與其他材料(例如高導(dǎo)材料、高強(qiáng)度材料、耐腐材料或它們的組合)相接合，以便提供各種電特性和/或機(jī)械特性。溫度受限加熱器的某些部分所具有的電阻比溫度受限加熱器的其它部分要低(這是由不同的幾何形狀和/或利用不同的鐵磁和/或非鐵磁材料造成的)。通過使溫度受限加熱器的各個(gè)部分具有不同的材料和/或尺寸大小，就可以使加熱器的每個(gè)部分適應(yīng)所期望的熱量輸出。
溫度受限加熱器可以比其它加熱器更可靠些。溫度受限加熱器較不易因地層中的熱點(diǎn)而破損或發(fā)生故障。在某些實(shí)施例中，溫度受限加熱器可以基本均勻地對(duì)地層進(jìn)行加熱。在某些實(shí)施例中，溫度受限加熱器通過沿加熱器的整個(gè)長度以更高的平均熱量輸出運(yùn)作，從而能夠更有效地對(duì)地層進(jìn)行加熱。溫度受限加熱器沿著加熱器的整個(gè)長度以較高的平均熱量輸出進(jìn)行運(yùn)作，這是因?yàn)槿绻刂訜崞魅魏吸c(diǎn)的溫度超過或?qū)⒊^加熱器的最大工作溫度，那么針對(duì)整個(gè)加熱器而言，供向加熱器的功率無需減小，而對(duì)于典型的恒定瓦特?cái)?shù)的加熱器卻是必須減小供向加熱器的功率。從達(dá)到加熱器的居里溫度的溫度受限加熱器的各部分的熱量輸出會(huì)自動(dòng)減小，而無需對(duì)施加到加熱器的電流進(jìn)行受控調(diào)節(jié)。由于溫度受限加熱器各部分的電學(xué)特性(例如電阻)發(fā)生改變，因此，熱量輸出會(huì)自動(dòng)減小。這樣，在較大部分熱處理期間，溫度受限加熱器能提供更大的功率。
在某些實(shí)施例中，具有溫度受限加熱器的系統(tǒng)當(dāng)通過隨時(shí)間變化的電流對(duì)溫度受限加熱器激勵(lì)時(shí)，在加熱器的電阻部分的居里溫度或該溫度附近或之上，起初提供第一熱輸出，然后提供減小的(第二熱輸出)熱輸出。第一熱輸出是溫度受限加熱器開始自限制的溫度以下的熱輸出。在一些實(shí)施例中，第一熱輸出是在溫度受限加熱器中的鐵磁材料的居里溫度以下的50℃、75℃、100℃、或125℃的溫度狀態(tài)下的熱輸出。
溫度受限加熱器可由在井頭(wellhead)提供的隨時(shí)間變化的電流(交流電或調(diào)制直流電)來激勵(lì)。井頭可包括電源和其它用于向溫度受限加熱器供電的部件(例如調(diào)制部件、轉(zhuǎn)換器和/或電容)。該溫度受限加熱器可以是用于對(duì)一部分地層進(jìn)行加熱的許多加熱器中的一個(gè)。
在某些實(shí)施例中，溫度受限加熱器包括導(dǎo)體，當(dāng)向該導(dǎo)體施加隨時(shí)間變化的電流時(shí)，該導(dǎo)體就作為一種集膚效應(yīng)或鄰近效應(yīng)加熱器進(jìn)行工作。集膚效應(yīng)限制電流滲透到該導(dǎo)體內(nèi)的深度。對(duì)于鐵磁材料而言，集膚效應(yīng)由導(dǎo)體的導(dǎo)磁率決定。鐵磁材料的相對(duì)導(dǎo)磁率通常在10至1000之間(例如，鐵磁材料的相對(duì)導(dǎo)磁率通常至少為10，至少為50，100，500，1000或更大)。隨著鐵磁材料的溫度升高到居里溫度之上和/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，從而集膚深度迅速增大(例如，集膚深度以導(dǎo)磁率的反平方根進(jìn)行增大)。導(dǎo)磁率的減小，導(dǎo)致在居里溫度或該溫度附近或之上和/或隨著所施加電流的增大，所述導(dǎo)體的交流電或調(diào)制直流電電阻減小。當(dāng)溫度受限加熱器由基本上恒定電流的電源供電時(shí)，加熱器的那些接近、達(dá)到或高于居里溫度的部分可以減小散熱。溫度受限加熱器的那些不位于居里溫度或其附近的部分由集膚效應(yīng)加熱支配，從而允許加熱器具有高散熱，這是由于較高電阻負(fù)荷的緣故。
居里溫度加熱器已被應(yīng)用在焊接設(shè)備、醫(yī)療應(yīng)用加熱器和烤爐加熱元件中。這些應(yīng)用中一部分應(yīng)用在Lamome等人的美國專利US5579575，Henschen等人的US5065501，Yagnik等人的US5512732中被公開了。在Whitney等人的US4849611中描述了許多離散的間隔開的一些加熱單元，這些加熱單元包括反應(yīng)部件、電阻加熱部件和溫度響應(yīng)部件。
利用溫度受限加熱器對(duì)地層中的烴類物質(zhì)進(jìn)行加熱的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)體被選擇成具有在期望的工作溫度范圍內(nèi)的居里溫度。在期望工作溫度范圍內(nèi)的操作允許大量的熱被注入至地層內(nèi)，同時(shí)把溫度受限加熱器和其它設(shè)備的溫度保持在設(shè)計(jì)極限溫度之下。設(shè)計(jì)極限溫度是這樣的一些溫度，即，在這些溫度，一些特性例如腐蝕性能、蠕變性能和/或變形性能會(huì)受到不利的影響。溫度受限加熱器的這些溫度限制特性可阻止位于地層中的低熱導(dǎo)率“熱點(diǎn)”附近的加熱器過熱或燒毀。在某些實(shí)施例中，溫度受限加熱器能降低或控制熱量輸出和/或承受在25℃，37℃，100℃，250℃，500℃，700℃，800℃，900℃之上或高達(dá)1131℃的溫度，這取決于加熱器中所用的材料。
溫度受限加熱器允許向地層內(nèi)輸入的熱量要比恒定瓦特?cái)?shù)的加熱器所輸入的熱量多，這是由于輸入到溫度受限加熱器內(nèi)的能量無需被限制以適應(yīng)加熱器附近的低熱導(dǎo)區(qū)域的緣故。例如，在格林河(GreenRiver)油頁巖中，在最低富的油頁巖層和最高富的油頁巖層的熱導(dǎo)率具有至少系數(shù)為3的差別。當(dāng)加熱這種地層時(shí)，與利用傳統(tǒng)加熱器相比，利用溫度受限加熱器時(shí)有較多的熱量被傳遞到地層，而傳統(tǒng)加熱器被溫度限制在低熱導(dǎo)層。沿著傳統(tǒng)加熱器整個(gè)長度的熱量輸出需要適應(yīng)低熱導(dǎo)層，以便使加熱器在低熱導(dǎo)層不會(huì)過熱和燒毀。對(duì)于溫度受限加熱器而言，位于處于高溫的低熱導(dǎo)層附近的熱量輸出將減小，但溫度受限加熱器的不處于高溫狀態(tài)的剩余部分仍然會(huì)提供高的熱量輸出。由于用于對(duì)含烴類物質(zhì)的地層進(jìn)行加熱的加熱器的長度通常較長(例如，至少10米，100米，300米，至少500米，1千米或長達(dá)10千米)，因而，溫度受限加熱器的大部分長度可在居里溫度以下工作，而只有一小部分在受限加熱器的居里溫度或該溫度附近。
溫度受限加熱器的使用使得能夠高效地向地層傳遞熱量。通過高效的熱量傳遞，就可以減小把地層加熱至期望溫度所需要的時(shí)間。例如，當(dāng)傳統(tǒng)恒定瓦特?cái)?shù)的加熱器采用12米加熱井間距時(shí)，在格林河油頁巖中，熱解通常需要9.5年至10年的加熱。對(duì)于相同的加熱器間距，溫度受限加熱器可具有較大的平均熱量輸出，同時(shí)把加熱器設(shè)備溫度保持在低于設(shè)備設(shè)計(jì)極限溫度以下。由于溫度受限加熱器所提供的平均熱量輸出要比恒定瓦特?cái)?shù)的加熱器所提供的平均熱量輸出大，因此，采用溫度受限加熱器，就可使地層中的熱解在更早的時(shí)間發(fā)生。例如，在格林河油頁巖中，利用溫度受限加熱器，加熱井間距12米，就可以在5年中產(chǎn)生熱解。由于井間距不精確，或者鉆井時(shí)使加熱井相互靠得太近，溫度受限加熱器可抵消熱點(diǎn)。在某些實(shí)施例中，對(duì)于間隔太遠(yuǎn)的加熱井而言，溫度受限加熱器允許長時(shí)間地增大功率輸出，或者是，對(duì)于相距太近的加熱井而言，允許限制功率輸出。溫度受限加熱器還在覆蓋層和下底層附近的區(qū)域提供更大的功率，以便補(bǔ)償這些區(qū)域中的溫度損失。
有利地是，溫度受限加熱器可以被用于許多類型的地層中。例如，在瀝青沙地層或滲透性相當(dāng)大的含有重?zé)N類物質(zhì)的地層中，溫度受限加熱器可以被用于提供可控制的低溫輸出，以便減小流體的粘度，促使流體流動(dòng)和/或在井筒或其附近或在地層中提高流體的徑向流量。溫度受限加熱器可以被用于阻止地層的井筒區(qū)域附近因過熱而形成過多的焦炭。
在某些實(shí)施例中，通過使用溫度受限加熱器，就可以消除或減小對(duì)昂貴的溫度控制回路的需要。例如，通過使用溫度受限加熱器，就可以消除或減小對(duì)執(zhí)行溫度測量的需要和/或在加熱器上利用固定熱偶以便監(jiān)測在熱點(diǎn)處的潛在過熱的需要。
在某些實(shí)施例中，溫度受限加熱器比標(biāo)準(zhǔn)的加熱器制造起來更經(jīng)濟(jì)。典型的鐵磁材料包括鐵、碳鋼或鐵素體不銹鋼。與絕緣導(dǎo)體(礦物絕緣纜)加熱器中常用的鎳基加熱合金(例如，鎳鉻合金，商標(biāo)為KanthalTM(Bulten-Kanthal AB，瑞典)和/或商標(biāo)為LOHMTM(Driver-Harris公司，Harrison，NJ))相比，這些材料是便宜的。在溫度受限加熱器的一個(gè)實(shí)施例中，溫度受限加熱器以連續(xù)長度的方式被制造成絕緣導(dǎo)體加熱器，以便降低成本和提高可靠性。
在某些實(shí)施例中，諸如氦的導(dǎo)熱流體可以被放置到溫度受限加熱器內(nèi)，以便改善加熱器內(nèi)的熱傳導(dǎo)。導(dǎo)熱流體包括導(dǎo)熱的、電絕緣的、放熱透明的氣體，但并不局限于這些氣體。在某些實(shí)施例中，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(STP)(0℃和101.325kPa)下，空隙容積內(nèi)的導(dǎo)熱流體所具有的導(dǎo)熱率高于空氣的導(dǎo)熱率。放熱透明氣體包括這樣的氣體，即這些氣體具有雙原子或單原子并且不會(huì)吸收大量的紅外線能量。在某些實(shí)施例中，導(dǎo)熱流體包括氦和/或氫。導(dǎo)熱流體也可以是熱穩(wěn)定的。例如，導(dǎo)熱流體不會(huì)熱裂，也不會(huì)形成不需要的殘留。
導(dǎo)熱流體可以被放置在溫度受限加熱器的導(dǎo)體內(nèi)，管道內(nèi)，和/或護(hù)套內(nèi)。導(dǎo)熱流體可以被放置在溫度受限加熱器的一個(gè)或多個(gè)部件(例如，導(dǎo)體、管道或護(hù)套)之間的空間(環(huán)形空間)內(nèi)。在某些實(shí)施例中，導(dǎo)熱流體被放置在溫度受限加熱器和管道之間的空間(環(huán)狀空間)內(nèi)。
在某些實(shí)施例中，在把導(dǎo)熱流體導(dǎo)入所述空間內(nèi)期間，通過導(dǎo)熱流體的流動(dòng)來使所述空間(環(huán)狀空間)內(nèi)的空氣和/或其它流體移動(dòng)。在某些實(shí)施例中，在把導(dǎo)熱流體引入所述空間之前，把空氣和/或其它流體從所述空間除去(例如，抽空，沖去或泵出)。通過減小所述空間中的空氣的部分壓力，從而減小所述空間中的加熱部件的氧化速率。導(dǎo)熱流體被引入，并達(dá)到一比容和/或達(dá)到所述空間中的選定的壓力。導(dǎo)熱流體可以被引入成使得所述空間至少具有大于一選定值之上的導(dǎo)熱流體的最小體積百分比。在某些實(shí)施例中，所述空間具有導(dǎo)熱流體的體積百分比至少為50％、75％、或90％。
通過把導(dǎo)熱流體放入溫度受限加熱器的空間內(nèi)，來加快所述空間內(nèi)的熱傳遞。熱傳遞的加快是通過減小具有導(dǎo)熱流體的所述空間內(nèi)的傳遞熱阻來實(shí)現(xiàn)的。通過減小所述空間內(nèi)的傳遞熱阻，就可以使得從溫度受限加熱器向地下地層的功率輸出增大。通過減小具有導(dǎo)熱流體的所述空間內(nèi)的傳遞熱阻，就可以采用較小直徑的電導(dǎo)體(例如，較小直徑的內(nèi)部導(dǎo)體，較小直徑的外部導(dǎo)體，和/或較小的管道)，較大外部半徑(例如，較大外部半徑的管道或護(hù)套)，和/或增大空間寬度。通過減小電導(dǎo)體的直徑，就可以減小材料成本。通過增大管道或護(hù)套的外部半徑和/或增大環(huán)狀空間的寬度，就可以提供附加的環(huán)狀空間。附加的環(huán)狀空間可以適應(yīng)管道和/或護(hù)套的變形，而且不會(huì)造成加熱器故障。通過增大管道或護(hù)套的外部半徑和/或增大環(huán)狀寬度，就可以提供附加的環(huán)狀空間，以便保護(hù)環(huán)狀空間內(nèi)的部件(例如，間隔件，連接件和/或管道)。
然而，隨著溫度受限加熱器的環(huán)狀寬度的增大，就需要更快的橫貫環(huán)狀空間的熱傳遞，以便使加熱器保持良好的熱輸出性能。在某些實(shí)施例中，尤其是對(duì)于低溫加熱器，在橫貫加熱器的環(huán)狀空間的熱傳遞方面，輻射熱傳遞的效率最小。在這些實(shí)施例中，為了使加熱器保持良好的熱輸出特性，環(huán)狀空間中的傳導(dǎo)熱傳遞是很重要的。導(dǎo)熱流體可以使橫貫環(huán)狀空間的熱傳遞加快。
在某些實(shí)施例中，位于所述空間內(nèi)的導(dǎo)熱流體也是電絕緣的，以便阻止在溫度受限加熱器的導(dǎo)體之間產(chǎn)生電弧。對(duì)于需要較高工作電壓的較長加熱器而言，橫貫所述空間或間隙產(chǎn)生電弧是一個(gè)問題。對(duì)于較短的加熱器和/或在較低電壓，電弧可能是一個(gè)問題，這取決于加熱器的工作條件。通過增大所述空間內(nèi)的流體的壓力，就可以增大所述空間內(nèi)的火花間隙擊穿電壓，并且阻止橫貫所述空間產(chǎn)生電弧。
在所述空間中的導(dǎo)熱流體的壓力可以被升高至位于500kPa和50000kPa之間，700kPa和45000kPa之間，或1000kPa和40000kPa之間的壓力。在一實(shí)施例中，導(dǎo)熱流體的壓力被升高到至少700kPa或至少1000kPa。在某些實(shí)施例中，阻止橫貫所述空間產(chǎn)生電弧所需的導(dǎo)熱流體的壓力取決于所述空間內(nèi)的溫度。在所述空間中，電子可以沿著表面(例如，絕緣件，連接件或屏蔽件)移動(dòng)，并且可以產(chǎn)生電弧或使表面電性變劣。所述空間內(nèi)的高壓流體可以阻止電子在空間內(nèi)沿著表面移動(dòng)。
溫度受限加熱器中所用的一種鐵磁合金或多種鐵磁合金決定了該加熱器的居里溫度。在McGraw-Hill第二版的“美國物理學(xué)院手冊(cè)”中在5-170頁至5-176頁列出了各種金屬的居里溫度。鐵磁導(dǎo)體可包括一種或多種鐵磁元素(鐵、鈷和鎳)和/或這些元素的合金。在某些實(shí)施例中，鐵磁導(dǎo)體包括鐵-鉻(Fe-Cr)合金，該合金含有鎢(W)(例如，HCM12A和SAVE12(Sumitomo Metals公司，日本))；和/或鐵合金，該鐵合金含有鉻(例如，F(xiàn)e-Cr合金，F(xiàn)e-Cr-W合金，F(xiàn)e-Cr-V(釩)合金，F(xiàn)e-Cr-Nb(鈮)合金)。在這三種主要的鐵磁元素中，鐵具有的居里溫度約為770℃；鈷具有的居里溫度約為1131℃；鎳具有的居里溫度約為358℃。鐵-鈷合金具有的居里溫度要高于鐵的居里溫度。例如，鈷的重量比為2％的鐵-鈷合金的居里溫度約為800℃；鈷的重量比為12％的鐵-鈷合金的居里溫度約為900℃。鈷的重量比為20％的鐵-鈷合金的居里溫度約為950℃。鐵-鎳合金的居里溫度低于鐵的居里溫度。例如，鎳的重量比為20％的鐵-鎳合金的居里溫度約為720℃。鎳的重量比為60％的鐵-鎳合金的居里溫度約為560℃。
用作合金的某些非鐵磁元素可使鐵的居里溫度升高。例如，釩的重量比為5.9％的鐵-釩合金的居里溫度約為815℃。其它的非鐵磁元素(例如碳、鋁、銅、硅和/或鉻)可以與鐵或其它鐵磁材料構(gòu)成合金，以便降低居里溫度。用于升高居里溫度的非鐵磁材料可以與用于降低居里溫度的非鐵磁材料結(jié)合，并且與鐵或其它鐵磁材料構(gòu)成合金，以便制造出這樣一種材料，即，這種材料具有期望的居里溫度和其它期望的物理和/或化學(xué)特性。在某些實(shí)施例中，居里溫度材料是鐵素體，例如NiFe2O4。在其它一些實(shí)施例中，居里溫度材料是二元化合物，例如FeNi3或Fe3Al。
某些實(shí)施例中的溫度受限加熱器可包括多于一個(gè)鐵磁材料。如果這里所描述的任何條件適用于溫度受限加熱器中的這些鐵磁材料中的至少一個(gè)鐵磁材料，那么，此類實(shí)施例就落在這里所描述的實(shí)施例的范圍內(nèi)。
磁性通常隨著接近居里溫度而衰減。由C.James Erickson所著的“工業(yè)電加熱手冊(cè)”(IEEE出版社，1995)表示出了對(duì)于1％碳鋼(碳的重量比為1％的鋼)的典型曲線。在650℃以上的溫度，磁滲透性開始損失，并且當(dāng)溫度超過730℃時(shí)趨于結(jié)束。這樣，自限制溫度可以稍微低于鐵磁導(dǎo)體的實(shí)際居里溫度。在1％碳鋼中，在室溫時(shí)，電流流動(dòng)的集膚深度為0.132cm(厘米)，并且在720℃時(shí)該集膚深度增大到0.445cm。從720℃至730℃，集膚深度劇增至2.5cm以上。因此，利用1％碳鋼的溫度受限加熱器實(shí)施例把溫度自限制在650℃至730℃之間。
集膚深度通常限定流入傳導(dǎo)材料內(nèi)的隨時(shí)間變化的電流的有效深度。通常，電流密度與沿著導(dǎo)體半徑從外表面至中心的距離呈指數(shù)關(guān)系減小。這樣的一個(gè)深度，即在該深度，電流密度約為表面電流密度的1/e，則這個(gè)深度就被稱作集膚深度。對(duì)于其直徑比滲透深度大得多的實(shí)心圓柱桿而言，或?qū)Ρ诤癯^滲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＝在操作溫度的電阻系數(shù)(歐姆-厘米)；μ＝相對(duì)導(dǎo)磁率；以及f＝頻率(Hz)。
方程1可從C.James Erickson(IEEE出版社，1995)所著的“工業(yè)電加熱手冊(cè)”中獲得。對(duì)于大多數(shù)金屬而言，電阻系數(shù)(ρ)隨著溫度而增大。相對(duì)導(dǎo)磁率通常隨著溫度和電流的變化而變化。可以利用其它的一些方程來估算關(guān)于溫度和/或電流的集膚深度和/或?qū)Т怕实淖兓?。μ?duì)電流的依賴產(chǎn)生于μ對(duì)磁場的依賴。
在溫度受限加熱器中所用的材料可以被選擇成能提供期望的調(diào)節(jié)比。對(duì)溫度受限加熱器，可以選擇的調(diào)節(jié)比為至少1.1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1，10∶1,30∶1，或50∶1。也可以利用更大的調(diào)節(jié)比。所選擇的調(diào)節(jié)比取決于許多因素，這些因素包括但不限于溫度受限加熱器所處的地層類型和/或井筒中所用的材料的溫度限制。在一些實(shí)施例中，通過把附加的銅或另外的良好的電導(dǎo)體連接到鐵磁材料(例如，增加銅以便在居里溫度之上降低電阻)上，來增大調(diào)節(jié)比。
溫度受限加熱器在該加熱器的居里溫度以下可提供最小熱輸出(功率輸出)。在某些實(shí)施例中，最小熱輸出至少為400W/m(瓦特每米)，600W/m，700W/m，800W/m，或高達(dá)2000W/m。當(dāng)溫度受限加熱器一部分的溫度接近或超過居里溫度時(shí)，溫度受限加熱器通過加熱器的這部分來減小熱量輸出。所減小的熱量可以基本上小于居里溫度以下的熱輸出。在某些實(shí)施例中，減小的熱量至多為400W/m，200W/m，100W/m，或可接近于0W/m。
在一些實(shí)施例中，在特定的操作溫度范圍內(nèi)，溫度受限加熱器可以基本上獨(dú)立于該加熱器上的熱負(fù)荷進(jìn)行操作?！盁嶝?fù)荷”是指熱量從一加熱系統(tǒng)傳遞至其周圍的速度。應(yīng)當(dāng)知道，熱負(fù)荷可以隨著周圍溫度和/或周圍的熱導(dǎo)率的變化而變化。在一實(shí)施例中，溫度受限加熱器在溫度受限加熱器的居里溫度或在該溫度之上進(jìn)行操作，從而，在加熱器一部分附近，對(duì)于熱負(fù)荷減小1W/m，加熱器的操作溫度升高至多3℃，2℃，1.5℃，1℃或0.5℃。在某些實(shí)施例中，溫度受限加熱器以相對(duì)恒定電流的方式進(jìn)行操作。
在居里溫度之上，由于居里效應(yīng)，交流電和調(diào)制直流電電阻和/或溫度受限加熱器的熱輸出可以驟減。在一些實(shí)施例中，在居里溫度以上或附近，電阻或熱輸出的值至多是在居里溫度以下某特定點(diǎn)的電阻或熱輸出值的一半。在一些實(shí)施例中，在居里溫度以上或附近，熱輸出至多是在居里溫度以下的一特定點(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℃)的熱輸出的40％，30％，20％，10％或更小(小至1％)。在一些實(shí)施例中，在居里溫度以上或附近，電阻減小至在居里溫度以下的一特定點(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℃)的電阻的80％，70％，60％，50％或更小(小至1％)。
在某些實(shí)施例中，交流電頻率被調(diào)節(jié)，以改變鐵磁材料的集膚深度。例如，在室溫時(shí)，1％碳鋼的集膚深度在60Hz時(shí)為0.132cm；在180Hz時(shí)，集膚深度為0.0762cm；在440Hz時(shí)，集膚深度為0.046cm。由于加熱器直徑通常大于兩倍的集膚深度，因此，利用較高頻率(從而可利用較小直徑的加熱器)就可以減小加熱器成本。對(duì)于固定的幾何形狀，頻率越高，就會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)比越高。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的平方根，就可以計(jì)算出在較高頻率的調(diào)節(jié)比。在一些實(shí)施例中，采用100Hz至1000Hz之間，140Hz至200Hz之間，或400Hz至600Hz之間的頻率(例如，180Hz，540Hz，或720Hz)。在一些實(shí)施例中，可以采用高頻率。頻率可以大于1000Hz。
為了在達(dá)到溫度受限加熱器的居里溫度之前保持基本恒定的集膚深度，當(dāng)加熱器是冷的時(shí)候，加熱器可以以較低的頻率操作，當(dāng)加熱器是熱的時(shí)候，加熱器可以以較高頻率操作。然而，行頻(linefrequency)加熱通常是有利的，因?yàn)檫@樣就可減少對(duì)昂貴部件例如電源、轉(zhuǎn)換器、或用于改變頻率的電流調(diào)制器的需求。行頻是一常用電源的頻率。行頻通常是60Hz，也可以是50Hz或其它頻率，這取決于電流供給的來源。利用市場上可獲得的設(shè)備例如固態(tài)可變頻率的電源，可產(chǎn)生較高頻率。把三相電源轉(zhuǎn)變成具有三倍頻率的單相電源的轉(zhuǎn)換器可以在市場上獲得。例如，60Hz高壓三相電源可以被轉(zhuǎn)換成180Hz低壓單相電源。與固態(tài)可變頻率電源相比，這種轉(zhuǎn)換器更便宜一些，并且具有更大的能量效率。在一些實(shí)施例中，利用把三相轉(zhuǎn)換成單相電源的轉(zhuǎn)換器來增大供向溫度受限加熱器的電源頻率。
在一些實(shí)施例中，調(diào)制直流電(例如，突變直流電，波形調(diào)制直流電，或循環(huán)直流電)可以被用于向溫度受限加熱器提供電力。直流電調(diào)制器或直流電突變器可以與直流電源相耦合，以便提供一調(diào)制直流電的輸出。在一些實(shí)施例中，直流電電源可包括用于調(diào)制直流電的裝置。直流電調(diào)制器的一個(gè)例子是直流電-直流電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。直流電-直流電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在本領(lǐng)域中是公知的。直流電通常被調(diào)制或突變成一期望的波形。用于直流電調(diào)制的波形包括但不限于正方形波形、正弦曲線波形、變形的正弦曲線波形、變形的正方形波形、三角波形和其他的規(guī)則或不規(guī)則波形。
調(diào)制直流電波形通常限定該調(diào)制直流電的頻率。因此，調(diào)制直流電波形可以被選擇成能提供一期望的調(diào)制直流電頻率。調(diào)制直流電的調(diào)制波形或調(diào)制速度(例如突變速度)可以被改變，以便改變調(diào)制直流電的頻率。直流電可以被調(diào)制在高于通常可獲得的交流電頻率的頻率。例如，可以提供至少為1000Hz的調(diào)制直流電。通過把供給電流的頻率增大至更高數(shù)值，就能有利地增大溫度受限加熱器的調(diào)節(jié)比。
在一些實(shí)施例中，調(diào)制直流電波形被調(diào)節(jié)或改變，以便改變調(diào)制直流電頻率。在使用溫度受限加熱器和高電流或電壓期間的任何時(shí)候，直流電調(diào)制器都能夠調(diào)節(jié)或改變調(diào)制直流電波形。因此，提供到溫度受限加熱器的調(diào)制直流電不局限于單相頻率或甚至一小組頻率值。利用直流電調(diào)制器進(jìn)行的波形選擇通常允許一寬范圍的調(diào)制直流電頻率且允許對(duì)調(diào)制直流電頻率進(jìn)行離散控制。因此，調(diào)制直流電頻率更易于被設(shè)定在不同的數(shù)值，而交流電頻率通常被局限于行頻增大的數(shù)值。調(diào)制直流電頻率的離散控制允許對(duì)溫度受限加熱器的調(diào)節(jié)比進(jìn)行更多的選擇性控制。由于能夠選擇性地控制溫度受限加熱器的調(diào)節(jié)比，從而允許在設(shè)計(jì)和制造溫度受限加熱器時(shí)可使用的材料范圍更寬。
在一些實(shí)施例中，調(diào)制直流電頻率或交流電頻率被調(diào)節(jié)，以便在使用期間補(bǔ)償溫度受限加熱器的性能(例如，諸如溫度或壓力的地下條件)的變化。提供給溫度受限加熱器的調(diào)制直流電頻率或交流電頻率根據(jù)估算的井下條件或狀況的變化而變化。例如，隨著井筒中的溫度受限加熱器的溫度的升高，可以有利地增大提供給該加熱器的電流頻率，從而增大加熱器的調(diào)節(jié)比。在一實(shí)施例中，對(duì)井筒中的溫度受限加熱器的井下溫度進(jìn)行估算。
在一些實(shí)施例中，調(diào)制直流電頻率或交流電頻率被改變，以便調(diào)節(jié)溫度受限加熱器的調(diào)節(jié)比。調(diào)節(jié)比可以被調(diào)節(jié)，以便補(bǔ)償沿著溫度受限加熱器長度產(chǎn)生的一些熱點(diǎn)。例如，由于溫度受限加熱器在某些地方變得太熱，從而使調(diào)節(jié)比增大。在一些實(shí)施例中，調(diào)制直流電頻率或交流電頻率被改變，以便對(duì)調(diào)節(jié)比進(jìn)行調(diào)節(jié)，而無需估算地下條件。
溫度受限加熱器可以產(chǎn)生電感負(fù)荷。該電感負(fù)荷是由于所施加的電流被鐵磁材料利用，除了產(chǎn)生電阻熱輸出以外，還產(chǎn)生了磁場的緣故造成的。隨著溫度受限加熱器中的井下溫度的改變，加熱器的電感負(fù)荷發(fā)生改變，這是由于加熱器中的鐵磁材料的磁性隨著溫度的變化而變化的緣故。溫度受限加熱器的電感負(fù)荷可在供給到加熱器的電流和電壓之間造成相位偏移。
電流波形的時(shí)滯(例如，由于電感負(fù)荷的緣故，電流相對(duì)于電源具有一相位偏移)和/或電流波形的變形(例如，由于非線性負(fù)荷的緣故，由引入的諧波造成的電流波形的變形)可以造成施加至溫度受限加熱器上的實(shí)際功率的減小。這樣，由于相位偏移或波形變形，從而需要用更多的電流來施加選定量的功率。實(shí)際施加的功率和在相同電流處于相位和未變形情況下應(yīng)被傳遞的視在功率(apparentfrequency)的比值為功率因子。該功率因子總是小于或等于1。當(dāng)沒有相位偏移或沒有波形變形時(shí)，功率因子為1。
因發(fā)生相位偏移而施加至加熱器上的實(shí)際功率由方程2表示
(2)P＝I×V×cos(θ)；其中，P是施加到溫度受限加熱器上的實(shí)際功率；I是所施加的電流；V是所施加的電壓；θ是電壓和電流之間的相位角差。如果沒有波形變形，則cos(θ)等于功率因子。頻率越高(例如，調(diào)制直流電頻率至少1000Hz，1500Hz，或2000Hz)，相位偏移和/或變形的問題就越顯著。
在一些實(shí)施例中，電壓和/或電流被調(diào)節(jié)，以便改變鐵磁材料的集膚深度。通過增大電壓和/或減小電流，就可以減小鐵磁材料的集膚深度。集膚深度越小，就允許溫度受限加熱器具有更小的直徑，從而也就減小了設(shè)備成本。在一些實(shí)施例中，所施加的電流至少為1安培，10安培，70安培，100安培，200安培，500安培，或高達(dá)2000安培。在一些實(shí)施例中，施加電壓在200伏以上，480伏以上，650伏以上，1000伏以上，1500伏以上，或高達(dá)10000伏的交流電。
在一實(shí)施例中，溫度受限加熱器包括位于外部導(dǎo)體內(nèi)的內(nèi)部導(dǎo)體。內(nèi)部導(dǎo)體和外部導(dǎo)體沿徑向被設(shè)置在一中軸周圍。內(nèi)部導(dǎo)體和外部導(dǎo)體可以被絕緣層分隔開。在一些實(shí)施例中，內(nèi)部導(dǎo)體和外部導(dǎo)體在溫度受限加熱器的底部相耦合。電流可以通過內(nèi)部導(dǎo)體流入溫度受限加熱器，然后通過外部導(dǎo)體返回。一個(gè)導(dǎo)體或兩個(gè)導(dǎo)體都包括鐵磁材料。
絕緣層可包括具有高熱導(dǎo)率的電絕緣陶瓷，例如氧化鎂、氧化鋁、二氧化硅、氧化鈹、氮化硼、氮化硅、或它們的組合。絕緣層可以是壓實(shí)的粉末(例如，壓實(shí)的陶瓷粉末)。壓實(shí)可以改善熱導(dǎo)率，并且可以提供更好的絕緣電阻。對(duì)于較低溫度的應(yīng)用場合，可以采用聚合物絕緣層，例如，該聚合物絕緣層由含氟聚合物、聚酰亞胺、聚酰胺、和/或聚乙烯制成。在一些實(shí)施例中，聚合物絕緣層由全氟烷氧基(PFA)或聚醚酮(注冊(cè)商標(biāo)為PEEKTM(Victrex有限公司，英國))制成。絕緣層可以被選擇成基本上紅外透明的，以便有助于熱量從內(nèi)部導(dǎo)體向外部導(dǎo)體的傳遞。在一實(shí)施例中，絕緣層由透明的石英沙構(gòu)成。絕緣層可以是空氣或非反應(yīng)氣體，例如氦、氮、或六氟化硫。如果絕緣層是空氣或非反應(yīng)氣體，那么，可以設(shè)有一些絕緣間隔件，以便阻止內(nèi)部導(dǎo)體和外部導(dǎo)體之間的電接觸。例如，這些絕緣間隔件可由高純度的氧化鋁或其它熱導(dǎo)的電絕緣的材料例如氮化硅制成。這些絕緣間隔件可以由含纖維的陶瓷材料制成，這些含纖維的材料例如為注冊(cè)商標(biāo)為NextelTM312(3M公司，圣保羅，明尼蘇達(dá)州)的材料、云母帶、或玻璃纖維。陶瓷材料可由氧化鋁、水合硅酸鋁、硼硅酸鋁、氮化硅、氮化硼、或其它材料構(gòu)成。
在一些實(shí)施例中，外部導(dǎo)體被選擇成能夠抗腐和/或抗蠕變。在一個(gè)實(shí)施例中，在外部導(dǎo)體中可以采用奧斯丁帝克(austentitic)(非鐵磁)不銹鋼，例如，304H，347H，347HH，316H，310H，347HP，NF709(日本鋼鐵公司)不銹鋼或它們的組合。外部導(dǎo)體也可包括一復(fù)合導(dǎo)體。例如，諸如800H或347H不銹鋼的抗腐合金被包覆在鐵磁碳鋼管上，以便抗腐。如果無需高溫度強(qiáng)度，那么，外部導(dǎo)體可以由具有良好抗腐性能的鐵磁金屬例如其中一種鐵素體不銹鋼制成。在一個(gè)實(shí)施例中，由重量含量為82.3％的鐵和重量含量為17.7％的鉻組成的鐵素體合金(居里溫度為678℃)提供所期望的抗腐性能。
《金屬手冊(cè)》第8卷第291頁(美國材料協(xié)會(huì)(ASM))中有著鐵-鉻合金的居里溫度與該合金中鉻含量之間相互關(guān)系的圖表。在一些溫度受限加熱器實(shí)施例中，一分開的(由347H不銹鋼制成的)支撐桿或管被連接到由鐵-鉻合金制成的溫度受限加熱器，以便提供強(qiáng)度和/或抗蠕變力。支撐材料和/或鐵磁材料可以被選擇，以便至少在20.7MPa和650℃提供100000小時(shí)的蠕變破裂強(qiáng)度。在一些實(shí)施例中，100000小時(shí)蠕變破裂強(qiáng)度為至少13.8MPa，650℃，或至少6.9MPa，650℃。例如，在650℃或在該溫度以上，347H鋼具有有利的蠕變破裂強(qiáng)度。在一些實(shí)施例中，100000小時(shí)蠕變破裂強(qiáng)度在6.9MPa到41.3MPa范圍，或者，對(duì)于較長的加熱器和/或較高泥土或流體壓力而言，蠕變破裂強(qiáng)度就更大。
在具有內(nèi)部鐵磁導(dǎo)體和外部鐵磁導(dǎo)體的溫度受限加熱器實(shí)施例中，集膚效應(yīng)電流路徑發(fā)生在內(nèi)部導(dǎo)體的外側(cè)和外部導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)。因此，外部導(dǎo)體的外側(cè)可以被包覆有抗腐合金，例如不銹鋼，而且不會(huì)影響外部導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的集膚電流路徑。
厚度至少為在居里溫度的集膚深度的鐵磁導(dǎo)體允許鐵磁材料的電阻隨著在居里溫度附近集膚深度的驟減而顯著減小。在一些實(shí)施例中，當(dāng)鐵磁導(dǎo)體未被包覆有高傳導(dǎo)材料例如銅時(shí)，導(dǎo)體的厚度可以是居里溫度附近的集膚深度的1.5倍，可以是在居里溫度附近的集膚深度的3倍，甚至是在居里溫度附近的集膚深度的10倍或更多倍。如果鐵磁導(dǎo)體被包覆有銅，那么，鐵磁導(dǎo)體的厚度可以與居里溫度附近的集膚深度基本相同。在一些實(shí)施例中，被包覆有銅的鐵磁導(dǎo)體所具有的厚度至少為在居里溫度附近的集膚深度的四分之三。
在一些實(shí)施例中，溫度受限加熱器包括有復(fù)合導(dǎo)體，該復(fù)合導(dǎo)體具有鐵磁管和非鐵磁的高電導(dǎo)芯。非鐵磁的高電導(dǎo)芯減小了導(dǎo)體所需的直徑。例如，導(dǎo)體可以是合成的1.19cm直徑的導(dǎo)體，它的芯為0.575cm直徑的銅，該銅被包覆有環(huán)繞著所述芯的0.298cm厚的鐵素體不銹鋼或碳鋼。復(fù)合導(dǎo)體允許溫度受限加熱器的電阻在居里溫度附近減小得更迅速。隨著在居里溫度附近的集膚深度增大至包括銅芯，電阻就非常迅速地減小。
復(fù)合導(dǎo)體可增大溫度受限加熱器的傳導(dǎo)率和/或允許加熱器在較低電壓進(jìn)行操作。在一實(shí)施例中，在復(fù)合導(dǎo)體的鐵磁導(dǎo)體的居里溫度附近區(qū)域以下的溫度，復(fù)合導(dǎo)體顯示出相對(duì)平的電阻與溫度關(guān)系曲線。在一些實(shí)施例中，在100℃和750℃之間，或在300℃和600℃之間，溫度受限加熱器顯示出相對(duì)平的電阻與溫度關(guān)系曲線。例如通過調(diào)節(jié)溫度受限加熱器中的材料和/或材料的構(gòu)成，在其它溫度范圍，也可以顯示出相對(duì)平的電阻與溫度關(guān)系曲線。在一些實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體中的各種材料的相對(duì)厚度被選擇，以便為溫度受限加熱器形成所期望的電阻與溫度關(guān)系曲線。
圖3-28表示出了溫度受限加熱器的各種實(shí)施例。在這些附圖中的任意附圖中所描述的實(shí)施例中的溫度受限加熱器的一個(gè)或多個(gè)特征可以與這些附圖中所描述的其它一些實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)特征進(jìn)行結(jié)合。在這里所描述的一些實(shí)施例中，溫度受限加熱器的尺寸大小被做成能在60Hz的交流電頻率進(jìn)行操作。應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)這里所描述的溫度受限加熱器的尺寸大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便溫度受限加熱器在其它交流電頻率以類似的方式進(jìn)行操作，或者利用調(diào)制直流電進(jìn)行操作。
圖3表示出了根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該溫度受限加熱器具有外部導(dǎo)體，該外部導(dǎo)體具有鐵磁部分和非鐵磁部分。圖4和圖5表示出了圖3所示實(shí)施例的橫向剖面圖。在一個(gè)實(shí)施例中，鐵磁部分140被用于向地層中的烴類物質(zhì)層提供熱量。非鐵磁部分142被用在地層的覆蓋層中。非鐵磁部分142向覆蓋層提供很少熱量或不提供熱量，從而阻止覆蓋層中的熱量損失，并且提高加熱器的效率。鐵磁部分140包括鐵磁材料例如409不銹鋼或410不銹鋼。鐵磁部分140具有0.3厘米的厚度。非鐵磁部分142是銅，其厚度為0.3厘米。內(nèi)部導(dǎo)體144是銅。內(nèi)部導(dǎo)體144的直徑為0.9厘米。電絕緣件146是氮化硅、氮化硼、氧化鎂粉末、或其它適合的絕緣材料。電絕緣件146的厚度為0.1厘米至0.3厘米。
圖6是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有外部導(dǎo)體，該外部導(dǎo)體具有放置在護(hù)套內(nèi)的鐵磁部分和非鐵磁部分。圖7、8、9是圖6所示實(shí)施例的橫向剖面圖。鐵磁部分140是410不銹鋼，其厚度為0.6厘米。非鐵磁部分142是銅，其厚度為0.6厘米。內(nèi)部導(dǎo)體144是銅，其直徑為0.9厘米。外部導(dǎo)體148包括鐵磁材料。外部導(dǎo)體148在加熱器的覆蓋層部分中提供一些熱量。通過在覆蓋層中提供一些熱量，來阻止覆蓋層中流體的冷凝或逆流。外部導(dǎo)體148是409、410、或446不銹鋼，其外部直徑為3.0厘米，厚度為0.6厘米。電絕緣件146是氧化鎂粉末，其厚度為0.3厘米。在一些實(shí)施例中，電絕緣件146是氮化硅、氮化硼或六方晶系型氮化硼。傳導(dǎo)部分150可以把內(nèi)部導(dǎo)體144與鐵磁部分140和/或外部導(dǎo)體148連接起來。
圖10是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁外部導(dǎo)體。該加熱器被放置在防腐護(hù)套中。一傳導(dǎo)層被放置在外部導(dǎo)體和所述護(hù)套之間。圖11和12是圖10所示實(shí)施例的橫向剖面圖。外部導(dǎo)體148是3/4”表(Schedule)80 446不銹鋼管。在一個(gè)實(shí)施例中，傳導(dǎo)層152被放置在外部導(dǎo)體148和護(hù)套154之間。傳導(dǎo)層152是銅層。外部導(dǎo)體148被包覆有傳導(dǎo)層152。在一些實(shí)施例中，傳導(dǎo)層152包括一個(gè)或多個(gè)部分(例如，傳導(dǎo)層152包括一個(gè)或多個(gè)銅管部分)。護(hù)套154是1-1/4”表80 347不銹鋼或1-1/2”表160 347H不銹鋼。在一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)部導(dǎo)體144是4/0 MGT-1000爐纜，該爐纜具有絞合的包有鎳的銅線，具有云母帶和玻璃纖維絕緣層。4/0MGT-1000爐纜是UL型5107(可從聯(lián)合線纜公司(Phoenixville，賓夕法尼亞州)獲得)。傳導(dǎo)部分150把內(nèi)部導(dǎo)體144和護(hù)套154耦合起來。在一實(shí)施例中，傳導(dǎo)部分150是銅。
圖13是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有外部導(dǎo)體。外部導(dǎo)體包括鐵磁部分和非鐵磁部分。加熱器被放置在防腐護(hù)套中。傳導(dǎo)層被放置在外部導(dǎo)體和護(hù)套之間。圖14和15表示出了圖13所示實(shí)施例的橫向剖面圖。鐵磁部分140是409、410或446不銹鋼，其厚度為0.9厘米。非鐵磁部分142是銅，其厚度為0.9厘米。鐵磁部分140和非鐵磁部分142被放置在護(hù)套154中。護(hù)套154是304不銹鋼，其厚度為0.1厘米。傳導(dǎo)層152是銅層。電絕緣件146是氮化硅、氮化硼、或氧化鎂，其厚度為0.1厘米-0.3厘米。內(nèi)部導(dǎo)體144是銅，其直徑為1.0厘米。
在一實(shí)施例中，鐵磁部分140是446不銹鋼，其厚度為0.9厘米。護(hù)套154是410不銹鋼，其厚度為0.6厘米。410不銹鋼比446不銹鋼具有更高的居里溫度。這種溫度受限加熱器可“包含”電流，從而使得電流不會(huì)輕易地從加熱器流向周圍地層和/或流向周圍的水(例如鹽水、地下水、或地層水)。在這個(gè)實(shí)施例中，在達(dá)到鐵磁部分的居里溫度之前，大部分電流流經(jīng)鐵磁部分140。在達(dá)到鐵磁部分140的居里溫度之后，大部分電流流經(jīng)傳導(dǎo)層152。護(hù)套154(410不銹鋼)的鐵磁特性阻止電流流到護(hù)套外部，從而“包含”了電流。護(hù)套154還可具有這樣的厚度，即該厚度能向溫度受限加熱器提供強(qiáng)度。
圖16A和圖16B是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁內(nèi)部導(dǎo)體。內(nèi)部導(dǎo)體144是1”表XXS 446不銹鋼管。在一些實(shí)施例中，內(nèi)部導(dǎo)體144包括409不銹鋼，410不銹鋼，不脹鋼36，合金42-6，合金52，或其它鐵磁材料。內(nèi)部導(dǎo)體144具有2.5厘米的直徑。電絕緣件146是氮化硅、氮化硼、氧化鎂、聚合物、納克斯泰爾(Nextel)陶瓷纖維、云母、或玻璃纖維。外部導(dǎo)體148是銅或其它任何非鐵磁材料例如鋁。外部導(dǎo)體148被連接至護(hù)套154上。護(hù)套154是304H，316H或347H不銹鋼。在這個(gè)實(shí)施例中，大部分熱量是在內(nèi)部導(dǎo)體144中產(chǎn)生的。
圖17A和圖17B是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁內(nèi)部導(dǎo)體和非鐵磁芯。內(nèi)部導(dǎo)體144包括446不銹鋼，409不銹鋼，410不銹鋼或其它鐵磁材料。芯168被緊緊地結(jié)合在內(nèi)部導(dǎo)體144的內(nèi)部。芯168是銅桿或其它非鐵磁材料。在拉拔操作之前，芯168以緊密配合方式被插在內(nèi)部導(dǎo)體144內(nèi)。在一些實(shí)施例中，芯168和內(nèi)部導(dǎo)體144是被混合擠壓結(jié)合的。外部導(dǎo)體148是347H不銹鋼。為了壓實(shí)電絕緣件146而進(jìn)行的拉拔或軋制操作可確保內(nèi)部導(dǎo)體144和芯168之間良好的電接觸。在這個(gè)實(shí)施例中，在達(dá)到居里溫度之前，熱量主要是在內(nèi)部導(dǎo)體144中產(chǎn)生的。然后，隨著電流滲透到芯168，電阻就迅速減小。
圖18A和圖18B是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁外部導(dǎo)體。內(nèi)部導(dǎo)體144是包覆有鎳的銅。電絕緣件146是氮化硅、氮化硼、或氧化鎂。外部導(dǎo)體148是1”表XXS碳鋼管。在這個(gè)實(shí)施例中，熱量主要在外部導(dǎo)體148中產(chǎn)生，從而導(dǎo)致橫過電絕緣件146的溫差小。
圖19A和圖19B是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁外部導(dǎo)體，該鐵磁外部導(dǎo)體被包覆有防腐合金。內(nèi)部導(dǎo)體144是銅。外部導(dǎo)體148是1”表XXS 446不銹鋼管。外部導(dǎo)體148與護(hù)套154相連。護(hù)套154由防腐材料(例如347H不銹鋼)制成。護(hù)套154用于提供保護(hù)，以免受井筒中的腐蝕性流體(例如，硫化和滲碳?xì)怏w)的影響。熱量主要在外部導(dǎo)體148中產(chǎn)生，從而導(dǎo)致橫過電絕緣件146的溫差小。
圖20A和圖20B是根據(jù)一實(shí)施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁外部導(dǎo)體。該外部導(dǎo)體被包覆有傳導(dǎo)層和防腐合金。內(nèi)部導(dǎo)體144是銅。電絕緣件146是氮化硅、氮化硼、或氧化鎂。外部導(dǎo)體148是1”表80 446不銹鋼管。外部導(dǎo)體148與護(hù)套154相連。護(hù)套154由防腐材料制成。在一實(shí)施例中，傳導(dǎo)層152被放置在外部導(dǎo)體148和護(hù)套154之間。傳導(dǎo)層152是銅層。熱量主要在外部導(dǎo)體148中產(chǎn)生，從而導(dǎo)致橫過電絕緣件146的溫差小。傳導(dǎo)層152允許外部導(dǎo)體148的電阻當(dāng)外部導(dǎo)體達(dá)到居里溫度時(shí)而迅速減小。護(hù)套154用于提供保護(hù)，以免受井筒中腐蝕性流體的侵蝕。
在一些實(shí)施例中，導(dǎo)體(例如內(nèi)部導(dǎo)體、外部導(dǎo)體、或鐵磁導(dǎo)體)是具有兩種或更多種不同材料的復(fù)合導(dǎo)體。在一些實(shí)施例中，該復(fù)合導(dǎo)體包括兩種或更多種鐵磁材料。在一些實(shí)施例中，復(fù)合鐵磁導(dǎo)體包括兩種或更多種徑向布置的材料。在一些實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體包括鐵磁導(dǎo)體和非鐵磁導(dǎo)體。在一些實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體包括放置在非鐵磁芯上的鐵磁導(dǎo)體。可以利用兩種或更多種材料來獲得在居里溫度以下的溫度區(qū)域中相對(duì)平的電阻率與溫度之間的關(guān)系曲線圖和/或在居里溫度或該溫度附近電阻率迅速減小(高調(diào)節(jié)比)。在某些情況中，利用兩種或更多種材料來為溫度受限加熱器提供多個(gè)居里溫度。
復(fù)合電導(dǎo)體可以被用在這里所描述的任何溫度受限加熱器實(shí)施例中。例如，復(fù)合導(dǎo)體可以被用作導(dǎo)體位于管道中的加熱器或絕緣導(dǎo)體加熱器中的導(dǎo)體。在一些實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體可以被連接至支撐元件例如支撐導(dǎo)體上。支撐元件可以被用于為復(fù)合導(dǎo)體提供支撐，從而在居里溫度或其附近，強(qiáng)度無需依賴復(fù)合導(dǎo)體。對(duì)于長度至少100米的加熱器而言，這種支撐元件是很有用的。支撐元件可以是非鐵磁元件，它具有良好的抗高溫蠕變強(qiáng)度。用于支撐元件的材料的例子包括注冊(cè)商標(biāo)為Haynes的625合金和注冊(cè)商標(biāo)為Haynes的HR120合金(Haynes國際，Kokomo，IN)，NF709，注冊(cè)商標(biāo)為Incoloy的800H合金和347H合金(Allegheny Ludlum公司，匹茲堡，PA)，但并不局限于這些。在一些實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體中的材料被直接相互連接(例如，用黃銅焊接，以冶金方式粘結(jié)，或被模鍛)和/或與支撐元件相連。通過利用支撐元件，就可以把鐵磁元件分離開，無需它為溫度受限加熱器提供支撐，尤其是在居里溫度或其附近。因此，在設(shè)計(jì)溫度受限加熱器時(shí)，在選擇鐵磁材料方面就更靈活。
圖21是根據(jù)一實(shí)施例的具有支撐元件的復(fù)合導(dǎo)體的剖面圖。芯168被鐵磁導(dǎo)體166和支撐元件172環(huán)繞著。在一些實(shí)施例中，芯168、鐵磁導(dǎo)體166和支撐元件172被直接連接(例如，用黃銅焊接在一起或以治金方式結(jié)合在一起)。在一個(gè)實(shí)施例中，芯168是銅，鐵磁導(dǎo)體166是446不銹鋼，支撐元件172是347H合金。在某些實(shí)施例中，支撐元件172是表80管。支撐元件172環(huán)繞著具有鐵磁導(dǎo)體166和芯168的復(fù)合導(dǎo)體。鐵磁導(dǎo)體166和芯168被連接起來，以便通過例如混合擠壓過程來形成復(fù)合導(dǎo)體。例如，復(fù)合導(dǎo)體是環(huán)繞著直徑為0.95厘米的銅芯的外部直徑為1.9厘米的446不銹鋼鐵磁導(dǎo)體。這種位于1.9厘米表80支撐元件內(nèi)的復(fù)合導(dǎo)體產(chǎn)生的調(diào)節(jié)比為1.7。
在某些實(shí)施例中，相對(duì)于鐵磁導(dǎo)體166的恒定外部直徑，來調(diào)節(jié)芯168的直徑，以便調(diào)節(jié)溫度受限加熱器的調(diào)節(jié)比。例如，芯168的直徑可以被增大至1.14厘米，同時(shí)保持鐵磁導(dǎo)體166的外部直徑為1.9厘米，以便使加熱器的調(diào)節(jié)比增大至2.2。
在一些實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體中的導(dǎo)體(例如，芯168和鐵磁導(dǎo)體166)被支撐元件172分離開。圖22是根據(jù)一實(shí)施例的復(fù)合導(dǎo)體的剖面圖，該復(fù)合導(dǎo)體具有支撐元件172，該支撐元件172把所述導(dǎo)體分離開。在一個(gè)實(shí)施例中，芯168是銅，其直徑為0.95厘米；支撐元件172是347H合金，其外部直徑為1.9厘米；鐵磁導(dǎo)體166是446不銹鋼，其外部直徑為2.7厘米。這種導(dǎo)體產(chǎn)生至少為3的調(diào)節(jié)比。與圖21、23、24中所示的其它支撐元件相比，圖22中所表示的支撐元件具有更高的抗蠕變強(qiáng)度。
在某些實(shí)施例中，支撐元件172被設(shè)置在復(fù)合導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)。圖23表示出了根據(jù)一實(shí)施例的環(huán)繞著支撐元件172的復(fù)合導(dǎo)體的剖面圖。支撐元件172是由347H合金制成。內(nèi)部導(dǎo)體144是銅。鐵磁導(dǎo)體166是446不銹鋼。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐元件172是直徑為1.25厘米的347H合金，內(nèi)部導(dǎo)體144是外部直徑為1.9厘米的銅，鐵磁導(dǎo)體166是外部直徑為2.7厘米的446不銹鋼。這種導(dǎo)體產(chǎn)生大于3的調(diào)節(jié)比，該調(diào)節(jié)比要高于圖21、22、24所描述實(shí)施例的具有相同外部直徑的導(dǎo)體的調(diào)節(jié)比。
在某些實(shí)施例中，內(nèi)部導(dǎo)體144是銅，該內(nèi)部導(dǎo)體的厚度被減小，以便減小調(diào)節(jié)比。例如，支撐元件172的直徑被增大至1.6厘米，同時(shí)保持內(nèi)部導(dǎo)體144的外部直徑為1.9厘米，以便減小管道的厚度。內(nèi)部導(dǎo)體144的這種厚度減小造成相對(duì)于較厚的內(nèi)部導(dǎo)體實(shí)施例其調(diào)節(jié)比減小。然而，調(diào)節(jié)比保持為至少為3。
在一個(gè)實(shí)施例中，支撐元件172是管道(或管)，該管道位于內(nèi)部導(dǎo)體144和鐵磁導(dǎo)體166的內(nèi)側(cè)。圖24表示出了根據(jù)一實(shí)施例的環(huán)繞著支撐元件172的復(fù)合導(dǎo)體的剖面圖。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐元件172是347H合金，其具有直徑為0.63厘米的中央孔。在某些實(shí)施例中，支撐元件172是預(yù)制管道。在某些實(shí)施例中，在復(fù)合導(dǎo)體成形期間，通過把可溶解材料(例如，能被硝酸溶解的銅)設(shè)置在支撐元件內(nèi)來形成支撐元件172。在導(dǎo)體被組裝之后，該可溶解材料被溶解，從而形成所述的孔。在一實(shí)施例中，支撐元件172是347H合金，其內(nèi)部直徑為0.63厘米，外部直徑為1.6厘米，內(nèi)部導(dǎo)體144是銅，其外部直徑為1.8厘米，鐵磁導(dǎo)體166是446不銹鋼，其外部直徑為2.7厘米。
在某些實(shí)施例中，復(fù)合電導(dǎo)體被用作導(dǎo)體位于管道中的加熱器中的導(dǎo)體。例如，復(fù)合電導(dǎo)體可以被用作圖25中的導(dǎo)體174。
圖25是根據(jù)一實(shí)施例的導(dǎo)體位于管道中這種類型的加熱器的剖面圖。導(dǎo)體174被設(shè)置在管道176中。導(dǎo)體174是由導(dǎo)電材料制成的桿或管道。在導(dǎo)體174兩端具有低電阻部分178，以便在這些部分中產(chǎn)生較少的熱量。通過使這些部分具有較大的導(dǎo)體174的橫斷面積，或者這些部分由具有低電阻的材料制成，從而形成所述的低電阻部分178。在某些實(shí)施例中，低電阻部分178包括低電阻導(dǎo)體，該低電阻導(dǎo)體與導(dǎo)體174相耦合。
管道176由導(dǎo)電材料制成。管道176被設(shè)置在烴類物質(zhì)層182的井孔180中。井孔180具有能夠容納管道176的直徑。
可以利用定中件184來把導(dǎo)體174定位在管道176的中心。定中件184把導(dǎo)體174與管道176電絕緣開。定中件184阻止移動(dòng)，并且把導(dǎo)體174正確地定位在管道176中。定中件184由陶瓷材料或陶瓷與金屬材料的組合制成。定中件184可阻止管道176中的導(dǎo)體174變形。定中件184是接觸的(touching)或沿著導(dǎo)體174以約0.1米至約3米或更長的間隔被間隔開。
如圖25所示，導(dǎo)體174的第二低電阻部分178可以把導(dǎo)體174連接至井頭112。電流可以從電纜186通過導(dǎo)體174的低電阻部分178被施加至導(dǎo)體174上。電流從導(dǎo)體174流經(jīng)滑動(dòng)接頭188流到管道176。管道176可以與覆蓋層套管190以及與井頭112電絕緣，以便使電流返回到電纜186。熱量可以在導(dǎo)體174和管道176中產(chǎn)生。所產(chǎn)生的熱量可以在管道176和井孔180中輻射，以便對(duì)烴類物質(zhì)層182的至少一部分進(jìn)行加熱。
覆蓋層套管190可以被設(shè)置在覆蓋層192中。在一些實(shí)施例中，覆蓋層套管190被阻止覆蓋層192變熱的一些材料(例如，增強(qiáng)材料和/或水泥)環(huán)繞著。導(dǎo)體174的低電阻部分178可以被放置在覆蓋層套管190中。導(dǎo)體174的低電阻部分178由例如碳鋼制成。可以利用定中件184來把導(dǎo)體174的低電阻部分178定位在覆蓋層套管190的中心。定中件184沿著導(dǎo)體174的低電阻部分178以約6米至12米或例如約9米的間隔被間隔開。在一加熱器實(shí)施例中，通過一處或多處焊接，把導(dǎo)體174的低電阻部分178接合到導(dǎo)體174。在其他加熱器實(shí)施例中，低電阻部分被以螺紋擰入、旋擰入和焊接、或以其它方式連接到導(dǎo)體。低電阻部分178在覆蓋層套管190中產(chǎn)生很少的熱量和/或不產(chǎn)生熱量。密封圈(packing)194可以被放置在覆蓋層套管190和井孔180之間。密封圈194可以被用作在覆蓋層192和烴類物質(zhì)層182交界處的封閉蓋，從而允許把材料填充在覆蓋層套管190和井孔180之間的環(huán)狀空間中。在一些實(shí)施例中，密封圈194阻止流體從井孔180流至表層196。
在某些實(shí)施例中，復(fù)合電導(dǎo)體可以被用作絕緣導(dǎo)體加熱器中的導(dǎo)體。圖26A和圖26B表示出了絕緣導(dǎo)體加熱器的實(shí)施例。絕緣導(dǎo)體200包括芯168和內(nèi)部導(dǎo)體144。芯168和內(nèi)部導(dǎo)體144是復(fù)合電導(dǎo)體。芯168和內(nèi)部導(dǎo)體144被設(shè)置在絕緣件146內(nèi)。芯168、內(nèi)部導(dǎo)體144以及絕緣件146被設(shè)置在外部導(dǎo)體148的內(nèi)部。絕緣件146是氮化硅、氮化硼、氧化鎂、或別的適合的電絕緣材料。外部導(dǎo)體148是銅、鋼、或其它任何的電導(dǎo)體。
在某些實(shí)施例中，如圖27A和圖27B所示，護(hù)套154被設(shè)置在外部導(dǎo)體148的外面。在某些實(shí)施例中，護(hù)套154是304不透鋼，外部導(dǎo)體148是銅。護(hù)套154向絕緣導(dǎo)體加熱器提供抗腐蝕性。在某些實(shí)施例中，護(hù)套154和外部導(dǎo)體148是預(yù)制條帶，這些預(yù)制條帶被牽拉過絕緣件146，以便形成絕緣導(dǎo)體200。
在某些實(shí)施例中，絕緣導(dǎo)體200被設(shè)置在管道中，該管道為絕緣導(dǎo)體提供保護(hù)(例如，腐蝕和侵蝕保護(hù))。在圖28中，絕緣導(dǎo)體200以間隙202被設(shè)置在管道176的內(nèi)部，從而使絕緣導(dǎo)體與管道相分離。
在某些實(shí)施例中，溫度受限加熱器被用于實(shí)現(xiàn)低溫加熱(例如，在生產(chǎn)井中加熱流體，加熱地表管道，或減小井筒或井筒區(qū)域附近的流體粘度)。通過改變溫度受限加熱器的鐵磁材料，就允許進(jìn)行低溫加熱。在某些實(shí)施例中，鐵磁導(dǎo)體是由這樣的材料制成的，即，這種材料的居里溫度低于446不銹鋼的居里溫度。例如，鐵磁導(dǎo)體可以是鐵和鎳的合金。該合金具有30％至42％重量比的鎳，其余的為鐵。在一個(gè)實(shí)施列中，合金是不脹鋼36(Invar 36)，不脹鋼36是在鐵中含有重量比為36％的鎳，并且具有277℃的居里溫度。在某些實(shí)施例中，合金是三組分合金，例如，鉻、鎳和鐵合金。例如，合金可具有6％重量比的鉻，42％重量比的鎳，52％重量比的鐵。由這些類型的合金制成的鐵磁導(dǎo)體可提供250瓦特/米至350瓦特/米之間的熱輸出。由不脹鋼36制成的直徑為2.5厘米的桿，在居里溫度具有約2比1的調(diào)節(jié)比。通過把不脹鋼36合金放置在一銅芯上，就可以使桿的直徑更小一些。采用銅芯可以導(dǎo)致高的調(diào)節(jié)比。
對(duì)于具有銅芯或銅覆層的溫度受限加熱器而言，銅可以被相對(duì)抗擴(kuò)散的層例如鎳保護(hù)著。在某些實(shí)施例中，合成的內(nèi)部導(dǎo)體包括鐵，該鐵被包覆在鎳上，該鎳被包覆在銅芯上。這種相對(duì)抗擴(kuò)散的層阻止銅進(jìn)入具有例如絕緣層的加熱器的其它層內(nèi)。在某些實(shí)施例中，這種相對(duì)不可滲透的層，在把加熱器安裝至井筒內(nèi)期間，可阻止銅在井筒中沉積。
溫度受限加熱器可以是單相加熱器，也可以是三相加熱器。在三相加熱器的實(shí)施例中，溫度受限加熱器具有三角形或Y形結(jié)構(gòu)。三相加熱器中的三個(gè)鐵磁導(dǎo)體中的每個(gè)鐵磁導(dǎo)體可以位于分離的外套內(nèi)?？梢栽诩訜崞鞯撞康慕雍喜糠謨?nèi)形成這些導(dǎo)體之間的連接。這三個(gè)導(dǎo)體可以與接合部分內(nèi)的外套保持絕緣。
在某些三相加熱器實(shí)施例中，三個(gè)鐵磁導(dǎo)體被公共的外部金屬外套內(nèi)的絕緣件分離開。這三個(gè)導(dǎo)體可以與外套絕緣，或者是，這三個(gè)導(dǎo)體可以在加熱器組件的底部與該外套相連接。在另外的實(shí)施例中，一單一的外套或三個(gè)外套是鐵磁導(dǎo)體，內(nèi)部導(dǎo)體可以是非鐵磁的導(dǎo)體(例如，鋁，銅，或高導(dǎo)電合金)?？蛇x地是，三個(gè)非鐵磁導(dǎo)體中的每一個(gè)都位于分離的鐵磁外套的內(nèi)部，在加熱器的底部，在一接合部分內(nèi)形成這些導(dǎo)體之間的連接。這三個(gè)導(dǎo)體可以保持與接合部分內(nèi)的外套相絕緣。
在某些實(shí)施例中，三相加熱器包括三條支腿，這些支腿位于分離的井筒內(nèi)。這些支腿可以被連接在一公共的接觸部中(例如，中央井筒，連接井筒，或充有溶液的接觸部)。
在一實(shí)施例中，溫度受限加熱器包括中空芯或中空內(nèi)部導(dǎo)體。形成這種加熱器的一些層可以被穿孔，以便允許流體從井筒(例如，地層流體或水)流入該中空芯。中空芯中的流體可以通過中空芯被輸送(例如，泵送，或氣體提升)到地表。在某些實(shí)施例中，具有中空芯或中空內(nèi)部導(dǎo)體的溫度受限加熱器被用作一加熱器/生產(chǎn)井或一生產(chǎn)井。諸如蒸汽的流體可以通過中空內(nèi)部導(dǎo)體被注入到地層中。
示例下面將描述溫度受限加熱器的一些非限制性的例子以及溫度受限加熱器的一些特性。
可以通過計(jì)算來確定溫度受限加熱器的環(huán)狀空間中的導(dǎo)熱流體的效果。利用下面的方程(方程3-13)來把位于加熱部分中的中央加熱桿的溫度與該中央加熱桿附近的管道的溫度關(guān)聯(lián)起來。在這個(gè)例子中，中央加熱桿是347H不銹鋼管，其外部半徑為b。管道由347H不銹鋼制成，并且其內(nèi)部半徑為R。中央加熱桿和管道分別處于均勻溫度TH和TC。TC保持不變，一恒定的每單位長度的加熱速率Q被施加到中央加熱桿上。TH是這樣的值，即在該值，通過傳導(dǎo)和輻射傳遞到管道的每單位長度的加熱速率與熱生成速率Q相平衡。橫貫在管道的內(nèi)表面和中央加熱桿之間的間隙的傳導(dǎo)被假設(shè)為與橫貫所述間隙的輻射是平行發(fā)生的。為簡明起見，橫貫所述間隙的輻射被假設(shè)為橫貫真空的輻射。于是，就有以下方程(3)Q＝QC+QR；其中，QC和QR表示橫貫所述間隙的熱通量的傳導(dǎo)分量和輻射分量。管道的內(nèi)部半徑由R表示，傳導(dǎo)的熱傳遞滿足方程(4)Qc=-2πrkgdTdr;]]>b≤r≤R；并受制于邊界條件(5)T(b)＝TH；T(R)＝TC.
在所述間隙中的氣體的導(dǎo)熱率kg由以下方程表示(6)kg＝ag+bgT把方程6代入方程4中，并在方程5中的邊界條件下進(jìn)行積分，就得出(7)Qc2π1n(R/b)=kg(eff)(TH-TC);]]>其中，(8)kg(eff)=ag+12bg(TH+TC).]]>
橫貫所述間隙的每單位長度的輻射熱傳遞速率QR由下式給出(9)QR=2πσbϵRϵbR{TH4-TC4};]]>其中(10)ϵbR=ϵb/{ϵR+(b/R)ϵb(1-ϵR)}.]]>在方程9和10中，εb和εR分別表示中央加熱桿和管道的內(nèi)表面的輻射系數(shù)，σ是斯蒂芬-玻爾茲曼(Stefan-Boltzmann)常數(shù)。
把方程7和9代回到方程3內(nèi)，并進(jìn)行整理，就得出(11)Q2π=kgeff(TH-TC)ln(R/b)+σbϵRϵbR{TH4-TC4}.]]>為了求解方程11，t被表示為橫貫所述間隙的輻射熱通量與傳導(dǎo)熱通量的比率(12)t=σbϵRϵbR{TH2+TC2}(TH+TC)ln(R/b)kgeff.]]>然后，把方程11寫成以下形式(13)Q2π=kgeff(TH-TC)ln(R/b){1+t}.]]>對(duì)于TH，給定Q和TC，迭代求解方程13和11。在表1中給出了參數(shù)σ，ag和bg的數(shù)值。在表2中列出了加熱器的尺寸大小。輻射系數(shù)εS和εa可被認(rèn)為位于0.4-0.8范圍內(nèi)。
表1用于計(jì)算的材料參數(shù)

表2成組的加熱器尺寸大小

圖29表示對(duì)于其中加熱桿和管道輻射系數(shù)都為0.8的基本情況以及其中加熱桿輻射系數(shù)被降低到0.4的低輻射系數(shù)情況，加熱桿的溫度是加熱桿內(nèi)所產(chǎn)生功率(W/m)的函數(shù)。管道溫度被設(shè)置在260℃。圖29中比較了對(duì)于環(huán)狀空間被充滿空氣和氦的一些情況。曲線204是針對(duì)空氣中的基本情況。曲線206是針對(duì)氦氣中的基本情況。曲線208是針對(duì)空氣中的低輻射系數(shù)情況。曲線210是針對(duì)氦氣中的低輻射系數(shù)情況。圖30-36重復(fù)了針對(duì)管道溫度為315℃至649℃(含)的相同情況，在每個(gè)圖中步增量為55℃。應(yīng)當(dāng)注意，在圖34-36中的溫度規(guī)模相對(duì)于圖29-33中的規(guī)模被偏離了111℃。圖29-36表示出了對(duì)于相似的生成功率，環(huán)狀空間中的氦氣降低了桿的溫度，其中的氦氣的導(dǎo)熱率要高于空氣的導(dǎo)熱率。
圖37表示出了對(duì)于在環(huán)狀空間內(nèi)具有空氣或氦且不同加熱器功率而言中央加熱桿(輻射系數(shù)為0.8)溫度(豎軸)與管道溫度(水平軸)之間的關(guān)系。圖38表示出了對(duì)于在環(huán)狀空間內(nèi)具有空氣或氦且不同加熱器功率而言中央加熱桿(輻射系數(shù)為0.4)溫度(豎軸)與管道溫度(水平軸)之間的關(guān)系。曲線212是針對(duì)空氣和加熱器功率為500W/m的情況。曲線214是針對(duì)空氣和加熱器功率為833W/m的情況。曲線216是針對(duì)空氣和加熱器功率為1167W/m的情況。曲線218是針對(duì)氦和加熱器功率為500W/m的情況。曲線220是針對(duì)氦和加熱器功率為833W/m的情況。曲線222是針對(duì)氦和加熱器功率為1167W/m的情況。圖37-38表示出了與環(huán)狀空間內(nèi)的空氣相比，在環(huán)狀空間內(nèi)的氦減小了加熱器和筒之間的溫差。
圖39表示出了對(duì)于環(huán)狀空間內(nèi)具有空氣的導(dǎo)體位于管道中的加熱器而言，在不同溫度，火花間隙擊穿電壓(V)與壓力(atm)的關(guān)系。圖40表示出了對(duì)于環(huán)狀空間內(nèi)具有氦的導(dǎo)體位于管道中的加熱器而言，在不同溫度，火花間隙擊穿電壓(V)與壓力(atm)的關(guān)系。圖39和40表示出了對(duì)于具有2.5cm直徑的中央導(dǎo)體和7.6cm間隙至管道內(nèi)部半徑的導(dǎo)體位于管道內(nèi)的加熱器而言的擊穿電壓。曲線224是針對(duì)300K溫度的。曲線226是針對(duì)700K溫度的。曲線228是針對(duì)1050K溫度的。480V RMS被表示為通常所施加的電壓。圖39和40表示出了氦具有的火花間隙擊穿電壓要小于針對(duì)1個(gè)大氣壓(atm)的空氣的火花間隙擊穿電壓。這樣就需要增大氦的壓力以實(shí)現(xiàn)對(duì)于空氣的擊穿電壓級(jí)別的火花間隙擊穿電壓。
圖41-43表示出了溫度受限加熱器的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖41表示對(duì)于直徑為2.5cm的446不銹鋼桿和直徑為2.5cm的410不銹鋼桿而言，在不同的施加電流，電阻(Ω)與溫度(℃)之間的關(guān)系。兩桿的長度均為1.8米。曲線230-236表示出了針對(duì)446不銹鋼桿在440安培交流電(曲線230)、450安培交流電(曲線232)、500安培交流電(曲線234)和10安培直流電(曲線236)，電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系曲線。曲線238-244表示出了針對(duì)410不銹鋼桿在400安培交流電(曲線238)、450安培交流電(曲線240)、500安培交流電(曲線242)和10安培直流電(曲線244)，電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系曲線。對(duì)于所述的兩桿，在到達(dá)居里溫度之前，電阻隨著溫度的升高而逐漸增大。在居里溫度，電阻銳減。在居里溫度以上，電阻隨著溫度的升高稍稍減小。這兩桿表示出了電阻隨著交流電電流的增大而減小的趨勢。相應(yīng)地，調(diào)節(jié)比隨著電流的增大而減小。于是，這些桿在桿的居里溫度附近和該居里溫度之上能提供減小的熱量。相比較而言，采用直流電，則電阻隨著溫度的升高而逐漸增大，達(dá)到居里溫度后電阻仍然逐漸增大。
圖42表示對(duì)于一溫度受限加熱器在不同的施加電流，電阻(mΩ)與溫度(℃)之間的關(guān)系。該溫度受限加熱器包括銅桿，該銅桿的直徑為1.3cm，并且位于一外部導(dǎo)體內(nèi)，該外部導(dǎo)體是2.5cm表80(schedule80)410不銹鋼管，該不銹鋼管具有0.15cm厚的銅，注冊(cè)商標(biāo)為EverdurTM(DuPont工程，Wilmington，德國)，其為焊接護(hù)套，位于410不銹鋼管上，并且長度為1.8米。曲線264-274表示對(duì)于交流電施加電流在300安培至550安培之間(264300安培；266350安培；268400安培；270450安培；272500安培；274550安培)，電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于這些交流電施加電流，電阻隨著溫度升高至居里溫度而逐漸增大。在居里溫度，電阻就銳減。相比較而言，曲線276表示針對(duì)10安培直流電電流的電阻。這個(gè)電阻隨著溫度的升高而平穩(wěn)地增大，并且在居里溫度很少或沒有偏離。
圖43表示對(duì)于實(shí)心的直徑為2.54cm且長度為1.8m的410不銹鋼桿在不同的施加電流，電阻(mΩ)與溫度(℃)之間的數(shù)據(jù)關(guān)系。曲線278、280、282、284和286表示出了針對(duì)410不銹鋼桿在40安培交流電(曲線284)、70安培交流電(曲線286)、140安培交流電(曲線278)、230安培交流電(曲線280)和10安培直流電(曲線282)，電阻與溫度之間的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于140安培和230安培的施加交流電電流而言，在溫度到達(dá)居里溫度之前，電阻隨著溫度的升高而增大。在居里溫度，電阻銳減。相比較而言，對(duì)于施加的直流電電流而言，電阻隨著溫度通過居里溫度的升高而逐漸增大。
圖44表示對(duì)于一實(shí)心的直徑為2.54cm且長度為1.8m的410不銹鋼桿在不同的施加的交流電電流，集膚深度(cm)與溫度(℃)之間關(guān)系的數(shù)據(jù)。集膚深度由方程14來計(jì)算。
(14)δ＝R1-R1×(1-(1/RAC/RDC))1/2；其中，δ是集膚深度，R1是圓筒的半徑，RAC是交流電電阻，RDC是直流電電阻。在圖44中，曲線320-338表示出了針對(duì)在50安培到500安培范圍(32050安培；322100安培；324150安培；326200安培；328250安培；330300安培；332350安培；334400安培；336450安培；338500安培)的施加交流電電流而言的集膚深度與溫度之間的函數(shù)關(guān)系。針對(duì)每個(gè)施加的交流電電流，隨著溫度增大至居里溫度，集膚深度隨著溫度的升高而增大。在居里溫度，集膚深度銳減。
圖45表示出了溫度受限加熱器的溫度(℃)與時(shí)間(小時(shí))之間的關(guān)系。該溫度受限加熱器長度為1.83米，并且包括銅桿，該銅桿的直徑為1.3cm，該銅桿位于2.5cm表XXH410不銹鋼管和0.325cm的銅護(hù)套內(nèi)。該加熱器被放置在加熱爐內(nèi)。當(dāng)加熱器位于爐內(nèi)時(shí)，向加熱器施加交流電電流。電流被增大二個(gè)小時(shí)以上，且在其余的時(shí)間，電流達(dá)到400安培這一相對(duì)恒定的數(shù)值。沿著加熱器的長度，以0.46米為間隔，在三個(gè)點(diǎn)測量不銹鋼管的溫度。曲線340表示在爐內(nèi)并最靠近加熱器的引入部分的在0.46米的點(diǎn)處所述管的溫度。曲線342表示從管的端部并且最遠(yuǎn)離加熱器的引入部分的在0.46米的點(diǎn)處所述管的溫度。曲線344表示在加熱器的大致中點(diǎn)的管的溫度。加熱器中央的點(diǎn)被進(jìn)一步包裹在2.5cm厚的注冊(cè)商標(biāo)為FiberfraxTM(Unifrax公司，Niagara Falls，紐約)的絕緣件的0.3米段中。該絕緣件被用于在加熱器上產(chǎn)生低熱導(dǎo)率段(在該段中，向周圍的熱傳遞被減慢或被阻止(一“熱點(diǎn)”))。加熱器的溫度隨著時(shí)間而增大，如圖中曲線344、342、340所示。曲線344、342、340表示對(duì)于沿著加熱器的長度的所有三個(gè)點(diǎn)而言，加熱器的溫度增大至約相同的數(shù)值。結(jié)果溫度基本上獨(dú)立于所增加的注冊(cè)商標(biāo)為FiberfraxTM的絕緣件。因此，盡管在沿著加熱器的長度的三個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)的熱負(fù)荷不同(由于所述絕緣件的緣故)，但溫度受限加熱器的操作溫度基本上相同。從而，在具有低熱導(dǎo)率段的情況下，溫度受限加熱器不會(huì)超過選定的溫度極限。
圖46表示出了2.5cm實(shí)心的410不銹鋼桿和2.5cm實(shí)心的304不銹鋼桿的溫度(℃)與測量時(shí)間(小時(shí))之間的關(guān)系。在恒定的所施加的交流電電流下，每根桿的溫度隨著時(shí)間而增大。曲線346表示一熱電偶的數(shù)據(jù)，該熱電偶被放置在304不銹鋼桿的外表面上，并且位于絕緣層下面。曲線348表示放置在沒有絕緣層的304不銹鋼桿的外表面上的熱電偶的數(shù)據(jù)。曲線350表示放置在410不銹鋼桿的外表面上并且位于絕緣層下面的熱電偶的數(shù)據(jù)。曲線352表示放置在沒有絕緣層的410不銹鋼桿的外表面上的熱電偶的數(shù)據(jù)。通過這些曲線的對(duì)比，表明304不銹鋼桿的溫度(曲線346和348)比410不銹鋼桿的溫度(曲線350和352)增大得更快。304不銹鋼桿的溫度(曲線346和348)也達(dá)到比410不銹鋼桿的溫度(曲線350和352)更高的數(shù)值。410不銹鋼桿的非絕緣段(曲線352)和410不銹鋼桿的絕緣段(曲線350)之間的溫差小于304不銹鋼桿的非絕緣段(曲線348)與304不銹鋼桿的絕緣段(曲線346)之間的溫差。在實(shí)驗(yàn)終止(曲線346和348)時(shí)，304不銹鋼桿的溫度在增大，而410不銹鋼桿的溫度曲線變平(曲線350和352)。因此，在具有變化的熱負(fù)荷(由于絕緣層)的情況下，410不銹鋼桿(溫度受限加熱器)比304不銹鋼桿(非溫度受限加熱器)能提供更好的溫度控制。
利用數(shù)字模擬(FLUENT，可從Fluent美國，Lebanon NH獲得)來比較具有三個(gè)調(diào)節(jié)比的溫度受限加熱器的操作。對(duì)于格林河油頁巖(Green River油頁巖)地層中的加熱器進(jìn)行這種模擬。模擬條件為-61米長的導(dǎo)體位于管道中的居里加熱器(中央導(dǎo)體(2.54cm直徑)，管道外部直徑7.3cm)-對(duì)于一油頁巖地層而言的井下加熱器測試區(qū)富足關(guān)系圖-16.5cm(6.5英寸)直徑的一些井筒，在三角形間距上，井筒之間的間距為9.14米-200小時(shí)功率升高時(shí)間至820瓦特/米初始熱注入率-在升高之后，以恒定電流來操作-加熱器的居里溫度為720.6℃-對(duì)于油頁巖富足至少為0.14L/kg(35加侖/噸)而言，地層會(huì)膨脹并且接觸加熱筒圖47表示出了對(duì)于調(diào)節(jié)比為2∶1的溫度受限加熱器而言，導(dǎo)體位于管道中的加熱器的中央導(dǎo)體的溫度(℃)是地層深度(米)的一個(gè)函數(shù)。曲線354-376表示在從開始加熱之后8天至開始加熱后675天的不同時(shí)間(3548天，35650天，35891天，360133天，362216天，364300天，366383天，368466天，370550天，372591天，374633天，376675天)在地層中的溫度曲線。在調(diào)節(jié)比為2∶1，在最富足的油頁巖層中，在466天之后，720.6℃的居里溫度被超過。圖48表示出了沿著油頁巖富足(l/kg)的對(duì)于2∶1調(diào)節(jié)比，通過地層的對(duì)應(yīng)的加熱器的熱通量曲線(瓦特/米)(曲線378)。曲線380-412表示從開始加熱后8天至開始加熱后633天在不同的時(shí)間(3808天；38250天；38491天；386133天；388175天；390216天；392258天394300天；396341天；398383天；400425天402466天；404508天；406550天；408591天；410633天；412675天)的熱通量曲線。在2∶1的調(diào)節(jié)比時(shí)，在最富足油頁巖層中，中央導(dǎo)體溫度超過居里溫度。
圖49表示出了對(duì)于3∶1的調(diào)節(jié)比而言，加熱器溫度(℃)是地層深度(米)的函數(shù)。曲線414-436表示出了在開始加熱后12天至開始加熱后703天的不同時(shí)間(41412天；41633天；41862天；420102天；422146天；424205天；426271天；428354天；430467天；432605天；434662天；436703天)通過地層的溫度曲線。在3∶1的調(diào)節(jié)比，在703天后，達(dá)到居里溫度。圖50表示出了對(duì)于3∶1的調(diào)節(jié)比而言，沿著油頁巖富足(l/kg)的通過地層的對(duì)應(yīng)的加熱器熱通量(瓦特/米)的曲線(曲線438)。曲線440-460表示出了從開始加熱后12天至開始加熱后605天的不同時(shí)間(44012天，44232天，44462天，446102天，448146天，450205天，452271天，454354天，456467天，458605天，460749天)的熱通量曲線。對(duì)于3∶1的調(diào)節(jié)比，中央導(dǎo)體溫度從未超過居里溫度。中央導(dǎo)體溫度還表示出了對(duì)于3∶1的調(diào)節(jié)比的相對(duì)平的溫度曲線。
圖51表示對(duì)于調(diào)節(jié)比為4∶1而言加熱器溫度是地層深度的一個(gè)函數(shù)。曲線462-482表示在從開始加熱后12天至開始加熱后467天的各個(gè)時(shí)間(46212天；46433天；46662天；468102天；470147天；472205天；474272天；476354天；478467天；480606天；482678天)通過地層的溫度曲線。在調(diào)節(jié)比為4∶1，甚至在678天后，居里溫度也未被超過。對(duì)于調(diào)節(jié)比為4∶1而言，中央導(dǎo)體溫度從未超過居里溫度。中央導(dǎo)體表示出了對(duì)于4∶1調(diào)節(jié)比的溫度曲線，該曲線要比對(duì)于3∶1調(diào)節(jié)比的溫度曲線要更平一些。這些模擬表明，調(diào)節(jié)比越高，加熱器溫度在居里溫度或該居里溫度以下停留的時(shí)間越長。對(duì)于油頁巖富足曲線，理想的是，調(diào)節(jié)比至少為3∶1。
已經(jīng)進(jìn)行過模擬，以便比較溫度受限加熱器和非溫度受限加熱器在油頁巖地層中的使用情況。把一些導(dǎo)體位于管道中的加熱器放置在16.5厘米(6.5英寸)直徑的井筒內(nèi)，在地層模擬件(例如，STARS，可從計(jì)算機(jī)模擬集團(tuán)有限公司(Computer Modelling Group，LTD.)，Houston，TX獲得)加熱器和近井筒模擬件(例如，ABAQUS，可從ABAQUS公司，Providence RI獲得)加熱器之間的間距為12.2米(40英尺)的情況下產(chǎn)生模擬數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)體位于管道中的加熱器包括304不銹鋼導(dǎo)體和管道。溫度受限的導(dǎo)體位于管道中的加熱器包括有金屬，該金屬對(duì)于導(dǎo)體和管道而言具有760℃的居里溫度。圖52-54表示出了模擬結(jié)果。
圖52表示出了對(duì)于在操作20000小時(shí)后的模擬，在導(dǎo)體位于管道中的加熱器的導(dǎo)體處的加熱器溫度(℃)與加熱器在地層中的深度(米)之間的關(guān)系。在達(dá)到760℃之前，加熱器功率被設(shè)置在820瓦特/米，然后，該功率被減小，以便阻止過熱。曲線484表示標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)體位于管道中的加熱器的導(dǎo)體溫度。曲線484表示出了導(dǎo)體溫度的巨大變化以及沿著導(dǎo)體長度形成的大量的熱點(diǎn)。導(dǎo)體的溫度最小值為490℃。曲線486表示對(duì)于溫度受限的導(dǎo)體位于管道中的加熱器而言的導(dǎo)體溫度。如圖52所示，對(duì)于溫度受限加熱器，沿著導(dǎo)體長度的溫度分布被更多地控制。此外，對(duì)于溫度受限加熱器，導(dǎo)體的操作溫度為730℃。因此，對(duì)于采用溫度受限加熱器的類似加熱器而言，可向地層提供更多的熱輸入。
圖53表示出了對(duì)于模擬所用的加熱器用于加熱油頁巖而言加熱器熱通量(瓦特/米)與時(shí)間(年)之間的關(guān)系。曲線488表示標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)體位于管道中的加熱器的熱通量。曲線490表示溫度受限的導(dǎo)體位于管道中的加熱器的熱通量。如圖53所示，與標(biāo)準(zhǔn)加熱器的熱通量相比，溫度受限加熱器的熱通量被保持在更高的值達(dá)更長的時(shí)間。更高的熱通量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地層更均勻更快速地加熱。
圖54表示出了在模擬中所用的對(duì)油頁巖進(jìn)行加熱的加熱器的累積熱輸入(kJ/m)(千焦/米)與時(shí)間(年)之間的關(guān)系。曲線492表示標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)體位于管道中的加熱器的累積熱輸入。曲線494表示溫度受限的導(dǎo)體位于管道中的加熱器的累積熱輸入。如圖54所示，溫度受限加熱器的累積熱輸入比標(biāo)準(zhǔn)加熱器的累積熱輸入增大得更快。通過溫度受限加熱器在地層中實(shí)現(xiàn)更快的熱積累，就可以減少加熱地層所需的時(shí)間。對(duì)油頁巖層開始加熱可以在平均累積熱輸入約為1.1×108kJ/米開始。對(duì)于溫度受限加熱器而言約5年到達(dá)這個(gè)累積熱輸入，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)加熱器而言在9至10年間達(dá)到這個(gè)累積熱輸入。
鑒于這里所作的描述，對(duì)本發(fā)明的各個(gè)方面作出進(jìn)一步的修改以及采用其它可選的實(shí)施方式，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)員來說是很顯然的。因此，這里所作的描述只是解釋性的，它只是為了教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施本發(fā)明的一些總的方式。應(yīng)當(dāng)知道，在這里所描述的和所圖示的本發(fā)明的形式應(yīng)被認(rèn)為是目前的優(yōu)選實(shí)施例?？梢詫?duì)這里所圖示和所描述的元件和材料進(jìn)行替換，部分和過程可以被倒過來，本發(fā)明的某些特征可以被獨(dú)立使用，所有這些對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在閱讀這里的描述之后將會(huì)是很顯然的。在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明作出一些變型，本發(fā)明的范圍是由權(quán)利要求限定的。此外，應(yīng)當(dāng)知道，這里所獨(dú)立描述的特征在一些實(shí)施例可以被結(jié)合起來。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括加熱器，該加熱器包括一個(gè)或多個(gè)電導(dǎo)體，且該加熱器被構(gòu)造成在把電流施加到加熱器期間產(chǎn)生熱輸出，其中，所述加熱器包括鐵磁材料；管道，該管道至少部分地環(huán)繞著加熱器；流體，該流體位于加熱器和管道之間的空間中，其中，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(STP)(0℃和101.325kPa)下，所述的流體比空氣具有更高的熱導(dǎo)率；其中，這種系統(tǒng)被構(gòu)造成(a)當(dāng)隨時(shí)間變化的電流被施加到加熱器時(shí)，在選定溫度以下，能提供第一熱輸出，以及(b)當(dāng)隨時(shí)間變化的電流被施加到加熱器時(shí)，在選定溫度以上或接近于該選定溫度，能提供第二熱輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，電導(dǎo)體至少部分地環(huán)繞著非鐵磁材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，流體是氦或氫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，流體是氦，且電導(dǎo)體和管道之間的空間中容積的至少50％是氦，容積的至少75％是氦，或容積的至少90％是氦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，在電導(dǎo)體和管道之間的空間中的流體壓力至少為200kPa，至少為500kPa，至少為700kPa，或至少為1000kPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，在電導(dǎo)體和管道之間的空間中的流體壓力足夠阻止在該空間中發(fā)生電弧。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)還包括交流電電源或調(diào)制直流電電源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，第二熱輸出是第一熱輸出的至多90％、至多80％或至多50％，所述的第一熱輸出是在選定溫度以下約50℃條件下提供的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包括另外的非鐵磁材料，該非鐵磁材料與所述鐵磁材料相耦合，且該非鐵磁材料具有比所述鐵磁材料要高的導(dǎo)電性。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述選定溫度大至為鐵磁材料的居里溫度或者是在鐵磁材料的居里溫度的25℃范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)具有的調(diào)節(jié)比至少為1.1比1，至少為2比1，或至少為3比1。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，電導(dǎo)體中的至少一個(gè)電導(dǎo)體是細(xì)長的且被構(gòu)造成，使得在選定溫度或接近該選定溫度的狀態(tài)下，電阻段自動(dòng)地提供第二熱輸出。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，電導(dǎo)體中的至少一個(gè)電導(dǎo)體是細(xì)長的且被構(gòu)造成沿著井筒的至少一部分長度提供熱輸出。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，電導(dǎo)體中的至少一個(gè)的長度至少為10米、至少為50米、或至少為100米。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)被構(gòu)造成允許熱量從加熱器傳遞到地下地層的一部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)被構(gòu)造成能被放置在地下地層中的井孔內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)被用在對(duì)地下地層進(jìn)行加熱的方法中，所述方法包括向加熱器提供電流，以便提供電阻熱輸出；以及允許熱量從加熱器傳遞到地下地層的至少一部分，從而加熱器提供(a)當(dāng)隨時(shí)間變化的電流被施加到加熱器時(shí)，在選定溫度以下，提供第一熱輸出，(b)當(dāng)隨時(shí)間變化的電流被施加到加熱器時(shí)，在選定溫度以上或接近于該選定溫度，提供第二熱輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供一種系統(tǒng)，這種系統(tǒng)包括加熱器，該加熱器包括一個(gè)或多個(gè)電導(dǎo)體。加熱器被構(gòu)造成在把電流施加到加熱器期間產(chǎn)生熱輸出。加熱器包括鐵磁材料。一管道至少部分地環(huán)繞著加熱器。流體被定位在加熱器和管道之間的空間中。在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(STP)(0℃和101.325kPa)下，所述的流體比空氣具有較高的熱導(dǎo)率。所述的系統(tǒng)被構(gòu)造成(a)當(dāng)隨時(shí)間變化的電流被施加到加熱器時(shí)，在選定溫度以下，提供第一熱輸出，(b)當(dāng)隨時(shí)間變化的電流被施加到加熱器時(shí)，在選定溫度以上或接近于該選定溫度，提供第二熱輸出。
文檔編號(hào)E21B36/04GK1985068SQ200580016595
公開日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月23日
發(fā)明者C·K·哈里斯, H·J·維訥格 申請(qǐng)人:國際殼牌研究有限公司