專利名稱：用于對地下地層進行加熱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地下地層進行加熱的方法和系統(tǒng)。某些實施例涉及利用具有高功率因子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、消費產(chǎn)品。由于人們擔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，以便對可獲得的烴類資源進行更有效率地開采、加工和/或使用?，F(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/或具有與液體流動相似的流動特性的固體顆粒流，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，以便對地層進行加熱。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。
可以利用熱源對地下地層進行加熱。電加熱器可以被用于通過輻射和/或傳導來加熱地下地層。電加熱器可以以電阻方式對元件進行加熱。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。該加熱元件對油進行加熱，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，在管道中通過相當?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。
在Van Meurs等人的美國專利US4570715中，描述了電加熱元件。該電加熱元件具有導電芯；由絕緣材料制成的環(huán)繞層；環(huán)繞金屬護套。導電芯在高溫時可具有相當?shù)偷碾娮?。絕緣材料在高溫時可具有相當高的電阻、耐壓強度和熱導特性。絕緣層可阻止從導電芯至金屬護套發(fā)生電弧。金屬護套在高溫時可具有相當高的抗張強度和抗蠕變特性。
在Van Egmond的美國專利US5060287中，描述了一種電加熱元件，該電加熱元件具有銅-鎳合金芯。
有些加熱器可能會因地層中的熱點而損壞或失效。如果沿著加熱器的任何一個點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/或在地層中的熱點或熱點附近發(fā)生地層過熱。有些加熱器直到加熱器達到特定溫度極限，才能沿著加熱器長度均勻加熱。有些加熱器不能對地下地層進行有效地加熱。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行均勻加熱；能對地下地層進行有效地加熱；當加熱器的一部分接近選定溫度時能自動調(diào)節(jié)溫度；和/或在低于所選溫度時具有基本上線性的磁性和高功率因子。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種加熱器，包括鐵磁元件；電導體，該電導體與鐵磁元件電連接，其中，電導體被構(gòu)造成在低于鐵磁元件的居里溫度時能提供熱輸出，電導體被構(gòu)造成在25℃能傳導所述加熱器的大部分電流；并且大約在鐵磁元件的居里溫度和該溫度之上，該加熱器能自動地減小熱量。
與上述發(fā)明進行組合，本發(fā)明還提供了(a)鐵磁元件和電導體電連接，從而使得在加熱器使用期間，加熱器的功率因子保持在0.85之上，0.9之上，或0.95之上；(b)加熱器具有的調(diào)節(jié)比至少為1.1，至少為2，至少為3，或至少為4；(c)鐵磁元件被電連接至電導體上，以便在低于鐵磁元件的居里溫度時，由鐵磁元件所產(chǎn)生的磁場把電流的大部分流動限制到電導體上；以及(d)在高達鐵磁元件的居里溫度或其附近時，電導體提供加熱器的大部分熱輸出。
與前面的一個或多個發(fā)明相結(jié)合，本發(fā)明還提供了(a)加熱器還包括第二電導體，該第二電導體與鐵磁元件電連接；以及(b)第二電導體由這樣電導體組成，該電導體比鐵磁元件和所述的電導體的電導率大，和/或第二電導體提供機械強度，以便在鐵磁元件的居里溫度或其附近時支撐著鐵磁元件。
與前面的一個或多個發(fā)明相結(jié)合，本發(fā)明還提供了(a)所述的電導體和鐵磁元件是同心的；(b)電導體至少部分地環(huán)繞鐵磁元件。
與前面的一個或多個發(fā)明相結(jié)合，本發(fā)明還提供了(a)在鐵磁元件的居里溫度或其附近時，電導體提供機械強度來支撐著鐵磁元件；以及(b)電導體是抗腐材料。
與前面的一個或多個發(fā)明相結(jié)合，本發(fā)明還提供了(a)當熱負荷接近時，在選定的工作溫度之上或附近，加熱器的工作溫度增加至多1.5℃，加熱器就每米減小1瓦特；以及(b)大約在鐵磁元件的居里溫度和該溫度之上時，加熱器就減小熱量，在所述居里溫度之下50℃時，減小的熱量至多為熱輸出的10％。
與前面的一個或多個發(fā)明相結(jié)合，本發(fā)明還提供了當電流被施加至加熱器部分時，加熱器部分提供(a)第一熱輸出，當加熱器部分在100℃之上，200℃之上，400℃之上，或500℃之上，或600℃之上并在所選定溫度之下時，以及(b)低于第一熱輸出的第二熱輸出，當加熱器部分在所選定溫度和在該溫度之上時。
與前面的一個或多個發(fā)明相結(jié)合，本發(fā)明還提供(a)加熱器被用于一系統(tǒng)中，該系統(tǒng)被構(gòu)造成能向地下地層提供熱量；以及(b)加熱器被用于一方法中，該方法用于對地下地層進行加熱，該方法包括(1)把電流施加到加熱器上，以便提供熱輸出；以及(2)允許熱量從加熱器傳遞到地下地層的一部分。


通過下面的詳細描述，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，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是用于對地層中烴類物質(zhì)進行處理的現(xiàn)場轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的一部分的實施例的示意圖；圖3、4、5是根據(jù)一實施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有外部導體，該外部導體具有鐵磁部分和非鐵磁部分；圖6、7、8、9是根據(jù)一實施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有外部導體，該外部導體具有放置在護套內(nèi)的鐵磁部分和非鐵磁部分；圖10、11、12是根據(jù)一實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體；圖13、14、15是根據(jù)一實施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有外部導體；圖16A、16B是根據(jù)一實施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該溫度受限加熱器具有鐵磁內(nèi)部導體；圖17A、17B是根據(jù)一實施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該溫度受限加熱器具有一鐵磁內(nèi)部導體和非鐵磁芯；圖18A、18B是根據(jù)一實施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該溫度受限加熱器具有鐵磁外部導體；圖19A、19B是根據(jù)一實施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該溫度受限加熱器具有鐵磁外部導體，該鐵磁外部導體被鍍有耐腐合金；圖20A、20B是根據(jù)一實施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該溫度受限加熱器具有鐵磁外部導體；
圖21是根據(jù)一實施例的復合導體的剖面圖，該復合導體具有支撐元件；圖22是根據(jù)一實施例的復合導體的剖面圖，該復合導體具有支撐元件，該支撐元件把導體間隔開；圖23是根據(jù)一實施例的復合導體的剖面圖，該復合導體環(huán)繞著支撐元件；圖24是根據(jù)一實施例的復合導體的剖面圖，該復合導體環(huán)繞著管道支撐元件；圖25是根據(jù)一實施例的導體位于管道中的加熱器的剖面圖；圖26A、26B是絕緣的導體加熱器的一實施例；圖27A、27B是絕緣的導體加熱器的一實施例，該加熱器具有護套，該護套位于外部導體的外面；圖28是位于管道內(nèi)部的絕緣的導體的一實施例；圖29表示一溫度受限加熱器的一實施例，其中，在鐵磁導體的居里溫度之下，支撐元件提供大部分熱輸出；圖30、31表示溫度受限加熱器的實施例，其中，在鐵磁導體的居里溫度之下，護套提供大部分熱輸出；圖32表示對于具有銅芯、碳鋼鐵磁導體、不銹鋼347H不銹鋼支撐元件的溫度受限加熱器，在若干個電流，通過實驗所測得的電阻與溫度之間的關(guān)系；圖33表示對于具有銅芯、鈷-碳鋼鐵磁導體、不銹鋼347H不銹鋼支撐元件的溫度受限加熱器，在若干個電流，通過實驗所測得的電阻與溫度之間的關(guān)系；圖34表示對于具有銅芯、碳鋼鐵磁導體、347H不銹鋼支撐元件的溫度受限加熱器，在兩個交流電電流，通過實驗所測得的功率因子與溫度之間的關(guān)系；圖35表示對于具有銅芯、碳鋼鐵磁導體、347H不銹鋼支撐元件的溫度受限加熱器，通過實驗所測得的調(diào)節(jié)比與最大輸送功率之間的關(guān)系；
圖36表示溫度受限加熱器的溫度與時間之間的關(guān)系；圖37表示出了2.5cm實心410不銹鋼桿和2.5cm實心304不銹鋼桿的溫度與測量時間數(shù)據(jù)之間的關(guān)系；圖38表示出了一種導體位于管道中的加熱器的中心導體的溫度是調(diào)節(jié)比為2∶1的溫度受限加熱器的地層深度的一個函數(shù)；圖39表示出了沿著油頁巖豐富輪廓對于調(diào)節(jié)比為2∶1而言通過地層的加熱器熱流量；圖40表示出了對于調(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41表示出了沿著油頁巖豐富輪廓對于調(diào)節(jié)比為3∶1而言通過地層的加熱器熱流量；圖42表示出了對于調(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43表示出了對于在模擬中用于對油頁巖進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44表示出了對于在模擬中用于對油頁巖進行加熱的加熱器而言，加熱器熱流量與時間的函數(shù)關(guān)系；圖45表示出了在對油頁巖進行加熱的模擬中，累積的熱輸出與時間之間的函數(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)明的一些具體實施例，這些具體實施例在這里將被詳細描述，附圖并不是按比例繪制的。然而，應(yīng)當知道，附圖和所作的詳細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，加熱器包括鐵磁元件和電導體，該電導體與所述鐵磁元件電連接。電導體被構(gòu)造成能在鐵磁元件的居里溫度之下提供熱輸出。電導體還被構(gòu)造成能在25℃?zhèn)鲗黾訜崞鞯拇蟛糠蛛娏?。該加熱器大約在鐵磁元件的居里溫度和該溫度之上能自動地減小熱量。
在這里更詳細描述的本發(fā)明的一些實施例涉及用于對地層中的烴類物質(zhì)進行加熱的系統(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”包括一個或多個含烴類物質(zhì)的層、一個或多個非烴類物質(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)的層是相對不滲透的并且不受溫度影響，所述的現(xiàn)場轉(zhuǎn)換處理導致覆蓋層和/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。
“熱導流體”包括這樣的流體，在加熱器中的溫度和101kPa條件下，該流體與空氣相比具有更高的熱導率。
“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也開始失去其鐵磁特性。
“調(diào)制直流電(DC)”是指在鐵磁導體中允許集膚效應(yīng)電流流動的任何隨時間變化的電流。
溫度受限加熱器的“調(diào)節(jié)比”是指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交流電或調(diào)制直流電電阻的比值。
術(shù)語“井筒”是指通過鉆進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”，當指地層中的孔眼時，它們與術(shù)語“井筒”是可互換使用的。
“絕緣導體”是指這樣的細長材料，即，它能導電，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”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。在某些實施例中，這些地層被分階段處理。圖1表示出了對含有烴類物質(zhì)的一部分地層進行加熱的若干階段。圖1還表示出了(y軸)地層的每噸的以桶計的油當量的產(chǎn)量(Y)與(x軸)加熱地層以攝氏度計的溫度(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對地層進行加熱可以被盡快地進行。當?shù)貙颖婚_始加熱時，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絕對壓力至7000kPa絕對壓力之間被蒸發(fā)。在某些實施例中，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?或壓力增大會影響地層中的熱解反應(yīng)或其它反應(yīng)。在某些實施例中，蒸發(fā)的水從地層被開采出來。在其它一些實施例中，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烴類物質(zhì)的存儲空間。
在某些實施例中，在階段1加熱之后，部分地層被進一步加熱，從而使得部分地層中的溫度(至少)達到開始熱解溫度(例如，如階段2所示的溫度范圍的下端點的溫度)。在整個階段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熱解溫度范圍的一部分延伸。在某些實施例中，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，當溫度到達400℃時，熱解產(chǎn)品的開采就可以基本完成。利用許多加熱器對地層進行加熱，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行疊加。
在某些現(xiàn)場轉(zhuǎn)變實施例中，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。在某些實施例中，期望溫度為300℃。在某些實施例中，期望溫度為325℃。在某些實施例中，期望溫度為350℃。其它的溫度也可以被選擇作為期望溫度。來自多個加熱器的熱量的疊加，使得在地層中可以相對快速和有效地達到期望溫度。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。當合成氣體產(chǎn)生流體被引入到地層時，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。可以通過一個或多個開采井眼來開采所產(chǎn)生的合成氣體。
圖2表示出了用于對含有烴類物質(zhì)的地層進行處理的現(xiàn)場轉(zhuǎn)變系統(tǒng)中的一部分的實施例的示意圖。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，以便對地層中的烴類物質(zhì)進行加熱。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、存儲容器、和/或用于對開采出的地層流體進行加工處理的其它系統(tǒng)和單元。
用于對烴類物質(zhì)進行處理的現(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Φ貙舆M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)置一個或多個生產(chǎn)井104?？梢酝ㄟ^生產(chǎn)井104來開采地層流體。在某些實施例中，生產(chǎn)井104包括加熱器。生產(chǎn)井中的加熱器可以對生產(chǎn)井處及其附近的地層的一個或多個部分進行加熱，并且允許地層流體的氣相去除。對從生產(chǎn)井進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)當開采流體正在覆蓋層附近的生產(chǎn)井中移動時，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)變處理實施例中，從一生產(chǎn)井的每米生產(chǎn)井供給到地層的熱量要小于從對地層進行加熱的加熱器的每米加熱器供給到地層的熱量。
某些實施例的加熱器包括開關(guān)(例如，熔絲和/或恒溫件)，當加熱器中到達特定條件時，開關(guān)就關(guān)閉加熱器的電源或部分加熱器。在某些實施例中，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的溫度限制特性。在某些實施例中，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，以便當向該材料施加交流電時，在居里溫度或其附近能提供減小的熱量。在某些實施例中，鐵磁材料與其他材料(例如高導材料、高強度材料、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部分適應(yīng)所期望的熱量輸出。在溫度受限加熱器中利用鐵磁材料通常比在溫度受限加熱器中利用開關(guān)或其它控制裝置要便宜且可靠些。
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而破損或發(fā)生故障。在某些實施例中，溫度受限加熱器可以基本均勻地對地層進行加熱。在某些實施例中，溫度受限加熱器通過沿加熱器的整個長度以更高的平均熱量輸出運作，從而能夠更有效地對地層進行加熱。溫度受限加熱器沿著加熱器的整個長度以較高的平均熱量輸出進行運作，這是因為如果沿著加熱器任何點的溫度超過或?qū)⒊^加熱器的最大工作溫度，那么針對整個加熱器而言，供向加熱器的功率無需減小，而對于典型的恒定瓦特數(shù)的加熱器卻是必須減小供向加熱器的功率。從達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自動減小，而無需對施加到加熱器的交流電進行受控調(diào)節(jié)。由于溫度受限加熱器各部分的電學特性(例如電阻)發(fā)生改變，因此，熱量輸出會自動減小。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。
在一實施例中，具有溫度受限加熱器的系統(tǒng)當通過交流電或調(diào)制直流電對溫度受限加熱器激勵時，在加熱器的電阻部分的居里溫度或該溫度附近或之上，起初提供第一熱量輸出，然后提供減小的熱量。溫度受限加熱器可由在井頭(wellhead)提供的交流電或調(diào)制直流電來激勵。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一部分地層進行加熱的許多加熱器中的一個。
在某些實施例中，溫度受限加熱器包括導體，當向該導體施加交流電或調(diào)制直流電時，該導體就作為一種集膚效應(yīng)或鄰近效應(yīng)加熱器進行工作。集膚效應(yīng)限制電流滲透到該導體內(nèi)的深度。對于鐵磁材料而言，集膚效應(yīng)由導體的導磁率決定。鐵磁材料的相對導磁率通常在10至1000之間(例如，鐵磁材料的相對導磁率通常至少為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和/或隨著所施加的電流的增大，鐵磁材料的導磁率顯著減小，從而集膚深度迅速增大(例如，集膚深度以導磁率的反平方根進行增大)。導磁率的減小，導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，所述導體的交流電或調(diào)制直流電電阻減小。當溫度受限加熱器由基本上恒定電流的電源供電時，加熱器的那些接近、達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地層中的烴類物質(zhì)進行加熱的一個優(yōu)點在于導體被選擇成具有在一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)，同時把溫度受限加熱器和其它設(shè)備的溫度保持在設(shè)計極限溫度之下。設(shè)計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率“熱點”附近的加熱器過熱或燒毀。在某些實施例中，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1131℃的熱量，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數(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率具有至少系數(shù)為3的差別。當加熱這種地層時，與利用傳統(tǒng)加熱器相比，利用溫度受限加熱器時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層。沿著傳統(tǒng)加熱器整個長度的熱量輸出需要適應(yīng)低熱導層，以便使加熱器在低熱導層不會過熱和燒毀。對于溫度受限加熱器而言，位于處于高溫的低熱導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)的剩余部分仍然會提供高的熱量輸出。由于用于對含烴類物質(zhì)的地層進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間。例如，當傳統(tǒng)恒定瓦特數(shù)的加熱器采用12米加熱井間距時，在格林河油頁巖中，熱解通常需要9.5年至10年的加熱。對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，同時把加熱器設(shè)備溫度保持在低于設(shè)備設(shè)計極限溫度以下。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數(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，或者鉆井時使加熱井相互靠得太近，溫度受限加熱器可抵消熱點。在某些實施例中，對于間隔太遠的加熱井而言，溫度受限加熱器允許長時間地增大功率輸出，或者是，對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大的含有重烴類物質(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。
在某些實施例中，通過使用溫度受限加熱器，就可以消除或減小對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)測在熱點處的潛在過熱的需要。
在某些實施例中，溫度受限加熱器比標準的加熱器制造起來更經(jīng)濟。典型的鐵磁材料包括鐵、碳鋼或鐵素體不銹鋼。與絕緣導體(礦物絕緣纜)加熱器中常用的鎳基加熱合金(例如，鎳鉻合金，商標為KanthalTM(Bulten-Kanthal AB，瑞典)和/或商標為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實施例中，溫度受限加熱器以連續(xù)長度的方式被制造成絕緣導體加熱器，以便降低成本和提高可靠性。
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“美國物理學院手冊”中在5-170頁至5-176頁列出了各種金屬的居里溫度。鐵磁導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。在某些實施例中，鐵磁導體包括鐵-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/或化學特性。在某些實施例中，居里溫度材料是鐵素體，例如NiFe2O4。在其它一些實施例中，居里溫度材料是二元化合物，例如FeNi3或Fe3Al。
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”(IEEE出版社，1995)表示出了對于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，并且當溫度超過730℃時趨于結(jié)束。這樣，自限制溫度可以稍微低于鐵磁導體的實際居里溫度。在1％碳鋼中，在室溫時，電流流動的集膚深度為0.132cm(厘米)，并且在720℃時該集膚深度增大到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施例把溫度自限制在650℃至730℃之間。
集膚深度通常限定滲入傳導材料內(nèi)的交流電或調(diào)制直流電的有效深度。通常，電流密度與沿著導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，則這個深度就被稱作集膚深度。對于其直徑比滲透深度大得多的實心圓柱桿而言，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＝相對導磁率；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”中獲得。對于大多數(shù)金屬而言，電阻系數(shù)(ρ)隨著溫度而增大。相對導磁率通常隨著溫度和電流的變化而變化?？梢岳闷渌囊恍┓匠虂砉浪汴P(guān)于溫度和/或電流的集膚深度和/或?qū)Т怕实淖兓?。μ對電流的依賴產(chǎn)生于μ對磁場的依賴。
在溫度受限加熱器中所用的材料可以被選擇成能提供一期望的調(diào)節(jié)比。對溫度受限加熱器，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。在一些實施例中，通過把附加的銅或另外的良好的電導體耦合到鐵磁材料(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2000W/m。當溫度受限加熱器一部分的溫度接近或超過居里溫度時，通過溫度受限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。
在某些實施例中，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立于該加熱器上的熱負荷進行操作?！盁嶝摵伞笔侵笩崃繌囊患訜嵯到y(tǒng)傳遞至其周圍的速度。應(yīng)當知道，熱負荷可以隨著周圍溫度和/或周圍的熱導率的變化而變化。在一實施例中，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行操作，從而，在加熱器一部分附近，對于熱負荷減小1W/m，加熱器的操作溫度升高至多1.5℃，1℃，或0.5℃。
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的電阻或熱輸出值的一半。在一些實施例中，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(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(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，1％碳鋼的集膚深度在60Hz時為0.132cm；在180Hz時，集膚深度為0.0762cm；在440Hz時，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。對于固定的幾何形狀，頻率越高，就會導致調(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，就可以計算出在較高頻率的調(diào)節(jié)比。在一些實施例中，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)。在一些實施例中，可以采用高頻率。頻率可以大于1000Hz。
為了在達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，當加熱器是冷的時候，加熱器可以以較低的頻率操作，當加熱器是熱的時候，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，因為這樣就可減少對昂貴部件例如電源、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，來產(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，以便提供調(diào)制直流電的輸出。在一些實施例中，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?？色@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)制器進行的波形選擇允許一寬范圍的調(diào)制直流電頻率且允許對調(diào)制直流電頻率進行離散控制。因此，調(diào)制直流電頻率更易于被設(shè)定在一不同的數(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溫度受限加熱器的調(diào)節(jié)比進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)計和制造溫度受限加熱器時可使用的材料范圍更寬。
在一些實施例中，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。在一實施例中，對井筒中的溫度受限加熱器的井溫度進行估算。
在一些實施例中，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)，以便補償沿著溫度受限加熱器長度產(chǎn)生的一些熱點。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。在一些實施例中，調(diào)制直流電頻率，或交流電頻率被改變，以便對調(diào)節(jié)比進行調(diào)節(jié)，而無需估算地下條件。
溫度受限加熱器可以產(chǎn)生電感負荷。該電感負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。
電流波形的時滯(例如，由于電感負荷的緣故，電流相對于電源具有相位偏移)和/或電流波形的變形(例如，由于非線性負荷的緣故，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(apparent power)的比值為功率因子。該功率因子總是小于或等于1。當沒有相位偏移或沒有波形變形時，功率因子為1。
因發(fā)生相位偏移而施加至加熱器上的實際功率由方程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，則允許溫度受限加熱器具有越小的直徑，從而也就減小了設(shè)備成本。在一些實施例中，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2000安培。在一些實施例中，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10000伏的交流電。
在一實施例中，溫度受限加熱器包括位于外部導體內(nèi)的內(nèi)部導體。內(nèi)部導體和外部導體沿徑向被設(shè)置在一中軸周圍。內(nèi)部導體和外部導體可以被一絕緣層分隔開。在一些實施例中，內(nèi)部導體和外部導體在溫度受限加熱器的底部相耦合。電流可以通過內(nèi)部導體流入溫度受限加熱器，然后通過外部導體返回。一個導體或兩個導體都包括鐵磁材料。
絕緣層可包括具有高熱導率的電絕緣陶瓷，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。絕緣層可以是壓實的粉末(例如，壓實的陶瓷粉末)。壓實可以改善熱導率，并且可以提供更好的絕緣電阻。對于較低溫度的應(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。在一些實施例中，聚合物絕緣層由全氟烷氧基(PFA)或聚醚酮(注冊商標為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)部導體向外部導體的傳遞。在一實施例中，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)部導體和外部導體之間的電接觸。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商標為NextelTM312(3M公司，圣保羅，明尼蘇達州)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。
在一些實施例中，外部導體被選擇成能夠抗腐和/或抗蠕變。在一個實施例中，在外部導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。外部導體也可包括復合導體。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。如果無需高溫度強度，那么，外部導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。在一個實施例中，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》第8卷第291頁(美國材料協(xié)會(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施例中，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小時的蠕變破裂強度。在一些實施例中，100000小時蠕變破裂強度為至少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度。在一些實施例中，100000小時蠕變破裂強度在6.9MPa到41.3MPa范圍，或者，對于較長的加熱器和/或較高泥土或流體壓力而言，蠕變破裂強度就更大。
在具有內(nèi)部鐵磁導體和外部鐵磁導體的溫度受限加熱器實施例中，集膚效應(yīng)電流路徑發(fā)生在內(nèi)部導體的外側(cè)和外部導體的內(nèi)側(cè)。因此，外部導體的外側(cè)可以被包覆有抗腐合金，例如不銹鋼，而且不會影響外部導體內(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體允許鐵磁材料的交流電電阻隨著在居里溫度附近集膚深度的驟減而顯著減小。在一些實施例中，當鐵磁導體未被包覆有高傳導材料例如銅時，導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。如果鐵磁導體被包覆有銅，那么，鐵磁導體的厚度可以與居里溫度附近的集膚深度基本相同。在一些實施例中，被包覆有銅的鐵磁導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。
在一些實施例中，溫度受限加熱器包括復合導體，該復合導體具有鐵磁管和非鐵磁的高電導芯。非鐵磁的高電導芯減小了導體所需的直徑。例如，導體可以是合成的1.19cm直徑的導體，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。復合導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。
復合導體可增大溫度受限加熱器的傳導率和/或允許加熱器在較低電壓進行操作。在一實施例中，在復合導體的鐵磁導體的居里溫度附近區(qū)域以下的溫度，復合導體顯示出相對平的電阻與溫度關(guān)系曲線。在一些實施例中，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，也可以顯示出相對平的電阻與溫度關(guān)系曲線。在一些實施例中，復合導體中的各種材料下相對厚度被選擇，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3-31表示出了溫度受限加熱器的各種實施例。在這些附圖中的任意附圖中所描述的一實施例中的溫度受限加熱器的一個或多個特征可以與這些附圖中所描述的其它一些實施例中的一個或多個特征進行結(jié)合。在這里所描述的一些實施例中，溫度受限加熱器的尺寸大小被做成能在60Hz的交流電頻率進行操作。應(yīng)當知道，可以對這里所描述的溫度受限加熱器的尺寸大小進行調(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行操作，或者利用調(diào)制直流電進行操作。
圖3表示出了根據(jù)一實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體，該外部導體具有鐵磁部分和非鐵磁部分。圖4和圖5表示出了圖3所示實施例的橫向剖面圖。在一個實施例中，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)部導體144是銅。內(nèi)部導體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)一實施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有一外部導體，該外部導體具有放置在護套內(nèi)的鐵磁部分和非鐵磁部分。圖7、8、9是圖6所示實施例的橫向剖面圖。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)部導體144是銅，其直徑為0.9厘米。外部導體148包括鐵磁材料。外部導體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。傳導部分150可以把內(nèi)部導體144和鐵磁部分140和/或外部導體148耦合起來。
圖10是根據(jù)一實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體。該加熱器被放置在防腐護套中。傳導層被放置在外部導體和所述護套之間。圖11和12是圖10所示實施例的橫向剖面圖。外部導體148是3/4”表(Schedule)80 446不銹鋼管。在一個實施例中，傳導層152被放置在外部導體148和護套154之間。傳導層152是銅層。外部導體148被包覆有傳導層152。在一些實施例中，傳導層152包括一個或多個部分(例如，傳導層152包括一個或多個銅管部分)。護套154是1-1/4”表80 347不銹鋼管或1-1/2”表160 347H不銹鋼管。在一個實施例中，內(nèi)部導體144是4/0MGT-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)。傳導部分150把內(nèi)部導體144和護套154耦合起來。在一實施例中，傳導部分150是銅。
圖13是根據(jù)一實施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有外部導體。外部導體包括鐵磁部分和非鐵磁部分。加熱器被放置在防腐護套中。一傳導層被放置在外部導體和護套之間。圖14和15表示出了圖13所示實施例的橫向剖面圖。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被放置在護套154中。護套154是304不銹鋼，其厚度為0.1厘米。傳導層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厘米至0.3厘米。內(nèi)部導體144是銅，其直徑為1.0厘米。
在一實施例中，鐵磁部分140是446不銹鋼，其厚度為0.9厘米。護套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)。在這個實施例中，在達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。在達到鐵磁部分140的居里溫度之后，大部分電流流經(jīng)傳導層152。護套154(410不銹鋼)的鐵磁特性阻止電流流到護套外部，從而“包含”了電流。護套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度。
圖16A和圖16B是根據(jù)一實施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁內(nèi)部導體。內(nèi)部導體144是1”表XXS 446不銹鋼管。在一些實施例中，內(nèi)部導體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。外部導體148是銅或其它任何非鐵磁材料例如鋁。外部導體148被耦合至護套154上。護套154是304H，316H或347H不銹鋼。在這個實施例中，大部分熱量是在內(nèi)部導體144中產(chǎn)生的。
圖17A和圖17B是根據(jù)一實施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有鐵磁內(nèi)部導體和非鐵磁芯。內(nèi)部導體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)部導體144的內(nèi)側(cè)。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)部導體144內(nèi)部。在一些實施例中，芯168和內(nèi)部導體144是被混合擠壓結(jié)合的。外部導體148是347H不銹鋼。為了壓實電絕緣件146而進行的拉拔或軋制操作可確保內(nèi)部導體144和芯168之間良好的電接觸。在這個實施例中，在達到居里溫度之前，熱量主要是在內(nèi)部導體144中產(chǎn)生的。然后，隨著交流電滲透到芯168，電阻就迅速減小。
圖18A和圖18B是根據(jù)一實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體。內(nèi)部導體144是包覆有鎳的銅。電絕緣件146是氮化硅、氮化硼、或氧化鎂。外部導體148是1”表XXS碳鋼管。在這個實施例中，熱量主要在外部導體148中產(chǎn)生，從而導致橫過電絕緣件146的溫差小。
圖19A和圖19B是根據(jù)一實施例的溫度受限加熱器的剖面圖，該加熱器具有一鐵磁外部導體，該鐵磁外部導體被包覆有防腐合金。內(nèi)部導體144是銅。外部導體148是1”表XXS 446不銹鋼管。外部導體148與護套154相接合。護套154由防腐材料(例如347H不銹鋼)制成。護套154用于提供保護，以免受井筒中的腐蝕性流體(例如，硫化和滲碳氣體)的影響。熱量主要在外部導體148中產(chǎn)生，從而導致橫過電絕緣件146的溫差小。
圖20A和圖20B是根據(jù)一實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體。該外部導體被包覆有傳導層和防腐合金。內(nèi)部導體144是銅。電絕緣件146是氮化硅、氮化硼、或氧化鎂。外部導體148是1”表80 446不銹鋼管。外部導體148與護套154相接合。護套154由防腐材料制成。在一實施例中，傳導層152被放置在外部導體148和護套154之間。傳導層152是銅層。熱量主要在外部導體148中產(chǎn)生，從而導致橫過電絕緣件146的溫差小。傳導層152允許外部導體148的電阻當外部導體達到居里溫度時而迅速減小。護套154用于提供保護，以免受井筒中腐蝕性流體的侵蝕。
在一些實施例中，導體(例如內(nèi)部導體、外部導體、或鐵磁導體)是具有兩種或更多種不同材料的復合導體。在一些實施例中，該復合導體包括兩種或更多種鐵磁材料。在一些實施例中，復合鐵磁導體包括兩種或更多種徑向布置的材料。在一些實施例中，復合導體包括鐵磁導體和非鐵磁導體。在一些實施例中，復合導體包括放置在非鐵磁芯上的鐵磁導體?？梢岳脙煞N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居里溫度。
復合電導體可以被用在這里所描述的任何溫度受限加熱器實施例中。例如，復合導體可以被用作導體位于管道中的加熱器或絕緣導體加熱器中的導體。在一些實施例中，復合導體可以被連接至支撐元件例如支撐導體上。支撐元件可以被用于為復合導體提供支撐，從而在居里溫度或其附近，強度無需依賴復合導體。對于長度至少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度。例如，用于支撐元件的材料包括注冊商標為Haynes的625合金和注冊商標為Haynes的HR120合金(Haynes國際，Kokomo，IN)，NF709，注冊商標為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。在一些實施例中，復合導體中的材料被直接相互接合(例如，用黃銅焊接，以冶金方式粘結(jié)，或被模鍛)和/或與支撐元件相接合。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)計溫度受限加熱器時，在選擇鐵磁材料方面就更靈活。
圖21是根據(jù)一實施例的具有支撐元件的復合導體的剖面圖。芯168被鐵磁導體166和支撐元件172環(huán)繞著。在一些實施例中，芯168、鐵磁導體166和支撐元件172被直接接合(例如，用黃銅焊接在一起或以治金方式結(jié)合在一起)。在一個實施例中，芯168是銅，鐵磁導體166是446不銹鋼，支撐元件172是347H合金。在某些實施例中，支撐元件172是表80管。支撐元件172環(huán)繞著具有鐵磁導體166和芯168的復合導體。鐵磁導體166和芯168被接合起來，以便通過例如混合擠壓過程來形成復合導體。例如，復合導體是環(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不銹鋼鐵磁導體。這種位于1.9厘米表80支撐元件內(nèi)側(cè)的復合導體產(chǎn)生的調(diào)節(jié)比為1.7。
在某些實施例中，相對于鐵磁導體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，同時保持鐵磁導體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。
在一些實施例中，復合導體中的導體(例如，芯168和鐵磁導體166)被支撐元件172分離開。圖22是根據(jù)一實施例的復合導體的剖面圖，該復合導體具有支撐元件172，該支撐元件172把所述導體分離開。在一個實施例中，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；鐵磁導體166是446不銹鋼，其外部直徑為2.7厘米。這種導體產(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度。
在某些實施例中，支撐元件172被設(shè)置在復合導體的內(nèi)側(cè)。圖23表示出了根據(jù)一實施例的環(huán)繞著支撐元件172的復合導體的剖面圖。支撐元件172是由347H合金制成。內(nèi)部導體144是銅。鐵磁導體166是446不銹鋼。在一個實施例中，支撐元件172是直徑為1.25厘米的347H合金，內(nèi)部導體144是外部直徑為1.9厘米的銅，鐵磁導體166是外部直徑為2.7厘米的446不銹鋼。這種導體產(chǎn)生大于3的調(diào)節(jié)比，該調(diào)節(jié)比要高于圖21、22、24所描述實施例的具有相同外部直徑的導體的調(diào)節(jié)比。
在某些實施例中，內(nèi)部導體144是銅，該內(nèi)部導體的厚度被減小，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，同時保持內(nèi)部導體144的外部直徑為1.9厘米，以便減小管道的厚度。內(nèi)部導體144的這種厚度減小造成相對于較厚的內(nèi)部導體實施例其調(diào)節(jié)比減小。然而，調(diào)節(jié)比保持為至少為3。
在一個實施例中，支撐元件172是管道(或管)，該管道位于內(nèi)部導體144和鐵磁導體166內(nèi)。圖24表示出了根據(jù)一實施例的環(huán)繞著支撐元件172的復合導體的剖面圖。在一個實施例中，支撐元件172是347H合金，其中央有一直徑為0.63厘米的孔。在某些實施例中，支撐元件172是預制管道。在某些實施例中，在復合導體成形期間，通過把一可溶解材料(例如，能被硝酸溶解的銅)設(shè)置在支撐元件內(nèi)側(cè)來形成支撐元件172。在導體被組裝之后，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)部導體144是銅，其外部直徑為1.8厘米，鐵磁導體166是446不銹鋼，其外部直徑為2.7厘米。
在某些實施例中，復合電導體被用作導體位于管道中的加熱器中的導體。例如，復合電導體可以被用作圖25中的導體174。
圖25是根據(jù)一實施例的導體位于管道中這種類型的加熱器的剖面圖。導體174被設(shè)置在管道176中。導體174是由導電材料制成的桿或管道。在導體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。在某些實施例中，低電阻部分178包括低電阻導體，該低電阻導體與導體174相耦合。
管道176由導電材料制成。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來把導體174定位在管道176的中心。定中件184把導體174與管道176電絕緣開。定中件184阻止移動，并且把導體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中的導體174變形。定中件184是接觸的(touching)或沿著導體174以約0.1米至3米或更長的間隔被間隔開。
如圖25所示，導體174的第二低電阻部分178可以把導體174連接至井頭112。電流可以從電纜186通過導體174的低電阻部分178被施加至導體174上。電流從導體174流經(jīng)滑動接頭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，以便對烴類物質(zhì)層182的至少一部分進行加熱。
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，增強材料和/或水泥)環(huán)繞著。導體174的低電阻部分178可以被放置在覆蓋層套管190中。導體174的低電阻部分178由例如碳鋼制成?？梢岳枚ㄖ屑?84來把導體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。在加熱器實施例中，通過一處或多處焊接，把導體174的低電阻部分178連接到導體174。在其他加熱器實施例中，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。在一些實施例中，密封圈194阻止流體從井孔180流至表層196。
在某些實施例中，復合電導體可以被用作絕緣導體加熱器中的導體。圖26A和圖26B表示出了絕緣導體加熱器的一實施例。絕緣導體200包括芯168和內(nèi)部導體144。芯168和內(nèi)部導體144是復合電導體。芯168和內(nèi)部導體144被設(shè)置在絕緣件146內(nèi)。芯168、內(nèi)部導體144以及絕緣件146被設(shè)置在外部導體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。外部導體148是銅、鋼、或其它任何的電導體。
在某些實施例中，如圖27A和圖27B所示，護套154被設(shè)置在外部導體148的外面。在某些實施例中，護套154是304不透鋼，外部導體148是銅。護套154向絕緣導體加熱器提供抗腐蝕性。在某些實施例中，護套154和外部導體148是預制條帶，這些預制條帶被牽拉過絕緣件146，以便形成絕緣導體200。
在某些實施例中，絕緣導體200被設(shè)置在管道中，該管道為絕緣導體提供保護(例如，腐蝕和侵蝕保護)。在圖28中，絕緣導體200以間隙202被設(shè)置在管道176的內(nèi)部，從而使絕緣導體與管道相分離。
對于溫度受限加熱器而言，其中，鐵磁導體在居里溫度之下提供大部分電阻熱輸出，大部分電流流過材料(鐵磁材料)，該材料具有磁場(H)與磁感應(yīng)(B)之間的高的非線性函數(shù)。這些非線性函數(shù)可以造成強的感應(yīng)效應(yīng)和變形，從而在居里溫度之下的溫度狀態(tài)下，導致溫度受限加熱器中的功率因子的損耗。這些效應(yīng)可以致使溫度受限加熱器難以控制，并且可以導致另外的電流通過表層和/或覆蓋層的供電導體。昂貴的和/或難以執(zhí)行的控制系統(tǒng)例如可變電容器或調(diào)制電源可以被用于試圖補償這些效應(yīng)，并且試圖控制溫度受限加熱器，其中，大部分電阻熱輸出由通過鐵磁材料的電流來提供。
在某些溫度受限加熱器的實施例中，鐵磁導體把大部分電流限制于流到外部電導體(例如，外套、護套、支撐元件、抗腐蝕元件、或其它電阻元件)，該外部電導體在鐵磁導體的居里溫度附近或之下的溫度狀態(tài)下，被耦合到鐵磁導體。在一些實施例中，鐵磁導體把大部分電流限制于流到另一電導體(例如，內(nèi)部導體或中間導體(層之間的電導體))。鐵磁導體位于溫度受限加熱器的橫斷面中，以致于在鐵磁導體的居里溫度或之下的鐵磁導體的磁性把大部分電流限制于流到外部電導體。由于鐵磁導體的集膚效應(yīng)，大部分電流被限制于流到外部電導體。因此，在加熱器的最大操作范圍中，大部分電流流經(jīng)具有基本上線性的電阻特性的材料(例如，外部電導體)。在居里溫度之上，鐵磁導體的鐵磁特性消失，從而顯著地減少或消除感應(yīng)效應(yīng)和/或變形。鐵磁導體和外部電導體位于溫度受限加熱器的橫斷面中，因而，鐵磁材料的集膚效應(yīng)對在鐵磁導體的居里溫度之下的溫度狀態(tài)下的鐵磁導體和外部電導體中的電流滲透深度進行限制。因此，在高達鐵磁導體的居里溫度或接近于該溫度的溫度狀態(tài)下，外部電導體提供溫度受限加熱器的大部分電阻熱輸出。
由于在居里溫度之下，大部分電流通過外部電導體流動，因而，溫度受限加熱器具有電阻與溫度的關(guān)系曲線，該曲線至少部分地反應(yīng)出了在外部電導體中所述材料的電阻與溫度的關(guān)系。從而，如果外部電導體中的材料具有線性的電阻與溫度關(guān)系曲線，那么，在鐵磁導體的居里溫度以下，溫度受限加熱器的電阻與溫度關(guān)系曲線基本上是線性的。在某些實施例中，對外部電導體中的材料進行選擇，以便在鐵磁導體的居里溫度以下，溫度受限加熱器具有期望的電阻與溫度關(guān)系曲線。
當溫度受限加熱器的溫度達到或超過鐵磁導體的居里溫度時，由于鐵磁導體的鐵磁特性降低，從而允許電流流經(jīng)溫度受限加熱器的導電斷面的較大部分。因此，溫度受限加熱器的電阻被減小，并且在鐵磁導體的居里溫度或該溫度附近，溫度受限加熱器自動提供減小了的熱輸出。在某些實施例中，高導電元件(例如，內(nèi)部導體，芯，或其它諸如銅或鋁的導電元件)被耦合到鐵磁導體和外部電導體上，以便在鐵磁導體的居里溫度或該溫度之上，減小溫度受限加熱器的電阻。
與利用鐵磁導體的溫度受限加熱器中的鐵磁導體相比，在居里溫度以下的溫度狀態(tài)下，把大部分電流限制成流向外部電導體的鐵磁導體具有相對小的橫斷面，以便提供大部分的電阻熱輸出，高達居里溫度或接近居里溫度。采用外部導體以便在居里溫度以下提供大部分電阻熱輸出的溫度受限加熱器在居里溫度以下的溫度具有低磁感應(yīng)，這是由于與在居里溫度受限加熱以下大部分電阻熱輸出由鐵磁材料提供的溫度受限加熱器相比，流經(jīng)鐵磁導體的電流較少。在半徑(r)處的磁場(H)與流經(jīng)鐵磁導體和芯的電流除以鐵磁導體的半徑(r)所得值成正比。
(3)H∝I/r.
由于對于利用外部導體以便在居里溫度以下提供大部分電阻熱輸出的溫度受限加熱器而言，只有一部分電流流經(jīng)鐵磁導體，因此，溫度受限加熱器的磁場可以比大部分電流流經(jīng)鐵磁材料的溫度受限加熱器的磁場小很多。磁場越低，相對導磁率(μ)就越大。
鐵磁導體的集膚深度(δ)與相對導磁率(μ)的平方根成反比(4)δ∝(1/μ)1/2通過增大相對導磁率，就能減小鐵磁導體的集膚深度。然而，由于對于在居里溫度以下的溫度而言，只有一部分電流流經(jīng)鐵磁導體，因此，對于具有大的相對導磁率的鐵磁材料而言，鐵磁導體的半徑(厚度)可以被減小，以便補償減小的集膚深度，同時在鐵磁導體的居里溫度以下的溫度，仍允許集膚效應(yīng)限制流向外部導體的電流的滲透深度。鐵磁導體的半徑(厚度)可以在0.3mm和8mm之間，0.3mm和2mm之間，2mm和4mm之間，這取決于鐵磁導體的相對導磁率。通過增大鐵磁導體的相對導磁率，在鐵磁導體的居里溫度或其附近，提供溫度受限加熱器的更高調(diào)節(jié)比和更迅速的電阻減小。
具有高的相對導磁率(例如，至少200，至少1000，至少1×104，或至少1×105)和/或高的居里溫度(例如，至少600℃，至少700℃，或至少800℃)的鐵磁材料(例如，鐵，鐵-鈷合金，或低純度的碳鋼)，在高溫時，通常具有低的抗腐能力和/或小的機械強度。對于溫度受限加熱器而言，外部電導體可在高溫下提供抗腐能力和/或較高的機械強度。
在鐵磁導體居里溫度以下，把大部分電流限制成流向外部電導體，就可以減小功率因子的變化。由于在居里溫度以下，只有一部分電流流經(jīng)鐵磁導體，因此，除了在居里溫度或該溫度附近以外，鐵磁導體的非線性鐵磁特性對溫度受限加熱器的功率因子的影響很小或沒有影響。甚至在居里溫度或該溫度附近，與那些在居里溫度以下鐵磁導體提供大部分電阻熱輸出的溫度受限加熱器相比，這種對功率因子的影響也被減小了。因此，很少需要或無需外部補償(例如，可變電容或波形改變)來調(diào)節(jié)溫度受限加熱器的電感負載的變化以便保持相當高的功率因子。
在某些實施例中，在鐵磁導體的居里溫度以下把大部分電流限制成流向外部電導體的溫度受限加熱器，在該加熱器的使用期間，把功率因子保持在0.85以上，0.9以上，或0.95以上。任何的功率因子的減小都只發(fā)生在接近于居里溫度的溫度狀態(tài)下的溫度受限加熱器的一些部分中。在使用期間，溫度受限加熱器的大部分通常不處于居里溫度或該溫度附近，并且這些部分具有高達1.0的高功率因子。因此，在加熱器的使用期間，即使加熱器的某些部分的功率因子低于0.85，整個溫度受限加熱器的功率因子也能被保持在0.85以上，0.9以上，或0.95以上。
高導電元件，或內(nèi)部導體，增大了溫度受限加熱器的調(diào)節(jié)比。在某些實施例中，高導電元件的厚度被增大，以便增大溫度受限加熱器的調(diào)節(jié)比。在某些實施例中，外部電導體的外部直徑被減小，以便增大溫度受限加熱器的調(diào)節(jié)比。在某些實施例中，溫度受限加熱器的調(diào)節(jié)比在2和10之間，在3和8之間，或在4和6之間(例如，調(diào)節(jié)比至少為2，至少為3，或至少為4)。
圖29表示出了溫度受限加熱器的一實施例，其中，在鐵磁導體的居里溫度以下，支撐元件提供了大部分的熱輸出。芯168是溫度受限加熱器的內(nèi)部導體。在某些實施例中，芯168是高導電材料例如銅或鋁。鐵磁導體166是位于支撐元件172和芯168之間的薄薄的一層鐵磁材料。在某些實施例中，鐵磁導體166是鐵或鐵合金。在某些實施例中，鐵磁導體166包括具有高的相對導磁率的鐵磁材料。例如，鐵磁導體166可以是純化鐵，例如阿姆克工業(yè)純鐵(Armco，巴西)。具有一定純度的鐵通常具有相對導磁率，該相對導磁率在400數(shù)量級。通過在氫氣(H2)中在1450℃對鐵進行退火以使該鐵純化，從而把鐵的相對導磁率增大到處于1×105數(shù)量級的值。通過增大鐵磁導體166的相對導磁率，就允許鐵磁導體的厚度被減小。例如，未純化的鐵的厚度可以約為4.5mm，而純化的鐵的厚度約為0.76mm。
在某些實施例中，支撐元件172為鐵磁導體166和溫度受限加熱器提供支撐。支撐元件172可由這樣的材料制成，即，在鐵磁導體166的居里溫度附近或之上的溫度狀態(tài)下，這種材料具有良好的機械強度。在某些實施例中，支撐元件172是抗腐元件。支撐元件172為鐵磁導體166提供支撐，并且也是抗腐的。支撐元件172是由這樣的材料制成的，即，在高達鐵磁導體166的居里溫度和/或該溫度之上的溫度狀態(tài)下，這種材料能提供電阻熱輸出。
在一實施例中，支撐元件172是347H不銹鋼。在某些實施例中，支撐元件172是另外的導電的、具有良好機械強度的抗腐材料。例如，支撐元件172可以是304H，316H，347HH，NF709，注冊商標為Incoloy的800H合金，(Inco國際合金，Huntington，西維吉尼亞)，注冊商標為Haynes的HR120合金，注冊商標為Inconel的617合金。在某些實施例中，在溫度受限加熱器的一些部分中，支撐元件172包括不同的合金。例如，支撐元件172的下部可以是347H不銹鋼，支撐元件的上部是NF709。在某些實施例中，在支撐元件的不同部分采用不同的合金，以便增大支撐元件的機械強度，同時保持溫度受限加熱器的期望的加熱性能。
在圖29所示實施例中，鐵磁導體166、支撐元件172和芯168的尺寸被制造成當溫度低于鐵磁導體的居里溫度時，鐵磁導體的集膚深度限制流到支撐元件的大部分電流的滲透深度。因此，在高達鐵磁導體166的居里溫度或接近于該溫度的溫度狀態(tài)下，支撐元件172提供溫度受限加熱器的大部分電阻熱輸出。在某些實施例中，圖29所示的溫度受限加熱器要比其它不采用支撐元件172的溫度受限加熱器小(例如，外部直徑為3厘米，2.9厘米，2.5厘米或更小)，以便提供大部分電阻熱輸出。圖29中所示的溫度受限加熱器可以較小，這是由于與大部分電阻熱輸出由鐵磁導體提供的溫度受限加熱器所需的鐵磁導體的尺寸大小相比，鐵磁導體166較薄的緣故。
在某些實施例中，支撐元件和抗腐元件是溫度受限加熱器中不同的元件。圖30和圖31表示出了溫度受限加熱器的一些實施例，其中，在鐵磁導體的居里溫度以下，護套提供大部分的熱輸出。護套154是抗腐元件。護套154、鐵磁導體166、支撐元件172和芯168(在圖30中)或內(nèi)部導體144(在圖31中)的尺寸大小被做成使得鐵磁導體的集膚深度限制大部分電流流向護套厚度的滲透深度。在某些實施例中，護套154是一種抗腐材料，并且在鐵磁導體166的居里溫度以下，該護套提供電阻熱輸出。例如，護套154是825不銹鋼，446不銹鋼，或347H不銹鋼。在某些實施例中，護套154具有小的厚度(例如，在0.5mm數(shù)量級)。
在圖30中，芯168是高導電材料，例如銅或鋁。支撐元件172是347H不銹鋼或其它在鐵磁導體166的居里溫度或其附近具有良好機械強度的材料。
在圖31中，支撐元件172是溫度受限加熱器的芯，并且是347H不銹鋼或其它在鐵磁導體166的居里溫度或其附近具有良好機械強度的材料。內(nèi)部導體144是高導電材料例如銅或鋁。
在某些實施例中，溫度受限加熱器被用于實現(xiàn)低溫加熱(例如，在生產(chǎn)井中加熱流體，加熱地表管道，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，就允許進行低溫加熱。在某些實施例中，鐵磁導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。在一個實施列中，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合金放置在銅芯上，就可以使桿的直徑更小一些。采用銅芯可以導致高的調(diào)節(jié)比。
對于具有銅芯或銅覆層的溫度受限加熱器而言，銅可以被相對抗擴散的層例如鎳保護著。在某些實施例中，合成的內(nèi)部導體包括鐵，該鐵被包覆在鎳上，該鎳被包覆在銅芯上。這種相對抗擴散的層阻止銅進入具有例如絕緣層的加熱器的其它層內(nèi)。在某些實施例中，這種相對不可滲透的層，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鐵磁導體中的每個鐵磁導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)形成這些導體之間的耦合。這三個導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施例中，三個鐵磁導體被一公共的外部金屬外套內(nèi)的絕緣件分離開。這三個導體可以與外套絕緣，或者是，這三個導體可以在加熱器組件的底部與該外套相接合。在另外的實施例中，一單一的外套或三個外套是鐵磁導體，內(nèi)部導體可以是非鐵磁的導體(例如，鋁，銅，或高導電合金)。可選地是，三個非鐵磁導體中的每一個都位于分離的鐵磁外套的內(nèi)部，在加熱器的底部，在接合部分內(nèi)形成這些導體之間的連接。這三個導體可以在接合部分內(nèi)與外套保持絕緣。
在某些實施例中，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)。
在一實施例中，溫度受限加熱器包括中空芯或中空內(nèi)部導體。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。在某些實施例中，具有中空芯或中空內(nèi)部導體的溫度受限加熱器被用作加熱/生產(chǎn)井或生產(chǎn)井。諸如蒸汽的流體可以通過中空內(nèi)部導體被注入到地層中。
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。
把一個6英尺的溫度受限加熱元件放置在一個6英尺的347H不銹鋼的筒內(nèi)。加熱元件與筒串聯(lián)連接。加熱元件和筒被放置在一爐內(nèi)。爐被用于使加熱元件和筒的溫度升高。在可變溫度狀態(tài)下，使一系列電流通過加熱元件并通過所述的筒返回。在電流通過期間，根據(jù)測量來確定加熱元件的電阻和加熱元件的功率因子。
圖32表示出了與對于具有筒芯、碳鋼鐵磁導體和347H不銹鋼支撐元件的溫度受限加熱器而言在若干個電流時的實驗測得的電阻與溫度的關(guān)系。鐵磁導體是居里溫度為770℃的低碳鋼。鐵磁導體被夾在銅芯和347H支撐元件之間。銅芯的直徑為0.5”。鐵磁導體的外部直徑為0.765”。支撐元件的外部直徑為1.05”。筒是3”表160347H不銹鋼的筒。
數(shù)據(jù)204表示對于施加300A、60Hz的交流電電流時的電阻與溫度的關(guān)系。數(shù)據(jù)206表示對于施加400A、60Hz的交流電電流時的電阻與溫度的關(guān)系。數(shù)據(jù)208表示對于施加500A、60Hz的交流電電流時的電阻與溫度的關(guān)系。曲線210表示對于施加10A直流電電流時的電阻與溫度的關(guān)系。電阻與溫度的關(guān)系曲線表明溫度受限加熱器的交流電電阻呈線性增大至鐵磁材料的居里溫度附近的溫度。在居里溫度附近，交流電電阻迅速減小，直到交流電電阻等于居里溫度以上的直流電電阻為止。在居里溫度以下交流電電阻的線性依賴關(guān)系至少部分反映出了在這些溫度時347H的交流電阻的線性依賴關(guān)系。因此，在居里溫度以下的交流電電阻的線性依賴關(guān)系表明在這些溫度時大部分電流流經(jīng)347H支撐元件。
圖33表示出了對于具有銅芯、鈷-碳鋼鐵磁導體和347H不銹鋼支撐元件的溫度受限加熱器而言在若干電流時的實驗測得的電阻與溫度的關(guān)系。鈷-碳鋼鐵磁導體是含有重量比為6％的鈷的碳鋼導體，它的居里溫度為843℃。鐵磁導體被夾在銅芯和347H支撐元件之間。銅芯的直徑為0.465”。鐵磁導體的外部直徑為0.765”。支撐元件的外部直徑為1.05”。筒是3”表160 347H不銹鋼筒。
數(shù)據(jù)212表示對于施加100A、60Hz的交流電電流時的電阻與溫度的關(guān)系。數(shù)據(jù)214表示對于施加400A、60Hz的交流電電流時的電阻與溫度的關(guān)系。曲線216表示對于施加10A的直流電電流時的電阻與溫度的關(guān)系。這個溫度受限加熱器的交流電電阻在比先前的溫度受限加熱器更高的溫度處向下轉(zhuǎn)折。這是由于增加了鈷使得鐵磁導體的居里溫度升高的緣故。交流電電阻基本上與具有支撐元件尺寸的347H鋼管的交流電電阻相同。這表明在這些溫度，大部分電流流經(jīng)347H支撐元件。圖33中的電阻曲線基本上與圖32中的電阻曲線具有相同的形狀。
圖34表示出了對于具有銅芯、鈷-碳鋼鐵磁導體和347H不銹鋼支撐元件的溫度受限加熱器而言在兩個交流電電流時的實驗測得的電阻與溫度的關(guān)系。曲線218表示對于施加100A、60Hz的交流電電流時的功率因子與溫度之間的關(guān)系。曲線220表示對施加400A、60Hz的交流電電流時的功率因子與溫度之間的關(guān)系。除了在居里溫度附近的區(qū)域外，該功率因子接近一致(1)。在居里溫度附近的區(qū)域，非線性磁性和流經(jīng)鐵磁導體的較大部分電流在加熱器中產(chǎn)生電感效應(yīng)和變形，并降低功率因子。圖34表示在該實驗中，在全部溫度狀態(tài)下，該加熱器的功率因子的最小值保持在0.85以上。由于用于加熱地下地層的溫度受限加熱器只有一些部分可以在任何給定的時間點處于居里溫度，并且在使用期間這些部分的功率因子不會低于0.85，因此，在使用期間，整個溫度受限加熱器的功率因子會保持在0.85以上(例如，在0.9以上，或在0.95以上)。
對于具有銅芯、鈷-碳鋼鐵磁導體和347H不銹鋼支撐元件的溫度受限加熱器而言，從這些實驗數(shù)據(jù)中可以計算出調(diào)節(jié)比，該調(diào)節(jié)比是溫度受限加熱器所輸送的最大功率的函數(shù)。圖35中表示出了這些計算結(jié)果。圖35中的曲線表示對于高達約2000瓦特/米的加熱器功率而言，調(diào)節(jié)比保持在2以上。這條曲線被用于確定加熱器以可持續(xù)方式有效地提供熱輸出的能力。具有與圖35中的曲線相類似的曲線的溫度受限加熱器能夠提供足夠的熱輸出，同時保持阻止該加熱器發(fā)生過熱或誤操作的溫度限制特性。
圖36表示出了溫度受限加熱器的溫度(℃)與時間(小時)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不銹鋼管內(nèi)，并且具有0.325cm的銅護套。該加熱器被放置在加熱爐內(nèi)。當加熱器位于爐內(nèi)時，向加熱器施加交流電電流。電流被增大二個小時以上，且在其余的時間，電流達到400安培這一相對恒定的數(shù)值。沿著加熱器的長度，以0.46米為間隔，在三個點測量不銹鋼管的溫度。曲線240表示在爐內(nèi)并最靠近加熱器的引入部分的在0.46米的點處所述管的溫度。曲線242表示從管的端部并且最遠離加熱器的引入部分的在0.46米的點處所述管的溫度。曲線244表示在加熱器的大致中點的管的溫度。加熱器中央的點被進一步包裹在2.5cm厚的注冊商標為Fiberfrax(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)生低熱導率段(在該段中，向周圍的熱傳遞被減慢或被阻止(一“熱點”))。加熱器的溫度隨著時間而增大，如圖中曲線244、242、240所示。曲線244、242、240表示對于沿著加熱器的長度的所有三個點而言，加熱器的溫度增大至約相同的數(shù)值。結(jié)果溫度基本上獨立于所增加的注冊商標為Fiberfrax的絕緣件。因此，盡管在沿著加熱器的長度的三個點中的每個點的熱負荷不同(由于絕緣件的緣故)，但溫度受限加熱器的操作溫度基本上相同。從而，在具有低熱導率段的情況下，溫度受限加熱器不會超過選定的溫度極限。
圖37表示出了2.5cm實心的410不銹鋼桿和2.5cm實心的304不銹鋼桿的溫度(℃)與測量時間(小時)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間而增大。曲線246表示熱電偶的數(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248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250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252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)。通過這些曲線的對比，表明304不銹鋼桿的溫度(曲線246和248)比410不銹鋼桿的溫度(曲線250和252)增大得更快。304不銹鋼桿的溫度(曲線246和248)也達到比410不銹鋼桿的溫度(曲線250和252)更高的數(shù)值。410不銹鋼桿的非絕緣段(曲線252)和410不銹鋼桿的絕緣段(曲線250)之間的溫差小于304不銹鋼桿的非絕緣段(曲線248)與304不銹鋼桿的絕緣段(曲線246)之間的溫差。在實驗終止(曲線246和248)時，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250和252)。因此，在具有變化的熱負荷(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)來比較具有三個調(diào)節(jié)比的溫度受限加熱器的操作。對于油頁巖(GreenRiver油頁巖)地層中的加熱器進行這種模擬。模擬條件為-61米長的導體位于管道中的居里加熱器(中央導體(2.54cm直徑)，管道外部直徑7.3cm)
-對于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小時功率升高時間至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℃-對于油頁巖富足至少為0.14L/kg(35加侖/噸)而言，地層會膨脹并且接觸加熱筒圖38表示出了對于調(diào)節(jié)比為2∶1的溫度受限加熱器而言，導體位于管道中的加熱器的中央導體的溫度(℃)是地層深度(米)的一個函數(shù)。曲線254-276表示在從開始加熱之后8天至開始加熱后675天的不同時間(2548天，25650天，25891天，260133天，262216天，264300天，266383天，268466天，270550天，272591天，274633天，276675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39表示出了沿著油頁巖富足(l/kg)的對于2∶1調(diào)節(jié)比，通過地層的對應(yīng)的加熱器的熱通量曲線(瓦特/米)(曲線278)。曲線280-312表示從開始加熱后8天至開始加熱后633天在不同的時間(2808天；28250天；28491天；286133天；288175天；290216天；292258天294300天；296341天；298383天；300425天302466天；304508天；306550天；308591天；310633天；312675天)的熱通量曲線。在2∶1的調(diào)節(jié)比時，在最富足油頁巖層中，中央導體溫度超過居里溫度。
圖40表示出了對于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314-336表示出了在開始加熱后12天至開始加熱后703天的不同時間(31412天；31633天；31862天；320102天；322146天；324205天；326271天；328354天；330467天；332605天；334662天；336703天)通過地層的溫度曲線。在3∶1的調(diào)節(jié)比，在703天后，達到居里溫度。圖41表示出了對于3∶1的調(diào)節(jié)比而言，沿著油頁巖富足(l/kg)的通過地層的對應(yīng)的加熱器熱通量(瓦特/米)的曲線(曲線338)。曲線340-360表示出了從開始加熱后12天至開始加熱后605天的不同時間(34012天，34232天，34462天，346102天，348146天，350205天，352271天，354354天，356467天，358605天，360749天)的熱通量曲線。對于3∶1的調(diào)節(jié)比，中央導體溫度從未超過居里溫度。中央導體溫度還表示出了對于3∶1的調(diào)節(jié)比的相對平的溫度曲線。
圖42表示對于調(diào)節(jié)比為4∶1而言加熱器溫度(℃)是地層深度(米)的一個函數(shù)。曲線362-382表示在從開始加熱后12天至開始加熱后467天的各個時間(36212天；36433天；36662天；368102天；370147天；372205天；374272天；376354天；378467天；380606天；382678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。對于調(diào)節(jié)比為4∶1而言，中央導體溫度從未超過居里溫度。中央導體表示出了對于4∶1調(diào)節(jié)比的溫度曲線，該曲線要比對于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間越長。對于油頁巖富足曲線，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，可從計算機模擬集團有限公司(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)。標準的導體位于管道中的加熱器包括304不銹鋼導體和管道。溫度受限的導體位于管道中的加熱器包括金屬，該金屬對于導體和管道而言具有760℃的居里溫度。圖43-45表示出了模擬結(jié)果。
圖43表示出了對于在操作20000小時后的模擬，在導體位于管道中的加熱器的導體處的加熱器溫度(℃)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384表示標準的導體位于管道中的加熱器的導體溫度。曲線384表示出了導體溫度的巨大變化以及沿著導體長度形成的大量的熱點。導體的溫度最小值為490℃。曲線386表示對于溫度受限的導體位于管道中的加熱器而言的導體溫度。如圖43所示，對于溫度受限加熱器，沿著導體長度的溫度分布被更多地控制。此外，對于溫度受限加熱器，導體的操作溫度為730℃。因此，對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44表示出了對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)與時間(年)之間的關(guān)系。曲線388表示標準的導體位于管道中的加熱器的熱通量。曲線390表示溫度受限的導體位于管道中的加熱器的熱通量。如圖44所示，與標準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更長的時間。更高的熱通量可以實現(xiàn)對地層更均勻更快速地加熱。
圖45表示出了在模擬中所用的對油頁巖進行加熱的加熱器的累積熱輸入(kJ/m)(千焦/米)與時間(年)之間的關(guān)系。曲線392表示標準的導體位于管道中的加熱器的累積熱輸入。曲線394表示溫度受限的導體位于管道中的加熱器的累積熱輸入。如圖45所示，溫度受限加熱器的累積熱輸入比標準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現(xiàn)更快的熱積累，就可以減少加熱地層所需的時間。對油頁巖開始加熱可以在平均累積熱輸入約為1.1×108kJ/米開始。對于溫度受限加熱器而言約5年到達這個累積熱輸入，對于標準加熱器而言在9至10年間達到這個累積熱輸入。
鑒于這里所作的描述，對本發(fā)明的各個方面作出進一步的修改以及采用其它可選的實施方式，這對于本領(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，它只是為了教導本領(lǐng)域技術(shù)人員實施本發(fā)明的一些總的方式。應(yīng)當知道，在這里所描述的和所圖示的本發(fā)明的形式應(yīng)被認為是目前的優(yōu)選實施例?？梢詫@里所圖示和所描述的元件和材料進行替換，部分和過程可以被倒過來，本發(fā)明的某些特征可以被獨立使用，所有這些對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在閱讀這里的描述之后將會是很顯然的。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)當知道，這里所獨立描述的特征在一些實施例可以被結(jié)合起來。
權(quán)利要求
1.一種加熱器，包括鐵磁元件；電導體，該電導體與所述鐵磁元件電耦合，其中，該電導體被構(gòu)造成能在鐵磁元件的居里溫度以下提供熱輸出，并且該電導體被構(gòu)造成能在25℃?zhèn)鲗г摷訜崞鞯拇蟛糠蛛娏?；其中，大約在鐵磁元件的居里溫度和該居里溫度以上，加熱器自動地提供減小的熱量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱器，其特征在于，鐵磁元件和電導體被電耦合，以便在加熱器使用期間，加熱器的功率因子保持在0.85以上、0.9以上或0.95以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2之一所述的加熱器，其特征在于，加熱器還包括第二電導體，該第二電導體與鐵磁元件電耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的加熱器，其特征在于，第二電導體由比鐵磁元件和所述電導體具有更高導電率的電導體構(gòu)成，和/或在鐵磁元件的居里溫度或其附近第二電導體提供機械強度以便支撐鐵磁元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的加熱器，其特征在于，所述電導體和鐵磁元件是同心的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的加熱器，其特征在于，所述電導體至少部分地包圍著鐵磁元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的加熱器，其特征在于，加熱器所具有的調(diào)節(jié)比至少為1.1、至少為2、至少為3或至少為4。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的加熱器，其特征在于，所述鐵磁元件與所述電導體電耦合，從而在鐵磁元件的居里溫度以下的溫度狀態(tài)下，由鐵磁元件產(chǎn)生的磁場來把大部分電流限制成流向電導體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8之一所述的加熱器，其特征在于，在25℃，所述電導體提供加熱器的大部分熱輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9之一所述的加熱器，其特征在于，當電流被施加到加熱器上時(a)當加熱器在100℃以上、200℃以上、400℃以上或500℃以上或600℃以上且在選定的溫度以下時，該加熱器提供第一熱輸出；(b)當加熱器處于鐵磁元件的居里溫度和該居里溫度以上時，加熱器提供第二熱輸出，該第二熱輸出小于第一熱輸出。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10之一所述的加熱器，其特征在于，在鐵磁元件的居里溫度或該居里溫度附近，所述電導體提供機械強度，以便支撐鐵磁元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11之一所述的加熱器，其特征在于，所述電導體是抗腐材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12之一所述的加熱器，其特征在于，當加熱器附近的熱負載約減小1瓦特/米時，在選定的操作溫度以上或附近，加熱器的操作溫度至多升高1.5℃。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13之一所述的加熱器，其特征在于，在選定的溫度以上或附近，加熱器提供減小的熱量，該減小的熱量至多為在選定溫度以下50℃的熱輸出的10％或更小。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14之一所述的加熱器，其特征在于，加熱器的長度為至少100米、至少300米、至少500米或至少1千米。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15之一所述的加熱器，其特征在于，加熱器被構(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1-15之一所述的加熱器，其特征在于，加熱器被用在向地下地層提供熱量的系統(tǒng)中。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-15之一所述的加熱器，其特征在于，加熱器被用在對地下地層進行加熱的方法中，所述方法包括向加熱器施加電流，以便提供熱輸出；以及允許熱量從加熱器傳遞到地下地層的一部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種加熱器，該加熱器包括鐵磁元件；電導體，該電導體與鐵磁元件電連接，其中，電導體被構(gòu)造成能在鐵磁元件的居里溫度以下提供熱輸出。電導體被構(gòu)造成在25℃能傳導加熱器的大部分電流。該加熱器約在鐵磁元件的居里溫度和該居里溫度以上能自動提供減小的熱量。
文檔編號E21B36/04GK1957158SQ200580016609
公開日2007年5月2日 申請日期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, C·L·桑德貝里, H·J·維內(nèi)加 申請人:國際殼牌研究有限公司