專利名稱：以三相y字構(gòu)造結(jié)合的用于地下巖層加熱的絕緣導(dǎo)體限溫加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于由各種地下巖層(比如含烴的巖層)加熱 和生產(chǎn)烴、氫和/或其它產(chǎn)品的方法和系統(tǒng)。實(shí)施例涉及用來(lái)加熱地下 巖層的絕緣導(dǎo)體限溫加熱器。
背景技術(shù)：
由地下巖層獲得的烴通常用作能源、原料以及消費(fèi)產(chǎn)品。對(duì)于可 用烴源耗盡的考慮以及對(duì)于所生產(chǎn)烴的總量降低的考慮已經(jīng)使得開(kāi)發(fā) 了很多工藝來(lái)獲得可用烴源更有效的回收、處理和/或使用。現(xiàn)場(chǎng)工藝 可用來(lái)將烴原料從地下巖層中移走。地下巖層中烴原料的化學(xué)和/或物 理性質(zhì)可能需要改變以允許烴原料能更易于從地下巖層中移走。化學(xué) 和物理變化可包括產(chǎn)生巖層中烴原料的可移走流體、成分變化、溶度 變化、密度變化、相變化和/或粘度變化的現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)。流體可以是氣體、 液體、懸浮液、泥漿和/或流動(dòng)性質(zhì)類似于液流的固體顆粒流，但并不 限于此。
加熱器可置于井筒中以在現(xiàn)場(chǎng)工藝期間加熱巖層。利用井下加熱 器的現(xiàn)場(chǎng)工藝的例子在授予Ljungstrom的美國(guó)專利No. 2，634，961、授 予Ljungstrom的美國(guó)專利No. 2,732,195、授予Ljungstrom的美國(guó)專 利No. 2,780,450、授予Ljungstrom的美國(guó)專利No. 2,789,805、授予 Ljungstrom的美國(guó)專利No. 2,923,535、授予Van Meurs等的美國(guó)專 利No. 4,886,118中示出；所有這些專利通過(guò)參考如同在這里完全描述 一樣地結(jié)合于此。
將熱施加于油頁(yè)巖層在授予Ljungstrom的美國(guó)專利No. 2，923，535和授予Van Meurs等的美國(guó)專利No. 4,886,118中描述。熱 可施加于油頁(yè)巖層以熱解油頁(yè)巖層中的油母巖。熱還可使巖層破裂以增大巖層的可滲透性。增大的可滲透性能允許巖層流體行進(jìn)至將流體從油頁(yè)巖層中移走的生產(chǎn)井。在Ljungstrom所公開(kāi)的一些工藝中，例 如，將含氧的氣態(tài)介質(zhì)引入可滲透的巖層，優(yōu)選地同時(shí)仍然有來(lái)自預(yù) 熱步驟的熱，以啟動(dòng)燃燒。熱源可用來(lái)加熱地下巖層。電加熱器可用來(lái)通過(guò)輻射和/或傳導(dǎo)來(lái) 加熱地下巖層。電加熱器可電阻地加熱一個(gè)元件。授予Germain的美 國(guó)專利No. 2,548,360描述了 一種置于井筒內(nèi)的粘性油中的電加熱元 件，該專利通過(guò)參考如同在這里完全描述一樣地結(jié)合于此。加熱器元 件加熱石油并使其變稀以允許油從井筒中泵送。授予Eastlund等的美 國(guó)專利No. 4,716,960描述了通過(guò)讓相對(duì)低電壓的電流穿過(guò)管道來(lái)電加 熱油井的管道以防止形成固體，該專利通過(guò)參考如同在這里完全描述 一樣地結(jié)合于此。授予Van Egmond的美國(guó)專利No. 5,065，818描述了 一種粘結(jié)到井筒中并且沒(méi)有套筒包圍的電加熱元件，該專利通過(guò)參考 如同在這里完全描述一樣地結(jié)合于此。一些加熱器可能難以結(jié)合在地下巖層中。地下巖層中的井下加熱 器之間的電流可能會(huì)由于難以形成地下連接以及地下?tīng)顩r中電流的不 穩(wěn)定性而不可靠。因而，有利的是具有一種加熱器，其沒(méi)有位于地下 的加熱器之間的電流。 發(fā)明內(nèi)容這里所述實(shí)施例總體上涉及用于處理地下巖層的系統(tǒng)、方法和加 熱器。這里所述實(shí)施例總體上還涉及其中具有新穎部件的加熱器。這 種加熱器能通過(guò)使用這里所述的系統(tǒng)和方法獲得。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種或多種系統(tǒng)、方法和/或加熱 器。在一些實(shí)施例中，這些系統(tǒng)、方法和/或加熱器用于處理地下巖層。在某些實(shí)施例中， 一種用于地下巖層的加熱系統(tǒng)，其包括布置 在地下巖層中的開(kāi)口內(nèi)的第一加熱器、第二加熱器和第三加熱器，其 中每個(gè)加熱器包括電導(dǎo)體；至少部分地包圍電導(dǎo)體的絕緣層；至少 部分地包圍絕緣層的導(dǎo)電護(hù)套；其中電導(dǎo)體在加熱器的下端部分電結(jié) 合至護(hù)套，所述下端部分是加熱器遠(yuǎn)離開(kāi)口表面的加熱器部分；第一
加熱器、第二加熱器和第三加熱器在加熱器的下端部分電結(jié)合；和第 一加熱器、第二加熱器和第三加熱器構(gòu)造為以三相Y字構(gòu)造電結(jié)合。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，來(lái)自特定實(shí)施例的特點(diǎn)可與來(lái)自其它實(shí)施 例的特點(diǎn)相組合。例如，來(lái)自一個(gè)實(shí)施例的特點(diǎn)可與來(lái)自任何其它實(shí) 施例的特點(diǎn)相組合。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，利用這里所述的任何方法、系統(tǒng)或加熱器 來(lái)執(zhí)行地下巖層的處理。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，額外的特點(diǎn)可增加至這里所述的特定實(shí)施例。


在受益于下面詳細(xì)描述之下并參考附圖，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng) 域的熟練人員將變得明顯，在附圖中 圖1示出了加熱含烴巖層的階段。
圖2示出了用于處理含烴巖層的現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)變系統(tǒng)的一部分的實(shí)施例 的示意圖。
圖3A和3B示出了用于絕緣導(dǎo)體加熱器中的限溫加熱器部件的實(shí) 施例的橫截視圖。
圖4A和4B示出了用于在井筒中安裝加熱器的實(shí)施例。 圖4C示出了護(hù)套短接至導(dǎo)體的絕緣導(dǎo)體的實(shí)施例。 圖5A和5B示出了管道中具有三個(gè)導(dǎo)體的加熱器的實(shí)施例。 雖然本發(fā)明可易于進(jìn)行各種修改和可選形式，其特定實(shí)施例借助 于附圖中的例子示出并且這里將詳細(xì)描述。附圖可能不是按比例的。 然而應(yīng)當(dāng)理解到，其附圖和詳細(xì)描述并不將本發(fā)明限制于所公開(kāi)的具 體形式，而是相反，本發(fā)明應(yīng)覆蓋落入本發(fā)明如所附權(quán)利要求所限定 的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同和替換。
具體實(shí)施例方式
下面的描述總體上涉及用于處理巖層中烴的系統(tǒng)和方法。這種巖 層可被處理以生產(chǎn)烴產(chǎn)品、氫和其它產(chǎn)品。
"烴"通常定義為主要由碳和氫原子構(gòu)成的分子。烴也可包括其它
元素，比如但不限于卣素、金屬元素、氮、氧和/或疏。烴可以是油母 質(zhì)、瀝青、焦瀝青、石油、自然礦物蠟和瀝青巖，但不限于此。烴可
以位于地球中礦物基體中或其附近。基體可包括但不限于沉積巖、 砂子、沉積石英巖、碳酸鹽、硅藻土和其它多孔介質(zhì)。"烴流體"是包 括烴的流體。烴流體可包括、攜帶或攜帶在非烴流體中，比如氫、氮、 一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水和氨。
"巖層"包括一個(gè)或多個(gè)含烴的層、 一個(gè)或多個(gè)無(wú)烴的層、蓋層和/ 或下伏巖層。"蓋層"和/或"下伏巖層"包括一個(gè)或多個(gè)不同類型的不可 滲透材料。例如，蓋層和/或下伏巖層可包括巖石、頁(yè)巖、泥巖或濕/ 緊密的碳酸鹽。在現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)變工藝的一些實(shí)施例中，蓋層和/或下伏巖層 可包括相對(duì)不可滲透且在現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)變工藝期間不會(huì)經(jīng)受溫度的含烴層， 這種溫度會(huì)導(dǎo)致蓋層和/或下伏巖層的含烴層明顯的性質(zhì)變化。例如， 下伏巖層可包含頁(yè)巖或泥巖，但是下伏巖層在現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)變工藝期間不能 加熱至熱解溫度。在一些情況下，蓋層和/或下伏巖層能稍微可滲透。
"熱源"是用于基本上通過(guò)傳導(dǎo)和/或輻射熱傳遞將熱提供給至少 一部分巖層的任何系統(tǒng)。例如， 一種熱源可包括置于管道中的電加熱 器，比如絕緣導(dǎo)體、細(xì)長(zhǎng)元件和/或?qū)w。 一種熱源也可包括通過(guò)在巖 層外面或其中燃燒燃料來(lái)產(chǎn)生熱的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以是地面燃燒器、 井下氣體燃燒器、無(wú)焰分布燃燒器、和自然分布燃燒器。在一些實(shí)施 例中，提供給一個(gè)或多個(gè)熱源或在所述熱源中產(chǎn)生的熱可由其它能源 所供應(yīng)。其它能源可直接加熱巖層，或者能量可供應(yīng)至直接或間接加 熱巖層的傳遞介質(zhì)。要理解到，將熱施加于巖層的一個(gè)或多個(gè)熱源可 使用不同的能源。因而，例如，對(duì)于給定的巖層， 一些熱源可供應(yīng)來(lái) 自電阻加熱器的熱， 一些熱源可提供來(lái)自燃燒的熱，并且一些熱源可 提供來(lái)自一個(gè)或多個(gè)其它能源(例如化學(xué)反應(yīng)、太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物 量或其它再生能源)的熱?；瘜W(xué)反應(yīng)可包括放熱反應(yīng)(例如，氧化反 應(yīng))。熱源也可包括將熱提供給加熱位置附近和/或包圍該加熱位置(比 如加熱器套管)的區(qū)域的加熱器。
源。加熱器可以是電加熱器、燃燒器、用巖層中的材料或由巖層所生 產(chǎn)的材料發(fā)生反應(yīng)的燃燒器、和/或其組合。
"現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)變工藝"指的是由熱源加熱含烴巖層以將至少一部分巖層 的溫度升高至高于熱解溫度以使得在巖層中產(chǎn)生熱解流體的工藝。
"絕緣導(dǎo)體"指的是能傳導(dǎo)電能并且整體上或部分地由電絕緣材料 覆蓋的任何細(xì)長(zhǎng)材料。
細(xì)長(zhǎng)元件可以是棵露的金屬加熱器或者暴露的金屬加熱器。"棵露 的金屬"和"暴露的金屬"指的是不包括電絕緣層(比如礦物絕緣，其設(shè) 計(jì)來(lái)在細(xì)長(zhǎng)元件的操作溫度范圍內(nèi)給金屬提供電絕緣)的金屬。棵露 的金屬和暴露的金屬可涵蓋包括腐蝕抑制劑的金屬，比如自然出現(xiàn)的 氧化層、施加的氧化層和/或膜?？寐兜慕饘俸捅┞兜慕饘侔ň哂芯?合物或在細(xì)長(zhǎng)元件的典型操作溫度下不能保持電絕緣性質(zhì)的其它類型 電絕緣的金屬。這種材料可布置在金屬上并且在加熱器的使用期間會(huì) 熱降解。
"限溫加熱器"通常指的是在不使用外部控制器(比如溫度控制器、 電能調(diào)節(jié)器、整流器或其它設(shè)備)之下調(diào)節(jié)高于特定溫度的熱輸出(例
如降低熱輸出)的加熱器。限溫加熱器可以是AC (交流)或調(diào)制(例 如"削波")DC (直流)驅(qū)動(dòng)的電阻加熱器。
"居里溫度"是一個(gè)高于該溫度鐵磁性材料就失去其所有鐵磁性質(zhì) 的溫度。除了在高于居里溫度時(shí)失去其所有鐵磁性質(zhì)之外，鐵磁材料 在增大的電流穿過(guò)鐵磁性材料時(shí)就開(kāi)始失去其鐵磁性質(zhì)。
"時(shí)間變化電流"指的是在鐵磁性導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)電流并且幅 度隨時(shí)間變化的電流。時(shí)間變化電流包括交流(AC )和調(diào)制直流(DC )。
"交流(AC)"指的是基本上正弦地倒轉(zhuǎn)方向的時(shí)間變化電流。 AC在鐵磁性導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)電流。
"調(diào)制直流(DC )，，指的是在鐵磁性導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)電流的任 何基本上非正弦的時(shí)間變化電流。
限溫加熱器的"調(diào)節(jié)比，，是對(duì)于給定電流而言居里溫度之下最高的 AC或調(diào)制DC電阻與居里溫度之上最低電阻之間的比值。
就減少熱輸出的加熱系統(tǒng)、裝置和方法而言，術(shù)語(yǔ)"自動(dòng)"意味著 在不使用外部控制器(例如，外部控制器，比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(cè)控制器)之下以某種方式起作用 的這種系統(tǒng)、裝置和方法。
術(shù)語(yǔ)"井筒"指的是通過(guò)鉆孔或?qū)⒐艿啦迦霂r層而在巖層中形成的 孔。井筒可具有大致圓形橫截面，或者另一橫截面形狀。如同這里使 用的，詞語(yǔ)"井"和"開(kāi)口 ，，在涉及巖層中的開(kāi)口時(shí)可與詞語(yǔ)"井筒"互換 地使用。
巖層中的烴能以各種方式處理以生產(chǎn)很多不同的產(chǎn)品。在某些實(shí) 施例中，巖層中的烴分階段地進(jìn)行處理。圖l示出了加熱含烴巖層的 階段。圖l還示出了來(lái)自巖層的巖層流體以每噸油當(dāng)量的生產(chǎn)率("Y"， 單位為桶)(y軸)與加熱巖層的溫度("T"，單位為攝氏度)(x軸) 的例子。
曱烷的解吸和水的蒸發(fā)在第一階段加熱期間發(fā)生。通過(guò)第一階段 加熱巖層可以盡可能快地執(zhí)行。例如，當(dāng)含烴巖層被初始加熱時(shí)，巖 層中的烴解吸出吸收的甲烷。解吸的甲烷可從巖層中產(chǎn)生。如果含烴 巖層進(jìn)一步被加熱，含烴巖層中的水蒸發(fā)。在一些含烴巖層中，水可 能會(huì)占用巖層10%至50%的孔隙量。在其它巖層中，水占用更大或更 小的孔隙量。水通常在160。C至285。C之間、600kPa至7000kPa的絕 對(duì)壓力下從巖層中蒸發(fā)。在一些實(shí)施例中，蒸發(fā)的水產(chǎn)生巖層中的可 濕性變化和/或增大的巖層壓力。可濕性變化和/或增大的壓力會(huì)影響巖 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)的水從巖層產(chǎn)生。
在其它實(shí)施例中，蒸發(fā)的水用于巖層中或巖層外的抽汽和/或蒸餾。將 水從巖層中移走和增大巖層中的孔隙量可增大孔隙量中烴的存儲(chǔ)空 間。
在某些實(shí)施例中，在第一階段加熱之后，巖層被進(jìn)一步加熱，以 使得巖層中的溫度(至少)達(dá)到開(kāi)始熱解溫度(比如處于如第二階段 所示溫度范圍的下端)。巖層中的烴可在第二階段中熱解。熱解溫度 范圍根據(jù)巖層中烴的類型而變化。熱解溫度范圍可包括250°C至900°C 之間的溫度。用于生產(chǎn)期望產(chǎn)品的熱解溫度范圍可延伸過(guò)總熱解溫度 范圍的僅僅一部分。在一些實(shí)施例中，用于生產(chǎn)期望產(chǎn)品的熱解溫度
范圍包括250。C至400。C之間的溫度或者27(TC至350。C之間的溫度。 如果巖層中烴的溫度緩慢地升高過(guò)從250 。C至400°C的溫度范圍，熱解 產(chǎn)品的生產(chǎn)在溫度接近400。C時(shí)基本上完成。烴的平均溫度能以小于 5。C/天、小于2。C/天、小于1。C/天或者小于0.5。C/天的速率升高過(guò)用以 生產(chǎn)期望產(chǎn)品的熱解溫度范圍。用多個(gè)熱源加熱含爛的巖層可在熱源 周圍形成熱梯度，這將巖層中烴的溫度緩慢地升高過(guò)熱解溫度范圍。
對(duì)于期望的產(chǎn)品而言將溫度升高過(guò)熱解溫度范圍的速率可能會(huì)影 響由含烴巖層產(chǎn)生的巖層流體的質(zhì)量和數(shù)量。對(duì)于期望的產(chǎn)品而言將 溫度緩慢地升高過(guò)熱解溫度范圍可能會(huì)抑制巖層中長(zhǎng)鏈分子的移動(dòng)。 對(duì)于期望的產(chǎn)品而言將溫度緩慢地升高過(guò)熱解溫度范圍可能會(huì)限制產(chǎn) 生不希望產(chǎn)品的流動(dòng)烴之間的反應(yīng)。對(duì)于期望的產(chǎn)品而言將巖層溫度 緩慢地升高過(guò)熱解溫度范圍可能會(huì)允許由巖層生產(chǎn)高質(zhì)量、高API重 度的烴。對(duì)于期望的產(chǎn)品將巖層溫度緩慢地升高過(guò)熱解溫度范圍可能 會(huì)允許將巖層中出現(xiàn)的大量烴作為烴產(chǎn)品移走。
在一些現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)變的實(shí)施例中，代替緩慢地將溫度加熱過(guò)一個(gè)溫度 范圍， 一部分巖層被加熱至期望的溫度。在一些實(shí)施例中，期望溫度 是300。C、 325。C或35(TC。其它溫度也可選擇為期望溫度。來(lái)自熱源 的熱的疊加允許在巖層中相對(duì)快速且有效地形成期望溫度?？烧{(diào)節(jié)從 熱源至巖層的能量輸入以維持巖層中的溫度基本上處于期望溫度。巖 層的被加熱部分基本上維持在期望溫度直到熱解下降以致于由巖層生 產(chǎn)期望巖層流體變得不經(jīng)濟(jì)。受到熱解的巖層部分可包括被僅從一個(gè) 熱源傳遞的熱帶入熱解溫度范圍的區(qū)域。
在某些實(shí)施例中，包括熱解流體的巖層流體從巖層生產(chǎn)。隨著巖 層的溫度增大，產(chǎn)生的巖層流體中可凝結(jié)烴的量可降低。在高溫下， 巖層大多產(chǎn)生甲烷和/或氫。如果含烴巖層被加熱過(guò)整個(gè)熱解范圍，巖 層可僅產(chǎn)生朝向熱解范圍上限的少量氫。在所有可用氫耗盡之后，通 常將發(fā)生巖層最少量的流體生產(chǎn)。
在烴熱解之后，大量碳和一些氫可能仍然在巖層中。殘留在巖層 中的大量碳能由巖層以合成氣的形式產(chǎn)生。合成氣產(chǎn)生可在圖l所示 第三階段加熱期間發(fā)生。第三階段可包括將含烴巖層加熱至足以允許
合成氣產(chǎn)生的溫度。例如，合成氣可在從大約400。C至大約1200°C、 大約500。C至大約1100。C或者大約550。C至大約1000。C的溫度范圍中 產(chǎn)生。巖層被加熱部分在合成氣產(chǎn)生流體被引入巖層時(shí)的溫度決定了 巖層中產(chǎn)生的合成氣的組分。產(chǎn)生的合成氣可通過(guò)生產(chǎn)井從巖層中移 走。
從含烴巖層生產(chǎn)的流體的總內(nèi)能可在熱解和合成氣生產(chǎn)過(guò)程中保 持相對(duì)恒定。在相對(duì)低巖層溫度下熱解期間，所產(chǎn)生流體的相當(dāng)部分 可能是具有高內(nèi)能的可凝結(jié)烴。然而，在較高的熱解溫度下，較少的 巖層流體可能包括可凝結(jié)烴。更多不可凝結(jié)的巖層流體可以從巖層中 生產(chǎn)。所產(chǎn)生流體的每單位體積內(nèi)能在支配性的不可凝結(jié)巖層流體產(chǎn) 生期間可能會(huì)稍微降低。在合成氣產(chǎn)生期間，所產(chǎn)生合成氣的每單位 體積內(nèi)能與熱解流體的內(nèi)能相比顯著降低。然而，所產(chǎn)生合成氣的體 積在很多情況下將顯著增大，從而補(bǔ)償降低的內(nèi)能。
圖2示出了用于處理含烴巖層的現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)變系統(tǒng)的一部分的一個(gè)實(shí) 施例的示意圖。現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)變系統(tǒng)可包括阻擋層井(barrier well) 200。阻 擋層井200用來(lái)在處理區(qū)域周圍形成阻擋層。阻擋層防止流體流入和/ 或流出處理區(qū)域。阻擋層井包括但不限于去水井、負(fù)壓井、捕獲井、 噴射井、灰漿井、凍結(jié)井、或其組合。在圖2所示的實(shí)施例中，阻擋 層井200示出為僅沿著熱源202的一側(cè)延伸，但是阻擋層井通常圍繞 所有用來(lái)或?qū)⒁脕?lái)加熱巖層處理區(qū)域的熱源202。
熱源202布置在至少一部分巖層中。熱源202可包括加熱器，比 如絕緣導(dǎo)體、管道中導(dǎo)體式加熱器、地面燃燒器、無(wú)焰分布燃燒器、 和/或自然分布燃燒器。熱源202還可包括其它類型的加熱器。熱源202 將熱提供給至少一部分巖層以加熱巖層中的烴。能量可通過(guò)供應(yīng)管線 204供應(yīng)至熱源202。供應(yīng)管線204可根據(jù)用來(lái)加熱巖層的熱源的類型 而在結(jié)構(gòu)上不同。用于熱源的供應(yīng)管線204可為電加熱器傳遞電能、
可為燃燒器輸送燃料、或者可輸送在巖層中循環(huán)的熱交換流體。生產(chǎn)井206用來(lái)將巖層流體從巖層中移走。在一些實(shí)施例中，生 產(chǎn)井206可包括一個(gè)或多個(gè)熱源。生產(chǎn)井中的熱源可加熱生產(chǎn)井處或 生產(chǎn)井附近巖層的一個(gè)或多個(gè)部分。生產(chǎn)井中的熱源可抑制從巖層中 移走的巖層流體的凝結(jié)和回流。由生產(chǎn)井206生產(chǎn)的巖層流體可通過(guò)收集管道208輸送至處理設(shè) 施210。巖層流體還可由熱源202生產(chǎn)。例如，流體可由熱源202生 產(chǎn)以控制熱源附近巖層中的壓力。由熱源202生產(chǎn)的流體可通過(guò)管道 或管線輸送至收集管道208或者所生產(chǎn)的流體可通過(guò)管道或管線直接 輸送至處理設(shè)施210。處理設(shè)施210可包括分離單元、反應(yīng)單元、濃 縮單元、燃料電池、渦輪機(jī)、存儲(chǔ)容器和/或用于對(duì)所產(chǎn)生的巖層流體 進(jìn)行處理的其它系統(tǒng)和單元。限溫加熱器可以由在某些溫度下為加熱器提供自動(dòng)溫度限制性質(zhì) 的材料構(gòu)造和/或包括所述材料。在某些實(shí)施例中，鐵磁性材料用于限 溫加熱器中。當(dāng)時(shí)間變化電流施加至鐵磁性材料時(shí)，鐵磁性材料可在 材料的居里溫度處或附近自限制溫度，以提供居里溫度處或附近的減 少量的熱。在某些實(shí)施例中，鐵磁性材料可在接近居里溫度的選定溫 度處自限制限溫加熱器的溫度。在某些實(shí)施例中，選定溫度處于居里 溫度的大約35。C內(nèi)、大約25。C內(nèi)、大約20。C內(nèi)或者大約10。C內(nèi)。在 某些實(shí)施例中，鐵磁性材料與其它材料(例如，高傳導(dǎo)性材料、高強(qiáng) 度材料、耐腐蝕材料、或其組合)相結(jié)合以提供不同的電氣和/或機(jī)械 性質(zhì)。限溫加熱器的一些部分可具有比限溫加熱器的其它部分要低的 電阻(由于不同幾何形狀和/或由于使用不同鐵磁性和/或非鐵磁性材料 所導(dǎo)致)。使限溫加熱器的各部分具有不同材料和/或尺寸允許由加熱 器的每個(gè)部分設(shè)計(jì)期望的熱輸出。限溫加熱器比其它加熱器更加可靠。限溫加熱器不易于由于巖層 中的熱點(diǎn)而破壞或出故障。在一些實(shí)施例中，限溫加熱器允許巖層基 本上一致地加熱。在一些實(shí)施例中，限溫加熱器能通過(guò)沿著加熱器的 全部長(zhǎng)度以較高的平均熱輸出操作而更有效地加熱巖層。限溫加熱器 沿著加熱器的全部長(zhǎng)度以較高的平均熱輸出操作，因?yàn)槿绻刂訜?器任何點(diǎn)的溫度超過(guò)或者將要超過(guò)加熱器的最大操作溫度的話加熱器 的動(dòng)力無(wú)需如同典型的恒定瓦特加熱器那樣降低至整個(gè)加熱器。在沒(méi) 有施加至加熱器的時(shí)間變化電流的受控調(diào)節(jié)的情況下，從限溫加熱器 的接近加熱器居里溫度的部分輸出的熱自動(dòng)地降低。熱輸出由于限溫 加熱器的部分的電性質(zhì)(例如電阻)方面的變化而自動(dòng)地降低。因而， 在更大部分的加熱工藝期間，限溫加熱器供應(yīng)更多的動(dòng)力。在某些實(shí)施例中，包括限溫加熱器的系統(tǒng)最初提供第 一 熱輸出并 且然后當(dāng)限溫加熱器被時(shí)間變化的電流所激勵(lì)時(shí)在加熱器的電阻部分 的居里溫度附近、居里溫度處或居里溫度之上提供降低的熱輸出(第 二熱輸出)。第一熱輸出是在以下溫度時(shí)的熱輸出，即低于該溫度限 溫加熱器開(kāi)始自限制。在一些實(shí)施例中，第一熱輸出是溫度為限溫加熱器中鐵磁性材料的居里溫度之下50°C、 75°C、 IO(TC或125。C處的熱輸出。限溫加熱器可由在井口處供應(yīng)的時(shí)間變化電流(交流或調(diào)制直流) 所激勵(lì)。井口可包括動(dòng)力源和用于將動(dòng)力供應(yīng)至限溫加熱器的其它部 件(例如調(diào)制部件、變壓器和/或電容器)。限溫加熱器可以是用來(lái)加 熱一部分巖層的很多加熱器之一。在某些實(shí)施例中，限溫加熱器包括在有時(shí)間變化的電流施加于其 上時(shí)用作集膚效應(yīng)或鄰近效應(yīng)加熱器的導(dǎo)體。集膚效應(yīng)限制了電流穿 透入導(dǎo)體內(nèi)部的深度。對(duì)于鐵磁性材料，集膚效應(yīng)由導(dǎo)體的導(dǎo)磁率支 配。鐵磁性材料的相對(duì)導(dǎo)磁率通常介于10和1000之間(例如，鐵磁 性材料的相對(duì)導(dǎo)》茲率通常至少為10并且可以至少為50、 100、 500、 1000或更大)。當(dāng)鐵磁性材料的溫度升高至高于居里溫度和/或當(dāng)所施 加的電流增大時(shí)，鐵磁性材料的導(dǎo)磁率顯著降低并且透入深度迅速擴(kuò) 展(例如，透入深度擴(kuò)展為導(dǎo)磁率的平方根倒數(shù))。導(dǎo)磁率的降低導(dǎo) 致居里溫度處、附近或之上和/或在施加的電流增大時(shí)導(dǎo)體的AC或調(diào) 制DC電阻降低。當(dāng)限溫加熱器被基本上恒定的電源所激勵(lì)時(shí)，接近、 達(dá)到或高于居里溫度的加熱器部分可具有降低的熱消散。限溫加熱器
不處于居里溫度或其附近的部分可由允許加熱器的熱消散由于較高的 電阻負(fù)載而很高的集膚效應(yīng)加熱所支配。使用限溫加熱器來(lái)加熱巖層中的烴的優(yōu)點(diǎn)在于，導(dǎo)體被選擇為具 有處于期望操作溫度范圍內(nèi)的居里溫度。期望操作溫度范圍內(nèi)的操作 允許顯著的熱噴射入巖層同時(shí)維持限溫加熱器和其它設(shè)備的溫度低于 設(shè)計(jì)限制溫度。設(shè)計(jì)限制溫度是比如腐蝕、蠕變和/或變形之類的性質(zhì) 受到不利影響的溫度。限溫加熱器的溫度限制性質(zhì)防止了加熱器在巖 層的低導(dǎo)熱率"熱點(diǎn)"附近的過(guò)熱或燒毀。在一些實(shí)施例中，限溫加熱器能降低或控制熱輸出和/或經(jīng)受得住溫度高于25°C、 37°C、 100°C、 250°C、 500°C、 700°C、 800°C、 900°C、或高達(dá)1131。C處的熱，這取決 于加熱器中使用的材料。與恒定瓦特的加熱器相比，限溫加熱器允許更多的熱噴射入巖層， 原因是輸入限溫加熱器的能量無(wú)需受限以適應(yīng)于加熱器附近的低導(dǎo)熱 率區(qū)域。例如，在格林河油頁(yè)巖中，最低富油頁(yè)巖層和最高富油頁(yè)巖 層的導(dǎo)熱率存在著因數(shù)至少為3的差別。在加熱這種巖層時(shí)，與受限 于低導(dǎo)熱率層的溫度的常規(guī)加熱器相比，限溫加熱器明顯將更多的熱 輸送至巖層。沿著常規(guī)加熱器全部長(zhǎng)度的熱輸出需要適應(yīng)于低導(dǎo)熱率 層以使得加熱器不會(huì)在低導(dǎo)熱率層處過(guò)熱并燒毀。對(duì)于限溫加熱器， 處于高溫的低導(dǎo)熱率層附近的熱輸出將降低；但是限溫加熱器不處于 高溫的其余部分將仍然提供高的熱輸出。因?yàn)橛糜诩訜釤N巖層的加熱 器通常具有4艮長(zhǎng)的長(zhǎng)度(例如至少10m、 100m、 300m、至少500m、 lkm或高達(dá)大約10km)，限溫加熱器的長(zhǎng)度的主要部分可在低于居 里溫度之下操作同時(shí)僅幾個(gè)部分處于限溫加熱器的居里溫度處或附 近。使用限溫加熱器使得熱有效地輸送至巖層。熱的有效輸送使得將 巖層加熱至期望溫度所需的時(shí)間減少。對(duì)于相同的加熱器間隔，限溫 加熱器可允許更大的平均熱輸出同時(shí)維持加熱器設(shè)備的溫度低于設(shè)備 的設(shè)計(jì)限制溫度。與恒定瓦特加熱器的較低平均熱輸出相比，巖層中 的熱解在由限溫加熱器所提供的較大平均熱輸出之下可在較早的時(shí)間 發(fā)生。限溫加熱器抵消由于加熱器井太靠近的不準(zhǔn)確井間隔或鉆孔所 引起的熱點(diǎn)。在某些實(shí)施例中，限溫加熱器允許對(duì)于間隔太遠(yuǎn)的加熱 器井而言一段時(shí)間之后增大的動(dòng)力輸出，或者對(duì)于間隔太近的加熱器 井而言受限的動(dòng)力輸出。限溫加熱器還在靠近蓋層和下伏巖層的區(qū)域 中供應(yīng)更大的動(dòng)力以補(bǔ)償這些區(qū)域的溫度損失。限溫加熱器有利地可用于很多類型的巖層中。例如，在瀝青砂巖 層或相對(duì)可滲透的含重質(zhì)烴的巖層中，限溫加熱器可用來(lái)提供可控的 低溫輸出以降低流體的粘度、移動(dòng)流體、和/或改進(jìn)流體在井筒處或附 近或者在巖層中的徑向流動(dòng)。限溫加熱器可用來(lái)抑制由于巖層的靠近 井筒區(qū)域的過(guò)熱而導(dǎo)致過(guò)度的生焦形成。在 一 些實(shí)施例中，限溫加熱器的使用避免或降低了對(duì)于昂貴溫度 控制電路的需要。例如，限溫加熱器的使用避免或降低了執(zhí)行溫度記 錄的需要和/或在加熱器上使用固定熱電偶來(lái)監(jiān)控?zé)狳c(diǎn)處潛在過(guò)熱的 需要。在一些實(shí)施例中，限溫加熱器就制造而言比標(biāo)準(zhǔn)加熱器更加經(jīng)濟(jì)。 典型的鐵磁性材料包括鐵、碳鋼、或鐵素體不銹鋼。這些材料與通常 用于絕緣導(dǎo)體(礦物絕緣電纜)加熱器中的鎳基合金電熱絲(比如鎳鉻合金、KanthalTM (Bulten-Kanthal AB,瑞典)、和/或LOHMTM (Driver-Harris 7>司，Harrison, New Jersey,美國(guó)))相比4艮^f更宜。 在限溫加熱器的一個(gè)實(shí)施例中，限溫加熱器以連續(xù)的長(zhǎng)度制造為絕緣 導(dǎo)體加熱器以降低成本并改進(jìn)可靠性。限溫加熱器可用來(lái)加熱含烴巖層，包括但不限于油頁(yè)巖、煤層、 瀝青砂巖層和重稠原油。限溫加熱器還可用于環(huán)境矯正領(lǐng)域以蒸發(fā)或 破壞土壤污染。限溫加熱器的實(shí)施例可用來(lái)加熱井筒或海底管線中的 流體以抑制石蠟或各種水合物的沉積。在一些實(shí)施例中，限溫加熱器 用于地下巖層(例如，油頁(yè)巖或煤層)的溶液采礦。在某些實(shí)施例中， 流體(例如，熔融的鹽)布置在井筒中并用限溫加熱器來(lái)加熱以抑制 井筒的變形和/或塌陷。在一些實(shí)施例中，限溫加熱器附著至井筒中的 抽油桿或者是抽油桿本身的部件。在一些實(shí)施例中，限溫加熱器用來(lái)
加熱井筒附近區(qū)域以降低高粘度原油生產(chǎn)期間和高粘度石油輸送到地 面期間井筒附近的油粘度。在一些實(shí)施例中，限溫加熱器使得能通過(guò) 在不使油焦化之下降低油的粘度來(lái)實(shí)現(xiàn)粘性油的氣體提升。限溫加熱器可用于硫輸送管線以將溫度維持在大約110。C和大約13(TC之間。限溫加熱器的某些實(shí)施例可用于要求控制在較窄溫度范圍內(nèi)的升 高溫度的化學(xué)或精煉工藝以抑制不希望的化學(xué)反應(yīng)或由于局部溫度升 高所引起的損害。 一些應(yīng)用可包括但不限于反應(yīng)管、煉焦器和蒸餾塔。 限溫加熱器還可用于污染控制設(shè)備(例如催化轉(zhuǎn)化器和氧化器)以允許在沒(méi)有復(fù)雜溫度控制電路之下快速加熱至控制溫度。另外，限溫加 熱器可用于食品處理中以避免過(guò)度的溫度損害食品。限溫加熱器還可 用于金屬的熱處理(例如，焊點(diǎn)的退火)。限溫加熱器還可用于地龍 式加熱器、腐蝕器和/或各種其它器具。限溫加熱器可與活體組織穿刺 針一起使用來(lái)通過(guò)升高體內(nèi)的溫度消滅腫瘤。限溫加熱器的一些實(shí)施例可用于某些類型的醫(yī)學(xué)和/或獸醫(yī)設(shè)備 中。例如，限溫加熱器可用來(lái)治療性地處理人類或動(dòng)物的組織。用于 醫(yī)學(xué)或獸醫(yī)設(shè)備的限溫加熱器可具有鐵磁性材料，包括居里溫度為大 約50。C的鈀銅合金。高的頻率(例如大于大約lMHz的頻率)可用來(lái) 驅(qū)動(dòng)用于醫(yī)學(xué)和/或獸醫(yī)用途的相對(duì)小的限溫加熱器。用于限溫加熱器的鐵磁性合金決定加熱器的居里溫度。各種金屬 的居里溫度數(shù)據(jù)列在"美國(guó)物理學(xué)會(huì)手冊(cè)"(第二版，McGraw-Hill) 的5-170到5-176頁(yè)中。鐵磁性導(dǎo)體可包括一種或多種鐵磁性元素(鐵、 鈷和鎳)和/或這些元素的合金。在一些實(shí)施例中，鐵磁性導(dǎo)體包括含鴒(W )的鐵鉻(Fe-Cr )合金(例如HCM12A和SAVE12 ( Sumitomo Metals Co.，日本)和/或含鉻的鐵合金(例如Fe-Cr合金、Fe-Cr-W 合金、Fe-Cr-V (釩)合金、Fe-Cr-Nb (鈮)合金)。在三種主要的 鐵磁性元件中，鐵具有大約770°C的居里溫度；鈷(Co )具有大約1131°C 的居里溫度；和鎳具有大約358。C的居里溫度。鐵鈷合金的居里溫度 高于鐵的居里溫度。例如，具有2%重量比鈷的鐵鈷合金具有大約 800。C的居里溫度；具有12。/。重量比鈷的鐵鈷合金具有大約900。C的居
里溫度；并且具有20%重量比鈷的鐵鈷合金具有大約950。C的居里溫 度。鐵鎳合金的居里溫度低于鐵的居里溫度。例如，具有20%重量比 鎳的鐵鎳合金具有大約720。C的居里溫度；并且具有60。/。重量比鎳的 鐵鎳合金具有大約560。C的居里溫度。用作合金的一些非鐵磁性元素升高鐵的居里溫度。例如，具有 5.9。/。重量比釩的鐵釩合金具有大約815。C的居里溫度。其它非鐵磁性 元素(例如碳、鋁、銅、硅和/或鉻)可與鐵或其它鐵磁性材料合金化 以降低居里溫度。升高居里溫度的非鐵磁性元素可以與降低居里溫度 的非鐵磁性元素相組合并且與鐵或其它鐵磁性材料合金化從而產(chǎn)生具 有期望居里溫度和其它期望物理和/或化學(xué)性質(zhì)的材料。在一些實(shí)施例 中，居里溫度材料是鐵氧體，比如NiFe204。在其它實(shí)施例中，居里 溫度材料是二元化合物，比如FeNb或Fe3Al。限溫加熱器的某些實(shí)施例可包括多于一種的鐵磁性材料。如果這 里所述任何情況適用于限溫加熱器中的至少 一種鐵磁性材料，這些實(shí) 施例處于這里所述實(shí)施例的范圍內(nèi)。鐵磁性性質(zhì)通常會(huì)隨著接近居里溫度而衰退。C. James Erickson 的"工業(yè)電加熱手冊(cè)"(美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)出版社，1995 )示 出了 1%碳鋼(具有1。/。重量比的碳)的典型曲線。導(dǎo)磁率的損失在高 于650。C的溫度處開(kāi)始并且傾向于在溫度超過(guò)730。C時(shí)結(jié)束。因而，自 限制溫度稍微低于鐵磁性導(dǎo)體的實(shí)際居里溫度。1%碳鋼中電流的透入 深度在室溫下為0.132cm并且在720。C處增大到0.445cm。從720。C至 730°C，透入深度急劇地增大至超過(guò)2.5cm。因而，利用1%碳鋼的限 溫加熱器的實(shí)施例在650。C和730。C之間開(kāi)始自限制。透入深度通常限定了時(shí)間變化的電流進(jìn)入導(dǎo)電材料的有效滲透深 度?？傮w上，電流密度隨著沿著導(dǎo)體的半徑從外表面至中心的距離按 指數(shù)規(guī)律地降低。電流密度為表面電流密度大約1/e之處的深度稱作 透入深度。對(duì)于直徑遠(yuǎn)大于透入深度的實(shí)心圓柱形棒，或者壁厚超過(guò) 穿透深度的空心圓柱體，透入深度S為(1) 5=1981.5* (p/ (n*f) ) 1/2 其中&=以英寸計(jì)的透入深度；p-操作溫度下的電阻率(歐姆-cm); H-相對(duì)導(dǎo)磁率；和 f二頻率(Hz)。公式1從C. James Erickson的"工業(yè)電加熱手冊(cè)"(美國(guó)電氣與電 子工程師協(xié)會(huì)出版社，1995)中獲得。對(duì)于大多數(shù)金屬而言，電阻率 (p)隨著溫度而增大。相對(duì)導(dǎo)磁率通常隨著溫度和電流而變化。其它 公式可用來(lái)估計(jì)導(dǎo)》茲率和/或透入深度關(guān)于溫度和/或電流的變化。ji對(duì) 電流的依賴源自于n對(duì)磁場(chǎng)的依賴。用于限溫加熱器的材料可以選擇來(lái)提供期望的調(diào)節(jié)比。限溫加熱 器至少可以選擇1.1:1、 2:1、 3:1、 4:1、 5:1、 10:1、 30:1或50:1的調(diào) 節(jié)比。也可以使用更大的調(diào)節(jié)比。所選擇的調(diào)節(jié)比可取決于很多因素， 包括但不限于布置限溫加熱器的巖層的類型(例如較高的調(diào)節(jié)比可用 于富和貧油頁(yè)巖層之間導(dǎo)熱率具有很大變化的油頁(yè)巖層)和/或用于井筒的材料的溫度限制(例如，加熱器材料的溫度限制)。在一些實(shí)施 例中，調(diào)節(jié)比通過(guò)將額外的銅或其它良好的電導(dǎo)體結(jié)合至鐵磁性材料 而增大(例如，加入銅以降低居里溫度之上的電阻)。限溫加熱器可在低于加熱器的居里溫度下提供最小的熱輸出(動(dòng) 力輸出)。在某些實(shí)施例中，最小的熱輸出為至少400W/m(瓦每米)、 600W/m、 700W/m、 800W/m或高達(dá)2000W/m。在加熱器一部分的溫 度接近或高于居里溫度時(shí)，限溫加熱器通過(guò)加熱器的該部分降低熱輸 出的量。降低的熱量可明顯小于低于居里溫度下的熱輸出。在一些實(shí) 施例中，降低的熱量為最多400W/m、 200W/m、 100W/m或者可接近 OW/m。限溫加熱器的AC或調(diào)制DC電阻和/或熱輸出可隨著溫度接近居 里溫度而降低，并且由于居里效應(yīng)而在居里溫度附近或之上急劇地降 低。在某些實(shí)施例中，居里溫度之上或附近的電阻或熱輸出的數(shù)值最 多為低于居里溫度的某一點(diǎn)處的電阻或熱輸出的數(shù)值的一半。在一些 實(shí)施例中，高于居里溫度或居里溫度附近的熱輸出最多為低于居里溫 度的某一點(diǎn)(例如低于居里溫度30。C、低于居里溫度40。C、低于居里 溫度50。C或者低于居里溫度100°C )處的熱輸出的90%、 70%、 50%、 30%、 20%、 10%或更少(低到1%)。在某些實(shí)施例中，高于居里 溫度或居里溫度附近的電阻降低至低于居里溫度的某一點(diǎn)(例如低于 居里溫度30。C、低于居里溫度40°C、低于居里溫度5(TC或者低于居 里溫度100°C )處的電阻的80%、 70%、 60%、 50%或更少(低到1%)。在一些實(shí)施例中，調(diào)節(jié)AC頻率以改變鐵磁性材料的透入深度。 例如，1%碳鋼室溫下的透入深度在60Hz時(shí)為0.132cm，在180Hz時(shí) 為0.0762cm，并且在440Hz時(shí)為0.046cm。由于加熱器的直徑通常大 于透入深度的兩倍，所以利用更高的頻率(并且因而加熱器具有更小 的直徑)降低了加熱器成本。對(duì)于固定的幾何形狀，較高的頻率產(chǎn)生 了較高的調(diào)節(jié)比。較高頻率下的調(diào)節(jié)比通過(guò)用較低頻率下的調(diào)節(jié)比與 較高頻率除以較低頻率的平方根相乘來(lái)計(jì)算。在一些實(shí)施例中，使用 100Hz和1000Hz之間、140Hz和200Hz之間或者400Hz和600Hz之 間的頻率(例如180Hz、 540Hz或720Hz)。在一些實(shí)施例中，可使 用高的頻率。頻率可大于1000Hz。在某些實(shí)施例中，調(diào)制DC(例如削波DC、波形調(diào)制DC、或循 環(huán)DC)可用來(lái)將電能提供給限溫加熱器。DC調(diào)制器或DC削波器可 結(jié)合至DC電源以便提供調(diào)制的直流輸出。在一些實(shí)施例中，DC電源 可包括用于調(diào)制DC的裝置。DC調(diào)制器的一個(gè)例子是DC至DC轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)。DC至DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是現(xiàn)有技術(shù)中公知的。DC通常被調(diào)制或削 波成期望的波形。用于DC調(diào)制的波形包括方波、正弦波、變形正弦 波、變形方波、三角形和其它規(guī)則或不規(guī)則波形，但不限于此。調(diào)制DC波形通常限定了調(diào)制DC的頻率。因而，調(diào)制DC波形 可選擇來(lái)提供期望的調(diào)制DC頻率。調(diào)制DC波形的形狀和/或調(diào)制速 率(比如削波速率)可以改變以改變調(diào)制DC頻率。DC可在高于通常 可用AC頻率的頻率下^皮調(diào)制。例如，調(diào)制DC可在至少lOOOHz的頻 率下提供。將供應(yīng)電流的頻率增大至較高數(shù)值有利地增大了限溫加熱 器的調(diào)節(jié)比。 改變調(diào)制DC波形以變化調(diào)制DC的頻 率。DC調(diào)節(jié)器能在限溫加熱器的使用期間的任何時(shí)間在高電流或高 壓之下調(diào)節(jié)或改變調(diào)制DC波形。因而，提供給限溫加熱器的調(diào)制DC 并不限于單一頻率或者甚至一小組的頻率值。使用DC調(diào)制器的波形 選擇通常允許寬范圍的調(diào)制DC頻率和調(diào)制DC頻率的離散控制。因 而，調(diào)制DC頻率更易于設(shè)置在一個(gè)明確的值而AC頻率通常限制為 供電頻率的倍數(shù)。調(diào)制DC頻率的離散控制允許對(duì)于限溫加熱器的調(diào) 節(jié)比更加選擇性的控制。能選擇性的控制限溫加熱的調(diào)節(jié)比允許更寬 范圍的材料用于限溫加熱器的設(shè)計(jì)和構(gòu)造中。在某些實(shí)施例中，限溫加熱器包括具有鐵磁性管和非鐵磁性的高 電導(dǎo)率芯部的復(fù)合導(dǎo)體。非鐵磁性的高電導(dǎo)率芯部降低了導(dǎo)體的所需 直徑。芯部或非鐵磁性的導(dǎo)體可以是銅或銅合金。芯部或非鐵磁性的 導(dǎo)體還可由具有低電阻率和接近1的相對(duì)導(dǎo)磁率的其它金屬(例如， 基本上非鐵磁性的材料，比如鋁和鋁合金、磷青銅、鈹銅合金和/或黃 銅)制成。復(fù)合導(dǎo)體允許限溫加熱器的電阻在居里溫度附近更劇烈地 降低。隨著透入深度在居里溫度附近增大以包括銅芯部，電阻非常劇 烈地降低。復(fù)合導(dǎo)體可增大限溫加熱器的電導(dǎo)率和/或允許加熱器在較低的電壓下運(yùn)行。在一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體在低于復(fù)合導(dǎo)體的鐵磁性導(dǎo) 體的居里溫度附近區(qū)域的溫度處具有相對(duì)平的電阻-溫度曲線。在一 些實(shí)施例中，限溫加熱器具有介于100。C和750。C之間或介于300。C和 600。C之間的相對(duì)平的電阻-溫度曲線。相對(duì)平的電阻-溫度曲線也可 通過(guò)調(diào)節(jié)例如限溫加熱器中的材料和/或材料的配置而顯示在其它溫 度范圍中。在某些實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體中每種材料的相對(duì)厚度選擇得 使得為限溫加熱器產(chǎn)生期望的電阻-溫度曲線。在某些實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體中每種材料的相對(duì)厚度選擇得使得為 限溫加熱器產(chǎn)生期望的電阻-溫度曲線。復(fù)合導(dǎo)體(例如，復(fù)合內(nèi)層導(dǎo)體或復(fù)合外層導(dǎo)體)可通過(guò)包括但 不限于以下方法的方法來(lái)制造共擠、滾軋成形、緊密配合裝管(例 如冷卻內(nèi)部元件并加熱外部元件；然后將內(nèi)部元件插入外部元件；此 后進(jìn)行拉拔操作和/或允許系統(tǒng)冷卻)、爆炸或電磁包覆、電弧覆蓋焊 接、縱條焊接、等離子粉末焊接、坯段共擠、電鍍、拉拔、濺射、等 離子沉積、共擠鑄造、磁性成形、熔融柱體鑄造(內(nèi)芯部材料在外芯 部材料內(nèi)或者相反)、插入之后進(jìn)行焊接或高溫蒸、屏蔽活性氣體焊 接(SAG)、和/或?qū)?nèi)管插入外管中之后通過(guò)液壓成形或使用生鐵來(lái) 機(jī)械地?cái)U(kuò)張內(nèi)管以相對(duì)于外管擴(kuò)張和鍛造內(nèi)管。在一些實(shí)施例中，鐵 磁性導(dǎo)體編織在非鐵磁性導(dǎo)體上。在某些實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)體利用類 似于用于包覆的那些方法來(lái)形成(例如，用銅包覆鋼)。銅包覆層和 基體鐵磁性材料之間的冶金結(jié)合可以是有利的。通過(guò)形成良好冶金結(jié) 合(例如銅和446不銹鋼之間的良好結(jié)合)的共擠工藝產(chǎn)生的復(fù)合導(dǎo) 體可由Anomet Products, Inc.(美國(guó)麻薩諸塞州Shrewsbury)提供。圖3-5示出了限溫加熱器的各種實(shí)施例。這些附圖中任何一個(gè)所 示的限溫加熱器的實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)特點(diǎn)可與這些附圖所示的限溫 加熱器的其它實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)特點(diǎn)相組合。在這里所述的某些實(shí) 施例中，限溫加熱器的尺寸設(shè)計(jì)為在60Hz頻率的AC下運(yùn)行。要理 解到，限溫加熱器的尺寸可由這里所述的那些進(jìn)行調(diào)節(jié)以使得限溫加 熱器能以類似的方式在其它AC頻率下或者在調(diào)制DC電流下運(yùn)行。的限溫加熱器而言，大部分電流以磁場(chǎng)(H)與磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)高度 非線性的函數(shù)流過(guò)材料。這些非線性的函數(shù)會(huì)引起導(dǎo)致限溫加熱器在 低于居里溫度的溫度處功率因數(shù)降低的強(qiáng)烈感應(yīng)效應(yīng)和畸變。這些效 應(yīng)會(huì)導(dǎo)致限溫加熱器的電力供應(yīng)難以控制并且會(huì)導(dǎo)致額外的電流流過(guò) 表面和/或加重電源導(dǎo)體的負(fù)栽。昂貴的和/或難以施加控制的系統(tǒng)(比 如可變電容器或調(diào)制電源)可用來(lái)試圖補(bǔ)償這些效應(yīng)并控制其中大多 電阻性熱輸出由流過(guò)鐵磁性材料的電流所提供的限溫加熱器。在某些限溫加熱器的實(shí)施例中，鐵磁性導(dǎo)體限定了在限溫加熱器 低于鐵磁性導(dǎo)體的居里溫度或在該溫度附近時(shí)通過(guò)結(jié)合至鐵磁性導(dǎo)體 的電導(dǎo)體的大部分電流。電導(dǎo)體可以是護(hù)套、外套、支撐元件、耐腐
蝕元件或者其它電阻性元件。在一些實(shí)施例中，鐵磁性導(dǎo)體限定了流 到定位在最外層和鐵磁性導(dǎo)體之間的電導(dǎo)體的大部分電流。鐵磁性導(dǎo) 體定位在限溫加熱器的橫截面中以使得鐵磁性導(dǎo)體在低于居里溫度或 處于該溫度時(shí)的磁性限制了流到電導(dǎo)體的大部分電流。大部分電流由 于鐵磁性導(dǎo)體的集膚效應(yīng)而限制至電導(dǎo)體。因而，大部分電流在加熱 器的大多操作范圍中以基本上線性的電阻性質(zhì)流過(guò)材料。在某些實(shí)施例中，鐵磁性導(dǎo)體和電導(dǎo)體定位在限溫加熱器的橫截 面中以使得鐵磁性導(dǎo)體在低于居里溫度的溫度時(shí)的集膚效應(yīng)限制了電 導(dǎo)體和鐵磁性導(dǎo)體中的電流的穿透深度。因而，電導(dǎo)體在溫度達(dá)到鐵 磁性導(dǎo)體的居里溫度處或附近提供了限溫加熱器大多的電阻性熱輸 出。在某些實(shí)施例中，電導(dǎo)體的尺寸可選擇為提供期望的熱輸出性質(zhì)。因?yàn)榇蟛糠蛛娏髁鬟^(guò)低于居里溫度的電導(dǎo)體，限溫加熱器具有一 個(gè)電阻-溫度曲線，這個(gè)曲線至少部分地反映了電導(dǎo)體中材料的電阻 -溫度曲線。因而，如果電導(dǎo)體中的材料具有基本上線性的電阻-溫 度曲線，限溫加熱器的電阻-溫度曲線在低于鐵磁性導(dǎo)體的居里溫度 時(shí)為基本上線性的。限溫加熱器的電阻很少或根本不依賴于流過(guò)加熱 器的電流直到溫度接近居里溫度。大部分電流在低于居里溫度時(shí)在電 導(dǎo)體中流動(dòng)而非在鐵磁性導(dǎo)體中流動(dòng)。其中大部分電流在電導(dǎo)體中流動(dòng)的限溫加熱器的電阻-溫度曲線降低。在居里溫度附近或該溫度處電阻的更劇烈降低比居里溫度附近 更漸進(jìn)的電阻降低更易于控制。在某些實(shí)施例中，電導(dǎo)體中的材料和/或材料的尺寸選擇為使得限 溫加熱器在低于鐵磁性導(dǎo)體的居里溫度時(shí)具有期望的電阻-溫度曲 線。其中大部分電流在低于居里溫度時(shí)在電導(dǎo)體中流動(dòng)而非在鐵磁性 導(dǎo)體中流體的限溫加熱器更易于預(yù)測(cè)和/或控制。其中大部分電流在低 于居里溫度時(shí)在電導(dǎo)體中流動(dòng)而非在鐵磁性導(dǎo)體中流動(dòng)的限溫加熱器 的活動(dòng)可以通過(guò)例如其電阻-溫度曲線和/或其功率因數(shù)-溫度曲線
來(lái)預(yù)測(cè)。電阻-溫度曲線和/或功率因數(shù)-溫度曲線可通過(guò)例如估計(jì)限 溫加熱器活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量、估計(jì)或預(yù)測(cè)限溫加熱器活動(dòng)的分析公式和/ 或估計(jì)或預(yù)測(cè)限溫加熱器活動(dòng)的模擬來(lái)估計(jì)或預(yù)測(cè)。在某些實(shí)施例中，估計(jì)或預(yù)測(cè)限溫加熱器的活動(dòng)用來(lái)控制限溫加 熱器。限溫加熱器可基于加熱器運(yùn)行期間電阻和/或功率因數(shù)的測(cè)量 (估計(jì))來(lái)進(jìn)行控制。在一些實(shí)施例中，供應(yīng)至限溫加熱器的動(dòng)力或電 流基于加熱器運(yùn)行期間電阻和/或功率因數(shù)的估計(jì)以及將這個(gè)估計(jì)與 加熱器的預(yù)期活動(dòng)相比較來(lái)進(jìn)行控制。在某些實(shí)施例中，限溫加熱器 在沒(méi)有測(cè)量加熱器溫度或加熱器附近溫度之下進(jìn)行控制。在沒(méi)有溫度 測(cè)量之下控制限溫加熱器避免了與井下溫度測(cè)量相關(guān)的操作成本。與 基于測(cè)量溫度控制加熱器相比，基于加熱器的電阻和/或功率因數(shù)的估 計(jì)來(lái)控制限溫加熱器還降低了對(duì)供應(yīng)至加熱器的動(dòng)力或電流進(jìn)行調(diào)節(jié) 的時(shí)間。在限溫加熱器的溫度接近或超過(guò)鐵磁性導(dǎo)體的居里溫度時(shí)，鐵磁 性導(dǎo)體中鐵磁性的降低允許電流流過(guò)限溫加熱器更大部分的導(dǎo)電橫截 面。因而，在鐵磁性導(dǎo)體的居里溫度處或附近，限溫加熱器的電阻降 低并且限溫加熱器自動(dòng)地提供降低的熱輸出。在某些實(shí)施例中，高導(dǎo) 電的元件結(jié)合至鐵磁性導(dǎo)體和電導(dǎo)體以降低限溫加熱器在鐵磁性導(dǎo)體 的居里溫度處或高于該溫度時(shí)的電阻。高導(dǎo)電的元件可以是內(nèi)層導(dǎo)體、 芯部、或者銅、鋁、鎳或其合金的另一導(dǎo)體元件。與在達(dá)到居里溫度或該溫度附近使用鐵磁性導(dǎo)體來(lái)提供大多電阻 性熱輸出的限溫加熱器中的鐵磁性導(dǎo)體相比，在溫度低于居里溫度時(shí) 將大部分電流限制至電導(dǎo)體的鐵磁性導(dǎo)體可具有相對(duì)小的橫截面。使 用電導(dǎo)體在低于居里溫度時(shí)提供大多電阻性熱輸出的限溫加熱器在溫 度低于居里溫度時(shí)具有低的磁感應(yīng)系數(shù)，因?yàn)榕c其中低于居里溫度時(shí) 大多電阻性熱輸出由鐵磁性材料提供的限溫加熱器相比，較少的電流流過(guò)鐵磁性導(dǎo)體。鐵磁性導(dǎo)體半徑(r)處的磁場(chǎng)(H)與流過(guò)鐵磁性 導(dǎo)體和芯部的電流(I)除以半徑成正比，或者 (2) H^I/r 由于對(duì)于使用外層導(dǎo)體來(lái)在低于居里溫度時(shí)提供大多電阻性熱輸 出的限溫加熱器而言僅一部分電流流過(guò)鐵磁性導(dǎo)體，限溫加熱器的磁 場(chǎng)可明顯小于其中大部分電流流過(guò)鐵磁性材料的限溫加熱器的磁場(chǎng)。 對(duì)于小磁場(chǎng)而言，相對(duì)導(dǎo)磁率(H)可很大。鐵磁性導(dǎo)體的透入深度(5 )與相對(duì)導(dǎo)磁率(ji)的平方根成反比 (3) (1/n) 1/2增大相對(duì)導(dǎo)磁率會(huì)降低鐵磁性導(dǎo)體的透入深度。然而，因?yàn)閷?duì)于 低于居里溫度的溫度而言僅一部分電流流過(guò)鐵磁性導(dǎo)體，對(duì)于相對(duì)導(dǎo) 磁率較大的鐵磁性材料而言，鐵磁性導(dǎo)體的半徑(或厚度)可降低以 補(bǔ)償降低的透入深度同時(shí)仍然允許集膚效應(yīng)以限制在溫度低于鐵磁性 導(dǎo)體的居里溫度處電導(dǎo)體的電流穿透深度。鐵磁性導(dǎo)體的半徑(厚度) 可以介于0.3mm和8mm之間、0.3mm和2mm之間、或者2mm和 4mm之間，這取決于鐵磁性導(dǎo)體的相對(duì)導(dǎo)磁率。降低鐵磁性導(dǎo)體的厚 度會(huì)降低限溫加熱器的制造成本，因?yàn)殍F磁性材料的成本傾向于是限 溫加熱器的成本的主要部分。在鐵磁性導(dǎo)體的居里溫度處或附近，增 大鐵磁性導(dǎo)體的相對(duì)導(dǎo)磁率為限溫加熱器提供了更高的調(diào)節(jié)比和電阻 的更劇烈降低。相對(duì)導(dǎo)i茲率較高(例如至少200、至少1000、至少lxl(^或者至 少lxl05)和/或居里溫度較高(例如至少600°C、至少700。C或者至少 800。C )的鐵磁性材料(比如純鐵或鐵鈷合金)傾向于在高溫下具有較 小的耐腐蝕性和/或較小的機(jī)械強(qiáng)度。電導(dǎo)體可為限溫加熱器提供高溫 下的耐腐蝕性和/或高的機(jī)械強(qiáng)度。因而，鐵磁性導(dǎo)體可主要為其鐵磁 性進(jìn)行選擇。在低于鐵磁性導(dǎo)體的居里溫度時(shí)將大部分電流限制到電導(dǎo)體降低 了功率因數(shù)的變化。因?yàn)樵诘陀诰永餃囟葧r(shí)僅一部分電流流過(guò)鐵磁性 導(dǎo)體，鐵磁性導(dǎo)體的非線性鐵磁性質(zhì)對(duì)于限溫加熱器的功率因數(shù)影響 很小或根本沒(méi)有，除了在居里溫度處或附近。即使在居里溫度處或附溫加熱器相比，對(duì)功率因數(shù)的影響也降低。因而，很少需要或者根本 不需要外部補(bǔ)償(例如可變電容器或波形調(diào)制)來(lái)調(diào)節(jié)限溫加熱器的 感應(yīng)負(fù)載中的變化以維持相對(duì)高的功率因數(shù)。在某些實(shí)施例中，在低于鐵磁性導(dǎo)體的居里溫度時(shí)將大部分電流 限制到電導(dǎo)體的限溫加熱器在加熱器的使用期間維持功率因數(shù)高于0.85、高于0.9或者高于0，95。功率因數(shù)的任何降低僅在居里溫度附近 的溫度處在限溫加熱器的局部發(fā)生。限溫加熱器的大多部分在使用期 間通常不處于居里溫度處或附近。這些部分具有接近1.0的高功率因 數(shù)。整個(gè)限溫加熱器的功率因數(shù)在加熱器的使用期間維持為高于0.85、 高于0.9或者高于0.95,即使加熱器的一些部分具有低于0.85的功率 因數(shù)。維持高的功率因數(shù)還允許較便宜的電源和/或控制設(shè)備，比如固態(tài) 電源或SCR(硅控整流器)。如果功率因數(shù)由于感應(yīng)負(fù)載而變化太大， 那么這些設(shè)備可能就不能正確地運(yùn)行。然而，在功率因數(shù)維持在較高 數(shù)值時(shí)，這些設(shè)備可用來(lái)將動(dòng)力提供給限溫加熱器。固態(tài)電源還具有 允許精細(xì)調(diào)整和受控調(diào)節(jié)供應(yīng)至限溫加熱器的動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)。在一些實(shí)施例中，用變壓器來(lái)將動(dòng)力提供給限溫加熱器。變壓器 可具有多電壓接頭以將動(dòng)力提供給限溫加熱器。多電壓接頭允許供應(yīng) 的電流在多個(gè)電壓之間來(lái)回切換。這將電流維持在由多電壓接頭限制 的范圍內(nèi)。高導(dǎo)電元件或者內(nèi)層導(dǎo)體增大了限溫加熱器的調(diào)節(jié)比。在某些實(shí) 施例中，增大高導(dǎo)電元件的厚度以增大限溫加熱器的調(diào)節(jié)比。在一些 實(shí)施例中，降低電導(dǎo)體的厚度以增大限溫加熱器的調(diào)節(jié)比。在某些實(shí) 施例中，限溫加熱器的調(diào)節(jié)比介于1.1和IO之間、介于2和8之間、 或者介于3和6之間(例如調(diào)節(jié)比至少為1.1、至少為2、或者至少為 3)。在一些實(shí)施例中，用相對(duì)薄的導(dǎo)電層來(lái)在溫度達(dá)到鐵磁性導(dǎo)體的 居里溫度或者附近時(shí)提供限溫加熱器的大多電阻性熱輸出。這種限溫 加熱器可用作絕緣導(dǎo)體加熱器中的加熱元件。絕緣導(dǎo)體加熱器中的加 熱元件可位于護(hù)套內(nèi)，該護(hù)套和加熱元件之間具有絕緣層。
圖3A和3B示出了用限溫加熱器作為加熱元件的絕緣導(dǎo)體加熱器 的一個(gè)實(shí)施例的橫截面視圖。絕緣導(dǎo)體212包括芯部214、鐵磁性導(dǎo) 體216、內(nèi)層導(dǎo)體218、電絕緣體220和外殼222。芯部214是銅芯部。 鐵磁性導(dǎo)體216是例如鐵或鐵合金。內(nèi)層導(dǎo)體218是電導(dǎo)率比鐵磁性導(dǎo)體216高的非鐵磁性材料的相 對(duì)薄的導(dǎo)電層。在某些實(shí)施例中，內(nèi)層導(dǎo)體218是銅。內(nèi)層導(dǎo)體218 也可以是銅合金。銅合金通常具有比純銅更平的電阻-溫度曲線。更 平的電阻-溫度曲線可提供在達(dá)到居里溫度時(shí)作為溫度函數(shù)的熱輸出 中更小的變化。在一些實(shí)施例中，內(nèi)層導(dǎo)體218是具有6%重量比鎳 的銅(例如，CuNi6或者LOHMTM)。在一些實(shí)施例中，內(nèi)層導(dǎo)體 218是CuNilOFelMn合金。在低于鐵磁性導(dǎo)體216的居里溫度時(shí)，鐵 磁性導(dǎo)體的磁性將大部分電流限制到內(nèi)層導(dǎo)體218。因而，在低于居 里溫度時(shí)內(nèi)層導(dǎo)體218提供了絕緣導(dǎo)體212的大多電阻性熱輸出。在某些實(shí)施例中，內(nèi)層導(dǎo)體218與芯部214、鐵磁性導(dǎo)體216 — 起設(shè)計(jì)尺寸，以使得內(nèi)層導(dǎo)體提供期望的熱輸出量和期望的調(diào)節(jié)比。 例如，內(nèi)層導(dǎo)體218可具有小于芯部214橫截面積大約2至3倍的橫 截面積。通常，內(nèi)層導(dǎo)體218必須具有相對(duì)小的橫截面積以提供期望 的熱輸出，如果內(nèi)層導(dǎo)體是銅或銅合金的話。在內(nèi)層導(dǎo)體218為銅的 一個(gè)實(shí)施例中，芯部214具有0.66cm的直徑，鐵磁性導(dǎo)體216具有 0.91cm的外徑，內(nèi)層導(dǎo)體218具有1.03cm的外徑，電絕緣體220具 有1.53cm的外徑，并且外殼222具有1.79cm的外徑。在內(nèi)層導(dǎo)體218 為CuNi6的一個(gè)實(shí)施例中，芯部214具有0.66cm的直徑，鐵磁性導(dǎo) 體216具有0.91cm的外徑，內(nèi)層導(dǎo)體218具有1.12cm的外徑，電絕 緣體220具有1.63cm的外徑，并且外殼222具有1.88cm的外徑。這輸出的絕緣導(dǎo)體更小且制造成本更便宜。 、曰、 '、電絕緣體220可以是氧化鎂、氧化鋁、二氧化硅、氧化鈹、氮化 硼、氮化硅或者其組合。在某些實(shí)施例中，電絕緣體220是氧化鎂的 壓實(shí)粉末。在一些實(shí)施例中，電絕緣體220包括氮化硅顆粒。
在某些實(shí)施例中，一小層材料布置在電絕緣體220和內(nèi)層導(dǎo)體218 之間以抑制銅在高溫下遷移入電絕緣體。例如，小層鎳(例如，大約 0.5mm的鎳)可布置在電絕緣體220和內(nèi)層導(dǎo)體218之間。外套222由耐腐蝕材料制成，比如但不限于347不銹鋼、347H不 銹鋼、446不銹鋼、或者825不銹鋼。在一些實(shí)施例中，外套222在 鐵磁性導(dǎo)體216的居里溫度處或之上為絕緣導(dǎo)體212提供一定的機(jī)械 強(qiáng)度。在某些實(shí)施例中，外套222不用于傳導(dǎo)電流。在限溫加熱器的某些實(shí)施例中，三個(gè)限溫加熱器以三相Y字構(gòu)造 結(jié)合起來(lái)。將三個(gè)限溫加熱器以三相Y字構(gòu)造結(jié)合起來(lái)降低了每個(gè)限 溫加熱器中的電流，因?yàn)殡娏髟谌齻€(gè)加熱器之間劈分。降低每個(gè)限溫 加熱器中的電流允許每個(gè)加熱器具有小的直徑。低的電流允許每個(gè)限 溫加熱器中更高的相對(duì)導(dǎo)磁率，并且因此允許了更高的調(diào)節(jié)比。另外， 每個(gè)限溫加熱器無(wú)需返回電流。因而，與每個(gè)限溫加熱器具有其自己 的返回電流路徑相比，每個(gè)限溫加熱器的調(diào)節(jié)比仍然較高。在三相Y字構(gòu)造中，各個(gè)限溫加熱器可通過(guò)將每個(gè)限溫加熱器的 護(hù)套、外殼或罐短接至其終端(例如加熱器在加熱器井筒底部處的端 部)的導(dǎo)電部分(提供熱的導(dǎo)體)而結(jié)合起來(lái)。在一些實(shí)施例中，護(hù) 套、外殼、罐和/或?qū)щ姴糠纸Y(jié)合至在井筒中支撐限溫加熱器的支撐元 件。圖4A示出了用于在井筒中安裝和結(jié)合加熱器的實(shí)施例。圖4A中 的實(shí)施例示出了安裝入井筒的絕緣導(dǎo)體加熱器。其它類型的加熱器， 比如管道中導(dǎo)體式加熱器也可利用所示實(shí)施例安裝在井筒中。而且， 在圖4A中，示出了兩個(gè)絕緣導(dǎo)體212，而第三個(gè)絕緣導(dǎo)體從所示的視 圖中不可見(jiàn)。通常，三個(gè)絕緣導(dǎo)體212將結(jié)合至支撐元件224,如圖 4B所示。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐元件224是厚壁的347H管。在一些 實(shí)施例中，熱電偶或其它溫度傳感器布置在支撐元件224內(nèi)。三個(gè)絕 緣導(dǎo)體可以三相Y字構(gòu)造來(lái)結(jié)合。在圖4A中，絕緣導(dǎo)體212盤(pán)繞在巻繞管狀裝置226上。在絕緣 導(dǎo)體212從裝置226上解繞時(shí)，絕緣導(dǎo)體結(jié)合至支撐元件224。在某
些實(shí)施例中，絕緣導(dǎo)體212同時(shí)地解繞和/或同時(shí)地結(jié)合至支撐元件 224。絕緣導(dǎo)體212可利用金屬(例如304不銹鋼或Incone^合金)條 帶228結(jié)合至支撐元件224。在一些實(shí)施例中，絕緣導(dǎo)體212利用其 它類型的緊固件(比如帶扣、線夾或撳鈕)結(jié)合至支撐元件224。支 撐元件224連同絕緣導(dǎo)體212—起安裝到開(kāi)口 230中。在一些實(shí)施例 中，絕緣導(dǎo)體212在不使用支撐元件的條件下結(jié)合起來(lái)。例如， 一個(gè) 或多個(gè)條帶228可用來(lái)將絕緣導(dǎo)體212結(jié)合起來(lái)。絕緣導(dǎo)體212可在絕緣導(dǎo)體的下端處彼此電結(jié)合(例如，對(duì)于三 相Y字構(gòu)造)。在三相Y字構(gòu)造中，絕緣導(dǎo)體212在沒(méi)有電流回路的 情況下運(yùn)行。在某些實(shí)施例中，絕緣導(dǎo)體212在觸點(diǎn)區(qū)段232彼此電 結(jié)合。在區(qū)段232，護(hù)套、外殼、罐和/或?qū)щ妳^(qū)段彼此電結(jié)合和/或電 結(jié)合至支撐元件224以使得絕緣導(dǎo)體212在該區(qū)段中電結(jié)合。在某些實(shí)施例中，絕緣導(dǎo)體212的護(hù)套短接至絕緣導(dǎo)體的導(dǎo)體。 圖4C示出了護(hù)套短接至導(dǎo)體的絕緣導(dǎo)體212的一個(gè)實(shí)施例。護(hù)套222 利用終端233電結(jié)合至芯部214、鐵磁性導(dǎo)體216和內(nèi)層導(dǎo)體218。終 端233可以是位于絕緣導(dǎo)體212下端處的金屬條帶或金屬板。例如， 終端233可以是結(jié)合至護(hù)套222、芯部214、鐵磁性導(dǎo)體216和內(nèi)層導(dǎo) 體218的銅板以使得它們被短接起來(lái)。在一些實(shí)施例中，終端233被 焊接或銅焊至護(hù)套222、芯部214、鐵磁性導(dǎo)體216和內(nèi)層導(dǎo)體218。各個(gè)絕緣導(dǎo)體212的護(hù)套可短接起來(lái)以電結(jié)合絕緣導(dǎo)體的導(dǎo)體， 如圖4A和4B所示。在一些實(shí)施例中，護(hù)套可短接起來(lái)，因?yàn)樽o(hù)套彼 此間物理接觸。例如，如果護(hù)套由條帶228捆扎起來(lái)時(shí)，護(hù)套可物理 接觸。在一些實(shí)施例中，在絕緣導(dǎo)體212安裝到開(kāi)口中之前，護(hù)套的 下端在開(kāi)口 230的地面處物理地結(jié)合(例如焊接)。在某些實(shí)施例中，三個(gè)導(dǎo)體定位在單個(gè)管道內(nèi)以形成管道內(nèi)具有 三個(gè)導(dǎo)體的加熱器。圖5A和5B示出了管道內(nèi)具有三個(gè)導(dǎo)體的加熱器 的一個(gè)實(shí)施例。圖5A示出了管道內(nèi)具有三個(gè)導(dǎo)體的加熱器的自頂向 下視圖。圖5B示出了管道內(nèi)具有三個(gè)導(dǎo)體的加熱器的側(cè)視圖，其中 具有切口以示出其內(nèi)部。三個(gè)導(dǎo)體234定位在管道236內(nèi)。三個(gè)導(dǎo)體 234在管道236內(nèi)基本上均勻地間隔。在一些實(shí)施例中，三個(gè)導(dǎo)體234 以螺旋性構(gòu)造結(jié)合。一個(gè)或多個(gè)定中器238布置在每個(gè)導(dǎo)體234周圍。定中器238由 電絕緣材料制成，比如氮化硅或氮化硼。定中器238維持導(dǎo)體234在 管道236中的位置。定中器238還禁止導(dǎo)體234和管道236之間的電 接觸。在某些實(shí)施例中，定中器238沿著導(dǎo)體234的長(zhǎng)度間隔開(kāi)以使 得包圍一個(gè)導(dǎo)體的定中器與另一導(dǎo)體的定中器重疊(自頂向下視圖中 看)。這降低了每個(gè)導(dǎo)體所需的定中器數(shù)目并且允許了導(dǎo)體的緊密間 隔。在某些實(shí)施例中，三個(gè)導(dǎo)體234以三相Y字構(gòu)造結(jié)合。三個(gè)導(dǎo)體 234可以三相Y字構(gòu)造結(jié)合在加熱器的底部處或附近。在三相Y字構(gòu) 造中，管道236沒(méi)有電結(jié)合至三個(gè)導(dǎo)體234。因而，管道236可僅用 來(lái)給三個(gè)導(dǎo)體234提供強(qiáng)度和/或抑制其腐蝕。在一些實(shí)施例中，加熱系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)加熱器(例如， 一個(gè) 第一加熱器、第二加熱器和第三加熱器)、多個(gè)電絕緣體和管道。加 熱器、電絕緣體和管道可結(jié)合和/或連接起來(lái)以允許布置在地下巖層中 的開(kāi)口內(nèi)。管道可包圍加熱器和電絕緣體。在一些實(shí)施例中，管道借 助于一個(gè)或多個(gè)電絕緣體與加熱器電絕緣。在一些實(shí)施例中，管道的 構(gòu)造抑制了巖層流體進(jìn)入管道。加熱系統(tǒng)的每個(gè)加熱器可由至少一個(gè)電絕緣體所包圍。電絕緣體 可沿著每個(gè)加熱器的長(zhǎng)度間隔開(kāi)以允許包圍一個(gè)加熱器的電絕緣體與 包圍另一個(gè)加熱器的電絕緣體橫向地重疊。在一些實(shí)施例中，電絕緣體包括氮化硅。加熱器可包括電結(jié)合至電導(dǎo)體的鐵磁性元件。電導(dǎo)體可以是在低 于鐵磁性元件的居里溫度時(shí)提供第一熱輸出的這里所述的任何電導(dǎo) 體。電導(dǎo)體可允許在大約25。C下大部分電流穿過(guò)加熱器的橫截面。在 某些實(shí)施例，鐵磁性元件和電導(dǎo)體被電結(jié)合以使得加熱器的功率因數(shù) 在每個(gè)加熱器的使用期間仍然高于0.85。在一些實(shí)施例中，鐵磁性導(dǎo)體相對(duì)于電導(dǎo)體進(jìn)行定位。鐵磁性導(dǎo)
體相對(duì)于電導(dǎo)體定位允許在溫度低于鐵磁性導(dǎo)體的居里溫度或該溫度 附近時(shí)由鐵磁性導(dǎo)體中的電流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)將大部分電流限制到電 導(dǎo)體。在一些實(shí)施例中，這里所述的加熱系統(tǒng)允許熱從加熱器傳遞至一 部分地下巖層。加熱系統(tǒng)具有至少大約1.1的調(diào)節(jié)比。在一些實(shí)施例中，這里所述的加熱系統(tǒng)提供了 (a)低于鐵磁性導(dǎo)體的居里溫度時(shí)的 第一熱輸出，和(b)在大約鐵磁性導(dǎo)體的居里溫度處或之上的第二熱 輸出。第二熱輸出與第一熱輸出相比降低。在一些實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谝?熱輸出處于低于選定溫度大約50。C時(shí)，第二熱輸出最多為第一熱輸出 的90%。在一些實(shí)施例中，限溫加熱器用來(lái)獲得較低溫度的加熱(例如， 用于加熱生產(chǎn)井中的流體，加熱地面管線，或者降低井筒中或井筒附 近區(qū)域中流體的粘度)。改變限溫加熱器的鐵磁性材料允許較低溫度 的加熱。在一些實(shí)施例中，鐵磁性導(dǎo)體由居里溫度比446不銹鋼低的 材料制成。例如，鐵磁性導(dǎo)體可以是鐵和鎳的合金。該合金可具有介 于30%至42%重量比的鎳，其余為鐵。在一個(gè)實(shí)施例中，合金是Invar 36。 Invar 36是鐵中具有36%重量比的鎳并且具有277。C的居里溫度。 在一些實(shí)施例中，合金是具有例如鉻、鎳和鐵的三組分合金。例如， 一種合金可具有6%重量比的鉻、42%重量比的鎳和52%重量比的鐵。 2.5cm直徑的Invar 36在居里溫度下具有大約2至1的調(diào)節(jié)比。將Invar 36合金布置在銅芯部上可允許更小的棒直徑。銅芯部可產(chǎn)生高的調(diào)節(jié) 比。在與居里溫度低于聚合物絕緣體熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)的合金一起使用時(shí)， 低溫加熱器實(shí)施例中的絕緣體可以由高性能聚合物絕緣體(比如PFA 或PEEKTM)制成。本發(fā)明各個(gè)方面的進(jìn)一步修改和替換實(shí)施例對(duì)于看到本描述的本 領(lǐng)域熟練人員而言很明顯。于是，這種描述視為僅僅是示例性的并且 用于教導(dǎo)本領(lǐng)域熟練人員實(shí)施本發(fā)明的大體方式。應(yīng)當(dāng)理解到，這里所示和所述的本發(fā)明的形式僅作為目前優(yōu)選的實(shí)施例。對(duì)于這里所示 和所述的元件和材料都可以替換，部件和工藝可以顛倒，并且本發(fā)明
的某些特點(diǎn)可獨(dú)立地利用，所有這些對(duì)于已經(jīng)得益于本發(fā)明描述的本 領(lǐng)域熟練人員而言都是很明顯的。在不背離本發(fā)明如權(quán)利要求所述的 精神和范圍之下能對(duì)這里所述元件進(jìn)行變化。另外，要理解到，在某 些實(shí)施例中，這里獨(dú)立描述的特點(diǎn)可組合起來(lái)。
權(quán)利要求
1.一種用于地下巖層的加熱系統(tǒng)，包括布置在地下巖層中的開(kāi)口內(nèi)的第一加熱器、第二加熱器和第三加熱器，其中每個(gè)加熱器包括電導(dǎo)體；至少部分地包圍電導(dǎo)體的絕緣層；至少部分地包圍絕緣層的導(dǎo)電護(hù)套；其中電導(dǎo)體在加熱器的下端部分電結(jié)合至護(hù)套，所述下端部分是遠(yuǎn)離開(kāi)口表面的加熱器部分；第一加熱器、第二加熱器和第三加熱器在加熱器的下端部分電結(jié)合；和第一加熱器、第二加熱器和第三加熱器構(gòu)造為以三相Y字構(gòu)造電結(jié)合。
2. 如權(quán)利要求1所述的加熱系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)還包括支撐元件， 第一加熱器、第二加熱器和第三加熱器結(jié)合至該支撐元件。
3. 如權(quán)利要求1或2中任一所述的加熱系統(tǒng)，其中電導(dǎo)體包括 內(nèi)層電導(dǎo)體；至少部分地包圍內(nèi)層電導(dǎo)體并且電結(jié)合至內(nèi)層電導(dǎo)體的鐵磁性導(dǎo)體；電結(jié)合至鐵磁性導(dǎo)體的外層電導(dǎo)體，該外層電導(dǎo)體至少部分地包 圍鐵磁性導(dǎo)體，并且外層電導(dǎo)體在達(dá)到低于選定溫度大約50。C的溫度 下提供加熱器的大部分電阻性熱輸出；和一個(gè)或多個(gè)至少部分地包圍外層電導(dǎo)體的電絕緣體。
4. 如權(quán)利要求3所述的加熱系統(tǒng)，其中鐵磁性導(dǎo)體相對(duì)于外層電導(dǎo)體中流動(dòng)的電流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)將大部分電流流動(dòng)限制到外層電導(dǎo) 體。
5. 如權(quán)利要求3-4中任一所述的加熱系統(tǒng)，其中加熱系統(tǒng)被構(gòu)造來(lái)提供(a)低于選定溫度的第一熱輸出，和(b)大約在選定溫度處 或之上的第二熱輸出，第二熱輸出與第一熱輸出相比降低。
6. 如權(quán)利要求5所述的加熱系統(tǒng)，其中加熱系統(tǒng)被構(gòu)造來(lái)自動(dòng)地 提供第二熱輸出。
7. 如權(quán)利要求5-6中任一所述的加熱系統(tǒng)，其中第二熱輸出最多 為第一熱輸出的卯％，笫一熱輸出在低于選定溫度大約50。C處。
8. 如權(quán)利要求3-7中任一所述的加熱系統(tǒng)，其中內(nèi)層電導(dǎo)體、鐵 磁性導(dǎo)體和外層電導(dǎo)體電結(jié)合以使得在加熱器的使用期間加熱系統(tǒng)的 功率因數(shù)仍然高于大約0.85。
9. 如權(quán)利要求3-8中任一所述的加熱系統(tǒng)，其中選定溫度為鐵磁 性導(dǎo)體的居里溫度。
10. 如權(quán)利要求1-9中任一所述的加熱系統(tǒng)，其中絕緣層包括至 少部分地包圍電導(dǎo)體的一個(gè)或多個(gè)電絕緣體。
11. 如權(quán)利要求1-10中任一所述的加熱系統(tǒng)，其中加熱系統(tǒng)具有 至少大約1.1的調(diào)節(jié)比。
12. —種用于在地下巖層中安裝如權(quán)利要求1-11中任一所述的加 熱系統(tǒng)的方法，該方法包括在地下巖層中的開(kāi)口位置處將第一加熱器定位在第一線軸上，第二加熱器定位在第二線軸上和第三加熱器定位在第三線軸上；在將加熱器安裝于地下巖層中的開(kāi)口內(nèi)時(shí)，將第一加熱器、第二加熱器和第三加熱器的每一個(gè)解繞；在將加熱器安裝于地下巖層中的開(kāi)口內(nèi)時(shí)，結(jié)合每個(gè)加熱器；和 以三相Y字構(gòu)造電結(jié)合加熱器。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括在將加熱器安裝于地下巖 層中的開(kāi)口內(nèi)時(shí)，將每個(gè)加熱器結(jié)合至支撐元件。
14. 如權(quán)利要求12或13中任一所述的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)電絕緣體沿著外層電導(dǎo)體的長(zhǎng)度定位以使得每個(gè)加熱器能在不損害 電絕緣體的情況下布置在每個(gè)線軸上。
15. 如權(quán)利要求13或14中任一所述的方法，其中三個(gè)加熱器結(jié)合至支撐元件以使得三個(gè)加熱器在支撐元件周圍大致均勻地間隔開(kāi)。
16. —種利用如權(quán)利要求1-11中任一所述的加熱系統(tǒng)進(jìn)行加熱的 方法，該方法包括將來(lái)自加熱器的熱提供給一部分地下巖層。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中地下巖層包括烴，該方法還 包括允許熱傳遞至巖層以使得至少一些烴在巖層中熱解。
18. 如權(quán)利要求16或17所述的方法，還包括從巖層生產(chǎn)流體。
19. 一種包括利用如權(quán)利要求1-11中任一所述的加熱系統(tǒng)或者利 用如權(quán)利要求16-18中任一所述的方法所生產(chǎn)的烴的合成物。
20. —種由如權(quán)利要求19所述的合成物所制成的運(yùn)輸燃料。
21. —種用于地下巖層的加熱系統(tǒng)，包括布置在地下巖層中的開(kāi)口內(nèi)的第一加熱器、第二加熱器和第三加 熱器，其中每個(gè)加熱器包括電導(dǎo)體； 絕緣層； 導(dǎo)電護(hù)套；其中電導(dǎo)體在沿著加熱器長(zhǎng)度的一個(gè)位置處電結(jié)合至護(hù)套； 第一加熱器、第二加熱器和第三加熱器電結(jié)合；和 第一加熱器、第二加熱器和第三加熱器構(gòu)造為以三相Y字構(gòu)造電 結(jié)合。
全文摘要
描述了一種用于地下巖層的加熱系統(tǒng)。該加熱系統(tǒng)包括布置在地下巖層中的開(kāi)口內(nèi)的第一加熱器(212)、第二加熱器(212)和第三加熱器(212)。每個(gè)加熱器包括電導(dǎo)體(218)、至少部分地包圍電導(dǎo)體的絕緣層(220)和至少部分地包圍絕緣層的導(dǎo)電護(hù)套(222)。電導(dǎo)體在加熱器的下端部分電結(jié)合至護(hù)套。所述下端部分是遠(yuǎn)離開(kāi)口表面的加熱器部分。第一加熱器、第二加熱器和第三加熱器在加熱器的下端部分電結(jié)合。第一加熱器、第二加熱器和第三加熱器構(gòu)造為以三相Y字構(gòu)造電結(jié)合。
文檔編號(hào)E21B36/00GK101163853SQ200680013322
公開(kāi)日2008年4月16日 申請(qǐng)日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
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