專利名稱：電井加熱系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對包含碳氫化合物的地層進行加熱的方法和系統(tǒng)，地層如注熱井周圍的煤層或油頁巖沉積。
背景技術：
發(fā)明人為Ljungstrom的美國專利2,923,535和發(fā)明人為VanMeurs等的美國專利4,886,118描述了對油頁巖地層進行加熱的方法。上述現(xiàn)有技術的參考文獻公開了利用電熱器把熱能傳送到油頁巖地層以便對油頁巖地層內的油母巖進行熱解的方法。同時，熱能可以使地層破裂，以提高地層的滲透性。增強的滲透性允許地層流體移動到開采井，在開采井中除掉油頁巖地層中的流體。例如，在Ljungstrom公開的工藝中，最好從預熱步驟中把仍然熱的包含氣體的氧氣引入透水地層中，以便開始氧化。
美國專利2,548,360描述了一種放置在井身內之粘性油中的電加熱元件。該加熱元件對石油進行加熱并使其變稀，以便從井身中抽取石油。美國專利4,716,960描述了利用較低的電壓電流通過油管來防止固體形成的石油鉆井的電加熱油管。Van Egmond的美國專利5,065,818描述了在不給加熱元件增加套管的情況下就與井孔結合在一起的電加熱元件。
Vinegar等的美國專利6,023,554描述了放置在套管內的電加熱元件。加熱元件產生對套管進行加熱的輻射能。在套管和地層之間放置粒狀固體填充物。套管以導熱方式對填充物加熱，而填充物又以導熱方式對地層加熱。
Van Meurs等的美國專利4,570,715描述了一種電加熱元件。該加熱元件具有導電芯、由絕緣材料組成的包圍層和外圍金屬套管。導電芯在高溫時的電阻較低。絕緣材料在高溫時具有較高的電阻、耐壓強度以及導熱性。絕緣層阻止導電芯擊穿金屬套管。金屬套管在高溫時具有較高的抗張強度和抗爬電性。
Van Egmond的美國專利5,060,287描述了具有銅鎳合金電芯的電加熱元件。
本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)過改良的廉價的下向井眼加熱方法和系統(tǒng)，其中將該方法和系統(tǒng)配置為在很長時間內把受控熱量均勻傳送到地層。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括電導體，把電導體部署在通過地層的加熱器井內，以便在使用時向至少一部分地層提供輻射熱，其中電氣絕緣層至少包圍部分電導體，電氣絕緣層包括礦物絕緣材料。
礦物絕緣材料最好包括氧化鎂和/或其他礦物顆粒，把這些材料部署到由諸如不銹鋼之類的防腐蝕材料組成的護套內。利用諸如惰性氣體之類的電氣絕緣流體填充礦物顆粒之間的孔隙。
電導體適合包括銅鎳合金，并使其具有軟電纜形式。支撐構件支撐礦物絕緣電導體。許多對中器支撐并使支撐構件上的礦物絕緣電導體集中于中心。
最好將礦物絕緣電導體配置為在使用時，把每米礦物絕緣電導體上0.6至3KW之間的輻射熱，照射到井孔周圍的地層上。
根據(jù)本發(fā)明的方法包括向礦物絕緣電導體施加電流，以便向至少一部分地層提供輻射熱，其中把礦物絕緣的導線，部署到通過地層的加熱器井的至少一部分無套管部分中；并且允許輻射熱從礦物絕緣的導線轉移到地層剖面。
該方法最好包括把每米礦物絕緣的導線上0.6至1.5KW之間的輻射熱，傳送到包含加熱器井周圍之地層的部分碳氫化合物中，以便對加熱器井周圍的至少一部分地層進行加熱，從而對加熱器井周圍所述地層部分內的碳氫化合物進行熱解。
最佳實施方式的詳細說明以下參照附圖，通過舉例詳細說明本發(fā)明，其中附圖為

圖1為根據(jù)本發(fā)明的礦物絕緣的導線的三維視圖；圖2表示利用支撐構件懸掛三節(jié)礦物絕緣的導線的加熱器井；圖2A采用比圖2所用比例更大的比例，詳細描述圖2所示礦物絕緣的導線上端的電器連接；以及圖3表示內部懸掛有許多礦物絕緣的導線的加熱器井的井口。
圖1表示絕緣的導線加熱器562的一個端尾部的透視圖。絕緣的導線加熱器562的橫截面可以為任何形狀，包括但不限于圓形(如圖1所示)、三角形、橢圓形、矩形、六角形或不規(guī)則形狀。絕緣的導線加熱器包括電導體575、礦物電絕緣層576和護套577。當電流通過導體時，導體575因電阻產生熱量?？梢岳媒涣骰蛑绷麟娫磥砑訜釋w575。在一種實施方式中，使用60Hz的交流電流。
在某些實施方式中，絕緣層576防止漏電，并且防止至護套577的電弧。絕緣層576能夠把導體575中產生的熱量熱傳導到護套577中。護套577把熱量輻射或傳導到地層中。絕緣的導線加熱器562的長度可為1000m或更長。在絕緣的導線加熱器的一種實施方式中，絕緣的導線加熱器562的長度為15m至950m。在絕緣的導線加熱器的許多實施方式中，購買的絕緣的導線加熱器的長度為100m至500m(如230m)。可以適當確定絕緣的導線的護套和/或導線的尺寸，從而即使在高工作溫度下，絕緣的導線也具有足夠的強度進行自支撐。這類絕緣電纜可以懸掛于井口或位于一個覆蓋層與一個包含碳氫化合物的地層之間的一個界面附近的支持部上，而不需要沿著該絕緣的導體延伸到碳氫化合物地層中的支撐部件。
把礦物絕緣電熱器562可用于將包含碳氫化合物的地層的一部分加熱到足以支支持碳氫化合物的氧化的溫度。該部分可以非?？拷蚪咏訜崞骶虻貙又械钠渌_口。該部分可以從開口或加熱器井向內徑向延伸一米。然而，該部分的寬度可以隨提供給加熱器的電力而改變。向開口提供氧化流體，用于氧化碳氫化合物。將碳氫化合物的氧化可用于在自然分布的燃燒過程中，對包含碳氫化合物的地層進行加熱?？呻S后降低或關閉向電加熱器施加的電流。因此，與電熱器一起使用的自然分布的燃燒，可提供一種對包含碳氫化合物的地層進行加熱的方法，其輸入能量的成本比采用電加熱器更低。
圖1所示的礦物絕緣的導線加熱器562可以為礦物絕緣的“電纜”或棒575。可利用包含礦物材料的各種材料制造絕緣體576?？梢栽谥行膶Ь€575和護套577之間使用壓實的MgO粉末圓柱體。作為選擇，可以在中心導線575和護套577之間的空間中，手工或利用自動機械添加MgO粉末。壓實粉末的低流動性特征以及粉末和/或護套與導線的其他特性，阻止粉末流出護套。通常使用的粉末包括但不限于MgO、Al2O3、氧化鋯、BeO、尖晶石的不同化學變種以及其組合。MgO可以提供優(yōu)良的導熱性和電氣絕緣性。需要的電氣絕緣性為低漏電和高絕緣強度。低漏電降低熱擊穿的可能性，高絕緣強度降低擊穿絕緣體的可能性。如果漏電使得絕緣體的溫度陸續(xù)上升從而擊穿絕緣體，則出現(xiàn)熱擊穿。可以定制絕緣體粉末中雜質578的數(shù)量，以提供所需的絕緣強度和低電平漏電。需要添加的雜質578包括但不限于CaO、Fe2O3、Al2O3或其他金屬氧化物。低孔隙度的絕緣體有利于降低漏電，提高絕緣強度。通過在裝配時增加MgO粉末的包覆材料，或者利用諸如Al2O3之類的其他顆粒材料填充MgO粉末的孔隙，就能實現(xiàn)低孔隙度。
需要添加到絕緣粉末中的雜質578的粒度，小于粉末狀電絕緣體的粒度。微粒填滿較大顆粒的電絕緣體之間的孔隙，從而降低電絕緣體的孔隙度。例如，用于構造電絕緣體576的粉末電絕緣體為IdahoLaboratories Corporation(Idaho Falls，愛達荷州)生產的“H”混合料，或Pyrotenax Cable Company(特倫頓，安大略)使用的標準MgO。另外，可以使用其他粉末狀的電絕緣體。
絕緣的導線加熱器562的護套577可以為金屬外層。護套577可以與熱地層流體接觸。必須利用在高溫時具有高耐腐蝕性的材料，制造護套577。可以在護套的工作溫度范圍內使用的合金包括但不限于304不銹鋼、310不銹鋼、耐熱鎳鉻鐵合金800和因科鎳合金600。護套的厚度必須能夠在高溫、腐蝕環(huán)境中維持3至10年。護套的厚度通常在1mm至2.5mm之間。例如，1.3mm厚的310不銹鋼外層組成的護套577，能夠提供優(yōu)良的耐化學性，以在長達3年的期限內抵抗地層加熱區(qū)域中的硫蝕。
可以在裝配后測試絕緣的導線加熱器。要求絕緣的導線加熱器能夠在所選工作溫度時承受2-3的工作電壓。同時，要求所選的絕緣的導線加熱器樣品在長達一月的時間內在760℃的溫度承受1000VAC。
正如圖2所示，可以在加熱器井或包含碳氫化合物的地層516中的其他開口內，放置大量絕緣的導線加熱器562?？梢栽诎細浠衔锏牡貙又械臒o套管開口內，放置絕緣的導線加熱器562。通過把加熱器562放置在包含地層516的碳氫化合物中的無套管開口內，能夠以輻射或傳導方式，把熱量從加熱器傳送到地層中。另外，通過使用無套管開口，能夠在需要時從井中取回加熱器，并且能夠削減套管成本。另一方面，可以把絕緣的導線加熱器放置在地層中的套管內；或利用水泥注入到地層內；或者在開口中與沙子、礫石或其他填充物一起裝填?？梢栽陂_口內的支撐構件上支撐絕緣的導線加熱器。支撐部件可以為電纜、棒或導管(如管子)?？梢岳媒饘?、陶瓷、無機材料或其組合來制造支撐部件。使用時，可以把部分支撐部件暴露在地層流體和熱量中，從而支撐部件具有耐化學性和耐熱性。
沿絕緣的導線加熱器的長度方向，利用結扣、點焊或其他連接方法，把絕緣的導線加熱器連接到不同位置的支撐部件。把支撐部件連接到位于地層頂面的井口。在絕緣的導線加熱器的一種備擇實施方式中，把絕緣的導線加熱器設計成具有足夠的結構強度，從而不再需要支撐部件。在許多情況中，絕緣的導線加熱器具有一定的撓性，但仍然具有足夠強度，以防止加熱或冷卻時熱膨脹損壞。
絕緣的導線加熱器的另一種實施方式是在不使用支撐部件和對中器的情況下，把絕緣的導線加熱器放置到井中。通過使用溫度、長度和冶金的合適組合，加熱器能夠實現(xiàn)上述實施方式。在某些實施方式中，可以不支撐絕緣的導線加熱器。在備擇實施方式中，可以支撐絕緣的導線加熱器。是否需要支撐絕緣的導線加熱器取決于溫度和加熱器的冶金。例如，在650℃時，不需要支撐長度小于150米的310不銹鋼絕緣的導線加熱器，而需要支撐其長度大于180米的加熱器。
把根據(jù)本發(fā)明的礦物絕緣電熱器或加熱器組件配置為對包含碳氫化合物的地層的一部分進行加熱，以使其溫度足以支持碳氫化合物的氧化。該部分非常靠近或接近加熱器井或地層中的其他開口。該部分可以從開口或加熱器井向內徑向延伸一米。然而，該部分的寬度可以隨提供給加熱器的電源改變。向開口提供氧化流體，用于碳氫化合物氧化。碳氫化合物的氧化被用于在自然分布的燃燒過程中，對包含碳氫化合物的地層加熱。隨后降低或關閉向電熱器施加的電流。因此，與電熱器一起使用的自然的分布式燃燒，與使用電熱器對包含碳氫化合物的地層進行加熱的方法相比，提供了一種減少輸入能量消耗的方法，其中把氧化劑注入到加熱器井中，以便燒盡與加熱器井514之外表面相鄰的地層516中的碳氫化合物。
正如圖2所示，在許多情況中，把絕緣的導線加熱器562設計為在1650瓦/米的功率以下運行。當加熱地層時，絕緣的導線加熱器562通常在500瓦/米至1150瓦/米之間的功率上運行。可以把絕緣的導線加熱器562設計為典型工作溫度下的最高電壓電平也不會引起電氣絕緣體576的熱擊穿和/或電擊穿。在某些實施方式中，把絕緣的導線加熱器562設計為護套577不會超過使護套材料的耐腐蝕性明顯降低的溫度。
在絕緣的導線加熱器562的一種實施方式中，導線575被適當設計以達到650℃至870℃范圍內的溫度，護套577被適當設計以達到535℃至760℃范圍內的溫度。在絕緣的導線加熱器562的一種實施方式中，把導線575設計為在760℃的溫度下運行，把護套577設計為在650℃的溫度下運行，把絕緣的導線加熱器設計為耗散820瓦/米。
絕緣的導線加熱器562可以具有一條或多條導線575。例如，單個絕緣的導線加熱器的電氣絕緣體內有三條導線，其中利用護套包裹絕緣體。圖1表示具有一條導線575的絕緣的導線加熱器562?？梢杂媒饘僦圃鞂Ь€。用來制造導線的材料包括但不限于鎳鉻合金、鎳以及用銅鎳制造的許多合金，其中從純銅到合金30、合金60、合金180和蒙乃爾鎳銅錳鐵合金的鎳濃度漸增。銅鎳合金比銅或鎳具有更低的溫度電阻系數(shù)。
可以選擇導線575，以使其具有適當?shù)闹睆胶凸ぷ鳒囟认碌碾娮杪?，從而其根?jù)歐姆定律得出的電阻使得在電氣和結構上對每米加熱器上所選的功率耗散、加熱器的長度、和/或允許通過導體的最大電壓來說均是穩(wěn)定的。在一個替代實施方式中，可利用麥克斯維爾方程來設計導線，以利用導線內和/或導線上的趨膚效應進行加熱。
利用沿絕緣的導線加熱器長度方向上的不同材料制造導線575。例如，利用其電阻遠遠低于第二節(jié)導線之電阻的材料，制造第一節(jié)導線。把第一節(jié)放置在其加熱目標溫度低于第二地層之加熱目標溫度的地層附近，而把第二節(jié)放置在第二地層附近。通過具有可變直徑和/或利用不同材料制造各節(jié)導線，可以調整各節(jié)導線的電阻率。
導線575的直徑通常在1.3mm至10.2mm之間。也可以使用更小或更大直徑，以便使導線具有所需的電阻率特性。在絕緣的導線加熱器的一種實施方式中，利用直徑為5.8mm的合金60制造導線。
利用現(xiàn)場安裝加熱器時制成的連接機構，把一節(jié)短的可彎曲的過渡導線(未示出)連接到引入導線572。例如，過渡導線為橡膠或聚合物絕緣層包裹的可彎曲的、低電阻率銅絞電纜。通常過渡導線的長度在1.5m至3m之間，也可以使用更長或更短的過渡導線來滿足特定需求?？梢岳媚蜔犭娎|作為過渡導線。還可以把過渡導線連接到其電阻低于絕緣的導線加熱器之主要加熱部分之電阻的一小段絕緣的導線加熱器上。其電阻較低的絕緣的導線加熱器稱為“冷引線(coldpin)”568。
可以把冷引線568的設計為每單位長度耗散的功率為每單位長度的主加熱部分耗散的功率的十分之一到五分之一。冷引線的長度通常在1.5m至15m之間，也可以使用更長或更短長度來滿足特定需求。在一種實施方式中，冷引線部分的導線為直徑為6.9mm長度為9.1m的銅線。電氣絕緣體的類型與主加熱部分使用絕緣體類型相同。利用因科鎳合金600制造冷引線的護套。冷引線中可能出現(xiàn)氯化物腐蝕斷裂，因此使用諸如因科鎳合金600之類的抗氯化物腐蝕斷裂金屬作為護套。
正如圖2A所示，利用裝有環(huán)氧樹脂的小罐573，實現(xiàn)過渡導線571和冷引線568之間的連接。通過“接合部分”567，把冷引線568連接到絕緣的導線加熱器562的主加熱部分。冷引線568的長度應足夠長，以充分降低絕緣的導線加熱器562的溫度。絕緣的導線加熱器562的加熱器部分可以在530℃至760℃的溫度范圍內運行，接合部分567可以在260℃至370℃的溫度范圍內，與冷引線相連的引入導線的溫度可以在40℃至90℃的溫度范圍內。除位于絕緣的導線加熱器頂部的冷引線之外，還可以在絕緣的導線加熱器的底部放置一個冷引線。在許多情況中，位于底部的冷引線使得底部終端的制造更容易。
接合材料必須承受目標區(qū)域工作溫度一半的溫度。在許多情況中，接合材料中電氣絕緣體的密度必須足夠高，以承受所需的溫度和工作電壓。
要求接合材料在480℃時承受1000VAC的電壓。接合材料可以為Idaho Laboratories Corporation或Pyrotenax Cable Company生產的高溫接合材料。接合部分可以為內部類型的接合部分或外部接合部分。內部接合部分不會在絕緣的導線加熱器的護套上留下焊點。護套上沒有焊點能夠避免絕緣的導線加熱器上的潛在弱點(機械或電氣)。外部拼接是利用焊接來連接兩個絕緣的導線加熱器的護套。在把絕緣的導線加熱器插入到地層之前，外部拼接需要進行滲漏試驗。利用激光焊接或軌道TIG(鎢極惰性氣體)焊接形成外部接合部分?？梢栽谕獠拷雍喜糠种車胖酶郊拥膽兿M件，以提高拼接的抗彎曲性，防止外部拼接部分或完全裂開。
絕緣的導線加熱器562包括加熱部分、冷引線、接合部分、終端金屬罐和可彎曲的過渡導線。在把絕緣的導線組件安裝到地層中的開口前，需要檢查絕緣的導線組件，并進行電力試驗。需要檢查組件的焊接可靠性，并確保整個加熱器(包括加熱部分、冷引線、接合部分和終端金屬罐)的護套上沒有洞孔。需要定期對商品進行X射線抽樣檢查。在進行電力試驗前，可以把整條電纜浸入水中。組件的電力試驗應證明在水浸之后在室溫時施加500VAC電壓時大于2000兆歐。另外，需要對室溫時的組件進行1000VAC電壓試驗，并且證明室溫時每米的阻性泄漏電流小于10微安培。同時，需要檢查760℃時泄漏電流，以證明每米小于0.4毫安培。
許多公司都在生產絕緣的導線加熱器。此類廠商包括但不限于MICable Technologies(卡爾加里，阿爾伯達)，Pyrotenax Cable Company(特倫頓，安大略)，Idaho Laboratories Corporation(Idaho Falls，愛達荷州)以及Watlow(圣路易斯，密蘇里)。例如，可以向IdahoLaboratories訂購電纜型號為355-A90-310-″H″30′/750′/30′，以因科鎳合金600作為護套的絕緣的導線加熱器，用于冷引線、三相Y配置和底部接合的導線。除上述首選型號規(guī)范之外，該加熱器的要求規(guī)格還包括1000VAC、1400°F優(yōu)質電纜。標志符355規(guī)定電纜OD(0.355″)，A90規(guī)定導線材料，310規(guī)定加熱區(qū)域的護套合金(SS 310)，″H″規(guī)定MgO混合物，30′/750′/30′規(guī)定加熱區(qū)域為230m，上下冷引線的長度約為9m?？梢韵騊yrotenax Cable Company訂購使用高溫標準純度MgO電纜的具有相同規(guī)格的部件號。
可以在地層中的開口內放置一個或多個絕緣的導線加熱器，以形成熱源。電流可以通過開口內的各絕緣的導線加熱器，以便對地層進行加熱。作為選擇，電流可以通過開口中的選定絕緣的導線加熱器。未使用的導線作為備用加熱器。采用任何方便方式，把絕緣的導線加熱器連接到電源。把絕緣的導線加熱器的每一端，連接到通過井口的引入電纜上。上述配置通常在靠近熱源的底部具有180°的彎曲(“馬蹄形”彎曲)或回轉。包含180°的彎曲或回轉的絕緣的導線加熱器不需要底部終端，但是180°的彎曲或回轉可能是加熱器的電氣和/或結構弱點。采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合，把絕緣的導線加熱器連接起來。在熱源的某些實施方式中，電流可以進入某個絕緣的導線加熱器的導線，并且通過把導線575連接到位于熱源底部的護套577上，從絕緣的導線加熱器的護套返回。
在圖2所示加熱器組件的一種實施方式中，通過采用三相Y配置，把三個絕緣的導線加熱器562連接到電源。電源向電導體提供60Hz的AC電流。絕緣的導線加熱器不需要底部連接。作為選擇，可以在熱源開口的底部，把三相電路的三條導線全部連接起來。可以在絕緣的導線加熱器的加熱部分的末端，或者在與絕緣的導線加熱器底部之加熱部分相連的冷引線的末端，直接進行連接?？梢岳锰钣蠱gO的密封金屬罐或利用填有環(huán)氧樹脂的金屬罐，實現(xiàn)底部連接。MgO的成分與作為電氣絕緣體的MgO的成分相同。
利用對中器566，把圖2描述的三個絕緣的導線加熱器連接到支撐部件564。作為選擇，可以利用金屬箍，把三個絕緣的導線加熱器直接捆扎到支撐管上。配置對中器566，以便在支撐部件564上保持絕緣的導線加熱器562的位置。例如，用金屬、陶瓷或其組合制造對中器566。金屬可以為不銹鋼或能夠承受腐蝕和高溫環(huán)境的其他種類的金屬。在某些實施方式中，對中器566為自然彎曲的金屬條，以小于6m的間隔，把它們焊接到支撐部件上。對中器566中使用的陶瓷包括但不限于Al2O3、MgO或其他絕緣體。配置對中器566，以便在支撐部件564上保持絕緣的導線加熱器562的位置，從而在絕緣的導線加熱器562的工作溫度時，禁止絕緣的導線加熱器移動。絕緣的導線加熱器562有一些撓性，以便在加熱時承受支撐部件的擴張?？梢园凑毡疚闹腥我鈱嵤┓绞街械姆绞剑渲脤χ衅?66。
把支撐部件564、絕緣的導線加熱器562和對中器566，放置在包含碳氫化合物內的地層516的開口514中。利用冷引線過渡導線568，將絕緣的導線加熱器562連接到底部的導線連接點570。底部的導線連接點570彼此連接各絕緣的導線加熱器562。底部的導線連接點570包括導電材料，并且到達開口514內的溫度時也不熔化。冷引線過渡導線568為其電阻低于絕緣的導線加熱器562的絕緣的導線加熱器。正如圖17a所示，將冷引線568連接到過渡導線571和絕緣的導線加熱器562。冷引線過渡導線568提供過渡導線571和絕緣的導線加熱器562之間的溫度過渡。
將引入導線572連接到井口590，以便向絕緣的導線加熱器562供電。按圖18所示方式或按任意實施方式中的所述方式，配置井口590。利用電阻較低的導線制造引入導線572，從而通過引入導線572的電流產生很少熱量和/或幾乎不產生熱量。例如，引入導線包括但不限于橡膠絕緣銅絞線，或具有銅芯的礦物絕緣的導線。通過位于覆蓋層540和地面550之間的密封法蘭，把引入導線572連接到位于地面550的井口590。按圖18所示方式或按任意實施方式中的所述方式，配置密封法蘭590c。密封法蘭阻止流體從開口514排到地面550。
可選地，可以把包覆材料542(見圖2)放在覆蓋層套管541和開口514之間。覆蓋層套管541可包括配置用來包含水泥544的任何材料。
在熱源的一種實施方式中，覆蓋層套管包括直徑為7.6cm的碳鋼和厚度號碼為40號的套管。把包覆材料542用于阻止流體從開口514流到地面550。把覆蓋層套管541放置在地層516的覆蓋層540的水泥544中。例如，水泥544包括與石英粉混合的G類或H類普通水泥，以獲得更高的溫度性能，或者與礦渣、石英粉或其組合進行混合(例如，在每立方厘米的礦渣/石英粉中混合1.58克)。在所選的熱源實施方式中，水泥544沿徑向延伸5至25cm。在某些實施方式中，水泥544沿徑向延伸10至15cm。在其他實施方式中，把水泥544設計為阻止熱量從導管564轉移到覆蓋層內的地層540中。
例如，在圖2中，導管564配備有許多小孔(未示出)，以增加從氣源進入環(huán)形空隙514的氣體。經(jīng)過小孔注入的氣體將碳氫化合物排到礦物絕緣電纜562的外表面。氣體包括諸如空氣之類的氧化劑，以燒掉礦物絕緣電纜562之外表面上的碳氫化合物沉積。經(jīng)由包覆材料542中的開口和加熱器井的加套上部541的內部，將氣體排到地面。利用壓力計監(jiān)視并控制環(huán)形空隙514內的流體壓力，從而經(jīng)由加熱器井的內部，將至少一部分注入氣體和/或廢氣排到地面，并且禁止廢氣轉移到周圍的地層514中。最好與地層516的估計溫度一起控制環(huán)形空隙514中的流體壓力，從而禁止將地層516的經(jīng)過熱解處理的碳氫化合物轉移到環(huán)形空隙514中。
在某些實施方式中，可以提供一個或多個導管，以提供附加成分(氮、二氧化碳和脫氧劑，如包含氫氣的氣體)，目的是形成開口，排出流體和/或控制壓力?？拷鼰嵩吹牡貙訅毫ψ罡?，因此在最接近熱源的位置配備壓力控制設備是非常有利的。在某些實施方式中，在最接近熱源的地方增加脫氧劑，有助于提供更有利的熱解環(huán)境(如，更高的氫氣分壓)。由于在最接近熱源的位置滲透性和孔隙度增加很快，所以最好在最接近熱源的地方增加脫氧劑，從而脫氧劑更容易進入地層。
在圖2中，導管500經(jīng)由閥門501，把來自氣源503的氣體注入到開口514中(在包覆材料542中提供開口504，以便把氣體注入到開口514中，或從開口514排出氣體)?？梢栽诓煌瑫r刻使用導管500和閥門502，以釋放壓力和/或控制開口514內的壓力。也可以在不同時刻使用閥門501和503，以增加/釋放加熱器井之無套管底部514內的壓力。
加熱器支撐導管564配備有許多小孔(未示出)，以增加從氣源進入環(huán)形空隙514的氣體。經(jīng)過小孔注入的氣體將碳氫化合物排到礦物絕緣電纜562的外表面。氣體包括諸如空氣之類的氧化劑，以燒掉礦物絕緣電纜562之外表面上的碳氫化合物沉積。經(jīng)由包覆材料542中的開口和加熱器井的加套上部541的內部，將氣體排到地面。利用壓力計監(jiān)視并控制環(huán)形空隙514內的流體壓力，從而經(jīng)由加熱器井的內部，將至少一部分注入氣體和/或廢氣排到地面，并且禁止廢氣轉移到周圍的地層514中。最好與地層516的估計溫度一起控制環(huán)形空隙514中的流體壓力，從而禁止將地層516的經(jīng)過熱解處理的碳氫化合物轉移到環(huán)形空隙514中。
把加熱器支撐部件564和引入導線572，連接到位于地層516之地面550的井口590。把地面導線545放到水泥544中，并連接到井口590。在熱源的某些實施方式中，地面導線545的直徑為10.16至30.48cm，例如，直徑為22cm。在某些實施方式中，地面套管向內延伸3至515m，進入地層內的開口。作為選擇，地面套管向內延伸9m，進入開口。正如圖16所示，從電源向絕緣的導線加熱器562提供電流，從而由于導線575的電阻產生熱量。例如，向絕緣的導線562提供330V的電壓和266A的電流，從而在每米絕緣的導線加熱器562上產生約1150瓦的熱量。在開口514內轉移(如，利用輻射)三個絕緣的導線加熱器562產生的熱量，從而對地層516的至少一部分進行加熱。
通過根據(jù)加熱器的長度、每米導線需要的功率以及需要的工作電壓，優(yōu)化加熱的原材料成本，可以確定礦物絕緣的導線加熱器的適當配置。另外，可以選擇工作電流和電壓，以便與絕緣的導線加熱器的原材料成本一起優(yōu)化輸入電能成本。例如，當輸入電能增加時，需要承受更高電壓的原材料成本也要增加?？梢詫⒔^緣的導線加熱器配置為每米導線產生650瓦至1650瓦的輻射熱。在地層內，絕緣的導線加熱器可以在530℃至760℃的溫度范圍內運行。
礦物絕緣的導線加熱器產生的熱量，對包含地層的至少一部分碳氫化合物進行加熱。在某些實施方式中，通過向地層輻射產生的熱量，把熱量轉移到地層。由于開口中存在氣體，可以利用熱傳導或熱對流轉移少量熱量。開口可以是無套管開口。無套管開口能夠削減采用熱方式注水泥時將加熱器注入到地層中的成本，與套管有關的成本，和/或開口內的加熱器的包裝成本。另外，利用輻射轉移熱量通常比利用傳導轉移熱量更有效，所以加熱器將在開式井身內的較低溫度下運行。通過將開口內的氣體壓力增加到27巴的絕對值，可以提高傳熱。以上氣體包括但不限于二氧化碳和/或氦。另一個優(yōu)點是，加熱部件可以任意承受熱膨脹。還有另一個優(yōu)點，即可以更換加熱器。
正如各實施方式中敘述的那樣，可以利用現(xiàn)有技術中的公知方法，在加熱器井或其他開口514內安裝絕緣的導線加熱器。在一種實施方式中，利用多個卷軸組件來同時安裝電熱器和支撐部件。Van Egmond等的美國專利4,572,299描述了將電熱器纏繞在卷軸上進入井孔的方法，本文全面引用其闡述作為參考。作為選擇，可以使用撓性管作業(yè)機，包括現(xiàn)有技術中的任何公知部件，安裝支撐部件。在把支撐部件插入井孔內時，可以不對加熱器進行纏繞處理就連接到支撐部件?？梢圆话央姛崞骱椭尾考p繞到卷軸組件上。沿支撐部件的長度方向，將隔離物連接到支撐部件和加熱器上。附加卷軸組件用于附加的電熱器組件。
在一種實施方式中，通過使用標準油田操作焊接不同支撐部分，安裝支撐部件。可以利用軌道焊接完成焊接。例如，將支撐部件的第一節(jié)放到井中。將第二節(jié)(如，相同長度)連接到井中的第一節(jié)。通過焊接第二節(jié)和第一節(jié)，連接第二節(jié)?？梢耘渲梅胖迷诰诘能壍篮附釉O備，以便將第二節(jié)焊接到第一節(jié)上。對需要連接到前一節(jié)的后一節(jié)重復上述過程，直至將所需長度的支撐部件放到井內。
圖3表示與覆蓋層套管541相連的某種實施方式的井口的剖面圖。將法蘭590c連接到井口590和/或其一部分。例如，法蘭590c可以為碳鋼、不銹鋼或任何可從市場上買到的合適密封材料。利用O形環(huán)590f或任何其他密封機構密封法蘭590c。熱電偶590g通過法蘭590c進入井口590。熱電偶590g測量井孔加熱部分內的支撐部件564本身或其附近的溫度?？梢詫⒅尾考?64連接到法蘭590c。正如本文所述，將支撐部件564配置為支持一個或多個絕緣的導線加熱器。利用焊縫590h把支撐部件564密封在法蘭590c內。另一方面，可以利用現(xiàn)有技術中的任何公知方法，密封支撐部件564。
將電源線590a連接到引入電纜和/或絕緣的導線加熱器。配置電源線590a，以便向絕緣的導線加熱器提供電能?？梢园央娫淳€590a密封在密封法蘭590d內。利用受壓密封或O形環(huán)590e，密封密封法蘭590d?？梢岳脦l590i把電源線590a連接到支撐部件564。帶條590I包括諸如不銹鋼之類的剛性防腐材料。利用焊接點590h密封井口590，以阻止流體通過井口590逸出?？砂烟嵘菟?90j用于提升井口590和支撐部件564。井口590包括壓力控制閥。受壓裝置590k用來密封電源線590a，受壓裝置590l用來密封熱電偶590g。上述密封能夠阻止流體從地層逸出?？砂褖毫刂崎y用于控制部署有支撐部件564的開口內的壓力。
在一種實施方式中，一個控制系統(tǒng)可被用來控制向絕緣的導線加熱器提供的電力?？梢岳萌魏芜m當類型的控制器，控制向絕緣的導線加熱器提供的電力。例如，對于交流電，控制器可以為抽頭變壓器。作為選擇，控制器可以為過零電加熱點火SR(可控硅整流器)控制器。通過允許絕緣的導線加熱器的全部電源電壓通過絕緣的導線加熱器特定循環(huán)次數(shù)，從瞬時電壓為零的“過零”開始，持續(xù)特定的全循環(huán)次數(shù)，并且當瞬時電壓再次過零時停止，可以實現(xiàn)過零電加熱點火控制?？梢灾袛嗵囟ㄑh(huán)次數(shù)，以控制絕緣的導線加熱器輸出的熱量。例如，對于標準60Hz交流電源提供的每60個循環(huán)，可以安排控制系統(tǒng)中斷15和/或20個循環(huán)。可以與具有低溫度系數(shù)材料的材料一起使用過零點火控制。過零點火控制能夠防止絕緣的導線加熱器中出現(xiàn)電流尖脈沖。
在某些實施方式中，可以選擇特定部分使用的橫截面面積和/或金屬，從而特定部分在每單位長度上比相鄰部分提供更多(或更少)的熱散逸。可以在碳氫化合物層和非碳氫化合物層(如，覆蓋層和包含碳氫化合物的地層)之間的界面附近，在每單位長度上提供更多的熱散逸，以抵消端面效應，并且向包含碳氫化合物的地層提供更均勻的熱散逸?？梢栽陂L部件的下端提供較高的熱散逸，以抵消端面效應，并且提供更均勻的熱散逸。
在某些實施方式中，還可以配置電熱器以便提供除地面燃燒室提供的熱量之外的熱量。電熱器可被用來向包含碳氫化合物的地層提供附加熱量，從而沿加熱器井的所選間隔，均勻加熱包含碳氫化合物的地層，其中加熱器井穿過包含碳氫化合物的地層，對碳氫化合物進行熱解，并促使其流到許多碳氫化合物流體生產井內。
權利要求
1.一種對包含地層的地下碳氫化合物進行加熱的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電導體，把電導體部署在通過地層的加熱器井內，以便在使用時向至少一部分地層提供輻射熱，其中電氣絕緣層至少包圍部分電導體，電氣絕緣層包括礦物絕緣材料。
2.權利要求1的系統(tǒng)，其中礦物絕緣材料包括氧化鎂。
3.權利要求2的系統(tǒng)，其中氧化鎂包括顆粒。
4.權利要求1到3之任一權利要求的系統(tǒng)，其中把礦物絕緣材料部署在護套內，護套包括抗腐蝕材料。
5.權利要求1的系統(tǒng)，其中電導體包括銅鎳合金，并使其具有軟電纜形式。
6.權利要求1到5之任一權利要求的系統(tǒng)還包括支撐部件，支撐部件支撐礦物絕緣電導體。
7.權利要求6的系統(tǒng)還包括支撐部件和對中器，其中支撐部件支撐礦物絕緣電導體，對中器將礦物絕緣的導線的位置保持在支撐部件上。
8.權利要求1的系統(tǒng)，其中將礦物絕緣電導體配置為使用時，產生熱量受控的輻射熱，以便對生產井周圍的地層加熱。
9.權利要求8的系統(tǒng)，其中將礦物絕緣電導體配置為使用時，在每米礦物絕緣電導體上產生0.5至2KW的輻射熱。
10.一種對包含地層的煤炭進行現(xiàn)場加熱的方法，該方法包括向礦物絕緣電導體施加電流，以便向至少一部分地層提供輻射熱，其中把礦物絕緣的導線，部署到通過地層的加熱器井的至少一部分無套管部分中；以及允許輻射熱從礦物絕緣的導線轉移到地層剖面。
11.權利要求10的方法，還包括在支撐部件上支撐礦物絕緣的導線，其中在加熱器井內懸掛支撐部件。
13.權利要求12的方法，還包括利用許多對中器，在支撐部件上支撐礦物絕緣的導線。
14.權利要求10的方法，其中礦物絕緣的導線的形式為包括銅鎳合金的軟電纜。
15.權利要求10的方法，其中把礦物絕緣的導線部署在管狀礦物絕緣材料層中，礦物絕緣材料包括氧化鎂顆粒。
16.權利要求10的方法，其中礦物絕緣的導線包括部署在礦物絕緣材料內的導體，其中把絕緣材料部署在護套內，護套包括抗腐蝕材料。
17.權利要求10的方法，還包括對加熱器井周圍的至少一部分地層進行加熱，以便熱解加熱器井周圍所述地層部分內的碳氫化合物。
18.權利要求17的方法，還包括把每米礦物絕緣的導線上0.5至1.5KW之間的輻射熱，傳送到包含加熱器井周圍之地層的部分碳氫化合物中。
19.權利要求10到17之任一權利要求的方法，其中利用壓力控制組件控制加熱器井內的流體壓力。
全文摘要
一種對包含諸如煤炭或頁巖油沉積之類的地層的地下碳氫化合物進行加熱的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一根長電導體，把電導體部署在通過地層的加熱器井內，以便在使用時向至少一部分地層提供輻射熱，從而開始熱解碳氫化合物，其中利用由礦物絕緣材料顆粒組成的電氣絕緣層包裹至少一部分導體，把礦物絕緣層包裹在抗腐蝕護套內，由此提供廉價、耐用的電加熱器。
文檔編號C09K8/592GK1430695SQ01809953
公開日2003年7月16日 申請日期2001年4月24日 優(yōu)先權日2000年4月24日
發(fā)明者埃里克·德·羅夫納克, 哈羅德·J·維內加, 約翰·米歇爾·卡拉尼卡斯, 查爾斯·羅伯特·凱迪, 斯科特·李·威靈頓, 勞倫斯·詹姆斯·伯拉莫維茲, 詹姆斯·路易斯·麥諾迪, 約翰·馬修·科利斯 申請人:國際殼牌研究有限公司