EA200601955A1 20070427 Номер и дата охранного документа [PDF] EAPO2007\TIT_PDF/200601955 Титульный лист описания [PDF] EAPO2007/PDF/200601955 Полный текст описания EA200601955 20050422 Регистрационный номер и дата заявки US60/565,077 20040423 Регистрационные номера и даты приоритетных заявок US2005/013889 Номер международной заявки (PCT) WO2005/106193 20051110 Номер публикации международной заявки (PCT) EAA1 Код вида документа [eaa] EAA20702 Номер бюллетеня [RU] ОГРАНИЧЕННЫЕ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ НАГРЕВАТЕЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ПЛАСТОВ Название документа E21B 43/24, E21B 36/04, H05B 6/10 Индексы МПК [US] Сэндберг Честер Ледли, Винигар Харолд Дж. Сведения об авторах [NL] ШЕЛЛ ИНТЕРНЭШНЛ РИСЕРЧ МААТСХАППИЙ Б.В. Сведения о заявителях
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea200601955a*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

Изобретение предлагает систему для нагревания по меньшей мере части подземного пласта. Система включает в себя источник электропитания, выполненный с возможностью получения модулированного постоянного тока (ПСТ); один или несколько электрических проводников, электрически соединенных с источником электропитания и размещенных в отверстии в пласте, причем по меньшей мере один из электрических проводников имеет нагревательную секцию, содержащую электрорезистивный ферромагнитный материал и обеспечивающую получение электрорезистивной выходной тепловой мощности при подаче электрического тока в ферромагнитный материал, и нагревательная секция выполнена с возможностью получения пониженной выходной тепловой мощности при температуре, приблизительно равной или выше заданной температуры, при использовании из-за уменьшения электрического сопротивления нагревательной секции, когда температура ферромагнитного материала вблизи или выше заданной температуры, и нагревательная секция имеет отношение "диапазона изменения" по меньшей мере 1,1 к 1.

 


Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:
предлагает систему для нагревания по меньшей мере части подземного пласта. Система включает в себя источник электропитания, выполненный с возможностью получения модулированного постоянного тока (ПСТ); один или несколько электрических проводников, электрически соединенных с источником электропитания и размещенных в отверстии в пласте, причем по меньшей мере один из электрических проводников имеет нагревательную секцию, содержащую электрорезистивный ферромагнитный материал и обеспечивающую получение электрорезистивной выходной тепловой мощности при подаче электрического тока в ферромагнитный материал, и нагревательная секция выполнена с возможностью получения пониженной выходной тепловой мощности при температуре, приблизительно равной или выше заданной температуры, при использовании из-за уменьшения электрического сопротивления нагревательной секции, когда температура ферромагнитного материала вблизи или выше заданной температуры, и нагревательная секция имеет отношение "диапазона изменения" по меньшей мере 1,1 к 1.

 


0610726
ОГРАНИЧЕННЫЕ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ НАГРЕВАТЕЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ
НАГРЕВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ПЛАСТОВ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, главным образом, к способам и системам для нагревания подземных пластов. Определенные варианты изобретения относятся к способам и устройствам для применения ограниченных по температуре нагревателей для нагрева подземных пластов, таких как пласты, содержащие углеводороды.
Уровень техники
Углеводороды, которые получают из подземных пластов, часто используют в качестве энергетических ресурсов, в качестве исходного сырья и продуктов потребления. Озабоченность в связи с истощением доступных углеводородных ресурсов и проблема снижения суммарного качества полученных углеводородов привела к разработке способов более эффективного извлечения, переработки и/или использования доступных углеводородных ресурсов. Для удаления углеводородсодержащих материалов из подземных пластов можно использовать процессы обработки внутри пласта. Может возникнуть необходимость изменения химических и/или физических свойств углеводородного материала внутри подземного пласта для того, чтобы обеспечить более легкое извлечение углеводородного материала из подземного пласта. Эти химические и физические изменения могут включать реакции на месте, в которых образуются извлекаемые флюиды, изменения состава, изменения растворимости, изменения плотности, изменения фазового состояния и/или изменения вязкости углеводородного материала внутри пласта. Флюид может представлять собой (но не ограничивается указанными) газ, жидкость, эмульсию, суспензию и/или поток твердых частиц, для которого характеристики течения подобны потоку жидкости.
Нагреватели могут быть помещены в ствол скважины для того, чтобы нагреть пласт в ходе процесса внутренней обработки. Примеры процессов внутренней обработки, в которых используются скважинные нагреватели, проиллюстрированы в патентах США № 2634961 Льюнгстрома (Ljungstrom); 2732195 Ljungstrom; 2780450 Ljungstrom; 2789805 Ljungstrom; 2923535 Ljungstrom; и 4886118 Ван Meypca и др. (Van Meurs et al.).
Для нагрева подземных пластов могут быть использованы источники тепла. Электрические нагреватели могут быть использованы для того, чтобы нагреть подземный пласт за счет излучения и/или электропроводности. Электрический нагреватель может
быть резистивным нагревательным элементом. В патенте США № 2548360 Germain описан электрический нагревательный элемент, который расположен внутри вязкой нефти в стволе скважины. Нагревательный элемент нагревает и разжижает нефть, обеспечивая возможность выкачивания нефти из скважины. В патенте США № 4716960 Eastlund et al. описаны электрически нагреваемые трубы нефтяной скважины за счет пропускания тока низкого напряжения через трубы для того, чтобы предотвратить образование твердого вещества. В патенте США № 5065818 (Van Egmond) описан электрический нагревательный элемент, который цементируется в стволе скважины, без корпуса, окружающего нагревательный элемент.
В патенте США № 4570715 Ван Меурса и др. описан электрический нагревательный элемент. Этот нагревательный элемент имеет электропроводящую сердцевину, окружающий слой изолирующего материала и окружающую металлическую оболочку. Проводящая сердцевина может иметь относительно низкое сопротивление при высоких температурах. Изолирующий материал может обладать свойствами электрического сопротивления, прочностью при сжатии и теплопроводностью, которые довольно велики при высоких температурах. Изолирующий слой может предотвращать электрический разряд между сердцевиной и металлической оболочкой. Эта металлическая оболочка может иметь свойства прочности на растяжение и сопротивления текучести, которые имеют относительно большие значения при высоких температурах.
В патенте США № 5060287 ван Эгмонда описан электрический нагревательный элемент, который имеет сердцевину из медно-никелевого сплава.
Некоторые нагреватели могут разрушаться или выходить из строя из-за образования "участков местного перегрева" в пласте. Может возникнуть необходимость в снижении общей мощности, подаваемой нагревателю, если температура вдоль любой области нагревателя превышает или почти превышает максимальную рабочую температуру нагревателя, для того, чтобы избежать выхода из строя нагревателя и/или перегрева пласта в участках местного перегрева пласта или вблизи них. Некоторые нагреватели не могут обеспечить равномерный нагрев по длине нагревателя до тех пор, пока температура нагревателя не достигнет определенного предела. Некоторые нагреватели не могут эффективно нагревать подземный пласт. Таким образом, выгодно иметь нагреватель, который: обеспечивает равномерный нагрев по длине нагревателя, эффективно нагревает подземный пласт и/или обеспечивает автоматическое регулирование температуры, когда температура части нагревателя приближается к заданной температуре.
Раскрытие изобретения
Предлагается устройство, скомпонованное для нагревания, по меньшей мере, части подземного пласта, причем указанное устройство включает в себя: источник электропитания, скомпонованный для обеспечения модулированного постоянного тока (ПСТ); и нагревательную секцию, содержащую один или несколько проводников, электрически соединенных с источником электропитания и скомпонованных для размещения в отверстии в пласте, причем, по меньшей мере, один из электрических проводников содержит ферромагнитный материал; при этом нагревательная секция: (а) обеспечивает выходную тепловую мощность, когда в нагревательную секцию, имеющую температуру ниже заданной, подается электрический ток, (Ь) обеспечивает во время использования пониженную выходную тепловую мощность при температуре, приблизительно равной или выше заданной температуры; и (с) имеет отношение диапазона изменения, по меньшей мере, 1,1 к 1.
Кроме того, в изобретении предложено в сочетании с указанным выше изобретением: (а) источник электропитания представляет собой источник электропитания модулированного ПСТ переменной частоты; (Ь) источник электропитания скомпонован, чтобы обеспечить модулированный ПСТ с прямоугольными импульсами; и (с) блок электропитания скомпонован, чтобы обеспечить модулированный ПСТ с заданной формой колебаний, причем заданная форма колебаний формируется таким образом, чтобы, по меньшей мере, частично компенсировать сдвиг фаз и/или нелинейные искажения в электрических проводниках.
Кроме того, в изобретении предложено в сочетании с одним или несколькими указанными выше изобретениями, чтобы нагревательная секция обеспечивала при приложении электрического тока: (а) первую выходную тепловую мощность, когда температура нагревательной секции ниже заданной температуры, и (Ь) вторую выходную тепловую мощность, которая меньше первой выходной тепловой мощности, когда температура нагревательной секции равна или выше заданной температуры.
В изобретении также предложено в сочетании с одним или несколькими указанными выше изобретениями, чтобы нагревательная секция обеспечивала при приложении электрического тока: (а) первую выходную тепловую мощность, когда температура нагревательной секции выше 100°С, выше 200°С, выше 400°С или выше 500°С, или выше 600°С и ниже заданной температуры, и (Ь) вторую выходную тепловую мощность меньше, чем первая выходная тепловая мощность, когда температура нагревательной секции равна или выше заданной температуры.
Кроме того, в изобретении предложено в сочетании с одним или несколькими
указанными выше изобретениями: (а) нагревательная секция автоматически обеспечивает пониженную выходную тепловую мощность при температуре выше или вблизи заданной температуры; (Ь) по меньшей мере, часть нагревательной секции может быть расположена вблизи углеводородного материала в пласте, чтобы поднять температуру, по меньшей мере, некоторой части углеводородного материала до или выше температуры пиролиза; (с) электрическое сопротивление нагревательной секции снижается при температуре, равной или выше заданной температуры, так что нагревательная секция обеспечивает пониженную выходную тепловую мощность выше заданной температуры; и (d) заданная температура приблизительно равна температуре Кюри ферромагнитного материала.
Изобретение также предлагает в сочетании с одним или несколькими указанными выше изобретениями: (а) система, скомпонованная так, чтобы когда тепловая нагрузка вблизи нагревательной секции снижается на 1 Ватт на метр, рабочая температура повышается не больше чем на 1,5°С выше или вблизи заданной рабочей температуры; и (Ь) нагревательная секция скомпонована так, чтобы обеспечить пониженное количество тепла при температуре выше или вблизи заданной температуры, причем пониженное количество тепла составляет не больше чем 10% выходной тепловой мощности при температуре на 50°С ниже заданной температуры.
Изобретение также предлагает в сочетании с одним или несколькими указанными выше изобретениями, что система применяется в способе нагревания подземного пласта, причем указанный способ включает в себя: (а) подачу электрического тока в нагревательную секцию, чтобы обеспечить электрически резистивную выходную тепловую мощность и возможность переноса тепла от нагревательной секции в часть подземного пласта; и (Ь) кроме того, способ включает в себя обеспечение передачи тепла от нагревательной секции в часть подземного пласта для осуществления пиролиза, по меньшей мере, некоторых углеводородов в пласте.
Краткое описание чертежей
Преимущества настоящего изобретения могут стать очевидными для специалистов в этой области техники с помощью следующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
на фиг. 1 представлена иллюстрация стадий нагревания углеводородов в пласте,
фиг. 2 иллюстрирует схематический общий вид варианта воплощения части системы для внутренней обработки углеводородов в пласте,
на фиг. 3, 4 и 5 представлены изображения поперечного сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с внешним проводником,
имеющим ферромагнитный участок и неферромагнитный участок,
на фиг. 6, 7, 8 и 9 представлены изображения поперечного сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с внешним проводником, имеющим ферромагнитный участок и неферромагнитный участок, расположенные внутри оболочки,
на фиг. 10, 11 и 12 представлены изображения поперечного сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником,
на фиг. 13, 14 и 15 представлены изображения поперечного сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с внешним проводником,
на фиг. 16, 17 и 18 представлены изображения поперечного сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с секций, проходящей через покрьшающий слой, и нагревательной секцией,
на фиг. 19А и 19В представлены изображения поперечного сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внутренним проводником,
на фиг. 20А и 20В представлены изображения поперечного сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внутренним проводником и неферромагнитной сердцевиной,
на фиг. 21А и 21В представлены изображения поперечного сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником,
на фиг. 22А и 22В представлены изображения поперечного сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником, который плакирован коррозионно стойким сплавом,
на фиг. 23А и 23В представлены изображения поперечного сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником,
на фиг. 24 представлено изображение поперечного сечения варианта воплощения композиционного проводника с опорным элементом,
на фиг. 25 представлено изображение поперечного сечения варианта воплощения композиционного проводника с опорным элементом, разделяющим проводники,
на фиг. 26 представлено изображение поперечного сечения варианта воплощения композиционного проводника, окружающего опорный элемент,
на фиг. 27 представлено изображение поперечного сечения варианта воплощения
композиционного проводника, окружающего опорный элемент в виде трубопровода,
на фиг. 28 представлено изображение поперечного сечения варианта воплощения
нагревателя типа "проводник в трубе",
на фиг. 29А и на фиг. 29В изображен вариант нагревателя с изолированным
проводником,
на фиг. ЗОА и на фиг. ЗОВ изображен вариант нагревателя с изолированным проводником с рубашкой, расположенной снаружи внешнего проводника,
на фиг. 31 изображен вариант изолированного проводника, расположенного внутри
трубы,
на фиг. 32 показана зависимость электрического сопротивления от температуры при различных величинах электрического тока в стержне из нержавеющей стали 446,
на фиг. 33 показана зависимость электрического сопротивления от температуры при различных величинах электрического тока для ограниченного по температуре нагревателя,
на фиг. 34 приведены данные зависимости электрического сопротивления от температуры для твердого стержня диаметром 2,54 см, длиной 1,8 м из нержавеющей стали 410 при различных значениях пропускаемого электрического тока,
на фиг. 35 приведены данные зависимости для глубины скин-слоя (глубина проникновения тока) от температуры для твердого стержня диаметром 2,54 см, длиной 1,8 м из нержавеющей стали 410 при различных значениях пропускаемого переменного тока,
на фиг. 36 показана зависимость температуры от времени для ограниченного по температуре нагревателя,
на фиг. 37 показаны данные зависимости температуры от логарифма времени для твердого стержня диаметром 2,5 см из нержавеющей стали 410 и твердого стержня диаметром 2,5 см из нержавеющей стали 304,
на фиг. 38 показана зависимость температуры центра проводника для нагревателя типа проводник-в-трубе от глубины пласта для ограниченного по температуре нагревателя с отношением диапазона изменения, равным 2:1,
на фиг. 39 показан тепловой поток из нагревателя через пласт для отношения диапазона изменения, равного 2:1, вдоль профиля богатого нефтяного сланца,
на фиг. 40 показана зависимость температуры нагревателя от глубины пласта для отношения диапазона изменения 3:1,
на фиг. 41 показан тепловой поток из нагревателя через пласт для отношения диапазона изменения, равного 3:1, вдоль профиля богатого нефтяного сланца,
на фиг. 42 показана зависимость температуры нагревателя от глубины пласта для
отношения диапазона изменения 4:1,
на фиг. 43 показана зависимость температуры нагревателя от глубины для нагревателей, использованных при моделировании процесса нагревания нефтяного сланца,
на фиг. 44 показана зависимость теплового потока из нагревателя от времени для нагревателей, использованных при моделировании процесса нагревания нефтяного сланца,
на фиг. 45 показана зависимость интегрального подведенного тепла от времени при моделировании процесса нагревания нефтяного сланца.
Хотя это изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, конкретные варианты его воплощения показаны с помощью примеров, на чертежах и могут быть подробно раскрыты. Чертежи могут быть не в масштабе. Однако следует понимать, что чертежи и подробное описание не предназначаются для ограничения изобретения описанными конкретными формами, скорее наоборот, в этом изобретении будут защищены все модификации, эквивалентные и альтернативные его формы, подпадающие под замысел и объем настоящего изобретения, которые определены в прилагаемой формуле изобретения.
Подробное описание
Указанные выше проблемы могут быть устранены с помощью описанных систем, способов и нагревателей. Например, система для внутрипластовой конверсии скомпонована с возможностью передачи тепла из нагревательных секций в часть пласта. Система включает в себя источник электропитания и один или несколько электрических проводников, скомпонованных для электрического соединения с источником электропитания и расположенных в отверстии в пласте. Источник электропитания скомпонован таким образом, чтобы обеспечить относительно постоянное значение электрического тока, которое остается в пределах 15% от заданного постоянного значения тока, когда изменяется нагрузка в электрических проводниках. По меньшей мере, один из электрических проводников имеет нагревательную секцию. Нагревательная секция включает электрорезистивный ферромагнитный материал, скомпонованный для обеспечения выходной электрорезистивной тепловой мощности при подаче электрического тока в ферромагнитный материал. Нагревательная секция скомпонована таким образом, чтобы обеспечить пониженное количество тепла вблизи или выше заданной температуры при эксплуатации благодаря уменьшению электрического сопротивления нагревательной секции, когда температура ферромагнитного материала
вблизи или превышает заданную температуру.
Описанные здесь более подробно определенные варианты воплощения изобретения относятся к системам и способам обработки углеводородов в пластах. Такие пласты могут быть обработаны с целью получения углеводородных продуктов, водорода и других продуктов. Определение используемых в описании терминов следует ниже.
Термин "углеводороды" обычно означает молекулы, состоящие, главным образом, из атомов углерода и водорода. Углеводороды также могут содержать другие элементы, такие как галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или серу (но не ограничиваются указанным). Углеводороды могут представлять собой кероген, битум, пиробитум, нефти, природные минеральные воски и асфальтиты (но не ограничиваются указанными). Углеводороды могут быть расположены внутри или смежно с минеральными матрицами внутри земли. Матрицы могут включать в себя, но, не ограничиваясь этим, осадочную породу, пески, силицилиты, карбонаты, диатомиты и другие пористые среды. "Углеводородные флюиды" представляют собой флюиды, которые содержат углеводороды. Углеводородные флюиды могут включать, увлекать или быть увеличенными неуглеводородными флюидами (например, водородом, азотом, монооксидом углерода, диоксидом углерода, сероводородом, водой и аммиаком).
Термин "пласт" включает в себя один или несколько слоев, содержащих углеводороды, один или несколько неуглеводородных слоев, покрывающий слой и/или подстилающий слой. Покрьшающий и/или подстилающий слой может включать в себя скальную породу, сланец, аргиллит или влажный/плотный карбонат. В некоторых вариантах процессов внутрипластовой конверсии покрьшающий слой и/или подстилающий слой могут включать в себя слой, содержащий углеводороды или слои, содержащие углеводороды, которые относительно непроницаемы и не подвергаются температурному воздействию во время процесса конверсии, который приводит к значительному изменению характеристик содержащих углеводороды слоев покрывающего слоя и/или подстилающего слоя. Например, подстилающий слой может содержать сланец или аргиллит, однако подстилающий слой не нагревается до температур пиролиза в процессе внутрипластовой конверсии. В некоторых случаях покрывающий слой и/или подстилающий слой могут обладать в некоторой степени проницаемостью.
Термины "флюиды пласта" и "добываемые флюиды" относятся к флюидам, удаляемым из пласта, и могут включать в себя флюиды пиролиза, синтез-газ, подвижный углеводород и воду (пар). Флюиды пласта могут включать углеводородные флюиды, а также неуглеводородные флюиды.
"Термически проводящий флюид" включает в себя флюид, который обладает более
высокой теплопроводностью, чем воздух при давлении 101 кПа и температуре внутри нагревателя.
"Нагреватель" означает любую систему для генерирования тепла в скважине или в зоне вблизи ствола скважины. Нагреватели могут быть электрическими нагревателями, циркулирующим флюидом для теплопередачи или водяным паром, горелками, камерами сгорания, но, не ограничиваясь этим, которые взаимодействуют с материалом внутри пласта или добываемым из пласта, и/или их сочетанием.
"Ограниченный по температуре нагреватель" обычно относится к нагревателю, который регулирует выходную тепловую мощность (например, уменьшает выходную тепловую мощность) выше заданной температуры, без использования внешних средств управления, таких как регуляторы температуры, регуляторы мощности, преобразователи или другие устройства. Ограниченные по температуре нагреватели могут быть электрорезистивными нагревателями, запитываемыми переменным током или модулированным (например, "прерывистый") ПСТ (постоянным током).
"Температура Кюри" - это температура, выше которой ферромагнитный материал теряет все ферромагнитные свойства. Помимо того, что все ферромагнитные свойства исчезают выше температуры Кюри, ферромагнитный материал начинает терять ферромагнитные свойства, когда через ферромагнитный материал проходит возрастающий электрический ток.
"Модулированный постоянный ток (ПСТ)" относится к любому току, изменяющемуся во времени, который обеспечивает скин-эффект в ферромагнитном проводнике.
"Отношение диапазона изменения" для ограниченного по температуре нагревателя означает отношение наибольшего сопротивления переменному току или модулированному ПСТ при температуре ниже температуры Кюри, к наименьшему сопротивлению переменному току или модулированному ПСТ при температуре выше температуры Кюри.
"Ствол скважины" относится к отверстию в пласте, полученному путем бурения или внедрения трубы внутрь пласта. Применяемые в описании термины "скважина" и "отверстие", когда они относятся к отверстию в пласте, могут быть использованы попеременно с термином "ствол скважины".
"Изолированный проводник" относится к любому удлиненному предмету, который может проводить электрический ток и который покрыт, полностью или частично, электроизолирующим материалом. Термин "саморегулирование" относится к регулированию выходной мощности нагревателя без внешнего управления любого типа.
В контексте нагревательных систем, устройств и способов с пониженной выходной тепловой мощностью термин "автоматически" означает, что такие системы, устройства и методы функционируют определенным образом без использования средств внешнего управления (например, внешних регуляторов, таких как регулятор с датчиком температуры и контуром обратной связи, ПИД регулятор или прогнозирующий регулятор).
Углеводороды в пласте могут быть обработаны различными способами для того, чтобы получать множество различных продуктов. В определенных вариантах воплощения такие пласты обрабатывают поэтапно. На фиг. 1 показаны некоторые этапы нагревания части пласта, который содержит углеводороды. Кроме того, на фиг. 1 показана зависимость приблизительного выхода ("Y") в баррелях (1 баррель = 159 л) нефтяного эквивалента на 1 тонну (по оси у) флюидов пласта от температуры ("Т") нагретого пласта в градусах Цельсия (по оси х).
В ходе первого этапа нагревания происходит десорбция метана и испарение воды. Нагревание пласта в ходе первого этапа может быть проведено, по возможности, быстро. При первоначальном нагревании пласта углеводороды в пласте десорбируют адсорбированный метан. Десорбированный метан можно добывать из пласта. При дальнейшем нагревании пласта происходит испарение воды из пласта. Обычно вода испаряется из пласта при температуре между 160°С и 285°С, при давлении от 600 кПа абсолютное значение до 7000 кПа (абсолютное значение). В некоторых вариантах испарившаяся вода приводит к изменениям смачиваемости в пласте и/или к повышению давления в пласте. Изменения смачиваемости и/или повышенное давление могут повлиять на реакции пиролиза или другие реакции в пласте. В определенных вариантах воплощения испарившаяся вода выводится из пласта. В других вариантах испарившаяся вода используется для выделения и/или перегонки с водяным паром внутри пласта или вне пласта.
Удаление воды из пласта и увеличение объема пор в пласте дает увеличение объема для хранения углеводородов внутри объема пор.
В определенных вариантах воплощения после первого этапа нагревания часть пласта нагревается далее так, чтобы температура в этой части пласта достигла (по меньшей мере) начальной температуры пиролиза (такой как температура на нижнем краю диапазона температур, показанного как этап 2). Углеводороды в пласте могут подвергаться пиролизу на всем этапе 2. Диапазон температуры пиролиза изменяется в зависимости от типа углеводородов в пласте. Диапазон температур пиролиза может включать температуры между 250°С и 900°С. Диапазон температур пиролиза для добычи
желаемых продуктов может включать только часть от общего диапазона температур пиролиза. В некоторых вариантах диапазон температур пиролиза для добычи желаемых продуктов может включать температуры между 250°С и 400°С, температуры между 250°С и 350°С или температуры между 325°С и 400°С. Если температура углеводородов в пласте медленно повышается во всем температурном диапазоне от 250°С до 400°С, то образование продуктов пиролиза может, по существу, завершиться при достижении температуры 400°С. При нагревании пласта с помощью множества нагревателей может установиться суперпозиция потоков тепла, что приведет к медленному повышению температуры углеводородов в пласте в диапазоне температур пиролиза.
В некоторых вариантах выполнения внутрипластовой конверсии часть пласта нагревается до желаемой температуры вместо медленного нагрева до температуры на протяжении всего температурного диапазона пиролиза. В некоторых вариантах выполнения желаемая температура составляет 300°С. В некоторых вариантах выполнения желаемая температура составляет 325°С. В некоторых вариантах выполнения желаемая температура составляет 350°С. В качестве желаемой температуры могут быть выбраны другие температуры. Суперпозиция тепла от нагревателей обеспечивает относительно быстрое и эффективное установление желаемой температуры в пласте. Ввод энергии в пласт от нагревателей можно регулировать таким образом, чтобы поддерживать в пласте желаемую температуру. В нагретой части пласта поддерживается, по существу, желаемая температура, пока процесс пиролиза не уменьшится настолько, что добыча желаемых флюидов пласта станет неэкономичной. Части пласта, которые подвергаются пиролизу, могут включать в себя зоны, нагретые до диапазона температур пиролиза за счет теплопередачи только от одного нагревателя.
В определенных вариантах воплощения флюиды пласта, в том числе флюиды пиролиза, добываются из пласта. По мере повышения температуры пласта количество конденсируемых углеводородов в добываемом флюиде пласта может снижаться. При очень высоких температурах в пласте могут образоваться, главным образом, метан и/или водород. Если пласт нагревается во всем температурном диапазоне пиролиза, то в пласте могут образоваться лишь небольшие количества водорода по мере приближения к верхней границе диапазона температур пиролиза. После истощения большей части доступного водорода из пласта будет добываться минимальное количество флюида.
После пиролиза углеводородов в нагретой части пласта еще может присутствовать большое количество углерода и некоторое количество водорода. Часть углерода, оставшегося в нагретой части пласта, можно извлечь из пласта в виде синтез-газа. Образование синтез-газа может иметь место в ходе 3-го этапа нагревания, изображенного
на фиг. 1. Этап 3 может включать в себя нагревание нагретой части пласта до температуры, которая достаточна для обеспечения образования синтез-газа. Синтез-газ может образоваться в температурном диапазоне от 400°С до 1200°С, от 500°С до 1100°С
О 9
или от 550 С до 1000 С. Когда в пласт вводится флюид, генерирующий синтез-газ, температура нагретой части пласта определяет состав синтез-газа, образовавшегося в пласте. Образовавшийся синтез-газ можно выводить из пласта через одну или несколько эксплуатационных скважин.
На фиг. 2 изображен схематический общий вид варианта исполнения части системы внутрипластовой конверсии для обработки пласта, содержащего углеводороды. Нагреватели 100 расположены, по меньшей мере, в части пласта. Нагреватели 100 обеспечивают подачу тепла, по меньшей мере, в часть пласта для нагревания углеводородов в этом пласте. Энергию к нагревателям 100 можно подводить с помощью линий питания 102. Линии питания 102 могут отличаться по структуре, в зависимости от типа нагревателя или нагревателей, используемых для нагревания пласта. Линии питания 102 для нагревателей могут передавать электричество для электрических нагревателей, могут транспортировать топливо для камер сгорания или могут транспортировать теплообменный флюид, который циркулирует в пласте.
Эксплуатационные скважины 104 используются для удаления флюида пласта из пласта. Флюид пласта, добываемый из эксплуатационных скважин 104, может транспортироваться по коллекторному трубопроводу 106 к установкам 108 для обработки. Флюиды пласта также можно добывать из нагревателей 100. Например, флюид можно добывать из нагревателей 100 для управления давлением в пласте вблизи нагревателей. Флюид, добываемый из нагревателей 100, может транспортироваться по трубам или трубопроводу к коллекторному трубопроводу 106, или добываемый флюид может транспортироваться по трубам или трубопроводу непосредственно в установку 108 для обработки. Установка 108 для обработки может включать в себя разделительные блоки, блоки реакций, блоки повышения качества, блоки удаления серы из газа, топливные элементы, турбины, контейнеры для хранения и/или другие системы и блоки для обработки добытых флюидов пласта.
Система внутрипластовой конверсии для обработки углеводородов может включать барьерные скважины ПО. Барьерные скважины применяются для создания барьера вокруг обрабатываемой зоны. Барьер предотвращает вход потока флюида и/или выход из обрабатываемой зоны. Барьерные скважины включают, но не ограничиваются этим, водопонижающие скважины, вакуумные скважины, перехватывающие скважины, нагнетательные скважины, цементированные скважины, замораживающие скважины или
их сочетания. В некоторых вариантах исполнения барьерные скважины ПО представляют собой водопонижающие скважины. Водопонижающие скважины могут удалять жидкую воду и/или предотвращать поступление жидкой воды в часть пласта, которая будет нагреваться, или в нагретый пласт. В варианте, изображенном на фиг. 2, показаны водопонижающие скважины, выступающие только вдоль одной стороны нагревателей 100, однако обычно водопонижающие скважины окружают все нагреватели 100, использованные или которые будут использованы, для нагревания пласта.
Как показано на фиг. 2, в дополнение к нагревателям 100 в пласте расположены одна или несколько эксплуатационных скважин 104. Флюиды пласта можно добывать через эксплуатационные скважины 104. В некоторых вариантах исполнения эксплуатационная скважина 104 включает нагреватель. Нагреватель в эксплуатационной скважине может нагревать одну или несколько частей пласта при (или вблизи) продуктивной скважине и обеспечивать удаление паровой фазы флюидов пласта. Потребность в выкачивании жидкостей с высокой температурой из эксплуатационной скважины может быть снижена или исключена. Исключение или ограничение высокотемпературного выкачивания жидкостей может значительно снизить производственные затраты. Обеспечение нагрева по всей длине эксплуатационной скважины может: (1) предотвратить конденсацию и/или дефлегмацию добытого флюида, когда такой добытый флюид движется в эксплуатационной скважине вблизи покрывающего слоя, (2) увеличить подвод тепла внутрь пласта и/или (3) повысить проницаемость пласта вблизи эксплуатационной скважины. В некоторых вариантах исполнения процесса внутрипластовой конверсии количество тепла, подаваемого в пласт из эксплуатационной скважины на метр эксплуатационной скважины, меньше, чем количество тепла, поступающего в пласт от нагревателя, который нагревает пласт.
Некоторые варианты исполнения нагревателей включают в себя переключатели (например, плавкие и/или термостатирующие предохранители), которые отключают подачу энергии в нагреватель или части нагревателя, когда в нагревателе достигаются определенные условия. В определенных вариантах воплощения ограниченный по температуре нагреватель применяется для обеспечения теплом углеводородов в пласте.
Ограниченные по температуре нагреватели могут быть выполнены из и/или включать в себя материалы, которые обеспечивают автоматическое ограничение по температуре при достижении нагревателем определенной температуры. В определенных вариантах воплощения в ограниченных по температуре нагревателях используются ферромагнитные материалы. Ферромагнитный материал может автоматически ограничивать температуру при температуре Кюри материала или вблизи нее, обеспечивая
пониженное количество тепла при температуре Кюри или вблизи нее, когда переменный ток подается в материал. В определенных вариантах воплощения ферромагнитные материалы соединены с другими материалами (например, материалами с высокой проводимостью, материалами с высокой прочностью, коррозионно стойкими материалами или их сочетаниями) для обеспечения различных электрических и/или механических свойств. Некоторые части ограниченного по температуре нагревателя могут иметь более низкое сопротивление (обусловленного другой геометрией и/или использованием других ферромагнитных и/или неферромагнитных материалов), чем другие части ограниченного по температуре нагревателя. Наличие частей ограниченного по температуре нагревателя из различных материалов и/или различных размеров позволяет задавать желаемую выходную тепловую мощность для каждой части нагревателя. Обычно применение ферромагнитных материалов в ограниченных по температуре нагревателях является более экономичным и надежным, чем использование переключателей или других регулирующих устройств в нагревателях, ограниченных по температуре.
Ограниченные по температуре нагреватели могут обладать большей надежностью, чем другие нагреватели. Ограниченные по температуре нагреватели могут быть менее подвержены разрушению или реже выходят из строя из-за участков местного перегрева в пласте. В некоторых вариантах исполнения ограниченные по температуре нагреватели обеспечивают, по существу, равномерный нагрев пласта. В некоторых вариантах исполнения ограниченные по температуре нагреватели способны нагревать пласт более эффективно за счет работы при повышенном среднем значении выходной тепловой мощности вдоль всей длины нагревателя. Ограниченный по температуре нагреватель работает при повышенном среднем значении выходной тепловой мощности вдоль всей длины нагревателя, поскольку подаваемую нагревателю мощность не нужно снижать по всему нагревателю, как в случае обычных нагревателей с постоянной мощностью в ваттах, если температура вдоль какой-либо области нагревателя превышает или почти превышает максимальную рабочую температуру нагревателя. Выходная тепловая мощность ограниченного по температуре нагревателя, выделяемая из его частей, температура которых приближается к температуре Кюри, автоматически снижается без регулировки величины переменного тока, подаваемого в нагреватель. Выходная тепловая мощность автоматически снижается благодаря изменениям электрических свойств (например, электрического сопротивления) частей нагревателя, ограниченного по температуре. Таким образом, большая мощность подается с помощью ограниченного по температуре нагревателя во время большей части процесса нагрева.
В одном варианте система, включающая ограниченные по температуре
нагреватели, сначала обеспечивает первую выходную тепловую мощность и затем обеспечивает пониженное количество тепла при температуре вблизи или выше температуры Кюри электрорезистивной части нагревателя, когда через ограниченный по температуре нагреватель пропускают переменный ток или модулированный постоянный ток. Через ограниченный по температуре нагреватель можно пропускать переменный ток или модулированный постоянный ток, подаваемый в устье скважины. Устье скважины может включать в себя источник питания и другие компоненты (например, модулирующие компоненты, трансформаторы и/или конденсаторы), применяемые для подачи энергии ограниченному по температуре нагревателю. Ограниченный по температуре нагреватель может быть одним из многих нагревателей, используемых для нагревания части пласта.
В определенных вариантах воплощения ограниченный по температуре нагреватель включает в себя проводник, который работает как нагреватель со скин-эффектом или близким эффектом, когда переменный ток или модулированный постоянный ток проходит через проводник. Скин-эффект ограничивает глубину проникновения тока внутрь проводника. Для ферромагнитных материалов скин-эффект, в основном, определяется магнитной проницаемостью проводника. Обычно величина относительной магнитной проницаемости ферромагнитных материалов находится между 10 и 1000 (например, величина относительной магнитной проницаемости ферромагнитных материалов обычно составляет, по меньшей мере, 10 и может быть равной, по меньшей мере, 50, 100, 500, 1000 или больше). Когда температура ферромагнитного материала поднимается выше температуры Кюри и/или когда возрастает проходящий электрический ток, магнитная проницаемость ферромагнитного материала значительно снижается, и быстро распространяется область скин-эффекта (например, скин-эффект распространяется обратно пропорционально квадратному корню из магнитной проницаемости). Снижение магнитной проницаемости приводит к уменьшению сопротивления переменному току или модулированному ПСТ для проводника при температуре вблизи или выше температуры Кюри, и/или возрастает подаваемый электрический ток. Когда ограниченный по температуре нагреватель питается от источника, по существу, постоянного тока, части нагревателя, имеющие температуру, близкую или выше температуры Кюри, могут обладать пониженной способностью теплоотвода. Секции ограниченного по температуре нагревателя, температура которых не равна или не приближается к температуре Кюри, могут подвергаться нагреву за счет скин-эффекта, что обеспечивает высокий теплоотвод от нагревателя вследствие повышенной резистивной нагрузки.
Нагреватели с температурой Кюри были использованы в паяльной аппаратуре,
нагревателях для применения в медицине и нагревательных элементах для печей. Некоторые из этих областей применения раскрыты в патентах США № 5579575 (авторы Lamome и др.), 5065501 (Henschen и др.) и 5512732 (Yagnik и др.). В патенте США № 4849611 (Whitney и др.) описано множество дискретных, пространственно разделенных нагревательных блоков, включающих реактивный элемент, резистивный нагревательный элемент и элемент, реагирующий на температуру.
Преимущество применения ограниченного по температуре нагревателя для нагрева углеводородов в пласте заключается в том, что выбирают проводник, который имеет температуру Кюри в желательном диапазоне рабочих температур. Работа внутри желательного диапазона рабочих температур обеспечивает существенный тепловой поток внутрь пласта, в то время как температура ограниченного по температуре нагревателя и другого оборудования поддерживается ниже рабочей предельной температуры. Предельные рабочие температуры - это температуры, при которых существенно ухудшаются такие свойства, как коррозия, текучесть и/или деформация. Наличие температурного предела у ограниченного по температуре нагревателя предотвращает перегрев или перегорание нагревателя вблизи "участков местного перегрева" в пласте с низкой теплопроводностью. В некоторых вариантах исполнения ограниченный по температуре нагреватель способен снижать или регулировать выходную тепловую мощность, и/или выдерживать тепло при температурах выше 25°С, 37°С, 100°С, 250°С, 500°С, 700°С, 800°С, 900°С или выше, вплоть до 1131°С, в зависимости от материалов, использованных в нагревателе.
Ограниченный по температуре нагреватель обеспечивает более высокий тепловой поток внутрь пласта, чем нагреватели с постоянной мощностью в ваттах, поскольку ввод энергии в ограниченный по температуре нагреватель не ограничивается так, чтобы соответствовать областям с низкой теплопроводностью вблизи нагревателя. Например, в месторождении нефтяного сланца Green River существует различие, по меньшей мере, в 3 раза по теплопроводности наименее богатых слоев нефтяного сланца и наиболее богатых слоев нефтяного сланца. При нагревании такого пласта гораздо больше тепла передается в пласт с ограниченным по температуре нагревателем, чем с традиционным нагревателем, который ограничивается температурой в слоях с низкой теплопроводностью. Выходная тепловая мощность по всей длине традиционного нагревателя должна соответствовать слоям с низкой теплопроводностью для того, чтобы нагреватель не перегревался и не перегорал в слоях с низкой теплопроводностью. Выходная тепловая мощность вблизи слоев с низкой теплопроводностью, которые находятся при высокой температуре, будет снижаться в ограниченном по температуре нагревателе, однако остальные части
ограниченного по температуре нагревателя, которые не находятся при высокой температуре, все еще будут обеспечивать высокую выходную тепловую мощность. Поскольку нагреватели для нагревания углеводородных пластов обычно имеют большую длину (например, по меньшей мере, 10 м, 100 м, 300 м, 1 км или больше, вплоть до 10 км), большая часть длины ограниченного по температуре нагревателя может работать при температуре ниже температуры Кюри, тогда как только небольшие участки ограниченного по температуре нагревателя находятся при температуре Кюри или вблизи нее.
Применение ограниченных по температуре нагревателей обеспечивает эффективную передачу тепла в пласт. Эффективная передача тепла обеспечивает уменьшение времени, которое необходимо для нагревания пласта до желаемой температуры. Например, в месторождении нефтяного сланца Green River обычно для пиролиза требуется нагревание от 9,5 лет до 10 лет при использовании нагревательной скважины с традиционными нагревателями постоянной мощности в ваттах, разнесенными на расстояние 12 м. При таком же размещении нагревателей, ограниченных по температуре, может быть обеспечена в среднем повышенная выходная тепловая мощность, при этом температура нагревательного оборудования поддерживается ниже предельной рабочей температуры для оборудования. Пиролиз в пласте может происходить за меньшее время с повышенной средней выходной тепловой мощностью, обеспечиваемой ограниченными по температуре нагревателями, по сравнению с пониженной средней выходной тепловой мощностью, обеспечиваемой нагревателями с постоянной мощностью в ваттах. Например, в месторождении нефтяного сланца Green River пиролиз может происходить за 5 лет при использовании нагревательных скважин (на расстоянии 12 м) с ограниченными по температуре нагревателями. Ограниченные по температуре нагреватели "нейтрализуют" участки местного перегрева, обусловленные неточным расположением скважин или бурением, когда нагревательные скважины находятся слишком близко друг к другу. В определенных вариантах воплощения ограниченные по температуре нагреватели обеспечивают повышенный выход мощности во времени для нагревательных скважин, которые разнесены на удаленное расстояние, или ограничивают выход мощности для нагревательных скважин, которые расположены слишком близко друг к другу. Кроме того, ограниченные по температуре нагреватели вводят больше мощности в областях вблизи покрывающего слоя и подстилающего слоя для того, чтобы компенсировать потери тепла в этих областях.
Ограниченные по температуре нагреватели могут быть выгодно использованы во многих типах пластов. Например, в пластах битуминозных песков или относительно
проницаемых пластах, содержащих тяжелые углеводороды, ограниченные по температуре нагреватели могут быть использованы для обеспечения регулируемого низкотемпературного выхода мощности для снижения вязкости флюидов, подвижности флюидов и/или для усиления радиального потока флюидов в стволе скважины или вблизи ствола, или в пласте. Ограниченные по температуре нагреватели могут быть использованы для предотвращения избыточного образования кокса из-за перегрева зоны пласта вблизи ствола скважины.
Применение ограниченных по температуре нагревателей в некоторых вариантах исполнения исключает или снижает потребность в дорогостоящих схемах регулирования температуры. Например, использование ограниченных по температуре нагревателей исключает или снижает потребность в осуществлении записи показаний температуры и/или потребность в использовании на нагревателях прикрепленных термоэлементов для наблюдения за возможным перегревом в участках местного перегрева.
В некоторых вариантах исполнения ограниченные по температуре нагреватели являются более экономичными в производстве или изготовлении, чем традиционные нагреватели. Типичные ферромагнитные материалы включают в себя железо, углеродистую сталь или ферритовую нержавеющую сталь. Такие материалы являются недорогими по сравнению с нагревательными сплавами на основе никеля (такие как нихром, Kanthal(tm) (фирма Bulten-Kanthal АВ, Швеция) и/или LOHM(tm) (Driver-Harris Company, Harrison, NJ, США), которые обычно используются в нагревателях типа изолированного проводника (минеральный изолированный кабель). В одном варианте ограниченного по температуре нагревателя этот нагреватель выполнен как нагреватель типа "изолированный проводник" в виде длинного кабеля для того, чтобы снизить затраты и улучшить надежность.
В определенных вариантах воплощения внутри ограниченного по температуре нагревателя может быть помещена термически проводящая текучая среда, такая как гелий, чтобы улучшить теплопроводность внутри нагревателя. Термически проводящие текучие среды включают в себя, но, не ограничиваясь этим, газы, которые обладают теплопроводностью, прозрачностью для излучения и электроизоляционными свойствами. Прозрачные для излучения газы включают двухатомные или одноатомные газы, которые не поглощают в значительной степени инфракрасное излучение. В определенных вариантах воплощения термически проводящие текучие среды включают гелий и/или водород. Кроме того, термически проводящие текучие среды могут обладать термической стабильностью. Например, термически проводящие текучие среды могут не подвергаться термическому крекингу с образованием нежелательного остатка.
Термически проводящая текучая среда может размещаться внутри проводника, внутри трубы и/или внутри рубашки ограниченного по температуре нагревателя. Термически проводящая текучая среда может быть размещена в (кольцевом) пространстве между одним или несколькими компонентами (например, проводником, трубой или рубашкой) ограниченного по температуре нагревателя. В некоторых вариантах исполнения термически проводящая текучая среда расположена в пространстве (кольцевом) между ограниченным по температуре нагревателем и трубой.
В определенных вариантах воплощения воздух и/или другая текучая среда в пространстве (кольцевом) заменяют потоком термически проводящей текучей среды во время введения термически проводящей текучей среды в это пространство. В некоторых вариантах исполнения воздух и/или другая текучая среда удаляется (например, с помощью вакуума, продувки или откачки) из пространства до введения термически проводящей текучей среды в пространство. Уменьшение парциального давления воздуха в пространстве снижает скорость окисления компонентов нагревателя в пространстве. Термически проводящая текучая среда вводится в конкретный объем и/или до заданного давления в пространстве. Термически проводящая текучая среда может вводиться таким образом, чтобы в пространстве присутствовал, по меньшей мере, минимальный объемный процент термически проводящей текучей среды выше заданной величины. В определенных вариантах воплощения, термически проводящая текучая среда в пространстве составляет, по меньшей мере, 50%, 75% или 90% по объему.
Размещение термически проводящей текучей среды внутри пространства ограниченного по температуре нагревателя повышает коэффициент теплопередачи в пространстве. Повышенная теплопередача обусловлена уменьшением сопротивления для передачи тепла в пространство с термически проводящей текучей средой. Уменьшение сопротивления для передачи тепла в пространстве обеспечивает повышенный выход энергии из ограниченного по температуре нагревателя в подземный пласт. Уменьшение сопротивления для передачи тепла внутри пространства с термически проводящей текучей средой обеспечивает меньший диаметр электрического проводника (например, уменьшение внутреннего диаметра проводника, уменьшение внешнего диаметра проводника и/или уменьшение диаметра трубы), увеличение внешнего радиуса (например, увеличение радиуса трубы или рубашки) и/или увеличение ширины пространства. Уменьшение диаметра электрического проводника снижает материальные затраты. Увеличение внешнего радиуса трубы или рубашки и/или увеличение ширины кольцевого пространства обеспечивает дополнительное кольцевое пространство. Дополнительное кольцевое пространство помогает приспособиться к деформации трубы и/или рубашки,
исключая выход из строя нагревателя. Увеличение внешнего радиуса трубы или рубашки и/или увеличение ширины кольца может обеспечить дополнительное кольцевое пространство для защиты компонентов (например, прокладок, соединителей и/или трубы) в кольцевом зазоре.
Однако, когда увеличивается ширина кольцевого зазора в ограниченном по температуре нагревателе, требуется улучшенная теплопередача по сечению кольцевого пространства для того, чтобы сохранить свойства хорошей выходной тепловой мощности для нагревателя. В некоторых вариантах исполнения, особенно для низкотемпературных нагревателей, теплопередача излучением обладает минимальной эффективностью при передаче тепла по сечению кольцевого пространства нагревателя. В таких вариантах исполнения кондуктивная теплопередача в кольцевом пространстве имеет значение для того, чтобы сохранить свойства хорошей выходной тепловой мощности для нагревателя. Термически проводящая текучая среда обеспечивает повышенную теплопередачу по сечению кольцевого пространства.
В определенных вариантах воплощения термически проводящая текучая среда, расположенная в пространстве, также является электрическим изолятором, который предотвращает электрический разряд между проводниками в ограниченном по температуре нагревателе. Электрический разряд в сечении пространства или зазора представляет собой проблему для удлиненных нагревателей, для которых требуется более высокое рабочее напряжение. Электрический разряд может создавать проблемы для более коротких нагревателей и/или при пониженном электрическом напряжении, что зависит от рабочих параметров нагревателя. Повышение давления текучей среды в пространстве увеличивает напряжение пробоя искрового промежутка в пространстве и предотвращает электрический разряд по сечению этого пространства.
Давление термически проводящей текучей среды в пространстве может возрастать до значения между 500 кПа и 50000 кПа, между 700 кПа и 45000 кПа или между 1000 кПа и 40000 кПа. В варианте изобретения давление термически проводящей текучей среды увеличивается, по меньшей мере, до 700 кПа или, по меньшей мере, до 1000 кПа. В определенных вариантах воплощения давление термически проводящей текучей среды, необходимое для предотвращения электрического разряда по сечению пространства, зависит от температуры в этом пространстве. Электроны могут "проходить" вдоль поверхности (например, изоляторов, соединителей или экранов) в пространство, что вызывает электрический разряд или электрическое разрушение поверхности. Текучая среда под высоким давлением может предотвращать такой выход электронов с поверхности в пространство.
Ферромагнитный сплав или ферромагнитные сплавы, применяемые в ограниченном по температуре нагревателе, определяют температуру Кюри нагревателя. Данные о температуре Кюри для различных металлов приведены в справочнике "American Institute of Physics Handbook," второе издание, McGraw-Hill, от стр. 5-170 до 5-176. Ферромагнитные проводники могут включать в себя один или несколько ферромагнитных элементов (железо, кобальт и никель) и/или сплавы этих элементов. В некоторых вариантах исполнения ферромагнитные проводники включают железохромовые (Fe-Cr) сплавы, которые содержат вольфрам (W) (например, НСМ12А и SAVE 12 (фирма Sumitomo Металле Co., Japan) и/или сплавы железа, которые содержат хром (например, Fe-Cr сплавы, Fe-Cr-W сплавы, Fe-Cr-V (ванадий) сплавы, Fe-Cr-Nb (ниобий) сплавы). Из этих трех основных ферромагнитных элементов железо имеет температуру Кюри приблизительно 770°С, кобальт (Со) имеет температуру Кюри около 1131°С и никель имеет температуру Кюри вблизи 358°С. Железокобальтовый сплав имеет температуру Кюри выше, чем температура Кюри для железа. Например, железокобальтовый сплав, содержащий 2% масс, кобальта, имеет температуру Кюри приблизительно 800°С, железокобальтовый сплав с 12% масс, кобальта имеет температуру Кюри приблизительно 900°С, и железокобальтовый сплав с 20% масс, кобальта имеет температуру Кюри приблизительно 950°С. Железоникелевый сплав имеет температуру Кюри меньше, чем температура Кюри для железа. Например, железоникелевый сплав, содержащий 20% масс, никеля, имеет температуру Кюри приблизительно 720°С, и железоникелевый сплав с 60% масс, никеля имеет температуру Кюри приблизительно 560°С.
Некоторые неферромагнитные элементы, применяемые в сплавах, повышают температуру Кюри железа. Например, железованадиевый сплав, содержащий 5,9% масс, ванадия, имеет температуру Кюри приблизительно 815°С. Другие неферромагнитные элементы (например, углерод, алюминий, медь, кремний и/или хром) могут образовать сплав с железом или другими ферромагнитными материалами для снижения температуры Кюри. Неферромагнитные материалы, которые повышают температуру Кюри, могут сочетаться с неферромагнитными материалами, которые понижают температуру Кюри, и образовать сплав с железом или другими ферромагнитными материалами с целью получения материала с желаемой температурой Кюри и другими желаемыми физическими и/или химическими свойствами. В некоторых вариантах исполнения материал, имеющий температуру Кюри, является ферритом, таким как МРегСч. В других вариантах материал, имеющий температуру Кюри, является бинарным соединением, таким как FeNi3 или Fe3Al.
Обычно магнитные свойства ослабляются, когда достигается температура Кюри
материала. В справочнике "Handbook of Electrical Heating for Industry", C. James Erickson (IEEE Press, 1995) приведена типичная кривая для 1% углеродистой стали (сталь, содержащая 1% масс, углерода). Потеря магнитной проницаемости начинается при температурах выше 650°С, и отмечается тенденция полной потери, когда температура превышает 730°С. Таким образом, самоограничение температуры может происходить несколько ниже фактической температуры Кюри ферромагнитного проводника.
Величина скин-слоя при протекании тока в 1% углеродистой стали составляет 0,132 см (сантиметры) при комнатной температуре и увеличивается до 0,445 см при 720°С. В диапазоне 720°С - 730°С скин-слой резко увеличивается до 2,5 см и более. Таким образом, вариант ограниченного по температуре нагревателя при использовании 1% углеродистой стали становится автоматически ограниченным между 650°С и 730°С.
Скин-слой обычно определяется как эффективная глубина проникновения переменного тока или модулированного постоянного тока в проводящий материал. В общем, плотность тока убывает экспоненциально с расстоянием от внешней поверхности до центра вдоль радиуса проводника. Глубина, на которой плотность тока приблизительно составляет Уе от поверхностной плотности тока, называется глубиной скин-слоя. Для твердого цилиндрического стержня с диаметром существенно больше, чем глубина проникновения тока, или полого цилиндра с толщиной стенки, превышающей глубину проникновения тока, глубина скин-слоя, 5, определяется уравнением:
5= 1981,5* (M/"*f))1/2; (1) где: 3= глубина скин-слоя в дюймах;
р = удельное сопротивление при рабочей температуре (Ом-см); /л = относительная магнитная проницаемость; и f = частота (Гц).
Уравнение 1 взято из справочника "Handbook of Electrical Heating for Industry", C. James Erickson (IEEE Press, 1995). Для большинства металлов удельное сопротивление (р) увеличивается с температурой. Относительная магнитная проницаемость обычно изменяется с температурой и с током. Могут быть использованы дополнительные уравнения, чтобы оценить изменение магнитной проницаемости и/или глубина скин-слоя от температуры и/или от тока. Зависимость /л от тока обусловлена зависимостью /л от магнитного поля.
Материалы, применяемые в ограниченном по температуре нагревателе, могут быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить желаемое отношение "диапазона изменения". Для ограниченных по температуре нагревателей могут быть выбраны отношения "диапазона изменения", равные, по меньшей мере, 1,1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1,10:1, 30:1 или
50:1. Также могут быть использованы более высокие отношения "диапазона изменения". Выбранное отношение "диапазона изменения" зависит от ряда факторов, в том числе, но, не ограничиваясь этим, от типа пласта, в котором расположен ограниченный по температуре нагреватель, и/или от температурного предела материалов, применяемых в стволе скважины. В некоторых вариантах исполнения отношение "диапазона изменения" увеличивается за счет связывания ферромагнитного материала с дополнительной медью или другим хорошим электрическим проводником (например, добавление меди для снижения сопротивления выше температуры Кюри).
Ограниченный по температуре нагреватель может обеспечивать минимальную выходную тепловую мощность (выходную мощность) ниже температуры Кюри нагревателя. В определенных вариантах воплощения минимальная выходная тепловая мощность составляет, по меньшей мере, 400 Вт/м (Ватт на метр), 600 Вт/м, 700 Вт/м, 800 Вт/м или больше, вплоть до 2000 Вт/м. Ограниченный по температуре нагреватель снижает величину выходной тепловой мощности из нагревательной секции, когда температура нагревательной секции приближается к температуре Кюри или превышает ее. Пониженное количество тепла может быть значительно меньше, чем выходная тепловая мощность ниже температуры Кюри. В некоторых вариантах исполнения это пониженное количество тепла составляет не больше, чем 400 Вт/м, 200 Вт/м, 100 Вт/м или может приближаться к 0 Вт/м.
В некоторых вариантах исполнения ограниченный по температуре нагреватель может работать практически независимо от тепловой нагрузки на нагреватель в определенном диапазоне рабочих температур. Термин "тепловая нагрузка" означает скорость, с которой тепло передается из нагревательной системы в окружающую среду. Следует понимать, что тепловая нагрузка может изменяться с температурой окружающей среды и/или с теплопроводностью окружающей среды. В одном варианте ограниченный по температуре нагреватель работает при температуре Кюри или выше этой температуры для указанного нагревателя, таким образом, что рабочая температура нагревателя увеличивается не больше чем на 1,5°С, 1°С или 0,5°С при снижении тепловой нагрузки на 1 Вт/м вблизи части нагревателя.
Сопротивление переменному току или модулированному ПСТ и/или выходная тепловая мощность ограниченного по температуре нагревателя может резко снижаться выше температуры Кюри благодаря эффекту Кюри. В определенных вариантах воплощения величина электрического сопротивления или выходная тепловая мощность выше или вблизи температуры Кюри составляет не больше чем половину величины электрического сопротивления или выходной тепловой мощности в определенной точке
ниже температуры Кюри. В некоторых вариантах исполнения выходная тепловая мощность выше или вблизи температуры Кюри составляет не больше чем 40%, 30%, 20%, 10% или меньше (вплоть до 1%) от выходной тепловой мощности в определенной точке ниже температуры Кюри (например, на 30°С ниже температуры Кюри, на 40°С ниже температуры Кюри, на 50°С ниже температуры Кюри или на 100°С ниже температуры Кюри).
В определенных вариантах воплощения электрическое сопротивление выше или вблизи температуры Кюри снижается до 80%, 70%, 60%, 50% или меньше (до 1%) от величины электрического сопротивления в определенной точке ниже температуры Кюри (например, на 30°С ниже температуры Кюри, на 40°С ниже температуры Кюри, на 50°С ниже температуры Кюри или на 100°С ниже температуры Кюри).
В некоторых вариантах исполнения регулируют частоту переменного тока, чтобы изменить величину скин-слоя ферромагнитного материала. Например, скин-слой для 1% углеродистой стали при комнатной температуре составляет 0,132 см при 60 Гц, 0,0762 см при 180 Гц и 0,046 см при 440 Гц. Поскольку обычно диаметр нагревателя больше чем вдвое величины скин-слоя, при использовании повышенной частоты (и таким образом, нагревателя меньшего диаметра) снижается стоимость нагревателя. Для заданной геометрии повышенная частота приводит к большему отношению "диапазона изменения". Отношение "диапазона изменения" при повышенной частоте рассчитывают путем умножения отношения "диапазона изменения" при пониженной частоте на квадратный корень из отношения повышенной частоты к пониженной частоте. В некоторых вариантах исполнения используется частота между 100 Гц и 1000 Гц, между 140 Гц и 200 Гц или между 400 Гц и 600 Гц (например, 180 Гц, 540 Гц или 720 Гц). В некоторых вариантах исполнения могут быть использованы высокие частоты. Эти частоты могут быть больше, чем 1000 Гц.
Для поддержания практически постоянного скин-слоя, пока ограниченный по температуре нагреватель не достигает температуры Кюри, нагреватель может эксплуатироваться при пониженной частоте, когда нагреватель является холодным, и может эксплуатироваться при повышенной частоте, когда нагреватель является горячим. Нагревание при сетевой частоте обычно является предпочтительным, однако из-за того, что отсутствует необходимость в таких дорогостоящих компонентах, как источники энергии, трансформаторы, или модуляторы тока, которые меняют частоту. Сетевая частота представляет собой частоту обычного источника тока. Обычная сетевая частота равняется 60 Гц, но может быть равной 50 Гц или другой частоте, в зависимости от источника электропитания. Повышенные частоты могут быть получены с помощью
имеющегося в продаже оборудования, такого как твердотельные источники энергии переменной частоты. Имеются в продаже трансформаторы, которые превращают энергию трехфазного тока в энергию однофазного тока, имеющего в три раза большую частоту. Например, трехфазный ток высокого напряжения с частотой 60 Гц может быть превращен в однофазный ток с частотой 180 Гц и меньшим электрическим напряжением. Такие трансформаторы более экономичны и имеют повышенную энергетическую эффективность по сравнению с твердотельными источниками энергии переменной частоты. В определенных вариантах воплощения используются трансформаторы, которые превращают энергию трехфазного тока в энергию однофазного тока, чтобы увеличить частоту энергии, подаваемой в ограниченный по температуре нагреватель.
В определенных вариантах воплощения модулированный ПСТ (например, прерывистый ПСТ, волнообразный модулированный ПСТ или цикличный ПСТ) может быть использован для подачи электрической энергии в ограниченный по температуре нагреватель. В источнике электропитания ПСТ могут сочетаться модулятор ПСТ или прерыватель ПСТ, чтобы обеспечить на выходе модулированный постоянный ток. В некоторых вариантах исполнения источник электропитания ПСТ может включать в себя средства модулирования ПСТ. Одним примером модулятора ПСТ является конверторное устройство ПСТ-в-ПСТ. Конверторные устройства ПСТ-в-ПСТ широко известны из уровня техники. Обычно постоянный ток модулируется или прерывается, давая требуемый волнообразный ПСТ. Формы колебаний модулированного ПСТ включают, но не ограничиваются указанным, прямоугольную форму, синусоидальную, деформированную синусоидальную, деформированную прямоугольную форму, треугольную и другие регулярные или нерегулярные формы колебаний.
Обычно форма колебаний модулированного ПСТ определяется частотой модулирования ПСТ. Таким образом форма колебаний модулированного ПСТ может быть выбрана так, чтобы обеспечить требуемую частоту модулированного ПСТ. Форма и/или скорость модуляции (такая как скорость прерывания) колебаний модулированного ПСТ могут варьироваться с целью изменения частоты модулированного ПСТ. Постоянный ток может быть модулирован с частотой, которая выше частоты общедоступного переменного тока. Например, можно обеспечить модулированный ПСТ с частотой, по меньшей мере, 1000 Гц. Увеличение частоты подаваемого тока до больших значений выгодно повышает отношение "диапазона изменения" ограниченного по температуре нагревателя.
В определенных вариантах воплощения устанавливается или изменяется форма колебаний модулированного ПСТ с целью варьирования частоты модулированного ПСТ.
Модулятор ПСТ может обеспечивать регулирование или изменение формы колебаний модулированного ПСТ в любой момент во время использования ограниченного по температуре нагревателя и при высоких значениях тока или напряжения. Таким образом, модулированный ПСТ, подаваемый в ограниченный по температуре нагреватель, не ограничивается единственной частотой или даже небольшим набором частот. Обычно выбор формы колебаний с использованием модулятора ПСТ обеспечивает широкий диапазон модулированных частот ПСТ, а также дискретное регулирование частоты модулированного ПСТ. Таким образом, частота модулированного ПСТ легче устанавливается при определенном значении, в то время как частота переменного тока обычно ограничивается пошагово возрастающими значениями сетевой частоты. Дискретное регулирование частоты модулированного ПСТ обеспечивает более избирательное управление отношением "диапазона изменения" ограниченного по температуре нагревателя. Возможность избирательного управления отношением "диапазона изменения" ограниченного по температуре нагревателя обеспечивает расширение диапазона материалов, которые могут быть использованы при проектировании и конструировании ограниченного по температуре нагревателя.
В определенных вариантах воплощения электрическая энергия для ограниченного по температуре нагревателя сначала подается с использованием немодулированного ПСТ или модулированного ПСТ с очень низкой частотой. Использование немодулированного ПСТ или модулированного ПСТ с очень низкой частотой на начальной стадии нагревания снижает затраты, связанные с высокими частотами. Кроме того, немодулированный ПСТ или модулированный ПСТ с очень низкой частотой дешевле при использовании на начальной стадии нагревания. После достижения заданной температуры в ограниченном по температуре нагревателе используется модулированный ПСТ, модулированный ПСТ высокой частоты или переменный ток с целью обеспечения электрической энергией ограниченного по температуре нагревателя таким образом, чтобы выходная тепловая мощность снижалась вблизи, при или выше температуры Кюри.
В некоторых вариантах исполнения частота модулированного ПСТ или частота переменного тока регулируется для того, чтобы компенсировать изменения свойств (например, подземные параметры, такие как температура или давление) во время использования ограниченного по температуре нагревателя. Частота модулированного ПСТ или частота переменного тока, которым запитывается ограниченный по температуре нагреватель, варьируется на основе оценки условий в скважине. Например, когда температура ограниченного по температуре нагревателя в стволе скважины возрастает, может быть выгодным увеличение частоты тока, который подается в нагреватель, таким
образом, увеличивается отношение "диапазона изменения" нагревателя. В варианте воплощения оценивается температура ограниченного по температуре нагревателя в стволе скважины.
В определенных вариантах воплощения частота модулированного ПСТ или частота переменного тока изменяется с целью регулирования отношения "диапазона изменения" для ограниченного по температуре нагревателя. Отношение "диапазона изменения" можно отрегулировать для того, чтобы компенсировать участки местного перегрева по длине ограниченного по температуре нагревателя. Например, отношение "диапазона изменения" увеличивается, поскольку ограниченный по температуре нагреватель становится слишком горячим в определенных местах. В некоторых вариантах исполнения частота модулированного ПСТ или частота переменного тока изменяются с целью регулирования отношения "диапазона изменения" без оценки подземных условий.
При температуре Кюри ферромагнитного материала или вблизи нее относительно небольшие изменения напряжения могут вызывать относительно большие изменения нагрузки по току. Относительно небольшие изменения напряжения могут вызвать проблемы, связанные "с мощностью, подаваемой в ограниченный по температуре нагреватель, особенно при температуре Кюри или вблизи нее. Эти проблемы включают в себя, но, не ограничиваясь этим, уменьшение коэффициента мощности, размыкание автоматического выключателя и/или взрывание плавкого предохранителя. В некоторых случаях изменения напряжения могут быть вызваны изменением нагрузки ограниченного по температуре нагревателя. В определенных вариантах воплощения источник электрического тока (например, модулированного ПСТ или переменного тока) обеспечивает относительно постоянное значение тока, которое, по существу, не изменяется при изменениях нагрузки ограниченного по температуре нагревателя. В одном варианте источник электрического тока обеспечивает значение электрического тока, которое отличается от заданного значения постоянного тока в пределах 15%, 10%, 5% или в пределах 2%, когда изменяется нагрузка ограниченного по температуре нагревателя.
Ограниченные по температуре нагреватели могут создавать индуктивную нагрузку. Индуктивная нагрузка вызвана тем, что часть проходящего электрического тока, который используется ферромагнитным материалом, создает магнитное поле в дополнение к выделению резистивной тепловой мощности. Когда температура в скважине изменяется в ограниченном по температуре нагревателе, то изменяется индуктивная нагрузка нагревателя вследствие изменения магнитных свойств ферромагнитных материалов нагревателя в зависимости от температуры. Индуктивная нагрузка ограниченного по температуре нагревателя может привести к сдвигу фаз между током и напряжением,
приложенным к нагревателю.
Уменьшение фактической мощности, подаваемой в ограниченный по температуре нагреватель, может быть вызвано временной задержкой колебаний тока (например, ток имеет сдвиг фазы относительно напряжения из-за индуктивной нагрузки) и/или искажениями формы колебаний тока (например, искажения формы колебаний тока, вызванные введением гармоник из-за нелинейной нагрузки). Таким образом, может потребоваться больше тока, чтобы ввести заданную величину мощности из-за фазового сдвига или искажения формы колебаний. Отношение фактически введенной мощности к кажущейся мощности, которая могла быть передана, если бы тот же самый ток был в фазе и не был искажен, представляет собой коэффициент мощности. Коэффициент мощности всегда меньше или равен единице. Коэффициент мощности равен 1, когда отсутствует сдвиг фазы или искажение формы колебаний.
Фактическая мощность, введенная в нагреватель при наличии сдвига фазы, определяется уравнением 2:
P = Ix Vxcos(0); (2)
в котором Р означает фактическую мощность, поданную в ограниченный по температуре нагреватель; I означает подаваемый ток; V представляет собой приложенное напряжение; и 0 представляет собой разность фазовых углов между напряжением и током. Когда отсутствует искажение формы колебаний, cos(0) равен коэффициенту мощности.
Чем выше частота (например, при частотах модулированного ПСТ, по меньшей мере, 1000 Гц, 1500 Гц или 2000 Гц), тем сильнее выражена проблема сдвига фазы и/или искажений. В определенных вариантах воплощения используется конденсатор для того, чтобы компенсировать сдвиг фазы, вызванный индуктивной нагрузкой. Емкостная нагрузка может быть использована для уравновешивания индуктивной нагрузки, поскольку емкостной ток отличается по фазе на 180 градусов от индуктивного тока. В некоторых вариантах исполнения используется переменный конденсатор (например, твердотельный переключаемый конденсатор) для компенсации сдвига фазы, вызванного изменяющейся индуктивной нагрузкой. В одном варианте переменный конденсатор для ограниченного по температуре нагревателя расположен в устье скважины. Расположение переменного конденсатора в устье скважины дает возможность более легко варьировать емкость конденсатора в соответствии с изменениями индуктивной нагрузки ограниченного по температуре нагревателя. В определенных вариантах воплощения переменный конденсатор расположен под поверхностью земли с ограниченным по температуре нагревателем, под землей, внутри нагревателя или как можно ближе к нагревательному проводнику, чтобы свести к минимуму потери из-за конденсатора. В
некоторых вариантах исполнения переменный конденсатор расположен в центральном положении области нагревательной скважины (в некоторых вариантах исполнения один переменный конденсатор может быть использован для нескольких ограниченных по температуре нагревателей). В одном варианте переменный конденсатор расположен в электрическом соединении между областью нагревателя и электростанцией общего назначения.
В определенных вариантах воплощения переменный конденсатор используется для поддержания выше заданного значения коэффициента мощности ограниченного по температуре нагревателя или коэффициента мощности электрических проводников в ограниченном по температуре нагревателе. В некоторых вариантах исполнения переменный конденсатор используется для поддержания коэффициента мощности ограниченного по температуре нагревателя выше заданного значения, равного 0,85, 0,9 или 0,95. В определенных вариантах воплощения емкость переменного конденсатора варьируется с целью поддержания коэффициента мощности ограниченного по температуре нагревателя выше заданного значения.
В некоторых вариантах исполнения колебания модулированного ПСТ имеют предварительно заданную форму, чтобы компенсировать фазовый сдвиг и/или нелинейные искажения. Форма колебаний может быть предварительно сформирована путем модулирования колебаний в специальную форму. Например, модулятор ПСТ программируется или конструируется с целью получения колебаний конкретной формы. В определенных вариантах воплощения предварительно сформированная форма колебаний изменяется для того, чтобы компенсировать изменения индуктивной нагрузки ограниченного по температуре нагревателя, вызванные изменениями в сдвиге фазы и/или нелинейном искажении. В определенных вариантах исполнения оцениваются условия нагревателя (например, температура в скважине или давление), что используется для определения предварительно сформированной формы колебаний. В некоторых вариантах исполнения предварительно сформированная форма колебаний определяется с помощью моделирования или расчетов, выполненных на основе конструкции нагревателя. Кроме того, для определения необходимой емкости переменного конденсатора могут быть использованы моделирование и/или варьирование параметров нагревателя.
В некоторых вариантах исполнения колебания модулированного ПСТ модулируют ПСТ между 100% (полная токовая нагрузка) и 0% (нет токовой нагрузки). Например, прямоугольная волна может модулировать 100 А постоянный ток между 100% (100 А) и 0% (0 А) (полная модуляция волны), между 100% (100 А) и 50% (50 А) или между 75% (75 А) и 25% (25 А). Пониженная токовая нагрузка (например, 0%, 25% или 50% нагрузки)
может быть выбрана в качестве базовой токовой нагрузки.
В некоторых вариантах исполнения электрическое напряжение и/или электрический ток регулируют с целью изменения величины скин-слоя ферромагнитного материала. Увеличение напряжения и/или уменьшение тока может снизить глубину скин-слоя ферромагнитного материала. Пониженная величина скин-слоя позволит уменьшить диаметр ограниченного по температуре нагревателя, в результате чего снижаются затраты на оборудование. В определенных вариантах воплощения пропускаемый ток составляет, по меньшей мере, 1 А, 10 А, 70 А, 100 А, 200 А, 500 А или больше, вплоть до 2000 А. В некоторых вариантах исполнения переменный ток подается при напряжении выше 200 В, выше 480 В выше 650 В, выше 1000 В, выше 1500В или больше, вплоть до 10000 В.
В одном варианте ограниченный по температуре нагреватель включает в себя внутренний проводник внутри внешнего проводника. Внутренний кабель и внешний проводник располагаются радиально относительно центральной оси. Внутренний и внешний проводники могут быть разделены слоем изоляции. В определенных вариантах воплощения внутренний и внешний проводники соединены в нижней части ограниченного по температуре нагревателя. Электрический ток может протекать в ограниченном по температуре нагревателе по внутреннему проводнику и возвращаться по внешнему проводнику. Один или оба проводника могут содержать ферромагнитный материал.
Изоляционный слой может содержать электроизоляционную керамику, имеющую высокую теплопроводность, такую как оксид магния, оксид алюминия, диоксид кремния, оксид бериллия, нитрид бора, нитрид кремния или их сочетания. Изолирующий слой может представлять собой прессованный порошок (например, прессованный керамический порошок). Прессование может улучшить теплопроводность и обеспечить лучшую изоляционную стойкость. Для использования при пониженных температурах может быть использована полимерная изоляция, выполненная, например, из фторполимеров, полиимидов, полиамидов и/или полиэтилена. В некоторых вариантах исполнения полимерная изоляция выполнена из перфторалкокси-(РРА) или полиэфирэфиркетона (PEEK(tm) (Victrex Ltd, England). Изолирующий слой можно выбрать таким образом, чтобы он был практически прозрачным для ИК-излучения, чтобы способствовать теплопередаче из внутреннего проводника к внешнему проводнику. В одном варианте изолирующий слой представляет собой прозрачный кварцевый песок. Изоляционным слоем может быть воздух или нереакционноспособный газ, такой как гелий, азот или гексафторид серы. Если изоляционным слоем является воздух или нереакционноспособный газ, между внутренним проводником и внешним проводником
могут быть помещены изоляционные прокладки, предназначенные для предотвращения электрического контакта. Эти изоляционные прокладки могут быть изготовлены, например, из оксида алюминия высокой чистоты или другого термопроводящего, электроизолирующего материала, такого как нитрид кремния. Изоляционные прокладки могут представлять собой волокнистый керамический материал, такой как Nextel(tm) 312 (ЗМ Corporation, St. Paul, Minnesota), пленку слюды или стекловолокно. Керамический материал может быть изготовлен из оксида алюминия, алюмосиликата, оксида алюминия-боросиликата, нитрида кремния, нитрида бора или других материалов.
Изоляционный слой может быть гибким и/или допускающим значительную деформацию. Например, если изоляционный слой представляет собой твердый или прессованный материал, который практически заполняет пространство между внутренним и внешним проводником, то ограниченный по температуре нагреватель может быть гибким и/или допускающим значительную деформацию. Усилия на внешний проводник могут передаваться через изоляционный слой твердому внутреннему проводнику, который может быть стойким к разрушению. Такой ограниченный по температуре нагреватель может быть изогнутым, резко искривленным и свитым в спираль без опасности короткого замыкания между внешним проводником и внутренним проводником. Допустимая деформация может быть важной, если ствол скважины, вероятно, подвергается существенной деформации в ходе нагревания пласта.
В определенных вариантах воплощения внешний проводник выбирают с учетом коррозионной стойкости и/или сопротивления текучести. В одном варианте во внешнем проводнике могут быть использованы аустенитные (неферромагнитные) нержавеющие стали, такие как нержавеющие стали 304Н, 347Н, 347НН, 316Н, 310Н, 347НР, NF709 или их сочетания. Кроме того, внешний проводник может включать плакированный проводник. Например, для защиты от коррозии труба из ферромагнитной углеродистой стали может быть плакирована коррозионно стойким сплавом, таким как нержавеющая сталь 800Н или 347Н. Если не требуется прочность при высокой температуре, внешний проводник может быть изготовлен из ферромагнитного металла с хорошей коррозионной стойкостью, такого как одна из ферритовых нержавеющих сталей. В одном варианте ферритовый сплав, содержащий 82,3% масс, железа и 17,7% масс, хрома (температура Кюри 678°С), обеспечивает желательное сопротивление коррозии.
В справочнике Metals Handbook, том 8, на стр. 291 (American Society of Materials (ASM) приведен график зависимости температуры Кюри железохромовых сплавов от количества хрома в сплавах. В некоторых вариантах исполнения отдельный опорный стержень или трубка (изготовлены из нержавеющей стали 347Н) соединяется с
ограниченным по температуре нагревателем, изготовленным из железохромового сплава, чтобы обеспечить прочность и/или сопротивление текучести. Материал опоры и/или ферромагнитный материал могут быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить в течение 100000 часов прочность на текучесть-разрыв, по меньшей мере, равную 20,7 МПа при 650°С. В некоторых вариантах исполнения прочность на текучесть-разрыв в течение 100000 часов составляет, по меньшей мере, 13, в МПа при 650°С или, по меньшей мере, 6,9 МПа при 650°С. Например, сталь 347Н имеет подходящую прочность на текучесть-разрыв при 650°С или выше. В некоторых вариантах исполнения прочность на текучесть-разрыв в течение 100000 часов находится в диапазоне от 6,9 МПа до 41,3 МПа или выше для удлиненных нагревателей, и/или при повышенных нагрузках от земли или флюида.
В вариантах исполнения ограниченного по температуре нагревателя с внутренним ферромагнитным проводником и внешним ферромагнитным проводником при скин-эффекте траектория тока проходит по внешней стороне внутреннего проводника и по внутренней стороне внешнего проводника. Таким образом, наружная часть внешнего проводника может быть плакирована коррозионно стойким сплавом, таким как нержавеющая сталь, не влияя на траекторию тока скин-слоя на внутренней стороне внешнего проводника.
Ферромагнитный проводник, имеющий толщину, по меньшей мере, равную скин-слою при температуре Кюри, обеспечивает существенное снижение сопротивления переменному току ферромагнитного материала, когда скин-слой резко возрастает вблизи температуры Кюри. В определенных вариантах воплощения, когда ферромагнитный проводник не плакирован высокопроводящим материалом, таким как медь, толщина проводника может быть в 1,5 раза больше величины скин-слоя вблизи температуры Кюри, в 3 раза больше величины скин-слоя вблизи температуры Кюри или даже в 10 или более раз больше величины скин-слоя вблизи температуры Кюри. Если ферромагнитный проводник плакирован медью, толщина ферромагнитного проводника может быть практически такой же, что и величина скин-слоя вблизи температуры Кюри. В некоторых вариантах исполнения ферромагнитный проводник, плакированный медью, имеет толщину, по меньшей мере, равную трем четвертям скин-слоя вблизи температуры Кюри.
В определенных вариантах воплощения ограниченный по температуре нагреватель включает композиционный проводник с ферромагнитной трубкой и неферромагнитной сердцевиной с высокой электропроводностью. Неферромагнитная сердцевина с высокой электрической проводимостью позволяет снизить требуемый диаметр проводника. Например, проводник может быть композиционным проводником диаметром 1,19 см с диаметром медной сердцевины 0,575 см, плакированным слоем толщиной 0,298 см из
ферритовой нержавеющей стали или углеродистой стали, окружающим сердцевину. Композиционный проводник обеспечивает более гладкое снижение электрического сопротивления ограниченного по температуре нагревателя вблизи температуры Кюри. Когда вблизи температуры Кюри скин-слой увеличивается, включая медную сердцевину, электрическое сопротивление снижается очень резко.
Композиционный проводник может повысить проводимость ограниченного по температуре нагревателя и/или обеспечивает работу нагревателя при пониженном электрическом напряжении. В одном варианте для композиционного проводника наблюдается относительно плоский профиль температурной зависимости сопротивления в области температур ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника композиционного проводника. В некоторых вариантах исполнения для ограниченного по температуре нагревателя наблюдается относительно плоский профиль температурной зависимости сопротивления между 100°С и 750°С или между 300°С и 600°С. Относительно плоский профиль температурной зависимости сопротивления может также наблюдаться в других температурных диапазонах за счет подбора, например, материалов и/или конфигурации материалов в ограниченном по температуре нагревателе. В определенных вариантах воплощения относительная толщина каждого материала в композиционном проводнике выбирается таким образом, чтобы получить желаемый профиль температурной зависимости удельного сопротивления для ограниченного по температуре нагревателя.
На фиг. 3-31 изображены различные варианты исполнения ограниченных по температуре нагревателей. Один или несколько особенностей варианта исполнения ограниченного по температуре нагревателя,, изображенного на любой из этих фиг., может сочетаться с одной или несколькими особенностями других вариантов исполнения ограниченных по температуре нагревателей, изображенных на этих фиг. В определенных вариантах воплощения ограниченные по температуре нагреватели имеют такие размеры, чтобы работать на частоте переменного тока 60 Гц. Следует понимать, что размеры ограниченного по температуре нагревателя могут отличаться от описанных здесь, чтобы ограниченный по температуре нагреватель работал аналогичным образом при другой частоте переменного тока или модулированного ПСТ.
На фиг. 3 представлены изображения поперечного сечения для варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с внешним проводником, имеющим ферромагнитный участок и неферромагнитньгй участок. На фиг. 4 и 5 изображено поперечное сечение варианта, показанного на фиг. 3. В одном варианте ферромагнитный участок 112 используется для обеспечения теплом углеводородных
слоев пласта. Неферромагнитный участок 114 используется в покрывающем слое пласта. Неферромагнитный участок 114 выделяет немного тепла (или не выделяет тепло) в покрывающем слое, таким образом, предотвращаются потери тепла в покрывающем слое, и улучшается эффективность нагревателя. Ферромагнитный участок 112 включает ферромагнитный материал, такой как нержавеющая сталь 409 или нержавеющая сталь 410. Ферромагнитный участок 140 имеет толщину 0,3 см. Неферромагнитный участок 114 представляет собой слой меди толщиной 0,3 см. Внутренний проводник 116 является медным. Внутренний проводник 116 имеет диаметр 0,9 см. Электрический изолятор 118 представляет собой порошок нитрида кремния, нитрида бора, оксида магния или другого подходящего материала изолятора. Электроизолятор 118 имеет толщину от 0,1 см до 0,3 см.
На фиг. 6 представлены изображения поперечного сечения для варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с внешним проводником, имеющим ферромагнитный участок и неферромагнитный участок, расположенные внутри оболочки. На фиг. 7, 8, и 9 изображены виды поперечного сечения для варианта, показанного на фиг. 6. Ферромагнитный участок 112 выполнен из нержавеющей стали 410 толщиной 0,6 см. Неферромагнитный участок 114 сделан из меди толщиной 0,6 см. Внутренний проводник 116 является медным, диаметром 0,9 см. Внешний проводник 120 включает в себя ферромагнитный материал. Внешний проводник 120 обеспечивает выделение некоторого количества тепла в секции нагревателя, проходящей через покрывающий слой. Тепло, выделяющееся в покрьшающий слой, препятствует конденсации или оттоку флюидов в покрывающем слое. Внешний проводник 120 выполнен из нержавеющей стали 409, 410 или 446 и имеет внешний диаметр 3,0 см и толщину 0,6 см. Электрический изолятор 118 представляет собой порошок оксида магния и имеет толщину 0,3 см. В некоторых вариантах исполнения электрический изолятор 118 представляет собой нитрид кремния, нитрид бора или нитрид бора гексагонального типа. Проводящая секция 122 может соединять внутренний проводник 116 с ферромагнитным участком 112 и/или внешним проводником 120.
На фиг. 10 представлены изображения поперечного сечения для варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником. Нагреватель находится в коррозионно стойкой рубашке. Проводящий слой расположен между внешним проводником и рубашкой. На фиг. 11 и 12 изображены поперечные сечения варианта, показанного на фиг. 10. Внешний проводник 120 выполнен из трубки диаметром 3А дюйма (3Л" = 19 мм) из нержавеющей стали Schedule 80 446. В одном варианте проводящий слой 124 расположен между внешним проводником 120 и
рубашкой 126. Проводящий слой 124 представляет собой слой меди. Внешний проводник 120 плакирован проводящим слоем 124. В определенных вариантах воплощения проводящий слой 124 включает в себя один или несколько участков (например, проводящий слой 124 включает один или несколько участков медной трубки). Рубашка 126 представляет собой трубку из нержавеющей стали 1-1/4" (31,8 мм) Schedule 80 347Н или нержавеющей стали 1-1/2" (38, 1 мм) Schedule 160 347Н. В одном варианте внутренний проводник 116 представляет собой кабель для печи 4/0 MGT-1000 с многожильным медным проводом, покрытым никелем, со слоями слюдяной ленты и стекловолоконной изоляции. Кабель для печи 4/0 MGT-1000 имеет тип UL 5107 и выпускается фирмой Allied Wire и Cable (Phoenixville, Pennsylvania). Проводящая секция 122 соединяет внутренний проводник 116 и рубашку 126. В одном варианте проводящая секция 122 выполнена из меди.
На фиг. 13 представлены изображения поперечного сечения для варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с внешним проводником. Внешний проводник включает в себя ферромагнитный участок и неферромагнитный участок. Нагреватель расположен в коррозионно стойкой рубашке. Между внешним проводником и рубашкой расположен проводящий слой. На фиг. 14 и 15 изображены поперечные сечения варианта, показанного на фиг. 13. Ферромагнитный участок 112 изготовлен из нержавеющей стали 409, 410, или 446 и имеет толщину 0,9 см. Неферромагнитный участок 114 является слоем меди толщиной 0,9 см. Ферромагнитный участок 112 и неферромагнитный участок 114 расположены в рубашке 126. Рубашка 126 из нержавеющей стали 304 имеет толщину 0,1 см, проводящий слой 124 представляет собой слой меди. Электрический изолятор 118 представляет собой слой нитрида кремния, нитрида бора или оксида магния толщиной от 0,1 до 0,3 см. Внутренний проводник 116 из меди имеет диаметр 1,0 см.
В варианте воплощения ферромагнитный участок 112 выполнен из нержавеющей стали 446 толщиной 0,9 см. Рубашка 126 из нержавеющей стали 410 имеет толщину 0,6 см. Нержавеющая сталь 410 имеет более высокую температуру Кюри, чем нержавеющая сталь 446. Такой ограниченный по температуре нагреватель может "держать" ток так, что току нелегко стекать с нагревателя в окружающий пласт и/или в окружающую воду (например, рассол, грунтовые воды или воды пласта). В этом варианте большая часть тока проходит через ферромагнитный участок 112, пока не будет достигнута температура Кюри в этом ферромагнитном участке. После того как ферромагнитный участок 112 достигает температуры Кюри, большая часть тока проходит через проводящий слой 124. Ферромагнитные свойства рубашки 126 (из нержавеющей стали 410) предотвращают
утечку тока наружу через рубашку и "удерживают" ток. Рубашка 126 также может иметь такую толщину, которая обеспечивает прочность ограниченного по температуре нагревателя.
На фиг. 16 представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с секцией, проходящей через покрывающий слой, и нагревательной секцией. На фиг. 17 и 18 представлены поперечные сечения варианта, показанного на фиг. 16. Секция, проходящая через покрьшающий слой, включает в себя часть 116А внутреннего проводника 116. Часть 116А выполнена из меди диаметром 1,3 см. Нагревательная секция включает часть 116В внутреннего проводника 116. Часть 116В выполнена из меди диаметром 0,5 см. Часть 116В расположена в ферромагнитном проводнике 128. Ферромагнитный проводник 128 выполнен из нержавеющей стали 446 толщиной 0,4 см. Электрический изолятор 118 выполнен из нитрида кремния, нитрида бора или оксида магния толщиной 0,2 см. Внешний проводник 120 выполнен из меди толщиной 0,1 см. Внешний проводник 120 расположен в рубашке 126. Рубашка 126 выполнена из нержавеющей стали 316Н или 347Н толщиной 0,2 см.
На фиг. 19А и на фиг. 19В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внутренним проводником. Внутренний проводник 116 представляет собой 1" трубку (25,4 мм) из нержавеющей стали Schedule XXS 446. В некоторых вариантах исполнения внутренний проводник 116 включает в себя нержавеющую сталь 409, нержавеющую сталь 410, сплав инвар 36, сплав 42-6 или другие ферромагнитные материалы. Внутренний проводник 116 имеет диаметр 2,5 см. Электрический изолятор 118 представляет собой нитрид кремния, нитрид бора, оксид магния, полимеры, керамическое волокно Nextel, слюду или стекловолокно. Внешним проводником 120 является медь или любой другой неферромагнитный материал, такой как алюминий. Внешний проводник 120 соединяется с рубашкой 126. Рубашка 126 выполнена из нержавеющей стали 304Н, 316Н или 347Н. В этом варианте воплощения большая часть тепла выделяется во внутреннем проводнике 116.
На фиг. 20А и на фиг. 20В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внутренним проводником и неферромагнитной сердцевиной. Внутренний проводник 116 включает в себя нержавеющую сталь 446, нержавеющую сталь 409, нержавеющую сталь 410 или другие ферромагнитные материалы. Сердцевина 130 тесно связана с внутренним кабелем 116. Сердцевина 130 представляет собой стержень из меди или другого неферромагнитного материала. Сердцевина 130 вставлена во внутренний проводник 116 с плотной посадкой до операции волочения. В некоторых вариантах исполнения сердцевина 130 и внутренний
проводник 116 связаны в процессе совместной экструзии. Внешний проводник 120 выполнен из нержавеющей стали 347Н. Операция волочения или прокатки для прессования электрического изолятора 118 может обеспечить хороший электрический контакт между внутренним кабелем 116 и сердцевиной 130. В этом варианте тепло выделяется, главным образом, во внутреннем проводнике 116, пока не будет достигнута температура Кюри. Затем сопротивление резко снижается, когда переменный ток проникает в сердцевину 130.
На фиг. 21А и на фиг. 21В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником. Внутренний проводник 116 выполнен из меди, плакированной никелем. Электрический изолятор 118 представляет собой нитрид кремния, нитрид бора или оксид магния. Внешним проводником 120 является 1" трубка (25,4 мм) из углеродистой стали Schedule XXS. В этом варианте тепло выделяется, главным образом, во внешнем проводнике 120, что приводит к небольшой разности температур по сечению электрического изолятора 118.
На фиг. 22А и на фиг. 22В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником, который плакирован коррозионно стойким сплавом. Внутренний проводник 116 выполнен из меди. Внешним проводником 120 является 1" трубка (25,4 мм) из нержавеющей стали Schedule XXS 446. Внешний проводник 120 соединяется с рубашкой 126. Рубашка 126 выполнена из коррозионно стойкого материала (например, нержавеющей стали 347Н). Рубашка 126 обеспечивает защиту от коррозионных флюидов в стволе скважины (например, осернирующие и науглероживающие газы). Тепло выделяется, главным образом, во внешнем проводнике 120, что приводит к небольшой разности температур по сечению электрического изолятора 118.
На фиг. 23А и на фиг. 23В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником. Внешний проводник плакирован проводящим слоем и коррозионно стойким сплавом. Внутренний проводник 116 выполнен из меди. Электрический изолятор 118 представляет собой нитрид кремния, нитрид бора или оксид магния. Внешним проводником 120 является 1" трубка (25,4 мм) из нержавеющей стали Schedule 80 446. Внешний проводник 120 соединяется с рубашкой 126. Рубашка 126 выполнена из коррозионно стойкого материала. В одном варианте проводящий слой 124 расположен между внешним проводником 120 и рубашкой 126. Проводящий слой 124 представляет собой слой меди. Тепло выделяется, главным образом, во внешнем проводнике 120, что
приводит к небольшой разности температур по сечению электрического изолятора 118. Проводящий слой 124 позволяет резко снизить сопротивление внешнего проводника 120, когда температура этого проводника приближается к температуре Кюри. Рубашка 126 обеспечивает защиту от коррозионных флюидов в стволе скважины.
В некоторых вариантах исполнения проводник (например, внутренний проводник, внешний проводник или ферромагнитный проводник) является композиционным проводником, который включает в себя два или больше различных материалов. В определенных вариантах воплощения композиционный проводник включает два или больше ферромагнитных материалов. В некоторых вариантах исполнения композиционный ферромагнитный проводник включает два или больше радиально расположенных материалов. В определенных вариантах воплощения композиционный проводник включает ферромагнитный проводник и неферромагнитный проводник. В некоторых вариантах исполнения композиционный проводник включает ферромагнитный проводник, расположенный поверх неферромагнитной сердцевины. Два или больше материалов могут быть использованы для получения относительно плоского профиля температурной зависимости электрического удельного сопротивления в области ниже температуры Кюри и/или резкого снижения (высокое отношение "диапазона изменения") удельного сопротивления при температуре Кюри или вблизи нее. В некоторых случаях используют два или больше материалов, чтобы обеспечить больше одной температуры Кюри для ограниченного по температуре нагревателя.
Композиционный электрический проводник может быть использован в качестве проводника в любом описанном здесь варианте электрического нагревателя. Например, композиционный проводник может быть использован в качестве проводника в нагревателе типа "проводник в трубе" или в нагревателе с изолированным проводником. В определенных вариантах воплощения композиционный проводник может быть соединен с опорным элементом, таким как опорный проводник. Опорный элемент может быть использован для обеспечения опоры для композиционного проводника для того, чтобы прочность композиционного проводника не зависела от температуры вблизи температуры Кюри. Опорный элемент может быть использован для нагревателей длиной, по меньшей мере, 10 м, по меньшей мере, 50м, по меньшей мере, 100 м, по меньшей мере, 300 м, по меньшей мере, 500 м или, по меньшей мере, 1 км. Опорный элемент может быть неферромагнитным элементом, который имеет хорошую прочность текучести при высокой температуре. Примеры материалов, которые используются для опорных элементов, включают, но, не ограничиваясь этим, сплав Haynes(r)625 и сплав Haynes(r) HR120(r) (Haynes International, Kokomo, IN), сплав NF709 (Nippon Стал Corp., Japan),
Incoloy(r) 800H и сплав 347НР (Allegheny Ludlum Corp., Pittsburgh, PA). В некоторых вариантах исполнения материалы композиционного проводника непосредственно связаны друг с другом (например, путем пайки или металлической связи) и/или с опорным элементом. Используя опорный элемент, можно отъединить ферромагнитный элемент от обязательного обеспечения опоры для ограниченного по температуре нагревателя, особенно при температуре Кюри или вблизи нее. Таким образом, ограниченный по температуре нагреватель может быть сконструирован с большей эластичностью при выборе ферромагнитных материалов.
На фиг. 24 представлены поперечные сечения варианта воплощения композиционного проводника с опорным элементом. Сердцевина 130 окружена ферромагнитным проводником 128 и опорным элементом 132. В некоторых вариантах исполнения сердцевина 130, ферромагнитный проводник 128 и опорный элемент 132 непосредственно соединены (например, путем пайки, металлической связи или совместного штампования). В одном варианте сердцевина 130 выполнена из меди, ферромагнитный проводник 128 - из нержавеющей стали 446 и опорный элемент 132 - из сплава 347Н. В определенных вариантах исполнения опорный элемент 132 представляет собой трубку Schedule 80. Опорный элемент 132 окружает композиционный проводник, имеющий ферромагнитный проводник 128 и сердцевину 130. Ферромагнитный проводник 128 и сердцевина 130 соединяются, образуя композиционный проводник, например, в процессе совместной экструзии. Например, композиционный проводник представляет собой ферромагнитный проводник из нержавеющей стали 446 с внешним диаметром 1,9 см, окружающий медную сердцевину диаметром 0,95 см. Этот композиционный проводник внутри опорного элемента из Schedule 80 диаметром 1,9 см обеспечивает отношение "диапазона изменения", равное 1,7.
В определенных вариантах воплощения диаметр сердцевины 130 подгоняется относительно постоянного внешнего диаметра ферромагнитного проводника 128, чтобы отрегулировать отношение "диапазона изменения" ограниченного по температуре нагревателя. Например, диаметр сердцевины 130 может быть увеличен до 1,14 см при сохранении внешнего диаметра ферромагнитного проводника 128 равным 1,9 см, чтобы увеличить отношение "диапазона изменения" нагревателя до 2,2.
В некоторых вариантах исполнения проводники (например, сердцевина 130 и ферромагнитный проводник 128) в композиционном проводнике разделяются опорным элементом 132. На фиг. 25 представлены поперечные сечения варианта воплощения композиционного проводника с опорным элементом 132, разделяющим проводники. В одном варианте сердцевина 130 выполнена из меди диаметром 0,95 см, опорный элемент
132 выполнен из сплава 347Н с внешним диаметром 1,9 см, и ферромагнитный проводник 128 - из нержавеющей стали 446 с внешним диаметром 2,7 см. Такой проводник обеспечивает отношение "диапазона изменения", по меньшей мере, 3. Опорный элемент, показанный на фиг. 25, имеет повышенную прочность текучести относительно других опорных элементов, изображенных на фиг. 24, 26 и 27.
В определенных вариантах воплощения опорный элемент 132 располагается внутри композиционного проводника. На фиг. 26 представлены поперечные сечения варианта воплощения композиционного проводника, окружающего опорный элемент 132. Опорный элемент 132 выполнен из сплава 347Н. Внутренний проводник 116 выполнен из меди. Ферромагнитный проводник 128 представляет собой нержавеющую сталь 446. В одном варианте опорный элемент 132 выполнен из сплава 347Н диаметром 1,25 см, внутренний проводник 116 выполнен из меди с внешним диаметром 1,9 см, а ферромагнитный проводник 128 выполнен из нержавеющей стали 446 с внешним диаметром 2,7 см. Такой проводник обеспечивает отношение "диапазона изменения" больше, чем 3, причем это отношение "диапазона изменения" выше соответствующего отношения в вариантах исполнения, изображенных на фиг. 24,25, и 27, при одинаковом внешнем диаметре.
В некоторых вариантах исполнения толщина внутреннего проводника 116, выполненного из меди, понижена для того, чтобы снизить отношение "диапазона изменения". Например, диаметр опорного элемента 132 увеличивается до 1,6 см при сохранении внешнего диаметра внутреннего проводника 116 равным 1,9 см, чтобы уменьшить толщину трубы. Это уменьшение толщины внутреннего проводника 116 приводит к снижению отношения "диапазона изменения" по сравнению с вариантом более толстого внутреннего проводника. Однако отношение "диапазона изменения" остается, по меньшей мере, равным 3.
В одном варианте опорный элемент 132 представляет собой трубопровод (или трубу) внутри внутреннего проводника 116 и ферромагнитного проводника 128. На фиг. 27 представлено поперечное сечение варианта воплощения композиционного проводника, окружающего опорный элемент 132. В одном варианте опорный элемент 132 выполнен из сплава 347Н с центральным отверстием диаметром 0,63 см. В некоторых вариантах исполнения опорный элемент 132 представляет собой заранее сформованный трубопровод. В определенных вариантах воплощения опорный элемент 132 образуется за счет расположения растворяющегося материала (например, меди, растворяющейся под действием азотной кислоты) внутри опорного элемента в ходе формования композиционного проводника. Растворяющийся материал растворяется, образуя отверстие после того как проводник собран. В одном варианте опорный элемент 132 выполнен из
сплава 347Н с внутренним диаметром 0,63 см и внешним диаметром 1,6 см, внутренний медный кабель 116 имеет внешний диаметр 1,8 см, и ферромагнитный проводник 128 выполнен из нержавеющей стали 446 с внешним диаметром 2,7 см.
В определенных вариантах воплощения композиционный электрический проводник используется в качестве проводника в нагревателе типа "проводник в трубе". Например, композиционный электрический проводник может быть использован в качестве проводника 134 на фиг. 28.
На фиг. 28 представлены поперечные сечения варианта воплощения нагревателя типа "проводник в трубе". Проводник 134 расположен в трубе 136. Проводник 134 представляет собой стержень или трубу из электропроводящего материала. На обоих концах проводника 134 имеются участки 138 с низким сопротивлением для того, чтобы в этих участках выделялось меньше тепла. Участок 138 с низким сопротивлением образуется за счет того, что проводник 134 в этой секции имеет большую площадь поперечного сечения, или эти участки выполнены из материала, имеющего пониженное сопротивление. В определенных вариантах воплощения участок 138 с низким сопротивлением включает в себя проводник с низким сопротивлением, соединенный с проводником 134.
Труба 136 выполнена из электропроводящего материала. Труба 136 располагается в отверстии 140 в углеводородном пласте 142. Отверстие 140 имеет диаметр, соответствующий трубе 136.
Проводник 134 может быть расположен в центре трубы 136 с помощью центрирующих элементов 144. Центрирующие элементы 144 электрически изолируют проводник 134 от трубы 136. Центрирующие элементы 144 предотвращают перемещения, обеспечивая соответствующее расположение проводника 134 в трубе 136. Центрирующие элементы 144 выполнены из керамического материала или смеси керамических и металлических материалов. Центрирующие элементы 144 предотвращают деформацию проводника 134 в трубе 136. Центрирующие элементы 144 соприкасаются или пространственно разнесены вдоль проводника 134 с интервалами приблизительно между 0,1 м (метра) и 3 м или больше.
Вторая секция 138 проводника 134 с низким сопротивлением может соединять проводник 134 с устьем скважины 146. Электрический ток можно подавать в проводник 134 по силовому кабелю 148 через секцию 138 проводника 134 с низким сопротивлением. Электрический ток из проводника 134 проходит через скользящий соединитель 150 в трубу 136. Труба 136 может быть электрически изолирована от корпуса 152, проходящего через покрывающий слой, и от устья скважины 146, чтобы электрический ток возвращался
в силовой кабель 148. Тепло может выделяться в проводнике 134 и трубе 136. Генерированное тепло может излучаться в трубе 136 и отверстии 140 для нагревания, по меньшей мере, части углеводородного пласта 142.
Корпус 152, проходящий через покрывающий слой, может быть расположен в покрывающем слое 154. В некоторых вариантах исполнения корпус 152, проходящий через покрьшающий слой, окружен материалами (например, усиливающим материалом и/или цементом), которые предотвращают нагрев покрывающего слоя 154. Секция 138 проводника 134 с низким сопротивлением может размещаться в корпусе 152, проходящем через покрьшающий слой. Секция 138 проводника 134 с низким сопротивлением выполнена, например, из углеродистой стали. Секция 138 проводника 134 с низким сопротивлением может быть расположена в центре корпуса 152, проходящего через покрьшающий слой, с помощью центрирующих элементов 144. Центрирующие элементы 144 пространственно разнесены вдоль секции 138 проводника 134 с низким сопротивлением с интервалами приблизительно от 6 м до 12 м или, например, приблизительно 9 м. В варианте нагревателя секция 138 проводника 134 с низким сопротивлением соединяется с проводником 134 с помощью одного или нескольких сварных швов. В других вариантах исполнения нагревателя секции с низким сопротивлением переплетаются и свариваются или иным образом соединяются с проводником. Секция 138 с низким сопротивлением выделяет мало тепла (или не выделяет тепло) в корпусе 152, проходящем через покрьшающий слой. Между корпусом 152, проходящим через покрьшающий слой, и отверстием 140 может быть помещена набивка 156. Набивка 156 может быть использована в качестве заглушки в месте соединения покрывающего слоя 192 и углеводородного слоя 182, обеспечивая заполнение материалом кольцевого зазора между корпусом 190, проходящим через покрьшающий слой, и отверстием 180. В некоторых вариантах исполнения набивка 194 предотвращает вытекание флюида из отверстия 140 на поверхность 158.
В определенных вариантах воплощения композиционный электрический проводник может быть использован в качестве проводника в нагревателе с изолированным проводником. На фиг. 29А и на фиг. 29В изображен вариант нагревателя с изолированным проводником. Изолированный проводник 160 включает в себя сердцевину 130 и внутренний проводник 116. Сердцевина 130 и внутренний проводник 116 представляют собой композиционный электрический проводник. Сердцевина 130 и внутренний проводник 116 расположены внутри изолятора 118. Сердцевина 130, внутренний кабель 116 и изолятор 118 расположены внутри внешнего проводника 120. Изолятор 118 представляет собой нитрид кремния, нитрид бора, оксид магния или другой
подходящий электрический изолятор. Внешним проводником 120 является медный, стальной или любой другой электрический проводник.
В определенных вариантах воплощения изолятор 118 представляет собой порошкообразный изолятор. В некоторых вариантах исполнения изолятор 118 предварительно формуется в форме полупатрона. Композиционный электрический проводник, имеющий сердцевину 130 и внутренний проводник 116, расположен внутри предварительно сформованного изолятора. Внешний проводник 120 расположен поверх изолятора 118 за счет соединения (например, путем сварки или пайки) одной или нескольких удлиненных лент электрического проводника вместе, образуя внешний проводник. Удлиненные ленты расположены поверх изолятора 118 в виде "сигаретной обертки", соединяя ленты по ширине или в радиальном направлении. В некоторых вариантах исполнения способ сигаретной обертки включает в себя размещение отдельных лент вокруг изолятора и соединение отдельных лент, окружая изолятор. Продольные концы лент сигаретной обертки могут соединяться с продольными концами других лент сигаретной обертки, соединяя ленты вдоль изолированного проводника в продольном направлении.
В некоторых вариантах исполнения рубашка 126 расположена снаружи внешнего проводника 120, как показано на фиг. 30А и на фиг. ЗОВ. В некоторых вариантах исполнения рубашка 126 выполнена из нержавеющей стали 304, а внешний проводник 120 из меди. Рубашка 126 обеспечивает защиту от коррозии для изолированного проводника нагревателя. В некоторых вариантах исполнения рубашка 126 и внешний проводник 120 представляют собой предварительно сформованные ленты, которые намотаны поверх изолятора 118, образуя изолированный проводник 160.
В определенных вариантах воплощения изолированный проводник 160 расположен в трубе, которая обеспечивает защиту (например, от коррозии и разрушения) для изолированного проводника. На фиг. 31 изолированный проводник 160 расположен внутри трубы 136 с зазором 162, отделяющим изолированный проводник от трубы.
В некоторых вариантах исполнения ограниченный по температуре нагреватель используется для реализации низкотемпературного нагревания (например, для нагревания флюидов в эксплуатационных скважинах, нагрева поверхностного трубопровода или для снижения вязкости флюидов в стволе скважины или в области вблизи ствола скважины). Изменяя ферромагнитные материалы в ограниченном по температуре нагревателе, можно обеспечить низкотемпературный нагрев. В некоторых вариантах исполнения ферромагнитный проводник выполнен из материала с более низкой температурой Кюри, чем у нержавеющей стали 446. Например, ферромагнитный проводник может быть
сплавом железа и никеля. Этот сплав может содержать между 30% масс, и 42% масс, никеля, а остальное приходится на железо. В одном варианте сплав представляет собой инвар 36, который представляет собой сплав 36% масс, никеля в железе и имеет
температуру Кюри 277 С. В некоторых вариантах исполнения сплав является трехкомпонентным, содержащим, например, хром, никель и железо. Например, сплав может содержать 6% масс, хрома, 42% масс, никеля и 52% масс, железа. Ферромагнитный проводник, выполненный из сплавов такого типа, обеспечивает выходную тепловую мощность между 250 Вт/м и 350 Вт/м. При температуре Кюри стержень из инвара 36 диаметром 2,5 см имеет отношение "диапазона изменения" приблизительно 2 к 1. Помещая сплав инвар 36 сверху медной сердцевины, можно обеспечить уменьшение диаметра стержня. В некоторых вариантах исполнения используется сплав 52. Медная сердцевина может обеспечить высокое отношение "диапазона изменения".
Для ограниченных по температуре нагревателей, которые включают в себя медную сердцевину или плакирование медью, медь может быть защищена слоем, относительно стойким к диффузии, таким как слой никеля. В некоторых вариантах исполнения композиционный внутренний кабель включает в себя железо, плакированное поверх никеля, плакированного сверху медной сердцевины. Слой, относительно стойкий к диффузии, предотвращает миграцию меди в другие слои нагревателя, в том числе, например, в изоляционный слой. В некоторых вариантах исполнения относительно непроницаемый слой предотвращает осаждение меди в стволе скважины в ходе монтажа нагревателя в стволе скважины.
В одном варианте нагревателя внутренний проводник представляет собой железный стержень диаметром 1,9 см, изолирующий слой из нитрида кремния, нитрида бора или оксида магния имеет толщину 0,25 см, и внешний проводник из нержавеющей стали 347Н или 347НН имеет толщину 0,635 см. Питание нагревателя может быть осуществлено от источника постоянного тока с сетевой частотой. Для обеспечения коррозионной стойкости в газообразной окружающей среде под землей и/или для придания отличного сопротивления текучести при повышенных температурах может быть выбрана нержавеющая сталь. Ниже температуры Кюри тепло выделяется, главным образом, в железном внутреннем проводнике. При скорости подвода тепла 820 Вт/м величина разности температур по сечению изолирующего слоя составляет около 40°С. Таким образом, температура внешнего проводника приблизительно на 40°С ниже, чем температура внутреннего ферромагнитного проводника.
В другом варианте ограниченного по температуре нагревателя внутренний проводник из меди или медного сплава, такого как LOHM(tm) (94% меди и 6% никеля по
массе), представляет собой стержень диаметром 1,9 см, изолирующий слой выполнен из прозрачного кварцевого песка, и внешний проводник из 1%-ной углеродистой стали, плакированный слоем 0,25 см из нержавеющей стали 310, имеет толщину 0,635 см. Углеродистая сталь внешнего проводника плакирована слоем меди между углеродистой сталью и рубашкой из нержавеющей стали. Медное плакирование снижает толщину углеродистой стали, которая необходима для реализации существенных изменений сопротивления вблизи температуры Кюри. Тепло выделяется, главным образом, в ферромагнитном внешнем проводнике, что приводит к небольшой разности температур по сечению изолирующего слоя. Когда тепло выделяется, главным образом, во внешнем проводнике, для изоляции может быть выбран материал с низкой теплопроводностью. Для внутреннего проводника может быть выбрана медь или медный сплав для того, чтобы снизить выходную тепловую мощность из внутреннего проводника. Внутренний проводник также может быть выполнен из других металлов, которые обладают низким удельным электросопротивлением и относительной магнитной проницаемостью около 1 (например, по существу неферромагнитные материалы, такие как алюминий и алюминиевые сплавы, фосфористая бронза, бериллий-медь и/или латунь).
Ограниченный по температуре нагреватель может быть однофазным нагревателем или трехфазным нагревателем. В варианте трехфазного нагревателя ограниченный по температуре нагреватель имеет дельтовидную конфигурацию или соединен звездой. Каждый из трех ферромагнитных проводников в трехфазном нагревателе может быть внутри отдельной оболочки. Соединение между проводниками может быть выполнено внизу нагревателя внутри участка соединения внахлестку. Три проводника могут оставаться изолированными от оболочки внутри участка соединения.
В некоторых вариантах исполнения трехфазного нагревателя три ферромагнитных проводника отделяются с помощью изоляции внутри общей внешней металлической оболочки. Три проводника могут быть изолированы от оболочки или три проводника могут быть соединены с оболочкой внизу блока нагревателя. В другом варианте воплощения единственная внешняя оболочка или три внешних оболочки являются ферромагнитными проводниками, а внутренние проводники могут быть неферромагнитными (например, из алюминия, меди или сплава с высокой проводимостью). Альтернативно каждый из трех неферромагнитных проводников находится внутри отдельной ферромагнитной оболочки, и соединение между проводниками выполнено внизу нагревателя, внутри соединительного участка. Три проводника могут оставаться изолированными от оболочки внутри участка соединения внахлестку.
В некоторых вариантах исполнения трехфазный нагреватель имеет три опоры, которые расположены в отдельных стволах скважины. Опоры могут быть соединены в общей контактной секции (например, в центральном стволе скважины, соединительном стволе скважины или в контактной секции, заполненной раствором).
В некоторых вариантах исполнения ограниченный по температуре нагреватель включает в себя единственный ферромагнитный проводник, при этом ток возвращается через пласт. Нагревательный элемент может быть ферромагнитной трубкой (в одном варианте плакирование нержавеющей сталью 446 (содержит 25% масс, хрома и имеет температуру Кюри выше 620°С), сверху нержавеющей сталью 304Н, 316Н или 347Н), которая проходит через нагретый целевой участок и входит в электрический контакт с пластом на участке электрического контакта. Участок электрического контакта может быть расположен ниже нагретого целевого участка. Например, участок электрического контакта находится в подстилающем слое пласта. В одном варианте участок электрического контакта является участком глубиной 60 м и имеет диаметр больше, чем у ствола нагревательной скважины. Труба в участке электрического контакта выполнена из металла с высокой электрической проводимостью. Кольцевой зазор в участке электрического контакта может быть заполнен контактирующим материалом/раствором, таким как рассол или другие материалы, которые улучшают электрический контакт с пластом (например, металлические шарики или гематит). Участок электрического контакта может быть расположен в зоне, насыщенной рассолом с низким удельным сопротивлением для того, чтобы поддерживать электрический контакт за счет рассола. Кроме того, в участке электрического контакта диаметр трубы может быть увеличен, чтобы обеспечить максимальное поступление тока в пласт с низким рассеянием тепла на флюиде. Ток может поступать через ферромагнитную трубку в нагретый участок и нагревать трубку.
В одном варианте трехфазные ограниченные по температуре нагреватели имеют подключение тока через пласт. Каждый нагреватель включает в себя единственный нагревательный элемент с температурой Кюри с участком электрического контакта в зоне, насыщенной рассолом, ниже нагретого целевого участка. В одном варианте три таких нагревателя электрически соединены на поверхности в конфигурации трехфазного соединения звездой. Нагреватели могут быть развернуты в треугольной конфигурации от поверхности. В определенных вариантах воплощения ток возвращается через землю в нейтральную точку между тремя нагревателями. Трехфазные нагреватели с температурой Кюри могут повторяться в конфигурации, которая охватывает весь пласт.
В одном варианте ограниченный по температуре нагреватель включает в себя
полую сердцевину или полый внутренний проводник. Слои, формирующие нагреватель, могут быть перфорированы для того, чтобы обеспечить вход флюидов из ствола скважины (например, флюидов пласта или воды) в полую сердцевину. Флюиды в полой сердцевине могут транспортироваться (например, с помощью насоса или газ-лифта) на поверхность через полую сердцевину. В некоторых вариантах исполнения ограниченный по температуре нагреватель с полой сердцевиной или с полым внутренним кабелем используется в качестве нагревателя/эксплуатационной скважины или эксплуатационной скважины. В пласт могут быть введены текучие среды, такие как водяной пар, через полый внутренний кабель. Примеры
Ниже приведены не ограничивающие изобретение примеры ограниченных по температуре нагревателей и свойства ограниченных по температуре нагревателей.
На фиг. 32-34 представлены экспериментальные данные для ограниченных по температуре нагревателей. На фиг. 32 показана зависимость электрического сопротивления (Ом) от температуры (°С) при различных значениях электрического тока, проходящего через стержень диаметром 2,5 см из нержавеющей стали 446 и такой же стержень из нержавеющей стали 410. Оба стержня имеют длину 1,8 м. На кривых 164-170 изображены профили сопротивления в зависимости от температуры стержня из нержавеющей стали 446 при значениях переменного тока 440 А (кривая 164), 450 А (кривая 166), 500 А (переменный ток, кривая 168) и 10 А постоянного тока (кривая 170). На кривых 172-178 изображены профили сопротивления в зависимости от температуры стержня из нержавеющей стали 410 при значениях рабочего переменного тока 400 А (кривая 172), 450 А (кривая 174), 500 А (переменный ток, кривая 176) и 10 А постоянного тока (кривая 178). Для обоих стержней сопротивление постепенно возрастает с температурой, пока не достигнута температура Кюри. При температуре Кюри сопротивление резко уменьшается. Выше температуры Кюри сопротивление немного уменьшается с ростом температуры. Для обоих стержней наблюдается тенденция снижения сопротивления с увеличением переменного тока. Соответственно, отношение "диапазона изменения" уменьшается с возрастанием тока. Таким образом, стержни обеспечивают пониженное количество тепла вблизи и выше температуры Кюри стержней. Напротив, при работе на постоянном токе сопротивление постепенно возрастает с температурой, в том числе в области температуры Кюри.
На фиг. 33 показана зависимость электрического сопротивления (мОм) от температуры (°С) при различных значениях электрического тока, проходящего через ограниченный по температуре нагреватель. Ограниченный по температуре нагреватель
включает в себя медный стержень диаметром 1,3 см и длиной 1,8 м внутри внешнего проводника из нержавеющей стальной трубки (2,5 см) Schedule 80 410 с медной оболочкой Everdur(tm) (фирма DuPont Engineering, Wilmington, DE) толщиной 0,15 см, приваренной сверху трубки из нержавеющей стали 410. На кривых 180-190 показаны профили сопротивления в зависимости от температуры для значений рабочего переменного тока в диапазоне от 300 до 550 А (кривая 180 - 300 А, 182 - 350 А, 184 - 400 А, 186 - 450 А, 188 - 500 А, 190 - 550 А). При таких значениях переменного тока сопротивление постепенно увеличивается с возрастанием температуры вплоть до температуры Кюри. При температуре Кюри сопротивление резко уменьшается. Напротив, из кривой 192, где показано сопротивление при ПСТ электрическом токе 10 А, видно, что сопротивление постоянно увеличивается с возрастанием температуры, при температуре Кюри отмечены небольшие отклонения или они отсутствуют.
На фиг. 34 приведены данные зависимости электрического сопротивления (мОм) от температуры (°С) для стержня диаметром 2,54 см, длиной 1,8 м из нержавеющей стали 410 при различных значениях электрического тока. На кривых 194, 196, 198, 200 и 202 изображены профили сопротивления в зависимости от температуры для стержня из нержавеющей стали 410 при рабочем переменном токе 40 А (кривая 200), переменном токе 70 А (кривая 202), переменном токе 140 А (кривая 194), переменном токе 230 А (кривая 196) и постоянном токе 10 А (кривая 198). Для значений рабочего переменного тока 140 А и 230 А сопротивление постепенно возрастает с ростом температуры до достижения температуры Кюри. При температуре Кюри сопротивление резко уменьшается. Напротив, при работе на постоянном токе сопротивление постепенно возрастает с температурой при переходе через температуру Кюри.
На фиг. 35 приведены данные о величине скин-слоя (см) в зависимости от температуры (°С) для стержня диаметром 2,54 см, длиной 1,8 м из нержавеющей стали 410 при различных значениях переменного тока. Величину скин-слоя рассчитывают по уравнению 14:
3= Рч - Рч х (1 - (l/RnEPT/RncT)),/2; (14) где 8 означает величину скин-слоя, R[ - это радиус цилиндра, RnEPT означает сопротивление переменному току и RncT означает сопротивление ПСТ. На фиг. 35, на кривых 204-222 показаны профили скин-слоя в зависимости от температуры для значений рабочего переменного тока в диапазоне от 50 А до 500 А (кривая 204 - 50 А, 206 - 100 А, 208 - 150 А, 210 - 200 А, 212 - 250 А, 214 - 300 А, 216 - 350 А, 218 - 400 А, 220 - 450 А, 222 - 500 А). Для каждого значения переменного тока величина скин-слоя постепенно возрастает с ростом температуры вплоть до температуры Кюри. При температуре Кюри
величина скин-слоя резко возрастает.
На фиг. 36 показана зависимость температуры (°С) от времени (часы) для ограниченного по температуре нагревателя. Ограниченный по температуре нагреватель имеет длину 1,83 ми включает в себя медный стержень диаметром 1,3 см внутри трубки (2,5 см) Schedule ХХН из нержавеющей стали 410 и медную оболочку толщиной 0,325 см. Нагреватель помещен в печь для нагрева. Через нагреватель, находящийся в печи, пропускают переменный ток. Величина тока возрастает в течение двух часов и достигает значения 400 А, которое остается относительно постоянным в течение остального времени. Температуру трубки из нержавеющей стали измеряют в трех точках с интервалами 0,46 м вдоль длины нагревателя. На кривой 224 показана температура трубки в точке 0,46 м внутри печи и в ближайшей входной части нагревателя. На кривой 226 показана температура трубки в точке 0,46 м от конца трубки и в наиболее удаленной точке от входной части нагревателя. На кривой 228 показана температура трубки приблизительно в центральной точке нагревателя. Место в центре нагревателя было дополнительно заключено в секцию (0,3 м) изоляции Fiberfrax(r) (Unifrax Corp., Niagara Falls, NY) толщиной 2,5 см. Теплоизоляция используется для создания в нагревателе участка с низкой теплопроводностью (участок, где теплопередача в окружающую среду замедлена или предотвращена (т.е. "участок локального перегрева"). Температура нагревателя возрастает со временем, как показано на кривых 228, 226 и 224. На кривых 228, 226 и 224 показано, что температура нагревателя возрастает почти до такого же значения, что и во всех трех точках вдоль длины нагревателя. Окончательное значение температуры, по существу, не зависит от добавления изоляции Fiberfrax(r). Таким образом, рабочие температуры ограниченного по температуре нагревателя в каждой из трех точек вдоль длины нагревателя, по существу, являются одинаковыми, несмотря на различия по тепловой нагрузке (из-за изоляции). Таким образом, в ограниченном по температуре нагревателе заданное значение температуры не превышается при наличии участка с низкой теплопроводностью.
На фиг. 37 показаны данные зависимости температуры (°С) от логарифма времени (часы) для стержня диаметром 2,5 см из нержавеющей стали 410 и для стержня (2,5 см) из нержавеющей стали 304. При постоянном рабочем переменном токе температура каждого стержня возрастает во времени. На кривой 230 показаны данные для термоэлемента, расположенного на внешней поверхности стержня из нержавеющей стали 304 и под слоем изоляции. На кривой 232 показаны данные для термоэлемента, расположенного на внешней поверхности стержня из нержавеющей стали 304 без слоя изоляции. На кривой 234 показаны данные для термоэлемента, расположенного на внешней поверхности
стержня из нержавеющей стали 410 и под слоем изоляции. На кривой 236 показаны данные для термоэлемента, расположенного на внешней поверхности стержня из нержавеющей стали 410 без слоя изоляции. Сравнение кривых показывает, что температура стержня из нержавеющей стали 304 (кривые 230 и 232) возрастает быстрее, чем температура стержня из нержавеющей стали 410 (кривые 234 и 236). Кроме того, температура стержня из нержавеющей стали 304 (кривые 230 и 232) достигает более высокого значения, чем температура стержня из нержавеющей стали 410 (кривые 234 и 236). Разность температур между неизолированной частью стержня из нержавеющей стали 410 (на кривой 236) и изолированной частью стержня из нержавеющей стали 410 (на кривой 234) меньше, чем разность температур между неизолированной частью стержня из нержавеющей стали 304 (на кривой 232) и изолированной частью стержня из нержавеющей стали 304 (на кривой 230). Температура стержня из нержавеющей стали 304 возрастает при завершении эксперимента (кривые 230 и 232), в то время как температура стержня из нержавеющей стали 410 становится постоянной (кривые 234 и 236). Таким образом, стержень из нержавеющей стали 410 (ограниченный по температуре нагреватель) обеспечивает улучшенное управление температурой, чем стержень из нержавеющей стали 304 (нагреватель без ограничения по температуре) при наличии изменяющейся тепловой нагрузки (вследствие изоляции).
Для сопоставления работы ограниченных по температуре нагревателей с тремя отношениями "диапазона изменения" было использовано численное моделирование (программа FLUENT, доступна на фирме Fluent USA, Lebanon, NH). Моделирование было выполнено на нагревателях в пласте нефтяного сланца (месторождение нефтяного сланца Green River). Условия моделирования приведены ниже:
длина нагревателей Кюри типа проводник-в-трубе равна 61 м (диаметр центрального проводника 2,54 см, внешний диаметр трубы 7,3 см);
полевые испытания скважинного нагревателя проведены для пласта нефтяного
сланца;
диаметр ствола скважин 16,5 см (6,5 дюйма) при расстоянии между стволами скважин в треугольной конфигурации, равном 9,14 м;
время нарастания мощности до 820 Вт/м от начальной скорости подвода тепла составляет 200 часов;
после линейного роста - режим работы на постоянном токе;
температура Кюри нагревателя равна 720,6°С;
пласт может набухать и касаться корпуса нагревателя при потенциале нефтяного сланца, по меньшей мере, 0,14 л/кг (35 галлонов на тонну).
На фиг. 38 приведена зависимость температуры (°С) центра проводника для нагревателя типа проводник-в-трубе от глубины пласта (м) для ограниченного по температуре нагревателя с отношением "диапазона изменения", равным 2:1. На кривых 238-260 изображены температурные профили в пласте в различные моменты времени в диапазоне от 8 суток после начала нагревания до 675 суток после начала нагревания (кривая 238 - 8 суток, 240 - 50 суток, 242 - 91 суток, 244 - 133 суток, 246 - 216 суток, 248 -300 суток, 250 - 383 суток, 252 - 466 суток, 254 - 550 суток, 256 - 591 суток, 258 - 633 суток, 260 - 675 суток). При отношении "диапазона изменения", равном 2:1, значение температуры Кюри 720,6°С превышается спустя 466 суток в самых богатых слоях нефтяного сланца. На фиг. 39 приведены данные о соответствующем тепловом потоке из нагревателя (Вт/м) в пласт для отношения "диапазона изменения", равного 2:1, вдоль богатого нефтяным сланцем (л/кг) профиля (на кривой 262). На кривых 264-296 показаны профили теплового потока в различные моменты времени от 8 суток после начала нагревания до 633 суток после начала нагревания (кривая 264 - 8 суток; 266 - 50 суток; 268
- 91 суток; 270 - 133 суток; 272 - 175 суток; 274 - 216 суток; 276 - 258 суток; 278 - 300 суток; 280 - 341 суток; 282 - 383 суток; 284 - 425 суток; 286 - 466 суток; 288 - 508 суток; 290 - 550 суток; 292 - 591 суток; 294 - 633 суток; 296 - 675 суток). При отношении "диапазона изменения" 2:1 температура центрального проводника превышает температуру Кюри в самых богатых слоях нефтяного сланца.
На фиг. 40 приведена зависимость температуры (°С) нагревателя от глубины пласта (м) при отношении "диапазона изменения" 3:1. На кривых 298-320 изображены температурные профили в пласте в различные моменты времени в диапазоне от 12 суток после начала нагревания до 703 суток после начала нагревания (кривая 298 - 12 суток, 300
- 33 суток, 302 - 62 суток, 304 - 102 суток, 306 - 146 суток, 308 - 205 суток, 310 - 271 суток, 312 - 354 суток, 314 - 467 суток, 316 - 605 суток, 318 - 662 суток, 320 - 703 суток). При отношении "диапазона изменения" 3:1 температура Кюри достигается спустя 703 суток. На фиг. 41 приведены данные о соответствующем тепловом потоке из нагревателя (Вт/м) в пласт для отношения "диапазона изменения", равного 3:1, вдоль богатого нефтяным сланцем (л/кг) профиля (на кривой 322). На кривых 324-344 показаны профили теплового потока в различные моменты времени от 12 суток после начала нагревания до 605 суток после начала нагревания (кривая 324 - 12 суток, 326 - 32 суток, 328 - 62 суток, 330 - 102 суток, 332 - 146 суток, 334 - 205 суток, 336 - 271 суток, 338 - 354 суток, 340 - 467 суток, 342 - 605 суток, 344 - 749 суток). Температура центрального проводника никогда не превышает температуру Кюри при отношении "диапазона изменения" 3:1. Кроме того, для центрального проводника наблюдается относительно плоский температурный
профиль при отношении "диапазона изменения" 3:1.
На фиг. 42 приведена зависимость температуры (°С) нагревателя от глубины пласта (м) при отношении "диапазона изменения" 4:1. На кривых 346-366 изображены температурные профили в пласте в различные моменты времени в диапазоне от 12 суток после начала нагревания до 467 суток после начала нагревания (кривая 346 - 12 суток, 348 - 33 суток, 350 - 62 суток, 352 - 102 суток, 354 - 147 суток, 356 - 205 суток, 358 - 272 суток, 360 - 354 суток, 362 - 467 суток, 364 - 606 суток, 366 - 678 суток). При отношении "диапазона изменения" 4:1 температура Кюри не достигается даже спустя 678 суток. Температура центрального проводника никогда не превышает температуру Кюри при отношении "диапазона изменения" 4:1. Для центрального проводника при отношении "диапазона изменения" 4:1 наблюдается более плоский температурный профиль, чем температурный профиль в случае отношения "диапазона изменения" 3:1. Эти данные моделирования демонстрируют, что температура нагревателя остается равной температуре Кюри или ниже ее при длительном испытании при повышенных значениях отношения "диапазона изменения". Для данного богатого профиля нефтяного сланца может быть желательным отношение "диапазона изменения", по меньшей мере, 3:1.
Для сопоставления использования ограниченных по температуре нагревателей и нагревателей без ограничения по температуре было выполнено моделирование в пласте нефтяного сланца. Данные моделирования получены для нагревателей типа проводник в трубе, расположенных в стволах скважин диаметром 16,5 см (6,5 дюймов) на расстоянии 12,2 м (40 футов) между нагревателями, с использованием моделирующей программы пласта (например, STARS от фирмы Computer Modelling Group, LTD., Houston, TX) и моделирующей программы ближнего ствола скважины (например, ABAQUS от фирмы ABAQUS, Inc., Providence, RI). Стандартные нагреватели типа проводник в трубе включают в себя проводники из нержавеющей стали 304 и трубы. Ограниченные по температуре нагреватели типа проводник в трубе включают в себя металл с температурой Кюри 760°С для проводников и труб. Результаты моделирования изображены на фиг. 4345.
На фиг. 43 показана зависимость температуры нагревателя (°С) в проводнике для нагревателя типа проводник в трубе от глубины (м) погружения нагревателя в пласт при моделировании спустя 20000 часов работы. Мощность нагревателя установлена равной 820 Вт/м до достижения температуры 760°С, затем мощность снижается, чтобы предотвратить перегрев. На кривой 368 показана температура проводника для стандартных нагревателей типа проводник в трубе. Из кривой 368 видно, что появляются большие различия температуры проводника и значительное число участков локального
перегрева по длине проводника. Температура проводника имеет минимальное значение 490°С. На кривой 370 показана температура проводника для ограниченных по температуре нагревателей типа проводник в трубе. Как показано на фиг. 43, распределение температур по длине проводника лучше регулируется для ограниченных по температуре нагревателей. Кроме того, рабочая температура проводника равна 730°С для ограниченных по температуре нагревателей. Таким образом, при равной мощности нагревателей можно обеспечить больше подведенного тепла в пласт при использовании ограниченных по температуре нагревателей.
На фиг. 44 показана зависимость теплового потока (Вт/м) от времени (годы) для нагревателей, применяемых при моделировании нагревания нефтяного сланца. На кривой 372 показан тепловой поток для стандартных нагревателей типа проводник в трубе. На кривой 374 показан тепловой поток для ограниченных по температуре нагревателей типа проводник в трубе. Как показано на фиг. 44, тепловой поток для ограниченных по температуре нагревателей поддерживается на более высоком уровне в течение длительного периода времени, чем тепловой поток для стандартных нагревателей. Повышенный тепловой поток может обеспечивать более равномерный и быстрый нагрев пласта.
На фиг. 45 показана зависимость интегрального подведенного тепла (кДж/м) (килоджоули на метр) от времени (годы) для нагревателей, применяемых в процессе моделирования нагревания нефтяного сланца. На кривой 376 показан интеграл подведенного тепла для стандартных нагревателей типа проводник в трубе. На кривой 378 показан интеграл подведенного тепла для ограниченных по температуре нагревателей типа проводник в трубе. Как показано на фиг. 45, интеграл подведенного тепла для ограниченных по температуре нагревателей возрастает быстрее, чем интеграл подведенного тепла для стандартных нагревателей. Более быстрое накопление тепла в пласте при использовании ограниченных по температуре нагревателей может сократить время, необходимое для перегонки внутри пласта. Перегонка нефтяного сланца внутри пласта может начинаться при среднем значении интегрального подведенного тепла около 1,1 х 108 кДж/м. Это значение интегрального подведенного тепла достигается приблизительно за 5 лет для ограниченных по температуре нагревателей и между 9 и 10 годами для стандартных нагревателей.
Дальнейшие модификации и альтернативные варианты исполнения различных аспектов изобретения будут очевидными для специалистов в этой области техники с учетом настоящего описания. Соответственно, настоящее описание следует рассматривать только как иллюстративное, приведенное с целью раскрытия общего способа
осуществления изобретения для специалистов в этой области техники. Следует понимать, что показанные и раскрытые в описании формы изобретения считаются в настоящее время предпочтительными вариантами исполнения. Проиллюстрированные и описанные здесь элементы и материалы могут быть заменены, детали и процессы могут быть обращены, и определенные признаки изобретения могут быть использованы независимо, -все это очевидно для специалистов в этой области техники после ознакомления с преимуществами этого изобретения. Изменения в описанных здесь элементах могут быть выполнены без отклонения от существа и объема изобретения, которое раскрыто в следующей ниже формуле изобретения. Кроме того, следует понимать, что признаки, описанные здесь независимо, в определенных вариантах воплощения могут сочетаться.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Система для нагревания, по меньшей мере, части подземного пласта, содержащая:
источник электропитания, выполненный с возможностью получения модулированного постоянного тока (ПСТ); и
нагревательную секцию, содержащую один или более проводников, электрически соединенных с источником электропитания, скомпонованную с возможностью размещения в отверстии в пласте, причем, по меньшей мере, один из электрических проводников содержит ферромагнитный материал;
при этом нагревательная секция: (а) обеспечивает получение выходной тепловой мощности, когда в нагревательную секцию, имеющую температуру ниже заданной, подается электрический ток; (Ь) обеспечивает получение во время использования пониженной выходной тепловой мощности при температуре, приблизительно равной или выше заданной температуры; и (с) имеет отношение "диапазона изменения", по меньшей мере, 1,1 к 1 и где отношение "диапазона изменения" означает отношение наибольшего сопротивления переменному току или модулированному ПСТ при температуре ниже температуры Кюри, к наиболее низкому сопротивлению переменному току или модулированному ПСТ при температуре выше температуры Кюри.
2. Система по п. 1, в которой источник электропитания представляет собой источник модулированного ПСТ переменной частоты.
3. Система по п.п. 1 или 2, в которой источник электропитания выполнен с возможностью получения модулированного ПСТ с колебаниями прямоугольной формы.
4. Система по любому из п.п. 1 - 3, в которой источник электропитания выполнен с возможностью получения модулированного постоянного тока с колебаниями тока заданной формы, причем колебания заданной формы формируются таким образом, чтобы, по меньшей мере, частично компенсировать сдвиг фазы и/или нелинейные искажения в электрических проводниках.
5. Система по любому из п.п. 1 - 4, в которой нагревательная секция обеспечивает получение при подаче электрического тока в нагревательную секцию: (а) первой выходной тепловой мощности, когда температура нагревательной секции ниже заданной температуры, и (Ь) второй выходной тепловой мощности, которая меньше первой выходной тепловой мощности, когда температура нагревательной секции равна или выше заданной температуры.
6. Система по любому из п.п. 1 - 5, в которой нагревательная секция обеспечивает
получение при подаче электрического тока в нагревательную секцию: (а) первой выходной тепловой мощности, когда температура нагревательной секции выше 100°С, выше 200°С, выше 400°С, выше 500°С или выше 600°С и ниже заданной температуры, и (Ь) второй выходной тепловой мощности меньше, чем первая выходная тепловая мощность, когда температура нагревательной секции равна или выше заданной температуры.
7. Система по любому из п.п. 1 - 6, в которой нагревательная секция автоматически обеспечивает получение пониженной выходной тепловой мощности при температуре выше или вблизи заданной температуры.
8. Система по любому из п.п. 1 - 7, в которой, по меньшей мере, часть нагревательной секции может быть расположена вблизи углеводородного материала в пласте, чтобы повысить температуру, по меньшей мере, части углеводородного материала до температуры пиролиза или выше.
9. Система по любому из п.п. 1 - 8, в которой система выполнена с возможностью повышения рабочей температуры не больше чем на 1,5°С при температуре выше или вблизи заданной рабочей температуры, когда тепловая нагрузка вблизи нагревательной секции снижается на 1 Вт/м.
10. Система по любому из п.п. 1 - 8, в которой нагревательная секция выполнена с возможностью получения пониженного количества тепла при температуре выше или вблизи заданной температуры, причем пониженное количество тепла составляет, по
большей мере, 10% выходной тепловой мощности при температуре на 50 С ниже заданной температуры.
11. Система по любому из п.п. 1-10, которая дополнительно содержит неферромагнитный материал, соединенный с ферромагнитным материалом, причем неферромагнитный материал имеет более высокую электропроводность, чем ферромагнитный материал.
12. Система по любому из п.п. 1 - 11, в которой заданная температура приблизительно равна температуре Кюри ферромагнитного материала.
13. Система по любому из п.п. 1 - 12, в которой электрическое сопротивление нагревательной секции снижается при температуре, равной или выше заданной температуры, так что нагревательная секция обеспечивает получение пониженной выходной тепловой мощности выше заданной температуры.
14. Система по любому из п.п. 1 - 13, в которой источник электропитания выполнен с возможностью получения относительно постоянной величины электрического тока, которая отличается от заданной величины постоянного тока в пределах 15%, 10%
или в пределах 5%, когда изменяется нагрузка электрических проводников.
15. Система по любому из п.п. 1 - 14, в которой, по меньшей мере, один из электрических проводников имеет длину, по меньшей мере, 10 м, по меньшей мере, 50 м, по меньшей мере, 100 м, по меньшей мере, 300 м, по меньшей мере, 500 м или, по меньшей мере, 1 км.
16. Система по любому из п.п. 1 - 15, в которой система применяется в способе нагревания подземного пласта, при этом способ включает в себя: подачу электрического тока в нагревательную секцию для получения электрорезистивной выходной тепловой мощности и обеспечение возможности передачи тепла от нагревательной секции в часть подземного пласта.
17. Система по п. 16, в которой способ дополнительно включает в себя обеспечение возможности передачи тепла от нагревательной секции в часть подземного пласта для пиролиза, по меньшей мере, некоторых углеводородов в пласте.
120
120 116
116
FIG. 10
FIG. 12
FIG. 14
FIG. 13
FIG. 15
к" о
FIG. 18
FIG. 16
ст>
FIG. 19А
FIG. 19В
м о о
См ОС ОС
FIG. 20A
FIG. 20B
FIG. 23A
FIG. 23B
WO 2005/106193
PCT/US2005/013889
FIG. 26
FIG. 27
WO 2005/106193
PCT/US2005/013889
10/26
FIG. 28
FIG. 29A
о е
760 649 538 427 315 204 93 0
228
226
hrs
FIG. 36
'"в о
in к> о о •J\
00 00
С5>
к" о о
•J\
О Н
С/5
ы о о