EA200601956A1 20070427 Номер и дата охранного документа [PDF] EAPO2007\TIT_PDF/200601956 Титульный лист описания [PDF] EAPO2007/PDF/200601956 Полный текст описания EA200601956 20050422 Регистрационный номер и дата заявки US60/565,077 20040423 Регистрационные номера и даты приоритетных заявок US2005/013923 Номер международной заявки (PCT) WO2005/106196 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] Харрис Кристофер Келвин, Сэндберг Честер Ледли, Винигар Харолд Дж. Сведения об авторах [NL] ШЕЛЛ ИНТЕРНЭШНЛ РИСЕРЧ МААТСХАППИЙ Б.В. Сведения о заявителях
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea200601956a*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

Предложен нагреватель, содержащий ферромагнитный элемент, электрический проводник, электрически соединенный с ферромагнитным элементом, причем электрический проводник выполнен таким образом, чтобы выделять выходную тепловую мощность ниже температуры Кюри ферромагнитного элемента. Электрический проводник выполнен так, чтобы пропускать большую часть электрического тока нагревателя при 25шC. Нагреватель автоматически обеспечивает выделение пониженного количества тепла при температуре, приблизительно равной или выше температуры Кюри ферромагнитного элемента.

 


Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:
нагреватель, содержащий ферромагнитный элемент, электрический проводник, электрически соединенный с ферромагнитным элементом, причем электрический проводник выполнен таким образом, чтобы выделять выходную тепловую мощность ниже температуры Кюри ферромагнитного элемента. Электрический проводник выполнен так, чтобы пропускать большую часть электрического тока нагревателя при 25шC. Нагреватель автоматически обеспечивает выделение пониженного количества тепла при температуре, приблизительно равной или выше температуры Кюри ферромагнитного элемента.

 


0610727
ОГРАНИЧЕННЫЕ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ НАГРЕВАТЕЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ
НАГРЕВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ПЛАСТОВ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, главным образом, к способам и устройствам для нагревания подземных пластов. Определенные варианты изобретения относятся к способам и системам для применения ограниченных по температуре нагревателей, имеющих высокие коэффициенты мощности, 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 добываемые 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 нагревать пласт в ходе процесса внутренней обработки. Примеры процессов внутренней обработки, в которых используются скважинные нагреватели, проиллюстрированы в патентах США № 2634961 (автор Ljungstrom); 2732195 Ljungstrom; 2780450 Ljungstrom; 2789805 Ljungstrom; 2923535 Ljungstrom; и 4886118 Van Meurs и др.
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 нагревателем. 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 Van Mews 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 Van Egmond описан электрический нагревательный элемент, который имеет сердцевину из медно-никелевого сплава.
Некоторые нагреватели могут разрушаться или выходить из строя из-за образования "участков локального 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 локального перегрева пласта или вблизи этих участков. 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; обеспечивает автоматическое регулирование температуры, когда температура части нагревателя приближается к заданной температуре и/или обладает, по существу, линейными магнитными характеристиками и высоким
коэффициентом мощности при температуре ниже заданной температуры. Сущность изобретения
Изобретение предлагает нагреватель, который включает в себя: ферромагнитный элемент; электрический проводник, электрически соединенный с ферромагнитным элементом, в котором электрический проводник выполнен с возможностью получения выходной тепловой мощности при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного элемента, причем электрический проводник выполнен с возможностью пропускания большей части электрического тока нагревателя при 25 Т; и в котором нагреватель автоматически обеспечивает выделение пониженного количества тепла при температуре, приблизительно равной или выше температуры Кюри ферромагнитного элемента.
Кроме того, предложено в сочетании с указанным выше: (а) ферромагнитный элемент и электрический проводник, электрически соединены таким образом, чтобы коэффициент мощности нагревателя сохранялся выше 0,85, выше 0,9 или выше 0,95 во время использования нагревателя; (Ь) нагреватель имеет отношение "диапазона изменения", по меньшей мере, 1,1, по меньшей мере, 2, по меньшей мере, 3 или, по меньшей мере, 4; (с) ферромагнитный элемент электрически соединен с электрическим проводником таким образом, чтобы магнитное поле, создаваемое ферромагнитным элементом, ограничивало протекание большей части электрического тока по электрическому проводнику при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного элемента; и (d) электрический проводник обеспечивает большую часть выходной тепловой мощности нагревателя при температурах до температуры вблизи или равной температуре Кюри ферромагнитного элемента.
Кроме того, предложено в сочетании с указанным выше: (а) нагреватель дополнительно содержит второй электрический проводник, электрически соединенный с ферромагнитным элементом; и (Ь) второй электрический проводник представляет собой электрический проводник с большей электропроводностью, чем у ферромагнитного элемента и электрического проводника, и/или второй электрический проводник обеспечивает механическую прочность для обеспечения опоры ферромагнитному элементу при температуре, равной или вблизи температуры Кюри ферромагнитного элемента.
Кроме того, предложено в сочетании с указанным выше: (а) электрический проводник и ферромагнитный элемент расположены концентрически; и (Ь) электрический проводник, по меньшей мере, частично окружает ферромагнитный элемент.
Кроме того, предложено в сочетании с указанным выше: (а) электрический проводник обеспечивает механическую прочность для обеспечения опоры ферромагнитному элементу при температуре, равной или вблизи температуры Кюри ферромагнитного элемента; и (Ь) электрический проводник выполнен из коррозионно стойкого материала.
Предложено также в сочетании с указанным выше: (а) нагреватель обеспечивает повышение рабочей температуры не больше чем на 1,5°С при температуре выше или вблизи заданной рабочей температуры, когда тепловая нагрузка вблизи нагревателя снижается на 1 Вт/м; и (Ь) нагреватель обеспечивает выделение пониженного количества тепла при температуре, приблизительно равной и выше температуры Кюри ферромагнитного элемента, причем пониженное количество тепла составляет не больше чем 10% выходной тепловой мощности при температуре на 50°С ниже температуры Кюри.
Предложено также в сочетании с указанным выше, что нагревательная секция обеспечивает при подаче электрического тока в нагревательную секцию: (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.
Предложено также в сочетании с указанным выше: (а) нагреватель, который применяется в системе, компонованной для того, чтобы обеспечивать нагревание подземного пласта; и (Ь) нагреватель, который применяется в способе нагревания подземного пласта, причем способ включает в себя: (1) подачу электрического тока в нагреватель, чтобы обеспечить выходную тепловую мощность, и (2) обеспечение возможности передачи тепла от нагревателя в часть подземного пласта.
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 внутрипластовой конверсии для 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 поперечные 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 поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником;
на фиг. 13, 14 и 15 представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с внешним проводником;
на фиг. 16А и 16В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внутренним проводником;
на фиг. 17А и 17В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внутренним проводником и неферромагнитной сердцевиной;
на фиг. 18А и 18В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником;
на фиг. 19А и 19В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником, который плакирован коррозионно стойким сплавом;
на фиг. 20 А и 20В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником;
на фиг. 21 представлено поперечное сечение варианта воплощения композиционного проводника с опорным элементом;
на фиг. 22 представлено поперечное сечение варианта воплощения композиционного проводника с опорным элементом, разделяющим проводники;
на фиг. 23 представлено поперечное сечение варианта, воплощения композиционного проводника, окружающего опорный элемент;
на фиг. 24 представлено поперечное сечение варианта воплощения композиционного проводника, окружающего опорный элемент в виде трубы;
на фиг. 25 представлено поперечное сечение варианта воплощения нагревателя типа "проводник в трубе";
на фиг. 26А и на фиг. 29В изображен вариант нагревателя в виде изолированного проводника;
на фиг. 27А и на фиг. 27В изображен вариант нагревателя в виде изолированного проводника с рубашкой, расположенной снаружи внешнего проводника;
на фиг. 28 изображен вариант изолированного проводника, расположенного внутри
трубы;
на фиг. 29 показан вариант ограниченного по температуре нагревателя, в котором опорный элемент обеспечивает большую часть выходной тепловой мощности ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника;
на фиг. 30 и 31 изображены варианты ограниченного по температуре нагревателя, в котором рубашка обеспечивает большую часть выходной тепловой мощности ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника;
на фиг. 32 показана зависимость измеренного экспериментально сопротивления от температуры при различных величинах электрического тока для ограниченного по температуре нагревателя с медной сердцевиной, ферромагнитным проводником из углеродистой стали и опорным элементом из нержавеющей стали 347Н;
на фиг. 33 показана зависимость измеренного экспериментально сопротивления от температуры при различных величинах электрического тока для ограниченного по температуре нагревателя с медной сердцевиной, ферромагнитным проводником из кобальт-углеродистой стали и опорным элементом из нержавеющей стали 347Н;
на фиг. 34 показана зависимость измеренного экспериментально коэффициента мощности от температуры при двух величинах переменного тока для ограниченного по температуре нагревателя с медной сердцевиной, ферромагнитным проводником из углеродистой стали и опорным элементом из нержавеющей стали 347Н;
на фиг. 35 показана зависимость измеренного экспериментально отношения "диапазона изменения" от максимальной мощности, поданной в ограниченный по температуре нагреватель с медной сердцевиной, ферромагнитным проводником из углеродистой стали и опорным элементом из нержавеющей стали 347Н;
на фиг. 36 показана зависимость температуры от времени для ограниченного по температуре нагревателя;
на фиг. 37 показаны данные зависимости температуры от логарифма времени для стержня диаметром 2,5 см из нержавеющей стали 410 и стержня (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 богатого профиля 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 богатого профиля 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 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 гшьтернативные формы, конкретные варианты его воплощения показаны с помощью примеров, в чертежах и могут быть подробно здесь описаны. Чертежи могут быть выполнены не в масштабе. Однако следует понимать, что чертежи и подробное описание изобретения 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 здесь систем, способов и нагревателей. Например, нагреватель включает в себя ферромагнитный элемент и электрический проводник, электрически соединенный с ферромагнитным элементом. Электрический проводник выполнен так, чтобы обеспечить выделение выходной тепловой мощности при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного элемента. Кроме того, электрический проводник выполнен так, чтобы пропускать большую часть электрического тока нагревателя при 25°С. Нагреватель автоматически обеспечивает пониженную тепловую мощность при температуре, приблизительно равной и выше температуры Кюри ферромагнитного элемента.
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 вблизи с минеральными матрицами внутри земли. Матрицы могут включать в себя (но не ограничиваются указанными) 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 увлеченными 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. Покрывающий и/или подстилающий слой может включать в себя скальную породу, сланец, аргиллит или влажный/плотный карбонат. В некоторых вариантах процессов внутрипластовой конверсии покрывающий 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 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 ограничиваются указанным), которые взаимодействуют с материалом внутри пласта или добываемым из пласта, и/или их сочетания.
"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, которые потребляют энергию переменного тока или модулированного (например, "прерывистый") ПСТ (постоянного тока).
"Температура Кюри" означает температуру, 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 способы 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 ЭТЕШЫ 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 абсолютном значении давления от 600 кПа до 7000 кПа. 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 желательной температуры вместо медленного нагрева до температуры на протяжении всего температурного диапазона пиролиза. В некоторых вариантах выполнения желательная температура составляет 300°С. В некоторых вариантах исполнения желательная температура составляет 325°С. В некоторых вариантах исполнения желательная температура составляет 350°С. В качестве желательной температуры могут быть заданы другие температуры. Суперпозиция тепла от нагревателей обеспечивает относительно быстрое и эффективное установление желательной температуры в пласте. Ввод энергии в пласт от нагревателей можно регулировать таким образом, чтобы поддерживать в пласте желательную температуру. В нагретой части пласта поддерживается, по существу, желательная температура, пока процесс пиролиза не уменьшится настолько, что добыча желательных 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 только 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 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 установке 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 указанными), водопонижающие скважины, вакуумные скважины, перехватывающие скважины, нагнетательные скважины, цементированные скважины, замораживающие скважины или их сочетания. В некоторых вариантах исполнения барьерные скважины 110 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 расположена 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 из эксплуатационных скважин жидкостей при высокой температуре может быть снижена или исключена. Исключение или ограничение высокотемпературного перекачивания 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 передачи тепла углеводородам в пласте.
Ограниченные по температуре нагреватели могут быть выполнены и/или могут включать в себя материалы, которые обеспечивают автоматическое ограничение температуры нагревателя 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 локального 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 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, с помощью ограниченного по температуре нагревателя подается больше мощности 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 вблизи скин-эффекта, 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 электрический ток через проводник. 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. Участки 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, в том числе реакционноспособные компоненты, 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 желательной 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 вариантам 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.
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. Железо-кобальтовый сплав имеет температуру
Кюри выше, чем температура Кюри для железа. Например, железо-кобальтовый сплав, содержащий 2% масс, кобальта, имеет температуру Кюри приблизительно 800°С; железо-кобальтовый сплав с 12% масс, кобальта имеет температуру Кюри приблизительно 900°С; и железо-кобальтовый сплав с 20% масс, кобальта имеет температуру Кюри приблизительно 950°С. Железо-никелевый сплав имеет температуру Кюри меньше, чем температура Кюри для железа. Например, железо-никелевый сплав, содержащий 20% масс, никеля, имеет температуру Кюри приблизительно 720°С, и железо-никелевый сплав с 60% масс, никеля имеет температуру Кюри приблизительно 560°С.
Некоторые неферромагнитные элементы, применяемые в сплавах, повышают температуру Кюри железа. Например, железо-ванадиевый 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 желательной температурой Кюри и другими желательными физическими и/или химическими свойствами. В некоторых вариантах исполнения материал, имеющий температуру Кюри, является ферритом, таким как NiFe204. В других вариантах материал, имеющий температуру Кюри, является бинарным соединением, таким как FeNi3 или Fe3Al.
Обычно магнитные свойства ослабляются, когда достигается температура Кюри матерйала. 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-эффекта 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-эффект 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-эффект 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 1/е от поверхностной плотности тока, называется скин-слоем. 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, 6,определяется уравнением:
5= 1981,5* (fi/(M*f)f2; (1) где: д= 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 глубины скин-слоя от температуры и/или от тока. Зависимость ц от тока обусловлена зависимостью ju от магнитного поля.
Материалы, применяемые в ограниченном по температуре нагревателе, могут быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить желательное 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 изменений". Выбранное отношение "диапазона изменения" зависит от ряда факторов, в том числе (но не ограничиваются указанным) 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 по 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 циклический 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 желательный 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 таким образом, чтобы обеспечить желательную 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 электрического 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 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, который подается в 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 температурю 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.
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 волновых 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 искажений 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 искажения формы колебаний.
Фактически введенная в нагреватель мощность 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 # представляет собой разность фазовых углов между напряжением и током. Когда отсутствует искажение формы колебаний, cos(#) равен коэффициенту мощности. Чем выше частота (например, при частотах модулированного ПСТ, по меньшей мере, 1000 Гц, 1500 Гц или 2000 Гц), тем сильнее выражен эффект сдвига фазы и/или искажений.
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 ампер (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 электрическом напряжении выше 200 вольт (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 проводник 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 входить в ограниченный по температуре нагреватель 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.
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, 31 ОН, 347НР, NF709 или их сочетания. Кроме того, внешний проводник может включать плакированный проводник. Например, для защиты от коррозии трубка 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, 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, 13,8 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-эффектана 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 электрической проводимостью. 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, захватывая медную сердцевину, электрическое сопротивление снижается очень резко.
Композиционный проводник может повысить проводимость ограниченного по температуре нагревателя и/или обеспечить 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 в результате 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 желательный профиль температурной зависимости удельного сопротивления для ограниченного по температуре нагревателя.
На фигурах 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 фигур, может сочетаться с одной или несколькими особенностями других вариантов исполнения ограниченных по температуре нагревателей, изображенных на этих фигурах. 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 для того, 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 неферромагнитный участок. На фиг. 4 и 5 изображены поперечные сечения варианта, показанного на фиг. 3. В одном варианте ферромагнитный участок 140 используется для обеспечения теплом углеводородных слоев пласта. Неферромагнитный участок 142 используется в покрывающем слое пласта. Неферромагнитный участок 142 выделяет немного тепла (или не выделяет тепло) в покрывающий слой, таким образом, предотвращаются потери тепла в покрывающем слое, и улучшается эффективность нагревателя. Ферромагнитный участок 140 включает ферромагнитный материал, такой как нержавеющая сталь 409 или нержавеющая сталь 410. Ферромагнитный участок 140 имеет толщину 0,3 см. Неферромагнитный участок 142 представляет собой слой меди толщиной 0,3 см. Внутренний проводник 144 является медным. Внутренний проводник 144 имеет диаметр 0,9 см. Электрический изолятор 146 представляет собой порошок нитрида кремния, нитрида бора, оксида магния или другого подходящего материала изолятора. Электроизолятор 146 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 фигурах 7, 8, и 9 изображены поперечные сечения для варианта, показанного на фиг. 6. Ферромагнитный участок 140 выполнен из нержавеющей стали 410 толщиной 0,6 см. Неферромагнитный участок 142 сделан из меди толщиной 0,6 см. Внутренний проводник 144 является медным, диаметром 0,9 см. Внешний проводник 148 включает в себя ферромагнитный материал. Внешний проводник 148 обеспечивает выделение некоторого количества тепла в секции нагревателя, проходящей через покрывающий слой. Тепло, выделяющееся в покрывающий слой, препятствует конденсации или оттоку флюидов в покрывающем слое. Внешний проводник 148 выполнен из нержавеющей стали 409, 410, или 446 и имеет внешний диаметр 3,0 см и толщину 0,6 см. Электрический изолятор 146 представляет собой порошок оксида магния и имеет толщину 0,3 см. В некоторых вариантах исполнения электрический изолятор 146 представляет собой нитрид кремния, нитрид бора или нитрид бора гексагонального типа. Проводящая секция 150 может соединять внутренний проводник 144 с ферромагнитным участком 140 и/или внешним проводником 148.
На фиг. 10 представлено поперечное сечение 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 для варианта, показанного на фиг. 10. Внешний проводник 148 выполнен из трубки диаметром 3А дюйма (%" = 19 мм) из нержавеющей стали Schedule 80 446. В одном варианте проводящий слой 152 расположен между внешним проводником 148 и рубашкой 154. Проводящий слой 152 представляет собой слой меди. Внешний проводник 148 плакирован проводящим слоем 152. В определенных вариантах воплощения проводящий слой 152 включает в себя один или несколько участков (например, проводящий слой 152 включает один или несколько участков медной трубки). Рубашка 154 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 144 является кабелем 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 150 соединяет внутренний проводник 144 и рубашку 154. В одном варианте проводящая секция 150 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 140 изготовлен из нержавеющей стали 409, 410, или 446 и имеет толщину 0,9 см. Неферромагнитный участок 142 является слоем меди толщиной 0,9 см. Ферромагнитный участок 140 и неферромагнитный участок 142 расположены в рубашке 154. Рубашка 154 из нержавеющей стали 304 имеет толщину 0,1 см, проводящий слой 152 представляет собой слой меди. Электрический изолятор 146 представляет собой слой нитрида кремния, нитрида бора или оксида магния толщиной от 0,1 до 0,3 см. Внутренний проводник 144 из меди имеет диаметр 1,0 см.
В варианте воплощения ферромагнитный участок 140 выполнен из слоя нержавеющей стали 446 толщиной 0,9 см. Рубашка 154 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 140, пока не будет достигнута температура Кюри в этом ферромагнитном участке. После того как ферромагнитный участок 140 достигает температуры Кюри, большая часть тока проходит через проводящий слой 152. Ферромагнитные свойства рубашки 126 (из нержавеющей стали 410) предотвращают утечку тока наружу через рубашку и "удерживают" ток. Рубашка 154 также может иметь такую толщину, которая обеспечивает прочность ограниченного по температуре нагревателя.
На фиг. 16А и на фиг. 16В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внутренним проводником. Внутренний проводник 144 представляет собой 1" трубку (диаметром 25,4 мм) из нержавеющей стали Schedule XXS 446. В некоторых вариантах исполнения внутренний проводник 144 включает в себя нержавеющую сталь 409, нержавеющую сталь 410, сплав инвар 36, сплав 42-6 или другие ферромагнитные материалы. Внутренний проводник 144 имеет диаметр 2,5 см. Электрический изолятор 146 представляет собой нитрид кремния, нитрид бора, оксид магния, полимеры, керамическое волокно Nextel, слюду или стекловолокно. Внешним проводником 148 является медь или любой другой неферромагнитный материал, такой как алюминий. Внешний проводник 148 соединяется с рубашкой 154. Рубашка 154 выполнена из нержавеющей стали 304Н, 316Н или 347Н. В этом варианте воплощения большая часть тепла выделяется во внутреннем проводнике 144.
На фиг. 17А и на фиг. 17В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внутренним проводником и неферромагнитной сердцевиной. Внутренний проводник 144 включает в себя нержавеющую сталь 446, нержавеющую сталь 409, нержавеющую сталь 410 или другие ферромагнитные материалы. Сердцевина 168 тесно связана с внутренним проводником 144. Сердцевина 168 представляет собой стержень из меди или другого неферромагнитного материала. Сердцевина 168 вставлена во внутренний проводник 144 с плотной посадкой до операции волочения. В некоторых вариантах исполнения сердцевина 168 и внутренний проводник 144 связаны в процессе совместной экструзии. Внешним проводником 148 является трубка из нержавеющей стали 347Н. Операция волочения или прокатки для прессования электрического изолятора 146 может обеспечить хороший электрический контакт между внутренним проводником 144 и сердцевиной 168. В этом варианте тепло выделяется, главным образом, во внутреннем проводнике 144, пока не будет достигнута температура Кюри. Затем сопротивление резко снижается, когда переменный ток проникает в сердцевину 168.
На фиг. 18А и на фиг. 18В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником. Внутренний проводник 144 выполнен из меди, плакированной никелем. Электрический изолятор 146 представляет собой нитрид кремния, нитрид бора или оксид магния. Внешним проводником 148 является 1" трубка (25,4 мм) из углеродистой стали Schedule XXS. В этом варианте тепло выделяется, главным образом, во внешнем проводнике 148, что приводит к небольшой разности температур по сечению электрического изолятора 146.
На фиг. 19А и на фиг. 19В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником, который плакирован коррозионно стойким сплавом. Внутренний проводник 144 выполнен из меди. Внешним проводником 148 является 1" трубка (25,4 мм) из нержавеющей стали Schedule XXS 446. Внешний проводник 148 соединяется с рубашкой 154. Рубашка 154 выполнена из коррозионно стойкого материала (например, нержавеющей стали 347Н). Рубашка 154 обеспечивает защиту от коррозионных флюидов в стволе скважины (например, осернирующие и науглероживающие газы). Тепло выделяется, главным образом, во внешнем проводнике 148, что приводит к небольшой разности: температур по сечению электрического изолятора 146.
На фиг. 20 А и на фиг. 20В представлены поперечные сечения варианта воплощения ограниченного по температуре нагревателя с ферромагнитным внешним проводником. Внешний проводник плакирован проводящим слоем и коррозионно стойким сплавом. Внутренний проводник 144 выполнен из меди. Электрический изолятор 146 представляет собой нитрид кремния, нитрид бора или оксид магния. Внешним проводником 148 является 1" трубка (25,4 мм) из нержавеющей стали Schedule 80 446. Внешний проводник 148 соединяется с рубашкой 154. Рубашка 154 выполнена из коррозионно стойкого материала. В одном варианте проводящий слой 152 расположен между внешним проводником 148 и рубашкой 154. Проводящий слой 152 представляет собой слой меди. Тепло выделяется, главным образом, во внешнем проводнике 148, что приводит к небольшой разности температур по сечению электрического изолятора 146. Проводящий слой 152 позволяет резко снизить сопротивление внешнего проводника 148, когда температура этого проводника приближается к температуре Кюри. Рубашка 154 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") электрического 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, 100 м. Опорный элемент может быть неферромагнитным элементом, который имеет хорошую прочность текучести при высокой температуре. Примеры материалов, которые используются для опорных элементов, включают (но не ограничиваются указанными) сплав Haynes(r) 625 и сплав Haynes(r) HR120 (Haynes International, Kokomo, IN), сплав NF709 (Nippon Стал Corp., Japan), Incoloy(r) 800H и сплав 347HP (Allegheny Ludlum Corp., Pittsburgh, PA). В некоторых вариантах исполнения материалы композиционного проводника непосредственно связаны друг с другом (например, путем пайки, образования металлической связи или путем обжатия) 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. 21 представлено поперечное сечение варианта воплощения композиционного проводника с опорным элементом. Сердцевина 168 окружена ферромагнитным проводником 166 и опорным элементом 172. В некоторых вариантах исполнения сердцевина 168, ферромагнитный проводник 166 и опорный элемент 172 непосредственно связаны (например, путем пайки или металлической связи). В одном варианте сердцевина 168 выполнена из меди, ферромагнитный проводник 166 - из нержавеющей стали 446 и опорный элемент 172 - из сплава 347Н. В определенных вариантах исполнения опорный элемент 172 представляет собой трубку Schedule 80. Опорный элемент 172 окружает композиционный проводник, имеющий ферромагнитный проводник 166 и сердцевину 168. Ферромагнитный проводник 166 и сердцевина 168 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 168 подгоняется относительно постоянного внешнего диаметра ферромагнитного проводника 166, чтобы отрегулировать отношение "диапазона изменения" ограниченного по температуре нагревателя. Например, диаметр сердцевины 168 может быть увеличен до 1,14 см при сохранении внешнего диаметра ферромагнитного проводника 166 равным 1,9 см, чтобы увеличить отношение "диапазона изменения" нагревателя до 2,2.
В некоторых вариантах исполнения проводники (например, сердцевина 168 и ферромагнитный проводник 166) в композиционном проводнике разделяются опорным элементом 172. На фиг. 22 представлено поперечное сечение варианта воплощения композиционного проводника с опорным элементом 172, разделяющим проводники. В одном варианте сердцевина 168 выполнена из меди диаметром 0,95 см, опорный элемент 172 выполнен из сплава 347Н с внешним диаметром 1,9 см, и ферромагнитный проводник 166 - 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. 22, имеет повышенную прочность текучести относительно других опорных элементов, изображенных на фиг. 21, 23 и 24.
В определенных вариантах воплощения опорный элемент 172 располагается внутри композиционного проводника. На фиг. 23 представлено поперечное сечение варианта воплощения композиционного проводника, окружающего опорный элемент 172. Опорный
элемент 172 выполнен из сплава 347Н. Внутренний проводник 144 выполнен из меди. Ферромагнитный проводник 166 представляет собой нержавеющую сталь 446. В одном варианте опорный элемент 172 выполнен из сплава 347Н диаметром 1,25 см, внутренний проводник 144 - из меди с внешним диаметром 1,9 см и ферромагнитный проводник 166 -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. 21,22, и 24, при одинаковом внешнем диаметре.
В некоторых вариантах исполнения толщина внутреннего проводника 144, выполненного из меди, понижена для того, чтобы снизить отношение "диапазона изменения". Например, диаметр опорного элемента 172 увеличивается до 1,6 см при сохранении внешнего диаметра внутреннего проводника 144, равным 1,9 см, чтобы уменьшить толщину трубы. Это уменьшение толщины внутреннего проводника 144 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 172 представляет собой трубопровод (или трубку) внутри внутреннего проводника 144 и ферромагнитного проводника 166. На фиг. 24 представлено поперечное сечение варианта воплощения композиционного проводника, окружающего опорный элемент 172. В одном варианте опорный элемент 172 выполнен из сплава 347Н с диаметром центрального отверстия 0,63 см. В некоторых вариантах исполнения опорный элемент 172 представляет собой заранее сформованный трубопровод. В определенных вариантах воплощения опорный элемент 172 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 172 выполнен из трубки сплава 347Н с внутренним диаметром 0,63 см и внешним диаметром 1,6 см, внутренний медный кабель 144 имеет внешний диаметр 1,8 см, и ферромагнитный проводник 166 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 174 на фиг. 25.
На фиг. 25 представлено поперечное сечение варианта воплощения нагревателя
типа "проводник в трубе". Проводник 174 расположен в трубе 176. Проводник 174 представляет собой стержень или трубу из электропроводящего материала. На обоих концах проводника 174 имеются участки 178 с низким сопротивлением для того, чтобы в этих участках выделялось меньше тепла. Участок 178 с низким сопротивлением образуется за счет того, что проводник 174 в этой секции имеет большую площадь поперечного сечения, или эти участки выполнены из материала, имеющего пониженное сопротивление. В определенных вариантах воплощения участок 178 с низким сопротивлением включает в себя проводник с низким сопротивлением, соединенный с проводником 174.
Труба 176 выполнена из электропроводящего материала. Труба 176 располагается в отверстии 180 в углеводородном пласте 182. Отверстие 180 имеет диаметр, соответствующий трубе 176.
Проводник 174 может быть расположен в центре трубы 176 с помощью центрирующих элементов 184. Центрирующие элементы 184 электрически изолируют проводник 174 от трубы 176. Центрирующие элементы 184 предотвращают перемещения, обеспечивая соответствующее расположение проводника 174 в трубе 176. Центрирующие элементы 184 выполнены из керамического материала или смеси керамических и металлических материалов. Центрирующие элементы 184 предотвращают деформацию проводника 174 в трубе 176. Центрирующие элементы 184 соприкасаются или пространственно разнесены вдоль проводника 174 с интервалами приблизительно между 0,1 м (метра) и 3 м или больше.
Второй участок 178 проводника 174 с низким сопротивлением может соединять проводник 174 с устьем скважины 146. Электрический ток можно подавать в проводник 174 по силовому кабелю 186 через участок 178 проводника 174 с низким сопротивлением. Электрический ток из проводника 174 проходит через скользящий соединитель 188 в трубу 176. Труба 176 может быть электрически изолирована от обсадной трубы 190, проходящей через покрывающий слой и от устья 112 скважины, чтобы электрический ток возвращался в силовой кабель 186. Тепло может выделяться в проводнике 174 и трубе 176. Генерированное тепло может излучаться в трубе 176 и отверстии 18 для нагревания, по меньшей мере, части углеводородного пласта 182.
Обсадная труба 190, проходящая через покрывающий слой, может быть расположена в покрывающем слое 192. В некоторых вариантах исполнения обсадная труба 190, проходящая через покрывающий слой, окружена материалами (например, усиливающим материалом и/или цементом), которые предотвращают нагрев покрывающего слоя 192. Участок 178 проводника 174 с низким сопротивлением может
размещаться в обсадной трубе 190, проходящей через покрывающий слой. Участок 178 проводника 174 с низким сопротивлением выполнен, например, из углеродистой стали. Участок 178 проводника 174 с низким сопротивлением может быть расположен в центре обсадной трубы 190, проходящей через покрывающий слой, с помощью центрирующих элементов 184. Центрирующие элементы 184 пространственно разнесены вдоль участка 178 проводника 174 с низким сопротивлением с интервалами приблизительно от 6 м до 12 м или, например, приблизительно 9 м вдоль участка 178 проводника 174 с низким сопротивлением. В варианте нагревателя участок 178 проводника 174 с низким сопротивлением соединяется с проводником 174 с помощью одного или нескольких сварных швов. В других вариантах исполнения нагревателя участок с низким сопротивлением переплетается и сваривается или иным образом соединяется с проводником. Участок с низким сопротивлением 178 выделяет мало тепла (или не выделяет тепла) в обсадной трубе 190, проходящей через покрывающий слой. Между обсадной трубой 190, проходящей через покрывающий слой, и отверстием 180 может быть помещена набивка 194. Эта набивка 194 может быть использована в качестве заглушки в месте соединения покрывающего слоя 192 и углеводородного слоя 182, обеспечивая заполнение материалом кольцевого зазора между обсадной трубой 190, проходящей через покрывающий слой, и отверстием 180. В некоторых вариантах исполнения набивка 194 предотвращает вытекание флюида из отверстия 180 на поверхность 196.
В определенных вариантах воплощения композиционный электрический проводник может быть использован в качестве проводника в нагревателе с изолированным проводником. На фиг. 26А и на фиг. 26В изображен вариант нагревателя с изолированным проводником. Изолированный проводник 200 включает в себя сердцевину 168 и внутренний проводник 144. Сердцевина 168 и внутренний проводник 144 представляют собой композиционный электрический проводник. Сердцевина 168 и внутренний проводник 144 расположены внутри изолятора 146. Сердцевина 168, внутренний проводник 144 и изолятор 146 расположены внутри внешнего проводника 148. Изолятор 146 представляет собой нитрид кремния, нитрид бора, оксид магния или другой подходящий электрический изолятор. Внешним проводником 148 является медный, стальной или любой другой электрический проводник.
В некоторых вариантах исполнения рубашка 154 расположена снаружи внешнего проводника 148, как показано на фиг. 27А и на фиг. 27В. В некоторых вариантах исполнения рубашка 154 сделана из нержавеющей стали 304, и внешним проводником 148 является медь. Рубашка 154 обеспечивает защиту от коррозии для изолированного
проводника нагревателя. В некоторых вариантах исполнения рубашка 154 и внешний проводник 148 представляют собой предварительно сформованные ленты, которые намотаны поверх изолятора 146, образуя изолированный проводник 200,
В определенных вариантах воплощения изолированный проводник 200 расположен в трубе, которая обеспечивает защиту (например, от коррозии и разрушения) для изолированного проводника. На фиг. 28 изолированный проводник 200 расположен внутри трубы 176 с зазором 202, отделяющим изолированный проводник от трубы.
Для ограниченного по температуре нагревателя, в котором ферромагнитный проводник обеспечивает большую часть выходной тепловой резистивной мощности ниже температуры Кюри, большая часть электрического тока проходит через материал (ферромагнитный материал), который обладает сильно нелинейной зависимостью магнитного поля (Н) от магнитной индукции (В). Эти нелинейные зависимости могут вызвать сильные индуктивные эффекты и искажения, которые приводят к снижению коэффициента мощности для ограниченного по температуре нагревателя ниже температуры Кюри. Эти эффекты могут затруднить регулирование ограниченного по температуре нагревателя и могут привести к дополнительному току через поверхность и/или проводники источника питания в покрывающем слое. Могут быть использованы дорогие и/или затруднительные для исполнения системы регулирования, такие как переменные конденсаторы или модулированные источники питания, с целью компенсации этих эффектов и регулирования ограниченных по температуре нагревателей, где большая часть выходной тепловой резистивной мощности обеспечивается за счет прохождения электрического тока через ферромагнитный материал.
В определенных вариантах ограниченного по температуре нагревателя ферромагнитный проводник при температуре ниже или вблизи температуры Кюри ферромагнитного проводника ограничивает протекание большей части электрического тока по внешнему электрическому проводнику (например, оболочке, рубашке, опорному элементу, коррозионно стойкому материалу или другим элементам электрического сопротивления), который связан с ферромагнитным проводником. В некоторых вариантах воплощения ферромагнитный проводник ограничивает протекание большей части электрического тока по другому электрическому проводнику (например, внутреннему проводнику или промежуточному проводнику (электрическому проводнику между слоями). Ферромагнитный проводник расположен в поперечном сечении ограниченного по температуре нагревателя так, чтобы магнитные свойства ферромагнитного проводника ниже или вблизи температуры Кюри этого проводника ограничивали протекание большей части электрического тока по внешнему электрическому проводнику. Большая часть
электрического тока удерживается во внешнем электрическом проводнике из-за скин-эффекта ферромагнитного проводника. Таким образом, в большей части рабочего диапазона нагревателя большая часть тока проходит через материал, обладающий, по существу, линейными характеристиками сопротивления (например, внешний электрический проводник). Ферромагнитный проводник теряет ферромагнитные свойства выше температуры Кюри, таким образом существенно ослабляются или исчезают индуктивные эффекты и/или искажения. Ферромагнитный проводник и внешний электрический проводник расположены в поперечном сечении ограниченного по температуре нагревателя, так что скин-эффект ферромагнитного материала ограничивает глубину проникновения электрического тока во внешний электрический проводник и ферромагнитный проводник при температурах ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника. Таким образом, внешний электрический проводник обеспечивает большую часть выходной тепловой резистивной мощности ограниченного по температуре нагревателя вплоть до температуры, равной или приближающейся к температуре Кюри ферромагнитного проводника.
Поскольку ниже температуры Кюри большая часть тока проходит через внешний электрический проводник, ограниченный по температуре нагреватель имеет такой температурный профиль сопротивления, который, по меньшей мере, частично отражает температурный профиль сопротивления материала во внешнем электрическом проводнике. Таким образом, температурный профиль сопротивления для ограниченного по температуре нагревателя является, по существу, линейным ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника, если материал внешнего электрического проводника имеет линейный профиль зависимости сопротивления от температуры. В определенных вариантах материал внешнего электрического проводника выбирают таким образом, чтобы ограниченный по температуре нагреватель имел желаемый температурный профиль сопротивления ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника.
Когда температура ограниченного по температуре нагревателя приблизится или превысит температуру Кюри ферромагнитного проводника, ослабление магнитных свойств ферромагнитного проводника обеспечивает протекание электрического тока через большую часть электропроводящего сечения ограниченного по температуре нагревателя. Таким образом, снижается электрическое сопротивление ограниченного по температуре нагревателя, и автоматически обеспечивается снижение выходной тепловой мощности этого нагревателя при температуре, вблизи или равной температуре Кюри ферромагнитного проводника. В определенных вариантах воплощения элемент с высокой электропроводностью (например, внутренний проводник, сердцевина или другой
проводящий элемент, например, медь или алюминий) соединяется с ферромагнитным проводником и внешним электрическим проводником, чтобы снизить электрическое сопротивление ограниченного по температуре нагревателя при температуре, равной или выше температуры Кюри ферромагнитного проводника.
Ферромагнитный проводник, который удерживает большую часть электрического тока во внешнем электрическом проводнике при температурах, ниже температуры Кюри, может иметь относительно небольшое сечение по сравнению с ферромагнитным проводником в ограниченном по температуре нагревателе, в котором ферромагнитный проводник используется для обеспечения большей части выходной тепловой резистивной мощности вплоть до или вблизи температуры Кюри. Ограниченный по температуре нагреватель, в котором используется внешний проводник для обеспечения большей части выходной тепловой резистивной мощности ниже температуры Кюри, имеет низкую магнитную индуктивность при температурах ниже температуры Кюри, поскольку через ферромагнитный проводник протекает меньший ток по сравнению с ограниченным по температуре нагревателем, в котором с помощью ферромагнитного материала обеспечивается большая часть выходной тепловой резистивной мощности ниже температуры Кюри. Магнитное поле (Н) на радиусе (г) пропорционально величине тока (I), проходящего через ферромагнитный проводник и сердцевину, поделенной на радиус (г) ферромагнитного проводника:
Н ~ 1/г (3)
Поскольку только часть тока проходит через ферромагнитный проводник ограниченного по температуре нагревателя, в котором используется внешний проводник для обеспечения большей части выходной тепловой резистивной мощности ниже температуры Кюри, магнитное поле ограниченного по температуре нагревателя может быть существенно меньше, чем магнитное поле ограниченного по температуре нагревателя, в котором большая часть тока проходит через ферромагнитный проводник. При меньшем магнитном поле относительная магнитная проницаемость (ц) может быть больше.
Глубина скин-слоя (8) ферромагнитного проводника обратно пропорциональна квадратному корню из относительной магнитной проницаемости (ц):
8~(1/ц)0,5 (4)
Увеличение относительной магнитной проницаемости уменьшает глубину скин-слоя ферромагнитного проводника. Однако, поскольку только часть тока проходит через ферромагнитный проводник при температуре ниже температуры Кюри, радиус (или толщина) ферромагнитного проводника может быть снижен для ферромагнитных
материалов с большой относительной магнитной проницаемостью, чтобы компенсировать уменьшение глубины скин-слоя, хотя все еще реализуется скин-эффект для ограничения глубины проникновения электрического тока во внешний проводник при температурах ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника. Радиус (толщина) ферромагнитного проводника может составлять от 0,3 мм до 8 мм, между 0,3 мм и 2 мм, или между 2 мм и 4 мм в зависимости от относительной магнитной проницаемости ферромагнитного проводника. Увеличение относительной магнитной проницаемости ферромагнитного проводника обеспечивает более высокое отношение "диапазона изменения" и более резкое снижение электрического сопротивления для ограниченного по температуре нагревателя при температуре, равной или вблизи температуры Кюри ферромагнитного проводника.
Для ферромагнитных материалов (такие как железо, железо-кобальтовые сплавы или углеродистая сталь с малым содержанием примесей) с высокой относительной магнитной проницаемостью (например, по меньшей мере, 200, по меньшей мере, 1000, по меньшей мере, 104 или, по меньшей мере, 105) и/или с высокой температурой Кюри (например, по меньшей мере, 600°С, по меньшей мере, 700°С или, по меньшей мере, 800°С) наблюдается пониженная коррозионная стойкость и/или пониженная механическая прочность при высоких температурах. Внешний электрический проводник может обеспечить коррозионную стойкость и/или высокую механическую прочность ограниченного по температуре нагревателя при высоких температурах.
Удерживание большей части электрического тока во внешнем электрическом проводнике ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника снижает колебания коэффициента мощности. Поскольку только часть электрического тока проходит через ферромагнитный проводник ниже температуры Кюри, нелинейные ферромагнитные характеристики ферромагнитного проводника оказывают слабое влияние (или оно отсутствует) на коэффициент мощности ограниченного по температуре нагревателя, за исключением области температуры Кюри или вблизи нее. Даже в области температуры Кюри или вблизи нее влияние на коэффициент мощности ослабляется по сравнению с влиянием на ограниченный по температуре нагреватель, в котором ферромагнитный проводник обеспечивает большую часть выходной тепловой резистивной мощности ниже температуры Кюри. Таким образом, имеется меньшая потребность или она отсутствует во внешней компенсации (например, переменные конденсаторы или модз'ляторы формы колебаний) с целью регулирования изменений индуктивной нагрузки для ограниченного по температуре нагревателя и поддержания относительно высокого коэффициента мощности.
В определенных вариантах воплощения в ходе эксплуатации ограниченного по температуре нагревателя, в котором удерживается большая часть электрического тока во внешнем электрическом проводнике при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника, поддерживается коэффициент мощности выше 0,85, выше 0,9 или выше 0,95. Любое снижение коэффициента мощности происходит только в участках ограниченного по температуре нагревателя при температуре вблизи температуры Кюри. Большая часть участков ограниченного по температуре нагревателя в ходе эксплуатации обычно не находятся при температуре Кюри или вблизи нее, и в этих участках коэффициент мощности имеет высокое значение, близкое к 1,0. Таким образом, коэффициент мощности всего ограниченного по температуре нагревателя в ходе эксплуатации поддерживается выше 0,85, выше 0,9 или выше 0,95, даже если в некоторых участках этого нагревателя значение коэффициента мощности ниже 0,85.
Элемент с высокой электрической проводимостью, или внутренний проводник, повышает отношение "диапазона изменения" для ограниченного по температуре нагревателя.
В определенных вариантах воплощения увеличивается толщина элемента с высокой электрической проводимостью, чтобы повысить отношение "диапазона изменения" для ограниченного по температуре нагревателя. В некоторых вариантах внешний диаметр внешнего электрического проводника снижается для того, чтобы повысить отношение "диапазона изменения" для ограниченного по температуре нагревателя. В определенных вариантах отношение "диапазона изменения" для ограниченного по температуре нагревателя составляет от 2 до 10, между 3 и 8 или между 4 и 6 (например, отношение "диапазона изменения" составляет, по меньшей мере, 2, по меньшей мере, 3 или, по меньшей мере, 4).
На фиг. 29 представлен вариант исполнения ограниченного по температуре нагревателя, в котором опорный элемент обеспечивает большую часть выходной тепловой мощности ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника. Сердцевина 168 представляет собой внутренний проводник ограниченного по температуре нагревателя. В определенных вариантах сердцевина 168 выполнена из материала с высокой электрической проводимостью, такого как медь или алюминий. Ферромагнитный проводник 166 представляет собой тонкий слой ферромагнитного материала между опорным элементом 172 и сердцевиной 168. В определенных вариантах ферромагнитный проводник 166 выполнен из железа или сплава железа. В некоторых вариантах ферромагнитный проводник 166 включает в себя ферромагнитный материал с высокой относительной магнитной проницаемостью. Например, ферромагнитный проводник 166
может быть из очищенного железа, такого как брусок железа Армко (фирма Armco, Бразилия). Железо с некоторым количеством примесей обычно имеет относительную магнитную проницаемость порядка 400. Очистка железа путем отжига в газообразном водороде (Н2) при 1450°С повышает относительную магнитную проницаемость железа до величины порядка 105. Увеличение относительной магнитной проницаемости ферромагнитного проводника 166 позволяет снизить толщину ферромагнитного проводника. Например, толщина проводника из неочищенного железа может быть приблизительно 4,5 мм, в то время как толщина проводника из очищенного железа составляет приблизительно 0,76 мм.
В определенных вариантах воплощения опорный элемент 172 обеспечивает опору для ферромагнитного проводника 166 и ограниченного по температуре нагревателя. Опорный элемент 172 может быть выполнен из материала, который обеспечивает хорошую механическую прочность ферромагнитного проводника 166 при температурах вблизи температуры Кюри или выше. В определенных вариантах опорный элемент 172 является коррозионно стойким элементом. Опорный элемент 172 может обеспечивать опору для ферромагнитного проводника 166, а также обеспечивать коррозионную стойкость. Опорный элемент 172 выполнен из материала, который обеспечивает выходную тепловую резистивную мощность при температурах вплоть до температуры Кюри ферромагнитного проводника 166 и/или выше температуры Кюри.
В одном варианте опорный элемент 172 сделан из нержавеющей стали 347Н. В некоторых вариантах опорный элемент 172 представляет собой другой электропроводящий материал с хорошей механической прочностью и коррозионной стойкостью. Например, опорный элемент 172 может быть выполнен из нержавеющей стали 304Н, 316Н или 347НН, сплавов NF709, Incoloy(r) 800Н (Inco Alloy International, Himtington, West Virginia), сплава Haynes(r) HR120(r) или сплава Incone(r) 617. В некоторых вариантах исполнения опорный элемент 172 включает в себя различные сплавы в частях ограниченного по температуре нагревателя. Например, нижняя часть опорного элемента 172 может быть выполнена из нержавеющей стали 347Н, а верхняя часть опорного элемента - из сплава NF709. В определенных вариантах в различных частях опорного элемента использованы различные сплавы, чтобы увеличить механическую прочность опорного элемента при сохранении желаемых термических характеристик ограниченного по температуре нагревателя.
В варианте исполнения, представленном на фиг. 29, ферромагнитный проводник 166, опорный элемент 172 и сердцевина 168 имеют такие размеры, чтобы скин-слой ферромагнитного проводника ограничивал глубину проникновения большей части
электрического тока в опорный элемент при температурах ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника. Таким образом, опорный элемент 172 обеспечивает большую часть выходной тепловой резистивной мощности ограниченного по температуре нагревателя до температуры, равной или вблизи температуры Кюри ферромагнитного проводника 166. В определенных вариантах представленный на фиг. 29 ограниченный по температуре нагреватель меньше (например, внешний диаметр равен 3 см, 2,9 см, 2,5 см или меньше), чем другие ограниченные по температуре нагреватели, в которых не используется опорный элемент 172 с целью обеспечения большей части выходной тепловой резистивной мощности. Ограниченный по температуре нагреватель, представленный на фиг. 29, может быть меньше, поскольку ферромагнитный проводник 166 тоньше по сравнению с размером ферромагнитного проводника, который необходим для ограниченного по температуре нагревателя, в котором большая часть выходной тепловой резистивной мощности обеспечивается ферромагнитным проводником.
В некоторых вариантах опорный элемент и коррозионно стойкий элемент являются различными элементами ограниченного по температуре нагревателя. На фиг. 30 и 31 изображены варианты ограниченного по температуре нагревателя, в котором рубашка обеспечивает большую часть выходной тепловой мощности ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника. Рубашка 154 является коррозионно стойким элементом. Рубашка 154, ферромагнитный проводник 166, опорный элемент 172 и сердцевина 168 (на фиг. 30) или внутренний проводник 144 (на фиг. 31) выполнены такого размера, чтобы скин-слой ферромагнитного проводника ограничивал глубину проникновения большей части электрического тока толщиной рубашки. В определенных вариантах рубашка 154 выполнена из коррозионно стойкого материала, который обеспечивает большую часть выходной тепловой мощности ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника 166. Например, рубашка 154 выполнена из нержавеющей стали 825, нержавеющей стали 446 или нержавеющей стали 347Н. В некоторых вариантах исполнения рубашка 154 имеет небольшую толщину (например, порядка 0,5 мм).
На фиг. 30 сердцевина 168 выполнена из материала с высокой электрической проводимостью, такого как медь или алюминий. Опорный элемент 172 сделан из нержавеющей стали 347Н или другого материала с хорошей механической прочностью при температуре Кюри ферромагнитного проводника 166 или вблизи нее.
На фиг. 31 опорный элемент 172 представляет собой сердцевину ограниченного по температуре нагревателя и сделан из нержавеющей стали 347Н или другого материала с хорошей механической прочностью при температуре Кюри ферромагнитного проводника 166 или вблизи нее. Внутренний проводник 144 выполнен из материала с высокой
электрической проводимостью, такого как медь или алюминий.
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 зоне вблизи ствола скважины). Изменение ферромагнитных материалов в ограниченном по температуре нагревателе позволяет 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. 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. Медная сердцевина может обеспечить высокое отношение "диапазона изменения".
Для ограниченных по температуре нагревателей, которые включают в себя медную сердцевину или плакированную медь, медь может быть защищена слоем, относительно стойким к диффузии, таким как слой никеля. В некоторых вариантах исполнения композиционный внутренний проводник включает в себя плакированное железо поверх плакированного никеля, 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.
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 помещен внутрь отдельной оболочки. Соединение между проводниками может быть выполнено внизу нагревателя внутри участка соединения. Эти 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 все 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 и 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.
В некоторых вариантах исполнения трехфазный нагреватель имеет три опоры, которые расположены в отдельных стволах скважины. Опоры могут быть соединены в общем контактном участке (например, в центральном стволе скважины, соединительном стволе скважины или в контактном участке, заполненном раствором).
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 проводником используется в качестве нагревателя/эксплуатационной скважины или эксплуатационной скважины. В пласт через полый внутренний проводник могут быть введены флюиды, такие как водяной пар.
Примеры
Ниже приведены не ограничивающие примеры ограниченных по температуре нагревателей и свойства ограниченных по температуре нагревателей.
Элемент ограниченного по температуре нагревателя длиной 6 футов (182,9 см) поместили в корпус из нержавеющей стали 347Н длиной 6 футов (182,9 см). Нагревательный элемент соединили с корпусом в последовательной конфигурации. Нагревательный элемент и корпус поместили в печь. Печь использовали с целью повышения температуры нагревательного элемента и корпуса. При различных температурах через нагревательный элемент пропускали электрический ток различной
величины, который возвращался через корпус. По данным измерений при пропускании тока определяли сопротивление нагревательного элемента и коэффициент мощности нагревательного элемента.
На фиг. 32 показана зависимость найденного экспериментально электрического сопротивления от температуры при различных значениях электрического тока для ограниченного по температуре нагревателя с медной сердцевиной, ферромагнитным проводником из углеродистой стали и опорным элементом из нержавеющей стали 347Н. Ферромагнитный проводник выполнен из малоуглеродистой стали с температурой Кюри 770''С. Ферромагнитный проводник помещен (в виде сэндвича) между медной сердцевиной и опорным элементом из нержавеющей стали 347Н. Медная сердцевина имеет диаметр 0,5 дюйма (1,27 см). Ферромагнитный проводник имеет внешний диаметр 0,765 дюйма (1,94 см). Опорный элемент имеет внешний диаметр 1,05 дюйма (2,67 см). Корпус сделан из нержавеющей стали 3" Schedule 160 347Н.
Данные 204 показывают зависимость сопротивления от температуры при значении переменного тока (60 Гц) 300 А. Данные 206 показывают зависимость сопротивления от температуры при значении переменного тока (60 Гц) 400 А. Данные 208 показывают зависимость сопротивления от температуры при значении переменного тока (60 Гц) 500 А. На кривой 210 показана зависимость сопротивления от температуры при значениях постоянного тока 10 А. Из зависимости сопротивления от температуры видно, что для ограниченного по температуре нагревателя сопротивление переменному току увеличивается до температуры, близкой к температуре Кюри ферромагнитного проводника. Вблизи температуры Кюри сопротивление переменному току резко снижается и выше температуры Кюри становится равным сопротивлению постоянному току. Линейная температурная зависимость сопротивления переменному току ниже температуры Кюри, по меньшей мере, частично соответствует линейной зависимости сопротивления переменному току для стали 347Н при этих температурах. Таким образом, линейная зависимость сопротивления переменному току ниже температуры Кюри указывает, что большая часть тока проходит через опорный элемент 347Н при этих температурах.
На фиг. 33 показана зависимость найденного экспериментально электрического сопротивления от температуры при различных значениях электрического тока для ограниченного по температуре нагревателя с медной сердцевиной, ферромагнитным проводником из кобальт-углеродистой стали и опорным элементом из нержавеющей стали 347Н. Ферромагнитный проводник выполнен из углеродистой стали, содержащей 6% масс, кобальта, имеющей температуру Кюри 843 "С. Ферромагнитный проводник
помещен (в виде сэндвича) между медной сердцевиной и опорным элементом из стали 347Н. Медная сердцевина имеет диаметр 0,465 дюйма (1,18 см). Ферромагнитный проводник имеет внешний диаметр 0,765 дюйма (1,94 см). Опорный элемент имеет внешний диаметр 1,05 дюйма (2,67 см). Корпус сделан из нержавеющей стали 3" Schedule 160 347Н.
Данные 212 показывают зависимость сопротивления от температуры при значении переменного тока (60 Гц) 100 А. Данные 214 показывают зависимость сопротивления от температуры при значении переменного тока (60 Гц) 400 А. На кривой 216 показана зависимость сопротивления от температуры при значениях постоянного тока 10 А. Сопротивление переменному току для этого ограниченного по температуре нагревателя снижается при более высокой температуре, чем для рассмотренного ранее ограниченного по температуре нагревателя. Это вызвано добавкой кобальта, который повышает температуру Кюри ферромагнитного проводника. Сопротивление переменному току является по существу таким же, что и сопротивление трубки из нержавеющей стали 347Н, имеющей размеры опорного элемента. Это указывает на то, что большая часть тока проходит через опорный элемент 347Н при этих температурах. Характер температурной зависимости сопротивления на фиг. 33, в основном, имеет такой же вид, что и на фиг. 32.
На фиг. 34 показана зависимость измеренного экспериментально коэффициента мощности от температуры при двух величинах переменного тока для ограниченного по температуре нагревателя с медной сердцевиной, ферромагнитным проводником из кобальт-углеродистой стали и опорным элементом из нержавеющей стали 347Н. На кривой 218 показана зависимость коэффициента мощности от температуры при переменном токе 100 А (60 Гц). На кривой 220 показана зависимость коэффициента мощности от температуры при переменном токе 400 А (60 Гц). Значение коэффициента мощности близко к единице (1), за исключением области вблизи температуры Кюри. В области около температуры Кюри нелинейные магнитные характеристики и протекание большей части тока через ферромагнитный проводник порождают индуктивные эффекты и искажения в нагревателе, и коэффициент мощности снижается. Как видно из фиг. 34, минимальное значение коэффициента мощности для этого нагревателя остается выше 0,85 при всех температурах в этом эксперименте. Поскольку только часть ограниченного по температуре нагревателя, применяемого для нагревания подземного пласта, может находиться при температуре Кюри в какой-либо заданный момент времени и коэффициент мощности для этих частей не опускается ниже 0,85, во время эксплуатации, значение коэффициента мощности для всего ограниченного по температуре нагревателя будет оставаться выше 0,85 (например, выше 0,9 или выше 0,95).
По данным экспериментов для ограниченного по температуре нагревателя с медной сердцевиной, ферромагнитным проводником из кобальт-углеродистой стали и опорным элементом из нержавеющей стали 347Н рассчитаны значения отношения "диапазона изменения" в зависимости от максимальной мощности, выделяемой ограниченным по температуре нагревателем. Результаты этих расчетов приведены на фиг. 35. Кривая на фиг. 35 показывает, что значение отношения "диапазона изменения" остается выше 2 для мощности нагревателя приблизительно вплоть до 2000 Вт/м. Эта кривая используется для определения возможности нагревателя эффективно выделять тепловую мощность, поддерживаемую на определенном уровне. Ограниченный по температуре нагреватель с зависимостью типа кривая на фиг. 35 может обеспечивать достаточную тепловую мощность при сохранении характеристики ограничения по температуре, которая предотвращает перегрев или неправильную работу нагревателя.
На фиг. 36 показана зависимость температуры (°С) от времени (часы) для ограниченного по температуре нагревателя. Ограниченный по температуре нагреватель имеет длину 1,83 м и 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 нагревательную печь. Через нагреватель, находящийся в печи, пропускали переменный ток. Величина тока возрастала в течение двух часов и достигала значения 400 А, которое оставалось относительно постоянным в течение остального времени. Температуру трубки из нержавеющей стали измеряли в трех точках с интервалами 0,46 м вдоль длины нагревателя. На кривой 240 показана температура трубки в точке 0,46 м внутри печи и в ближайшей входной части нагревателя. На кривой 242 показана температура трубки в точке 0,46 м от конца трубки и в наиболее удаленной точке от входной части нагревателя. На кривой 244 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. Изоляция использовалась 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 240, 242 и 244. Из кривых 240, 242 и 244 видно, 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 не превышается заданное значение температуры при наличии участка с низкой теплопроводностью.
На фиг. 37 показаны зависимости температуры (°С) от логарифма времени (часы) для твердого 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 со временем. На кривой 246 показаны данные для термоэлемента, расположенного на внешней поверхности стержня из нержавеющей стали 304 и под слоем изоляции. На кривой 248 показаны данные для термоэлемента, расположенного на внешней поверхности стержня из нержавеющей стали 304 без слоя изоляции. На кривой 250 показаны данные для термоэлемента, расположенного на внешней поверхности стержня из нержавеющей стали 410 и под слоем изоляции. На кривой 252 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 246 и 248) возрастает быстрее, чем температура прутка из нержавеющей стали 410 (кривые 250 и 252). Температура стержня из нержавеющей стали 304 (кривые 246 и 248) достигает также более высокого значения, чем температура стержня из нержавеющей стали 410 (кривые 250 и 252). Разность температур между неизолированной частью стержня из нержавеющей стали 410 (на кривой 252) и изолированной частью стержня из нержавеющей стали 410 (на кривой 250) меньше, чем разность температур между неизолированной частью стержня из нержавеющей стали 304 (на кривой 248) и изолированной частью стержня из нержавеющей стали 304 (на кривой 246). Температура стержня из нержавеющей стали 304 возрастает при завершении эксперимента (кривые 246 и 248), в то время как температура стержня из нержавеющей стали 410 становится постоянной (кривые 250 и 252). Таким образом, стержень из нержавеющей стали 410 (ограниченный по температуре нагреватель) обеспечивает улучшенное регулирование температуры, 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 для нагревателей 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 с богатым профилем нефтяного сланца;
диаметр ствола скважин 16,5 см (6,5 дюйм) при расстоянии между стволами скважин в треугольной конфигурации, равном 9,14 м;
время линейного нарастания мощности до 820 Вт/м от начальной скорости подвода тепла составляет 200 часов;
режим работы на постоянном токе после линейного роста;
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 254-276 изображены температурные профили в пласте в различные моменты времени в диапазоне от 8 суток после начала нагревания до 675 суток после начала нагревания (кривая 254 - 8 суток, 256 - 50 суток, 258 - 91 суток, 260 - 133 суток, 262 - 216 суток, 264 -300 суток, 266 - 383 суток, 268 - 466 суток, 270 - 550 суток, 272 - 591 суток, 274 - 633 суток, 276 - 675 суток). При отношении "диапазона изменения", равном 2:1, значение температуры Кюри 720,6°С было превышено 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 278). На кривых 280-312 показаны профили теплового потока в различные моменты времени от 8 суток после начала нагревания до 633 суток после начала нагревания (кривая 280 - 8 суток, 282 - 50 суток, 284
- 91 суток, 286 - 133 суток, 288 - 175 суток, 290 - 216 суток, 292 - 258 суток, 294 - 300 суток, 296 - 341 суток, 298 - 383 суток, 300 - 425 суток, 302 - 466 суток, 304 - 508 суток, 306 - 550 суток, 308 - 591 суток, 310 - 633 суток, 312 - 675 суток). При отношении "диапазона изменения" 2:1 температура центрального проводника превысила 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 314-336 изображены температурные профили в пласта в различные моменты времени в диапазоне от 12 суток после начала нагревания до 703 суток после начала нагревания (кривая 314 - 12 суток, 316
- 33 суток, 318-62 суток, 320 - 102 суток, 322 - 146 суток, 324 - 205 суток, 326 - 271 суток,
328 - 354 суток, 330 - 467 суток, 332 - 605 суток, 334 - 662 суток, 336 - 703 суток). При отношении "диапазона изменения" 3:1 температура Кюри была достигнута 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 338). На кривых 340-360 показаны профили теплового потока в различные моменты времени от 12 суток после начала нагревания до 605 суток после начала нагревания (кривая 340 - 12 суток, 342 - 32 суток, 344 - 62 суток, 346 - 102 суток, 348 - 146 суток, 350 - 205 суток, 352 - 271 суток, 354 - 354 суток, 356 - 467 суток, 358 - 605 суток, 360 - 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 362-382 изображены температурные профили в пласте в различные моменты времени в диапазоне от 12 суток после начала нагревания до 467 суток после начала нагревания (кривая 362 - 12 суток, 364 - 33 суток, 366 - 62 суток, 368 - 102 суток, 370 - 147 суток, 372 - 205 суток, 374 - 272 суток, 376 - 354 суток, 378 - 467 суток, 380 - 606 суток, 382 - 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 была установлена равной 820 Вт/м до достижения температуры 760°С, затем мощность снижалась, чтобы предотвратить перегрев. На кривой 384 показана температура проводника для стандартных нагревателей типа проводник в трубе. Из кривой 384 видно, что появляются большие различия температуры проводника и значительное число участков местного перегрева по длине проводника. Температура проводника имеет минимальное значение 490°С. На кривой 386 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 больший подвод 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 388 показан тепловой поток для стандартных нагревателей типа "проводник в трубе". На кривой 390 показан тепловой поток для ограниченных по температуре нагревателей типа проводник в трубе. Как показано на фиг. 44, тепловой поток для ограниченных по температуре нагревателей поддерживался на более высоком уровне в течение более 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 392 показано суммарное подведенное тепло для стандартных нагревателей типа проводник в трубе. На кривой 394 показано суммарное подведенное тепло для ограниченных по температуре нагревателей типа проводник в трубе. Как видно из 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 замысла и объема изобретения, которое описано в следующей ниже формуле изобретения. Кроме того, следует понимать, что в определенных вариантах воплощения могут сочетаться признаки, описанные здесь как независимые.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Нагреватель, содержащий: ферромагнитный элемент;
электрический проводник, электрически соединенный с ферромагнитным элементом, при этом электрический проводник выполнен так, чтобы выделять выходную тепловую мощность при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного элемента, причем электрический проводник выполнен так, чтобы пропускать большую часть электрического тока нагревателя при 25°С; и
при этом нагреватель автоматически выделяет пониженную тепловую мощность при температуре, приблизительно равной или выше температуры Кюри ферромагнитного элемента.
2. Нагреватель по п. 1, в котором ферромагнитный элемент и электрический проводник электрически соединены так, чтобы коэффициент мощности нагревателя сохранялся выше 0,85, выше 0,9 или выше 0,95 во время использования нагревателя.
3. Нагреватель по п.п. 1 или 2, в котором нагреватель содержит дополнительно второй электрический проводник, электрически соединенный с ферромагнитным элементом.
4. Нагреватель по п. 3, в котором второй электрический проводник является электрическим проводником с большей электропроводностью, чем ферромагнитный элемент и электрический проводник, и/или второй электрический проводник обеспечивает механическую прочность для того, чтобы поддерживать ферромагнитный элемент при температуре, равной или близи температуры Кюри ферромагнитного элемента.
5. Нагреватель по любому из п.п. 1 - 4, в котором электрический проводник и ферромагнитный элемент расположены концентрически.
6. Нагреватель по любому из п.п. 1 - 5, в котором электрический проводник, по меньшей мере, частично окружает ферромагнитный элемент.
7. Нагреватель по любому из п.п. 1 - 6, в котором нагреватель имеет отношение "диапазона изменения", по меньшей мере, 1,1, по меньшей мере, 2, по меньшей мере, 3 или, по меньшей мере, 4, где отношение "диапазона изменения" означает отношение наибольшего сопротивления переменному току или модулированному постоянному току, при температуре ниже температуры Кюри, к наименьшему сопротивлению переменному току или модулированному постоянному току, при температуре выше температуры Кюри.
8. Нагреватель по любому из п.п. 1 - 7, в котором ферромагнитный элемент
электрически соединен с электрическим проводником так, что магнитное поле, создаваемое ферромагнитным элементом, удерживает большую часть электрического тока в электрическом проводнике при температурах ниже температуры Кюри ферромагнитного элемента.
9. Нагреватель по любому из п.п. 1 - 8, в котором электрический проводник обеспечивает большую часть выходной тепловой мощности нагревателя при 25°С.
10. Нагреватель по любому из п.п. 1-9, который обеспечивает при подаче электрического тока в нагреватель: (а) выделение первой выходной тепловой мощности, когда температура нагревателя выше 100°С, выше 200°С, выше 400°С или выше 500°С, или выше 600°С и ниже заданной температуры, и (Ь) выделение второй выходной тепловой мощности, меньшей чем первая выходная тепловая мощность, когда температура нагревателя равна или выше температуры Кюри ферромагнитного элемента.
11. Нагреватель по любому из п.п. 1 - 10, в котором электрический проводник обеспечивает механическую прочность для того, чтобы поддерживать ферромагнитный элемент при температуре, равной или вблизи температуры Кюри ферромагнитного элемента.
12. Нагреватель по любому из п.п. 1 - 11, в котором электрический проводник представляет собой коррозионно стойкий материал.
13. Нагреватель по любому из п.п. 1 - 12, в котором нагреватель обеспечивает повышение рабочей температуры не больше чем на 1,5°С при температуре выше или вблизи заданной рабочей температуры, когда тепловая нагрузка вблизи нагревателя снижается на 1 Вт/м.
14. Нагреватель по любому из п.п. 1 - 13, в котором нагреватель выделяет пониженное количество тепла при температуре приблизительно вблизи или выше заданной температуры, причем пониженное количество тепла составляет, по большей мере, 10% или меньше от выходной тепловой мощности при температуре на 50°С ниже заданной температуры.
15. Нагреватель по любому из п.п. 1 -14, в котором нагреватель имеет длину, по меньшей мере, 100 м, по меньшей мере, 300 м, по меньшей мере, 500 м или, по меньшей мере, 1 км.
16. Нагреватель по любому из п.п. 1 - 15, в котором нагреватель скомпонован таким образом, чтобы размещаться в отверстии в подземном пласте.
17. Нагреватель по любому из п.п. 1 - 15, в котором нагреватель применяется в системе для подачи тепла в подземный пласт.
18. Нагреватель по любому из п.п. 1 - 15, в котором нагреватель применяется в
способе нагревания подземного пласта, причем способ включает в себя:
подачу электрического тока в нагреватель для получения выходной тепловой мощности, и
обеспечение возможности перехода тепла от нагревателя в часть подземного пласта.
FIG. 7
FIG. 8
140
140
FIG. 14
152 - |^ЛУ> > > > ^^> > > > ^У> У> > > > > > УУУ> > > > ^^
FIG. 13
FIG. 15
FIG. 16A
148
Vf/M//?^ -144
168
FIG. MA
ГИГ* 4 ~
FIG. 19A
FIG. 21 FIG. 22 FIG. 23 FIG. 24
WO 2005/106196
PCT/US2005/013923
FIG. 28
FIG. 30
WO 2005/106196
PCT/US2005/013923
12/23
i i
208
f Ж±Ш--206
210 -N
260 538 815 1093
FIG. 32
FIG. 33
WO 2005/106196
PCTYUS2005/013923
о о
40 9\
244
242
hrs
FIG. 36
N5 СО > а о н
ь> о о
ы о о
FIG. 41
FIG. 43