Предложена система нагрева пласта. Система включает в себя первый удлиненный нагреватель (246) в первой скважине в пласте. Первый удлиненный нагреватель включает в себя секцию с открытым металлом на участке в первой скважине. Этот участок расположен ниже нагреваемого слоя пласта (240). Секция с открытым металлом не защищена от пласта. Второй удлиненный нагреватель помещен во второй скважине в пласте. Вторая скважина соединяется с первой скважиной на участке первой скважины ниже нагреваемого слоя или рядом с ним. По меньшей мере, участок секции с открытым металлом второго удлиненного нагревателя электрически соединен, по меньшей мере, с участком секции с открытым металлом первого удлиненного нагревателя на участке первой скважины ниже нагреваемого слоя.

[0001] Система нагрева пласта, содержащая

[0002] Система по п.1, в которой по меньшей мере один из удлиненных нагревателей (232, 234) имеет длину по меньшей мере приблизительно 30 м.

[0003] Система по любому из пп.1-2, дополнительно содержащая третий удлиненный нагреватель (236) в третьей скважине (238) в пласте, причем третья скважина (238) соединяется с первой скважиной (238) в месте расположения участка первой скважины, ниже нагреваемого слоя (240) или рядом с ним, причем третий удлиненный нагреватель (236) имеет, по меньшей мере, участок секции с открытым металлом, электрически соединенный, по меньшей мере, с участком секции с открытым металлом первого удлиненного нагревателя (232).

[0004] Система по любому из пп.1-3, в которой секция с открытым металлом первого удлиненного нагревателя (232) расположена по меньшей мере приблизительно на 3 м ниже нагреваемого слоя (240) пласта.

[0005] Система по любому из пп.1-4, в которой электрическое соединение (246) между первым удлиненным нагревателем (232) и вторым удлиненным нагревателем (234) сформировано ниже исходного уровня стоячей воды в первой скважине (238).

[0006] Система по любому из пп.1-5, в которой секция с открытым металлом первого удлиненного нагревателя (232) расположена в зоне, которая нагревается меньше, чем нагреваемый слой (240).

[0007] Система по любому из пп.1-6, в которой по меньшей мере один из удлиненных нагревателей содержит нагреватель (232, 234, 236) с ограничением температуры, причем нагреватель с ограничением температуры содержит ферромагнитный проводник и выполнен с возможностью обеспечения электрического сопротивления, когда изменяющийся во времени ток подают в нагреватель с ограничением температуры и нагреватель находится при температуре ниже выбранной температуры, а, когда ферромагнитный проводник находится при выбранной температуре или выше нее, нагреватель с ограничением температуры автоматически уменьшает электрическое сопротивление.

[0008] Система по п.1, в которой электрическое соединение (246) содержит контейнер (262), содержащий материал (274) электрического соединения, точка плавления которого ниже точки кипения воды на глубине контейнера (262).

[0009] Система по любому из пп.1-8, в которой электрическое соединение (246) содержит контейнер (262), содержащий материал (274) электрического соединения и инициатор, соединенный с контейнером (262), причем инициатор выполнен с возможностью плавить материал (274) электрического соединения.

[0010] Система по п.9, в которой инициатор включает в себя нагревательный элемент (264), который плавит материал (274) электрического соединения.

[0011] Система по любому из пп.1-10, в которой материал (274) электрического соединения включает в себя химическую смесь (276), которая химически реагирует после ее инициирования, и в результате химической реакции смеси образуется металл.

[0012] Система по п.11, дополнительно содержащая воспламенитель (278) для инициирования реакции химической смеси.

[0013] Система по любому из пп.1-12, в которой материал (274) электрического соединения содержит припой.

[0014] Система по п.1, в которой электрическое соединение (246) содержит взрывчатый элемент и инициатор, соединенный с взрывчатым элементом, причем инициатор выполнен с возможностью инициирования взрыва взрывчатого элемента.

[0015] Система по п.14, в которой электрическое соединение (246) содержит контейнер (262) и взрывчатый элемент, причем контейнер (262) выполнен с возможностью содержания взрывчатого элемента так, что контейнер (262) ограничивает взрыв взрывчатого элемента.

[0016] Способ соединения нагревателей (232, 234) в системе по любому из пп.1-15, содержащий этапы, на которых

[0017] Способ по п.16, в котором этап (а) дополнительно включает в себя расплавление материала (274) электрического соединения при температуре ниже точки кипения воды на глубине контейнера (262).

[0018] Способ по любому из пп.16-17, в котором этап (а) дополнительно включает в себя вытеснение воды, находящейся в контейнере (262), путем плавления материала (274) электрического соединения.

[0019] Способ по любому из пп.16-18, в котором этап (а) дополнительно включает в себя использование инициатора для плавления материала (274) электрического соединения.

[0020] Способ по любому из пп.16-19, в котором этап (а) дополнительно включает в себя использование нагревательного элемента (264) для плавления материала (274) электрического соединения.

[0021] Способ по любому из пп.16-20, в котором этап (а) дополнительно включает в себя инициирование химической реакции химической смеси для получения материала (274) электрического соединения.

[0022] Способ по любому из пп.16-21, характеризующийся тем, что включает в себя этапы (а) и (б), а секцию с открытым металлом второго удлиненного нагревателя (234) соединяют с секцией с открытым металлом первого удлиненного нагревателя (232) путем размещения конца секции с открытым металлом второго удлиненного нагревателя (234) в отверстие в контейнере (262), соединенном с секцией с открытым металлом первого удлиненного нагревателя; и подрыва одного или более взрывчатых элементов, соединенных с контейнером (262), для создания электрического соединения между первым удлиненным нагревателем (232) и вторым удлиненным нагревателем (234).

[0023] Способ по любому из пп.16-22, в котором секцию с открытым металлом первого удлиненного нагревателя (232) соединяют с секцией с открытым металлом второго удлиненного нагревателя (234) ниже уровня воды в пласте электрически и/или металлически.

[0024] Способ по любому из пп.16-23, в котором дополнительно подают тепло, по меньшей мере, в углеводородсодержащий слой (240) пласта.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в общем, относится к способам и системам нагрева и добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных пластов, таких как пласты, содержащие углеводороды. Варианты выполнения относятся к системам и способам соединения подземных участков нагревателей.

Уровень техники

Углеводороды, добываемые из подземных пластов, часто используют в качестве источников энергии, сырья и потребительской продукции. Беспокойства, связанные с истощением располагаемых ресурсов углеводородов и снижением качества добываемых углеводородов в целом, обуславливают разработку способов более эффективного извлечения, обработки и/или использования имеющихся в распоряжении источников углеводородов. Внутрипластовые процессы могут быть использованы для извлечения углеводородных материалов из пластов подземных месторождений. Может возникнуть необходимость в изменении химических и/или физических свойств углеводородного материала в пласте таким образом, чтобы этот углеводородный материал можно было легче извлечь из подземного пласта. Изменения химических и физических свойств могут включать в себя проводимые в пласте реакции, в результате которых получаются извлекаемые флюиды, а также происходят изменения состава, изменения растворимости, изменения плотности, фазовые изменения и/или изменения вязкости углеводородного материала, находящегося в пласте. Флюидом может быть, в частности, газ, жидкость, эмульсия, суспензия и/или поток твердых частиц, которые имеют текучесть, сходную с текучестью жидкости.

Нагреватели для нагревания пласта при осуществлении внутрипластового процесса могут быть размещены в стволах скважин. Примеры внутрипластовых процессов с использованием нагревателей, размещенных в стволе скважины, раскрыты в патентных документах US 2634961 (Ljungstrom), US 2732195 (Ljungstrom), US 2780450 (Ljungstrom), US 2789805 (Ljungstrom), US 2923535 (Ljungstrom) и US 4886118 (Van Meurs et al.).

В патентных документах US 2923535 (Ljungstrom) и US 4886118 (Van Meurs et al.) описано применение нагрева пластов нефтяных сланцев. Нагревание может быть применено к пласту нефтяного сланца с целью осуществления в этом пласте процесса пиролиза керогена. Нагревание также может создать разрыв в пласте для повышения его проницаемости. Повышенная проницаемость может позволить пластовому флюиду перемещаться к эксплуатационной скважине, где этот пластовый флюид извлекается из пласта. В некоторых способах, описанных, например, Ljungstrom для инициирования процесса сжигания в проницаемый пласт, вводят газообразную среду, содержащую кислород, предпочтительно ещё горячую, из ступени предварительного нагрева.

Для нагревания пласта может быть использован источник тепла. При этом для нагревания пласта посредством излучения и/или теплопроводности могут быть использованы электрические нагреватели. Электрический нагреватель может содержать резистивный нагревательный элемент. В патентном документе US 2548360 (Germain) описан электрический нагревательный элемент, размещенный в вязкой нефти в стволе скважины. Этот нагревательный элемент нагревает и разжижает нефть так, чтобы её можно было откачивать из ствола скважины. В документе US 4716960 (Eastlund) описана насосно-компрессорная колонна нефтяной скважины, электрически нагреваемая путем пропускания тока с относительно низким напряжением через насосно-компрессорную колонну для предотвращения образования твердой фазы. В документе US 5065818 (Van Egmond) описан электрический нагревательный элемент, который зацементирован в стволе скважины без обсадной колонны, окружающей нагревательный элемент.

В документе US 6023554 (Vinegar et al.) описан электрический нагревательный элемент, который размещен в обсадной колонне. Этот нагревательный элемент генерирует излучаемую энергию, которая нагревает обсадную колонну. Между указанной обсадной колонной и пластом может быть размещен наполнитель из твердого гранулированного материала. Обсадная колонна посредством теплопроводности может нагревать наполнитель, который, в свою очередь, за счет теплопроводности нагревает пласт.

В некоторых пластах может быть более предпочтительно осуществлять электрическое соединение нагревателей, установленных в разных скважинах, ниже поверхности пласта. Например, нагреватели могут быть соединены в пластах так, чтобы передавать ток внутрь скважины через первый нагреватель, в то время как второй нагреватель действует как обратная цепь для тока. В некоторых случаях три нагревателя могут быть электрически соединены в пласте, благодаря чему нагреватели могут работать в трехфазной конфигурации. Таким образом, необходимо разработать надежные системы и способы электрического соединения нагревателей в пластах.

Сущность изобретения

Описанные варианты выполнения, в общем, относятся к системам, способам и нагревателям, предназначенным для обработки пласта. Описанные варианты выполнения также, в общем, относятся к нагревателям, которые содержат новые компоненты. Такие нагреватели могут быть получены с использованием описанных систем и способов.

В некоторых вариантах выполнения изобретение представляет систему, предназначенную для нагрева пласта, содержащую первый удлиненный нагреватель в первой скважине в пласте, при этом первый удлиненный нагреватель включает в себя секцию открытого металла на участке первой скважины, причем этот участок расположен ниже нагреваемого слоя пласта, а секция открытого металла не защищена от пласта; второй удлиненный нагреватель во второй скважине в пласте, при этом вторая скважина соединена с первой скважиной на участке первой скважины или рядом с ним ниже нагреваемого слоя; причем, по меньшей мере, участок секции открытого металла второго удлиненного нагревателя электрически соединен, по меньшей мере, с участком секции открытого металла первого удлиненного нагревателя на участке первой скважины ниже нагреваемого слоя.

В некоторых вариантах выполнения изобретение касается одной или больше систем, способов и/или нагревателей. В некоторых вариантах выполнения системы, способы и/или нагреватели используются для обработки пласта.

В других вариантах выполнения признаки конкретных вариантов выполнения могут быть скомбинированы с признаками других вариантов выполнения. Например, признаки одного варианта выполнения могут быть скомбинированы с признаками любого из других вариантов выполнения.

В дополнительных вариантах выполнения обработка пласта выполняется с использованием любого из описанных способов, систем или нагревателей.

В дополнительных вариантах выполнения дополнительные признаки могут быть добавлены к конкретным описанным вариантам выполнения.

Краткое описание чертежей

Преимущества настоящего изобретения могут быть очевидными для специалистов в данной области техники с извлечением полезной информации из нижеследующего подробного описания и ссылок на сопровождающие чертежи.

Фиг. 1 - иллюстрация стадий нагревания пласта, содержащего углеводороды.

Фиг. 2 - схематическое изображение части системы для внутрипластовой конверсии, предназначенной для обработки пласта, содержащего углеводороды.

Фиг. 3, 4 и 5 - вариант осуществления нагревателя с ограничением температуры, выполненного с внешним электрическим проводником, имеющим участок из ферромагнитного материала и участок из неферромагнитного материала, виды в продольном и поперечном разрезах.

Фиг. 6А и 6В - вариант осуществления нагревателя с ограничением температуры, виды в продольном и поперечном разрезах.

Фиг. 7 - вариант осуществления нагревателя с ограничением температуры, в котором несущий элемент обеспечивает большую часть отводимой теплоты при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника.

Фиг. 8 и 9 - вариант осуществления нагревателей с ограничением температуры, в которых оболочка нагревателя обеспечивает большую часть тепловой выходной мощности при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника.

Фиг. 10 - вариант выполнения нагревателей с ограничением температуры, соединенных вместе в трехфазной конфигурации.

Фиг. 11 - вариант выполнения двух нагревателей с ограничением температуры, соединенных вместе в одной контактной секции.

Фиг. 12 - вариант выполнения из двух нагревателей с ограничением температуры с ответвлениями, соединенными в контактной секции.

Фиг. 13 - вариант выполнения двух нагревателей с ограничением температуры с ответвлениями, соединенными в контактной секции с контактным раствором.

Фиг. 14 - вариант выполнения двух нагревателей с ограничением температуры с ответвлениями, соединенными без контактора в контактной секции.

Фиг. 15 - вариант выполнения из трех нагревателей, соединенных в виде трехфазной конфигурации.

Фиг. 16 и 17 - варианты выполнения соединения контактных элементов трех ответвлений нагревателя.

Фиг. 18 - вариант выполнения контейнера с инициатором для плавления соединительного материала.

Фиг. 19 - вариант выполнения контейнера, предназначенного для соединения контактных элементов с шарообразными выступами на контактных элементах.

Фиг. 20 - альтернативный вариант выполнения контейнера.

Фиг. 21 - альтернативный вариант выполнения соединительных контактных элементов трех ответвлений нагревателя.

Фиг. 22 - вид сбоку варианта выполнения соединения контактных элементов с использованием нагревательных элементов с ограничением температуры.

Фиг. 23 - вид сбоку альтернативного варианта выполнения соединения контактных элементов с использованием нагревательных элементов с ограничением температуры.

Фиг. 24 - вид сбоку другого альтернативного варианта выполнения соединения контактных элементов с использованием нагревательных элементов с ограничением температуры.

Фиг. 25 - вид сбоку альтернативного варианта выполнения соединения контактных элементов трех ответвлений нагревателя.

Фиг. 26 - вид сверху альтернативного варианта выполнения соединения контактных элементов трех ответвлений нагревателей, показанных на фиг. 25.

Фиг. 27 - вариант выполнения контактного элемента со щеточным контактором.

Фиг. 28 - вариант выполнения соединения контактных элементов со щеточными контакторами.

Хотя изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы выполнения, его конкретные варианты осуществления показаны в качестве примера на чертежах, выполненных не в масштабе, и могут быть описаны здесь подробно. Следует, однако, понимать, что чертежи и подробное описание не имеют своей целью ограничить изобретение конкретной формой варианта осуществления, раскрытой в описании, напротив, изобретение предполагает охватывание всех модификаций, эквивалентов и альтернатив, находящихся в пределах сущности и объема настоящего изобретения, которые определяются приложенными пунктами формулы изобретения.

Подробное описание изобретения

Нижеследующее описание в основном относится к системам и способам обработки углеводородов в пластах. Такие пласты могут быть обработаны с целью добычи углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.

"Углеводороды" обычно определяют как молекулы, образованные, главным образом, атомами углерода и водорода. Кроме того, углеводороды могут включать в себя и другие химические элементы, такие как галогены, металлы, азот, кислород и/или сера (указанными элементами перечень не ограничен). Углеводородами могут быть (не в качестве ограничения) кероген, битум, пиробитум, нефти, природные минеральные парафины и асфальтиты. Углеводороды могут располагаться в земле в минеральной матрице или вблизи нее. Матрицы могут представлять собой (не в качестве ограничения) осадочные горные породы, песок, силициты, карбонаты, диатомиты и другие пористые среды. "Углеводородные флюиды" - флюиды, содержащие углеводороды. Углеводородные флюиды могут включать, переносить или переноситься в неуглеводородных флюидах, таких как водород, азот, окись углерода, двуокись углерода, сульфид водорода, вода и аммиак.

"Пласт" включает в себя один или большее количество слоев, содержащих углеводороды, один или несколько неуглеводородных слоев, покрывающий слой и/или подстилающий слой. "Покрывающий слой" и/или "подстилающий слой" включают в себя один или более видов непроницаемых материалов. Например, покрывающий слой и/или подстилающий слой могут включать скальную породу, сланцевую глину, агриллит или влажный/плотный карбонат. В некоторых вариантах осуществления внутрипластовых процессов конверсии покрывающий слой и/или подстилающий слой могут включать слой, содержащий углеводороды, или слои, содержащие углеводороды, которые являются относительно непроницаемыми и не подвержены воздействию температур при процессе конверсии в пласте, что приводит к значительным изменениям свойств слоев, содержащих углеводороды, в покрывающем и/или подстилающем слое. Например, подстилающий слой может содержать сланцевую глину или агриллит, но подстилающий слой не допускается до нагрева до температур пиролиза во время проведения процесса конверсии в пласте. В ряде случаев покрывающий слой и/или подстилающий слой могут быть, в некоторой степени, проницаемыми.

"Нагреватель" представляет собой любую систему или источник тепла, предназначенный для выделения теплоты в скважине или вблизи зоны нахождения ствола скважины. Нагревателями могут служить (не в качестве ограничения изобретения) электрические нагреватели, горелки, камеры сгорания и/или их комбинации, которые взаимодействуют с материалом, содержащимся в пласте или извлеченном из пласта.

Понятие "внутрипластовый процесс конверсии" относится к процессу нагревания пласта, содержащего углеводороды, с помощью источников тепла с целью подъема температуры по меньшей мере части пласта выше температуры пиролиза, в результате чего в пласте получают пиролизный флюид.

Понятие "изолированный проводник" относится к любому протяженному материалу, который способен проводить электрический ток и который покрыт сверху целиком или частично электроизоляционным материалом.

Протяженный элемент может быть оголенным металлическим нагревателем или неизолированным металлическим нагревателем. Понятия "оголенный металл" и "неизолированный металл" относится к металлам, которые на снабжены слоем электрической изоляции, например минеральной изоляцией, которая предназначена для обеспечения электрической изоляции металла во всем рабочем интервале температур указанного протяженного элемента. Понятия "оголенный металл" и "неизолированный металл" могут распространяться на металл, который содержит ингибитор коррозии, например оксидный слой, образованный естественным путем, специально нанесенный оксидный слой и/или пленка. "Оголенный металл" и "неизолированный металл" включают в себя металлы с электрической изоляцией из полимера или с изоляцией другого типа, которая не может сохранять электроизоляционные свойств при типичных рабочих температурах протяженного элемента. Такой изоляционный материал может быть размещен на металле, и под действием высокой температуры его свойства могут ухудшаться в процессе использования нагревателя.

Понятие "нагреватель с ограничением температуры", как правило, относится к нагревателю, который регулирует тепловую мощность (например, уменьшает величину тепловой мощности) при температурах, превышающих заданную, без использования внешнего регулирования, осуществляемого, например, с помощью регуляторов температуры, регуляторов мощности, выпрямителей или других устройств. Нагревателями с ограничением температуры могут служить резистивные электрические нагреватели, которые питаются энергией переменного тока (AC) или модулированного (например, прерывистого) постоянного тока (DC).

"Температура Кюри" представляет собой такую температуру, выше которой ферромагнитный материал теряет все свои ферромагнитные свойства. Помимо потери всех своих ферромагнитных свойств при температуре выше температуры Кюри ферромагнитный материал начинает терять свои ферромагнитные свойства в случае пропускании через него повышенного электрического тока.

Понятие "изменяющийся во времени ток" относится к электрическом току, который производит в ферромагнитном проводнике электрический скин-эффект и имеет величину, изменяющуюся во времени.

Понятие «переменный ток (АС) » относится к изменяющемуся во времени току, направление которого на обратное изменяется, по существу, синусоидально. При протекании AC в ферромагнитном проводнике возникает скин-эффект.

Понятие "модулированный постоянный ток" (Dd) относится к любому, по существу, не синусоидальному, изменяющемуся во времени току, который создает в ферромагнитном проводнике электрический скин-эффект.

"Показатель диапазона изменения" нагревателей с ограничением температуры представляет собой отношение наибольшего сопротивления переменному току или модулированному постоянному току при температуре ниже температуры Кюри к наименьшему сопротивлению при температуре выше температуры Кюри для заданного тока.

В контексте нагревательных систем, устройств и способов с уменьшенной тепловой мощностью термин "автоматически" означает, что такие системы, устройства и способы работают определенным образом без использования внешнего регулирования (например, внешних регуляторов, таких как регулятор с датчиком температуры и контуром обратной связи, ПИД-регулятор или регулятор с упреждением).

Термин "ствол скважины" относится к отверстию в пласте, образованному путем бурения или внедрения в пласт трубы. Ствол скважины может иметь, по существу, круговое поперечное сечение или поперечное сечение другой формы. Используемые здесь термины "скважина" и "отверстие", когда они относятся к образованному в пласте отверстию, могут быть использованы взаимозаменяемым образом с термином "ствол скважины".

Термин "триада" относится к группе из трех элементов (например, нагревателей, стволов скважин или других объектов), соединенных друг с другом.

Углеводороды, содержащиеся в пластах, можно обрабатывать различными путями в целях получения большого количества различных продуктов. В определенных вариантах осуществления содержащиеся в пластах углеводороды обрабатывают постадийно. На фиг. 1 отображены стадии нагревания пласта, содержащего углеводороды. Фиг. 1 иллюстрирует также пример добычи ("Y") из пласта эквивалента нефти в баррелях на тонну (ось у) пластовых флюидов в зависимости от температуры ("T") нагретого пласта в градусах Цельсия (ось х).

На стадии 1 нагревания происходит десорбция метана и испарение воды. Нагревание пласта на стадии 1 может осуществляться очень быстро. Например, при начальном нагревании пласта, содержащего углеводороды, углеводороды в пласте десорбируют адсорбированный метан. Десорбированный метан может добываться из пласта. При дальнейшем нагревании пласта происходит испарение воды, содержащейся в углеводородсодержащем пласте. В некоторых пластах, содержащих углеводороды, на долю воды может приходиться от 10 до 50% объема пор, имеющихся в пласте. Обычно находящаяся в пласте вода испаряется при температуре от 160 до 285 °C и абсолютном давлении в интервале от 600 до 7000 кПа. В некоторых вариантах осуществления испаренная вода способствует изменению смачиваемости в пласте и/или повышает пластовое давление. Эти изменения смачиваемости и/или повышенное давление могут инициировать в пласте реакции пиролиза или другие реакции. В определенных вариантах осуществления из пласта добывают испаренную воду. В других вариантах осуществления испаренную воду используют для проведения паровой экстракции и/или паровой дистилляции в самом пласте или вне пласта. Удаление воды из объема пор и увеличение этого объема в пласте приводит к увеличению пространства для содержания углеводородов в объеме пор.

В определенных вариантах осуществления после стадии 1 нагревания производят дальнейшее нагревание пласта так, что пластовая температура достигает (по меньшей мере) температуры начала пиролиза (температуры в нижнем конце температурного интервала, показанного как стадия 2). Углеводороды, находящиеся в пласте, могут быть пиролизованы в продолжение стадии 2. Интервал температур процесса пиролиза изменяется в зависимости от видов углеводородов, содержащихся в пласте. При этом интервал температур пиролиза может включать температуры от 250 до 900 °C. Для производства желательных продуктов интервал температур пиролиза может включать только некоторую часть всего интервала температур пиролиза. В некоторых вариантах осуществления интервал температур пиролиза для получения желательных продуктов может включать температуры от 250 до 400 °C или температуры от 270 до 350 °C. Если температура углеводородов в пласте медленно повышается в пределах интервала температур от 250 до 400 °C, производство продуктов пиролиза может быть, по существу, завершено при достижении температуры 400 °C. Для получения желательных продуктов среднюю температуру углеводородов в интервале температур пиролиза можно повышать со скоростью менее 5 °C в день, менее чем 2 °C в день, менее 1 °С в день или менее 0,5 °C в день. В результате прогрева пласта, содержащего углеводороды, с помощью большого количества источников тепла вокруг этих источников тепла могут создаваться температурные градиенты, за счет которых температура углеводородов в пласте медленно повышается, находясь в пределах интервала температур пиролиза.

Скорость повышения температуры в интервале температур пиролиза для желательных продуктов может оказывать влияние на качество и количество пластовых флюидов, получаемых из углеводородсодержащего пласта. За счет медленного подъема температуры в пределах интервала температур пиролиза желательных продуктов можно сдерживать подвижность в пласте молекул с большими цепями. Медленно повышая температуру в пределах интервала температур пиролиза желательных продуктов, можно ограничивать реакции между подвижными углеводородами, которые производят нежелательные продукты. Медленный подъем температуры в пределах интервала температур пиролиза желательных продуктов позволяет добывать из пласта продукты высокого качества с высокой плотностью в градусах Американского нефтяного института. Кроме того, медленный подъем температуры в пределах интервала температур пиролиза желательных продуктов позволяет извлекать в качестве углеводородного продукта большое количество находящихся в пласте углеводородов.

В некоторых вариантах осуществления внутрипластовой конверсии часть пласта нагревают до желательной температуры вместо медленного повышения температуры в некотором интервале температур от его начала до конца. В некоторых вариантах осуществления желательная температура составляет 300, 325 или 350 °C. В качестве желательных могут быть выбраны и другие температуры. Суперпозиция теплоты, получаемой пластом от источников тепла, позволяет относительно быстро и эффективно установить желательную пластовую температуру. Подвод энергии в пласт от источников тепла можно регулировать для поддержания пластовой температуры в основном на уровне желательной температуры. Нагретую часть пласта поддерживают, по существу, при желательной температуре до тех пор, пока интенсивность процесса пиролиза не уменьшится до такой степени, что добыча желательных пластовых флюидов из пласта станет экономически не выгодной. Части пласта, которые подвергаются пиролизу, могут включать в себя зоны, нагретые до температур, находящихся в пределах интервала температур пиролиза, за счет передачи теплоты только от одного источника тепла.

В определенных вариантах осуществления из пласта добывают пластовые флюиды, включающие в себя пиролизные флюиды. По мере увеличения температуры пласта количество конденсируемых углеводородов, содержащихся в добываемых пластовых флюидах, может уменьшаться. При высоких температурах пласт может производить, главным образом, метан и/или водород. Если углеводородсодержащий пласт нагревают с прохождением всего интервала температур пиролиза, при приближении к верхнему пределу интервала температур пиролиза пласт может выделять лишь небольшое количество водорода. В конце концов, доступный водород истощается, при этом, как правило, количество получаемых из пласта флюидов будет минимальным.

По окончании процесса пиролиза углеводородов в пласте ещё может находиться большое количество углерода и некоторое количество водорода. Значительная часть углерода, остающегося в пласте, может быть добыта из пласта в виде синтез-газа. Образование синтез-газа может происходить на стадии 3 нагревания, отображенной на фиг. 1. Стадия 3 может включать нагревание пласта, содержащего углеводороды, до температуры, достаточной для образования синтез-газа. Например, синтез-газ может быть получен в интервалах температур от 400 до 1200 °C, от 500 до 1100 °C или от 550 до 1000 °C. При этом состав синтез-газа, произведенного в пласте, определяется температурой нагреваемой части пласта при вводе в пласт текучей среды, необходимой для образования синтез-газа. Образовавшийся синтез-газ может быть излечен из пласта через эксплуатационную скважину или эксплуатационные скважины.

Общее энергосодержание флюидов, добываемых из углеводородсодержащего пласта, может оставаться относительно постоянным в течение всего процесса пиролиза и генерирования синтез-газа. В процессе пиролиза при относительно низких температурах пласта значительная часть полученных флюидов может представлять собой конденсируемые углеводороды, которые имеют высокое энергосодержание. Однако при более высоких температурах пиролиза пластовые флюиды могут содержать меньше углеводородов. Из пласта может быть извлечено больше неконденсируемых углеводородов. При этом во время образования преимущественно неконденсируемых пластовых флюидов энергосодержание на единицу объема полученных флюидов может слегка уменьшиться. В процессе генерирования синтез-газа энергосодержание полученного синтез-газа на единицу объема значительно снижается по сравнению с энергосодержанием пиролизного флюида. Однако объем произведенного синтез-газа во многих случаях будет значительно увеличиваться.

На фиг. 2 схематически представлен вариант осуществления части системы для проведения внутрипластовой конверсии, предназначенной для обработки пласта, содержащего углеводороды. Указанная система для проведения внутрипластовой конверсии включает в себя барьерные скважины 200. Эти барьерные скважины 200 используют для образования барьера вокруг зоны обработки. Барьер препятствует прохождению потока флюидов в зону и/или из зоны обработки. Барьерные скважины включают в себя (но не в качестве ограничения) водопонижающие скважины, скважины для вакуумирования, скважины для улавливания, нагнетательные скважины, скважины для цементирования, скважины для замораживания или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления барьерные скважины 200 представляют собой водопонижающие скважины. Водопонижающие скважины могут обеспечивать удаление жидкой фазы воды и/или предотвращение поступления жидкой фазы воды в некоторую часть нагреваемого пласта или к нагреваемому пласту. В варианте осуществления, представленном на фиг. 2, барьерные скважины 200 показаны проходящими только с одной стороны от источников 202 тепла, но обычно барьерные скважины окружают все используемые источники 202 тепла или те, которые предполагается использовать для прогрева зоны обработки пласта.

Источники 202 тепла размещают по меньшей мере в части пласта. Эти источники 202 тепла могут включать в себя нагреватели, например изолированные нагреватели, нагреватели типа "проводник в трубе", поверхностные камеры сгорания, беспламенные распределенные камеры сгорания и/или распределенные естественные камеры сгорания. Источниками 202 тепла могут быть и другие типы нагревателей. Источники 202 тепла обеспечивают подвод теплоты по меньшей мере к части пласта для нагревания содержащихся в пласте углеводородов. Энергию к источникам 202 тепла можно подводить с помощью подводящих линий 204. Подводящие линии 204 могут конструктивно отличаться друг от друга в зависимости от типа источника тепла или источников тепла, используемых для нагревания пласта. Подводящие линии 204 для источников тепла могут передавать электрическую энергию электрическим нагревателям, могут транспортировать топливо для камер сгорания или могут транспортировать теплоноситель, который циркулирует в пласте.

Для извлечения пластовых флюидов из пласта используют эксплуатационные скважины 206. В некоторых вариантах осуществления эксплуатационные скважины 206 могут быть снабжены одним или большим количеством источников тепла. Источник тепла, размещенный в эксплуатационной скважине, может нагревать одну или более чем одну часть пласта вблизи эксплуатационной скважины или может осуществлять нагревание в самой эксплуатационной скважине. Источник тепла, размещенный в эксплуатационной скважине, может предотвращать конденсацию и отток пластового флюида, подлежащего извлечению из пласта.

Добываемый пластовый флюид можно транспортировать из эксплуатационной скважины 206 по коллекторному трубопроводу 208 к оборудованию 210 для его обработки. Кроме того, пластовые флюиды могут добываться из самого источника 202 тепла. Например, флюид может добываться из источников 202 тепла для регулирования давления в пласте вблизи места расположения источников тепла. Флюид, добытый из источников тепла 202, может быть транспортирован через насосно-компрессорную колонну или систему трубопроводов в коллекторный трубопровод 208, или же полученный флюид может быть транспортирован через насосно-компрессорную колонну или систему трубопроводов непосредственно в оборудование 210 для обработки. Указанное оборудование 210 для обработки может включать сепараторы, реакционные аппараты, аппараты для повышения качества добытого продукта, топливные элементы, турбины, ёмкости для хранения и/или другие системы и аппараты для обработки добываемых пластовых флюидов. Оборудование для обработки может производить транспортное топливо по меньшей мере из части углеводородов, добытых из пласта.

Нагреватели с ограничением температуры могут иметь такое конструктивное выполнение и/или могут включать в себя такие материалы, которые при определенных температурах автоматически придают нагревателю свойства, ограничивающие температуру. В определенных вариантах осуществления в конструкции нагревателей с ограничением температуры используют ферромагнитные материалы. Ферромагнитные материалы при приложении к ним изменяемого во времени электрического тока могут самопроизвольно ограничивать температуру при температуре Кюри или вблизи температуры Кюри материала для получения уменьшенного количества теплоты при температуре Кюри или вблизи этой температуры. В определенных вариантах осуществления ферромагнитный материал при заданной температуре, которая приблизительно соответствует температуре Кюри, ограничивает температуру нагревателя с ограничением температуры. В определенных вариантах осуществления заданная температура отличается от температуры Кюри в пределах 35, в пределах 25, 20 или 10 °C. В определенных вариантах осуществления ферромагнитные материалы соединяют с другими материалами (например, с материалами, имеющими высокую электропроводность, с высокопрочными материалами, с коррозионно-стойкими материалами или комбинациями этих материалов) для того, чтобы получить различные электрические и/или механические свойства. Некоторые участки нагревателя с ограничением температуры могут иметь более низкое сопротивление (обусловленное различной геометрией и/или за счет использования различных ферромагнитных и/или неферромагнитных материалов) по сравнению с сопротивлением других участков нагревателя. Наличие в нагревателе с ограничением температуры участков из различных материалов и/или с различными размерами позволяет получить желательную тепловую мощность от каждого участка нагревателя.

Нагреватели с ограничением температуры могут быть более надежными, чем другие нагреватели. Нагреватели с ограничением температуры могут быть менее подвержены разрушению или повреждению вследствие наличия участков перегрева в пласте. В некоторых вариантах осуществления нагреватели с ограничением температуры обеспечивают, по существу, равномерный прогрев пласта. В некоторых вариантах осуществления нагреватели с ограничением температуры способны нагревать пласт более эффективно за счет работы при более высокой средней тепловой мощности по всей длине нагревателя. Нагреватели с ограничением температуры работают при более высокой средней тепловой мощности по всей длине нагревателя, поскольку электрическая мощность, подводимая к нагревателю, не должна уменьшаться для всего нагревателя, как это происходит в типичных нагревателях постоянной мощности, если температура в какой-либо точке нагревателя превышает или должна превысить максимальную рабочую температуру нагревателя. Тепловая мощность, отводимая от участков нагревателя с ограничением температуры, с приближением к температуре Кюри нагревателя автоматически уменьшается без управляемого изменения изменяющегося во времени электрического тока, подаваемого в нагреватель. Тепловая мощность автоматически уменьшается вследствие изменения электрических свойств (например, электрического сопротивления) участков нагревателя с ограничением температуры. Поэтому к нагревателю с ограничением температуры в течение большей части процесса нагревания подводится большая мощность.

В определенных вариантах осуществления система, содержащая нагреватели с ограничением температуры, первоначально обеспечивает первую тепловую мощность и затем обеспечивает уменьшенную тепловую мощность (вторую тепловую мощность) электрически резистивного участка нагревателя вблизи температуры Кюри, при этой температуре или выше неё, когда нагреватель с ограничением температуры запитывается изменяющимся во времени током. Первая тепловая мощность представляет собой тепловую мощность при температурах ниже температуры, при которой нагреватель с ограничением температуры начинает функционировать с самоограничением. В некоторых вариантах осуществления первая тепловая мощность соответствует температуре, которая на 50, 75, 100 или 125 °С ниже температуры Кюри ферромагнитного материала в нагревателе с ограничением температуры.

Нагреватель с ограничением температуры может запитываться энергией изменяющегося во времени тока (переменный ток или модулированный постоянный ток), подводимого в ствол скважины. Ствол скважины может содержать источник энергии и другие комплектующие (например, модулирующие элементы, трансформаторы и/или конденсаторы), используемые при подводе электрической энергии к нагревателю с ограничением температуры. При этом для нагревания некоторой части пласта может быть использован один или большое количество нагревателей с ограничением температуры.

В определенных вариантах осуществления нагреватель с ограничением температуры содержит электрический проводник, который при подводе к нему изменяющегося во времени тока работает как нагреватель со скин-эффектом или близким к нему эффектом. Указанный скин-эффект ограничивает глубину проникновения тока во внутренний объем проводника. Для ферромагнитных материалов скин-эффект преобладает благодаря магнитной проницаемости проводника. Относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов, как правило, находится в интервале от 10 до 1000 (например, относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов, как правило, равна по меньшей мере 10 и может быть равной по меньшей мере 50, 100, 500, 1000 или больше). Если температура ферромагнитного материала повышается до температуры выше температуры Кюри и/или если увеличивается приложенный электрический ток, магнитная проницаемость ферромагнитного материала существенным образом уменьшается, и глубина скин-слоя быстро увеличивается (например, глубина скин-слоя увеличивается обратно пропорционально корню квадратному из магнитной проницаемости). Уменьшение магнитной проницаемости приводит к уменьшению электрического сопротивления проводника переменному току или модулированному постоянному току при температуре, равной, превышающей или находящейся вблизи температуры Кюри и/или при увеличении подводимого электрического тока. В том случае, когда нагреватель с ограничением температуры питается энергией от источника, по существу, постоянного тока, участки нагревателя, температура которых приближается к температуре Кюри или достигает, или превышает эту температуру, могут иметь пониженное рассеивание теплоты. На тех участках нагревателя с ограничением температуры, которые не достигли или не приблизились к температуре Кюри, может преобладать нагревание за счет скин-эффекта, что обеспечивает в нагревателе высокое рассеивание теплоты благодаря более высокой активной нагрузке.

Преимущество использования нагревателя с ограничением температуры для нагревания углеводородов в пласте заключается в том, что проводник выбирается таким, чтобы его температура Кюри находилась в желательном диапазоне рабочих температур. Функционирование нагревателя в пределах диапазона желательных рабочих температур позволяет осуществлять ввод в пласт значительного количества теплоты при поддержании температуры нагревателя с ограничением температуры и другого оборудования ниже расчетной предельной величины температуры. Расчетными предельными температурами являются температуры, при которых неблагоприятным образом проявляются такие свойства, как коррозия, ползучесть и/или деформация. Свойства ограничения температуры, присущие нагревателю с ограничением температуры, позволяют предотвратить перегрев или перегорание нагревателя вблизи мест перегрева в пласте, имеющих низкую теплопроводность. В некоторых вариантах осуществления нагреватель с ограничением температуры способен понижать или управлять тепловой мощностью и/или выдерживать нагревание при температурах выше 25, 37, 100, 250, 500, 700, 800, 900 °C или при более высоких температурах вплоть до 1131 °C в зависимости от используемых в нагревателе материалов.

Нагреватель с ограничением температуры позволяет подводить в пласт большее количество теплоты, чем нагреватели постоянной мощности, поскольку для нагревателя с ограничением температуры отсутствует необходимость ограничения подвода энергии, связанного с наличием зон с низкой теплопроводностью, прилегающих к этому нагревателю. Например, в нефтяном сланце на Грин-Ривер существует различие по меньшей мере в три раза между теплопроводностью самых низких и самых верхних слоев богатых нефтяных сланцев. При нагревании такого пласта с помощью нагревателя с ограничением температуры пласту передается существенно больше теплоты, чем при использовании известного нагревателя, тепловая мощность которого ограничена температурой, которую имеют слои с низкой теплопроводностью. Для известного нагревателя необходимо, чтобы тепловая мощность вдоль всей его длины соответствовала слоям с низкой теплопроводностью, с тем чтобы нагреватель в этих слоях, имеющих низкую теплопроводность, не перегревался и не перегорал. В случае нагревателя с ограничением температуры тепловая мощность для близлежащих слоев с низкой теплопроводностью, которые имеют высокую температуру, будет уменьшена, но остальные участки нагревателя с ограничением температуры, которые не находятся при высокой температуре, будут обеспечивать высокую тепловую мощность. Поскольку нагреватели, предназначенные для нагревания углеводородсодержащих пластов, имеют большую длину (например, по меньшей мере 10, 100, 300 м, по меньшей мере 500 м, 1 км или более, вплоть до 10 км), то большая часть длины нагревателя с ограничением температуры может функционировать при температуре ниже температуры Кюри, в то время как лишь немногие участки нагревателя с ограничением температуры находятся при температуре Кюри или близкой к ней.

Использование нагревателей с ограничением температуры позволяет осуществлять эффективную передачу теплоты к пласту. Эффективная передача теплоты позволяет уменьшить время, необходимое для нагревания пласта до желательной температуры. Например, для процесса пиролиза в нефтяном сланце на Грин-Ривер при размещении скважин с нагревателями, размещенными на расстоянии 12 м друг от друга, и использовании при этом известных нагревателей постоянной мощности требуется проводить нагревание в течение от 9,5 до 10 лет. При таком же размещении нагревателей нагреватели с ограничением температуры могут обеспечить большую среднюю тепловую мощность при поддерживании температуры нагревательного оборудования ниже предельной расчетной температуры для этого оборудования. При большей средней тепловой мощности, которую обеспечивают нагреватели с ограничением температуры, пиролиз в пласте может происходить раньше, чем при меньшей средней тепловой мощности, которую обеспечивают известные нагреватели постоянной мощности. Например, при использовании нагревателей с ограничением температуры при размещении нагревательных скважин на расстоянии 12 м процесс пиролиза в нефтяном сланце на Грин-Ривер может происходить в течение 5 лет. Нагреватели с ограничением температуры нейтрализуют места перегрева, которые образуются вследствие неточного размещения или бурения скважин, в результате чего нагревательные скважины подходят друг к другу слишком близко. В определенных вариантах осуществления нагреватели с ограничением температуры обеспечивают повышенную тепловую мощность в нагревательных скважинах, расположенных слишком далеко друг от друга, или они ограничивают тепловую мощность для нагревательных скважин, которые расположены слишком близко друг от друга. Нагреватели с ограничением температуры, кроме того, подводят большее количество энергии в зоны, прилегающие к покрывающему слою и подстилающему слою с тем, чтобы компенсировать тепловые потери в этих зонах.

Нагреватели с ограничением температуры с успехом могут быть использованы в пластах многих типов. Например, в пластах с битуминозными песками или в относительно проницаемых пластах, содержащих тяжелые углеводороды, нагреватели с ограничением температуры могут быть использованы для обеспечения регулируемой тепловой мощности при низкой температуре для уменьшения вязкости пластовых флюидов, повышения подвижности флюидов и для увеличения радиальных потоков флюидов вблизи или у ствола скважины или в пласте. Нагреватели с ограничением температуры могут быть использованы для предотвращения избыточного коксообразования, обусловленного перегревом зоны пласта, расположенной вблизи ствола скважины.

Применение нагревателей с ограничением температуры в некоторых вариантах осуществления исключает или уменьшает необходимость использования дорогостоящих схем регулирования температуры. Например, применение нагревателей с ограничением температуры исключает или снижает необходимость проведения термокаротажа ствола скважины и/или необходимость использования стационарных термопар, установленных на нагревателях для непрерывного контроля их возможного перегрева в месте нахождения горячих пятен.

В определенных вариантах осуществления нагреватели с ограничением температуры допускают деформацию. Локализованное перемещение материала в стволе скважины может привести к поперечным напряжениям, действующим на нагреватель, что может деформировать его форму. В некоторых местах по длине нагревателя, где ствол скважины приближается или примыкает к нагревателю, могут существовать участки местного перегрева, в которых обычные нагреватели перегреваются, и существует возможность их пережога. Участки местного перегрева могут понижать предел текучести и предел ползучести металла, что способствует разрушению или деформированию нагревателя. Нагреватели с ограничением температуры могут быть выполнены S-образного профиля (или с другим не прямолинейным профилем), который обеспечивает деформацию нагревателя с ограничением температуры, не приводя к разрушению нагревателя.

В некоторых вариантах осуществления нагреватели с ограничением температуры более экономичны с точки зрения изготовления, чем обычные нагреватели. Типичные ферромагнитные материалы включают железо, углеродистую сталь или ферритную нержавеющую сталь. Такие материалы являются недорогими по сравнению с теплопроводными сплавами на основе никеля (такими как нихром, Kanthal ™ (Bulten-Kanthal AB, Sweden), и/или LOHM ™ (Driver-Harris Company, New Jersey, USA), которые обычно используют в нагревателях с изолированным проводником (провод с минеральной изоляцией). В одном варианте осуществления нагревателя с ограничением температуры для уменьшения стоимости и повышения надежности он изготовлен из непрерывных отрезков как нагреватель с изолированным проводником.

В некоторых вариантах осуществления нагреватель с ограничением температуры размещают в нагревательной скважине, используя оборудование для гибких трубопроводов. Нагреватель, который может быть намотан на барабан, может быть изготовлен с использованием металла, такого как ферритная нержавеющая сталь (например, нержавеющая сталь 409), которую сваривают посредством контактной сварки сопротивлением (KCC). Для образования участка нагревателя рулонную металлическую полосу пропускают через первый формователь, где он принимает трубчатую форму, после чего производят продольную сварку посредством KCC. Затем трубчатый участок пропускают через второй формователь, где на него накладывают токопроводящую полосу (например, медную полосу), протягивают с плотным прилеганием к трубчатому участку через обжимное приспособление и осуществляют сварку продольно посредством KCC. С помощью продольной сварки несущего материала (например, сталь 347Н или 347НН) поверх полосы токопроводящего материала может быть образована оболочка. Несущим материалом может служить полоса, намотанная поверх полосы из токопроводящего материала. Подобным образом может быть изготовлен участок нагревателя, расположенный в покрывающем слое. В некоторых вариантах осуществления участок нагревателя, расположенный в покрывающем слое, выполнен не из ферромагнитного материала, а, например, из нержавеющей стали марки 304 или 316, вместо ферромагнитного материала. Указанный участок нагревателя и участок, расположенный в покрывающем слое, могут быть соединены между собой, используя обычную технологию, например стыковую сварку сопротивлением посредством сварочного аппарата для сварки неповоротных стыков. В некоторых вариантах осуществления материал нагревателя, располагающийся в покрывающем слое (неферромагнитный материал), может быть предварительно приварен к ферромагнитному материалу перед свертыванием в рулон. Такая предварительная сварка может исключить необходимость отдельной стадии соединения (например, посредством стыковой сварки). В одном варианте осуществления после формирования трубчатого нагревателя через его центральную внутреннюю полость может быть протянут гибкий кабель, например кабель для камеры сгорания (например, кабель MGT 1000). К трубчатому нагревателю для обеспечения возвратного течения электрического тока может быть приварен концевой вывод на гибком кабеле. Трубчатый нагреватель, снабженный гибким кабелем, перед его установкой в нагревательной скважине может быть намотан на барабан. В одном варианте осуществления нагреватель с ограничением температуры устанавливают, используя оборудование для гибких трубопроводов. С помощью указанного оборудования для гибких трубопроводов нагреватель с ограничением температуры может быть размещен в стойком к деформации контейнере. Стойкий к деформации контейнер может быть размещен в нагревательной скважине с использованием известных методов.

Ферромагнитный сплав или ферромагнитные сплавы, используемые в нагревателе с ограничением температуры, определяют температуру Кюри для нагревателя. Данные по температуре Кюри для различных металлов представлены в справочнике "American Institute of Physics Handbook", Second Edition, McGraw-Hill, p.5-176. Ферромагнитные проводники могут включать в себя один или более ферромагнитных химических элементов (железо, кобальт, никель) и/или сплавы этих элементов. В некоторых вариантах осуществления ферромагнитные проводники включают сплавы никеля с хромом (Fe-Cr), которые содержат вольфрам (W), например сплавы марки HCM12А SAVE12 (Sumimoto Metals Co, Japan) и/или сплавы железа, содержащие хром (например, сплавы Fe-Cr, сплавы Fe-Cr-W, сплавы Fe-Cr-V (ванадий), сплавы Fe-Cr-Nb). Из указанных выше трех основных ферромагнитных элементов железо имеет температуру Кюри, равную 770 °С, кобальт (Со) имеет температуру Кюри 1131 °C, и никель имеет температуру Кюри приблизительно равную 358 °С. Температура Кюри сплава железа с кобальтом выше, чем температура Кюри железа. Например, температура Кюри сплава железа с кобальтом, содержащего 2 мас.% кобальта составляет 800 °C; сплав железа с кобальтом, содержащий 12 мас.% кобальта, имеет температуру Кюри, равную 900 °C; температура Кюри сплава железа с кобальтом, содержащего 20 мас.% кобальта, равна 950 °C. Температура Кюри сплава железа с никелем ниже, чем температура Кюри железа. Например, сплав железа с никелем, содержащий 20 мас.% никеля, имеет температуру Кюри, равную 720 °С; сплав железа с никелем, содержащий 60 мас.% кобальта, имеет температуру Кюри, равную 560 °C.

Некоторые неферромагнитные элементы, используемые в сплавах, повышают температуру Кюри железа. Например, сплав железа с ванадием, содержащий 5,9 мас.% ванадия, имеет температуру Кюри, приблизительно равную 815 °C. Другие неферромагнитные элементы (например, углерод, алюминий, медь, кремний и/или хром) для понижения температуры Кюри могут образовать сплав с железом или другими ферромагнитными металлами. Неферромагнитные материалы, которые повышают температуру Кюри, могут быть скомбинированы с неферромагнитными материалами, которые снижают температуру Кюри, и могут образовать сплавы с железом или другими ферромагнитными материалами для получения материала с желательной температурой Кюри и другими желательными физическими и/или химическими свойствами. В некоторых вариантах осуществления материал с температурой Кюри представляет собой феррит, например NiFe ₂ O ₄ . B других вариантах осуществления материал с температурой Кюри представляет собой бинарное соединение, например FeNi ₃ или Fe ₃ Al.

Определенные варианты осуществления нагревателей с ограничением температуры могут включать более чем один ферромагнитный материал. Такие варианты осуществления находятся в пределах объема описанных здесь вариантов осуществления, если какие-либо раскрытые здесь условия применить по меньшей мере к одному из ферромагнитных материалов, используемых в нагревателе с ограничением температуры.

Обычно по мере приближения к температуре Кюри ферромагнитные свойства ослабляются. В справочнике "Handbook of Electrical Heating for Industry" by C. James Erickson (IEEE Press, 1995) приведена типичная кривая для стали, содержащей 1% углерода (1 мас.% С). Ослабление магнитной проницаемости начинается при температуре выше 650 °C и имеет тенденцию к завершению при температуре более 730 °C. Поэтому температура самоограничения может быть немного ниже фактической температуры Кюри ферромагнитного проводника. Толщина скин-слоя для протекания тока в стали с содержанием 1% углерода составляет 0,132 см при комнатной температуре и увеличивается до 0,445 см при 720 °C. В интервале от 720 до 730 °C толщина скин-слоя резко увеличивается и достигает более чем 2,5 см. Поэтому нагреватель с ограничением температуры, в котором используется сталь с содержанием 1% углерода, начинает осуществлять самоограничение в интервале температур от 650 до 730 °С.

Толщина скин-слоя обычно определяет эффективную глубину проникновения изменяющегося во времени тока в электропроводящий материал. В общем, плотность тока снижается по экспоненте в направлении от внешней поверхности к центру по радиусу проводника. Толщину, при которой плотность тока составляет приблизительно 1/е от плотности тока на поверхности, называют толщиной скин-слоя. Для сплошного цилиндрического стержня диаметром много больше вышеупомянутой глубины проникновения, или для полых цилиндров с толщиной стенки, превышающей эту глубину проникновения, толщина скин-слоя δ определяется как

где δ - толщина скин-слоя в дюймах;

ρ - удельное электрическое сопротивление при рабочей температуре (Ом ∙см);

μ - относительная магнитная проницаемость и

f - частота (Гц).

Соотношение (1) взято из справочника "Handbook of Electrical Heating for Industry" by C. James Erickson (IEEE Press, 1995). Для большинства металлов удельное сопротивление ( ρ) увеличивается с температурой. Относительная магнитная проницаемость обычно изменятся с температурой и величиной тока. Для оценки изменения магнитной проницаемости и/или толщины скин-слоя в зависимости от температуры и/или электрического тока могут быть использованы дополнительные соотношения. При этом зависимость μ от величины тока является следствием зависимости μ от магнитного поля.

Материалы, используемые в конструкции нагревателя с ограничением температуры, могут быть выбраны для обеспечения желательного показателя диапазона изменения. Для нагревателей с ограничением температуры могут быть выбраны величины показателя диапазона изменения, равные по меньшей мере 1,1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 10:1, 30:1 или 50:1. Может быть использована и большая крутизна характеристики. Выбранный показатель диапазона изменения может зависеть от ряда факторов, включая, но не с целью ограничения, тип пласта, в котором размещен нагреватель с ограничением температуры (например, более высокий показатель диапазона изменения может быть использован для пласта нефтяного сланца при больших различиях по теплопроводности между слоями нефтяного сланца, богатыми нефтью и обедненными) и/или температурный предел материалов, используемых в стволе скважины (например, температурные пределы материалов нагревателя). В некоторых вариантах осуществления показатель диапазона изменения увеличивается за счет присоединения к ферромагнитному материалу дополнительного материала - меди или другого хорошего электрического проводника (например, добавка меди для снижения сопротивления при температуре выше температуры Кюри).

Нагреватель с ограничением температуры может обеспечить минимальную тепловую мощность (выходную мощность) при температурах ниже температуры Кюри. В определенных вариантах осуществления минимальная тепловая мощность составляет по меньшей мере 400 Вт/м (ватт на метр длины), 600, 700, 800 Вт/м или выше, вплоть до 2000 Вт/м. Нагреватель с ограничением температуры снижает величину тепловой мощности с помощью участка нагревателя, когда температура этого участка приближается к температуре Кюри или превышает её. Эта уменьшенная величина тепловой мощности может быть, по существу, меньше тепловой мощности при температуре ниже температуры Кюри. В ряде вариантов осуществления уменьшенная величина тепловой мощности составляет не более 400, 200, 100 Вт/м или может достигать 0.

В некоторых вариантах осуществления с целью изменения толщины скин-слоя ферромагнитного материала регулируют частоту переменного тока. Например, толщина скин-слоя стали с содержанием углерода 1% при комнатной температуре составляет 0,132 см при частоте 60 Гц, 0,0762 см при 180 Гц и 0,046 см при 440 Гц. Поскольку обычно диаметр нагревателя в два раза превышает толщину скин-слоя, применение более высокой частоты тока (и, следовательно, нагревателя меньшего диаметра) снижает стоимость нагревателя. Для заданной геометрии большая частота приводит к большему показателю диапазона изменения. Показатель диапазона изменения при большей частоте вычисляют путем умножения показателя диапазона изменения при меньшей частоте на корень квадратный из отношения большей частоты к меньшей частоте. В некоторых вариантах осуществления используют частоту от 100 до 1000 Гц, от 140 до 200 Гц или от 400 до 600 Гц (например, частоту 180, 540 или 720 Гц). В некоторых вариантах осуществления могут быть использованы высокие частоты. Эти частоты могут превышать 1000 Гц.

В определенных вариантах осуществления для электропитания нагревателя с ограничением температуры может быть использован модулированный DC (модулированный постоянный ток), например прерывистый DC, модулированный DC заданной формы, или периодический DC. Для генерации выходного сигнала модулированного DC к источнику энергии DC могут быть присоединены DC-модулятор или DC-прерыватель. В некоторых вариантах осуществления источник энергии постоянного тока может включать в себя средство модулирования DC. Одним примером DC модулятора является преобразователь DC в DC. Преобразователи DC в DC в уровне техники в общем известны. DC обычно модулируют или прерывают с получением колебания желательной формы. Формы волны, используемые для осуществления модуляции DC, включают (не для ограничения изобретения) прямоугольную, синусоидальную, деформированную синусоидальную, деформированную прямоугольную, треугольную форму и другие правильные или неправильные формы.

Форма колебаний модулированного DC обычно определяет частоту модулированного DC. Поэтому для получения желательной частоты модулированного DC может быть выбрана определенная форма колебаний модулированного DC. Для изменения частоты модулированного DC можно менять форму и/или величину модуляции (например, величина прерывания) модулированного DC. DC может быть модулирован с частотами, которые выше обычно имеющихся частот AC. Например, модулированный DC может быть получен при частотах по меньшей мере 1000 Гц. Повышение частоты подводимого тока выгодно увеличивает показатель диапазона изменения нагревателя с ограничением температуры.

В определенных вариантах осуществления с целью изменения частоты модулированного DC регулируют или изменяют форму колебаний модулированного DC. Модулятор DC позволяет в любое время регулировать форму колебаний модулированного DC при использовании нагревателя с ограничением температуры и при больших токах или напряжениях. Таким образом, модулированный DC, подводимый к нагревателю с ограничением температуры, не ограничивается единственной частотой или даже небольшим рядом частот. Выбор формы колебания при использовании модулятора DC, как правило, обеспечивает широкий интервал частот модулированного DC и дискретное регулирование частоты модулированного DC. Поэтому частоту модулированного DC легче установить на конкретную величину, в то время как частота AC обычно ограничивается кратными величинами частоты электрической сети питания. Дискретное регулирование частоты модулированного DC обеспечивает более избирательное регулирование показателя диапазона изменения нагревателя с ограничением температуры. Возможность избирательного регулирования показателя диапазона изменения нагревателя с ограничением температуры обеспечивает более широкий выбор материалов, которые можно использовать при конструировании и изготовлении нагревателя с ограничением температуры.

В некоторых вариантах осуществления регулируют частоту модулированного DC или частоту AC нагревателя с ограничением температуры во время его использования с целью компенсации изменений свойств (например, подземных параметров, таких как давление и температура). При этом частоту модулированного DC и частоту AC, подводимых к нагревателю с ограничением температуры, изменяют на основании оценки параметров в стволе скважины. Например, если температура нагревателя с ограничением температуры в стволе скважины возрастает, то может быть выгодным повысить частоту тока, подводимого к нагревателю, тем самым увеличивается показатель диапазона изменения для нагревателя. В связи с этим в одном варианте осуществления определяют скважинную температуру при размещении в стволе скважины нагревателя с ограничением температуры.

В определенных вариантах осуществления частоту модулированного DC или частоту AC изменяют с целью регулирования показателя диапазона изменения для нагревателя с ограничением температуры. Показатель диапазона изменения можно регулировать для компенсации участков местного перегрева, существующих вдоль длины нагревателя с ограничением температуры. Например, показатель диапазона изменения увеличивают в связи с тем, что в определенных местах нагреватель с ограничением температуры становится слишком горячим. В некоторых вариантах осуществления частоту модулированного DC или частоту AC изменяют для регулирования показателя диапазона изменения без проведения оценки подземных параметров.

В определенных вариантах осуществления самый внешний слой нагревателя с ограничением температуры (например, внешний проводник) выбирают коррозионно-устойчивым и стойким с точки зрения предела текучести и/или ползучести. В одном варианте осуществления для выполнения внешнего проводника могут быть использованы аустенитные (неферромагнитные) нержавеющие стали, например марки нержавеющей стали 201, 304Н, 347Н, 347HH, 316Р, 310Н, 347HP, NF709 или их комбинации. Самый внешний слой может также включать в себя плакированный проводник. Например, трубчатый элемент, выполненный из ферромагнитной углеродистой стали, для защиты от коррозии может быть плакирован коррозионно-устойчивым сплавом, таким как нержавеющая сталь 800Н или 347Н. Если стойкость к высоким температурам не является необходимой, самый внешний слой может быть выполнен из ферромагнитного металла с хорошей коррозийной стойкостью, например из какой-либо ферритной нержавеющей стали. В одном варианте осуществления необходимую стойкость к коррозии обеспечивает ферритный сплав, содержащий 82,3 мас.% железа и 17,7 мас.% хрома (температура Кюри 678 °C).

В справочнике The Metals Handbook, vol. 8, p.291 (American Society Material (ASM)) приведена графическая зависимость температуры Кюри сплавов железа и хрома в зависимости от содержания хрома в сплавах. В некоторых вариантах осуществления нагревателя с ограничением температуры для обеспечения сопротивления текучести и ползучести металла к нагревателю, выполненному из сплава железа с хромом, присоединен отдельный несущий стержень или трубчатый элемент (изготовленный из нержавеющей стали 347H). В определенных вариантах осуществления несущий материал и ферромагнитный материал выбраны так, чтобы обеспечить период времени 100000 ч до разрушения при испытании на длительную прочность по меньшей мере при 20,7 МПа и 650 °C. В некоторых вариантах осуществления период 100000 ч до разрушения при испытании на длительную прочность достигается по меньшей мере при 13,8 МПа и 650 °С или по меньшей мере при 6,9 МПа и 650 °C. Например, сталь 347Н имеет подходящую длительную прочность при температуре, равной или превышающей 650 °C. В некоторых вариантах осуществления 100000 ч до разрушения достигается в интервале давлений от 6,9 МПа до 41,3 МПа или больше для более протяженных нагревателей и/или более высоких напряжений, действующих в окружающей земной породе или флюиде.

В определенных вариантах осуществления нагреватель с ограничением температуры включает в себя составной проводник с ферромагнитным трубчатым элементом и неферромагнитной сердцевиной, имеющей высокую электропроводность. Наличие неферромагнитной сердцевины с высокой электропроводностью уменьшает требующийся диаметр проводника. Например, проводник может быть составным проводником диаметром 1,19 см с сердцевиной диаметром 0,575 см из меди, плакированной слоем ферритной нержавеющей стали или углеродистой стали толщиной 0,298 см, окружающим указанную сердцевину. Сердцевина или неферромагнитный проводник может быть выполнен из меди или из медного сплава. Сердцевина или неферромагнитный проводник, кроме того, может быть выполнен из других металлов, которые обладают низким удельным электрическим сопротивлением и относительной магнитной проницаемостью, близкой к 1 (например, по существу, из неферромагнитных материалов, таких как алюминий, сплавы алюминия, фосфористая бронза, бериллиево-медный сплав и/или латунь). Составной проводник позволяет вблизи температуры Кюри более резко понизить электрическое сопротивление нагревателя с ограничением температуры. Электрическое сопротивление проводника вблизи температуры, равной температуре Кюри, очень резко падает в связи с увеличением толщины скин-слоя за счет наличия медной сердцевины.

Составной проводник может увеличить электропроводность нагревателя с ограничением температуры и/или обеспечить функционирование нагревателя при более низких напряжениях. В одном варианте осуществления составной проводник демонстрирует относительно плоскую зависимость сопротивления от распределения температуры при температурах ниже области температур, находящейся вблизи температуры Кюри ферромагнитного проводника из составного проводника. В некоторых вариантах осуществления нагреватель с ограничением температуры демонстрирует относительно плоскую зависимость сопротивления от распределения температуры в интервале от 100 до 750 °C или от 300 до 600 °C. Относительно плоская зависимость сопротивления от распределения температуры, кроме того, может иметь место и в других интервалах температур, например, за счет определенного подбора материалов и/или расположения материалов в нагревателе с ограничением температуры. В определенных вариантах осуществления относительную толщину каждого материала в составном проводнике выбирают для получения желательного сопротивления нагревателя в зависимости от характера распределения температуры.

Составной проводник (например, составной внутренний проводник или составной внешний проводник) может быть изготовлен с помощью методов, включающих (не в качестве ограничения) коэкструзию, накатывание, плотную посадку труб (например, путем охлаждения внутреннего элемента и нагревания внешнего элемента, затем ввода внутреннего элемента во внешний элемент с последующим осуществлением операции протяжки и/или предоставления конструкции возможности охлаждаться), взрывное или электромагнитное плакирование, электродуговую наплавку, продольное приваривание полосы, плазменную порошковую сварку, коэкструзию заготовки, нанесение покрытия методом электроосаждения, протяжку, напыление, плазменное осаждение, литье с коэкструзией, электромагнитная формовка, литье из расплава (литье материала внутренней сердцевины внутри внешнего материала или наоборот), сборку, за которой следует сварка или высокотемпературная пайка твёрдым припоем, сварку с защитой от активного газа и/или ввод внутренней трубы во внешнюю трубу, после чего следует механическое расширение внутренней трубы посредством гидроформинга или использования приспособления для расширения и обжимки внутренней трубы в контакте с внешней трубой. В некоторых вариантах осуществления ферромагнитный проводник наматывают поверх неферромагнитного проводника. В определенных вариантах осуществления составные проводники формируют с использованием методов, подобных используемым для плакирования (например, плакирование медью стали). Металлургическое соединение между медным плакированием и основным ферромагнитным материалом может быть приемлемым. Составные проводники, полученные методом коэкструзии, которые образуют хорошее металлургическое соединение (например, хорошее соединение между медью и нержавеющей сталью марки 446), могут быть предоставлены компанией Anomet Products, Inc. (Shrewsbury, Massachusetts, USA).

На фиг. 3-9 представлены различные варианты осуществления нагревателей с ограничением температуры. Одна или большее количество особенностей варианта осуществления нагревателя с ограничением температуры, изображенного на любой из этих фигур, может быть скомбинирована с одной или более чем одной особенностями выполнения других вариантов осуществления нагревателей, представленных на этих фигурах. В определенных раскрытых здесь вариантах осуществления нагреватели с ограничением температуры выполнены с такими геометрическими размерами, чтобы они работали при частоте переменного тока (AC) 60 Гц. Следует понимать, что эти размеры нагревателя с ограничением температуры могут быть скорректированы для того, чтобы нагреватель работал подобным же образом и при других частотах AC или при подводе модулированного DC тока.

На фиг. 3 показано сечение одного из вариантов осуществления нагревателя с ограничением температуры, выполненного с внешним проводником, содержащим ферромагнитный участок и неферромагнитный участок. Фиг. 4 и 5 иллюстрируют виды варианта осуществления, показанного на фиг. 3, в поперечном сечении. В одном варианте осуществления для подвода теплоты к углеводородсодержащим слоям пласта используют ферромагнитный участок 212. Участок 214 из неферромагнитного материала размещают в покрывающем слое пласта. Неферромагнитный участок 214 обеспечивает подвод незначительного количества теплоты к покрывающему слою (или вообще не подводит теплоту), тем самым предотвращаются тепловые потери в покрывающем слое и повышается эффективность работы нагревателя. Ферромагнитный участок 212 включает в себя ферромагнитный материал, например нержавеющую сталь 409 или 410. Ферромагнитный участок 212 имеет толщину 0,3 см. Неферромагнитный участок выполнен из меди толщиной 0,3 см. Внутренний проводник 216 имеет диаметр 0,9 см. В качестве электрического изолятора 218 используют нитрид кремния, нитрид бора, порошок оксида магния или другой подходящий изоляционный материал. Толщина изолятора 218 составляет от 0,1 до 0,3 см.

На фиг. 6А и 6В представлены сечения варианта осуществления нагревателя с ограничением температуры, выполненного с внутренним ферромагнитным проводником и неферромагнитной сердцевиной. Внутренний проводник 216 может быть изготовлен из нержавеющей стали марки 446, нержавеющей стали 409, нержавеющей стали 410, углеродистой стали, технически чистого армко-железа, сплавов железа с кобальтом или других ферромагнитных материалов. Сердцевина 220 может быть плотно соединена внутри с внутренним проводником 216. Сердцевина 220 выполнена из меди или иных ферромагнитных материалов. В определенных вариантах осуществления сердцевину 220 вводят по плотной посадке внутрь внутреннего проводника 216 перед проведением операции протяжки. В некоторых вариантах осуществления сердцевина 220 и внутренний проводник 216 соединены в процессе коэкструзии. Внешний проводник 222 выполнен из нержавеющей стали 347Н. Операция протяжки или прокатки для того, чтобы сделать электрический изолятор 218 компактным (например, получить компактный нитрид кремния, нитрид бора или порошок оксида магния), может обеспечить хороший электрический контакт между внутренним проводником 216 и сердцевиной 220. В этом варианте осуществления теплота выделяется, главным образом, во внутреннем проводнике 216 до тех пор, пока не будет достигнута температура Кюри. После этого сопротивление резко уменьшается, поскольку ток проникает в сердцевину 220.

Для нагревателя с ограничением температуры, в котором при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитный проводник обеспечивает большую часть резистивной тепловой мощности, большая часть электрического тока протекает через материал с сильно нелинейными зависимостями магнитного поля (H) от магнитной индукции (В). Эти нелинейные функциональные зависимости могут вызвать значительные индуктивные эффекты и искажения, которые приводят к уменьшенному коэффициенту мощности в нагревателе с ограничением температуры при температурах ниже температуры Кюри. Эти эффекты могут затруднять управление подводом электрической энергии к нагревателю с ограничением температуры и могут привести к протеканию дополнительного электрического тока через поверхность и/или через проводники, подводящие энергию в покрывающий слой пласта. Следует отметить, что осуществление системы регулирования с использованием конденсатора переменной ёмкости или источников питания с модуляцией тока с тем, чтобы попытаться компенсировать эти эффекты, и регулирование нагревателей с ограничением температуры, в которых большая часть резистивной тепловой мощности выделяется при прохождении электрического тока через ферромагнитный материал, является дорогостоящим путем и затруднительно.

В определенных вариантах осуществления нагревателей с ограничением температуры ферромагнитный проводник ограничивает большую часть электрического тока, подводимого к электрическому проводнику, соединенному с ферромагнитным проводником, когда температура нагревателя ниже или близка к температуре Кюри ферромагнитного проводника. Электрическим проводником может быть покрытие, оболочка, несущий элемент, коррозионно-стойкий элемент или резистивный элемент. В некоторых вариантах осуществления ферромагнитный проводник ограничивает протекание большей части электрического тока электрическим проводником, размещенным между самым внешним слоем и ферромагнитным проводником. Ферромагнитный проводник размещен в сечении нагревателя с ограничением температуры так, что магнитные свойства ферромагнитного проводника при температуре Кюри или более низкой температуре ферромагнитного проводника ограничивают протекание большей части электрического тока электрическим проводником. Протекание большей части электрического тока ограничивается электрическим проводником благодаря скин-эффекту ферромагнитного проводника. Поэтому большая часть тока протекает через материал, по существу, с линейными резистивными свойствами в большей части рабочего диапазона нагревателя.

В определенных вариантах осуществления ферромагнитный материал и электрический проводник размещены в сечении нагревателя с ограничением температуры так, что скин-эффект ферромагнитного материала ограничивает глубину проникновения электрического тока в электрический проводник и ферромагнитный проводник при температурах ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника. Таким образом, электрический проводник обеспечивает большую часть тепловой мощности нагревателя с ограничением температуры, определяемой электрическим сопротивлением, при температурах вплоть до температуры, соответствующей температуре Кюри ферромагнитного материала или близкой к ней. В определенных вариантах осуществления геометрические размеры электрического проводника могут быть выбраны такими, чтобы обеспечить желательные характеристики тепловой мощности.

Поскольку при температуре ниже температуры Кюри большая часть электрического тока протекает через электрический проводник, зависимость сопротивления нагревателя с ограничением температуры от распределения температуры, по меньшей мере, частично отражает зависимость сопротивления материала электрического проводника от распределения температуры. Следовательно, если материал электрического проводника имеет, по существу, линейную зависимость сопротивления от распределения температуры, зависимость сопротивления от распределения температуры нагревателя с ограничением температуры при температурах ниже температуры Кюри ферромагнитного материала является, по существу, линейной. Электрическое сопротивление нагревателя с ограничением температуры незначительно зависит (или не зависит) от величины тока, протекающего через нагреватель, до тех пор, пока температура нагревателя близка к температуре Кюри. При температуре ниже температуры Кюри большая часть электрического тока протекает через электрический проводник, а не по ферромагнитному проводнику.

Зависимость сопротивления от распределения температуры в нагревателях с ограничением температуры, в которых большая часть тока протекает через электрический проводник, также имеет тенденцию к более резкому снижению сопротивления вблизи температуры Кюри ферромагнитного проводника или при этой температуре. Более резкое снижение сопротивления при температуре Кюри или вблизи неё легче контролировать, чем более постепенное снижение сопротивления вблизи температуры Кюри.

В определенных вариантах осуществления материал и/или размеры материала электрического проводника выбирают так, чтобы при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного материала нагреватель с ограничением температуры имел желательную зависимость сопротивления от распределения температуры.

Нагреватели с ограничением температуры, в которых большая часть электрического тока при температуре ниже температуры Кюри протекает в электрическом проводнике, а не в ферромагнитном проводнике, легче прогнозировать и/или контролировать. Характеристику нагревателей с ограничением температуры, в которых большая часть электрического тока при температуре ниже температуры Кюри протекает в электрическом проводнике, а не в ферромагнитном проводнике, легче прогнозировать, используя, например, зависимость их сопротивления от распределения температуры и/или зависимость коэффициента мощности от распределения температуры. Зависимость электрического сопротивления от распределений температуры и/или коэффициента мощности от распределения температуры можно оценить или предсказать, например, посредством экспериментальных измерений, которые позволяют рассчитать характеристику нагревателя с ограничением температуры; с помощью аналитических соотношений, которые позволяют оценить и предсказать характеристику нагревателя с ограничением температуры; и/или путем моделирования, которое также позволяет оценить или предсказать характеристику нагревателя с ограничением температуры.

С приближением температуры нагревателя с ограничением температуры к температуре Кюри ферромагнитного проводника или более высокой температуре ухудшение ферромагнитных свойств ферромагнитного проводника приводит к протеканию электрического тока через большую часть электропроводящего сечения нагревателя с ограничением температуры. В результате электрическое сопротивление нагревателя с ограничением температуры снижается, и в результате при температуре Кюри ферромагнитного материала или вблизи неё нагреватель с ограничением температуры автоматически обеспечивает уменьшенную тепловую мощность. В определенных вариантах осуществления для уменьшения электрического сопротивления нагревателя при температуре, равной или превышающей температуру Кюри ферромагнитного проводника, к ферромагнитному проводнику и электрическому проводнику присоединен элемент с высокой электрической проводимостью. Элемент с высокой электрической проводимостью может быть внутренним проводником, сердцевиной, или другим токопроводящим элементом, выполненным из меди, алюминия, никеля или их сплавов.

Ферромагнитный проводник, который ограничивает большую часть электрического тока, подводимого к электрическому проводнику при температуре ниже температуры Кюри, может иметь относительно небольшое поперечное сечение по сравнению с ферромагнитным проводником в нагревателях с ограничением температуры, которые используют этот ферромагнитный проводник для обеспечения большей части резистивной тепловой мощности при температуре, равной температуре Кюри или близкой к ней. Нагреватель с ограничением температуры, который для обеспечения большей части резистивной тепловой мощности при температурах ниже температуры Кюри использует электрический проводник, обладает при этих температурах низкой магнитной индуктивностью, поскольку через ферромагнитный проводник протекает меньший ток по сравнению с таким же нагревателем с ограничением температуры, в котором большая часть резистивной тепловой мощности при температурах ниже температуры Кюри обеспечивается ферромагнитным материалом. Магнитное поле (H) ферромагнитного проводника радиусом (r) пропорционально току (I), протекающему через ферромагнитный проводник и сердцевину, разделенному на величину радиуса, т.е.

В связи с тем, что через ферромагнитный проводник нагревателя с ограничением температуры, в котором для обеспечения большей части резистивной тепловой мощности при температурах ниже температуры Кюри используют внешний проводник, протекает только часть тока, магнитное поле нагревателя с ограничением температуры может быть значительно меньше, чем магнитное поле нагревателя с ограничением температуры, в котором большая часть электрического тока протекает через ферромагнитный материал. Относительная магнитная проницаемость ( μ) при небольших магнитных полях может быть значительной.

Толщина скин-слоя ( δ) ферромагнитного проводника обратно пропорциональна корню квадратному из относительной магнитной проницаемости ( μ)

Увеличение относительной магнитной проницаемости уменьшает толщину скин-слоя ферромагнитного проводника. Однако, поскольку при температурах ниже температуры Кюри через ферромагнитный проводник протекает только часть тока, то для ферромагнитных материалов с высокой относительной магнитной проницаемостью с целью компенсации уменьшенной толщины скин-слоя радиус (или толщина) ферромагнитного проводника может быть уменьшен, причем уменьшен таким образом, чтобы при температурах ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника скин-эффект все же ограничивал глубину проникновения электрического тока в электрический проводник. Радиус (толщина) ферромагнитного проводника может составлять от 0,3 до 8 мм, от 0,3 до 2 мм или от 2 до 4 мм в зависимости от величины относительной магнитной проницаемости ферромагнитного проводника. Уменьшение толщины ферромагнитного проводника снижает стоимость изготовления нагревателя с ограничением температуры, так как стоимость ферромагнитного материала вносит значительный вклад в общую стоимость нагревателя с ограничением температуры. Увеличение относительной магнитной проницаемости ферромагнитного проводника обеспечивает больший показатель диапазона изменения и более резкое снижение электрического сопротивления нагревателя с ограничением температуры при достижении температуры Кюри ферромагнитного материала или вблизи этой температуры.

Ферромагнитные материалы (такие как чистое железо или сплавы железа с кобальтом) с высокой относительной магнитной проницаемостью (например, по меньшей мере 200, по меньшей мере 1000, по меньшей мере 1 ∙10 ⁴ или по меньшей мере 1 ∙10 ⁵ ) и/или высокой температурой Кюри (составляющей, например, по меньшей мере 600 °C, по меньшей мере 700 °C или по меньшей мере 800 °C) имеют тенденцию к меньшей коррозионной стойкости и/или меньшей механической прочности при высоких температурах нагревателя с ограничением температуры. Поэтому ферромагнитный проводник может быть выбран, главным образом, исходя из его ферромагнитных свойств.

Ограничение протекания большей части электрического тока по электрическому проводнику при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника уменьшает изменения коэффициента мощности. Поскольку при температуре ниже температуры Кюри через ферромагнитный проводник протекает только часть электрического тока, нелинейные ферромагнитные свойства ферромагнитного проводника оказывают незначительное влияние (или вообще не оказывают) на величину коэффициента мощности нагревателя с ограничением температуры, за исключением температур, равных или близких к температуре Кюри. Даже при температурах, равных или близких к температуре Кюри, влияние на коэффициент мощности снижается по сравнению с такими нагревателями с ограничением температуры, в которых ферромагнитный проводник обеспечивает большую часть резистивной тепловой мощности при температуре ниже температуры Кюри. Поэтому для поддержания относительно высокой величины коэффициента мощности существует лишь незначительная потребность во внешней компенсации или же она вообще отсутствует (например, с помощью переменных конденсаторов или изменения формы колебаний) с целью изменения индуктивной нагрузки нагревателя с ограничением температуры.

В определенных вариантах осуществления нагреватель с ограничением температуры, который ограничивает большую часть протекающего электрического тока электрическим проводником при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника, поддерживает при его использовании величину коэффициента мощности равной 0,85, более 0,9 или более 0,95. Любое уменьшение коэффициента мощности происходит только на тех участках нагревателя с ограничением температуры, температура которых близка к температуре Кюри. Эти участки характеризуются высокой величиной коэффициента мощности, которая приближается к 1. При этом если некоторые участки нагревателя имеют величину коэффициента мощности менее 0,85, то коэффициент мощности всего нагревателя с ограничением температуры при его функционировании поддерживается на уровне выше 0,85, выше 0,9 или выше 0,95.

Поддерживание высокого коэффициента мощности, кроме того, позволяет использовать менее дорогостоящие источники энергии и/или управляющие устройства, такие как полупроводниковые источники питания или кремниевые управляемые вентили. Эти устройства не работают соответствующим образом в том случае, если величина коэффициента мощности меняется слишком сильно из-за индуктивных нагрузок. Однако если коэффициент нагрузки поддерживать при больших значениях, то эти устройства можно использовать для подвода питания к нагревателю с ограничением температуры. Полупроводниковые источники энергии, кроме того, имеют преимущества в том, что обеспечивают точную настройку и управляемую подстройку мощности, подводимой к нагревателю с ограничением температуры.

В некоторых вариантах осуществления для подвода электрической энергии к нагревателю с ограничением температуры используют трансформаторы. Обмотка трансформатора может быть снабжена ответвлениями с различными напряжениями подвода электрического питания к нагревателю с ограничением температуры. Эти ответвления с различными напряжениями позволяют подводить электрический ток с переключением "вперед" и "назад" между различными напряжениями питания. Это поддерживает ток в интервале, определяемом указанными ответвлениями с различным напряжением питания.

Элемент с высокой электропроводностью, или внутренний проводник, увеличивает показатель диапазона изменения для нагревателя с ограничением температуры. В определенных вариантах осуществления для увеличения показателя диапазона изменения для нагревателя с ограничением температуры увеличивают толщину элемента с высокой электропроводностью, а в некоторых вариантах осуществления для увеличения показателя диапазона изменения для нагревателя толщину элемента с высокой электропроводностью уменьшают. В определенных вариантах осуществления показатель диапазона изменения для нагревателя с ограничением температуры составляет от 1,1 до 10, от 2 до 8 или от 3 до 6 (например, показатель диапазона изменения составляет по меньшей мере 1,1, по меньшей мере 2 или по меньшей мере 3).

На фиг. 7 представлен вариант осуществления нагревателя с ограничением температуры, в котором при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника большую часть тепловой мощности обеспечивает несущий элемент. Сердцевина 220 является внутренним проводником нагревателя с ограничением температуры. В определенных вариантах осуществления сердцевина 220 выполнена из материала с высокой электропроводностью, например из меди или алюминия. В некоторых вариантах осуществления сердцевина 220 выполнена из медного сплава, который создает механическую прочность и хорошую электропроводность, например из дисперсионно-упрочненной меди. В одном варианте осуществления и сердцевина 220 выполнена из материала Glidcop ® (SCM Metal Products, Inc., Research Triangle Park, North Carolina, USA). Ферромагнитный проводник 224 представляет собой тонкий слой ферромагнитного материала, размещенный между электрическим проводником 226 и сердцевиной 220. В определенных вариантах осуществления электрический проводник 226, кроме того, является несущим элементом 228. В определенных вариантах осуществления ферромагнитный проводник 224 выполнен из железа или сплава железа. В некоторых вариантах осуществления ферромагнитный проводник 224 включает в себя ферромагнитный материал с высокой относительной магнитной проницаемостью. Например, ферромагнитный проводник 224 может быть изготовлен из очищенного железа, например из технически чистого армко-железа (AK Steel Ltd., United Kingdom). Железо с некоторым количеством примесей, как правило, имеет относительную магнитную проницаемость порядка 400. Очистка железа посредством его отжига в атмосфере газообразного водорода (H ₂ ) при 1450 °C повышает относительную магнитную проницаемость железа. Увеличение относительной магнитной проницаемости ферромагнитного проводника 224 позволяет уменьшить толщину ферромагнитного проводника. Например, толщина неочищенного железа может составлять приблизительно 4,5 мм, в то время как толщина очищенного железа составляет примерно 0,76 мм.

В определенных вариантах осуществления электрический проводник 226 обеспечивает укрепление ферромагнитного проводника 224 и всего нагревателя с ограничением температуры. Соответственно, электрический проводник 226 может быть изготовлен из материала, который обеспечивает хорошую механическую прочность при температуре, близкой к температуре Кюри ферромагнитного материала или превышающей эту температуру. В определенных вариантах осуществления электрический проводник 226 выполнен коррозионно-стойким. Электрический проводник 226 (несущий элемент 228) изготовлен из материала, который обеспечивает желательную электрическую резистивную тепловую мощность при температурах вплоть до и/или выше температуры Кюри ферромагнитного проводника 224.

В одном варианте осуществления электрический проводник 226 изготовлен из нержавеющей стали марки 347Н. В некоторых вариантах осуществления электрический проводник 226 выполнен из другого электропроводного, коррозионно-стойкого материала, имеющего хорошую механическую прочность. Например, материалами для электрического проводника 226 могут быть нержавеющая сталь 304Н, 316Н, 347HH, NF709, сплав 800Н Inloy ® (Inco Allow International, Huntington West Virginia, USA), сплав HR120 ® Haynes ® или сплав 617 Inconel ®.

В некоторых вариантах осуществления электрический проводник 226 (несущий элемент 228) на различных участках нагревателя с ограничением температуры включает в себя различные сплавы. Например, нижний участок электрического проводника 226 (несущего элемента 228) выполнен из нержавеющей стали 347Н, а материалом для верхнего участка электрического проводника (несущего элемента) служит NF709. В определенных вариантах осуществления на различных участках электрического проводника (несущего элемента) используют различные сплавы для увеличения механической прочности электрического проводника (несущего элемента) и сохранения в то же время желательных тепловых свойств нагревателя с ограничением температуры.

В некоторых вариантах осуществления ферромагнитный проводник 224 на различных участках нагревателя с ограничением температуры включает в себя различные ферромагнитные проводники. Различные ферромагнитные проводники могут быть использованы на различных участках нагревателя с целью изменения температуры Кюри и тем самым максимальной рабочей температуры на различных участках нагревателя. В некоторых вариантах осуществления температура Кюри для верхнего участка нагревателя с ограничением температуры ниже температуры Кюри нижнего участка нагревателя. Более низкая температура Кюри верхнего участка способствует увеличению периода времени до разрушения материала верхнего участка нагревателя при испытании на длительную прочность.

В варианте осуществления, представленном на фиг. 7, ферромагнитный проводник 224, электрический проводник 226 и сердцевина 220 имеют такие размеры, что толщина скин-слоя ферромагнитного проводника ограничивает глубину проникновения большей части потока электрического тока несущим элементом при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника. Следовательно, электрический проводник 226 обеспечивает большую часть резистивной тепловой мощности нагревателя с ограничением температуры при температурах вплоть до температуры Кюри ферромагнитного проводника 224 или близких к ней. В определенных вариантах осуществления нагреватель с ограничением температуры, показанный на фиг. 7 (имеющий, например, внешний диаметр 3, 2,9, 2,5 см или менее), выполнен с меньшим диаметром по сравнению с другими нагревателями с ограничением температуры, которые для получения большей части резистивной тепловой мощности не используют электрический проводник 226. Нагреватель с ограничением температуры, представленный на фиг. 7, может быть выполнен с меньшим диаметром, поскольку ферромагнитный проводник 224 имеет меньшую толщину по сравнению с ферромагнитным проводником, необходимым для такого нагревателя с ограничением температуры, в котором большая часть резистивной тепловой мощности обеспечивается ферромагнитным проводником.

В некоторых вариантах осуществления несущий элемент и коррозионно-стойкий элемент представляют собой различные элементы в конструкции нагревателя с ограничением температуры. На фиг. 8 и 9 представлены варианты осуществления нагревателей с ограничением температуры, в которых выделение большей части тепловой мощности при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного материала обеспечивает оболочка. В этих вариантах осуществления электрический проводник 226 является оболочкой 230. Электрический проводник 226, ферромагнитный проводник 224, несущий элемент 228 и сердцевина 220 (на фиг. 8) или внутренний проводник 216 (на фиг. 9) имеют такие геометрические размеры, что скин-слой ферромагнитного проводника ограничивает проникновение большей части электрического тока толщиной оболочки. В определенных вариантах осуществления электрический проводник выполнен из коррозионно-стойкого материала и обеспечивает резистивную тепловую мощность при температурах ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника 224. Например, электрический проводник 226 может быть изготовлен из нержавеющей стали 347Н или нержавеющей стали 825. В некоторых вариантах осуществления электрический проводник 226 имеет небольшую толщину (например, порядка 0,5 мм).

В представленном на фиг. 8 варианте осуществления сердцевина 220 выполнена из материала с высокой электропроводностью, например из меди или алюминия. Несущий элемент 228 изготовлен из нержавеющей стали 347Н или из другого материала, обладающего хорошей механической прочностью при температуре, равной или близкой к температуре Кюри ферромагнитного проводника 224.

В соответствии с вариантом осуществления, проиллюстрированном на фиг. 9, несущий элемент 228 представляет собой сердцевину нагревателя с ограничением температуры и выполнен из нержавеющей стали 347Н или другого материала с хорошей механической прочностью при температуре, равной или близкой к температуре Кюри ферромагнитного проводника 224. Внутренний проводник 216 изготовлен из материала с высокой электропроводностью, такого как медь или алюминий.

Нагреватель с ограничением температуры может быть однофазным электрическим нагревателем или трехфазным нагревателем. В варианте осуществления в виде трехфазного нагревателя нагреватель с ограничением температуры выполнен с соединением по схеме "треугольник" или "звезда" трехфазной цепи. В некоторых вариантах осуществления трехфазный нагреватель содержит три ветви, которые размещены в отдельных скважинах. Эти ветви могут быть соединены на общем участке контактирования (например, в центральной скважине, соединительной скважине или контактном участке, залитом раствором). Фиг. 10 иллюстрирует вариант осуществления нагревателей с ограничением температуры, соединенных с образованием конфигурации цепи трехфазного тока. При этом каждая ветвь 232, 234, 236 может быть размещена в отдельном отверстии 238 в углеводородсодержащем слое 240. Каждая ветвь 232, 234, 236 может представлять собой нагревательный элемент 242. Каждая ветвь 232, 234, 236 может быть подсоединена к единственному контактному элементу 244, размещенному в одном отверстии 238. Контактный элемент 244 может электрически соединять между собой ветви 232, 234, 236 с образованием трехфазной конфигурации. Контактный элемент 244 может быть размещен, например, в центральном отверстии, выполненном в пласте. Контактный элемент 244 может быть размещен на некотором участке отверстия 238 ниже углеводородсодержащего слоя 240 (например, в подстилающем слое пласта). В определенном варианте осуществления используют магнитное слежение за магнитным элементом, размещенным в центральном отверстии (например, в отверстии 238 с ветвью 234), для того чтобы придать внешним отверстиям (например, отверстию 238 с ветвями 232 и 236) при их формировании такое направление, чтобы эти внешние отверстия пересекались в центральном отверстии. Сначала может быть сформировано центральное отверстие с использованием общепринятых методов бурения скважины. Контактный элемент 244 может быть снабжен раструбами, направляющими или фиксаторами для того, чтобы обеспечить в него ввод каждой из ветвей.

В некоторых вариантах выполнения два ответвления в отдельных скважинах пересекаются в одной контактной секции. На фиг. 11 представлен вариант выполнения двух нагревателей с ограничением температуры, соединенных вместе в одной контактной секции. Ответвления 232 и 234 включают в себя один или больше нагревательных элементов 244. Нагревательные элементы 244 могут включать в себя один или больше электрических проводников. В некоторых вариантах выполнения ответвления 232 и 234 электрически соединены в однофазной конфигурации, при этом одно из ответвлений смещено в сторону положительного потенциала относительно другого ответвления, в результате чего ток протекает внутри скважины через одно ответвление и возвращается через другое ответвление.

Нагревательные элементы 244 в ответвлениях 232 и 234 могут представлять собой нагреватели с ограничением температуры. В некоторых вариантах выполнения нагревательные элементы 244 представляют собой нагреватели в виде твердых стержней. Например, нагревательные элементы 244 могут представлять собой стержни, изготовленные из одного ферромагнитного электропроводного элемента, или составные проводники, которые включают в себя ферромагнитный материал. Во время начального нагрева, когда вода присутствует в нагреваемом пласте, может происходить утечка тока из нагревательных элементов 244 в углеводородный слой 240. Утечка тока в углеводородный слой 240 может резистивно нагревать углеводородный слой.

В некоторых вариантах выполнения (например, в пластах нефтеносных сланцев) в нагревательных элементах 244 не требуются поддерживающие элементы. Нагревательные элементы 244 могут быть частично или незначительно изогнуты, выполнены криволинейными, изготовленными с приданием им S-образной формы или могут быть изготовлены с приданием им спиралевидной формы, что обеспечивает возможность расширения и/или сжатия нагревательных элементов. В некоторых вариантах выполнения нагревательные элементы 244 в виде твердого стержня размещены в скважинах с малым диаметром (например, в скважинах с диаметром приблизительно 3 ³ / ₄ " (приблизительно 9,5 см)). Скважины с малым диаметром могут быть менее дорогостоящими при бурении или при формировании в последующем скважин с большим диаметром, и для них требуется вывоз меньшего количества бурового шлама.

В определенных вариантах осуществления участки ветвей 232 и 234, расположенные в покрывающем слое 242, снабжены изоляцией (например, полимерной изоляцией) для предотвращения нагревания покрывающего слоя. Нагревательные элементы 244 в углеводородсодержащем слое 240 могут быть расположены, по существу, вертикально и, по существу, параллельно друг другу. Внизу слоя 240, содержащего углеводороды, или вблизи низа ветвь 232 может быть направлена к ветви 234 для пересечения с ветвью 234 в контактной секции 248. Направленное бурение может быть осуществлено, например, с помощью Vector Magnetics LLC (Ithaca, New York, USA). Глубина контактной секции 248 зависит от длины изгиба ветви 232, необходимого для пересечения с ветвью 234. Например, при расстоянии между вертикальными участками ветвей 232 и 234, равном 12 м для формирования изгиба ветви 232 для её пересечения с ветвью 234, необходима длина 61 м.

На фиг. 12 показан вариант выполнения соединения ответвлений 232 и 234 в контактной секции 248. Нагревательные элементы 244 соединены с контактными элементами 246 в месте соединения или рядом с ним в контактной секции 248 и в углеводородном слое 240. Контактные элементы 246 могут представлять собой медный проводник или другой соответствующий электрический проводник. В некоторых вариантах выполнения контактный элемент 246 ответвления 234 представляет собой обкладку с отверстием 250. Контактный элемент 246 ответвления 232 пропускают через отверстие 250. Контактор 252 соединен с концом контактного элемента 246 ответвления 232. Контактор 252 обеспечивает электрическое соединение между контактными элементами ответвлений 232 и 234.

На фиг. 13 показан вариант выполнения соединения ответвлений 232 и 234 в контактной секции 248 с использованием контактного раствора 254 в контактной секции. Контактный раствор 254 помещают на участках ответвления 232 и/или участках ответвления 234 с контактными элементами 246. Контактный раствор 254 способствует электрическому контакту между контактными элементами 246. Контактный раствор 254 может представлять собой цемент на графитной основе, или другой цемент с высокой электропроводностью, или раствор (например, солевой раствор или другие ионные растворы).

В некоторых вариантах выполнения электрический контакт обеспечивается между контактными элементами 246 с использованием только контактного раствора 254. На фиг. 14 представлен вариант выполнения соединения ответвлений 232 и 234 в контактной секции 248 без контактора 252. Контактные элементы 246 могут прикасаться друг к другу или могут не прикасаться друг к другу в контактной секции 248. Электрический контакт между контактными элементами 246 в контактной секции 248 обеспечивается с использованием контактного раствора 254.

В некоторых вариантах выполнения контактные элементы 246 включают в себя одно или больше ребер или выступов. Ребра или выступы могут увеличивать площадь электрического контакта контактных элементов 246. В некоторых вариантах выполнения ответвления 232 и 234 (например, электрические проводники в нагревательных элементах 244) электрически соединяются вместе, но они физически не входят в контакт друг с другом. Электрическое соединение такого типа может быть выполнено, например, с использованием контактного раствора.

На фиг. 15 представлен вариант осуществления в виде трех нагревателей, соединенных с образованием конфигурации, соответствующей схеме трехфазной цепи. Ветви 232, 234, 236 проводника электрически подключены к трехфазному трансформатору 256. Трансформатор 256 может быть электрически изолированным трехфазным трансформатором. В определенных вариантах осуществления трансформатор 256 обеспечивает выходную мощность в трехфазной цепи с соединением звездой, как это показано на фиг. 15. Подвод к трансформатору 256 может быть выполнен по любой схеме подвода (например, по схеме треугольника, показанной на фиг. 15). Каждая из ветвей 232, 234, 236 снабжена вводными проводниками 258, которые располагаются в покрывающем слое и соединены с нагревательными элементами 244, находящимися в углеводородсодержащем слое 240. Вводные проводники 252 выполнены из меди и покрыты изолирующим слоем. Например, вводными проводниками 258 могут служить медные кабели 4-0 с изоляцией TEFLON ®, медный стержень с изоляцией из полиуретана или другие металлические проводники, например алюминий. Нагревательные элементы 244 могут представлять собой нагревательные элементы нагревателя с ограничением температуры. В одном варианте осуществления нагревательные элементы 244 выполнены в виде стержней из нержавеющей стали 410 (например, стержней из нержавеющей стали 410 диаметром 3,1 мм). В некоторых вариантах осуществления нагревательные элементы 244 представляют собой составные нагревательные элементы нагревателя с ограничением температуры (например, составные нагревательные элементы из меди, нержавеющей стали 347 и нержавеющей стали 410; составные нагревательные элементы из меди, нержавеющей стали 347 и железа или составные нагревательные элементы, выполненные из меди и нержавеющей стали 410). В определенных вариантах осуществления нагревательные элементы 244 имеют длину по меньшей мере от 10 до 2000 м, от 20 до 400 м или от 30 до 300 м.

В определенных вариантах осуществления нагревательные элементы 244 не защищены от углеводородсодержащего слоя 240 и флюидов углеводородсодержащего слоя. Следовательно, такие нагревательные элементы 244 представляют собой нагревательные элементы с "оголенным металлом" или "открытым металлом". Нагревательные элементы 244 могут быть изготовлены из такого материала, который обладает приемлемой скоростью сульфидирования при высоких температурах, используемых для пиролиза углеводородов. В определенных вариантах осуществления нагревательные элементы 244 выполнены из материала, имеющего скорость сульфидирования, которая уменьшается при повышении температуры в пределах, по меньшей мере, определенного интервала температур (например, от 530 до 650 °C), например, из нержавеющей стали 410. Применение таких материалов уменьшает проблемы коррозии благодаря серосодержащим пластовым газам (например, H ₂ S). Нагревательные элементы 242 могут быть выполнены также, по существу, инертными к электрохимической коррозии.

В некоторых вариантах осуществления нагревательные элементы 244 имеют тонкий слой электрической изоляции, например слой окиси алюминия или термически напыленное покрытие из окиси алюминия. В некоторых вариантах осуществления тонкий электрически изолирующий слой представляет собой эмалевое покрытие из керамического композиционного материала. Указанные эмалевые покрытия включают, но не в качестве ограничения, высокотемпературные эмали. Высокотемпературные эмали могут включать в себя диоксид кремния, оксид бора, оксид алюминия и окиси щелочно-земельных металлов (CaO или MgO) и незначительные содержания окислов щелочных металлов (Na ₂ O, K ₂ O, LiO). Эмалевые покрытия наносят в виде тонко измельченной суспензии посредством погружения нагревательного элемента в суспензию или путем нанесения на нагревательный элемент покрытия методом распыления с использованием суспензии. Покрытый нагревательный элемент затем нагревают в печи до тех пор, пока не будет достигнута температура стеклования, так что суспензия растекается по поверхности нагревательного элемента и образует эмалевое покрытие. Эмалевое покрытие при охлаждении ниже температуры стеклования дает усадку, так что покрытие находится в сжатом состоянии. Поэтому когда во время работы покрытие нагревателя нагревается, оно способно к расширению вместе с нагревателем без разрушения.

Тонкий электрически изолирующий слой имеет низкое термическое сопротивление, позволяющее осуществлять передачу теплоты от нагревательного элемента к пласту и в то же время предотвращающее утечки тока между нагревательными элементами вблизи отверстий и ток утечки в пласт. В определенных вариантах осуществления тонкий электрически изолирующий слой стабилен при температурах выше по меньшей мере 350, выше 500 или выше 800 °C. В определенных вариантах осуществления тонкий электрически изолирующий слой имеет коэффициент излучения, по меньшей мере равный 0,7, по меньшей мере 0,8 или по меньшей мере 0,9. Применение тонкого электрически изолирующего слоя позволяет использовать в пласте нагреватели большой длины при низких токах утечки.

Нагревательные элементы 244 могут быть присоединены к контактным элементам 246 в зоне подстилающего слоя пласта или вблизи него. Контактные элементы 246 представляют собой медные или алюминиевые стержни или другие материалы с высокой электропроводностью. В определенных вариантах осуществления между вводными проводниками 258 и нагревательными элементами 244 и/или между нагревательными элементами 244 и контактными элементами 246 размещают переходные участки 260. Переходные участки 260 могут быть выполнены из токопроводящего и одновременно коррозионно-стойкого материала, например из нержавеющей стали 347, окружающего снаружи медную сердцевину. В определенных вариантах осуществления переходные участки 260 выполнены из материалов, которые электрически соединяют вводные проводники 258 и нагревательные элементы 244 и в то же время выделяют незначительную тепловую мощность или вообще её не выделяют. Таким образом, переходные участки 260 помогают предотвратить перегрев проводников и изоляторов, используемых во вводных проводниках 258 за счет разделения вводных проводников и нагревательных элементов 244. Переходный участок 260 может иметь длину от 3 до 9 м (например, длину 6 м).

Для электрического соединения ветвей 232, 234, 236 друг с другом контактные элементы 246 соединены на контактном участке 248 с контактором 252. В некоторых вариантах осуществления для электрического соединения контактных элементов 246 в контактном участке 248 в этот контактный участок заливают контактный раствор 254 (например, токопроводящий цемент). В определенных вариантах осуществления ветви 232, 234, 236, по существу, параллельны углеводородсодержащему слою 240, и ветвь 232 проходит, по существу, вертикально в контактный участок 248. Две другие ветви 234, 236 направлены (например, за счет направленного бурения стволов скважин) до пересечения с ветвью 232 на контактном участке 248.

Каждая ветвь 232, 234, 236 может представлять собой одну ветвь трехфазного нагревателя, так что эти ветви, по существу, электрически изолированы от других размещенных в пласте нагревателей и, по существу, электрически изолированы от самого пласта. Ветви 232, 234, 236 могут быть расположены с образованием треугольника так, что эти три ветви образуют трехфазный нагреватель по схеме соединения "треугольник". В одном варианте осуществления ветви 232, 234, 236 размещены с образованием соединения "треугольник" при расстоянии между ветвями, равном 12 м (каждая сторона треугольника имеет длину 12 м).

Как показано на фиг. 15, контактные элементы 246 ответвлений 232, 234, 236 могут быть соединены с использованием контакторов 252 и/или контактного раствора 254. В некоторых вариантах выполнения контактные элементы 246 ответвлений 232, 234, 236 физически соединены, например, с использованием пайки, сварки или других технологий. На фиг. 16 и 17 представлены варианты выполнения соединения контактных элементов 246 ответвлений 232, 234, 236. Ответвления 234, 236 могут входить в скважину ответвления 232 с любого требуемого направления. В одном варианте выполнения ответвления 234, 236 входят в скважину ответвления 232 приблизительно с одной стороны скважины, как показано на фиг. 16. В альтернативном варианте выполнения ответвления 234, 236 входят в скважину ответвления 232 приблизительно с противоположных сторон скважины, как показано на фиг. 17.

Контейнер 262 соединен с контактным элементом 246 ответвления 232. Контейнер 262 может быть припаян, приварен или другим способом электрически соединен с контактным элементом 246. Контейнер 262 выполнен в виде металлической оболочки или другого контейнера по меньшей мере с одним отверстием, предназначенным для установки в него одного или больше контактных элементов 246. В одном варианте выполнения контейнер 262 выполнен в виде оболочки, которая имеет отверстие для установки в него контактных элементов 246 от ответвлений 234, 236, как показано на фиг. 16. В некоторых вариантах выполнения скважины для ответвлений 234, 236 пробурены параллельно скважине для ответвления 232 через углеводородный слой, то есть слой, который должен быть нагрет, и направлены ниже углеводородного слоя для пересечения со скважиной ответвления 232 под углом от приблизительно 10 до приблизительно 20 ° от вертикали. Скважины могут быть пробурены направленно с использованием известных технологий, таких как технологии, используемые компанией Vector Magnetics, Inc.

В некоторых вариантах выполнения контактные элементы 246 входят в контакт с донной частью контейнера 262. Контактные элементы 246 могут входить в контакт с донной частью контейнера 262 и/или друг с другом для обеспечения электрического соединения между контактными элементами и/или контейнером. В некоторых вариантах выполнения оконечные участки контактных элементов 246 отожжены до "особо мягкого" состояния, что способствует входу в контейнер 262. В некоторых вариантах выполнения резина или другой смягчающий материал прикреплен на оконечных участках контактных элементов 246 для облегчения входа в контейнер 262. В некоторых вариантах выполнения контактные элементы 246 включают в себя сетчатые секции, такие как шарнирно коленчатые секции или шарнирно коленчатые секции с ограниченным поворотом, для облегчения входа в контейнер 262.

В некоторых вариантах выполнения материал электрического соединения помещен в контейнер 262. Материал электрического соединения может формировать облицовку стенок контейнера 262 или может заполнять часть контейнера. В некоторых вариантах выполнения материал электрического соединения нанесен в виде облицовки в верхней части, такой как часть в форме воронки, как показано на фиг. 18, контейнера 262. Материал электрического соединения включает в себя один или больше материалов, которые при активации (например, при нагреве, поджиге, взрыве, комбинировании, смешении и/или реакции) образуют материал, который электрически соединяет один или больше элементов друг с другом. В некоторых вариантах выполнения соединительный материал электрически соединяет контактные элементы 246 в контейнере 262. В некоторых вариантах выполнения соединительный материал металлически связывает контактные элементы 246 так, что контактные элементы металлически связываются друг с другом. В некоторых вариантах выполнения контейнер 262 первоначально заполняют полимерной жидкостью на водной основе с высокой вязкостью, которая предотвращает попадание бурового шлама или других материалов в контейнер до использования соединительного материала для соединения контактных элементов. Полимерная жидкость может представлять собой, но без ограничений, сшитый XC полимер (поставляемый компанией Baroid Industrial Drilling Products (Houston, Texas, USA), гель для гидравлического разрыва пласта или сшитый полиакриламидный гель.

В некоторых вариантах выполнения материал электрического соединения представляет собой низкотемпературный припой, который плавится при относительно низкой температуре и после охлаждения формирует электрическое соединение с открытыми металлическими поверхностями. В некоторых вариантах выполнения материал электрического соединения представляет собой припой, который плавится при температуре ниже точки кипения воды на глубине установки контейнера 262. В одном варианте выполнения материал электрического соединения содержит 58 мас.% висмута и 42 мас.% эвтектического сплава олова. Другие примеры таких припоев включают в себя, но без ограничений, 54 мас.% висмута, 16 мас.% олова, 30 мас.% сплава индия и 48 мас.% олова, 52% мас.% сплава индия. Такие низкотемпературные припои вытесняют воду после плавления, в результате чего вода перемещается в верхнюю часть контейнера 262. Вода в верхней части контейнера 262 может сдерживать передачу тепла в контейнер и обеспечивает тепловую изоляцию для низкотемпературного припоя, в результате чего припой остается при более низкой температуре и не плавится во время нагрева пласта, с использованием нагревательных элементов.

Контейнер 262 также можно нагревать для активации материала электрического соединения, что способствует соединению контактных элементов 246. В некоторых вариантах выполнения контейнер 262 нагревают для плавления материала электрического соединения в контейнере. Материал электрического соединения течет при плавлении и окружает контактные элементы 246 в контейнере 262. Любая вода, присутствующая в контейнере 262, будет всплывать на поверхность металла при плавлении металла. Материал электрического соединения остывает и электрически соединяет контактные элементы 246 друг с другом. В некоторых вариантах выполнения контактные элементы 246 ответвлений 234, 236 внутренних стенок контейнера 262 и/или нижней части контейнера заранее подвергают лужению материалом электрического соединения.

Оконечные участки контактных элементов 246 ответвлений 232, 234, 236 могут иметь формы и/или свойства, которые улучшают электрическое соединение между контактными элементами и соединительным материалом. Формы и/или свойства контактных элементов 246 могут быть такими, что они улучшают физическую прочность соединения между контактными элементами и соединительным материалом (например, форма и/или свойства контактных элементов могут закреплять контактный элемент в соединительном материале). Формы и/или свойства конечных участков контактных элементов 246 включают в себя, но не ограничиваются этим, канавки, выемки, скважины, резьбу, зазубренные кромки, каналы и участки с пустыми концами. В некоторых вариантах выполнения формы и/или свойства оконечных участков контактных элементов 246 первоначально подвергают лужению материалом электрического соединения.

На фиг. 18 представлен вариант выполнения контейнера 262 с инициатором для плавления соединительного материала. Инициатор представляет собой электрорезистивный нагревательный элемент или любой другой элемент, который обеспечивает тепло, которое активирует или плавит соединительный материал в контейнере 262. В некоторых вариантах выполнения нагревательный элемент 264 представляет собой нагревательный элемент, расположенный в стенках контейнера 262. В некоторых вариантах выполнения нагревательный элемент 264 расположен с внешней стороны контейнера 262. Нагревательный элемент 264 может представлять собой, например, нихромовый провод, проводник с минеральной изоляцией, проводник с полимерной изоляцией, кабель или ленту, которая расположена внутри стенок контейнера 262 или снаружи контейнера. В некоторых вариантах выполнения нагревательный элемент 264 обернут вокруг внутренних стенок контейнера или вокруг внешних стенок контейнера. Подводящий провод 266 может быть соединен с источником питания на поверхности пласта. Отводящий провод 268 может быть соединен с источником питания на поверхности пласта. Подводящий провод 266 и/или отводящий провод 268 может быть соединен вдоль его длины с ответвлением 232 для механической поддержки. Подводящий провод 266 и/или отводящий провод 268 могут быть удалены из скважины после плавления соединительного материала. Подводящий провод 266 и/или отводящий провод 268 можно повторно использовать в других скважинах.

В некоторых вариантах выполнения контейнер 262 имеет форму туннеля, как показано на фиг. 18, что упрощает ввод контактных элементов 246 в контейнер. В некоторых вариантах выполнения контейнер 262 изготовлен из или включает в себя медь для обеспечения хорошей электрической и тепловой проводимости. Медный контейнер 262 обеспечивает хороший электрический контакт с контактными элементами (такими как контактные элементы 246, показанные на фиг. 16 и 17), если контактные элементы касаются стенок и/или дна контейнера.

На фиг. 19 представлен вариант выполнения контейнера 262 с шарообразными деталями на контактных элементах 246. Выступы 270 могут быть соединены с нижним участком контактных элементов 246. Выступы 272 могут быть соединены с внутренней стенкой контейнера 262. Выступы 270, 272 могут быть изготовлены из меди или другого соответствующего электропроводного материала. Нижняя часть контактирующего элемента 246 ответвления 236 может быть выполнена с приданием ей шаровидной формы, как показано на фиг. 19. В некоторых вариантах выполнения контактный элемент 246 ответвления 236 вставляют в контейнер 262. Контактные элементы 246 ответвления 234 вставляют после вставки контактирующего элемента 246 ответвления 236. Оба ответвления затем можно одновременно потянуть вверх. Выступы 270 могут зафиксировать контактные элементы 246 на месте при упоре их в выступы 272 контейнера 262. При этом фрикционная подгонка образуется между контактными элементами 246 и выступами 270, 272.

Нижние участки контактных элементов 246 внутри контейнера 262 могут включать в себя нержавеющую сталь 410 или любой другой электрический проводник, выделяющий тепло. Участки контактных элементов 246, расположенные над выделяющими тепло участками контактных элементов, включают в себя медь или другой электропроводный материал с высокой электрической проводимостью. Центраторы 273 могут быть установлены на участках контактных элементов 246, над участками контактных элементов, выделяющими тепло. Центраторы 273 предотвращают физический и электрический контакт участков контактных элементов 246 над участками, генерирующими тепло контактных элементов, со стенками контейнера 262.

Когда контактные элементы 246 зафиксированы на месте внутри контейнера 262 выступами 270, 272, по меньшей мере, некоторый электрический ток может протекать между контактными элементами через выступы. Когда электрический ток протекает через участки контактных элементов 246, выделяющие тепло, в контейнере 262 выделяется тепло. Выделяемое тепло может плавить соединительный материал 274, установленный внутри контейнера 262. Вода, находящаяся в контейнере 262, может кипеть. Кипящая вода может передавать тепло в верхние участки контейнера 262 и может способствовать плавлению соединительного материала 274. Стенки контейнера 262 могут быть теплоизолированы для уменьшения потерь тепла за пределы контейнера и обеспечения более быстрого нагрева внутренней части контейнера. Соединительный материал 274 протекает вниз в нижнюю часть контейнера 262 по мере плавления соединительного материала. Соединительный материал 274 заполняет нижнюю часть контейнера 262 до тех пор, пока участки теплоконтактных элементов 246, выделяющие тепло, не будут расположены ниже линии заполнения соединительного материала. Соединительный материал 274 затем электрически соединяет участки контактных элементов 246 над участками контактных элементов, выделяющих тепло. Сопротивление контактных элементов 246 уменьшается в этой точке, и тепло больше не выделяется в контактных элементах, и соединительный материал остывает.

В конкретных вариантах выполнения контейнер 262 включает в себя изолирующий слой 275 внутри корпуса контейнера. Изолирующий слой 275 может включать в себя теплоизолирующие материалы, которые препятствуют потерям тепла из резервуара. Например, изолирующий слой 275 может включать в себя окись магния, нитрид кремния или другие теплоизолирующие материалы, которые выдерживают рабочие температуры в контейнере 262. В некоторых вариантах выполнения контейнер 262 включает в себя обкладку 277 на внутренней поверхности контейнера. Обкладка 277 может увеличивать электропроводность внутри контейнера 262. Обкладка 277 может включать в себя электропроводные материалы, такие как медь или алюминий.

На фиг. 20 представлен альтернативный вариант выполнения контейнера 262. Соединительный материал в контейнере 262 включает в себя порошок 276. Порошок 276 представляет собой химическую смесь, которая производит продукт в виде расплавленного металла в результате химической реакции смеси. В одном варианте выполнения порошок 276 представляет собой термитный порошок. Порошок 276 распределен по стенкам контейнера 262 и/или помещен внутри контейнера. Воспламенитель 278 расположен в порошке 276. Воспламенитель 278 может представлять собой, например, магниевую ленту, которая при активации воспламеняет реакцию порошка 276. При реакции порошка 276 расплавленный металл, формирующийся в результате реакции, протекает и окружает контактные элементы 246, помещенные в контейнер 262. Когда расплавленный металл остывает, этот остывший металл электрически соединяет контактные элементы 246. В некоторых вариантах выполнения порошок 276 используется в комбинации с другим соединительным материалом, таким как низкотемпературный припой, для соединения контактных элементов 246. Тепло, выделяющееся в результате реакции порошка 276, можно использовать для плавления низкотемпературного припоя.

В некоторых вариантах выполнения в контейнере 262 размещают взрывной элемент, представленный на фиг. 16 или 20. Взрывной элемент может представлять собой, например, взрывчатое вещество в виде формованного заряда или другой управляемый взрывчатый элемент. Взрывчатый элемент может быть подорван для обжима вместе контактных элементов 246 и/или контейнера 262, в результате чего контактные элементы и контейнер электрически соединяются. В некоторых вариантах выполнения взрывчатый элемент используется в комбинации с материалом электрического соединения, таким как низкотемпературный припой или термитный порошок, для электрического соединения контактных элементов 246.

На фиг. 21 показан альтернативный вариант выполнения соединения контактных элементов 246 ответвлений 232, 234, 236. Контейнер 262А соединен с контактным элементом 246 ответвления 234. Контейнер 262В соединен с контактным элементом 246 ответвления 236. Контейнер 262В имеет такие размеры и форму, что он может быть помещен внутри контейнера 262А. Контейнер 262С соединен с контактным элементом 246 ответвления 232. Контейнер 262С имеет такие размеры и форму, что его можно поместить внутри контейнера 262В. В некоторых вариантах выполнения контактный элемент 246 ответвления 232 размещают в контейнере 262В без соединения контейнера с контактным элементом. Один или больше контейнеров 262А, 262В, 262С могут быть заполнены соединительным материалом, который активируют для обеспечения электрического соединения между контактными элементами 246, как описано выше.

На фиг. 22 показан на виде сбоку вариант выполнения соединения контактных элементов с использованием нагревательных элементов с ограничением температуры. Контактные элементы 246 ответвлений 232, 234, 236 могут иметь изоляцию 280 на участках контактных элементов, расположенных над контейнером 262. Контейнер 262 может иметь форму и/или может быть выполнен с направляющими в верхней части для направления при вставке контактных элементов 246 в контейнер. Соединительный материал 274 может быть расположен внутри контейнера 262, в верхней части контейнера или рядом с ней. Соединительный материал 274 может представлять собой, например, материал припоя. В некоторых вариантах выполнения внутренние стенки контейнера 262 предварительно покрыты соединительным материалом или другим электропроводным материалом, таким как медь или алюминий. Центраторы 273 могут быть соединены с контактными элементами 246 для поддержания зазора между контактными элементами в контейнере 262. Контейнер 262 может быть выполнен с приданием ему конусной формы в нижней части для сближения вместе нижних участков контактных элементов 246 для обеспечения, по меньшей мере, некоторого электрического контакта между нижними участками контактных элементов.

Нагревательные элементы 282 могут быть соединены с участками контактных элементов 246, находящихся внутри контейнера 262. Нагревательные элементы 282 могут включать в себя ферромагнитные материалы, такие как железо или нержавеющая сталь. В другом варианте выполнения нагревательные элементы 282 представляют собой железные цилиндры, надетые на контактные элементы 246. Нагревательные элементы 282 могут быть выполнены таких размеров и из таких материалов, что в контейнере 262 будет выделяться требуемое количество тепла. В некоторых вариантах выполнения стенки контейнера 262 теплоизолированы слоем 275 изоляции, как показано на фиг. 22, для предотвращения потерь тепла из контейнера. Нагревательные элементы 282 могут быть расположены на некотором расстоянии друг от друга, в результате чего контактные элементы 246 имеют один или больше участков открытого материала внутри контейнера 262. Открытые участки включают в себя открытую медь или другой соответствующий электропроводный материал с высокой проводимостью. Открытые участки обеспечивают лучший электрический контакт между контактными элементами 246 и соединительным материалом 274, после того как соединительный материал расплавится, заполнит контейнер 262 и остынет.

В некоторых вариантах выполнения нагревательные элементы 282 работают как нагреватели с ограничением температуры, когда изменяющийся по времени ток пропускают через нагревательные элементы. Например, переменный ток с частотой 400 Гц может быть подан в нагревательные элементы 282. Подача изменяющегося по времени тока в контактные элементы 246 приводит к тому, что нагревательные элементы 282 будут выделять тепло и будут плавить соединительный материал 274. Нагревательные элементы 282 могут работать как нагревательные элементы с ограничением температуры с самостоятельным ограничением температуры, выбранным так, чтобы соединительный материал 274 не перегревался. По мере того как соединительный материал 274 заполняет контейнер 262, соединительный материал образует электрический контакт между участками открытого материала на контактных элементах 246, и электрический ток начинает протекать через открытые участки материала, а не через нагревательные элементы 282. Таким образом, электрическое сопротивление между контактными элементами уменьшается. Когда это происходит, температура внутри контейнера 262 начинает уменьшаться, и соединительный материал 274 может остывать, создавая участок электрического контакта между контактными элементами 246. В некоторых вариантах выполнения электрическое питание для контактных элементов 246 и нагревательных элементов 282 отключают, когда электрическое сопротивление в системе падает ниже выбранного сопротивления. Выбранное сопротивление может обозначать, что соединительный материал в достаточной степени электрически соединил контактные элементы. В некоторых вариантах выполнения электрическое питание подают в контактные элементы 246 и нагревательные элементы 282 в течение выбранного периода времени, которое определяют для передачи достаточного количества тепла, для плавления массы соединительного материала 274, предусмотренного в контейнере 262.

На фиг. 23 показан вид сбоку альтернативного варианта выполнения соединительных контактных элементов с использованием нагревательных элементов с ограничением температуры. Контактные элементы 246 ответвления 232 могут быть соединены с контейнером 262 с использованием сварки, пайки твердым припоем или другого соответствующего способа. Нижние участки контактирующего элемента 246 ответвления 236 могут иметь шарообразную форму. Контактный элемент 246 ответвления 236 вставляют в контейнер 262. Контактный элемент 246 ответвления 234 вставляют после вставки контактирующего элемента 246 ответвления 236. Оба ответвления затем могут быть одновременно вытянуты вверх. Выступы 272 могут фиксировать контактные элементы 246 на месте, и может возникнуть фрикционная подгонка между контактными элементами 246. Центраторы 273 могут предотвращать электрический контакт между верхними участками контактных элементов 246.

Изменяющийся по времени электрический ток может быть подан в контактные элементы 246, в результате чего нагревательные элементы 282 выделяют тепло. Выделяемое тепло может плавить соединительный материал 274, расположенный в контейнере 262, после чего ему дают остыть, как описано в варианте выполнения, представленном на фиг. 22. После охлаждения соединительного материала 274 контактные элементы 246 ответвлений 234, 236, показанных на фиг. 23, электрически соединяются в контейнере 262 с соединительным материалом. В некоторых вариантах выполнения нижние участки контактных элементов 246 имеют выступы или отверстия, которые закрепляют контактные элементы в охлажденном соединительном материале. Открытые участки контактных элементов обеспечивают цепь с низким электрическим сопротивлением между контактными элементами и соединительным материалом.

На фиг. 24 показан вид сбоку другого альтернативного варианта выполнения соединения контактных элементов с использованием нагревательных элементов с ограничением температуры. Контактный элемент 246 ответвления 232 может быть соединен с контейнером 262 с использованием сварки, пайки твердым припоем или другого соответствующего способа. Нижний участок контактирующего элемента 246 ответвления 236 может иметь шарообразную форму. Контактный элемент 246 ответвления 236 вставляют в контейнер 262. Контактный элемент 246 ответвления 234 вставляют после вставки контактирующего элемента 246 ответвления 236. Оба ответвления затем можно одновременно потянуть вверх. Выступы 272 могут зафиксировать контактные элементы 246 на месте, и между контактными элементами 246 может возникнуть фрикционная подгонка. Центраторы 273 могут предотвратить электрический контакт между верхними участками контактных элементов 246.

Концы 246В контактных элементов 246 могут быть изготовлены из ферромагнитного материала, такого как нержавеющая сталь 410. Участки 246А могут включать в себя неферромагнитный электропроводный материал, такой как медь или алюминий. Изменяющийся во времени электрический ток может быть подан в контактные элементы 246, в результате чего концы участков 246В выделяют тепло из-за сопротивления концов. Выделяемое тепло может плавить соединительный материал 274, расположенный в контейнере 262 и который затем остывает, как описано в варианте выполнения, представленном на фиг. 22. После охлаждения соединительного материала 274 контактные элементы 246 ответвлений 234, 236, показанные на фиг. 23, электрически соединяются в контейнере 262 с соединительным материалом. Участки 246А могут находиться ниже линии заполнения соединительного материала 274, в результате чего эти участки контактных элементов обеспечивают цепь с малым электрическим сопротивлением между контактными элементами и соединительным материалом.

На фиг. 25 показан вид сбоку альтернативного варианта выполнения соединительных контактных элементов трех ответвлений нагревателя. На фиг. 26 показан вид сверху альтернативного варианта выполнения соединительных контактных элементов трех ответвлений нагревателя, представленных на фиг. 25. Контейнер 262 может включать в себя внутренний контейнер 284 и внешний контейнер 286. Внутренний контейнер 284 может быть изготовлен из меди или другого мягкого, электропроводного металла, такого как алюминий. Внешний контейнер 286 может быть изготовлен из жесткого материала, такого как нержавеющая сталь. Внешний контейнер 286 защищает внутренний контейнер 284 и его содержание от окружающей среды снаружи контейнера 262.

Внутренний контейнер 284 может быть выполнен, по существу, сплошным с двумя отверстиями 288 и 290. Внутренний контейнер 284 соединен с контактным элементом 246 ответвления 232. Например, внутренний контейнер 284 может быть приварен или припаян твердым припоем к контактирующему элементу 246 ответвления 232. Скважины 288, 290 имеют такую форму, которая обеспечивает возможность ввода контактных элементов 246 ответвлений 234, 236 в скважины, как показано на фиг. 25. Воронки или другие направляющие механизмы могут быть соединены с входом отверстий 288, 290 для направления контактных элементов 246 ответвлений 234, 236 в скважины. Контактные элементы 246 ответвлений 232, 234, 236 могут быть изготовлены из того же материала, что и внутренний контейнер 284.

Взрывчатые элементы 292 могут быть соединены с внешней стенкой внутреннего контейнера 284. В некоторых вариантах выполнения взрывчатые элементы 292 выполнены как удлиненные взрывчатые полосы, которые продолжаются вдоль внешней стенки внутреннего контейнера 284. Взрывчатые элементы 292 могут быть установлены вдоль внешней стенки внутреннего контейнера 284 так, чтобы взрывчатые элементы были выровнены по центру или рядом с центрами контактных элементов 246, как показано на фиг. 26. Взрывчатые элементы 292 установлены в этой конфигурации таким образом, чтобы энергия взрыва взрывчатых элементов обеспечивала проталкивание контактных элементов 246 в направлении к центру внутреннего контейнера 284.

Взрывчатые элементы 292 могут быть соединены с батареей 294 и таймером 296. Батарея 294 может обеспечивать питание для взрывчатых элементов 292 для инициирования взрыва. Таймер 296 может использоваться для управления временем воспламенения взрывчатых элементов 292. Батарея 294 и таймер 296 могут быть соединены с триггерами 298. Триггеры 298 могут быть расположены в скважинах 288, 290. Контактные элементы 246 могут инициировать триггеры 298, когда контактные элементы помещают в скважины 288, 290. При переключении обоих триггеров 298 в скважинах 288, 290 таймер 296 может инициировать обратный отсчет для воспламенения взрывчатых элементов 292. Таким образом, управляют взрывом взрывчатых элементов 292, что происходит только после того, как контактные элементы 246 будут установлены в достаточной степени в скважины 288, 290, в результате чего электрический контакт может быть сформирован между контактными элементами и внутренним контейнером 284 после взрыва. Взрыв взрывчатых элементов 292 приводит к обжиму контактных элементов 246 и внутреннего контейнера 284 для формирования электрического контакта между контактными элементами и внутренним контейнером. В некоторых вариантах выполнения взрывчатые элементы 292 воспламеняют снизу в направлении к верхней части внутреннего контейнера 284. Взрывчатые элементы 292 могут быть выполнены такой длины и с такой мощностью взрыва (шириной полосы), которые обеспечивают оптимальный электрический контакт между контактными элементами 246 и внутренним контейнером 284.

В некоторых вариантах выполнения триггеры 298, батарея 294 и таймер 296 можно использовать для воспламенения порошка (например, медного термитного порошка) внутри контейнера (например, контейнера 262 или внутреннего контейнера 284). Батарея 294 может воспламенять магниевую полосу или другое устройство воспламенения в порошке для инициирования реакции порошка, для формирования расплавленного металлического продукта, расплавленный металлический продукт может протекать и затем может остывать, образуя электрический контакт с контактными элементами.

В некоторых вариантах выполнения электрическое соединение сформировано между контактными элементами 246 с использованием механического средства. На фиг. 27 представлен вариант выполнения контактирующего элемента 246 со щеточным контактором. Щеточный контактор 300 соединен с нижним участком контактирующего элемента 246. Щеточный контактор 300 может быть изготовлен из мягкого электропроводного материала, такого как медь или алюминий. Щеточный контактор 300 может представлять собой полотно из материала, которое выполнено сжимаемым и/или гибким. Центратор 273 может быть расположен в нижней части контактирующего элемента 246 или рядом с ним.

На фиг. 28 представлен вариант выполнения соединения контактных элементов 246 с использованием щеточных контакторов 300. Щеточные контакторы 300 соединены с каждым контактным элементом 246 ответвлений 232, 234, 236. Щеточные контакторы 300 прижимаются друг к другу и взаимно зацепляются, образуя электрическое соединение между контактными элементами 246 ответвлений 232, 234, 236. Центраторы 273 поддерживают промежуток между контактными элементами 246 ответвлений 232, 234, 236, исключая взаимную помеху и/или проблемы, связанные с зазором между контактными элементами.

В некоторых вариантах выполнения контактные элементы 246 (показанные на фиг. 16-28) соединены в зоне пласта, которая является более холодной, чем нагреваемый слой пласта (например, в расположенных ниже слоях пласта). Контактные элементы 246 соединяют в более холодной зоне для предотвращения плавления соединительного материала и/или деградации электрического соединения между элементами во время нагрева углеводородного слоя над более холодной зоной. В некоторых вариантах выполнения контактные элементы 246 соединяют в зоне, которая расположена по меньшей мере приблизительно на 3, по меньшей мере приблизительно на 6 или по меньшей мере приблизительно на 9 м ниже нагреваемого слоя пласта. В некоторых вариантах выполнения зона имеет уровень стоячей воды, расположенный выше глубины контейнеров 262.

Дальнейшие модификации и альтернативные варианты выполнения различных аспектов изобретения будут очевидны для специалистов в данной области техники после чтения данного описания. В соответствии с этим, данное описание следует рассматривать только как иллюстрацию, и цель его состоит в представлении для специалистов в данной области уровня техники общего подхода при выполнении изобретения. Следует понимать, что показанные и описанные здесь формы изобретения следует учитывать как предпочтительные в настоящее время варианты выполнения. Представленные и описанные здесь детали могут быть заменены другими элементами и материалами, и процессы могут быть выполнены в обратном направлении, и определенные свойства изобретения могут использоваться независимо, как будет понятно для специалистов в данной области техники после чтения описания настоящего изобретения. Изменения могут быть выполнены в описанных здесь элементах, без отхода от сущности и объема изобретения, которые описаны в следующей формуле изобретения. Кроме того, следует понимать, что признаки, описанные здесь независимо, в некоторых вариантах выполнения могут быть скомбинированы.