利用非鐵磁導體的溫度限制加熱器的製作方法

2023-10-18 02:39:39

專利名稱：利用非鐵磁導體的溫度限制加熱器的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及用於從各種地下地層例如含烴地層加熱和生產烴、氫和/或其它產品的方法和系統。實施例涉及用於加熱地下地層的溫度限制加熱器。

背景技術：
從地下地層獲取的烴通常用作能源、原料和消費品。對可利用烴資源枯竭的擔憂以及對所生產的烴總體質量下降的擔憂引起對用於可利用烴資源更高效回收、加工和/或使用的工藝的開展。現場工藝可用來從地下地層中開採烴材料。地下地層中的烴材料的化學性質和/或物理性質可能需要改變，以便更容易地從地下地層中開採烴材料。化學變化和物理變化可包括產生可開採流體的現場反應、地層中烴材料的組成變化、可溶性變化、密度變化、相變和/或粘度變化。流體可以是氣體、液體、乳液、泥漿和/或具有類似於液體流動的流動特性的固體顆粒流，但並不局限於這些。
加熱器可放置在井眼中，以在現場工藝期間加熱地層。運用井下加熱器的現場工藝的例子顯示在Ljungstrom的美國專利號2,634,961；Ljungstrom的美國專利號2,732,195；Ljungstrom的美國專利號2,780,450；Ljungstrom的美國專利號2,789,805；Ljungstrom的美國專利號2,923,535；和Van Meurs等的美國專利號4,886,118中。
在Ljungstrom的美國專利號2,923,535和Van Meurs等的美國專利號4,886,118中描述了加熱油頁巖層的應用。可以將熱量應用於油頁巖層，以熱解油頁巖層中的油母。熱量也可以破碎地層，以增加地層的滲透率。增大的滲透率可以使地層流體移動至生產井，在這裡，從油頁巖層中開採流體。在Ljungstrom披露的某些工藝中，例如，含氧氣態介質被引入滲透層，優選從預熱步驟起一直很熱以起動燃燒。
可以使用熱源加熱地下地層。可以使用電加熱器通過輻射和/或傳導加熱地下地層。電加熱器可以以電阻方式加熱元件。Germain的美國專利號2,548,360描述了一種電加熱元件，其被放置在井眼內的粘性油中。該加熱元件加熱油，並使之變稀，以允許油從井眼泵出。Eastlund等的美國專利號4,716,960描述了石油井的電加熱管，其通過使相對低壓的電流流過該管，來防止固體的形成。Van Egmond的美國專利號5,065,818描述了一種電加熱元件，其粘接到井孔中，不需要環繞加熱元件的殼體。
有些加熱器可能會由於在地層中存在熱點而損壞或故障。如果沿著加熱器的任意點上的溫度超過或即將超過加熱器的最高工作溫度，則必須減少整個加熱器的供電量，以避免在地層中的熱點上或熱點附近發生加熱器故障和/或地層過熱。有些加熱器直到加熱器達到某一溫度極限，才能沿加熱器長度提供均勻的熱量。有些加熱器不能有效地加熱地下地層。因而，具有這樣一種加熱器是非常有利的，所述加熱器沿加熱器長度提供均勻熱量；對地下地層進行有效地加熱；當加熱器的一部分接近選定溫度時提供自動溫度調節；和/或在低於選定溫度時具有大體上線性的磁性和高功率因子。


發明內容
在此所述的實施例總體上涉及用於處理地下地層的系統、方法和加熱器。在此所述的實施例總體上還涉及其中具有新部件的加熱器。利用在此所述的系統和方法可以獲得這種加熱器。
在某些實施例中，本發明提供了一種或多種系統、方法和/或加熱器。在有些實施例中，所述系統、方法和/或加熱器用於處理地下地層。
在某些實施例中，本發明提供了一種加熱器，包括鐵磁導體；和電耦合於所述鐵磁導體的電導體，其中，所述鐵磁導體相對於所述電導體設置，使得由鐵磁導體中隨時間變化的電流產生的電磁場在低於或接近選定溫度的溫度下將大部分電流流動約束在電導體。
在更進一步的實施例中，來自特定實施例的特徵可以與來自其它實施例的特徵組合。例如，來自一個實施例的特徵可以與來自任一其它實施例的特徵組合。
在更進一步的實施例中，利用在此所述的任一方法、系統或加熱器，進行地下地層的處理。
在更進一步的實施例中，附加特徵可以添加到在此所述的特定實施例中。



對本領域技術人員來說，通過下面的詳細描述，並參照附圖，本發明的優點將變得顯而易見，其中 圖1是含烴地層加熱階段的圖示。
圖2是用於處理含烴地層的現場轉化系統的一部分的實施例的示意圖。
圖3是管道內導體熱源的實施例的橫截面圖。
圖4是可移除的管道內導體熱源的實施例的橫截面圖。
圖5描繪了溫度限制加熱器的實施例，其中支撐構件在低於鐵磁導體的居裡溫度時提供大部分熱量輸出。
圖6和7描繪了溫度限制加熱器的實施例，其中護套在低於鐵磁導體的居裡溫度時提供大部分熱量輸出。
圖8A和8B是帶有三軸導體的溫度限制加熱器的實施例的橫截面圖。
圖9描繪了溫度限制加熱器的高溫實施例。
圖10描繪了對於具有銅芯體、碳鋼鐵磁導體和不鏽鋼347H不鏽鋼支撐構件的溫度限制加熱器在若干電流，通過實驗所測量的電阻-溫度關係； 圖11描繪了對於具有銅芯體、鐵-鈷鐵磁導體和不鏽鋼347H不鏽鋼支撐構件的溫度限制加熱器在若干電流，通過實驗所測量的電阻-溫度關係； 圖12描繪了對於具有銅芯體、碳鋼鐵磁導體和不鏽鋼347H不鏽鋼支撐構件的溫度限制加熱器在兩個交流電流，通過實驗所測量的功率因子-溫度關係； 圖13描繪了對於具有銅芯體、碳鋼鐵磁導體和不鏽鋼347H不鏽鋼支撐構件的溫度限制加熱器在若干電流，通過實驗所測量的調節比-最大輸送功率關係； 圖14描繪了對於所找到的相關性和碳鋼的原始數據的相對導磁率-磁場關係的例子。
圖15顯示了對於四個溫度和400A電流的集膚深度-磁場關係結果曲線。
圖16顯示了電流為300A、400A和500A時的實驗結果和數字(計算)結果之間的比較。
圖17顯示了與通過理論模型計算出的1100時的集膚深度有關的加熱元件的每英尺AC電阻。
圖18描繪了對於溫度限制加熱器而言的各個加熱器部件的每單位長度所產生的功率-集膚深度關係。
圖19A-C是溫度限制加熱器的電阻-溫度關係的理論計算結果與實驗數據的比較。
雖然本發明適合於各種變形和替代方式，但是，在附圖中通過舉例的方式給出了具體實施例，這些實施例在這裡將被詳細描述。附圖並不是按比例繪製的。但是，應當明白，附圖和詳細描述並不是要把本發明局限於所公開的具體形式，相反，本發明應當覆蓋落入由附帶的權利要求書所限定的本發明精神和範圍之內的所有改進、等同物或替代方案。

具體實施例方式 下面的描述總體上涉及用於處理地層中的烴的系統和方法。這些地層可以被處理以便生產烴類產品、氫和其它產品。
「烴」一般定義為主要由碳和氫原子形成的分子。烴還可以包括其它元素，例如滷素、金屬元素、氮、氧和/或硫，但並不局限於這些。烴可以是油母、瀝青、焦性瀝青、油、天然礦物蠟和瀝青巖，但並不局限於這些。烴可以位於地層的礦石母巖中或其附近。母巖可以包括沉積巖、砂巖、沉積石英巖、碳酸鹽巖、硅藻巖及其他多孔介質，但並不局限於這些。「烴流體」是包括烴的流體。烴流體可以包括、夾帶或者被夾帶在非烴流體中，例如氫、氮、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水和氨。
「地層」包括一個或多個含烴層、一個或多個非烴層、履蓋層和/或下伏地層。「履蓋層」和/或「下伏地層」包括一個或多個不同類型的不可滲透材料。例如，履蓋層和/或下伏地層可以包括巖石、頁巖、泥巖或溼的/緊密的碳酸鹽巖。在現場轉化工藝的一些實施例中，履蓋層和/或下伏地層可以包括一個含烴層或多個含烴層，在現場轉化工藝期間，這些含烴層是相對不滲透的，並且不受溫度影響，所述的現場轉化工藝導致履蓋層和/或下伏地層的含烴層特性發生明顯變化。例如，下伏地層可以包含頁巖或泥巖，但是在現場轉化工藝期間，下伏地層不允許被加熱到熱解溫度。在有些情況下，履蓋層和/或下伏地層可以稍微滲透。
「熱源」可以是主要通過熱傳導和/或熱輻射傳遞向地層的至少一部分提供熱量的任何系統。例如，熱源可包括電加熱器，例如設置在管道中的絕緣導體、細長構件和/或導體。熱源還可以包括通過在地層外或在地層內燃燒燃料而產生熱量的系統。該系統可以是表面燃燒器、井下氣體燃燒器、無焰分布燃燒室和自然分布燃燒室。在有些實施例中，提供給一個或多個熱源或在一個或多個熱源中產生的熱量可以由其它能源來供給。其它能源也可以直接加熱地層，或者將能量供給給傳遞介質，由傳遞介質直接或間接加熱地層。應當理解，向地層施加熱量的一個或多個熱源可以使用不同的能源。因而，例如，對於給定的地層，某些熱源可以從電阻加熱器供給熱量，有些熱源可以從燃燒提供熱量，有些熱源可以從一個或多個能源提供熱量(例如化學反應、太陽能、風能、生物量或其它再生能源)。化學反應可以包括放熱反應(例如氧化反應)。熱源還可以包括向緊鄰和/或圍繞加熱位置、例如加熱器井的區域提供熱量的加熱器。
「加熱器」是用於在井中或附近井眼區域產生熱量的任何系統或熱源。加熱器可以是電加熱器、燃燒器、與地層中的或從地層產生的材料反應的燃燒室和/或它們的組合，但並不局限於這些。
「現場轉化工藝」指的是從熱源加熱含烴地層以將至少一部分地層的溫度提高到熱解溫度以上的工藝，這樣，在地層中產生熱解流體。
「絕緣導體」是指任何細長材料，該細長材料能夠導電，並且它全部或部分地被電絕緣材料覆蓋。
細長構件可以是裸金屬加熱器或暴露金屬加熱器。「裸金屬」和「暴露金屬」是指不包括電絕緣層、例如礦物絕緣的金屬，電絕緣層設計成能在細長構件的整個工作溫度範圍內為金屬提供電絕緣。裸金屬和暴露金屬可以包含包括腐蝕抑制器、例如天然出現的氧化層、塗敷的氧化層和/或薄膜的金屬。裸金屬和暴露金屬包括帶有聚合物電絕緣或其它類型電絕緣的金屬，這些電絕緣在細長構件的典型工作溫度下不能保持電絕緣性質。這種材料可以放置在金屬上，在加熱器使用期間可以被熱降解。
「溫度限制加熱器」泛指無需利用外部控制、例如溫度控制器、功率調節器、整流器或其它裝置，就能在規定溫度以上調節熱量輸出(例如減小熱量輸出)的加熱器。溫度限制加熱器可以是AC(交流電)或調製(例如「突變」)DC(直流)供電的電阻加熱器。「居裡溫度」是在該溫度以上鐵磁材料失去其全部的鐵磁性質的溫度。除了在居裡溫度以上失去其全部鐵磁性質以外，當增大的電流通過該鐵磁材料時也開始失去其鐵磁性質。
「隨時間變化的電流」是指在鐵磁導體中產生集膚效應電荷流並且具有隨時間變化的幅度的電流。隨時間變化的電流既包括交流電(AC)，又包括調製直流電(DC)。
「交流電(AC)」是指隨時間大體上正弦地反向變化的電流。AC在鐵磁導體中生成集膚效應電荷流。
「調製直流電(DC)」是指任何大體上隨時間非正弦變化的電流，其在鐵磁導體中生成集膚效應電荷流。
溫度限制加熱器的「調節比」是指對於給定電流，在居裡溫度以下的最高AC或調製DC電阻與居裡溫度以上的最低電阻的比值。
在減少熱量輸出的加熱系統、設備和方法的上下文中，術語「自動」意思是這些系統、設備和方法以某種方式起作用，無需採用外部控制(例如諸如帶有溫度傳感器和反饋迴路的控制器、PID控制器或預測控制器的外部控制器)。
術語「井眼」是指通過鑽進或把管道插入地層內所形成在地層中的孔。井眼可以具有基本上圓形橫截面形狀或其它橫截面形狀。正如在此所使用的，當指的是地層中的開口時，術語「井」和「開口」可以與術語「井眼」互換地使用。
地層中的烴可以以各種方式處理以生產出許多不同的產品。在某些實施例中，地層中的烴被分階段處理。圖1示出了加熱含烴地層的多個階段。圖1還示出了從地層產生地層流體的每噸等量桶數(y軸)產量(「Y」)與加熱地層的攝氏度(x軸)溫度(「T」)之間的關係。
甲烷的解吸和水的汽化發生在階段1的加熱期間。可以儘可能快地執行通過階段1加熱地層。例如，當最初加熱含烴地層時，地層中的烴可以解吸吸附了的甲烷。解吸的甲烷可以從地層中開採出來。如果含烴地層被進一步加熱，含烴地層中的水就被汽化。在有些含烴地層中，水可能佔地層中孔隙容積的10％到50％。在有些地層中，水佔孔隙容積的更多或更少部分。在地層中，水通常在160℃到285℃之間、在600kPa絕對壓力到7000kPa絕對壓力之間汽化。在有些實施例中，汽化的水在地層中產生潤溼性變換，和/或增加地層壓力。潤溼性變化和/或增大的壓力可能會影響地層中的熱解反應或其它反應。在某些實施例中，汽化的水可以從地層中開採出來。在有些實施例中，汽化的水在地層中或地層外被用於蒸汽抽出和/或蒸餾。從地層中去除水和增加地層中孔隙容積，可以增大孔隙容積中烴的存儲空間。
在某些實施例中，在階段1加熱之後，地層被被進一步加熱，使得地層中的溫度達到(至少)初始熱解溫度(例如，如階段2所示的溫度範圍下端的溫度)。地層中烴的熱解可能貫穿整個階段2。熱解溫度隨著地層中烴的種類的不同而改變。熱解溫度範圍可以包括在250℃和900℃之間的溫度。用於生產所希望的產品的熱解溫度只延伸總熱解溫度範圍的一部分。在有些實施例中，用於生產所希望的產品的熱解溫度範圍可以包括在250℃和400℃之間的溫度或在270℃和350℃之間的溫度。如果地層中烴的溫度經過從250℃到400℃的溫度範圍慢慢升高，則在溫度接近400℃時基本上就可以完成熱解產品的生產。在用於生產所希望的產品的整個熱解溫度範圍內，烴的平均溫度可以以每天小於5℃、每天小於2℃、每天小於1℃或每天小於0.5℃的速度升高。通過使用多個熱源加熱含烴地層，可以在熱源周圍建立熱梯度，這些熱源在整個熱解溫度範圍內慢慢地升高地層中烴的溫度。
在對所希望的產品的整個熱解溫度範圍內，溫度增加速度可能會影響從含烴地層中產生地層流體的質量和數量。在對所希望的產品的整個熱解溫度範圍內，溫度的慢慢升高會阻止地層中大鏈式分子的活動。在對所希望的產品的整個熱解溫度範圍內，溫度的慢慢升高會制約生成不期望的產品的活動烴之間的反應。在對所希望的產品的整個熱解溫度範圍內，溫度的慢慢升高允許從地層中產生高質量、高API重度的烴。在對所希望的除去的整個熱解溫度範圍內，溫度的慢慢升高允許開採出存在於地層中的大量烴作為烴產品。
在有些現場轉化實施例中，一部分地層被加熱至所希望的溫度，而不是在整個溫度範圍內慢慢地加熱。在有些實施例中，所希望的溫度為300℃、325℃或350℃。也可以選擇其它溫度作為所希望的溫度。來自熱源的熱量的疊加，使得在地層中可以比較快速和有效地建立所希望的溫度。可以調節從熱源輸入到地層中的能量，以使地層中的溫度基本上保持在所希望的溫度上。地層中的被加熱部分基本上保持在所希望的溫度，直到熱解衰減，以致從地層中生產所希望的地層流體變得不經濟。受到熱解的部分地層可包括只通過一個熱源的熱傳遞來使其進入熱解溫度範圍內的區域。
在某些實施例中，包括熱解流體的地層流體從地層中被開採出來。隨著地層溫度的升高，產生的地層流體中可凝結烴的量會減少。在高溫下，地層主要產生甲烷和/或氫。如果在整個熱解範圍內加熱含烴地層，那麼，朝著熱解範圍的上限，地層只可產生少量的氫。在所有可利用氫耗盡之後，通常出現只能從地層中開採極小量的流體。
在烴熱解之後，大量的碳和一些氫仍然存在於地層中。以合成氣體的形式從地層中產生留在地層中的大部分碳。合成氣體的產生在如圖1所示的階段3加熱期間進行。階段3可以包括將含烴地層加熱至足以生成合成氣體的溫度。例如，在從400℃到1200℃、從500℃到1100℃或從550℃到1000℃的溫度範圍內可以產生合成氣體。當產生合成氣體的流體被引入到地層中時，地層中被加熱部分的溫度可以確定在地層中所產生的合成氣體的組成。通過一個或多個生產井可以從地層中開採出所生成的合成氣體。
貫穿熱解和合成氣體生成，從含烴地層中產生的流體總能量含量可以保持相對恆定。在較低地層溫度下熱解期間，大部分採出流體可能是具有高能量含量的可凝結烴。但是，在較高熱解溫度時，較少的地層流體包括可凝結烴。更多非凝結地層流體可以從地層中開採出來。在主要產生非凝結地層流體期間，採出流體的每單位體積能量含量可能會略微衰減。在產生合成氣體期間，與熱解流體相比，採出來的合成氣體的每單位體積能量含量衰減很明顯。但是，在許多情況下，採出來的合成氣體積將大大增加，從而補償減少的能量含量。
圖2是用於處理含烴地層的現場轉化系統的一部分的實施例的示意圖。現場轉化系統包括隔離井200。隔離井用來在處理區域周圍形成屏障。該屏障阻止流體流入和/或流出處理區域。隔離井包括脫水井、真空井、捕獲井、噴射井、灌漿井、凝固井或它們的組合，但並不局限於這些。在有些實施例中，隔離井200是脫水井。脫水井可以去除液態水和/或阻止液態水進入要被加熱的一部分地層或正在被加熱的一部分地層中。在圖2所示的實施例中，所示的隔離井200隻是沿著熱源202的一側延伸，但是，隔離井通常環繞在被用於或將被用於加熱地層的處理區域的所有熱源202周圍。
熱源202放置在至少一部分地層中。熱源202可以包括諸如絕緣導體的加熱器、管道內導體加熱器、表面燃燒器、無焰分布燃燒室和/或天然分布燃燒室。熱源202也可以包括其它類型的加熱器。熱源202向至少一部分地層提供熱量，以加熱地層中的烴。能量可通過供給管線204供給給熱源202。供給管線204的結構可以根據用於加熱地層的熱源類型的不同而不同。熱源的供給管線204可以為電加熱器傳輸電，可以為燃燒室輸送燃料，或者可以輸送在地層中循環的熱交換流體。
生產井206用於從地層中開採地層流體。在有些實施例中，生產井206可以包括一個或多個熱源。生產井中的熱源可以加熱在生產井處或靠近生產井的地層的一部分或多部分。生產井中的熱源可以阻止從地層中開採出來的地層流體的凝結和回流。
從生產井206產生的地層流體通過收集管路208輸送至處理設施210。地層流體也可以從熱源202產生。例如，流體可以從熱源202產生，以控制鄰近熱源的地層中的壓力。從熱源202產生的流體通過管或管路輸送至收集管路208，或者採出流體通過管或管路直接輸送至處理設施210。處理設施210可包括分離單元、反應單元、濃縮單元、燃料電池、渦輪、存儲容器和/或用於加工採出的地層流體的其它系統和單元。處理設施可以從由地層開採出來的至少一部分烴形成輸送燃料。
溫度限制加熱器可以具有多種構造，和/或可以包括在某些溫度下為加熱器提供自動溫度限制特性的材料。在某些實施例中，鐵磁材料被用於溫度限制加熱器中。鐵磁材料在該材料的居裡溫度或其附近可以自己限制溫度，以便在向該材料施加隨時間變化的電流時，在居裡溫度或其附近提供減少的熱量。在某些實施例中，鐵磁材料在選定溫度自我限制溫度限制加熱器的溫度，所述選定溫度大約是居裡溫度。在某些實施例中，選定溫度在居裡溫度的35℃之內、25℃之內、20℃之內或10℃之內。在某些實施例中，鐵磁材料與其它材料(例如高導材料、高強度材料、耐腐蝕材料或它們的組合)相結合，以提供各種電氣性能和/或機械性能。溫度限制加熱器的某些部分所具有的電阻比溫度限制加熱器的其它部分要低(這是由不同幾何形狀和/或利用不同的鐵磁材料和/或非鐵磁材料造成的)。通過使溫度限制加熱器的各個部分具有不同的材料和/或尺寸，就可以定製從加熱器的每個部分輸出所希望的熱量。
溫度限制加熱器可能比其它加熱器更可靠。溫度限制加熱器不易於因地層中的熱點而損壞或發生故障。在有些實施例中，溫度限制加熱器可以基本上均勻地加熱地層。在有些實施例中，溫度限制加熱器通過沿加熱器的整個長度以較高的平均熱量輸出進行操作，從而能夠更有效地加熱地層。溫度限制加熱器沿加熱器的整個長度以較高的平均熱量輸出進行操作，這是因為如果沿著加熱器任意點的溫度超過或即將超過加熱器的最高工作溫度，那麼針對整個加熱器而言，供給給加熱器的功率無需減少，而對於典型的恆定瓦特數的加熱器卻必須減少供給給加熱器的功率。從達到加熱器的居裡溫度的溫度限制加熱器的各部分輸出的熱量會自動減少，無需對施加給加熱器的隨時間變化的電流進行受控調節。由於溫度限制加熱器各部分的電氣性能(例如電阻)方面的變化，熱量輸出自動減少。因而，在加熱過程的較大部分期間，溫度限制加熱器能提供更大的功率。
在某些實施例中，當溫度限制加熱器由隨時間變化的電流激勵時，包括溫度限制加熱器的系統最初提供第一熱量輸出，然後在加熱器的電阻部分的居裡溫度附近、之處或之上提供減少的熱量輸出(第二熱量輸出)。第一熱量輸出是一定溫度時的熱量輸出，溫度限制加熱器在低於所述一定溫度時開始自我限制。在有些實施例中，第一熱量輸出是在低於溫度限制加熱器中鐵磁材料的居裡溫度的50℃、75℃、100℃或125℃溫度時的熱量輸出。
溫度限制加熱器可以由在井頭供給的隨時間變化的電流(交流電或調製直流電)激勵。井頭可以包括電源和其它用於向溫度限制加熱器供電的部件(例如調製部件、轉換器和/或電容器)。溫度限制加熱器可以是用於加熱一部分地層的許多加熱器之一。
在某些實施例中，溫度限制加熱器包括導體，當向該導體施加隨時間變化的電流時，該導體就作為一種集膚效應加熱器或鄰近效應加熱器操作。集膚效應限制電流滲透到該導體內的深度。對於鐵磁材料而言，集膚效應受導體的導磁率支配。鐵磁材料的相對導磁率典型在10到1000之間(例如，鐵磁材料的相對導磁率典型至少為10，可以至少為50、100、500、1000或以上)。隨著鐵磁材料的溫度升高到居裡溫度和/或隨著所施加的電流的增大，鐵磁材料的導磁率顯著減小，集膚深度快速增大(例如，集膚深度以導磁率的負二次方根增大)。導磁率的減小，導致在居裡溫度或該溫度附近、之處和/或隨著所施加的電流的增大，導體的AC或調製DC電阻減小。當溫度限制加熱器由基本上恆流的電源供電時，接近、達到或高於居裡溫度的加熱器部分可以減少熱耗損。不在居裡溫度之處或附近的溫度限制加熱器的部分可以由集膚效應加熱支配，這允許加熱器由於較高電阻負荷而具有高熱耗損。
利用溫度限制加熱器加熱地層中的烴的優點在於，導體被選擇成具有在所希望的工作溫度範圍內的居裡溫度。在所希望的工作溫度範圍內運行允許大量的熱被噴射到地層內，同時把溫度限制加熱器和其它設備的溫度保持在設計極限溫度以下。設計極限溫度是在這些溫度時諸如腐蝕、蠕變和/或變形的性能會受到不利的影響的溫度。溫度限制加熱器的溫度限制性能阻止鄰近地層中低導熱率「熱點」的加熱器過熱或燒壞。在有些實施例中，溫度限制加熱器能降低或控制熱量輸出和/或承受溫度高於25℃、37℃、100℃、250℃、500℃、700℃、800℃、900℃或高達1131℃的熱量，這取決於加熱器中所使用的材料。
與恆定瓦特數的加熱器相比，溫度限制加熱器允許更多的熱量噴射到地層內，這是因為輸入到溫度限制加熱器中的能量無需被限制成適應鄰近加熱器的低導熱率區域。例如，在Green River油頁巖中，最低富油頁巖層和最高富油頁巖層的導熱率存在至少係數為3的差別。當加熱這種地層時，與受到低導熱率層處的溫度限制的傳統加熱器相比，用溫度限制加熱器可以將更多的熱量傳遞給地層。沿著傳統加熱器整個長度的熱量輸出需要適應低導熱率層，以便使加熱器在低導熱率層不會過熱和燒壞。對於溫度限制加熱器而言，鄰近高溫下的導熱率層的熱量輸出將減少，但不處於高溫的溫度限制加熱器的其餘部分仍然會提供高的熱量輸出。因為用於加熱含烴地層的加熱器通常具有長的長度(例如至少10m、100m、300m、至少500m、1km或以上，直至10km)，所以，溫度限制加熱器的大部分長度可在居裡溫度以下工作，而只有一少部分在溫度限制加熱器的居裡溫度或其附近。
溫度限制加熱器的使用使得能夠高效地向地層傳遞熱量。通過高效地傳遞熱量，可以減少把地層加熱至所希望的溫度所需要的時間。對於相同的加熱器間隔，溫度限制加熱器可具有較大的平均熱量輸出，同時把加熱器設備的溫度保持在設備設計極限溫度以下。由於溫度限制加熱器所提供的平均熱量輸出要比恆定瓦特數加熱器所提供的平均熱量輸出大，地層中的熱解可以在更早的時間發生。由於井間距不精確，或者鑽井時加熱井靠得太近，溫度限制加熱器抵消熱點。在某些實施例中，對於間隔太遠的加熱井而言，溫度限制加熱器允許長時間地增大功率輸出，或者對於間隔太近的加熱井而言，允許限制功率輸出。溫度限制加熱器在鄰近履蓋層和下伏地層的區域也提供更大的功率，以補償這些區域中的溫度損失。
有利的是，溫度限制加熱器可以用於許多類型的地層中。例如，在瀝青砂地層或相對滲透的含重質烴地層中，溫度限制加熱器可用來提供可控制的低溫輸出，以便減少流體粘度，使流體流通和/或增強在井眼或其附近或在地層中的流體的徑向流動。溫度限制加熱器可以用來阻止由於地層的附近井眼區域過熱而引起過多的焦炭形成。
在有些實施例中，溫度限制加熱器的使用可以消除或減少對昂貴溫度控制迴路的需要。例如，溫度限制加熱器的使用，可以消除或減少對執行溫度測量的需要和/或在加熱器上利用固定熱電偶以監測熱點處的潛在過熱的需要。
在有些實施例中，溫度限制加熱器可能比標準加熱器更經濟地製造或製成。典型鐵磁材料包括鐵、碳鋼或鐵素體不鏽鋼。與絕緣導體(礦物絕緣電纜)加熱器中典型使用的鎳基加熱合金(例如鎳鉻合金、商標為KanthalTM(瑞典Bulten-Kanthal AB)和/或LOHMTM(美國新澤西州哈裡森Driver-Harris公司))相比，這些材料是便宜的。在溫度限制加熱器的一個實施例中，溫度限制加熱器以連續長度製造成絕緣導體加熱器，以便降低成本和提高可靠性。
溫度限制加熱器可用來加熱含烴地層，這些含烴地層包括油頁巖層、煤層、瀝青砂層和重粘性油，但並不局限於這些。溫度限制加熱器也可用在環境補救的領域中，以汽化或者破壞土壤汙染物。溫度限制加熱器的實施例可用來加熱井眼或海底管線內的流體，以阻止石蠟或各種水合物的沉積。在有些實施例中，溫度限制加熱器用於溶解開採地下地層(例如油頁巖或煤層)。在某些實施例中，流體(例如熔鹽)被放置到井眼中，並通過溫度限制加熱器來加熱，以阻止井眼的變形和/或塌陷。在有些實施例中，溫度限制加熱器附著於井眼中的抽油杆上，或者屬於抽油杆本身一部分。在有些實施例中，溫度限制加熱器用來加熱附近井眼區域，以在生產高粘性原油期間以及在把高粘性油輸送至地表期間減少附近井眼的油粘性。在有些實施例中，在沒有使油變成焦炭的情況下，溫度限制加熱器通過降低油的粘性，使粘性油氣體提升(gas lifting)。溫度限制加熱器可用於硫輸送管線中，使溫度保持在110℃到130℃之間。
溫度限制加熱器的某些實施例可用於溫度升高下的化學或者精煉工藝，這些工藝需要在較窄的溫度範圍內進行控制，以阻止由於局部溫度升高而引起不需要的化學反應或損壞。一些應用可包括反應器管、焦化裝置和蒸餾塔，但並不局限於這些。溫度限制加熱器也可以用於汙染控制裝置(例如催化轉化器和氧化裝置)，以允許在沒有複雜的溫度控制迴路的情況下快速加熱至控制溫度。另外，溫度限制加熱器可以用於食品加工，以避免由於溫度過高而損壞食品。溫度限制加熱器也可以用於金屬熱處理(例如焊接接頭的退火)。溫度限制加熱器也可以用於地板式加熱器、燒灼器和/或各種其它設備。溫度限制加熱器可以與活檢針一起使用，以通過升高體內溫度來破壞腫瘤。
溫度限制加熱器的一些實施例在某些類型的醫療和/或獸醫裝置中是有用的。例如，溫度限制加熱器可用來治療處理人類或動物組織。用於醫療或獸醫裝置的溫度限制加熱器具有鐵磁材料，鐵磁材料包括居裡溫度為50℃的鈀銅合金。高頻(例如大於1MHz的頻率)可用來驅動用於醫療和/或獸醫用途的較小的溫度限制加熱器。
用於溫度限制加熱器的鐵磁合金決定了加熱器的居裡溫度。在「美國物理學會手冊(American Institute of Physics Handbook)」第二版，McGraw-Hill，第5-170頁至5-176頁中列出了各種金屬的居裡溫度數據。鐵磁導體可以包括一種或多種鐵磁元素(鐵、鈷和鎳)和/或這些元素的合金。在有些實施例中，鐵磁導體包括包含鎢(W)(例如，HCM12A和SAVE12(日本Sumitomo Metals公司))的鐵-鉻(Fe-Cr)合金和/或包含鉻的鐵合金(例如Fe-Cr合金、Fe-Cr-W合金、Fe-Cr-V(釩)合金、Fe-Cr-Nb(鈮)合金)。在這三種主要的鐵磁元素中，鐵的居裡溫度大約為770℃；鈷(Co)的居裡溫度大約為1131℃；鎳的居裡溫度大約為358℃。鐵-鈷合金的居裡溫度高於鐵的居裡溫度。例如，具有2％重量比鈷的鐵-鈷合金的居裡溫度大約為800℃；具有12％重量比鈷的鐵-鈷合金的居裡溫度大約為900℃；具有20％重量比鈷的鐵-鈷合金的居裡溫度大約為950℃。鐵鎳合金的居裡溫度低於鐵的居裡溫度。例如，具有20％重量比鎳的鐵鎳合金的居裡溫度大約為720℃，具有60％重量比鎳的鐵鎳合金的居裡溫度大約為560℃。
用作合金的一些非鐵磁元素可以提高鐵的居裡溫度。例如，具有5.9％重量比釩的鐵-釩合金的居裡溫度大約為815℃。其它非鐵磁元素(例如碳、鋁、銅、矽和/或鉻)可以與鐵或其它鐵磁材料熔合，以降低居裡溫度。提高居裡溫度的非鐵磁材料可以與降低居裡溫度的非鐵磁材料相結合，並與鐵或其它鐵磁材料熔合，以製造具有所希望的居裡溫度及其它所希望的物理和/或化學性能的材料。在有些實施例中，居裡溫度材料是鐵素體，例如NiFe2O4。在有些實施例中，居裡溫度材料是二元化合物，例如FeNi3或Fe3Al。
溫度限制加熱器的某些實施例可包括一種以上的鐵磁材料。如果在此所述的任何狀態應用於溫度限制加熱器的至少一種鐵磁材料，這樣的實施例也落入在此所述的實施例的範圍之內。
鐵磁性能通常隨著接近居裡溫度而衰減。C.James Erickson(IEEE Press，1995)的「工業電加熱手冊(Handbook of ElectricalHeating for Industry)」中顯示了1％碳鋼(具有1％重量比碳的鋼)的典型曲線。導磁率在650℃以上的溫度開始損失，並且當溫度超過730℃時趨於完全損失。因而，自我限制溫度可能稍微低於鐵磁導體的實際居裡溫度。在1％碳鋼中，用於電流流動的集膚深度在室溫下是0.132em，並且在720℃時，增至0.445em。從720℃至730℃，集膚深度急劇增至超過2.5cm。因而，使用1％碳鋼的溫度限制加熱器實施例在650℃到730℃之間開始自我限制。
集膚深度通常限定了進入傳導材料中的隨時間變化的電流的有效穿透深度。一般而言，電流密度與沿著導體半徑從外表面到中心的距離呈指數關係減小。電流密度大約為表面電流密度的l/e處的深度被稱為集膚深度。對於直徑比穿透深度大的多的實心圓柱杆而言，或者對於壁厚超過穿透深度的空心圓筒而言，集膚深度δ為 (1)δ＝1981.5*(ρ/(μ*f))1/2； 其中δ＝集膚深度，單位為英寸； ρ＝工作溫度下的電阻係數(ohm-cm)； μ＝相對導磁率；和 f＝頻率(Hz)。
等式1可從C.James Eriekson的「工業電加熱手冊」(IEEE Press，1995)中得到。對於大多數金屬來說，電阻係數(ρ)隨著溫度而增加。相對導磁率通常隨著溫度和電流的變化而變化。可以利用輔助等式來確定導磁率和/或集膚深度關於溫度和/或電流兩者的變化。μ對電流的依賴產生於μ對磁場的依賴。
用於溫度限制加熱器的材料可以選擇成提供所希望的調節比。對於溫度限制加熱器來說，可以選擇至少為1.1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、10∶1、30∶1或50∶1的調節比。也可以使用更大的調節比。所選擇的調節比取決於許多因素，包括，但不限於溫度限制加熱器所處的地層類型(例如，隨著富油頁巖層與貧油頁巖層之間的導熱率方面的較大變化，油頁巖巖層使用了更高的調節比)和/或在井眼中使用的材料的溫度極限(例如，加熱器材料的溫度極限)。在有些實施例中，通過把額外的銅或另一種好的電導體耦合到鐵磁材料(例如，添加銅以降低超過居裡溫度時的電阻)上，來增大調節比。
溫度限制加熱器在低於加熱器的居裡溫度下可以提供最小熱量輸出(功率輸出)。在某些實施例中，最小熱量輸出至少為400W/m(瓦特每米)、600W/m、700W/m、800W/m或高達2000W/m。當溫度限制加熱器的一部分接近或超過居裡溫度時，溫度限制加熱器通過加熱器的這部分來減小熱量輸出量，減少的熱量基本上小於居裡溫度以下時的熱量輸出。在有些實施例中，減小的熱量最多為400W/m、200W/m、100W/m，或者可以接近0W/m。
由於居裡效應，隨著溫度接近居裡溫度，AC或調製DC電阻和/或溫度限制加熱器的熱量輸出減少，在居裡溫度附近或高於居裡溫度時，急劇減少。在某些實施例中，在居裡溫度以上或附近時的電阻值或熱量輸出值最多是在居裡溫度以下某點時的電阻值或熱量輸出值的一半。在有些實施例中，在居裡溫度以上或附近時的熱量輸出最多為在居裡溫度以下某點(例如，居裡溫度以下30℃、居裡溫度以下40℃、居裡溫度以下50℃或居裡溫度以下100℃)時的熱量輸出的90％、70％、50％、30％、20％、10％或更少(小至1％)。在某些實施例中，在居裡溫度以上或附近時的電阻減少至在居裡溫度以下某點(例如，居裡溫度以下30℃、居裡溫度以下40℃、居裡溫度以下50℃或居裡溫度以下100℃)時的電阻的80％、70％、60％、50％或更少(小至1％)。
在有些實施例中，AC頻率被調節，以改變鐵磁材料的集膚深度。例如，在室溫時，1％碳鋼的集膚深度在60Hz為0.132cm，在180Hz為0.0762cm，在440Hz為0.046cm。由於加熱器直徑通常比集膚深度大兩倍，所以利用較高頻率(從而利用較小直徑的加熱器)減少了加熱器成本。對於固定的幾何形狀，較高頻率導致較高調節比。通過把較低頻率的調節比乘以較高頻率除以較低頻率之後的平方根，來計算較高頻率下的調節比。在有些實施例中，採用100Hz到1000Hz之間、140Hz到200Hz之間或400Hz到600Hz之間的頻率(例如180Hz、540Hz或720Hz)。在有些實施例中，可以使用高頻率。頻率可大於1000Hz。
在某些實施例中，調製DC(例如突變DC、波形調製DC或循環DC)可以用來向溫度限制加熱器提供電力。DC調製器或DC斷路器可以與DC電源耦合在一起，以提供調製直流電的輸出。在有些實施例中，DC電源可以包括用於調製DC的裝置。DC調製器的一個例子是DC-DC變換器系統。DC-DC變換器系統在現有技術中是公知的。DC通常被調製或突變成所希望的波形。用於DC調製的波形包括正方形波、正弦曲線、變形的正弦曲線、變形的正方形波形、三角形及其它規則或不規則波形，但並不局限於這些。
調製DC波形通常限定了調製DC的頻率。因而，可以選擇調製DC波形，以提供所希望的調製DC頻率。可改變調製DC波形的形狀和/或調製速率(例如突變速率)，以改變調製DC頻率。DC可以被調製成高於一般可利用的AC頻率的頻率。例如，可以提供頻率至少為1000Hz的調製DC。使供電電流的頻率增大至更高值，就能有利地增大溫度限制加熱器的調節比。
在某些實施例中，可以調節或改變調製DC波形，以改變調製DC頻率。在溫度限制加熱器使用以及高電流或高電壓期間的任何時候，DC調製器都能夠調節或改變調製DC波形。因而，提供給溫度限制加熱器的調製DC不局限於單個頻率或甚至一小組頻率值。利用DC調製器進行的波形選擇允許較寬範圍的調製DC頻率且允許離散控制調製DC頻率。因而，調製DC頻率更容易被設定在不同的值，而AC頻率一般被局限於行頻的倍數。調製DC頻率的離散控制允許對溫度限制加熱器的調節比進行更多選擇控制。由於能夠選擇控制溫度限制加熱器的調節比，允許在設計和構造溫度限制加熱器時使用的材料範圍更寬。
在某些實施例中，溫度限制加熱器包括複合導體，該複合導體具有鐵磁管和非鐵磁的高導電芯體。非鐵磁的高導電芯體減少了導體所需的直徑。芯體或非鐵磁導體可以是銅或銅合金。芯體或非鐵磁導體也可以由呈現低電阻率和接近1的相對導磁率的其它金屬製成(例如，大量非鐵磁材料，諸如鋁和鋁合金，磷青銅，鈹銅，和/或黃銅)。複合導體使溫度限制加熱器的電阻在居裡溫度附近突然減小。隨著集膚深度在居裡溫度附近增大以包括銅芯體，電阻非常急劇地減少。
複合導體可以增大溫度限制加熱器的傳導率和/或允許加熱器在較低電壓下工作。在一個實施例中，複合導體在其鐵磁導體的居裡溫度附近區域以下的溫度呈現比較平的電阻-溫度關係曲線。在有些實施例中，溫度限制加熱器在100℃到750℃之間或在300℃到600℃之間呈現較平的電阻-溫度關係曲線。通過例如調節溫度限制加熱器的材料和/或材料構成，在其它溫度範圍內也可以呈現較平的電阻-溫度關係曲線。在某些實施例中，選擇複合導體中各種材料的相對厚度，使溫度限制加熱器生成所希望的電阻-溫度關係曲線。
在某些實施例中，選擇複合導體中各種材料的相對厚度，使溫度限制加熱器生成所希望的電阻-溫度關係曲線。
複合導體(例如複合內導體或複合外導體)可以通過以下方法製造，包括，但不限於混合擠壓、滾軋成形、緊配合管(例如，冷卻內構件並加熱外構件，然後將內構件插入外構件中，接著進行拉延工序和/或允許系統冷卻)、爆炸或電磁包覆、圓弧堆焊、縱向帶焊接、等離子粉末焊接、鋼坯混合擠壓、電鍍、拉延、濺蝕、等離子沉積、混合擠壓鑄造、磁成形、熔化缸鑄造(位於外部內的內芯體材料的或反之亦然)、插入之後進行焊接或高溫燉、屏蔽活性氣體焊接(SAG)和/或將內管插入外管之後通過液壓成形或使用生鐵機械膨脹內管，從而使內管膨脹並型鍛到外管上。在有些實施例中，鐵磁導體被編織在非鐵磁導體上。在某些實施例中，複合導體利用類似於那些用於包覆(例如把銅包覆到鋼上)的方法形成。銅覆層與基體鐵磁材料之間冶金接合是有利的。通過混合擠壓工序製成的複合導體可由AnometProducts(美國Massachusetts，Shrewsbury)公司提供，該混合擠壓工序形成了較好的冶金接合(例如銅與446不鏽鋼之間較好的結合)。
圖3-9描繪了溫度限制加熱器的各種實施例。在這些附圖中的任意附圖中所描繪的實施例的溫度限制加熱器的一個或多個特徵可以與在這些附圖中所描繪的溫度限制加熱器的其它實施例的一個或多個特徵相結合。在這裡所描述的某些實施例中，溫度限制加熱器的尺寸設計成能在60Hz AC頻率工作。應當理解，可以調節這裡所述的溫度限制加熱器的尺寸，以便利用溫度限制加熱器在其它AC頻率以類似的方式工作或利用調製DC電流工作。
圖3是管道內導體加熱器的實施例的橫截面圖。導體212設置在管道214內。導體212是由導電材料製成的杆或管道。在導體212的兩端存在低電阻部分218，用以在這些部分進行較少加熱。低電阻部分218通過使導體212在該部分具有更大橫斷面面積而形成，或者這些部分由具有較小電阻的材料製成。在某些實施例中，低電阻部分218包括耦合於導體212的低電阻導體。
管道214由導電材料製成。管道21 4設置在烴層220的開口216中。開口216具有收容管道214的直徑。
導體212可以通過定心器222置於管道214中心處。定心器222使導體212與管道214電氣隔離。定心器222阻止運動，使導體212恰當地定位在管道214中。定心器222由陶瓷材料或陶瓷材料和金屬材料的組合製成。定心器222阻止管道214中的導體212變形。定心器222沿著導體212接觸或隔開大約0.1m(米)到大約3m或以上之間的間隔。
導體212的第二低電阻部分218可以將導體212與井頭224耦合在一起，如圖3所示。電流從電源電纜226通過導體212的低電阻部分218施加於導體212。電流從導體212通過滑動連接器228流至管道214。管道214與履蓋層殼體230和井頭224電氣絕緣，以使電流返回至電源電纜226。在導體212和管道214中可以產生熱量。所產生的熱量在管道214和開口216中輻射，以加熱至少一部分烴層220。
履蓋層殼體230可以設置在履蓋層232中。在有些實施例中，履蓋層殼體230由阻止加熱履蓋層232的材料(例如加強材料和/或水泥)環繞。導體212的低電阻部分218可以被放置在履蓋層殼體230中。導體212的低電阻部分218由例如碳鋼製成。導體212的低電阻部分218可以通過使用定心器222置於履蓋層殼體230中心處。定心器222沿著導體212的低電阻部分218隔開大約6m到大約12m的間隔，或者例如隔開大約9m的間隔。在一個加熱器實施例中，導體212的低電阻部分218通過一個或多個焊接處耦合於導體212。在其它加熱器實施例中，低電阻部分螺紋結合、螺紋並焊接或其它方式耦合到導體上。在履蓋層殼體230中，低電阻部分218幾乎不或不產生任何熱量。填料(packing)234可以放置在履蓋層殼體230和開口216之間。填料234可用作履蓋層232和烴地層220之間的接頭上的帽，以允許在履蓋層殼體230與開口216之間的環空中填充材料。在有些實施例中，填料234阻止流體從開口216流到地表236。
圖4是可移除的管道內導體熱源的實施例的橫截面圖。管道214穿過履蓋層232被放置在開口216中，使管道與履蓋層殼體230之間保留一間隙。流體可以通過管道214與履蓋層殼體230之間的該間隙從開口216中開採出來。流體可以通過管道238從間隙中開採出來。管道214和包含在管道中與井頭224耦合在一起的熱源部件可以作為單件從開口216中移除。熱源可以作為單件被移除，以便修理、更換和/或用於地層的另一部分。
對於其中鐵磁導體在居裡溫度以下提供大部分電阻熱量輸出的溫度限制加熱器來說，大部分電流流過具有磁場(H)與磁感應(B)之間的高非線性函數的材料。這些非線性函數可以引起強的感應效應和畸變，強的感應效應和畸變導致溫度限制加熱器的功率因子在居裡溫度以下的溫度下減小。這些效應致使溫度限制加熱器的電源供給難以控制，並可以導致附加的電流流過地表和/或履蓋層供電導體。昂貴的和/或難以實施的控制系統，例如可變電容器或調製電源可用來嘗試補償這些效應，並且嘗試控制溫度限制加熱器，其中，大部分電阻熱量輸出由流過鐵磁材料的電流提供。
在某些溫度限制加熱器實施例中，當溫度限制加熱器處於鐵磁導體的居裡溫度以下或其附近時，鐵磁導體將大部分電流的流動約束在耦合於鐵磁導體的電導體上。電導體可以是鞘、護套、支撐構件、耐腐蝕構件或其它電阻構件。在有些實施例中，鐵磁導體把大部分電流的流動約束到位於最外層與鐵磁導體之間的電導體。鐵磁導體位於溫度限制加熱器的橫截面中，以致於在鐵磁導體的居裡溫度處或以下的鐵磁導體磁性將大部分電流的流動約束在電導體上。由於鐵磁導體的集膚效應，大部分電流的流動被約束到電導體上。因而，在加熱器的大部分工作範圍中，大部分電流流過具有大體上線性電阻特性的材料。
在某些實施例中，鐵磁導體和電導體位於溫度限制加熱器的橫截面中，使得鐵磁材料的集膚效應在溫度低於鐵磁導體的居裡溫度時限制電流在電導體和鐵磁導體中的穿透深度。因而，在高達鐵磁導體的居裡溫度處或其附近的溫度時，電導體提供溫度限制加熱器的大部分電阻熱量輸出。在某些實施例中，可選擇電導體的尺寸，使之提供所希望的熱量輸出特性。
因為在居裡溫度以下，大部分電流流過電導體，所以溫度限制加熱器具有的電阻-溫度關係曲線至少部分地反映了電導體中材料的電阻-溫度關係。因而，如果電導體的材料具有基本上線性的電阻-溫度關係曲線，則在鐵磁導體的居裡溫度以下，溫度限制加熱器的電阻-溫度關係曲線基本上是線性的。例如，溫度限制加熱器具有類似於圖11所示曲線的電阻-溫度關係曲線，其中在居裡溫度以下，大部分電流在電導體中流動。溫度限制加熱器的電阻與流過加熱器的電流幾乎沒有任何關係，直到溫度接近居裡溫度。在居裡溫度以下，大部分電流在電導體中流動，而不是在鐵磁導體中流動。
其中大部分電流在電導體中流動的溫度限制加熱器的電阻-溫度關係曲線在鐵磁導體的居裡溫度附近或之處還趨向呈現急劇的電阻減小。居裡溫度附近或之處的急劇的電阻減小比居裡溫度附近的更平緩的電阻減小更易於控制。
在某些實施例中，電導體中的材料和/或材料尺寸可選擇成，使溫度限制加熱器在鐵磁導體的居裡溫度以下具有所希望的電阻-溫度關係曲線。
其中在居裡溫度以下大部分電流在電導體中流動而不是在鐵磁導體中流動的溫度限制加熱器更易於預知和/或控制。其中在居裡溫度以下大部分電流在電導體中流動而不是在鐵磁導體中流動的溫度限制加熱器的行為可以通過例如其電阻-溫度關係曲線和/或其功率因子-溫度關係曲線來預知。電阻-溫度關係曲線和/或功率因子-溫度關係曲線可以通過例如確定溫度限制加熱器的行為的實驗測量、確定或預知溫度限制加熱器的行為的分解等式和/或確定或預知溫度限制加熱器的行為的模擬實驗來確定或預知。
在某些實施例中，所確定或預知的溫度限制加熱器特性用於控制溫度限制加熱器。在加熱器工作期間，可根據電阻和/或功率因子的測量(確定)控制溫度限制加熱器。在有些實施例中，可根據加熱器工作期間電阻和/或功率因子的確定以及該確定與加熱器的預知特性的比較控制供給給溫度限制加熱器的功率或電流。在某些實施例中，溫度限制加熱器的控制不需要測量加熱器的溫度或加熱器附近的溫度。無需溫度測量就能控制溫度限制加熱器，消除了與井下溫度測量有關的操作成本。與基於所測量的溫度控制加熱器相比，基於電阻和/或加熱器的功率因子的確定控制溫度限制加熱器，還減少了用於調節供給給加熱器的功率或電流的時間。
隨著溫度限制加熱器的溫度靠近或超過鐵磁導體的居裡溫度，鐵磁導體的鐵磁性能的降低允許電流流過溫度限制加熱器的導電橫截面的較大部分。因而，溫度限制加熱器的電阻減小，在鐵磁導體的居裡溫度或其附近，溫度限制加熱器自動提供減小的熱量輸出。在某些實施例中，高導電構件耦合於鐵磁導體和電導體，以在鐵磁導體的居裡溫度或居裡溫度以上減少溫度限制加熱器的電阻。高導電構件可以是內導體、芯體或另一個由銅、鋁、鎳或它們的合金製成的導電構件。
與利用鐵磁導體的溫度限制加熱器中的鐵磁導體相比，在居裡溫度以下的溫度下將大部分電流流動約束在電導體上的鐵磁導體具有較小的橫截面，以在直至居裡溫度或其附近提供大部分電阻熱量輸出。使用電導體以在居裡溫度以下提供大部分電阻熱量輸出的溫度限制加熱器在低於居裡溫度的溫度下具有低磁感應，這是因為與在居裡溫度以下由鐵磁材料提供大部分電阻熱量輸出的溫度限制加熱器相比，較少的電流流過鐵磁導體。鐵磁導體半徑(r)上的磁場(H)與流過鐵磁導體和芯體的電流(I)除以半徑的結果成正比，或 (2)H∝I/r。
因為對於利用外導體以在居裡溫度以下提供大部分電阻熱量輸出的溫度限制加熱器來說，只有一部分電流流過鐵磁導體，所以，溫度限制加熱器的磁場可以比大部分電流流過鐵磁材料的溫度限制加熱器的磁場小得多。磁場越小，相對導磁性(μ)就越大。
鐵磁導體的集膚深度(δ)與相對導磁性(μ)的平方根成反比 (3)δ∝(1/μ)1/2。
相對導磁性的增大減小了鐵磁導體的集膚深度。但是，因為在低於居裡溫度的溫度下，只有一部分電流流過鐵磁導體，對於具有大的相對導磁率的鐵磁材料而言，鐵磁導體的半徑(或厚度)可以減小，以補償減小的集膚深度，同時在低於鐵磁導體的居裡溫度下的溫度仍然允許集膚效應限制電流在電導體上的穿透深度。鐵磁導體的半徑(厚度)可以在0.3mm和8mm之間、0.3mm和2mm之間或2mm和4mm之間，這取決於鐵磁導體的相對導磁性。鐵磁導體厚度的減小降低了溫度限制加熱器的製造成本，這是因為鐵磁材料的成本往往佔溫度限制加熱器成本的顯著部分。通過增大鐵磁導體的相對導磁率，提供了溫度限制加熱器的更高調節比和在鐵磁導體居裡溫度或其附近電阻的更急劇地減小。
具有高的相對導磁率(例如至少200，至少1000，至少1×104，或至少1×105)和/或高的居裡溫度(例如至少600℃，至少700℃，或至少800℃)的鐵磁材料(例如純化鐵或鐵-鈷合金)在高溫時通常具有較低的耐腐蝕性和/或較低的機械強度。對於溫度限制加熱器而言，電導體在高溫時可提供耐腐蝕性和/或高的機械強度。因而，主要根據鐵磁性能來選擇鐵磁導體。
在低於鐵磁導體的居裡溫度時，把大部分電流流動約束在電導體可以減少功率因子的變化。因為在居裡溫度以下，只有一部分電流流過鐵磁導體，所以，除了在居裡溫度或其附近之外，鐵磁導體的非線性鐵磁性能幾乎對溫度限制加熱器的功率因子沒有任何影響。甚至在居裡溫度或其附近，與其中鐵磁導體在居裡溫度以下提供大部分電阻熱量輸出的溫度限制加熱器相比，對功率因子的影響也減少了。因而，很少需要或無需外部補償(例如可變電容器或波形改變)來調節溫度限制加熱器的電感負荷的變化以便保持較高的功率因子。
在某些實施例中，在鐵磁導體的居裡溫度以下把大部分電流流動約束到電導體的溫度限制加熱器在加熱器使用期間，使功率因子維持在0.85以上、0.9以上或0.95以上。任何功率因子的減小都只發生在溫度限制加熱器接近居裡溫度的溫度的部分中。在使用期間，溫度限制加熱器的大多數部分通常不處於居裡溫度或其附近。這些部分具有接近1.0的高功率因子。在加熱器的使用期間，即使加熱器的一些部分的功率因子低於0.85，整個溫度限制加熱器的功率因子也能維持在0.85以上、0.9以上或0.95以上。
維持高功率因子也使電源和/或控制設備例如固態電源或SCR(矽可控整流器)成本低。如果功率因子由於電感負荷變化量太大，這些設備可能不能正確工作。功率因子維持更高值；但是，這些設備可以用來為溫度限制加熱器提供功率。固態電源還具有允許精調和控制調節供給給溫度限制加熱器的功率。
在有些實施例中，變換器用於向溫度限制加熱器提供功率。多個電壓抽頭(taps)可製造在變換器內，以向溫度限制加熱器提供功率。多個電壓抽頭允許所供給的電流在多個電壓之間來迴轉換。這使電流維持在由多個電壓抽頭限制的範圍之內。
高的導電構件或內導體增大溫度限制加熱器的調節比。在某些實施例中，增大高導電構件的厚度，以增大溫度限制加熱器的調節比。在有些實施例中，減小電導體的厚度，以增大溫度限制加熱器的調節比。在某些實施例中，溫度限制加熱器的調節比在1.1到10之間、2到8之間或3到6之間(例如，調節比至少為1.1，至少為2，或至少為3)。
圖5描繪了溫度限制加熱器的實施例，其中支撐構件在低於鐵磁導體的居裡溫度時提供大部分熱量輸出。芯體240是溫度限制加熱器的內導體。在某些實施例中，芯體240是高導電材料，例如銅或鋁。在有些實施例中，芯體240是提供機械強度和良好的電導率的銅合金，例如分散加強銅。在一個實施例中，芯體240是Glidcop(美國NorthCarolina，Research Triangle Park，SCM Metal Products公司)。鐵磁導體242是位於電導體244與芯體240之間的鐵磁材料薄層。在某些實施例中，電導體244也是支撐構件248。在某些實施例中，鐵磁導體242是鐵或鐵合金。在有些實施例中，鐵磁導體242包括具有高的相對導磁率的鐵磁材料。例如，鐵磁導體242可以是純化鐵，例如Armco鐵錠(英國AK Steel有限公司)。具有一定純度的鐵通常具有大約400的相對導磁率。通過在氫氣(H2)中在1450℃對鐵進行退火以使之純化，來增大鐵的相對導磁率。鐵磁導體242的相對導磁率的增大，允許鐵磁導體的厚度減小。例如，未純化鐵的厚度約為4.5mm，而純化鐵的厚度約為0.76mm。
在某些實施例中，電導體244對鐵磁導體242和溫度限制加熱器提供支撐。電導體244可以由在鐵磁導體242的居裡溫度附近或以上提供良好的機械強度的材料製成。在某些實施例中，電導體244也是耐腐蝕構件。電導體244(支撐構件248)可以為鐵磁導體242提供支撐，並且也耐腐蝕。電導體244由在高達鐵磁導體242的居裡溫度和/或高於該居裡溫度的溫度提供所希望的電阻熱量輸出的材料製成。
在一個實施例中，電導體244是347H不鏽鋼。在有些實施例中，電導體244是另一種導電的、具有良好機械強度的耐腐蝕材料。例如，電導體244可以是304H、316H、347HH、NF709、Incoloy800H合金(美國West Virginia，Huntington，Inco Alloys International)、HaynesHR120合金或Inconel617合金。
在有些實施例中，電導體244(支撐構件248)在溫度限制加熱器的不同部分包括不同的合金。例如，電導體244(支撐構件248)的下部分是347H不鏽鋼，而電導體(支撐構件)的上部分是NF709。在某些實施例中，在電導體(支撐構件)的不同部分使用不同的合金，以便增大電導體(支撐構件)的機械強度，同時維持所希望的溫度限制加熱器的加熱性能。
在有些實施例中，鐵磁導體242在溫度限制加熱器不同部分包括不同鐵磁導體。可以在溫度限制加熱器的不同部分使用不同的鐵磁導體，以改變居裡溫度，從而改變不同部分的最高工作溫度。在有些實施例中，溫度限制加熱器上部分的居裡溫度低於加熱器下部分的居裡溫度。上部分的較低的居裡溫度提高了加熱器上部分的蠕變斷裂強度壽命。
在圖5所示的實施例中，鐵磁導體242、電導體244和芯體240的尺寸設計成，使得當溫度低於鐵磁導體的居裡溫度時，鐵磁導體的集膚深度限制大部分電流在支撐構件中流動的穿透深度。因而，在高達鐵磁導體242的居裡溫度處或其附近的溫度時，電導體244提供溫度限制加熱器的大部分電阻熱量輸出。在某些實施例中，圖5中所描繪的溫度限制加熱器小於(例如，直徑為3cm、2.9cm、2.5cm或以下)沒有使用電導體244來提供大部分電阻熱量輸出的其它溫度限制加熱器。圖5所描繪的溫度限制加熱器較小，這是因為，與其中由鐵磁導體提供大部分電阻熱量輸出的溫度限制加熱器所必需的鐵磁導體尺寸相比，鐵磁導體242薄。
在有些實施例中，支撐構件和耐腐蝕構件在溫度限制加熱器中是不同的構件。圖6和7描繪了溫度限制加熱器的實施例，其中護套在低於鐵磁導體的居裡溫度時提供大部分熱量輸出。在該實施例中，電導體244是護套246。電導體244、鐵磁導體242、支撐構件248和芯體240(在圖6中)或內導體252(在圖7中)的尺寸設計成，使得鐵磁導體的集膚深度限制大部分電流在護套厚度中流動的穿透深度，在某些實施例中，電導體244是在低於鐵磁導體242的居裡溫度時提供電阻輸出熱量的耐腐蝕材料。例如，電導體244是825不鏽鋼或347H不鏽鋼。在有些實施例中，電導體244具有小的厚度(例如，約為0.5mm)。
在圖6中，芯體240是高導電材料，例如銅或鋁。支撐構件248是347H不鏽鋼或其它在鐵磁導體242的居裡溫度或其附近具有良好的機械強度的材料。
在圖7中，支撐構件248是溫度限制加熱器的芯體，而且是347H不鏽鋼或其它在鐵磁導體242的居裡溫度或其附近具有良好的機械強度的材料。內導體252是高導電材料，例如銅或鋁。
圖8A和8B是帶有三軸導體的溫度限制加熱器的實施例的橫截面圖，其中中間導體250包括電導體和鐵磁材料。電導體可以位於中間導體250外部。電導體和鐵磁材料的尺寸設計成，使得當溫度低於鐵磁材料的居裡溫度時，鐵磁材料的集膚深度限制大部分電流在電導體中流動的穿透深度。在高達鐵磁導體的居裡溫度處或其附近的溫度時，電導體提供中間導體250(和三軸溫度限制加熱器)的溫度限制加熱器的大部分電阻熱量輸出。電導體由在高達鐵磁構件的居裡溫度和/或高於該居裡溫度的溫度下提供所希望的電阻熱量輸出的材料製成。例如，電導體是347H不鏽鋼、304H、316H、347HH、NF709、Incoloy800H合金、HaynesHR120合金或Inconel617合金。
在某些實施例中，溫度限制加熱器的材料和結構選擇成允許在高溫使用加熱器(例如在85℃)。圖9描繪了溫度限制加熱器的高溫實施例。在圖9中所描繪的加熱器用作管道內導體加熱器，大部分熱量產生於管道214中。因為大多數熱量是在管道214中產生，而不是在導體212產生，所以管道內導體加熱器可以提供更高的熱量輸出。使熱量在管道214內產生，減少了與管道與導體212之間熱遷移有關的熱量損失。
芯體240和導電層254是銅。在有些實施例中，如果工作溫度接近或高於銅的熔點，芯體240和導電層254是鎳。支撐構件248是在高溫下具有良好的機械強度的導電材料。承受最高溫度至少為870℃的用於支撐構件248的材料可以是MO-RE合金((美國Pennsylvania，Scottdale)Duraloy Technologies公司)、CF8C+((美國Wisconsin，Waukesha)Metaltek Intl.)或Inconel617合金，但並不局限於這些。承受最高溫度至少為980℃的用於支撐構件248的材料可以包括Incoloy合金MA 956，但並不局限於此。管道214中的支撐構件248為管道提供機械支撐。導體212中的支撐構件248為芯體240提供機械支撐。
電導體244是薄的耐腐蝕材料。在某些實施例中，電導體244是347H、617、625或800H不鏽鋼。鐵磁導體242是具有高的居裡溫度的鐵磁材料，例如鐵-鈷合金(例如含15％重量比鈷的鐵-鈷合金)。
在某些實施例中，在高達鐵磁導體242的居裡溫度處或其附近的溫度時，電導體244提供溫度限制加熱器的大多數熱量輸出。導電層254增大了溫度限制加熱器的調節比。
在有些實施例中，溫度限制加熱器用於實現低溫加熱(例如，在生產井中加熱流體，加熱地表管線，或減小井眼或附近井眼區域的流體粘度)。通過改變溫度限制加熱器的鐵磁材料，允許進行低溫加熱。在有些實施例中，鐵磁導體由居裡溫度低於446不鏽鋼的材料製成。例如，鐵磁導體可以是鐵和鎳的合金。該合金具有30％重量比到42％重量比之間的鎳，其餘為鐵。在一個實施例中，合金是不脹鋼(Invar)36。不脹鋼36在鐵中具有36％重量比的鎳，其居裡溫度為277℃。在有些實施例中，合金是三組分合金，例如具有鉻、鎳和鐵的三組分合金。例如，合金具有6％重量比鉻、42％重量比鎳和52％重量比鐵。由不脹鋼36製成的2.5cm直徑杆在居裡溫度下具有大約為2∶1的調節比。通過將不脹鋼36合金放置在銅芯體上，可以使杆直徑更小。銅芯體可以引起高的調節比。低溫加熱器實施例中的絕緣體可以由高性能聚合物絕緣體(例如PFA或PEEKTM)製成，此時其與居裡溫度低於聚合物絕緣體的熔點或軟化點的合金一起使用。
例子 非限制性的例子闡明在下面。
把一個6英尺的溫度限制加熱器元件放置在6英尺的347H不鏽鋼筒內。加熱器元件與筒串聯連接。加熱元件和筒被放置在爐中。爐用來升高加熱器元件和筒的溫度。在變化的溫度下，一系列電流流過加熱器元件並通過筒返回。加熱器元件的電阻和加熱器元件的功率因子根據電流流通期間的測量來確定。
圖10描繪了對於具有銅芯體、碳鋼鐵磁導體和不鏽鋼347H不鏽鋼支撐構件的溫度限制加熱器在若干電流下，通過實驗所測量的電阻(mΩ)-溫度(℃)關係。鐵磁導體是居裡溫度為770℃的低碳鋼。鐵磁導體被夾在銅芯體與347H支撐構件之間。銅芯體的直徑為0.5″。鐵磁導體的外徑為0.765″。支撐構件的外徑為1.05″。筒是3″表160347H不鏽鋼筒。
數據256表示施加300A、60Hz AC電流時的電阻-溫度關係。數據258表示施加400A、60Hz AC電流時的電阻-溫度關係。數據260表示施加500A、60Hz AC電流時的電阻-溫度關係。曲線262表示施加10A DC電流時的電阻-溫度關係。電阻-溫度關係數據表明，溫度限制加熱器的AC電阻線性增大，直至接近鐵磁導體的居裡溫度的溫度。在居裡溫度附近，AC電阻快速減小，直到AC電阻等於居裡溫度以上的DC電阻。AC電阻在居裡溫度以下的線性依賴至少部分地反映了347H的AC電阻在這些溫度下的線性依賴。因而，AC電阻在居裡溫度以下的線性依賴表明，在這些溫度，大部分電流流過347H支撐構件。
圖11描繪了對於具有銅芯體、鐵-鈷鐵磁導體和不鏽鋼347H不鏽鋼支撐構件的溫度限制加熱器在若干電流下，通過實驗所測量的電阻(mΩ)-溫度(℃)關係數據。鐵-鈷鐵磁導體是帶有6％重量比鈷的鐵-鈷導體，其居裡溫度為834℃。鐵磁導體被夾在銅芯體與347H支撐構件之間。銅芯體的直徑為0.465″。鐵磁導體的外徑為0.765″。支撐構件的外徑為1.05″。筒是3″表160 347H不鏽鋼筒。
數據264表示施加100A、60Hz AC電流時的電阻-溫度關係。數據266表示施加400A、60Hz AC電流時的電阻-溫度關係。曲線268表示10A DC時的電阻-溫度關係。該溫度限制加熱器的AC電阻比上述溫度限制加熱器在更高的溫度下向下轉折。這是由於添加的鈷使鐵磁導體的居裡溫度升高的緣故。AC電阻基本上與具有支撐構件尺寸的347H鋼管的AC電阻相同。這表明，在這些溫度，大部分電流流過347H支撐構件。圖11中的電阻曲線具有與圖10中的電阻曲線大體上相同的形狀。
圖12描繪了對於具有銅芯體、鐵-鈷鐵磁導體和不鏽鋼347H不鏽鋼支撐構件的溫度限制加熱器在兩個AC電流，通過實驗所測量的電阻(y軸)-溫度(℃)關係。曲線270表示施加100A、60Hz AC電流時的功率因子-溫度關係。曲線272表示施加400A、60Hz AC電流時的功率因子-溫度關係。除了在居裡溫度附近的區域外，功率因子接近一個單位(1)。在居裡溫度附近區域，非線性磁性和流過鐵磁導體的較大部分電流在加熱器中產生感應效應和降低功率因子的畸變。圖12顯示在該試驗中，在所有溫度下，該加熱器的功率因子的最小值維持在0.85以上。因為用於加熱地下地層的溫度限制加熱器只有一些部分可以在任何給定的時間點處於居裡溫度，並且在使用期間這些部分的功率因子不會低於0.85，所以，在使用期間，整個溫度限制加熱器的功率因子會維持在0.85以上(例如0.9以上或0.95以上)。
根據對於具有銅芯體、鐵-鈷鐵磁導體和347H不鏽鋼支撐構件的溫度限制加熱器的試驗數據，可以計算出與溫度限制加熱器所傳送的最大功率(W/m)有關的調節比(y軸)。圖13中顯示了這些計算的結果。圖13中的曲線顯示，對於高達約2000W/m的加熱器功率而言，調節比(y軸)維持在2以上。這條曲線用來去定加熱器以穩定的方式有效地提供熱量輸出的能力。具有與圖13中曲線類似的曲線的溫度限制加熱器能夠提供充足的熱量輸出，同時維持阻止該加熱器過熱或失靈的溫度限制性能。
使用一理論模型來預知試驗結果。該理論模型以對複合導體的AC電阻的分析解法為基礎。複合導體具有一薄層鐵磁材料，其相對導磁率μ2/μ0＞＞1，該鐵磁材料薄層被夾在兩個非鐵磁材料之間，兩個非鐵磁材料的相對導磁率，μ1/μ0和μ3/μ0，接近一(unity)，在兩個非鐵磁材料內部，集膚效應可以忽略不計。在該模型中，假定鐵磁材料是線性的。另外，從用於該模型的磁性數據中提取相對導磁率，μ2/μ0的方法一點也不嚴格。
在該理論模型中，三個導體，從最內部到最外部，具有的半徑a＜b＜c，導電率分別為σ1、σ2和σ3。各處的電場和磁場具有諧波形式 電場 (7)E1(r，t)＝ES1(r)ejωt；r＜a； (8)E2(r，t)＝ES2(r)ejωt；a＜r＜b；和 (9)E3(r，t)＝ES3(r)ejωt；b＜r＜c. 磁場 (10)H1(r，t)＝HS1(r)ejωt；r＜a； (11)H2(r，t)＝HS2(r)ejωt；a＜r＜b；和 (12)H3(r，t)＝HS3(r)ejωt；b＜r＜c. 在交接面上所滿足的邊界條件為 (13)ES1(a)＝ES2(a)；HS1(a)＝HS2(a)；和 (14)ES2(b)＝ES3(b)；HS2(b)＝HS3(b). 電流在非居裡導體中均勻流動，所以 (15)和 (16)I-2πbHS3(b)＝π(c2-b2)JS3(b)＝π(c2-b2)σ3ES3(b). I表示流經複合導體樣本的總電流。等式13和14用來按照有關材料2(鐵磁材料)的邊界條件表示等式15和16。得到 (17)和 (18)I＝2πbHS2(b)+π(c2-b2)σ3ES2(b). ES2(r)滿足等式 (19) 和 (20)C2＝jωμ2σ2. 利用事實 (21) 等式17和18的邊界條件用ES2表示，它的導數如下 (22)和 (23) 無因次坐標x代入等式 (24) 當r＝a時，x是-1，當r＝b時，x是1。等式19利用x寫成 (25) 和 (26)和 (27)β＝(b-a)/(b+a). α可以表示為 (28)α＝αR(1-i)， 和 (29) 等式22和23可以表示為 (30)和 (31) 在等式30和31中，速記標誌Ea和Eb分別用於ES2(a)和ES2(b)，並代入無因次參數γa、γb和標準化電流

。這些數值根據下列等式給出 (32)和 (33) 等式32可以通過利用等式29以無因次參數表示。結果是 (34) 等式34還可撰寫成 (35)γa＝(σ1/σ2)aαR/δ；γb＝2(σ3/σ2)(c2-b2)αR/(δb). 在材料中產生的平均每單位長度功率由下列等式給出 (36) AC電阻則是 (37) 為得到等式25的近似解，在等式25中假定β小得足以忽略不計。如果鐵磁材料(材料2)的厚度比其平均半徑小得多，則保持這個假定。則通解採取形式 (38)ES2＝Aeαx+Be-αx. 那麼 (39)Ea＝Ae-α+Beα；和 (40)Eb＝Aeα+Be-α. 將等式38-40代入等式30和31，對A和B得到下列系列等式 (41)α(Ae-α-Beα)＝-jγa(Ae-α+Be-α)；和 (42) 重新整理等式41，對B得到用A表示的表達式 (43) 還可以寫成 (44) 和 (45) 如果 (46)A＝|A|exp(iφA) 回查A的相位(phase)，則 (47)φA＝0. 根據等式44 (48)B＝|B|exp(iφB)，和 (49)|B|＝(Г+/Г-)exp(-2αR)|A|；且 (50)φB＝2αR-φ+-φ-；這裡 (51)和 (52)φ±＝tan-1{φ±/αR}. 則 (53)Ea＝|A|exp(-αR+iαR)+|B|exp{αR+i(φB-αR)}；和 (54)Eb＝|A|exp(αR-iαR)+|B|exp{-αR+i(φB+αR)}. 因此 (55A)Re[Ea]＝|A|exp(-αR)cos(αR)+|B|exp(αR)cos(φB-αR)； (55B)Im[Eα]＝|A|exp(-αR)sin(αR)+|B|exp(αR)sin(φB-αR)； (55C)Re[Eb]＝|A|exp(αR)cos(αR)+|B|exp(-αR)cos(φB+αR)；和 (55D)Im[Ea]＝-|A|exp(αR)sin(αR)+|B|exp(-αR)sin(φB+αR). 流過中心導體和外導體的電流絕對值之比由下列等式給出 (56) 流過中心導體的總電流由下列等式給出 (57)I2＝σ2π(b2-a2)(A+B)sinh(α)/α 此刻 (58)sinh(α)/α＝(1+i){sinh(αR)cos(αR)-icosh(αR)sin(αR)}/(2αR)＝(s++s-i)，和 (59)S±＝{sinh(αR)cos(αR)±cosh(αR)sin(αR)}/(4αR) 因此 (60)Re[I2]＝σ2π(b2-a2){{|A|+|B|cos(φB)}S+-|B|sin(φB)S-}；和 (61)Im[I2]＝σ2π(b2-a2){{|A|+|B|cos(φB)}S-+|B|sin(φB)S+} 從而給出均方根(root-mean-square)電流 (62) 此外，等式40-42用來計算等式29右手側的第二項(term)(忽略β項)。結果是 (63)
等式63除以等式62得到AC電阻(參見等式37)的表達式。
給定尺寸a、b和c以及σ1、σ2和σ3的值，這些值是已知的溫度函數，並假定鐵磁材料(材料2)的相對導磁率的值，或等同地設定集膚深度δ，A＝1，由此可以計算每單位長度AC電阻RAC。還可以計算流過內導體(材料1)和鐵磁材料(材料2)的均方根電流與總數之比。那麼，對於給定的總RMS電流，可以計算流過材料1和2的RMS電流，這給出了材料2表面上的磁場。利用材料2的磁場數據，可以推得μ2/μ0值，由此推得δ值。相對於原始集膚深度標繪該集膚深度，生成相交於真實的δ的一對曲線。
磁場數據根據作為鐵磁材料的碳鋼獲得。B-H曲線和相對導磁率可以根據各個溫度直至1100以及磁場直至200Oe(奧斯特)的磁場數據獲得。可以找到很好地適合最高導磁率以及超過導磁率的相關性。圖14描繪了對於所找到的相關性和碳鋼的原始數據的相對導磁率(y軸)-磁場(Oe)關係的例子。數據274是碳鋼在400時的原始數據。數據276是碳鋼在1000時的原始數據。曲線278是碳鋼在400時所找到的相關性。曲線280是碳鋼在1000時所找到的相關性。
對於上述實驗中的銅/碳鋼/347H加熱器元件的尺寸和材料而言，執行如上所述的推理計算，以計算以集膚深度為函數的位於碳鋼外表面的磁場。理論計算的結果與來自施加於圖14的磁場數據的相關性的集膚深度-磁場關係處於相同的繪圖中。理論計算和相關性針對四個溫度(200、500、800和1100)和五個總均方根(RMS)電流(100A、200A、300A、400A和500A)進行。
圖15顯示了對於所有四個溫度和400A電流而言的集膚深度(in)-磁場(Oe)關係的結果繪圖。曲線282是來自磁場數據在200時的相關性。曲線284是來自磁場數據在500時的相關性。曲線286是來自磁場數據在800時的相關性。曲線288是來自磁場數據在1100時的相關性。曲線290是碳鋼的外表面上與200時的集膚深度有關的理論計算。曲線292是碳鋼的外表面上與500時的集膚深度有關的理論計算。曲線294是碳鋼的外表面上與800時的集膚深度有關的理論計算。曲線296是碳鋼的外表面上與1100時的集膚深度有關的理論計算。
把根據在圖15中相同溫度曲線的交點獲得的集膚深度代入如上所述的等式，由此計算每單位長度AC電阻。隨後計算整個加熱器的總AC電阻，包括筒的AC電阻。在圖16中顯示了電流為300A(實驗數據298和數字曲線300)、400A(實驗數據302和數字曲線304)和500A(實驗數據306和數字曲線308)時的實驗結果和數字(計算)結果之間的比較。雖然數字結果比實驗結果呈現更陡的趨勢，理論模型捕獲實驗數據的封閉串(close bunching)，總的來說，這些值完全合理地給定了涉及理論模型中的假定。例如，其中一個涉及滲透率利用的假定由準靜態B-H曲線得來，用以處理動態系統。
描述三部分溫度限制加熱器中的交流電流動的理論模型的一個特點是，AC電阻隨著集膚深度的增大沒有單調減小。圖17顯示了與通過理論模型計算出的1100時的集膚深度(in)有關的加熱元件的每英尺AC電阻(mΩ)。通過選擇集膚深度，可以使AC電阻達到最大，所選擇的集膚深度位於電阻-集膚深度關係曲線的非單調部分的頂點(例如圖17中大約0.23英寸處)。
圖18顯示了每個加熱器部件(曲線310(銅芯體)、曲線312(碳鋼)、曲線314(347H外層)和曲線316(總))上的每單位長度所產生的功率(W/ft)-集膚深度(in.)關係。正如所料，在銅芯體的功率耗損隨著集膚深度的增加而增加的同時，347H的功率耗損減少。碳鋼的最大功率耗損出現在約0.23英寸的集膚深度處，其應當與功率因子的最小值相對應，如圖12所示。碳鋼的電流密度的行為像波長λ＝2πδ的衰減波一樣，該波長在銅/碳鋼和碳鋼/347H交接面上的邊界條件上的效應在圖17中的結構之後。例如，AC電阻的局部最小值接近某個值，在該值，碳鋼層厚度相當於λ/4。
展開公式，該公式描述了用於模擬特定實施例中的加熱器的性能的溫度限制加熱器的AC電阻-溫度關係曲線的形狀。圖10和11中的數據表明，電阻開始線性上升，然後朝DC線愈加突然地下降。各個加熱器的電阻-溫度關係曲線可以由如下等式描述 (64)RAC＝AAC+BACT；T＜＜TC；和 (65)RAC＝RDC＝ADC+BDCT；T＞＞TC. 注意，ADC和BDC與電流無關，而AAC和BAC取決於電流。在等式64和65之間挑選形式進行交換，形成下列關於RAC的表達式 (66 ) 和 由於AAC和BAC是電流的函數，所以 (67) 參數α也是電流的函數，並呈現平方關係 (68)α＝α0+α1I+α2I2 參數β、T0、ADC和BbC與電流無關。上述實驗中銅/碳鋼/347H加熱器的這些參數的值列在表2上。
表2 圖19A-C是在300A(圖19A)、400A(圖19B)和500A(圖19C)時的等式66-68中理論計算結果與實驗數據的比較。圖19A描繪了在300A時的電阻(mΩ)-溫度()關係。數據318是300A時的實驗數據。曲線320是300A時的理論計算。曲線322是在10A DC時的電阻-溫度關係曲線。圖19B描繪了在400A時的電阻(mΩ)-溫度()關係。數據324是400A時的實驗數據。曲線326是400A時的理論計算。曲線328是在10A DC時的電阻-溫度關係曲線。圖19C描繪了在500A時的電阻(mΩ)-溫度()關係。數據330是500A時的實驗數據。曲線332是500A時的理論計算。曲線334是在10A DC時的電阻-溫度關係曲線。注意，為了得到每英尺電阻，例如，在模擬工作時，通過理論計算得出的電阻必須除以6。
鑑於該描述，本發明各個方面的進一步改進和替換實施例對於本領域技術人員來說是顯而易見的。因此，該描述只是解釋性的，其目的是用來教導本領域技術人員執行本發明的一般方式。應當理解，這裡所示的和所描述的本發明的這些形式作為目前優選的實施例。元件和材料可以用這裡所示的以及所描述的這些來替換，零件和流程可以顛倒，本發明的某些特徵可以獨立使用，在閱讀了本發明的說明書之後，所有這些對本領域技術人員來說都是顯而易見的。在沒有脫離下列權利要求書中所述的本發明的精神和範圍的情況下，可以對在此所述的元件進行改變。另外，應當理解，在此獨立地描述的特徵在某些實施例中可以結合起來。
權利要求
1.一種加熱器，其包括
鐵磁導體；和
電耦合於所述鐵磁導體的電導體，其中，所述鐵磁導體相對於所述電導體設置，使得由鐵磁導體中隨時間變化的電流產生的電磁場在低於或接近選定溫度的溫度下將大部分電流流動約束到電導體。
2.如權利要求1所述的加熱器，其特徵在於，所述選定溫度是鐵磁導體的居裡溫度。
3.如權利要求1或2所述的加熱器，其特徵在於，鐵磁導體和電導體電耦合在一起，使得在加熱器使用期間加熱器的功率因子保持在0.85以上、0.9以上或0.95以上。
4.如權利要求1-3之一所述的加熱器，其特徵在於，電導體至少部分地圍繞鐵磁導體。
5.如權利要求1-4之一所述的加熱器，其特徵在於，加熱器還包括內電導體，所述內導體至少部分地由鐵磁導體圍繞，並電耦合於鐵磁導體。
6.如權利要求5所述的加熱器，其特徵在於，內電導體包括提供至少一定機械強度以支撐加熱器的強力構件。
7.如權利要求5或6所述的加熱器，其特徵在於，內電導體包括銅和/或帶有鎢纖維的銅。
8.如權利要求1-7之一所述的加熱器，其特徵在於，加熱器還包括至少部分地圍繞電導體的鞘，所述鞘包括耐腐蝕材料。
9.如權利要求1-8之一所述的加熱器，其特徵在於，加熱器還包括至少部分地圍繞電導體的電絕緣體。
10.如權利要求9所述的加熱器，其特徵在於，加熱器還包括至少部分地圍繞電絕緣體的導電鞘，其中所述鞘通過電絕緣體與電導體電絕緣。
11.如權利要求1-10之一所述的加熱器，其特徵在於，加熱器具有至少為1.1的調節比。
12.如權利要求1-11之一所述的加熱器，其特徵在於，電導體在高達大約選定溫度的溫度下提供加熱器的大部分電阻熱量輸出。
13.如權利要求1-12之一所述的加熱器，其特徵在於，鐵磁導體和電導體同心地耦合在一起。
14.如權利要求1-13之一所述的加熱器，其特徵在於，電導體和鐵磁導體縱向地耦合在一起。
15.如權利要求1-14之一所述的加熱器，其特徵在於，加熱器配置成(a)在選定溫度以下提供第一熱量輸出，和(b)大約在選定溫度或以上提供第二熱量輸出，與第一熱量輸出相比，第二熱量輸出是減小的。
16.如權利要求15所述的加熱器，其特徵在於，加熱器配置成自動提供第二熱量輸出。
17.如權利要求15或16所述的加熱器，其特徵在於，第二熱量輸出最多為第一熱量輸出的90％，第一熱量輸出為低於選定溫度50℃的溫度下的熱量輸出。
18.如權利要求1-17之一所述的加熱器，其特徵在於，加熱器配置成允許熱量從加熱器傳遞至一部分地下地層。
19.如權利要求1-18之一所述的加熱器，其特徵在於，加熱器配置成放置在地下地層的開口內。
20.如權利要求1-19之一所述的加熱器，其特徵在於，鐵磁導體配置成在選定溫度以下或附近的溫度使隨時間變化的電流大體上集中流向電導體。
21.一種用於控制如權利要求1-20任一所述的加熱器的方法，該方法包括
確定地下地層中的加熱器的電氣特徵，所述加熱器配置成加熱至少一部分地層；
把所確定的電氣特徵與所預計的電氣特徵行為進行比較；和
根據比較，控制加熱器。
22.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，電氣特徵是加熱器的電阻。
23.如權利要求21或22所述的方法，其特徵在於，電氣特徵是加熱器的功率因子。
24.如權利要求21-23之一所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括基於加熱器的電氣測量，確定電氣特徵。
25.如權利要求21-24之一所述的方法，其特徵在於，該方法還包括利用實驗測量、解析等式和/或模擬，確定電氣特徵的預計行為。
26.如權利要求21-25之一所述的方法，其特徵在於，電氣特徵的預計行為確定為加熱器溫度的函數。
27.如權利要求21-26之一所述的方法，其特徵在於，通過把所確定的電氣特徵與電氣特徵的預計行為進行比較，確定加熱器的溫度。
28.如權利要求21-27之一所述的方法，其特徵在於，控制加熱器包括控制供給給電加熱器的電流和/或功率。
29.如權利要求21-28之一所述的方法，其特徵在於，所確定的電氣特徵是在加熱器的選定溫度附近或以上操作的加熱器長度的百分比。
30.一種利用權利要求1-19任一所述的加熱器加熱地下地層的方法，該方法包括向一部分地下地層供給熱量。
31.如權利要求30所述的方法，其特徵在於，地下地層包括烴，該方法還包括使熱量傳遞至地層，使得至少一些烴在地層中被熱解。
32.如權利要求30或31所述的方法，其特徵在於，還包括從地層開採流體。
33.一種組成物，其包括利用權利要求1-20任一所述的加熱器或利用權利要求30-32任一所述的方法開採的烴。
34.一種由權利要求33所述的組成物製成的運輸燃料。
35.一種加熱器，其包括
鐵磁導體；和
電導體，其相對於鐵磁導體設置，使得由鐵磁導體中隨時間變化的電流產生的電磁場在低於或接近選定溫度的溫度下至少將大部分電流流動約束到電導體。
全文摘要
本發明描述了一種加熱器。加熱器包括鐵磁導體(242)和電耦合於所述鐵磁導體的電導體(244)。鐵磁導體相對於電導體設置，使得由鐵磁導體中隨時間變化的電流產生的電磁場在低於或接近選定溫度的溫度下將大部分電流流動約束在電導體。
文檔編號E21B36/04GK101163854SQ200680013090
公開日2008年4月16日 申請日期2006年4月21日 優先權日2005年4月22日
發明者C·K·哈裡斯, H·J·維訥格 申請人:國際殼牌研究有限公司