成組的暴露金屬加熱器的製作方法

2023-10-11 03:09:04

專利名稱：成組的暴露金屬加熱器的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及用於加熱例如含碳氫化合物地層的各種地下地層並 由其生產碳氫化合物、氫氣和/或其它產物的方法和系統。實施例涉及用 於處理含碳氫化合物地層的加熱器布局和生產井位置。
背景技術：
從地下巖層獲得的碳氫化合物通常用作能源、原料和消費產品。對 可用油氣資源耗盡的擔憂以及對降低產出的碳氫化合物的綜合質量的擔 憂導致對工藝的改進，以便更有效地提取、加工和/或利用現有油氣資源。 在現場，可以使用從地下巖層去除碳氫化合物物質的工藝。需要改變地 下巖層中的碳氫化合物材料的化學和/或物理性能，從而允許碳氫化合物 物質從地下巖層中更容易地去除。化學和物理變化可以包括產出可動流 體的就地反應、地層中碳氫化合物物質的成分變化、可溶性變化、密度 變化、相變和/或粘度變化。流體可以是(但不限於)氣體、液體、乳劑、 漿料和/或具有類似於液體流的流動性質的固體顆粒流。加熱器可以放置在井眼中以在就地工藝中加熱地層。授權給Ljungstrom美國專利No.2，634，961 ，授權給Ljungstrom的美國專利 No.2，732,195，授權給Ljungstrom的美國專利No.2，780，450,授權給 Ljungstrom的美國專利No.2，789，805,授權給Ljungstrom的2,923,535， 授權給Van Meurs et al的美國專利No.4,886,118顯示說明了利用井下加 熱器的就地工藝的實例。授權給Ljungstrom的美國專利No.2，923，535和授權給Van Meurs et al的美國專利No.4,886,118描述了對油頁巖地層加熱的應用。可以給油 頁巖地層加熱以使油頁巖地層中的油母巖質熱解。熱量還可以破壞地層 以提高地層的穿透性。增大的穿透性可以允許地層流體流向使流體從油 頁巖地層中去除的生產井。在由Ljungstrom公開的一些工藝中，例如， 含氧氣態介質導入滲透層(優選地，仍然由於預熱步驟保持熱度)以開 始燃燒。熱源可用於加熱地下巖層。電加熱器可用於通過輻射和/或傳導加熱 地下巖層。電加熱器可有阻抗地加熱元件。授權給Germain的美國專利 No.2,548,360描述了放入井眼內粘性油中的電熱元件。加熱元件加熱油並 使其變稀以允許油從井眼抽出。授權給Eastlund et al.的美國專利 No.4，716，960描述了通過使相對低壓電流流過管線來電加熱石油井管線， 從而防止固體形成。授權給Van Egmond的美國專利No.5，065，818描述 了粘結到井孔中的電熱元件，沒有圍繞加熱元件的套管。授權給Vinegar et al.的美國專利No.6，023，554描述了位於套管中的 電熱元件。加熱元件產生加熱套管的輻射能。粒狀固體填充材料可以放 在套管和地層之間。套管可以傳導地加熱填充材料，其繼而傳導地加熱 地層。暴露金屬加熱器可以使電流洩漏到地層中。電流洩漏到地層中可 以導致地層中不希望和/或不均勻加熱。因此，有利地是提供這樣一種加 熱裝置，其沿加熱器的長度提供均勻的熱量；有效地加熱表層以下的地 層；和/或抑制加熱器之間的電流洩漏和抑制電流洩漏到地層中。發明內容這裡描述的實施例通常涉及用於處理地下地層的系統、方法和加熱 器。這裡描述的實施例還通常涉及內部具有新穎部件的加熱器。這種加 熱器可以通過使用此處描述的系統和方法獲得。在一些實施例中，本發明提供了一種用於處理含碳氫化合物地層的 系統，包括兩組或多組伸長加熱器，其中一組包括放入地層中的兩個 或多個開口內的兩個或多個加熱器，組內加熱器在地層表面以下電氣耦聯，所述開口包括位於地層的碳氫化合物層中的至少部分暴露的井眼； 所述組電氣配置成使流過位於至少兩組之間的地層的電流得到抑制；並 且，加熱器配置成給地層提供熱量。在特定實施例中，本發明提供一個或多個系統、方法和/或加熱器。
在一些實施例中，所述系統、方法和/或加熱器用於處理地下地層。在進一步的實施例中，特定實施例的特徵可以與其它實施例的特徵組合。例如， 一個實施例的特徵可以與任意其它實施例的特徵組合。在進一步的實施例中，利用這裡描述的任意方法、系統或加熱器進行對地下地層的處理。在進一步的實施例中，附加特徵可以加到這裡描述的特定實施例中。


對於本領域的普通技術人員來說，通過閱讀下列詳細說明並參考附圖可以使本發明的優點變得顯而易見，其中圖1顯示了加熱含碳氬化合物地層的階段的實例。圖2顯示了用於處理含碳氫化合物地層的現場轉化系統的一部分的 實例的示意圖。圖3、 4和5顯示了具有外部導體的溫度限制加熱器的實例的橫截面視圖，所述外部導體具有鐵磁部分和非鐵i茲部分。圖6A和6B顯示了溫度限制加熱器的實例的橫截面視圖。圖7顯示了溫度限制加熱器的實例，其中，在溫度低於鐵磁導體的居裡溫度時，支撐構件提供大部分熱輸出。圖8和9顯示了溫度限制加熱器的實施例，其中在溫度低於鐵磁導體的居裡溫度時，護套提供大部分熱輸出。圖10顯示了以三相配置耦聯在一起的溫度限制加熱器的實施例。圖ll顯示了以三相配置耦聯的三個加熱器的實施例。圖12顯示了大體上U形三相加熱器的實施例的側視圖。圖13顯示了位於地層中的多個三元結構的三相加熱器的實施例的頂視圖。圖14顯示了帶有生產井的圖13所示實施例的頂視圖。圖15顯示了六邊形的多個三元結構的三相加熱器的實施例的頂視圖。圖16顯示了圖15所示六邊形結構的實施例的頂視圖。 圖17顯示了三元結構耦聯到水平連接井上的實施例。 圖18顯示了利用圖11和13所示加熱器和加熱器布局進行STARS 模擬得出的累積產氣量和累積產油量對時間的圖表。儘管本發明易於存在多種改進和可選形式，但是本發明的特定實施 例將作為實例顯示於附圖中並在此進行詳細說明。附圖未按比例繪製。 但是，應當理解，附圖及其詳細說明不是將本發明限制於所公開的特定 形式，相反地，本發明涵蓋落入如所附權利要求限定的本發明的精神和 範圍之內的所有改進，等效物和可選方案。
具體實施方式
下列說明通常涉及用於處理地層中的碳氫化合物的系統和方法。可 以處理這種地層以生產烴類產品、氫氣和其它產物。"碳氫化合物"通常解釋為主要由碳原子和氫原子組成的分子。碳氫 化合物還可以包括其它元素，例如但不限於，卣素、金屬元素、氮、氧 和/或硫。碳氫化合物可以是(但不限於)油母巖質、瀝青、焦性瀝青、 油、天然礦物蠟和瀝青巖。碳氫化合物可能位於地下礦物母巖中或與其 相鄰。母巖可以包括但不限於沉積巖、礦砂、矽質生物巖、碳酸鹽、矽 藻巖和其它多孔介質。"碳氫化合物流體"是包括碳氫化合物的流體。碳 氫化合物流體可以包括、夾帶或被夾帶在非烴流體中，所述非烴流體例 如為氫氣、氮氣、 一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水和氨。"地層，，包括一或多個含碳氫化合物層， 一或多個非烴層、上覆巖層 和/或下伏巖層。"上覆巖層"和/或"下伏巖層"包括一或多種不同類型的不 滲透物質。例如，上覆巖層和/或下伏巖層可以包4舌巖石、頁巖、泥巖或 溼/緻密碳酸鹽。在現場轉化工藝的一些實施例中，上覆巖層和/或下伏巖 層可以包括含碳氫化合物層，它們是相對不滲透的，並且在導致上覆巖 層和/或下伏巖層的含碳氫化合物層發生顯著的特徵變化的現場轉化工藝 過程中不受溫度影響。例如，下伏巖層可以包含頁巖或泥巖，但是下伏 巖層在現場轉化工藝期間不允許加熱到熱解溫度。在有些情況下，上覆 巖層和/或下伏巖層可以具有一些滲透性。 "加熱器"是用於在井內或接近井眼的區域內產生熱量的任何系統或 熱源。加熱器可以是(但不限於)與地層中或由地層產生的物質或其組 合發生反應的電加熱器、燃燒器、燃燒室。"現場轉化工藝"是指通過熱源加熱含碳氫化合物地層以將至少一部 分地層的溫度提高至熱解溫度以上，以便在地層中產生熱解流體的工藝。"絕緣導體"是指能夠導電並且全部或部分地由電氣絕緣材料包覆的 任何伸長材料。伸長構件可以是棵露金屬加熱器或暴露金屬加熱器。"棵露金屬，，和 "暴露金屬"是指不包括例如礦物絕緣層的電氣絕緣層的金屬，所述電氣 絕緣層設計成在伸長構件的所有工作溫度範圍內給金屬提供電氣絕緣。 棵露金屬和暴露金屬可以包括具有腐蝕抑制劑的金屬，所述腐蝕抑制劑 例如為天然產生的氧化層、施加的氧化層和/或薄膜。棵露金屬和暴露金 屬包括具有聚合或其它類型電氣絕緣的金屬，所述電氣絕緣在伸長構件 的典型工作溫度下不能保持電氣絕緣性質。這種物質可以放在金屬上， 並且在使用加熱器期間可能發生熱解。"溫度限制加熱器"通常是指在不使用例如調溫器、功率調節器、整 流器或其它裝置的情況下，將熱輸出調節(例如，減小熱輸出)到規定溫度以上的加熱器。溫度限制加熱器可以是AC (交流)或調製(例如， "斬波")DC (直流)供電的電阻加熱器。"居裡溫度，，是指在該溫度以上使鐵磁材料喪失其全部鐵磁性質的溫 度。除了在高於居裡溫度時喪失全部鐵磁性質，在增大的電流流過鐵磁 材料時，鐵磁材料也開始喪失鐵磁性質。"時變電流"是指在鐵磁導體中產生趨膚效應電荷流並且具有隨時間 變化的大小的電流。時變電流包括交流(AC)和調製直流(DC)。"交流(AC)"是指大體上沿正弦方向翻轉的時變電流。交流在鐵》茲 導體中產生趨膚效應電荷流。"調製直流(DC)"是指在鐵磁導體中產生趨膚效應電荷流的任何大 體上非正弦的時變電流。溫度限制加熱器的"調節比"是指對於給定電流而言，低於居裡溫度
時的最高交流或調製直流電阻與高於居裡溫度時的最低電阻的比率。在減少的熱輸出加熱系統、設備和方法的範圍內，術語"自動地，，是 指這種系統、設備和方法在不使用外部控制(例如，諸如具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)的情 況下以特定方式工作。術語"井眼"是指通過鑽入地層或將管道插入地層而在地層中形成的 孔。井眼具有大體上圓形橫截面，或其它橫截面形狀。當在此使用時， 術語"井"和"開口"在指地層中的開口時可與術語"井眼"互換使用。"三元結構(Triad)"是指一組三個耦聯在一起的物品(例如，加熱 器，井眼或其它物體)。地層中的碳氫化合物可以多種方式進行處理以產出多種不同的產 物。在特定實施例中，地層中的碳氫化合物分階段地處理。圖1顯示了 加熱含碳氫化合物地層的階段的實例。圖1還顯示了以每噸的當量油桶 數(y軸)為單位的由地層產出的地層流體產量("Y")對以攝氏溫度(x 軸)為單位的受熱地層的溫度("T，，)的實例。在階段1加熱期間發生甲烷解吸和水汽化。階段1的地層加熱可以 儘可能快地進行。例如，當首先加熱含碳氫化合物地層時，地層中的碳 氫化合物解吸被吸附的曱烷。從地層中可以產出被解吸的曱烷。如果含 碳氫化合物地層進一步加熱，含碳氫化合物地層中的水汽化。在一些含 碳氫化合物地層中，水可能佔據地層中10%-50%的孔隙空間。在其它地 層中，水佔據更多或更少的孔隙空間。水典型地在絕對壓力為600kPa到 7000kPa,溫度為160到285。C的地層中汽化。在一些實施例中，汽化水 產生地層中的可溼度變化和/或增大的地層壓力。可溼度變化和/或增大的 壓力可能影響地層中的熱解反應或其它反應。在特定實施例中，汽化水 從地層中產生。在其它實施例中，汽化水用於地層中或地層外的蒸汽提 取和/或蒸餾。從地層中去除水以及增加地層中的孔隙空間可以增大地層 中碳氫化合物的存儲空間。在特定實施例中，在階段l加熱之後，地層進一步受熱，使得地層 中的溫度(至少)達到初始熱解溫度(例如階段2所示溫度範圍的下限1
溫度)。地層中的碳氫化合物可在階段2期間熱解。熱解溫度範圍根據 地層中碳氫化合物的類型而改變。熱解溫度範圍可以包括250到卯0。C。 用於生產希望產物的熱解溫度範圍可以只貫穿總熱解溫度範圍的一部 分。在一些實施例中，用於生產希望產物的熱解溫度範圍可以為250到 400。C或者270到350°C。如果地層中碳氫化合物的溫度在250到400。C 的溫度範圍內緩慢升高，在溫度達到400。C時，熱解產物的生產基本完成。 碳氬化合物的平均溫度可以在用於生產希望產物的熱解溫度範圍內以小 於5。C/天，小於2。C/天，小於rC/天，或小於0.5。C/天的速率升高。利 用多個熱源加熱含> 灰氫化合物地層可以在熱源周圍建立熱梯度，所述熱 源使地層中碳氫化合物的溫度在熱解溫度範圍內緩慢升高。用於生產希望產物的熱解溫度範圍內的增溫率可能影響由含碳氫化 合物地層產出的地層流體的數量和質量。在用於生產希望產物的熱解溫 度範圍內緩慢升高溫度可能抑制地層中長鏈分子的活化。在用於生產希 望產物的熱解溫度範圍內緩慢升高溫度可能限制生產非希望產物的活化 碳氫化合物之間的反應。在用於希望產物的熱解溫度範圍內緩慢升高地 層溫度可能允許從地層中生產高質量、高API重度的碳氫化合物。在用 於希望產物的熱解溫度範圍內緩慢升高地層溫度可能允許去除存在於地 層中作為碳氫化合物產物的大量碳氫化合物。在一些現場轉化實施例中， 一部分地層加熱到希望的溫度，以代替 在溫度範圍內緩慢加熱。在一些實施例中，希望的溫度是300。C, 325°C 或350。C。可以選擇其它溫度作為希望的溫度。來自熱源的熱量疊加允許 在地層中相對迅速、有效地產生希望的溫度。可以調節從熱源輸入到地 層中的能量以將地層中的溫度大體保持在希望的溫度。地層的受熱部分 大體上保持在希望的溫度，直到熱解作用減弱到使從地層中生產希望的 地層流體變得不經濟。進行熱解作用的一部分地層可以包括只通過來自 一個熱源的熱傳遞達到熱解溫度範圍的區域。在特定實施例中，地層流體包括由地層生產的熱解流體。當地層溫 度升高時，產出的地層流體中的可凝結碳氫化合物的數量可能減少。高 溫下，地層可能主要產出甲烷和/或氫氣。如果含碳氫化合物地層始終在 整個熱解範圍內加熱，地層在接近熱解範圍上限時可能只生產少量氫氣。 在所有可用氫氣耗盡之後，通常發生最小量的流體生產。在碳氫化合物熱解之後，大量碳和一部分氫氣可能仍然存在於地層 中。保留在地層中的大部分碳可以合成氣體的形式從地層中產出。在圖1所示的階段3加熱期間可以發生合成氣體生產。階段3可以包括將含碳 氫化合物地層加熱到足以發生合成氣體生產的溫度。例如，合成氣體可 以在400到12t)0。C、 500到1100。C或550到1000。C的溫度範圍內產出。 地層受熱部分的溫度在合成氣體產生流體f 1入地層時確定在地層中產出 的合成氣體的成分。生成的合成氣體可以通過生產井從地層中去除。由含碳氫化合物地層產出的流體的總能含量可以在熱解和合成氣體 生產期間保持相對穩定。在較低地層溫度下發生熱解期間，大部分產出 流體可能是具有高能含量的可凝結碳氫化合物。但是，在較高熱解溫度 下，少量地層流體可能包括可凝結碳氫化合物。更多的不凝結地層流體 可以從地層中產出。產出流體每單位體積的能含量可能在主要生產不凝 結地層流體期間略有下降。在合成氣體生產期間，產出合成氣體每單位 體積的能含量與熱解流體的能含量相比顯著下降。但是，產出合成氣體 的體積在許多情況下顯著增大，從而補償降低的能含量。圖2顯示了用於處理含碳氬化合物地層的現場轉化系統的一部分的 實施例的示意圖。現場轉化系統可以包括隔離井200。隔離井用於形成處 理區域周圍的隔離。隔離井防止流體流入和/或流出處理區域。隔離井包 括但不限於脫水井、真空井、俘獲井、注入井、水泥漿井、冷凍井或其 組合。在一些實施例中，隔離井200是脫水井。脫水井可以去除液態水 和/或防止液態水進入要加熱地層的一部分，或進入正加熱地層。在圖2 所示實施例中，隔離井200顯示為只沿熱源202的一側延伸，但是隔離 井典型地圍繞所用或要使用的所有熱源202以加熱地層的處理區域。熱源202放在地層的至少一部分中。熱源202可以包括加熱器，例 如絕緣導體、管道內導體加熱器、表面燃燒器、無焰分布式燃燒室和/或 天然分布式燃燒室。熱源202還可以包括其它類型的加熱器。熱源202 給地層的至少 一部分提供熱量以加熱地層中的碳氫化合物。能量可以通
過供給管線204提供給熱源202。供給管線204根據用於加熱地層的熱源 類型而在結構上有所不同。用於熱源的供給管線204可以傳輸用於電加 熱器的電能，可以輸送用於燃燒室的燃料，或者可以輸送在地層中循環 的熱交換流體。生產井206用於從地層中去除地層流體。在一些實施例中，生產井 206可以包括一或多個熱源。生產井中的熱源可以加熱位於生產井中或其 附近的地層的一或多個部分。生產井中的熱源可以防止從地層中去除的 地層流體發生凝結和回流。從生產井206中產出的地層流體可以通過收集管線208輸送給處理 設備210。地層流體也可以由熱源202生產。例如，流體可以由熱源202 生產以控制鄰近熱源的地層中的壓力。由熱源202生產的流體可以通過 管道或管線輸送給收集管線208，或者產出流體可以通過管道或管線直接 輸送給處理設備210。處理設備210可以包括分離單元、反應單元、提質 加工單元、燃料電池、渦輪機、存儲容器和/或用於加工產出的地層流體 的其它系統與單元。處理設備可以從由地層產出的碳氫化合物的至少一 部分中形成運輸燃料。溫度限制加熱器可以包含在配置中和/或可以包括在特定溫度下給加 熱器提供自動溫度限制性質的材料。在特定實施例中，溫度限制加熱器 中使用鐵磁材料。鐵磁材料在溫度等於或接近材料的居裡溫度時自我限 制溫度，以在時變電流施加給材料時，在溫度等於或接近居裡溫度的情 況下提供減小的熱量。在特定實施例中，4失》茲材料在大約等於居裡溫度 的選定溫度下自我限制溫度限制加熱器的溫度。在特定實施例中，選定 溫度為居裡溫度的35。C以內、25。C以內、20。C以內或10。C以內。在特定 實施例中，鐵磁材料與其它材料(例如，高傳導材料、高強度材料、耐 腐蝕材料或其組合)結合以提供各種電氣和/或機械性能。溫度限制加熱 器的一些部件與溫度限制加熱器的其它部分相比可以具有較低的電阻使溫度限制加熱器的一部分具有不同材料和/或尺寸允許從加熱器的每一 部分產生希望的熱輸出。
溫度限制加熱器比其它加熱器更加可靠。溫度限制加熱器不容易因 地層中的熱點而中止或失效。在一些實施例中，溫度限制加熱器允許大 體上均勻地加熱地層。在一些實施例中，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輸出操作而更為有效地加熱地層。如果沿加 熱器任一 點的溫度超過或要超過加熱器的最高工作溫度，因為加熱器功 率無須像典型的恆定瓦特加熱器那樣在整個加熱器範圍內減小，使得溫 度限制加熱器可以沿加熱器的整個長度在較高的平均熱輸出下操作。來 自溫度限制加熱器的一部分且接近加熱器居裡溫度的熱輸出自動減小， 而無需給加熱器施加時變電流進行控制。熱輸出由於溫度限制加熱器的 一部分的電氣性質(例如，電阻)的改變而自動減小。因此，在加熱過 程的大部分時間內，溫度限制加熱器提供了更多的能量。在特定實施例中，當給溫度限制加熱器施加時變電流時，在溫度接 近、等於或高於加熱器電阻部分的居裡溫度時，包括溫度限制加熱器的 系統首先提供第一熱輸出，隨後提供減小的(第二熱輸出)熱輸出。第 一熱輸出是溫度限制加熱器開始自我限制的溫度以下的熱輸出。在一些 實施例中，第一熱輸出是溫度限制加熱器中鐵磁材料在居裡溫度以下50°C、 75°C、 100。C或125。C溫度的熱輸出。溫度限制加熱器可以由在井頭處提供的時變電流(交流或調製直流) 激勵。井頭可以包括電源和用於給溫度限制加熱器提供能量的其它部件 (例如，調製元件、變壓器和/或電容器)。溫度限制加熱器可以是用於加 熱地層一部分的許多加熱器之一。在特定實施例中，溫度限制加熱器包括導體，當時變電流提供給導 體時，該導體起到趨膚效應或鄰近效應加熱器的作用。趨膚效應限制電 流透入導體內部的深度。對於鐵磁體來說，趨膚效應由導體導磁率控制。 鐵磁體的相對導磁率典型地為10到1000 (例如，鐵磁體的相對導磁率典 型地為至少IO，可以是至少50， 100, 500, IOOO或更大)。當鐵J茲材料 的溫度上升到居裡溫度以上或者施加的電流增大時，鐵/磁材料的導^f茲率 大大降低，並且趨膚深度迅速擴大(例如，透入深度以導磁率的平方根 倒數擴大)。當溫度接近、等於或高於居裡溫度和/或施加的電流增大時，
導磁率的減小導致導體的交流或調製直流電阻減小。當溫度限制加熱器 由大體上恆流電源供電時，接近、達到或高於居裡溫度的加熱器部分具 有減少的熱耗散。不等於或接近居裡溫度的溫度限制加熱器部分可以由 趨膚效應加熱控制，所述趨膚效應加熱允許加熱器由於較高的電阻負荷 而具有高熱耗散。使用溫度限制加熱器加熱地層中碳氫化合物的優點是所選導體具有 處於希望的工作溫度範圍內的居裡溫度。在希望的工作溫度範圍內操作 允許大量熱量注入地層，同時將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。設計極限溫度是產生例如腐蝕、蠕動和/或變形的 性質的溫度。溫度限制加熱器的溫度限制特性防止鄰近地層中低導熱率 "熱點"的加熱器過熱或燒壞。在一些實施例中，才艮據加熱器中所用材料，溫度限制加熱器能夠在高於25。C、 37°C、 100°C、 250°C、 550。C、 700°C、 800°C、 900。C或高至1131。C的溫度下降低或控制熱輸出和/或耐熱。因為輸入到溫度限制加熱器中的能量無須限制於適應鄰近加熱器的 低導熱率區域，所以與恆定瓦特加熱器相比，溫度限制加熱器允許向地 層中注入更多的能量。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熱傳導率之間存在至少為3倍的差異。當加熱這種 地層時，與受限於低導熱率層溫度的傳統加熱器相比，利用溫度限制加 熱器可以給地層輸送顯著增多的熱量。沿傳統加熱器整個長度的熱輸出 需要適應低導熱率層，使得加熱器不會在低導熱率層中過熱或燒化。對 於溫度限制加熱器來說，鄰近高溫下低導熱率層的熱輸出將減少，但是 不處於高溫下的溫度限制加熱器的剩餘部分將保持提供高熱輸出。因為 用於加熱碳氬化合物地層的加熱器典型地很長(例如，至少10米，100 米，300米，至少500米，1千米，或長至10千米)，溫度限制加熱器 的大部分長度可以在居裡溫度以下工作，而只有一小部分長度在溫度等 於或接近溫度限制加熱器的居裡溫度的情況下工作。使用溫度限制加熱器允許有效地將熱量輸送給地層。有效傳熱允許 減少將地層加熱到希望溫度所需要的時間。例如，在Green River油頁巖 中，在利用傳統的恆定瓦特加熱器使用12米加熱器井距時，熱解典型地 需要9.5到IO年的加熱時間。對於相同的加熱器間距來說，溫度限制加 熱器允許較大的平均熱輸出，同時將加熱設備溫度保持在設備設計極限 溫度以下。與由恆定瓦特加熱器提供的較低平均熱輸出相比，在由溫度 限制加熱器提供的較大平均熱輸出情況下，地層中的熱解可以在更早的 時刻發生。例如，在Green River油頁巖中，使用具有12米加熱器井距 的溫度限制加熱器，熱解可以存在5年。溫度限制加熱器抵消由於不準 確井距或在加熱器井過於密集的地方鑽孔引起的熱點。在特定實施例中， 溫度限制加熱器允許對間隔過大的加熱器井隨時間加大能量輸出，或者 對過於密集布置的加熱器井限制能量輸出。溫度限制加熱器還在鄰近上 覆巖層和下伏巖層之間的區域內提供較多熱量以補償這些區域內的溫度 損失。溫度限制加熱器有利地在許多類型的地層中使用。例如，在含瀝青 砂地層或含重質烴類的相對滲透的地層中，溫度限制加熱器可提供可控 低溫輸出，以便減小液體粘度、活性流體、和/或增強井眼處或附近或著 地層中的徑向流體流。溫度限制加熱器可用於防止由於地層的近井眼區 域過熱導致的過度焦化地層生成。在一些實施例中，使用溫度限制加熱器消除或減少了對昂貴溫度控 制線路的需要。例如，使用溫度限制加熱器消除或減少進行溫度測井的 需要和/或使用位於加熱器上的固定熱電偶監視熱點處潛在過熱的需要。在特定實施例中，溫度限制加熱器耐變形。井眼中物質的定位運動 可能在加熱器上產生使其形狀變形的橫向應力。沿著加熱器長度且井眼 接近或靠近加熱器的位置可能是熱點，在所述熱點處，標準加熱器過熱 並且具有燒壞的可能。這些熱點可能降低金屬的屈服強度和蠕變強度， 導致加熱器壓碎或變形。溫度限制加熱器可以形成為S曲線(或其它非 線性形狀)，其適應溫度限制加熱器的變形而不會導致加熱器故障。在一些實施例中，溫度限制加熱器可以比標準加熱器更經濟地生產 或製造。典型的鐵磁材料包括鐵、碳鋼或鐵素體不鏽鋼。這種材料與在 絕緣導體(礦物絕緣電纜)加熱器中使用的鎳基加熱合金(例如，鎳鉻 合金，KanthalTM ( Bulten-Kanthal AB， Sweden)，和/或LOHMTM
(Driver-Harris Company, Harrison, New Jersey, U.S.A))相比更為 便宜。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 的形式製造為絕緣導體加熱器，從而降低成本和提高可靠性。在一些實施例中，溫度限制加熱器利用盤管裝置放在加熱器井中。 可以盤繞在巻軸上的加熱器可以通過使用金屬，例如鐵素體不鏽鋼(例 如，409不鏽鋼)製成，所述鐵素體不鏽鋼利用電阻焊(ERW)焊接。 為了形成加熱器部分，來自滾筒機的金屬條穿過第一成形設備，其中所 述金屬條成形為管狀，隨後利用ERW進行縱焊。所述管子穿過第二成 形設備，其中，導電帶材(例如，銅帶材)被施加、通過模具緊密收縮 到管子上，並利用ERW進行縱焊。通過將支撐材料(例如，諸如347H 或347HH的鋼)縱焊到傳導帶材上形成護層。支撐材料可以是巻繞在傳 導帶材上的帶材。加熱器的覆蓋部分可以類似的方式形成。在特定實施 例中，覆蓋部分使用諸如304不鏽鋼或316不鏽鋼的非鐵磁性材料代替 鐵磁材料。加熱器部分和覆蓋部分可以使用標準技術，例如使用軌道焊 接裝置的對接焊連接在一起。在一些實施例中，覆蓋部分材料(非鐵磁 性材料)可以在巻繞之前預焊接到鐵磁材料上。預焊接可以消除對單獨 連接步驟(例如，對接焊)的需要。在實施例中，可以在形成管式加熱 器之後拉動柔性電纜(例如，諸如MGT1000熔爐電纜的熔爐電纜 (furnace cable ))穿過中心。柔性電纜上的端部襯套可以焊接到管式加 熱器上以提供電流返回通路。包括柔性電纜的管式加熱器可以在安裝到 加熱器井中之前盤繞到巻軸上。在實施例中，溫度限制加熱器利用盤管 裝置安裝。盤管裝置可以將溫度限制加熱器^L在地層中的防變形容器內。 防變形容器可以利用常規方法放入加熱器井中。在溫度限制加熱器中使用的鐵磁性合金或鐵磁性合金決定加熱器的 居裡溫度。用於各種金屬的居裡溫度數據記錄於"American Institute of Physics Handbook",第二版，McGraw-Hill, 5-170到5-176頁中。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。 在一些實施例中，鐵磁導體包括含有鵠(W)的鐵鉻(Fe-Cr)合金(例 如，HCM12A和SAVE12 (Sumitomo Metals Co., Japan))和/或含有
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)。在三種主要的鐵磁元素中，鐵具有770。C的居 裡溫度；鈷(Co)具有1131。C的居裡溫度；鎳具有大約358。C的居裡溫 度。鐵鈷合金的居裡溫度高於鐵的居裡溫度。例如，具有2。/。wt(重量百 分比)鈷的鐵鈷合金的居裡溫度為800'C;具有12%wt鈷的鐵鈷合金的 居裡溫度為卯0。C;具有20。/。wt鈷的鐵鈷合金的居裡溫度為950。C。鐵 鎳合金的居裡溫度低於鐵的居裡溫度。例如，具有20。/。wt鎳的鐵鎳合金 的居裡溫度為720°C，具有60。/。wt鎳的鐵鎳合金的居裡溫度為560°C。用作合金的一些非鐵磁元素提高了鐵的居裡溫度。例如，具有 5.9。/。wt釩的鐵釩合金的居裡溫度為大約815°C。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形成合金以降低居裡溫 度。提高居裡溫度的非鐵磁性材料可以與降低居裡溫度的非鐵磁性材料 結合以及與鐵或其它鐵磁材料形成合金以製造具有希望的居裡溫度和其 它希望的物理和/或化學性質的材料。在一些實施例中，居裡溫度材料是 例如NiFe204的鐵酸鹽。在其它實施例中，居裡溫度材料是例如FeM3 或Fe3Al的二元4匕合物。溫度限制加熱器的特定實施例可以包括一種以上的鐵磁材料。如果 這裡描述的所有情況應用於溫度限制加熱器中的至少一種鐵磁材料，這 種實施例包含在此處所述實施例的範圍之內。鐵磁性質通常在接近居裡溫度時下降。由C.James Erickson (IEEE Press, 1995 )撰寫的"Handbook of Electrical Heating for Industry，，顯示 了用於1%碳鋼(具有l%wt碳的鋼)的標準曲線。導磁率損失開始於 650。C以上的溫度，並且在溫度超過730。C時趨於完成。因此，自限制溫 度會略低於鐵磁導體的實際居裡溫度。1%碳鋼內用於電流的趨膚深度在 室溫下為0.132釐米，在720。C下增大到0.445釐米。從720到730°C， 趨膚深度迅速增大到2.5釐米以上。因此，使用1%碳鋼的溫度限制加熱 器實施例在650到730。C之間開始自我限制。趨膚深度通常定義了時變電流進入傳導材料中的有效透入深度。一 般而言，電流密度隨著沿導體半徑從外表面向中心的距離呈指數規律減
小。電流密度等於表面電流密度的大致l/e的深度稱作趨膚深度。對於直 徑遠大於透入深度的實心圓柱杆，或者對於具有超過透入深度的壁厚的 空心圓柱體來說，趨膚深度S等於formula see original document page 19其中3=趨膚深度(英寸)；p-工作溫度下的電阻(歐姆.釐米)； H-相對導磁率；和 f二頻率(赫茲)。 由C.James Erickson (IEEE Press, 1995 )撰寫的"Handbook of Electrical Heating for Industry"中得到等式1。對於大多數金屬而言，電 阻(p)隨時間增大。相對導磁率通常隨溫度和電流變化。附加等式可用 於估算導磁率和/或趨膚深度隨溫度和/或電流的變化。由n對磁場的關係導出n對電流的關係。可以選擇溫度限制加熱器中的所用材料以提供希望的調節比。對溫 度限制加熱器可以選擇至少1.1:1， 2:1, 3:1， 4:1， 5:1, 10:1， 30:1或50:1 的調節比。還可以使用更大的調節比。選定的調節比可能取決於許多因 素，這些因素包括但不限於安放溫度限制加熱器的地層類型(例如，較 大的調節比可用於油頁巖地層，其中富油頁巖層和貧油頁巖層之間的熱 傳導率具有很大不同)和/或井眼中所用材料的溫度極限(例如，加熱器材料的溫度極限)。在一些實施例中，通過使附加銅或其它良導體結合 到鐵J茲材料中(例如，添加銅以降低高於居裡溫度時的電阻)增大調節 比。溫度限制加熱器可以在低於加熱器的居裡溫度時提供最小熱輸出 (功率輸出)。在特定實施例中，最小熱輸出為至少400W/m(瓦特/米)， 600W/m， 700W/m， 800W/m或高至2000W/m。當加熱器的一部分的溫 度接近或高於居裡溫度時，溫度限制加熱器減少了該部分加熱器的熱輸 出量。減少的熱量可以充分小於居裡溫度以下的熱輸出。在一些實施例 中，減小的熱量為至多400W/m， 200W/m， 100W/m或可能接近0W/m。在一些實施例中，調節交流頻率以改變鐵磁材料的趨膚深度。例如，
在室溫下，1%碳鋼的趨膚深度為60赫茲下0.132釐米，180赫茲下0.0762 釐米，440赫茲下0.046釐米。因為加熱器直徑典型地大於趨膚深度的兩 倍，使用較高頻率(和由此形成的具有較小直徑的加熱器)可以降低加 熱器成本。對於固定幾何結構來說，較高的頻率產生較大的調節比。較 高頻率下的調節比通過使較低頻率下的調節比與較高頻率除以較低頻率 的平方才M目乘而得出。在一些實施例中，使用100到1000赫茲，140到 200赫茲，或400到600赫茲的頻率(例如，180赫茲，540赫茲或720 赫茲)。在一些實施例中，可以使用高頻率。頻率可以大於1000赫茲。在特定實施例中，調製直流(例如，斬波直流，波形調製直流或循 環直流)可用於給溫度限制加熱器提供電能。直流調製器或直流斬波器 可與直流電源相聯以提供調製直流輸出。在一些實施例中，直流電源可 以包括用於調製直流的裝置。直流調製器的一個實例是直流-直流變換器 系統。直流-直流變換器系統在本領域中通常已知。直流典型地調製或斬 波為希望的波形。用於直流調製的波形包括但不限於方波、正弦波、變 形正弦波、變形方波、三角形波、和其它規則或不規則波形。調製直流波形通常定義了調製直流的頻率。因此，可以選擇調製直 流波形以提供希望的調製直流頻率。調製直流波形的調製形狀和/或速率 (例如，斬波速率)可以變化以改變調製直流頻率。直流可在頻率高於常 用交流頻率的情況下調製。例如，調製直流可以在至少1000赫茲的頻率 下提供。將饋送電流的頻率提高到較高值有利地增大溫度限制加熱器的 調節比。在特定實施例中，調節或改變調製直流波形以改變調製直流頻率。 直流調製器能夠在使用溫度限制加熱器期間的任何時刻和在高電流或電 壓下對調製直流波形進行調節或改變。因此，提供給溫度限制加熱器的 調製直流不限於單頻率乃至頻率值的小集合。使用直流調製器進行波形 選擇典型地允許大範圍調製直流頻率和調製直流頻率的離散控制。因此， 調製直流頻率更容易設置在離散值，而交流頻率通常限制到多個行頻 (line frequency )。調製直流頻率的離散控制允許對溫度限制加熱器的調 節比進行更多的選擇控制。能夠選擇控制溫度限制加熱器的調節比允許
大量材料用於設計和構造溫度限制加熱器。在一些實施例中，調節調製直流頻率或交流頻率以補償在^f吏用期間 溫度限制加熱器的性質(例如，地下情況，例如溫度或壓力)變化。根 據估算的井下條件改變提供給溫度限制加熱器的調製直流頻率或交流頻 率。例如，當井眼中溫度限制加熱器的溫度增加時，有利地是增大提供 給加熱器的電流頻率，從而增大加熱器的調節比。在實施例中，估計井 眼中溫度限制加熱器的井下溫度。在特定實施例中，改變調製直流頻率或交流頻率以調節溫度限制加 熱器的調節比。可以調節調節比以補償沿溫度限制加熱器長度出現的熱 點。例如，因為溫度限制加熱器在特定位置變得過熱，從而使調節比增 大。在一些實施例中，在不估計地下狀況的情況下，改變調製直流頻率 或交流頻率以調節調節比。在特定實施例中，為耐腐蝕性、屈服強度和/或抗蠕變性選擇溫度限 制加熱器的最外層(例如外部導體)。在一個實施例中，在外部導體中可以使用奧氏體(非鐵磁性)不鏽鋼，例如201， 304H， 347H， 347HH， 316H， 310H, 347HP, NF709 (Nippon Steel Corp. ， Japan)不鏽4岡或 其組合。最外層還可以包括包覆金屬的導體。例如，為了在鐵磁碳鋼管 上進行防腐，可以包覆例如800H或347H不鏽鋼的耐腐蝕合金。如果不 要求耐高溫強度，最外層可以由具有良耐腐蝕性的鐵磁金屬，例如鐵素 體不鏽鋼之一構造而成。在一個實施例中，具有82.3。/。wt鐵，17.7%wt 鉻的鐵素體合金(居裡溫度為678°C )提供希望的耐腐蝕性。Metals Handbook, 第8巻，291頁(American Society of Materials (ASM))包括鐵M金的居裡溫度對合金中鉻量的圖表。在一些溫度限 制加熱器實施例中，單獨的支撐杆或管(由347H不鏽鋼製成)耦聯到由 鐵鉻合金製成的溫度限制加熱器上以提供屈服強度和/或抗蠕變性。在特 定實施例中，選擇支持材料和/或鐵磁材料以提供650。C下，至少20.7MPa 的100,000小時蠕變斷裂強度。在一些實施例中，100,000小時蠕變斷裂 強度是650。C下至少13.8MPa,或者650。C下至少6.9MPa。例如，347H 鋼在溫度等於或高於650。C時具有良好的蠕變斷裂強度。在一些實施例 中，對於更長的加熱器和/或更高的地應力或流體應力來說具有從6.9MPa 到41.3MPa或以上的100,000小時蠕變斷裂強度。在特定實施例中，溫度限制加熱器包括複合導體，其具有鐵磁性管 和非4失》茲的高導電性芯部。非《失磁的高導電性芯部減少了所需的導體直 徑。例如，導體可以是直徑為1.19釐米的導體和直徑為0.575釐米的銅 芯的複合物，所述銅芯包覆有0.298釐米厚的鐵素體不鏽鋼或碳鋼。芯部 或非鐵磁導體可以是銅或銅合金。芯部或非鐵磁導體還可以由其它金屬 製成，所述金屬呈現低電阻率和接近1的相對導磁率(例如，大體上非 鐵磁性材料，例如鋁和鋁合金，磷青銅，鈹銅和/或黃銅)。複合導體允 許溫度限制加熱器的電阻在接近居裡溫度時更急劇地減小。當趨膚深度 在接近居裡溫度時增大到包括銅芯，電阻極為迅速地減小。複合導體可以增大溫度限制加熱器的傳導率和/或允許加熱器在低壓下操作。在實施例中，在溫度低於接近複合導體的鐵磁導體的居裡溫度 的範圍時，複合導體具有相對平坦的電阻對溫度曲線。在一些實施例中， 在100到75(TC或300到600。C之間，溫度限制加熱器具有相對平坦的電 阻對溫度曲線。通過調節溫度限制加熱器中的材料和/或材料構造，在其 它溫度範圍內也可以呈現相對平坦的電阻對溫度曲線。在特定實施例中， 選擇複合導體中每種材料的相對厚度以產生用於溫度限制加熱器的希望的電阻對溫度曲線。複合導體(例如，複合內部導體或外部導體)可以通過包括但不限於複合擠壓、輥軋成形、緊配合制管(例如，冷卻內部構件，加熱外部 構件，隨後將內部構件插入外部構件，其後是拉延工序和/或允許系統冷 卻)、爆炸包覆或電磁包覆、電弧堆焊、縱向帶焊、等離子粉末焊、鑄 坯複合擠壓、電鍍、拉拔、濺鍍、等離子沉積、共擠流延、磁力成形、 (外部材料內的內芯材料的)熔融圓筒鑄造(或反之亦然)、插入之後焊 接或高溫蒸、防護活性氣體焊接(SAG)、和/或將內管插入外管之後， 通過液壓成形機械擴大內管或者使用擴管器(pig)擴大和擠壓內管靠在 外管上。在一些實施例中，鐵磁導體編織在非鐵磁導體上。在特定實施 例中，複合導體利用與用於包覆(例如，將銅包覆到鋼上)的那些方法 類似的方法形成。銅覆層和鐵磁材料基體之間的冶金結合是有利的。Anomet Products, Inc. (Shrewsbury, Massachusetts, U.S.A)可以提 供通過形成良好冶金結合(例如，銅和446不鏽鋼之間的良好結合)的 複合擠壓工藝生產的複合導體。圖3-9顯示了溫度限制加熱器的各種實施例。這些附圖中任意一副所 顯示的溫度限制加熱器的實施例的一個或多個特徵可以與這些附圖中顯 示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。在這裡描 述的特定實施例中，溫度限制加熱器的尺寸製成在60赫茲交流頻率下操 作。應當理解，溫度限制加熱器的尺寸可以根據這裡描述的方式進行調 節，以便使溫度限制加熱器在其它交流頻率下或利用調製直流以類似的 方式操作。圖3顯示了具有外部導體的溫度限制加熱器的實施例的橫截面視圖， 所述外部導體具有鐵磁部分和非鎮;茲部分。圖4和5顯示了圖3所示實 施例的橫截面視圖。在一個實施例中，使用鐵磁部分212給地層中的碳 氫化合物層提供熱量。非鐵磁部分214在地層的上覆巖層中使用。非鐵 磁部分214幾乎不給上覆巖層提供熱量，從而抑制上覆巖層中的熱損失 並提高加熱器效率。鐵磁部分212包括例如409不鏽鋼或410不鏽鋼的 鐵磁材料。鐵磁部分212的厚度為0.3釐米。非鐵磁部分214是厚度為 0.3釐米的銅。內部導體216是銅。內部導體216的直徑為0.9釐米。電 絕緣體218是氮化矽、氮化硼、氧化鎂粉末或其它適當的絕緣材料。電 絕緣體218的厚度為0.1到0.3釐米。圖6A和圖6B顯示了具有鐵磁性內部導體和非鐵磁性芯部的溫度限 制加熱器的實施例的橫截面視圖。內部導體216可以由446不鏽鋼、409 不鏽鋼、410不鏽鋼、碳鋼、阿姆科鐵錠、鐵鈷合金或其它鐵磁材料製成。 芯部220可以緊密結合在內部導體216內。芯部220是銅或其它非鐵》茲 性材料。在特定實施例中，在拉延操作之前，芯部220以緊配合方式插 入內部導體216內。在一些實施例中，芯部220和內部導體216複合擠 壓結合。外部導體222是347H不鏽鋼。對緻密電絕緣體218 (例如，致 密氮化矽、氮化硼或氧化鎂粉末)進行拉拔或輥軋操作可以確保內部導
體216和芯部220之間的良好電接觸。在這個實施例中，熱量主要在內 部導體216中產生，直到達到居裡溫度。隨後，當電流透入芯部220時， 電阻急劇減小。對於鐵磁導體在居裡溫度以下提供大部分電阻熱輸出的溫度限制加 熱器來說，大部分電流以磁場(H)對磁感應強度(B)成高度非線性函 數的關係流過材料。這些非線性函數可能導致強感應效應和變形，其導 致在溫度低於居裡溫度時，溫度限制加熱器中的功率因數減小。這些作 用可能導致提供給溫度限制加熱器的功率難以控制，並且可能導致附加 電流流過表面和/或上覆巖層供電導體。高成本和/或難以實現例如可變電 容器或調製電源供給的控制系統可用於嘗試補償這些影響，並控制其中 大多數電阻熱輸出由通過鐵磁材料的電流提供的溫度限制加熱器。在特定的溫度限制加熱器實施例中，當溫度限制加熱器低於或接近 鐵磁導體的居裡溫度時，鐵磁導體限制大部分電流流向與鐵磁導體耦聯 的電導體。電導體可以是護層、護套、支撐構件、耐腐蝕構件或其它電 阻構件。在一些實施例中，鐵磁導體限制大部分電流流向位於最外層和 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內，使 得溫度等於或低於鐵磁導體的居裡溫度時，鐵磁導體的磁性限制大多數 電流流向電導體。由於鐵磁導體的趨膚效應，大部分電流流動限制在電 導體中。因此，大多數電流流過在加熱器的大部分工作範圍內具有大體 上線性電阻性質的材料。在特定實施例中，鐵磁導體和電導體位於溫度限制加熱器的橫截面 內，使得在溫度低於鐵磁導體的居裡溫度時，鐵磁材料的趨膚效應限制 電導體和鐵磁導體中的電流的透入深度。因此，在溫度高達等於或接近 鐵磁導體的居裡溫度時，電導體提供溫度限制加熱器的大部分電阻熱輸 出。在特定實施例中，可以選擇電導體的尺寸以提供希望的熱輸出特徵。因為在溫度低於居裡溫度時，大部分電流流過電導體，溫度限制加 熱器具有電阻對溫度曲線，其至少部分地反映出電導體中材料的電阻對 溫度曲線。因此，如果電導體中的材料具有大體上線性的電阻對溫度曲 線，在溫度低於鐵磁導體居裡溫度時，溫度限制加熱器的電阻對溫度曲
線為大體上線性的。溫度限制加熱器的電阻與流過加熱器的電流幾乎沒 有關係，直到溫度接近居裡溫度。在溫度低於居裡溫度時，大部分電流 在電導體而不是鐵磁導體中流動。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對溫度曲 線還呈現出，在溫度等於或接近鐵磁導體的居裡溫度時，電阻迅速減小。 接近或等於居裡溫度時電阻的迅速減小比接近居裡溫度時電阻的逐漸減 小更容易控制。在特定實施例中，選擇電導體中的材料和/或材料尺寸，使得在溫度 低於鐵磁導體的居裡溫度時，溫度限制加熱器具有希望的電阻對溫度曲 線。其中在溫度低於居裡溫度時，大部分電流在電導體而不是鐵磁導體 中流動的溫度限制加熱器更容易預測和/或控制。其中在溫度低於居裡溫 度時，大部分電流在電導體而不是鐵磁導體中流動的溫度限制加熱器的 性質可以通過例如其電阻對溫度曲線和/或其功率因數對溫度曲線進行預 測。通過例如估計溫度限制加熱器性質的實驗測量，估計或預測溫度限 制加熱器性質的分析公式，和/或估計或預測溫度限制加熱器性質的才莫擬當溫度限制加熱器的溫度達到或超過鐵磁導體的居裡溫度時，鐵磁 導體的鐵磁性減少允許電流流過溫度限制加熱器的導電橫截面的較大部 分。因此，在溫度等於或接近鐵磁導體的居裡溫度時，溫度限制加熱器 的電阻減小，並且溫度限制加熱器自動提供減小的熱輸出。在特定實施例中，在溫度等於或高於鐵磁導體的居裡溫度時，高導電構件與鐵;磁導 體和電導體耦聯以減小溫度限制加熱器的電阻。高導電構件可以是由銅、 鋁、鎳或其合金製成的內部導體、芯部或其它傳導構件。在溫度低於居裡溫度時，限制大多數電流流向電導體的鐵磁導體與 溫度限制加熱器中的鐵磁導體相比具有較小的橫截面，在溫度高達或接 近居裡溫度時，所述溫度限制加熱器使用鐵磁導體提供大部分電阻熱輸制加熱器在溫度低於居裡溫度時具有低磁感應i數，這S因為與在溫度
熱器相比，更少的電流流過鐵磁導體。鐵磁導體半徑(r)處的磁感應強 度(H)與流過鐵》茲導體和芯部的電流(I)除以半徑的值成正比，或者:(2 ) Hoci7r因為對於在溫度低於居裡溫度時，使用外部導體提供大部分電阻熱 輸出的溫度限制加熱器而言，只有一部分電流流過鐵磁導體，所以溫度 限制加熱器的磁場強度可以明顯小於其中大部分電流流過鐵磁材料的溫 度限制加熱器的磁場強度。小磁場的相對導磁率H大。鐵磁導體的趨膚深度(3)與相對導磁率(n)的平方根成反比 (3) ^ 增大相對導磁率減小鐵磁導體的趨膚深度。但是，因為在溫度低於 居裡溫度時，只有一部分電流流過鐵磁導體，鐵磁導體的半徑(或厚度) 對於具有大相對導磁率的鐵磁材料而言可以減小以補償減小的趨膚深 度，同時當溫度低於鐵磁導體的居裡溫度時，仍然允許產生趨膚效應以 限制電流進入電導體的透入深度。根據鐵磁導體的相對導磁率，鐵磁導 體的半徑(厚度)可以為0.3到8毫米，0.3到2毫米，2到4毫米。由 於鐵磁材料的成本變成溫度限制加熱器成本的重要部分，因此減小鐵/茲 導體的厚度可以降低製造溫度限制加熱器的成本。當溫度等於或接近鐵 磁導體的居裡溫度時，對於溫度限制加熱器而言，增大鐵磁導體的相對 導磁率提供更大的調節比和電阻方面更迅速的減小。在高溫下，具有高 相對導磁率(例如，至少200，至少1000，至少lxl04，或至少lx105) 和/或高居裡溫度(例如，至少600。C,至少700。C，或至少800。C)的4失 磁材料(例如純鐵或鐵鈷合金)趨於具有更低的耐腐蝕性和/或更小的機 械強度。在高溫下，電導體可以給溫度限制加熱器提供耐腐蝕性和/或高 機械強度。因此，可以主要根據鐵磁導體的鐵磁性質對其進行選擇。在溫度低於鐵磁導體的居裡溫度時，限制大部分電流流向電導體減 小了功率因數方面的變化。因為在溫度低於居裡溫度時，只有一部分電 流流過鐵磁導體，鐵磁導體的非線性鐵磁性質對溫度限制加熱器的功率 因數幾乎不起作用，等於或接近居裡溫度時除外。即使在溫度等於或接
近居裡溫度時，與鐵磁導體在居裡溫度以下時提供大部分電阻熱輸出的 溫度限制加熱器相比對功率因數的作用變小。因此，很少或不需要外部 補償(例如，可變電容器或波形修正裝置)改變溫度限制加熱器的電感 負載，從而保持較高的功率因數。在特定實施例中，當溫度低於鐵磁導體的居裡溫度時，限制大部分 電流流向電導體溫度限制加熱器在加熱器使用期間將功率因數保持在0.85以上，0.9以上或0.95以上。功率因數的任何減小都只在溫度接近居 裡溫度的溫度限制加熱器的部分中發生。在使用期間，溫度限制加熱器 的大部分的溫度典型地不等於或接近居裡溫度。這些部分具有接近1.0 的高功率因數。在加熱器使用期間，即使加熱器的一些部分具有0.85以 下的功率因數，整個溫度限制加熱器的功率因數也保持在0.85以上、0.9 以上或0.95以上。保持高功率因數還允許使用較為便宜的電力供給裝置和/或控制設 備，例如固態電力供給裝置或SCRs (可控矽整流器)。如果功率因數由 於電感負載而變化過大的話，這些裝置可能適當地失效。但是，由於功 率因數保持在較大值，這些裝置可用於給溫度限制加熱器提供電能。固 態電力供給裝置還具有以下優點，即，允許對提供給溫度限制加熱器的 功率進行精調和受控調節。在一些實施例中，使用變壓器給溫度限制加熱器提供電能。在變壓 器中可以製造多個電壓抽頭以給溫度限制加熱器提供電能。多個電壓抽 頭允許所供電流在多種電壓之間來迴轉換。這將電流保持在由多個電壓 抽頭限定的範圍內。高導電構件或內部導體增大溫度限制加熱器的調節比。在特定實施 例中，高導電構件的厚度增加以提高溫度限制加熱器的調節比。在一些 實施例中，電導體的厚度減小以降低溫度限制加熱器的調節比。在特定 實施例中，溫度限制加熱器的調節比為1.1到10、 2到8或3到6 (例如， 調節比為至少l.l、至少2或至少3)。圖7顯示了溫度限制加熱器的實例，其中，在溫度低於鐵磁導體的 居裡溫度時，支撐構件提供大部分熱輸出。芯部是溫度限制加熱器的內 部導體。在特定實施例中，芯部220是例如銅或鋁的高導電材料。在一 些實施例中，芯部是例如擴散強化銅的銅合金，其提供機械強度和良好 導電率。在一個實施例中，芯部220是Glidcop ( SCM Metal Products, Inc., Research Triangle Park, North Carolina, U.S.A)。鐵磁導體224 是位於電導體226和芯部220之間的薄4失磁材料層。在特定實施例中， 電導體226還是支撐構件228。在特定實施例中，鐵磁導體224是鐵或糹失 合金。在一些實施例中，鐵磁導體224包括具有高相對導磁率的鐵磁材 料。例如，鐵磁導體224可以是例如阿姆科鐵錠(AK Steel Ltd., United Kingdom)的純鐵。具有一些雜質的鐵典型地具有大約400的相對導磁 率。通過在145(TC下，使鐵在氫氣(H2)中退火對鐵進行提純增大了鐵 的相對導磁率。增大鐵磁導體224的相對導磁率允許減小鐵磁導體的厚 度。例如，未純化鐵的厚度可能為大約4.5毫米，而純鐵的厚度為大約 0.76毫米。在特定實施例中，電導體226為鐵磁導體224和溫度限制加熱器提 供支撐。電導體226可以由在溫度接近或高於鐵磁導體224的居裡溫度 時提供良好機械強度的材料製成。在特定實施例中，電導體226是耐腐 蝕構件。電導體226 (支撐構件228 )可以為4失/磁導體224和耐腐蝕性提 供支撐。電導體226由在溫度達到和/或高於鐵磁導體224的居裡溫度時 提供希望的電阻熱輸出的材料製成。在實施例中，電導體226是347H不鏽鋼。在一些實施例中，電導體 226是其它導電、良好機械強度、耐腐蝕材料。例如，電導體226可以是 304H、 316H、 347HH、 NF709 、 Incoloy⑧800H合金(Inco Alloys International, Huntington, West Virginia, U.S.A) 、 Haynes HR120 合金、或Inconel 617合金。在一些實施例中，電導體226 (支撐構件228)包括位於溫度限制加 熱器不同部分中的不同合金。例如，電導體226 (支撐構件228)的下部 是347H不鏽鋼，電導體(支撐構件)的上部是NF709。在特定實施例 中，在電導體(支撐構件)的不同部分中使用不同的合金以提高電導體 (支撐構件)的機械強度，同時保持溫度限制加熱器的希望加熱性質。
在一些實施例中，鐵磁導體224包括位於溫度限制加熱器的不同部 分中的不同鐵磁導體。在溫度限制加熱器的不同部分中可以使用不同的 鐵磁導體改變不同部分中的居裡溫度和最大工作溫度。在一些實施例中， 溫度限制加熱器上部的居裡溫度低於加熱器下部的居裡溫度。上部較低 的居裡溫度增大了加熱器上部的蠕變斷裂強度壽命。在圖7所示實施例中，鐵磁導體224、電導體226和芯部220尺寸如 此設置，使得當溫度低於鐵磁導體的居裡溫度時，鐵磁導體的趨膚深度 限制流向支撐構件的大部分電流的透入深度。因此，在溫度達到或接近 鐵磁導體224的居裡溫度時，電導體226提供溫度限制加熱器的電阻熱 輸出。在特定實施例中，圖7所示溫度限制加熱器小於(外徑為3釐米、 2.9釐米、2.5釐米或更小)不使用電導體226提供大部分電阻熱輸出的 其它溫度限制加熱器。因為鐵磁導體224與其中大部分電阻熱輸出由鐵 磁導體提供的溫度限制加熱器所需的鐵磁導體的尺寸相比更薄，所以圖7 所示溫度限制加熱器可能更小。在一些實施例中，支撐構件和耐腐蝕構件是溫度限制加熱器中不同 的構件。圖8和9顯示了溫度限制加熱器的實施例，其中在溫度低於鐵 磁導體的居裡溫度時，護套提供大部分熱輸出。在這些實施例中，電導 體226是護套230。電導體226、鐵磁導體224、支撐構件228和芯部220 (在圖8中)或內部導體216 (在圖9中)的尺寸設置成使鐵磁導體的趨 膚深度限制流向護套厚度的大部分流體的透入深度。在特定實施例中， 電導體226是具有耐腐蝕性並且在溫度低於鐵》茲導體224的居裡溫度時 提供電阻熱輸出的材料。例如，電導體226是825不鏽鋼或347H不鏽鋼。 在一些實施例中，電導體226具有小厚度(例如，大約0.5毫米)。在圖8中，芯部220是例如銅或鋁的高導電性材料。支撐構件228好機械強度的其它材料。在圖9中，支撐構件228是溫度限制加熱器的芯部，是347H不鏽鋼 或者在溫度等於或接近鐵磁導體224的居裡溫度時具有良好機械強度的 其它材料。內部導體216是例如銅或鋁的高導電性材料。
溫度限制加熱器可以是單相加熱器或三相加熱器。在三相加熱器實施例中，溫度限制加熱器具有A或Y形配置。在一些實施例中，三相加 熱器包括位於分開的井眼中的三個支腿。支腿可以耦聯在共用接觸部分 中(例如，中心井眼，連接井眼或裝滿溶液的接觸部分)。圖10顯示了 以三相配置耦聯在一起的溫度限制加熱器的實施例。每個支腿232、 234、 236可以位於-友氫化合物層240中分開的開口 238內。每個支腿232、234、 236可以包括加熱元件242。每個支腿232、 234、 236可以耦聯到一個開 口 238中的單個接觸元件244上。接觸元件244可以三相配置方式將支 腿232、 234、 236電氣耦聯在一起。接觸元件244可以例如位於地層中 的中心開口內。接觸元件244可以位於碳氫化合物層240以下(例如， 在下伏巖層中)的開口 238的一部分中。在特定實施例中，位於中心開 口 (例如，具有支腿234的開口 238)中的磁性元件的磁輻射跟蹤用於引 導外部開口 (例如，具有支腿232和236的開口 238)的構成，使得外部 開口與中心開口相交。首先利用標準的井眼鑽孔方法形成中心開口。接 觸元件244可以包括用於允許每個支腿插入接觸元件的溝槽、引導裝置 或穩、定裝置(catchers)。在特定實施例中，上覆巖層246中支腿232和234的一部分具有絕 緣體(例如，聚合物絕緣體)以防止加熱上覆巖層。加熱元件242可以 是大體上豎直的，並且在碳氫化合物層240中大體上彼此平行。在碳氫 化合物層240的底部或其附近，支腿232可以定向地鑽向支腿234以在 接觸部分中與支腿234交叉。定向鑽孔例如可以通過Vector Magnetics LLC (Ithaca， New York, U.S.A)完成。接觸部分的深度取決於交叉支 腿234所需的支腿232中的彎曲長度。例如，對於支腿232和234的豎 直部分之間的40英尺(12米)間距來說，需要200英尺(61米)以允 許支腿232彎曲而與支腿234交叉。圖11顯示了以三相配置耦聯的三個加熱器的實施例。導體"支 腿，，232、 234、 236耦聯到三相變壓器250上。變壓器250可以是隔離的 三相變壓器。在特定實施例中，變壓器250提供Y形配置的三相輸出， 如圖11所示。變壓器250的輸入可以任何輸入配置(例如，圖11所示
的A配置)完成。每個支腿232、 234、 236包括位於地層的上覆巖層中 的引入導線252,其耦聯到碳氫化合物層240中的加熱元件242。引入導 線252包括具有絕緣層的銅。例如，引入導線252可以是具有TEFLON 絕緣體的4-0銅電纜，具有聚氨酯絕緣體的銅棒，或者例如棵銅或棵鋁的 其它金屬導體。在特定實施例中，引入導線252位於地層的上覆巖層部 分中。上覆巖層部分可以包括上覆巖層套管262中。加熱元件242可以 是溫度限制加熱器加熱元件。在實施例中，加熱元件242是410不鏽鋼 棒(例如，直徑為3.1釐米的410不鏽鋼棒)。在一些實施例中，加熱元 件242是複合溫度限制加熱器加熱元件(例如，347不鏽鋼，410不鏽鋼， 銅複合加熱元件；347不鏽鋼，^鐵，銅複合加熱元件；或410不鏽鋼和銅 複合加熱元件)。在特定實施例中，加熱元件242的長度為至少10到2000 米，20到400米，或者30到300米。在特定實施例中，加熱元件242暴露給碳氫化合物層240和來自碳 氬化合物層的流體。因此，加熱元件242是"棵露金屬"或"暴露金屬"加 熱元件。加熱元件242可以由在高溫下具有用於熱解碳氫化合物的可接 受石充化率的材料製成。在特定實施例中，加熱元件242由在至少某一溫 度範圍(例如，530到650°C )內具有隨溫度增加而減小的硫化率的材料， 例如410不鏽鋼製成。由於來自地層的含硫氣體(例如，H2S)的原因， 使用這種材料減少了腐蝕問題。加熱元件242還可以充分對電化腐蝕呈 現惰性。在一些實施例中，加熱元件242具有薄電氣絕緣層，例如氧化鋁或 熱噴塗的氧化鋁。在一些實施例中，薄電氣絕緣層是陶瓷成分的搪瓷塗 層。這些搪資塗層包括但不限於高溫搪瓷。高溫搪瓷可以包括二氧化矽、 氧化硼、鞏土和鹼土氧化物(CaO或MgO),以及少量鹼金屬氧化物 (Na20、 K20、 LiO)。搪資塗層可作為細磨漿料通過將加熱元件浸在漿 料中或給加熱元件噴塗漿料進行施加。包覆的加熱元件隨後在熔爐中加 熱直至達到玻璃態轉化溫度，使得漿料在加熱元件表面上擴散並形成搪 瓷塗層。搪資塗層在溫度低於玻璃態轉化溫度而冷卻時收縮，使得塗層 處於壓縮狀態。因此，當塗層在加熱器工作期間受熱時，塗層能夠隨加熱器膨脹而不會破裂。薄電氣絕緣層具有低熱阻抗，允許熱量從加熱元件傳遞到地層，同 時防止相鄰開口中的加熱元件之間的電流洩漏以及電流洩漏到地層中。在特定實施例中，薄電氣絕緣層在至少350°C、至少500。C或至少800°C 以上的溫度下是穩定的。在特定實施例中，薄電氣絕緣層具有至少0.7、 至少0.8或至少0.9的輻射率。使用薄電氣絕緣層可以允許地層中長加熱 器長度具有低電流洩漏。加熱元件242可以與地層的地層上或附近的接觸元件244相聯。接 觸元件244是銅棒或鋁棒，或者其它高傳導材料。在特定實施例中，過 渡部分254位於引入導線252和加熱元件242之間，或者加熱元件242 和接觸元件244之間。過渡部分254可以由位於銅芯外面具有耐腐蝕性 的傳導材料，例如347不鏽鋼製成。在特定實施例中，過渡部分254由 電氣耦聯引入導線252和加熱元件242，同時幾乎不提供熱輸出的材料制 成。因此，過渡部分254通過使引入導線與加熱元件242隔開而有助於 防止用於引入導線252中的導體和絕緣體過熱。過渡部分254的長度可 以是3到9米(例如，6米)。接觸元件244耦聯到接觸部分260中的接觸器256上以使支腿232、 234、 236彼此電氣耦聯。在一些實施例中，接觸溶液(例如，傳導性的 結合沉澱物(cement))位於接觸部分260中以電氣耦聯接觸部分中的 接觸元件244。在特定實施例中，支腿232、 234、 236在碳氫化合物層 240中大體上平行，並且支腿232大體上垂直地延伸到接觸部分260中。 其它兩個支腿234、 236被定向(例如，通過定向鑽出用於支腿的井眼) 以與接觸部分260中的支腿232相交。每個支腿232、 234、 236可以是三相加熱器實施例中的一個支腿， 使得支腿與地層中的其它加熱器大體上電氣隔離並且與地層大體上電氣 隔離。支腿232、 234、 236可以三角方式布置，使得三個支腿形成三角 形的三相加熱器。在實施例中，支腿232、 234、 236以三角方式布置， 其中支腿之間具有12米間隔(三角形每條邊的長度為12米)。在特定實施例中，薄電氣絕緣層允許在具有大體上U形加熱器的碳
氫化合物層中存在較長的、大體上水平的加熱器支腿長度。大體上u形 井眼可在含瀝青砂地層、油頁巖地層或具有較薄碳氫化合物層的其它地 層中使用。含瀝青砂或薄油頁巖地層可以具有薄淺層，可以利用放在大體上u形井眼中的加熱器對所述淺層進行更為容易和均勻地加熱。大體 上u形井眼還可用於處理在地層中具有厚碳氬化合物層的地層。在一些 實施例中，大體上u形井眼用於接觸厚碳氫化合物地層中的富層。圖12顯示了大體上U形三相加熱器的實施例的側視圖。支腿232、 234、 236的第一端與第一位置264處的變壓器250相聯。在實施例中， 變壓器250是三相交流變壓器。支腿232、 234、 236的端部利用位於第 二位置268處的連接器266電氣耦聯在一起。連接器266電氣耦聯支腿 232、 234、 236的端部，使得支腿可以三相配置的方式工作。在特定實施 例中，支腿232、 234、 236以三相Y形配置耦聯進行工作。在特定實施 例中，支腿232、 234、 236在碳氫化合物層240中大體上平行。在特定 實施例中，支腿232、 234、 236在碳氫化合物層240中以三角方式布置。 在特定實施例中，加熱元件242包括薄電氣絕緣材料(例如，搪瓷塗層) 以防止加熱元件的電流洩漏。在特定實施例中，支腿232、 234、 236電 氣耦聯，使得支腿與地層中的其它加熱器大體上電氣隔離，並且與地層 大體上電氣隔離。在特定實施例中，上覆巖層246中的上覆巖層套管(例如，圖ll和 12中所示上覆巖層套管262)包括抑制套管中的鐵磁影響的材料。抑制 套管262中的鐵》茲影響減少了上覆巖層的熱損失。在一些實施例中，套 管262可以包括非金屬材料，例如，玻璃纖維、聚氯乙烯(PVC)、氯 化聚氯乙烯(CPVC)或高密度聚乙烯(HDPE)。可以在上覆巖層246 的溫度下工作的高密度聚乙烯包括由Dow Chemical Co.， Inc.( Midland, Michigan, USA)購得的高密度聚乙烯。非金屬套管還可以消除對隔離 的上覆巖層導體的需要。在一些實施例中，套管262包括結合到非鎮7茲 性金屬內徑上的碳鋼(例如，包覆有銅或鋁的碳鋼)以抑制碳鋼中的鐵 磁效應或感應效應。其它非鐵磁性金屬包括但不限於具有至少10。/。wt錳 的錳鋼，具有至少18%wt鋁的鐵鋁合金，和例如304不鏽鋼或316不鏽
鋼的奧氏體不鏽鋼。在特定實施例中，套管262中使用的一種或多種非鐵磁性材料在結 合到套管和支腿232、 234、 236上的井頭中使用。在井頭中使用非鐵磁 性材料防止井頭中部件不希望的加熱。在一些實施例中，在井頭內部和/ 或套管262內部吹掃惰性氣體(例如，氮氣或氬氣)防止受熱氣體回流 到井頭和/或套管中。在特定實施例中， 一個或多個支腿232、 234、 236使用盤管安裝在 地層中。在特定實施例中，盤管安裝在地層中，支腿安裝在盤管內部， 並且盤管從地層中抽出以剩下安裝在地層中的支腿。支腿可以同心地放 在盤管內部。在一些實施例中，其內部帶有支腿的盤管安裝在地層中， 並且盤管從地層中取出以剩下安裝在地層中的支腿。盤管可以只延伸到 碳氫化合物層240與接觸部分260的接合處或只延伸到支腿開始在接觸 部分中彎曲的位置。圖13顯示了位於地層中的多個三元結構的三相加熱器的實施例的頂 視圖。每個三元結構270包括通過連杆274電氣耦聯的支腿A、 B、 C(其 相當於圖11和12所示的支腿232、 234、 236)。每個三元結構270耦聯 到其自身的電隔離三相變壓器上，使得三元結構彼此之間大體上電氣隔 離。4吏三元結構電氣隔離防止了三元結構之間的淨電流流動。每個三元結構270的相可以布置成〗吏支腿A、 B、 C在相應位於三元 結構之間，如圖13所示。在圖13中，支腿A、 B、 C布置成使給定三元 結構中的相腿(例如，支腿A)與相鄰三元結構中的相同相腿(支腿A) 具有兩個三元結構高度。三元結構高度是從三元結構的頂點到連接三元 結構的另外兩個頂點的線段中點的距離。在特定實施例中，三元結構270 的相布置成防止淨電流在單獨的三元結構之間流動。在單獨的三元結構 內部可能存在一些電流洩漏，但是由於三元結構的充分電氣隔離和特定 實施例中的三元相布置，而在兩個三元結構之間幾乎沒有淨電流流動。在加熱的初始階段，暴露的加熱元件(例如圖11和12所示加熱元 件242)可能將一些電流洩漏到在地層中具有導電性的水或其它流體中， 使得地層本身受熱。在水或其它導電流體從井眼中去除之後(例如，汽
化或產出)，加熱元件變成與地層電氣隔離。隨後，當水從地層中去除 時，地層的電阻性更強，並且地層加熱更主要地通過熱傳遞和/或熱輻射進行。典型地，地層(碳氫化合物層)具有平均至少10歐姆*米的初始電 阻。在一些實施例中，地層具有至少100歐姆.米或至少300歐姆.米的初 始電阻。使用溫度限制加熱器作為加熱元件限制了含水飽和度對加熱器效率 的影響。當水在地層和加熱器井眼中時，存在以下趨勢，即，電流在位 於電壓最高的碳氫化合物層頂部處的加熱元件之間流動，並導致碳氫化 合物層的不均勻加熱。利用溫度限制加熱器抑制了這一影響，這是因為 溫度限制加熱器減小了加熱元件和碳氫化合物層中的局部過熱。在特定實施例中，生產井位於具有較小或零電位的位置處。這一位 置使生產井處的雜層(stray)可能減至最低。將生產井放在這樣的位置 減小或防止由在生產井中流動的電流引起的生產井的不希望加熱。圖14 顯示了帶有生產井206的圖13所示實施例的頂視圖。在特定實施例中， 生產井206位於或接近三元結構270的中心。在特定實施例中，生產井 206位於三元結構之間具有較小或零電位的位置處(位於由三個三元結構 的頂點的電位平均得出較小或零電位的位置處)。例如，生產井206可 以位於與第一三元結構的支腿A，第二三元結構的支腿B和第三三元結 構的支腿C等距的位置處，如圖14所示。圖15顯示了在地層中採用六邊形布局的多個三元的三相加熱器的實 施例的頂視圖。圖16顯示了圖15所示六邊形結構的實施例的頂視圖。 六邊形276包括兩個三元的加熱器。第一三元結構包括通過連杆274以 三相配置方式電氣耦聯在一起的支腿Al、 Bl、 Cl。第二三元結構包括 通過連杆274以三相配置方式電氣耦聯在一起的支腿A2、 B2、 C2。三 元結構布置成4吏三元結構的相應支腿(例如，A1和A2， Bl和B2， Cl 和C2 )位於六邊形276的相對頂點。三元結構電氣耦聯並布置成在六邊 形276的中心或其附近具有較小或零電位。生產井206可以位於或接近六邊形276的中心。將生產井206放置 在六邊形276的中心或其附近使生產井位於這樣的位置，其減少或防止
由三元結構的支腿中的電流引起的電磁效應所產生的不希望的加熱。在六邊形276中具有兩個三元結構確保了生產井206周圍的冗餘加熱。因 此，如果一個三元結構失效或必須停止時，生產井206仍保持在一個三 元結構的中心。如圖15所示，六邊形276可在地層中以這樣的方式布置，使得相鄰 六邊形產生偏移。利用相鄰六邊形上的電氣隔離的變壓器可以抑制地層 中的電勢，使得在六邊形之間幾乎沒有淨電流洩漏。加熱器三元結構和/或加熱器支腿可以任何形狀或希望的方式布置。 例如，如上所述，三元結構可以包括以等邊三角形布置的三個加熱器和/ 或加熱器支腿。在一些實施例中，三元結構包括以其它三角形狀(例如， 等腰三角形或直角三角形)布置的三個加熱器和/或加熱器支腿。在一些 實施例中，三元結構中的加熱器支腿在地層中彼此交叉(例如，十字交 叉)。在特定實施例中，三元結構包括沿直線順序布置的三個加熱器和/ 或加熱器支腿。圖17顯示了三元結構耦聯到水平連接井上的實施例。三元結構270A 包括232A、 234A、 236A。三元結構270B包括支腿232B、 234B、 236B。 支腿232A、 234A、 236A和支腿232B、 234B、 236B可以沿地層表面上 的直線布置。在一些實施例中，支腿232A、 234A、 236A沿直線布置並 相對於可能沿直線布置的支腿232B、234B、236B偏移。支腿232A、234A、 236A和支腿232B、 234B、 236B包括位於碳氫化合物層240中的加熱元 件242。引入導線252將加熱元件242耦聯到地層表面上。加熱元件242 耦聯到位於地層的底層上或附近的接觸元件244。在特定實施例中，過渡 部分(例如，圖11所示過渡部分254)位於引入導線252和加熱元件242 之間，和/或加熱元件242和接觸元件244之間。接觸元件244耦聯到接觸部分260中的接觸器256上，以使支腿 232A、 234A、 236A彼此電氣耦聯以形成三元結構270A，使支腿232B、 234B、 236B彼此電氣耦聯以形成三元結構270B。在特定實施例中，接 觸器256是接地導體，使得三元結構270A和/或三元結構270B可以三相 Y形配置耦聯。在特定實施例中，三元結構270A和三元結構270B彼此
電氣隔離。在一些實施例中，三元結構270A和三元結構270B彼此電氣 耦聯(例如，電氣串聯或並聯)。在特定實施例中，接觸器256是位於接觸部分260中的大體上水平 的接觸器。接觸器256可以是放入井眼中的套管或實心杆，所述井眼在 接觸部分260中大體上水平地鑽出。支腿232A、 234A、 236A和支腿232B、 234B、 236B可以通過此處描述的任何方法或本領域已知的任何方法電氣 耦聯到接觸器256上。例如，具有鋁熱劑粉末的容器耦聯到接觸器256 上(例如，通過將容器焊接或釺焊到接觸器上)，支腿232A、 234A、 236A 和支腿232B、 234B、 236B放在容器內部，並且鋁熱劑粉末活化以將支 腿電氣耦聯到接觸器上。容器通過例如將容器放在接觸器256的孔或凹 部內而耦聯到接觸器256上或連接到接觸器外部，隨後將容器釺焊或焊 接到接觸器上。 實例下面說明非限制實例。舉例來說，圖18描述了使用圖11和13中描述的溫度限制加熱器和 加熱器布局通過STARS模擬實驗(Computer Modelling Group, LTD., Calgary, Alberta ， Canada )得出的累積產氣量和累積產油量對時間(年) 的曲線。曲線278描述了初始含水飽和度為15。/。時的累積產油量(m3)。 曲線280描述了初始含水飽和度為15。/。時的累積產氣量(m3)。曲線282 描述了初始含水飽和度為85%時的累積產油量(m3)。曲線284描述了 初始含水飽和度為85%時的累積產氣量(m3)。如用於累積產油量的曲 線278和282與用於累積產氣量的曲線280和284之間的微小差異所示， 初始含水飽和度基本上不改變地層加熱。因此，初始含水飽和度也基本 上不改變地層中的碳氫化合物總產量。使用溫度限制加熱器抑制由初始含水飽和度差異引起的地層加熱的變化。對於本領域的普通技術人員來說，本發明各方面的進一步改進和可選實施例變得顯而易見。因此，本說明書只能看作是說明性的，並且用 於教導本領域的技術人員執行本發明的一般方式。應當理解，此處顯示 和描述的本發明的形式應理解為目前來講優選的實施方式。此處顯示和
描述的元素和材料可以被取代，環節和工藝可以相反，本發明的特定特 徵可以獨立使用，對於本領域的普通技術人員來說，在閱讀本發明的說 明書後，所有這些都變得顯而易見。如下列權利要求所述，在不脫離本 發明的精神和範圍的情況下，可以對此處描述的要素進行改變。另外， 應當理解，此處獨立描述的特徵在特定實施例中可以組合。
權利要求
1.一種用於處理含碳氫化合物地層的系統，包括兩組或多組伸長加熱器，其中一組包括放入地層中的兩個或多個開口內的兩個或多個加熱器，組內加熱器在地層表面以下電氣耦聯，所述開口包括位於地層的碳氫化合物層中的至少部分暴露的井眼；所述兩組或多組在電氣上配置成使流過位於至少兩組之間的地層的電流得到抑制；並且加熱器配置成給地層提供熱量。
2. 如權利要求l所述的系統，其中，所述組中的至少一組電氣配置 成使流自組中至少 一個加熱器的電流優選地流向組內的另 一個加熱器， 而不是流向不同組中的加熱器。
3. 如權利要求1或2所述的系統，其中，所述系統還包括耦聯到所 述組中至少兩組的至少兩個電氣隔離的變壓器，並且其中，所述組中的 至少一組由所述變壓器中的至少一個提供電能，從而給組中的每個加熱 器提供不同相位的電能。
4. 如權利要求l-3中任意一項所述的系統，其中，所述組物理上布 置成使流過位於至少兩組之間的地層的電流得到抑制。
5. 如權利要求l-4中任意一項所述的系統，其中，所述組的相布置 成基本上沒有淨電流流過位於至少兩組之間的地層。
6. 如權利要求l-5中任意一項所述的系統，其中，所述組中的至少 一組包括加熱器三元結構。
7. 如權利要求l-6中任意一項所述的系統，其中，所述組中的至少 一組包括兩個加熱器三元結構。
8. 如權利要求l-7中任意一項所述的系統，其中，所述組中的至少 一組包括兩個重疊的成三角形間隔開的加熱器三元結構。
9. 如權利要求6或8所述的系統，其中，單獨的三元結構耦聯到電 氣隔離的三相變壓器上。
10. 如權利要求9所述的系統，其中，電氣隔離的三相變壓器以Y 形配置耦聯到單獨的三元結構上。
11. 如權利要求6-10中任意一項所述的系統，其中，三元結構在地 層中以三角方式布置。
12. 如權利要求1-11所述的系統，其中，所述系統配置成允許在至 少 一組中的至少兩個加熱器之間存在一些電流洩漏。
13. 如權利要求1-12中任意一項所述的系統，其中，所述系統配置 為允許至少 一組和至少 一個相鄰組之間基本上沒有電流洩漏。
14. 如權利要求1-13中任意一項所述的系統，其中，所述伸長加熱 器包括暴露的金屬伸長加熱器。
15. 如權利要求1-14中任意一項所述的系統，其中，至少一個伸長 加熱器包括溫度限制加熱器，所述溫度限制加熱器包括鐵〃磁導體並配置 為在時變電流施加給溫度限制加熱器，並且加熱器低於選定溫度時提供 電阻，並且在鐵磁導體的溫度等於或高於選定溫度時，溫度限制加熱器 自動地提供減小的電阻。
16. 如權利要求1-15中任意一項所述的系統，其中，所述地層具有 平均為至少10歐姆.米的初始電阻。
17. 如權利要求1-16中任意一項所述的系統，其中，至少一組中的 至少兩個加熱器在遠離地層表面的開口端部上或其附近電氣耦聯。
18. 如權利要求1-17中任意一項所述的系統，其中，至少兩個開口 在遠離地層表面的開口端部處或其附近互連，並且開口中的加熱器在開 口的互連部分處電氣耦聯。
19. 如權利要求1-18中任意一項所述的系統，其中，所述加熱器在 加熱器外側具有電氣絕緣層以防止加熱器的電流洩漏。
20. 如權利要求19所述的系統，其中，所述電氣絕緣層包括位於加 熱器外表面上的搪瓷塗層。
21. 如權利要求1-20中任意一項所述的系統，其中，所述加熱器中 的至少 一個為溫度限制加熱器。
22. 如權利要求1-21中任意一項所述的系統，其中，所述系統還包 括耦聯到位於地層的上覆巖層部分中的伸長加熱器上的一種或多種非鐵 磁性材料。
23. 如權利要求1-22中任意一項所述的系統，其中，所述系統還包 括生產井，所述生產井放置在地層中具有較小或零電位的位置處或其附 近。
24. 如權利要求23所述的系統，其中，所述生產井位於一組加熱器 的中心或其附近。
25. 如權利要求23所述的系統，其中，所述生產井位於由兩組或多 組加熱器的頂點的電位平均得到較小或零電位的位置處。
26. —種使用如權利要求1-25中任意一項所述的系統的方法，所述 方法包括給地層的至少一部分提供熱量。
27. 如權利要求26所述的方法，還包括允許熱量傳遞給地層，使得 至少一部分碳氫化合物在地層中熱解。
28. 如權利要求26或27所述的方法，還包括從地層中生產流體。
29. —種混合物，包括利用如權利要求1-25中任意一項所述的系統， 或利用如權利要求26-28中任意一項所述的方法產出的碳氫化合物。
30. —種由權利要求29所述混合物製成的運輸燃料。
31. —種用於處理含碳氫化合物地層的系統，包括 一組伸長加熱器，其中，所述組包括放入地層中兩個或多個開口內的兩個或多個加熱器；所述組配置成使從所述組流過地層的電流得到抑制；並且 加熱器配置成給地層提供熱量。
全文摘要
本發明描述了一種用於處理含碳氫化合物的地層的系統。這種系統包括兩組或多組伸長加熱器。一組加熱器包括放入地層中的兩個或多個開口中的兩個或多個加熱器(242)。所述加熱器組內的加熱器在地層表面以下電氣耦聯。所述開口是位於地層的碳氫化合物層中的至少部分暴露的井眼。所述加熱器組被電氣配置成使流過位於至少兩個加熱器組之間的地層的電流得到抑制。加熱器配置成給地層提供熱量。
文檔編號E21B36/04GK101163856SQ200680013320
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A·J·塞繆爾, C-F·蘇, H·J·維訥格, P·T·格裡芬, P·T·漢密爾頓, R·W·沃特金斯, S·L·梅森, W·G·科伊特 申請人:國際殼牌研究有限公司