专利名称：地下电热加热系统及方法
技术领域：
本发明涉及地下加热，更具体地说，涉及一种地下电热加热系统及方法。
背景技术：
加热系统可以在地下环境中使用，而用于各种用途。在一种应用中，地下加热系统可以用于促进石油生产。由于提取残留在地层中的稠油存在困难，因此，世界许多储油层的石油生产率有所下降。当石油从稠油区域的储油层提取出来时，各种限制生产的问题可能会遇到。例如，石油的高密度会引起低流动性的情况。在含有高腊的石油中，石蜡会沉淀出来并在生产管的管壁上形成沉淀，从而当抽吸石油时堵塞流动。在高度气侵的油井中，当石油被带到表面时，会发生气体膨胀，导致水合物的形成，这显著降低了石油的温度，并因此降低流动。
加热石油是一种处理这些常见生产限制问题和促进提高石油采油率(EOR)的方法。蒸汽和电加热器已经被用作加热源，用于促进提高石油采油率。一种有关热示踪的方法，包括使用放置在输送管系统上的机械以及/或者电气元件，从而将系统维持在预定温度。可以通过管来循环蒸汽，或者电气元件可以放置在输送管上，以便加热石油。
这些方法存在一些缺点。蒸汽注入系统可能由于低效的能源使用、维修问题、环境制约以及无法提供精确并可重复的温度控制，而受到阻碍。尽管电加热通常认为比蒸汽注入加热更加优越，但是，电热加热系统一般会在无需加热即可促进石油流动的地区而产生不必要的加热。这种不必要的加热与低效的电能使用是相关的，并且同样会引起环境问题，如导致在北极地区永冻层的不合要求的融化。
因此，需要一种可以有效和可靠地将热输入传递到地下环境中局部区域的地下电热加热系统。
附图简介本发明的优点通过如下典型实施例的详细描述变得显而易见，这些描述应该与图中所附图形相结合一同考虑，其中
图1-4是根据本发明的地下电热加热系统的不同实施例的示意图，这些实施例包括加热器电缆段和冷导线段的各种布置方式。
图5是根据本发明的地下电热加热系统的一种实施例的示意图，该系统用于井下加热。
图6是在图5所示典型的井下加热的地下电热加热系统中的固定于生产管上的加热器电缆的示意性剖面图。
图7是压力井馈通式组件的一种实施例的示意图，该组件用于在压力井口处在将冷导线连接到井下加热的地下电热加热系统中的加热器电缆上。
图8是根据本发明的外部安装的井下加热器电缆的一种实施例的示意性透视图。
图9是图8所示加热器电缆的示意性剖视图。
图10是根据本发明的外部安装井下加热器电缆的另一实施例的示意性透视图。
图11是图10所示加热器电缆的示意性剖视图。
图12是根据本发明的内部安装井下加热器电缆的一种实施例的示意性透视图。
图13-14是安装在生产管中的图12所示内部安装的井下加热器电缆的示意性透视图。
图15是根据本发明的地下电热加热系统另一实施例的示意图。
详细描述通常，根据本发明的地下电热加热系统可以用于向地下环境中的一个或多个局部地区传递热输入。根据本发明的地下电热加热系统的应用包括但并不限于，用于提高石油采油率(EOR)在储油层的热输入，地下水或土壤补救处理，为了提高石油采油率或补救用途的现场蒸气生成，以及为了促进石油或承载石油沉淀物粘度降低的在局部地区现场碳氢化合物的裂化。地下电热加热系统的典型实施例在石油生产和提高石油采油率方面有所描述。然而应该理解的是，典型实施例是以解释方式进行描述，并非具有限制性。
图1显示了根据本发明的地下电热加热系统一种典型实施例10。所示的典型系统10包括通过冷导线电缆段16以导电方式连接在加热器电缆段12上的电源20。冷导线电缆段16布置在地下环境2中的非目标区18中，并且加热器电缆段12布置在地下环境2的加热目标区14中。加热目标区域14可以是地下环境2中例如为了促进石油流动而需要加热的任何区域。非目标区域18可以是地下环境2中的任何区域，在这些区域中，无需加热并因此加热量为最小，例如，这是为了节约电能，或者是为了避免对如北极地下环境的永冻层这种温度敏感区采用显著加热。
加热器电缆段和冷导线电缆段的长度、结构以及数量可以取决于应用。在提高石油采油率的应用中，典型的冷导线段16在长度上可以是至少大约700米，而且在长度上可以延伸至大约1000米。同样，冷导线段和加热器电缆段产生的热量会与这些分段的电能消耗直接相关联。在一种实施例中，其优点在于，冷导线段16消耗的电能少于加热器电缆段12所耗功率的大约10％。在提高石油采油率的应用中，例如，加热器电缆段12的电能消耗可以为大约100瓦/英尺，而冷导线段12中的电能消耗可以少于10瓦/英尺左右。在另一种实施例中，冷导线段可以设置成使得通过该段的电压降小于或等于该系统中通过所有冷导线和加热器电缆段的总电压降的15％。
本领域普通技术人员可以认识到，冷导线段的电能消耗和电压降可根据具体系统的电气特性而不同。下表1中显示了不同导体尺寸和700、800、900及1000米长度的冷导线在电源为480伏单相电源的系统中以及在电源为480伏三相电源系统中的电能消耗和线路电压降。下表2显示了不同导体尺寸和700、800、900以及1000米长度的冷导线在电源为600伏单相电源的系统中以及在电源为600伏三相电源系统中的电能消耗以及线路电压降。对于表1和2所示的典型配置，冷导线的导体在尺寸上设置成可适用于井中不超过15％的电压降或者10瓦/英尺的功率，并且导体温度设置在平均75℃。
表1
表2
根据本发明的一个或多个冷导线以及加热器电缆段可以根据系统需要而以各种结构来提供。例如，图2显示了另一种根据本发明的地下电热加热系统的典型实施例10a。在所示的实施例中，加热器电缆段12和冷导线段16在地下环境2中具有大致垂直的定向。冷导线段16延伸穿过地下环境2的非目标区18，从而将加热目标区14中的加热器电缆段12以导电方式连接到电源20上。本领域的普通技术人员可以认识到，根据本发明的系统并不限于任何特定的定向，而是可以在地下环境12中以水平、垂直或其他定向或者定向的组合来实施。对于给定系统的定向可以取决于系统的要求以及/或者待加热区域的定向。
根据本发明的系统也可以以分段的结构来实现，例如图3和图4所示。图3显示了包括布置多个加热器电缆段12和冷导线段16的分段式地下电热加热系统10b。加热器电缆段12以及冷导线段16基于地下环境2中加热目标区14和非目标区18的预定样式来设置、相互连接和定位。因此，加热器电缆段12和冷导线段16可以策略地定位，以便将电热能量聚集到地下环境2中的多个所需区域，同时调节热输入并避免不必要的加热。图4显示了另一种根据本发明的系统的典型实施例10c，其中加热器电缆段12和冷导线段16根据相应的加热目标区域14和非目标区域18的尺寸而具有不同长度。尽管该典型实施例显示了具体的样式、结构和定向，但是，加热器电缆段和冷导线段可以设置成其他的样式、结构和定向。
加热器电缆段12可以包括任何将电能转化为热量的加热器电缆的类型。这些加热器电缆通常为本领域技术人员所熟知，而且可以包括但并不限于标准的三相恒功率电缆、矿物绝缘(MI)电缆，以及集肤效应示踪系统(STS)。
MI电缆的一种示例包括三个(3)等距离间隔开的镍铬铁合金电源导体，这些导体在电源端连接于电压电源上，并以导电方式在接线端结合，从而构成了恒流的加热电缆。MI电缆也可以包括由例如名称为Inconel的抗腐蚀合金类型构成的外护层。
在STS加热系统的一种示例中，热量由铁磁体热管的内表面产生，该热管以导热方式连接在待加热的构造上(例如连接于输油管上)。电绝缘、耐高温的导体安装在热管的内部并于远端连接于该管上。该管和导体以串联的方式连接于直流电压电源。电路电流的回路由于集肤效应以及热管和导体之间的邻近效应，而被引到热管的内表面。
在一种实施例中，冷导线段16可以是设定为以导电方式连接在加热器电缆段12上并将电能提供至加热器电缆段12上的电缆，但其产生的热量小于加热器电缆段16。冷导线段16的设计可以根据加热器电缆的类型以及其中利用加热电缆来产生热量的方式决定。当加热器电缆段12包括导体或总线并利用电阻产生热量时，例如，冷导线段16可以由具有较低电阻(如具有较大截面)的导体或总线构成。较低的电阻允许冷导线段16向加热器电缆段12传导电流，并降低或阻止热量的产生。当加热器电缆段12为STS加热系统时，冷导线段16可以由与热管不同的材料构成，并且在该热管与导体之间具有不同的连接件，以便降低或阻止热量的产生。
在提高石油采油率的应用中，根据本发明的地下电热加热系统可以用于提供井下加热或井底加热。该系统可以固定在包含石油的构造、例如生产管或储油层上，以便加热构造中的石油。在这些应用中，至少一个冷导线段16可以具有适当的长度，以便穿过土壤到达需要加热石油的位置，例如到达生产管上的所需位置或者储油层的上表面。根据本发明的系统也可以或者可选择地设置成用于间接加热所述构造内的石油。例如，系统可以设置成用于加热所注入的可溶气体或流体，这些气体或流体此后用于加热石油，以便促进提高石油采油率。
根据本发明的井下地下电热加热系统30的一种实施例在图5-7中所示。这种典型的井下地下电热加热系统30包括固定在生产管34上的加热器电缆段32，以及将加热器电缆段32连接到例如为配电盘和变压器的电源设备38上的冷导线段36。电源接头40将冷导线段36以导电方式连接到加热器电缆段32上，并且接线端42端接于加热器电缆段32上。
冷导线段36延伸穿过井口35，并沿着生产管34的一部分向下延伸到达沿着生产管的需要加热的位置。沿生产管34向下延伸的冷导线段36的长度可以由沿生产管34需要加热以便促进石油流动的位置来决定，并且可以由本领域熟练的技术人员决定。沿生产管34向下延伸的冷导线段36的长度也可以由冷导线段36所延伸穿过的任何非目标区(例如永冻层区域)的深度来决定。在一个示例中，冷导线段36延伸了大约700米，并且加热器电缆段32沿油井向下延伸了大约700到1500米。尽管在这个典型实施例中显示了加热器电缆段32和冷导线段36，但是，可例如，以构想出其他多个热器电缆段32和冷导线段36的组合，以便沿着生产管34形成分段的结构。
加热器电缆段32的一个示例为具有三个外护层导体的含氟聚合物外护层铠装的三相恒功率电缆，而冷导线段36的一个示例为3条导线的10平方毫米的铠装电缆。电源接头40可以包括带有含氟聚合物绝缘体的轧钢外壳，从而提供机械保护和电气连接。电源接头40也可以通过采用一系列垫圈并用硅酮基化合物灌注而将其密封于中空柱体钢制组件中，而加以机械式和保温式的保护。接线端42可以包括热熔的含氟聚合物绝缘体，以便提供机械式保护，以及为加热器电缆段32中的导体提供导电的Y接线端。
如图6所示，加热器电缆段32可以利用例如刚性槽钢的沟槽44和沿沟槽44间隔开(例如每隔4英尺)的紧固条46，而固定在生产管34上。沟槽44防止加热器电缆段32被磨损和挤压，并且确保了热量从加热器电缆段32向生产管34中的流体一致的传递。沟槽44的一种示例为16号槽钢，而紧固条46的一种示例为20号1/2英寸宽的不锈钢。
在使用中，在管34被向下放入井内时，可以解绕开加热器电缆段32并将其紧固在生产管34上，。在将生产管34的其余部分向下放入井中之前，加热器电缆段32可以被割断并接合在冷导线段36上。冷导线段36可以通过井口送入并连接到电源设备38上。对于未加压的井口，冷导线段36可以采用电源接头40而直接接合在加热器电缆段32上。
对于加压的井口，例如如图7所示，电源馈通式心轴组件50可以用于穿过井口。所示的典型电源馈通式心轴组件50包括穿过加压井口的心轴52。外露式插塞接头54以导电方式连接于电源上，并且连接在心轴52的上部接头51上。下部的插塞接头56连接在其中一条系统电缆53(即加热器电缆段或冷导线段)上，并且连接到心轴52的下部接头55上。
此外，本领域普通的技术人员可以认识到多种可用在根据本发明的系统中作为加热器电缆的电缆结构。用于常压井中的外部安装的井下加热器电缆段32的一种典型实施例如图8-9所示。这种典型的加热器电缆段32提供了产生11-14瓦/英尺功耗的三相电，并且如上所述可以安装在管道中的生产管的外部。
图10-11显示了以根据本发明的方式下用于压力井中的于外部安装的井下加热器电缆段的另一种实施例32a。这种典型的电缆段32a提供了产生14-18瓦/英尺功耗的三相电，并且如上所述可以利用馈通式心轴而安装在生产管外部，该生产管位于槽中。
井下地下电热加热系统的另一种实施例60包括内部安装的井下加热器电缆段62和冷导线段66，它们用在加压的井或未加压的井中，如图12-14所示。这种典型的内部安装的加热器电缆段62提供了三相电，并产生8-10瓦/英尺的功耗。内部安装的加热器电缆段62可以具有小的直径(例如大约1/4英寸)，并且可以大约700米的长度作为无结合的连续电缆来提供。这种内部安装的加热器电缆段62也可以具有由例如镍合金Incoloy 825构成的抗腐蚀外护套。这种内部安装的加热器电缆段62较容易安装，而不会牵拉动生产管。
地下电热加热系统的另一种实施例70如图15所示。在这种实施例中，其上连有冷导线段76的STS加热器电缆段72被固定在在地下环境中通常水平延伸的储油层或输送管74上。尽管图示了一个STS加热器电缆段72和一个冷导线段76，但可以构想出多个STS加热器电缆段72和冷导线段76的其它组合，以便例如沿储油层或输送管74而构成分段的结构。
在一种实施例中，地下电热加热系统的构件(例如加热器电缆、冷导线、电源接头以及接线端)可以根据所需的加热模式以及在地下环境中非目标区的区域中分开地提供，以便现场组装。例如，一个或多个加热器电缆段可以切割成由所需加热目标区的数量和尺寸所决定的长度，并且一个或多个冷导线段可以切割成由非目标区的数量和尺寸所决定的长度。因此，加热器电缆和冷导线随后可以相互连接并因此定位在地下环境中。
因此，根据本发明的包括一个或多个冷导线段的地下电热加热系统就允许战略性地布置热输入，而无需在某些地下区域中进行加热。冷导线段的使用可以减少工作功率的使用，并且可以将例如加热永冻层的环境问题减到最小。地下电热加热系统还允许进行分段的热输入。
尽管本发明的原理已经在本文中有所描述，但是应该理解的是，这些描述仅仅是通过示例方式进行的，并非对本发明的范围进行限定。除了文中所示和所述的典型实施例以外，在本发明的范围内，还可以构想出其他的实施例。本领域普通技术人员所进行的修改和替换，除了未在所附权利要求中加以限定的以外，都被认为属于本发明的范围内。
权利要求
1.一种地下电热加热系统，包括至少一个加热器电缆段，其设置成用于产生加热器电缆热输出，并且延伸至地下环境中的至少一个加热目标区中；以及至少一个冷导线段，其以导电方式连接到所述加热器电缆段上，并设置成用于延伸穿过所述地下环境的至少一个非目标区，用于将电能传送给所述加热器电缆段，所述冷导线段产生了少于所述加热器电缆热输出的冷导线热输出。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个所述冷导线段具有大于或等于700米的长度。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个冷导线段设置成消耗小于或等于所述至少一个加热器电缆段所消耗的功率的10％。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个冷导线段设置成使得跨过所述冷导线段的电压降小于或等于跨过所述至少一个冷导线段和所述至少一个加热器电缆段的全部电压降的15％。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热器电缆段布置成邻接于包含流体的构造，用于加热所述构造中的流体，所述构造至少部分地布置在所述地下环境的所述加热目标区中。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述包含流体的构造包括所述地下环境中的储油层。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述流体包括石油。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述包含流体的构造包括石油生产管，而所述流体包括石油。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述加热器电缆段布置在所述石油生产管的内部。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述加热器电缆段定位在所述石油生产管的外部。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括交替地相互连接而形成分段式电热加热系统的多个所述加热器电缆段和所述冷导线段。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括以导电方式连接于其中至少一个所述冷导线段的一端上的电源。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括将所述加热器电缆段连接于所述冷导线段上的电源接头。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括连接于其中至少一个所述加热器电缆段的一端上的接线端。
15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热器电缆段包括矿物绝缘的电缆段。
16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热器电缆段包括提供第一电阻的加热器电缆导体，而所述冷导线段包括以导电方式连接于所述加热器电缆导体上的冷导线电缆导体，所述冷导线电缆导体提供了小于所述第一电阻的第二电阻。
17.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热器电缆段包括集肤效应示踪系统。
18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷导线段和所述加热器电缆段穿过井口延伸。
19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括外露式插塞接头；馈通式心轴，其延伸穿过加压井口，并具有连接于所述外露式插塞接头上的第一端；以及下部插塞接头，其具有连接于所述馈通式心轴第二端上的第一端，并且具有连接于其中第一个所述冷导线电缆段上的第二端。
20.一种地下电热加热系统，包括相邻于地下环境中包含流体的构造布置的至少一个加热器电缆段，用于将加热器电缆的热输出传递给所述包含流体的构造中的流体；以及至少一个冷导线段，其以导电方式连接于所述加热器电缆段上，并延伸穿过所述地下环境的至少一个非目标区，用于将电能传递给所述加热器电缆段，所述冷导线段产生了小于所述加热器电缆热输出的冷导线热输出，并且设置成消耗了小于或等于所述至少一个加热器电缆段所耗功率的10％。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述至少一个冷导线段具有大于或等于700米的长度。
22.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述至少一个冷导线段设置成使得跨过所述冷导线段的电压降小于或等于跨过所述至少一个冷导线段和所述至少一个加热器电缆段的全部电压降的15％。
23.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述包含流体的构造包括在所述地下环境中的储油层。
24.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述流体包括石油。
25.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述包含流体的构造包括石油生产管，并且所述流体包括石油。
26.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，所述加热器电缆段至少部分地布置在所述石油生产管的内部。
27.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，所述加热器电缆段定位于所述石油生产管的外部。
28.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述系统包括交替地相互连接而形成分段式电热加热系统的多个所述加热器电缆段和所述冷导线段。
29.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电源，其以导电方式连接在其中至少一个所述冷导线段的一端上。
30.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电源接头，其将所述加热器电缆段连接在所述冷导线段上。
31.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述系统还包括连接于至少一个所述加热器电缆段的一端上的至少一个接线端。
32.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述加热器电缆段包括矿物绝缘的电缆段。
33.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述加热器电缆段包括提供第一电阻的加热器电缆，并且所述冷导线段包括以导电方式连接在所述加热器电缆导体上的冷导线电缆导体，所述冷导线电缆导体提供了小于所述第一电阻的第二电阻。
34.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述加热器电缆段包括集肤效应示踪系统。
35.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述冷导线段和所述加热器电缆段穿过井口延伸。
36.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，还包括外露式插塞接头；馈通式心轴，其延伸穿过加压井口，并具有连接于所述外露式插塞接头上的第一端；以及下部插塞接头，其具有连接于所述馈通式心轴第二端上的第一端，并且具有连接于其中第一个所述冷导线电缆段上的第二端。
37.一种设置地下加热系统以用于将热输入传递到地下环境中局部区域的方法，所述方法包括在所述地下环境中限定至少一个加热目标区和至少一个非目标区的样式；将至少一个冷导线电缆段与至少一个加热器电缆段相互连接；以及将所述冷导线段和所述加热器电缆段定位在所述地下环境中，使得所述加热器电缆段延伸到相关的所述加热目标区区域，以便将加热器电缆的热输出提供给所述相关加热目标区，而且所述冷导线段穿过相关的所述非目标区区域，以便提供小于所述加热器电缆热输出的相关的冷导线热输出。
38.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述至少一个冷导线段具有大于或等于700米的长度。
39.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述至少一个冷导线段设置成消耗小于或等于所述至少一个加热器电缆段所耗功率的10％。
40.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述至少一个冷导线段设置成使得跨过所述冷导线段的电压降小于或等于跨过所述至少一个冷导线段及所述至少一个加热器电缆段的全部电压降的15％。
41.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述加热器电缆段布置成邻接于包含流体的构造，用于加热所述构造中的流体，所述包含流体的构造至少部分地布置在所述地下环境的所述加热目标区中。
42.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述包含流体的构造包括在所述地下环境中的储油层。
43.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述流体包括石油。
44.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述包含流体的构造包括石油生产管，并且所述流体包括石油。
45.根据权利要求44所述的方法，其特征在于，所述加热器电缆段至少部分布置在所述石油生产管的内部。
46.根据权利要求44所述的方法，其特征在于，所述加热器电缆段定位于所述石油生产管的外部。
47.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，将所述至少一个冷导线电缆段与至少一个加热器电缆段相互连接的步骤包括，将多个所述冷导线电缆段与多个所述加热器电缆段以交替的方式相互连接，以形成分段式的电热加热系统。
全文摘要
一种地下电热加热系统，包括延伸穿过地下环境中一个或多个加热目标区的一个或多个加热器电缆段，以及连接于加热器电缆段上并且延伸穿过地下环境中一个或多个非目标区的冷导线段。冷导线段将电能传递到加热器电缆段，但只产生低于加热器电缆段的热量。加热器电缆段和冷导线段布置成用于将热输入传递到地下环境中的一个或多个局部区域。
文档编号E21B36/04GK101048571SQ200580032447
公开日2007年10月3日 申请日期2005年6月16日 优先权日2004年7月29日
发明者E·E·德圣雷米 申请人:泰科热控制有限公司