专利名称：螺旋缠绕绝缘导体加热器以便进行安装的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于加热地下地层的系统和方法。更特别地，本发明涉及用于加热地下含烃地层的系统和方法。
背景技术：
从地下地层获得的烃通常用于能源、原料和消费品。由于对可用烃源用尽的关注和对生产的烃的整体质量下降的关注，已经引起对更高效地开采、处理和/或利用可用烃源的エ艺进行开发。就地エ艺可用于从之前不可进入和/或使用可用方法提取太昂贵的地下地层分离出烃材料。可能需要改变地下地层中烃材料的化学和/或物理性能来使烃材料更易于从地下地层分离出，和/或提高烃材料的价值。化学和物理变化可包括地层中烃材 料的产生可分离出的流体的就地反应、组分变化、溶解度变化、密度变化、相变和/或粘度变化。加热器可放置在井筒中，用于在就地エ艺中加热地层。存在很多不同类型的可用于加热地层的加热器。利用井下加热器的就地エ艺的示例示出在授予Ljungstorm的美国专利 No. 2, 634, 961 ;授予 Ljungstorm 的美国专利 No. 2, 732, 195 ;授予 Ljungstorm 的美国专利2，780, 450 ;授予Ljungstorm的美国专利2，789，805 ;授予Ljungstorm的美国专利2，923, 535 ;授予Van Merus等人的4，886, 118 ;和授予Wellington等人的美国专利6，688，387 中。用于地下应用中例如在一些应用中加热含烃地层的矿物绝缘(MI)电缆(绝缘导体)较长，可具有更大的外径，并且可在比MI电缆行业中通常的电压和温度更高的电压和温度下操作。在长度长的绝缘导体的制造和/或装配过程中存在很多潜在的问题。例如，存在潜在的由于用于绝缘导体中的电绝缘体随时间过去发生劣化而造成的电和/或机械问题。还存在在绝缘导体加热器的装配过程中需要克服的与电绝缘体相关的潜在问题。例如芯鼓起或其他机械缺陷等问题可能在绝缘导体加热器装配过程中发生。发生这样的情况可能在加热器使用过程中导致电问题，并且可能使得加热器不能用于其预期目的。另外，在绝缘导体装配和/或安装到地下的过程中，可能存在绝缘导体上的增大应カ的问题。例如，在用于运输和安装绝缘导体的卷轴上缠绕和展开绝缘导体可在绝缘导体上或绝缘导体中的其他部件上产生机械应力。因而，需要更可靠的系统和方法来在绝缘导体的制造、装配和/或安装过程中降低或消除潜在的问题。
发明内容
本文所述的实施例总体涉及用于处理地下地层的系统、方法和加热器。本文所述的实施例还总体涉及其中具有新颖部件的加热器。这样的加热器可通过使用本文所述的系统和方法获得。在一些实施例中，本发明提供一种或多种系统、方法和/或加热器。在一些实施例中，所述系统、方法和/或加热器用于处理地下地层。在一些实施例中，用于在地下地层中安装两个或更多个加热器的方法包括提供卷轴，所述卷轴包括已卷绕在所述卷轴上的两个或更多个加热器的基本上螺旋形构造；从卷轴上展开加热器的螺旋形构造；以及将加热器的螺旋形构造安装于地下地层中的开ロ内。 在一些实施例中，用于在地下地层中安装三个加热器的方法包括提供卷轴，所述卷轴包括已卷绕在所述卷轴上的三个加热器的基本上螺旋形构造；从卷轴上展开加热器的螺旋形构造；以及将加热器的螺旋形构造安装于地下地层中的开ロ内。在另外的实施例中，来自特定实施例的特征可与来自其他实施例的特征组合。例如，来自一个实施例的特征可与来自其他实施例的任何一个实施例的特征组合。在另外的实施例中，处理地下地层使用本文所述的方法、系统、电源或加热器中的任何ー个进行。在另外的实施例中，其他特征可添加到本文所述的特定实施例。
通过參照下面结合附图进行的对根据本发明目前优选的但是示例性的实施例的详细描述，将更全面地理解本发明的方法和设备的特征和优点。图I显示了用于处理含烃地层的就地热处理系统的一部分的实施例的示意性视图。图2图示了绝缘导体热源的一个实施例。图3图示了绝缘导体热源的一个实施例。图4图示了绝缘导体热源的一个实施例。图5A和5B图示了用于绝缘导体加热器中的限温加热器部件的一个实施例的剖视图。图6图示了正被螺旋缠绕在卷轴上的加热器的一个实施例。图7图示了被螺旋缠绕在一起的三个加热器的一个实施例。图8图示了被围绕支架螺旋缠绕的三个加热器的一个实施例。虽然本发明容许有各种修改形式和替代形式，但是在附图中以示例方式显示了其特定实施例，并且这里将对它们进行详细描述。附图可不按比例绘制。应可理解，附图和关于其的详细描述不g在将本发明限制到所公开的特定形式，而是相反，本发明将覆盖全部落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施例方式下面的描述总体涉及用于处理地层中的烃的系统和方法。这样的地层可进行处理来产生烃产物、氢和其他产物。“交流电流(AC)”指随时间变化的电流，其基本上以正弦方式改变方向。AC在铁磁性导体中产生集肤效应电流。在降低热输出加热系统、设备和方法的范围内，术语“自动”或“自动地”指此类系统、设备和方法按照特定的方式发挥作用而不使用外部控制(例如外部控制器，如具有温度传感器和反馈环的控制器、PID控制器或者预测控制器)。“联接”意思是ー个或多个物体或部件之间的直接连接或间接连接(例如，ー个或多个中介连接)。术语“直接连接的”意思是物体和部件之间的直接连接，以使物体或部件彼此直接连接，从而使物体或部件以单点(“point of use”)方式操作。“居里温度”是指在该温度以上铁磁性材料失去其全部铁磁性能的温度。除了在居里温度以上失去全部其铁磁性能外，铁磁性材料还在增大的电流经过铁磁性材料时开始失去其铁磁性能。“地层”包括ー个或多个含烃层、ー个或多个非烃层、上覆岩层和/或下 伏岩层。“烃层”指地层中的含烃的层。烃层可包含非烃材料和烃材料。“上覆岩层”和/或“下伏岩层”包含ー种或多种不同类型的不可滲透材料。例如，上覆岩层和/或下伏岩层可包括岩石、页岩、泥岩或湿/致密碳酸盐。在就地热处理工艺的ー些实施例中，上覆岩层和/或下伏岩层可包括在就地热处理工艺过程中相对不可渗透并且不受温度影响的ー个含烃层或多个含烃层，所述就地热处理工艺导致上覆岩层和/或下伏岩层的多个含烃层的显著的特性变化。例如，下伏岩层可包含页岩或泥岩，但是下伏岩层在就地热处理工艺过程中不允许被加热到热解温度。在一些情况下，上覆岩层和/或下伏岩层可具有一定的滲透性。“地层流体”指存在于地层中的流体，并且可包括热解流体、合成气、活动化烃和水(蒸汽)。地层流体可包括烃流体以及非烃流体。术语“活动化流体”指含烃地层中的由于对地层的热处理而能够流动的流体。“生产的流体”指从地层分离出的流体。“热通量”为每单位时间每単位面积的能量流量(例如瓦/平方米)。“热源”为用于基本上通过传导和/或辐射热传递向地层的至少一部分提供热的任何系统。例如，热源可包括导电材料和/或电加热器，例如布置在电路中的导体和/或细长构件、绝缘导体等。热源可还包括通过在地层外部或地层中燃烧燃料产生热的系统。所述系统可以是表面燃烧器、井下气体燃烧器、无焰分布型燃烧室和自然分布型燃烧室。在一些实施例中，提供到一个或多个热源的热或在一个或多个热源中产生的热可由其他能量源提供。其他能量源可直接加热地层，或所述能量可施加到直接或间接加热地层的传递介质。应可理解，将热施加到地层的ー个或多个热源可使用不同的能源。因而，例如，对于指定的地层，一些热源可从导电材料、电阻加热器供热，一些热源可通过燃烧提供热，一些热源可从ー种或多种其他能源(例如，化学反应、太阳能、风能、生物质或其他可再生能源)提供热。化学反应可包括放热反应(例如氧化反应)。热源也可包括导电材料和/或加热器，其向靠近和/或围绕加热位置例如加热器井的区域提供热。“加热器”为用于在井中或井筒区域附近产生热的任何系统或热源。加热器可以是，但不限干，电加热器、燃烧器、与地层中的材料或从地层生产的材料反应的燃烧室，和/或其组合。“烃”通常限定为主要由碳和氢原子形成的分子。烃也可包含其他元素，例如但不限于卤素、金属元素、氮、氧和/或硫。烃可以是，但不限于油母岩、浙青、焦浙青、石油、天然矿物蜡和石浙青。烃可位于地球中的矿物岩石中或与矿物基质相邻。基质可包括但不限于沉积岩、砂、沉积石英岩、碳酸盐、硅藻土和其他多孔介质。“烃流体”为包括烃的流体。烃流体可包括、夹带非烃流体，或被夹带在非烃流体中，所述非烃流体例如为氢、氮、ー氧化碳、ニ氧化碳、硫化氢、水和氨。
“就地转化工艺”指从热源加热含烃地层，来将地层的至少一部分的温度升高至高于热解温度，以在地层中生成热解流体的エ艺。“就地热处理工艺”指使用热源加热含烃地层，来将地层的至少一部分的温度升高至高于形成活动化流体、导致含烃材料减粘裂化和/或热解，从而在地层中产生活动化流体、减粘裂化流体和/或热解流体的温度。“绝缘导体”指能够导电并且整体或部分由电绝缘材料覆盖的任何细长材料。“调制直流电流(DC)”指能够在铁磁性导体中产生集肤效应电流的任何基本上非正弦时变电流。“氮化物”指氮和周期表中的一种或多种其他元素的化合物。氮化物包括但不限于氮化硅、氮化硼或氮化铝。“穿孔”包括管道、管、导管或其他流动通道的壁中的允许流入或流出管道、管、导 管或其他流动通道的开ロ、槽、孔或洞。铁磁性材料的“相变温度”指在材料发生相变(例如从铁素体到奥氏体)期间的温度或温度范围，该相变使得铁磁性材料的磁导率降低。这种磁导率的降低类似于由于在居里温度下铁磁性材料的磁跃迁而导致的磁导率降低。“热解”是化学键由于热的施加而断开。例如，热解可包括只通过加热将化合物转变为ー种或多种其他物质。热可传递到地层的一部分来造成热解。“热解流体”或“热解产物”指基本上在烃热解过程中生成的流体。通过热解反应生成的流体可与地层中的其他流体混合。混合物将被认为是热解流体或热解产物。如本文所用，“热解区”指地层的发生反应来形成热解流体的体积(例如，相对可渗透的地层，如浙青砂地层)。“热的叠加”指从两个或更多个热源向地层的选定部分提供热，以使得至少在热源之间的ー个位置处的地层温度受这些热源影响。“限温加热器”通常是指在规定温度以上控制热输出(例如，減少热输出)而无需使用外部控制的加热器，所述外部控制比如为温度控制器、功率调节器、整流器或其它装置。限温加热器可以是AC (交流电流)或调制(例如“斩波”)DC (直流电流)供电的电阻加热器。层的“厚度”指层的截面的厚度，其中，所述截面垂直于所述层的表面。“时变电流”指在铁磁性导体中产生集肤效应电流并且大小随时间变化的电流。时变电流既包括交变电流(AC)又包括调制直流电流(DC)。其中电流直接施加至加热器的限温加热器的“调节比”是对于给定电流，居里温度以下的最大AC或调制DC电阻与居里温度以上的最小电阻的比值。感应加热器的调节比是对于施加至加热器的给定电流，居里温度以下的最大热输出与居里温度以上的最小热输出的比值。“u形井筒”是指从地层中的第一开ロ延伸穿过地层的至少一部分并且通过地层中的第二开ロ穿出的井筒。在本文中，井筒可以仅大体上呈“V”形或“U”形，对于视为“U”形的井筒，“U”形的“腿”应该理解成不需要彼此平行或垂直于“U”的“底”。术语“井筒”指地层中通过钻井或将管道插入地层中形成的洞。井筒可具有基本上圆形的横截面，或其他横截面形状。如本文所用，术语“井”和“开ロ”，当涉及地层中的开ロ时，可与术语“井筒”互換使用。
地层可以多种方式处理来产生很多不同的产品。在就地热处理工艺过程中，不同的步骤或エ艺可用于处理地层。在一些实施例中，地层的ー个或多个部分通过溶液采矿来从所述部分分离出可溶矿物。溶液开采矿物可在就地热处理工艺之前、过程中和/或之后进行。在一些实施例中，正在进行溶液采矿的ー个或多个部分的平均温度可保持低于约120°C。在一些实施例中，地层的ー个或多个部分被加热来从所述部分分离出水，和/或从所述部分分离出甲烷和其他挥发性烃。在一些实施例中，在水和挥发性烃分离出过程中，平均温度可从环境温度升高到低于约220°C的温度。在一些实施例中，地层的ー个或多个部分被加热到允许地层中的烃运动和/或减粘裂化的温度。在一些实施例中，地层的ー个或多个部分的平均温度升高到所述部分中的烃的活动化温度(例如，升高到在从100°C到250°C，从120°C到240°C，或从150°C到230°C的温度范围)。 在一些实施例中，ー个或多个部分被加热到允许地层中进行热解反应的温度。在一些实施例中，地层的ー个或多个部分的平均温度可升高到所述部分中的烃热解的温度(例如从230°C到900°C，从240°C到400°C或从250°C到350°C的温度范围)。使用多个热源加热含烃地层可能围绕热源形成热梯度，所述热源在期望加热速率下将地层中的烃升高到期望温度。通过为得到期望产物的活动化温度范围和/或热解温度范围的温度升高速率可影响从含烃地层生产的地层流体的质量和数量。将地层温度缓慢升高通过活动化温度范围和/或热解温度范围，可允许从地层生产高质量高API比重的烃。缓慢升高地层温度通过活动化温度范围和/或热解温度范围可允许分离出存在于地层中的大量烃作为烃产物。在一些就地热处理实施例中，将地层的一部分加热到期望温度，而不是将温度缓慢升高通过ー个温度范围。在一些实施例中，期望温度为300°C，325°C或350°C。可选择其他温度作为期望温度。来自热源的热的叠加允许期望温度在地层中相对快速并且高效地建立。可调节从热源到地层的能量输入，以将地层中的温度基本上保持在期望温度。可通过生产井从地层生产活动化和/或热解产物。在一些实施例中，将ー个或多个部分的平均温度升高到活动化温度，并且将烃从生产井生产。由于活动化降低到低于选定值，因此可将ー个或多个部分的平均温度在生产之后升高到热解温度。在一些实施例中，可将ー个或多个部分的平均温度升高到热解温度而在达到热解温度之前没有进行太多生产。可通过生产井生产包括热解产物的地层流体。在一些实施例中，在活动化和/或热解之后，可将ー个或多个部分的平均温度升高到足够允许进行合成气生产的温度。在一些实施例中，可将烃升高到足够允许进行合成气生产的温度，但是在达到足够允许进行合成气生产的温度之前没有进行太多生产。例如，合成气可在约400°C到约1200°C，约500°C到约1100°C，或约550°C到约1000°C的温度范围内生成。产生合成气的流体(例如蒸汽和/或水)可引入到所述部分中来产生合成气。合成气可从生产井生产。溶液采矿、分离出挥发性烃和水、使烃活动化、热解烃、产生合成气和/或其他エ艺可在就地热处理工艺过程中进行。在一些实施例中，一些エ艺可在就地热处理工艺之后进行。这样的步骤可包括但不限于，从处理过的部分回收热、在之前处理过的部分中存储流体(例如水和/或烃)和/或在之前处理过的部分中隔离ニ氧化碳。图I图示了用于处理含烃地层的就地热处理系统的一部分的实施例的示意图。该就地热处理系统可包括阻隔井200。阻隔井用于围绕处理区域形成阻隔屏障。阻隔屏障抑制流体流入和/或流出处理区。阻隔井包括但不限于脱水井、真空井、捕集井、喷射井、灌浆井、冷冻井或其组合。在一些实施例中，阻隔井200为脱水井。脱水井可去除液体水和/或抑制液体水进入待加热的地层部分或到达正在加热的地层。在图I中所示的实施例中，阻隔井200显示为仅沿热源202的ー侧延伸，但是阻隔井通常环绕用于或待用于加热地层热处理区的全部热源202。热源202放置在地层的至少一部分中。热源202可包括加热器，例如绝缘导体、管内导体加热器、表面燃烧器、无焰分布型燃烧室和/或自然分布型燃烧室。热源202可还包括其他类型的加热器。热源202向地层的至少一部分提供热，以加热地层中的烃。能量可通过供给线路204提供到热源202。供给线路204可根据用于加热地层的一个热源或多个热源的类型以不同方式构造。用于热源的供给线路204可传送用于电加热器的电力，可输 送用于燃烧器的燃料，或输送在地层中循环的换热流体。在一些实施例中，用于就地热处理エ艺的电カ可由ー个核电站或多个核电站提供。核电的使用可使得减少或消除从就地热处理工艺排放ニ氧化碳。当加热地层时，到地层中的热输入可造成地层膨胀和岩土力学移动。热源可在脱水步骤之前、与脱水步骤同时或在脱水过程中打开。计算机模拟可为地层对加热的响应建摸。计算机模拟可用来开发用于启动地层中热源的方式和时序，以使地层的岩土力学移动不会不利地影响热源、生产井和地层中的其他设备的功能。加热地层可造成地层的渗透性和/或空隙率的提高。渗透性和/或空隙率的提高可能由于地层中的物质因蒸发和分离出水、分离出烃和/或形成裂纹而減少造成。由于地层的提高的渗透性和空隙率，流体可更容易地在地层的被加热部分中流动。由于提高的渗透性和空隙率，地层的被加热部分中的流体可穿过地层移动相当大的距离。所述相当大的距离可超过1000m，取决于多种因素，例如地层的渗透性、流体的性能、地层的温度、使流体移动的压カ梯度。流体在地层中移动相当大距离的能力使生产井206能够在地层中相对远地间隔开。生产井206用于从地层分离出地层流体。在一些实施例中，生产井206包括热源。生产井中的热源可在生产井处或附近加热地层的ー个或多个部分。在ー些就地热处理工艺实施例中，每米生产井的从生产井提供到地层的热量小于每米热源的从加热地层的热源施加到地层的热量。从生产井施加到地层的热可通过蒸发和分离出与生产井相邻的液相流体，和/或通过形成宏观和/或微观裂纹来提高与生产井相邻的地层渗透性，来提高与生产井相邻的地层渗透性。不止ー个热源可设置在生产井中。当来自相邻多个热源的热叠加将地层充分加热，从而抵消通过使用生产井加热地层提供的益处时，生产井下部中的热源可关闭。在ー些实施例中，在生产井下部中的热源停止之后，生产井的上部中的热源可保持打开。生产井上部中的热源可抑制地层流体的冷凝和回流。在一些实施例中，生产井206中的热源允许地层流体以蒸汽相从地层分离出。在生产井处或穿过生产井提供加热可(1)当生产流体靠近上覆岩层在生产井中移动时，抑制这样的生产流体的冷凝和/或回流，(2)提高到地层中的热输入，(3)与没有热源的生产井相比较，提高生产井的生产率，(4)抑制生产井中高碳数化合物(C6烃和更高碳数的烃)的冷凝，和/或(5)提高生产井处或附近的地层渗透性。地层中的地下压カ可对应于地层中产生的流体压力。当地层的被加热部分中的温度升高时，被加热部分中的压カ可由于就地流体的热膨胀、增多的流体产生和水的蒸发而増大。控制流体从地层分离出的速率可容许控制地层中的压力。地层中的压カ可在多个不同位置处确定，例如生产井附近或生产井处、热源附近或热源处或监测井处。在ー些含烃地层中，从地层生产烃受到抑制，直到地层中的烃的至少ー些已经被活动化和/或热解。当地层流体具有选定质量时，地层流体可从地层生产。在一些实施例中，选定质量包括至少约20°，30°或40°的API比重。抑制生产直到至少ー些烃被活动化和/或热解，可提高重烃到轻烃的转化。抑制初始生产可尽量减少从地层生产重烃。大量重烃的生产可能需要昂贵的设备，和/或缩短生产设备的使用寿命。 在ー些含烃地层中，地层中的烃可在已经在地层的被加热部分中产生大的渗透性之前，被加热到活动化和/或热解温度。最初缺乏渗透性可抑制产生的流体输送到生产井206。在初始加热过程中，在靠近热源处，地层中的流体压カ可増大。増大的流体压カ可通过ー个或多个热源202释放、监测、改变和/或控制。例如，选定的热源202或单独的减压井可包括减压阀，其允许将ー些流体从地层分离出。 在一些实施例中，可允许由于活动化流体、热解流体或地层中产生的其他流体的膨胀产生的压カ提高，但是地层中不能存在通到生产井206的通路或任何其他压カ降。流体压カ可允许向静岩压カ増大。当流体接近静岩压カ时，可在含烃地层中形成裂纹。例如，裂纹可在地层的被加热部分中从热源202向生产井形成。被加热部分中裂纹的产生可释放所述部分中的ー些压力。地层中的压カ可能必须保持在选定压力以下，以抑制不期望的产物、上覆岩层或下伏岩层的断裂和/或地层中烃的结焦。在到达活动化和/或热解温度并且能够从地层生产之后，地层中的压カ可改变，从而改变和/或控制生产的地层流体的组分，控制地层中可冷凝流体与不可冷凝流体相比的百分比，和/或控制正在生产的地层流体的API比重。例如，减小压力可导致更大的可冷凝流体组分的生产。可冷凝流体组分可包含更大百分比的烯烃。在ー些就地热处理工艺实施例中，地层中的压カ可保持足够高，以促进具有大于20°的API比重的地层流体生产。在地层中保持増大的压カ可抑制就地热处理过程中地层沉降。保持増大的压カ可減少或消除在表面处压缩地层流体来在收集管中将流体输送到处理设备的需要。在地层的被加热部分中保持増大的压カ可令人惊奇地允许生产大量具有提高的质量和相对低分子量的烃。压カ可保持为使得生产的地层流体具有最小量的高于选定碳数的化合物。选定碳数可最大为25,最大为20,最大为12,或最大为8。一些高碳数化合物可夹带在地层中的蒸气中，并且可随蒸气从地层分离出。在地层中保持増大的压カ可抑制高碳数化合物和/或多环烃化合物夹带在蒸气中。高碳数化合物和/或多环烃化合物可以液相保留在地层中非常长时间。该非常长时间可为化合物热解提供充足时间，以形成较低碳数化合物。
相对低分子量的烃的产生被认为部分由于含烃地层的一部分中的氢的自动产生和反应。例如，保持増大的压カ可迫使热解过程中产生的氢进入地层中的液相。将所述部分加热到热解温度范围内的温度可将地层中的烃热解来产生液相热解流体。产生的液相热解流体组分可包括双键和/或基。液相中的氢(H2)可减少产生的热解流体中的双键，由此降低来自产生的热解流体的长链化合物的聚合或形成的可能性。另外，H2还可中和产生的热解流体中的基。液相中的H2可抑制产生的热解流体彼此反应和/或与地层中的其他化合物反应。从生产井206生产的地层流体可通过收集管208传输到处理设备210。地层流体也可从热源202生产。例如，流体可从热源202生产来控制与所述热源相邻的地层中的压力。从热源202生产的流体可通过导管或管路输送到收集管208，或生产流体可通过导管或管路直接输送到处理设备210。处理设备210可包括分离装置、反应装置、提升装置、燃料电池、涡轮机、存储容器和/或用于处理生产地层流体的其他系统和装置。所述处理设备可形成来自从地层生产的烃的至少一部分的输送燃料。在一些实施例中，输送燃料可以是喷射燃料，例如JP-8。
绝缘导体可用作加热器或热源的电加热器元件。绝缘导体可包括由电绝缘体围绕的内部电导体(芯)，和外部电导体(护套)。电绝缘体可包括矿物绝缘材料(例如氧化镁)或其他电绝缘材料。在一些实施例中，绝缘导体放置在含烃地层中的开口中。一些实施例中，绝缘导体放置在含烃地层中的裸眼开ロ中。将绝缘导体放置在含烃地层中的裸眼开ロ内可使热通过辐射以及传导从绝缘导体传递到地层。使用裸眼开ロ可便于绝缘导体从井取回，如果需要的话。在一些实施例中，绝缘导体放置在地层中的套管中，可固牢在地层中，或可使用砂、碎石或其他填料装填入开口中。绝缘导体可支撑在设置在开口中的支撑构件上。支撑构件可以是电缆、杆或管道(例如导管)。支撑构件可由金属、陶瓷、无机材料或其组合制成。由于在使用过程中支撑构件的部分可暴露于地层流体和加热，因此支撑构件可耐化学物质和/或耐热。系绳、点焊和/或其他类型的连接器可用于将绝缘导体在沿绝缘导体长度的不同位置处联接到支撑构件。支撑构件可在地层上表面处附接到井口。在一些实施例中，绝缘导体具有足够的结构强度，从而不需要支撑构件。绝缘导体可在很多情况下具有至少ー些柔性，以在发生温度变化时防止热膨胀损坏。在一些实施例中，绝缘导体在没有支撑构件和/或扶正器的情况下放置在井筒中。没有支撑构件和/或扶正器的绝缘导体可具有抑制绝缘导体在使用过程中故障的耐热和耐蚀、蠕变强度、长度、厚度(直径)和冶金性能的适当组合。图2图示了绝缘导体252的一个实施例的端部的立体视图。绝缘导体252可具有任何期望的横截面形状，例如但是不限于圆形(图2中所示)、三角形、椭圆形、矩形、六边形或不规则形状。在一些实施例中，绝缘导体252包括芯218、电绝缘体214和护套216。芯218可在电流通过所述芯时电阻加热。交流电流或时变电流和/或直流电流可用于向芯218提供功率，以使芯电阻加热。在一些实施例中，电绝缘体214抑制向护套216的电流泄漏和电弧放电。电绝缘体214可将芯218中产生的热量热传导到护套216。护套216可向地层辐射或传导热。在一些实施例中，绝缘导体252长度为1000米或更长。较长或较短的绝缘导体也可用于满足特定应用的需要。绝缘导体252的芯218、电绝缘体214和护套216的尺寸可选择成使绝缘导体具有足够的强度来甚至在上限工作温度下仍能够自支撑。这样的绝缘导体可从井口或设置在上覆岩层和含烃地层之间的界面附近的支架悬挂，而无需与绝缘导体一起延伸到含烃地层中的支撑构件。绝缘导体252可设计用于在高可达约1650瓦/米或更高的功率水平下操作。在一些实施例中，当加热地层时，绝缘导体252在约300瓦/米和约1150瓦/米之间的功率水平下操作。绝缘导体252可设计成使通常操作温度下的最大电压水平不便电绝缘体214产生显著的热和/或电击穿。绝缘导体252可设计成使护套216不超过将导致护套材料耐蚀性能显著降低的温度。在一些实施例中，绝缘导体252可设计成达到在约650°C和约900°C之间的范围内的温度。可形成具有其他操作范围的绝缘导体来满足特定操作要求。图2图示了具有单个芯218的绝缘导体252。在一些实施例中，绝缘导体252具有两个或更多个芯218。例如，单个绝缘导体可具有三个芯。芯218可由金属或其他导电材 料制成。用于形成芯218的金属可包括但不限于镍铬合金、铜、镍、碳钢、不锈钢及其组合。在一些实施例中，芯218选择成具有一定直径和在操作温度下的电阻率以使得其由欧姆定律得到的电阻使其在电学方面和结构方面稳定，从而实现选择的每米功耗、加热器长度和/或芯材料允许的最大电压。在一些实施例中，芯218沿绝缘导体252的长度由不同的材料制成。例如，芯218的第一部分可由电阻比所述芯的第二部分低得多的材料制成。第一部分可与不需要加热到与第二地层ー样高温度的地层相邻放置，所述第二地层与第二部分相邻。芯218的各个部分的电阻率可通过具有可变直径和/或通过具有由不同材料制成的多个芯部分来调节。电绝缘体214可由多种材料制成。通常使用的粉末可包括但不限于，MgO，Al2O3,氧化锆，BeO，尖晶石的不同的化学变体，及其组合。MgO可提供良好的热传导性和电绝缘性能。期望的电绝缘性能包括低漏电流和高介电强度。低漏电流降低热击穿的可能性，高介电强度降低跨过绝缘体电弧放电的可能性。如果漏电流造成绝缘体的温度渐进升高，则可能发生热击穿，还导致跨过绝缘体电弧放电。护套216可以是外金属层或导电层。护套216可与热地层流体处于接触。护套216可由在高温度下具有高耐腐蚀性的材料制成。可用于护套216的期望操作温度范围的合金包括但不限于304不锈钢、310不锈钢、Incoloy 800和Ineonel 600 (Inco AlloysInternational, Huntington, West Virginia, U. S. A.)。护套 216 的厚度可能必须在热和腐蚀性环境中足够使用持续三到十年。护套216的厚度可通常在约Imm和约3. 5_之间变化。例如，I. 3mm厚的310不锈钢外层可用作护套216，以提供持续超过3年的对地层被加热区中的硫蚀的良好的化学耐性。较大或较小的护套厚度可用于满足特定的应用要求。一个或多个绝缘导体可放置在地层中的开口中，以形成一个热源或多个热源。电流可传送通过开口中的每ー个绝缘导体来加热地层。替代地，电流可传送通过开口中的选定绝缘导体。不使用的导体可用作备用加热器。绝缘导体可以任何便利方式电联接到电源。绝缘导体的每一端可联接到穿过井口的引入电缆。这样的结构通常具有设置在热源底部附近的180°弯折(“急转弯”弯折)或拐弯部分。包括180°弯折或拐弯部分的绝缘导体可不需要底部端子，但是180°弯折或拐弯部分可能是加热器中的电和/或结构弱点。绝缘导体可串联、并联或以串并联混合方式电联接在一起。在热源的一些实施例中，电流可传送到绝缘导体的导体中，并且可通过在热源底部处将芯218连接到护套216 (图2中所示)而通过绝缘导体的护套返回。在一些实施例中，三个绝缘导体252以3相Y形结构电联接到电源。图3图示了地下地层中的开口内以Y形结构联接的三个绝缘导体的实施例。图4图示了可从地层中的开ロ 238取出的三个绝缘导体252的实施例。Y形结构中的三个绝缘导体不需要底部连接。替代地，Y形结构的全部三个绝缘导体可在开ロ的底部附近连接在一起。所述连接可直接在绝缘导体的加热部分的端部处或在冷引线(较小电阻部分)的端部处形成，其中所述冷引线在绝缘导体的底部处联接到加热部分。底部连接可使用绝缘体填充或密封的罐或使用环氧树脂填充的罐制得。该绝缘体可以是与用作电绝缘材料的绝缘体相同的组分。图3和4中图示的三个绝缘导体252可使用扶正器222连接到支撑构件220。替代地，绝缘导体252可使用金属带直接捆绑到支撑构件220。扶正器222可使绝缘导体252 在支撑构件220上保持在位和/或抑制绝缘导体252在支撑构件220上的移动。扶正器222可由金属、陶瓷或其组合制成。金属可以是不锈钢或能够耐受腐蚀和高温环境的任何其他类型的金属。在一些实施例中，扶正器222为以小于约6m的距离焊接到支撑构件的弯曲金属条带。用于扶正器222中的陶瓷可以是，但不限于Al2O3,MgO或其他电绝缘体。扶正器222可在支撑构件220上保持绝缘导体252的位置，以使绝缘导体的移动在绝缘导体的操作温度下受到抑制。绝缘导体252也可有些柔性，以承受加热过程中支撑构件220的膨胀。支撑构件220、绝缘导体252和扶正器222可放置在烃层240中的开ロ 238中。绝缘导体252可使用冷引线226联接到底部导体接合部224。底部导体接合部224可将每ー个绝缘导体252彼此电联接。底部导体接合部224可包括导电但是在开ロ 238中出现的温度下不熔化的材料。冷引线226可以是具有比绝缘导体252更低电阻的绝缘导体。引入导体228可联接到井口 242，以向绝缘导体252提供电力。引入导体228可由相对低电阻的导体制成，以使相对很少的热由于电流经过引入导体而产生。在一些实施例中，引入导体为橡胶或聚合物绝缘的绞合铜线。在一些实施例中，引入导体为具有铜芯的矿物绝缘导体。引入导体228可通过设置在上覆岩层246和表面250之间的密封凸缘在表面250处联接到井口 242。密封凸缘可抑制流体从开ロ 238漏出到表面250。在一些实施例中，引入导体228使用过渡导体230联接到绝缘导体252。过渡导体230可为绝缘导体252的较小电阻部分。过渡导体230可称为绝缘导体252的“冷引线”。过渡导体230可设计成每单位长度消耗绝缘导体252的主加热部分每单位长度中消耗功率的约十分之一到约五分之一的功率。过渡导体230可通常在约I. 5m和约15m之间，但是可使用更短或更长的长度来适应特定应用要求。在一个实施例中，过渡导体230的导体为铜。过渡导体230的电绝缘体可以是与主加热部分中所用的相同类型的电绝缘体。过渡导体230的护套可由耐蚀材料制成。在一些实施例中，过渡导体230通过接合接头或其他联接接头而联接到引入导体228。接合接头也可用于将过渡导体230联接到绝缘导体252。接合接头可必须耐受接近目标区操作温度的温度(例如等于目标区操作温度的一半的温度)，取决于开口中导体的数目和接合接头是否交错。接合接头中的电绝缘材料的密度应在很多情况下足够高以耐受所需温度和操作电压。在一些实施例中，如图3中所示，填料248设置在上覆岩层套管244和开ロ 238之间。在一些实施例中，增强材料232可将上覆岩层套管244固定到上覆岩层246。填料248可抑制流体从开ロ 238流动到表面250。增强材料232可包括例如与用于提高高温性能的硅砂粉混合的G级或H级波特兰水泥、炉渣或硅砂粉和/或其混合物。在一些实施例中，增强材料232径向延伸约5cm到约25cm的宽度。如图3和4中所示，支撑构件220和引入导体228可在地层的表面250处联接到井口 242。表面导体234可围绕增强材料232并联接至井口 242。表面导体的实施例可延伸到地层中的开口内约3m到约515m的深度。替代地，表面导体可延伸到地层中约9m的深度。电流可从电源提供到绝缘导体252，从而由于绝缘导体的电阻而产生热。从三个绝缘导体252产生的热可在开ロ 238中传递来加热烃层240的至少一部分。由绝缘导体252产生的热可加热含烃地层的至少一部分。在一些实施例中，基本上通过产生的热向地层的辐射来将热传递到地层。由于开口中存在的气体，因此ー些热可 通过热的传导或对流传递。开ロ可以是裸眼开ロ，如图3和4中所示。裸眼开ロ消除了与将加热器热固牢到地层相关的成本，与套管相关的成本，和/或将加热器封装在孔中的成本。另外，通过辐射进行的热传递通常比通过传导更高效，因此加热器可在裸眼井筒中在较低的温度下操作。热源初始操作过程中的传导性热传递可通过在开口中添加气体增強。气体可保持在高可达约27巴绝对压力的压カ下。气体可包括但不限于ニ氧化碳和/或氦。裸眼井筒中的绝缘导体加热器可有利地自由膨胀或收缩，以适应热膨胀和收缩。绝缘导体加热器可有利地可从裸眼井筒取出或再布署。在一些实施例中，绝缘导体加热器组件使用卷绕组件安装或取出。不止ー个卷绕组件可用于同时安装绝缘导体和支撑构件。替代地，支撑构件可使用盘管装置安装。加热器可被展开，并且在支架插入井中时连接到支架。电加热器和支撑构件可从卷绕组件展开。衬垫可沿支撑构件的长度联接到支撑构件和加热器。其他卷绕组件可用于其他电加热器元件。限温加热器可呈在某些温度下为加热器提供自动限温性能的构造和/或可包括在某些温度下为加热器提供自动限温性能的材料。在一些实施例中，铁磁性材料用于限温加热器中。铁磁性材料在材料的居里温度和/或相变温度范围或附近可自我限制温度，以便当时变电流施加于材料时提供減少的热量。在一些实施例中，铁磁性材料在选定温度下自我限制限温加热器的温度，该选定温度近似为居里温度和/或在相变温度范围中。在一些实施例中，选定温度在相变温度范围和/或居里温度的大约35°C内，大约25°C内，大约20°C内，或者大约10°C内。在一些实施例中，铁磁性材料与其它材料(例如高传导性材料、高強度材料、耐腐蚀材料或其组合)联接以便提供各种电和/或机械性能。限温加热器的ー些部件可具有比限温加热器的其它部件低的电阻(通过不同几何形状和/或通过使用不同铁磁性和/或非铁磁性材料所引起)。使得限温加热器的部件具有各种材料和/或尺寸，就容许得到来自加热器的每个部件的期望热输出。限温加热器可比其它加热器更可靠。限温加热器可较不易于由于地层中的热点而损坏或失效。在一些实施例中，限温加热器容许基本上均匀加热地层。在一些实施例中，限温加热器能够通过沿着加热器的整个长度在更高的平均热输出下操作而更有效地加热地层。限温加热器沿着加热器的整个长度在更高的平均热输出下操作，这是因为如果沿着加热器的任一点的温度超过或即将超过加热器的最高操作温度，送往加热器的功率不必被降低到整个加热器的程度，而典型的恒定瓦特数加热器就是这样。来自限温加热器的接近加热器的居里温度和/或相变温度范围的部分的热输出自动地降低，而不需要对施加至加热器的时变电流进行受控制的调节。由于限温加热器的部分的电性能(例如电阻)的变化，热输出自动地降低。因此，在加热过程的更大部分期间，通过限温加热器供应更多功率。在一些实施例中，当限温加热器通过时变电流供能时，包括限温加热器的系统首先提供第一热输出，然后在接近加热器的电阻部分的相变温度范围和/或居里温度时，在加热器的电阻部分的相变温度范围和/或居里温度，或者在加热器的电阻部分的相变温度范围和/或居里温度以上，提供降低的(第二热输出)热输出。第一热输出为在一定温度下的热输出，在该温度以下，限温加热器开始自我限制。在一些实施例中，第一热输出为在限温加热器中的铁磁性材料的居里温度和/或相变温度范围以下大约50°C的温度，以下大约75°C的温度，以下大约100°C的温度或以下大约125°C的温度的热输出。
限温加热器可通过在井ロ供应的时变电流(交流电流或调制直流电流)供能。井ロ可包括电源及用于向限温加热器供给功率的其它部件(例如调制部件、变压器和/或电容器)。限温加热器可为用于加热地层的一部分的许多加热器之一。在一些实施例中，较薄的导电层用来在高达铁磁性导体的居里温度和/或相变温度范围或其附近的温度的温度下提供限温加热器的电阻热输出的大部分。此类限温加热器可用作绝缘导体加热器中的加热构件。绝缘导体加热器的加热构件可位于外鞘内部，在该外鞘与加热构件之间具有绝缘层。图5A和5B示出了具有作为加热构件的限温加热器的绝缘导体加热器的一个实施例的剖视图。绝缘导体252包括芯218、铁磁性导体236、内部导体212、电绝缘体214和护套216。芯218为铜芯。铁磁性导体236例如为铁或铁合金。内部导体212为非铁磁性材料构成的较薄的导电层，比铁磁性导体236具有更高的导电性。在一些实施例中，内部导体212为铜。内部导体212可为铜合金。铜合金通常比钝铜具有更平的电阻相对于温度曲线。更平的电阻相对于温度曲线可提供根据高达居里温度和/或相变温度范围的温度改变的热输出的较小变化。在一些实施例中，内部导体212为具有按重量计算6%的镍的铜(例如CuNi6或L0HM )。在一些实施例中，内部导体212为CuNi10Fe1Mn合金。在铁磁性导体236的居里温度和/或相变温度范围以下，铁磁性导体的磁性性能约束通往内部导体212的电流流动的大部分。因此，在居里温度和/或相变温度范围以下，内部导体212提供绝缘导体252的电阻热输出的大部分。在一些实施例中，连同芯218和铁磁性导体236，内部导体212尺寸使得内部导体提供期望的热输出量和期望的调节比。例如，内部导体212可具有低于芯218的横截面积大约2或3倍的横截面积。通常，如果内部导体为铜或铜合金，内部导体212必须具有较小的横截面积，以便提供期望的热输出。在ー个具有铜内部导体212的实施例中，芯218具有O. 66cm的直径，铁磁性导体236具有O. 91cm的外径，内部导体212具有I. 03cm的外径，电绝缘体214具有I. 53cm的外径，而护套216具有I. 79cm的外径。在ー个具有CuNi6内部导体212的实施例中，芯218具有O. 66cm的直径，铁磁性导体236具有O. 91cm的外径，内部导体212具有I. 12cm的外径，电绝缘体214具有I. 63cm的外径，而护套216具有I. 88cm的外径。与并不在居里温度和/或相变温度范围以下使用薄内部导体来提供大部分热输出的绝缘导体相比，此类绝缘导体通常较小并且制造成本更低。电绝缘体214可为氧化镁、氧化铝、ニ氧化硅、氧化铍、氮化硼、氮化硅或其组合。在一些实施例中，电绝缘体214为氧化镁的压实粉末。在一些实施例中，电绝缘体214包括氮化硅的珠粒。在一些实施例中，小的材料层置于电绝缘体214与内部导体212之间以便防止铜在较高温度下迁移至电绝缘体中。例如，小的镍层(例如大约O. 5mm的镍)可置于电绝缘体214与内部导体212之间。护套216由耐腐蚀材料制成，例如但并不限于347不锈钢、347H不锈钢、446不锈钢或825不锈钢。在一些实施例中，在铁磁性导体236的居里温度和/或相变温度范围或以上，护套216为绝缘导体252提供一些机械強度。在一些实施例中，护套216不用来传导电流。 在一些实施例中，两个或更多个加热器(例如绝缘导体加热器)螺旋缠绕在卷轴上(例如盘管钻机)，然后，当加热器被安装于地下地层中的开口内时被从卷轴展开。在卷轴上螺旋缠绕加热器减小了作用于加热器上的应カ特别是加热器的外侧部分上的应力，否则的话其可能伸展或拉长。图6示出了正在被螺旋缠绕在卷轴258上的加热器254的一个实施例。在ー些实施例中，卷轴258为盘管钻机的一部分。加热器254可被通过扭转头260牵拉并被拉到卷轴258上。当加热器254被通过扭转头牵拉并被送进到卷轴258上吋，扭转头260旋转。由于扭转头260的旋转运动，随着加热器254被送进到卷轴258上，加热器254被螺旋缠绕。为了在地层中安装加热器254，可从卷轴258展开加热器并将其安装于地层中。螺旋缠绕エ艺可使用授予Langner等人的美国专利No. 4，843，713、授予Langner等人的美国专利No. 4，979，296和授予Langner的美国专利No. 5，390, 481中所述的、用于制造和使用用于海底应用的螺旋流送管束的方法和/或设备进行。图7不出了螺旋缠绕在一起的三个加热器254的一个实施例。在一些实施例中，三个加热器254围绕支架螺旋缠绕在一起。图8示出了围绕支架262螺旋缠绕的三个加热器254的一个实施例。在一些实施例中，一个或多个夹具256 (图7中所不)用来在螺旋缠绕构造中固定加热器254。夹具256可例如为玻璃夹具、玻璃包裹物、或用于固定加热器254和/或将加热器固定至支架262的其它适当的装置。加热器254可在螺旋缠绕结构中以选定节距螺旋缠绕。在一些实施例中，选定节距在大约5%和10%之间(例如大约7%)。在一些实施例中，改变或变化节距以改变由螺旋缠绕加热器束提供的热输出。改变节距改变了加热器束的厚度，并因此改变了束的热输出。在一些实施例中，沿着加热器的长度改变节距以沿着加热器的长度改变热输出。螺旋缠绕加热器254并在螺旋缠绕结构中安装加热器，可减小作用于加热器的部件例如绝缘导体加热器的电绝缘体或护套上的应力。通过例如减小在加热器热膨胀期间作用于加热器上或加热器中的应力，螺旋缠绕加热器254可适应井眼中加热器的热膨胀。在一些实施例中，如果加热器具有渐缩的厚度(例如加热器为具有渐缩的厚度的绝缘导体)，加热器254更容易螺旋缠绕。应可理解，本发明不限于所述的特定系统，所述系统当然可改变。还应理解，本文所用的术语仅出于描述特定实施例的目的，不g在进行限制。当在本说明书中使用时，単数形式的“一”、“ー个”和“该”包括复数个所涉及物，除非所述内容另外明确指出。因而，例如，提到“ー个芯”包括两个或更多个芯的组合，提到“ー种材料”包括多种材料的混合物。借助于本说明书，本发明的各个方面的其他修改形式和替代实施例对于本领域中技术人员将显而易见。因此，本说明将仅视为是示例性的，并且用于教导本领域技术人员实现本发明的一般方式。应可理解，本文所示和所述的本发明的形式应视为目前优选的实施例。本文示出和描述的元件和材料可替换，部件和エ艺可颠倒，本发明的一些特征可独立使用，这对于已获益于对本发明的说明后的本领域技术人员是显而易见的。可对所述元件进行改变而不偏离下面权利要求书中所述的本发明的精神和范围。
应当理解，在以下所述权利要求书的每一个特征可与其它权利要求的特征组合或分开。例如，两个或更多个从属权利要求的特征可组合在一起以形成多项从属权利要求。
权利要求
1.一种用于在地下地层中安装两个或更多个加热器的方法，包括 提供卷轴，所述卷轴包括已卷绕在所述卷轴上的两个或更多个加热器的基本上螺旋形构造； 从卷轴上展开加热器的螺旋形构造；以及 将加热器的螺旋形构造安装于地下地层中的开口内。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述地下地层包括含烃地层。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，所述加热器为绝缘导体加热器。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，所述加热器的螺旋形构造包括在约5%和约10%之间的节距。
5.根据权利要求I所述的方法，还包括沿着所述加热器的长度改变所述加热器的螺旋形构造的节距。
6.根据权利要求I所述的方法，还包括使用扭转头来扭转所述两个或更多个加热器。
7.根据权利要求I所述的方法，还包括在所述加热器被卷绕于卷轴上时扭转所述两个或更多个加热器。
8.根据权利要求I所述的方法，还包括在所述加热器被卷绕于卷轴上形成基本上螺旋形构造时扭转所述两个或更多个加热器。
9.根据权利要求I所述的方法，还包括将所述加热器的螺旋形构造卷绕于所述卷轴上。
10.一种用于在地下地层中安装三个加热器的方法，包括 提供卷轴，所述卷轴包括已卷绕在所述卷轴上的三个加热器的基本上螺旋形构造； 从卷轴上展开加热器的螺旋形构造；以及 将加热器的螺旋形构造安装于地下地层中的开口内。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述地下地层包括含烃地层。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述加热器为绝缘导体加热器。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述加热器的螺旋形构造包括在约5%和约10%之间的节距。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括沿着所述加热器的长度改变所述加热器的螺旋形构造的节距。
15.根据权利要求10所述的方法，还包括使用扭转头来扭转所述三个加热器。
16.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述加热器被卷绕于卷轴上时扭转所述三个加热器。
17.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述加热器被卷绕于卷轴上形成基本上螺旋形构造时扭转所述三个加热器。
18.根据权利要求10所述的方法，还包括将所述加热器的螺旋形构造卷绕于所述卷轴上。
19.一种用于在地下地层中安装两个或更多个加热器的方法，包括 提供卷轴，所述卷轴包括两个或更多个加热器的螺旋形构造； 从卷轴上展开加热器的螺旋形构造；以及 将加热器的螺旋形构造安装于地下地层中。
全文摘要
一种用于在地下地层中安装两个或更多个加热器的方法包括提供卷轴，所述卷轴包括已卷绕在所述卷轴上的两个或更多个加热器的基本上螺旋形构造。从卷轴上展开加热器的螺旋形构造以及将加热器的螺旋形构造安装于地下地层中的开口内。
文档编号E21B36/04GK102844520SQ201180018269
公开日2012年12月26日 申请日期2011年4月7日 优先权日2010年4月9日
发明者R·M·巴斯, E·E·德圣里米, R·G·哈利 申请人:国际壳牌研究有限公司