Изоляционные блоки и способы их установки в нагревателях с изолированным проводником



Изоляционные блоки и способы их установки в нагревателях с изолированным проводником
Изоляционные блоки и способы их установки в нагревателях с изолированным проводником
Изоляционные блоки и способы их установки в нагревателях с изолированным проводником
Изоляционные блоки и способы их установки в нагревателях с изолированным проводником
Изоляционные блоки и способы их установки в нагревателях с изолированным проводником
Изоляционные блоки и способы их установки в нагревателях с изолированным проводником
Изоляционные блоки и способы их установки в нагревателях с изолированным проводником
Изоляционные блоки и способы их установки в нагревателях с изолированным проводником
Изоляционные блоки и способы их установки в нагревателях с изолированным проводником
Изоляционные блоки и способы их установки в нагревателях с изолированным проводником
Изоляционные блоки и способы их установки в нагревателях с изолированным проводником
Изоляционные блоки и способы их установки в нагревателях с изолированным проводником

 


Владельцы патента RU 2570508:

ШЕЛЛ ИНТЕРНЭШНЛ РИСЕРЧ МААТСХАППИЙ Б.В. (NL)

Изобретение относится к нагревателю с изолированным проводником, содержащему электрический проводник, который вырабатывает тепло при подаче к нему электрического тока. Электрический изолятор, по меньшей мере, частично окружает электрический проводник. Удельное сопротивление электрического изолятора остается, по существу, постоянным или увеличивается во времени в процессе выработки тепла электрическим проводником. Наружный электрический проводник, по меньшей мере, частично окружает электрический изолятор. Техническим результатом является повышение надежности. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к системам и способам, применяемым для нагрева подземного пласта. Конкретнее, изобретение относится к системам и способам, применяемым для нагрева подземного углеводородосодержащего пласта.

Уровень техники

Углеводороды, добытые из подземных пластов, обычно используются в качестве энергетических ресурсов, в качестве сырья для промышленности и в производстве потребительских товаров. Озабоченность по поводу истощения доступных углеводородных ресурсов и снижения общего качества добываемых углеводородов привела к разработке способов более эффективной добычи, обработки и/или использования доступных углеводородных ресурсов. В настоящее время могут применяться способы добычи in situ углеводородных материалов из подземных пластов, недоступных прежде, и/или из которых извлечение углеводородных материалов было слишком дорогим при использовании имеющихся способов. Чтобы облегчить извлечение углеводородного материала из подземных пластов и/или повысить качество углеводородного материала может потребоваться изменение химических и/или физических свойств углеводородных материалов внутри подземного пласта. Изменения химических и физических свойств углеводородных материалов могут происходить в результате реакций in situ, которые вызывают образование извлекаемых флюидов, изменение состава, изменение растворимости, изменение плотности, фазовые изменения и/или изменение вязкости углеводородных материалов в пласте.

Для осуществления способа нагрева in situ подземного пласта в стволах скважин устанавливают нагреватели. Имеется множество различных типов нагревателей, которые могут использоваться для нагрева пласта. Примеры способов нагрева in situ, при осуществлении которых используются скважинные нагреватели, представлены в документах US 2,634,961 (Ljungstrom); US 2,732,195 (Ljungstrom); US 2,780,450 (Ljungstrom); US 2,789,805 (Ljungstrom); US 2,923,535 (Ljungstrom); US 4,886,118 (Van Meurs и др.); и US 6,688,387 (Wellington и др.).

Кабели с неорганической изоляцией (Ml) (изолированные проводники), используемые при нагреве подземного пласта, например, углеводородосодержащего пласта, являются более длинными, могут иметь увеличенный наружный диаметр и могут работать при более высоких напряжениях и температурах, нетипичных для промышленных кабелей с неорганической изоляцией (Ml). При изготовлении и/или сборке длинномерных изолированных проводников существует множество потенциальных проблем.

Например, существуют потенциальные электрические и/или механические проблемы, связанные с ухудшением с течением времени характеристик электрического изолятора, используемого в изолированном проводнике. Также при сборке нагревателя с изолированным проводником существуют связанные с электрическими изоляторами потенциальные проблемы, которые необходимо преодолеть. При сборке нагревателя с изолированным проводником могут возникнуть проблемы, например, выгибание сердечника или другие механические дефекты. Подобные явления' могут вызвать электрические неисправности при эксплуатации нагревателя и могут представлять потенциальную угрозу функциональности нагревателя.

Кроме того, могут создаваться проблемы, связанные с увеличенным механическим напряжением на изолированных проводниках во время сборки и/или установки изолированных проводников в подземный пласт. Например, при намотке изолированных проводников на катушки и размотке изолированных проводников с катушек, используемых для транспортировки и установки изолированных проводников, на электрических изоляторах и/или других компонентах изолированных проводников могут возникнуть механические напряжения. Таким образом, существует необходимость в более надежных системах и способах, позволяющих минимизировать или устранить потенциальные проблемы во время изготовления, сборки и/или установки изолированных проводников.

Раскрытие изобретения

Представленные в описании варианты осуществления изобретения, в общем, относятся к системам, способам и нагревателям для обработки подземного пласта. Описанные здесь варианты осуществления изобретения, в основном, относятся к нагревателям с усовершенствованными компонентами. Для изготовления указанных нагревателей могут быть использованы представленные в описании системы и способы.

В определенных вариантах осуществления изобретения предлагается одна или несколько систем, способов и/или нагревателей. В некоторых вариантах осуществления изобретения предлагаются системы, способы и/или нагреватели, предназначенные для обработки подземного пласта.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения нагреватель с изолированным проводником содержит: электрический проводник, предназначенный для выработки тепла при подаче к нему электрического тока; электрический изолятор, окружающий электрический проводник, по меньшей мере, частично, при этом удельное сопротивление электрического изолятора остается, по существу, постоянным или увеличивается со временем в процессе выработки электрическим проводником тепла; а также содержит наружный электрический проводник, окружающий электрический изолятор, по меньшей мере, частично.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения нагреватель с изолированным проводником содержит: электрический проводник, предназначенный для выработки тепла при подаче к нему электрического тока; электрический изолятор, окружающий электрический проводник, по меньшей мере, частично, причем электрический изолятор содержит один или несколько изоляционных блоков, при этом удельное сопротивление электрического изолятора остается, по существу, постоянным или увеличивается со временем в процессе выработки электрическим проводником тепла; а также содержит наружный электрический проводник, окружающий электрический изолятор, по меньшей мере, частично.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения способ формирования, по меньшей мере, одной части изолированного проводника включает: размещение первого частично цилиндрического участка изолированного проводника между, по меньшей мере, одной частью удлиненного цилиндрического внутреннего электрического проводника и, по меньшей мере, одной частью частично цилиндрического удлиненного наружного электрического проводника; размещение, по меньшей мере, одного дополнительного частично цилиндрического участка изолированного проводника между, по меньшей мере, одной частью внутреннего электрического проводника и, по меньшей мере, одной частью частично сформированного наружного электрического проводника, причем дополнительный участок изолированного проводника горизонтально перемещают от первого участка изолированного проводника вдоль части удлиненного наружного электрического проводника; и перемещение дополнительного участка изолированного проводника к первому участку изолированного проводника при приложении выбранного усилия, чтобы дополнительный участок изолированного проводника и первый участок изолированного проводника, по существу, прижимались вплотную друг к другу.

В дополнительных вариантах осуществления изобретения признаки конкретных вариантов осуществления изобретения могут сочетаться с признаками других вариантов осуществления изобретения. Например, признаки одного варианта осуществления изобретения могут сочетаться с признаками любого другого варианта осуществления изобретения.

В дополнительных вариантах осуществления изобретения обработка подземного пласта выполняется с применением любого из способов, систем, блоков электропитания или нагревателей, представленных в описании.

Дополнительные варианты осуществления изобретения могут содержать дополнительные признаки, наряду с признаками, раскрытыми в описании конкретных вариантов осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

Признаки и преимущества способов и системы согласно настоящему изобретению будут более понятны из следующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, сопровождаемых чертежами.

На фиг.1 показана схема одного из вариантов участка системы тепловой обработки in situ, предназначенной для обработки углеводородосодержащего пласта;

на фиг.2 - вид в перспективе концевого участка теплового источника с изолированным проводником согласно одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг.3 - один из вариантов теплового источника с изолированным проводником;

на фиг.4 - один из вариантов теплового источника с изолированным проводником;

на фиг.5А и 5В - виды в поперечных разрезах нагревателя с ограничением температуры, используемого в качестве компонента в нагревателе с изолированным проводником, согласно одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг.6-8 - один из вариантов толкателя изоляционных блоков, который при сборке нагревателя может быть использован для приложения осевого усилия к блокам;

на фиг.9 - один из вариантов плунжера, который в поперечном сечении имеет форму, позволяющую ему прикладывать усилие внутри кожуха к изоляционным блокам, а не к сердечнику;

на фиг.10 - один из вариантов плунжера, который может быть использован для проталкивания смещенных (расположенных со сдвигом) изоляционных блоков;

на фиг.11 - один из вариантов плунжера, который может быть использован для проталкивания расположенных в конфигурации вершина/основание изоляционных блоков.

Наряду с тем, что допускаются различные модификации и альтернативные формы осуществления настоящего изобретения, в описании в качестве примера подробно приведены конкретные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Чертежи могут быть выполнены не в масштабе. Следует понимать, что чертежи и подробное описание не предназначены ограничивать изобретение конкретной формой его раскрытия, а в противоположность этому, предполагается, что изобретение покрывает все модификации, эквиваленты и альтернативы в пределах существа и объема настоящего изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.

Осуществление изобретения

Нижеследующее описание относится в целом к системам и способам обработки углеводородов в пластах. Указанные пласты могут быть обработаны с целью добычи углеводородных продуктов, водорода и иных продуктов.

Термин «переменный ток» (АС) обозначает изменяющийся во времени ток, направление которого изменяется на обратное, по существу, синусоидально. При протекании переменного тока в ферромагнитном проводнике возникает скин-эффект.

Касательно нагревательных систем с уменьшенной тепловой мощностью, устройств и применяемых способов термин «автоматически» относится к системам, устройствам и способам, в которых не используется внешнее регулирование (к примеру, не применяются внешние регуляторы, такие как регулятор с датчиком температуры и контуром обратной связи, ПИД-регулятор или упреждающий регулятор).

Термин «спаренный» обозначает как прямую связь, так и косвенную связь (например, одну или несколько имеющих место связей) с одним или несколькими объектами или компонентами. Термин «непосредственно соединенный» обозначает прямую связь между объектами или компонентами, т.е. непосредственную связь объектов или компонентов друг с другом, обеспечивающую работу объектов или компонентов «по месту использования».

Термин «температура Кюри» обозначает температуру, выше которой ферромагнитный материал теряет все свои ферромагнитные свойства. Наряду с тем, что ферромагнитный материал теряет все свои ферромагнитные свойства при температуре, превышающей температуру Кюри, ферромагнитный материал начинает терять свои ферромагнитные свойства, когда через него пропускается возрастающий электрический ток.

«Пласт» включает один или несколько углеводородных слоев, один или несколько неуглеводородных слоев, покрывающий слой и/или подстилающий слой. Термин «углеводородные слои» обозначает слои в пласте, которые содержат углеводороды.

Углеводородные слои могут содержать неуглеводородный материал и углеводородный материал. «Покрывающий слой» и/или «подстилающий слой» может содержать один или несколько непроницаемых материалов различных типов. К примеру, покрывающий слой и/или подстилающий слой может содержать скальную породу, сланец, агриллит или влажный/плотный карбонат. В некоторых случаях при проведении процесса тепловой обработки in situ подземных пластов покрывающие и/или подстилающие слои могут содержать слой, содержащий углеводороды, или слои, содержащие углеводороды, которые относительно непроницаемы и не подвергаются воздействию температуры во время проведения тепловой обработки in situ, что приводит к значительным изменениям свойств слоев, содержащих углеводороды, в покрывающем слое и/или подстилающем слое. Например, подстилающий слой может содержать сланец или агриллит, но не допускается нагрев подстилающего слоя до температур пиролиза во время проведения процесса тепловой обработки in situ. В ряде случаев покрывающий слой и/или подстилающий слой могут быть, в некоторой степени, проницаемыми.

Термин «пластовые флюиды» обозначает флюиды, присутствующие в пласте, и может обозначать пиролизный флюид, синтез-газ, мобилизованные углеводороды и воду (водяной пар). Пластовый флюид может содержать углеводородные флюиды, а также неуглеводородные флюиды. Термин «мобилизованный флюид» обозначает флюиды в углеводородосодержащем пласте, которые в результате тепловой обработки пласта способны приобретать текучесть. Термин «добываемые флюиды» обозначает флюиды, извлекаемые из пласта.

Термин «тепловой поток» обозначает поток энергии, проходящий через единицу поверхности за единицу времени (например, Вт/м2).

Термин «тепловой источник» обозначает любую систему, подводящую тепло, по меньшей мере, к одному участку пласта, главным образом, путем теплопроводности и/или теплопередачи излучением. Например, тепловой источник может содержать электропроводные материалы и/или электронагреватели, такие как изолированный проводник, удлиненный элемент и/или проводник, расположенный в трубопроводе. Тепловой источник также может содержать системы, которые вырабатывают тепло за счет сгорания топлива снаружи или внутри пласта. Системы могут представлять собой поверхностные горелки, забойные газовые горелки, беспламенные распределенные камеры сгорания и природные распределенные камеры сгорания. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения тепло, обеспеченное или генерированное одним или несколькими тепловыми источниками, может передаваться посредством других источников энергии. Другие источники энергии могут непосредственно нагревать пласт, или энергия может подводиться к теплоносителю, который прямо или косвенно нагревает пласт. Следует отметить, что в одном или нескольких тепловых источниках, которые подводят тепло к пласту, можно использовать разные источники энергии. Таким образом, например, к данному пласту некоторые тепловые источники могут поставлять тепло от электропроводных материалов, электрических нагревателей сопротивления, некоторые тепловые источники могут вырабатывать тепло за счет сгорания топлива, а некоторые тепловые источники могут снабжать пласт теплом, полученным от одного или нескольких других источников энергии (например, за счет химических реакций, солнечной энергии, энергии ветра, биомассы или других источников возобновляемой энергии). Химическая реакция может представлять собой экзотермическую реакцию (например, реакцию окисления). К тому же, тепловой источник может содержать электропроводный материал и/или нагреватель, который снабжает теплом зону, приближенную и/или окружающую место нагрева, например, нагреватель скважины.

Термин «нагреватель» обозначает любую систему или тепловой источник для выработки тепла в скважине или в области, приближенной к стволу скважины. Нагреватели могут представлять собой, но не ограничиваясь этим, электронагреватели, горелки, камеры сгорания, в которых в реакцию вступает материал пласта или материал, добытый из пласта, и/или указанные материалы в сочетании.

Термин «углеводороды» традиционно обозначает вещество, молекулы которого, сформированы, главным образом, из атомов углерода и водорода. Также углеводороды могут содержать другие элементы, например, но, не ограничиваясь этим, галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или серу. Углеводороды могут представлять собой, но не ограничиваясь этим, кероген, битум, пиробитум, нефть, естественные минеральные воски и асфальтиты. Углеводороды могут располагаться в минеральных матрицах или рядом с минеральными матрицами в грунте. Минеральные матрицы могут содержать, но не ограничиваясь этим, осадочную породу, пески, силицилиты, карбонаты, диатомиты и другие пористые среды. Термин «углеводородные флюиды» обозначает флюиды, которые содержат углеводороды. Углеводородные флюиды могут содержать, захватывать или могут быть захвачены неуглеводородными флюидами, такими как водород, азот, оксид углерода, диоксид углерода, сероводород, вода, и аммиак.

Термин «конверсионный процесс in situ» обозначает процесс нагрева углеводородосодержащего пласта с помощью тепловых источников для подъема температуры, по меньшей мере, одного участка пласта выше температуры пиролиза, чтобы в результате пиролиза в пласте образовался флюид.

Термин «процесс тепловой обработки in situ» обозначает процесс нагрева углеводородосодержащего пласта с помощью источников тепла для повышения температуры, по меньшей мере, одного участка пласта выше температуры, которая приводит к образованию мобилизованных флюидов, висбрекингу и/или пиролизу материала, содержащего углеводороды, чтобы в пласте образовались мобилизованные флюиды, флюиды висбрекинга и/или пиролизные флюиды.

Термин «изолированный проводник» обозначает любой удлиненный материал, который способен проводить электрический ток, и покрыт полностью или частично электроизоляционным материалом.

Термин «модулированный постоянный ток (DC)» обозначает любой, по существу, несинусоидальный изменяющийся во времени ток, который создает в ферромагнитном проводнике скин-эффект.

Термин «нитрид» обозначает соединение азота с одним или несколькими другими элементами периодической системы элементов. Нитриды включают, но, не ограничиваясь этим, нитрид кремния, нитрид бора или нитрид алюминия.

Термин «перфорация» обозначает отверстия, пазы, щели или каналы в стенке трубопровода, трубчатого элемента, трубы или другой магистрали, предназначенной для потока, по которым поток направляется в или из трубопровода, трубчатого элемента, трубы или другой магистрали, предназначенной для потока.

Термин «температура фазового превращения» ферромагнитного материала обозначает температуру или диапазон температур, в котором происходит фазовое превращение материала (например, от феррита к аустениту), при этом снижается магнитная проницаемость ферромагнитного материала. Указанное снижение магнитной проницаемости ферромагнитного материала аналогично снижению магнитной проницаемости ферромагнитного материала в результате магнитного превращения указанного материала при температуре Кюри.

Термин «пиролиз» обозначает разрушение химических связей под воздействием тепла. Например, пиролиз может заключаться в преобразовании соединения в одно или несколько других веществ только в результате нагрева. Тепло может подаваться в толщу пласта, чтобы вызвать процесс пиролиза.

Термин «пиролизные флюиды» или «продукты пиролиза» обозначает флюиды, образовавшиеся, по существу, в процессе пиролиза углеводородов. Флюид, образовавшийся в результате реакции пиролитического расщепления, может смешиваться с другими флюидами в пласте. Смесь будет рассматриваться как пиролизный флюид, или продукт пиролиза. В данном описании термин «зона пиролиза» обозначает объем пласта (например, обозначает проницаемый пласт, такой как пласт нефтеносных песков), который подвергся реакции, или вступает в реакцию с образованием пиролизного флюида.

Термин «суперпозиция тепла» обозначает подвод тепла от двух или более тепловых источников к выбранному участку пласта таким образом, чтобы температура пласта, по меньшей мере, в одном месте между тепловыми источниками зависела от действия указанных тепловых источников.

Термин «нагреватель с ограничением температуры» обычно обозначает нагреватель, который при температурах нагрева, превышающих заданную, самостоятельно регулирует тепловую мощность (например, уменьшает тепловую мощность) без использования внешних средств регулирования, таких как регуляторы температуры, регуляторы мощности, выпрямители или другие устройства. Нагреватели с ограничением температуры могут представлять собой электронагреватели, питаемые переменным током (АС) или модулированным (например, «прерывистым) постоянным током (DC).

Термин «толщина» слоя обозначает толщину слоя в поперечном сечении, причем в поперечном сечении, нормальном к поверхности слоя.

Термин «изменяющийся во времени ток» обозначает электрический ток, который создает в ферромагнитном проводнике скин-эффект и имеет величину, изменяющуюся во времени. Изменяющийся во времени ток может включать как переменный ток (АС), так и модулированный постоянный ток (DC).

Термин «динамический диапазон регулирования» для нагревателя с ограничением температуры, к которому ток подается непосредственно, обозначает отношение наибольшего сопротивления переменному току (АС) или модулированному постоянному току (DC) при температуре ниже температуры Кюри к наименьшему сопротивлению переменному току (АС) или модулированному постоянному току (DC) при температуре выше температуры Кюри для заданного тока. Динамическим диапазоном регулирования для индуктивного нагревателя является отношение наибольшей тепловой мощности при температуре ниже температуры Кюри к наименьшей тепловой мощности при температуре выше температуры Кюри для заданного тока, подаваемого к нагревателю.

Термин «ствол скважины u-образной формы» обозначает ствол скважины, который проходит в пласте от первого отверстия, по меньшей мере, через один участок пласта и выходит через второе отверстие в пласте. В данном случае ствол скважины может только приближенно походить на букву «v» или «и», при этом подразумевается, что «ножки» образующие букву «и», не обязательно должны быть параллельны друг другу, или перпендикулярны «основанию» буквы «и», чтобы ствол скважины считался «и образным».

Термин «ствол скважины» обозначает канал в пласте, выполненный бурением или введением трубопровода в пласт. Ствол скважины может иметь поперечное сечение, по существу, круглой формы или поперечное сечение другой формы. Используемые здесь термины «скважина» и «отверстие», когда они относятся к каналу в пласте, могут быть взаимозаменяемы с термином «ствол скважины».

Для добычи множества разнообразных продуктов пласт может быть обработан различными способами. При проведении тепловой обработки in situ пласта могут быть использованы различные этапы или процессы. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения при добыче ископаемых на одном или нескольких участках пласта для извлечения ископаемых применяется растворение. Растворение ископаемых может быть выполнено до, во время и/или после проведения процесса тепловой обработки in situ. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения средняя температура одного или нескольких участков пласта, из которых производится добыча растворением, может поддерживаться ниже примерно 120°С.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения производят нагрев одного или нескольких участков пласта для удаления воды из указанных участков и/или для удаления метана и других летучих углеводородов. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения в процессе удаления воды и летучих углеводородов средняя температура участков пласта может быть повышена от температуры окружающей среды до температуры ниже примерно 220°С.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения один или несколько участков пласта нагревают до температур, при которых происходит перемещение и/или висбрекинг углеводородов в пласте. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения среднюю температуру одного или нескольких участков пласта повышают до температур мобилизации углеводородов в указанных участках пласта (например, температур в диапазоне от 100°С до 250°С, от 120°С до 240°С или от 150°С до 230°С).

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения один или несколько участков пласта нагревают до температур, при которых происходит реакция пиролиза в указанных участках пласта. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения средняя температура одного или нескольких участков пласта может быть повышена до температур пиролиза углеводородов в указанных участках пласта (например, температур в диапазоне от 230°С до 900°С, от 240°С до 400°С или от 250°С до 350°С).

При нагреве углеводородосодержащего пласта с помощью множества тепловых источников может быть создан градиент температур вокруг тепловых источников, которые при требуемых скоростях нагрева повышают температуру углеводородов в пласте до требуемых температур. От скорости повышения температуры в диапазоне температур мобилизации и/или в диапазоне температур пиролиза, необходимых для получения требуемых продуктов, зависит качество и объем пластовых флюидов, выработанных из углеводородосодержащего пласта. Медленный подъем температуры пласта в диапазоне температур мобилизации и/или в диапазоне температур пиролиза может обеспечить выработку из пласта высококачественных углеводородов с высокой плотностью в градусах API. Медленный подъем температуры пласта в диапазоне температур мобилизации и/или в диапазоне температур пиролиза может обеспечить увеличение объема извлеченных из пласта углеводородов в виде углеводородного продукта.

Согласно некоторым вариантам тепловой обработки in situ участок пласта нагревают непосредственно до требуемой температуры, вместо медленного повышения температуры в диапазоне температур мобилизации и/или в диапазоне температур пиролиза. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения требуемая температура составляет 300°С, 325°С или 350°С. В качестве требуемой температуры могут быть выбраны другие температуры.

Благодаря суперпозиции тепла, поступающего от тепловых источников, можно относительно быстро достичь требуемой температуры пласта и эффективно ее поддерживать. Для поддержания в пласте, по существу, требуемой температуры можно корректировать энергию, подводимую от тепловых источников к пласту.

Мобилизованные флюиды и/или продукты пиролиза могут быть добыты из пласта через промысловые скважины. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения среднюю температуру одного или нескольких участков пласта повышают до температур мобилизации углеводородов, после чего добывают углеводороды из промысловых скважин. Средняя температура одного или нескольких участков пласта может быть повышена до температур пиролиза после того, как выработка мобилизованных углеводородов упала ниже установленной нормы. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения средняя температура одного или нескольких участков пласта может быть повышена до температур пиролиза без проведения существенной выработки прежде, чем будет достигнута температур пиролиза. Пластовые флюиды, включающие продукты пиролиза, могут быть добыты через промысловые скважины.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения средняя температура одного или нескольких участков пласта после мобилизации флюидов и/или процесса пиролиза может быть повышена до температур, требуемых для выработки синтез-газа. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения температура углеводородов может быть повышена до температур, требуемых для выработки синтез-газа, без проведения существенной выработки прежде, чем будет достигнуты температуры, требуемые для выработки синтез-газа. Например, синтез-газ может быть выработан в диапазоне температур от около 400°С до около 1200°С, от около 500°С до около 1100°С или от около 550°С до около 1000°С. Для добычи синтез-газа в участки пласта может быть введен флюид (например, пар и/или вода), обеспечивающий выработку синтез-газа. Синтез-газ может быть добыт из промысловых скважин.

Добыча растворением, извлечение летучих углеводородов и воды, мобилизация углеводородов, пиролизация углеводородов, выработка синтез-газа и/или другие процессы могут быть выполнены во время процесса тепловой обработки in situ. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения некоторые процессы могут быть выполнены после процесса тепловой обработки in situ. Такие процессы могут включать, но, не ограничиваясь этим, рекуперацию тепла из обработанных участков, аккумулирование флюидов (например, воды и/или углеводородов) в ранее обработанных участках и/или изолирование диоксида углерода в ранее обработанных участках пласта.

На фиг.1 представлена схема варианта участка системы тепловой обработки in situ, предназначенной для обработки углеводородосодержащего пласта. Система тепловой обработки in situ может включать барьерные скважины 200. Барьерные скважины используются для формирования барьера вокруг области обработки пласта. Барьер препятствует входу потока флюидов в область обработки и/или выходу потока флюидов из указанной области. Барьерные скважины включают, но, не ограничиваясь этим, водооткачивающие скважины, вакуумные скважины, улавливающие скважины, нагнетательные скважины, заливные скважины, замораживающие скважины или сочетание перечисленных скважин. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения барьерные скважины 200 являются водооткачивающими скважинами. Водооткачивающие скважины могут обеспечить удаление воды и/или препятствовать поступлению жидкой воды в участок пласта, который должен быть нагрет, или в нагреваемый пласт. В варианте, представленном на фиг.1, барьерные скважины 200 продолжаются только с одной стороны от тепловых источников 202, однако барьерные скважины, как правило, окружают все используемые тепловые источники 202, или которые должны быть использованы для нагрева области обработки пласта.

Тепловые источники 202 расположены, по меньшей мере, в одном участке пласта. Тепловые источники 202 могут включать нагреватели, такие как изолированные проводники, нагреватели типа «проводник в трубопроводе», поверхностные горелки, беспламенные распределенные камеры сгорания и/или природные распределенные камеры сгорания. Также тепловые источники 202 могут включать нагреватели других типов. Для нагрева углеводородов в пласте тепловые источники 202 обеспечивают теплом, по меньшей мере, один участок пласта. Энергия к тепловым источникам 202 может подаваться посредством питающих магистралей 204. Питающие магистрали 204 могут конструктивно отличаться друг от друга в зависимости от типа теплового источника или тепловых источников, используемых для нагрева пласта. Питающие магистрали 204, предназначенные для тепловых источников, могут обеспечивать подачу электроэнергии к электронагревателям, транспортировку топлива к камерам сгорания или транспортировку флюидного теплоносителя, циркулирующего в пласте. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения выработку электроэнергии, используемой в процессе тепловой обработки in situ пласта, может обеспечивать одна или несколько атомных электростанций. За счет использования атомной энергии для проведения процесса тепловой обработки in situ можно сократить или устранить выделение диоксида углерода.

В процессе нагрева пласта за счет подводимого в пласт тепла может произойти расширение пласта и возникнуть геомеханическое движение. Тепловые источники могут быть включены до процесса откачки воды или во время процесса откачки воды. Компьютерное моделирование позволяет смоделировать реакцию пласта на нагрев. Компьютерное моделирование может применяться для разработки схемы и временной последовательности приведения в действие тепловых источников в пласте с целью исключения негативного влияния геомеханического движения пласта на функциональность тепловых источников, промысловых скважин и другого оборудования, используемого в пласте.

В процессе нагрева пласта может произойти увеличение проницаемости и/или пористости пласта. Увеличение проницаемости и/или пористости пласта может происходить в результате снижения массы пласта из-за испарения и удаления воды, удаления углеводородов и/или образования трещин. Флюид может протекать легче в нагретом участке пласта, благодаря увеличенной проницаемости и/или пористости пласта. Флюид в нагретом участке пласта может перемещаться на значительное расстояние через пласт, благодаря увеличенной проницаемости и/или пористости пласта. Указанное значительное расстояние может составить более 1000 м в зависимости от различных факторов, таких как проницаемость пласта, свойства флюида, температура пласта и градиент давления, обеспечивающий перемещение флюида. Способность флюида перемещаться на значительное расстояние в пласте позволяет располагать промысловые скважины 206 в пласте относительно далеко друг от друга.

Промысловые скважины 206 используются для извлечения пластового флюида. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения промысловые скважины 206 могут содержать тепловой источник. Тепловой источник, установленный в промысловой скважине, может нагреть один или несколько участков пласта в промысловой скважине или около нее. В некоторых вариантах осуществления процесса тепловой обработки in situ количество тепла, подаваемое к пласту от промысловой скважины на метр промысловой скважины, меньше, чем количество тепла, подаваемое к пласту от теплового источника, который нагревает пласт, на метр теплового источника. Тепло, подаваемое к пласту от промысловой скважины, может увеличить проницаемость пласта вблизи промысловой скважины за счет испарения и удаления жидкой флюидной фазы вблизи промысловой скважины и/или за счет увеличения проницаемости пласта вблизи промысловой скважины при образовании в пласте макротрещин и/или микротрещин.

В промысловой скважине может быть установлено более одного теплового источника. Тепловой источник, установленный в нижнем участке промысловой скважины, может быть выключен, когда смежные тепловые источники обеспечивают достаточный нагрев пласта за счет суперпозиции тепла и компенсируют эффект нагрева пласта от промысловой скважины. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения тепловой источник, установленный в верхнем участке промысловой скважины, может остаться включенным после отключения теплового источника, установленного в нижнем участке промысловой скважины. Тепловой источник, установленный в верхнем участке скважины, может предотвратить конденсацию и обратный поток пластового флюида.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения тепловой источник, установленный в промысловой скважине 206, позволяет удалять паровую фазу пластового флюида из пласта. В результате нагрева пласта от промысловой скважины или через промысловую скважину можно: (1) предотвратить конденсацию и/или обратный поток выработанного флюида, когда указанный добытый флюид перемещается в промысловой скважине, приближаясь к покрывающему слою, (2) увеличить подвод тепла в пласт, (3) повысить производительность промысловой скважины по сравнению с промысловой скважиной без теплового источника, (4) предотвратить в промысловых скважинах конденсацию соединений с высоким углеродным числом (углеводороды С6 и выше), и/или (5) увеличить проницаемость пласта в промысловой скважине или вблизи нее.

Подземное давление в пласте может соответствовать давлению флюида, выработанного в пласте. При повышении температуры в нагретом участке пласта давление в указанном нагретом участке может возрастать за счет теплового расширения флюидов in situ, увеличенной выработки флюидов и испарения воды. Регулированием скорости извлечения флюидов из пласта можно регулировать давление в пласте. Давление в пласте может быть ограничено в целом ряде различных областей, а именно, рядом с промысловыми скважинами или в промысловых скважинах, рядом с источником тепла или на нем, либо в контрольных скважинах.

Добыча углеводородов из некоторых углеводородосодержащих пластов предотвращается до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторая часть углеводородов в пласте не будет мобилизована и/или подвергнута пиролизу. Пластовый флюид может быть добыт из пласта после того, как достигнуто требуемое качество пластового флюида. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения требуемое качество флюида включает плотность в градусах API, по меньшей мере, около 20°, 30° или 40°. Благодаря предотвращению добычи до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторая часть углеводородов не мобилизована и/или не подвергнута пиролизу, можно увеличить превращение тяжелых углеводородов в легкие углеводороды. Благодаря предотвращению начальной добычи можно минимизировать добычу тяжелых углеводородов из пласта. Добыча значительного количества тяжелых углеводородов может потребовать дорогого оборудования и/или уменьшить срок службы производственного оборудования.

В некоторых углеводородосодержащих пластах углеводороды могут быть нагреты до температур мобилизации и/или температур пиролиза прежде, чем будет достигнута существенная проницаемость нагретого участка пласта. В связи с недостаточной проницаемостью участка пласта может предотвращаться перемещение выработанных флюидов к промысловым скважинам 206. В процессе начального нагрева давление флюида в пласте может быть повышено вблизи тепловых источников 202. Повышенное давление флюида можно сбрасывать, отслеживать, изменять и/или регулировать посредством одного или нескольких тепловых источников 202. Например, выбранные тепловые источники 202 или отдельные разгрузочные скважины могут содержать регуляторы давления, которые предусмотрены для удаления небольшого количества флюидов из пласта.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения допускается повышение давления, вызванное расширением мобилизованных флюидов, пиролизных флюидов или других флюидов, выработанных в пласте, несмотря на то, что в пласте еще может отсутствовать открытый канал к промысловым скважинам 206 или любая другая депрессионная воронка. Можно допустить увеличение давления флюида до литостатического давления. Когда давление флюида приближается к литостатическому давлению, в углеводородосодержащем пласте могут сформироваться трещины. Например, в нагретом участке пласта могут сформироваться трещины от тепловых источников 202 к промысловым скважинам 206. Образование трещин в нагретом участке может привести к частичному сбросу давления в указанном нагретом участке. Для предотвращения выработки нежелательных продуктов, образования трещин в покрывающих слоях или подстилающих слоях и/или коксования углеводородов в пласте может потребоваться поддержание давления в пласте ниже выбранного давления.

После того, как достигнута температура мобилизации и/или температура пиролиза и допускается добыча из пласта, давление в пласте может быть изменено с целью изменения и/или регулирования композиции выработанного пластового флюида, регулирования относительного содержания конденсируемого флюида по сравнению с неконденсируемым флюидом в пластовом флюиде и/или с целью регулирования плотности в градусах API вырабатываемого пластового флюида. Например, снижение давления может привести к выработке большего объема конденсируемого флюидного компонента. Относительное содержание олефинов в конденсируемом флюидном компоненте может быть значительным.

В некоторых вариантах процесса тепловой обработки in situ может поддерживаться достаточно высокое давление в пласте, что способствует выработке пластового флюида с плотностью в градусах API, превышающей 20°. Благодаря поддержанию повышенного давления в пласте можно предотвратить осадку пласта в процессе тепловой обработки in situ. При поддержании повышенного давления в пласте можно минимизировать или исключить необходимость сжатия пластового флюида на поверхности для транспортировки флюида в коллекторных трубопроводах к обрабатывающим установкам.

Поддержание повышенного давления в нагретом участке пласта, на удивление, позволяет выработать углеводороды в большем объеме, улучшенного качества и с относительно низкой молекулярной массой. Можно поддерживать такое давление, при которой в выработанном пластовом флюиде будет минимальное количество соединений, имеющих углеродное число выше выбранного. Выбранное углеродное число может составлять не более 25, не более 20, не более 12 или не более 8. В пласте некоторые соединения с высоким углеродным числом могут захватываться паром и могут удаляться из пласта вместе с паром. Поддержание повышенного давления в пласте может предотвратить захват паром соединений с высоким углеродным числом и/или полициклических углеводородных соединений. Соединения с высоким углеродным числом и/или полициклические углеводородные соединения могут оставаться в жидкой фазе в пласте в течение продолжительного периода времени. Продолжительность указанного периода времени является достаточной, чтобы соединения были подвергнуты пиролизу для формирования соединений с более низким углеродным числом.

Как предполагается, выработка углеводородов с относительно низкой молекулярной массой, частично, происходит благодаря автогенной выработке и в результате взаимодействия флюидов с водородом на участке углеводородосодержащего пласта. Например, за счет поддержания повышенного давления водород, выработанный во время пиролиза, может принудительно направляться в жидкую фазу в пласте. Нагрев участка пласта до температуры, находящейся в диапазоне температур пиролиза, может вызвать пиролиз углеводородов в пласте с последующей выработкой жидкой фазы пиролизных флюидов. Выработанная жидкая фаза пиролизных флюидов может содержать двойные связи и/или радикалы. Водород (Н2) в жидкой фазе может ослабить двойные связи пиролизных флюидов, снижая, таким образом, потенциальную возможность полимеризации или образования длинноцепочечных соединений из выработанных пиролизных флюидов. Кроме того, Н2 может также нейтрализовать радикалы в пиролизных флюидах. Н2 в жидкой фазе может предотвращать взаимодействие пиролизных флюидов друг с другом и/или с другими соединениями в пласте.

Пластовый флюид, добытый из промысловых скважин 206, может транспортироваться по коллекторному трубопроводу 208 к обрабатывающим установкам 210. Пластовый флюид также может быть добыт из тепловых источников 202. Например, добыча флюида из тепловых источников 202 позволяет регулировать давление в пласте вблизи тепловых источников. Флюид, выработанный из тепловых источников 202, может транспортироваться по трубопроводам или системе трубопроводов к коллекторному трубопроводу 208, либо выработанный флюид может транспортироваться по трубопроводам или системе трубопроводов непосредственно к обрабатывающим установкам 210. Обрабатывающие установки 210 могут содержать сепарационные блоки, реакционные блоки, обогатительные блоки, топливные ячейки, турбины, резервуары для хранения и/или другие системы и блоки для обработки добытых пластовых флюидов. В обрабатывающих установках, по меньшей мере, из части углеводородов, добытых из пласта, можно получать транспортное топливо. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения транспортное топливо может представлять собой реактивное топливо, например, JP-8.

Изолированный проводник может использоваться как элемент электронагревателя или теплового источника. Изолированный проводник может содержать внутренний электрический проводник (сердечник), окруженный электрическим изолятором, и наружный электрический проводник (кожух). Электрический изолятор может содержать минеральную изоляцию (например, оксид магния) или другую электроизоляцию.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения изолированный проводник установлен в канале, выполненном в углеводородосодержащем пласте. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения изолированный проводник установлен в необсаженном канале, выполненном в углеводородосодержащем пласте. При размещении изолированного проводника в необсаженном канале, выполненном в углеводородосодержащем пласте, может быть обеспечена как излучательная, так и кондуктивная теплопередача от изолированного проводника к пласту. Если изолированный проводник установлен в необсаженном канале, то, в случае необходимости, его значительно легче извлечь из скважины.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения изолированный проводник может быть снабжен кожухом и установлен в пласте; может быть зацементирован в пласте; или может быть уплотнен в канале песком, гравием, или другим заполняющим материалом. Изолированный проводник может поддерживаться в канале посредством несущего элемента. Несущий элемент может представлять собой кабель, штангу или трубопровод (например, трубу). Несущий элемент может быть изготовлен из металлического, керамического, неорганического материала, или из указанных материалов в сочетании. Поскольку участки несущего элемента при эксплуатации могут подвергаться воздействию пластовых флюидов и высокой температуры, несущий элемент должен быть химически стойким и/или термостойким.

По длине изолированного проводника в разных местах могут использоваться хомуты, точечная сварка и/или другие типы соединителей для соединения изолированного проводника с несущим элементом. Несущий элемент может быть закреплен на верхней поверхности пласта в устьевом оборудовании. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения изолированный проводник имеет достаточную конструктивную прочность, в таком случае нет необходимости в несущем элементе. Изолированный проводник, в большинстве случаев, может обладать, по меньшей мере, некоторой гибкостью, благодаря чему, предотвращается повреждение в результате теплового расширения при изменении температуры.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения изолированные проводники установлены в стволах скважин без несущих элементов и/или центраторов. Изолированный проводник без несущих элементов и/или центраторов может обладать термостойкостью и коррозионной стойкостью, сопротивлением ползучести, иметь длину, толщину (диаметр) и металлургические свойства в соответствующем сочетании, благодаря чему, предотвращается выход из строя изолированного проводника в процессе эксплуатации.

На фиг.2 представлен вид в перспективе концевого участка изолированного проводника 252 согласно одному из вариантов осуществления изобретения. Изолированный проводник 252 может иметь в поперечном сечении любую требуемую форму, например, но, не ограничиваясь этим, круглую (как показано на фиг.2), треугольную, эллипсоидальную, прямоугольную, шестиугольную или нерегулярную. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения изолированный проводник 252 имеет сердечник 218, электрический изолятор 214 и кожух 216. При прохождении электрического тока через сердечник 218 может происходить резистивный нагрев сердечника 218. Для питания сердечника 218 может использоваться переменный ток, изменяющийся во времени ток и/или постоянный ток, при этом происходит резистивный нагрев сердечника.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения электрический изолятор 214 предотвращает утечку тока и образование дугового разряда между сердечником и кожухом 216. Электрический изолятор 214, обладая теплопроводностью, может передавать тепло, выработанное в сердечнике 218, к кожуху 216. Кожух 216 может подводить тепло к пласту посредством излучения или проводимости. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения изолированный проводник 252 имеет длину 1000 м или более. Для удовлетворения определенных эксплуатационных требований также могут использоваться более длинные или более короткие изолированные проводники. Размеры сердечника 218, электрического изолятора 214 и кожуха 216 изолированного проводника 252 выбирают так, чтобы изолированный проводник обладал достаточной прочностью и был самоподдерживающимся даже при верхних пределах рабочих температур. Такие изолированные проводники могут подвешиваться в устьевом оборудовании или на креплениях, размещенных вблизи поверхности раздела между покрывающим слоем и углеводородосодержащим пластом, при этом отсутствует необходимость в несущих элементах, которые продолжаются наряду с изолированными проводниками в углеводородосодержащем пласте.

Изолированный проводник 252 может быть рассчитан на рабочую мощность вплоть до 1650 Вт/м или выше. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения рабочая мощность изолированного проводника 252 при нагреве пласта составляет от около 300 Вт/м до около 1150 Вт/м. Изолированный проводник 252 может быть конструктивно выполнен так, чтобы при максимальном уровне напряжения и обычной рабочей температуре не могло произойти существенное тепловое и/или электрическое повреждение электрического изолятора 214. Изолированный проводник 252 может быть конструктивно выполнен так, чтобы при его эксплуатации температура кожуха 216, не превышала температуры, приводящей к значительному снижению коррозионной стойкости материала кожуха. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения изолированный проводник 252 может быть конструктивно выполнен так, чтобы он мог обеспечивать температуру нагрева в пределах диапазона от около 650°С до около 900°С. Для удовлетворения определенных эксплуатационных требований могут быть сформированы изолированные проводники с другими диапазонами рабочих температур.

На фиг.2 представлен изолированный проводник 252 с единственным сердечником 218. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения изолированный проводник 252 имеет два или более сердечников 218. К примеру, изолированный проводник может иметь три сердечника. Сердечник 218 может быть изготовлен из металла или другого электропроводного материала. Материал, использованный для формирования сердечника 218, может включать, но, не ограничиваясь этим, нихром, медь, никель, углеродистую сталь, нержавеющую сталь и их сочетания. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения выбран такой диаметр и удельное сопротивление при рабочих температурах сердечника 218, чтобы его сопротивление, согласно закону Ома, обеспечивало электрическую и конструктивную стабильность при выбранном рассеянии мощности на метр, выбранной длине нагревателя и/или максимальном напряжении, допустимом для материала сердечника.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения сердечник 218 по длине изолированного проводника 252 изготавливают из разных материалов. Например, первая секция сердечника 218 может быть изготовлена из материала, имеющего значительно более низкое сопротивление, по сравнению с материалом второй секции сердечника. Первая секция может быть расположена рядом со слоем пласта, который не подлежит нагреву до столь же высокой температуры, как второй слой пласта, который расположен вблизи второй секции. Удельное сопротивление разных секций сердечника 218 может быть скорректировано посредством изменения диаметра и/или за счет изготовления секций сердечника из разных материалов.

Электрический изолятор 214 может быть изготовлен из многих материалов. Обычно используются порошковые материалы, которые могут включать, но, не ограничиваясь этим, MgO, Аl2O3, двуокись циркония, ВеО, различные химически преобразованные шпинели и их сочетания. MgO может обеспечить хорошую теплопроводность и хорошие электроизоляционные свойства. Требуемые электроизоляционные свойства включают низкий ток утечки и высокую диэлектрическую прочность. Низкий ток утечки минимизирует возможность теплового пробоя, а высокая диэлектрическая прочность минимизирует возможность возникновения дугового разряда через изолятор. Тепловой пробой может произойти, если ток утечки вызывает прогрессирующее повышение температуры изолятора, приводящее также к возникновению дугового разряда через изолятор.

Кожухом 216 может служить наружный металлический слой или электропроводный слой. Кожух 216 может контактировать с горячими пластовыми флюидами. Кожух 216 может быть изготовлен из материала, обладающего высокой коррозионной стойкостью при повышенных температурах. Сплавы, которые могут выдерживать требуемый диапазон рабочих температур кожуха 216, включают, но, не ограничиваясь этим, нержавеющую сталь 304, нержавеющую сталь 310, Incoloy® 800 и Inconel® 600 (фирмы Inco Alloys International, Хантингтон, Западная Вирджиния, США). Толщина кожуха 216 должна быть достаточной, чтобы кожух мог эксплуатироваться в горячей и коррозийной среде на протяжении от трех до десяти лет. Толщина кожуха 216 может, в общем, изменяться от около 1 мм до около 3,5 мм. Например, наружный слой из нержавеющей стали 310 толщиной 1,3 мм может использоваться в качестве кожуха 216, обеспечивая хорошую химическую стойкость к сероводородной коррозии в горячей зоне пласта на протяжении периода времени более 3 лет. Для удовлетворения определенных эксплуатационных требований может использоваться кожух, имеющий большую или меньшую толщину.

Для формирования теплового источника или тепловых источников один или несколько изолированных проводников могут быть введены в канал, выполненный в пласте. Электрический ток можно пропускать через каждый изолированный проводник в канале для нагрева пласта. Альтернативно, электрический ток можно пропускать через выбранные изолированные проводники в канале. Незадействованные проводники могут использоваться как резервные нагреватели. Электрическое соединение изолированных проводников с источником питания может быть выполнено любым удобным способом. Каждый из концов изолированных проводников может быть соединен с подводящими кабелями, которые проходят через устьевое оборудование. При такой конструкции, как правило, имеется изгиб на 180° (в виде «шпильки») или поворот вблизи основания теплового источника. Для изолированного проводника с изгибом или поворотом на 180°, не требуется концевая заделка, однако место изгиба или поворота на 180° может являться слабым местом электрической цепи и/или слабым местом конструкции нагревателя. Изолированные проводники можно электрически соединять друг с другом последовательно, параллельно или можно сочетать последовательное и параллельное соединение. В некоторых вариантах тепловых источников согласно изобретению электрический ток может проходить в проводник нагревателя с изолированным проводником и может возвращаться через кожух изолированного проводника посредством соединения сердечника 218 с кожухом 216 (показано на фиг.2) в основании теплового источника.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения три изолированных проводника 252 электрически соединены звездой в 3-фазной конфигурации с электропитанием. На фиг.3 представлен вариант нагревателя с тремя изолированными проводниками, соединенными звездой, в канале, выполненном в подземном пласте. На фиг.4 представлен вариант нагревателя с тремя изолированными проводниками 252, которые можно удалять из канала 238, выполненного в пласте. При соединении трех изолированных проводников звездой нет необходимости в концевой заделке. Напротив, все три изолированных проводника в конфигурации звезды могут быть соединены вместе вблизи основания канала. Соединение может быть выполнено непосредственно на концах нагревающих секций изолированных проводников или на концах холодных штырей (секций, имеющих меньшее сопротивление), соединенных с нагревательными секциями в основании нагревателей с изолированными проводниками. Нижнее соединение может быть выполнено в герметизированном корпусе, заполненном изолятором или в корпусе, заполненном эпоксидной смолой. Изолятор может быть того же состава, что и изолятор, обеспечивающий электрическую изоляцию.

Три изолированных проводника 252 показанных на фиг.3 и 4, могут быть соединены с несущим элементом 220 при использовании центраторов 222. Альтернативно, изолированные проводники 252 могут быть скреплены непосредственно с несущим элементом 220 при использовании металлических хомутов. Центраторы 222 могут фиксировать положение изолированных проводников 252 и/или препятствовать их перемещению относительно несущего элемента 220. Центраторы 222 могут быть изготовлены из металла, керамики или из указанных материалов в сочетании. Металл может представлять собой нержавеющую сталь или металл любого другого типа, который способен противостоять воздействию коррозийной среды и высокой температуры. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения центраторы 222 выполнены в виде согнутых металлических полос, приваренных к несущему элементу с шагом менее примерно 6 м. Керамика, используемая в центраторах 222, может представлять собой, но, не ограничиваясь этим, Аl2O3, MgO или другой электроизоляционный материал. Центраторы 222 могут поддерживать положение изолированных проводников 252 на несущем элементе 220, благодаря чему, при рабочих температурах предотвращается перемещение изолированных проводников. Кроме того, изолированные проводники 252 могут обладать некоторой гибкостью, чтобы они могли противостоять расширению несущего элемента 220 при нагреве.

Несущий элемент 220, изолированный проводник 252 и центраторы 222 могут быть установлены в канале 238, выполненном в углеводородном слое 240. Изолированные проводники 252 могут быть подсоединены к нижнему соединению 224 проводников при использовании холодных штырей 226. Нижнее соединение 224 проводников может электрически соединять изолированные проводники 252 друг с другом. Нижнее соединение 224 проводников может включать материалы, которые являются электропроводными и не плавятся при температурах, достигаемых в канале 238. Холодный штырь 226 может быть изолированным проводником, имеющим более низкое электрическое сопротивление, чем изолированный проводник 252.

Подводящий проводник 228 может быть соединен с устьевым оборудованием 242 для снабжения электрической энергией изолированного проводника 252. Подводящий проводник 228 может представлять собой проводник с относительно низким электрическим сопротивлением, благодаря чему, при прохождении электрического тока через подводящий проводник выделяется относительно небольшое количество тепла. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения подводящий проводник представляет собой многожильный медный кабель с резиновой или полимерной изоляцией. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения подводящий проводник представляет собой проводник с минеральной изоляцией и медным сердечником. Подводящий проводник 228 может быть соединен с устьевым оборудованием 242 на поверхности 250 через уплотнительный фланец, расположенный между покрывающим слоем 246 и поверхностью 250. Уплотнительный фланец может предотвращать выход флюида из канала 238 на поверхность 250.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения подводящий проводник 228 соединен с изолированным проводником 252 с использованием переходного проводника 230. Переходной проводник 230 может представлять собой участок изолированного проводника 252, имеющий меньшее сопротивление. Переходной проводник 230 может называться «холодным штырем» изолированного проводника 252. Переходной проводник 230 может быть разработан так, что способен рассеивать от около одной десятой до около одной пятой мощности на единицу длины, относительно мощности, которую рассеивает на единицу длины основная нагревательная секция изолированного проводника 252. Как правило, переходной проводник 230 может иметь длину от около 1,5 м до около 15 м, хотя для удовлетворения определенных эксплуатационных требований могут использоваться более короткие или более длинные переходные проводники. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения переходный проводник 230 представляет собой медный проводник. Электрический изолятор переходного проводника 230 может быть изолятором того же типа, что и электрический изолятор, используемый в основной нагревательной секции. Кожух переходного проводника 230 может быть изготовлен из коррозионностойкого материала.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения переходной проводник 230 соединен с подводящим проводником 228 посредством соединителя или иным образом. Также соединители могут использоваться для соединения переходного проводника 230 с изолированным проводником 252. Соединители должны противостоять температурам, приближенным к рабочей температуре целевой зоны (например, температуре, равной рабочей температуре целевой зоны или составляющей половину указанной температуры), в зависимости от количества проводников в канале и наличия огнеупорной облицовки соединителей. Плотность электрической изоляции в соединителях должна в большинстве случаев быть достаточно высокой, чтобы противостоять требуемой температуре и рабочему напряжению.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, как показано на фиг.3, между обсадной трубой 244 в покрывающем слое и каналом 238 размещен набивочный материал 248. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения армирующий материал 232 может способствовать закреплению обсадной трубы 244 в покрывающем слое 246. Набивочный материал 248 может предотвратить выход флюида из канала 238 на поверхность 250. Армирующий материал 232 может включать, например, портландцемент сорта G или сорта Н, смешанный с кварцевой мукой для улучшения высокотемпературных характеристик, шлаком или кварцевой мукой и/или их смесью. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения армирующий материал 232 продолжается в радиальном направлении на ширину от около 5 см до около 25 см.

Как показано на фиг.3 и 4, несущий элемент 220 и подводящий проводник 228 могут быть соединены с устьевым оборудованием 242 на поверхности 250 пласта. Поверхностная направляющая колонна 234 может охватывать армирующий материал 232 и может быть соединена с устьевым оборудованием 242. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения поверхностные направляющие колонны могут продолжаться на глубину от около 3 м до около 515 м в канале, выполненном в пласте. Альтернативно, поверхностная направляющая колонна может продолжаться в пласт на глубину приблизительно 9 м. Электрический ток может подаваться от источника питания к изолированному проводнику 252 для выработки тепла за счет электрического сопротивления изолированного проводника. Тепло, выработанное тремя изолированными проводниками 252, может передаваться внутри канала 238 для нагрева, по меньшей мере, одного участка углеводородного слоя 240.

Тепло, выработанное изолированными проводниками 252, может нагревать, по меньшей мере, один участок углеводородосодержащего пласта. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения выработанное проводниками тепло передается к пласту, по существу, посредством излучения. Некоторое количество тепла может передаваться посредством проводимости или конвекции за счет газов, присутствующих в канале. Канал может представлять собой необсаженный канал, как показано на фиг.3 и 4. При использовании необсаженного канала можно исключить расходы, связанные с тепловым соединением нагревателя с пластом, расходы, связанные с обсадной трубой, и/или расходы, связанные с уплотнением нагревателя в канале. Кроме того, теплопередача за счет излучения, как правило, является более эффективной, чем за счет проводимости, что позволяет эксплуатировать нагреватели в открытом стволе скважины при более низких температурах. Теплопередача за счет проводимости на начальном этапе функционирования теплового источника может быть увеличена благодаря введению газа в канал. Давление газа можно поддерживать на уровне до около 27 бар абсолютного давления. Газ может представлять собой, но, не ограничиваясь этим, углекислый газ и/или гелий. Нагреватель с изолированным проводником в открытом стволе скважины, предпочтительно, может свободно расширяться или сжиматься, согласуясь с тепловым расширением и сжатием. Нагреватель с изолированным проводником, предпочтительно, может быть удаляемым из открытого ствола скважины или повторно устанавливаемым.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения сборку нагревателя с изолированным проводником устанавливают или удаляют с использованием намоточного узла. Можно использовать более одного намоточного узла для одновременной установки изолированного проводника и несущего элемента. Альтернативно, несущий элемент может быть установлен с использованием колтюбинговой установки. Нагреватели можно размотать и соединить с несущим элементом после установки несущего элемента в скважине. Электронагреватель и несущий элемент можно сматывать с намоточных узлов. По длине несущего элемента могут быть установлены распорные детали между несущим элементом и нагревателем. Дополнительные намоточные узлы можно использовать для дополнительных электрических нагревательных элементов.

Нагреватели с ограничением температуры могут быть конфигурированы соответствующим образом и/или могут содержать материалы, которые придают нагревателю свойства, обеспечивающие автоматическое ограничение температуры при достижении определенных температур нагрева. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения в нагревателях с ограничением температуры используются ферромагнитные материалы. Ферромагнитный материал при подведении к нему изменяющего во времени тока способен самостоятельно ограничивать температуру при достижении температуры Кюри материала или вблизи нее и/или в диапазоне температур фазового превращения, чтобы уменьшить количество тепла. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения ферромагнитный материал способен самостоятельно ограничивать температуру нагревателя с ограничением температуры при выбранной температуре, которая приближена к температуре Кюри и/или находится в диапазоне температур фазового превращения. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения выбранная температура отличается от температуры Кюри и/или от диапазона температур фазового превращения в пределах 35°С, в пределах 25°С, в пределах 20°С или в пределах 10°С. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения ферромагнитные материалы соединяют с другими материалами (например, с материалами, имеющими высокую электропроводность, высокопрочными материалами, коррозионно-стойкими материалами или с указанными материалами в сочетании), чтобы обеспечить различные электрические и/или механические свойства. Некоторые участки нагревателя с ограничением температуры могут обладать более низким сопротивлением (обусловленным различной геометрией и/или за счет использования различных ферромагнитных и/или неферромагнитных материалов), по сравнению с другими участками нагревателя с ограничением температуры. Поскольку нагреватель с ограничением температуры имеет участки, изготовленные из различных материалов и/или имеющие различные размеры, можно получить требуемую тепловую мощность от каждого из участков нагревателя.

Нагреватели с ограничением температуры могут быть более надежными, по сравнению с другими нагревателями. Нагреватели с ограничением температуры меньше подвержены разрушению или повреждению, вызываемому перегретыми участками в пласте. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения нагреватели с ограничением температуры обеспечивают, по существу, равномерный нагрев пласта. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения нагреватели с ограничением температуры способны нагревать пласт более эффективно за счет работы при более высокой средней тепловой мощности по всей длине нагревателя. Нагреватель с ограничением температуры работает при более высокой средней тепловой мощности по всей длине нагревателя, поскольку мощность, подводимая к нагревателю, не должна быть уменьшена для всего нагревателя, как это происходит в типичных нагревателях постоянной мощности, если температура в какой-либо точке нагревателя превышает, или близка к превышению максимальной рабочей температуры нагревателя. Когда температура нагрева приближается к температуре Кюри и/или диапазону температур фазового превращения материала, тепловая мощность, отводимая от участков нагревателя с ограничением температуры, автоматически уменьшается без управляемой корректировки изменяющегося во времени тока, подводимого к нагревателю. Тепловая мощность автоматически уменьшается, благодаря изменению электрических свойств (например, электрического сопротивления) участков нагревателя с ограничением температуры. Таким образом, нагреватель с ограничением температуры подает увеличенную мощность в течение большей части процесса нагрева пласта.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения система, содержащая нагреватели с ограничением температуры, при подаче к нагревателям с ограничением температуры изменяющегося во времени тока, первоначально обеспечивает первую тепловую мощность и затем обеспечивает уменьшенную тепловую мощность (вторую тепловую мощность) электрически резистивного участка нагревателя при приближении температуры нагрева к температуре Кюри и/или к диапазону температур фазового превращения материала, при достижении указанной температуры и/или указанного диапазона температур, либо при превышении указанной температуры и/или указанного диапазона температур. Первая тепловая мощность представляет собой тепловую мощность, соответствующую температурам нагрева, ниже которых нагреватель с ограничением температуры начинается функционировать с самоограничением. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения первая тепловая мощность является тепловой мощностью, которая соответствует температуре, примерно на 50°С, примерно на 75°С, примерно на 100°С или примерно на 125°С ниже температуры Кюри и/или диапазона температур фазового превращения ферромагнитного материала в нагревателе с ограничением температуры.

К нагревателю с ограничением температуры может подводиться изменяющийся во времени ток (переменный ток или модулированный постоянный ток) от устьевого оборудования. Устьевое оборудование может содержать источник энергии и другие компоненты (например, компоненты модуляции, трансформаторы и/или конденсаторы), используемые для подачи питания к нагревателю с ограничением температуры. Нагреватель с ограничением температуры может представлять собой один из множества нагревателей, используемых для нагрева участка пласта.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения в нагревателях с ограничением температуры используется относительно тонкий проводящий слой, обеспечивающий большую часть тепловой мощности в результате резистивного нагрева при приближении температуры нагрева к температуре Кюри и/или к диапазону температур фазового превращения ферромагнитного проводника, при достижении указанной температуры и/или указанного диапазона температур, либо при превышении указанной температуры и/или указанного диапазона температур. Такой нагреватель с ограничением температуры может использоваться в качестве нагревательного элемента в нагревателе с изолированным проводником. Нагревательный элемент нагревателя с изолированным проводником может быть размещен внутри кожуха, при этом между кожухом и нагревательным элементом имеется изоляционный слой.

На фиг.5А и 5В показаны виды в поперечном и продольном разрезах нагревателя с ограничением температуры, используемого в качестве компонента в нагревателе с изолированным проводником, согласно одному из вариантов осуществления изобретения. Изолированный проводник 252 содержит сердечник 218, ферромагнитный проводник 236, внутренний проводник 212, электрический изолятор 214 и кожух 216. Сердечником 218 является медный сердечник. Ферромагнитный проводник 236 изготовлен, например, из железа или сплава железа.

Внутренний проводник 212 представляет собой относительно тонкий проводящий слой неферромагнитного материала с более высокой электропроводностью, по сравнению с ферромагнитным проводником 236. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения внутренний проводник 212 изготовлен из меди. Внутренний проводник 212 может быть изготовлен из медного сплава. Медные сплавы, как правило, имеют более гладкую зависимость сопротивления от температуры, чем чистая медь. Более гладкая зависимость сопротивления от температуры может обеспечить меньшие колебания тепловой мощности в зависимости температуры вплоть до температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения материала. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения внутренний проводник 212 является медным сплавом с содержанием никеля 6 мас.% (например, CuNi6 или LOHMTM). Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения внутренний проводник 212 является сплавом CuNi10Fe1Mn. При температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температур фазового превращения ферромагнитного проводника 236, магнитные свойства ферромагнитного проводника в большей степени ограничивают протекание электрического тока к внутреннему проводнику 212. Таким образом, внутренний проводник 212 обеспечивает в большей степени тепловую мощность изолированного проводника 252 в результате резистивного нагрева до температуры нагрева ниже температуры Кюри и/или диапазона температур фазового превращения.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения размеры внутреннего проводника 212, сердечника 218 и ферромагнитного проводника 236 приведены в соответствие, чтобы внутренний проводник обеспечивал требуемую величину тепловой мощности и требуемый динамический диапазон регулирования. Например, площадь поперечного сечения внутреннего проводника 212 примерно в 2 или 3 раза меньше площади поперечного сечения сердечника 218. Если внутренний проводник 212 изготовлен из меди или медного сплава, как правило, он должен иметь относительно небольшую площадь поперечного сечения, чтобы обеспечить требуемую тепловую мощность. Если внутренний проводник 212 изготовлен из меди, то сердечник 218 имеет диаметр 0,66 см, ферромагнитный проводник 236 имеет наружный диаметр 0,91 см, внутренний проводник 212 имеет наружный диаметр 1,03 см, электрический изолятор 214 имеет наружный диаметр 1,53 см и кожух 216 имеет наружный диаметр 1,79 см. Если внутренний проводник 212 изготовлен из сплава CuNi6, то сердечник 218 имеет диаметр 0,66 см, ферромагнитный проводник 236 имеет наружный диаметр 0,91 см, внутренний проводник 212 имеет наружный диаметр 1,12 см, электрический изолятор 214 имеет наружный диаметр 1,63 см и кожух 216 имеет наружный диаметр 1,88 см. Такие изолированные проводники, как правило, имеют размер меньше и являются более дешевыми в изготовлении, по сравнению с изолированными проводники, в которых не используется тонкий внутренний проводник, обеспечивающий большую часть тепловой мощности для нагрева до температур ниже температуры Кюри и/или диапазона температур фазового превращения.

Электрический изолятор 214 может являться оксидом магния, оксидом алюминия, диоксидом кремния, оксидом бериллия, нитридом бора, нитридом кремния или сочетанием указанных соединений. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения электрический изолятор 214 является уплотненным порошком оксида магния. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения электрический изолятор 214 представляет собой бусинки нитрида кремния.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения между электрическим изолятором 214 и внутренним проводником 212 помещен небольшой слой материала для предотвращения переноса меди в электрический изолятор при высоких температурах. Например, между электрическим изолятором 214 и наружным проводником 212 может быть помещен небольшой слой никеля (например, слой никеля около 0,5 мм).

Кожух 216 изготовлен из коррозионно-стойкого материала, например, но, не ограничиваясь этим, из нержавеющей стали 347, нержавеющей стали 347Н, нержавеющей стали 446 или нержавеющей стали 825. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения кожух 216 обеспечивает изолированному проводнику 252 определенную механическую прочность при температуре Кюри и/или диапазоне температур фазового превращения ферромагнитного проводника 236 или выше указанной температуры и/или указанного диапазона температур. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения кожух 216 не используется для проведения электрического тока.

При изготовлении изолированных проводников относительно большой длины (например, длиной 10 м или более) существует множество потенциальных проблем. Например, могут присутствовать зазоры между блоками материала, используемого для формирования электрического изолятора в изолированном проводнике. Эти зазоры могут привести к вздутиям или механическим дефектам в сердечнике или в других компонентах изолированного проводника. Изолированный проводник включает используемый в качестве нагревателя изолированный проводник и/или изолированные проводники, расположенные в покрывающем слое пласта (изолированные проводники, которые генерируют малую тепловую мощность или вообще не генерируют тепловую мощность). Изолированные проводники могут быть, например, проводниками с неорганической изоляцией, к примеру, могут представлять собой кабели с неорганической изоляцией.

Традиционно изготовление (формирование) изолированного проводника начинается с изготовления кожуха из полосы электропроводного материала (например, нержавеющей стали). Полосе для изготовления кожуха придают частично цилиндрическую форму (прокаткой в продольном направлении), и в частично цилиндрический кожух вставляют блоки электрического изолятора (например, блоки оксида магния). Вставленные блоки могут быть частично цилиндрическими блоками, например, полуцилиндрическими блоками. После установки блоков, продольный сердечник, который, как правило, является сплошным цилиндром, вставляют в частично цилиндрический кожух, вмещающий полуцилиндрические блоки. Сердечник изготавливают из электропроводного материала, такого как медь, никель и/или сталь.

Как только блоки электрического изолятора и сердечник установлены на месте, участку кожуха, содержащему блоки и сердечник, может быть придана форма завершенного цилиндра, охватывающего блоки и сердечник. Чтобы сформировать цилиндр продольные края кожуха могут быть сварены с формированием изолированной сборки проводника с сердечником и с блоками электрического изолятора в кожухе. Процесс введения блоков и закрытия цилиндра кожуха может быть повторен вдоль длины кожуха, чтобы сформировать сборку изолированного проводника требуемой длины.

После формирования сборки изолированного проводника могут быть предприняты дальнейшие шаги для уменьшения зазоров, присутствующих в сборке. Например, сборку изолированного проводника пропускают через устройство постепенного сжатия, чтобы уменьшить зазоры в сборке. Одним из примеров устройства постепенного сжатия является роликовое устройство. В роликовом устройстве сборка изолированного проводника может постепенно проходить через множество горизонтальных и вертикальных роликов, причем сборка поочередно проходит между горизонтальными и вертикальными роликами. Ролики могут постепенно уменьшать размер сборки изолированного проводника до конечного требуемого наружного диаметра.

Если блоки электрического изолятора свободно расположены в кожухе во время процесса сжатия сборки изолированного проводника, то между некоторыми блоками могут остаться зазоры, которые вызовут проблемы, например, вздутие сердечника или другие механические дефекты в обжатой сборке изолированного проводника. Указанные дефекты могут стать причиной электрических проблем при эксплуатации сборки изолированного проводника и могут создавать потенциальную угрозу работоспособности сборки изолированного проводника. Таким образом, необходим надежный способ, позволяющий уменьшить или устранить зазоры между блоками электрического изолятора во время процесса обжатия сборки изолированного проводника.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения, чтобы минимизировать зазоры между блоками в сборке изолированного проводника, к блокам прикладывается осевое усилие. Например, когда один или несколько блоков вставляют в сборку изолированного проводника, вставляемые блоки проталкивают (механически или пневматически) в осевом направлении вдоль сборки вплотную к блокам, уже находящимся в сборке. Благодаря проталкиванию с достаточным усилием вставляемых блоков вплотную к блокам, уже находящимся в сборке изолированного проводника, минимизируются зазоры между блоками, обеспечивается и поддерживается сила сцепления между блоками во всей сборке, поскольку сборка последовательно обжимается в роликовом устройстве.

На фиг.6-8 представлен один из вариантов толкателя 254 блоков, который может использоваться, чтобы обеспечить осевое усилие, прикладываемое к блокам в сборке изолированного проводника. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения, как показано на фиг.6, толкатель 254 включает держатель 256 изолированного проводника, направляющую 258 плунжера, и пневмоцилиндры 260. Толкатель 254 может быть расположен на сборочной линии, используемой для изготовления сборки изолированного проводника. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения толкатель 254 размещен на участке сборочной линии, предназначенном для введения блоков в кожух. Например, толкатель 254 может быть расположен между участком прокатки полосы кожуха в продольном направлении с приданием частично цилиндрической формы и участком введения сердечника в сборку изолированного проводника. После введения сердечника в сборку изолированного проводника можно придать форму завершенного цилиндра кожуху, вмещающему блоки и сердечник. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения сердечник вводят в кожух до установки блоков, и затем блоки вставляют в кожух вокруг сердечника.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения держатель 256 изолированного проводника сформирован таким образом, что, поддерживая часть кожуха 216, позволяет сборке кожуха перемещаться, в то время как другие части кожуха одновременно перемещаются через другие участки сборочной линии. Держатель 256 изолированного проводника может быть соединен с направляющей 258 плунжера и пневмоцилиндрами 260.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения имеется держатель 262 блоков, который соединен с держателем 256 изолированного проводника. Держатель 262 блоков может представлять собой устройство, которое предназначено для накапливания блоков 264 и введения их в кожух 216. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения блоки 264 формируют из двух полуцилиндрических блоков 264А, 264 В. Блоки 264 могут быть изготовлены из электроизоляционного материала, подходящего для использования в сборке изолированного проводника, например, но, не ограничиваясь этим, из оксида магния. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения блоки 264 имеют длину около 6 дюймов. Однако длина блоков 264 может быть изменена, если в этом есть необходимость или потребность при изготовлении сборки изолированного проводника.

Может использоваться разделительное устройство для отделения блоков 264А, 264В друг от друга в держателе 262, чтобы блоки могли устанавливаться в кожухе 216 надлежащим образом. Как показано на фиг.8, блоки 264А, 264В из держателя 262 могут под действием силы тяжести подаваться в кожух 216, когда кожух перемещается через держатель 256 изолированного проводника. Блоки 264А, 264В могут быть вставлены в кожух 216 в конфигурации непосредственно бок о бок (после введения блоки размещаются непосредственно бок о бок и горизонтально в кожухе).

После введения блоков 264А, 264В в кожух 216, блоки могут быть перемещены (проталкиваются) к ранее вставленным блокам для удаления зазоров между блоками в кожухе. Блоки 264А, 264В могут быть перемещены к ранее вставленным блокам с использованием плунжера 266, показанного на фиг.8. Плунжер 266 может быть расположен внутри кожуха 216 таким образом, что обеспечивает давление на блоки, установленные в кожухе, а не непосредственно на кожух.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения плунжер 266 в поперечном сечении имеет такую форму, которая позволяет ему свободно перемещаться внутри кожуха 216 и прикладывать осевое усилие к блокам, без приложения усилия к сердечнику внутри кожуха. На фиг.9 представлен вариант плунжера 266, имеющего в поперечном сечении форму, позволяющую плунжеру прикладывать усилие к блокам, но не к сердечнику внутри кожуха. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения плунжер 266 изготавливают из керамики или покрывают керамическим материалом. Примером керамического материала, который может использоваться, является оксид алюминия, легированный оксидом циркония (ZTA). Благодаря использованию керамического или покрытого керамикой плунжера можно избежать истирания плунжером блоков, когда плунжер прикладывает усилие к блокам.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения пневмоцилиндры 260 соединены с направляющей 258 плунжера с помощью одного или нескольких стержней (показанных на фиг.6 и 7). Пневмоцилиндры 260 и направляющая 258 плунжера могут быть расположены вдоль одной линии с кожухом 216 и плунжером 266, чтобы предотвращалось приложение углового момента к блокам или кожуху. Пневмоцилиндрами 260 можно управлять посредством двунаправленных клапанов, чтобы поршни пневмоцилиндров могли выдвигаться или задвигаться в зависимости от того, на какой стороне пневмоцилиндров создается положительное давление воздуха. Когда поршни пневмоцилиндров 260 выдвинуты (как показано на фиг.6), направляющая 258 плунжера перемещается от держателя 256 изолированного проводника, чтобы плунжер 266 освободил путь и блоки 264А, 264В из 262 держателя блоков могли быть вставлены (например, опущены) в кожух 216.

Когда поршни пневмоцилиндров 260 задвигаются (как показано на фиг.7), направляющая 258 плунжера перемещается к плунжеру 266 и плунжер 266 обеспечивает усилие выбранной величины, прикладываемое к блокам 264А, 264В. Плунжер 266 обеспечивает усилие выбранной величины, прикладываемое к блокам 264А, 264В, чтобы проталкивать введенные блоки к блокам, ранее вставленным в кожух 216. Величина усилия, обеспеченного плунжером 266 и прикладываемого к блокам 264А, 264 В может быть выбрана исходя из нижеперечисленных факторов, но, не ограничиваясь этим, скорость перемещения кожуха по сборочной линии, величина усилия, необходимого для предотвращения образования зазоров между смежными блоками в кожухе, максимальная величина усилия, которое может быть приложено к блокам без повреждения блоков, или любое сочетание указанных факторов. Например, выбранная величина усилия может составлять от около 100 фунт-силы до около 500 фунт-силы (например, около 400 фунт-силы). Согласно определенным вариантам осуществления изобретения выбранная величина усилия представляет собой минимальную величину усилия, необходимого для предотвращения образования зазоров между смежными блоками в кожухе. Выбранная величина усилия может зависеть от величины давления воздуха, обеспечиваемого пневмоцил индрами.

После того, как введенные блоки 264А, 264В прижаты к ранее вставленным блокам, давление воздуха в пневмоцилиндрах 260 реверсируется, и поршни пневмоцилиндров выдвигаются так, чтобы плунжер 266 задвигался, и дополнительные блоки из держателя 262 блоков могли падать в кожух 216. Этот процесс может повторяться до тех пор, пока кожух 216 не заполнится блоками вплоть до требуемой длины сборки изолированного проводника.

Согласно определенным вариантам осуществления изобретения плунжер 266 перемещается вперед-назад (выдвигается и втягивается) при использовании кулачка, который меняет направление давления воздуха, обеспечиваемого пневмоцилиндрами 260. Кулачок, например, может быть соединен с двунаправленным клапаном, используемым для управления пневмоцилиндрами. Кулачок может занимать первое положение, в котором управляет клапаном, чтобы выдвигались поршни пневмоцилиндров, и может занимать второе положение, в котором управляет клапаном, чтобы задвигались поршни пневмоцилиндров. Кулачок может перемещаться между первым и вторым положениями при работе плунжера таким образом, что кулачок переключает работу пневмоцилиндров на выдвижение и втягивание поршней.

Обеспечение прерывистого усилия, прикладываемого к блокам 264А, 264В при выдвижении и втягивании плунжера 266 обеспечивает выбранную величину усилия, прикладываемого к ряду блоков, введенных в кожух 216. Приложение указанного усилия к ряду блоков в кожухе устраняет существующие зазоры и предотвращает образование зазоров между смежными блоками. Предотвращение образования зазоров между блоками уменьшает вероятность механического и/или электрического повреждения сборки изолированного проводника.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения блоки 264А, 264В вставляют в кожух 216 другими способами и, не обязательно в конфигурации непосредственного бок о бок, как описано выше. Например, блоки можно вставлять в конфигурации бок о бок со сдвигом, при этом блоки будут смещены относительно друг друга по длине кожуха. При такой конфигурации блоков плунжер должен иметь другую форму, соответственно смещению блоков. Например, на фиг.10 представлен вариант плунжера 266, который может использоваться, чтобы проталкивать смещенные (расположенные ступенчато) блоки. В качестве другого примера блоки могут быть вставлены в конфигурации вершина/основание (один полуцилиндрический блок расположен поверх другого полуцилиндрического блока). В конфигурации вершина/основание блоки могут быть расположены либо непосредственно один поверх другого, либо могут быть смещены относительно друг друга (расположены со сдвигом). На фиг.11 представлен вариант плунжера 266, который может использоваться, чтобы проталкивать блоки в конфигурации вершина/основание. Введение в кожух блоков в конфигурации со смещением или со сдвигом может предотвратить в кожухе угловое смещение вставляемых блоков относительно блоков, которые вставлены прежде или которые будут вставляться позже.

Другая причина потенциальных проблем изолированных проводников, имеющих относительно большую длину (например, длину 10 м или более), состоит в том, что электрические свойства электрического изолятора со временем могут ухудшаться. Любое незначительное изменение электрических свойств (например, удельного сопротивления) может привести к повреждению изолированного проводника. Так как электрический изолятор, используемый в изолированном проводнике большой длины, обычно изготавливают из нескольких электроизоляционных блоков, как описано выше, усовершенствование способов изготовления электроизоляционных блоков может повысить надежность изолированного проводника. Согласно определенным вариантам осуществления изобретения электрический изолятор усовершенствован настолько, что его удельное сопротивление остается, по существу, постоянным с течением времени в процессе эксплуатации изолированного проводника (например, во время выработки тепла нагревателем с изолированным проводником).

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения электроизоляционные блоки (например, блоки из оксида магния) могут быть подвергнуты очистке, чтобы удалить примеси, которые со временем могут вызвать ухудшение характеристик блоков. Например, сырье, используемое для изготовления электроизоляционных блоков, может быть нагрето до повышенных температур, чтобы преобразовать примеси оксидов металлов в элементарные металлы (например, примеси оксида железа могут быть преобразованы в элементарное железо). Элементарный металл можно удалить из сырьевого материала электрического изолятора легче, чем оксид металла. Таким образом, нагрев сырья до повышенных температур перед удалением примесей способствует лучшей очистке сырьевого материала электрического изолятора. Нагрев сырья до повышенных температур может быть произведен, например, при использовании плазменного разряда.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения электроизоляционные блоки изготавливают с применением горячего прессования, известного в области изготовления керамики. В процессе горячего прессования электроизоляционные блоков нагревателя с изолированным проводником сырьевой материал блоков может сплавляться в точках контакта блоков. Сплавление блоков в точках контакта может улучшить электрические свойства электрического изолятора.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения электроизоляционные блоки охлаждают в термокамере с использованием осушенного или очищенного воздуха. Использование осушенного или очищенного воздуха может снизить внедрение примесей или влаги в блоки в процессе охлаждения. Удаление влаги из блоков может повысить стабильность электрических свойств блоков.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения электроизоляционные блоки в процессе изготовления подвергают нетепловой обработке. Нетепловая обработка блоков может обеспечить поддержание удельного сопротивления блоков и предотвратить ухудшение со временем качества блоков. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения производят медленный нагрев электроизоляционных блоков, обеспечивающий поддержание удельного сопротивления блоков.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения сердечник изолированного проводника покрывают материалом, который препятствует миграции примесей в электрический изолятор изолированного проводника. Например, сердечник, изготовленный из материала Alloy180, покрывают никелем или сплавом Inconel®625, чтобы предотвратить миграцию компонентов материала Alloy180 в электрический изолятор. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения для изготовления сердечника используют материал, компоненты которого не способны мигрировать в электрический изолятор. Например, сердечник, изготовленный из углеродистой стали, не может вызвать ухудшения со временем качества электрического изолятора.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения электрический изолятор изготавливают из порошкообразного сырья, например, из порошкообразного оксида магния. При использовании для изготовления сердечника оксида магния в порошкообразном состоянии лучше предотвращается ухудшение качества изолятора, чем при использовании оксида магния в другом состоянии.

Следует отметить, что изобретение не ограничивается конкретными описанными системами, которые, несомненно, могут быть изменены. Также следует отметить, что использованная в описании терминология относится только к конкретным вариантам осуществления изобретения и не является ограничительной. Когда в данном описании используется форма единственного числа, подразумевается, что может использоваться форма множественного числа, если явно не указано иначе. Таким образом, например, ссылка на «один сердечник» относится к сочетанию двух или более сердечников, и ссылка на «один материал» относится к смеси материалов.

На основании указанного описания для специалистов в данной области техники будут очевидны дополнительные модификации и альтернативные варианты осуществления различных аспектов изобретения. Само собой разумеется, что указанное описание должно рассматриваться только как иллюстративное и для специалистов в данной области техники может служить источником общих идей осуществления изобретения. Следует понимать, что представленные в описании варианты осуществления изобретения должны рассматриваться как предпочтительные для настоящего времени. Для специалистов в данной области техники после ознакомления с преимуществами настоящего изобретения будет очевидным, что вместо проиллюстрированных и описанных здесь элементов и материалов могут использоваться другие элементы и материалы, а также описанные детали и способы могут быть полностью изменены, и определенные признаки изобретения могут быть использованы независимо. В описанные здесь элементы могут быть внесены изменения, не выходя за рамки существа и объема изобретения, определенных в нижеследующей формуле изобретения.

Подразумевается, что каждый из признаков, определенных в пунктах прилагаемой формулы изобретения, может быть использован в сочетании или отдельно от признаков, определенных в других пунктах формула изобретения. Например, признаки двух или более зависимых пунктов формулы изобретения можно сочетать вместе для формирования пункта, который зависит от нескольких других зависимых пунктов.

1. Нагреватель с изолированным проводником, содержащий:
электрический проводник, выполненный с возможностью выработки тепла при подаче к нему электрического тока;
электрический изолятор, по меньшей мере, частично окружающий электрический проводник, причем удельное сопротивление электрического изолятора остается, по существу, постоянным или увеличивается во времени в процессе выработки тепла электрическим проводником; и
наружный электрический проводник, по меньшей мере, частично окружающий электрический изолятор.

2. Нагреватель по п. 1, в котором электрический изолятор содержит очищенный оксид магния.

3. Нагреватель по п. 1, в котором электрический изолятор содержит порошкообразный оксид магния.

4. Нагреватель по п. 1, в котором нагреватель выполнен с возможностью размещения в канале, выполненном в подземном пласте.

5. Нагреватель по п. 1, в котором нагреватель выполнен с возможностью размещения в канале, выполненном в подземном пласте, и с возможностью обеспечения теплом, по меньшей мере, одного участка подземного пласта.

6. Нагреватель с изолированным проводником, содержащий:
электрический проводник, выполненный с возможностью выработки тепла при подаче к нему электрического тока;
электрический изолятор, по меньшей мере, частично окружающий электрический проводник, при этом электрический изолятор содержит один или несколько изоляционных блоков, причем удельное сопротивление изоляционных блоков остается, по существу, постоянным или увеличивается во времени в процессе выработки тепла электрическим проводником; и
наружный электрический проводник, по меньшей мере, частично окружающий электрический изолятор.

7. Нагреватель по п. 6, в котором изоляционные блоки содержат очищенный оксид магния.

8. Нагреватель по п. 6, в котором изоляционные блоки сформированы из порошкообразного оксида магния.

9. Нагреватель по п. 6, в котором нагреватель выполнен с возможностью размещения в канале, выполненном в подземном пласте.

10. Нагреватель по п. 6, в котором нагреватель выполнен с возможностью размещения в канале, выполненном в подземном пласте, и с возможностью обеспечения теплом, по меньшей мере, одного участка подземного пласта.

11. Способ формирования, по меньшей мере, одной части изолированного проводника, включающий:
размещение первого частично цилиндрического участка электрического изолятора между, по меньшей мере, одной частью удлиненного цилиндрического внутреннего электрического проводника и, по меньшей мере, одной частью частично цилиндрического удлиненного наружного электрического проводника;
размещение, по меньшей мере, одного дополнительного частично цилиндрического участка электрического изолятора между, по меньшей мере, одной частью внутреннего электрического проводника и, по меньшей мере, одной частью частично сформированного наружного электрического проводника, причем дополнительный участок электрического изолятора горизонтально перемещают от первого участка электрического изолятора вдоль части удлиненного наружного электрического проводника; и
перемещение дополнительного участка электрического изолятора к первому участку электрического изолятора при приложении выбранного усилия, чтобы дополнительный участок электрического изолятора и первый участок электрического изолятора, по существу, прижимались вплотную друг к другу.

12. Способ по п. 11, дополнительно включающий механическое или пневматическое перемещение дополнительного участка электрического изолятора к первому участку электрического изолятора при приложении выбранного усилия.

13. Способ по п. 11, дополнительно включающий формирование, по существу, цилиндрического удлиненного наружного электрического проводника из части наружного электрического проводника, содержащей участки электрического изолятора, после перемещения дополнительного участка электрического изолятора к первому участку электрического изолятора.

14. Способ по п. 13, дополнительно включающий формирование, по меньшей мере, одной части электрического изолятора после формирования, по существу, цилиндрического удлиненного наружного электрического проводника.

15. Способ по п. 11, дополнительно включающий формирование, по меньшей мере, одной части частично цилиндрического удлиненного наружного электрического проводника из удлиненной полосы электропроводного материала.

16. Способ по п. 11, дополнительно включающий размещение части удлиненного цилиндрического внутреннего электрического проводника внутри части частично цилиндрического удлиненного наружного электрического проводника.

17. Нагреватель с изолированным проводником, содержащий:
электрический проводник;
электрический изолятор, причем удельное сопротивление электрического изолятора остается, по существу, постоянным или увеличивается во времени в процессе выработки тепла электрическим проводником; и
наружный электрический проводник.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, в частности к трубчатым нагревателям, и может быть применено в устройствах автономного отопления. Трубчатый электронагреватель содержит нагревательный элемент в виде намотанной на ферромагнитный сердечник проволочной спирали из сплава с высоким удельным сопротивлением с изолирующей оксидной пленкой на поверхности, помещенный в герметичный корпус из металла с высокой теплопроводностью.

Изобретение относится к турбинным установкам и может быть использовано в транспортной технике, в частности, в качестве двигателей для летательных аппаратов. .

Изобретение относится к резистивным нагревателям и может быть использовано для выращивания монокристаллов карбида кремния. .

Изобретение относится к электронагреву, в частности к электронагревателям текучих сред, и может быть использовано для нагрева химически неагрессивных жидкостей, так и бытовой воды и воды в отопительных приборах для обогрева помещений, жилых, общественных и производственных зданий.

Изобретение относится к нагревательной пластине для сосуда, предназначенного для удержания нагреваемой воды, в особенности для чайника. .

Изобретение относится к отопительной технике, а именно к электрообогревателям для закрытых помещений. .

Изобретение относится к трубчатым электронагревателям с токопроводящим порошком и может быть использовано в промышленных устройствах и в бытовых нагревательных приборах.

Изобретение относится к подогреву текучей среды. .
Наверх