Цельный стык для изолированных проводников

Изобретение относится к области добычи углеводородов, более конкретно к соединительным элементам, предназначенным для стыковки изолированных кабелей и/или вводных кабелей, используемых для нагрева пластов. Технический результат заключается в повышении надежности стыков изолированных проводников во время изготовления, сборки и/или их установки. Способ включает в себя соединение сердцевины нагревательного участка с сердцевиной в перекрывающей породе изолированного проводника. Диаметр сердцевины нагревательного участка меньше, чем диаметр сердцевины участка в перекрывающей породе. Первый изоляционный слой размещают на сердцевине нагревательного участка так, что, по меньшей мере, часть концевого участка сердцевины нагревательного участка остается открытой. Второй изоляционный слой размещают на сердцевине участка в перекрывающей породе так, что второй изоляционный слой проходит по открытому участку сердцевины нагревательного участка. Толщина второго изоляционного слоя меньше, чем толщина первого изоляционного слоя, а внешний диаметр участка в перекрывающей породе по существу равен внешнему диаметру нагревательного участка. 4 н. и 26 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системам для изолированных проводников, используемых в нагревательных элементах. Более конкретно, изобретение относится к соединительным элементам, предназначенным для стыковки изолированных кабелей и/или вводных кабелей.

Уровень техники

Углеводороды, добываемые из подземных пластов, часто используют в качестве энергетических ресурсов, в качестве сырья и в качестве потребительских товаров. Обеспокоенность истощением доступных углеводородных ресурсов и обеспокоенность спадом общего качества производимых углеводородов привело к развитию процессов для более эффективной добычи, обработки и/или использования доступных углеводородных ресурсов. Процессы, выполняемые в пласте, могут быть использованы для извлечения углеводородных материалов из подземных пластов, которые ранее были недоступны, и/или извлечение их оттуда с использованием доступных способов было слишком дорогим. Может потребоваться изменение химических и/или физических свойств углеводородного материала в подземном пласте, чтобы позволить более просто изъять углеводородный материал из подземного пласта и/или увеличить ценность углеводородного материала. Химические и/или физические изменения могут включать в себя проходящие на месте реакции, которые производят извлекаемые текучие среды, изменения состава, изменения растворимости, изменения плотности, фазовые изменения и/или изменения вязкости углеводородного материала в пласте.

В скважинах можно разместить нагреватели для нагрева пласта во время проходящего в пласте процесса. Существует много различных типов нагревателей, которые можно использовать для нагрева пласта. Примеры процессов в пласте, использующих скважинные нагреватели приведены в патентах США №№2634961, выданном Льюнгсторму; 2732195, выданном Льюнгсторму; 2780450, выданном Льюнгсторму; 2789805, выданном Льюнгсторму; 2923535, выданном Льюнгсторму; 4886118, выданном Ван Мерсу и др. и 6688387, выданном Веллингтону и др.

Кабели с минеральной изоляцией (MI-кабели) (изолированные проводники) для использования под землей, например, для нагревания содержащих углеводороды пластов в некоторых приложениях, являются более длинными, могут иметь большие внешние диаметры и могут функционировать при больших напряжениях и температурах, чем обычные MI-кабели в промышленности. Существует много потенциальных проблем при изготовлении и/или сборке изолированных проводников, имеющих большую длину.

Например, имеются потенциальные электрические и/или механические проблемы, возникающие из-за деградации со временем электрического изолятора, используемого в изолированном проводнике. Также имеются потенциальные проблемы, связанные с электрическими изоляторами, которые надо преодолеть во время сборки нагревателя с изолированным проводником. Во время сборки нагревателя с изолированным проводником могут возникнуть проблемы, такие как вздутие сердцевины кабеля, или другие механические дефекты. Такие явления могут привести к электрическим проблемам во время использования нагревателя и потенциально могут привести к тому, что нагреватель будет неспособен выполнять свои функции.

Кроме того, для подземных приложений может потребоваться соединение нескольких MI-кабелей, чтобы сделать MI-кабель достаточной длины для того, чтобы достичь глубин и расстояний, необходимых, чтобы эффективно нагреть подземные слои и соединить сегменты, имеющие различные функции, такие как вводные кабели, соединенные с участками нагревателя. Такие длинные нагреватели также требуют более высоких напряжений, чтобы доставить достаточное количество энергии к дальним концам нагревателей.

Конструкции обычных стыков MI-кабелей обычно не подходят для напряжений свыше 100 В, свыше 1500 В или свыше 2000 В и могут не выдержать работу в течение длительного времени при высоких температурах, таких как свыше 650°C (около 1200°F), свыше 700°C (около 1290°F) или свыше 800°C (около 1470°F). Такие высоковольтные, высокотемпературные приложения обычно требуют, чтобы уплотнение минеральной изоляции на стыке было насколько это возможно близко или превосходило уровень уплотнения в самом изолированном проводнике (МI-кабеле).

Сравнительно большой внешний диаметр и большая длина MI-кабелей для некоторых приложений требует, чтобы стыкование кабелей осуществляли, когда они расположены горизонтально. Существуют стыки для других приложений М1-кабелей, которые были изготовлены горизонтально. Эти технологии обычно используют малое отверстие, через которое в стык подают минеральную изоляцию (такую как порошок оксида магния) и слегка уплотняют посредством вибрации и трамбования. Такие способы не обеспечивают достаточного уплотнения минеральной изоляции или даже допускают любое уплотнение, но не пригодны для выполнения стыков, предназначенных для применения при высоких значениях напряжения, необходимых для этих подземных приложений.

Таким образом, существует потребность в стыках изолированных проводников, которые являются простыми и при этом могут функционировать при высоких напряжениях и температурах под землей в течение длительного времени без возникновения неисправностей. Помимо этого, может потребоваться, чтобы стыки обладали более высокой прочностью на изгиб и на разрыв, чтобы не допустить поломку стыка при весовых нагрузках и температурах, которым может быть подвержен кабель под землей. Технологии и способы также могут быть использованы для снижения интенсивностей электрического поля в стыках так, чтобы снизить токи утечки в стыках и увеличить запас между рабочим напряжением и электрическим пробоем. Сокращение интенсивностей электрического поля может помочь увеличить рабочие диапазоны напряжения и температуры для стыков.

В дополнение, могут иметь место проблемы, связанные увеличенной нагрузкой на изолированные проводники во время сборки и/или установки изолированных проводников под землей. Например, сматывание и разматывание изолированных проводников на катушки, используемые для транспортировки и установки изолированных проводников, может привести к воздействию механического напряжения на электрические изоляторы и/или другие компоненты в изолированных проводниках. Таким образом, требуются более надежные системы и способы для сокращения или устранения потенциальных проблем во время изготовления, сборки и/или установки изолированных проводников.

Раскрытие изобретения

Варианты осуществления, описанные в этом документе, в целом, относятся к системам, способам и нагревателям для обработки подземных пластов. Варианты осуществления, описанные в этом документе, также, в целом, относятся к нагревателям, имеющим в своем составе новые компоненты. Такие нагреватели можно получить путем использования систем и способов, описанных в этом документе.

В отдельных вариантах осуществления в изобретении предложена одна или несколько систем, способов и/или нагревателей. В некоторых вариантах осуществления системы, способы и/или нагреватели используют для обработки толщи пород.

В отдельных вариантах осуществления способ соединения нагревательного участка и участка в перекрывающей породе нагревателя с изолированным проводником включает в себя этапы, на которых: соединяют сердцевину нагревательного участка с сердцевиной участка в перекрывающей породе, при этом диаметр сердцевины нагревательного участка меньше, чем диаметр сердцевины участка в перекрывающей породе; размещают первый изоляционный слой на сердцевине нагревательного участка так, что, по меньшей мере, часть концевого участка нагревательного участка остается открытой; размещают второй изоляционный слой на сердцевине участка в перекрывающей породе, так что второй изоляционный слой проходит по открытому участку сердцевины нагревательного участка, причем толщина второго изоляционного слоя меньше, чем толщина первого изоляционного слоя, а внешний диаметр участка в перекрывающей породе по существу равен внешнему диаметру нагревательного участка; и размещают внешний электрический проводник вокруг нагревательного участка и участка в перекрывающей породе.

В отдельных вариантах осуществления способ соединения нагревательного участка и участка в перекрывающей породе нагревателя с изолированным проводником включает в себя этапы, на которых: соединяют сердцевину нагревательного участка с сердцевиной первого переходного участка, при этом диаметр сердцевины переходного участка по существу равен диаметру нагревательного участка; соединяют сердцевину первого переходного участка с сердцевиной второго переходного участка, при этом диаметр сердцевины второго переходного участка изменяется от значения, по существу равного диаметру сердцевины первого переходного участка в соединении между сердцевиной первого переходного участка и сердцевиной второго переходного участка, до большего диаметра вдоль протяженности сердцевины второго переходного участка; соединяют сердцевину второго переходного участка с сердцевиной участка в перекрывающей породе, при этом диаметр сердцевины участка в перекрывающей породе по существу равен большему диаметру сердцевины второго переходного участка; размещают первый изоляционный слой на сердцевине нагревательного участка и, по меньшей мере, на части сердцевины первого переходного участка; размещают второй изоляционный слой на сердцевине участка в перекрывающей породе и, по меньшей мере, на части сердцевины второго переходного участка, при этом толщина второго изоляционного слоя меньше, чем толщина первого изоляционного слоя; и размещают внешний электрический проводник вокруг первого изоляционного слоя и второго изоляционного слоя, причем внешние диаметры нагревательного участка, первого переходного участка, второго переходного участка и участка в перекрывающей породе по существу одинаковы вдоль протяженности нагревателя с изолированным проводником.

В отдельных вариантах осуществления соединение между нагревательным участком и участком в перекрывающей породе нагревателя с изолированным проводником включает в себя: первый переходный участок, содержащий сердцевину, имеющую диаметр, по существу равный диаметру сердцевины нагревательного участка; второй переходный участок, содержащий сердцевину, соединенную с сердцевиной первого переходного участка, при этом диаметр сердцевины второго переходного участка изменяется от значения, по существу равного диаметру сердцевины первого переходного участка в соединении между сердцевиной первого переходного участка и сердцевиной второго переходного участка, до большего диаметра вдоль протяженности сердцевины второго переходного участка, и при этом диаметр сердцевины участка в перекрывающей породе по существу равен большему диаметру сердцевины второго переходного участка; первый изоляционный слой, размещенный на сердцевине нагревательного участка и, по меньшей мере, части сердцевины первого переходного участка; второй изоляционный слой, размещенный на сердцевине участка в перекрывающей породе и, по меньшей мере, части сердцевины второго переходного участка, при этом толщина второго изоляционного слоя меньше, чем толщина первого изоляционного слоя; и внешний электрический проводник, размещенный вокруг первого изоляционного слоя и второго изоляционного слоя, причем внешние диаметры нагревательного участка, первого переходного участка, второго переходного участка и участка в перекрывающей породе по существу одинаковы вдоль протяженности нагревателя с изолированным проводником.

В дополнительных вариантах осуществления признаки специфических вариантов осуществления могут быть скомбинированы с признаками других вариантов осуществления. Например, признаки одного варианта осуществления могут быть скомбинированы с признаками любого другого варианта осуществления.

В дополнительных вариантах осуществления обработку толщи пород осуществляют с использованием любого из способов, систем, источников питания или нагревателей, описанных в этом документе.

В дополнительных вариантах осуществления к специфическим вариантам осуществления, описанным в этом документе, могут быть добавлены дополнительные признаки.

Краткое описание чертежей

Признаки и преимущества способов и устройства в соответствии с настоящим изобретением будут более понятными при обращении к нижеследующему подробному описанию предпочтительных в настоящее время, но, тем не менее, иллюстративных вариантов осуществления в соответствии с настоящим изобретением в сочетании с сопровождающими чертежами.

На фиг. 1 показан схематический вид варианта осуществления участка системы термической обработки, предназначенной для обработки пласта, содержащего углеводороды.

На фиг. 2 показан вариант осуществления источника тепла с изолированным проводником.

На фиг. 3 показан вариант осуществления источника тепла с изолированным проводником.

На фиг. 4 показан вариант осуществления источника тепла с изолированным проводником.

На фиг. 5 показан вид сбоку варианта осуществления соединения для стыковки участка в перекрывающей породе и нагревательного участка изолированного проводника, сердцевины которых имеют по существу один и тот же диаметр.

На фиг. 6 показан вид сбоку варианта осуществления соединения для стыковки участка в перекрывающей породе изолированного проводника, имеющего сердцевину большего диаметра с нагревательным участком изолированного проводника, имеющего сердцевину с меньшим диаметром.

На фиг. 7 показан вид сбоку другого варианта осуществления соединения для стыковки участка в перекрывающей породе изолированного проводника, имеющего сердцевину большего диаметра с нагревательным участком изолированного проводника, имеющего сердцевину с меньшим диаметром.

Хотя изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, отдельные варианты его осуществления показаны на чертежах в качестве примера и будут описаны подробно. Чертежи могут не быть выполненными в масштабе. Следует понимать, что не предполагается, что чертежи и подробное описание ограничивают изобретение конкретной описанной формой, а наоборот, предполагается, что оно покрывает все модификации, эквиваленты и альтернативы, попадающие под сущность и объем настоящего изобретения, как задано прилагаемой формулой определения.

Осуществление изобретения

Нижеследующее описание, в целом, относится к системам и способам обработки углеводородов в пластах. Такие пласты могут быть обработаны для добычи углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.

Выражение "переменный ток (АС)" означает изменяющийся во времени ток, который меняет направление по существу синусоидально. Переменный производит поверхностный эффект в ферромагнитном проводнике.

Термин "соединенный" означает либо непосредственное соединение, либо непрямое соединение (например, одно или несколько промежуточных соединений) между одним или несколькими объектами или компонентами. Фраза "непосредственно соединенный" означает непосредственное соединение между объектами или компонентами, так что объекты или компоненты были соединены непосредственно друг с другом, так что объекты или компоненты функционируют "в месте использования".

Термин "пласт" включает в себя один или несколько слоев, содержащих углеводороды, один или несколько слоев, не содержащих углеводороды, перекрывающую породу и/или подстилающую породу. Выражение "углеводородные слои" относится к слоям в пласте, которые содержат углеводороды. Углеводородные слои могут содержать неуглеводородный материал и углеводородный материал. Термины "перекрывающая порода" и/или "подстилающая порода" включают в себя один или несколько различных типов непроницаемых материалов. Например, перекрывающая и/или подстилающая порода может включать в себя скальную породу, сланец, аргиллит или влажную/плотную карбонатную породу. В некоторых вариантах осуществления в процессах термообработки пласта перекрывающая и/или подстилающая порода может включать в себя слои, содержащие углеводороды, или слои, не содержащие углеводороды, которые являются сравнительно непроницаемыми и не подвергаются воздействию температуры во время процесса термообработки пласта, что приводит к значительным изменениям характеристик слоев, содержащих углеводороды, перекрывающей и/или подстилающей породы. Например, подстилающая порода может содержать сланец или аргиллит, но во время термообработки пласта не допускается нагрев подстилающей породы до температур пиролиза. В некоторых случаях перекрывающая порода и/или подстилающая порода могут быть в какой-то степени проницаемыми.

Выражение "пластовый флюид" означает текучие среды, присутствующие в пласте, и может включать в себя текучие среды пиролиза, синтез-газ, подвижные углеводороды и воду (пар). Пластовые флюиды могут включать в себя углеводородные флюиды, а также неуглеводородные флюиды. Термин "подвижные флюиды" означает флюиды в пласте, содержащем углеводороды, которые могут перетекать в результате термообработки пласта. Термин "добываемые флюиды" относится к флюидам, извлекаемым из пласта.

Выражение "источник тепла" представляет собой любую систему для подачи тепла, по меньшей мере, на участок пласта по существу с помощью кондуктивной/лучистой теплопередачи. Например, источник тепла может включать в себя электропроводные материалы и/или электронагреватели, такие как изолированный проводник, вытянутый элемент и/или проводник, расположенные в канале. Источник тепла также может включать в себя системы, которые вырабатывают теплоту путем сжигания топлива, являющегося внешними по отношению к пласту, или находящегося в пласте. Системы могут представлять собой поверхностные горелки, скважинные газовые горелки, беспламенные распределенные камеры сгорания и природные распределенные камеры сгорания. В некоторых вариантах осуществления тепло, подаваемое или вырабатываемое в одном или нескольких источниках тепла, может снабжаться другими источниками энергии. Другие источники энергии могут непосредственно нагревать пласт, либо энергия может передаваться на передающую среду, которая непосредственно или косвенно нагревает пласт. Следует понимать, что один или несколько источников тепла, которые подводят тепло к пласту, используют различные источники энергии. Таким образом, например, для данного пласта некоторые источники тепла могут подавать тепло от электропроводных материалов, резистивных электронагревателей, некоторые источники тепла могут подавать тепло от процесса горения, а некоторые источники тепла могут подавать тепло от одного или нескольких других источников энергии (например, от химических реакций, солнечную энергию, энергию ветра, биомассы или других источников возобновляемой энергии). Химическая реакция может включать в себя экзотермическую реакцию (например, реакцию окисления). Источник тепла также может включать в себя электропроводный материал и/или нагреватель, который подает тепло в зону, расположенную возле и/или окружающую место нагревания, такую как нагревательная скважина.

"Нагреватель" - это любая система или источник тепла, предназначенный для выработки теплоты в скважине или в области возле скважины. Нагреватели могут представлять собой электронагреватели, горелки, камеры сгорания, которые осуществляют реакцию с веществом, расположенным или добываемым из пласта, и/или их сочетания, но, не ограничиваясь этим.

"Углеводороды", в общем, определяют как молекулы, образованные преимущественно из атомов углерода и водорода. Углеводороды также могут включать в себя другие элементы, такие как галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или сера, но, не ограничиваясь этим. Углеводороды могут представлять собой кероген, битум, пиробитум, масла, природные минеральные воски и асфальтиты. Углеводороды могут быть расположены в скелетных породах в земле или примыкать к ним. Скелетные породы включают в себя осадочные породы, пески, силицилиты, карбонаты, диатомиты и другие пористые среды, но, не ограничиваясь этим. "Углеводородные флюиды" представляют собой флюиды, содержащие углеводороды. Углеводородные флюиды могут включать в себя, охватывать или быть охваченными неуглеводородными флюидами, такими как водород, азот, окись углерода, двуокись углерода, сероводород, вода и аммиак.

Выражение "процесс преобразования в пласте" относится к процессу нагревания пласта, содержащего углеводороды, с помощью источников тепла, чтобы поднять температуру, по меньшей мере, части пласта до температуры, превышающей температуру пиролиза, чтобы в пласте образовывался пиролизный флюид.

Выражение "процесс термообработки в пласте" относится к процессу нагревания пласта, содержащего углеводороды, с помощью источников тепла, чтобы поднять температуру, по меньшей мере, части пласта до температуры, превышающей температуру, при которой возникает подвижный флюид, висбрекинг и/или пиролиз материала, содержащего углеводороды, чтобы в пласте образовывались подвижные флюиды, флюиды висбрекинга и/или пиролизные флюиды.

Термин "изолированный проводник" означает любой вытянутый материал, который способен проводить электричество и который полностью или частично покрыт электроизоляционным материалом.

Термин "нитрид" означает соединение азота и одного или нескольких других элементов периодической таблицы. Нитриды включают в себя нитрид кремния, нитрид бора или глинозем, но, не ограничиваясь этим.

Термин "отверстия" включает в себя отверстия, прорези, проемы или дырки в стенке канала, трубы, трубопровода или другой направляющей потока, которые позволяют втекать или вытекать из канала, трубы, трубопровода или другой направляющей потока.

"Пиролиз" представляет собой разрыв химических связей под действием прикладываемого тепла. Например, пиролиз может включать в себя преобразование соединения в одну или несколько других субстанций только под воздействием тепла. Тепло может быть передано к участку пласта для того, чтобы возник пиролиз.

"Пиролизные флюиды" или "продукты пиролиза" относятся к флюидам, полученным по существу во время процесса пиролиза углеводородов. Флюиды, полученные при реакциях пиролиза, могут смешиваться с другими флюидами в пласте. Смесь можно рассматривать в качестве пиролизного флюида или продукта пиролиза. Используемый в этом документе термин "зона пиролиза" относится к объему пласта (например, сравнительно проницаемого пласта, такого как пласт нефтеносных песков), который подвергают реакции, или в котором происходит реакция для образования пиролизного флюида.

"Толщина" слоя означает толщину поперечного сечения слоя, причем поперечное сечение проходит по нормали к поверхности слоя.

Термин "скважина" обозначает отверстие в пласте, выполненное посредством бурения или вставки канала в пласт. Скважина может иметь по существу круглое поперечное сечение или другую форму поперечного сечения. Используемые в этом документе термины "колодец" и "отверстие" в контексте отверстия в пласте могут быть взаимозаменяемыми с термином "скважина".

Чтобы получить разные продукты, пласт может быть подвергнут обработке различными способами. Для обработки пласта во время процесса термообработки могут использоваться различные этапы или процессы. В некоторых вариантах осуществления один или несколько участков пласта разрабатывают растворением, чтобы удалить растворимые минералы из участков. Добываемые растворением минералы могут быть произведены до, во время и/или после процесса термообработки пласта. В некоторых вариантах осуществления средняя температура одного или нескольких участков, добычу из которых осуществляют растворением, может поддерживаться ниже примерно 120°C.

В некоторых вариантах осуществления один или несколько участков пласта нагревают, чтобы удалить воду из участков и/или чтобы удалить метан и другие летучие углеводороды из участков. В некоторых вариантах осуществления в процессе удаления воды и летучих углеводородов средняя температура может быть поднята от температуры окружающей среды до температур ниже примерно 220°C.

В некоторых вариантах осуществления один или несколько участков пласта нагревают до температур, которые допускают перемещение и/или висбрекинг углеводородов в пласте. В некоторых вариантах осуществления средняя температура одного или нескольких участков пласта может быть поднята до температур активации углеводородов в участках (например, до температур из диапазона от 100°C до 250°C, от 120°C до 240°C или от 150°C до 230°C).

В некоторых вариантах осуществления один или несколько участков нагревают до температур, которые допускают реакции пиролиза в пласте. В некоторых вариантах осуществления средняя температура одного или нескольких участков пласта может быть поднята до температур пиролиза углеводородов в участках (например, до температур из диапазона от 230°C до 900°C, от 240°C до 400°C или от 250°C до 350°C).

Нагревание пласта, содержащего углеводороды, с помощью нескольких источников тепла может установить термические градиенты вокруг источников тепла, которые поднимают температуру углеводородов в пласте до желаемых температур с желаемыми скоростями нагрева. Скорость увеличения температуры через диапазон температур активации и/или диапазон температур пиролиза для желаемых продуктов может повлиять на качество и количество пластовых флюидов, получаемых из пласта, содержащего углеводороды. Медленно поднимая температуру пласта через диапазон температур активации и/или диапазон температур пиролиза, можно допустить получение из пласта углеводородов высокого качества, высокой плотности. Медленно поднимая температуру пласта через диапазон температур активации и/или диапазон температур пиролиза, можно позволить извлечь большое количество углеводородов, присутствующих в пласте в качестве углеводородного продукта.

В некоторых вариантах осуществления термообработки пласта участок пласта нагревают до желаемой температуры вместо медленного нагрева через диапазон температур. В некоторых вариантах осуществления желаемая температура составляет 300°C, 325°C или 350°C. В качестве желаемой температуры можно выбрать другое значение.

Суперпозиция теплоты от источников тепла позволяет установить в пласте желаемую температуру сравнительно быстро и эффективно. Подводимая в пласт энергия от источников тепла может быть отрегулирована так, чтобы поддерживать в пласте по существу желаемую температуру.

Продукты активации и/или пиролиза могут быть получены из пласта через эксплуатационные скважины. В некоторых вариантах осуществления среднюю температуру одного или нескольких участков поднимают до температур активации, и из эксплуатационных скважин получают углеводороды. Средняя температура одного или нескольких участков может быть поднята до температур пиролиза после того, как выход из-за активации опустится ниже выбранного значения. В некоторых вариантах осуществления средняя температура одного или нескольких участков может быть поднята до температур пиролиза без значительного выхода до достижения температур пиролиза. Пластовые флюиды, включая продукты пиролиза, могут быть получены через эксплуатационные скважины.

В некоторых вариантах осуществления средняя температура одного или нескольких участков может быть поднята до температур достаточных для того, чтобы после активации и пиролиза допустить выход синтез-газа. В некоторых вариантах осуществления, углеводороды могут быть нагреты до температур, достаточных для того, чтобы допустить выход синтез-газа без значительного выхода до достижения температур, достаточных для того, чтобы допустить выход синтез-газа. Например, синтез-газ может быть получен в диапазоне температур примерно от 400°C до 1200°C, от 500°C до 1100°C или от 550°C до 1000°C. Текучая среда, вырабатывающая синтез-газ (например, пар и/или вода) может быть введена в участки для выработки синтез-газа. Синтез-газ может быть получен из эксплуатационных скважин.

Добыча растворением, извлечение летучих углеводородов и воды, активация углеводородов, пиролиз углеводородов, выработка синтез-газа и/или другие процессы могут быть выполнены во время процесса термообработки пласта. В некоторых вариантах осуществления некоторые процессы могут быть выполнены после процесса термообработки пласта. Такие процессы могут включать в себя восстановление тепла от обработанных участков, сохранение текучих сред (например, воды и/или углеводородов) в ранее обработанных участках и/или отделение диокиси углерода в ранее обработанных участках.

На фиг. 1 показан схематический вид варианта осуществления участка системы термической обработки, предназначенной для обработки пласта, содержащего углеводороды. Система термической обработки пласта может включать в себя барьерные скважины 200. Барьерные скважины используют для того, чтобы образовать барьер вокруг обрабатываемой области. Барьер препятствует потоку флюидов в обрабатываемой области и/или из нее. Барьерная скважина включает в себя водопонижающие скважины, вакуумные скважины, захватывающие скважины, нагнетательные скважины, цементирующие скважины, морозильные скважины и их сочетания, но, не ограничиваясь этим. В некоторых вариантах осуществления барьерные скважины 200 представляют собой водопонижающие скважины. Водопонижающие скважины могут удалять жидкую воду и/или препятствовать поступлению жидкой воды в участок пласта, который надо нагреть, или в нагреваемый пласт. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, барьерные скважины 200 показаны проходящими только вдоль одной стороны источников 202 тепла, но барьерные скважины обычно окружают все используемые источники 202 тепла или источники, которые надо использовать, чтобы нагреть обрабатываемую область пласта.

Источники 202 тепла размещают, по меньшей мере, в части пласта. Источники 202 тепла могут включать в себя нагреватели, такие как изолированные проводники, нагреватели с проводником в канале, поверхностные горелки, беспламенные распределенные камеры сгорания и/или природные распределенные камеры сгорания. Источники 202 тепла также могут включать в себя другие типы нагревателей. Источники 202 тепла подают тепло, по меньшей мере, в часть пласта, чтобы нагреть углеводороды в пласте. Энергия может подаваться к источникам 202 тепла через линии 204 питания. Лини 204 питания могут структурно отличаться, в зависимости от типа источника тепла или источников тепла, используемых для нагрева пласта. Линии 204 питания для источников тепла могут передавать электричество для электронагревателей, топливо для камер сгорания, или могут передавать теплообменную текучую среду, которая циркулирует в пласте. В некоторых вариантах осуществления электричество для процесса термообработки пласта может обеспечиваться атомной электростанцией или атомными электростанциями. Использование атомной энергии может позволить сократить или ограничить выбросы окиси углерода в процессе термообработки пласта.

Когда пласт нагревают, поступление тепла в пласт может вызвать расширение пласта и геомеханическое перемещение. Источники тепла могут быть включены до, вместе или во время процесса обезвоживания. Реакцию пласта на нагрев можно смоделировать посредством компьютерной симуляции. Компьютерная симуляция может быть использована для разработки шаблона и последовательности активизации источников тепла в пласте так, чтобы геомеханическое перемещение пласта не оказало неблагоприятного воздействия на функциональность источников тепла, эксплуатационных скважин и другого оборудования в пласте.

Нагрев пласта может привести к увеличению проницаемости и/или пористости пласта. Увеличение проницаемости и/или пористости может привести к сокращению массы в пласте из-за испарения и удаления воды, удаления углеводородов и/или возникновения трещин. Текучая среда может легко течь в нагретый участок пласта, благодаря увеличенной проницаемости и/или пористости пласта. Благодаря увеличенной проницаемости и/или пористости пласта, текучая среда в нагретом участке пласта может перемещаться на значительное расстояние через пласт. Значительное расстояние может превышать 1000 м, в зависимости от различных факторов, таких как проницаемость пласта, свойства текучей среды, температура пласта и градиент давления, допускающий перемещение текучей среды. Способность текучей среды перемещаться на значительное расстояние в пласте позволяет расположить эксплуатационные скважины 206 сравнительно далеко от пласта.

Эксплуатационные скважины 206 используют для извлечения пластового флюида из пласта. В некоторых вариантах осуществления эксплуатационная скважина 206 включает в себя источник тепла. Источник тепла в эксплуатационной скважине может нагревать один или несколько участков пласта в эксплуатационной скважине или рядом с ней. В некоторых вариантах осуществления процесса термообработки пласта количество теплоты, подаваемой в пласт от эксплуатационной скважины на метр эксплуатационной скважины, меньше, чем количество теплоты, подаваемой в пласт от источника тепла, который нагревает пласт, на метр источника тепла. Теплота, подаваемая в пласт от эксплуатационной скважины, может увеличить проницаемость пласта возле эксплуатационной скважины посредством испарения и удаления флюида жидкой фазы возле эксплуатационной скважины и/или путем увеличения проницаемости пласта возле эксплуатационной скважины из-за формирования макро и/или микротрещин.

В эксплуатационной скважине может быть расположено более одного источника тепла. Источник тепла в нижнем участке эксплуатационной скважины может быть выключен, если суперпозиция теплоты от смежных источников тепла нагревает пласт достаточно, чтобы нейтрализовать преимущества, обеспечиваемые нагревом пласта от эксплуатационной скважины. В некоторых вариантах осуществления источник тепла в верхнем участке эксплуатационной скважины может оставаться включенным после выключения источника тепла в нижнем участке эксплуатационной скважины. Источник тепла в верхнем участке скважины может препятствовать конденсации и обратному стоку пластового флюида.

В некоторых вариантах осуществления источник тепла в эксплуатационной скважине 206 позволяет удалять пластовые флюиды в виде пара из пласта. Обеспечение нагрева в эксплуатационной скважине или через нее может: (1) препятствовать конденсации и/или обратному стоку пластового флюида, если такой пластовый флюид перемещается в эксплуатационной скважине вблизи от перекрывающей породы, (2) увеличить поступление тепла в пласт, (3) увеличить дебит эксплуатационной скважины по сравнению с эксплуатационной скважиной без источника тепла, (4) препятствовать конденсации высокоуглеродистых соединений (С6 углеводородов и более тяжелых) в эксплуатационной скважине и/или (5) увеличить проницаемость пласта в эксплуатационной скважине или возле нее.

Подземное давление в пласте может соответствовать давлению текучей среды, вырабатываемой в пласте. По мере увеличение температур в нагретом участке давление в нагретом участке может увеличиваться в результате теплового расширения присутствующих в нем флюидов, увеличенного образования флюидов и испарения воды. Управляя скоростью удаления флюидов из пласта, можно управлять давлением в пласте. Давление в пласте можно определить во множестве различных мест, например, возле эксплуатационной скважины или в ней, возле или у источников тепла или в контрольных скважинах.

В некоторых пластах, содержащих углеводороды, препятствуют выходу углеводородов из пласта до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторые углеводороды в пласте не будут активированы и/или пиролизованы. Пластовый флюид может быть получен из пласта, когда пластовый флюид обладает выбранным свойством. В некоторых вариантах осуществления выбранное свойство включает в себя плотность в градусах Американского нефтяного института (АНИ), равную, по меньшей мере, 20°, 30° или 40°. Препятствие выходу до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторые углеводороды в пласте не будут активированы и/или пиролизованы, может увеличить преобразование тяжелых углеводородов в легкие углеводороды. Препятствие начальному выходу может минимизировать выход тяжелых углеводородов из пласта. Выход существенного количества тяжелых углеводородов может потребовать дорогостоящего оборудования и/или сокращения срока службы производственного оборудования.

В некоторых пластах, содержащих углеводороды, углеводороды в пласте могут быть нагреты до температур активации и/или пиролиза до того, как в нагретом участке пласта возникнет существенная проницаемость. Начальное отсутствие проницаемости может препятствовать транспортировке выработанных флюидов к эксплуатационным скважинам 206. Во время начального нагревания давление флюидов в пласте может увеличиваться возле источников 202 тепла. Увеличенное давление флюидов может быть сброшено, проконтролировано, изменено и/или может управляться с помощью одного или нескольких источников 202 тепла. Например, выбранные источники 202 тепла или отдельные скважины понижения давления могут включать в себя клапаны понижения давления, которые позволяют удалить некоторые флюиды из пласта.

В некоторых вариантах осуществления может допускаться увеличение давления, возникающего из-за расширения подвижных флюидов пиролизных флюидов или других флюидов, выработанных в пласте, несмотря на то, что в пласте может еще отсутствовать открытый путь к эксплуатационным скважинам 206 или другая утечка давления. Может допускаться увеличение давления флюидов до пластового давления. Трещины в пласте, содержащем углеводороды, могут образовываться, если флюид достигает пластового давления. Например, в нагретом участке пласта могут образоваться трещины от источников 202 тепла до эксплуатационных скважин 206. Возникновение трещин в нагретом участке может сбросить часть давления в участке. Может быть необходимо поддерживать давление в пласте ниже выбранного давления, чтобы препятствовать нежелательному выходу, появлению трещин в перекрывающей или подстилающей породе и/или коксованию углеводородов в пласте.

После того, как достигнуты температуры активации и/или пиролиза и разрешен выход из пласта, давление в пласте может быть изменено, чтобы изменить и/или управлять составом получаемого пластового флюида, чтобы управлять долей конденсирующегося флюида по сравнению с неконденсирующимся флюидом в пластовом флюиде и/или чтобы управлять плотностью получаемого пластового флюида. Например, снижение давления может привести к выходу большего количества компонента конденсирующегося флюида. Компонент конденсирующегося флюида может содержать большую долю олефинов.

В некоторых вариантах осуществления процесса термообработки пласта в пласте может удерживаться давление достаточно высокое, чтобы способствовать выходу пластового флюида, имеющего плотность в градусах АНИ более 20°. Поддержание увеличенного давления в пласте может препятствовать оседанию пласта во время термообработки. Поддержание увеличенного давления может снизить или устранить потребность в сжатии пластовых флюидов у поверхности, чтобы транспортировать флюиды по коллекторным каналам к очистным сооружениям.

Как ни удивительно, поддержание увеличенного давления в нагретом участке пласта может допускать выход большого количества углеводородов повышенного качества и сравнительно малого молекулярного веса. Давление может поддерживаться так, что получаемый пластовый флюид обладает минимальным количеством соединений, углеродное число которых превосходит выбранное углеродное число. Выбранное углеродное число может быть не больше 25, не больше 20, не больше 12 или не больше 8. Некоторые соединения с высоким углеродным числом могут быть увлечены паром в пласте и могут быть удалены из пласта с паром. Поддержание увеличенного давления в пласте может препятствовать увлечению паром соединений с высоким углеродным числом и/или полициклических углеводородных составляющих. Соединения с высоким углеродным числом и/или полициклические углеводородные составляющие могут оставаться в жидкой фазе в пласте в течение значительных периодов времени. Значительные периоды времени могут обеспечить достаточное время для того, чтобы соединения пиролизовались для образования соединений с низким углеродным числом.

Полагают, что выработка углеводородов, обладающих сравнительно низким молекулярным весом, частично происходит из-за автогенной выработки и реакции углеводорода в части пласта, содержащего углеводороды. Например, поддержание увеличенного давления может заставить углеводород, выработанный во время пиролиза, перейти в жидкую фазу в пласте. Нагрев участка до температуры, находящейся в диапазоне температур пиролиза, может пиролизовать углеводороды в пласте для получения жидкой фазы пиролизных флюидов. Компоненты полученной жидкой фазы пиролизных флюидов могут включать в себя ненасыщенные связи и/или радикалы. Водород (H₂) в жидкой фазе может сократить ненасыщенные связи выработанных пиролизных флюидов, тем самым, сокращая потенциал для полимеризации или образования длинноцепочечных соединений из выработанных пиролизных флюидов. Кроме того, H₂ также может нейтрализовать радикалы в выработанных пиролизных флюидах. H₂ в жидкой фазе может препятствовать возникновению реакции выработанных пиролизных флюидов друг с другом и/или с другими соединениями в пласте.

Пластовый флюид, полученный из эксплуатационных скважин 206, может быть транспортирован через коллекторный трубопровод 208 к очистным сооружениям. Пластовые флюиды также могут быть получены от источников 202 тепла. Например, флюид может быть получен от источников 202 тепла, чтобы управлять давлением в пласте, прилегающем к источникам тепла. Флюид, полученный от источников 202 тепла, может быть транспортирован через трубу или трубопровод в коллекторный трубопровод 208, или полученный флюид может быть транспортирован через трубу или трубопровод непосредственно к очистным сооружениям 210. Очистные сооружения 210 могут включать в себя сепарационные установки, реакторные установки, обогащающие установки, топливные элементы, турбины, сосуды для хранения и/или другие системы и установки для обработки полученных пластовых флюидов. Очистные сооружения могут получать транспортное топливо, по меньшей мере, из части добытых из пласта углеводородов. В некоторых вариантах осуществления транспортное топливо может представлять собой реактивное топливо, такое как JP-8.

В качестве электрического нагревательного элемента нагревателя или источника тепла может использоваться изолированный проводник. Изолированный проводник может включать в себя внутренний электрический проводник (сердцевину), окруженный электрическим изолятором, и внешний электрический проводник (оболочку). Электрический изолятор может включать в себя минеральную изоляцию (например, окись магния) или другую электрическую изоляцию.

В отдельных вариантах осуществления изолированный проводник размещают в скважине в пласте, содержащем углеводороды. В некоторых вариантах осуществления изолированный проводник размещают в необсаженной скважине в пласте, содержащем углеводороды. Размещение изолированного проводника в необсаженной скважине в пласте, содержащем углеводороды, может допустить теплопередачу от изолированного проводника в пласт посредством излучения, а также проводимости. Использование необсаженной скважины может при необходимости упростить извлечение изолированного проводника из скважины.

В некоторых вариантах осуществления изолированный проводник размещают в обсадной трубе в пласте; он может быть зацементирован в пласте; или может быть расположен в скважине, заполненной песком, гравием или другим наполнительным материалом. Изолированный проводник может опираться на опорный элемент, расположенный в скважине. Опорный элемент может представлять собой кабель, стержень или канал (например, трубопровод). Опорный элемент может быть изготовлен из металла, керамики, неорганического материала или их сочетаний. Так как при использовании участки опорного элемента могут быть подвержены воздействию пластовых флюидов и теплоте, то опорные элементы могут быть химически стойкими и/или термически стойкими.

Для соединения изолированного проводника с опорным элементом в различных местах вдоль протяженности изолированного проводника могут использоваться стяжки, точечная сварка и/или друге типы соединений. Опорный элемент может быть присоединен к устью скважины у верхней поверхности пласта. В некоторых вариантах осуществления изолированный проводник обладает достаточной прочностью конструкции так, что опорный элемент не требуется. Во многих случаях изолированный проводник может обладать, по меньшей мере, некоторой гибкостью, чтобы препятствовать повреждениям от теплового расширения при изменениях температуры.

В отдельных вариантах осуществления изолированные проводники размещают в скважинах без опорных элементов и/или центраторов. Изолированный проводник без опорных элементов и/или центраторов может обладать подходящим сочетанием стойкости к температуре и коррозии, устойчивости против ползучести, длины, толщины (диаметра) и металлургии, что будет препятствовать возникновению неисправностей изолированного проводника во время использования.

На фиг. 2 показан вид в перспективе концевого участка варианта осуществления изолированного проводника 212. Изолированный проводник 212 может обладать любой желаемой формой поперечного сечения, например, круглой (показанной на фиг. 2), треугольной, эллипсоидной, прямоугольной, шестиугольной или неправильной, но, не ограничиваясь этим. В отдельных вариантах осуществления изолированный проводник 212 включает в себя сердцевину 214, электрический изолятор 216 и оболочку 218. Сердцевина 214 может резистивно нагреваться, когда через сердцевину проходит электрический ток. Для подачи энергии на сердцевину 214 может использоваться переменный или меняющийся во времени ток и/или постоянный ток, так что сердцевина резистивно нагревается.

В некоторых вариантах осуществления электрический изолятор 216 препятствует утечке тока и возникновению электрического пробоя на оболочку 218. Электрический изолятор 218 может термически проводить тепло, вырабатываемое в сердцевине 214, на оболочку 218. Оболочка 218 может излучать или проводить тепло в пласт. В отдельных вариантах осуществления изолированный проводник 212 имеет длину 1000 м или больше. Также могут использоваться более длинные или более короткие изолированные проводники, чтобы удовлетворить специфическим потребностям приложения. Размеры сердцевины 214, электрического изолятора 216 и оболочки 218 изолированного проводника 212 могут быть выбраны так, чтобы изолированный проводник обладал достаточной прочностью, чтобы поддерживать самого себя даже при верхних границах рабочей температуры. Такие изолированные проводники могут быть подвешены от устья скважин или опор, расположенных возле поверхности раздела между перекрывающей породой и пластом, содержащим углеводороды, без необходимости в опорных элементах, проходящих в пласт, содержащий углеводороды, вместе с изолированными проводниками.

Изолированный проводник 212 может быть сконструирован так, чтобы функционировать при уровнях мощности вплоть до примерно 1650 Вт/м или выше. В отдельных вариантах осуществления изолированный проводник 212 при нагревании пласта функционирует на уровне мощности между примерно 500 Вт/м и 1150 Вт/м. Изолированный проводник 212 может быть сконструирован так, чтобы максимальный уровень напряжения при обычной рабочей температуре не приводил к существенному термическому и/или электрическому распаду электрического изолятора 216. Изолированный проводник 212 может быть сконструирован так, чтобы оболочка 218 не превышала температуры, которая приведет к значительному сокращению свойств коррозионной стойкости материала оболочки. В отдельных вариантах осуществления изолированный проводник 212 может быть сконструирован так, чтобы достигать температур в диапазоне от примерно 650°C до примерно 900°C. Могут быть выполнены изолированные проводники, имеющие другие рабочие диапазоны, чтобы удовлетворить специфическим техническим требованиям.

На фиг. 2 изображен изолированный проводник 212, имеющий единственную сердцевину 214. В некоторых вариантах осуществления изолированный проводник 212 содержит две или более сердцевины 214. Например, один изолированный проводник может иметь три сердцевины. Сердцевина 214 может быть выполнена из металла или другого электропроводного материала. Материал, используемый для выполнения сердцевины 214, может включать в себя нихром, медь, никель, углеродистую сталь и их сочетания, но, не ограничиваясь этим. В отдельных вариантах осуществления сердцевину 214 выбирают так, чтобы она имела диаметр и сопротивление при рабочих температурах такое, что ее сопротивление, полученное по закону Ома, делает ее электрически и структурно устойчивой для выбранного рассеяния мощности на метр, длины нагревателя и/или максимального напряжения, допустимого для материала сердцевины.

В некоторых вариантах осуществления сердцевина 214 выполнена из различных материалов вдоль протяженности изолированного проводника 212. Например, первый участок сердцевины 214 может быть выполнен из материала, имеющего значительно более низкое сопротивление, чем второй участок сердцевины. Первый участок может быть размещен у слоя пласта, который не нужно нагревать до такой же высокой температуры, что второй слой пласта, примыкающий ко второму участку. Удельное сопротивление различных участков сердцевины 214 может быть отрегулировано путем изменяющейся величины диаметра и/или посредством участков сердцевины, выполненных из различных материалов.

Электрический изолятор 216 может быть выполнен из множества материалов. Используемые обычно порошки могут включать в себя MgO, Al₂O₃, BN, Si₃N₄, цирконий, BeO, различные химические вариации шпинелей и их сочетания, но, не ограничиваясь этим. MgO может обеспечивать хорошую теплопроводность и электрическую изоляцию. Желаемые свойства электрической изоляции включают в себя низкий ток утечки и высокую диэлектрическую прочность. Низкий ток утечки снижает вероятность теплового пробоя, а высокая диэлектрическая прочность снижает вероятность пробоя через изолятор. Тепловой пробой может возникнуть, если ток утечки приведет к прогрессирующему подъему температуры изолятора, что также приводит к пробою через изолятор.

Оболочка 218 может представлять собой внешний металлический слой или электропроводный слой. Оболочка 218 может контактировать с горячими пластовыми флюидами. Оболочка 218 может быть выполнена из материала, обладающего высокой стойкостью к коррозии при высоких температурах. Сплавы, которые можно использовать в желаемом диапазоне температур оболочки 218 включают в себя, но, не ограничиваясь, нержавеющую сталь марки 304, нержавеющую сталь марки 310, инколой® 800 и инконель® 600 (Западная Вирджиния, США (Inco Alloys International, Хантингтон, Западная Вирджиния, США). Может быть необходимой такая толщина оболочки 218, чтобы она была достаточной для того, чтобы выдерживать от трех до десяти лет в горячей и коррозионной среде. Толщина оболочки 218, в целом, может изменяться примерно от 1 мм до 2,5 мм. Например, внешний слой толщиной 1,3 мм из нержавеющей стали марки 310 может быть использован в качестве оболочки 218, чтобы обеспечить хорошую химическую стойкость к сероводородной коррозии в нагретой зоне пласта в течение свыше 3 лет. Чтобы удовлетворить специфическим требованиям приложения, может использоваться оболочка, имеющая большую или меньшую толщину.

Один или несколько изолированных проводников могут быть расположены в скважине в пласте, чтобы образовать источник тепла или источники тепла. Чтобы нагреть пласт, через каждый изолированный проводник в скважине может быть пропущен электрический ток. Как вариант, электрический ток может быть пропущен через выбранные изолированные проводники в скважине. Неиспользуемые проводники могут использоваться в качестве запасных нагревателей. Изолированные проводники могут быть электрически соединены с источником энергии любым удобным способом. Каждый конец изолированного проводника может быть соединен с вводными кабелями, которые проходят через устье скважины. Такая конфигурация обычно имеет изгиб на 180° (изгиб "шпилька") или поворот, расположенный возле нижней части источника тепла. Изолированный проводник, который включает в себя изгиб на 180° или поворот, может не требовать нижнего завершения, но изгиб на 180° или поворот может представлять собой электрическую и/или структурную слабость нагревателя. Изолированные проводники могут быть электрически соединены друг с другом последовательно, параллельно, или сочетая последовательные и параллельные соединения. В некоторых вариантах осуществления источников тепла электрический ток может проходить в проводник изолированного проводника и может возвращаться через оболочку изолированного проводника путем соединения сердцевины 214 с оболочкой 218 (показаны на фиг. 2) снизу источника тепла.

В некоторых вариантах осуществления три изолированных проводника 212 электрически соединены в конфигурации 3-фазного соединения звездой с источником энергии. На фиг. 3 показан вариант осуществления трех изолированных проводников в скважине в толще пород, соединенные в конфигурации соединения звездой. На фиг. 4 показан вариант осуществления трех изолированных проводников 212, удаляемых из скважины 220 в пласте. Для трех изолированных проводников в конфигурации соединения звездой может не потребоваться соединения снизу. Как вариант, все три изолированных проводника конфигурации соединения звездой могут быть соединены друг с другом возле дна скважины. Соединение может быть выполнено непосредственно на концах нагревательных участков изолированных проводников или на концах холодных контактов (менее резистивных участков), соединенных с нагревательными участками снизу изолированных проводников. Соединения снизу могут быть выполнены из наполненных изолятором и запаянных контейнеров или контейнеров, наполненных эпоксидной смолой. Изолятор может представлять собой тот же состав, что и изолятор, используемый в качестве электрической изоляции.

Изображенные на фиг. 3 и 4 три изолированных проводника могут быть соединены с опорным элементом 222 с использованием центраторов 224. Как вариант, изолированные проводники 212 могут быть прикреплены непосредственно к опорному элементу 222 с использованием металлических лент. Центраторы 224 могут сохранять положение и/или препятствовать перемещению изолированных проводников 212 на опорном элементе 222. Центраторы 224 могут быть изготовлены из металла, керамики их сочетаний. Металл может представлять собой нержавеющую сталь или металл любого другого типа, способный выдерживать коррозийную и высокотемпературную среду. В некоторых вариантах осуществления центраторы 224 представляют собой согнутые металлический ленты, приваренные к опорному элементу на расстояниях менее 6 м. Керамика, используемая в центраторе 224, может представлять собой, но, не ограничиваясь, Al₂O₃, MgO или другой электрический изолятор. Центраторы 224 могут сохранять положение изолированных проводников 212 на опорном элементе 222 так, что при рабочих температурах изолированных проводников препятствуют перемещению изолированных проводников. Изолированные проводники 212 также могут быть до некоторой степени гибкими, чтобы выдерживать расширение опорного элемента 222 во время нагрева.

Опорный элемент 222, изолированный проводник 212 и центраторы 224 могут быть размещены в скважине 220 в углеводородном слое. Изолированные проводники 212 могут быть соединены с нижним соединительным узлом 228 с использованием холодного контакта 230. Нижний соединительный узел 228 может осуществлять электрическое соединение каждого изолированного проводника 212 с каждым. Нижний соединительный узел 228 может включать в себя материалы, которые являются электропроводными и не плавятся при температурах, встречающихся в скважине 220. Холодный контакт 230 может представлять собой изолированный проводник, обладающий более низким удельным сопротивлением, чем изолированный проводник 212.

Вводной проводник 232 может быть соединен с устьем скважины 234, чтобы обеспечить передачу электроэнергии на изолированный проводник 212. Вводной проводник 232 может быть выполнен из проводника, обладающего сравнительно низким электрическим сопротивлением, так что из-за проходящего через вводной проводник электрического тока вырабатывается сравнительно немного тепла. В некоторых вариантах осуществления вводной проводник представляет собой многожильный медный провод с резиновой или полимерной изоляцией. В некоторых вариантах осуществления вводной проводник представляет собой проводник с минеральной изоляцией с медной сердцевиной. Вводной проводник 232 может быть соединен с устьем 234 скважины у поверхности 236 через герметизированный фланец, расположенный между перекрывающей породой 238 и поверхностью 236. Герметизированный фланец может препятствовать выходу текучей среды из скважины 220 на поверхность 236.

В отдельных вариантах осуществления вводной проводник 232 соединен с изолированным проводником 212 с использованием переходного проводника 240. переходный проводник 240 может представлять собой менее резистивный участок изолированного проводника 212. переходный проводник 240 можно назвать "холодным контактом" изолированного проводника 212. переходный проводник 240 может быть сконструирован так, чтобы рассеивать примерно от одной десятой до одной пятой мощности на единицу длины от мощности, рассеиваемой единицей длины основного нагревательного участка изолированного проводника 212. переходный проводник 240 обычно может иметь длину примерно от 1,5 м до 15 м, хотя для соответствия нуждам специфического приложения может использоваться более короткий или более длинный проводник. В варианте осуществления проводник переходного проводника 240 является медным. Электрическая изоляция переходного проводника 240 может быть того же типа, что и электрический изолятор, используемый в основном нагревательном участке. Оболочка переходного проводника 240 может быть выполнена из стойкого к коррозии материала.

В отдельных вариантах осуществления переходный проводник 240 соединен с вводным проводником 232 посредством стыка или другого соединительного узла. Стыки также могут использоваться для соединения переходного проводника 240 с изолированным проводником 212. Может потребоваться, чтобы стыки выдерживали температуру, равную половине рабочей температуры целевой зоны. Плотность электрической изоляции в стыке во многих случаях должна быть достаточно высокой, чтобы выдерживать требуемую температуру и рабочее напряжение.

В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг. 3, между обсадной трубой 244 в перекрывающей породе и скважиной 220 расположен уплотнительный материал 242. В некоторых вариантах осуществления усиливающий материал 246 может скреплять обсадную трубу 244 в перекрывающей породе с перекрывающей породой 238. Уплотнительный материал 242 может препятствовать вытеканию текучей среды из скважины 220 на поверхность 236. Усиливающий материал 246 может включать в себя, например, портландцемент класса G или класса Н, смешанный с кварцевой мукой для улучшенной жаропрочности, шлак или кварцевую муку и/или их смесь. В некоторых вариантах осуществления усиливающий материал 246 проходит радиально на ширину примерно от 5 см до 25 см.

Как показано на фиг. 3 и 4, опорный элемент 222 и вводной проводник 232 могут быть соединены с устьем 234 скважины на поверхности 236 пласта. Поверхностная направляющая колонна 248 может перекрывать усиливающий материал 246 и соединяться с устьем 234 скважины. Варианты осуществления поверхностных направляющих колонн могут проходить в скважину в пласте на глубину примерно от 3 м до 515 м. Как вариант, поверхностная направляющая колонна может проходить в пласт на глубину примерно 9 м. Электрический ток может подаваться от источника энергии на изолированный проводник 212 для выработки тепла, благодаря электрическому сопротивлению изолированного проводника. Теплота, выработанная тремя изолированными проводниками 212, может передаваться в скважине 220, чтобы нагреть, по меньшей мере, участок углеводородного слоя 226.

Теплота, выработанная изолированными проводниками 212, может нагревать, по меньшей мере, участок пласта, содержащего углеводороды. В некоторых вариантах осуществления теплоту передают в пласт по существу посредством излучения выработанной теплоты в пласт. Некоторая часть теплоты может быть передана посредством проводимости или конвекции тепла, благодаря газам, присутствующим в скважине. Скважина может представлять собой необсаженную скважину, как показано на фиг. 3 и 4. Необсаженная скважина устраняет издержки, связанные с термическим цементированием нагревателя с пластом, издержки, связанные с обсадной трубой, и/или издержки, связанные с уплотнением нагревателя в скважине. Кроме того, теплопередача посредством излучения обычно является более эффективной, чем посредством проводимости, так что нагреватели могут функционировать при более низких температурах в открытой скважине. Кондуктивная передача тепла во время начальной работы источника тепла может быть усилена путем добавления в скважину газа. Газ может удерживаться под давлением вплоть до 27 бар абсолютного давления. Газ может включать в себя диоксид углерода и/или гелий, но, не ограничиваясь этим. Нагреватель с изолированным проводником в открытой скважине преимущественно может свободно расширяться или сжиматься, чтобы приспосабливаться к тепловому расширению или сжатию. Нагреватель с изолированным проводником преимущественно может быть удаляемым или перемещаемым из открытой скважины.

В отдельных вариантах осуществления нагреватель с изолированным проводником в сборе устанавливают или удаляют посредством наматывающего узла. Чтобы одновременно установить и изолированный проводник, и опорный элемент, может использоваться более одного наматывающего узла. Как вариант, опорный элемент может быть установлен с использованием колтюбингового агрегата. Нагреватели могут быть размотаны и соединены с опорой по мере того, как опору вставляют в скважину. Электрический нагреватель и опорный элемент могут быть размотаны с наматывающих узлов. Вдоль протяженности опорного элемента с ним могут быть соединены распорки. Для дополнительных элементов электрического нагревателя могут использоваться дополнительные наматывающие узлы.

Нагреватели с ограничением рабочих температур могут иметь такие конфигурации и/или могут включать в себя материалы, которые обеспечивают свойства автоматического ограничения рабочей температуры нагревателя до определенных температур. Примеры нагревателей с ограничением рабочих температур можно найти в патентах США №№6688387, выданном Веллингтону и др.; 6991036, выданном Самну-Диндоруку и др.; 6698515, выданном Караникасу и др.; 6880633, выданном Веллингтону и др.; 6782947, выданном де Руффиньяку и др.; 6991045, выданном Винегару и др.; 7073578, выданном Винегару и др.; 7121342, выданном Винегару и др.; 7320364, выданном Фаирбанксу; 7527094, выданном МакКинзи и др.; 7584789, выданном Мо и др.; 7533719, выданном Хинсону и др., и 7562707, выданном Миллеру; в публикации заявки на патент США №№2009-0071652 Винегара и др.; 2009-0189617 Вернса и др.; 2010-0071903 Принс-Райта и др.; и 2010-0096137 Нгуена и др. Нагреватели с ограничением рабочих температур имеют такие размеры, чтобы работать с частотами переменного тока (например, 60 Гц) или с модулированным постоянным током.

В отдельных вариантах осуществления в нагревателях с ограничением рабочих температур используют ферромагнитные материалы. Ферромагнитный материал может самостоятельно ограничивать температуру до точки Кюри материала или около нее и/или до диапазона температуры фазового превращения, чтобы обеспечить сниженное количество теплоты при прохождении через материал изменяющегося со временем тока. В отдельных вариантах осуществления ферромагнитный материал самоограничивает температуру нагревателя с ограничением рабочих температур до выбранной температуры, которая приблизительно равна температуре Кюри и/или диапазону температуры фазового превращения. В отдельных вариантах осуществления выбранная температура лежит в пределах примерно 35°C, примерно 25°C, примерно 20°C или примерно 10°C температуры Кюри или диапазона температуры фазового превращения. В отдельных вариантах осуществления ферромагнитные материалы соединены с другими материалами (например, высокопроводимыми материалами, высокопрочными материалами, стойкими к коррозии материалами или их сочетанием), чтобы обеспечить различные электрические и/или механические свойства. Некоторые части нагревателя с ограничением рабочих температур могут иметь более низкое сопротивление (вызванное другой геометрией и/или использованием других ферромагнитных и/или неферромагнитных материалов), чем другие части нагревателя с ограничением рабочих температур. Наличие частей нагревателя с ограничением рабочих температур из различных материалов и/или имеющих различные размеры позволяет настраивать желаемую теплоотдачу для каждой части нагревателя.

Нагреватели с ограничением рабочих температур могут быть более надежными, чем другие нагреватели. Нагреватели с ограничением рабочих температур могут быть менее склонными к пробоям или поломкам из-за участков повышенной коррозии в пласте. В некоторых вариантах осуществления нагреватели с ограничением рабочих температур допускают по существу равномерное нагревание пласта. В некоторых вариантах осуществления нагреватели с ограничением рабочих температур способны нагревать пласт более эффективно, функционируя с более высокой средней теплоотдачей вдоль всей протяженности нагревателя. Нагреватель с ограничением рабочих температур функционирует с более высокой средней теплоотдачей вдоль всей протяженности нагревателя, потому что подаваемую на нагреватель мощность не нужно снижать для всего нагревателя, как в случае обычных нагревателей с постоянной потребляемой мощностью, если температура вдоль любой точки проводника превышает или почти превышает максимальную рабочую температуру нагревателя. Теплоотдача от участков нагревателей с ограничением рабочих температур, достигающих температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения нагревателя, автоматически сокращается без управляемого регулирования изменяющегося во времени тока, проходящего через нагреватель. Теплоотдача автоматически сокращается, благодаря изменениям электрических свойств (например, электрического сопротивления) участков нагревателя с ограничением рабочих температур. Таким образом, нагревателем с ограничением рабочих температур поставляется больше энергии во время большей части процесса нагревания.

В отдельных вариантах осуществления система, включающая в себя нагреватели с ограничением рабочих температур, изначально обеспечивает первую теплоотдачу, а затем обеспечивает пониженную (вторую) теплоотдачу, при температуре около, равной или превосходящей температуру Кюри и/или диапазон температуры фазового превращения электрически резистивного участка нагревателя, когда на нагреватель с ограничением рабочих температур подают изменяющийся во времени ток. Первая теплоотдача представляет собой теплоотдачу при первых температурах, ниже которых нагреватель с ограничением рабочих температур начинает самоограничение. В некоторых вариантах осуществления первая теплоотдача представляет собой теплоотдачу при температуре примерно на 50°C, примерно на 75°C, примерно на 100°C или примерно на 125°C ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного материала в нагревателе с ограничением рабочих температур.

На нагреватель с ограничением рабочих температур может подаваться меняющийся во времени ток (переменный ток или модулированный постоянный ток), подаваемый у устья скважины. Устье скважины может включать в себя источник энергии и другие компоненты (например, модулирующие компоненты, трансформаторы и/или конденсаторы), используемые при подаче энергии на нагреватель с ограничением рабочих температур. Нагреватель с ограничением рабочих температур может представлять собой один из многих нагревателей, используемых для нагревания участка пласта.

В отдельных вариантах осуществления нагреватель с ограничением рабочих температур включает в себя проводник, который функционирует в качестве нагревателя со скин-эффектом или эффектом близости, когда изменяющийся во времени ток подают на проводник. Скин-эффект ограничивает глубину проникновения тока внутрь проводника. Для ферромагнитных материалов скин-эффект вызван магнитной проницаемостью проводника. Относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов обычно принимает значения от 10 до 100 (например, относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов обычно равна, по меньшей мере, 10 и может быть равной, по меньшей мере, 50, 100, 500, 1000 или больше). Когда температура ферромагнитного материала поднимается выше температуры Кюри или диапазона температуры фазового превращения, и/или когда увеличивается проходящий электрический ток, магнитная проницаемость ферромагнитного материала по существу снижается, а глубина скин-эффекта быстро расширяется (например, глубина скин-эффекта увеличивается обратно пропорционально квадратному корню из магнитной проницаемости). Снижение магнитной проницаемости приводит к снижению сопротивления проводника по переменному току или по модулированному постоянному току при температуре около, равной или превосходящей температуру Кюри, диапазон температуры фазового превращения и/или при увеличении проходящего электрического тока. Когда питание на нагреватель с ограничением рабочих температур подают от источника постоянного тока, участки нагревателя, температура которых приближается, достигает или превосходит температуру Кюри и/или диапазон температуры фазового превращения, могут обладать пониженным рассеянием тепла. Участки нагревателя с ограничением рабочих температур, температура которых не равна или близка к температуре Кюри и/или диапазону температуры фазового превращения, могут быть подвержены нагреву от скин-эффекта, что позволяет нагревателю обладать высоким рассеиванием тепла из-за более высокой резистивной нагрузки.

Преимущество использования нагревателя с ограничением рабочих температур для нагревания углеводородов в пласте заключается в том, что выбирают проводник, обладающий температурой Кюри и/или диапазоном температуры фазового превращения из желаемого интервала рабочих температур. Функционирование в пределах желаемого интервала рабочих температур допускает существенное подведение тепла в пласт, в то же время, поддерживая температуру нагревателя с ограничением рабочих температур и другого оборудования ниже расчетных предельных температур. Расчетные предельные температуры - это температуры, при которых оказывается отрицательное влияние на такие свойства, как коррозия, ползучесть и/или деформация. Свойства нагревателя с ограничением рабочих температур, связанные с ограничением температуры, препятствуют перегреву или перегоранию нагревателя, примыкающего к участкам повышенной коррозии в пласте, имеющим низкую теплопроводность. В некоторых вариантах осуществления нагреватель с ограничением рабочих температур может снизить или управлять теплоотдачей и/или выдерживать нагрев до температур свыше 25°C, 37°C, 100°C, 250°C, 500°C, 700°C, 800°C, 900°C или выше до 113 ГС, в зависимости от материалов, применяемых в нагревателе.

Нагреватель с ограничением рабочих температур допускает больший подвод тепла в пласт, чем нагреватели с постоянной потребляемой мощностью, потому что не нужно ограничивать подводимую в нагреватель с ограничением рабочих температур энергию, чтобы приспособиться к областям с низкой теплопроводностью, примыкающим к нагревателю. Например, в нефтеносном сланце месторождения Green River теплопроводность самых необогащенных слоев нефтеносного сланца и самых богатых слоев нефтеносного сланца отличается, по меньшей мере, в три раза. При нагревании такого пласта нагревателем с ограничением рабочих температур в пласт передается существенно больше теплоты, чем обычным нагревателем, то есть ограниченным температурой в слоях с низкой теплопроводностью. Теплоотдача вдоль всей протяженности обычного нагревателя должна приспосабливаться к слоям с низкой теплопроводностью, так чтобы нагреватель не перегрелся в слоях с низкой теплопроводностью и не перегорел. Теплоотдача в непосредственной близости от слоев с низкой теплопроводностью, нагретых до высокой температуры, будет снижена для нагревателя с ограничением рабочих температур, но оставшиеся участки нагревателя с ограничением рабочих температур, которые не нагреты до высокой температуры, все еще будут обеспечивать высокую теплоотдачу. Так как нагреватели для нагревания углеводородных слоев обычно имеют большую длину (например, по меньшей мере, 10 м, 100 м, 300 м, 500 м, 1 км или больше, вплоть до 10 км), большая часть длины нагревателя с ограничением рабочих температур может функционировать при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения, в то время как температура только небольшого числа участков равна или близка температуре Кюри и/или диапазону температур фазового превращения нагревателя с ограничением рабочих температур.

Использование нагревателей с ограничением рабочих температур допускает эффективную передачу теплоты в пласт. Эффективная передача теплоты допускает сокращение времени, требуемого для нагревания пласта до желаемой температуры. Например, в нефтеносном сланце месторождения Green River для пиролиза требуется от 9,5 лет до 10 лет нагревания, если использовать 12 м сетку размещения нагревательных скважин с обычными нагревателями с постоянной потребляемой мощностью. При той же сетке размещения скважин нагреватели с ограничением рабочих температур могут допустить большую среднюю теплоотдачу, поддерживая при этом температуру нагревательного оборудования ниже расчетных предельных температур оборудования. Пиролиз в пласте может возникнуть за меньший промежуток времени с большей средней теплоотдачей, обеспечиваемой нагревателями с ограничением рабочих температур, чем более низкая средняя теплоотдача, обеспечиваемая нагревателями с постоянной потребляемой мощностью. Например, в нефтеносном сланце месторождения Green River при использовании нагревателей с ограничением рабочих температур с 12 м сеткой размещения нагревательных скважин пиролиз может произойти за 5 лет. Нагреватели с ограничением рабочих температур нейтрализуют участки повышенной коррозии, возникающие вследствие неточности сетки скважин или бурения, где нагревательные скважины подходят слишком близко друг к другу. В отдельных вариантах осуществления нагреватели с ограничением рабочих температур допускают увеличенную с течением времени выходную мощность для нагревательных скважин, которые были размещены слишком далеко друг от друга, или ограниченную выходную мощность для нагревательных скважин, расположенных слишком близко друг к другу. Нагреватели с ограничением рабочих температур также передают больше энергии в области, примыкающие к перекрывающей породе и подстилающей породе, чтобы компенсировать потери температуры в этих областях.

Нагреватели с ограничением рабочих температур преимущественно могут быть использованы в пластах многих типов. Например, в пластах нефтеносных песков или сравнительно проницаемых пластах, содержащих тяжелые углеводороды, нагреватели с ограничением рабочих температур могут быть использованы, чтобы обеспечить управляемую низкую выходную температуру для снижения вязкости флюидов, подвижных флюидов и/или усиления радиального потока флюидов в скважине или рядом с ней или в пласте. Нагреватели с ограничением рабочих температур могут быть использованы для препятствования избыточному коксообразованию из-за перегрева области пласта около скважины.

В некоторых вариантах осуществления использование нагревателей с ограничением рабочих температур устраняет или сокращает потребность в дорогой схеме управления температурой. Например, использование нагревателей с ограничением рабочих температур устраняет или сокращает потребность в осуществлении протоколирования температуры и/или потребность в использовании неподвижных термопар на нагревателях, чтобы отслеживать потенциальный перегрев в областях повышенной коррозии.

Нагреватели с ограничением рабочих температур могут использоваться в нагревателях с проводником в канале. В некоторых вариантах осуществления нагревателей с проводником в канале большую часть резистивного тепла вырабатывают в проводнике, а теплоту передают в канал посредством излучения, проводимости и/или конвекции. В некоторых вариантах осуществления нагревателей с проводником в канале большую часть резистивного тепла вырабатывают в канале.

В некоторых вариантах осуществления используют сравнительно тонкий проводящий слой, чтобы обеспечить большую часть резистивной теплоотдачи нагревателей с ограничением рабочих температур до температуры близкой или равной температуре Кюри и/или диапазону температуры фазового превращения ферромагнитного проводника. Такие нагреватели с ограничением рабочих температур могут использоваться в качестве нагревательного элемента в нагревателе с изолированным проводником. Нагревательный элемент нагревателя с изолированным проводником может быть расположен внутри оболочки со слоем изоляции между оболочкой и нагревательным элементом.

Кабели с минеральной изоляцией (MI-кабели) (изолированные проводники) используют в отдельных вариантах осуществления, чтобы передать теплоту в подземные пласты с перекрывающими породами. Чтобы предотвратить нагревание перекрывающей породы (и потери затрат на тепловую энергию в перекрывающей породе) в перекрывающей породе обычно используют изолированные проводники с проводящими сердцевинами (например, медными сердцевинами). Благодаря медной сердцевине, изолированный проводник с медной сердцевиной в перекрывающей породе обеспечивает практически отсутствие теплоты в перекрывающей породе. Может быть трудно соединить изолированный проводник с медной сердцевиной с нагревательным изолированным проводником (нагревательным участком изолированного проводника, используемого в слое, содержащем углеводороды), так как сердцевины нагревательного изолированного проводника и изолированного проводника в перекрывающей породе обычно не сочетаются, чтобы их модно было сварить друг с другом. Обычно между изолированным проводником в перекрывающей породе и нагревательным изолированным проводником присоединяют переходный изолированный проводник. Сердцевина переходного изолированного проводника обычно замыкает разрыв в материале между другими сердцевинами в участке в перекрывающей породе и нагревательном участке.

Обычно подключение переходного изолированного проводника между изолированным проводником в перекрывающем слое и нагревательным изолированным проводником включает в себя сваривание между собой отдельных участков изолированного проводника, включая внешнюю сварку для соединения друг с другом покрытий (оболочек) различных участков изолированных проводников. Тем не менее, такая внешняя сварка может не годиться для разматывания или другой установки нагревателя или технологий транспортировки.

Кроме того, некоторые технологии соединения (сварки) сердцевин изолированных проводников приводят к сужению или расширению в точках соединения во время вальцевания (например, холодной обработки или сокращения внешнего диаметра изолированного проводника). Сужение или расширение приводит к тому, что внешний диаметр соединения изменяется, и соединенные изолированные проводники не обладают гладкой внешней поверхностью. Расширение может быть вызвано различиями прочности сердцевин соединенных изолированных проводников и, в некоторых случаях, сварочной присадки. Например, сваривание сердцевины из углеродистой стали с медной сердцевиной с медно-никелевой сварочной присадкой может привести к расширению во время вальцевания. Расширение изолированных проводников не годится для наматывания и может привести к механическим и электрическим сложностям при использовании в подземном пласте.

Чтобы предотвратить расширение, сварочная присадка может представлять собой материал, который преодолевает различия в прочности материалов (прочность сварочной присадки находится между прочностями материалов соединенных сердцевин). В отдельных вариантах осуществления прочность сварочной присадки менее чем на 20% не соответствует прочности любого из соединяемых материалов. Например, сварочная присадка с массовой долей никеля 10%/меди 90% может иметь прочность в пределах 20% прочности чистой меди и в пределах 20% Сплава 180 (с массовой долей 28% никеля/ 72% меди). Обычно сварочная присадка может быть настолько близка к чистой меди (используемой в перекрывающей породе), насколько это возможно, при этом оставаясь пригодной для сварки с материалом, используемым для сердцевины нагревательного изолированного проводника. Использование такой сварочной присадки препятствует расширению или скручиванию в точке соединения изолированных проводников и допускает наматывание всего изолированного проводника в сборе (включающего в себя участок в перекрывающей породе, нагревательный участок и любой переходный участок, который нужен).

В некоторых вариантах осуществления изолированные проводники в перекрывающей породе и нагревательные изолированные проводники имеют различные диаметры сердцевин. Диаметр сердцевин может зависеть от желаемого нагрева в нагревательном изолированном проводнике и прикладываемого к изолированному проводнику в сборе напряжения. Может быть желательно, чтобы сердцевина в перекрывающей породе имела настолько большой диаметр, насколько это возможно, чтобы препятствовать какому-либо нагреву (потерям энергии или растрате тока) в перекрывающей породе. Таким образом, сердцевина изолированного проводника в перекрывающей породе может быть больше, чем сердцевина нагревательного изолированного проводника. Соединение изолированных проводников с различным размером сердцевин может быть непростым и в некоторых случаях может включать в себя соединение изолированных проводников с различными внешними диаметрами, чтобы компенсировать различные размеры сердцевин. Тем не менее, для сматывания изолированного проводника в сборе нежелательно соединять изолированные проводники, имеющие различные внешние диаметры.

В отдельных вариантах осуществления изолированные проводники с сердцевинами, имеющими различные размеры, соединяют (стыкуют) друг с другом с помощью отдельного стыковочного компонента. Этот отдельный стыковочный компонент может иметь больший внешний диаметр, чем каждый из изолированных проводников. Так как отдельный стыковочный компонент имеет больший внешний диаметр, то отдельный стыковочный компонент может ограничивать радиус сгиба всего нагревателя из-за ограничений деформации отдельного стыковочного компонента. Ограничения деформации, накладываемые на отдельный стыковочный компонент, обычно ниже, чем ограничения деформации изолированных проводников, так как он имеет больший диаметр. Таким образом, чтобы предотвратить перенапряжение стыковочного компонента, может потребоваться наматывать нагреватель с отдельным стыковочным компонентом на катушку большего диаметра. Таким образом, желательным является соединение (сочленение), которое позволяет соединить (сочленить) изолированные проводники, имеющие различные диаметры сердцевин, сохраняя при этом непрерывный внешний диаметр (диаметр оболочки).

На фиг. 5 показан вид сбоку варианта осуществления соединения 258 для стыковки участка 212А в перекрывающей породе и нагревательного участка 212В изолированного проводника 212, сердцевины 214А, В которых имеют по существу один и тот же диаметр. Другие примеры технологий соединения/стыковки представлены в публикациях заявок на патент США №№2011-0124228 Коулса и др. и 2012-0090174 Коулса и др. Как показано на фиг. 5, сердцевина 214А и сердцевина 214В имеют по существу одинаковый диаметр, но выполнены из различных материалов. Например, сердцевина 214А может быть выполнена из высокопроводящего металла, такого как медь, в то время как сердцевина 214В выполнена из резистивно нагреваемого материала, такого как Сплав 180, или другого ферромагнитного материала. Сердцевины 214А, 214В могут быть соединены, например, путем сварки или твердой пайки. В некоторых вариантах осуществления сварочную присадку, как описано в этом документе, используют, чтобы способствовать соединению сердцевин 214А, 214В.

Использование сердцевин 214А, 214В по существу с одинаковыми диаметрами позволяет электрическим изоляторам 216А, 216В и оболочке 218 иметь по существу один и тот же размер. В отдельных вариантах осуществления оболочка 218 представляет собой оболочку, проходящую вдоль протяженности изолированного проводника 212. Изолированный проводник 212 может быть непрерывным, иметь по существу постоянный диаметр изолированного проводника, у которого участок 212А в перекрывающей породе и нагревательный участок 212В имеют по существу одинаковый внешний диаметр. Тем не менее, использование сердцевины 21А, имеющий такой же диаметр, что и сердцевина 214В может увеличить потери энергии в участке 212А в перекрывающей породе по сравнению с сердцевиной, имеющей больший диаметр. Сердцевина с большим диаметром может снизить потери энергии (потери тока) путем обеспечения меньшего сопротивления (большей проводимости) в участке 212А в перекрывающей породе. Сердцевины с большим диаметром с меньшими потерями энергии могут иметь большее значение, особенно для участков в перекрывающей породе, имеющих сравнительно большую длину (например, около 50 м или больше). Таким образом, может быть желательно предложить изолированный проводник 212 с непрерывным внешним диаметром (оболочка 218 имеет непрерывный внешний диаметр) с сердцевинами внутри оболочки, имеющими различные размеры.

На фиг. 6 показан вид сбоку варианта осуществления соединения для стыковки участка 212А в перекрывающей породе изолированного проводника 212 с сердцевиной большего диаметра с нагревательным участком 212В изолированного проводника, имеющего сердцевину с меньшим диаметром. Соединение 258' может соединять сердцевину 214А и сердцевину 214В внутри непрерывной оболочки 218. Сердцевина 214А может представлять собой сердцевину, используемую для участка 212А в перекрывающей породе изолированного проводника 212. Например, сердцевина 214А может представлять собой медную сердцевину. Сердцевина 214В может представлять собой сердцевину, используемую для нагревательного участка 212В изолированного проводника 212. Сердцевина 214В, например, может быть выполнена из Сплава 180 или другого ферромагнитного материала. В некоторых вариантах осуществления сердцевина 214В представляет собой сердцевину, используемую для переходного участка изолированного проводника 212 (участка, расположенного между участком в перекрывающей породе и нагревательным участком). Оболочка 218 может быть выполнена из нержавеющей стали (такой как нержавеющая сталь марки 304) или другого подходящего материала оболочки.

В отдельных вариантах осуществления сердцевину 214А соединяют с сердцевиной 214В с использованием, например, сварки с применением сварочной присадки, как описано в этом документе. В некоторых вариантах осуществления сердцевину 214А запрессовывают на сердцевину 214В. Сердцевина 214В может иметь намного меньший диаметр, чем сердцевина 214А, как показано на фиг. 6. Например, сердцевина 214В может быть меньше в диаметре, чем сердцевина 214А примерно в 2, 3, 4 раза или более.

Из-за различий диаметров сердцевины 214А и сердцевины 214В толщина электрического изолятора 216А вокруг сердцевины 214А отличается от толщины электрического изолятора 216В вокруг сердцевины 214В, чтобы сохранить непрерывный диаметр оболочки 218. Электрический изолятор 216А и/или электрический изолятор 216В могут быть выполнены из блоков электрически изолирующего материала. В отдельных вариантах осуществления, как показано на фиг. 6, электрический изолятор 216А проходит за пределы конца сердцевины 214А и перекрывается с концом сердцевины 214В. Перекрытие электрического изолятора 216А образует зазор 260 между электрическим изолятором 216В и сердцевиной 214А. В отдельных вариантах осуществления длина зазора составляет примерно 1'' (примерно 2,5 см). В некоторых вариантах осуществления длина зазора 260 лежит в интервале примерно от 0,25'' (около 0,6 см) до 2'' (около 5 см) или от 0,5'' (около 1,2 см) до 1,5'' (около 3,8 см).

В отдельных вариантах осуществления зазор 260, по меньшей мере, частично заполняют электрически изоляционным материалом во время уплотнения и/или нагревания изолированного проводника в сборе. В некоторых вариантах осуществления зазор 260 по существу полностью заполняют электрически изоляционным материалом во время уплотнения и/или нагревания изолированного проводника в сборе. Например, электрический изолятор 216А и/или электрический изолятор 216В будет перетекать и заполнять зазор 260, когда внешний диаметр изолированного проводника в сборе сокращается во время холодной обработки и/или во время отжига. Величина заполнения зазора 260 электрически изолирующим материалом может зависеть от величины уплотнения изолированного проводника в сборе и/или продолжительности и температуры процесса отжига.

В некоторых вариантах осуществления электрический изолятор, наполняющий зазор 260 не уплотняют, как электрический изолятор в других частях изолированного проводника в сборе. Таким образом, зазор 260 может иметь немного больший объем порового пространства и менее желательные свойства электрической изоляции. Соединение 258' может быть подходящим для применения в изолированных проводниках в сборе, тем не менее, так как соединение имеет короткую длину по сравнению с остальным изолированным проводником в сборе, более низкие свойства электрической изоляции в соединении могут не оказывать негативного действия на общее функционирование изолированного проводника в сборе.

На фиг. 7 показан вид сбоку другого варианта осуществления соединения для стыковки участка 212А в перекрывающей породе изолированного проводника 212 с сердцевиной большего диаметра с нагревательным участком 212В изолированного проводника, имеющего сердцевину с меньшим диаметром. В отдельных вариантах осуществления соединение 258'' соединяет участок 214А в перекрывающем слое породы с нагревательным участком 214В, используя переходные участки 212С, 212D для образования изолированного проводника 212. Сердцевина 214А участка 212А в перекрывающей породе может иметь желаемый диаметр, чтобы минимизировать потери энергии на участке в перекрывающей породе. Сердцевина 214В нагревательного участка 212В может иметь желаемый диаметр, чтобы передавать теплоту в подземный пласт (например, пласт, содержащий углеводороды). В отдельных вариантах осуществления сердцевина 214А является медной, а сердцевина 214В выполнена из Сплава 180 или другого ферромагнитного материала.

В отдельных вариантах осуществления сердцевина 214С переходного участка 212С и/или сердцевина 214D переходного участка 212D выполнены по существу из одного и того же материала, что и сердцевина 214А участка 212А в перекрывающей породе. Например, сердцевины 214А, 214С, 214D могут представлять собой медные сердцевины. Таким образом, сердцевины 214А, 214С, 214D могут быть соединены с использованием обычных технологий для соединения аналогичных материалов (например, технологии сварки медь-медь). Сердцевина 214D может быть соединена с сердцевиной 214В с использованием технологий, описанных в этом документе для соединения разных материалов (например, с использованием сварочной присадки, как описано в этом документе).

В отдельных вариантах осуществления сердцевина 214С сужается от большего диаметра к меньшему диаметру вдоль своего участка. Например, сердцевина 214С может сужаться от диаметра сердцевины 214А до диаметра сердцевины 214D, который по существу совпадает с диаметром сердцевины 214В. Таким образом, сердцевина 214С переходит от диаметра сердцевины 214А в участке 212А в перекрывающей породе к сердцевине 214В в нагревательном участке 212В. Сужение сердцевины 214С может быть выполнено, например, путем обработки с уменьшением поперечного сечения путем обжимки или с помощью других технологий сужения медных или аналогичных материалов. Длина сужающейся сердцевины 214С может быть выбрана по желанию так, чтобы являться частью общей длины сердцевины. В одном варианте осуществления длина сердцевины 214С составляет около 5 футов (примерно 1,5 м). В таком варианте осуществления длина сужающейся сердцевины 214С может составлять, например, около 3'' (примерно 7,6 см), около 6'' (примерно 15,2 см) или около 12'' (примерно 30,5 см). Тем не менее, длина сердцевины 214С и длина сужения может меняться, например, в зависимости от общей длины изолированного проводника 212 и/или желаемых свойств участка в перекрывающей породе, нагревательного участка и/или переходных участков изолированного проводника.

Конец с меньшим диаметром сердцевины 214С соединяют (например, приваривают) с сердцевиной 214D. В месте соединения двух сердцевин они имеют по существу один и тот же диаметр. Электрический изолятор 216А и электрический изолятор 216В могут быть размещены вокруг сердцевин внутри оболочки 218. Электрический изолятор 216А может иметь меньший диаметр, чем электрический изолятор 216В, так как электрический изолятор 216А размещают вокруг сердцевин с большим диаметром, в то время как электрический изолятор 216В размещают вокруг сердцевин с меньшим диаметром. В некоторых вариантах осуществления электрический изолятор 216А размещают вплоть до соединения между сердцевиной 214С и сердцевиной 214D или вблизи от него. Аналогично, электрический изолятор 216В может быть размещен вплоть до соединения между сердцевиной 214С и сердцевиной 214D или вблизи от него. В отдельных вариантах осуществления, как показано на фиг. 7, электрический изолятор 216А проходит за пределы конца сердцевины 214С и перекрывается с концом сердцевины 214D. Из-за сужения 214С, зазор 260 может быть выполнен на соединении между сердцевиной 214С и сердцевиной 214D или возле него. Как описано выше для варианта осуществления, изображенного на фиг. 6, зазор 260 может быть заполнен, по меньшей мере, частично электрическим изоляционным материалом во время уплотнения и/или нагревания изолированного проводника в сборе.

Из-за изменения в переходном участке 212С размеров (например, диаметра сердцевины) в переходном участке 212С могут иметь место концентрации электрического поля. Может быть желательно, чтобы такие концентрации электрического поля возникали в таком участке изолированного проводника 212, который является "теплым", а не "горячим" как нагревательный участок 212 В. Переходный участок 212D может обеспечивать переход между нагревательным участком 212В и переходным участком 212С (место, в котором изменяются размеры (диаметр) сердцевины). Переходный участок 212D обеспечивает теплый переход между горячим нагревательным участком 212В и переходным участком 212С, благодаря использованию меди (или аналогичного проводящего материала) в сердцевине переходного участка 212D. Таким образом, теплота от нагревательного участка 212В рассеивается вдоль переходного участка 212D до того, как появятся изменения размеров в переходном участке 212С.

В некоторых вариантах осуществления длина переходного участка 212D составляет около 40 футов (примерно 12 м). Тем не менее, длина переходного участка 212D может меняться, например, в зависимости от общей длины изолированного проводника 212, теплоотдачи в нагревательном участке 212В и/или других механических или электрических свойств компонентов в любых участках 212А, 212В, 212С, 212D изолированного проводника.

Использование соединения 258' или соединения 258'' в изолированном проводнике в сборе для соединения участка в перекрывающей породе с переходным или нагревательным участком позволяет обеспечить, чтобы при непрерывном внешнем диаметре изолированного проводника в сборе в участке в перекрывающей породе изолированного проводника имелся больший проводник. Больший проводник в участке в перекрывающей породе минимизирует потери энергии или потери тока в перекрывающей породе. Соединение 258' и соединение 258'' повышают надежность изолированного проводника путем устранения необходимости в отдельном внешнем соединительном компоненте. Соединение 258' и соединение 258'' также сокращают общие издержки для изолированного проводника путем устранения издержек, связанных с отдельным соединительным компонентом, и/или путем сокращения времени сборки изолированного проводника. Время сборки изолированного проводника может быть сокращено, благодаря устранению необходимости в отдельном соединительном компоненте, и/или потому что использование соединения 258' и/или соединения 258'' позволяет выполнить изолированный проводник, применяя существующие процессы производства с минимальными изменениями. Непрерывный внешний диаметр изолированного проводника в сборе может быть намотан на катушку меньшего диаметра, размер которой выбирают, исходя из ограничений деформации изолированного проводника, а не места соединения (стыка). Изолированный проводник можно легко установить в скважину в подземном пласте с катушки меньшего диаметра.

Следует понимать, что изобретение не ограничено определенными описанными системами, которые, конечно, можно изменять. Также следует понимать, что используемая в этом документе терминология применяется только для описания отдельных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения. Используемые в этом описании формы единственного числа включают в себя формы множественного числа, если обратное не указано явно. Таким образом, например, упоминание слова "сердцевина" включает в себя сочетание двух или более сердцевин, а упоминание слова "материал" включает в себя смеси материалов.

В виду этого описания специалистам в области техники станут понятны дополнительные модификации и альтернативные варианты осуществления различных аспектов изобретения. Соответственно, это описание следует истолковывать только как иллюстративное, используемое для доведения до специалистов в области техники общего способа реализации изобретения. Следует понимать, что показанные и описанные в этом документе формы изобретения приняты в качестве предпочтительных вариантов осуществления. Элементы и материалы, проиллюстрированные и описанные в этом документе, могут быть заменены, части и процессы могут быть выполнены в обратном порядке, а определенные признаки изобретения могут быть использованы независимо, как очевидно специалистам в области техники, после получения преимущества этого описания изобретения. В элементы, описанные в этом документе, могут быть внесены изменения, не отклоняясь от сущности и объема изобретения, описанного в прилагаемой формуле изобретения.

1. Способ соединения нагревательного участка и участка в перекрывающей породе нагревателя с изолированным проводником, содержащий этапы, на которых:

соединяют сердцевину нагревательного участка с сердцевиной участка в перекрывающей породе, при этом диаметр сердцевины нагревательного участка меньше, чем диаметр сердцевины участка в перекрывающей породе;

размещают первый изоляционный слой на сердцевине нагревательного участка так, что, по меньшей мере, часть концевого участка сердцевины нагревательного участка остается открытой;

размещают второй изоляционный слой на сердцевине участка в перекрывающей породе, так что второй изоляционный слой проходит по открытому участку сердцевины нагревательного участка, причем толщина второго изоляционного слоя меньше, чем толщина первого изоляционного слоя, а внешний диаметр участка в перекрывающей породе по существу равен внешнему диаметру нагревательного участка; и

размещают внешний электрический проводник вокруг нагревательного участка и участка в перекрывающей породе.

2. Способ по п. 1, который дополнительно содержит этап, на котором уплотняют изолированный проводник, чтобы сократить площадь поперечного сечения внешнего электрического проводника и сжать первый изоляционный слой и второй изоляционный слой внутри внешнего электрического проводника.

3. Способ по п. 2, в котором уплотнение второго изоляционного слоя заполняет зазор между вторым изоляционным слоем и открытым участком сердцевины нагревательного участка.

4. Способ по п. 1, в котором сердцевина нагревательного участка содержит медь и никель.

5. Способ по п. 1, в котором сердцевина участка в перекрывающей породе содержит медь.

6. Способ по п. 1, в котором первый изоляционный слой содержит окись магния.

7. Способ по п. 1, в котором второй изоляционный слой содержит окись магния.

8. Способ по п. 1, в котором первый изоляционный слой содержит один или несколько блоков изоляции.

9. Способ по п. 1, в котором второй изоляционный слой содержит один или несколько блоков изоляции.

10. Способ соединения нагревательного участка и участка в перекрывающей породе нагревателя с изолированным проводником, содержащий этапы, на которых:

соединяют сердцевину нагревательного участка с сердцевиной первого переходного участка, при этом диаметр сердцевины переходного участка по существу равен диаметру сердцевины нагревательного участка;

соединяют сердцевину первого переходного участка с сердцевиной второго переходного участка, при этом диаметр сердцевины второго переходного участка изменяется от значения, по существу равного диаметру сердцевины первого переходного участка в соединении между сердцевиной первого переходного участка и сердцевиной второго переходного участка, до большего диаметра вдоль протяженности сердцевины второго переходного участка;

соединяют сердцевину второго переходного участка с сердцевиной участка в перекрывающей породе, при этом диаметр сердцевины участка в перекрывающей породе по существу равен большему диаметру сердцевины второго переходного участка;

размещают первый изоляционный слой на сердцевине нагревательного участка и, по меньшей мере, части сердцевины первого переходного участка;

размещают второй изоляционный слой на сердцевине участка в перекрывающей породе и, по меньшей мере, части сердцевины второго переходного участка, при этом толщина второго изоляционного слоя меньше, чем толщина первого изоляционного слоя; и

размещают внешний электрический проводник вокруг первого изоляционного слоя и второго изоляционного слоя, причем внешние диаметры нагревательного участка, первого переходного участка, второго переходного участка и участка в перекрывающей породе по существу одинаковы вдоль протяженности нагревателя с изолированным проводником.

11. Способ по п. 10, который дополнительно содержит этап, на котором уплотняют изолированный проводник, чтобы сократить площадь поперечного сечения внешнего электрического проводника и сжать первый изоляционный слой и второй изоляционный слой внутри внешнего электрического проводника.

12. Способ по п. 11, в котором уплотнение второго изоляционного слоя заполняет зазор между вторым изоляционным слоем и открытым участком сердцевины нагревательного участка.

13. Способ по п. 10, в котором сердцевина первого переходного участка, сердцевина второго переходного участка и сердцевина участка в перекрывающей породе содержат по существу один и тот же материал.

14. Способ по п. 13, в котором сердцевина нагревательного участка содержит материал, отличный от материала сердцевины первого переходного участка, второго переходного участка или сердцевины участка в перекрывающей породе.

15. Способ по п. 10, в котором сердцевина нагревательного участка содержит медь и никель.

16. Способ по п. 10, в котором сердцевина участка в перекрывающей породе содержит медь.

17. Способ по п. 10, в котором сердцевина первого переходного участка содержит медь.

18. Способ по п.10, в котором сердцевина второго переходного участка содержит медь.

19. Способ по п. 10, в котором первый изоляционный слой и второй изоляционный слой содержат окись магния.

20. Соединение между нагревательным участком и участком в перекрывающей породе нагревателя с изолированным проводником, содержащее:

первый переходный участок, содержащий сердцевину, имеющую диаметр, по существу равный диаметру сердцевины нагревательного участка;

второй переходный участок, содержащий сердцевину, соединенную с сердцевиной первого переходного участка, при этом диаметр сердцевины второго переходного участка изменяется от значения, по существу равного диаметру сердцевины первого переходного участка в соединении между сердцевиной первого переходного участка и сердцевиной второго переходного участка, до большего диаметра вдоль протяженности сердцевины второго переходного участка, причем диаметр сердцевины участка в перекрывающей породе по существу равен большему диаметру сердцевины второго переходного участка;

первый изоляционный слой, размещенный на сердцевине нагревательного участка и, по меньшей мере, части сердцевины первого переходного участка;

второй изоляционный слой, размещенный на сердцевине участка в перекрывающей породе и, по меньшей мере, части сердцевины второго переходного участка, при этом толщина второго изоляционного слоя меньше, чем толщина первого изоляционного слоя; и

внешний электрический проводник, размещенный вокруг первого изоляционного слоя и второго изоляционного слоя, причем внешние диаметры нагревательного участка, первого переходного участка, второго переходного участка и участка в перекрывающей породе по существу одинаковы вдоль протяженности нагревателя с изолированным проводником.

21. Соединение по п. 20, в котором первый изоляционный слой, по меньшей мере, частично перекрывает сердцевину первого переходного участка.

22. Соединение по п. 20, в котором сердцевина первого переходного участка, сердцевина второго переходного участка и сердцевина участка в перекрывающей породе содержат по существу один и тот же материал.

23. Соединение по п. 22, в котором сердцевина нагревательного участка содержит материал, отличный от материала сердцевины первого переходного участка, второго переходного участка или сердцевины участка в перекрывающей породе.

24. Соединение по п. 20, в котором сердцевина нагревательного участка содержит медь и никель.

25. Соединение по п. 20, в котором сердцевина участка в перекрывающей породе содержит медь.

26. Соединение по п. 20, в котором сердцевина первого переходного участка содержит медь.

27. Соединение по п. 20, в котором сердцевина второго переходного участка содержит медь.

28. Соединение по п. 20, в котором первый изоляционный слой и второй изоляционный слой содержат окись магния.

29. Соединение по п. 20, в котором внешний электрический проводник содержит нержавеющую сталь.

30. Соединение между нагревательным участком и участком в перекрывающей породе нагревателя с изолированным проводником, содержащее переходный участок, содержащий сердцевину, соединенную с сердцевиной другого переходного участка, причем диаметр сердцевины переходного участка изменяется от диаметра, по существу равного диаметру сердцевины переходного участка в месте соединения между сердцевиной переходного участка и сердцевиной другого переходного участка, до большего диаметра вдоль протяженности сердцевины другого переходного участка.