CN1010864B - 安装电加热器到井中的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一个井用加热器使用电源和加热电缆的卷筒装置安装在井中，电缆以正确的顺序绕卷在至少一个卷筒装置上，把它们松卷，并把它们固定在一个具有热和张力稳定性的支撑装置上，从而通过加到支撑装置上的重量拉入到井中。

Description

本发明是关于组成和安装电加热器的方法和装置，这个加热器能加热地下一长段的地层，要求的话，可安排一根从地面延伸到加热地段的热电偶套管以便于记录温度。

把一段地层加热到较高的温度，并经过一个较长的时间后所得到的效益是众所周知的。这些效益包括油页岩层的热分解，固化未凝固储层结构，在储层结构中大量可用来作电极的导电碳化层的形成，从油或焦油到生产场所得到的碳氢化合物热量的移动等。过去完成这些结果的方法包含在以下几个美国的专利中，美国专利2，732，195描述了使用一个铁或再生的铬合金电阻器的加热器，将20到30米厚的油页岩层加热到500-1000℃。G.A.史密斯的美国专利2，781，851描述了使用一种矿物绝缘和具有外皮的低电阻的有三根铜导线的加热器电缆加热到250℃，当产生气体时，以防止水合物的形成;这个加热器用机械的方法用钢带架住，并用油浴围住以防腐蚀。美国专利3，104，705描述了将残余的碳氢化合物在储层中加热，来强化砂储层直到碳氢化合物固化。它使用的是产生足够热量的任何加热器，并指出使用未特别指定型式的电气加热器，在1570°F的温度下工作了25小时。美国专利3，131，763描述了使用一个电加热器在一个储层中引燃一个地下燃烧反应，并描述了使用一个螺旋形电阻丝的电加热器，穿过绝缘体用来加热被注射到储层中的流体，例如空气，美国专利4，415，034描述了在一个未加壁的井孔中，加热流体至1500°F长达12个月，使含有油的储层中形成一个焦化层电极的一种方法。

本发明的目的是提供一种在井中安装一个电加热器的方便方法。

根据本发明一个电缆卷筒装置把电缆卷绕在至少一个滚筒上，这样的安排使得至少有一根电源电缆的最里面的一个端头，适合于随后连接到供电电源上;而最外面的一个端头接到一根金属铠装的具有热稳定性的电力传输电缆上。这一传输电缆是连 接到至少一根有金属铠装的电阻加热电缆上，它具有最外面的一个端头，这一端头适合于电气相互连接到至少另一根有金属铠装的具有稳定性的加热电缆上，或另一个完整的导电电路上，一个比较有柔性的绞股绳，安装在单独的一个卷筒装置上，它具有热和张力的稳定性，它在井中，在加热电缆所提供的温度下，能够支撑住加热器和电力传输电缆的重量，它的最里的一个端头适用于挂悬在井口中，它的最外面的一个端头适合于连结在加重装置上，这一加重装置在井中能够把绞股绳向下拉紧，将卷筒装置的滚筒所造成的弯曲部分基本上整直。所述电缆、绞股绳和卷筒装置的滚筒的尺寸和特性，是与井，被加热地段以及所要求达到的温度相互有关。所以电源电缆，有金属铠装的电力传输电缆，加热电缆以及柔性的绞股绳，分别选择，使其能从所在地面延伸到地下，使电力传输电缆和加热电缆的每一个最上面的端头到达所选定的位置，使加热电缆底部以下到达所选定的距离。电缆的电阻是这样安排的，使要求传输的电流能产生所要使用的温度，但不会使电源电缆或电力传输电缆产生明显的热量。这些电缆和柔性绞股绳由于重物缚在柔性绞股绳上。而同时松卷进入井中，而加热器电缆的最外面的端头是相互连接的，所有的电缆在放入井中之前则是系在柔性绞股绳上。

在最佳的实施方案中，柔性绞股绳可以是一根可绕卷的，具有热稳定性的，能够作为一根热电偶的套管的导管，通过它使一个记录温度仪器能够在所在地面操作，沿着被加热区段的距离处来测定温度。

现参考附图对本发明进行详细描述，其中：

图1是一个加热器的图解，它能根据本发明安装在井中。

图2是一对电源电缆的最佳安排图解。它们均连接到电力传输电缆和加热电缆上，并绕卷在一个单独的滚筒上。

图3和图4是具有铜和钢铠装金属电缆的接头图解，它适用于本发明中的电缆连接。

图5是安排一对加热电缆底端相互连接的三维图解，适用于本发明中。

图6是安排一个供电电路的图解说明，适合用于按照本发明安装的一个加热器上。

申请人已发现根据本发明的方法可方便地制造和安装一个电加热器。电源、传输和加热等电缆，以及支持它们重量用的一根柔性绞股绳的尺寸和特性，应与井、被加热地层段以及加热器所传导的温度的特性相互关联。当部分或全部所有电缆安装在一个卷筒装置的滚筒上后，所有电缆需要的完整的安装和连接能够实现。这就提供一个卷筒装置，它能够运到现场并在那里操作安装长的加热器至井中，其速度基本上可与捆扎或夹紧在一起的股绳一样连续运行。在最佳实施方案中，支持重量的绞股绳是一根连续的不锈钢管，结果使加热器能与记录系统同时使用，来提供一个自动监测加热系统。

图1表示一个井1，它有一个井筒2，延伸经过一层“表土层”以及需要加热的地段3、4、5。井筒2装有一个如焊接封闭的流体密封底盖6，例如它可以使用一种水泥浆（未在图中示出），或诸如一种具有热稳定性但又能传热的水泥。

这样防止井中流体流动的完善安排很好的使用在本发明中。它可以提供一个装置来保证钻井孔中的热量能传导到周围的地层中，并可防止流体在周围地层和被不可渗透的墙（例如一个井筒）包围着的加热器之间有任何流动。这样使加热元件与从邻近地层流入或流出来的流体接触隔绝起来，并将它们置于一个基本上没有由于被加热流体的流动而产生热传导的环境中。因此，从钻井孔中移走的加热元件产生的热的速率，基本上限制为经过邻近井的加热部分的地层的热传导速率。

从图的顶部往下可看到，加热器组件包括一对可卷绕的供电电缆7，它已从卷筒8进入到井中。特别合适的可卷绕的电缆是由高度压缩的氧化镁矿物微粒绝缘的铜导线组成，而这些绝缘体又被铜外皮包住。BICC    Pyrotenax公司生产的MI电源电缆就是这种电缆。

电缆接头9是用来将电源电缆7和具有热稳定性的，在“冷断面”c的电力传输电缆13连接。电缆13在加热器装置热断面H之上具有一个冷断面。（接头9的详细情况见图3所示）。冷断面电缆13以及电源电缆，它们连接在一起的接头是一个能很好地卷绕的电缆结构，如图3所示。每一根冷断面电缆13各有一层金属外皮，它们的直径与电源电缆相近，但它们是用钢，最好或者基本上相当于不锈钢构成。与电源电缆7有关，冷断面电缆13的导线或芯子截面是较小的，但是足够大，以便冷断面电缆能传输到H加热地段中所需要的全部电流，而不会发生或传导更 多的热量，来损坏电源电缆上的铜或其他外皮，或损坏电源电缆与冷断面电缆接头。

在接头14，冷断面电缆13连接到中等速率加热元件电缆15上（接头14的详细描述如图4所示）。在中等加热速率电缆15中，它的芯子如铜心的截面积是小于冷断面电缆13的芯子。电缆15中，截流芯子的截面积与电缆13中载流芯子的电阻间的相互关系，最好是这样，即电缆15所产生的选定的温度约在600-1000℃之间，响应于在芯子和外皮之间所选定的电动势大约不超过1200伏。自然，在给定情况下，所用的电缆可以包括多个较高或较低速率的分级电缆。

接头16是用来连接中等速率加热电缆15与最高速率加热电缆17。电缆15和17以及接头16和18的结构是相同的，所不同的是在给定的电动势情况下，电缆17所包含的导线芯子有较小的截面积，以便使发出的热量的速率稍大于中等速率加热电缆15所发出的热量。

接头18连接最高速率加热电缆17与中等速率加热电缆19。接头18可以与接头16相同，电缆19可以与电缆15相同。

在端部接头20上，电缆19的导电芯子在一个容器内被焊接在一起，但在容器中相互绝缘（端部接头20的详细情况见图5所示）。如果要求的话，可安装一个单独组件的电气电缆，来作为一个单独加热引线来供给加热电缆19到一个不同于其他加热电缆的导线（例如地线或回线）。

端部接头20以机械方法连接到一个支撑构件21上，这个构件被加上一个重锤杆22。设置支撑构件21的目的是，借助按间隔安装的机械连结托架或箍带23，给所有的电源电缆和加热电缆在垂向提供支撑。箍带如23是加装到电缆19和支撑构件21周围，并加以紧固。这样，电缆与重量支持构件的摩擦，是足够来架住每个箍带间电缆的重量。机械夹箍或夹紧装置是经一个卡圈施加紧固力，然后卷折卡圈，将一根柔性箍带如钢带牵拉住保持在一定的位置。这是商业上常用的方法，也可以适用于本发明中。例如一个合适的夹紧系统包括Signode空气扎结器（型号PNSC34）和其他由Reda或Centrilift    Pump公司生产的合适系统也可以利用。

如图1所示，被加热的地层区段包括一个比较高的热传导层如层4，这一层的趋势是使沿着加热器的一个较低温度层能够被补偿，例如用拼接上一个比较高速率的加热电缆段，如电缆17。

图2表示一种排列，将一根或二根电缆组件如图1所示，卷绕到一个卷筒装置8的滚筒上。如图所示，电源电缆7的最里面端头（相对于卷筒装置）装有一个端片7a，它是一个导线或连接一个导线以便连接到电源。电缆是绕卷在卷筒装置8的滚筒表面8a上。电缆7的最外端用接头9与电缆13连接，而电缆13通过接头14与电缆15连接等等。这样的连结最好是在绕卷到卷筒装置上之前或当时完成。如果用一对电缆组成一个有二个引线的加热器，而这二根电缆组件是卷绕在同一个滚筒上，当它们安装到井中时，用来互相连结加热器电缆一个端接头20，在电缆松绕和支撑构件21接触之前能容易地与加热器连结。

图3详细图解了接头9。如图所示，电源电缆7有一个金属外皮（比如一个铜皮），它的直径大于冷断面电缆13的钢外皮。两个电缆的中央导线最好是焊接在一起。再配装上一个较短的套管30，然后将它与电缆7的金属外皮焊接或钎接。套管30的内径最好有足够大，使它与电缆13钢外皮之间形成一个环形空间，以便容纳一个短的钢套管31，装配在电缆13外皮的周围。在短套管31装入之前，基本上在中央导线10和10a与套管30之间的全部环形空间，充以粉末状矿物绝缘材料如氧化镁。这样，绝缘材料在两个环形空间，中央导线和套管30，及套管30之间很好的淤积。电缆13的外皮最好振动一下使内部矿物质更坚实些。然后将套管31打入套管30和电缆13外皮之间空间内，使得内部的矿物质更进一步坚实。套管30和31与电缆13的外皮相互焊接在一起。

图4详细说明电缆接头14，它也是其他具有钢外皮的加热电缆接头如16、18的典型详图。接头的结构基本上是与接头9相同。但安装的钢套管32是用机械加工或焊接而成，使它的一个截面32a的内径减小以便配装电缆13的外皮。并使另一端有较大的直径，以便套管32与电缆15外皮之间留有一个环形的空间。在中央导线部分焊接在一起之后，将套管部分32a焊到电缆13的外皮上。套管32和中央导线之间的环形空间中，充以粉末状绝缘材料。把一个短套管33打入，使绝缘材料坚实，然后将套管33焊在电缆15的外皮上。

图5是说明端部接头20的详图。如图所示，电缆19是经过孔伸入到一个钢块20中，使短段19a伸到钢 块中央部分圆柱形开口中。电缆的导电芯子在焊点34焊接在一起，电缆外皮在焊点35处与钢块20焊在一起。最好，电缆的中央导线由具有热稳定性的绝缘体围住，例如坚实的粉末状矿物颗粒和/或陶瓷材料小片（未图示），然后中央开口用钢片焊上密封（未图示）。如图1所示，加热器是利用将它系于一个延长了的圆柱形构件21上而支撑住，沿着端部接头20的外部，最好开一个槽36，以便能紧密配合构件和易于在构件上附加端片。

当一个井加热器放到井孔中，并在温度大于600℃下操作时，如何使加热器能够定位并保持在这一位置上（经过一段任意长的时间），载荷（也就是重量/重量支撑元件的截面积），热膨胀、蠕变这三个因数是起着很重要的作用。例如，加热器的构造和安装如图1所示，中央构件21是一根不锈钢管，它的直径为1.25厘米，管壁厚为1.8厘米。由于钢和铜的热膨胀系数约为13×10^-6/cm²，℃，一根长300米的加热段，当温度达800℃时将膨胀到304米。

当使用如图1所示安排时，空间是允许有这样的膨胀，加热器最好先定位，这样在膨胀以后，下面部分在压缩负荷下承受其重量（因为它是放在井孔的底部或周围的井筒上），而上面部分悬挂着而处在拉伸状态下，中性点的位置是近于它们的中间。

加热器的不锈钢构件由于不锈钢的蠕变速率，在典型员载因数下约为490巴。那末在温度700℃下，如果它们在未破损之前，300米长的加热段，每小时将增长0.026厘米，或每年266厘米，或每十年27米。

Claims (6)

1、一种安装电加热器到井中的方法，其特征在于包括：

把电缆卷绕和排列在至少一个卷筒装置的滚筒上，它至少含有一根电源电缆，电缆最里面的一端是接到地面上的供电电缆，而电缆的最外面的一端则接到一个或一系列头尾相接的有金属外皮，具有热稳定性的电力传输电缆上，它依次拼接到一个有金属外皮的温度稳定的加热电缆上，加热电缆最外面的一端连结到或者合适地连接到至少另一根加热电缆或另一个电路完整的导线上；

绕卷一根较有柔性并具有热和张力稳定性的绞股绳，它在井中在所述加热电缆所提供的温度下，可以支撑所述所有电缆的重量，加热电缆用绞股绳将一个最里面的端头安排到能够悬挂在井口中，而其最外面的端头固定到一个重物上，来牵拉这根绞股绳至井中；

所述的电缆和绞股绳的尺寸和特性是相互有关联的，这样，电源电缆、电力传输电缆、加热器电缆和绞股绳安排得有一定的长度以便(a)从地面分别延伸到电力传输电缆和加热电缆的顶部及加热器电缆和重量支撑绞股绳的底部所选定的深度，(b)当接通电流，电缆内的电阻应能产生所要求的温度使一段地层加热，而加热地层以上部分只有不太明显的热量产生；

当重量支持装置固定在绞股绳的最外面一端，将所述的电缆和重量支持绞股绳同时松卷放入井中，在上述工序完成之前，加热电缆间应相互连接，并将所有电缆固定到绞股绳的几个部位上。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于井含有一个井筒，在它的底部密封，在它的内部则安装电缆和绞股绳。

3、按照权利要求1所述的方法，其特征在于被加热的区段可大于30米，它要加热的温度可高于600℃。

4、按照权利要求1所述的方法，其特征在于电缆相互连接是拼接电源电缆和电力传输电缆，这样做是使这些大部分的所述电缆最里面的端头配置在卷筒装置的滚筒上。

5、按照权利要求4所述的方法，其特征在于一个卷筒装置的滚筒含有一对加热电缆，当大部分电缆配装在滚筒上时，加热电缆的外面端头是相互电气连接的。

6、按照权利要求1所述的方法，其特征在于三根加热电缆以及有关的电源电缆都与三相电源系统连接。

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