CN101454536B

CN101454536B - 加热器、利用所述加热器加热地下地层的方法以及所生产的烃组合物和运输燃料

Info

Publication number: CN101454536B
Application number: CN200780014245.8A
Authority: CN
Inventors: J·M·维泰克; M·P·布雷迪; J·A·小霍顿
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2027-04-20
Also published as: CN101427004B; CN101553640A; CN101563523A; CN101427004A; CN101454536A; CN101563523B; CN101553640B; CN101466914B; CN101466914A

Abstract

一种加热器包括铁磁导体和电导体。所述电导体与所述铁磁导体电耦连。所述加热器在较低温度下提供第一热量。当加热器达到选定温度或进入选定温度范围时，其可提供第二降低的热量，其中在所述选定温度或选定温度范围下铁磁导体发生相变。

Description

加热器、利用所述加热器加热地下地层的方法以及所生产的烃组合物和运输燃料

政府权益

根据UT-Battelle，LLC之间按照美国能源部与Shell开发与生产公司之间的总合同No.DE-AC05-000R22725签订的协议No.ERD-05-2516，美国政府对本发明拥有一定的权利。

技术领域

本发明主要涉及具有限温性质的加热器。具体的实施方案涉及处理地下地层例如含烃地层以从地层生产烃、氢气和/或其它产物中使用的加热器。

背景技术

从地下地层中获得的烃常常用作能源、作为原料和作为消费品。对可获得的烃源耗尽的担心和对所生产的烃的总质量下降的担心已经导致开发了更加有效地采收、加工和/或使用可获得的烃源的方法。可使用原位法从地下地层中移出烃物质。可能需要改变地下地层内的烃物质的化学和/或物理性能，以允许烃物质更加容易地从地下地层中移出。化学和物理改变可包括产生可移出流体、导致地下地层中烃材料组成改变、溶解度改变、密度改变、相变和/或粘度改变的原位反应。流体可以是但不限于气体、液体、乳液、淤浆和/或具有与液体流动类似流动特征的固体颗粒的物流。

可在井孔中放置加热器以在原位法期间加热地层。在Ljungstrom的美国专利No.2,634,961、Ljungstrom的美国专利No.2,732,195、Ljungstrom的美国专利No.2,780,450、Ljungstrom的美国专利No.2,789,805、Ljungstrom的美国专利No.2,923,535和Van Meurs等人的美国专利No.4,886,118中描述了使用井下加热器的原位法的实例。

Ljungstrom的美国专利No.2,923,535和Van Meurs等人的美国专利No.4,886,118中描述了对油母页岩地层施加热量。可对油母岩地层施加热量以使油母岩地层中的油母质热解。热量也可使地层破裂以增加地层的渗透性。增加的渗透性可允许地层流体流动至生产井，在那里将流体从油母岩地层中移出。在Ljungstrom公开的一些方法中，例如将含氧气体介质(优选来自预热步骤仍然是热的含氧气体介质)加入可渗透地层中以引发燃烧。

可使用热源以加热地下地层。可使用电加热器通过辐射和/或传导以加热地下地层。加热器可电阻加热元件。Germain的美国专利No.2,548,360描述了放置于井孔中的粘性油中的电加热元件。所述加热器元件加热和稀释油以允许油从井孔泵送出来。Eastlund等人的美国专利No.4,716,960描述了通过将相对低压的电流流经管道实现对石油井管道的电加热从而防止固体形成。Van Egmond的美国专利No.5,065,818描述了固定于井眼中不带有围绕加热元件的套管的电加热元件。

Vinegar等人的美国专利No.6,023,554描述了放置于套管中的电加热元件。电加热元件产生的辐射能量加热套管。可在套管和地层之间放置粒状固体填充材料。套管可传导加热填充材料，所述填充材料接着电导加热地层。

一些加热器可因为地层中的热点而产生故障或中止运行。如果沿加热器任意点的温度超出或将要超出加热器的最大操作温度时，可能需要降低供应至整个加热器的功率以避免加热器中止运行和/或地层中热点处或附近处地层的过热。一些加热器在加热器达到一定温度极限之前，可能不会沿加热器长度提供均匀的热量。一些加热器可能不会有效加热地下地层。因此，获得沿加热器长度上提供均匀热量、有效加热地下地层、当一部分加热器达到选定温度时提供自动温度调节和/或在低于选定温度时具有基本线性的磁性能和高功率因数的加热器是有利的。使用限定在等于或接近加热器中铁磁材料的居里温度和/ 或等于或接近铁磁材料的相变温度范围下的加热器可能是有利的。使用铁磁材料的居里温度和/或相变温度范围增大了限温加热器中可使用的冶金方法的范围。

发明内容

本文所述实施方案主要涉及用于处理地下地层的系统、方法和加热器。本文所述实施方案也主要涉及其中含有新组件的加热器。可通过使用本文所述的系统和方法获得该加热器。

在一些实施方案中，本发明提供一种或多种系统、方法和/或加热器。在一些实施方案中，该系统、方法和/或加热器用于处理地下地层。

在一些实施方案中，本发明提供加热器，所述加热器包括：铁磁导体；和电导体，所述电导体与所述铁磁导体电耦连；其中设计加热器以在较低温度下提供第一热量，和设计加热器以当加热器达到选定温度或进入选定温度范围时提供减少的第二热量，其中在所述选定温度或选定温度范围下铁磁导体发生相变。

在另外的实施方案中，一些实施方案的特征可与其它实施方案的特征组合。例如一个实施方案的特征可与任意其它实施方案的特征组合。

在另外的实施方案中，使用本文所述的任意方法、系统或加热器处理地下地层。

在另外的实施方案中，本文所述的具体实施方案可加入附加特征。

附图说明

在受益于下述详细说明和参考附图的情况下，本发明的优点对于本领域的技术人员来说将变得显而易见，其中：

图1描述了对加热含烃地层的阶段的说明。

图2给出了用于处理含烃地层的原位热处理系统的一部分的实施方案的示意图。

图3、4和5描述了限温加热器的实施方案的剖面图示例，所述限温加热器具有含铁磁段和非铁磁段的外部导体。

图6、7、8和9描述了限温加热器的实施方案的剖面图示例，所述限温加热器具有放置于护套中的含铁磁段和非铁磁段的外部导体。

图10描述了限温加热器的实施方案，其中支撑构件提供低于铁磁导体的居里温度的大部分热输出。

图11和12描述了限温加热器的实施方案，其中夹套提供低于铁磁导体的居里温度的大部分热输出。

图13描述了相对于铁合金TC3的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。

图14描述了相对于铁合金FM-4的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。

图15描述了几种铁合金的居里温度和相变温度范围。

图16描述了相对于含有5.63wt％钴和0.4wt％锰的铁-钴合金的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。

图17描述了相对于含有5.63wt％钴、0.4wt％锰和0.01％碳的铁-钴合金的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。

图18描述了相对于含有5.63wt％钴、0.4wt％锰和0.085％碳的铁-钴合金的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。

图19描述了相对于含有5.63wt％钴、0.4wt％锰、0.085％碳和0.4％钛的铁-钴合金的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。

图20描述了相对于含有12.25wt％铬、0.1wt％碳、0.5wt％锰和0.5wt％硅的铁-铬合金的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。

尽管本发明易于进行各种改进和替代形式，但其具体实施方案通过在附图内通过实施例方式给出，和可在此详细描述。附图可能不是按比例的。然而应当理解，附图及其详细说明不用于限定本发明于所公开的特定形式，相反，本发明拟覆盖落在所附权利要求定义的本发明的精神与范围内的所有改进、等价和替代方案。

具体实施方式

下述说明主要涉及处理地层内的烃的系统与方法。可处理该地层以产生烃产物、氢和其它产物。

“交流电(AC)”指基本按正弦曲线改变方向的随时间变化的电流。AC在铁磁导体中产生趋肤效应电流动。

在降低的热输出加热系统、装置和方法的上下文中，术语“自动地”表示该系统、装置和方法无须使用外部控制(例如以具有温度传感器和反馈回路的控制器、PID控制器或预测控制器为例的外部控制器)而发挥功能。

“居里温度”是在这个温度之上铁磁材料失去其所有铁磁性质的温度。除去在居里温度之上失去所有铁磁性质之外，当渐增的电流流经铁磁材料时，铁磁材料开始失去其铁磁性质。

“地层”包括一层或多层含烃层、一层或多层非烃层、上覆地层和/或下伏地层。“烃层”指地层中含烃的层。烃层可包含非烃材料和烃材料。“上覆地层”和/或“下伏地层”包括一类或更多不同类的不可渗透材料。例如上覆地层和/或下伏地层可包括岩石、页岩、泥岩或湿/致密碳酸盐。在原位热处理法的一些实施方案中，上覆地层和/或下伏地层可包括一层含烃层或多层含烃层，所述含烃层相对不可渗透和没有经历导致上覆地层和/或下伏地层中含烃层显著特性变化的原位热处理期间的温度。例如下伏地层可包含页岩或泥岩，但原位热处理法期间不允许加热下伏地层至热解温度。在一些情况下，上覆地层和/或下伏地层可具有一定的渗透性。

“地层流体”是指存在于地层内的流体，和可包括热解流体、合成气、运动烃和水(蒸汽)。地层流体可包括烃流体以及非烃流体。术语“运动流体”是指作为热处理地层的结果能流动的含烃地层内的流体。“产生的流体”是指从地层移出的流体。

“热源”是基本通过传导和/或辐射传热提供热量到至少一部分地层的任意系统。例如热源可包括电加热器，例如绝缘导体、细长构件和/或在导管内布置的导体。热源也可包括通过在地层外部或者内部燃烧燃料生成热的系统。该系统可以是表面燃烧器、井下气体燃烧器、无火焰分布式燃烧器和自然分布式燃烧器。在一些实施方案中，可通过其它能源供应在一个或多个热源内提供或生成的热量。其它能源可直接加热地层，或者可施加能量到传递介质上，所述传递介质直接或间接加热地层。应理解向地层施加热量的一个或多个热源可使用不同的能源。因此，例如对于给定的地层来说，某些热源可由电阻加热器供应热量，某些热源可由燃烧提供热量，而某些热源可由一种或多种其它能源(例如化学反应、太阳能、风能、生物物质或其它可再生的能源)提供热量。化学反应可包括放热反应(例如氧化反应)。热源也可包括提供热量到与加热位置相邻的区域和/或在其周围的区域的加热器例如加热器井。

“加热器”是在井内或者在附近的井孔区域内生成热的任意系统或热源。加热器可以是但不限于电加热器、燃烧器、与在地层内的材料或者从地层中产生的材料反应的燃烧器和/或它们的组合。

“烃”通常定义为主要由碳和氢原子形成的分子。烃也可包括其它元素，例如但不限于卤素、金属元素、氮、氧和/或硫。烃可以是但不限于油母质、沥青、焦沥青、油、天然矿物蜡和沥青矿。烃可位于地壳内的矿物母岩内或者与之相邻。母岩可包括但不限于沉积岩、砂子、沉积石英岩、碳酸盐、硅藻土和其它多孔介质。“烃流体”是包含烃的流体。烃流体可包含、夹带或者被夹带在非烃流体内，所述非烃流体例如氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水和氨气。

“原位转化法”指通过热源加热含烃地层以将至少一部分地层的温度提升至高于热解温度从而在地层中产生热解流体的方法。

“原位热处理法”是指用热源加热含烃地层以将至少一部分地层的温度升高到导致流体流动、减粘和/或含烃材料热解的温度之上从而在地层中生成流动的流体、减粘流体和/或热解流体的方法。

“绝缘导体”指能够导电和全部或部分被电绝缘材料覆盖的任意细长材料。

“热解”是由于施加热量导致的化学键断裂。例如热解可包括通过单独加热将化合物转化成一种或多种其它物质。热量可转移到一部分地层以引起热解。

“热解流体”或“热解产物”是指基本上在热解烃期间产生的流体。通过热解反应产生的流体可与地层内的其它流体混合。该混合物将被视为热解流体或热解产物。本文所使用的“热解区”是指反应了或者正在反应形成热解流体的地层体积(例如相对可渗透的地层，如焦油砂地层)。

“随时间变化的电流”指铁磁导体中趋肤效应电流动产生的和具有随时间变化的数值的电流。随时间变化的电流包括交流电流(AC)和调制的直流电流(DC)。

限温加热器的“调节比”是对于给定的电流，低于居里温度下的最高AC或调制的DC电阻与高于居里温度下的最低电阻之间的比。

术语“井孔”是指通过在地层内钻探或者插入导管形成的地层内的孔。井孔可具有基本上圆形的截面，或者为其它截面形状。本文所使用的术语“井”和“开口”当是指在地层内的开口时，可与术语“井孔”互换使用。

可以多种方式处理地层中的烃以生产多种不同的产物。在一些实施方案中，地层中的烃分阶段进行处理。图1描述了对加热含烃地层的阶段的说明。图1还描述了来自地层的地层流体以桶油当量/吨计的产率(“Y”)(y轴)对以℃计的加热地层的温度(“T”)(x轴)的实例。

在阶段1加热期间出现了甲烷的解吸和水的汽化。通过阶段1加热地层可以尽可能迅速地进行。例如当最初将含烃地层加热时，地层中的烃解吸所吸附的甲烷。可以从地层中生产解吸的甲烷。如果将含烃地层进一步加热，则含烃地层中的水汽化。在一些含烃地层中，水可以占据地层中的孔体积的10-50％。在其它地层中，水占据更大或更小部分的孔体积。水通常在地层中在160-285℃在600-7000kPa绝压的压力下汽化。在一些实施方案中，汽化的水导致地层中的润湿性变化和/或增加的地层压力。该润湿性变化和/或增加的压力可以影响地层中的热解反应或其它反应。在一些实施方案中，从地层中生产汽化的水。在其它实施方案中，汽化的水用于在地层中或地层外的蒸汽提取和/或蒸馏。将水从地层中移出和提高地层中的孔体积增加了孔体积中烃的储存空间。

在一些实施方案中，在阶段1加热之后将地层进一步加热，以使得地层中的温度达到(至少)最初的热解温度(例如在如阶段2所示的温度范围下端的温度)。地层中的烃可能在阶段2被热解。热解温度范围取决于地层中烃的种类而变化。热解温度范围可以包括250-900℃的温度。用于生产所希望的产物的热解温度范围可以延伸通过总热解温度范围的仅仅一部分。在一些实施方案中，用于生产所希望的产物的热解温度范围可以包括250-400℃的温度或者270-350℃的温度。如果地层中烃的温度缓慢升高通过250-400℃的温度，则当温度达到400℃时热解产物的生产可能基本完成。烃的平均温度可以在小于5℃/天、小于2℃/天、小于1℃/天或小于0.5℃/天的速率下升高通过用于生产所希望的产物的热解温度范围。用多个热源加热含烃地层可以在热源周围建立热梯度，以缓慢升高地层中烃的温度通过热解温度范围。

通过用于所希望的产物的热解温度范围的温度升高速率可能影响从含烃地层中生产的地层流体的质量和数量。将温度缓慢升高通过用于所希望的产物的热解温度范围可能抑制地层中长链分子的流动。将温度缓慢升高通过用于所希望的产物的热解温度范围可能限制在流动的烃之间产生不希望的产物的反应。将地层的温度缓慢升高通过用于所希望的产物的热解温度范围可以使得从地层中生产高质量、高API比重度的烃。将地层的温度缓慢升高通过用于所希望的产物的热解温度范围可以使得作为烃产物移出在地层中存在的大量的烃。

在一些原位热处理实施方案中，将一部分地层加热至所希望的温度而不是缓慢加热使温度通过温度范围。在一些实施方案中，所希望的温度为300℃、325℃或350℃。可以选择其它的温度作为所希望的温度。来自热源的热的叠加使得在地层中相对迅速和有效地建立所希望的温度。可以调节从热源到地层中的能量输入以将地层中的温度基本保持在所希望的温度下。将加热部分的地层基本保持在所希望的温度下直到热解减少使得从地层中生产所希望的地层流体变得不经济。经受热解的地层部分可以包括通过仅由一个热源传热而被带入热解温度范围内的区域。

在一些实施方案中，从地层中生产包括热解流体的地层流体。当地层温度增加时，生产的地层流体中可冷凝的烃的数量可能降低。在高温下，地层可能产出大部分甲烷和/或氢气。如果将含烃地层加热通过整个热解范围，则对于热解范围的上限，地层可能产出仅仅少量的氢气。在所有可获得的氢气枯竭之后，将通常出现来自地层的最小数量的流体产量。

在烃热解之后，大量碳和一些氢气可能仍然存在于地层中。保留在地层中的明显比例的碳可以以合成气的形式从地层中产出。在图1中描述的阶段3加热期间，可以出现合成气生成。阶段3可以包括将含烃地层加热至足以使得合成气生成的温度。例如可以在约400-1200℃、约500-1100℃或者约550-1000℃的温度范围内生产合成气。当将产生合成气的流体加入地层时，地层的加热部分的温度决定了在地层中生产的合成气的组成。可以通过生产井从地层中移出所产生的合成气。

在热解和合成气生成期间，从含烃地层中生产的流体的总能量含量可以保持相对恒定。在相对低的地层温度下的热解期间，明显比例的所生产的流体可以是具有高能量含量的可冷凝烃。然而在更高的热解温度下，较少的地层流体可以包括可冷凝的烃。可以从地层中生产更多的不可冷凝地层流体。在主要为不可冷凝地层流体的生成期间，每单位体积的所生产的流体的能量含量可能稍微降低。在合成气产生期间，与热解流体的能量含量相比，每单位体积的所生产的合成气的能量含量明显降低。然而，生产的合成气的体积在许多情况下将明显增加，由此补偿降低的能量含量。

图2描述了用于处理含烃地层的原位热处理系统一部分的实施方案的示意图。原位热处理系统可包括屏蔽井200。使用屏蔽井在处理区周围形成屏蔽层。屏蔽层抑制流体流入和/或流出处理区。屏蔽井包括但不限于脱水井、真空井、捕集井、注射井、泥浆井、冷冻井或它们的组合。在一些实施方案中，屏蔽井200是脱水井。脱水井可除去液体水和/或抑制液体水进入待加热的一部分地层内或者正在加热的地层内。在图2中描述的实施方案中，所示出的屏蔽井200仅沿热源202的一边延伸(但是屏蔽井通常围绕全部所用的或待用的热源202)以加热地层的处理区。

热源202置于至少一部分地层内。热源202可包括加热器，例如绝缘导体、导管道内的导体加热器、表面燃烧器、无火焰分布式燃烧器和/或自然分布式燃烧器。热源202也可包括其它类型的加热器。热源202提供热量到至少一部分地层以加热地层内的烃。可通过供应管线204供应能量到热源202。供应管线204在结构上可以不同，这取决于加热地层所使用的一种热源或多种热源的类型。用于热源的供应管线204可输送用于电加热器的电，可运输用于燃烧器的燃料，或者可运输在地层内循环的换热流体。在一些实施方案中，用于原位热处理法的电可通过核电站供应。使用核动力可减小或消除从原位热处理法排放的二氧化碳。

使用生产井206从地层中移出地层流体。在一些实施方案中，生产井206包括热源。在生产井内的热源可加热在生产井处或其附近的地层的一个或多个部分。在一些原位热处理法实施方案中，以每米生产井计，从生产井供应到地层内的热量小于以每米热源计从加热地层的热源施加到地层的热量。从生产井施加到地层的热量可通过汽化和移出邻近生产井的液相流体增加邻近生产井的地层渗透性，和/或通过地层的巨大和/或微小的裂缝增加邻近生产井的地层渗透性。

在一些实施方案中，生产井206中的热源允许从地层移出地层流体的气相。在生产井处或通过生产井提供热量可以：(1)当生产流体在上覆地层附近的生产井中移动时，抑制这些生产流体冷凝和/或回流，(2)增加输入到地层中的热量，(3)与没有热源的生产井相比，增加生产井的生产速率，(4)抑制生产井中高碳数化合物(C6和C6以上)的冷凝，和/或(5)增加生产井处或其附近地层的渗透性。

地层的地下压力可相当于地层中产生的流体的压力。当地层加热部分中的温度升高时，由于产生的流体和水的汽化增加，加热部分的压力也增大。控制从地层中移出流体的速率可以允许控制地层中的压力。在很多不同的位置可以确定地层的压力，例如靠近或在生产井处、靠近或在热源处或在监测井处。

在一些含烃地层中，直到地层中的至少一些烃已经热解，从地层中生产烃都是受抑制的。当地层流体具有选定的质量时，可以从地层中生产地层流体。在一些实施方案中，选定的质量包括API比重度至少为约20°、30°或40°。抑制生产直到至少一些烃热解可以提高重质烃到轻烃的转化率。抑制初期生产可以使从地层生产的重质烃最小化。大量重质烃的生产可能需要昂贵的设备和/或缩短生产设备的寿命。

在达到热解温度和允许从地层生产之后，可以改变地层压力以改变和/或控制生产的地层流体的组成，以控制地层流体中与不可冷凝流体相比可冷凝流体的百分比，和/或控制所生产的地层流体的API比重度。例如压力下降可能导致生产更多的可冷凝流体组分。可冷凝流体组分可以包含更大百分比的烯烃。

在一些原位热处理法的实施方案中，地层中的压力可以保持足够高，以促进API比重度大于20°的地层流体的生产。在地层中保持增大的压力可以抑制地层在原位热处理中下沉。保持增大的压力可以促进从地层中生产气相流体。生产气相可以允许用于输送从地层中产生的流体的收集管的尺寸降低。保持增大的压力可以减少或消除在地面将收集管内的流体输送到处理设施时压缩地层流体的需要。

在地层的加热部分保持增大的压力可以惊人地允许生产大量质量提高和分子量相对低的烃。可以保持压力，以使生产的地层流体具有最小量的选定碳数以上的化合物。选定碳数可以是最多25、最多20、最多12或最多8。一些高碳数化合物可以夹带在地层中的蒸气中，和可以与蒸气一起从地层中移出。在地层中保持增大的压力可以抑制蒸气中夹带高碳数化合物和/或多环烃化合物。高碳数化合物和/或多环烃化合物可以在相当长的时期内在地层中保持液相。所述相当长的时期可以为化合物提供足够的时间以热解形成较低碳数的化合物。

由生产井206生产的地层流体可通过收集管道208输送到处理设施210中。也可由热源202生产地层流体。例如可由热源202生产流体，以控制与热源相邻的地层内的压力。由热源202生产的流体可通过管线或管道输送到收集管道208中，或者所生产的流体可通过管线或管道直接输送到处理设施210中。处理设施210可包括处理所生产的地层流体用的分离单元、反应单元、提质单元、燃料电池、涡轮机、储存容器和/或其它系统和单元。处理设施可由地层生产的至少一部分烃形成运输燃料。在一些实施方案中，运输燃料可以是喷气燃料例如JP-8。

限温加热器可以是具有固定结构的和/或可包括提供自动温度限定性质的材料以限定加热器于一定温度下。在一些实施方案中，限温加热器中使用铁磁材料。铁磁材料可以自限定温度于材料的居里温度和/或相变温度范围下或者附近，从而当向材料施加随时间变化的电流时，提供降低的热量。在一些实施方案中，铁磁材料自限定限温加热器的温度于居里温度和/或相变温度范围附近的选定温度下。在一些实施方案中，选定的温度在居里温度和/或相变温度范围的约35℃、约25℃、约20℃或约10℃之内。在一些实施方案中，铁磁材料与其它材料(例如强导电材料、高强度材料、耐腐蚀材料或它们的组合)耦合以提供多种电性能和/或机械性能。限温加热器的一些部分可能比限温加热器的其它部分具有更低的电阻(由于不同的构造和/或由于使用不同的铁磁和/或非铁磁材料所引起)。使限温加热器具有不同材料和/或尺寸的部分允许从加热器的各部分调控出所需的热输出。

限温加热器可比其它加热器更可靠。限温加热器可能不易于因为地层中的热点而产生故障或中止运行。在一些实施方案中，限温加热器允许基本均匀地加热地层。在一些实施方案中，沿加热器的整个长度上，限温加热器能够通过在更高的平均热输出下运行而更有效地加热地层。如果沿加热器任意点的温度超出或将要超出加热器的最大操作温度时，因为无需在整个加热器上降低提供至加热器的功率(就象典型的恒定功率加热器的情况)，所以沿加热器的整个长度上限温加热器在更高的平均热输出下运行。无需控制调整施加到加热器的随时间变化的电流，接近加热器居里温度和/或相变温度范围的限温加热器部分的热输出自动降低。由于限温加热器部分的电性能(例如电阻)的变化，热输出自动降低。因此，在更大部分的加热过程期间，通过限温加热器提供更大的功率。

在一些实施方案中，包括限温加热器的系统初始提供第一热输出和随后当限温加热器由随时间变化的电流提供能量时提供接近、等于或高于加热器的电阻性部分的居里温度和/或相变温度范围的降低的热输出(第二热输出)。第一热输出是在低于限温加热器开始自限定的温度下的热输出。在一些实施方案中，第一热输出是在比限温加热器中铁磁材料的居里温度和/或相变温度范围低约50℃、约75℃、约100℃或约125℃的温度下的热输出。

可通过在井口供应的随时间变化的电流(交流电或调制的直流电)向限温加热器提供能量。井口可包括用于向限温加热器提供能量的电源和其它组件(例如调制组件、变压器和/或电容器)。限温加热器可为用于加热一部分地层的多个加热器中的一个。

在一些实施方案中，限温加热器包括当向导体施加随时间变化的电流时，作为趋肤效应或邻近效应加热器运行的导体。趋肤效应限定了电流穿入导体内部的深度。对于铁磁材料，趋肤效应受控于导体的磁导率。铁磁材料的相对磁导率通常为10-1000(例如铁磁材料的相对磁导率通常为至少10和可为至少50、100、500和1000或更大)。随着铁磁材料的温度提升到高于居里温度或相变温度范围和/或随着施加的电流增加，铁磁材料的磁导率明显下降和趋肤深度迅速增大(例如趋肤深度随着磁导率的平方根反比增大)。磁导率的降低和/或随着所施加的电流增加，导致接近、等于或高于居里温度、相变温度范围的导体的AC或调制的DC电阻降低。当限温加热器被基本恒定的电流源驱动时，接近、到达或高于居里温度和/或相变温度范围的加热器部分可具有降低的散热。不处于或不接近居里温度和/或相变温度范围的限温加热器部分可受控于允许加热器由于较高的电阻载荷而具有高散热的趋肤效应加热。

居里温度加热器已在焊接设备、用于医学应用的加热器和用于烘箱的加热元件(例如比萨饼烘箱)中进行使用。Lamome等人的美国专利No.5,579,575、Henschen等人的美国专利No.5,065,501和Yagnik等人的美国专利No.5,512,732中公开了一些这样的应用。Whitney等人的美国专利No.4,849,611描述了多个分离的、间隔的包括无功组件、电阻加热组件和温度响应组件的加热单元。

使用限温加热器加热地层中的烃的优势是选择具有在所需操作温度范围内的居里温度和/或相变温度范围的导体。在所需操作温度范围内操作允许将充分的热量注入地层中，同时维持限温加热器和其它设备的温度低于设计极限温度。设计极限温度是例如腐蚀、蠕变和/或变形的性质受到负面影响的温度。限温加热器的温度限定性质抑制邻近地层中低热导率“热点”的加热器的过热或烧毁。在一些实施方案中，限温加热器可降低或控制热输出和/或取决于加热器中所使用的材料承受在高于25℃、37℃、100℃、250℃、500℃、700℃、800℃、900℃或更高至1131℃的温度下的加热。

因为无需限定输入限温加热器的能量以与邻近加热器的低热导率区域相匹配，所以限温加热器允许比恒定功率加热器将更多的热量注入地层中。例如Green River油母页岩的最低储量油母页岩层的热导率和最高储量油母页岩层的热导率之间的差值至少为3倍。当加热该地层时，与受低热导率层的温度限制的常规加热器相比，限温加热器明显向地层输入更过的热量。沿常规加热器整个长度的热输出需要与低热导率层相匹配使得加热器在低热导率层不会过热和烧毁。限温加热器邻近在高温下的低热导率层的热输出将会降低，但是不在高温下的限温加热器的剩余部分仍然将提供高的热输出。因为用于加热烃地层的加热器通常具有较长的长度(例如至少10m、100m、300m、500 m、1km或者多至约10km)，所以限温加热器的主要长度可在低于居里温度下操作，同时仅有部分在或接近限温加热器的居里温度和/或相变温度范围下操作。

使用限温加热器允许有效向地层传递热量。有效传递热量允许将地层加热至所需温度所需的时间减小。例如在Green River油母页岩中，当使用常规恒定功率加热器的12m加热器井距时，热解通常需要加热9.5年-10年。对于相同的加热器间距，限温加热器可允许更大的平均热输出，同时维持加热器设备温度低于设备的设计极限温度。由于限温加热器比恒定功率加热器提供更大的平均热输出，地层中的热解可在更早的时间发生。例如在Green River油母页岩中，当使用12m加热器井距的限温加热器时，热解可在5年内发生。限温加热器抵消了因为不准确的井距或钻井使加热器井靠得过紧而产生的热点。在一些实施方案中，限温加热器允许对于间距过远的加热器井随时间输出增大的功率，或允许离得过近的加热器井随时间输出受限定的功率。限温加热器也向邻近上覆地层和下伏地层的区域提供更大的功率以补偿这些区域中的温度损失。

限温加热器可有利地用于多种地层中。例如在含重质烃的焦油砂地层或相对可渗透地层中，可使用限温加热器以提供可控的低温输出以在井孔处或邻近井孔处或者在地层中降低流体的粘度、使流体流动和/或提高流体的径向流动。可使用限温加热器以抑制由于邻近地层的井孔区域的过热而引起的过度焦化地层。

在一些实施方案中，使用限温加热器消除或减低了昂贵的温度控制电路的需求。例如使用限温加热器消除或减低了进行井温测量的需求和/或使用加热器上的固定热电偶以监控在热点处的潜在过热的需求。

在一些实施方案中，限温加热器中所用材料的相变(例如结晶相变或晶体结构的变化)改变了加热器发生自限定的选定温度。限温加热器中所用的材料可能发生降低铁磁材料的磁导率的相变(例如从铁氧体转变成奥氏体)。该磁导率的降低与由于铁磁材料在居里温度下的磁跃迁引起的磁导率降低相类似。居里温度是铁磁材料的铁氧体相的磁跃迁温度。磁导率的降低导致限温加热器在接近、等于或高于铁磁材料的相变温度和/或居里温度的AC或调制的DC电阻的降低。

铁磁材料的相变可在一定温度范围内发生。相变的温度范围取决于铁磁材料和可在约5℃-约200℃的范围内变化。因为相变在一定温度范围内发生，所以由于相变引起的磁导率的降低在一定温度范围内发生。磁导率的降低也可在相变温度范围内滞后发生。在一些实施方案中，铁磁材料相变回较低温度相比相变成较高温度相慢(例如从奥氏体转变回铁氧体比铁氧体转变成奥氏体慢)。在加热器电阻因高温降低后，相变回较低温度相速度较慢可导致加热器在等于或接近相变温度范围下滞后运行从而使加热器缓慢增加到更高的电阻值。

在一些实施方案中，当温度接近铁磁材料的居里温度时，相变温度范围与磁导率的降低交叠。与单独由于温度接近居里温度引起磁导率的降低相比，所述交叠可使电阻相对于温度更快下降。所述交叠也可导致限温加热器在接近居里温度和/或在相变温度范围内的滞后行为。

在一些实施方案中，因相变引起的滞后运行比因在居里温度下的磁跃迁引起的磁导率的降低转变更平滑。所述更平滑的转变比在居里温度下更迅速的转变更易于控制(例如使用与电源相互作用的过程控制装置的电力控制)。在一些实施方案中，对限温加热器中使用的选定冶金方法，居里温度在相变范围中。在由于居里温度下的磁性质的降低而引起的迅速的和确定的转变之外，该现象向限温加热器提供了相变的平滑转变性质。该限温加热器可以是易于控制的(由于相变)，同时提供一定的温度极限(由于迅速的居里温度转变)。限温加热器中使用相变温度范围代替居里温度和/或同时使用相变温度范围和居里温度增加了可用于限温加热器的冶金方法的数目和范围。

在一些实施方案中，向铁磁材料中加入合金以调节相变的温度范围。例如向铁磁材料中加入碳可增大相变温度范围和降低相变出现的温度。向铁磁材料中加入钛可增大相变出现的温度和降低相变温度范围。可调节合金组成以向铁磁材料提供所需的居里温度和相变性质。可基于铁磁材料的所需性质选择铁磁材料的合金组成(例如但不限于磁导率转变温度或温度范围，电阻相对于温度的曲线或功率输出)。当向410不锈钢加入钴将铁氧体至奥氏体的相变温度范围提高到大于或远大于铁磁材料的居里温度的温度范围时，加入钛可获得更高的居里温度。

在一些实施方案中，与标准加热器相比，生产或制造限温加热器更经济。典型的铁磁材料包括铁、碳钢或铁氧体不锈钢。与在绝缘导体(矿物绝缘电缆)加热器中通常使用的镍基加热和金(例如尼克洛姆镍铬耐热合金，Kanthal^TM(Bulten-Kanthal AB，瑞典)和/或LOHM^TM(Driver-Harris Company，Harrison，New Jersey，美国)相比，该材料是便宜的。在限温加热器的一个实施方案中，限温加热器以连续长度制造成绝缘导体加热器以降低成本和改进可靠性。

图3-12描述了限温加热器的多种实施方案。在这些图的任一张图中所描述的限温加热器实施方案的一个或多个特征可与这些图中所描述的其它限温加热器实施方案的一个或多个特征相结合。在本文所述的一些实施方案中，设计限温加热器的尺寸以在60Hz AC的频率下运行。应理解可调节本文所述的那些限温加热器的尺寸以在其它AC频率下或使用调制的DC电流以相似方式操作。

图3描述了限温加热器的一个实施方案的剖面图示例，所述限温加热器具有含铁磁段和非铁磁段的外部导体。图4和5描述了图3中所示实施方案的横向剖面图。在一个实施方案中，铁磁段212用于向地层的烃层提供热量。非铁磁段214用于地层的上覆地层中。非铁磁段214向上覆地层提供少量热量或不提供热量，因此抑制上覆地层中的热损耗和改进加热器效率。铁磁段212包括铁磁材料例如409不锈钢或410不锈钢。铁磁段212厚度为0.3cm。非铁磁段214是厚度为0.3cm的铜。内部导体216是铜。内部导体216直径为0.9cm。电绝缘体218是氮化硅、氮化硼、氧化镁粉末或另一适合的绝缘材料。电绝缘体218的厚度为0.1cm-0.3cm。

图6描述了限温加热器的一个实施方案的剖面图示例，所述限温加热器具有放置于护套中的含铁磁段和非铁磁段的外部导体。图7、8和9描述了图6中所示实施方案的横向剖面图。铁磁段212是厚度为0.6cm的410不锈钢。非铁磁段214是厚度为0.6cm的铜。内部导体216是直径为0.9cm的铜。外部导体220包括铁磁材料。外部导体220在加热器的上覆地层段提供一些热量。在上覆地层中提供一些热量抑制上覆地层中流体的冷凝或回流。外部导体220是外径为3.0cm和厚度为0.6cm的409、410或446不锈钢。电绝缘体218包含厚度为0.3cm的致密氧化镁粉末。在一些实施方案中，电绝缘体218包含氮化硅、氮化硼或六方型氮化硼。导电段222可使内部导体216与铁磁段212和/或外部导体220耦连。

对于其中铁磁导体提供大部分低于居里温度和/或相变温度范围的电阻性热输出的限温加热器，大部分电流流经具有相对于磁感应强度(B)为高度非线性函数的磁场(H)性质的材料。这些非线性函数可引起强烈的诱导效应和失真，所述强烈的诱导效应和失真导致限温加热器在低于居里温度和/或相变温度范围的温度下的功率因数下降。这些作用可使供应到限温加热器的电力难于控制和可导致另外的电流流经表面和/或上覆地层电源导体。昂贵的和/或难于进行控制的系统例如可变电容器或调制电源可用于补偿这些影响和控制其中通过电流流经铁磁材料提供大部分电阻性热输出的限温加热器。

在一些限温加热器实施方案中，当限温加热器低于或接近铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围时，铁磁导体限定了电流大部分流向与铁磁导体耦连的电导体。电导体可以是护套、夹套、支撑构件、耐腐蚀构件或其它电阻性构件。在一些实施方案中，铁磁导体限定了电流大部分流向位于最外层和铁磁导体之间的电导体。铁磁导体位于限温加热器的横截面中，使得铁磁导体在等于或低于铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围下的磁性能限定电流大部分流向电导体。由于铁磁导体的趋肤效应，限定电流大部分流向电导体。因此，在加热器大部分运行范围内，电流大部分流经具有基本线性电阻性能的材料。

在一些实施方案中，铁磁导体和电导体位于限温加热器的横截面中，使得铁磁材料的趋肤效应限定了在低于铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围的温度下电导体和铁磁导体中电流的穿透深度。因此，在至多等于或接近铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围的温度的温度下，电导体提供限温加热器大部分电阻性热输出。在一些实施方案中，可选取电导体的尺寸以提供所需的热输出特性。

因为电流大部分流经低于居里温度和/或相变温度范围的电导体，限温加热器的电阻相对于温度的曲线至少部分反映了电导体中材料的电阻相对于温度的曲线。因此，如果电导体中材料的电阻相对于温度的曲线是基本线性的，则限温加热器的电阻相对于温度的曲线在低于铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围时是基本线性的。直至温度接近居里温度和/或相变温度范围之前，限温加热器的电阻很少取决于或不取决于流经加热器的电流。在低于居里温度和/或相变温度范围时，电流大部分流经电导体而不是铁磁导体。

对于其中电流大部分在导体中流过的限温加热器，电阻相对于温度的曲线也趋向于表现出电阻在接近或等于铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围时迅速降低。因为正流经铁磁材料的电流很少，所以电阻在接近或等于居里温度和/或相变温度范围时迅速降低可能比电阻在接近居里温度和/或相变温度范围时逐渐降低更易于控制。

在一些实施方案中，选取电导体中的材料和/或材料的尺寸使得限温加热器具有在低于铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围时所需的电阻相对于温度的曲线。

其中在低于居里温度和/或相变温度范围时电流大部分在电导体中流过而不是在铁磁导体中流过的限温加热器更易于进行预测和/或控制。其中在低于居里温度和/或相变温度范围时电流大部分在电导体中流过而不是在铁磁导体中流过的限温加热器的性能可通过例如该限温加热器电阻相对于温度的曲线和/或该限温加热器功率因数相对于温度的曲线进行预测。电阻相对于温度的曲线和/或功率因数相对于温度的曲线可通过例如评估限温加热器性能的实验测量、评估或预测限温加热器性能的解析式和/或评估或预测限温加热器性能的模拟进行评估或预测。

在一些实施方案中，使用经评估或预测的限温加热器的性能以控制限温加热器。在加热器运行期间，可基于对电阻和/或功率因数的测量(评估)控制限温加热器。在一些实施方案中，在加热器运行期间，基于对加热器电阻和/或功率因数的评估以及该评估相对于经预测的加热器性能之间的比较控制供应至限温加热器的功率或电流。在一些实施方案中，对限温加热器的控制无需测量加热器的温度或加热器附近的温度。无需温度测量的对限温加热器的控制消除了与井下温度测量有关的操作成本。与基于所测得的温度控制加热器相比，基于加热器电阻和/或功率因数的评估控制限温加热器也减少了用于调节供应至加热器的功率或电流的时间。

随着限温加热器的温度接近或超出铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围，铁磁导体铁磁性能的降低允许电流流经限温加热器导电截面的更大部分。因此，在等于或接近铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围时，限温加热器的电阻降低和限温加热器自动提供降低的热输出。在一些实施方案中，将强导电构件与铁磁导体和电导体耦连以在等于或接近铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围时降低限温加热器的电阻。该强导电构件可以是铜、铝、镍或它们的合金的内部导体、芯或其它导电构件。

与在高至或接近居里温度和/或相变温度范围时使用铁磁导体以提供大部分电阻性热输出的限温加热器中的铁磁导体相比，在低于居里温度和/或相变温度范围的温度下限定电流大部分流向电导体的铁磁导体可具有相对小的横截面。与其中在低于居里温度和/或相变温度范围时通过铁磁材料提供大部分电阻性热输出的限温加热器相比，因为流经铁磁导体的电流减少，所以在低于居里温度和/或相变温度范围时使用电导体以提供大部分电阻性热输出的限温加热器在低于居里温度和/或相变温度范围的温度下具有较低的磁感应系数。在铁磁导体半径(r)处的磁场(H)与流经铁磁导体和芯的电流(I)除以半径的商成正比，或者：

(1)H∝I/r。

因为对于在低于居里温度和/或相变温度范围时使用外部导体以提供大部分电阻性热输出的限温加热器而言，仅有一部分电流流经铁磁导体，所以限温加热器的磁场可明显小于其中大部分电流流经铁磁材料的限温加热器的磁场。小磁场的相对磁导率(μ)可以是较大的。

铁磁导体的趋肤深度(δ)与相对磁导率(μ)的平方根成反比：

(2)δ∝(1/μ)^1/2。

增大相对磁导率降低铁磁导体的趋肤深度。然而，因为在低于居里温度和/或相变温度范围时仅有一部分电流流经铁磁导体，所以对于具有较大的相对磁导率的铁磁材料，可减少铁磁导体的半径(或厚度)以补偿降低的趋肤深度，同时仍然允许趋肤效应在低于铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围的温度下限定电流对电导体的穿透深度。取决于铁磁导体的相对磁导率，铁磁导体的半径(厚度)可以是0.3-8mm、0.3-2mm或2-4mm。因为铁磁材料的成本通常是限温加热器成本的重要部分，所以降低铁磁导体的厚度降低了制造限温加热器的成本。对于在等于或接近铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围下的限温加热器，增加铁磁导体的相对磁导率提供了更高的调节比和更迅速的电阻下降。

具有高相对磁导率(例如至少200、至少1000、至少1×10⁴或至少1×10⁵)和/或高居里温度(例如至少600℃、至少700℃或至少800℃)的铁磁材料(例如纯化的铁或铁-钴合金)在高温下通常具有较低的耐腐蚀性和/或较低的机械强度。电导体可向限温加热器提供在高温下的耐腐蚀性和/或高机械强度。因此，铁磁导体可以主要根据其铁磁性质选择。

在低于铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围时限定电流大部分流向电导体降低了功率因数的变化。因为在低于居里温度和/或相变温度范围时仅有一部分电流流经铁磁导体，所以除去在等于或接近居里温度和/或相变温度范围之外，铁磁导体的非线性铁磁性质对限温加热器的功率因数产生很小的影响或不产生影响。与其中铁磁导体在低于居里温度和/或相变温度范围时提供大部分电阻性热输出的限温加热器相比，甚至在等于或接近居里温度和/或相变温度范围时，对功率因数的影响降低。因此，较少需要或不需要外部补偿(例如可变电容器或波形调整)以调节限温加热器的电感负载的变化，从而维持相对高的功率因数。

图10描述了限温加热器的实施方案，其中支撑构件提供低于铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围的大部分热输出。芯226是限温加热器的内部导体。在一些实施方案中，芯226是强导电材料，例如铜或铝。在一些实施方案中，芯226是提供机械强度和良好的导电性的铜合金例如弥散强化的铜。在一个实施方案中，芯226是Glidcop(SCM Metal Products，Inc.，Research Triangle Park，NorthCarolina，美国)。铁磁导体228是电导体232和芯226之间的铁磁材料薄层。在一些实施方案中，电导体232也是支撑构件230。在一些实施方案中，铁磁导体228是铁或铁合金。在一些实施方案中，铁磁导体228包括具有高相对磁导率的铁磁材料。例如铁磁导体228可以是纯化的铁例如Armco铁锭(AK Steel Ltd.，英国)。含有一些杂质的铁的相对磁导率通常近似为400。通过在1450℃下于氢气(H2)中使铁退火而纯化铁增大了铁的相对磁导率。增大铁磁导体228的相对磁导率允许铁磁导体的厚度降低。例如未纯化的铁的厚度可以是约4.5mm，而纯化后的铁的厚度是约0.76mm。

在一些实施方案中，电导体232对铁磁导体228和限温加热器提供支撑。电导体232可由在接近或高于铁磁导体228的居里温度和/或相变温度范围的温度下提供良好的机械强度的材料制得。在一些实施方案中，电导体232是耐腐蚀构件。电导体232(支撑构件230)可向铁磁导体228提供支撑和提供耐腐蚀性。电导体232由在高至和/或高于铁磁导体228的居里温度和/或相变温度范围的温度下提供所需电阻性热输出的材料制得。

在一个实施方案中，电导体232是347H不锈钢。在一些实施方案中，电导体232是其它导电、良好的机械强度、耐腐蚀的材料。例如电导体232可以是304H、316H、347HH、NF709、

800H合金(Inco Alloys International，Huntington，West Virginia，美国)，

合金或

617合金。

在一些实施方案中，在限温加热器不同部分中，电导体232(支撑构件230)包括不同合金。例如下部的电导体232(支撑构件230)是347H不锈钢和上部的电导体(支撑构件)是NF709。在一些实施方案中，在电导体(支撑构件)不同部分中使用不同的合金以增大电导体(支撑构件)的机械强度，同时维持限温加热器所需的加热性能。

在一些实施方案中，在限温加热器不同部分中，铁磁导体228包括不同的铁磁导体。在限温加热器不同部分中可使用不同的铁磁导体以改变居里温度和/或相变温度范围和因此改变不同部分中的最大操作温度。在一些实施方案中，限温加热器上部的居里温度比加热器下部的居里温度低。上部的较低居里温度增大了加热器上部的蠕变-断裂强度寿命。

在图10所述的实施方案中，设计铁磁导体228、电导体232和芯226的尺寸使得当温度低于铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围时，铁磁导体的趋肤深度限定大部分电流流向支撑构件的穿透深度。因此，电导体232在高至等于或接近铁磁导体228的居里温度和/或相变温度范围的温度下提供限温加热器的大部分电阻性热输出。在一些实施方案中，图10中所述的限温加热器(例如外径为3cm、2.9cm、2.5cm或更小)小于其它不使用电导体232提供大部分电阻性热输出的限温加热器。图10中所述的限温加热器可以是较小的，这是因为铁磁导体228与其中通过铁磁导体提供大部分电阻性热输出的限温加热器所需的铁磁导体的尺寸相比是较薄的。

在一些实施方案中，在限温加热器中支撑构件和耐腐蚀构件是不同的构件。图11和12描述了限温加热器的实施方案，其中夹套提供低于铁磁导体的居里温度和/或相变温度范围的大部分热输出。在这些实施方案中，电导体232是夹套224。设计电导体232、铁磁导体228、支撑构件230和芯226(图11中)或内部导体216(图12中)的尺寸，使得铁磁导体的趋肤深度限定大部分电流流向夹套的厚度的穿透深度。在一些实施方案中，电导体232是耐腐蚀和在低于铁磁导体228的居里温度和/或相变温度范围时提供电阻性热输出的材料。例如电导体232是825不锈钢或347H不锈钢。在一些实施方案中，电导体232厚度较小(例如约为0.5mm)。

在图11中，芯226是强导电材料例如铜或铝。支撑构件230是347H不锈钢或其它在等于或接近铁磁导体228的居里温度和/或相变温度范围时具有良好的机械强度的材料。

在图12中，支撑构件230是限温加热器的芯和是347H不锈钢或其它在等于或接近铁磁导体228的居里温度和/或相变温度范围时具有良好的机械强度的材料。内部导体216是强导电材料例如铜或铝。

实施例

下面给出非限定性实施例。

图13描述了相对于铁合金TC3(0.1wt％碳，5wt％钴，12wt％铬，0.5wt％锰，0.5wt％硅)的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。曲线234描述了铁氧体相的wt％。曲线236描述了奥氏体相的wt％。箭头指向合金的居里温度。如图13中所示，对于该合金，相变靠近居里温度但未与居里温度交叠。

图14描述了相对于铁合金FM-4(0.1wt％碳，5wt％钴，0.5wt％锰，0.5wt％硅)的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。曲线238描述了铁氧体相的wt％。曲线240描述了奥氏体相的wt％。箭头指向合金的居里温度。如图14中所示，对于该合金，合金中没有铬时相变增宽，和相变与居里温度交叠。

使用计算热力学软件(从Thermo-Calc Software，Inc.(McMurray，PA，美国)获得的ThermoCalc，和从Sente Sof tware，Ltd.(Guildford，英国)获得的JMa tPro)计算钴、碳、锰、硅、钒和钛的多种混合物的居里温度(T_c)和相变行为，以预测另外的元素对选定的组合物的居里温度的作用、铁氧体转变成顺磁性奥氏体的温度(A₁)和在那些温度下存在的相。在所有的计算中使用为700℃的平衡计算温度以测定铁氧体的居里温度。如表1中所示，随着组合物中钴的wt％增加，T_c增大和A₁减小；然而T_c仍然高于A₁。在充分添加碳化物形成物钒、钛、铌、钽和钨时可预测A₁温度的增加。例如含约0.1wt％碳的合金中可使用约0.5wt％的碳化物形成物。添加碳化物形成物允许用MC碳化物相替换Fe₃C碳化物相。根据计算，过量的钒看来不会对T_c产生影响，而过量的其它碳化物形成物降低T_c。

表1

制备几种铁-钴合金，表2中给出了它们的组成。这些铸造合金被加工成棒状和丝状，和列出了棒状合金的测量和计算T_c。因为在加热和冷却期间未观测到不可逆的滞后效应，所以使用冷却和加热T_c测量的平均值。如表2中所示，计算T_c和测量T_c的一致性是可接受的。

通过其中用试样材料缠绕螺绕环的螺绕环技术获得测量T_c。沿长度的一半附有热电偶。

表2

图15描述了几种铁合金的居里温度(水平直方图)和相变温度范围(填充有斜线的竖直直方图)。栏242表示FM-2铁-钴合金。栏244表示FM-4铁-钴合金。栏246表示FM-6铁-钴合金。栏248表示FM-8铁-钴合金。栏250表示含钴的TC1410不锈钢合金。栏252表示含钴的TC2410不锈钢合金。栏254表示含钴的TC3410不锈钢合金。栏256表示含钴的TC4410不锈钢合金。栏258表示含钴的TC5410不锈钢合金。如图15中所示，铁-钴合金(FM-2，FM-4，FM-6，FM-8)具有与居里温度交叠的较大相变温度范围。含钴的410不锈钢合金(TC1，TC2，TC3，TC4，TC5)具有较小的相变温度范围。TC1、TC2和TC3的相变温度范围高于居里温度。TC4的相变温度范围低于居里温度。因此，使用TC4的限温加热器可以自限定于低于TC4的居里温度的温度。

图16-19描述了向铁-钴合金添加合金的影响。图16和17描述了向铁-钴合金添加碳的影响。图18和19描述了描述了向铁-钴合金添加钛的影响。

图16描述了相对于含有5.63wt％钴和0.4wt％锰的铁-钴合金的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。曲线260描述了铁氧体相的wt％。曲线262描述了奥氏体相的wt％。箭头指向合金的居里温度。如图16中所示，对于该合金，相变接近居里温度但未与居里温度交叠。

图17描述了相对于含有5.63wt％钴、0.4wt％锰和0.01％碳的铁-钴合金的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。曲线264描述了铁氧体相的wt％。曲线266描述了奥氏体相的wt％。箭头指向合金的居里温度。如图16和17中所示，随着向合金添加碳，相变增宽，和相变在更低的温度下开始出现。因此，可向铁合金添加碳以降低相变的出现温度和增宽相变的温度范围。

图18描述了相对于含有5.63wt％钴、0.4wt％锰和0.085％碳的铁-钴合金的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。曲线268描述了铁氧体相的wt％。曲线270描述了奥氏体相的wt％。箭头指向合金的居里温度。如图18中所示，相变与居里温度交叠。

图19描述了相对于含有5.63wt％钴、0.4wt％锰、0.085％碳和0.4％钛的铁-钴合金的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。曲线272描述了铁氧体相的wt％。曲线274描述了奥氏体相的wt％。箭头指向合金的居里温度。如图18和19中所示，随着向合金添加钛，相变变窄，和相变在更高的温度下开始出现。因此，可向铁合金添加钛以升高相变的出现温度和使相变的温度范围变窄。

图20描述了相对于410不锈钢型合金(12wt％铬，0.1wt％碳，0.5wt％锰，0.5wt％硅，余量为铁)的温度的铁氧体和奥氏体相的wt％的实验计算。曲线276描述了铁氧体相的wt％。曲线278描述了奥氏体相的wt％。箭头指向合金的居里温度。如图20中所示，随着铬的添加，居里温度降低。

使用计算热力学软件(ThermoCalc和JMa tPro)计算钴、碳、锰、硅、钒、铬和钛的多种混合物的居里温度和相变行为，以预测其它元素对选定的组合物的居里温度(T_c)的作用和铁氧体转变成顺磁性奥氏体的温度(A₁)。在所有计算中使用700℃的平衡计算温度。如表3中所示，随着组合物中钴的wt％增加，T_c增大和A₁减小。如表3中所示，添加钒和/或钛增大A₁。添加钒可允许在居里加热器中使用更大量的铬。

表3

制备几种铁-铬合金，表4中给出了它们的组成。这些铸造合金被加工成棒状和丝状，列出了计算的T_c和使用螺绕环技术测量的T_c以及热量测量值。

表4

基于本说明书，本发明多个方面的其它改进和替代实施方案对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本说明书应仅用于说明和用于教导本领域技术人员实施本发明的常规方式的目的。本文所示和描述的本发明的形式应理解为当前优选的实施方案。在受益于本发明说明书之后，要素和材料可替换本文说明和描述的那些，部件和工艺可以反转，可独立使用本发明的一些特征，所有这些对本领域技术人员来说都是显而易见的。在不偏离本发明所附权利要求描述的精神和范围的情况下，可变换本文描述的元素。此外，应理解在一些实施方案中可以将本文描述的特征独立地进行组合。

Claims

1.一种加热器，包括：

铁磁导体；和

电导体，所述电导体与所述铁磁导体电耦连；

其中设计加热器以在较低温度下提供第一热量，和设计加热器以当加热器达到选定温度或进入选定温度范围时提供减少的第二热量，其中在所述选定温度或选定温度范围下铁磁导体发生相变，其中所述相变包括铁磁导体从铁氧体转变成奥氏体。

2.权利要求1的加热器，其中所述电导体在高至近似铁磁导体相变的选定温度或选定温度范围的温度下提供加热器的大部分电阻性热输出。

3.权利要求1或2的加热器，其中所述相变包括结晶相变。

4.权利要求1或2的加热器，其中所述相变包括铁磁材料晶体结构的变化。

5.权利要求1或2的加热器，其中所述加热器自限定于接近相变温度或相变温度范围的温度。

6.权利要求1或2的加热器，其中所述相变是可逆的。

7.权利要求1或2的加热器，其中铁磁材料的居里温度在铁磁材料的相变温度范围内。

8.权利要求1或2的加热器，其中所述铁磁导体包含设计用于调节铁磁导体的所述选定温度或选定温度范围的附加材料。

9.权利要求8的加热器，其中设计所述附加材料以调节相变温度范围的宽度。

10.权利要求1或2的加热器，其中设计加热器以向含烃地层中的含烃层提供热量，使得热量从加热器传递到含烃层中的烃从而使含烃层中的至少一些烃流动。

11.一种使用权利要求1-10任一项的加热器加热地下地层的方法，该方法包括向加热器提供电流以向至少一部分地下地层提供热量。

12.权利要求11的方法，其中地下地层包含烃，所述方法还包括使热量传递到地层，使得地层中至少一些烃热解。

13.权利要求11或12的方法，还包括从地层生产流体。

14.一种包含使用权利要求1-10任一项的加热器或使用权利要求11-13任一项的方法从地下地层生产的烃的组合物。

15.一种包含从权利要求14的组合物生产的烃的运输燃料。