CN102612789A - 用于连接绝缘导体的压配合联接接头 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于将第一绝缘导体的一端部联接到第二绝缘导体的一端部的适配接头。所述适配接头包括套筒和芯联接件，所述套筒放置在所述第一绝缘导体的端部和所述第二绝缘导体的端部上，所述芯联接件位于所述套筒内部。所述芯联接件围绕所述第一绝缘导体的芯的一端部和所述第二绝缘导体的芯的一端部装配。所述套筒的内部体积构造成使用电绝缘材料至少部分地填充。当所述适配接头联接到所述绝缘导体时，利用所述第一绝缘导体中的电绝缘体的一端部部分和所述第二绝缘导体中的电绝缘体的一端部部分来压缩所述电绝缘材料。

Description

用于连接绝缘导体的压配合联接接头
技术领域
本发明涉及用于加热器元件中使用的绝缘导体的系统。更特别地，本发明涉及用于将绝缘导体电缆接合在一起的适配接头。
背景技术
从地下地层获得的烃通常用于能源、原料和消费品。由于对可用烃源用尽的关注和对生产的烃的整体质量下降的关注，已经引起对更高效地开采、处理和/或利用可用烃源的工艺进行开发。就地工艺可用于从之前不可进入和/或使用可用方法提取太昂贵的地下地层分离出烃材料。可能需要改变地下地层中烃材料的化学和/或物理性能来使烃材料更易于从地下地层分离出，和/或提高烃材料的价值。化学和物理变化可包括地层中烃材料的产生可分离出的流体的就地反应、组分变化、溶解度变化、密度变化、相变和/或粘度变化。
加热器可放置在井筒中，用于在就地工艺中加热地层。存在很多不同类型的可用于加热地层的加热器。利用井下加热器的就地工艺的示例示出在授予Ljungstorm的美国专利No.2,634,961；授予Ljungstorm的美国专利No.2,732,195；授予Ljungstorm的美国专利2,780,450；授予Ljungstorm的美国专利2,789,805；授予Ljungstorm的美国专利2,923,535；授予Van Merus等人的4,886,118；和授予Wellington等的美国专利6,688,387中。
用于地下应用中例如在一些应用中加热含烃地层的矿物绝缘（MI）电缆（绝缘导体）较长，可具有更大的外径，并且可在比MI电缆行业中通常的电压和温度更高的电压和温度下操作。在长度长的绝缘导体的制造和/或装配过程中存在很多潜在的问题。
例如，存在潜在的由于用于绝缘导体中的电绝缘体随时间劣化而造成的电和/或机械问题。还存在在绝缘导体加热器的装配过程中需要克服的与电绝缘体相关的潜在问题。例如芯鼓起或其他机械缺陷等问题可能在绝缘导体加热器装配过程中发生。发生这样的情况可能在加热器使用过程中导致电问题，并且可能使得加热器不能用于其预期目的。
另外，对于地下应用，可能需要将多个MI电缆连接来使MI电缆具有足够的长度，以到达高效加热地下需要的深度和距离，并且连接具有不同功能的节段，例如连接到加热器部分的引入电缆。这样的长加热器还需要较高的电压来将足够的功率提供到加热器的最远端。
传统的MI电缆接合接头设计通常不适用于高于1000伏，高于1500伏或高于2000伏的电压，并且在高温下，例如高于650℃（约1200℉）、高于700℃（约1290℉）或高于800℃（约1470℉）的高温下，不可能长时间操作而没有故障。这样的高压、高温应用通常需要接合接头中的矿物绝缘材料的密实度尽可能接近或高于绝缘导体（MI电缆）自身中的密实度水平。
用于一些应用的MI电缆的相对大的外径和长的长度需要电缆在水平取向时接合。存在用于MI电缆的其它应用的接合接头，它们水平地制备。这些技术通常使用小孔，矿物绝缘材料（例如氧化镁粉）通过所述小孔填充到接合接头中，并且通过振动和捣紧来稍微压实。这样的方法没有提供矿物绝缘材料的充分压实，或甚至不允许矿物绝缘材料的任何压实，并且不适用于制造在这些地下应用所需的高压下使用的接合接头。
因而，需要绝缘导体的接合接头，其非常简单，但是可在地下环境中长时间在高压和高温下操作而没有故障。另外，接合接头可能需要更高的抗弯曲和抗拉强度，以抑制接合接头在电缆在地下可能经受的重力载荷和温度的作用下发生故障。也可利用减小接合接头中的电场强度的技术和方法，以使接合接头中的漏电流减小，以及增大运行电压和击穿电压之间的差值。减小电场强度可有助于提高接合接头的电压和温度运行范围。
另外，在绝缘导体装配和/或安装到地下的过程中，可能存在绝缘导体上的增大应力的问题。例如，在用于运输和安装绝缘导体的卷轴上卷绕和展开绝缘导体可在绝缘导体上或绝缘导体中的其他部件上产生机械应力。因而，需要更可靠的系统和方法来在绝缘导体的制造、装配和/或安装过程中降低或消除潜在的问题。
发明内容
本文所述的实施例总体涉及用于处理地下地层的系统、方法和加热器。本文所述的实施例还总体涉及其中具有新颖部件的加热器。这样的加热器可通过使用本文所述的系统和方法获得。
在一些实施例中，本发明提供一个或多个系统、方法和/或加热器。在一些实施例中，所述系统、方法和/或加热器用于处理地下地层。
在一些实施例中，一种用于将第一绝缘导体的一端部联接到第二绝缘导体的一端部的适配接头包括：套筒，其构造用于放置在所述第一绝缘导体的端部和所述第二绝缘导体的端部上；和芯联接件，其位于所述套筒内部，所述芯联接件构造用于围绕所述第一绝缘导体的芯的一端部和所述第二绝缘导体的芯的一端部装配；其中，所述套筒的内部体积构造成使用电绝缘材料至少部分地填充，当所述适配接头联接到所述绝缘导体时，利用所述第一绝缘导体中的电绝缘体的一端部部分和所述第二绝缘导体中的电绝缘体的一端部部分来压缩所述电绝缘材料。
在另外的实施例中，来自特定实施例的特征可与来自其他实施例的特征联接。例如，来自特定实施例的特征可与来自其他实施例的任何一个实施例的特征联接。
在另外的实施例中，处理地下地层使用本文所述的方法、系统、电源或加热器中的任何一个进行。
在另外的实施例中，其他特征可添加到本文所述的特定实施例。
附图说明
通过参照下面结合附图进行的对根据本发明目前优选的但是示例性的实施例的详细描述，将更全面地理解本发明的方法和设备的特征和优点。
图1显示了用于处理含烃地层的就地热处理系统的一部分的实施例的示意性视图。
图2图示了绝缘导体热源的一个实施例。
图3图示了绝缘导体热源的一个实施例。
图4图示了绝缘导体热源的一个实施例。
图5图示了当绝缘导体正被移动到适配接头中时适配接头的剖视图。
图6图示了在绝缘导体连接在适配接头内部的情况下适配接头的剖视图。
虽然本发明容许有各种修改形式和替代形式，但是在附图中以示例方式显示了其特定实施例，并且这里将对它们进行详细描述。附图可不按比例绘制。应可理解，附图和关于其的详细描述不旨在将本发明限制到所公开的特定形式，而是相反，本发明将覆盖全部落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施方式
下面的描述总体涉及用于处理地层中的烃的系统和方法。这样的地层可进行处理来产生烃产物、氢和其他产物。
“交流电（AC）”指随时间变化的电流，其基本上以正弦方式改变方向。AC在铁磁性导体中产生集肤效应电流。
“联接”意思是一个或多个物体或部件之间的直接连接或间接连接（例如，一个或多个干涉连接）。术语“直接连接的”意思是物体和部件之间的直接连接，以使物体或部件彼此直接连接，从而使物体或部件以单点（“point of use”）方式操作。
“地层”包括一个或多个含烃层、一个或多个非烃层、上覆岩层和/或下伏岩层。“烃层”指地层中的含烃的层。烃层可包含非烃材料和烃材料。“上覆岩层”和/或“下伏岩层”包含一种或多种不同类型的不可渗透材料。例如，上覆岩层和/或下伏岩层可包括岩石、页岩、泥岩或湿/致密碳酸盐。在就地热处理工艺的一些实施例中，上覆岩层和/或下伏岩层可包括在就地热处理工艺过程中相对不可渗透并且不受温度影响的一个含烃层或多个含烃层，所述就地热处理工艺导致上覆岩层和/或下伏岩层的多个含烃层的显著的特性变化。例如，下伏岩层可包含页岩或泥岩，但是下伏岩层在就地热处理工艺过程中不允许被加热到热解温度。在一些情况下，上覆岩层和/或下伏岩层可具有一定的渗透性。
“地层流体”指存在于地层中的流体，并且可包括热解流体、合成气、活动化烃和水（蒸汽）。地层流体可包括烃流体以及非烃流体。术语“活动化流体”指含烃地层中的由于对地层的热处理而能够流动的流体。“生产的流体”指从地层分离出的流体。
“热源”为用于基本上通过传导和/或辐射热传递向地层的至少一部分提供热的任何系统。例如，热源可包括导电材料和/或电加热器，例如布置在电路中的导体和/或细长构件、绝缘导体等。热源可还包括通过在地层外部或地层中燃烧燃料产生热的系统。所述系统可以是表面燃烧器、井下气体燃烧器、无焰分布型燃烧室和自然分布型燃烧室。在一些实施例中，提供到一个或多个热源的热或在一个或多个热源中产生的热可由其他能量源提供。其他能量源可直接加热地层，或所述能量可施加到直接或间接加热地层的传递介质。应可理解，将热施加到地层的一个或多个热源可使用不同的能源。因而，例如，对于指定的地层，一些热源可从导电材料、电阻加热器供热，一些热源可通过燃烧提供热，一些热源可从一种或多种其他能源（例如，化学反应、太阳能、风能、生物质或其他可再生能源）提供热。化学反应可包括放热反应（例如氧化反应）。热源也可包括导电材料和/或加热器，其向靠近和/或围绕加热位置例如加热器井的区域提供热。
“加热器”为用于在井中或井筒区域附近产生热的任何系统或热源。加热器可以是，但不限于，电加热器、燃烧器、与地层中的材料或从地层生产的材料反应的燃烧室，和/或其组合。
“烃”通常限定为主要由碳和氢原子形成的分子。烃也可包含其他元素，例如但不限于卤素、金属元素、氮、氧和/或硫。烃可以是，但不限于油母岩、沥青、焦沥青、石油、天然矿物蜡和石沥青。烃可位于地球中的矿物岩石中或与矿物基质相邻。基质可包括但不限于沉积岩、砂、沉积石英岩、碳酸盐、硅藻土和其他多孔介质。“烃流体”为包括烃的流体。烃流体可包括、夹带非烃流体，或被夹带在非烃流体中，所述非烃流体例如为氢、氮、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水和氨水。
“就地转化工艺”指从热源加热含烃地层，来将地层的至少一部分的温度升高至高于热解温度，以在地层中生成热解流体的工艺。
“就地热处理工艺”指使用热源加热含烃地层，来将地层的至少一部分的温度升高至高于形成活动化流体、导致含烃材料减粘裂化和/或热解，从而在地层中产生活动化流体、减粘裂化流体和/或热解流体的温度。
“绝缘导体”指能够导电并且整体或部分由电绝缘材料覆盖的任何细长材料。
“氮化物”指氮和周期表中的一种或多种其他元素的化合物。氮化物包括但不限于氮化硅、氮化硼或氮化铝。
“穿孔”包括管道、管、导管或其他流动通道的壁中的允许流入或流出管道、管、导管或其他流动通道的开口、槽、孔或洞。
“热解”是化学键由于热的施加而断开。例如，热解可包括只通过加热将化合物转变为一种或多种其他物质。热可传递到地层的一部分来造成热解。
“热解流体”或“热解产物”指基本上在烃热解过程中生成的流体。通过热解反应生成的流体可与地层中的其他流体混合。混合物将被认为是热解流体或热解产物。如本文所用，“热解区”指地层的发生反应来形成热解流体的体积（例如，相对可渗透的地层，如沥青砂地层）。
层的“厚度”指层的截面的厚度，其中，所述截面垂直于所述层的表面。
术语“井筒”指地层中通过钻井或将管道插入地层中形成的洞。井筒可具有基本上圆形的横截面，或其他横截面形状。如本文所用，术语“井”和“开口”，当涉及地层中的开口时，可与术语“井筒”互换使用。
地层可以多种方式处理来产生很多不同的产品。在就地热处理工艺过程中，不同的步骤或工艺可用于处理地层。在一些实施例中，地层的一个或多个部分通过溶液采矿来从所述部分分离出可溶矿物。溶液开采矿物可在就地热处理工艺之前、过程中和/或之后进行。在一些实施例中，正在进行溶液采矿的一个或多个部分的平均温度可保持低于约120℃。
在一些实施例中，地层的一个或多个部分被加热来从所述部分分离出水，和/或从所述部分分离出甲烷和其他挥发性烃。在一些实施例中，在水和挥发性烃分离出过程中，平均温度可从环境温度升高到低于约220℃的温度。
在一些实施例中，地层的一个或多个部分被加热到允许地层中的烃运动和/或减粘裂化的温度。在一些实施例中，地层的一个或多个部分的平均温度升高到所述部分中的烃的活动化温度（例如，升高到在从100℃到250℃，从120℃到240℃，或从150℃到230℃的温度范围）。
在一些实施例中，一个或多个部分被加热到允许地层中进行热解反应的温度。在一些实施例中，地层的一个或多个部分的平均温度可升高到所述部分中的烃热解的温度（例如从230℃到900℃，从240℃到400℃或从250℃到350℃的温度范围）。
使用多个热源加热含烃地层可能围绕热源形成热梯度，所述热源在期望加热速率下将地层中的烃升高到期望温度。通过为得到期望产物的活动化温度范围和/或热解温度范围的温度升高速率可影响从含烃地层生产的地层流体的质量和数量。将地层温度缓慢升高通过活动化温度范围和/或热解温度范围，可允许从地层生产高质量高API比重的烃。缓慢升高地层温度通过活动化温度范围和/或热解温度范围可允许分离出存在于地层中的大量烃作为烃产物。
在一些就地热处理实施例中，将地层的一部分加热到期望温度，而不是缓慢加热通过一个温度范围。在一些实施例中，期望温度为300℃，325℃或350℃。可选择其他温度作为期望温度。
来自热源的热的叠加允许期望温度在地层中相对快速并且高效地建立。可调节从热源到地层的能量输入，以将地层中的温度基本上保持在期望温度。
可通过生产井从地层生产活动化和/或热解产物。在一些实施例中，将一个或多个部分的平均温度升高到活动化温度，并且将烃从生产井生产。由于活动化降低到低于选定值，因此可将一个或多个部分的平均温度在生产之后升高到热解温度。在一些实施例中，可将一个或多个部分的平均温度升高到热解温度而在达到热解温度之前没有进行太多生产。可通过生产井生产包括热解产物的地层流体。
在一些实施例中，在活动化和/或热解之后，可将一个或多个部分的平均温度升高到足够允许进行合成气生产的温度。在一些实施例中，可将烃升高到足够允许进行合成气生产的温度，但是在达到足够允许进行合成气生产的温度之前没有进行太多生产。例如，合成气可在约400℃到约1200℃，约500℃到约1100℃，或约550℃到约1000℃的温度范围内生成。产生合成气的流体（例如蒸汽和/或水）可引入到所述部分中来产生合成气。合成气可从生产井生产。
溶液采矿、分离出挥发性烃和水、使烃活动化、热解烃、产生合成气和/或其他工艺可在就地热处理工艺过程中进行。在一些实施例中，一些工艺可在就地热处理工艺之后进行。这样的步骤可包括但不限于，从处理过的部分回收热、在之前处理过的部分中存储流体（例如水和/或烃）和/或在之前处理过的部分中隔离二氧化碳。
图1图示了用于处理含烃地层的就地热处理系统的一部分的实施例的示意图。该就地热处理系统可包括阻隔井200。阻隔井用于围绕处理区域形成阻隔屏障。阻隔屏障抑制流体流入和/或流出处理区。阻隔井包括但不限于脱水井、真空井、捕集井、喷射井、灌浆井、冷冻井或其组合。在一些实施例中，阻隔井200为脱水井。脱水井可去除液体水和/或抑制液体水进入待加热的地层部分或到达正在加热的地层。在图1中所示的实施例中，阻隔井200显示为仅沿热源202的一侧延伸，但是阻隔井通常环绕用于或待用于加热地层热处理区的全部热源202。
热源202放置在地层的至少一部分中。热源202可包括加热器，例如绝缘导体、管内导体加热器、表面燃烧器、无焰分布型燃烧室和/或自然分布型燃烧室。热源202可还包括其他类型的加热器。热源202向地层的至少一部分提供热，以加热地层中的烃。能量可通过供给线路204提供到热源202。供给线路204可根据用于加热地层的一个热源或多个热源的类型以不同方式构造。用于热源的供给线路204可传送用于电加热器的电力，可输送用于燃烧器的燃料，或输送在地层中循环的换热流体。在一些实施例中，用于就地热处理工艺的电力可由一个核电站或多个核电站提供。核电的使用可使得减少或消除从就地热处理工艺排放二氧化碳。
当加热地层时，到地层中的热输入可造成地层膨胀和岩土力学移动。热源可在脱水步骤之前、与脱水步骤同时或在脱水过程中打开。计算机模拟可为地层对加热的响应建模。计算机模拟可用来开发用于启动地层中热源的方式和时序，以使地层的岩土力学移动不会不利地影响热源、生产井和地层中的其他设备的功能。
加热地层可造成地层的渗透性和/或空隙率的提高。渗透性和/或空隙率的提高可能由于地层中的物质因蒸发和分离出水、分离出烃和/或形成裂纹而减少造成。由于地层的提高的渗透性和空隙率，流体可更容易地在地层的被加热部分中流动。由于提高的渗透性和空隙率，地层的被加热部分中的流体可穿过地层移动相当大的距离。所述相当大的距离可超过1000m，取决于多种因素，例如地层的渗透性、流体的性能、地层的温度、使流体移动的压力梯度。流体在地层中移动相当大距离的能力使生产井206能够在地层中相对远地间隔开。
生产井206用于从地层分离出地层流体。在一些实施例中，生产井206包括热源。生产井中的热源可在生产井处或附近加热地层的一个或多个部分。在一些就地热处理工艺实施例中，每米生产井的从生产井提供到地层的热量小于每米热源的从加热地层的热源施加到地层的热量。从生产井施加到地层的热可通过蒸发和分离出与生产井相邻的液相流体，和/或通过形成宏观和/或微观裂纹来提高与生产井相邻的地层渗透性，来提高与生产井相邻的地层渗透性。
不止一个热源可设置在生产井中。当来自相邻多个热源的热叠加将地层充分加热，从而抵消通过使用生产井加热地层提供的益处时，生产井下部中的热源可关闭。在一些实施例中，在生产井下部中的热源停止之后，生产井的上部中的热源可保持打开。生产井上部中的热源可抑制地层流体的冷凝和回流。
在一些实施例中，生产井206中的热源允许地层流体以蒸汽相从地层分离出。在生产井处或穿过生产井提供加热可：（1）当生产流体靠近上覆岩层在生产井中移动时，抑制这样的生产流体的冷凝和/或回流，（2）提高到地层中的热输入，（3）与没有热源的生产井相比较，提高生产井的生产率，（4）抑制生产井中高碳数化合物（C6烃和更高碳数的烃）的冷凝，和/或（5）提高生产井处或附近的地层渗透性。
地层中的地下压力可对应于地层中产生的流体压力。当地层的被加热部分中的温度升高时，被加热部分中的压力可由于就地流体的热膨胀、增多的流体产生和水的蒸发而增大。控制流体从地层分离出的速率可容许控制地层中的压力。地层中的压力可在多个不同位置处确定，例如生产井附近或生产井处、热源附近或热源处或监测井处。
在一些含烃地层中，从地层生产烃受到抑制，直到地层中的烃的至少一些已经被活动化和/或热解。当地层流体具有选定质量时，地层流体可从地层生产。在一些实施例中，选定质量包括至少约20°，30°或40°的API比重。抑制生产直到至少一些烃被活动化和/或热解，可提高重烃到轻烃的转化。抑制初始生产可尽量减少从地层生产重烃。大量重烃的生产可能需要昂贵的设备，和/或缩短生产设备的使用寿命。
在一些含烃地层中，地层中的烃可在已经在地层的被加热部分中产生大的渗透性之前，被加热到活动化和/或热解温度。最初缺乏渗透性可抑制产生的流体输送到生产井206。在初始加热过程中，在靠近热源处，地层中的流体压力可增大。增大的流体压力可通过一个或多个热源202释放、监测、改变和/或控制。例如，选定的热源202或单独的减压井可包括减压阀，其允许将一些流体从地层分离出。
在一些实施例中，可允许由于活动化流体、热解流体或地层中产生的其他流体的膨胀产生的压力提高，但是地层中不能存在通到生产井206的通路或任何其他压力降。流体压力可允许向静岩压力增大。当流体接近静岩压力时，可在含烃地层中形成裂纹。例如，裂纹可在地层的被加热部分中从热源202向生产井形成。被加热部分中裂纹的产生可释放所述部分中的一些压力。地层中的压力可能必须保持在选定压力以下，以抑制不期望的产物、上覆岩层或下伏岩层的断裂和/或地层中烃的结焦。
在到达活动化和/或热解温度并且能够从地层生产之后，地层中的压力可改变，从而改变和/或控制生产的地层流体的组分，控制地层中可冷凝流体与不可冷凝流体相比的百分比，和/或控制正在生产的地层流体的API比重。例如，减小压力可导致更大的可冷凝流体组分的生产。可冷凝流体组分可包含更大百分比的烯烃。
在一些就地热处理工艺实施例中，地层中的压力可保持足够高，以促进具有大于20°的API比重的地层流体生产。在地层中保持增大的压力可抑制就地热处理过程中地层沉降。保持增大的压力可减少或消除在表面处压缩地层流体来在收集管中将流体输送到处理设备的需要。
在地层的被加热部分中保持增大的压力可令人惊奇地允许生产大量具有提高的质量和相对低分子量的烃。压力可保持为使得生产的地层流体具有最小量的高于选定碳数的化合物。选定碳数可最大为25，最大为20，最大为12，或最大为8。一些高碳数化合物可夹带在地层中的蒸气中，并且可随蒸气从地层分离出。在地层中保持增大的压力可抑制高碳数化合物和/或多环烃化合物夹带在蒸气中。高碳数化合物和/或多环烃化合物可以液相保留在地层中非常长时间。该非常长时间可为化合物热解提供充足时间，以形成较低碳数化合物。
相对低分子量的烃的产生被认为部分由于含烃地层的一部分中的氢的自动产生和反应。例如，保持增大的压力可迫使热解过程中产生的氢进入地层中的液相。将所述部分加热到热解温度范围内的温度可将地层中的烃热解来产生液相热解流体。产生的液相热解流体组分可包括双键和/或基。液相中的氢（H2）可减少产生的热解流体中的双键，由此降低来自产生的热解流体的长链化合物的聚合或形成的可能性。另外，H2还可中和产生的热解流体中的基。液相中的H2可抑制产生的热解流体彼此反应和/或与地层中的其他化合物反应。
从生产井206生产的地层流体可通过收集管208传输到处理设备210。地层流体也可从热源202生产。例如，流体可从热源202生产来控制与所述热源相邻的地层中的压力。从热源202生产的流体可通过导管或管路输送到收集管208，或生产流体可通过导管或管路直接输送到处理设备210。处理设备210可包括分离装置、反应装置、提升装置、燃料电池、涡轮机、存储容器和/或用于处理生产地层流体的其他系统和装置。所述处理设备可形成来自从地层生产的烃的至少一部分的输送燃料。在一些实施例中，输送燃料可以是喷射燃料，例如JP-8。
绝缘导体可用作加热器或热源的电加热器元件。绝缘导体可包括由电绝缘体围绕的内部电导体（芯），和外部电导体（护套）。电绝缘体可包括矿物绝缘材料（例如氧化镁）或其他电绝缘材料。
在一些实施例中，绝缘导体放置在含烃地层中的开口中。一些实施例中，绝缘导体放置在含烃地层中的裸眼开口中。将绝缘导体放置在含烃地层中的裸眼开口内可使热通过辐射以及传导从绝缘导体传递到地层。使用裸眼开口可便于绝缘导体从井取回，如果需要的话。
在一些实施例中，绝缘导体放置在地层中的套管中，可固牢在地层中，或可使用砂、碎石或其他填料装填入开口中。绝缘导体可支撑在设置在开口中的支撑构件上。支撑构件可以是电缆、杆或管道（例如导管）。支撑构件可由金属、陶瓷、无机材料或其组合制成。由于在使用过程中支撑构件的部分可暴露于地层流体和加热，因此支撑构件可耐化学物质和/或耐热。
系绳、点焊和/或其他类型的连接器可用于将绝缘导体在沿绝缘导体长度的不同位置处联接到支撑构件。支撑构件可在地层上表面处附接到井口。在一些实施例中，绝缘导体具有足够的结构强度，从而不需要支撑构件。绝缘导体可在很多情况下具有至少一些柔性，以在经受温度变化时防止热膨胀损坏。
在一些实施例中，绝缘导体在没有支撑构件和/或扶正器的情况下放置在井筒中。没有支撑构件和/或扶正器的绝缘导体可具有抑制绝缘导体在使用过程中故障的耐热和耐蚀、蠕变强度、长度、厚度（直径）和冶金性能的适当组合。
图2图示了绝缘导体212的一个实施例的端部的立体视图。绝缘导体212可具有任何期望的横截面形状，例如但是不限于圆形（图2中所示）、三角形、椭圆形、矩形、六边形或不规则形状。在一些实施例中，绝缘导体212包括芯214、电绝缘体216和护套218。芯214可在电流通过所述芯时电阻加热。交变或随时间变化的电流和/或直流可用于向芯214提供功率，以使芯电阻加热。
在一些实施例中，电绝缘体216抑制向护套218的电流泄漏和电弧放电。电绝缘体216可将芯214中产生的热量热传导到护套218。护套218可向地层辐射或传导热。在一些实施例中，绝缘导体212长度为1000米或更长。较长或较短的绝缘导体也可用于满足特定应用的需要。绝缘导体212的芯214、电绝缘体216和护套218的尺寸可选择成使绝缘导体具有足够的强度来甚至在上限工作温度下仍能够自支撑。这样的绝缘导体可从井口或设置在上覆岩层和含烃地层之间的界面附近的支架悬挂，而无需与绝缘导体一起延伸到含烃地层中的支撑构件。
绝缘导体212可设计用于在高可达约1650瓦/米或更高的功率水平下操作。在一些实施例中，当加热地层时，绝缘导体212在约500瓦/米和约1150瓦/米之间的功率水平下操作。绝缘导体212可设计成使通常操作温度下的最大电压水平不使电绝缘体216产生显著的热和/或电击穿。绝缘导体212可设计成使护套218不超过将导致护套材料耐蚀性能显著降低的温度。在一些实施例中，绝缘导体212可设计成达到在约650℃和约900℃之间的范围内的温度。可形成具有其他操作范围的绝缘导体来满足特定操作要求。
图2图示了具有单个芯214的绝缘导体212。在一些实施例中，绝缘导体212具有两个或更多个芯214。例如，单个绝缘导体可具有三个芯。芯214可由金属或其他导电材料制成。用于形成芯214的金属可包括但不限于镍铬合金、铜、镍、碳钢、不锈钢及其组合。在一些实施例中，芯214选择成具有一定直径和在操作温度下的电阻率以使得其由欧姆定律得到的电阻使其在电学方面和结构方面稳定，从而实现选择的每米功耗、加热器长度和/或芯材料允许的最大电压。
在一些实施例中，芯214沿绝缘导体212由不同的材料制成。例如，芯214的第一部分可由电阻比所述芯的第二部分低得多的材料制成。第一部分可与不需要加热到与第二地层一样高温度的地层相邻放置，所述第二地层与第二部分相邻。芯214的各个部分的电阻率可通过具有可变直径和/或通过具有由不同材料制成的多个芯部分来调节。
电绝缘体216可由多种材料制成。通常使用的粉末可包括但不限于，MgO，Al2O3，氧化锆，BeO，尖晶石的不同的化学变体，及其组合。MgO可提供良好的热传导性和电绝缘性能。期望的电绝缘性能包括低漏电流和高介电强度。低漏电流降低热击穿的可能性，高介电强度降低跨过绝缘体电弧放电的可能性。如果漏电流造成绝缘体的温度渐进升高，则可能发生热击穿，还导致跨过绝缘体电弧放电。
护套218可以是外金属层或导电层。护套218可与热地层流体处于接触。护套218可由在高温度下具有高耐腐蚀性的材料制成。可用于护套218的期望操作温度范围的合金包括但不限于304不锈钢、310不锈钢、800和
Figure BDA00001643036200152
600（Inco Alloys International，Huntington，West Virginia，U.S.A.）。护套218的厚度可能必须在热和腐蚀性环境中足够持续三到十年。护套218的厚度可通常在约1mm和约2.5mm之间变化。例如，1.3mm厚的310不锈钢外层可用作护套218，以提供持续超过3年的对地层被加热区中的硫蚀的良好的化学耐性。较大或较小的护套厚度可用于满足特定的应用要求。
一个或多个绝缘导体可放置在地层中的开口中，以形成一个热源或多个热源。电流可传送到开口中每一个导体来加热地层。或者，电流可传送通过开口中的选定绝缘导体。不使用的导体可用作备用加热器。绝缘导体可以任何便利方式电联接到电源。绝缘导体的每一端可联接到穿过井口的引入电缆。这样的结构通常具有设置在热源底部附近的180°弯折（“急转弯”弯折）或拐弯部分。包括180°弯折或拐弯部分的绝缘导体可不需要底部端子，但是180°弯折或拐弯部分可能是加热器中的电和/或结构弱点。绝缘导体可串联、并联或以串并联混合方式电联接在一起。在热源的一些实施例中，电流可传送到绝缘导体的导体中，并且可通过在热源底部处将芯214连接到护套218（图2中所示）而通过绝缘导体的护套返回。
在一些实施例中，三个绝缘导体212以3相Y形结构电联接到电源。图3图示了地下地层中的开口内以Y形结构连接的三个绝缘导体的实施例。图4图示了可从地层中的开口220取出的三个绝缘导体212的实施例。Y形结构中的三个绝缘导体不需要底部连接。或者，Y形结构的全部三个绝缘导体可在开口的底部附近连接在一起。所述连接可直接在绝缘导体的加热部分的端部处或在冷引线（较小电阻部分）的端部处形成，其中所述冷引线在绝缘导体的底部处联接到加热部分。底部连接可使用绝缘体填充或密封的罐或使用环氧树脂填充的罐制得。该绝缘体可以是与用作电绝缘材料的绝缘体相同的组分。
图3和4中图示的三个绝缘导体212可使用扶正器224连接到支撑构件222。或者，绝缘导体212可使用金属带直接捆绑到支撑构件222。扶正器224可使绝缘导体212在支撑构件222上保持在位和/或抑制绝缘导体212在支撑构件222上的移动。扶正器224可由金属、陶瓷或其组合制成。金属可以是不锈钢或能够耐腐蚀和高温环境的任何其他类型的金属。在一些实施例中，扶正器224为以小于约6m的距离焊接到支撑构件的弯曲金属条带。用于扶正器224中的陶瓷可以是，但不限于Al2O3，MgO或其他电绝缘体。扶正器224可在支撑构件222上保持绝缘导体212的位置，以使绝缘导体的移动在绝缘导体的操作温度下受到抑制。绝缘导体212也可有些柔性，以经受加热过程中支撑构件222的膨胀。
支撑构件222、绝缘导体212和扶正器224可放置在烃层226的开口220中。绝缘导体212可使用冷引线230联接到底部导体接合部228。底部导体接合部228可将每一个绝缘导体212彼此电联接。底部导体接合部228可包括导电但是在开口220中的温度下不熔化的材料。冷引线230可以是具有比绝缘导体212更低电阻的绝缘导体。
引入导体232可联接到井口234，以向绝缘导体212提供电力。引入导体232可由相对低电阻的导体制成，以使相对很少的热由于电流通过引入导体而产生。在一些实施例中，引入导体为橡胶或聚合物绝缘的多股铜线。在一些实施例中，引入导体为具有铜芯的矿物绝缘导体。引入导体232可在表面236处通过设置在上覆岩层238和表面236之间的密封凸缘联接到井口234。密封凸缘可抑制流体从开口220漏出到表面236。
在一些实施例中，引入导体232使用过渡导体240联接到绝缘导体212。过渡导体240可为绝缘导体212的较小电阻部分。过渡导体240可称为绝缘导体212的“冷引线”。过渡导体240可设计成每单位长度消耗绝缘导体212的主加热部分每单位长度中消耗功率的约十分之一到约五分之一的功率。过渡导体240可通常在约1.5m和约15m之间，但是可使用更短或更长的长度来适应特定应用要求。在一个实施例中，过渡导体240的导体为铜。过渡导体240的电绝缘体可以是与主加热部分中所用的相同类型的电绝缘体。过渡导体240的护套可由耐蚀材料制成。
在一些实施例中，过渡导体240通过接合接头或其他联接接头而联接到引入导体232。接合接头也可用于将过渡导体240联接到绝缘导体212。接合接头可必须耐受等于目标区操作温度的一半的温度。接合接头中的电绝缘材料的密度应在很多情况下足够高以耐受所需温度和操作电压。
在一些实施例中，如图3中所示，填料242设置在上覆岩层套管244和开口220之间。在一些实施例中，增强材料246可将上覆岩层套管244固定到上覆岩层238。填料242可抑制流体从开口220流动到表面236。增强材料246可包括例如与用于提高高温性能的硅砂粉混合的G级或H级波特兰水泥、炉渣或硅砂粉和/或其混合物。在一些实施例中，增强材料246径向延伸约5cm到约25cm的宽度。
如图3和4中所示，支撑构件222和引入导体232可在地层的表面236处联接到井口234。表面导体248可围绕增强材料246并连接至井口234。表面导体的实施例可延伸到地层中的开口内约3m到约515m的深度。或者，表面导体可延伸到地层中约9m的深度。电流可从电源提供到绝缘导体212，从而由于绝缘导体的电阻而产生热。从三个绝缘导体212产生的热可在开口220中传递来加热烃层226的至少一部分。
由绝缘导体212产生的热可加热含烃地层的至少一部分。在一些实施例中，基本上通过产生的热向地层的辐射来将热传递到地层。由于开口中存在气体，因此一些热可通过热的传导或对流传递。开口可以是裸眼开口，如图3和4中所示。裸眼开口消除了与将加热器热固牢到地层相关的成本，与装套管相关的成本，和/或将加热器封装在孔中的成本。另外，通过辐射进行的热传递通常比通过传导更高效，因此加热器可在裸眼井筒中在较低的温度下操作。热源初始操作过程中的传导热传递可通过在开口中添加气体增强。气体可保持在高可达约27巴绝对压力的压力下。气体可包括但不限于二氧化碳和/或氦。裸眼井筒中的绝缘导体加热器可有利地自由膨胀或收缩，以适应热膨胀和收缩。绝缘导体加热器可有利地可从裸眼井筒取出或再布署。
在一些实施例中，绝缘导体加热器组件使用卷绕组件安装或取出。不止一个卷绕组件可用于同时安装绝缘导体和支撑构件。或者，支撑构件可使用盘管装置安装。加热器可被展开，并且在支架插入井中时连接到支架。电加热器和支撑构件可从卷绕组件展开。衬垫可沿支撑构件的长度联接到支撑构件和加热器。其他卷绕组件可用于其他电加热器元件。
用于地下应用中例如在一些应用中加热含烃地层的矿物绝缘（MI）电缆（绝缘导体）较长，可具有较大的外径，并且可在比MI电缆行业中通常的电压和温度更高的电压和温度下操作。对于这些地下应用，需要邻近多个MI电缆以制造具有足够长度的MI电缆，从而到达高效加热地下所需的深度和距离，并且将具有不同功能的节段连接，例如连接到加热器部分的引入电缆。这样的长加热器还需要更高的电压，以将足够的功率提供给加热器的最远端。
传统的MI电缆接合接头设计通常不适用于高于1000伏，高于1500伏或高于2000伏的电压，并且在高温下，例如高于650℃（约1200℉）、高于700℃（约1290℉）或高于800℃（约1470℉）的高温下，不可能长时间操作而没有故障。这样的高压、高温应用通常需要接合接头中的矿物绝缘材料的密实度尽可能接近或高于绝缘导体（MI电缆）自身中的密实度水平。
用于一些应用的MI电缆的相对大的外径和长的长度需要电缆在水平取向时接合。存在用于MI电缆的其它应用的接合接头，它们水平地制备。这些技术通常使用小孔，矿物绝缘材料（例如氧化镁粉）通过所述小孔填充到接合接头中，并且通过振动和捣紧来稍微压实。这样的方法没有提供矿物绝缘材料的充分压实，或甚至在一些情况下，不允许矿物绝缘材料的任何压实，并且因而可能不适用于制造在这些地下应用所需的高压下使用的接合接头。
因而，需要绝缘导体的接合接头，其非常简单，但是可在地下环境中长时间在高压和高温下操作而没有故障。另外，接合接头可能需要更高的抗弯曲和抗拉强度，以抑制接合接头在电缆在地下可能经受的重力载荷和温度的作用下发生故障。也可利用减小接合接头中的电场强度的技术和方法，以使接头中的漏电流减小，以及增大运行电压和击穿电压之间的差值。减小电场强度可有助于提高接合接头的电压和温度运行范围。
图5和图6图示了用于连接绝缘导体的适配接头250的另一个实施例的剖视图。图5图示了当绝缘导体212A，212B正被移动到适配接头250中时适配接头250的剖视图。图6图示了在绝缘导体212A，212B连接在适配接头250内部的情况下适配接头250的剖视图。在一些实施例中，适配接头250包括套筒252和联接件258。
适配接头250可用于将绝缘导体212A联接（接合）到绝缘导体212B，同时保持绝缘导体的护套（外鞘）、绝缘材料和芯（导体）的机械和电完整性。适配接头250可用于将产生热的绝缘导体和不产生热的绝缘导体联接，将产生热的绝缘导体和其他产生热的绝缘导体联接，或将不产生热的绝缘导体和其他不产生热的绝缘导体联接。在一些实施例中，不止一个适配接头250用于联接多个产生热和不产生热的绝缘导体，以提供长绝缘导体。
适配接头250可用于联接具有不同直径的绝缘导体。例如，绝缘导体可具有不同的芯（导体）直径，不同的护套（外鞘）直径，或不同直径的组合。适配接头250也可用于联接具有不同冶金性能、不同类型绝缘物或其组合的绝缘导体。
联接件258用于将绝缘导体212A，212B的芯214A，214B在适配接头250内部连接并且电联接。联接件258可由铜或另一种适当的电导体制成。在一些实施例中，芯214A，214B被压配合或推到联接件258中。在一些实施例中，将联接件258加热来使芯214A，214B能够滑动到联接件中。在一些实施例中，芯214A由与芯214B不同的材料制成。例如，芯214可以是铜，而芯214B为不锈钢、碳钢或Alloy180。在这样的实施例中，可能必须使用特定的方法来将芯焊接在一起。例如，芯的抗拉强度性能和屈服强度性能可能必须接近地匹配，以使芯之间的联接不随着时间过去或随着使用而劣化。
在一些实施例中，联接件258在联接件内侧上包括一个或多个凹槽。芯在联接件中连接之后，所述凹槽可抑制颗粒进入或离开联接件。在一些实施例中，联接件258具有成锥形变化的内径（例如，朝向联接件中心内径变小）。成锥形变化的内径可在联接件258和芯214A，214B之间提供更好的压配合。
在一些实施例中，电绝缘材料256设置在套筒252内部。在一些实施例中，电绝缘材料256为氧化镁或氧化镁和氮化硼的混合物（80%重量百分比的氧化镁和20%重量百分比的氮化硼）。电绝缘材料256可包括氧化镁、滑石、陶瓷粉（例如氮化硼）、氧化镁和另一电绝缘体（例如，高可达约50%重量百分比的氮化硼）的混合物、陶瓷水泥、陶瓷粉末与一些非陶瓷材料（例如二硫化钨（WS2））的混合物、或其混合物。例如，氧化镁可与氮化硼或另一电绝缘体混合，以提高电绝缘材料的流动性能，从而提高电绝缘材料的介电性能，或提高适配接头的柔性。在一些实施例中，电绝缘材料256为类似于至少一个绝缘导体212A，212B内部使用的电绝缘物的材料。电绝缘材料256可具有基本上与至少一个绝缘导体212A，212B内部使用的电绝缘物相似的介电特性。
在一些实施例中，套筒252的内部体积基本上使用电绝缘材料256填充。在一些实施例中，“基本上填充”指使用电绝缘材料完全或几乎完全填充一个或多个体积，在所述一个或多个体积中基本上没有宏观空隙。例如，基本上填充可指使用电绝缘材料几乎填充全部体积，其中所述电绝缘材料由于微观空隙具有一定孔隙率（例如高可达约40%的孔隙率）。
在一些实施例中，套筒252具有一个或多个凹槽308。凹槽308可抑制电绝缘材料从套筒252移出（例如，凹槽将电绝缘材料捕获在套筒中）。
在一些实施例中，电绝缘材料256在联接件258的边缘处或附近具有凹状端部，如图5中所示。电绝缘材料256的凹状可增强与绝缘导体212A，212B的电绝缘体216A，216B的联接。在一些实施例中，电绝缘体216A，216B具有凸状（或锥形）端部，以增强与电绝缘材料256的联接。电绝缘材料256和电绝缘体216A，216B的端部可在绝缘导体连接过程中施加的压力作用下混合或混和。绝缘材料的混合或混和可增强绝缘导体之间的联接。
在一些实施例中，通过朝向适配接头中心将绝缘导体移动到（推到）一起，来将绝缘导体212A，212B与适配接头250连接。通过绝缘导体212A，212B的移动，使芯214A，214B在联接件258内部移到一起。在绝缘导体212A，212B一起移动到适配接头250中之后，适配接头和在所述适配接头内部的绝缘导体的端部可被压紧或加压来将绝缘导体固定在适配接头中并且压缩电绝缘材料256。夹紧组件或其他类似装置可用于将绝缘导体212A，212B和适配接头250移到一起。在一些实施例中，压缩电绝缘材料256的力为例如至少25000磅每平方英寸一直到55000磅每平方英寸，以提供绝缘材料的可接受的密实度。在装配工艺过程中压实电绝缘材料256可为电绝缘材料提供介电特性，所述介电特性在可行范围内与绝缘导体212A，212B中的介电特性相当。便于实现压实的方法和装置包括但不限于机械方法、气动、液压、锻压或其组合。
在一些实施例中，套筒252的端部联接（焊接或钎焊）到绝缘导体212A，212B的护套218A，218B。在一些实施例中，支撑套筒和/或应变消除装置放置在适配接头250上，以提供对适配接头的另外的增强。
图示在图5和图6中的接头250可在绝缘导体之间形成结实可靠的电和机械连接。例如，本文图示的适配接头可适用于在高于1000伏，高于1500伏，或高于2000伏的电压和至少约650℃，至少约700℃，至少约800℃的温度下长时间操作。
在一些实施例中，本文中图示的适配接头将加热用绝缘导体（例如设置在含烃地层中的绝缘导体）联接到非加热用绝缘导体（例如用于地层的上覆岩层部分中的绝缘导体）。加热用绝缘导体可具有较小的芯和与非加热用绝缘导体不同材料的芯。例如，加热用绝缘导体的芯可以是铜-镍合金、不锈钢或碳钢，而非加热用绝缘导体的芯可以是铜。但是由于芯的尺寸和材料电学性能的差异，所述部分中的电绝缘物具有的厚度可能差异太大以致不能由连接绝缘导体的单个接头补偿。因而，在一些实施例中，可能在加热用绝缘导体和非加热用绝缘导体之间使用短段的中间加热用绝缘导体。
中间加热用绝缘导体可具有从不加热用绝缘导体的芯直径成锥形变化到加热用绝缘导体的芯直径的芯直径，同时使用与不加热用绝缘导体类似的芯材料。例如，中间加热用绝缘导体可以是铜，其芯直径成锥形变化到与加热用绝缘导体相同的直径。因而，联接中间绝缘导体和加热用绝缘导体的适配接头处的电绝缘物的厚度与加热用绝缘导体中的电绝缘物的厚度相似。具有相同的厚度使得绝缘导体可容易地在适配接头中连接。由于较小的芯直径，中间加热用绝缘导体可提供一些压降或一些热损耗，但是中间加热用绝缘导体可在长度方面相对短，以使这些损耗最小化。
应可理解，本发明不限于所述的特定系统，所述系统当然可改变。还应理解，本文所用的术语仅出于描述特定实施例的目的，不旨在进行限制。如本说明书中所用，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数个指示物，除非所述内容另外明确指出。因而，例如，提到“一个芯”包括两个或更多个芯的组合，提到“一种材料”包括材料的混合物。
借助于本说明，本发明的各个方面的其他修改形式和替代实施例对于本领域中技术人员将显而易见。因此，本说明将仅视为是示例性的，并且用于教导本领域技术人员实现本发明的一般方式。应可理解，本文所示和所述的本发明的形式应视为目前优选的实施例。本文示出和描述的元件和材料可替换，部件和工艺可颠倒，本发明的一些特征可独立使用，这对于已获益于对本发明的说明后的本领域技术人员是显而易见的。可对所述元件进行改变而不偏离下面权利要求中所述的本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种用于将第一绝缘导体的一端部联接到第二绝缘导体的一端部的适配接头，包括：
套筒，所述套筒构造用于放置在所述第一绝缘导体的端部和所述第二绝缘导体的端部上；和
芯联接件，所述芯联接件位于所述套筒内部，所述芯联接件构造用于围绕所述第一绝缘导体的芯的一端部和所述第二绝缘导体的芯的一端部装配；
其中，所述套筒的内部体积构造成使用电绝缘材料至少部分地填充，当所述适配接头联接到所述绝缘导体时，利用所述第一绝缘导体中的电绝缘体的一端部部分和所述第二绝缘导体中的电绝缘体的一端部部分来压缩所述电绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的适配接头，其中，所述绝缘导体构造成被压到所述适配接头中，并且将所述电绝缘材料压实到所述绝缘导体的电绝缘体中。
3.根据权利要求1所述的适配接头，其中，当所述绝缘导体的端部移动到所述适配接头中时，所述绝缘导体的芯被一起压在所述芯联接件中。
4.根据权利要求1所述的适配接头，其中，所述套筒包括一个或多个凹槽，所述凹槽用于抑制电绝缘材料从所述套筒移出。
5.根据权利要求1所述的适配接头，其中，绝缘导体中的至少一个包括电绝缘物，所述电绝缘物在所述适配接头内部从绝缘导体的护套向绝缘导体的芯以一定角度成锥形变化。
6.根据权利要求1所述的适配接头，其中，所述芯联接件包括成锥形变化的内径，较小直径在所述联接件的中心，以增强与绝缘导体的芯的接触。
7.根据权利要求1所述的适配接头，其中，所述芯联接件在所述联接件的内径上包括一个或多个凹槽，以增强与绝缘导体的芯的接触。
8.根据权利要求1所述的适配接头，其中，所述电绝缘材料构造成通过至少25000磅每平方英寸的压力压实。
9.根据权利要求1所述的适配接头，其中，所述电绝缘材料构造成通过施加振动加上缩小适配接头的内部体积来压实。
10.根据权利要求1所述的适配接头，其中，所述适配接头构造成在所述绝缘导体的端部之间居中放置。
11.根据权利要求1所述的适配接头，其中，所述适配接头的内部体积构造用于通过施加液压压力缩小。
12.根据权利要求1所述的适配接头，其中，所述适配接头的内部体积构造用于通过使用锻压方法缩小。
13.根据权利要求1所述的适配接头，其中，所述电绝缘材料包括基本类似于两个绝缘导体中的至少一个的电绝缘物的材料。
14.根据权利要求1所述的适配接头，其中，所述绝缘导体中的至少一个构造用于加热地下地层。
15.根据权利要求1所述的适配接头，其中，所述套筒构造成放置在所述第一绝缘导体的端部和所述第二绝缘导体的端部上。
16.根据权利要求1所述的适配接头，其中，所述芯联接件构造成围绕所述第一绝缘导体的芯的端部和所述第二绝缘导体的芯的端部紧配合。
17.一种用于绝缘导体的适配接头，所述适配接头包括构造成使用电绝缘材料至少部分地填充的套筒。
18.一种用来制造用于绝缘导体的适配接头的方法，包括使用电绝缘材料至少部分地填充套筒的内部体积，其中，所述套筒装配在所述绝缘导体的一个或多个端部上。
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