CN1232718C - 井眼加热器以及加热地层的方法 - Google Patents

Abstract

一种井眼加热器，包括：一环形加热元件结构；一电气绝缘材料，其环绕着环形加热元件结构；其中，没有环绕环形加热元件结构的套管，其特征在于：环形加热元件结构至少包括一延展的板，该板根据井眼壁的一部分弯成圆弧形。本发明还公开了一种对地层的一部分加热的方法，该方法包括下列步骤：在准备加热的那部分地层内设置一个井眼；将一个环形加热元件结构放入该井眼；用电气绝缘材料在该井眼内支撑加热元件结构，其中，在加热元件结构与被加热地层之间不设置套管。

Description

井眼加热器以及加热地层的方法

技术领域

本发明涉及一种适用于井眼(Borehole)的电加热方法和装置。

发明背景

美国专利N0.4640352和No.4886118公开了对含油的低透气性地下构造进行导电加热以便从中回收油。低透气性构造包括硅藻土，类脂体煤和油页岩。低透气性构造对于二次油回收法，例如用蒸汽、二氧化碳或火溢流(Flooding)并不好。溢流材料优先地从具有低透气性构造的断裂处透入。注入的材料绕过绝大多数碳氢化合物。与此相反，导电加热不需要将流体输入构造。构造中的油因此在溢流过程中不必绕过。热注入井则用于在此过程中提供热能。

热注入井也可用于净化土壤。例如美国专利No.5318116和No.5244310公开了净化土壤的一些方法，其中，将热能注入土壤表面之下以便使污染物质蒸发。专利’310的加热器使用电阻棒，电流通过电阻棒传入土壤。专利’116公开了将加热元件经过井眼送到被加热构造的底部。环绕加热器的井眼包括一个触媒床(Catalyst bed)，该触媒床被加热元件加热。热传导经过触媒床到达环绕触媒床的套(Casing)，再由套辐射到周围的土壤。典型的铝土基触媒床具有很低的热传导性，并在触媒床中存在极大的温度梯度。这种巨大的温度梯度将导致在有限的加热元件温度，减少对被加热土壤的热传递。

美国专利No.5065818公开了一种加热器井，该加热器井具有护套和矿石绝缘(“MI”)加热电缆，该电缆直接粘接在井眼内。MI电缆包括加热元件，该加热元件由绝缘层例如氧化镁包围，并有一层较薄的护套套在绝缘层外。加热电缆的外径典型情况下小于半英寸(1.25cm)。加热器井可选地设置一个通道，用于经过涂水泥的井眼放下一个热电偶，以记录加热井的温度分布。由于是直接在井眼涂水泥，不再需要加套(不是指电缆外面的护套)，不过电缆的外径较小。加热电缆的较小外径限制了可由电缆传到构造中的热量，因为必须经其传递热量的电缆面积受到限制。水泥井具有较低的热传导性，因此，在电缆表面较大的热通量，会使得加热器电缆的温度过高而不能接受。可将多个加热器电缆粘接在井眼内以增加对上述只能用一条电缆的构造的热传递，不过，这对于进一步增加可传递到加热器周围土壤中的热量将是所希望的。

美国专利No.2732195公开了一种电加热器井，其中，将一种“电阻粉末”物质，最好是石英砂或粉碎的石英石，放置在井眼加热器套外和两侧，并环绕在套内的电加热元件。

发明概述

因此，本发明的一个目的在于提供一种井眼加热器，其中，加热器具有在使用温度下较现有技术更大的表面积，而且，本质上不再需要套。这种加热器，作为一种用于诸如碳氢化合物热回收或土壤改造的井加热器是有用的。

这些目的和其他目的是通过一种井眼加热器实现的，其包括：一环形加热元件结构；和一电气绝缘材料，其环绕着环形加热元件结构；其中，没有环绕环形加热元件结构的套管，其特征在于：环形加热元件结构至少包括一延展的板，该板根据井眼壁的一部分弯成圆弧形。

本发明的无套加热器设计，大大降低了热注入井的成本，这对于应用热注入法，从诸如油页岩、焦油砂或硅藻土中回收碳氢化合物的应用，具有重要意义。热注入也可以用于去除许多污染物。

最好环形加热元件结构是从一种组件中选择，该组件包括一个环形多孔金属板，一个或多个延展的金属板，一个或多个线网，和由隔离板相连的带、棒或细丝。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于加热一部分地层的方法，该方法包括如下步骤：

在准备加热的地层中设置一个井眼；

在井眼中放置一环形加热元件结构；和

用电气绝缘元件在井眼中支撑加热元件结构，其中，在加热元件结构和准备加热的土壤之间不放置金属套。

附图的简要说明

图1示出了根据本发明的第一实施例，在井眼中的加热器。

图2A，2B和2C示出了根据本发明安装在加热器顶部的电缆的细节。

图3示出了根据本发明的另一实施例，在井眼中的加热器。

图4示出了图3所示在井眼中的加热器的横剖面图。

图5示出了用于安装根据本发明的加热器的装置。

优选实施例的详细描述

本发明可选择之环形加热器具有一种网格加热元件，可制成使其适合于井眼壁的形状，使得所提供的加热元件的表面尽量大，和从井眼离开的热通量尽量大。一种电气绝缘填料在加热元件内环绕放置，本质上消除了加热元件与被加热构造之间的电气短路。这种电气绝缘材料可以在其初始状态是湿的，因此在其干燥之前是导电的。干燥阶段可通过经加热元件向湿材料通电来完成，电能所产生的热会逐渐加热土壤并最终使原来存在的液态水蒸发。所剩下的干燥砂子是一种可以接受的电气绝缘物。水泥的吸水减少了自由状态的液态水，养护后的水泥可以是一种可接受的电气绝缘体。其他一些材料可以用作绝缘体。最好是容易放置和不昂贵的材料。理想的材料既可以是或容易变成非导电材料。一种材料，例如砂子，可以靠压缩空气喷放或者作为一种泥浆放置。

最好将多个电加热元件放置在井眼内以形成加热器，该元件连接在井眼的底部，交流电源的不同相与每一元件连接。最好是二至三个元件。

加热元件可以是延展的金属，或者别的多孔金属元件例如线屏(Wirescreen)或线网。孔隙率(Porosity)最好在百分之四十至百分之八十；这里，孔隙率定义为，在金属板上所看见的空面积所占百分比。通过提供这种空面积，大大增加与加热元件接触的总面积。更厚的元件提供更大的腐蚀余量。加热元件的厚度的选择以热通量不致提出过高或过低的电压需求为目标。例如，在井眼内，两加热元件上端与其所连接的下端之间的交流电压差大约120伏至大约960伏。一般，对于较长的距离(100至700米)，电压差推荐为480至960伏，而对于较短距离(2至200米)，电压差推荐为120至480伏。为适应较大厚度的加热元件，可以将多个加热器串联，但其孔隙范围受到连接到加热元件的电缆费用的限制。最好将电源接到对称的加热元件上使其间的净电压差为零。这样，在某一时刻施加到一个电极上的电压，相对于施加到其他加热器元件电压的地线为负。

加热元件最好制成曲线形状，或者在表面或者在井眼内以适应井眼的壁。曲线形状可以靠模具在表面获得，当制造加热元件的金属放入井眼时通过此模具。曲线形状也可以在井眼内，使用一心轴通过该元件而获得。这种心轴，例如可以作为一种装置的一部分，该装置将各元件分开，并将电气绝缘物质环绕各元件，且间于各元件之间。当加热元件在其表面制成曲线形状时，可在加热元件加上定中心器和隔离板，以便将各元件在井眼内分隔开。使用上述心轴是最好的，因为不再需要隔离板和定中心元件，减少了材料费用。平网格元件也可能采用。采用曲线形元件的优点在于，热量可从井眼的几乎整个圆周传递，而使用两个平板形元件，可从其传热的面积只有井眼直径的大约两倍，不过，安装平板形元件比安装半圆形元件可能简单。

一般，用不锈钢，例如304或316，制成的加热器元件最好。INCLOY600也可以使用(INCLOY是一种商标)。当加热元件要暴露在盐水中时，最好使用316不锈钢，因为316不锈钢具有较好的抗氯化物腐蚀的能力。不锈钢并不很昂贵，并可经受那种从启动到使元件达到高温的长时间暴露，以及在绝大多数井眼环境下，长期处于高温状态时具有足够低的腐蚀率。一般是不用不锈钢作加热器元件的，因为它的抗高温腐蚀能力有限，但是，由于本发明的加热器传热的表面积较大，加热器表面的温度可以适合于不锈钢。碳钢也可用于不要求长时间提供高水平加热的加热器元件。

虽然，本发明的一个推荐实施例包括使用不锈钢作为加热器元件材料，高合金材料可能在本发明的某些应用中使用。例如，当加热器用于较深的井眼，提供深井的成本大大高于加热器元件材料的成本，而高合金材料由于允许在较高温度工作，从而对于同样的热负荷所需要的井数减少，这就有可能降低总成本。

此外，加热元件可覆盖一层更抗腐蚀的金属表面，或一层折射表面以提供额外的电气绝缘和保护。

控制加热器的热偶可设置在井眼中，或在曲线形加热器元件之内，或在加热器元件之外，或附着在加热器上(通过一种电气绝缘连接)。热电偶可以监视运行，或控制加热器元件的电源。当热电偶用于控制电源时，可使用多个热电偶，控制温度从热电偶选择。温度的选择可基于最高温度，平均温度或一种综合温度例如最高的二至三种温度的平均。

本发明的加热元件可制成具有宽的长度范围，这是由于选择不同的电压和加热器元件多孔性的组合的多样性的缘故。短到两至六米的加热器可能使用，长达二百至七百米的加热器也可以提供。

在井眼中，其中放置了本发明的加热器，在加热器之上方，至少在并眼的一部分可能装套管和涂水泥，以保证被加热构造的绝缘。在浅井中，井眼可能充填以砂子直至表面。

现在参看图1，该图示出了本发明环形加热器的原理图。一种网格式加热器元件1，如图所示为半圆形延伸的金属板，在井眼2内，电气绝缘填料3，例如砂子，如图所示环绕且间于加热元件之间。井眼位于被加热土壤4之中，该土壤可能是硅藻土含油构造，焦油砂或油页岩。此外，该将要加热的土壤4可能是在热解析改造过程中的已经被污染的土壤。电线5延伸至各加热元件，加热器元件之间用连接线6在加热器下部电气连接。此外各加热元件均可在井眼底部接地。电线穿过不受加热的表土覆盖层7延伸，是通过护皮电缆8，护皮电缆被隔离板9分开。井眼的过渡部将被加热器元件所加热，不过不会达到井眼中包容加热器元件的那部分的温度。此井眼的过渡部如图所示用套管10给加上套管，该套管可用金属例如不锈钢制成，它将在高温状态下具有可接受的长期有用寿命。在此过渡部内的环境腐蚀可能比接近加热器处的环境腐蚀更严重，因为露点温度在这一区域。在过渡区之上，套管可能是用碳钢套管11。在过渡区和表土覆盖层7，套管内可填充以填充剂12例如砂子、水泥，或仍空着。

现在参看图2A，2B和2C，三个带局部剖的视图表示了本发明的电缆之装配部件和与加热器元件的连接。加热器元件的顶部21通过焊接点33与高温电缆22连接。在电缆与加热器A间的防水界面处于过渡区内。过渡区之上可使用一种不昂贵的电缆例如聚乙烯覆盖的铜电线。电气绝缘的高温部B从防水界面延伸至加热器元件。加强杆24提供电气连接点与加热器元件间的支撑。加强杆是通过套环25安装在电缆上。套环是一种电气绝缘套环。防水界面包括连接器26，环绕在一软焊连接点27外面，此软焊连接点提供了高温电缆22与低温电缆28之间的连续性。连接器是用螺旋拧入管接头装配体30，该装配体可以是黄铜装配体，并对高温电缆护套31和低温电缆护套23提供一种摩擦配合。电缆23从表面直到加热器顶部，可用铜芯-铜套矿用绝缘电缆。这类电缆最好，因为它可用传导很大的电流，并且是防水的。虽然电缆可以经受高温，但由于考虑腐蚀率，应在水的沸点以下的温度使用。防水连接(A)接在矿用绝缘电缆23的端头，并形成与一镍或镍铬合金的镍包覆电极22过渡，该电极是与加热器21的上部在焊接点33处焊接。镍热电极22可用TEFLON护套31绝缘，以避免镍热电极腐蚀，并在电缆过渡部30下端提供一种防水密封(TEFLON是一种商标)。增强臂24在将加热器安装进井眼中时对TEFLON所套的镍电极提供支撑。防水连接A可以在加热器元件之上大约二至二十英尺。防水连接离加热器足够远，于是防水连接仍维持低于水的沸点的低温。TEFLON覆盖的高温电线在此暴露在水的沸点，能容易地处理这里的环境。高温电线护套31的下部(更热的部分)最终将熔化，剩下暴露的高温电线。在这一部分提供TEFLON覆盖，保证TEFLON经过处于水沸点温度的部位延伸。

高温电线护套可以是任何在水的沸点温度或低于此温度能避免高温电线腐蚀的覆盖层，且既能经受更高的温度又能熔化，却在高温不引起任何腐蚀。热阻树脂最好，因为它们可以提供被保护的高温电线以更大的长度，这对于如果处于水沸点温度的部位移动的情况是有帮助的。可以接受的高温树脂包括聚亚胺，聚酰胺亚胺和聚醚乙醚酮。

高温电线护套借助矿用绝缘，例如氧化镁使其与高温电线分开。铜电线作为低温电线是可以接受和有效的，不过对于高温电线，最好使用镍或镍铬合金镀镍。

另一种方法是，将多个细长的电加热元件放置在井眼内以构成加热器，加热器的元件连接在井眼的下部，交流电源的各相分别与各元件连接。最好至少六个元件以便在井眼的整个圆周供给热量。

加热元件可以是，例如，不锈钢丝、镍铬合金丝或碳纤维元件。丝的直径最好从大约0.2mm至0.8mm，更推荐用直径大约0.3mm的。更厚的元件提供更大的腐蚀余量，但需要耗费更大的电流和更多的材料费用。加热元件的厚度的选择以热通量不致提出过高或过低的电压需求为目标。例如，在井眼内两加热元件上端与其所连接的下端之间的交流电压差大约60伏至大约960伏。对于较短的距离(2至200米)交流电压差推荐为60至480伏，而对于较长距离(100至700米)交流电压差推荐为480至960伏。为适应较大厚度的加热元件，可以将多个加热器串联，但其可行范围受到通往加热器元件电缆费用的限制。

一般，用不锈钢制造加热器元件，最好使用304，316或310等牌号的不锈钢。不锈钢并不很昂贵，并可经受那种从启动到使元件达到高温的长时间暴露，以及在绝大多数井眼环境下，长期处于高温状态时具有足够低的腐蚀率。碳钢可用作不需要长时间提供热量的应用场合的加热器元件。对于薄层的应用例如土壤改造，最好用镍铬合金80。

控制加热器的热偶可设置在井眼中，或在加热器环形元件之内，或在加热器元件之外，或附着在加热器上。热电偶，例如，可以固定在电气绝缘隔离板之一上。热电偶可用以监视运行，或控制加热器元件的电源。当热电偶用于控制电源时，可使用多个热电偶，控制温度从热电偶选择。温度的选择可基于最高温度，平均温度或一种综合温度例如最高的二至三种温度的平均。

本发明的加热元件可制成具有宽的长度范围，这是由于选择不同的电压和加热器元件多孔性的组合的多样性的缘故。短到两米的加热器可能使用，长达七百米的加热器也可以提供。

在井眼中，其中放置了本发明的加热器，在加热器之上方，至少在井眼的一部分可能装套管和涂水泥，以保证被加热构造的绝缘。在浅井中，井眼可能充填以砂子，或一种膨润土泥浆直至表面。膨润土泥浆防止水从上面侵入。

现在参看图3，该图示出了本发明加热器的原理图。加热器元件101(示出了两件)设有导线连接至元件102，该元件的直径大于加热器元件的直径，但均为同一种材料。加热器元件的数量最好在二至六范围内。导线均分别与加热器元件连接如图所示，但可设置一隔离板，其中电源的每一相只设置一根导线，电源是并联或串联到不同的加热器元件。放置加热器的井眼的直径最好大约5至20cm，而加热器元件最好距井眼壁大约0.5至1cm放置。各加热器元件最好以大约4至8cm的距离彼此分开。较少的加热器元件一般会降低加热器成本，而较多数量的加热器元件，允许从有限的加热器元件温度向构造提供更大的热通量。加热器元件不是单个绝缘的，而是依赖环绕于加热器元件周围的电气绝缘填料的电气绝缘特性。套管103设置在外表面用作绝缘，但最好不要延伸到被加热的土壤，而只经过表土覆盖层106。砂子，或一种水硬水泥或陶瓷水泥105环绕在加热器元件周围如图所示。当准备将土壤加热至表面时，可以设置一根短管，以便安装法兰，用于固定加热器元件的顶部。

法兰107如图所示，设有绝缘套108环绕在连接加热器元件的电气导线上。电源线109向导线提供电源，并用螺母110紧固。

电气绝缘隔离板111将井眼内的电气元件分隔开。图中示出了一个电气绝缘元件，但可设置多个，而且最好在井眼内每隔三至十米设置一个。此外，如图所示电气绝缘隔离板是设置在加热器处，但也可在加热器电气导线引入部设置一个或多个。电气绝缘隔离板可用价格不贵的塑料制成，没有必要必须经受高的操作温度。隔离板仅仅是在将填料充填在加热器元件周围时，使加热器元件保持正确位置。此外隔离板可用陶瓷例如氧化铝，或可加工陶瓷例如MACOR(MACOR是一种商标)。

加热器元件的下端可用导电连接器112连接。导电连接器可连接全部加热器元件或一组元件，从而，每个加热器元件具有电流通过所需要的电气连续性。导电连接器可选择设置一个杯113，用于将连接器固定在一根管上，该管用于将加热器元件、连接器和隔离板下放到井下。一种管道敷设装置，例如一种盘绕的管道敷设装置，可以放在杯113中，杯在盘绕的管道敷设装置上的结合，既可以是摩擦配合，这种配合可以借助盘绕的管道敷设装置的压力而脱开，也可以借助连接器下放到井眼中时，由加热器元件形成的拉力使管道敷设装置与杯结合。

电气连接器如图所示是位于井眼的底部，其每一个加热器元件在被加热部位均匀延伸。不过，加热器元件的数量和/或热负荷可以沿加热器的长度方向变化。加热器元件的直径可沿加热器的长度方向变化以便将热离解(Heat deposition)修正成希望的轮廓形状。

选择参看图4，电气绝缘隔离板的俯视图如图所示。加热器元件101(图示为六个元件)被绝缘隔离板111分隔，在绝缘隔离板和加热器元件的周围是电气绝缘填料105例如砂子或水泥。被加热的土壤环绕着加热器。电气绝缘隔离板111如图所示是两部分，利用榫舌或槽使隔离板在加热器元件内部松开，当使用管将加热器元件下放到井眼中时，可以环绕在管上。系绳201可用以将加热器元件固定在隔离板的凹槽内。隔离板可借助摩擦沿垂直方向固定在加热器元件上，或可以使用夹紧装置(图中未示出)沿垂直方向放置在其上方，或放在一个或多个加热器元件的隔离板之上或之下。

现在参看图5，一种可用于放置本系统的加热器到井眼内的装置如图所示。加热器元件101(图中只示出两件)绕滑轮301敷设，滑轮安装在支架302上，滑轮安装在法兰303上，法兰303安装在设有一安装法兰的套管103上。加热器元件101是辗轧成卷盘(图中未示出)，并可维持轻微的拉伸以避免加热器元件在井眼内缠绕。一种盘绕的管道敷设装置304(Coiled tubing)延伸到井眼中如图所示。盘绕的管道敷设装置可用于将加热器元件和电气导线放入井眼，然后，当其撤离时用其向井眼内充填电气绝缘填料。

加热器元件可以具有多种长度从而可以下达至多种井眼深度。例如，对于加热油页岩构造，加热器可能400米长。对于被污染土壤的改造，加热器的长度可能只有二至三米长，尽管本发明提供的更长的加热器元件更为有利。加热器可以设置在井眼下一段延伸距离。例如，可以加热的油页岩位于表土覆盖层之下400米。由于加热器和电气导线变得很长，加热器元件和/或电气导线可能需要较大的直径，或者使用强度更高的材料，因为这些元件必须自己支持自己，直至电气绝缘填料被充填到加热器元件周围为止。在运行温度下，加热器元件不再需要自支持，因为与电气绝缘填料间的摩擦对元件提供了垂直支撑。

Claims (14)

1.一种井眼加热器，包括：

一环形加热元件结构；和

一电气绝缘材料，其环绕着环形加热元件结构；

其中，没有环绕环形加热元件结构的套管，其特征在于：环形加热元件结构包括至少一个延展的板，该板根据井眼壁的一部分弯成圆弧形。

2.如权利要求1所述的加热器，其中，环形加热元件结构从组件中选择，该组件包括环形多孔金属板、一个或多个延展的金属板、线网、和由隔离板相连的带、棒或细丝。

3.如权利要求2所述的加热器，其中，设置有数个延展的开槽金属片加热元件，每个延展的开槽金属片与其他延展的开槽金属片相分开。

4.如权利要求3所述的加热器，其中，数个延展的金属片在下端彼此电气连接。

5.如权利要求4所述的加热器，还包括在每个延展的金属片的上端连接一电源线，其每一电源线是电源的一个不同的相。

6.如权利要求1所述的加热器，其中，电气绝缘材料包括砂子。

7.如权利要求1所述的加热器，其中，电气绝缘材料包括水泥。

8.如权利要求1所述的加热器，其中，设置有数个延展的金属加热元件，该数个加热元件均与交流电源的不同相的电源端电气连接，而在其接地端与一公共地线电气连接。

9.如权利要求2所述的加热器，其中，加热器包括金属带或棒，该金属带或棒被至少一个电气绝缘隔离板分隔，使在元件之间和元件与井眼壁之间保持分离。

10.如权利要求9所述的加热器，还包括在金属带或金属棒的下端电气连接器，该电气连接器在带或棒之间提供电气连续性。

11.一种对地层的一部分加热的方法，该方法包括下列步骤：

在准备加热的那部分地层内设置一个井眼；

将一个环形加热元件结构放入该井眼；和

用电气绝缘材料在该井眼内支撑加热元件结构，

其中，在加热元件结构与被加热地层之间不设置套管。

12.如权利要求11所述的方法，还包括初始电流通过加热元件结构的步骤，该步骤借助于在电流有效范围，将电流从加热元件通向准备加热的那部分地层，其电流可从电气绝缘材料中去除水分；和随着通过的加热元件结构的电阻增加，增大施加给加热元件结构的电压。

13.如权利要求11所述的方法，其中，设有数个加热元件，这些加热元件全部在其下端电气连接；电源的各相在加热元件的上端连接到加热元件上。

14.如权利要求13所述的方法，其中，加热元件选自包括不锈钢丝，镍-铬合金丝和碳纤维丝的组合。

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