CN85109006A - 加热速率可变的细长的电阻加热器 - Google Patents

Abstract

一种电阻加热器，它能在其长度上的不同位置以不同的速率产生热量。此加热器包括：一根连续的整体导电体，其粗细沿其长度的不同位置有所不同。

Description

本发明涉及一种加热细长的空间或区域（有细长的加热器）的方法和装置。更具体地说，本发明涉及加热细长的地下井道的电阻加热器，它能在井道的不同深度以不同的速率加热。

大家知道，使用细长的加热器，例如井道加热器，来加热地下岩层的区间，管道的内部，或其它细长的空间是有益的。在许多情况下，人们希望以相对高的温度较长时间地加热这样的空间。这样加热所获得的有益的结果包括：油页岩层的热分解;焦化石油以固化未凝固的储层。焦化石油在储层中以形成可作为电极的导电碳化区，把从油或柏油中衍生的碳氢化合物的热量转移到生产区;防止形成水合物，沉淀物或液流中的类似物质，这些物质是在井中产生的和/或通过管道或类似装置传输的。

本发明的目的在于提供一种加热设备，它能在井的不同深度以不同的速率产生热。

根据本发明提供了一种延伸的导电体，它是连续的整体的，并且在沿其长度上的不同位置具有不同的粗细，因此，当沿均一介质传导电流时，此导体可在其长度上的不同位置以不同的速率产生热量。

在一最佳实施方案中，导电体包括一单一的有展延性的金属芯体，它被固态绝缘材料围在一金属壳内。至少有一部分芯体综合了粗细和单位长度的电阻的关系，因此，当将其置于一均一介质中并以选定的速率传导电流时，它能以选定的速率产生并传输热量。至少有另一部分芯体比上述部分细一些，因此，当将其置于同一均一介质中并以同样速率传导电流时，它能以一选定的较高速率产生并传输热量。

根据本发明的另一构思，提供了在井中利用这种导体加热一细长空间的方法。因此，在其长度上的不同位置粗细不同的导电体沿着要加热的井道延伸。此导电体的较粗和较细部分是这样排列的，至少有一较细部分要沿着一部分加热的井道放置，这一部分井道中导热率等于或高于沿此井的其它部分的导热率。而后，一电流流过该导体。

在一最佳方法中，所用的导电体是一具有单一导电芯体的电缆，此芯体由有展延性的金属制成并被固体绝缘材料围在一金属壳内。通过对电缆和芯体的压缩，至少有一部分芯体的粗细减少了一定的量，此减少量与在要加热的空间中，产生热量或温度的速率有关，使在这空间中在不同的位置速率有所不同。

下面参照附图更详细地解释本发明。在附图中：

图1    是适用于本发明的包括有锻造和未锻造部分的导电电缆的三维示图。

图2    是根据本发明在井中安装一电阻加热器的略图。

图3    给出了一个金属壳绝缘供电电缆和可作为本发明加热元件的金属壳绝缘电缆间的接头。

图4和图5    示出了适用于本发明的一对金属壳矿物绝缘的加热电缆的导电芯体的电气连接接头。

图6    给出了适用于本发明的电源电路。

至少本发明部分地以这样一个发现为前提，即一导电体的特性（例如包含一单一铜芯的金属壳固体材料绝缘导电电缆）是这样的，对它的金属壳外部压锻的结果，通过绝缘层传到电缆的芯体，使这些部件中的每一个截面积基本上同时减少了同样的相对量。可以控制电缆芯体截面积的减少来使电缆的锻造部分在单位时间内产生的热量较未锻造部分高得多，即使在较低温度时也是如此。

在本发明的一最佳实施方案中，这一锻造是由旋转锻造来完成的，就是用旋转模具所施加的多次打击来挤压电缆。旋转锻造装置和技术是已知的并可买到。这种机器通常包括两个模具，它们安装在一主轴上迅速地往复运动，而此主轴则是在旋转中。一挤压旋转锻造操作包括锻打动作，它同锻造一样，在金属上形成同样的有益物质。它产生所希望的晶粒结构，导致抗拉强度和弹性的增加。冷（温度上）锻的目的是使大多数金属材料变硬，如果希望的话，通过退火，能使这种坚硬变得更有韧性。

在一旋转锻造操作中，可以非常精确地控制被锻材料截面积减小的程度。例如，由于金属壳固体材料绝缘铜芯导电电缆在旋转锻造过程中相当于固体材料，因此，直径为大约0.68cm到1.25cm的这样一根电缆可以被锻成小直径，其精度大约为±0.0025cm。

图1示出了推荐用于本发明中的一根电缆的锻造与未锻造部分。在图示电缆中，一不锈钢壳2围着一矿物质绝缘体3，此绝缘体由氧化镁的高度压缩微粒组成，基本上由纯钢制成的一固体导电芯体4被绝缘体和壳同心地围在中间，在图示类型的电缆中，壳2的内径和外径分别是7.25mm和9mm，芯体4的直径是3mm，在未锻造部分，当传输180A的交流电流时，电缆可产生大约600℃的温度。然而，在电缆的锻造过的部分，直径已减小16%，当在同样的介质中传导同样大小的电流时，产生的温度约为850℃。

在最佳实施方案中，本发明可用来提供一个特定结构（formation-tailored）的方法和设备，以高的温度来均匀加热地下一长段的地层结构。根据这种方法，地下区间由一种电加热器来加热，这种电加热器包括至少一根可绕卷的钢壳矿物质绝缘电缆，此电缆有一导电性好的固体芯体。这种电缆可用来加热地层结构，因此，热基本上以均匀的速率传入结构层中，即使当加热超过大约330W/m，温度在600℃到1000℃之间也是如此。热传输的均匀性是通过提供这样一种加热器来保证的，这种加热器在井中不同深度所用的电阻与相应的不同深度的周围地层结构的导热率相关。

图2给出了安装在井中的本发明的井道加热器的最佳实施方案。如图所示，一对有选择地锻造过的加热器电缆（其锻造与未锻造部分的类型如图1所示）被布缆装置5和6放入井中，同时，一支撑件7，例如一金属线或可卷绕的金属导管同时也从一布缆装置（未示出）放入井中。支撑件7的下端与一推进装置8相连，例如，在竖井中是一个沉锤杆，在具体的横井下则是可用泵抽的或其它的推进装置。加热电缆的下部，锻造过的部分1b，机械地连到一电缆接头或终端接头9上，其中，导电芯体在内部电气连接（如图4详细给出的）。接头9也机械地连到支撑件7，例如通过固紧装置12。电缆部分的下端已经锻造因而增加了加热性能，它们在接头9中内部电气连接，定位在选定的接收增加热的区域。

加热电缆的未锻造部分1a是用于沿着要加热区域进行微量加热的，它们位于锻造部分1b之上并延伸一段距离以便达到一足够冷的区域，用接头或拼接头将加热电缆的1a部分与供电电缆10内部连接，进而电气或机械地连接供电和加热电缆。供电电缆10被用来传输选定的电流量，但它本身只产生微量的热。与金属壳矿物质绝缘的供电电缆一起使用，适用于机械和电气连接电缆的接头的细节示于图3。

当加热电缆1和供电电缆10与承重绞合线7一起放入井中时，电缆通过夹具或固紧装置12分段地与绞合线7相连。这种夹具用来在电缆和绞合线间产生摩擦，此摩擦足以支持置在两个夹具中间的这一段电缆长度所产生的重量。

图3示出了拼接头11的最佳结构的细节。如图所示，供电电缆10有一金属壳14，例如是一铜壳，围着一绝缘的导电芯体13，此芯体综合了截面积与单位长度的电阻的关系，使之能够传输用于加热操作的电流，而只产生微量的热。如图所示，供电电缆的壳14和芯体13比加热电缆的未锻造部分1a的壳2和芯体4更大。此电缆的导电芯体内部电气连接，最好是利用焊接。一般情况下，供电电缆基本上可由任何形式的导电缆构成。在加热电缆的微量加热部分（例如1a）产生的温度下，它具有足够的热稳定性。当选定的最大加热温度足够低和/或供电电源到要加热的区域间的距离足够短时，供电电缆可由金属壳矿物质绝缘固体芯的电缆构成，它被有选择地进行锻造以提供选定的加热温度，因此不需要拼接头，例如拼接头11。

如图3所示，一相对短的套筒15，例如一钢套筒固定在电源电缆10的壳14周围，用焊接或铜焊或用其它机械方法使它与壳14相连接。最好选择套筒15具有这样的内径，在它和壳2间形成一环形空间，此空间足够容纳固定在电缆1a的壳周围的较短的钢套筒16。在最佳装配过程中，在插入短套筒16之前，电缆芯体4和13以及套筒15之间的全部环形空间基本上都充满了一种粉未状矿物质绝缘材料，例如氧化镁。绝缘材料最好放置在电缆芯体和套管15间的环形空间和套筒15和电缆10的壳2之间的空间中，并振动一下使矿物质绝缘材料颗粒坚实。然后套筒16打入套筒15和壳2之间的空间中，由于打入产生的力使矿物质绝缘材料颗粒更坚实。最后套筒15和16以及壳2被焊或铜焊在一起。

图4示出了一终端接头或拼接头9的细节。如图所示，电缆16穿过钢块9中的孔，因此，很短的一部分1c进入钢块中间部分的圆柱状开口中。电缆的导电芯体在焊点17被焊到一起，电缆壳在焊点18被焊到钢块9上。电缆的中心导电体最好由一热稳定的电绝缘材料包住，例如一堆密实的粉未状矿物粒子和/或陶瓷小片（未示出），包上绝缘材料以后，将中心开口密封，例如，焊上钢片（未示出）。当将加热器连到一细长的柱状构件7上来支撑它时，如图2所示，最好沿终端接头9的外部开一槽19，以与构件配合并使终端接头能方便地连接到该构件上，比如利用固紧装置12。

图5给出了一种最佳形式的终端接头，它不用切削和焊接一加热电缆来形成一对加热电缆，例如电缆1b。加热电缆只是简单地变成U型并由一拧紧夹板21机械地夹到钢块20上。钢块20最好有一槽22以利于将其夹在柱状构件上，例如图2所示的圆柱状结构件7。

一般来说，供电元件可由能够使这种形式的加热器以一选定的较高的速率加热的任何交流或直流系统组成。这种加热速率大约是330W/米或更多一些。

图6是适用于这种形式的加热器的交流供电元件的最佳安排。这种安排包括两相反的并排的可控硅整流器（SCRs），处在一个两元件加热器的两个元件的电路中。在这种平衡系统中，加热器的导体应具有同样的电阻，这样，电缆芯接头点A（在连接头9中）可保持零电位或虚地电位。加热电缆的壳与变压器次级的接地中心抽头相连。由于点A代表终端连接件9中的焊接处，此处与外壳之间的电位差对所有实用来说都将是零。这些点可以电气接触但没有任何电流流过。在加热器芯体向上移动的那些点上，外壳和中心导体间的电位差增加，最后达到最大值，例如+240V或-240V。

在各种情况下，要加热一细长的空间时，沿着这个空间中的不同层或区域中的导热情况是显著变化的。一个良导热层比不良导热层能更快地带走加热器所产生的热量。结果是。针对一良导热层处传输给定量电流的电阻加热器所能维持的温度将会很低。在希望沿着加热空间保持一个平坦的或均匀的温度的情况下，为了以同样的速率产生热量（就象在加热器另一较热部分一样），就应减小加热器芯体的截面积。

通过安装包括不同截面积的导体的加热部件，可以使一个电阻加热器在不同区域产生选定的加热速率。芯体或导体的截面积越小对电流的电阻就越大，因而在同样的温度下，将此较粗的芯体以更高的速率产生热量。例如，在被加热的空间中，它能以选定的速率在较低温度下，将较易传热层加热。

本发明提供了一种能使加热器具有一个导电芯体的方法，此芯体是连续的和整体的，以能在加热器的一个或多个不同部分产生恒定的和/或选定量的热，而无需众多的加热电缆接头。特别是在较高的温度下较长的时间加热处，加热电缆的切口和连接处都存在焊接问题和渗漏的可能。

就由一对内部电气连接的金属壳固体材料绝缘电缆（每根包括一可展延的金属的导电芯体）组成的电阻加热器来说，可以安排四组旋转转换模具，来在每根电缆和它的导电芯体的初始直径从一头到另一头提供6%，12%，18%和24%的减小量。通过将电缆的一部分的直径减小6%，另一部分减小12%，则总的减小量是9%。利用这种方法，加热器的两根电缆总的截面减小量可分为8步来完成，每步大约10%。例如，参看下表：

直径减小    截面减小

（%）    （%）

导体1    导体2    两导体

0    6    11.6

6    6    23.3

6    12    34.2

12    12    45.1

12    18    55.3

18    18    65.5

18    24    75.0

24    24    84.5

在这一过程中，如果使用上述推荐的供电电缆，有必要使加热器的每一导体在其芯体直径减小后的总电阻等于另一导体在其芯体直径减小后的总电阻。这对于保证在终端连接件处内部连接的导体的零电位是必要的。因此，有必要在加热器的两个长度上来均分导电芯体总的减小程度。

在实施本发明的过程中，实际上可采用任何等效于或基本等效于旋转锻造的压锻过程。可采用的锻机和/或技术的例子包括模具闭合锻机，例如Torrington公司或Abbey    Aetna机器公司或Fenn制造公司生产的锻机。

在本发明中，可以使用能传输要使用的选定量的电流，而只产生非常少的热量的供电电缆，这种电缆具有良好的热稳定性，利于电气地或机械地连接到选定的金属电缆上，以产生微小的热量。这种电缆的例子包括诸如BICC/Pyrotenac    MI导电缆。

一般来说，在导电体不需绝缘的情况下，利用任何连续的和整体的电缆（即：是一连续的整体，而没有内部连接的分段或分股），这种电缆的芯体或导体的粗细（也就是导电体的截面积）沿其长度在不同的部位有所不同，都可实现本发明。最佳的导电体包括由可展延金属或合金制成的单一导电芯体，它由热稳定的固体绝缘材料围在一个热稳定的金属壳内，例如由高熔点的粉末或固体纤维材料围在一铜或钢壳内。这里特别推荐在中等温度下，用粉末状的氧化镁将铜芯体围在铜壳内;而在高温下，则用不锈钢壳。

一般说来，本发明可用来在一空间中，此空间包括至少有一个导热率低的区域，开始并维持一基本上均匀的加热速率，和/或在一个导热率近似均匀的空间的选定区域中建立并维持较高的加热速率。在一细长的通道中导热率随距离的变化可借助于许多已知的和可利用的装置和技术来确定。

在利用本发明来沿一导热率不均匀通道进行加热的特别推荐的过程中，当导电体（具有要使用的结构）在要加热的通道中传导使用的电流，会遇到导热率很低的均一介质时，要选择加热速率。所用导电体的最大粗细就是能在这种情况下提供这种加热速率的粗细。置于通道中导热率高的区域的那部分导电体的粗细要做得细一些以便基本上能补偿由于导热率高而很快带走的热量。

换句话说，如果希望沿着要加热的通道的某些部分（例如地下地层结构的顶部或底部）以较快的速率产生热量，尽管沿着要加热的通道导热率基本是均匀的，也可以利用上述的这种安排。选择大部分电缆导体所需要的导体粗细和电阻，沿着均一介质（导热率与在多数要加热的区间是一样的）来选定加热速率。因而，把延伸到通道的选定区域的导体变细，就能沿着通道那部分区域获得更快的加热速率。

Claims (14)

1、一种电阻加热器实质上包括一细长的导电体，此导电体是连续的整体，其粗细沿其长度的不同区域而不同，因此，当传导电流时，此导体能在其长度上的不同区域以不同的速率产生热量。

2、权利要求1的加热器，其中，导电体包括一个由可展延金属制成的导电芯体，此芯体由固体绝缘材料围在一金属壳内，沿其长度上至少有一个位置通过对电缆和芯体的挤压旋转锻造而使粗细减小。

3、权利要求2的电缆，其中，电缆芯体未锻造部分的粗细与芯体的电阻的关系是这样的，当此部分置于均一介质中并以一选定速率传导电流时，它以选定的速率产生并传输热量。当芯体的锻造部分被置于上述均一介质中并以上述选定速率传导电流时，此锻造部分以高于未锻造部分的速率产生和传输热量。

4、权利要求2的加热器，其中，一对所述的电缆相互内部连接，一电源和上述内连的电缆与一可卷绕的承重金属导管连接在一起，被放入一口井的井道中。

5、权利要求4的加热器，其中，所述的那对内部相互连接的电缆包括一根单一的导电芯体，它被往回折叠并伸入井道中。

6、权利要求5的加热器，其中，所述的被往回折叠的电缆的上端与金属壳矿物质绝缘的供电电缆相连。

7、权利要求2的加热器，其中，电缆芯体基本上是纯铜。

8、权利要求7的加热器，其中，电缆芯体被粉未状氧化镁围在一不锈钢壳中。

9、加热一井道中的细长空间的方法包括：

将一导电体伸入要加热的空间中，此导电体在其长度上的不同位置的粗细不同;

这样安放导电体的较粗和较细的部分，使得至少有一较细部分处于这样的空间，如果在同样的温度下测量上述速率的话，此处产生热的速率至少比另一部分空间高。

传导电流通过上述导电体。

10、权利要求9的方法，其中，导电体包括一根由可展延金属制成的固体芯体，此芯体被固体绝缘材料围在一金属壳中;

电缆和芯体至少有一部分的粗细被电缆的挤压锻造所减小。

11、权利要求10的方法，其中，要加热的空间至少包括一个导热率较高的区域，一个导电体的较细的部分被安排在此区域的空间中。

12、权利要求10的方法，其中，上述导电体的至少一个较细的部分被安排在要加热的空间的至少一个部分中，尽管此部分的导热率与要加热空间的至少另一部分的导热率基本相等。

13、权利要求10的方法，其中，所述导电体基本上是纯铜的。

14、权利要求13的方法，其中，所述的导电体被粉未状氧化镁围在一不锈钢壳内。

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