CN85109703A - 高温长距离地下区间加热方法和装置 - Google Patents

Abstract

用包含可卷绕的、有钢护套的无机物绝缘电缆的加热器，对长段地下地层进行长期高温加热。这些电缆具有高导电性，使它们能以大于约300W/M的基本均匀速率在约600至1000℃之间的温度下对地层进行加热，并且有与地层导热率相关的局部电阻曲线及材料的热稳定性，以为加热器提供电力和支撑。

Description

本发明涉及在相当高的温度下，对地下构层的较长区间进行的较长时间的加热，尤其涉及到一种电阻加热工艺，该工艺能够在几年以上的时间内把地下构层的某一区间加热到所选择的温度，温度可选择范围大约从600到1000℃，加热速率在300w/m以上。

已经知道，在较高的温度下对地下构层的一些区间加热较长的时间是有益的。可得到的好处包括：油页岩构层的热解，未固化容器结构的固化，能够作为容器内电极使用的大型碳化区的生成，能使从油类或焦油中所得到的热的烃类进入生产区，等等。可实现上述回的工艺已包括在某些专利中，如下述的一些美国专利。美国专利第2，732，195号中介绍到，使用具有铁或者铬合金电阻器的电加热器，可将地下油页岩内的20～30米的区间加热到500至1000℃的温度。G、A·史密斯（Smith）的美国专利第2，781，851号介绍到，在直到250℃的温度时，使用一种由绝缘无机物和铜护套构成的低阻抗加热电缆，它包括有三个导体，以防止气态产品生产期间水化物的形成，该加热器由钢带做机械支撑并浸在油糟中以防腐蚀。美国专利第3，104，705号介绍到，使用“任何能够产生有效热量的加热器”，加热型砂中残存的碳氢化合物直到固结的程度来固化容器的型砂，而且还介绍了一种其型号未加说明的电加热器，它在865℃时工作了25个小时。美国专利第3，131，763号介绍了一种电加热器，它可以触发地下容器的氧化反应，此外还介绍了另一种带有电阻丝的加热器，电阻丝通过绝缘材料绕在螺旋管上并排列整齐，该加热器可加热通入容器内的流体，比如空气。美国专利第4，415，034号介绍了一种可在一个含油容器结构内形成一个碳化层电极的工艺，方法是将无外套管的镗孔内的流体在高到815℃的温度下加热12个月以上的时间。

总之，就迄今为止本申请者能确定的，已知的用于在600至1000℃下加热地下构层长致一年的方法和装置所能做到的仅限于在只60米长或更短的区间内加热，并且一般是与容器结构中流入或流出的流体相接触，这样也为流体所冷却。在各种情况下，使地下构层的60米以上的区间的温度保持在大约600至1000℃是有益的，其中，热量流入该区间的速率大于300w/m，加热时间超过几年。然而，在近来有代表性的应用中，大多数绝缘材料不久就会失效，大多数作为电阻使用的金属所需要的横截面积之大和成本之高使人难以接受，同时使用的电压也高的难以接受而且很危险。此外，在这些温度下，通常作为导电体，电力供应的金属，连接材料或电缆护套会软化，并开始产生塑性变形或熔化。

本发明涉及把长距离的地下构层区间在高温下加热，并且保持很长的时间。安装一种电加热器，使被加热的区间内至少有一个加热元件。所说的加热原件或加热元件组的基本组成是：（a）导电芯或导体，它们在高温下具有相当低的电阻，（b）包围着芯子的绝缘材料，这些绝缘材料具有高温下相当高的导热性电阻性、抗拉强度，（c）芯子和外面包着的绝缘金属护套，该护套具有高温下相当高的抗软化性抗拉强度和抗蠕变性。沿着被加热区间安装所述电加热器，使加热器具有随距离变化的电阻曲线，（比如，可根据芯子横截面积和单位长度阻值的组合来决定）该曲线和沿着被加热地层区间热导率与距离间的特性有关。这些特性互相相关，以至于加热器的温度在沿所述区间的某些导热率较低的位置处变得相当高。这样，在沿整个加热区间上，该加热器产生热量及其传入地层的速率基本上是常数。

在最佳实施方案中，对加热部件芯子的阻抗与其横截面积的组合加以选择，使每一千米的电阻大约为21到40Ω，每米长度上的产热能力至少为300w，而且所选用的芯和加热部件之间总电压低于约1200v的情况下，应具有得到600至1000℃之间的选定温度的能力。

加热部件的芯子最好使用压实的不导电无机材料粉粒块绝缘。在最佳实施方案中，这些绝缘物具有的电阻，抗压强度及导热率特性至少应大体上与压实后的纯氧化镁粉粒的性能相当。

在每一所述加热部件中，包在绝缘导电芯外面的金属护套最好选用钢质护套，它具有的直径和壁厚应能使其成为可卷绕的加热电缆部件，它应具有至少大体上与所熟悉的具有约1cm直径、1mm壁厚的316号不锈钢护套的加热电缆部件的性能相当的抗拉强度，抗蠕度及软化温度特性。

由金属作为护套的加热电缆部件在电气和机械两方面与电力供应设备相连接，包括电源电缆在内。特别要求的是，为使细长的部件能进入套筒内，加热元件和供电电缆两者都是可卷绕的电缆，而且将它们缠绕在绕线装置上。

在实施本发明时，加热部件被放置在待加热地层区间附近，并应避免与该地层处流入或流出的流体相接触。这时放置的加热部件可用来把该地层加热到600至1000℃之间的选定温度上。因为不与流动的流体接触及加热状态下的高温，由加热部件所产生的几乎全部热量都可以从加热部件辐射到流体不能通过的材料上，而且可通过这些材料及邻近的地层进行传导，只有少量热量因热对流过程从加热部件处散失掉，在那里，流体的分子变热，然后离开并带走热量。

实现这种加热部件绝缘的最好方法是把它们包上流体不能透过的材料。比如是套管的管壁，该套管在加热器下部的端部用密封线或焊接法封闭，或者使该套管伸到所加热区间的下面，并且用水泥填封和/或连接一个节制阀，套管底部的水泥封盖或类似的东西应位于离加热器足够远的地方，以避免因热感应使水泥产生裂缝。

现在，将参照附图对本发明作详尽的说明，在附图中：

图1表示安装在套管内的本发明加热器。

图2为本发明的带有护套的加热部件的三维示意图。

图3图4显示适用于本发明的铜和钢护套电缆的接点。

图5是本发明中的一对加热导体部件下端互相连接的三维装配示意图。

图6和图7为适用于本发明的电源电路原理图。

图8是本发明所选用的将加热器安装在套管内的方法的示意说明图。

迄今为止，就申请者所知，关于如何实现长度在大约60米以上，加热速率大于300w/m，且加热温度等于或接近于大多数材料的软化或熔化温度的这个问题多年来未能得到解决。然而，本申请人现已发现，这样的问题能够合理地得到解决，方法是使用一种电加热器，该加热器为上面所描述的部件的组合。

例如，另外一种更类似于先有技术中介绍的不同结构设置特征的加热器，当在450℃加热时，大约在两天内就失效了。与此不同的一种可卷绕的加热器结构由具有两个平行的316号不锈钢带的加热部件组成，每个钢带尺寸是宽度约2.5cm，厚度约为0.15cm。沿着加热器长度方向每隔1米放置小型耐热的电绝缘器来分隔加热元件。这样的结构可提供一种可卷绕的加热器，在长度大于60米时，其制造较为经济，且在加上不足1200伏特的电动势时能够产生330w/m以上的功率。

这种结构的加热器用市场上可买到的专为油井使用而设计的耐热型水泥粘接在一个敞开的钻孔中，期望这种水泥使加热元件和从周围地层中流入或流出的流体保持非接触状态。但当试用时，这个加热器又很快失效了，原因是地下水通过裂缝透过了水泥。尽管这些水蒸发了，但它仍会留下一些盐沉积物，它最终会形成构成导电通路的盐桥，由于短路或化学诱发的腐蚀或者两者同时的作用，使该加热器失效。签于这一点，看来在含碳氢化合物的结构中，这样的一种加热器将会迅速失效，即使在无水情况下，也会由于产生积炭及随之产生的导电元件短路而失效。

然而，一种根据本发明所制造的长度为6米的加热器，其外面用底部封接的套管套上，该加热器加热到600℃时，成功地工作了6个月。

在本发明的最佳实施例中，由钢作为护套的加热元件电缆的上孔端被接到类似方法绝缘的钢护套热稳定电缆上，它包括一种电缆芯，其横截面积与电阻的比值，使其能在以相当低的速率产生热量时根据所选择的电动势传导流过加热元件的电流。这种热稳定“低温段”电缆最好至少接到最靠近加热元件电缆表面位置的端部（即“上孔端”），并且在钻孔中延伸足以到达“低温”部位的距离，该“低温”部位的温度明显低于加热区的温度及供电电缆中结构材料的软化点温度。在这样的低温部位，低温段电缆最好接到电源电缆上。这种电源电缆最好带铜护套，用无机材料绝缘和并带有铜芯且应有足够大的截面面积，使其在提供于加热区中产生选定温度所需电流时，只产生不明显的热量。

在本发明中，电缆中无机绝缘材料和金属护套将导电芯子包住，芯子连接处最好用长度较短的金属套管套住，套管套住芯子被焊接在一起（或为其它的电连接法）。这种电连接应保证接点电阻至少和所连接的部位低电阻电缆芯电阻一样低。此外，最好把一种绝缘粉粒性材料挤压在芯子连结点周围，这种材料的电阻性，抗压强度和热传导率等特性至少应大体上与电缆绝缘材料相等。

图1表示出了含有井筒2的井1，它穿过“表土”层，及待加热地层区域的区域3、4和5。井筒2的底部装有流体不能通过的档板6，如焊接的挡板或用水泥浆灌（未表示出），比如用热稳定但导热的水泥。

用于本工艺中的套管整体结构应提供确保钻孔内所产生的几乎全部热量用于周围地层的传导加热。这可通过阻止周围地层和加热元件间任何流体流动来实现。加热元件用一种在加热元件下面封住的不可渗透的壁包住，比如井套管。隔断加热元件与邻近地层中流入或流出的接触，使它们处在基本上不因加热流体移动而传递热的环境中。因此，加热器产生的热量从井的钻孔中排出的速率基本上被限在与套管加热区相邻地层的导热律的程度上。

对该结构从上到下观察就可以知道，加热器组件由从绕线筒8插入套管的一对可卷绕电源电缆7组成。最合适的可卷绕电缆由铜导体组成，用紧密压实的氧化镁粉对其进行绝缘，在绝缘体的四周包的铜护套;可从BICC电缆有限公司（BICC    Pyrotenox    Ltd）得到的MI型电源电缆就可作为这种电缆。

图2表示了一种其周围包有压实的无机绝缘材料的导电芯束的最佳结构设置，绝缘材料外面包有金属护套。导电芯10包有压实的环状无机绝缘材料11，其外面包有金属护套12。为用于本发明护套的直径和厚度最好小到能提供一种“可卷绕”的电缆，即该电缆能够方便地卷绕在绕线筒上及从线筒上展开，而不会弄皱护套或发生绝缘材料重新分布的现象。电缆内导电芯束的直径应可以改变，以便在产生较大或较小热量时电缆中能通过不同大小的电流。

如图1所示，接头9把电源电缆7接到热稳定“低温段”电缆13上。电缆13在加热器系统的“加热区”上方提供了低温区（接头9的细节示于图3中）。电源电缆及与它相连接的低温段电缆13最好是具有如图2所示结构的可卷绕电缆。各低温段电缆13均有其直径与电源电缆直径相近但由钢构成的护套，它最好是或基本上等效于不锈钢，如316号不锈钢。相对于电源电缆，低温段电缆13的导体或芯子最好具有较小的横截面积，但要大到足以使低温段电缆能够传送加热区所需的满负荷电流而不产生或传送足以损坏电源电缆的铜或其他护套、或电源电缆和低温段电缆接到一起的接点的热量。这就形成了温和但不太热的低温区，这样从加热区温度会逐步降低。

在接点14处，低温段电缆13被接到中速加热部件电缆15上（接点14的细节示于图4中。）。在中速加热电缆15中，芯子，比如是铜芯的横截面积应显著地小于低温段电缆13的芯子横截面积。在各电缆15中，导电芯子的横截面积与其电阻之间的关系最好使各电缆15均可产生约600到1000℃之间的选定温度，同时根据所选用的芯子与护套间电磁场电动势，以高于大约330w/m的速率进行加热，而芯子和护套间的这个电动势不应大于1200伏特（击穿电压）。当然，在需要时，沿着不同地层的给定段加热电缆定段加热电缆可包括较高或较低的多级加热速率。

在接点16处，中速加热电缆15与最高速率加热电缆17相接（相对于所说明的情况）。电缆15和17以及接点16和18的结构是相同，不同点是电缆17含有具有较小横截面积的导电芯，以便根据给定的电动势以高于电缆15之中等速率的速率产生热量。

接点18把最高速率加热电缆17接到中等速率加热电缆19上。接点18可与接点16相同，而电缆19可与电缆15相同。

在端部接点20，电缆19的导电芯子在一个腔内被焊接在一起，在该腔室的它们是电绝缘的（端部接点20的细节示于图5中）

端部接点20以机械方法接到结构支撑部件21上，部件21加有沉棒22。安装支撑部件21是为了借助于间隔设置的机械连接托架23，对所有的电源电缆和加热电缆部分起竖直方向的支撑作用。

在图1所示的情况中，待加热的地下地层包括具有不同的导热率的区域3和5，区域3和5具有相近的导热率，但区间4的导热率却高很多。

如本技术领域的技术人员所知道的，地下地层某一区间内的异常层或区域的存在和位置可以利用许多已知的方法检测出来。例如使充有钻井泥浆一类流体的井达到温度平衡，在此之后，就可在流体和或相邻岩石的内部测定温度随深度变化特性曲线。这样的温度特性曲线表示了热导率和沿靠近井的地层区间的深度关系的特性。密度曲线，声速曲线和电导率曲线，井周围地层成分随深度的变化曲线，以及类似的测量也可以被用来确定待加热地层区间的井附近部分的导热率特性曲线。如同已知道的，这样的确定取决于在和测试工具的最小检测距离一样长的间隔内或沿该间隔内存在的平均性质的测量。这样，沿钻孔某一区间随距离的变化特性曲线通常只反应出沿着长度约为0.6到3米或稍长距离的特性平均值。

如图1所示，当待加热地层的区间内包含有较高导热率区时（如区间4），这种异常应该得到补偿，比如接上一段直径较小的电缆，如电缆17。或者用另一种方法，或附加地把至少一段附加加热电缆，（它可以和电缆15有相同的芯横截面积和加热速率）沿高导热率区间（如区间4）放置。这样的调整应相应于相邻地层的变化导热率来改变加热电缆芯的总横截面积，以使在所有对着该地层的点处发热速率都大致相同。

当不均匀区间的加热要持续较长的时间时，最好在开始加热时使用本型号的电加热器，其中沿高导热区（如区间4）的相对加热速率没有被增加到和该地层相对应的导热率一样高的程度，在高导层中的加热速率下降到整个待加热区间的平均导热率以下。然后，在经过相对于总加热时间是不显著的，一段时间后通过例如安装附加加热电缆来补充原已安装的加热电缆输出，沿高导热区的加热速率就会增加。

如果待加热区间含有异常的低导热率区间，则该区间应跨接一段热稳定输电电缆，如电缆13，以便得到与低导热率相匹配或补偿的一个减小的产热速率，以使温度增加的趋势（由钻孔中热量的缓慢散发引起）不会引起不需要的温度上升。至少应使用一根热稳定电力传输电缆，例如具有较大芯横截面积的电缆13来把加热电流传过某一低速加热区间。

现在考虑本发明的一种铜芯和热电缆。当芯直径为常数时，单位长度的电阻也是常数。在均匀的环境中，该电缆沿其整个长度以同样的速率产热。但是，在沿着其导热率低于平均值的某一地层区间的井钻孔内，沿这一层的温度要上升，原因是热量排放的速率比较低。这种温度增加将使铜芯的电阻增大，从而使加热速率增加。这样的位置会成为沿加热区方向上温度加速上升的“热点”。

根据本发明，在上述情况下，该加热电缆芯的直径应进行调整以便在开始接近低导热率地层时具有增大的芯径。在均匀的地层中这样调整的部分将以较低的速率加热，从而得到较低的温度。但是在邻近低导热率地层（已加以适当的调整）的钻孔内，调整部分的加热速率将随温度的增加而增加。然后，在较之钻孔其它部分稍高些的温度下，发热速率大体上将与钻孔内其它部分的发热速率相等，这时，所产生的热量开始通过邻近的导热率较低的地层排放。

一般来说，在地下正在加热的地层区间内导热率与平均值相差达30%的区域能够很容易地得到补偿。实现这一点的方法是将加热电缆的芯子横截面积加大10～15%，或等效地结合调整加热电缆芯横截面积与电阻。沿着地层中某一低导热率地层，例如比待加热区间的平均值低20%，则邻近加热器的单位距离总电阻应小于整个区间的平均值。它应足够的低，以便在比整个区间的平均加热温度高20%以上的温度下，沿着低导热率层的加热器电阻的热段增加将使沿该层的加热速率接近整个被加热区间的平均速率。

在本工艺中，从钻孔    内部到被加热地层内部的温度梯度是使热量进入地层的驱动力。这样，该温度梯度类似于水驱动过程中作为驱动力的压强梯度。但在本工艺中，电阻与沿加热器距离的特性曲线和导热率与沿被加热区间距离的特性曲线间的相互关系提供了一个特殊的有利条件，这个条件是所希望的，然而在水驱动时却不能得到这个条件。在本工艺中，在低导热率层中，这种梯度随加热器温度的增加而增加。在水驱动的情况下，尽管也希望增大沿低渗透层的梯度，但还没有找到任何能做到这一点的方法。在本工艺中，沿低导热层的增大梯度的出现有助于改进热量传入被加热地层的均匀性。

图3表示了接点9的细节。如该图所示，电源电缆7带有金属护套，例如铜护套、其直径大于以钢护套的低温段电缆13的直径。电缆的中心导体最好用焊接方法连接起来。接点周围装有较短的钢套管30，并且焊接在或加热后套在电缆7的金属护套上。套管30，并且焊接在或加热后套在电缆7的金属护套上。套管30最好有足够大的内径，以便在它和电缆13的钢套管之间形成足够大的环形空间，使之可以容纳套在电缆13的护套园周上的较短钢套管31。在插放短套管31之前，将中心部件10与10a和套管30之间的基本上整个环形空间用粉粒状无机绝缘材料填满，比如用氧化镁。这样的材料最好同时放置在中心元件与套管30之间的环形空间内部和套管30与电缆13的护套之间的空间内部，并且最好通过振捣来压实粉粒材料块。套管31也可以推入套管30和电缆13的护套之间的空间，以便使无机粉粒由于其推力而得到进一步压实。然后，将套管30和31以及电缆13的护套焊接在一起。

图4表示了接点14的细节，它代表了钢护套加热电缆中其它接点的细节，如接点16和18。该接点的结构基本上与接点9的情况相同。然而，用例如机械或焊接方法装上了钢    套管32，它带有缩小的内径并套在    电缆13的护套园周上的部分32a，套管32还有一个大内径部分，使得套管32和电缆15的护套之间留有环形空间。在把中心导体焊接在一起之后，套管部分32a被焊接到电缆13的护套上。套管32和中心导体间的环形空间填入粉粒状绝缘材料，把短套管部件33推入以压实这些材料粉粒，并随后焊接到电缆15的护套上。

图5表示了端部接点20的细节。如同所示，电缆19穿过钢座20内的孔，以便使它的一小段19a伸进钢座中央部分中的园柱形开口。电缆的导电芯在焊点34处被焊接在一起，而电缆的护套在焊点35处被焊接到钢座20上。电缆的中心导体最好用热稳定电绝缘材料包围，例如用大量的压实粉粒状无机物和/或陶瓷材料盘（来显示），随后将中心开口封住，例如焊上钢板（来显示）。当如图1所示地通过将加热器接到细长的圆柱形构件21上以支撑加热器时，最好沿端部接点20的外侧形成沟糟36来与该构件相配合以使端部易于与该构件联接。

一般来说，供电元件可包括几乎任何能使本类型加热器以较高速率（例如，至少330w/m）进行加热的交流或直流系统。

图6和7是用于本类型的加热器的电源部件的最佳设置图。如图6所示，这样的结构包括次级变压器TS和双元加热器两组电路中的两个倒相、并联的可控硅整流器（SCR_S）。尽管原则上一组SCR_S就够了，但在另一支路使用一组类似的SCR_S具有独特的好处。考查图7的线路图，它表示了加热器和简化的启动电路FC。首先，假定SCR_S转向“全启动”状态。加在代表加热器支路的电阻器AB和AC上的将是480V有效值的交流电，每个加热器支路得到它的一半。当B点达到240V时，C点为负240V，反过来也是一样。由于这是平衡系统且两加热器支路有相等的电阻，则A点将保持在零伏状态或实际上为地电位。加热电缆护套被接到变压次级TS的接地中心抽头上。因为A点代表端部20的

接接点，所以就实用目的而言，该接点和外壳间的电势差将为零。这些点电器上互相接触但没有任何电流通过。在加热器两条支路前方的点上，护套和中央导体间的电势差增加，并最终达到正或负240V的最大值。

通过采用两套可控硅整流器和零电压切换方式，这一状态在部分控制下仍能得以保持。采用零电压切换，电源不是全部导通就是全部断开。每个反向并联线路将从电压过零点开始导通整个半周。因此，所得的输出是整周或全波控制。用时间基准或采样周期实现输出与时间成比例。在采样周期内两个SCR通过的是一周或整数周。这情况与全部导通无异。

在不导通增量期间，采用第二套可控硅整流器的优点才显示出来要开闭线路中的电流，仅用一条支路中的一对SCR_S就可以了。然而，当仅用一对时，加热器仍联接到变压器的一端，由于该点在+240伏和-240伏之间涨、落，包括A点在内的整个加热器的电压也将在+240伏和-240伏之间涨、落。另一方面，在两个支路中都用可控硅整流器开关时，在可控硅整流器全部断开期间整个加热器将在电气上与变压器次级断开，并将保持在线路断开时最后所处的电位，即零伏电位。

当井内加热器被放入钻孔并在约600℃以上的温度运行时，负截（即重量支撑部件的重量/横截面积）、热膨胀和蠕变是三个起重作用的因素，它们决定了加热器如何定位和如何保持在该位置（相当长的时间）。例如，对于按图1制造和安装的加热器，当中央结构部件21是一根其内径为1.25cm，外径为1.75cm的不锈钢管子时，因钢和铜两种金属的热膨胀系数大约为16×10^-6cm/cm·℃，一根300米长的加热段在温度达到800℃时，将膨胀到约304米长。

当采用图1所示的设置时，最好为这种膨胀留出空间。加热器的位置最好这样配置，以使得在膨胀后其下端承受压力负载（因为它搁置在钻孔底部或四周的井壁上），而上端仍悬挂着并承受张力负载，中性点位于中部某处。

由于不锈钢的蠕变，加热段将以一定速率伸长。如加到加热器不锈钢结构部件上的负载因子是480巴（gar），在700℃时长300米的加热段将每小时增加0.03cm，或每年增加266cm，或10年增加26.6m（如在此以前它没有断裂的话）。

图8表示了可以消除由于负载、热膨胀蠕变引起的各种问题的安置步骤，如图所示，一对加热电缆（诸如图1中的电缆15）绕在固定鼓筒上，该加热电缆长得足以形成伸过被加热的区域的螺线：（a）它们的下孔端用加热器端接器（诸如图1中的端接器20）相连接。该端接器连接到卷绕导向柱或承载部件（诸如图1的部件21），（b）它们的上孔端联接到绕在电缆卷盘40上的无机物绝缘电源电缆（诸如图1中电缆7）。绕在加热电缆的固定鼓筒41受到支承以使它围绕导向柱21。导向柱21被重锤（即图1中的重锤22）拉入井筒中。当导向柱21或承载部件下降时，从固定鼓筒41上拉出加热器电缆圈25，以使它们螺旋围绕着承载部件。加热器电缆15仅在它们的端接器20处，连到承载部件21上。

当承载部件21下降时，从固定鼓筒拉出加热器电缆圈15，并适当使之伸展以能自由地进入井筒43。在这个过程中，当承载部件停止下降时，加热器电缆圈内的一些张力被释放。而电缆圈25本身重量有了支承，而剩余的负载实际上为零。当承载部件21恢复下降时，加热器电缆圈15由下而上相继脱离井筒壁。

当把加热器从井中移走时，使加热器电缆15向上拉的速度比提升承载部件21的速度快些，这使电缆圈从上到下相继脱离井筒壁，这样整个组件就可以脱开并取出。

加热器电缆圈的波长WL或加热器电缆圈的频率，即螺旋线的相等部分间的距离，如图所示，取决于固定鼓筒41的直径和井筒43的内径。当电缆圈15的波长约为0.6m时，将电缆圈插入到内径为6.35cm的305m长的井筒区段中，电缆的长度需比305米多3.7米。

由于这种加热器电缆步骤只容许很小的热膨胀或蠕变，膨胀设置导致的压力将引起电缆金属部件伸长。例如，它能引起每0.075cm的电缆的铜或钢结构部件伸长约0.001cm。由于利用井壁与电缆圈间的摩擦而避免了结构部件上的张力负载，因而不太可能出现蠕变。

本申请人已发现，虽然铜的熔化点为1080℃，并在低得多的温度下就会变软，且在任何温度下它只有很小的抗蠕变性，但它可构成用于本发明的载流电缆芯线。当铜芯被铜套内的压实粉状无机物绝缘体（诸如氧化镁）包围时，该绝缘体如电缆护套将约束并固定住中央铜芯。即使芯线是一根直径3mm的柱形导线，也能安全地地加热至800℃以上的温度。它在800℃的预期寿命可望达到数年    离800℃加热段约有12米远的冷段冷段钢套电缆的一根4.2mm柱形铜芯线，其温度要低200℃，即低于适用的    焊料的液化温度（在600℃左右）。在铜护套可卷绕电源电缆中，直径约8.25mm铜芯线能容易地提供高温加热段所用的功率，同时仅产生少许热量。

通常，用于本发明的加热电缆圈或中央导电体在600℃至1000℃，可包括在800℃时电阻率低于约50mΩ/cm的任何纯金属或合金。特别适合做芯线的材料大体上有基本上纯（即至少99%）的铜或镍（镍芯线要有较大的有效直径，在铜芯线直径为0.3cm时，要用直径约0.5cm的镍线），或铬-铜合金。

因为良导体（诸如铜或镍）的电阻温度系数都相当高，如果加热器出现了一个热点，热点处的电阻率将增大，而较高的电阻率将导致越来越高的温度。当事实上从加热元件周围排除热量的唯一途径是通过相邻的地层传导走热量时，沿任何加热段的长度方向上的任何热点处的这种温度上升趋势自然会被放大。这种地层的导热率可能低得象耐火砖一样。因而，在本工艺中，确定紧邻井的那部分被加热地层的导热率分布是很重要的。根据这一信息，可对加热段导电芯的总横截面积加以安排以补偿的局部低导热率，以免因此而出现热点;或补偿的局部高地层导热率，以免因此使低温不断发展，从而导致沿这些区段注入的热量减少。

一般地，适用于本发明中央重量承载部件或导向柱部件大体上可以是任何金属管子或链，或类似的东西，它能够同加热器一起插入井的钻孔中，以便承载加热器的重量。在最佳实施方案中，中央重量承载结构部件（如图1中的部件21），最好是能负载荷的耐热可卷绕不锈钢管。这样的管子的尺寸最好能大体上与井的钻孔直径和所采用的加热器安装方法相适应。钻孔最好较少，而加热器和输电电缆的安装最好采用从券盘将它们送入井内的方法。重量承载部件最好采用能卷绕的尺寸，诸如直径不大于约2.5cm，或壁厚不超过0.3cm。

通过设置带有用装上润滑器的井使穿过用作重量承载部件的耐热管子的绞线和金属线的周围密封，能通过重量承载部件导入热电偶这样的测量元件，用以记录沿被加热区段的温度状况。此外，通过这种重量承载管底部附近的井口，可把象氮或氩那样的不活泼气体注入和/或保持在封闭的井筒（诸如图1中的井筒2）中，以便使加热元件被无腐蚀性的空气所包围。

Claims (22)

1、加热相当长的地下地层区段的方法包括：

设置至少一根电加热电缆，它主要包含：(a)有较低的电阻率的导电中央芯线，(b)围绕所述芯线的由压实的不导电热稳定材料固体颗粒块构成的绝缘层及(c)围绕上述芯线和绝缘层的金属护套，它具有相当好的抗软化的特性和抗抗强度；

至少安置一根所述加热电缆，以提供加热器电缆，它能够：(a)伸展到整个被加热区段，(b)根据电压产生600℃至1000℃之间的选定温度，该电压应低于芯线和护套之间绝缘层的击穿电压；

配制加热电缆芯线横截面积和加热电缆芯线电阻的组合随着沿所述加热器的距离的分布方式，这种分布方式与沿所述被加热地层区段存在的导热率随距离的分布方式相关，以使平均电阻随加热器距离的局部增加和减少的辐值和相对位置以能使热量以基本上均匀的速率注入地层的方式与相邻地层导热率的局部增加和减少相类似；

使所述加热器在井的钻孔中定位。以使加热器沿被放置在加热地层区段，同时与流进和流出被加热地层的流体隔离；

加电压使加热器运行，所加电压应足以沿加热器产生约600℃至1000℃的温度，以便以所述基本均匀速率进行热量注入。

2、权利要求1的方法，其中被加热区段至少有60米长。

3、权利要求1的方法，其中加热器设置在以流体密闭方式围绕加热器的井筒内。

4、权利要求1的方法，其中所述加热电缆被卷绕着，并从至少一个卷线装置送入井内。

5、权利要求1的方法，其中所述加热器沿其长度至少包含这样的一部分：其中单位长度电阻不同于加热器的至少另外一段的上述电阻。

6、权利要求1的方法，其中加热区段至少有一部分的加热速率通过至少安放至少一根附加加热电缆而得到增加，该附加电缆平行于至少一根其他的电缆。

7、权利要求1的方法，其中至少接了一根低温段电缆，它连在所述加热器的至少一根加热电缆的上孔端与井的钻孔内较冷区域之间，连接到电源电缆上，该低温段电缆带有由无机物绝缘并加有金属护套的导电芯线并包含电缆芯线截面积和电缆芯线电阻的组合配置，以便在所加的电压下产生少于所述加热电缆所产生热量的热量。

8、权利要求1的方法，其中所述电加热电缆是可卷绕的，并包含（a）其电阻至少大体上象基本纯的铜一样低的导电芯线，（b）围绕上述芯线的绝缘层，它有至少大体上等于压实的氧化镁粉状体的电阻、抗压强度和热传导特性;（c）围绕所述芯线和绝缘的金属护套，其直径和壁厚应提供至少等于316号不锈钢的抗拉强度、抗蠕变和软化温度特性。

9、权利要求8的方法，其中所述加热器包含至少一根带有导电芯的低温段电缆，它连接在所述加热器中的至少一根加热电缆的上孔端与井的钻孔内较冷区域之间并连到电源电缆上，该低温段电缆由无机物绝缘并带有金属护套，并包含电缆芯线横截面积和电缆芯线电阻的组合配比以便在所用电压下产生比所述加热电缆产生的热量少的热量。

10、权利要求9的方法，其中所述加热器包含至少这样一部分：由于电缆芯线横截面积和电缆芯线电阻的组合配比，该部分单位长度电阻不同于加热器另一部分的单位长度电阻。

11、井加热器包括：

至少一根加热电缆，它包含有较低电阻的导电金属芯线;围绕芯线并有较高热稳定性和电阻的压实无机物颗粒绝缘体;围绕芯线和绝缘体并具有较高热稳定性和抗拉强度的金属护套。

至少一根加热段，它（a）能在紧邻被加热地下地层的井钻孔区段中伸延至60米。（b）包含至少一根所述加热电缆，（c）包含加热电缆芯线电阻和芯线横截面积的组合配比，以根据所述电缆芯线和护套部件之间小于所述绝缘物绝缘强度的选定电压在所述加热段内以大约300W/m的速率产生约在600℃至1000℃之间的选定温度。

至少一个低温段，它包含至少一根热稳定电缆，其芯线、绝缘物和护套材料至少大体上与所述加热电缆相同，但其芯线横截面积和电阻的组合配比使其在所加的电压下产生比所述加热电缆产生的热量少得多的热量，接3所述低温段的连接使其能从离所述加热电缆足够远的上孔位置向加热电缆提供电力，并产生远低于加热电缆附近处的温度。

支承加热电缆的支承装置，它使得加热电缆定位于紧邻被加热地层的位置，并保持与流入和流出这些地层的流体相隔离。

在所述选定电压下向所述加强电缆输送电力的输送装置。

12、权利要求11的井加热器，其中加热电缆芯线横截面积和电阻的组合配比是参照导热率与沿所述被加热地层区段的距离的分布方式设置的，以使平均电阻随沿加热器的距离的局部增加和减少具有与相邻地层的导热率的局部增加和减少的相对辐度和位置相关的相对辐度和位置。

13、权利要求12的井加热电缆是可卷绕的，并包含：（a）其电阻至少大体上象基本纯铜一样低的导电芯线;（b）围绕所述芯线的绝缘体，它有至少大体上相当于压实的氧化镁粉块的电阻、抗压强度和导热率;（c）围绕所述芯线的金属护套，其直径和壁厚能提供至少大体上等于316不锈钢的抗拉强度、抗蠕变和软化特性。

14、权利要求11的井加热器，其中所述加热段包含至少这样一部分：其至少一个横截面积和电阻的组合配比提供的单位长度电阻不同于至少另外一段的单位长度电阻。

15、权利要求11的井加热器，其中芯线电阻和横截面积的组合配比使得单位强度的电阻在井加热器的加热段上大体是相等的。

16、权利要求11的井加热器，其中所述井加热器及相联的电源电缆是能用卷筒装置插入井钻孔内可卷绕电缆。

17、权利要求11的加热器，其中加热器包含一对所述加热电缆和所述加热电缆电力输送装置，包括：

交流电源;

其接地中心抽头与加热电缆护套相连接的变压器;

变压器的每个输出端都通过包含两个反向、并联可控硅整流器的电路接至一根加热电缆的芯线。线路其配置的方式使得个个可控硅整流器从电压零点起导通一个完整的半周。

对所述整流器进行零点切换的可控硅整流器切换路线。

18、权利要求17的加热器，其中所述加热电缆芯线在被加热区段的下孔端互相电连接在一起。

19、权利要求11的加热器，其中至少一根所述加热电缆包含有接点，其中：

加热电缆芯线与另一根无机物绝缘和带金属护套的电缆芯线相电连接，以使得接头的导电性能至少同接的电缆芯线中导电性能最差的一根芯线一样高。

所述加热电缆的耐热金属护套焊接到由具有至少大体上相等的热敏性的金属制作的管子上，该管子围绕电缆芯线的连接部分，并围绕与加热电缆相连接的电缆的部分护套。

可压实无机物绝缘材料颗粒相当致密地散布在所述管子以及该管子和与加热电缆相连接的电缆的护套之间的空间内。

与所述的第一根管子相同或大体相当的第二金属管子，第二管子被压入第一管子和与加热电缆相连接的电缆的护套之间的环形空间以使围绕芯线的颗粒块被进一步压实，并在此处焊接到它所围绕的护套上。

20、权利要求1的方法，其中所述加热器是通过把至少一根加热电缆联接到至少另外一根电缆上，以便：

加热电缆的芯线与另外的有无机物绝缘和金属护套的电缆芯线相联接，以使该接头导电性能至少象连接的芯线中导电性能最差的一根芯线一样高;

所述加热电缆的耐热金属护套被焊接到一由具有基本上相等的热敏感性的金属制作的管上，该管回绕电缆芯线的接头并围绕与加热电缆连接的电缆的一部分护套会伸延;

可压实的无机物绝缘材料颗粒相当致密地散布在所述管内，以及该管和与加热电缆相连接的电缆的护套之间的空间内;

与所述的第一根管子相同或大体上相当的第二金属管，该第二管被压入第一根管和与加热电缆相连接的电缆的护套之间的环形空间里，以使围绕电缆芯线的颗粒块得到进一步压实，并在此处焊接到它所围绕的护套上。

21、安装电加热器的方法，包括至少一根带有钢护套、无机物绝缘并有较低电阻的加热电缆，和至少一根与之相连的电源电缆，以便能以300W/m以上的速率，在紧邻被传导加热的地下地层区段的井钻孔内进行加热，该方法包括：

在钻孔内安装的不渗透液体的耐热空心管道，它贯穿被加热区段并在底端得到封闭，它的布置能基本上防止钻孔内部与被加热地层之间出现任何液体流动。

把一个导向柱部件移入所述管道，该导向柱的底部加有重物以使它保持挻直，并将它拉过管道;

把上述加热电缆的下孔端连接到所述导向部件，把加热电缆卷绕在围绕导向部件的鼓筒上，并将其上孔端连接到所述的电源电缆上;

在上述导向部件移入管道的同时，从鼓筒上移掉卷绕着的加热电缆圈，从而使电缆螺旋地围绕导向部件，并由导向部件降落到围绕着它们的管道内，当所述导向部件的移入中止时，向下方向的张力得以释放，电缆转而靠在围绕着它们的管道壁上，并靠摩擦沿壁得到支撑继续把导向部件和加热器电缆移入管道。直到加热器电缆被移到紧邻被加热地层区段的位置。

22、权利要求21的方法，其中所述导向管是可卷绕不锈钢管，其连接使它和缆的长度较大部分在这些部件热膨胀时由于重量承载部件的底部停靠在容纳它们的管道底部上而受到压力负载。

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