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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zum Erhitzen
einer kohlenwasserstoffhaltigen Formation, wie einer Kohleschicht
oder einer Ölschieferablagerung,
die ein Hitzeeinspritzbohrloch umgibt.
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Die
Anwendung von Hitze auf Ölschieferformationen
ist in den US-Patenten Nr. 2,923,535 an Ljungstrom und 4,886,118
an Van Meurs et al. beschrieben. Diese Druckschriften zum Stand
der Technik offenbaren, daß elektrische
Heizeinrichtungen Hitze an eine Ölschieferformation übertragen,
um das Kerogen innerhalb der Ölschieferformation
zu pyrolysieren. Die Hitze kann auch die Formation frakturieren,
um die Durchlässigkeit
der Formation zu erhöhen.
Die erhöhte
Durchlässigkeit
kann es Formationsfluid gestatten, zu einem Förderbohrloch zu wandern, wo
das Fluid aus der Ölschieferformation
entfernt wird. In einigen Verfahren, die beispielsweise von Ljungstrom
offenbart sind, wird ein sauerstoffhaltiges gasförmiges Medium in ein durchlässiges Stratum
eingeführt,
vorzugsweise während
es aus einem Vorerhitzungsschritt noch immer heiß ist, um die Verbrennung zu
initiieren.
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Das
US-Patent Nr. 2,548,360 beschreibt ein elektrisches Heizelement,
das in einem viskosen Öl innerhalb
eines Bohrloches vorhanden ist. Das Heizelement erhitzt und verdünnt das Öl, damit
das Öl aus
dem Bohrloch gepumpt werden kann. Das US-Patent Nr. 4,716,960 beschreibt
das elektrische Erhitzen eines Gestänges eines Erdölbohrloches,
indem ein Strom mit relativ geringer Spannung durch das Gestänge geleitet
wird, um die Bildung von Feststoffen zu verhindern. Das US-Patent
Nr. 5,065,818 an Van Egmond beschreibt ein elektrisches Heizelement,
das in ein Schachtbohrloch zementiert ist, ohne daß eine Auskleidung
das Heizelement umgibt.
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Das
US-Patent Nr. 6,023,554 an Vinegar et al. beschreibt ein elektrisches
Heizelement, das innerhalb einer Auskleidung positioniert ist. Das
Heizelement erzeugt Strahlungsenergie, welche die Auskleidung erhitzt.
Ein granulares festes Füllmaterial kann
zwischen der Auskleidung und der Formation angeordnet sein. Die
Auskleidung kann das Füllmaterial
durch Wärmeleitung
erhitzen, wobei dieses seinerseits die Formation durch Wärmeleitung
erhitzt.
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Das
US-Patent Nr. 4,570,715 an Van Meurs et al. beschreibt ein elektrisches
Heizelement. Das Heizelement hat einen elektrisch leitenden Kern,
eine diesen umgebende Lage aus Isoliermaterial und eine dieses umgebende
metallische Hülle.
Der leitende Kern kann bei hohen Temperaturen relativ niedrigen Widerstand
haben. Das Isoliermaterial kann elektrischen Widerstand, Druckfestigkeit
und Wärmeleiteigenschaften
haben, die bei hohen Temperaturen relativ hoch sind. Die Isolierlage
kann eine Bogenbildung vom Kern zur metallischen Hülle verhindern. Die
metallische Hülle
kann eine Zugfestigkeit und Kriechwiderstandseigenschaften haben,
die bei hoher Temperatur relativ hoch sind.
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Das
US-Patent Nr. 5,060,287 an Van Egmond beschreibt ein elektrisches
Heizelement mit einem Kupfer-Nickel-Legierungskern.
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Das
US-Patent Nr. 2,703,621 offenbart eine elektrische Bohrlochheizeinrichtung,
die in einem nicht ausgekleideten Einströmbereich des für die Förderung
viskosen Öls
bestimmten Bohrloches aufgehängt
ist.
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Das
US-Patent Nr. 4,716,960 offenbart ein Bohrloch für die Förderung von viskosem Öl, in das ein
elektrischer Strom über
die Förderstrangauskleidung
und/oder ein Pumpgestänge übertragen
wird, um die Viskosität
des geförderten Öls durch
Erhitzung zu reduzieren.
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Das
System und das Verfahren gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 und 10 sind aus dem US-Patent Nr. 2,244,255 bekannt.
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Bei
diesen bekannten Systemen wird elektrischer Strom über einen
elektrischen Kreis übertragen,
der durch eine Bohrlochauskleidung aus Stahl und das Fördergestänge gebildet
ist, um erstarrte Körper,
welche das Bohrloch und die umgebende Formation verlegen, zu schmelzen
und zu entfernen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegende Erfindung, ein verbessertes, billiges
und haltbares Bohrlochheizverfahren und -system zu schaffen, die
befähigt
sind, eine gesteuerte Hitzemenge in gleichmäßiger Weise an eine Untergrundformation über eine
lange Zeitperiode zu übertragen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt ein
System zum Übertragen
von Hitze in eine kohlenwasserstoffhaltige Formation, welche ein
Hitzeeinspritzbohrloch umgibt:
einen ersten elektrischen Leiter,
der in einer ersten Leitung angeordnet ist, wobei die erste Leitung
innerhalb eines Heizbohrloches vorgesehen ist, welches die Formation
durchsetzt, wobei der erste Leiter so ausgebildet ist, daß er im
Betrieb zumindest einem Teil der Formation Hitze zuführt, und
das System so ausgebildet ist, daß es eine Hitzeübertragung
von dem ersten Leiter zu einem Abschnitt der Formation im Betrieb
gestattet; dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leiter innerhalb
des Heizbohrloches im wesentlichen frei aufgehängt ist, wobei ein Ringraum zwischen
der ersten Leitung und der Formation vorhanden ist, und daß ein zweiter
Leiter innerhalb einer zweiten Leitung und ein dritter Leiter innerhalb
einer dritten Leitung angeordnet ist, wobei die erste Leitung, die
zweite Leitung und die dritte Leitung in verschiedenen Öffnungen
der Formation liegen, wobei der erste Leiter mit dem zweiten Leiter
und dem dritten Leiter elektrisch gekoppelt ist, und der erste, zweite
und dritte Leiter so ausgebildet sind, daß sie im Betrieb in einer 3-Phasen-Y-Konfiguration
arbeiten.
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Der
erste, zweite und dritte Leiter können an der Oberfläche an eine
elektrische 3-Phasen-Stromzufuhr gekoppelt sein, und der erste,
der zweite und der dritte Leiter können elektrisch gekoppelt sein,
um drei Bohrlöcher
in einer sogenannten „Vierdraht"-Konfiguration zu
bedienen.
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Vorteile
des Heizsystems gemäß der Erfindung
bestehen darin, daß es
in jeder gewünschten Länge ausgeführt werden
kann und daß es
sich für horizontale
oder geneigte Hitzeeinspritzbohrlöcher eignet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
Systems gemäß der Erfindung
ist der erste Leiter innerhalb der ersten Leitung durch eine Reihe
von keramischen Zentralisierern zentralisiert. Ein elektrischer
Gleitverbinder kann an den ersten Leiter und an die erste Leitung
nahe dem unteren Ende des ersten Leiters und/oder der ersten Leitung
elektrisch gekoppelt sein, um einen elektrischen Kreis zu erzeugen.
Außerdem
kann ein Druckfluid innerhalb der ersten Leitung vorhanden sein,
um einen Druck innerhalb der ersten Leitung aufrechtzuerhalten,
der eine Deformation der ersten Leitung im Betrieb im wesentlichen
verhindert. Ein anderes Rohr kann innerhalb des Hitzeeinspritzbohrloches
außerhalb
und koaxial oder außerhalb
und an die erste Leitung angeklemmt vorhanden sein, wobei das Rohr
so ausgebildet ist, daß es
Dampf entfernt, der von dem zumindest erhitzten Teil der Formation
erzeugt wird, derart, daß ein
Druckausgleich zwischen der ersten Leitung und dem umgebenden Heizbohrloch
und/oder der Formation aufrechterhalten wird, um eine Deformation
der ersten Leitung im Betrieb im wesentlichen zu verhindern. Außerdem kann
ein zusätzliches
Rohr als Mittel zur Steuerung des Druckes in dem Reservoir verwendet
werden. Die Steuerung des Druckes kann erforderlich sein, um Pyrolysebedingungen
zu erzeugen, welche die Kohlenstoffproduktzusammensetzung günstig modifizieren.
Außerdem
kann das zusätzliche
Rohr zu bestimmten Zeitpunkten während
des Verfahrens zur Druckeinstellung verwendet werden, um die Abstützung der
Felsüberlagen
zu erhöhen
und somit eine Kompaktierung und Setzung zu verringern.
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Vorzugsweise
ist der erste Leiter so ausgebildet, daß er im Betrieb eine Strahlungshitze
von 0,6 bis 1,5 kW pro Meter Länge
des ersten Leiters erzeugt.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
für ein in
situ-Erhitzen einer kohlenwasserstoffhaltigen Formation umfaßt:
Anlegen
eines elektrischen Stromes an einen ersten Leiter zum Erhitzen zumindest
eines Teiles der Formation, wobei der erste Leiter in einer ersten
Leitung angeordnet ist, und wobei die erste Leitung innerhalb eines
Heizbohrloches vorgesehen ist, welches die Formation durchsetzt;
und Ermöglichung
einer Hitzeübertragung
von dem ersten Leiter auf einen Abschnitt der Formation;
dadurch
gekennzeichnet, daß die
erste Leitung innerhalb des Heizbohrloches im wesentlichen frei
aufgehängt
ist; daß ein
Ringraum zwischen der ersten Leitung und der Formation vorhanden
ist; daß ein zweiter
Leiter innerhalb einer zweiten Leitung und ein dritter Leiter innerhalb
einer dritten Leitung angeordnet ist, wobei die zweite Leitung und
die dritte Leitung in verschiedenen Öffnungen der Formation vorgesehen
sind, wobei der erste Leiter mit dem zweiten Leiter und dem dritten
Leiter elektrisch gekoppelt ist, und der erste, zweite und dritte
Leiter so ausgebildet sind, daß sie
in einer 3-Phasen-Y-Konfiguration
arbeiten.
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Vorzugsweise
wird zwischen 10 und 40 Prozent der Hitze, die in einem elektrischen
Kreis erzeugt wird, der von dem ersten Leiter und der ersten Leitung
sowie einem elektrischen Gleitkontakt zwischen einem unteren Teil
des ersten Leiters und der ersten Leitung gebildet wird, durch die
Leitung für den
ersten Leiter erzeugt. Dieser durch den Leiter und die erste Leitung
geschaffene elektrische Kreis kann im Betrieb eine Hitzemenge zwischen
0,6 und 1,5 kW pro Meter Länge
des Heizbohrloches in die kohlenwasserstoffhaltige Formation abstrahlen,
derart, daß die
Kohlenwasserstoffe innerhalb der kohlenwasserstoffhaltigen Formation
auf eine Temperatur oberhalb 300°C
erhitzt und pyrolysiert werden.
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Vorzugsweise
wird im Betrieb ein erhöhter Druck
im Inneren der ersten Leitung und/oder einem Ringraum zwischen der
ersten Leitung und der Formation aufrechterhalten, um eine Deformation
der ersten Leitung im wesentlichen zu verhindern.
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Dieser
erhöhte
Druck kann aufrechterhalten werden, indem im Betrieb ein Oxidierfluid
von einer Oxidierfluidquelle in die erste Leitung gepumpt wird, derart,
daß das
strömende
Fluid eine Ablagerung der erhitzten Kohlenwasserstoffe an oder in
der Nähe
zumindest des ersten Leiters im wesentlichen verhindert.
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Die
erste Leitung kann Öffnungen
aufweisen, durch welche das Oxiderfluid, wie Luft, in einen Ringraum
eingeblasen wird, welcher die erste Leitung umgibt, in welchem Raum
Kohlenwasserstoffe, die von der kohlenwasserstoffhaltigen Formation
freigesetzt werden, und/oder Kohlenwasserstoffe, die in den Ringraum
eingespritzt werden, verbrannt werden.
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Die
Temperaturverteilung in dem ersten elektrischen Leiter und/oder
der ersten elektrischen Leitung kann kontinuierlich oder intermittierend
unter Verwendung eines elektromagnetischen Signals überwacht
werden, das von dem ersten Leiter und/oder der ersten elektrischen
Leitung geliefert wird.
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Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
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Die
Erfindung wird detaillierter an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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Die 1–3 zeigen
verschiedene Ausführungsformen
einer Heizquelle aus einem elektrischen Leiter innerhalb einer Leitung
in einem Heizbohrloch;
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4 und
die 5a–5b zeigen
verschiedene Ausführungsformen
eines Zentralisierers zum Zentralisieren des elektrischen Leiters
innerhalb der Leitung; und
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6 zeigt
eine Ausführungsform
einer elektrischen Leiter-in-Leitung-Heizquelle
in einer Formation.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer elektrischen Leiter-in-Leitung-Heizeinrichtung, die so ausgebildet
ist, daß sie
einen Abschnitt einer kohlenwasserstoffhaltigen Formation erhitzt.
Der Leiter 580 kann in einer Leitung 582 angeordnet
sein. Der Leiter 580 kann ein Stab oder eine Leitung aus
elektrisch leitendem Material sein. Ein Leiter 580 kann
einen niedrigohmigen Abschnitt 584 sowohl an der Oberseite
als auch an der Unterseite des Leiters 580 aufweisen, um
in diesen Abschnitten 584 weniger Hitze zu erzeugen. Der
im wesentlichen niedrigohmige Abschnitt 584 kann auf eine
größere Querschnittsfläche des
Leiters 580 in diesem Abschnitt zurückzu führen sein. Beispielsweise kann
der Leiter 580 ein 304 oder 310 rostfreier Stahlstab mit
einem Durchmesser von etwa 2,8 cm sein. Der Durchmesser und die
Wandstärke
des Leiters 580 können
jedoch abhängig
von beispielsweise einer erwünschten
Heizrate in der kohlenwasserstoffhaltigen Formation variieren. Die Leitung 582 kann
elektrisch leitendes Material aufweisen. Beispielsweise kann die
Leitung 582 ein 304 oder 310 rostfreies Stahlrohr mit einem
Durchmesser von etwa 7,6 cm und einer Dicke von etwa Liste 40 sein.
Die Leitung 582 kann in einer Öffnung 514 der Formation 516 angeordnet
sein. Die Öffnung 514 kann
einen Durchmesser von zumindest 5 cm haben. Der Durchmesser der Öffnung kann
variieren, jedoch abhängig
von beispielsweise einer erwünschten Heizrate
in der Formation und/oder einem Durchmesser der Leitung 582.
Beispielsweise kann ein Durchmesser der Öffnung von 10 cm bis etwa 13
cm betragen. Größere Durchmesseröffnungen
können auch
verwendet werden. Beispielsweise kann eine größere Öffnung verwendet werden, wenn
mehr als ein Leiter innerhalb der Leitung angeordnet werden soll.
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Der
Leiter 580 kann in der Leitung 582 durch den Zentralisierer 581 zentriert
werden. Der Zentralisierer 581 kann den Leiter 580 von
der Leitung 582 elektrisch isolieren. Zusätzlich kann
der Zentralisierer 581 so ausgebildet sein, daß er den
Leiter 580 innerhalb der Leitung 582 lokalisiert.
Der Zentralisierer 581 kann aus einem keramischen Material
oder einer Kombination von keramischen und metallischen Materialien
bestehen. Mehr als ein Zentralisierer 581 können so
ausgebildet sein, daß sie
eine Deformation des Leiters 580 in der Leitung 582 im
Betrieb im wesentlichen verhindern. Mehrere Zentralisierer 581 können in
Intervallen zwischen etwa 0,5 m und etwa 3 m entlang des Leiters 580 angeordnet
sein. Der Zentralisierer 581 kann aus keramischem und 304 sowie
310 rostfreiem Stahl bestehen. Der Zentralisierer 581 kann
so ausgebildet sein, wie dies in 4 und/oder
den 5a und 5b gezeigt
ist.
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Wie
in 2 gezeigt, kann ein Gleitverbinder 583 ein
Ende des Leiters 580, das nahe einer untersten Fläche der
Leitung 582 liegt, kuppeln. Der Gleitverbinder 583 gestattet
differentielle Wärmedehnungen
zwischen dem Leiter 580 und der Leitung 582. Der
Gleitverbinder 583 ist an einem Leiter 580 befestigt,
der am Boden des Bohrloches in einem niedrigohmigen Abschnitt 584 angeordnet
ist, der eine größere Querschnittsfläche haben
kann. Der niedrigohmige Abschnitt 584 gestattet, daß der Gleitverbinder bei
Temperaturen von nicht höher
als etwa 90°C
arbeitet. Auf diese Weise wird eine Korrosion der Gleitverbinderkomponenten
minimiert, und damit wird der Berührungswiderstand zwischen dem
Gleitverbinder 583 und der Leitung 582 ebenfalls
minimiert. Der Gleitverbinder 583 kann so ausgebildet sein,
wie dies 20 zeigt und wie dies in
irgendeinem der Ausführungsbeispiele
beschrieben ist. Der im wesentlichen niedrigohmige Abschnitt 584 des
Leiters 580 kann den Leiter 580 an den Bohrlochkopf 690 kuppeln,
wie dies 1 zeigt. Der Bohrlochkopf 690 kann
so ausgebildet sein, wie in 3 gezeigt
und in irgendeinem der Ausführungsbeispiele
beschrieben. Elektrischer Strom kann an einen Leiter 580 über ein
Stromkabel 585 durch einen niedrigohmigen Abschnitt 584 des
Leiters 580 angelegt werden. Elektrischer Strom kann von
dem Leiter 580 durch den Gleitverbinder 583 zur
Leitung 582 strömen.
Die Leitung 582 kann von der Decklagenauskleidung 541 und
vom Bohrlochkopf 690 elektrisch isoliert sein, um elektrischen Strom
an das Stromkabel 585 zurückzuführen. Hitze kann in dem Leiter 580 und
in der Leitung 582 erzeugt werden. Die erzeugte Hitze kann
innerhalb der Leitung 582 und der Öffnung 514 strahlen,
um zumindest einen Teil der Formation 516 zu erhitzen.
Beispielsweise kann eine Spannung von etwa 330 Volt und ein Strom
von etwa 795 Ampere an den Leiter 580 und die Leitung 582 in
einem 229 m (750 Fuß)
erhitzten Abschnitt angelegt werden, um etwa 1150 Watt/Meter des
Leiters 580 und der Leitung 582 zu erzeugen.
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Die
Decklagenleitung 541 kann in der Decklage 540 der
Formation 516 angeordnet sein. Die Decklagenleitung 541 kann
bei einigen Ausführungsbeispielen
von Materialien umgeben sein, die ein Erhitzen der Decklage 540 im
wesentlichen verhindern. Ein im wesentlichen niedrigohmiger Abschnitt 584 eines
Leiters 580 kann in einer Decklagenleitung 541 angeordnet
sein. Der im wesentlichen niedrigohmige Abschnitt 584 des
Leiters 580 kann beispielsweise aus Kohlenstoffstahl bestehen.
Der im wesentlichen niedrigohmige Abschnitt 584 kann einen
Durchmesser zwischen etwa 2 cm und etwa 5 cm oder beispielsweise
einen Durchmesser von etwa 4 cm haben. Ein im wesentlichen niedrigohmiger
Abschnitt 584 des Leiters 580 kann innerhalb der
Decklagenleitung 541 unter Verwendung der Zentralisierer 581 zentralisiert
werden. Die Zentralisierer 581 können in Intervallen von etwa
6 m bis etwa 12 m oder beispielsweise etwa 9 m entlang des im wesentlichen niedrigohmigen
Abschnittes 584 des Leiters 580 beabstandet sein.
Ein im wesentlichen niedrigohmiger Abschnitt 584 des Leiters 580 kann
an den Leiter 580 unter Verwendung irgendeines Verfahrens
nach dem Stand der Technik, wie Lichtbogenschweißung, gekuppelt sein. Ein im
wesentlichen niedrigohmiger Abschnitt 584 kann so ausgebildet
sein, daß er
wenig und/oder im wesentlichen keine Hitze in der Decklagenleitung 541 erzeugt.
Dichtungsmaterial 542 kann zwischen der Decklagenauskleidung 541 und
der Öffnung 514 angeordnet
sein. Das Dichtungsmaterial 542 kann so ausgebildet sein,
daß es
Fluid im wesentlichen daran hindert, aus der Öffnung 514 zur Oberfläche 550 zu
strömen,
oder die am meisten hitzeführenden
Fluide daran hindert, von der Öffnung 514 zur
Oberfläche 550 zu
strömen.
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Die
Decklagenleitung kann beispielsweise eine Leitung aus Kohlenstoffstahl
mit einem Durchmesser von etwa 7,6 cm und einer Dicke von etwa Liste
40 Rohr sein. Zement 544 kann beispielsweise aus einem
Zuschlagstoff oder Siliziummehl bestehen oder einer Mischung derselben
(z.B. etwa 1,58 Gramm Schlacke/Silika pro Kubikzentimeter). Der Zement 544 kann
sich radial über
eine Breite von etwa 5 cm bis etwa 25 cm erstrecken. Zement 544 kann
auch aus einem Material bestehen, das so ausgebildet ist, daß es das
Einströmen
von Hitze in die Formation 516 verhindert.
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Der
Oberflächenleiter 545 und
die Decklagenauskleidung 541 können Zement 544 einschließen und
mit dem Bohrlochkopf 690 gekuppelt sein. Der Oberflächenleiter 545 kann
einen Durchmesser von etwa 10 cm bis etwa 30 cm und vorzugsweise
einen Durchmesser von etwa 22 cm haben. Elektrisch isolierte Dichtungsflansche
können
so ausgebildet sein, daß sie
den im wesentlichen niedrigohmigen Abschnitt 584 des Leiters 580 mit
dem Bohrlochkopf 690 mechanisch kuppeln und den niedrigohmigen Abschnitt 584 mit
dem Stromkabel 585 elektrisch koppeln. Der elektrisch isolierende
Dichtungsflansch kann so ausgebildet sein, daß er das Anschlußkabel 585 mit
dem Bohrlochkopf 690 kuppelt. Beispielsweise kann das Anschlußkabel 585 ein
Kupferkabel, ein Draht oder ein anderes langgestrecktes Element sein.
Das Anschlußkabel 585 kann
jedoch irgendein Material umfassen, das im wesentlichen niedrigen Widerstand
hat. Das Anschlußkabel
kann an die Unterseite des niedrigohmigen Leiters geklemmt werden,
um elektrischen Kontakt herzustellen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
kann Hitze in der oder durch die Leitung 582 erzeugt werden.
Auf diese Weise können
etwa 10% bis etwa 30% oder beispielsweise etwa 20% der gesamten
Hitze, die von der Heizeinrichtung erzeugt wird, in der oder durch
die Leitung 582 erzeugt werden. Sowohl der Leiter 580 als
auch die Leitung 582 können
aus rostfreiem Stahl bestehen. Die Dimensionen des Leiters 580 und
der Leitung 582 können
so gewählt
werden, daß eine
Hitze von etwa 650 Watt pro Meter des Leiters 580 und der
Leitung 582 bis etwa 1650 Watt pro Meter des Leiters 580 und
der Leitung 582 erzeugt werden. Auf diese Weise kann eine
Temperatur in der Leitung 582 von etwa 480°C bis etwa
815°C und
eine Temperatur im Leiter 580 von etwa 500°C bis 840°C erreicht
werden. Ein im wesentlichen gleichmäßiges Erhitzen einer kohlenwasserstoffhaltigen
Formation kann entlang einer Länge
des Leiters 582 von mehr als 300 m oder möglicherweise
von mehr als 600 m erreicht werden. Eine Länge der Leitung 582 kann
jedoch variieren, abhängig
von beispielsweise der Art der kohlenwasserstoffhaltigen Formation,
einer Tiefe einer Öffnung
in der Formation und/oder einer Länge der Formation, die behandelt
werden soll.
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Die
erzeugte Hitze kann derart sein, daß sie zumindest einen Teil
der kohlenwasserstoffhaltigen Formation erhitzt. Das Erhitzen von
zumindest einem Teil kann im wesentlichen durch Strahlung der erzeugten
Hitze innerhalb einer Öffnung
in der Formation und zu einem geringeren Teil durch Gasleitung erfolgen.
Auf diese Weise können
die Kosten, die mit dem Füllen
der Öffnung
mit einem Füllmaterial
einhergehen, um eine Hitzeübertragung
durch Wärmeleitung
zwischen dem isolierten Leiter und der Formation zu erzielen, eliminiert
werden. Zusätzlich
ist eine Hitzeübertragung
durch Strahlung im allgemeinen effizienter als durch Leitung, so
daß die
Heizeinrichtungen bei niedrigeren Temperaturen in einem offenen
Bohrloch arbeiten. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß die Heizanordnung
frei ist, sich unter Wärmeeinfluß auszudehnen.
Schließlich
ist ein Vorteil, daß die
Heizeinrichtung ersetzbar ist.
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Die
Leiter-in-Leitung-Heizeinrichtung, wie sie in den vorliegenden Ausführungsbeispielen
beschrieben ist, kann in der Öffnung 514 installiert
werden. Bei einem Ausführungsbeispiel
kann die Leiter-in-Leitung-Heizeinrichtung in einem Bohrloch in Abschnitten
installiert werden. Beispielsweise kann ein erster Abschnitt der
Leiter-in-Leitung-Heizeinrichtung im Bohr loch angeordnet werden.
Dieser Abschnitt kann etwa 12 m Länge haben. Ein zweiter Abschnitt
(z.B. von im wesentlichen ähnlicher
Länge) kann
mit dem ersten Abschnitt im Bohrloch gekuppelt werden. Der zweite
Abschnitt kann durch Schweißen des
zweiten Abschnittes an den ersten Abschnitt und/oder durch Gewinde
gekuppelt werden, die am ersten und am zweiten Abschnitt vorgesehen
sind. Eine Orbitalschweißeinrichtung,
die am Bohrlochkopf vorgesehen ist, kann so ausgebildet sein, daß sie den
zweiten Abschnitt an den ersten Abschnitt schweißt. Dieser Vorgang kann mit
nachfolgenden Abschnitten wiederholt werden, die an die vorhergehenden
Abschnitte gekuppelt werden, bis eine Heizeinrichtung der erwünschten
Länge im
Bohrloch angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen können drei
Abschnitte gekuppelt werden, bevor sie im Bohrloch angeordnet werden.
Die drei Abschnitte können
durch Schweißen
gekuppelt werden. Die drei Abschnitte können je eine Länge von
etwa 12,2 m haben. Der resultierende 37 m Abschnitt kann vertikal von
einem Kran am Bohrlochkopf angehoben werden. Die drei Abschnitte
können
an drei zusätzliche Abschnitte
im Bohrloch gekuppelt werden, wie dies beschrieben wurde. Das Schweißen der
drei Abschnitte vor der Anordnung im Bohrloch kann die Anzahl von
Lecks und/oder Fehlschweißstellen
reduzieren und die Zeit verringern, die zur Installation der Heizeinrichtung
erforderlich ist.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel kann
die Leiter-in-Leitung-Heizeinrichtung
von einer Spulenanordnung abgespult werden. Die Spulenanordnung
kann auf einem transportablen Gerüst montiert sein. Das transportable
Gerüst
kann zur Bohrlochstelle transportiert werden. Die Leiter-in-Leitung-Heizeinrichtung
kann dann von der Spulenanordnung in das Bohrloch gespult werden.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
eines Gleitverbinders. Der Gleitverbinder 583 kann einen Kratzer 593 aufweisen,
der an der Innenfläche
der Leitung 582 am Punkt 585 angreift. Der Kratzer 593 kann
irgendein Metall oder elektrisch leitendes Material aufweisen (z.B.
Stahl oder rostfreier Stahl). Der Zentralisierer 591 kann
an den Leiter 580 gekuppelt sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen
kann der Leiter 580 im wesentlichen einen niedrigohmigen
Abschnitt 584 infolge einer erhöhten Dicke, im wesentlichen
an einer Stelle um den Gleitverbinder 583 herum, haben.
Der Zentralisierer 591 kann irgendein elektrisch leitendes
Material aufweisen (z.B. ein Metall oder eine Metallegierung). Der
Zentralisierer 591 kann an den Kratzer 593 über einen
Federbogen 592 gekuppelt sein. Der Federbogen 592 kann
irgendein Metall oder elektrisch leitendes Material umfassen (z.B.
Kupfer-Beryllium-Legierung). Der Zentralisierer 591, der
Federbogen 592 und/oder der Kratzer 593 können durch
irgendein im Stand der Technik bekanntes Schweißverfahren gekuppelt werden.
Der Gleitverbinder 583 kann den im wesentlichen niedrigohmigen
Abschnitt 584 des Leiters 580 an die Leitung 582 durch
den Zentralisierer 591, den Federbogen 592 und/oder
den Kratzer 593 elektrisch koppeln. Während des Erhitzens des Leiters 580 kann der
Leiter 580 expandieren, u.zw. mit wesentlich anderer Geschwindigkeit
als die Leitung 582. Beispielsweise kann der Punkt 594 am
Leiter 580 sich relativ zum Punkt 595 an der Leitung 582 während des
Erhitzens des Leiters 580 bewegen. Der Kratzer 593 kann
elektrischen Kontakt mit der Leitung 582 aufrechterhalten,
indem er entlang der Oberfläche
der Leitung 582 gleitet. Verschiedene Gleitverbinder können aus
Redundanzgründen
verwendet werden und um den Strom zu jedem Kratzer zu reduzieren.
Zusätzlich
kann die Dicke der Leitung 582 über eine bestimmte Länge im wesentlichen
nahe dem Gleitverbinder 583 erhöht werden, um die in diesem
Punkt der Leitung 582 erzeugte Hitze wesentlich zu reduzieren.
Die Länge
der Leitung 582 mit erhöhter
Dicke kann beispielsweise etwa 6 m betragen.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Bohrlochkopfes. Der Bohrlochkopf 690 kann an eine elektrische
Abzweigbox 690a durch einen Flansch 690n oder
irgendeine andere geeignete mechanische Vorrichtung gekuppelt sein.
Die elektrische Abzweigbox 690a kann so konfiguriert sein,
daß sie
Energie steuert (Strom und Spannung), welche der elektrischen Heizeinrichtung
zugeführt
wird. Die elektrische Heizeinrichtung kann eine Leiter-in-Leitung-Heizeinrichtung,
wie hier beschrieben, sein. Der Flansch 690n kann beispielsweise
rostfreien Stahl oder irgendein anderes geeignetes Dichtungsmaterial
umfassen. Der Leiter 690b kann im Flansch 690n angeordnet
sein und die Decklagenauskleidung 541 mit der elektrischen
Abzweigbox 690a elektrisch koppeln. Der Leiter 690b kann
irgendein Metall oder elektrisch leitendes Material umfassen (z.B.
Kupfer). Die Druckdichtung 690c kann den Leiter 90b an
der Innenfläche
der elektrischen Abzweigbox 690a abdichten.
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Der
Flansch 690n kann mit einem metallischen O-Ring 690d abgedichtet
sein. Die Leitung 690f, die beispielsweise ein Rohr sein
kann, kann den Flansch 690n an den Flansch 690m kuppeln. Der
Flansch 690m kann mit der Decklagenauskleidung 541 gekuppelt
sein. Der Flansch 690m kann mit dem O-Ring 690g (z.B.
metallischer O-Ring oder Stahl-O-Ring) abgedichtet sein. Der im
wesentlichen niedrigohmige Abschnitt 584 des Leiters (z.B.
des Leiters 580) kann mit der elektrischen Abzweigbox 690a kuppeln.
Der im wesentlichen niedrigohmige Abschnitt 584 kann durch
einen Flansch 690n geführt und
in dem Flansch 690n mit Hilfe der O-Ring-Anordnung 690p abgedichtet
sein. Die Anordnungen 690p sind so ausgebildet, daß sie den
im wesentlichen niedrigohmigen Abschnitt 584 des Leiters 580 vom Flansch 690n und
vom Flansch 690m isolieren. Die O-Ring-Anordnung 690c kann
so ausgebildet sein, daß sie
den Leiter 690b vom Flansch 690m und der Abzweigbox 690a isoliert.
Der Zentralisierer 581 kann den niedrigohmigen Abschnitt 584 kuppeln.
Der elektrisch isolierende Zentralisierer 581 kann Eigenschaften
haben, wie sie in irgendeinem der vorliegenden Ausführungsbeispiele
beschrieben sind. Die Thermofühler 690i können mit
einem Thermofühlerflansch 690q mit
den Verbindern 690h und dem Draht 690j gekuppelt
sein. Die Thermofühler 690i können in
einer elektrisch isolierenden Hülle
eingeschlossen sein (z.B. einer Metallhülle). Die Thermofühler 690i können in
einem Thermofühlerflansch 690q mit
Druckdichtungen 690k abgedichtet sein. Die Thermofühler 690i können verwendet
werden, um die Temperaturen in dem erhitzten Teil des Bohrloches
zu überwachen.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Zentralisierers in z.B. der Leitung 582. Der elektrische
Isolator 581a kann am Leiter 580 angeordnet sein.
Der Isolator 581a kann beispielsweise aus Aluminiumoxid
oder irgendeinem anderen elektrisch isolierenden Material bestehen,
das für
Verwendungen bei hohen Temperaturen ausgebildet ist. Eine Stelle des
Isolators 581a am Leiter 580 kann durch eine Scheibe 581d aufrechterhalten
werden. Die Scheibe 581d kann an den Leiter 580 geschweißt sein.
Ein Federbogen 581c kann an den Isolator 581a durch die
Scheibe 581b gekuppelt sein. Der Federbogen 581c und
die Scheibe 581b können
aus Metallen wie 310 rostfreier Stahl oder irgendeinem anderen wärmeleitenden
Material bestehen, das zur Verwendung bei hohen Temperaturen ausgebildet
ist. Der Zentralisierer 581 kann als einziges zylindrisches
Element ausgebildet sein, das am Leiter 580 angeordnet
ist. Der Zentralisierer 581 kann als zwei halbzylindrische Elemente
ausgebildet sein, die am Leiter 580 angeordnet sind. Die
beiden halbzylindrischen Elemente können an den Leiter 580 durch
ein Band 581e gekuppelt sein. Das Band 581e kann
aus irgendeinem Material bestehen, das zur Verwendung bei hohen Temperaturen
geeignet ist (z.B. Stahl).
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5a illustriert
einen Längsabschnitt
eines Ausführungsbeispieles
eines Zentralisierers 581e, der am Leiter 580 angeordnet
ist. 5b illustriert einen Querschnitt der Ausfüh rungsform
nach 5a. Der Zentralisierer 581e kann aus
irgendeinem geeigneten elektrisch isolierenden Material bestehen,
das im wesentlichen hoher Spannung bei hohen Temperaturen widerstehen
kann. Beispiele solcher Materialien können Aluminiumoxid und/oder
Macor sein. Die Scheiben 581d können Positionen des Zentralisierers 581e relativ
zum Leiter 580 aufrechterhalten. Die Scheiben 581d können Metallscheiben
sein, die an den Leiter 580 geschweißt sind. Die Scheiben 581d können an
den Leiter 580 punktgeschweißt sein. Der Zentralisierer 581e kann
im wesentlichen den Leiter 580 von der Leitung 582 elektrisch
isolieren.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
kann die Leitung mit einem Fluid unter Druck gesetzt sein, um einen
Druck in der Leitung mit einem Druck im umgebenden Bohrloch auszugleichen.
Auf diese Weise kann eine Deformation der Leitung im wesentlichen verhindert
werden. Ein wärmeleitendes
Fluid kann zur Unterdrucksetzung der Leitung verwendet werden. Das
wärmeleitende
Fluid kann die Wärmeübertragung
innerhalb der Leitung erhöhen.
Das wärmeleitende
Fluid kann irgendein Gas umfassen, wie Helium, Stickstoff, Luft
oder deren Mischungen. Ein Druckfluid kann auch so vorgesehen sein,
daß es
die Leitung unter Druck setzt, derart, daß das Druckfluid eine Bogenbildung
zwischen dem Leiter und der Leitung verhindert. Wenn Luft und/oder
Luftgemische verwendet werden, um die Leitung unter Druck zu setzen,
können
die Luft und/oder die Luftgemische mit den Materialien des Leiters
und der Leitung reagieren, um ein Oxid auf der Oberfläche des
Leiters und der Leitung zu bilden, derart, daß der Leiter und die Leitung
zumindest teilweise korrosionsfest sind.
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Die
Abstrahlung eines Leiters und/oder einer Leitung kann erhöht werden.
Beispielsweise kann eine Oberfläche
des Leiters und/oder der Leitung aufgerauht sein, um die Abstrahlung
zu erhöhen.
Ein Schwärzen
der Oberfläche
des Leiters und/oder der Leitung kann ebenfalls die Abstrahlung
erhöhen.
Alternativ kann eine Oxidation des Leiters und/oder der Leitung
vor der Installation so vorgenommen werden, daß die Abstrahlung erhöht wird.
Der Leiter und/oder die Leitung können auch durch Erhitzen des
Leiters und/oder der Leitung in Anwesenheit eines oxidierenden Fluids
oxidiert werden, das in der Leitung und/oder in einer Öffnung in
einer kohlenwasserstoffhaltigen Formation angeordnet ist. Eine andere
Alternative zum Erhöhen
der Abstrahlung kann das Anodisieren des Leiters und/oder der Leitung
sein, derart, daß die
Oberfläche
aufgerauht und/oder geschwärzt wird.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel kann
ein perforiertes Rohr in der Öffnung
angeordnet werden, die in der kohlenwasserstoffhaltigen Formation
nahe und außerhalb
der ersten Leitung vorgesehen ist. Das perforierte Rohr kann so
konfiguriert sein, daß es
Fluide aus der Öffnung
entfernt. Auf diese Weise kann ein Druck in der Öffnung aufrechterhalten werden,
derart, daß die
Deformation der ersten Leitung im wesentlichen verhindert und der
Druck in der Formation nahe den Heizeinrichtungen reduziert wird.
Das perforierte Rohr kann auch dazu verwendet werden, den Druck
in der Formation durch Hinzufügen
oder Entfernen eines Fluids oder Fluide aus der Formation zu erhöhen oder
abzusenken. Dies kann eine Steuerung des Druckes in der Formation
und damit eine Kontrolle der erzeugten Kohlenwasserstoffqualität ermöglichen,
wie dies in den vorstehenden Beispielen beschrieben ist. Dies kann auch
eine Kontrolle des Druckes zu bestimmten Zeitpunkten während des
Verfahrens ermöglichen,
um eine zusätzliche
Abstützung
der Decklagenformation zu erreichen und somit das Kompaktieren und
das Setzen verringern. Perforierte Rohre können zur Drucksteuerung bei
allen beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Wärmequellen
verwendet werden, die eine Offenlochkonfiguration anwenden. Das perforierte
Rohr kann auch so ausgebildet werden, daß es Gase einspritzt, um die
Kohlenwasserstoffeigenschaften in situ upzugraden; beispielsweise
kann Stickstoff unter erhöhtem
Druck eingeblasen werden.
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6 illustriert
eine alternative Ausführungsform
einer Leiter-in-Leitung-Heizeinrichtung, die so ausgebildet ist,
daß sie
einen Abschnitt einer kohlenwasserstoffhaltigen Formation erhitzt.
Ein zweiter Leiter 586 kann in einer Leitung 582 zusätzlich zum Leiter 580 angeordnet
sein. Der Leiter 580 kann ausgebildet sein, wie dies hier
beschrieben ist. Der zweite Leiter 586 kann an den Leiter 580 unter
Verwendung eines Verbinders 587 gekuppelt sein, der nahe einer
untersten Fläche
der Leitung 582 angeordnet ist. Der zweite Verbinder 586 kann
so ausgebildet sein, daß er
einen Rückpfad
für den
elektrischen Strom bildet, der dem Leiter 580 zugeführt wird.
Beispielsweise kann der zweite Leiter 586 den elektrischen
Strom zum Bohrlochkopf 690 über den zweiten im wesentlichen
niedrigohmigen Abschnitt 588 in der Decklagenauskleidung 541 zurückführen. Der
zweite Leiter 586 und der Leiter 580 können aus
einem langgestreckten leitenden Material ausgebildet sein. Der zweite
Leiter 586 und der Leiter 580 können beispielsweise
ein rostfreier Stahlstab mit einem Durchmesser von etwa 2,4 cm sein.
Der Verbinder 587 kann flexibel sein. Die Leitung 582 kann
vom Leiter 580 und vom zweiten Leiter 586 unter
Verwendung von Zentralisierern 581 elektrisch isoliert
sein. Die Decklagenauskleidung 541, der Zement 544,
der Oberflächenleiter 545 und
das Dichtungsmaterial 542 können so ausgebildet sein, wie
dies bei dem Ausführungsbeispiel
nach 1 beschrieben wurde. Die Vorteile dieser Ausführungsform
umfassen das Fehlen eines Gleitverbinders, was die Lebensdauer der
Heizeinrichtung erhöht,
und die Isolation von jeglicher Energie, die aus der Formation 516 aufgebracht
wird.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel kann
ein zweiter Leiter in einer zweiten Leitung angeordnet sein, und
ein dritter Leiter kann in einer dritten Leitung angeordnet sein.
Die zweite Öffnung
kann verschieden von der Öffnung
der ersten Leitung sein. Die dritte Öffnung kann verschieden von
der Öffnung der
ersten Leitung und der zweiten Öffnung
sein. Beispielsweise kann jede der ersten, zweiten und dritten Öffnungen
an im wesentlichen verschiedenen Bohrlochstellen der Formation angeordnet
sein und im wesentlichen ähnliche
Dimensionen haben. Der erste, zweite und dritte Leiter können so
ausgebildet sein, wie dies hier beschrieben ist. Der erste, zweite und
dritte Leiter können
in einer elektrischen 3-Phasen-Y-Konfiguration elektrisch gekoppelt
sein. Die äußeren Leitungen
können
miteinander verbunden sein oder können mit Erde verbunden sein.
Die elektrische 3-Phasen-Y-Konfiguration kann eine sichere, effizientere
Methode zum Erhitzen einer kohlenwasserstoffhaltigen Formation als
die Verwendung eines einzigen Leiters darstellen. Die erste, zweite und/oder
dritte Leitung können
von dem ersten, zweiten und dritten Leiter elektrisch isoliert sein.
Die Dimensionen jedes Leiters und jeder Leitung können derart
sein, daß jeder
Leiter Hitze von etwa 650 Watt pro Meter Leiter bis etwa 1650 Watt
pro Meter Leiter erzeugt. Bei einem Ausführungsbeispiel können ein erster
Leiter und ein zweiter Leiter in einer Leitung durch ein flexibles
Verbindungskabel gekuppelt sein. Die Unterseite des ersten und des
zweiten Leiters können
vergrößert sein,
um die niedrigohmigen Abschnitte und somit weniger Hitze zu erzeugen.
Auf diese Weise kann der flexible Verbinder beispielsweise aus gelitzten
Kupfer bestehen, das mit einer Gummiisolierung bedeckt ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
können
ein erster Leiter und ein zweiter Leiter an zumindest einen Gleitverbinder
innerhalb einer Leitung gekuppelt sein. Der Gleitverbinder kann
so ausgebildet sein, wie dies hier beschrieben ist. Beispielsweise
kann ein solcher Gleitverbinder so ausgebildet sein, daß er weniger
Hitze als der erste Leiter und der zweite Leiter erzeugt. Die Leitung
kann von dem ersten Leiter, dem zweiten Leiter und/oder der Gleitverbindung elektrisch
isoliert sein.
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Der
Gleitverbinder kann an einer Stelle innerhalb der ersten Leitung
angeordnet sein, an welcher im wesentlichen weniger Hitze an die
kohlenwasserstoffhaltige Formation übertragen werden muß.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
kann eine Dicke eines Abschnittes einer Leitung erhöht sein,
derart, daß im
wesentlichen weniger Hitze entlang des Abschnittes erhöhter Dicke übertragen
wird (z.B. durch Wärmestrahlung).
Der Abschnitt mit erhöhter Dicke
kann vorzugsweise entlang einer Länge der Leitung geformt sein,
wo weniger Hitzeübertragung an
die kohlenwasserstoffhaltige Formation erforderlich sein kann.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
kann der Leiter aus Abschnitten unterschiedlicher Metalle bestehen,
die miteinander verschweißt
sind. Die Querschnittsfläche
der verschiedenen Metalle kann so gewählt sein, daß der resultierende
Leiter lang sein kann, kriechfest bei hohen Betriebstemperaturen und/oder
im wesentlichen die gleiche Menge an Hitze pro Längeneinheit über die
gesamte Länge
des Leiters dissipieren kann. Beispielsweise kann ein erster Abschnitt
aus einem kriechfesten Metall (wie Inconel 617 oder HR120, aber
auf diese nicht beschränkt) bestehen,
und ein zweiter Abschnitt des Leiters kann aus 304 rostfreiem Stahl
bestehen. Der kriechfeste erste Abschnitt kann dazu beitragen, den
zweiten Abschnitt abzustützen.
Die Querschnittsfläche
des ersten Abschnittes kann größer als
die Querschnittsfläche
des zweiten Abschnittes sein. Die größere Querschnittsfläche des
ersten Abschnittes kann es ermöglichen,
das der erste Abschnitt größere Festigkeit
hat. Höhere
Festigkeitseigenschaften des ersten Abschnittes können gestatten,
daß der
erste Abschnitt die gleiche Menge an Hitze pro Längeneinheit als der zweite
Abschnitt mit kleinerer Querschnittsfläche dissipiert.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen
kann die Querschnittsfläche
und/oder das Metall, das für
einen besonderen Abschnitt verwendet wird, so gewählt sein,
daß ein
besonderer Abschnitt größere (oder
kleinere) Hitzedissipation pro Längeneinheit
erzeugt als ein benachbarter Abschnitt. Mehr oder weniger Hitzedissipierung
kann in einigen Zonen erforderlich sein, um die physikochemischen
Prozesse der Formation zu verlangsamen oder zu beschleunigen. Mehr
Hitze kann nahe einer Grenzfläche
zwischen einer Kohlenwasserstofflage und einer Nichtkohlenwasserstofflage
(z.B. der Decklage und der kohlenwasserstoffhaltigen Formation)
vorgesehen werden, um Effekten entgegenzuwirken und eine gleichmäßigere Hitzedissipierung
in die kohlenwasserstoffhaltige Formation zu gestatten. Eine höhere Hitzedissipierung
kann auch am unteren Ende eines langgestreckten Elementes gelegen
sein, um Endeffekten entgegenzuwirken und eine gleichmäßigere Hitzedissipierung
zu ermöglichen.