EA005650B1 - Система и способ электрического нагрева скважины - Google Patents

Abstract

Система нагрева скважины содержит электрический проводник, подвешенный внутри трубопровода и предназначенный для передачи тепла в формацию, содержащую углеводород, окружающую скважину, и в которой установлен узел нагревателя типа проводник-в-трубопроводе.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и системе, предназначенным для нагрева содержащей углеводороды формации, такой как пласт угля или месторождение нефтеносного сланца, окружающей скважину подвода тепла.

Уровень техники

Подвод тепла в формацию нефтеносного сланца описано в американских патентах № 2,923,535 автора Циидйгот и 4,886,118 авторов Уаи Меига и др. В этих публикациях, относящихся к решениям известного уровня техники, описан подвод тепла с помощью электрических нагревателей в формацию нефтеносного сланца для пиролиза керогена внутри формации нефтеносного сланца. Подвод тепла может привести к растрескиванию формации, что повышает проницаемость формации. Повышенная проницаемость обеспечивает возможность поступления текучей среды из формации в эксплуатационную скважину, через которую ее удаляют из формации нефтеносного сланца. В некоторых способах, описанных, например, автором Цшщ^гот. к проницаемому пласту, который предпочтительно остается горячим после этапа предварительного нагрева, подводят газообразную среду, содержащую кислород, для инициирования горения.

В американском патенте № 2,548,360 описан электрический нагревательный элемент, помещенный в вязкую нефть внутри скважины. С помощью этого нагревательного элемента нефть нагревают и разжижают, что обеспечивает возможность откачивания ее из скважины. В американском патенте № 4,716,960 описан электрический нагрев насосно-компрессорной трубы нефтяной скважины путем пропускания тока при относительно низком напряжении по насосно-компрессорной трубе для предотвращения формирования твердых отложений. В американском патенте № 5,065,818 автора Уап Едтопб описан электронагревательный элемент, вцементированный в скважину без использования обсадной трубы вокруг нагревательного элемента.

В американском патенте № 6,023,554 авторов Ушедаг и др. описан электронагревательный элемент, который установлен внутри обсадной трубы. Нагревательный элемент генерирует лучевую энергию, которая нагревает обсадную трубу. Между обсадной трубой и формацией может быть помещен гранулированный твердый материал заполнителя. Благодаря теплопроводности тепло от обсадной трубы нагревает материал заполнителя, который, в свою очередь, посредством теплопроводности нагревает формацию.

В американском патенте № 4,570,715 авторов Уаи Мете и др. описан электронагревательный элемент. Нагревательный элемент содержит электропроводный сердечник, окружающий его слой изолирующего материала и внешнюю металлическую оболочку. Электропроводный сердечник имеет относительно низкое удельное сопротивление при высоких температурах. Изолирующий материал может обладать свойствами высокого электрического сопротивления, прочности на сжатие и теплопроводности, значения которых относительно высоки при высоких температурах. Изолирующий слой предотвращает образование дуги от сердечника на металлическую оболочку. Металлическая оболочка обладает свойствами прочности на разрыв и сопротивления ползучести, которые имеют относительно высокие значения при высоких температурах.

В американском патенте № 5,060,287 автора Уап Едтопб описан электронагревательный элемент с сердечником из медно-никелевого сплава.

Система и способ нагрева формации известны также из американского патента № 2,244,255. В этой известной системе электрический ток проходит по электрической цепи, сформированной стальной обсадной трубой скважины и эксплуатационной колонной труб, и используется для растворения и ликвидации сгустков, которые могут привести к закупорке скважины и окружающей формации.

Система и способ нагрева формации в соответствии с вводной частью пп.1 и 11 формулы раскрыты в американском патенте № 2,703,621. Эта система содержит первый электрический проводник, расположенный внутри первого трубопровода, находящегося внутри подводящей тепло скважины, проходящей через формацию, причем первый проводник имеет конфигурацию, обеспечивающую снабжение теплом при подаче в него тока, по меньшей мере части формации путем передачи тепла от первого проводника участку формации. При этом первый трубопровод, по существу, свободно подвешивают внутри подводящей тепло скважины с образованием между первым трубопроводом и формацией кольцевого пространства.

Настоящее изобретение направлено на улучшенный не дорогостоящий, обеспечивающий возможность длительного применения способ нагрева скважины, который позволяет равномерно передавать контролируемое количество тепла в подземную формацию в течение длительного периода времени.

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением система для передачи тепла в содержащую углеводороды формацию окружающую нагнетательную подводящую тепло скважину содержит первый проводник, расположенный внутри первого трубопровода, расположенного внутри подводящей тепло скважины, проходящей через формацию, причем первый проводник имеет конфигурацию, обеспечивающую нагрев по меньшей мере части формации при использовании, в которой система построена так, что при ее использовании обеспечивается передача тепла от первого проводника в участок формации, и в которой

-1005650 первый трубопровод, по существу, свободно подвешен внутри подводящей тепло скважины, и между первым трубопроводом и формацией образовано кольцевое пространство.

Преимущество системы нагрева в соответствии с настоящим изобретением состоит в том, что она может быть построена любой требуемой длины и может использоваться в горизонтальных или наклонных скважинах с подводом тепла.

В предпочтительном варианте выполнения системы в соответствии с настоящим изобретением первый проводник установлен внутри первого трубопровода с использованием последовательности керамических центраторов. Скользящий электрический соединитель может быть электрически соединен с первым проводником и с первым трубопроводом вблизи нижнего конца первого проводника и/или первого трубопровода для формирования электрической цепи. Кроме того, первый трубопровод может быть заполнен текучей средой под давлением для поддержания давления внутри первого трубопровода, что, по существу, необходимо для предотвращения деформации первого трубопровода при использовании. Другая труба может быть установлена внутри подводящей тепло скважины снаружи и коаксиально по отношению к первому трубопроводу или может быть состыкована снаружи рядом с ним, при этом такая труба предназначена для удаления пара, образующегося, по меньшей мере, в нагретой части формации, так что между первым трубопроводом и окружающей подводящей тепло скважиной и/или формацией поддерживается баланс давления, что, по существу, необходимо для предотвращения деформации первого трубопровода при использовании. Кроме того, дополнительная труба может использоваться как средство управления давлением в резервуаре. Управление давлением может потребоваться для установления условий, близких к пиролизу, при которых происходит предпочтительная модификация состава углеводородного продукта. Кроме того, возможно периодическое использование дополнительной трубы во время работы скважины для регулировки давления с целью повышения степени поддержки покрывающих пород и, таким образом, снижения степени сжатия и оседания почвы.

Первый проводник, предпочтительно, имеет такую конфигурацию, что обеспечивает генерирование при использовании излучаемого тепла на уровне от 0,6 до 1,5 кВт на метр длины первого проводника.

В дополнение к первому проводнику и трубопроводу второй проводник может быть установлен внутри второго трубопровода и третий проводник может быть установлен внутри третьего трубопровода внутри первой, второй и третьей подводящей тепло скважин, проходящих через формацию, содержащую углеводороды, при этом первый, второй и третий проводники включены на поверхности по схеме 3фазной электрической цепи питания, и первый, второй и третий проводники могут быть электрически соединены с обеспечением работы этих трех скважин в так называемой четырехпроводной конфигурации.

Способ в соответствии с настоящим изобретением включает подачу электрического тока в первый проводник для обеспечения нагрева, по меньшей мере, части формации, причем первый проводник расположен внутри первого трубопровода, а первый трубопровод расположен внутри подводящей тепло скважины, проходящей через формацию; и обеспечение передачи тепла от первого проводника к участку формации, и в котором первый трубопровод, по существу, свободно подвешен внутри подводящей тепло скважины и между первым трубопроводом и формацией образовано кольцевое пространство.

Предпочтительно от 10 до 40% тепла, генерируемого электрической цепью, сформированной первым проводником и первым трубопроводом, и скользящим электрическим контактом между нижней частью первого проводника и первого трубопровода генерируется в трубопроводе первого проводника. Указанная электрическая цепь, сформированная первым проводником и первым трубопроводом, может излучать при использовании тепло в количестве от 0,6 до 1,5 кВт на метр длины подводящей тепло скважины в формацию, содержащую углеводороды, так что происходит нагрев углеводородов в формации, содержащей углеводороды, до температуры, превышающей 300°С, и происходит их пиролиз.

Предпочтительно при использовании внутри первого трубопровода и/или в кольцевом пространстве между первым трубопроводом и формацией поддерживают повышенное давление, что, по существу, позволяет предотвратить деформацию первого трубопровода.

Указанное повышенное давление можно поддерживать путем закачки в первый трубопровод при его использовании окисляющей текучей среды от источника окисляющей текучей среды так, что поток этой текучей среды, по существу, предотвращает осаждение нагретых углеводородов по меньшей мере на первом проводнике или вблизи него.

Первый трубопровод может содержать отверстия, через которые окисляющая текучая среда, такая как воздух, поступает в кольцевое пространство, окружающее первый трубопровод, причем в этом пространстве происходит сгорание углеводородов, высвобождаемых из формации, содержащей углеводороды, и/или углеводородов, инжектируемых в указанное кольцевое пространство.

Распределение температуры в первом электрическом проводнике и/или в первом электрическом трубопроводе может отслеживаться непрерывно или периодически с использованием электромагнитного сигнала, подаваемого в первый электрический проводник и/или в первый электрический трубопровод.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет более подробно описано ниже на примере, со ссылкой на прилагаемые чертежи, где

-2005650 фиг. 1-3 изображают варианты выполнения источника тепла с электрическим проводником внутри трубопровода в скважине подвода тепла;

фиг. 4 и 5а-5Ь - варианты выполнения центратора, предназначенного для установки электрического проводника по центру внутри трубопровода;

фиг. 6 - вариант выполнения источника тепла типа электрический проводник-в-трубопроводе в формации.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 изображен вариант выполнения электрического нагревателя типа проводник-втрубопроводе, предназначенного для нагрева секции формации, содержащей углеводороды. Проводник

580 установлен внутри трубопровода 582. Проводник 580 выполнен в виде стержня или трубы из электропроводного материала и имеет секцию 584 с низким сопротивлением, устанавливаемую как в верхней, так и в нижней части проводника 580 для получения меньшей степени нагрева в этих секциях 584. Секция 584, имеющая, по существу, низкое сопротивление, может быть сформирована благодаря большей площади поперечного сечения проводника 580 в этой секции. Например, проводник 580 может быть выполнен в виде стержня из нержавеющей стали марки 304 или 310 с диаметром приблизительно 2,8 см. Диаметр и толщина стенки проводника 580, однако, могут быть другими, в зависимости, например, от требуемой скорости нагрева формации, содержащей углеводороды. Трубопровод 582 может быть изготовлен из электропроводного материала. Например, трубопровод 582 может быть изготовлен в виде трубы из нержавеющей стали марки 304 или 310 диаметром приблизительно 7,6 см и толщиной, приблизительно соответствующей формуляру 40. Трубопровод 582 может быть установлен внутри скважины 514, проходящей через формацию 516. Скважина 514 может иметь диаметр, равный по меньшей мере 5 см. Диаметр скважины, однако, может быть другим в зависимости, например, от требуемой скорости нагрева формации и/или диаметра трубопровода 582. Например, диаметр скважины может изменяться от приблизительно 10 до приблизительно 13 см. Также может использоваться скважина с большим диаметром. Например, больший диаметр может применяться, если более чем один проводник должен быть установлен внутри трубопровода.

Проводник 580 может быть установлен по центру внутри трубопровода 582 с использованием центратора 581. Центратор 581 обеспечивает электрическую изоляцию проводника 580 от трубопровода 582. Кроме того, центратор 581 обеспечивает установку проводника 580 внутри трубопровода 582. Центратор

581 может быть изготовлен из керамического материала или из комбинации керамических и металлических материалов. Для, по существу, предотвращения деформации проводника 580 внутри трубопровода

582 при использовании можно использовать несколько центраторов 581. Множество таких центраторов 581 могут быть установлены через определенные интервалы, составляющие приблизительно от 0,5 до приблизительно 3 м по длине проводника 580. Центратор 581 может быть изготовлен из керамики и нержавеющей стали марки 304 и 310. Центратор 581 может иметь конфигурацию, показанную на фиг. 4 и/или на фиг. 5а и 5Ь.

Как показано на фиг. 2, конец проводника 580, расположенный вблизи нижней поверхности трубопровода 582, может быть соединен с помощью скользящего соединителя 583. Скользящий соединитель

583 обеспечивает электрический контакт между проводником 580 и трубопроводом 582 при различных значениях теплового расширения. Скользящий соединитель 583 соединен с проводником 580 в нижней части скважины, в секции 584 низкого сопротивления, которая может иметь большую площадь поперечного сечения. Меньшее сопротивление секции 584 позволяет обеспечить работу скользящего соединителя при температурах, не превышающих приблизительно 90°С. Благодаря этому снижается коррозия компонентов скользящего соединителя, а также достигается минимальное контактное сопротивление между скользящим соединителем 583 и трубопроводом 582. Скользящий соединитель 583 может иметь конфигурацию, показанную на фиг. 2, которая описана в любом из приведенных здесь вариантов выполнения. Проводник 580 соединен с устьем 690 скважины также с использованием секции 584 проводника 580, имеющей, по существу, низкое сопротивление, как показано на фиг. 1. Устье 690 скважины может иметь конфигурацию, показанную на фиг. 3 и описанную в любом из приведенных здесь вариантов выполнения. Электрический ток может быть подан в проводник 580 по кабелю 585 питания через секцию 584 с низким сопротивлением проводника 580. Электрический ток может проходить от проводника 580 через скользящий соединитель 583 в трубопровод 582. Трубопровод 582 электрически изолирован от обсадной трубы 541 слоя перекрывающих отложений и от устья 690 скважины для возврата электрического тока в кабель 585 питания. Тепло может генерироваться проводником 580 и в трубопроводе 582. Генерируемое тепло может излучаться внутри трубопровода 582 и внутри скважины 514 для нагрева по меньшей мере части формации 516. В качестве примера к проводнику 580 трубопровода 582 можно прикладывать напряжение на уровне приблизительно 330 В и подавать ток силой приблизительно 795 А в секцию нагрева длиной 229 м (750 футов) для генерирования приблизительно 1150 Вт/м проводника 580 и трубопровода 582.

Трубопровод 541 слоя перекрывающих отложений может быть установлен в слое 540 перекрывающих отложений формации 516. Трубопровод 541 слоя перекрывающих отложений в некоторых вариантах выполнения может быть окружен материалами, которые могут, по существу, предотвращать нагрев

-3005650 слоя 540 перекрывающих отложений. Секция 584, имеющая, по существу, низкое сопротивление проводника 580, может быть установлена внутри трубопровода 541 слоя перекрывающих отложений. Секция 584, имеющая, по существу, низкое сопротивление, может быть изготовлена, например, из углеродистой стали и иметь диаметр от приблизительно 2 до приблизительно 5 см или, например, диаметр приблизительно 4 см. Секция 584 может быть установлена по центру внутри трубопровода 541 слоя перекрывающих отложений с использованием центраторов 581. Центраторы 581 могут быть расположены через интервалы от приблизительно 6 до приблизительно 12 м или, например, приблизительно 9 м по длине секции 584. Секция 584 может быть соединена с проводником 580 с использованием любого способа, известного в данной области техники, такого, например, как дуговая сварка, и может иметь конфигурацию, которая позволяет генерировать незначительное количество тепла, при этом внутри трубопровода 541 слоя перекрывающей породы, по существу, не будет генерироваться тепло. Уплотнительный материал 542 может быть помещен между обсадной трубой 541 и скважиной 514. Уплотнительный материал 542 может также иметь конфигурацию, при которой он, по существу, будет предотвращать протекание текучей среды из скважины 514 на поверхность 550 или протекание текучей среды - носителя тепла из скважины 514 на поверхность 550.

Трубопровод слоя перекрывающей породы может быть выполнен, например, в виде трубы из углеродистой стали, имеющей диаметр приблизительно 7,6 см и толщину, приблизительно соответствующую значению формуляра 40 трубы. Цементная заливка 544 может содержать, например, шлак, или кварцевую муку, или их смесь (например, приблизительно 1,58 г на кубический сантиметр шлака/кварцевой муки). Цементная заливка 544 может проходить в радиальном направлении на ширину от приблизительно 5 до приблизительно 25 см и может быть приготовлена из материала, предназначенного для предотвращения потока тепла в формацию 516.

Поверхностный проводник 545 и обсадная труба 541 слоя перекрывающей породы охватывают цементную заливку 544 и соединены с устьем 690 скважины. Поверхностный проводник 545 может иметь диаметр от приблизительно 10 до приблизительно 30 см и более предпочтительно диаметр, приблизительно равный 22 см. Электроизолирующие уплотнительные фланцы могут быть установлены для механического соединения секции 584, имеющей, по существу, низкое сопротивление с устьем 690 скважины, и для электрического соединения секции 584 с кабелем 585 питания. Электроизолирующие уплотнительные фланцы могут быть установлены для подключения подводящего проводника 585 к устью 690 скважины. Например, подводящий проводник 585 может быть выполнен в виде медного кабеля, провода или другого удлиненного элемента. Подводящий проводник 585 может, однако, включать любой материал, имеющий, по существу, низкое сопротивление. Подводящий проводник может быть закреплен на нижней части проводника с низким сопротивлением для обеспечения электрического контакта.

В данном варианте выполнения тепло может генерироваться внутри трубопровода 582 или самим трубопроводом 582. Таким образом, от приблизительно 10 до приблизительно 30% или, например, приблизительно 20% всего тепла, генерируемого нагревателем, может генерироваться внутри трубопровода 582 или самим трубопроводом 582. Как проводник 580, так и трубопровод 582 могут быть изготовлены из нержавеющей стали. Размеры проводника 580 и трубопровода 582 могут быть выбраны такими, что будет обеспечено генерирование тепла с мощностью от приблизительно 650 Вт/м проводника 580 и трубопровода 582 до приблизительно 1650 Вт/м проводника 580 и трубопровода 582. При этом температура в трубопроводе 582 может достигать уровня от приблизительно 480 до приблизительно 815°С и температура проводника 580 может составлять приблизительно от 500 до 840°С. По существу, равномерный нагрев формации, содержащей углеводород, может быть обеспечен вдоль длины трубопровода 582, превышающей приблизительно 300 м или, возможно, превышающей приблизительно 600 м. Длина трубопровода 582, однако, может изменяться в зависимости от, например, типа формации, содержащей углеводород, глубины скважины в формации и/или длины требуемой обработки формации.

Конфигурация нагревателя может быть выбрана с учетом обеспечения нагрева в пределах по меньшей мере части формации, содержащей углеводород. Нагрев по меньшей мере части формации может быть обеспечен, по существу, путем излучения генерируемого тепла внутри скважины в формации и, в меньшей степени, за счет теплопроводности газа. Таким образом, могут быть исключены затраты, связанные с заполнением скважины материлом-заполнителем, для обеспечения передачи тепла, благодаря теплопроводности между изолированным проводником и формацией. Кроме того, передача тепла путем излучения обычно более эффективна, чем передача тепла с использованием теплопроводящих сред, так что нагреватели обычно работают при более низких температурах в открытой скважине. Другое преимущество состоит в том, что узел нагревателя может свободно расширяться под действием тепла. Еще одно преимущество состоит в том, что нагреватель может быть заменяемым.

Нагреватель типа проводник-в-трубопроводе, как описано в любом из приведенных здесь вариантов конструкции, может быть установлен внутри скважины 514. В варианте выполнения нагреватель типа проводник-в-трубопроводе может быть установлен внутри скважины посекционно. Например, вначале внутри скважины может быть установлена первая секция нагревателя типа проводник-в-трубопроводе. Эта секция может иметь длину приблизительно 12 м. Вторая секция (например, по существу, такой же длины) может быть соединена с первой секцией, находящейся внутри скважины. Вторая секция может

-4005650 быть соединена способом сварки второй секции с первой секцией и/или с использованием резьбы, сформированной на первой и второй секции. Для сварки второй секции с первой секцией может использоваться орбитальный сварочный аппарат, установленный в устье скважины. Этот процесс может повторяться для последующих секций, соединяемых с предыдущими секциями до тех пор, пока внутри скважины не будет установлен нагреватель требуемой длины. В некоторых вариантах выполнения три секции могут быть соединены до установки их внутри скважины. Три секции могут быть соединены с помощью сварки. Каждая из этих трех секций может иметь длину приблизительно 12,2 м. Получаемую в результате секцию длиной 37 м можно поднять вертикально с помощью крана, установленного в устье скважины. Три секции могут быть соединены с тремя дополнительными секциями, установленными ранее внутри скважины, как описано в настоящем описании. Сварка трех секций перед установкой внутри скважины позволяет уменьшить количество протечек и/или снизить уровень брака сварки и позволяет уменьшить время, требуемое для установки нагревателя.

В альтернативном варианте выполнения нагреватель типа проводник-в-трубопроводе может быть намотан на узел намотки. Узел намотки может быть установлен на транспортируемую структуру. Транспортируемая структура может быть перевезена в место расположения скважины. Нагреватель типа проводник-в-трубопроводе может быть размотан с узла намотки прямо в скважину.

На фиг. 2 показан вариант выполнения скользящего соединителя. Скользящий соединитель 583 содержит скребок 593, предназначенный для упора во внутреннюю поверхность трубопровода 582 в точке 595. Скребок 593 может быть выполнен из любого металла или электропроводного материала (например, из стали или нержавеющей стали). С проводником 580 может быть соединен центратор 591. В некоторых вариантах выполнения проводник 580 может иметь секцию 584, по существу, с низким сопротивлением, полученную благодаря увеличению толщины, по существу, вокруг места установки скользящего соединителя 583. Центратор 591 может быть изготовлен из любого электропроводного материала (например, из металла или сплава металла). Центратор 591 может быть соединен со скребком 593 посредством пружинной дуги 592. Пружинная дуга 592 может быть изготовлена из любого металла или электропроводного материала (например, из медно-бериллиевого сплава). Центратор 591, пружинная дуга 592 и/или скребок 593 могут быть соединены с помощью любого способа сварки, известного в данной области техники. Скользящий соединитель 583 позволяет электрически соединять секцию 584, имеющую, по существу, низкое сопротивление, проводника 580 с трубопроводом 582 через центратор 591, пружинную дугу 592 и/или скребок 593. В ходе нагрева проводника 580 он может расширяться в степени, существенно отличающейся от степени расширения трубопровода 582. Например, при нагреве проводника 580 точка 594 на проводнике 580 может перемещаться по отношению к точке 595 на трубопроводе 582. Скребок 593 позволяет поддерживать электрический контакт с трубопроводом 582 благодаря скольжению вдоль поверхности трубопровода 582. Несколько скользящих соединителей могут использоваться для обеспечения избыточности и для снижения тока, проходящего через каждый скребок. Кроме того, толщина трубопровода 582 может быть увеличена на участке, по существу, находящемся в непосредственной близости к скользящему соединителю 583, для существенного снижения выделения тепла в этой части трубопровода 582. Длина участка трубопровода 582 с увеличенной толщиной может, например, составлять приблизительно 6 м.

На фиг. 3 показан вариант выполнения устья скважины. Устье 690 скважины может быть соединено с электрической распределительной коробкой 690а с помощью фланца 690п или с использованием любого другого подходящего механического устройства. Электрическая распределительная коробка 690а может иметь конфигурацию, обеспечивающую возможность управления энергией (током и напряжением), подаваемой в электрический нагреватель. Электрический нагреватель может представлять собой нагреватель типа проводник-в-трубопроводе, как описано в настоящем описании. Фланец 690п может быть изготовлен, например, из нержавеющей стали или из любого другого соответствующего уплотнительного материала. Проводник 690Ь установлен на фланце 690п и позволяет электрически соединять обсадную трубу 541 слоя перекрывающей породы с электрической распределительной коробкой 690а. Проводник 690Ь может быть изготовлен из любого металла или электропроводного материала (например, меди). Компрессионное уплотнение 690с обеспечивает герметизацию проводника 690Ь по внутренней поверхности электрической распределительной коробки 690а.

Фланец 690п может быть герметизирован с использованием металлического уплотнительного кольца 6906. Трубопровод 690£, который может, например, быть выполнен в виде трубы, позволяет соединять фланец 690п с фланцем 690т. Фланец 690т может быть соединен с обсадной трубой 541 слоя перекрывающей породы. Фланец 690т может быть герметизирован с использованием уплотнительного кольца 690д (например, металлического уплотнительного кольца или стального уплотнительного кольца). Секция 584, имеющая, по существу, низкое сопротивление проводника (например, проводник 580), может быть соединена с электрической распределительной коробкой 690а. Секция 584, имеющая, по существу, низкое сопротивление, может проходить через фланец 690п и может быть герметизирована внутри фланца 690п с использованием узла 690р уплотнительного кольца. Узлы 690р предназначены для изоляции секции 584, имеющей, по существу, низкое сопротивление, проводника 580 от фланца 690п и от фланца 690т. Узел 690с уплотнительного кольца предназначен для электрической изоляции проводника 690Ь от

-5005650 фланца 690т и распределительной коробки 690а. На секции 584, имеющей низкое сопротивление, может быть установлен центратор 581. Электроизолирующий центратор 581 может иметь характеристики, описанные в любом из приведенных здесь вариантов выполнения. Термоэлементы 6901 могут быть соединены с фланцем 690с.| термоэлементов с помощью соединителей 69011 и провода 690). Термоэлементы 6901 могут быть установлены внутри электрически изолированной оболочки (например, металлической оболочки). Термоэлементы 6901 могут быть герметизированы внутри фланца 690с.| термоэлементов с помощью компрессионных уплотнений 690к. Термоэлементы 6901 можно использовать для контроля температуры на нагреваемом участке внутри скважины.

На фиг. 4 изображен вариант выполнения центратора, например, устанавливаемого в трубопроводе 582. На проводнике 580 может быть установлен электрический изолятор 581а. Изолятор 581а может быть изготовлен, например, из оксида алюминия или из любого другого электроизолирующего материала, который может быть выполнен с возможностью использования при высоких температурах. Изолятор 581а может быть зафиксирован на проводнике 580 с помощью диска 5816. Диск 5816 может быть приварен к проводнику 580. Пружинящая дуга 581с может быть соединена с изолятором 581а с помощью диска 581Ь. Пружинящая дуга 581с и диск 581Ь могут быть изготовлены из таких металлов, как нержавеющая сталь марки 310 или из любого другого теплопроводного материала, который может использоваться при высоких температурах. Центратор 581 может быть выполнен в виде одиночного цилиндрического элемента, установленного на проводнике 580. Центратор 581 может быть выполнен в виде двух полуцилиндрических элементов, установленных на проводнике 580. Два полуцилиндрических элемента могут быть соединены с проводником 580 с помощью обода 581е. Обод 581е может быть изготовлен из любого материала, который можно использовать при высоких температурах (например, из стали).

На фиг. 5а изображен вид в продольном разрезе варианта выполнения центратора 581е, установленного на проводнике 580. На фиг. 5Ь изображен вид в поперечном сечении варианта выполнения, показанного на фиг. 5а. Центратор 581е может быть изготовлен из любого соответствующего электроизолирующего материала, который может работать при высоком напряжении и высоких температурах. Примеры таких материалов могут представлять оксид алюминия и/или материал макор (механически обрабатываемая стеклокерамика). Диски 5816 позволяют удерживать положение центратора 581е по отношению к проводнику 580. Диски 5816 могут быть выполнены в виде металлических дисков, приваренных к проводнику 580. Диски 5816 могут быть приварены к проводнику 580 стежками. Центратор 581е позволяет, по существу, электрически изолировать проводник 580 от трубопровода 582.

В варианте выполнения трубопровод может быть заполнен текучей средой под давлением для обеспечения баланса давления внутри трубопровода и давления в окружающей скважине. Таким образом, по существу, предотвращается деформация трубопровода. При этом давление внутри трубопровода поддерживают с использованием теплопроводной текучей среды. Теплопроводная текучая среда позволяет увеличить передачу тепла внутри трубопровода. В качестве теплопроводной текучей среды можно использовать газ, такой как гелий, азот, воздух или их смеси. Давление внутри трубопровода, поддерживаемое с помощью текучей среды под давлением, предотвращает возникновение дуги между проводником и трубопроводом. Если для поддержания давления внутри трубопровода используют воздух и/или смесь, содержащую воздух, то такая среда может реагировать с материалами проводника и трубопровода с образованием окисла на поверхности проводника и трубопровода, что повышает, по меньшей мере, в некоторой степени, стойкость к коррозии проводника и трубопровода.

Излучательная способность проводника и/или трубопровода может быть повышена. Например, поверхность проводника и/или трубопровода может быть выполнена шероховатой для повышения ее излучательной способности. Чернение поверхности проводника и/или трубопровода также позволяет повысить излучательную способность. В качестве альтернативы можно использовать окисление поверхности проводника и/или трубопровода перед установкой для повышения ее излучательной способности. Поверхность проводника и/или трубопровода также может быть окислена путем нагрева проводника и/или трубопровода в присутствии окисляющей текучей среды внутри трубопровода и/или внутри скважины в формации, содержащей углеводороды. В качестве другой альтернативы повышения излучательной способности можно использовать анодирование проводника и/или трубопровода с получением шероховатой и/или черненой поверхности.

В другом варианте выполнения в скважину, сформированную внутри формации, содержащей углеводороды, рядом с внешней поверхностью первого трубопровода может быть установлена перфорированная труба. Перфорированная труба может быть выполнена с возможностью отбора текучей среды, образующейся внутри скважины. Благодаря этому поддерживают давление внутри скважины так, что, по существу, предотвращается деформация первого трубопровода и снижается давление внутри формации рядом с нагревателями. Перфорированную трубу также можно использовать для повышения или снижения давления внутри формации путем добавления или удаления текучей среды или текучих сред из формации. Это позволяет обеспечить управление давлением внутри формации и, таким образом, управлять качеством получаемых углеводородов, как описано в вышеуказанных вариантах выполнения. Такой подход также позволяет обеспечить периодическое управление давлением в процессе эксплуатации системы для обеспечения дополнительной поддержки перекрывающего слоя формации и, таким образом, сниже

-6005650 ния сжатия и осаждения породы. Перфорированные трубы могут использоваться для управления давлением во всех описанных вариантах выполнения нагревателей при использовании конфигурации не обсаженного ствола скважины. Перфорированную трубу также можно использовать для нагнетания газов для улучшения свойств углеводородов на месте; например, с этой целью можно подавать газообразный водород при повышенном давлении.

На фиг. 6 изображен альтернативный вариант выполнения нагревателя типа проводник-втрубопроводе, приспособленного для нагрева секции формации, содержащей углеводород. В этом варианте внутри трубопровода 582 в дополнение к проводнику 580 может быть установлен второй проводник 586. Проводник 580 может быть сформирован в соответствии с настоящим описанием. Второй проводник 586 может быть соединен с проводником 580 с использованием соединителя 587, установленного рядом с нижней поверхностью трубопровода 582. Второй проводник 586 используют для обеспечения цепи возврата электрического тока, подаваемого в проводник 580. Например, через второй проводник 586 может проходить цепь возврата электрического тока, подключенная к устью 690 скважины через второй проводник 588, имеющий, по существу, низкое сопротивление, в обсадной трубе 541 слоя перекрывающей породы. Второй проводник 586 и проводник 580 могут быть сформированы из удлиненного электропроводного материала. Второй проводник 586 и проводник 580 могут быть, например, изготовлены в виде стержня из нержавеющей стали диаметром приблизительно 2,4 см. Соединитель 587 может быть гибким. Трубопровод 582 может быть электрически изолирован от проводника 580 и второго проводника 586 с помощью центраторов 581. Обсадная труба 541 слоя перекрывающей породы, сегмент 544, поверхностный проводник 545 и упаковочный материал 542 могут иметь конфигурацию, как описано в варианте выполнения, показанном на фиг. 1. Преимущество этого варианта выполнения состоит в отсутствии скользящего контактора, что может увеличить срок службы нагревателя и изоляцию всей подаваемой электроэнергии от слоя формации 516.

В другом варианте выполнения второй проводник может быть установлен во второй трубопровод, и третий проводник может быть установлен в третий трубопровод. Вторая скважина может отличаться от скважины для первого трубопровода. Третья скважина может отличаться от скважины для первого трубопровода и второй скважины. Например, каждая из первой, второй и третьей скважин может быть расположена, по существу, в отличном месте в формации и может иметь, по существу, одинаковые размеры с другими. Первый, второй и третий проводники могут быть сформированы в соответствии с настоящим описанием. Первый, второй и третий проводники могут быть электрически включены по схеме звезда 3-фазной электрической цепи. Внешние проводники могут быть соединены между собой или могут быть соединены с землей. Схема звезда 3-фазного электрического подключения может обеспечить более высокий уровень безопасности и более эффективный способ нагрева формации, содержащей углеводороды, чем при использовании одиночного проводника. Первый, второй и/или третий трубопроводы могут быть электрически изолированы от первого, второго и третьего проводников, соответственно. Размеры каждого проводника и каждого трубопровода могут быть выбраны таким образом, что каждый проводник позволит генерировать тепло с мощностью, составляющей от приблизительно 650 проводника до приблизительно 1650 Вт/м проводника. В варианте выполнения первый проводник и второй проводник трубопровода могут быть соединены с помощью гибкого соединительного кабеля. Нижние части первого и второго проводников могут быть увеличены для получения секции с низким сопротивлением, и, таким образом, генерирования меньшего тепла. Гибкий соединитель может быть изготовлен в виде, например, витого медного провода, покрытого резиновой изоляцией.

В варианте выполнения первый проводник и второй проводник могут быть соединены, по меньшей мере, с помощью одного скользящего соединителя, установленного внутри трубопровода. Скользящий соединитель может быть выполнен в соответствии с настоящим описанием. Например, такой скользящий соединитель может иметь такую форму, что в нем будет вырабатываться меньше тепла, чем в первом проводнике или во втором проводнике. Трубопровод может быть электрически изолирован от первого проводника, второго проводника и/или скользящего соединителя. Скользящий соединитель может быть расположен внутри первого трубопровода, в месте, где требуется, по существу, меньшая степень нагрева формации, содержащей углеводороды.

В варианте выполнения толщина секции трубопровода может быть увеличена так, что вдоль секции с увеличенной толщиной может передаваться (например, путем излучения), по существу, меньше тепла. Секция с увеличенной толщиной предпочтительно может быть сформирована вдоль участка трубопровода, в котором требуется меньшая степень нагрева формации, содержащей углеводород.

В варианте выполнения проводник может быть сформирован в виде секций из различных металлов, сваренных вместе. Площадь поперечного сечения различных металлических секций может быть выбрана соответствующим образом для обеспечения требуемой длины получаемого в результате проводника с обеспечением необходимой устойчивости к текучести при высоких рабочих температурах и/или для рассеивания, по существу, одинакового количества тепла на единицу длины вдоль всей длины проводника. Например, первая секция может быть изготовлена из металла, стойкого к текучести (такого, как, без ограничений, сплав 1псопе1 617 или НВ 120), и вторая секция проводника может быть изготовлена из нержавеющей стали марки 304. Первая секция, стойкая к текучести, позволяет поддерживать вторую сек

-7005650 цию. Площадь поперечного сечения первой секции может быть большей, чем площадь поперечного сечения второй секции. Большая площадь поперечного сечения первой секции позволяет обеспечить большую прочность первой секции. Свойства более высокой стойкости первой секции позволяют обеспечить рассеивание в первой секции того же количества тепла на единицу длины, что и во второй секции с меньшей площадью поперечного сечения.

В некоторых вариантах выполнения площадь поперечного сечения и/или металл, используемый для изготовления конкретной секции, можно выбирать для обеспечения большего (или меньшего) рассеяния тепла на единицу длины конкретной секции, чем в соседней секции. Большая или меньшая степень рассеяния тепла может потребоваться в некоторых областях для замедления или ускорения определенных физико-химических процессов, происходящих внутри формации. Выделение большего количества тепла может быть обеспечено на стыке между слоем, содержащим углеводороды, и слоем, не содержащим углеводороды (например, на стыке слоя перекрывающих пород и формации, содержащей углеводороды), для противодействия концевому эффекту, что позволяет обеспечить более равномерное рассеивание тепла в формации, содержащей углеводороды. Выделение большего количества тепла также может быть обеспечено на нижнем конце удлиненного элемента для противодействия концевому эффекту и для обеспечения более равномерного рассеяния тепла.

Claims (19)

1. Система, предназначенная для нагрева формации, содержащей углерод, включающая первый электрический проводник, расположенный внутри первого трубопровода, размещенного внутри подводящей тепло скважины, проходящей через формацию, причем первый проводник имеет конфигурацию, обеспечивающую снабжение теплом по меньшей мере части формации, и система выполнена с возможностью обеспечения передачи тепла от первого проводника участку формации, отличающаяся тем, что первый трубопровод, по существу, свободно подвешен внутри подводящей тепло скважины, и между первым трубопроводом и формацией образовано кольцевое пространство, при этом для формирования электрической цепи между первым проводником и трубопроводом предусмотрен электрический соединитель.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что первый трубопровод подвешен с возможностью извлечения в секции подводящей тепло скважины, заполненной текучей средой, и система выполнена с возможностью обеспечения пиролиза, по меньшей мере, некоторого углеводородного материала внутри формации.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть первого проводника, по существу, свободно подвешенного внутри первого трубопровода, поддерживается, по существу, в центральном положении внутри первого трубопровода посредством одного или нескольких центраторов.

4. Система по пп.2 и 3, отличающаяся тем, что первый трубопровод заполнен текучей средой.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит подводящий кабель, соединенный с верхним концом первого проводника, при этом подводящий кабель содержит проводник с низким сопротивлением, который, по существу, не вырабатывает тепло.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что электрический соединитель установлен с возможностью скольжения вблизи нижнего конца первого проводника и/или первого трубопровода и имеется источник питания, выполненный с возможностью подключения между верхними концами первого проводника и первого трубопровода.

7. Система по п.4, отличающаяся тем, что текучая среда, находящаяся внутри первого трубопровода, предназначена для поддержания давления внутри первого трубопровода, обеспечивающего, по существу, предотвращение деформации первого трубопровода при использовании.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что дополнительно содержит трубу, расположенную внутри подводящей тепло скважины снаружи первого трубопровода, причем труба предназначена для удаления паров, образующихся, по меньшей мере, в нагреваемой части формации так, что между первым трубопроводом и скважиной поддерживается баланс давления, по существу, для предотвращения деформации первого трубопровода при использовании.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью генерирования излучаемого тепла мощностью от 0,6 до 1,5 кВт на метр длины первого проводника.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит второй проводник, расположенный внутри второго трубопровода, и третий проводник, расположенный внутри третьего трубопровода, причем первый трубопровод, второй трубопровод и третий трубопровод расположены в различных скважинах в формации, при этом первый проводник электрически соединен со вторым проводником и третьим проводником, и первый, второй и третий проводники при использовании подключены для работы по схеме звезда 3-фазной цепи.

11. Способ нагрева на месте формации, содержащей углеводороды, включающий подачу электрического тока в первый проводник для обеспечения нагрева по меньшей мере части формации, причем первый проводник располагают внутри первого трубопровода, размещенного внутри подводящей тепло

-8005650 скважины, проходящей через формацию, и обеспечение передачи тепла от первого проводника к участку формации, отличающийся тем, что первый трубопровод, по существу, свободно подвешивают внутри подводящей тепло скважины с образованием между первым трубопроводом и формацией кольцевого пространства и формируют электрическую цепь путем установки между первым проводником и первым трубопроводом вблизи их нижних концов скользящего электрического соединителя.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что используют первый проводник и первый трубопровод, изготовленные из труб из нержавеющей стали.

13. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что первый трубопровод подвешивают с возможностью извлечения в секции, заполненной текучей средой, подводящей тепло скважины.

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что первый проводник устанавливают по центру внутри первого трубопровода с использованием по меньшей мере одного центратора.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что первый трубопровод содержит электрический вывод, с помощью которого замыкают электрическую цепь с первым проводником.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что от 10 до 40% тепла, генерируемого в электрической цепи, сформированной первым проводником и первым трубопроводом, вырабатывают в первом трубопроводе.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что с помощью электрической цепи, сформированной из первого проводника и первого трубопровода, обеспечивают генерацию от 0,6 до 1,5 кВт на метр длины нагревателя подводящей тепло скважины, в которой установлены первый проводник и первый трубопровод.

18. Способ по п.11, отличающийся тем, что дополнительно содержит поддержание повышенного давления текучей среды внутри первого трубопровода и поддержание достаточного повышенного давления между первым трубопроводом и формацией для ограничения деформации первого трубопровода.

19. Способ по п.11, отличающийся тем, что второй проводник располагают внутри второго трубопровода и третий проводник располагают внутри третьего трубопровода, причем второй трубопровод и третий трубопровод располагают в различных скважинах в формации, первый проводник электрически соединяют со вторым проводником и третьим проводником и первый, второй и третий проводники включают для работы по схеме звезда 3-фазной цепи.