EA014760B1

EA014760B1 - Система и способ нагрева пласта

Info

Publication number: EA014760B1
Application number: EA200702303A
Authority: EA
Inventors: Харолд Дж. Винигар; Чиа-Фу Хсу
Original assignee: Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В.
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2011-02-28
Also published as: IL186203A; MA29476B1; AU2006239961A1; EP1871985B1; CA2606165C; IL186208A; IL186210A0; NZ562240A; IL186204A; CN101163858B; MA29477B1; EA200702299A1; CN101163859B; CN101163856A; ZA200708135B; DE602006006042D1; MA29473B1; EA200702296A1; IL186205A0; EA200702305A1

Abstract

Предложена система нагрева пласта. Система включает в себя множество удлиненных нагревателей (244), расположенных в множестве скважин в пласте. По меньшей мере два из нагревателей расположены, по существу, параллельно друг другу, по меньшей мере, на участке длин нагревателей. По меньшей мере два из нагревателей имеют первые концы (234) в первой области пласта и вторые концы (238) во второй области пласта. Источник изменяющегося по времени тока (254) выполнен с возможностью подачи изменяющегося по времени тока по меньшей мере в два из нагревателей. Первые концы нагревателей выполнены с возможностью приложения к ним, по существу, одинакового потенциала. Вторые участки нагревателей выполнены с возможностью приложения к ним, по существу, того же потенциала.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в общем относится к способам и системам добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных подземных пластов, таких как пласты, содержащие углеводороды. В частности, некоторые варианты выполнения относятся к нагреву выбранного участка или участков пласта с использованием нагревателей с ограничением температуры, установленных в параллельных скважинах в пласте.

Уровень техники

Углеводороды, добываемые из подземных пластов, часто используют в качестве источников энергии, сырья и потребительской продукции. Беспокойства, связанные с истощением располагаемых ресурсов углеводородов и снижением качества добываемых углеводородов в целом, обуславливают разработку способов более эффективного извлечения, обработки и/или использования имеющихся в распоряжении источников углеводородов. Внутрипластовые процессы могут быть использованы для извлечения углеводородных материалов из пластов подземных месторождений. Может возникнуть необходимость в изменении химических и/или физических свойств углеводородного материала в пласте таким образом, чтобы этот углеводородный материал можно было легче извлечь из подземного пласта. Изменения химических и физических свойств могут включать в себя проводимые в пласте реакции, в результате которых получаются извлекаемые флюиды, а также происходят изменения состава, изменения растворимости, изменения плотности, фазовые изменения и/или изменения вязкости углеводородного материала, находящегося в пласте. Флюидом может быть, в частности, газ, жидкость, эмульсия, суспензия и/или поток твердых частиц, которые имеют текучесть, сходную с текучестью жидкости.

Нагреватели для нагревания пласта при осуществлении внутрипластового процесса могут быть размещены в стволах скважин. Примеры внутрипластовых процессов с использованием нагревателей, размещенных в стволе скважины, раскрыты в патентных документах И8 2634961 (ЬщпдЦгот). И8 2732195 (Ьщпдк1тот), И8 2780450 (Ьщпдйгот), И8 2789805 (Вщпдйгот), И8 2923535 (ЬщпдКгот) и И8 4886118 (Уап Меигк е1 а1.)

В патентных документах И8 2923535 (ЬщпдКтот) и И8 4886118 (Уап Меигк е1 а1.) описано применение нагрева пластов нефтяных сланцев. Нагревание может быть применено к пласту нефтяного сланца с целью осуществления в этом пласте процесса пиролиза керогена. Нагревание также может создать разрыв в пласте для повышения его проницаемости. Повышенная проницаемость может позволить пластовому флюиду перемещаться к эксплуатационной скважине, где этот пластовый флюид извлекается из пласта. В некоторых способах, описанных, например, Ьщпдйтот, для инициирования процесса сжигания в проницаемый пласт вводят газообразную среду, содержащую кислород, предпочтительно еще горячую, из ступени предварительного нагрева.

Для нагревания пласта может быть использован источник тепла. При этом для нагревания пласта посредством излучения и/или теплопроводности могут быть использованы электрические нагреватели. Электрический нагреватель может содержать резистивный нагревательный элемент. В патентном документе И8 2548360 (Сетташ) описан электрический нагревательный элемент, размещенный в вязкой нефти в стволе скважины. Этот нагревательный элемент нагревает и разжижает нефть так, чтобы ее можно было откачивать из ствола скважины. В документе И8 4716960 (ЕакДипб) описана насоснокомпрессорная колонна нефтяной скважины, электрически нагреваемая путем пропускания тока с относительно низким напряжением через насосно-компрессорную колонну для предотвращения образования твердой фазы. В документе И8 5065818 (Уап Едтопб) описан электрический нагревательный элемент, который зацементирован в стволе скважины без обсадной колонны, окружающей нагревательный элемент.

В документе И8 6023554 (Ушедат е1 а1.) описан электрический нагревательный элемент, который размещен в обсадной колонне. Этот нагревательный элемент генерирует излучаемую энергию, которая нагревает обсадную колонну. Между указанной обсадной колонной и пластом может быть размещен наполнитель из твердого гранулированного материала. Обсадная колонна посредством теплопроводности может нагревать наполнитель, который, в свою очередь, за счет теплопроводности нагревает пласт.

Некоторые пласты могут иметь тонкие слои углеводородов или тонкие богатые слои в толстом углеводородном слое. Может быть предпочтительным использовать, по существу, параллельные скважины для нагрева и/или обработки пластов этих типов. Использование, по существу, параллельных скважин также может уменьшить количество скважин на поверхности пласта. Уменьшение количества скважин может быть предпочтительным для снижения капитальных затрат и/или уменьшения воздействия в результате операции бурения на пласт (например, воздействия на окружающую среду и/или модификации поверхностной топографии).

Сущность изобретения

Описанные объекты изобретения в общем относятся к системе и способу, предназначенным для обработки подземного пласта.

В некоторых вариантах выполнения изобретение касается системы для нагрева пласта, содержащей множество удлиненных резистивных нагревателей, расположенных во множестве скважин в пласте, причем по меньшей мере два нагревателя установлены, по существу, параллельно друг другу, по меньшей

- 1 014760 мере, на участке длины нагревателей; при этом по меньшей мере два нагревателя имеют первые концы в первом месте на поверхности и вторые концы во втором месте на поверхности; и источник изменяющегося во времени тока, выполненный с возможностью подачи изменяющегося во времени тока по меньшей мере в два нагревателя, при этом первые концы по меньшей мере двух нагревателей выполнены с возможностью приложения к ним, по существу, одинакового потенциала, и вторые концы по меньшей мере двух нагревателей выполнены с возможностью приложения к ним, по существу, одинакового потенциала. Система выполнена с возможностью противодействовать утечке тока между нагревателями в пласте за счет того, что первые и вторые концы нагревателей выполнены с возможностью приложения равного по величине потенциала.

Предпочтительно первые концы нагревателей выполнены с возможностью приложения к ним первого потенциала, а вторые концы нагревателей выполнены с возможностью приложения к ним второго потенциала, при этом указанный первый потенциал имеет в выбранный момент времени на волновой кривой зависимости потенциала от времени для первого электрического потенциала противоположную полярность относительно указанного второго потенциала в указанный выбранный момент времени на волновой кривой зависимости потенциала от времени для второго электрического потенциала.

Кроме того, потенциал на выбранном расстоянии вдоль длины первого нагревателя из указанных одного или более нагревателей подобен или по существу равен потенциалу в соответствующей точке на указанном выбранном расстоянии вдоль длины второго нагревателя из указанных одного или более нагревателей.

В вариантах изобретения по меньшей мере два нагревателя имеют, по существу, аналогичные удельные электрические сопротивления вдоль, по меньшей мере, участка длины нагревателей; или по меньшей мере один из нагревателей имеет, по существу, одинаковое удельное электрическое сопротивление вдоль нагретого участка нагревателя.

В другом варианте система дополнительно содержит по меньшей мере один сверхпроводящий кабель, электрически подключенный между источником изменяющегося во времени тока и по меньшей мере одним из нагревателей.

В другом варианте система дополнительно содержит по меньшей мере одну шину или по меньшей мере одну сверхпроводящую шину, электрически подключенную между источником изменяющегося во времени тока и одним или более нагревателями.

В еще одном варианте системы источник изменяющегося во времени тока содержит электрически изолированный однофазный трансформатор.

В другом варианте первые концы нагревателей электрически соединены с одной стороной трансформатора, и вторые концы нагревателей электрически соединены с противоположной стороной трансформатора.

Предпочтительно первые концы нагревателей выполнены с возможностью подачи на них первого потенциала, а вторые концы нагревателей выполнены с возможностью подачи на них второго потенциала, при этом первый потенциал равен по величине второму потенциалу и имеет противоположную ему полярность, а усредненный электрический потенциал, по существу, равен потенциалу земли.

Источник изменяющегося во времени тока выполнен с возможностью приложения потенциала от изолированной вторичной фазы источника. Удлиненные нагреватели содержат участки, способные нагреваться, которые расположены, по существу, горизонтально, по меньшей мере, в участке пласта. Удлиненные нагреватели содержат участки, способные нагреваться, которые расположены, по существу, вертикально, по меньшей мере, в участке пласта.

По меньшей мере одна скважина системы является И-образной скважиной.

Предпочтительно по меньшей мере один из удлиненных нагревателей содержит нагреватель с ограничением температуры, причем нагреватель с ограничением температуры содержит ферромагнитный проводник и выполнен с возможностью обеспечивать электрическое сопротивление, когда изменяющийся во времени ток подают в нагреватель с ограничением температуры и когда нагреватель находится при температуре ниже выбранной температуры, а когда ферромагнитный проводник находится при выбранной температуре или выше нее, нагреватель с ограничением температуры автоматически обеспечивает уменьшение электрического сопротивления.

Другой объект изобретения относится к способу нагрева пласта с использованием описанной системы, содержащему этапы, на которых прикладывают, по существу, одинаковый потенциал к первым концам нагревателей и прикладывают, по существу, одинаковый потенциал ко вторым концам нагревателей, при этом прикладываемые потенциалы, по существу, равны по величине в выбранный момент времени, чем обеспечивают противодействие утечке тока между нагревателями в пласте.

Предпочтительно потенциалы прикладывают с использованием электрически изолированного однофазного трансформатора. С использованием нагревателей тепло подают, по меньшей мере, в участок углеводородного слоя в пласте.

Углеводородный слой имеет исходное электрическое сопротивление по меньшей мере 10 Ом-м, по меньшей мере 100 Ом-м или по меньшей мере 300 Ом-м. С использованием нагревателей тепло подают,

- 2 014760 по меньшей мере, в участок углеводородного слоя в пласте так, чтобы происходил пиролиз, по меньшей мере, некоторых углеводородов в слое. Дополнительно из пласта добывают флюид.

В дополнительных вариантах изобретения обработка пласта выполняется с использованием любого из описанных способов, систем или нагревателей.

Краткое описание чертежей

Преимущества настоящего изобретения будут очевидными для специалистов в данной области техники из следующего подробного описания и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 - иллюстрация стадий нагревания пласта, содержащего углеводороды;

фиг. 2 - схематическое изображение части системы для внутрипластовой конверсии, предназначенной для обработки пласта, содержащего углеводороды;

фиг. 3-5 - вариант осуществления нагревателя с ограничением температуры, выполненного с внешним электрическим проводником, имеющим участок из ферромагнитного материала и участок из неферромагнитного материала, виды в продольном и поперечном разрезах;

фиг. 6А и 6В - вариант осуществления нагревателя с ограничением температуры, виды в продольном и поперечном разрезах;

фиг. 7 - вариант осуществления нагревателя с ограничением температуры, в котором опорный элемент обеспечивает большую часть отводимой теплоты при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника;

фиг. 8 и 9 - вариант осуществления нагревателей с ограничением температуры, в которых оболочка нагревателя обеспечивает большую часть тепловой выходной мощности при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника;

фиг. 10 - вид сбоку варианта осуществления, по существу, И-образных нагревателей;

фиг. 11 - вид сверху варианта поверхностной конфигурации нагревателей, представленных на фиг. 10;

фиг. 12 - разрез, по существу, И-образных нагревателей в слое углеводорода;

фиг. 13 - вид сбоку варианта осуществления, по существу, вертикальных нагревателей, соединенных в, по существу, горизонтальной скважине;

фиг. 14 - вариант осуществления, по существу, И-образного нагревателя, который сам электрически изолируется от пласта.

Хотя изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы выполнения, его конкретные варианты осуществления показаны в качестве примера на чертежах, выполненных не в масштабе, и могут быть описаны здесь подробно. Следует, однако, понимать, что чертежи и подробное описание не имеют своей целью ограничить изобретение конкретной формой варианта осуществления, раскрытой в описании, напротив, изобретение предполагает охватывание всех модификаций, эквивалентов и альтернатив, находящихся в пределах сущности и объема настоящего изобретения, которые определяются приложенными пунктами формулы изобретения.

Подробное описание изобретения

Нижеследующее описание в основном относится к системам и способам обработки углеводородов в пластах. Такие пласты могут быть обработаны с целью добычи углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.

Углеводороды обычно определяют как молекулы, образованные, главным образом, атомами углерода и водорода. Кроме того, углеводороды могут включать в себя и другие химические элементы, такие как галогены, металлы, азот, кислород и/или сера (указанными элементами перечень не ограничен). Углеводородами могут быть (не в качестве ограничения) кероген, битум, пиробитум, нефти, природные минеральные парафины и асфальтиты. Углеводороды могут располагаться в земле в минеральной матрице или вблизи нее. Матрицы могут представлять собой (не в качестве ограничения) осадочные горные породы, песок, силициты, карбонаты, диатомиты и другие пористые среды. Углеводородные флюиды флюиды, содержащие углеводороды. Углеводородные флюиды могут включать, переносить или переноситься в неуглеводородных флюидах, таких как водород, азот, окись углерода, двуокись углерода, сульфид водорода, вода и аммиак.

Пласт включает в себя один или большее количество слоев, содержащих углеводороды, один или несколько неуглеводородных слоев, покрывающий слой и/или подстилающий слой. Покрывающий слой и/или подстилающий слой включают в себя один или более видов непроницаемых материалов. Например, покрывающий слой и/или подстилающий слой могут включать скальную породу, сланцевую глину, агриллит или влажный/плотный карбонат. В некоторых вариантах осуществления внутрипластовых процессов конверсии покрывающий слой и/или подстилающий слой могут включать слой, содержащий углеводороды, или слои, содержащие углеводороды, которые являются относительно непроницаемыми и не подвержены воздействию температур при процессе конверсии в пласте, что приводит к значительным изменениям свойств слоев, содержащих углеводороды, в покрывающем и/или подстилающем слое. Например, подстилающий слой может содержать сланцевую глину или агриллит, но подстилающий слой не допускается до нагрева до температур пиролиза во время проведения процесса конверсии в пласте. В ряде случаев покрывающий слой и/или подстилающий слой могут быть, в некоторой степени,

- 3 014760 проницаемыми.

Пластовыми флюидами называются флюиды, находящиеся в пласте; они могут включать пиролизный флюид, синтез-газ, подвижный углеводород и воду (пар). Пластовые флюиды могут включать в себя как жидкие углеводороды, так и не жидкие углеводороды. Термин подвижный флюид относится к флюидам в пласте, содержащем углеводород, которые способны течь в результате тепловой обработки пласта. Добытыми флюидами называются пластовые флюиды, удаленные из пласта.

Источником тепла является любая система, обеспечивающая тепло по меньшей мере для части пласта, по существу, за счет теплопроводности и (или) излучения. Например, источник тепла может включать в себя электронагреватели, такие как изолированный проводник, протяженный элемент и (или) проводник, расположенный в трубе. Источник тепла может также включать в себя системы, которые вырабатывают тепло путем сжигания топлива, находящегося вне пласта или в пласте. Эти системы могут быть поверхностными горелками, скважинными газовыми горелками, беспламенными распределенными камерами сгорания и естественными распределенными камерами сгорания. В некоторых применениях тепло, подводимое или выработанное в одном или несколько тепловых источниках, может подводиться от других источников энергии. Другие источники энергии могут непосредственно нагревать пласт или энергия может передаваться теплоносителю, который прямо или косвенно нагревает пласт. Понятно, что один или несколько тепловых источников, которые нагревают пласт, могут использовать различные источники энергии. Таким образом, например, для заданного пласта некоторые источники тепла передают тепло от электрических резистивных нагревателей, некоторые источники тепла могут обеспечивать тепло за счет сжигания топлива, а некоторые источники тепла могут получать тепло от одного или нескольких других источников энергии (например, за счет химических реакций, солнечной энергии, ветровой энергии, биомассы или других источников возобновляемой энергии). Химическая реакция может включать в себя экзотермическую реакцию (например, реакция окисления). Источник тепла может также включать в себя нагреватель, который обеспечивает нагрев в зоне, ближайшей к нагреваемому месту и (или) окружающей его, такой как нагревательная скважина.

Нагреватель представляет собой любую систему или источник тепла, предназначенный для выделения теплоты в скважине или вблизи зоны нахождения ствола скважины. Нагревателями могут служить (не в качестве ограничения изобретения) электрические нагреватели, горелки, камеры сгорания, и/или их комбинации, которые взаимодействуют с материалом, содержащимся в пласте или извлеченном из пласта.

Понятие внутрипластовый процесс конверсии относится к процессу нагревания пласта, содержащего углеводороды, с помощью источников тепла с целью подъема температуры по меньшей мере части пласта выше температуры пиролиза, в результате чего в пласте получают пиролизный флюид.

Понятие изолированный проводник относится к любому протяженному материалу, который способен проводить электрический ток и который покрыт сверху целиком или частично электроизоляционным материалом.

Протяженный элемент может быть оголенным металлическим нагревателем или неизолированным металлическим нагревателем. Понятия оголенный металл и неизолированный металл относится к металлам, которые не снабжены слоем электрической изоляции, например минеральной изоляцией, которая предназначена для обеспечения электрической изоляции металла во всем рабочем интервале температур указанного протяженного элемента. Понятия оголенный металл и неизолированный металл могут распространяться на металл, который содержит ингибитор коррозии, например оксидный слой, образованный естественным путем, специально нанесенный оксидный слой и/или пленка. Оголенный металл и неизолированный металл включают в себя металлы с электрической изоляцией из полимера или с изоляцией другого типа, которая не может сохранять электроизоляционные свойств при типичных рабочих температурах протяженного элемента. Такой изоляционный материал может быть размещен на металле и под действием высокой температуры его свойства могут ухудшаться в процессе использования нагревателя.

Понятие нагреватель с ограничением температуры, как правило, относится к нагревателю, который регулирует тепловую мощность (например, уменьшает величину тепловой мощности) при температурах, превышающих заданную, без использования внешнего регулирования, осуществляемого, например, с помощью регуляторов температуры, регуляторов мощности, выпрямителей или других устройств. Нагревателями с ограничением температуры могут служить резистивные электрические нагреватели, которые питаются энергией переменного тока (АС) или модулированного (например, прерывистого) постоянного тока (ЭС).

Температура Кюри представляет собой такую температуру, выше которой ферромагнитный материал теряет все свои ферромагнитные свойства. Помимо потери всех своих ферромагнитных свойств при температуре выше температуры Кюри, ферромагнитный материал начинает терять свои ферромагнитные свойства в случае пропускании через него повышенного электрического тока.

Понятие изменяющийся во времени ток относится к электрическом току, который производит в ферромагнитном проводнике электрический скин-эффект и имеет величину, изменяющуюся во времени.

Понятие переменный ток (АС) относится к изменяющемуся во времени току, направление кото

- 4 014760 рого на обратное изменяется, по существу, синусоидально. При протекании АС в ферромагнитном проводнике возникает скин-эффект.

Понятие модулированный постоянный ток (Όά) относится к любому, по существу, не синусоидальному, изменяющемуся во времени току, который создает в ферромагнитном проводнике электрический скин-эффект.

Показатель диапазона изменения нагревателей с ограничением температуры представляет собой отношение наибольшего сопротивления переменному току или модулированному постоянному току при температуре ниже температуры Кюри к наименьшему сопротивлению при температуре выше температуры Кюри для заданного тока.

В контексте нагревательных систем, устройств и способов с уменьшенной тепловой мощностью термин автоматически означает, что такие системы, устройства и способы работают определенным образом без использования внешнего регулирования (например, внешних регуляторов, таких как регулятор с датчиком температуры и контуром обратной связи, ПИД-регулятор или регулятор с упреждением).

Термин нитрид относится к соединению азота и одного или более других элементов Периодической таблицы. Нитриды включают в себя, но без ограничений, нитрид кремния, нитрид бора или нитрид окиси алюминия.

Термин ствол скважины относится к отверстию в пласте, образованному путем бурения или внедрения в пласт трубы. Ствол скважины может иметь, по существу, круговое поперечное сечение или поперечное сечение другой формы. Используемые здесь термины скважина и отверстие, когда они относятся к образованному в пласте отверстию, могут быть использованы взаимозаменяемым образом с термином ствол скважины.

и-образная скважина относится к скважине, которая проходит от первого отверстия в пласте, по меньшей мере через часть пласта, и выходит через второе отверстие в пласте. В этом контексте, скважина может только примерно напоминать форму буквы ν или ''и'', при этом следует понимать, что ответвления буквы и не обязательно должны быть параллельными друг другу, или перпендикулярными донной части буквы и для скважин, которые рассматриваются как И-образные.

Проходные отверстия относятся к отверстиям, таким как отверстия в трубопроводах, с широким диапазоном размеров и форм поперечного сечения, включая, но без ограничений, круглые, овальные, квадратные, прямоугольные, треугольные отверстия, прорези или другие правильные или неправильные формы.

Пиролиз представляет собой разрыв химических связей в результате применения тепла. Например, пиролиз может включать в себя преобразование соединения в одно или более других веществ в результате нагрева. Тепло может быть передано в участок пласта для проведения пиролиза. В некоторых пластах участки пластов и/или другие материалы в пласте могут способствовать пиролизу благодаря каталитической активности.

Пиролизный флюид или продукты пиролиза относятся к флюиду, полученному в ходе пиролиза углеводородов. Флюид, полученный в результате реакции пиролиза, может смешиваться с другими флюидами в пласте. Смесь будет рассматриваться как пиролизный флюид или продукт пиролиза. Как используется здесь, зона пиролиза относится к объему пласта (например, относительно проницаемого пласта, такого как пласт нефтеносного песка), который вызывает реакцию или реагирует с образованием пиролизного флюида.

Наложение тепла относится к подаче тепла из двух или больше источников тепла в выбранный участок пласта так, чтобы эти источники тепла влияли на температуру пласта по меньшей мере в одном местоположении между источниками тепла.

Синтез-газ представляет собой смесь, включающую водород и окись углерода. Дополнительные компоненты синтез-газа могут включать воду, двуокись углерода, азот, метан и другие газы. Синтез-газ может быть получен с помощью множества процессов и из различного исходного сырья. Синтез-газ можно использовать для синтеза множества соединений.

Углеводороды, содержащиеся в пластах, можно обрабатывать различными путями в целях получения большого количества различных продуктов. В определенных вариантах осуществления содержащиеся в пластах углеводороды обрабатывают постадийно. На фиг. 1 отображены стадии нагревания пласта, содержащего углеводороды. Фиг. 1 иллюстрирует также пример добычи (Υ) из пласта эквивалента нефти в баррелях на тонну (ось у) пластовых флюидов в зависимости от температуры (Т) нагретого пласта в градусах Цельсия (ось х).

На стадии 1 нагревания происходит десорбция метана и испарение воды. Нагревание пласта на стадии 1 может осуществляться очень быстро. Например, при начальном нагревании пласта, содержащего углеводороды, углеводороды в пласте десорбируют адсорбированный метан. Десорбированный метан может добываться из пласта. При дальнейшем нагревании пласта происходит испарение воды, содержащейся в углеводородсодержащем пласте. В некоторых пластах, содержащих углеводороды, на долю воды может приходиться от 10 до 50% объема пор, имеющихся в пласте. Обычно находящаяся в пласте вода испаряется при температуре от 160 до 285°С и абсолютном давлении в интервале от 600 до 7000 кПа. В некоторых вариантах осуществления испаренная вода способствует изменению смачиваемо

- 5 014760 сти в пласте и/или повышает пластовое давление. Эти изменения смачиваемости и/или повышенное давление могут инициировать в пласте реакции пиролиза или другие реакции. В определенных вариантах осуществления из пласта добывают испаренную воду. В других вариантах осуществления испаренную воду используют для проведения паровой экстракции и/или паровой дистилляции в самом пласте или вне пласта. Удаление воды из объема пор и увеличение этого объема в пласте приводит к увеличению пространства для содержания углеводородов в объеме пор.

В определенных вариантах осуществления после стадии 1 нагревания производят дальнейшее нагревание пласта так, что пластовая температура достигает (по меньшей мере) температуры начала пиролиза (температуры в нижнем конце температурного интервала, показанного как стадия 2). Углеводороды, находящиеся в пласте, могут быть пиролизованы в продолжении стадии 2. Интервал температур процесса пиролиза изменяется в зависимости от видов углеводородов, содержащихся в пласте. При этом интервал температур пиролиза может включать температуры от 250 до 900°С. Для производства желательных продуктов интервал температур пиролиза может включать только некоторую часть всего интервала температур пиролиза. В некоторых вариантах осуществления интервал температур пиролиза для получения желательных продуктов может включать температуры от 250 до 400°С или температуры от 270 до 350°С. Если температура углеводородов в пласте медленно повышается в пределах интервала температур от 250 до 400°С, производство продуктов пиролиза может быть, по существу, завершено при достижении температуры 400°С. Для получения желательных продуктов среднюю температуру углеводородов в интервале температур пиролиза можно повышать со скоростью менее 5°С в день, менее чем 2°С в день, менее 1°С в день или менее 0,5°С в день. В результате прогрева пласта, содержащего углеводороды, с помощью большого количества источников тепла вокруг этих источников тепла могут создаваться температурные градиенты, за счет которых температура углеводородов в пласте медленно повышается, находясь в пределах интервала температур пиролиза.

Скорость повышения температуры в интервале температур пиролиза для желательных продуктов может оказывать влияние на качество и количество пластовых флюидов, получаемых из углеводородсодержащего пласта. За счет медленного подъема температуры в пределах интервала температур пиролиза желательных продуктов можно сдерживать подвижность в пласте молекул с большими цепями. Медленно повышая температуру в пределах интервала температур пиролиза желательных продуктов, можно ограничивать реакции между подвижными углеводородами, которые производят нежелательные продукты. Медленный подъем температуры в пределах интервала температур пиролиза желательных продуктов позволяет добывать из пласта продукты высокого качества, с высокой плотностью в градусах Американского нефтяного института. Кроме того, медленный подъем температуры в пределах интервала температур пиролиза желательных продуктов позволяет извлекать в качестве углеводородного продукта большое количество находящихся в пласте углеводородов.

В некоторых вариантах осуществления внутрипластовой конверсии часть пласта нагревают до желательной температуры вместо медленного повышения температуры в некотором интервале температур от его начала до конца. В некоторых вариантах осуществления желательная температура составляет 300, 325 или 350°С. В качестве желательных могут быть выбраны и другие температуры. Суперпозиция теплоты, получаемой пластом от источников тепла, позволяет относительно быстро и эффективно установить в желательную пластовую температуру. Подвод энергии в пласт от источников тепла можно регулировать для поддержания пластовой температуры в основном на уровне желательной температуры. Нагретую часть пласта поддерживают, по существу, при желательной температуре до тех пор, пока интенсивность процесса пиролиза не уменьшиться до такой степени, что добыча желательных пластовых флюидов из пласта станет экономически не выгодной. Части пласта, которые подвергаются пиролизу, могут включать в себя зоны, нагретые до температур, находящихся в пределах интервала температур пиролиза, за счет передачи теплоты только от одного источника тепла.

В определенных вариантах осуществления из пласта добывают пластовые флюиды, включающие в себя пиролизные флюиды. По мере увеличения температуры пласта количество конденсируемых углеводородов, содержащихся в добываемых пластовых флюидах, может уменьшаться. При высоких температурах пласт может производить главным образом метан и/или водород. Если углеводородсодержащий пласт нагревают с прохождением всего интервала температур пиролиза, при приближении к верхнему пределу интервала температур пиролиза пласт может выделять лишь небольшое количество водорода. В конце концов, доступный водород истощается, при этом, как правило, количество получаемых из пласта флюидов будет минимальным.

По окончании процесса пиролиза углеводородов в пласте еще может находиться большое количество углерода и некоторое количество водорода. Значительная часть углерода, остающегося в пласте, может быть добыта из пласта в виде синтез-газа.

Образование синтез-газа может происходить на стадии 3 нагревания, отображенной на фиг. 1. Стадия 3 может включать нагревание пласта, содержащего углеводороды, до температуры, достаточной для образования синтез-газа. Например, синтез-газ может быть получен в интервалах температур от 400 до 1200°С, от 500 до 1100°С или от 550 до 1000°С. При этом состав синтез-газа, произведенного в пласте, определяется температурой нагреваемой части пласта при вводе в пласт текучей среды, необходимой для

- 6 014760 образования синтез-газа. Образовавшийся синтез-газ может быть излечен из пласта через эксплуатационную скважину или эксплуатационные скважины.

Общее энергосодержание флюидов, добываемых из углеводородсодержащего пласта, может оставаться относительно постоянным в течение всего процесса пиролиза и генерирования синтез-газа. В процессе пиролиза при относительно низких температурах пласта значительная часть полученных флюидов может представлять собой конденсируемые углеводороды, которые имеют высокое энергосодержание. Однако при более высоких температурах пиролиза пластовые флюиды могут содержать меньше углеводородов. Из пласта может быть извлечено больше неконденсируемых углеводородов. При этом во время образования преимущественно неконденсируемых пластовых флюидов энергосодержание на единицу объема полученных флюидов может слегка уменьшиться. В процессе генерирования синтез-газа энергосодержание полученного синтез-газа на единицу объема значительно снижается по сравнению с энергосодержанием пиролизного флюида. Однако объем произведенного синтез-газа во многих случаях будет значительно увеличиваться.

На фиг. 2 схематически представлен вариант осуществления части системы для проведения внутрипластовой конверсии, предназначенной для обработки пласта, содержащего углеводороды. Указанная система для проведения внутрипластовой конверсии включает в себя барьерные скважины 200. Эти барьерные скважины 200 используют для образования барьера вокруг зоны обработки. Барьер препятствует прохождению потока флюидов в зону и/или из зоны обработки. Барьерные скважины включают в себя (но не в качестве ограничения) водопонижающие скважины, скважины для вакуумирования, скважины для улавливания, нагнетательные скважины, скважины для цементирования, скважины для замораживания или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления барьерные скважины 200 представляют собой водопонижающие скважины. Водопонижающие скважины могут обеспечивать удаление жидкой фазы воды и/или предотвращение поступления жидкой фазы воды в некоторую часть нагреваемого пласта или к нагреваемому пласту. В варианте осуществления, представленном на фиг. 2, барьерные скважины 200 показаны проходящими только с одной стороны от источников 202 тепла, но обычно барьерные скважины окружают все используемые источники 202 тепла или те, которые предполагается использовать для прогрева зоны обработки пласта.

Источники 202 тепла размещают по меньшей мере в части пласта. Эти источники 202 тепла могут включать в себя нагреватели, например изолированные нагреватели, нагреватели типа проводник в трубе, поверхностные камеры сгорания, беспламенные распределенные камеры сгорания и/или распределенные естественные камеры сгорания. Источниками 202 тепла могут быть и другие типы нагревателей. Источники 202 тепла обеспечивают подвод теплоты по меньшей мере к части пласта для нагревания содержащихся в пласте углеводородов. Энергию к источникам 202 тепла можно подводить с помощью подводящих линий 204. Подводящие линии 204 могут конструктивно отличаться друг от друга в зависимости от типа источника тепла или источников тепла, используемых для нагревания пласта. Подводящие линии 204 для источников тепла могут передавать электрическую энергию электрическим нагревателям, могут транспортировать топливо для камер сгорания или могут транспортировать теплоноситель, который циркулирует в пласте.

Для извлечения пластовых флюидов из пласта используют эксплуатационные скважины 206. В некоторых вариантах осуществления эксплуатационные скважины 206 могут быть снабжены одними или большим количеством источников тепла. Источник тепла, размещенный в эксплуатационной скважине, может нагревать одну или более чем одну часть пласта вблизи эксплуатационной скважины или может осуществлять нагревание в самой эксплуатационной скважине. Источник тепла, размещенный в эксплуатационной скважине, может предотвращать конденсацию и отток пластового флюида, подлежащего извлечению из пласта.

Добываемый пластовый флюид можно транспортировать из эксплуатационной скважины 206 по коллекторному трубопроводу 208 к оборудованию 210 для его обработки. Кроме того, пластовые флюиды могут добываться из самого источника 202 тепла. Например, флюид может добываться из источников 202 тепла для регулирования давления в пласте вблизи места расположения источников тепла. Флюид, добытый из источников тепла 202, может быть транспортирован через насосно-компрессорную колонну или систему трубопроводов в коллекторный трубопровод 208, или же полученный флюид может быть транспортирован через насосно-компрессорную колонну или систему трубопроводов непосредственно в оборудование 210 для обработки. Указанное оборудование 210 для обработки может включать сепараторы, реакционные аппараты, аппараты для повышения качества добытого продукта, топливные элементы, турбины, емкости для хранения и/или другие системы и аппараты для обработки добываемых пластовых флюидов. Оборудование для обработки может производить транспортное топливо по меньшей мере из части углеводородов, добытых из пласта.

Нагреватели с ограничением температуры могут иметь такое конструктивное выполнение и/или могут включать в себя такие материалы, которые при определенных температурах автоматически придают нагревателю свойства, ограничивающие температуру. В определенных вариантах осуществления в конструкции нагревателей с ограничением температуры используют ферромагнитные материалы. Ферромагнитные материалы при приложении к ним изменяемого во времени электрического тока могут само

- 7 014760 произвольно ограничивать температуру при температуре Кюри или вблизи температуры Кюри материала для получения уменьшенного количества теплоты при температуре Кюри или вблизи этой температуры. В определенных вариантах осуществления ферромагнитный материал при заданной температуре, которая приблизительно соответствует температуре Кюри, ограничивает температуру нагревателя с ограничением температуры. В определенных вариантах осуществления заданная температура отличается от температуры Кюри в пределах 35°С, в пределах 25, 20 или 10°С. В определенных вариантах осуществления ферромагнитные материалы соединяют с другими материалами (например, с материалами, имеющими высокую электропроводность, с высокопрочными материалами, с коррозионно-стойкими материалами или комбинациями этих материалов) для того, чтобы получить различные электрические и/или механические свойства. Некоторые участки нагревателя с ограничением температуры могут иметь более низкое сопротивление (обусловленное различной геометрией и/или за счет использования различных ферромагнитных и/или неферромагнитных материалов) по сравнению с сопротивлением других участков нагревателя. Наличие в нагревателе с ограничением температуры участков из различных материалов и/или с различными размерами позволяет получить желательную тепловую мощность от каждого участка нагревателя.

Нагреватели с ограничением температуры могут быть более надежными, чем другие нагреватели. Нагреватели с ограничением температуры могут быть менее подвержены разрушению или повреждению вследствие наличия участков перегрева в пласте. В некоторых вариантах осуществления нагреватели с ограничением температуры обеспечивают, по существу, равномерный прогрев пласта. В некоторых вариантах осуществления нагреватели с ограничением температуры способны нагревать пласт более эффективно за счет работы при более высокой средней тепловой мощности по всей длине нагревателя. Нагреватели с ограничением температуры работают при более высокой средней тепловой мощности по всей длине нагревателя, поскольку электрическая мощность, подводимая к нагревателю, не должна уменьшаться для всего нагревателя, как это происходит в типичных нагревателях постоянной мощности, если температура в какой-либо точке нагревателя превышает или должна превысить максимальную рабочую температуру нагревателя. Тепловая мощность, отводимая от участков нагревателя с ограничением температуры, с приближением к температуре Кюри нагревателя автоматически уменьшается без управляемого изменения изменяющегося во времени электрического тока, подаваемого в нагреватель. Тепловая мощность автоматически уменьшается вследствие изменения электрических свойств (например, электрического сопротивления) участков нагревателя с ограничением температуры. Поэтому к нагревателю с ограничением температуры в течение большей части процесса нагревания подводится большая мощность.

В определенных вариантах осуществления система, содержащая нагреватели с ограничением температуры, первоначально обеспечивает первую тепловую мощность и затем обеспечивает уменьшенную тепловую мощность (вторую тепловую мощность) электрически резистивного участка нагревателя вблизи температуры Кюри, при этой температуре или выше нее, когда нагреватель с ограничением температуры запитывается изменяющимся во времени током. Первая тепловая мощность представляет собой тепловую мощность при температурах, ниже температуры, при которой нагреватель с ограничением температуры начинает функционировать с самоограничением. В некоторых вариантах осуществления первая тепловая мощность соответствует температуре, которая на 50, 75, 100 или 125°С ниже температуры Кюри ферромагнитного материала в нагревателе с ограничением температуры.

Нагреватель с ограничением температуры может запитываться энергией изменяющегося во времени тока (переменный ток или модулированный постоянный ток), подводимого в ствол скважины. Ствол скважины может содержать источник энергии и другие комплектующие (например, модулирующие элементы, трансформаторы, и/или конденсаторы), используемые при подводе электрической энергии к нагревателю с ограничением температуры. При этом для нагревания некоторой части пласта может быть использован один или большое количество нагревателей с ограничением температуры.

В определенных вариантах осуществления нагреватель с ограничением температуры содержит электрический проводник, который при подводе к нему изменяющегося во времени тока работает как нагреватель со скин-эффектом или близким к нему эффектом. Указанный скин-эффект ограничивает глубину проникновения тока во внутренний объем проводника. Для ферромагнитных материалов скинэффект преобладает благодаря магнитной проницаемости проводника. Относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов, как правило, находится в интервале от 10 до 1000 (например, относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов, как правило, равна по меньшей мере 10 и может быть равной по меньшей мере 50, 100, 500, 1000 или больше). Если температура ферромагнитного материала повышается до температуры выше температуры Кюри и/или и если увеличивается приложенный электрический ток, магнитная проницаемость ферромагнитного материала существенным образом уменьшается, и глубина скин-слоя быстро увеличивается (например, глубина скин-слоя увеличивается обратно пропорционально корню квадратному из магнитной проницаемости). Уменьшение магнитной проницаемости приводит к уменьшению электрического сопротивления проводника переменному току или модулированному постоянному току при температуре, равной, превышающей или находящейся вблизи температуры Кюри, и/или при увеличении подводимого электрического тока. В том слу

- 8 014760 чае, когда нагреватель с ограничением температуры питается энергией от источника, по существу, постоянного тока, участки нагревателя, температура которых приближается к температуре Кюри, или достигает или превышает эту температуру, могут иметь пониженное рассеивание теплоты. На тех участках нагревателя с ограничением температуры, которые не достигли или не приблизились к температуре Кюри, может преобладать нагревание за счет скин-эффекта, что обеспечивает в нагревателе высокое рассеивание теплоты благодаря более высокой активной нагрузке.

Преимущество использования нагревателя с ограничением температуры для нагревания углеводородов в пласте заключается в том, что проводник выбирается таким, чтобы его температура Кюри находилась в желательном диапазоне рабочих температур. Функционирование нагревателя в пределах диапазона желательных рабочих температур позволяет осуществлять ввод в пласт значительного количества теплоты при поддержании температуры нагревателя с ограничением температуры и другого оборудования ниже расчетной предельной величины температуры. Расчетными предельными температурами являются температуры, при которых неблагоприятным образом проявляются такие свойства, как коррозия, ползучесть и/или деформация. Свойства ограничения температуры, присущие нагревателю с ограничением температуры, позволяют предотвратить перегрев или перегорание нагревателя вблизи мест перегрева в пласте, имеющих низкую теплопроводность. В некоторых вариантах осуществления нагреватель с ограничением температуры способен понижать или управлять тепловой мощностью и/или выдерживать нагревание при температурах выше 25, 37, 100, 250, 500, 700, 800, 900°С или при более высоких температурах вплоть до 1131°С, в зависимости от используемых в нагревателе материалов.

Нагреватель с ограничением температуры позволяет подводить в пласт большее количество теплоты, чем нагреватели постоянной мощности, поскольку для нагревателя с ограничением температуры отсутствует необходимость ограничения подвода энергии, связанного с наличием зон с низкой теплопроводностью, прилегающих к этому нагревателю. Например, в нефтяном сланце на Грин-Ривер существует различие по меньшей мере в три раза между теплопроводностью самых низких и самых верхних слоев богатых нефтяных сланцев. При нагревании такого пласта с помощью нагревателя с ограничением температуры пласту передается существенно больше теплоты, чем при использовании известного нагревателя, тепловая мощность которого ограничена температурой, которую имеют слои с низкой теплопроводностью. Для известного нагревателя необходимо, чтобы тепловая мощность вдоль всей его длины соответствовала слоям с низкой теплопроводностью с тем, чтобы нагреватель в этих слоях, имеющих низкую теплопроводность, не перегревался и не перегорал. В случае нагревателя с ограничением температуры тепловая мощность для близлежащих слоев с низкой теплопроводностью, которые имеют высокую температуру, будет уменьшена, но остальные участки нагревателя с ограничением температуры, которые не находятся при высокой температуре, будут обеспечивать высокую тепловую мощность. Поскольку нагреватели, предназначенные для нагревания углеводородсодержащих пластов, имеют большую длину (например, по меньшей мере 10, 100, 300 м, по меньшей мере 500 м, 1 км или более, вплоть до 10 км), то большая часть длины нагревателя с ограничением температуры может функционировать при температуре ниже температуры Кюри, в то время как лишь немногие участки нагревателя с ограничением температуры находятся при температуре Кюри или близкой к ней.

Использование нагревателей с ограничением температуры позволяет осуществлять эффективную передачу теплоты к пласту. Эффективная передача теплоты позволяет уменьшить время, необходимое для нагревания пласта до желательной температуры. Например, для процесса пиролиза в нефтяном сланце на Грин-Ривер при размещении скважин с нагревателями, размещенными на расстоянии 12 м друг от друга, и использовании при этом известных нагревателей постоянной мощности требуется проводить нагревание в течение от 9,5 до 10 лет. При таком же размещении нагревателей нагреватели с ограничением температуры могут обеспечить большую среднюю тепловую мощность при поддерживании температуры нагревательного оборудования ниже предельной расчетной температуры для этого оборудования. При большей средней тепловой мощности, которую обеспечивают нагреватели с ограничением температуры, пиролиз в пласте может происходить раньше, чем при меньшей средней тепловой мощностью, которую обеспечивают известные нагреватели постоянной мощности. Например, при использовании нагревателей с ограничением температуры при размещении нагревательных скважин на расстоянии 12 м процесс пиролиза в нефтяном сланце на Грин-Ривер может происходить в течение 5 лет. Нагреватели с ограничением температуры нейтрализуют места перегрева, которые образуются вследствие неточного размещения или бурения скважин, в результате чего нагревательные скважины подходят друг к другу слишком близко. В определенных вариантах осуществления нагреватели с ограничением температуры обеспечивают повышенную тепловую мощность в нагревательных скважинах, расположенных слишком далеко друг от друга, или они ограничивают тепловую мощность для нагревательных скважин, которые расположены слишком близко друг от друга. Нагреватели с ограничением температуры, кроме того, подводят большее количество энергии в зоны, прилегающие к покрывающему слою и подстилающему слою с тем, чтобы компенсировать тепловые потери в этих зонах.

Нагреватели с ограничением температуры с успехом могут быть использованы в пластах многих типов. Например, в пластах с битуминозными песками или в относительно проницаемых пластах, содержащих тяжелые углеводороды, нагреватели с ограничением температуры могут быть использованы для

- 9 014760 обеспечения регулируемой тепловой мощности при низкой температуре для уменьшения вязкости пластовых флюидов, повышения подвижности флюидов и для увеличения радиальных потоков флюидов вблизи или у ствола скважины или в пласте. Нагреватели с ограничением температуры могут быть использованы для предотвращения избыточного коксообразования, обусловленного перегревом зоны пласта, расположенной вблизи ствола скважины.

Применение нагревателей с ограничением температуры в некоторых вариантах осуществления исключает или уменьшает необходимость использования дорогостоящих схем регулирования температуры. Например, применение нагревателей с ограничением температуры исключает или снижает необходимость проведения термокаротажа ствола скважины и/или необходимость использования стационарных термопар, установленных на нагревателях для непрерывного контроля их возможного перегрева в месте нахождения горячих пятен.

В определенных вариантах осуществления нагреватели с ограничением температуры допускают деформацию. Локализованное перемещение материала в стволе скважины может привести к поперечным напряжениям, действующим на нагреватель, что может деформировать его форму. В некоторых местах по длине нагревателя, где ствол скважины приближается или примыкает к нагревателю, могут существовать участки местного перегрева, в которых обычные нагреватели перегреваются, и существует возможность их пережога. Участки местного перегрева могут понижать предел текучести и предел ползучести металла, что способствует разрушению или деформированию нагревателя. Нагреватели с ограничением температуры могут быть выполнены 8-образного профиля (или с другим не прямолинейным профилем), который обеспечивает деформацию нагревателя с ограничением температуры, не приводя к разрушению нагревателя.

В некоторых вариантах осуществления нагреватели с ограничением температуры более экономичны с точки зрения изготовления, чем обычные нагреватели. Типичные ферромагнитные материалы включают железо, углеродистую сталь или ферритную нержавеющую сталь. Такие материалы являются недорогими по сравнению с теплопроводными сплавами на основе никеля, такими как нихром, Каи1йа1™ (Ви11си-Каи1йа1 АВ, 8\гебсп) и/или ЬОНМ™ (Опусг-Нагпк Сотрапу, №\ν 1сгксу, И8А), которые обычно используют в нагревателях с изолированным проводником (провод с минеральной изоляцией). В одном варианте осуществления нагревателя с ограничением температуры для уменьшения стоимости и повышения надежности он изготовлен из непрерывных отрезков как нагреватель с изолированным проводником.

В некоторых вариантах осуществления нагреватель с ограничением температуры размещают в нагревательной скважине, используя оборудование для гибких трубопроводов. Нагреватель, который может быть намотан на барабан, может быть изготовлен с использованием металла, такого как ферритная нержавеющая сталь (например, нержавеющая сталь 409), которую сваривают посредством контактной сварки сопротивлением (КСС). Для образования участка нагревателя рулонную металлическую полосу пропускают через первый формователь, где он принимает трубчатую форму, после чего производят продольную сварку посредством КСС. Затем трубчатый участок пропускают через второй формователь, где на него накладывают токопроводящую полосу (например, медную полосу), протягивают с плотным прилеганием к трубчатому участку через обжимное приспособление и осуществляют сварку продольно посредством КСС. С помощью продольной сварки несущего материала (например, сталь 347Н или 347НН) поверх полосы токопроводящего материала может быть образована оболочка. Несущим материалом может служить полоса, намотанная поверх полосы из токопроводящего материала. Подобным образом может быть изготовлен участок нагревателя, расположенный в покрывающем слое. В некоторых вариантах осуществления участок нагревателя, расположенный в покрывающем слое, выполнен не из ферромагнитного материала, а, например, из нержавеющей стали марки 304 или 316, вместо ферромагнитного материала. Указанный участок нагревателя и участок, расположенный в покрывающем слое, могут быть соединены между собой, используя обычную технологию, например, стыковую сварку сопротивлением посредством сварочного аппарата для сварки неповоротных стыков. В некоторых вариантах осуществления материал нагревателя, располагающийся в покрывающем слое (не ферромагнитный материал), может быть предварительно приварен к ферромагнитному материалу перед свертыванием в рулон. Такая предварительная сварка может исключить необходимость отдельной стадии соединения (например, посредством стыковой сварки). В одном варианте осуществления после формирования трубчатого нагревателя через его центральную внутреннюю полость может быть протянут гибкий кабель, например кабель для камеры сгорания (например, кабель МОТ 1000). К трубчатому нагревателю для обеспечения возвратного течения электрического тока может быть приварен концевой вывод на гибком кабеле. Трубчатый нагреватель, снабженный гибким кабелем, перед его установкой в нагревательной скважине может быть намотан на барабан. В одном варианте осуществления нагреватель с ограничением температуры устанавливают, используя оборудование для гибких трубопроводов. С помощью указанного оборудования для гибких трубопроводов нагреватель с ограничением температуры может быть размещен в стойком к деформации контейнере. Стойкий к деформации контейнер может быть размещен в нагревательной скважине с использованием известных методов.

- 10 014760

Ферромагнитный сплав или ферромагнитные сплавы, используемые в нагревателе с ограничением температуры, определяют температуру Кюри для нагревателя. Данные по температуре Кюри для различных металлов представлены в справочнике Лшспеап ИъШШе о£ РНукюк НапбЬоок, Зесопб Εάίίίοη, МсСга^-НШ, р. 5-176. Ферромагнитные проводники могут включать в себя один или более ферромагнитных химических элементов (железо, кобальт, никель) и/или сплавы этих элементов. В некоторых вариантах осуществления ферромагнитные проводники включают сплавы никеля с хромом (Ре-Сг), которые содержат вольфрам (^), например сплавы марки НСМ12А 8АУЕ12 (§иш1то1о Ме1а1к Со, .Гараи) и/или сплавы железа, содержащие хром (например, сплавы Ре-Сг, сплавы Ее-Сг-\У. сплавы Ре-Сг-У (ванадий), сплавы Ре-Сг-ЫЬ). Из указанных выше трех основных ферромагнитных элементов железо имеет температуру Кюри, равную 770°С, кобальт (Со) имеет температуру Кюри 1131°С, никель имеет температуру Кюри, приблизительно равную 358°С. Температура Кюри сплава железа с кобальтом выше, чем температура Кюри железа. Например, температура Кюри сплава железа с кобальтом, содержащего 2 мас.% кобальта, составляет 800°С; сплав железа с кобальтом, содержащий 12 мас.% кобальта, имеет температуру Кюри, равную 900°С; температура Кюри сплава железа с кобальтом, содержащего 20 мас.% кобальта, равна 950°С. Температура Кюри сплава железа с никелем ниже, чем температура Кюри железа. Например, сплав железа с никелем, содержащий 20 мас.% никеля, имеет температуру Кюри, равную 720°С; сплав железа с никелем, содержащий 60 мас.% кобальта, имеет температуру Кюри, равную 560°С.

Некоторые неферромагнитные элементы, используемые в сплавах, повышают температуру Кюри железа. Например, сплав железа с ванадием, содержащий 5,9 мас.% ванадия, имеет температуру Кюри, приблизительно равную 815°С. Другие неферромагнитные элементы (например, углерод, алюминий, медь, кремний и/или хром) для понижения температуры Кюри могут образовать сплав с железом или другими ферромагнитными металлами. Неферромагнитные материалы, которые повышают температуру Кюри, могут быть скомбинированы с неферромагнитными материалами, которые снижают температуру Кюри, и могут образовать сплавы с железом или другими ферромагнитными материалами для получения материала с желательной температурой Кюри и другими желательными физическими и/или химическими свойствами. В некоторых вариантах осуществления материал с температурой Кюри представляет собой феррит, например Ы1Ре₂О₄. В других вариантах осуществления материал с температурой Кюри представляет собой бинарное соединение, например РеЫ!₃ или Ре₃А1.

Определенные варианты осуществления нагревателей с ограничением температуры могут включать более чем один ферромагнитный материал. Такие варианты осуществления находятся в пределах объема описанных здесь вариантов осуществления, если какие-либо раскрытые здесь условия применить по меньшей мере к одному из ферромагнитных материалов, используемых в нагревателе с ограничением температуры.

Обычно по мере приближения к температуре Кюри ферромагнитные свойства ослабляются. В справочнике НапбЬоок о£ Е1ес1г1са1 Неабпд £ог 1пбикРу Ьу С. 1атек Епсккоп (ΙΕΕΕ Ргекк, 1995) приведена типичная кривая для стали, содержащей 1% углерода (1 мас.% С). Ослабление магнитной проницаемости начинается при температуре выше 650°С и имеет тенденцию к завершению при температуре более 730°С. Поэтому температура самоограничения может быть немного ниже фактической температуры Кюри ферромагнитного проводника. Толщина скин-слоя для протекания тока в стали с содержанием 1% углерода составляет 0,132 см при комнатной температуре и увеличивается до 0,445 см при 720°С. В интервале от 720 до 730°С толщина скин-слоя резко увеличивается и достигает более чем 2,5 см. Поэтому нагреватель с ограничением температуры, в котором используется сталь с содержанием 1% углерода, начинает осуществлять самоограничение в интервале температур от 650 до 730°С.

Для большинства металлов удельное сопротивление (ρ) увеличивается с ростом температуры. Относительная магнитная проницаемость обычно изменяется в зависимости от температуры и тока. Дополнительные уравнения можно использовать для получения величины изменения магнитной проницаемости и/или глубины скин-слоя при изменении температуры и/или тока. Зависимость μ от тока получают из зависимости μ от магнитного поля.

Материалы, используемые в конструкции нагревателя с ограничением температуры, могут быть выбраны для обеспечения желательного показателя диапазона изменения. Для нагревателей с ограничением температуры могут быть выбраны величины показателя диапазона изменения, равные по меньшей мере 1.1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 10:1, 30:1 или 50:1. Может быть использована и большая крутизна характеристики. Выбранный показатель диапазона изменения может зависеть от ряда факторов, включая, но не с целью ограничения, тип пласта, в котором размещен нагреватель с ограничением температуры (например, более высокий показатель диапазона изменения может быть использован для пласта нефтяного сланца при больших различиях по теплопроводности между слоями нефтяного сланца), богатыми нефтью и обедненными и/или температурный предел материалов, используемых в стволе скважины (например, температурные пределы материалов нагревателя). В некоторых вариантах осуществления показатель диапазона изменения увеличивается за счет присоединения к ферромагнитному материалу дополнительного материала - меди или другого хорошего электрического проводника (например, добавка меди для снижения сопротивления при температуре выше температуры Кюри).

- 11 014760

Нагреватель с ограничением температуры может обеспечить минимальную тепловую мощность (выходную мощность) при температурах ниже температуры Кюри. В определенных вариантах осуществления минимальная тепловая мощность составляет по меньшей мере 400, 600, 700, 800 Вт/м или выше, вплоть до 2000 Вт/м. Нагреватель с ограничением температуры снижает величину тепловой мощности с помощью участка нагревателя, когда температура этого участка приближается к температуре Кюри или превышает ее. Эта уменьшенная величина тепловой мощности может быть, по существу, меньше тепловой мощности при температуре ниже температуре Кюри. В ряде вариантов осуществления уменьшенная величина тепловой мощности составляет не более 400, 200, 100 Вт/м или может достигать 0.

В некоторых вариантах осуществления с целью изменения толщины скин-слоя ферромагнитного материала регулируют частоту переменного тока. Например, толщина скин-слоя стали с содержанием углерода 1% при комнатной температуре составляет 0,132 см при частоте 60 Гц, 0,0762 см при 180 Гц и 0,046 см при 440 Гц. Поскольку обычно диаметр нагревателя в два раза превышает толщину скин-слоя, применение более высокой частоты тока (и, следовательно, нагревателя меньшего диаметра) снижает стоимость нагревателя. Для заданной геометрии большая частота приводит к большему показателю диапазона изменения. Показатель диапазона изменения при большей частоте вычисляют путем умножения показателя диапазона изменения при меньшей частоте на корень квадратный из отношения большей частоты к меньшей частоте. В некоторых вариантах осуществления используют частоту от 100 до 1000 Гц, от 140 до 200 Гц или от 400 до 600 Гц (например, частоту 180, 540 или 720 Гц). В некоторых вариантах осуществления могут быть использованы высокие частоты. Эти частоты могут превышать 1000 Гц.

В определенных вариантах осуществления для электропитания нагревателя с ограничением температуры может быть использован модулированный ОС (модулированный постоянный ток), например прерывистый ОС, модулированный ОС заданной формы, или периодический ОС. Для генерации выходного сигнала модулированного ОС к источнику энергии ОС могут быть присоединены ОС-модулятор или ОС-прерыватель. В некоторых вариантах осуществления источник энергии постоянного тока может включать в себя средство модулирования ОС. Одним примером ОС модулятора является преобразователь ОС в ОС. Преобразователи ОС в ОС в уровне техники в общем известны. ОС обычно модулируют или прерывают с получением колебания желательной формы. Формы волны, используемые для осуществления модуляции ОС, включают (не для ограничения изобретения) прямоугольную, синусоидальную, деформированную синусоидальную, деформированную прямоугольную, треугольную форму и другие правильные или неправильные формы.

Форма колебаний модулированного ОС обычно определяет частоту модулированного ОС. Поэтому для получения желательной частоты модулированного ОС может быть выбрана определенная форма колебаний модулированного ОС. Для изменения частоты модулированного ОС можно менять форму и/или величину модуляции (например, величина прерывания) модулированного ОС. ОС может быть модулирован с частотами, которые выше обычно имеющихся частот АС. Например, модулированный ОС может быть получен при частотах по меньшей мере 1000 Гц. Повышение частоты подводимого тока выгодно увеличивает показатель диапазона изменения нагревателя с ограничением температуры.

В определенных вариантах осуществления с целью изменения частоты модулированного ОС регулируют или изменяют форму колебаний модулированного ОС. Модулятор ОС позволяет в любое время регулировать форму колебаний модулированного ОС при использовании нагревателя с ограничением температуры и при больших токах или напряжениях. Таким образом, модулированный ОС, подводимый к нагревателю с ограничением температуры, не ограничивается единственной частотой или даже небольшим рядом частот. Выбор формы колебания при использовании модулятора ОС, как правило, обеспечивает широкий интервал частот модулированного ОС и дискретное регулирование частоты модулированного ОС. Поэтому частоту модулированного ОС легче установить на конкретную величину, в то время как частота АС обычно ограничивается кратными величинами частоты электрической сети питания. Дискретное регулирование частоты модулированного ОС обеспечивает более избирательное регулирование показателя диапазона изменения нагревателя с ограничением температуры. Возможность избирательного регулирования показателя диапазона изменения нагревателя с ограничением температуры обеспечивает более широкий выбор материалов, которые можно использовать при конструировании и изготовлении нагревателя с ограничением температуры.

В некоторых вариантах осуществления регулируют частоту модулированного ОС или частоту АС нагревателя с ограничением температуры во время его использовании с целью компенсации изменений свойств (например, подземных параметров, таких как давление и температура). При этом частоту модулированного ОС и частоту АС, подводимых к нагревателю с ограничением температуры, изменяют на основании оценки параметров в стволе скважины. Например, если температура нагревателя с ограничением температуры в стволе скважины возрастает, то может быть выгодным повысить частоту тока, подводимого к нагревателю, тем самым увеличивается показатель диапазона изменения для нагревателя. В связи с этим в одном варианте осуществления определяют скважинную температуру при размещении в стволе скважины нагревателя с ограничением температуры.

В определенных вариантах осуществления частоту модулированного ОС или частоту АС изменяют с целью регулирования показателя диапазона изменения для нагревателя с ограничением температуры.

- 12 014760

Показатель диапазона изменения можно регулировать для компенсации участков местного перегрева, существующих вдоль длины нагревателя с ограничением температуры. Например, показатель диапазона изменения увеличивают в связи с тем, что в определенных местах нагреватель с ограничением температуры становится слишком горячим. В некоторых вариантах осуществления частоту модулированного ОС или частоту АС изменяют для регулирования показателя диапазона изменения без проведения оценки подземных параметров.

В определенных вариантах осуществления самый внешний слой нагревателя с ограничением температуры (например, внешний проводник) выбирают коррозионно-устойчивым и стойким с точки зрения предела текучести и/или ползучести. В одном варианте осуществления для выполнения внешнего проводника могут быть использованы аустенитные (неферромагнитные) нержавеющие стали, например марки нержавеющей стали 201, 304Н, 347Н, 347НН, 316Р, 310Н, 347НР, ΝΡ709 или их комбинации. Самый внешний слой может также включать в себя плакированный проводник. Например, трубчатый элемент, выполненный из ферромагнитной углеродистой стали, для защиты от коррозии может быть плакирован коррозионно-устойчивым сплавом, таким как нержавеющая сталь 800Н или 347Н. Если стойкость к высоким температурам не является необходимым, самый внешний слой может быть выполнен из ферромагнитного металла с хорошей коррозийной стойкостью, например, из какой-либо ферритной нержавеющей стали. В одном варианте осуществления необходимую стойкость к коррозии обеспечивает ферритный сплав, содержащий 82,3 мас.% железа и 17,7 мас.% хрома (температура Кюри 678°С).

В справочнике ТНе Ме!ак НаибЬоок, νοί. 8, раде 291 (Лшепсап 8ос1е1у Ма1епа1 (Л8М)) приведена графическая зависимость температуры Кюри сплавов железа и хрома в зависимости от содержания хрома в сплавах. В некоторых вариантах осуществления нагревателя с ограничением температуры для обеспечения сопротивления текучести и ползучести металла к нагревателю, выполненному из сплава железа с хромом, присоединен отдельный опорный стержень или трубчатый элемент (изготовленный из нержавеющей стали 347Н). В определенных вариантах осуществления несущий материал и ферромагнитный материал выбраны так, чтобы обеспечить период времени 100000 ч до разрушения при испытании на длительную прочность по меньшей мере при 20,7 МПа и 650°С. В некоторых вариантах осуществления период 100000 ч до разрушения при испытании на длительную прочность достигается по меньшей мере при 13,8 МПа и 650°С или по меньшей мере при 6,9 МПа и 650°С. Например, сталь 347Н имеет подходящую длительную прочность при температуре, равной или превышающей 650°С. В некоторых вариантах осуществления 100000 ч до разрушения достигается в интервале давлений от 6,9 до 41,3 МПа или больше для более протяженных нагревателей и/или более высоких напряжений, действующих в окружающей земной породе или флюиде.

В определенных вариантах осуществления нагреватель с ограничением температуры включает в себя составной проводник с ферромагнитным трубчатым элементом и неферромагнитной сердцевиной, имеющей высокую электропроводность. Наличие неферромагнитной сердцевины с высокой электропроводностью уменьшает требующийся диаметр проводника. Например, проводник может быть составным проводником диаметром 1,19 см с сердцевиной диаметром 0,575 см из меди, плакированной слоем ферритной нержавеющей стали или углеродистой стали толщиной 0,298 см, окружающим указанную сердцевину. Сердцевина или неферромагнитный проводник может быть выполнен из меди или из медного сплава. Сердцевина или неферромагнитный проводник, кроме того, может быть выполнен из других металлов, которые обладают низким удельным электрическим сопротивлением и относительной магнитной проницаемостью, близкой к 1 (например, по существу, из неферромагнитных материалов, таких как алюминий, сплавы алюминия, фосфористая бронза, бериллиево-медный сплав и/или латунь). Составной проводник позволяет вблизи температуры Кюри более резко понизить электрическое сопротивление нагревателя с ограничением температуры. Электрическое сопротивление проводника вблизи температуры, равной температуре Кюри, очень резко падает в связи с увеличением толщины скин-слоя за счет наличия медной сердцевины.

Составной проводник может увеличить электропроводность нагревателя с ограничением температуры и/или обеспечить функционирование нагревателя при более низких напряжениях. В одном варианте осуществления составной проводник демонстрирует относительно плоскую зависимость сопротивления от распределения температуры при температурах ниже области температур, находящейся вблизи температуры Кюри ферромагнитного проводника из составного проводника. В некоторых вариантах осуществления нагреватель с ограничением температуры демонстрирует относительно плоскую зависимость сопротивления от распределения температуры в интервале от 100 до 750°С или от 300 до 600°С. Относительно плоская зависимость сопротивления от распределения температуры, кроме того, может иметь место и в других интервалах температур, например, за счет определенного подбора материалов и/или расположения материалов в нагревателе с ограничением температуры. В определенных вариантах осуществления относительную толщину каждого материала в составном проводнике выбирают для получения желательного сопротивления нагревателя в зависимости от характера распределения температуры.

Составной проводник (например, составной внутренний проводник или составной внешний проводник) может быть изготовлен с помощью методов, включающих (не в качестве ограничения) коэкстру

- 13 014760 зию, накатывание, плотную посадку труб (например, путем охлаждения внутреннего элемента и нагревания внешнего элемента, затем ввода внутреннего элемента во внешний элемент, с последующим осуществлением операции протяжки и/или предоставления конструкции возможности охлаждаться), взрывное или электромагнитное плакирование, электродуговую наплавку, продольное приваривание полосы, плазменную порошковую сварку, коэкструзию заготовки, нанесение покрытия методом электроосаждения, протяжку, напыление, плазменное осаждение, литье с коэструзией, электромагнитная формовка, литье из расплава (литье материала внутренней сердцевины внутри внешнего материала или наоборот), сборку, за которой следует сварка или высокотемпературная пайка твердым припоем, сварку с защитой от активного газа и/или ввод внутренней трубы во внешнюю трубу, после чего следует механическое расширение внутренней трубы посредством гидроформинга или использования приспособления для расширения и обжимки внутренней трубы в контакте с внешней трубой. В некоторых вариантах осуществления ферромагнитный проводник наматывают поверх неферромагнитного проводника. В определенных вариантах осуществления составные проводники формируют с использованием методов, подобных используемым для плакирования (например, плакирование медью стали). Металлургическое соединение между медным плакированием и основным ферромагнитным материалом может быть приемлемым. Составные проводники, полученные методом коэкструзии, которые образуют хорошее металлургическое соединение (например, хорошее соединение между медью и нержавеющей сталью марки 446), могут быть предоставлены компанией Апошс! Ргобис18, 1пс. (ЗЬгетеЬигу, Маккасйикейк, И8Л).

На фиг. 3-9 представлены различные варианты осуществления нагревателей с ограничением температуры. Одна или большее количество особенностей варианта осуществления нагревателя с ограничением температуры, изображенного на любой из этих фигур, может быть скомбинирована с одной или более чем одной особенностями выполнения других вариантов осуществления нагревателей, представленных на этих фигурах. В определенных раскрытых здесь вариантах осуществления нагреватели с ограничением температуры выполнены с такими геометрическими размерами, чтобы они работали при частоте переменного тока (АС) 60 Гц. Следует понимать, что эти размеры нагревателя с ограничением температуры могут быть скорректированы для того, чтобы нагреватель работал подобным же образом и при других частотах АС или при подводе модулированного ОС тока.

На фиг. 3 показано сечение одного из вариантов осуществления нагревателя с ограничением температуры, выполненного с внешним проводником, содержащим ферромагнитный участок и неферромагнитный участок. Фиг. 4 и 5 иллюстрируют виды варианта осуществления, показанного на фиг. 3, в поперечном сечении. В одном варианте осуществления для подвода теплоты к углеводородсодержащим слоям пласта используют ферромагнитный участок 212. Участок 214 из неферромагнитного материала размещают в покрывающем слое пласта. Неферромагнитный участок 214 обеспечивает подвод незначительного количества теплоты к покрывающему слою (или вообще не подводит теплоту), тем самым предотвращаются тепловые потери в покрывающем слое и повышается эффективность работы нагревателя. Ферромагнитный участок 212 включает в себя ферромагнитный материал, например нержавеющую сталь 409 или 410. Ферромагнитный участок 212 имеет толщину 0,3 см. Неферромагнитный участок выполнен из меди толщиной 0,3 см. Внутренний проводник 216 имеет диаметр 0,9 см. В качестве электрического изолятора 218 используют нитрид кремния, нитрид бора, порошок оксида магния или другой подходящий изоляционный материал. Толщина изолятора 218 составляет от 0,1 до 0,3 см.

На фиг. 6А и 6В представлены сечения варианта осуществления нагревателя с ограничением температуры, выполненного с внутренним ферромагнитным проводником и неферромагнитной сердцевиной. Внутренний проводник 216 может быть изготовлен из нержавеющей стали марки 446, нержавеющей стали 409, нержавеющей стали 410, углеродистой стали, технически чистого армко-железа, сплавов железа с кобальтом или других ферромагнитных материалов. Сердцевина 220 может быть плотно соединена внутри с внутренним проводником 216. Сердцевина 220 выполнена из меди или иных ферромагнитных материалов. В определенных вариантах осуществления сердцевину 220 вводят по плотной посадке внутрь внутреннего проводника 216 перед проведением операции протяжки. В некоторых вариантах осуществления сердцевина 220 и внутренний проводник 216 соединены в процессе коэструзии. Внешний проводник 222 выполнен из нержавеющей стали 347Н. Операция протяжки или прокатки для того, чтобы сделать электрический изолятор 218 компактным (например, получить компактный нитрид кремния, нитрид бора, или порошок оксида магния), может обеспечить хороший электрический контакт между внутренним проводником 216 и сердцевиной 220. В этом варианте осуществления теплота выделяется, главным образом, во внутреннем проводнике 216 до тех пор, пока не будет достигнута температура Кюри. После этого сопротивление резко уменьшается, поскольку ток проникает в сердцевину 220.

На фиг. 7 представлен вариант осуществления нагревателя с ограничением температуры, в котором при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника большую часть тепловой мощности обеспечивает опорный элемент. Сердцевина 220 является внутренним проводником нагревателя с ограничением температуры. В определенных вариантах осуществления сердцевина 220 выполнена из материала с высокой электропроводностью, например из меди или алюминия. В некоторых вариантах осуществления сердцевина 220 выполнена из медного сплава, который создает механическую прочность и хорошую электропроводность, например из дисперсионно-упрочненной меди. В одном варианте осу

- 14 014760 ществления и сердцевина 220 выполнена из материала Скбсор® (8СМ Ме1а1 Ргобис1к, 1пс., РекеагсН Тпапд1е Рагк, ΝοΠίι Сагойпа, И8Л). Ферромагнитный проводник 224 представляет собой тонкий слой ферромагнитного материала, размещенный между электрическим проводником 226 и сердцевиной 220. В определенных вариантах осуществления электрический проводник 226, кроме того, является опорным элементом 228. В определенных вариантах осуществления ферромагнитный проводник 224 выполнен из железа или сплава железа. В некоторых вариантах осуществления ферромагнитный проводник 224 включает в себя ферромагнитный материал с высокой относительной магнитной проницаемостью. Например, ферромагнитный проводник 224 может быть изготовлен из очищенного железа, например из технически чистого армко-железа (АК 81ее1 Ыб., ЬпНеб Кшдбот). Железо с некоторым количеством примесей, как правило, имеет относительную магнитную проницаемость порядка 400. Очистка железа посредством его отжига в атмосфере газообразного водорода (Н₂) при 1450°С повышает относительную магнитную проницаемость железа. Увеличение относительной магнитной проницаемости ферромагнитного проводника 224 позволяет уменьшить толщину ферромагнитного проводника. Например, толщина неочищенного железа может составлять приблизительно 4,5 мм, в то время как толщина очищенного железа составляет примерно 0,76 мм.

В определенных вариантах осуществления электрический проводник 226 обеспечивает укрепление ферромагнитного проводника 224 и всего нагревателя с ограничением температуры. Соответственно электрический проводник 226 может быть изготовлен из материала, который обеспечивает хорошую механическую прочность при температуре, близкой к температуре Кюри ферромагнитного материала или превышающей эту температуру. В определенных вариантах осуществления электрический проводник 226 выполнен коррозионно-стойким. Электрический проводник 226 (опорный элемент 228) изготовлен из материала, который обеспечивает желательную электрическую резистивную тепловую мощность при температурах вплоть до и/или выше температуры Кюри ферромагнитного проводника 224.

В одном варианте осуществления электрический проводник 226 изготовлен из нержавеющей стали марки 347Н. В некоторых вариантах осуществления электрический проводник 226 выполнен из другого электропроводного, коррозионно-стойкого материала, имеющего хорошую механическую прочность. Например, материалами для электрического проводника 226 могут быть нержавеющая сталь 304Н, 316Н, 347НН, ΝΡ709, сплав 800Н 1п1оу® (1псо А11о\у 1п1егпабопа1, НипбпдХоп \Уек1 Уид1ша, И8А), сплав НР120® Наупек® или сплав 617 1псопе1®.

В некоторых вариантах осуществления электрический проводник 226 (опорный элемент 228) на различных участках нагревателя с ограничением температуры включает в себя различные сплавы. Например, нижний участок электрического проводника 226 (несущего элемента 228) выполнен из нержавеющей стали 347Н, а материалом для верхнего участка электрического проводника (несущего элемента) служит ΝΡ709. В определенных вариантах осуществления на различных участках электрического проводника (несущего элемента) используют различные сплавы для увеличения механической прочности электрического проводника (несущего элемента) и сохранения в то же время желательных тепловых свойств нагревателя с ограничением температуры.

В некоторых вариантах осуществления ферромагнитный проводник 224 на различных участках нагревателя с ограничением температуры включает в себя различные ферромагнитные проводники. Различные ферромагнитные проводники могут быть использованы на различных участках нагревателя с целью изменения температуры Кюри и, тем самым, максимальной рабочей температуры на различных участках нагревателя. В некоторых вариантах осуществления температура Кюри для верхнего участка нагревателя с ограничением температуры ниже температуры Кюри нижнего участка нагревателя. Более низкая температура Кюри верхнего участка способствует увеличению периода времени до разрушения материала верхнего участка нагревателя при испытании на длительную прочность.

В варианте осуществления, представленном на фиг. 7, ферромагнитный проводник 224, электрический проводник 226 и сердцевина 220 имеют такие размеры, что толщина скин-слоя ферромагнитного проводника ограничивает глубину проникновения большей части потока электрического тока опорным элементом, при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника. Следовательно, электрический проводник 226 обеспечивает большую часть резистивной тепловой мощности нагревателя с ограничением температуры при температурах вплоть до температуры Кюри ферромагнитного проводника 224 или близких к ней. В определенных вариантах осуществления нагреватель с ограничением температуры, показанный на фиг. 7 (имеющий, например, внешний диаметр 3, 2,9, 2,5 см или менее), выполнен с меньшим диаметром по сравнению с другими нагревателями с ограничением температуры, которые для получения большей части резистивной тепловой мощности не используют электрический проводник 226. Нагреватель с ограничением температуры, представленный на фиг. 7, может быть выполнен с меньшим диаметром, поскольку ферромагнитный проводник 224 имеет меньшую толщину по сравнению с ферромагнитным проводником, необходимым для такого нагревателя с ограничением температуры, в котором большая часть резистивной тепловой мощности обеспечивается ферромагнитным проводником.

В некоторых вариантах осуществления опорный элемент и коррозионно-стойкий элемент представ

- 15 014760 ляют собой различные элементы в конструкции нагревателя с ограничением температуры. На фиг. 8 и 9 представлены варианты осуществления нагревателей с ограничением температуры, в которых выделение большей части тепловой мощности при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного материала обеспечивает оболочка. В этих вариантах осуществления электрический проводник 226 является оболочкой 230. Электрический проводник 226, ферромагнитный проводник 224, опорный элемент 228 и сердцевина 220 (на фиг. 8) или внутренний проводник 216 (на фиг. 9) имеют такие геометрические размеры, что скин-слой ферромагнитного проводника ограничивает проникновение большей части электрического тока толщиной оболочки. В определенных вариантах осуществления электрический проводник выполнен из коррозионно-стойкого материала и обеспечивает резистивную тепловую мощность при температурах ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника 224. Например, электрический проводник 226 может быть изготовлен из нержавеющей стали 347Н или нержавеющей стали 825. В некоторых вариантах осуществления электрический проводник 226 имеет небольшую толщину (например, порядка 0,5 мм).

В представленном на фиг. 8 варианте осуществления сердцевина 220 выполнена из материала с высокой электропроводностью, например из меди или алюминия. Опорный элемент 228 изготовлен из нержавеющей стали 347Н или из другого материала, обладающего хорошей механической прочностью при температуре, равной или близкой к температуре Кюри ферромагнитного проводника 224.

В соответствии с вариантом осуществления, проиллюстрированном на фиг. 9, опорный элемент 228 представляет собой сердцевину нагревателя с ограничением температуры и выполнен из нержавеющей стали 347Н или другого материала с хорошей механической прочностью при температуре, равной или близкой к температуре Кюри ферромагнитного проводника 224. Внутренний проводник 216 изготовлен из материала с высокой электропроводностью, такого как медь или алюминий.

В некоторых вариантах выполнения на, по существу, горизонтальных участках И-образных скважин используются неизолированные металлические нагревательные элементы. По существу, И-образные скважины можно использовать в пластах нефтеносных песков, в пластах нефтеносных сланцев или в других пластах с относительно тонкими слоями углеводородов. Пласты нефтеносных песков или тонкие пласты нефтеносных сланцев могут иметь тонкие неглубокие слои, которые проще всего и однородно можно нагревать, используя нагреватели, расположенные в, по существу, И-образных скважинах. По существу, И-образные скважины также можно использовать для обработки пластов с толстыми слоями углеводородов в пластах. В некоторых вариантах выполнения, по существу, И-образные скважины используют для доступа к богатым слоям в толстом углеводородном пласте.

Нагреватели, по существу, в И-образных скважинах могут иметь большую длину по сравнению с нагревателями в вертикальных скважинах, поскольку в горизонтальных нагревательных секциях не наблюдаются проблемы с ползучестью или возникновением напряжения, вызванные подвеской, которые возникают в вертикальных нагревательных элементах. В, по существу, И-образных скважинах могут использоваться естественные уплотнители в пласте и/или в углеводородном слое с ограниченной толщиной. Например, скважины могут быть размещены выше или ниже естественных уплотнителей в пласте, при этом не требуется пробивать большое количество отверстий в естественных уплотнителях, как это потребовалось бы при использовании вертикально ориентированных скважин. При использовании, по существу, И-образных скважин вместо вертикальных скважин также можно уменьшить количество скважин, необходимых для обработки области, соответствующей проекции пласта на поверхность. Благодаря использованию меньшего количества скважин, снижаются капитальные затраты на оборудование и уменьшается влияние на окружающую среду при обработке пласта, благодаря уменьшению количества скважин на поверхности и количества оборудования на поверхности. В, по существу, И-образных скважинах также может использоваться меньшее отношение размеров секции покрывающего слоя к секции нагреваемого слоя, чем в вертикальных скважинах.

По существу, И-образные скважины могут обеспечивать гибкое размещение отверстий скважин на поверхности. Отверстия скважин могут быть размещены в соответствии с топологией поверхности пласта. В некоторых вариантах выполнения отверстия скважин размещают в географически доступных местах, таких как топологические высоты (например, холмы). Например, скважина может иметь первое отверстие на первой топологической высоте и второе отверстие на второй топологической высоте, и скважина пересекается под топологической низиной (например, долиной с наносным наполнением) между первой и второй топологическими высотами. Такое размещение отверстий может исключить необходимость размещения отверстий или оборудования в топологических низинах или в других недоступных местах. Кроме того, уровень воды может быть не артезианским в топологически высоких областях. Скважины можно бурить так, чтобы отверстия не были расположены рядом с чувствительными областями для окружающей среды, такими как ручьи, районы гнездования птиц или убежища животных.

На фиг. 10 показан вид сбоку варианта выполнения нагревателя с открытым металлическим нагревательным элементом, который расположен в, по существу, И-образной скважине. Нагреватели 232А, 232В, 232С имеют первые концы в первом местоположении 234 на поверхности 236 пласта и вторые концы во втором местоположении 238 на поверхности. Нагреватели 232А, 232В, 232С имеют секции 240 в слое 242 перекрывающей породы. Секции 240 выполнены с возможностью обеспечения небольшой

- 16 014760 тепловой мощности или вообще без выделения тепла. В некоторых вариантах выполнения секции 240 включают в себя изолированный электрический проводник, такой как изолированная медь. Секции 240 соединены с нагревательными элементами 244.

В некоторых вариантах выполнения участки нагревательных элементов 244 расположены, по существу, параллельно слою 246 углеводородов. В некоторых вариантах выполнения нагревательные элементы 244 представляют собой открытые металлические нагревательные элементы. В некоторых вариантах выполнения нагревательные элементы 244 представляют собой открытые металлические нагревательные элементы с ограничением температуры. Нагревательные элементы 244 могут включать в себя ферромагнитные материалы, такие как от 9 до 13 мас.% хромовой нержавеющей стали, такой как нержавеющая сталь 410, хромовой нержавеющей стали, такой как Т/Р91 или Т/Р92, нержавеющая сталь 409, УМ12 (Уа11оитес аиб Маииектаии, Ргаисе) или железо-кобальтовые сплавы, предназначенные для использования в нагревателях с ограничением температуры. В некоторых вариантах выполнения нагревательные элементы 244 представляют собой комбинированные нагревательные элементы с ограничением температуры, такие как комбинированные нагревательные элементы из нержавеющей стали 410 и меди, или комбинированные нагревательные элементы из сплава 347Н, железа, меди. Нагревательные элементы 244 могут иметь длину по меньшей мере приблизительно 100 м, по меньшей мере приблизительно 500 м или по меньшей мере приблизительно 1000 м, вплоть до длин приблизительно 6000 м.

Нагревательные элементы 244 могут представлять собой сплошные стержни или трубы. В некоторых вариантах выполнения нагревательные элементы в виде сплошного стержня имеют диаметр, в несколько раз превышающий глубину скин-слоя при температуре Кюри ферромагнитного материала. Обычно нагревательные элементы в виде сплошного стержня могут иметь диаметры 1,91 см или больше (например, 2,5, 3,2, 3,81 или 5,1 см). В некоторых вариантах выполнения трубчатые нагревательные элементы имеют толщину стенок, по меньшей мере в два раза большую, чем глубина скин-слоя при температуре Кюри ферромагнитного материала. Обычно трубчатые нагревательные элементы имеют внешний диаметр от приблизительно 2,5 см до приблизительно 15,2 см и толщину стенки в диапазоне от приблизительно 0,13 см до приблизительно 1,01 см.

В некоторых вариантах выполнения трубчатые нагревательные элементы 244 обеспечивают возможность переноса текучих сред через трубчатые нагревательные элементы. Текучие среды, протекающие через трубчатые нагревательные элементы, можно использовать для предварительного нагрева трубчатого нагревательного элемента, для первоначального нагрева пласта и/или для восстановления тепла из пласта после окончания нагрева, для процесса внутрипластовой конверсии. Текучие среды, которые могут протекать через трубчатые нагревательные элементы, включают в себя (но без ограничений) воздух, воду, пар, гелий, двуокись углерода или другие текучие среды. В некоторых вариантах выполнения горячая текучая среда, такая как двуокись углерода или гелий, протекает через трубчатые нагревательные элементы для подачи тепла в пласт. Горячая текучая среда может использоваться для передачи тепла в пласт перед использованием электрического нагрева, для передачи тепла в пласт. В некоторых вариантах выполнения горячую текучую среду используют для передачи тепла в дополнение к электрическому нагреву. Использование горячей текучей среды для передачи тепла в пласт, в дополнение к электрическому нагреву, может быть менее дорогостоящим, чем использование только одного электрического нагрева, для передачи тепла в пласт. В некоторых вариантах выполнения вода и/или пар протекают через трубчатый нагревательный элемент для восстановления тепла из пласта. Нагретую воду и/или пар можно использовать для добычи подземных растворов и/или других процессов.

Переходные секции 248 могут соединять нагревательные элементы 244 с секциями 240. В некоторых вариантах выполнения переходные секции 248 включают в себя материал, который имеет высокую электропроводность, но является коррозионно-устойчивым, такой как нержавеющая сталь 347, нанесенная поверх меди. В одном варианте выполнения переходные секции включают в себя составной материал в виде обкладки из нержавеющей стали поверх по меди. Переходные секции 248 предотвращают перегрев меди и/или изоляции секции 240.

На фиг. 11 показан вид сверху варианта выполнения структуры поверхности нагревателей, показанных на фиг. 10. Нагреватели 232Л-Ь могут быть расположены в виде повторяющейся треугольной структуры на поверхности пласта, как показано на фиг. 11. Треугольник может быть сформирован нагревателями 232А, 232В и 232С, и треугольник, сформированный нагревателями 232С, 232Ό и 232Е. В некоторых вариантах выполнения нагреватели 232А-Ь расположены по прямой линии на поверхности пласта. Нагреватели 232А-Ь имеют первые концы в первом местоположении 234 на поверхности и вторые концы во втором местоположении 238 на поверхности. Нагреватели 232А-Ь размещены таким образом, что (а) структуры в первом местоположении 234 и во втором местоположении 238 соответствуют друг другу, (Ъ) промежуток между нагревателями сохраняется одинаковым в двух местах на поверхности, и/или (с) все нагреватели имеют, по существу, одинаковую длину (по существу, одинаковое по горизонтали расстояние между концами нагревателей на поверхности, как показано на виде сверху на фиг. 11).

Как показано на фиг. 10 и 11, кабели 250, 252 могут быть подключены к трансформатору 254 и к одному или больше нагревательным модулям, таким как нагревательный модуль, включающий в себя нагреватели 232А, 232В, 232С. По кабелям 250, 252 можно передавать большую мощность. В некоторых

- 17 014760 вариантах выполнения по кабелям 250, 252 можно передавать большие токи с малыми потерями. Например, кабели 250, 252 могут представлять собой толстые проводники из меди или алюминия. Кабели также могут иметь толстые слои изоляции. В некоторых вариантах выполнения кабель 250 и/или кабель 252 могут представлять собой сверхпроводящие кабели. Сверхпроводящие кабели могут охлаждаться жидким азотом. Сверхпроводящие кабели поставляет §црегро^ег, 1пс (г. Скенектэйди, штат Нью-Йорк, США). Сверхпроводящие кабели позволяют минимизировать потерю энергии и уменьшить размеры кабелей, требуемых для соединения трансформатора 254 с нагревателями.

В некоторых вариантах выполнения шина 255А соединена с первыми концами нагревателей 232АЬ, и шина 255В соединена со вторыми концами нагревателей 232А-Ь. Шины 255А, В электрически соединяют нагреватели 232А-Ь с кабелями 250, 252 и трансформатором 254. Шины 255А, В распределяют мощность по нагревателям 232А-Ь. В некоторых вариантах выполнения шины 255А, В позволяют передавать большие токи с малыми потерями. В некоторых вариантах выполнения шины 255А, В изготовлены из сверхпроводящего материала, такого как сверхпроводящий материал, используемый в кабелях 250, 252.

Как показано на фиг. 10 и 11, нагреватели 232А-Ь соединены с одним трансформатором 254. В некоторых вариантах выполнения трансформатор 254 представляет собой источник изменяющегося по времени тока. В некоторых вариантах выполнения трансформатор 254 представляет собой электрически изолированный, однофазный трансформатор. В некоторых вариантах выполнения с трансформатора 254 энергия передается в нагреватели 232А-Ь с изолированной вторичной фазы трансформатора. Участки первого конца нагревателей 232А-Ь могут быть соединены с одной стороной трансформатора 254, в то время как участки второго конца нагревателей соединены с противоположной стороной трансформатора. Трансформатор 254 обеспечивает, по существу, общий потенциал для первых концов нагревателей 232АЬ и, по существу, общий потенциал для вторых концов нагревателей 232А-Ь. В некоторых вариантах выполнения с трансформатора 254 на первый конец нагревателей 232А-Ь подается потенциал, который противоположен по полярности и, по существу, равен по величине потенциалу, приложенному ко вторым концам нагревателей. Например, потенциал +660 В может быть приложен к первым концам нагревателей 232А-Ь и потенциал -660 В может быть приложен ко вторым концам нагревателей в выбранной точке колебаний тока, изменяющегося во времени (такого как переменный ток или модулированный постоянный ток). Таким образом, потенциалы на двух концах нагревателей могут быть равны по величине и противоположны по полярности, со средним потенциалом, по существу, соответствующим потенциалу земли.

Приложение одинаковых потенциалов к концам всех нагревателей 232А-Ь формирует потенциалы вдоль длины нагревателей, которые, по существу, одинаковы вдоль длины нагревателей.

На фиг. 12 показано представление в поперечном разрезе, вдоль вертикальной плоскости, такой как плоскость А-А, показанная на фиг. 10, по существу, И-образных нагревателей в углеводородном слое. Потенциал в точке на разрезе, показанном на фиг. 12, вдоль длины нагревателя 232А, по существу, тот же, что и потенциал в соответствующих точках на разрезе для нагревателей 232А-Ь, показанных на фиг. 12. На эквидистантных линиях между устьями скважин нагревателей потенциал приблизительно равен нулю. Другие скважины, такие как эксплуатационные скважины или контрольные скважины, могут быть расположены вдоль этих линий нулевого потенциала, если это требуется. Эксплуатационные скважины 206, расположенные рядом с покрывающим слоем, можно использовать для транспортировки пластового флюида, находящегося первоначально в парообразной фазе, на поверхность. Эксплуатационные скважины, расположенные рядом с донной частью нагретых участков пласта, можно использовать для транспортировки пластовых флюидов, которые первоначально находятся в жидкой фазе, на поверхность.

В некоторых вариантах выполнения потенциал в средней точке нагревателей 232А-Ь приблизительно равен нулю. Благодаря одинаковым потенциалам вдоль длины нагревателей 232А-Ь исключается утечка тока между нагревателями. Таким образом, в пласте присутствуют малые токи или токи отсутствуют, и нагреватели могут иметь большую длину, как описано выше. Благодаря противоположной полярности и, по существу, равным потенциалам на концах нагревателей, напряжение, приложенное к каждому участку нагревателя, будет равно половине напряжения по сравнению со случаем, когда полный потенциал прикладывают к одному концу нагревателя, заземленному на другом конце. Уменьшение (уменьшение вдвое) потенциала, прикладываемого к концу нагревателя, обычно снижает утечку тока, понижает требования к изолятору, и/или уменьшает расстояние для образования дуги, благодаря меньшему потенциалу относительно земли, приложенному к концам нагревателей.

В некоторых вариантах выполнения используются, по существу, вертикальные нагреватели для передачи тепла в пласт. По существу, равные потенциалы, с противоположной полярностью, как описано выше, могут быть приложены к концам, по существу, вертикальных нагревателей. На фиг. 13 показан вид сбоку, по существу, вертикальных нагревателей, соединенных с, по существу, горизонтальной скважиной. Нагреватели 232А-232Е расположены, по существу, вертикально в углеводородном слое 246. Первые концы нагревателей 232А-232Е соединены с шиной 255А на поверхности пласта. Вторые концы нагревателей 232А-232Е соединены с шиной 255В в контактной секции 257.

- 18 014760

Шина 255В может представлять собой шину, расположенную в, по существу, горизонтальной скважине, в контактной секции 257. Вторые концы нагревателей 232А-232Р могут быть соединены с шиной 255В любым способом, описанным здесь, или с использованием любого способа, известного в данной области техники. Например, контейнеры с термитным порошком соединяют с шиной 255В (например, путем сварки или пайки твердым припоем контейнеров с шиной), концы нагревателей 232А-232Р помещают внутри контейнеров и термитный порошок активируют для электрического соединения нагревателей с шиной. Контейнеры могут быть прикреплены к шине 255В, например, путем размещения контейнеров в отверстиях или в выемках в шине 255В или путем соединения их на наружной стороне шины, после чего эти контейнеры припаивают твердым припоем или приваривают к шине.

Шины 255А и 255В могут быть соединены с трансформатором 254 с помощью кабелей 250, 252, как описано выше. С трансформатора 254 может подаваться потенциал на шину 255А и шину 255В, как описано выше для вариантов выполнения, описанных на фиг. 10 и 11. Например, с трансформатора 254 может прикладываться потенциал к первым концам нагревателей 232А-232Р, который противоположен по полярности и, по существу, равен по величине потенциалу, приложенному ко вторым концам нагревателей. Приложение одинаковых потенциалов к концам всех нагревателей 232А-232Р позволяет получить, по существу, одинаковые потенциалы вдоль длины нагревателей. Приложение одинаковых потенциалов к концам всех нагревателей 232А-232Р позволяет предотвратить утечку тока между нагревателями и/или в пласт.

В некоторых вариантах выполнения может быть предпочтительно разрешить некоторую утечку тока в пласт на ранних этапах нагрева для более быстрого нагрева пласта. Утечка тока из нагревателей в пласт электрически нагревает непосредственно пласт. Пласт нагревается путем непосредственного электрического нагрева в дополнение к кондукционному теплу, передаваемому от нагревателей. Пласт (углеводородный слой) может иметь исходное электрическое сопротивление, в среднем составляющее по меньшей мере 10 Ом-м. В некоторых вариантах выполнения пласт имеет исходное электрическое сопротивление по меньшей мере 100 Ом-м или по меньшей мере 300 Ом-м. Прямой электрический нагрев обеспечивается путем приложения противоположных потенциалов к соседним нагревателям в углеводородном слое. При этом может происходить утечка тока в пласт до тех пор, пока не будет достигнута выбранная температура нагревателей или в пласте. Выбранная температура может быть ниже или может быть близкой к температуре, при которой вода, расположенная рядом с одним или более нагревателями, выпаривается. После выпаривания воды углеводородный слой, по существу, становится электроизолированным от нагревателей и непосредственный нагрев пласта становится неэффективным. После достижения выбранной температуры прикладывают потенциал с противоположной полярностью и, по существу, с равной величиной, как описано выше, со ссылкой на фиг. 10 и 11, в результате чего соседние нагреватели будут иметь одинаковый потенциал вдоль своей длины.

Ток может протекать в пласт в результате приложения обратной полярности к одному или больше нагревателям, показанным на фиг. 11, в результате чего первая группа нагревателей имеет положительный потенциал в первом местоположении 234 и вторая группа нагревателей имеет отрицательный потенциал в первом местоположении. К первым концам в первом местоположении 234 первой группы нагревателей (например, нагревателей 232А, 232В, 232Ό, 232Е, 2326, 232Н, 2321. 232К, показанных на фиг. 11) прикладывают положительный потенциал, который, по существу, равен по величине отрицательному потенциалу, приложенному ко вторым концам во втором местоположении 238 первой группы нагревателей. Ко вторым концам в первом местоположении 234 второй группы нагревателей (например, нагревателей 232С, 232Р, 2321, 232Ь) прикладывают отрицательный потенциал, по существу, равный по величине положительному потенциалу, приложенному к первым концам первой группы нагревателей. Аналогично, ко вторым концам, во втором местоположении 238 второй группы нагревателей прикладывают положительный потенциал, по существу, равный по магнитуде отрицательному потенциалу, приложенному ко вторым концам первой группы нагревателей. После того как будет достигнута выбранная температура, к первым концам обеих групп нагревателей прикладывают первый потенциал, противоположный по полярности и, по существу, равный по величине потенциалу, приложенному ко вторым концам обеих групп нагревателей.

В некоторых вариантах выполнения нагревательные элементы 244 не защищены от углеводородного слоя 240 и флюидов из углеводородного слоя. Таким образом, нагревательные элементы 244 представляют собой оголенные металлические или открытые металлические нагревательные элементы. Нагревательные элементы 244 могут быть изготовлены из материала, который имеет приемлемую степень сульфидации при высоких температурах, используемых для пиролиза углеводородов. В некоторых вариантах выполнения нагревательные элементы 244 изготовлены из материала, который имеет степень сульфидации, понижающуюся при увеличении температуры на протяжении, по меньшей мере, определенного диапазона температур (например, от 530 до 650°С), такие как нержавеющая сталь 410. Использование таких материалов уменьшает проблемы с коррозией под действием газов, содержащих серу (таких как Н₂§) из пласта. Нагревательные элементы 244 также могут быть, по существу, инертными к электрохимической коррозии.

- 19 014760

В некоторых вариантах выполнения нагревательные элементы 244 имеют тонкий электроизолирующий слой, такой как окисел алюминия или окисел алюминия, нанесенный в виде покрытия при тепловом распылении. В некоторых вариантах выполнения тонкий электроизолирующий слой представляет собой покрытие в виде эмали или керамической композиции. Такие эмалевые покрытия включают в себя (но без ограничений) устойчивые к высокой температуре фарфоровые эмали. Устойчивые к высокой температуре фарфоровые эмали могут включать в себя двуокись кремния, окись бора, глинозем и оксиды щелочно-земельных элементов (СаО или МдО) и незначительные количества окислов щелочных металлов (Να₂Ο, К₂О, Ь1О). Эмалевое покрытие может быть нанесено в виде мелко перемолотой суспензии путем погружения нагревательных элементов в суспензию или в виде покрытия распылением нагревательного элемента суспензией. Нагревательный элемент с покрытием затем нагревают в печи до тех пор, пока не будет достигнута температура стеклования так, что суспензия распределяется по поверхности нагревательного элемента и образует фарфоровое эмалевое покрытие. Фарфоровое эмалевое покрытие сокращается при охлаждении ниже температуры стеклования, в результате чего образуется сжатое покрытие. Таким образом, когда покрытие нагревается во время работы нагревателя, покрытие может расширяться вместе с нагревателем без растрескивания.

Тонкий электроизолирующий слой имеет низкий тепловой импеданс, который обеспечивает возможность передачи тепла от нагревательного элемента в пласт, предотвращая при этом утечку тока между нагревательными элементами в соседних скважинах и утечку тока в пласт. В некоторых вариантах выполнения тонкий электроизолирующий слой является стабильным при температурах выше по меньшей мере 350, выше 500 или выше 800°С. В некоторых вариантах выполнения тонкий электроизолирующий слой имеет излучательную способность по меньшей мере 0,7, по меньшей мере 0,8 или по меньшей мере 0,9. Благодаря использованию тонкого электроизолирующего слоя обеспечивается возможность применения нагревателей большой длины в пластах с малой утечкой тока.

В некоторых вариантах выполнения нагреватель становится электрически изолированным от пласта, поскольку нагреватель имеет малый потенциал или не имеет потенциал снаружи нагревателя. На фиг. 14 представлен вариант выполнения, по существу, И-образного нагревателя, который самостоятельно электрически изолируется от пласта. Нагреватель 232 имеет первый конец в первой скважине на поверхности 236 и второй конец во второй скважине на поверхности. В некоторых вариантах выполнения нагреватель 232 имеет только один конец, соединенный на поверхности.

Нагреватель 232 включает в себя нагревательный элемент 244, расположенный в углеводородном слое 246. Нагревательный элемент 244 представляет собой нагревательный элемент в виде ферромагнитного трубопровода или ферромагнитный трубчатый нагревательный элемент. В некоторых вариантах выполнения нагревательный элемент 244 представляет собой трубчатый нагревательный элемент в виде нагревателя с ограничением температуры. В некоторых вариантах выполнения нагревательный элемент 244 выполнен в виде трубы из нержавеющей стали с от 9 до 13 мас.% хрома, такой как труба из нержавеющей стали 410, труба из нержавеющей стали Т/Р91 или труба из нержавеющей стали Т/Р92. Нагревательный элемент 244 соединен с секциями 240. Секции 240 расположены в покрывающем слое 242. Секции 240 включают в себя материалы с более высокой электрической проводимостью, такие как медь или алюминий. В некоторых вариантах выполнения секции 240 выполнены, как медная обкладка внутри углеродистой стали.

Центральный проводник 256 расположен в центре или рядом с центром нагревательного элемента 244. В одном варианте выполнения центральный проводник 256 представляет собой изолированный проводник (такой как проводник, изолированный минералом, с медным сердечником, изоляцией из окиси магния и с оболочкой из нержавеющей стали). В альтернативном варианте выполнения центральный проводник 256 представляет собой проводник, отделенный от нагревательного элемента 244 одним или больше электроизолирующими центраторами, в результате чего нагреватель имеет конфигурацию проводник в проводнике. Центраторы могут быть изготовлены из нитрида кремния или другого электроизолирующего материала.

Центральный проводник 256 электрически соединен с нагревательным элементом 244 на конце центрального проводника и нагревательным элементом на поверхности 236 (как показано соединением 258 на фиг. 14). Центральный проводник 256 используется как обратный проводник для нагревательного элемента 244, поэтому ток по центральному проводнику протекает в противоположном направлении по сравнению с током в нагревательном элементе. Магнитное поле, генерируемое током, протекающим в центральном проводнике 256, по существу, ограничивает поток электронов и генерирование тепла внутри нагревательного элемента 244 при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного материала нагревательного элемента. Таким образом, за пределами нагревательного элемента 244 присутствует, по существу, нулевой потенциал, и нагревательный элемент электрически изолирован от пласта и любого соседнего нагревателя или нагревательного элемента. В некоторых вариантах выполнения через нагревательный элемент 244 пропускают текучую среду, такую как двуокись углерода, или другую текучую среду с большой теплоемкостью для предварительного нагрева пласта и/или восстановления тепла от нагревательного элемента.

В некоторых вариантах выполнения участки скважины, которые продолжаются через покрывающие

- 20 014760 слои, включают в себя обсадную трубу. Обсадная труба может быть изготовлена из материалов, которые противостоят возникновению индуктивного эффекта в обсадной трубе. Предотвращение индуктивного эффекта в обсадной трубе может состоять в предотвращении индуктивных токов в обсадной трубе и/или снижении потерь тепла в покрывающих слоях. В некоторых вариантах выполнения обсадная труба в покрывающем слое может включать в себя неметаллические материалы, такие как стеклопластик, поливинилхлорид (ПВХ), хлорированный ПВХ (ХПВХ), или полиэтилен высокой плотности (ПЭВП). ПЭВП с рабочими температурами в пригодном диапазоне включают в себя ПЭВП, поставляемый компанией Ωο\ν С11ст1са1 Со., 1пс. (г. Мидленд, штат Мичиган, США). В некоторых вариантах выполнения обсадная труба в слое перекрывающей породы может включать в себя немагнитные металлы, такие как алюминий или немагнитные сплавы, такие как марганцевые стали, содержащие по меньшей мере 10% марганца, сплавы железа с алюминием, по меньшей мере с 18% алюминия или аустенитные нержавеющие стали, такие как нержавеющая сталь 304 или нержавеющая сталь 316. В некоторых вариантах выполнения обсадная труба в покрывающем слое может включать в себя углеродистую сталь или другой ферромагнитный материал, соединенный на внутреннем диаметре с неферромагнитным металлом с высокой проводимостью (например, медью или алюминием) для предотвращения индуктивного эффекта или поверхностных эффектов.

В некоторых вариантах выполнения устья скважин могут быть изготовлены из одного или нескольких неферромагнитных материалов. Устья скважин могут включать в себя стекловолокно, ПВХ, ХПВХ, ПЭВП и/или немагнитные сплавы или металлы. Использование неферромагнитных материалов в устье скважины может предотвращать нежелательный нагрев компонентов в устье скважины. Ферромагнитные материалы, используемые в устье скважины, могут быть изолированы электрически и/или теплоизолированы от других компонентов устья скважины. В некоторых вариантах выполнения инертный газ (например, азот или аргон) закачивают в устье скважины и/или в обсадной трубу для предотвращения оттока нагретых газов в устье скважины и/или в обсадную трубу.

В некоторых вариантах выполнения две или больше, по существу, горизонтальные скважины являются ответвлениями первой, по существу, вертикальной скважины, пробуренной вниз от первого места на поверхности пласта. Горизонтальные скважины могут проходить, по существу, параллельно через углеводородный слой. По существу, горизонтальные скважины могут повторно соединяться во второй, по существу, вертикальной скважине, пробуренной вниз во втором месте на поверхности пласта. Благодаря ответвлению множества скважин от одной, по существу, вертикальной скважины, пробуренной вниз от поверхности, уменьшается количество отверстий на поверхности пласта. Другие модификации и альтернативные варианты выполнения различных аспектов изобретения могут быть очевидны для специалистов в данной области техники с учетом настоящего описания. В соответствии с этим настоящее описание следует рассматривать только как иллюстрацию, и оно предназначено для представления для специалистов в данной области техники общего способа выполнения изобретения. Следует понимать, что формы изобретения, показанные и описанные здесь, следует рассматривать как предпочтительные в настоящий момент времени варианты выполнения. Представленные и описанные элементы и материалы могут быть заменены другими, и процессы могут выполняться в обратной последовательности, а также некоторые признаки изобретения можно использовать независимо, как будет понятно для специалистов в данной области техники, после ознакомления с преимуществами описания настоящего изобретения. Изменения могут быть выполнены в элементах, описанных здесь, без выхода за пределы сущности и объема изобретения, как описано в следующей формуле изобретения. Кроме того, следует понимать, что признаки, описанные здесь независимо в некоторых вариантах выполнения, могут быть скомбинированы.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система для нагрева пласта, содержащая множество удлиненных резистивных нагревателей, расположенных во множестве скважин в пласте, причем по меньшей мере два нагревателя установлены, по существу, параллельно друг другу, по меньшей мере, на участке длины нагревателей; при этом по меньшей мере два нагревателя имеют первые концы в первом месте на поверхности и вторые концы во втором месте на поверхности; и источник изменяющегося во времени тока, выполненный с возможностью подачи изменяющегося во времени тока по меньшей мере в два нагревателя, при этом первые концы по меньшей мере двух нагревателей выполнены с возможностью приложения к ним, по существу, одинакового потенциала, и вторые концы по меньшей мере двух нагревателей выполнены с возможностью приложения к ним, по существу, одинакового потенциала, отличающаяся тем, что система выполнена с возможностью противодействовать утечке тока между нагревателями в пласте за счет того, что первые и вторые концы нагревателей выполнены с возможностью приложения равного по величине потенциала.
2. Система по п.1, в которой первые концы нагревателей выполнены с возможностью приложения к ним первого потенциала, а вторые концы нагревателей выполнены с возможностью приложения к ним второго потенциала, при этом указанный первый потенциал имеет в выбранный момент времени на вол

- 21 014760 новой кривой зависимости потенциала от времени для первого электрического потенциала противоположную полярность относительно указанного второго потенциала в указанный выбранный момент времени на волновой кривой зависимости потенциала от времени для второго электрического потенциала.
3. Система по п.1 или 2, в которой потенциал на выбранном расстоянии вдоль длины первого нагревателя из указанных одного или более нагревателей подобен или, по существу, равен потенциалу в соответствующей точке на указанном выбранном расстоянии вдоль длины второго нагревателя из указанных одного или более нагревателей.
4. Система по любому из пп.1-3, в которой по меньшей мере два нагревателя имеют, по существу, аналогичные удельные электрические сопротивления вдоль, по меньшей мере, участка длины нагревателей.
5. Система по любому из пп.1-4, в которой по меньшей мере один из нагревателей имеет, по существу, одинаковое удельное электрическое сопротивление вдоль нагретого участка нагревателя.
6. Система по любому из пп.1-5, дополнительно содержащая по меньшей мере один сверхпроводящий кабель, электрически подключенный между источником изменяющегося во времени тока и по меньшей мере одним из нагревателей.
7. Система по любому из пп.1-6, дополнительно содержащая по меньшей мере одну шину или по меньшей мере одну сверхпроводящую шину, электрически подключенную между источником изменяющегося во времени тока и одним или более нагревателями.
8. Система по любому из пп.1-7, в которой источник изменяющегося во времени тока содержит электрически изолированный однофазный трансформатор.
9. Система по п.8, в которой первые концы нагревателей электрически соединены с одной стороной трансформатора и вторые концы нагревателей электрически соединены с противоположной стороной трансформатора.
10. Система по любому из пп.1-9, в которой первые концы нагревателей выполнены с возможностью подачи на них первого потенциала, а вторые концы нагревателей выполнены с возможностью подачи на них второго потенциала, при этом первый потенциал равен по величине второму потенциалу и имеет противоположную ему полярность, а усредненный электрический потенциал, по существу, равен потенциалу земли.
11. Система по любому из пп.1-10, в которой источник изменяющегося во времени тока выполнен с возможностью приложения потенциала от изолированной вторичной фазы источника.
12. Система по любому из пп.1-11, в которой удлиненные нагреватели содержат участки, способные нагреваться, которые расположены, по существу, горизонталью, по меньшей мере, в участке пласта.
13. Система по любому из пп.1-11, в которой удлиненные нагреватели содержат участки, способные нагреваться, которые расположены, по существу, вертикально, по меньшей мере, в участке пласта.
14. Система по любому из пп.1-11, в которой по меньшей мере одна скважина является И-образной скважиной.
15. Система по любому из пп.1-14, в которой по меньшей мере один из удлиненных нагревателей содержит нагреватель с ограничением температуры, причем нагреватель с ограничением температуры содержит ферромагнитный проводник и выполнен с возможностью обеспечивать электрическое сопротивление, когда изменяющийся во времени ток подают в нагреватель с ограничением температуры и когда нагреватель находится при температуре ниже выбранной температуры, а когда ферромагнитный проводник находится при выбранной температуре или выше нее, нагреватель с ограничением температуры автоматически обеспечивает уменьшение электрического сопротивления.
16. Способ нагрева пласта с использованием системы по любому из пп.1-15, содержащий этапы, на которых прикладывают, по существу, одинаковый потенциал к первым концам нагревателей и прикладывают, по существу, одинаковый потенциал ко вторым концам нагревателей, при этом прикладываемые потенциалы, по существу, равны по величине в выбранный момент времени, чем обеспечивают противодействие утечке тока между нагревателями в пласте.
17. Способ по п.16, в котором прикладывают потенциалы с использованием электрически изолированного однофазного трансформатора.
18. Способ по любому из пп.16, 17, в котором с использованием нагревателей тепло подают, по меньшей мере, в участок углеводородного слоя в пласте.
19. Способ по п.18, в котором углеводородный слой имеет исходное электрическое сопротивление по меньшей мере 10 Ом-м, по меньшей мере 100 Ом-м или по меньшей мере 300 Ом-м.
20. Способ по любому из пп.16-19, в котором с использованием нагревателей тепло подают, по меньшей мере, в участок углеводородного слоя в пласте так, чтобы происходил пиролиз, по меньшей мере, некоторых углеводородов в слое.
21. Способ по любому из пп.18-20, в котором дополнительно добывают флюид из пласта.