JP2009540110A - 高強度合金 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化水素、水素、及び／又は他の生成物を、種々の炭化水素含有地層から生産するための方法及びシステムで用いるヒーターのために金属を改良すること。
【要約】金属合金の少なくとも１つの組成物に、クロム、ニッケル、銅、マンガン、ケイ素、ニオブ、タングステン、及び鉄を含む高強度金属合金。ヒーターシステムには、少なくとも１つの金属合金を含む材料から少なくとも部分的に作製される吸収缶を含有してよい。地下地層の加熱システムには、少なくとも１つの金属合金を含む材料から少なくとも部分的に作製される管を含有してよい。
【選択図】図１６

Description

政府の権利
米国政府は、米国エネルギー省に対する主契約ＤＥ−ＡＣＯ５−００ＯＲ２２７２５号のもとで活動するＵＴ−Ｂａｔｔｅｌｌｅ，ＬＬＣと、Ｓｈｅｌｌ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙとの間の協定ＥＲＤ−０５−２５１６号に従って、この発明において特定の権利を有する。

背景
１．発明の分野
本発明は、一般に金属組成物に関する。更に詳しくは、本発明は、高温及び／又は低温において高強度を有する金属合金に関する。

２．関連技術の説明
地下地層から得られる炭化水素は、しばしば、エネルギー源として、供給原料として、及び消費者製品として用いられる。利用可能な炭化水素源の枯渇の問題、及び生産される炭化水素の品質全体の低下の問題から、利用可能な炭化水素源の一層効果的な回収、処理、及び／又は使用のための方法の開発が誘導される。現場プロセスは、炭化水素材料を地下地層から除去するのに用いることができる。炭化水素材料を地下地層から一層容易に回収するため、地下地層内の炭化水素材料の化学的及び／又は物理的特性を変化させる必要があるかも知れない。化学的及び物理的変化としては、地層内の炭化水素材料について、除去可能な流体を生産する現場反応、組成の変化、溶解性の変化、密度の変化、相の変化、及び／又は粘度の変化が挙げられる。流体としては、限定されるものではないが、ガス、液体、エマルジョン、スラリー、及び／又は液体流に類似の流動特性を有する固体粒子の流れであってもよい。

地層内に坑井を形成してもよい。幾つかの実施態様においては、ケーシング又は他の配管システムを坑井内に設けるか、又は形成してもよい。幾つかの実施態様においては、伸張可能な管を坑井内で用いてもよい。ヒーターを坑井内に設けて、現場プロセス中、地層を加熱してもよい。

オイルシェール地層に熱を加えることは、米国特許第２，９２３，５３５号明細書（Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍ）及び米国特許第４，８８６，１１８号明細書（Ｖａｎ Ｍｅｕｒｓら）に記載される。熱をオイルシェール地層に加えて、オイルシェール地層内のケローゲンを熱分解してよい。熱はまた、地層を破砕して、地層の浸透性を増大させてもよい。浸透性の増大によって地層流体が生産井へ移動可能となり、そこで流体はオイルシェール地層から除去される。Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍによって開示される幾つかの方法では、例えば酸素含有ガス媒体を浸透性の地層に、好ましくは予備加熱工程から高温のままの地層に導入して、燃焼を開始させる。

地下地層を加熱するのに熱源を用いてもよい。地下地層を輻射及び／又は伝導によって加熱するのに電気ヒーターを用いてもよい。電気ヒーターは、素子を抵抗加熱してもよい。米国特許第２，５４８，３６０号明細書（Ｇｅｒｍａｉｎ）、米国特許第４，７１６，９６０号明細書（Ｅａｓｔｌｕｎｄら）、米国特許第４，７１６，９６０号明細書（Ｅａｓｔｌｕｎｄら）、及び米国特許第５，０６５，８１８号明細書（Ｖａｎ Ｅｇｍｏｎｄ）には、坑井内に設けた電気発熱体が記載される。米国特許第６，０２３，５５４号明細書（Ｖｉｎｅｇａｒら）には、ケーシング内に配置された電気発熱体が記載される。発熱体は、ケーシングを加熱する輻射エネルギーを生成する。

米国特許第４，５７０，７１５号明細書（Ｖａｎ Ｍｅｕｒｓら）には、電気発熱体が記載される。発熱体は、導電性コア、絶縁材料の周囲層、及び周囲の金属シースを有する。導電性コアは、高温で比較的低い抵抗を持っていてよい。絶縁材料は高温で比較的高い、電気抵抗、圧縮強度、及び伝熱特性を持っていてよい。絶縁層は、コアから金属シースへのアーク放電を防止できる。金属シースは、高温で比較的高い、引張強度及び耐クリープ特性を持っていてよい。米国特許第５，０６０，２８７号明細書（Ｖａｎ Ｅｇｍｏｎｄ）には、銅−ニッケル合金コアを有する電気発熱体が記載される。

ヒーターは鍛造ステンレス鋼から製造してよい。米国特許第７，１５３，３７３号明細書（Ｍａｚｉａｓｚら）及び米国特許出願公開第２００４／０１９１１０９号明細書（Ｍａｚｉａｓｚら）には、鋳造微粒構造又は細粒のシート及び箔として、変性２３７ステンレス鋼が記載される。
米国特許第２，９２３，５３５号明細書 米国特許第４，８８６，１１８号明細書 米国特許第２，５４８，３６０号明細書 米国特許第４，７１６，９６０号明細書 米国特許第５，０６５，８１８号明細書 米国特許第６，０２３，５５４号明細書 米国特許第４，５７０，７１５号明細書 米国特許第５，０６０，２８７号明細書 米国特許第７，１５３，３７３号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１９１１０９号明細書 米国特許第５，５７９，５７５号明細書 米国特許第５，０６５，５０１号明細書 米国特許第５，５１２，７３２号明細書 米国特許第４，８４９，６１１号明細書

以上、概略したように、炭化水素含有地層から炭化水素、水素、及び／又は他の生成物を経済的に生産するため、ヒーター、方法、及びシステムの開発に多大の努力を要していた。しかし、現在、依然として、炭化水素、水素、及び／又は他の生成物を経済的に生産できない多くの炭化水素含有地層が存在する。したがって、炭化水素、水素、及び／又は他の生成物を、種々の炭化水素含有地層から生産するための方法及びシステムで用いるヒーターのために金属の改良がなお必要である。

概要
本明細書に記載される実施態様は、一般に１つ以上の金属組成物に関する。幾つかの実施態様においては、金属組成物を含む材料を用いるシステム、及び方法について説明する。

幾つかの実施態様においては、金属合金組成物は、クロム１８〜２２重量％、ニッケル５〜１３重量％、銅３〜１０重量％、マンガン１〜１０重量％、ケイ素０．３〜１重量％、ニオブ０．５〜１．５重量％、タングステン０．５〜２重量％、及び鉄３８〜６３重量％を含有してよい。

幾つかの実施態様においては、金属合金組成物には、クロム１８〜２２重量％、ニッケル５〜９重量％、銅１〜６重量％、ニオブ０．５〜１．５重量％、マンガン１〜１０重量％、タングステン０．５〜１．５重量％、鉄３６〜７４重量％、及びナノ窒化物の沈殿が含まれてもよく、その際タングステン／銅比は、約１／１０〜１０／１である。

幾つかの実施態様においては、本発明は、ヒーターシステムを説明する。これは、発熱体、及び発熱体を取り囲む吸収缶を有してよい。これは、少なくとも部分的に、次の材料から作製される。即ち、クロム１８〜２２重量％、ニッケル５〜１４重量％、銅１〜１０重量％、ニオブ０．５〜１．５重量％、鉄３６〜７０．５重量％、及びナノ窒化物の沈殿である。

幾つかの実施態様においては、本発明は、管を含む地下地層の加熱システムを説明する。管は、少なくとも部分的に、以下の物質を含む材料から作製される。即ち、クロム１８〜２２重量％、ニッケル１０〜１４重量％、銅１〜１０重量％、ニオブ０．５〜１．５重量％、鉄３６〜７０．５重量％、及びナノ窒化物の沈殿である。

更なる実施態様においては、特定の実施態様の特徴を他の実施態様の特徴と組合せてもよい。例えば、１つの実施態様の特徴が、他の実施態様のいかなるものの特徴と組合せてもよい。

更なる実施態様においては、地下地層の処理は、本明細書に記載される方法、システム、又はヒーターのいかなるものを用いても行われる。

更なる実施態様においては、別の特徴を、本明細書に記載される特定の実施態様に加えてもよい。

本発明の利点は、以下の詳細な説明により、及び添付の図面を参照して、当業者にとって明白になり得る。

本発明は、種々の修正及び代替形態が可能であるものの、それらの特定の実施態様は、図面の例により示され、かつ本明細書に詳細に記載されてもよい。図面は、正確な縮尺でなくてもよい。しかし、図面及びそれらに対する詳細な説明は、本発明を、開示される特定の形態に限定するものでなく、逆に、本発明は、添付される特許請求の範囲によって定められる本発明の趣旨及び範囲内に入る全ての修正、等価物、及び代替物を包含するものであることが理解されるべきである。

詳細な説明
以下の説明は、一般に炭化水素を地層内で処理するためのシステム及び方法に関する。これらの地層は、処理により、炭化水素生成物、水素、及び他の生成物を得ることができる。

「交流（ＡＣ）」とは、方向を実質的に正弦状に逆転する時間変動電流をいう。ＡＣは、強磁性導体にスキン効果電流を生じる。

「ＡＰＩ比重」とは、１５．５℃（６０°Ｆ）におけるＡＰＩ比重をいう。ＡＰＩ比重は、ＡＳＴＭ法Ｄ６８２２によって測定される。

「裸金属」及び「露出金属」とは、電気絶縁材（鉱物絶縁材など）の層を含まない長尺部材の金属を言い、長尺部材の操作温度範囲に亘って、金属に電気絶縁を与えるように設計される。裸金属及び露出金属は、天然産の酸化層、塗布（ａｐｐｌｉｅｄ）酸化層、及び／又はフィルムなどの腐食防止材を含む金属を包含してよい。裸金属及び露出金属としては、長尺部材の通常の操作温度で、電気絶縁特性を保持することができない高分子又は他のタイプの電気絶縁材を有する金属が挙げられる。このような材料は、金属上に設けてもよく、かつヒーターの使用中に、熱的に劣化してもよい。

「炭素数」とは、分子中の炭素原子の数をいう。炭化水素流体には、異なる炭素数を有する種々の炭化水素が含まれてよい。炭化水素流体は、炭素数分布によって説明してもよい。炭素数及び／又は炭素数分布は、正確な沸点分布及び／又は気液クロマトグラフィーによって測定できる。

「欄Ｘ元素」とは、周期律表の欄Ｘの１つ以上の元素、及び／又は周期律表の欄Ｘの１つ以上の元素の１つ以上の化合物をいう。その際、Ｘは、周期律表の欄数（例えば１３〜１８）に相当する。例えば、「欄１５元素」とは、周期律表の欄１５からの元素、及び／又は周期律表の欄１５からの１つ以上の元素の化合物をいう。

「キュリー温度」は、強磁性材料が、その強磁性特性の全てを失う温度を超える温度である。キュリー温度を超える温度では強磁性の全てを失う他、強磁性材料は、増大する電流が強磁性材料を通過する際に、強磁性を失い始める。

「流体圧力」は、地層中の流体によって発生する圧力である。「地盤圧力」（しばしば「地盤応力」といわれる）は、地層内圧力であり、重量／（被さっている岩盤の単位面積）に等しい。「静水圧」は、水柱によって発揮される地層内圧力である。

「地層」としては、１つ以上の炭化水素含有層、１つ以上の非炭化水素層、オーバーバーデン、及び／又ハンダバーデンが挙げられる。「炭化水素層」とは、炭化水素を含む地質内の層をいう。炭化水素層は、非炭化水素材料及び炭化水素材料を含んでもよい。「オーバーバーデン」及び／又は「アンダーバーデン」には、１つ以上の異なるタイプの不浸透性材料が含まれる。例えば、オーバーバーデン及び／又ハンダバーデンには、岩石、シェール、泥岩、又は湿潤／緊密（ｔｉｇｈｔ）炭酸塩が含まれてもよい。現場熱処理法の幾つかの実施態様においては、オーバーバーデン及び／又ハンダバーデンには、比較的不浸透性であり、現場熱処理中の温度を受けない炭化水素含有層が含まれてもよい。オーバーバーデン及び／又ハンダバーデンの炭化水素含有層がこのような温度を受ければ、炭化水素含有層に著しい特性変化をもたらす。例えば、アンダーバーデンは、シェール又は泥岩を含んでもよいが、アンダーバーデンは、現場熱処理プロセス中に、熱分解温度まで加熱することはできない。幾つかの場合においては、オーバーバーデン及び／又ハンダバーデンは、幾らか浸透性であってもよい。

「地層流体」とは、地層内に存在する流体をいい、これには、熱分解流体、合成ガス、易動性炭化水素、及び水（スチーム）が含まれてもよい。地層流体には、炭化水素流体、同様に非炭化水素流体が含まれてもよい。用語「易動性流体」とは、地層の熱処理の結果として、炭化水素含有地層内の流動可能な流体をいう。「生産流体」とは、地層から除去された流体をいう。

「熱源」は、熱を、実質的に伝導及び／又は輻射熱移動によって、地層の少なくとも一部に供給するいずれかのシステムである。例えば、熱源には、電気ヒーターが含まれてもよい。絶縁導体、長尺部材、及び／又は導管中に配置された導体などである。熱源にはまた、燃料を地層の外又は中で燃焼することによって、熱を生成するシステムが含まれてもよい。システムは、表面バーナー、ダウンホールガスバーナー、無炎分配型燃焼器、及び自然分配型燃焼器であってもよい。幾つかの実施態様においては、１つ以上の熱源に供給されるか、又はそこで発生する熱は、他のエネルギー源によって供給されてもよい。他のエネルギー源は地層を直接加熱してもよく、或いはこのエネルギーを地層を直接又は間接に加熱する伝達媒体に適用してもよい。地層に熱を加える１つ以上の熱源は、異なるエネルギー源を用いてもよいことは、理解されるべきである。したがって、例えば、所定の地層に対しては、幾つかの熱源は、電気抵抗ヒーターから熱を供給してもよく、幾つかの熱源は、燃焼により熱を供給してもよく、幾つかの熱源は、１つ以上の他のエネルギー源（例えば、化学反応、太陽エネルギー、風力エネルギー、バイオマス、又は他の再生可能なエネルギー源）から熱を供給してもよい。化学反応には、発熱反応（例えば、酸化反応）が含まれてもよい。熱源にはまた、ヒーター井のような加熱場所の近傍、及び／又はそれを取り囲む帯域に熱を供給するヒーターが含まれてもよい。

「ヒーター」は、熱を、坑井内又は坑井域付近で生成するためのいずれかのシステム又は熱源である。ヒーターは、限定されるものではないが、電気ヒーター、バーナー、地層内の材料、又はそこから生産される材料と反応する燃焼器、及び／又はそれらの組合せであってもよい。

「重質炭化水素」は、粘稠な炭化水素流体である。重質炭化水素には、高度に粘稠な炭化水素流体が含まれてもよい。重質油、タール、及び／又はアスファルトなどである。重質炭化水素には、炭素及び水素、並びに更に低濃度の硫黄、酸素、及び窒素が含まれてもよい。更に別の元素が重質炭化水素中に、痕跡量で存在してもよい。重質炭化水素は、ＡＰＩ比重によって分類してよい。重質炭化水素は、一般にＡＰＩ比重２０°未満を有する。重油は、例えば一般に、ＡＰＩ比重１０〜２０°を有し、一方、タールは、一般にＡＰＩ比重１０°未満を有する。重質炭化水素の粘度は、一般に１００センチポアズ超（１５℃）である。重質炭化水素には、芳香族又は他の複素環炭化水素を含有していてよい。

重質炭化水素は、比較的浸透性の地層内で発見される可能性がある。比較的浸透性の地層には、例えば砂又は炭酸塩中に混入された重質炭化水素が含まれてもよい。「比較的浸透性」は、地層又はその部分に関して、平均浸透性１０ミリダルシー以上（例えば、１０又は１００ミリダルシー）として定義される。「比較的低浸透性」は、地層又はその部分に関して、平均浸透性１０ミリダルシー未満として定義される。１ダルシーは、０．９９平方マイクロメートルに等しい。不浸透性の層は、一般に０．１ミリダルシー未満の浸透性を有する。

重質炭化水素を含む地層の特定のタイプは、限定されるものではないが、天然鉱ワックス、又は天然アスファルト鉱であってもよい。「天然鉱ワックス」は、一般には、実質的に管状鉱脈で発見される。鉱脈は、幅数ｍ、長さ数キロメートル、及び深さ数百ｍであってよい。「天然アスファルト鉱」には、芳香族組成物の固体炭化水素が含まれ、一般には、大きな鉱脈中で発見される。地層からの炭化水素（天然鉱ワックス及び天然アスファルト鉱など）の現場回収には、溶融して液体炭化水素を形成する工程、及び／又は炭化水素を地層から溶液採鉱する工程が含まれてもよい。

「炭化水素」は、一般に、主として炭素及び水素原子によって形成される分子として定義される。炭化水素には、他の元素（限定されるものではないが、ハロゲン、金属元素、窒素、酸素、及び／又は硫黄など）が含まれてもよい。炭化水素は、限定されるものではないが、ケローゲン、ビチューメン、ピロビチューメン、油、天然鉱ワックス、及びアスファルト鉱であってもよい。炭化水素は、地球の鉱物基質中、又はそれに隣接して配置されてもよい。基質には、限定されるものではないが、堆積岩、砂、シリシライト、炭酸塩、珪藻土、及び他の多孔質媒体が含まれてもよい。「炭化水素流体」は、炭化水素を含む流体である。炭化水素流体は、水素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、水、及びアンモニアなど非炭化水素流体を含有していてよいし、これを混入してもよいし、これに混入されてもよい。

「現場転化プロセス」とは、炭化水素含有地層を、熱源から加熱して、地層の少なくとも一部の温度を熱分解温度を超える温度に昇温させ、こうして熱分解流体が地層内に生産されるプロセスをいう。

「現場熱処理プロセス」とは、炭化水素含有地層を熱源で加熱して、層の少なくとも一部の温度を、炭化水素含有材料の易動性流体、ビスブレーキング、及び／又は熱分解が生じる温度を超える温度に上昇させ、こうして易動性流体、ビスブレーキング流体、及び／又は熱分解流体が、地層内に生産されるプロセスをいう。

「絶縁導体」とは、電気を導くことができ、かつ全体又は一部が、電気絶縁材料によって被覆されるいずれかの長尺材料をいう。「ケローゲン」は、自然劣化によって転化されたもので、主として炭素、水素、窒素、酸素、及び硫黄を含む固体の不溶性炭化水素である。石炭及びオイルシェールは、ケローゲンを含む材料の通常例である。「ビチューメン」は、非結晶質固体又は粘稠な炭化水素材料であり、実質的に二硫化炭素に可溶性である。「油」は、凝縮可能な炭化水素の混合物を含む流体である。

「変調直流（ＤＣ）」とは、強磁性導体にスキン効果電流を生成する、実質的に非正弦状の時間変動電流をいう。

「窒化物」とは、窒素と、周期律表の他の１種以上の元素との化合物をいう。窒化物としては、限定されるものではないが、窒化ケイ素、窒化ホウ素、及び窒化アルミナが挙げられる。

「周期律表」とは、国際純正及び応用化学連合（ＩＵＰＡＣ）によって、２００３年１１月に規定された周期律表をいう。この適用範囲では、周期律表からの金属の重量、周期律表からの金属の化合物の重量、周期律表からの元素の重量、又は周期律表の元素の化合物の重量が、金属の重量又は元素の重量として計算される。例えば、ＭｏＯ_３ ０．１グラムが触媒グラム当たりで用いられる場合には、触媒中のモリブデン金属の計算重量は、触媒のグラム当たり０．０６７グラムである。

「熱分解」は、熱を適用することによる化学結合の切断である。例えば、熱分解には、化合物を熱のみによって１種以上の他の材料に変換する工程が含まれてもよい。熱は、地層の区域へ移動されて、熱分解が引起こされてもよい。

「熱分解流体」又は「熱分解生成物」とは、実質的に炭化水素の熱分解中に、生産される流体をいう。熱分解反応によって生産される流体は、地層内の他の流体と混合されてもよい。混合物は、熱分解流体又は熱分解生成物とみなされる。本明細書で用いられる「熱分解帯域」とは、熱分解流体を形成するために反応されるか、又は反応する地層（例えば、タールサンド地層などの比較的浸透性の地層）の容積をいう。

「沈下」は、表面の初期の高さに対する地層の一部の下方への移動である。

「タール」は、一般に、粘度１０，０００センチポアズ超（１５℃）を有する粘稠な炭化水素である。タールの比重は、一般に１．０００超である。タールは、ＡＰＩ比重１０°未満を持っていてよい。

「タールサンド地層」は、炭化水素が、主として重質炭化水素及び／又はタールの形態で存在する地層で、鉱物粒子骨格又は他のホスト岩質（例えば、砂又は炭酸塩）内に混入（ｅｎｔｒａｉｎ）される。タールサンド地層の例としてｈは、Ａｔｈａｂａｓｃａ地層；Ｇｒｏｓｍｏｎｔ地層；及びＰｅａｃｅ Ｒｉｖｅｒ地層（３つは全て、アルバータ（Ａｌｂｅｒｔａ）（カナダにある）；並びにＦａｊａ地層（オリノコ（Ｏｒｉｎｏｃｏ）帯（ベネズエラにある）などの地層が含まれる。

「温度制限ヒーター」とは、一般に、温度制御装置、出力調整器、整流器、又は他の装置などの外部制御装置を用いることなく、熱出力を、特定の温度を超える温度に制御する（例えば、熱出力を低下する）ヒーターをいう。温度制限ヒーターは、ＡＣ（交流）又は変調（例えば「チョップド」）ＤＣ（直流）出力の電気抵抗ヒーターであってよい。

「熱伝導率」は、熱が、２つの表面間の所定の温度差に対して、材料の２つの表面間を定常状態で流れる速度を表す材料の特性である。

「熱破砕」とは、地層及び／又は地層内の流体の膨張又は収縮によって生じる、地層内に生じる破砕をいう。この膨張又は収縮は、地層及び／又は地層内の流体の温度を増大／低下することによって、及び／又は地層内の流体圧力を加熱により増大／低下することによって引起こされる。

「時間変動電流」とは、強磁性導体にスキン効果電流を生じ、かつ時間で変動する量（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）を有する電流をいう。時間変動電流としては、交流（ＡＣ）及び変調直流（ＤＣ）の両方が挙げられる。

温度制限ヒーターの「ターンダウン（ｔｕｒｎｄｏｗｎ）比」は、所定の電流について、（キュリー温度未満の最高のＡＣ又は変調ＤＣ抵抗）／（キュリー温度超の最低抵抗）の比である。

用語「坑井」とは、掘削、又は地層中への導管の挿入によって作製される地層内の孔をいう。坑井は、実質的に環状の断面、又は他の断面形状を持っていてよい。本明細書で用いられる用語「井（井戸を意味する）」及び「開口」は、地層内の開口をいう場合には、用語「坑井」と互換可能に使用できる。

図１は、炭化水素含有地層を処理するための現場熱処理システムの一部の実施態様についての概略図を表す。現場熱処理システムには、バリヤー井２００が含まれてもよい。バリヤー井は、処理領域の周りにバリヤーを形成するのに用いられる。バリヤーは、処理領域中への、及び／又はその外の流体の流れを防止する。バリヤー井としては、限定されるものではないが、排水井、減圧井、捕捉井、注入井、グラウト井、凍結井、又はそれらの組合せが挙げられる。幾つかの実施態様においては、バリヤー井２００は、排水井である。排水井は、液体水を除去するか、及び／又は液体水が、加熱すべき地層の一部に、又は加熱される地層に入るのを防止できる。図１に表す実施態様においては、バリヤー井２００は、熱源２０２の一方の側に沿ってのみ伸びて示されるが、バリヤー井は、地層の処理領域を加熱するため、一般には用いられるか、又は用いるべき全熱源２０２を包囲する。

熱源２０２は、地層の少なくとも一部に配置される。熱源２０２には、絶縁導体、導管内導体ヒーター、表面バーナー、無炎分配型燃焼器、及び／又は自然分配型燃焼器などのヒーターが含まれてもよい。熱源２０２にはまた、他のタイプのヒーターが含まれてもよい。熱源２０２は、地層の少なくとも一部に熱を供給して、地層内の炭化水素を加熱する。エネルギーは、供給ライン２０４を通って熱源２０２に供給してよい。供給ライン２０４は、地層を加熱するのに用いられる熱源のタイプによって、構造的に異なってもよい。熱源の供給ライン２０４は、電気ヒーターのための電気を送ってもよいか、燃焼器の燃料を輸送しても、又は地層内で循環される熱交換流体を輸送してもよい。幾つかの実施態様においては、現場熱処理プロセスの電気は、原子力プラントによって供給されてもよい。原子力の使用により、現場熱処理プロセスからの二酸化炭素排出を低下又は排除することが可能である。

地層を加熱する場合には、地層内への熱入力は、地層の膨張及び地力学的運動を引き起こしてもよい。熱源は、脱水プロセスの前に、それと同時に、又はそれを通じて作動される。コンピューターシミュレーションにより、加熱に対する地層応答をモデル化してもよい。コンピューターシミュレーションは、熱源を地層内で作動するパターン及び時系列を開発するのに用いてもよく、こうして地層の地力学的運動は、熱源、生産井、及び地層内の他の装置の機能性に有害な影響を及ぼさない。

地層の加熱により、地層の浸透性及び／又は多孔性の増大が生じてもよい。浸透性及び／又は多孔性の増大は、水の気化及び除去、炭化水素の除去、及び／又は破断の発生による地層の質量の減少に起因し得る。流体は、地層の浸透性及び／又は多孔性の増大により、一層容易に、地層の加熱部分において流動させてよい。地層の加熱部分における流体は、増大した浸透性及び／又は多孔性のため、地層を通ってかなりの距離を移動できる。この距離は、種々の要因（地層の浸透性、流体の特性、地層の温度、及び流体の移動を可能にする圧力勾配など）によって、１０００ｍを超えてよい。地層内でかなりの距離を移動する流体の能力により、生産井２０６は、地層内で比較的遠く離れて間隔をおくことが可能となる。

生産井２０６は、地層流体を地層から除去するのに用いられる。幾つかの実施態様においては、生産井２０６には、熱源が含まれる。生産井内の熱源は、生産井で、又はその付近で、地層の１つ以上の部分を加熱してもよい。幾つかの現場熱処理プロセスの実施態様においては、（生産井から地層に供給される熱量）／（生産井のメートル）は、（地層を加熱する熱源から地層に適用される熱量）／（熱源のメートル）より少ない。生産井から地層に適用される熱は、生産井に隣接する液体相流体を気化及び除去することによって、及び／又は生産井に隣接する地層の浸透性を、マクロ及び／又はミクロの破断の形成により増大することによって、生産井に隣接する地層の浸透性を増大してもよい。

１つ以上の熱源が、生産井内に配置されてもよい。生産井の低部部分の熱源は、隣接する熱源からの熱の重なりが地層を十分に加熱して、地層を生産井により加熱することによって得られる利点を阻害する場合には、遮断してもよい。幾つかの実施態様においては、生産井の上部部分の熱源は、生産井の低部部分の熱源が失効した後に、そのままであってもよい。井の上部部分の熱源は、地層流体の凝縮及び還流を防止できる。

幾つかの実施態様においては、生産井２０６の熱源により、地層からの地層流体の気相除去が可能となる。生産井で、又は生産井を通って加熱を行うと、（１）これらの生産流体がオーバーバーデン近傍の生産井内を移動している場合には、生産流体の凝縮及び／又は逆流が防止できる、（２）地層中への熱入力を増大できる、（３）生産井からの生産速度を、熱源を用いない生産井に比較して増大できる、（４）生産井における高炭素数化合物（Ｃ_６以上）の凝縮を防止できる、及び／又は（５）生産井で、又は生産井近傍で地層の浸透性を増大できる。

地層内の地下圧力は、地層内に生じた流体圧力と一致してもよい。地層の加熱部分における温度が増大するにつれて、流体の生成及び水の気化が増大する結果として、加熱部分における圧力は増大してもよい。地層からの流体除去速度を制御することにより、地層内の圧力の制御が可能である。地層内の圧力は、多数の異なる位置（生産井付近又は生産井、熱源付近又は熱源、又は監視井など）で、測定してよい。

幾つかの炭化水素含有地層においては、地層からの炭化水素の生産は、地層内の少なくとも若干の炭化水素が熱分解されるまで抑制される。地層流体が選択された品質を有する場合には、地層流体は地層から生産してもよい。幾つかの実施態様においては、選択された品質には、少なくとも２０°、３０°、又は４０°のＡＰＩ比重が含まれる。少なくとも若干の炭化水素が熱分解されるまで生産を抑制することにより、重質炭化水素の軽質炭化水素への転化が増大できる。初期の生産を抑制することにより、地層からの重質炭化水素の生産が最小化できる。相当量の重質炭化水素の生産は、高価な設備を必要とするか、及び／又は生産設備の寿命を低下するかも知れない。

幾つかの炭化水素含有地層においては、地層の加熱部分で実質的な浸透性が生じる前に、地層内の炭化水素を熱分解温度に加熱してもよい。初期の浸透性不足は、生産井２０６への生成流体の輸送を防止できる。初期の加熱中、地層内の流体圧力は、熱源２０２近傍で増大してもよい。増大した流体圧力は、１つ以上の熱源２０２を通して、解放するか、監視するか、変化するか、及び／又は制御してよい。例えば選択された熱源２０２、又は異なる圧力開放井には、若干の流体を地層から除去できる圧力解除バルブが含まれてもよい。

幾つかの実施態様においては、熱分解流体、又は地層内で生成した他の流体の膨張によって生じる圧力は、生産井２０６への開口通路、又はいかなる他の圧力シンクも依然として地層内に存在しないけれども、増大させてもよい。流体圧力は、地盤圧力に向けて増大させてもよい。炭化水素含有地層内の破砕は、流体が地盤圧力に近づいた際に形成してもよい。例えば破砕は、地層の加熱部分において、熱源２０２から生産井２０６まで若干解放できる。地層内の圧力は、不必要な生産、オーバーバーデン又ハンダバーデンの破砕、及び／又は地層における炭化水素のコーキングを防止するため、選択された圧力未満に保持する必要があるかも知れない。

熱分解温度に達し、地層からの生産が可能になった後、地層内の圧力は、生産された地層流体の組成が変更及び／又は制御するため、地層流体中の非凝縮性流体に比較して凝縮性流体の％割合を制御するため、及び／又は生産中の地層流体のＡＰＩ比重を制御するため、変化させてもよい。例えば、圧力の低下により、更に多くの凝縮性流体成分が生産されてもよい。凝縮性流体成分は、オレフィンを大きな％割合で含んでもよい。

幾つかの現場熱処理プロセスの実施態様においては、地層内の圧力は、ＡＰＩ比重２０°超を有する地層流体の生産を促進するのに十分に高く、保持してよい。増大した圧力を地層内で保持することにより、現場熱処理における地層の沈下が防止できる。増大した圧力を保持することにより、地層からの流体の気相生産が促進できる。気相生産により、地層から生産された流体を輸送するのに用いられる収集導管のサイズ低下が可能である。増大した圧力を保持することにより、地層流体を表面で圧縮する必要性を低下又は回避でき、流体は収集導管で処理設備に輸送される。

増大した圧力を地層の加熱部分で保持することにより、意外にも、品質の向上及び比較的低分子量を有する多量の炭化水素の生産が可能である。圧力は、生産された地層流体が、選択された炭素数を超える化合物を最少量有するように、保持できる。選択された炭素数は、最大で２５、最大で２０、最大で１２、又は最大で８であってよい。高炭素数の幾つかの化合物は、地層内の蒸気に混入されてもよく、蒸気と共に地層から除去されてもよい。増大圧力を地層内で保持することにより、高炭素数の化合物及び／又は多環炭化水素化合物が蒸気に混入することが防止できる。高炭素数の化合物及び／又は多環炭化水素化合物は、かなりの時間の間、液相で地層内にあってもよい。かなりの時間は、化合物が、熱分解して、低炭素数の化合物を形成するのに十分な時間であってよい。

比較的低分子量の炭化水素の生成は、一部は、炭化水素含有地層の一部における自己生成及び水素反応によると考えられる。例えば、増大圧力を保持することにより、熱分解中に生成した水素を地層内の液相中に推進できる。この部分を熱分解温度範囲の温度に加熱することにより、地層内の炭化水素が熱分解して、液相の熱分解流体が生成してもよい。生成した液相の熱分解流体成分には、二重結合及び／又は遊離基が含まれてもよい。液相中の水素（Ｈ_２）は、生成した熱分解流体の二重結合を低下し、こうして生成した熱分解流体からの長鎖化合物の重合又は形成の可能性は低くなる。更にＨ_２は、生成した熱分解流体中の遊離基を中和してもよい。したがって、液相中のＨ_２は、生成した熱分解流体が地層内で互いに、及び／又は他の化合物と反応するのを防止できる。

生産井２０６から生産される地層流体は、収集配管２０８を通って処理設備２１０に輸送してもよい。また地層流体は熱源２０２から生産してもよい。例えば、流体は、熱源２０２から生産して、熱源に隣接する地層内の圧力を制御してもよい。熱源２０２から生産される流体は、管又はパイプを通って、収集配管２０８へ輸送してもよいし、又は生産された流体は、管又はパイプを通って、直接に処理設備２１０へ輸送してもよい。処理設備２１０には、分離装置、反応装置、品質向上装置、燃料電池、タービン、貯蔵槽、及び／又は生産された地層流体を処理するための他のシステム及び装置が含まれてよい。処理設備は、地層から生産された炭化水素の少なくとも一部から、輸送燃料を形成してもよい。

温度制限ヒーターは、特定の温度でヒーターの自動温度制限特性を付与する配置構造（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）であってよい、及び／又はそのような材料を含有してよい。特定の実施態様においては、強磁性材料が温度制限ヒーターで用いられる。強磁性材料は、時間変動電流を材料に適用する際、材料のキュリー温度で、又はその近くで、低下した量の熱を供給するため、材料のキュリー温度、又はその付近の温度に自己限定できる。特定の実施態様においては、強磁性材料は、ほぼキュリー温度である選択された温度で、温度制限ヒーターの温度を自己限定する。特定の実施態様においては、選択された温度は、キュリー温度の３５℃以内、２５℃以内、２０℃以内、又は１０℃以内である。特定の実施態様においては、強磁性材料は、種々の電気的及び／又は機械的特性を付与するため、他の材料（例えば、高導電性材料、高強度材料、耐腐食性材料、又はそれらの組合せ）と結合される。温度制限ヒーターの幾つかの部分は、温度制限ヒーターの他の部分より低い抵抗（異なる幾何形状によって、及び／又は異なる強磁性及び／又は非強磁性材料を用いることによって生じる）を持っていてよい。種々の材料及び／又は寸法を有する温度制限ヒーターの部分を有することにより、ヒーターの各部分からの所望の熱出力を調整することが可能である。

温度制限ヒーターは、他のヒーターよりも信頼性があってよい。温度制限ヒーターは、地層内のホットスポットにより破損又は故障する傾向が一層少なくてもよい。幾つかの実施態様においては、温度制限ヒーターにより、地層を実質的に均一加熱することが可能である。幾つかの実施態様においては、温度制限ヒーターは、ヒーターの全長に沿って、更に高い平均熱出力で作動させることにより、地層を一層効果的に加熱することができる。温度制限ヒーターは、ヒーターの全長に沿って、一層高い平均熱出力で作動する。何故なら、ヒーターに対する出力は、ヒーターのいずれの点にも沿った温度が、ヒーターの最大作動温度を超えるか、又はそれを超えるべきである場合、全ヒーターに対して低下される必要がないからである（通常の一定ワット数のヒーターの場合である）。ヒーターのキュリー温度に近い温度制限ヒーターの部分からの熱出力は、自動的に、ヒーターに適用される時間変動電流を制御して調整することなく、低下する。熱出力は、自動的に、温度制限ヒーターの部分の電気特性（例えば、電気抵抗）の変化により低下する。したがって、加熱プロセスのより多くの部分において、一層多くの出力が温度制限ヒーターによって供給される。

特定の実施態様においては、温度制限ヒーターを含むシステムは、初期に、第一の熱出力を供給し、次いで、温度制限ヒーターを時間変動電流によって付勢（通電）する際、ヒーターの電気抵抗部分のキュリー温度の近くで、この温度で、又はこの温度を超える温度で、低下した熱出力（第二の熱出力）を供給する。第一の熱出力は、温度制限ヒーターが自己制限し始める温度未満での熱出力である。幾つかの実施態様においては、第一の熱出力は、温度制限ヒーターにおける強磁性材料のキュリー温度より低い温度５０℃、７５℃、１００℃、又は１２５℃での熱出力である。

温度制限ヒーターは、坑口で供給される時間変動電流（交流又は変調直流）によって通電（ｅｎｅｒｇｉｚｅ）してもよい。坑口には、出力源、及び温度制限ヒーターに電力を供給するのに用いられる他の要素（例えば、変調要素、変圧器、及び／又はコンデンサー）が含まれてもよい。温度制限ヒーターは、地層の一部を加熱するのに用いられる多くのヒーターの１つであってもよい。

特定の実施態様においては、温度制限ヒーターには、時間変動電流を導体に適用する際に、スキン効果又は近接効果のヒーターとして作動する導体が含まれる。スキン効果は、導体内部中への電流進入の深さを制限する。強磁性材料については、スキン効果は、導体の透磁性によって抑制される。強磁性材料の相対透磁性は、一般には、１０〜１０００である（例えば、強磁性材料の相対透磁性は、一般には少なくとも１０であり、少なくとも５０、１００、５００、及び１０００以上であってよい）。強磁性材料の温度が、キュリー温度超に上昇されるにつれて、及び／又は適用される電流が増大されるにつれて、強磁性材料の透磁性は、実質的に低下し、進入厚さは、急速に拡大する（例えば、進入厚さは、透磁性の逆平方根として拡大する）。透磁性の低下により、キュリー温度の近くで、その温度で、又はその温度超で、及び／又は適用された電流が増大されるにつれて、導体のＡＣ又は変調ＤＣ抵抗の低下が生じる。温度制限ヒーターが実質的に一定の電源によって出力される場合には、キュリー温度に近づくか、その温度に達するか、又はその温度超にあるヒーターの部分は、熱の放散（放熱）が低下してもよい。キュリー温度又はその温度近くにない温度制限ヒーターの区域は、スキン効果加熱によって抑制（ｄｏｍｉｎａｔｅ）されてもよい。これにより、ヒーターに、更に高い抵抗負荷による高い放熱を与える。

キュリー温度ヒーターは、ハンダ付け器具、医療用途のヒーター、及びオーブンの加熱要素（例えば、ピザオーブン）に用いられてきた。これらの用途のいくつかは、米国特許第５，５７９，５７５号明細書（Ｌａｍｏｍｅら）、米国特許第５，０６５，５０１号明細書（Ｈｅｎｓｃｈｅｎら）、及び米国特許第５，５１２，７３２号明細書（Ｙａｇｎｉｋら）に開示され、米国特許第４，８４９，６１１号明細書（Ｗｈｉｔｎｅｙら）には、複数の別々の間隔をおいた加熱装置（反応要素、抵抗加熱要素、及び温度応答要素を含む）が記載される。

地層内の炭化水素を加熱するのに温度制限ヒーターを用いることの利点は、導体が、キュリー温度を、所望の温度操作範囲内に有するように選択されることである。所望の操作温度範囲内での操作により、層内への実質的な熱の注入が可能であり、一方、温度制限ヒーターの温度が保持され、他の装置が設計制限温度未満に保持される。設計制限温度は、腐食、クリープ、及び／又は変形などの特性が有害な影響を及ぼされる温度である。温度制限ヒーターの温度制限特性は、地層内の低い熱導電性の「ホットスポット」に隣接するヒーターの過熱及び焼損を防止する。幾つかの実施態様においては、温度制限ヒーターは、熱出力を低下又は制御することができるか、及び／又はヒーターで用いられる材料によって、２５℃超、３７℃超、１００℃超、２５０℃超、５００℃超、７００℃超、８００℃超、９００℃超、又はそれ以上から１１３１℃までの温度で、熱に耐えることができる。

温度制限ヒーターは、一定ワットのヒーターより、地層中へ一層多くの熱注入を可能にする。何故なら、熱制限ヒーターへのエネルギー入力は、ヒーターに隣接する低熱導電性領域を調節するのに制限される必要がないからである。例えば、Ｇｒｅｅｎ Ｒｉｖｅｒオイルシェールにおいては、最低品位のオイルシェール層及び最高品位のオイルシェール層の熱伝導性に、少なくとも係数３の差が存在する。これらの地層を加熱する場合には、実質的に更に多量の熱は、低熱導電性層において温度によって制限される従来のヒーターを用いるより、温度制限ヒーターを用いて、地層に移動される。従来のヒーターの全長に沿った熱出力は、ヒーターが低熱電導性層で過熱し、かつ焼損しないように、低い熱導電性層を調節する必要がある。高温にある低熱導電性層に隣接する熱出力は、温度制限ヒーターに対して低下する。しかし、高温にない温度制限ヒーターの残り部分は、依然として、高い熱出力を与える。炭化水素地層を加熱するためのヒーターは、一般には、長い長さ（例えば、少なくとも１０ｍ、１００ｍ、３００ｍ、５００ｍ、１ｋｍ、又はそれ以上から１０ｋｍまで）を有することから、温度制限ヒーターの長さの大部分は、キュリー温度未満で作動していてもよく、一方僅かな部分のみが、温度制限ヒーターのキュリー温度、又はその温度近くにある。

温度制限ヒーターの使用により、熱を、効果的に地層に移動することが可能である。効果的な熱の移動により、地層を所望の温度に加熱するのに必要とされる時間の低下が可能にされる。例えば、Ｇｒｅｅｎ Ｒｉｖｅｒオイルシェールにおいては、熱分解は、一般に、従来の一定ワット数のヒーターを用いる１２ｍのヒーター井間隔を用いる場合には、９．５年〜１０年の加熱を必要とする。同じヒーター間隔については、温度制限ヒーターは、一層大きな平均熱出力を可能にしてもよく、一方ヒーター装置の温度が、装置の設計制限温度未満に保持される。地層内の熱分解は、一定ワット数のヒーターによって供給されるより低い熱出力より、温度制限ヒーターによって供給されるより大きな平均熱出力を用いて、更に早い時期に生じてもよい。例えば、Ｇｒｅｅｎ Ｒｉｖｅｒオイルシェールにおいては、熱分解は、１２ｍヒーター井間隔による温度制限ヒーターを用いて、５年で生じてもよい。温度制限ヒーターは、不正確な坑井間隔、又はヒーター井が互いに近すぎる掘さくによる、ホットスポットを相殺する。特定の実施態様においては、温度制限ヒーターは、間隔が離れすぎているヒーター井に対して経時と共に増大した出力を可能にするか、又は互いに近すぎる間隔のヒーター井に対して出力を制限することを可能にする。温度制限ヒーターはまた、オーバーバーデン及びアンダーバーデンに隣接する領域に、更に多くの出力を供給して、これらの領域における温度損失を補う。

温度制限ヒーターは、好都合に、多くのタイプの地層で用いてよい。例えば、タールサンド地層、又は重質炭化水素を含む比較的浸透性の地層においては、温度制限ヒーターは、流体の粘度を低下するか、流体を易動性にするか、及び／又は坑井又はその近くの、もしくは地層内の流体の放射状流を増大するために、制御可能な低温出力を付与するのに用いてよい。温度制限ヒーターは、地層の近傍坑井領域の過熱による過度のコークス形成を防止するのに用いてもよい。

温度制限ヒーターの使用により、幾つかの実施態様においては、高価な温度制御回路の必要性が排除されるか、又は低下される。例えば、温度制限ヒーターの使用により、温度記録を行う必要性、及び／又はホットスポットで起こり得る過熱を監視するのにヒーターの固定熱電対を使用する必要性が、排除されるか、又は低下される。

幾つかの実施態様においては、温度制限ヒーターは、オーステナイト系ステンレス鋼から製造される。これらのオーステナイト系鋼には、主要相である面心立方（ｆｃｃ）オーステナイト相を有する合金が含まれてもよい。ｆｃｃオーステナイト相は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ及び／又はＦｅ_１８Ｃｒ_８−Ｎｉ濃度を制御することによって安定化されてもよい。オーステナイト系相の強度は、他の合金をｆｃｃ格子に組込むことによって増大されてもよい。低温用途については、強度は、ｆｃｃ格子の強度を増大する合金元素を添加することによって上昇させてもよい。このタイプの強化は、「固溶体強化」といわれてもよい。使用温度が増大されるにつれて、しかし、オーステナイト相中の合金元素は、反応して、Ｍ_２３Ｃ_６などの新規相を形成してもよい。ここで、Ｍとしては、クロム、及び炭化物を形成することができる他の元素が挙げられる。他の相は、周期律表の欄４〜１３からの元素を含むオーステナイトに形成してもよい。これらの元素の例としては、限定されるものではないが、ニオブ、チタン、バナジウム、タングステン、アルミニウム、又はそれらの混合物が挙げられる。所望の使用温度範囲における種々の相のサイズ及び分布、並びにそれらの安定性は、ステンレス鋼の機械的特性を決定する。炭化物などの沈殿のナノ規模の分散は、高温で最高強度をもたらすことができる。しかし、炭化物の大きさにより、炭化物は、不安定になってもよく、かつ粗粒化してもよい。ナノ規模の沈殿の分散を含む合金は、少なくとも７５０℃の温度で不安定であってもよい。ヒーターは、地下地層を、少なくとも７００℃の温度に加熱してもよいことから、少なくとも７００℃の温度に耐えることができる改良された強度の合金を有するヒーターが望ましい。

幾つかの実施態様においては、鉄、クロム、及びニッケル合金（マンガン、銅、及びタングステンを、ニオブ、炭素、及び窒素との組合せで含む）は、高温溶液焼鈍又は処理にも関わらず、更に細かい細粒サイズを保持してもよい。これらの挙動は、溶接材料中の熱影響域を低下するという点で、好都合かも知れない。更に高い溶液焼鈍温度は、最良の金属炭化物（ＭＣ）ナノ炭化物を達成するのに特に重要である。例えば、炭化ニオブナノ炭化物は、高温クリープ使用中に強化する。これらの効果は、改良合金の組成によって増幅される（安定な、更に細かいナノ炭化物構造）。改良合金の組成物を含み、鍛錬処理された管及び吸収缶の利用すると、７００℃〜８００℃での使用中に、時効（ａｇｅ）硬化できるかも知れないステンレス鋼が得られる。改良合金は、合金が、高温使用の前に、低温歪み加工される場合に、更に多く時効硬化できてもよい。しかし、これらの低温予歪み加工は、良好な高温特性又は時効硬化には必要ではない。ある先行技術の合金（ＮＦ７０９など）は、良好な高温クリープ特性を達成するのに低温予歪み加工を必要とする。これは、これらの合金が溶接された後に、溶接熱影響域における低温予歪み加工の利点が失われることから、特に不利益である。他の先行技術の合金は、高温強度及び長期耐久性に関して、低温予歪み加工によって有害な影響を受ける。したがって、低温予歪み加工は、例えば建築規則によって制限されるか、又は許可されなくてもよい。

新規合金組成物の幾つかの実施態様においては、合金は、例えば２０パーセントの冷間加工をされてもよく、降伏強度（８００℃）は、新規焼鈍合金の降伏強度（８００℃）から２０パーセント超だけ変化されない。

本明細書に記載される改良合金は、低温適用、例えば極低温適用に適切である。温度例えば−５０℃〜−２００℃において強度及び十分な靭性を有する改良合金はまた、極低温適用でしばしば用いられる多くの合金（２０１ＬＮ及びＹＵＳ１３０など）より、更に高温で強度を保持する。したがって、液化天然ガスなどの使用については、故障により火災が起きてもよい場合には、改良合金は、他の材料よりも長く、火災近傍で強度を保持する。

改良合金組成物には、クロム１８重量％〜２２重量％、ニッケル５重量％〜１３重量％（幾つかの実施態様においては、ニッケル５重量％〜９重量％）、銅１重量％〜１０重量％（幾つかの実施態様においては、銅２重量％超〜６重量％）、マンガン１重量％〜１０重量％、ケイ素０．３重量％〜１重量％、ニオブ０．５重量％〜１．５重量％、タングステン０．５重量％〜２重量％が含まれてもよく、残りは、本質的に鉄である（例えば、鉄４７．８重量％〜６８．１２重量％）。組成物には、幾つかの実施態様においては、他の成分（例えば、モリブデン０．３％〜１％、炭素０．０８％〜０．２％、窒素０．２％〜０．５％、又はそれらの混合物）が含まれてもよい。鋼中に通常存在する他の不純物又は少量成分も存在してよい。これらの改良合金は、高温変形、低温変形、及び／又は、例えばケーシング、吸収缶、又はヒーターの強力部材への溶接によって処理される場合に、有用であってもよい。幾つかの実施態様においては、改良合金には、クロム２０重量％、銅３重量％、マンガン４重量％、モリブデン０．３重量％、ニオブ０．７７重量％、ニッケル１３重量％、ケイ素０．５重量％、タングステン１重量％、炭素０．０９重量％、及び窒素０．２６重量％が含まれ、残りは、本質的に鉄である。特定の実施態様においては、改良合金には、クロム１９重量％、マンガン４．２重量％、モリブデン０．３重量％、ニオブ０．８重量％、ニッケル１２．５重量％、ケイ素０．５重量％、炭素０．０９重量％、窒素０．２４重量％が含まれ、残りは、本質的に鉄である。特定の実施態様においては、改良合金には、クロム約２１重量％、銅約３重量％、マンガン約８重量％、モリブデン約０．３重量％、ニオブ約０．８重量％、ニッケル約７重量％、ケイ素約０．５重量％、タングステン約１重量％、炭素約０．１３重量％、及び窒素約０．３７重量％が含まれ、残りは、本質的に鉄である。幾つかの実施態様においては、改良合金には、クロム２０重量％、銅４．４重量％、マンガン４．５重量％、モリブデン０．３重量％、ニオブ０．８重量％、ニッケル７重量％、ケイ素０．５重量％、タングステン１重量％、炭素０．２４重量％、窒素０．３重量％が含まれ、残りは、本質的に鉄である。幾つかの実施態様においては、改良合金は、マンガンの量、ニッケルの量、Ｗ／Ｃｕ比、Ｍｏ／Ｗ比、Ｃ／Ｎ比、Ｍｎ／Ｎ比、Ｍｎ／Ｎｂ比、Ｍｎ／Ｓｉ比、及び／又はＭｎ／Ｎｉ比を変動させて、高温硫化に対する耐性が高められ、高温強度が増大され、及び／又はコストが低下されてもよい。例えば、安定な親オーステナイト相、高強度（６００℃〜９００℃）、及び安定なナノ炭化物及びナノ窒化炭素の微細構造を有する改良鍛錬合金については、改良鍛錬合金には、次の比（重量％を用いる）が達成されるように、改良鍛錬合金中に存在する合金元素の組合せが含まれてもよい。即ち、ａ）Ｍｏ／Ｗ−０．３〜０．５；ｂ）Ｗ／Ｃｕ−０．２５〜０．３３；ｃ）Ｃ／Ｎ−０．２５〜０．３３；ｄ）Ｍｎ／Ｎｉ−０．３〜１．５；ｅ）Ｍｎ／Ｎ−２０〜２５；ｆ）Ｍｎ／Ｎｂ−５〜１３；及びｇ）Ｍｎ／Ｓｉ−４〜２０であり、炭素＋窒素は、０．３重量％〜０．６重量％である。

改良鍛錬合金組成物には、先の段落に記載した組成物、及び米国特許第７，１５３，３７３号明細書に開示される組成物が含まれてもよい。改良鍛錬合金組成物には、８００℃で沈殿の少なくとも３．２５重量％が含まれてもよい。改良鍛錬合金組成物は、熟成又は熱間加工によって、及び／又は冷間加工によって処理されてもよい。これらの熟成又は熱間加工、及び／又は冷間加工の結果として、改良鍛錬合金組成物（例えば、ＮｂＣ、Ｃｒ−高濃度Ｍ_２３Ｃ_６）は、ナノ窒化炭素の沈殿を含んでもよい。これらのナノ窒化炭素の沈殿は、米国特許第７，１５３，３７３号明細書に開示されるものなどの鋳造組成物中に存在することが知られておらず、組成物の熱間加工及び／又は冷間加工時に形成されると考えられる。ナノ窒化炭素の沈殿には、寸法５ナノメートル〜１００ナノメートル、１０ナノメートル〜９０ナノメートル、又は２０〜８０ナノメートルを有する粒子が含まれてもよい。これらの鍛錬合金は、限定されるものではないが、ナノ炭化物（例えばＮｂＣ、Ｃｒ−高濃度Ｍ_２３Ｃ_６）を含む微細構造を持っていてよい。これは、熟成（応力なし）又はクリープ（応力＜０．５降伏応力（ＹＳ））中に形成する。ナノ炭化物の沈殿には、寸法５ナノメートル〜１００ナノメートル、１０ナノメートル〜９０ナノメートル、又は２０ナノメートル〜８０ナノメートルを有する粒子が含まれてもよい。微細構造は、天然合金組成物及び鍛錬処理の詳細の両方の結果であってもよい。溶液焼鈍材料においては、これらのナノ規模粒子の濃度は低くてもよい。ナノ規模粒子は、溶液焼鈍温度／時間（１１５０℃超では、更に長い焼鈍による、一層多くの更に細かい分散）によって、及び溶液焼鈍処理後の低温又は温間予歪み加工（冷間加工）によって影響されてもよい。低温予歪み加工は、ナノ炭化物の核化点として役立ち得る細粒内の転位網を作ってもよい。溶液焼鈍材料は、初期に、０％冷間加工を有する。曲げ、延伸、コイル化、圧延、又はスエージ加工は、例えば５〜１５％冷間加工を作ってもよい。降伏強度又はクリープ強度に対するナノ炭化物の効果は、転位−ピン止めに基づく強度を提供するものであってもよく、更に近くに間隔をおいて配置されたピン止め点（更に高い濃度、更に細かい分散）は、一層強い強度を提供する（粒子は、転位の登り又は滑りの障壁である）。

改良鍛錬合金には、ナノ窒化物（例えば、窒化ニオブクロム（ＮｂＣｒＮ））が、例えば８００℃で１０００時間熟成後、ナノ炭化物と一緒に母材中に含まれてもよい。ナノ窒化物の沈殿には、寸法５ナノメートル〜１００ナノメートル、１０ナノメートル〜９０ナノメートル、又は２０ナノメートル〜８０ナノメートルを有する粒子が含まれてもよい。窒化ニオブクロムは、分析電子顕微鏡を用いて、ニオブ及びクロムが豊富であるものとして、及び電子線回折によって正方窒化物相であるものとして同定されている（両炭化物は立方相）。Ｘ線エネルギー分散定量分析は、改良合金組成物について、これらのナノ規模の窒化物粒子が、ニオブ６３重量％、クロム２８重量％、及び鉄６重量％の組成物を有し、他の成分はそれぞれ、１．５重量％未満であってもよいことを示している。これらの窒化ニオブクロムは、類似の組成を有する熟成された鋳造ステンレス鋼中には認められず、鍛錬処理の直接の結果であることが明らかである。

幾つかの実施態様においては、改良鍛錬合金には、微細構造の混合物（例えば、ナノ炭化物及びナノ窒化物の混合物）が含まれてもよい。微細構造の混合物は、これらの合金組成物について、例えば、９００〜１０００℃などの高温で、改良された強度の原因となってもよい。幾つかの実施態様においては、改良合金は、８００℃で降伏強度３５ｋｐｓｉ超、又は３０ｋｐｓｉを持っていてよい。

幾つかの実施態様においては、改良合金は、鍛錬材料を製造するように処理される。処理には、次のものなどの工程が含まれてもよい。遠心鋳造パイプは、改良合金から鋳造されてもよい。或る区域は、鋳造から除去されてもよく、少なくとも１２５０℃の温度で、例えば３時間熱処理されてもよい。熱処理された区域は、少なくとも１２００℃の温度で、本来の厚さ（インチ）の約半分の厚さに高温圧延され、少なくとも１２００℃の温度で１５分間焼鈍され、次いでサンドブラストされてもよい。サンドブラストされた区域は、本来の鋳造厚の約１／３の厚さに冷間圧延されてもよい。冷間圧延された区域は、少なくとも１２５０℃の温度で、例えば１時間、例えばアルゴンカバーを有する空気中で焼鈍され、次いで最終的な更なる熱処理を、少なくとも１２５０℃の温度で１時間、アルゴンブランケットを有する空気中で付されてもよい。別のプロセスには、次のいかなるものも含まれてもよい。即ち、初期に、鋳造平板を、少なくとも１２００℃の温度で、例えば１−１／２時間均質化し、少なくとも１２００℃の温度で本来の鋳造厚の２／３に熱間圧延し、冷間圧延された平板を、少なくとも１２００℃の温度で１時間焼鈍するものである。改良合金は、例えば１２００℃で、例えばマンドレル直径２２．９ｍｍ（０．９インチ）及びダイ直径３４．３ｍｍ（１．３５インチ）を用いて押出し成形されて、良好な品質の管が製造できる。

鍛錬材料は、例えばレーザー溶接又はタングステンガスアーク溶接で溶接してよい。したがって、管は、平板を圧延し、継ぎ目を溶接することによって製造できる。

改良合金を更に高温（１２５０℃など）で焼鈍することにより、合金の特性を向上できる。更に高温では、一層多くの相が、溶液に進み、冷却時に相中に沈積する。これは、特性（高温クリープ及び引張強度など）に対し良い方向に寄与する。温度１２５０℃超（１３００℃など）での焼鈍は、好都合かも知れない。例えば、改良合金中に存在する計算された相は、１２００℃で改良合金中に存在する相とは異なって、１３００℃で０．０８％減少してもよい。したがって、冷却時に、一層有用な沈殿が、０．０８％形成されてもよい。改良合金は、従来の合金より優れた高温クリープ強度及び引張強度を持っていてよい。例えば、マンガン、窒素、銅、及びタングステンを含むニオブ安定化ステンレス鋼合金は、従来の合金（３４７Ｈなど）に比較して、向上するか、又は実質的に向上した高温クリープ強度及び引張強度を持っていてよい。

改良合金は、標準のステンレス鋼合金（Ｓｕｐｅｒ３０４Ｈなど）に比べて、高温（例えば、７００℃、８００℃、又は１０００℃超）で、増大した強度を持っていてよい。優れた高温クリープ破断強度（例えば、８００℃、９００℃、又は１２５０℃でのクリープ破断強度）は、（ａ）組成、（ｂ）高温処理によって誘導された安定な細粒微細構造、及び（ｃ）改良合金中の熟成誘導沈殿構造の結果として、向上できる。沈殿構造には、例えば、粒界を強化する微細炭化物、及び細粒内で強化する安定ナノ炭化物が含まれる。シグマ、ラーベス、Ｇ、及びカイ相以外の相の存在は、高温特性に寄与する。安定微細構造は、成分の適切な選択によって達成されてもよい。高温熟成誘導又はクリープ誘導微細構造は、最小のシグマ、ラーベス、及びカイ相を持っていてよいか、又は金属間シグマ、ラーベス、及びカイ相を全く持たなくてもよい。金属間シグマ、ラーベス、及びカイ相は、合金の強度特性を弱めてもよく、したがって一般に望ましくない。

８００℃では、改良合金には、微細炭化物、他の相、及び／又は安定な細粒微細構造（強度をもたらす）少なくとも３重量％又は少なくとも３．２５重量％が含まれてもよい。９００℃では、改良合金には、微細炭化物、他の相、及び／又は安定な細粒微細構造（強度を生じる）を少なくとも１．５重量％、少なくとも２重量％、少なくとも３重量％、少なくとも３．５重量％、又は少なくとも５重量％含有してよい。これらの値は、３４７Ｈ又はＳｕｐｅｒ３０４Ｈステンレス鋼合金における対応する値（９００℃）より高くてもよい。１２５０℃では、改良合金には、微細炭化物、他の相、及び／又は安定な細粒微細構造（強度を生じる）が少なくとも０．５重量％含まれてよい。得られた高重量％の、微細炭化物、他の相、及び／又は安定な細粒微細構造（強度を生じる）、並びにシグマ及びラーベス相の除外は、改良合金の優れた高温特性の原因であってよい。

改良合金に類似か、又はそれより優れた高温特性を有する合金は、高温での相挙動をモデル化し、例えば９００℃で、シグマ又はラーベス相以外の相少なくとも１．５重量％、少なくとも２重量％、又は少なくとも２．５重量％を保持する組成物を選択することによって誘導されてよい。例えば、安定な微細構造には、炭素量の約１０倍のニオブ量（重量％）、マンガン１重量％〜１２重量％、及び窒素０．１５〜０．５重量％が含まれてもよい。安定な微細構造の量を増大するため、銅及びタングステンが組成に含まれてもよい。改良合金の元素の選択により、種々の方法によって処理することが可能にされ、少なくとも１２５０℃の熱処理後でさえ、安定な細粒サイズが得られる。多くの先行技術合金は、これらの高温で焼鈍される場合には、実質的に粗粒化する傾向があるが、改良合金は、これらの高温処理によって向上されることができる。幾つかの実施態様においては、細粒サイズは、制御されて、望ましい高温引張及びクリープ特性が達成される。改良合金中の安定な細粒構造は、粒界の滑りを低下し、商業的に入手可能な合金に比較して、例えば６５０℃超の温度での更に良好な強度に対する寄与要因であってよい。以下に、非限定的な実施例を説明する。

合金相挙動のモデル化
異なる改良合金組成物の相挙動をモデル化して、物理特性に良い方向に寄与する相の増大量を含む組成物を求めた。Ｃｕ、Ｚ、Ｍ（Ｃ，Ｎ）、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）、及びＭ_２３Ｃ_６などの組成物は、Ｇ、シグマ、ラーベス、及びカイなどの相を脆化する相の量を最小化してよい。特定の成分を含むために他の理由があってもよい。例えば、ケイ素は、一般には、ステンレス鋼合金に含まれて処理特性が向上され、ニッケル及びクロムは、一般には、合金に含まれて耐腐食性が付与される。２つの成分が含まれて、同じ結果が達成されてもよい場合には、その際には、あまり高価でない成分が、好都合に含まれてもよい。例えば、マンガンが、性能を犠牲にすることなく、ニッケルと置換できる程度まで、このような置換は、合金のコストを現在の成分価格に低下できる。

以上の合金に類似の合金の全相含有量にょる効果は、次式によって近似することが見出された。
σ_ｒ＝１．０２３５（ＴＰＣ）＋５．５６０３
式中、σ_ｒは、８００℃、１０００時間に対するクリープ破断強度（キロポンド／平方インチ（ｋｓｉ））であり、ＴＰＣは、組成物に対して計算された全相含有量である。この推定値は、更に、ＴＰＣとして、Ｃｕ相、Ｚ相、Ｍ（Ｃ，Ｎ）相、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）相、及びＭ_２３Ｃ_６相（「望ましい相」）の量を単に算入することによって向上し、これに基づいて定数を計算した。この推定値に対する他の向上は、焼鈍温度及び８００℃で存在する望ましい相の間の差のみを用いることであってもよい。したがって、焼鈍過程で溶液中に進行しない成分は、考慮しなかった。何故なら、これら成分は、実質的に、高温で合金の強度に加わらないからである。例えば、焼鈍温度における平衡計算に基づいて存在するＣｕ相、Ｚ相、Ｍ（Ｃ，Ｎ）相、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）相、及びＭ_２３Ｃ_６相の量（８００℃で存在すると計算された量を除く）の間の差は、合金１重量％であってもよいか、もしくはそれは、合金の１．５重量％、又は合金の２重量％であることができ、良好な高温強度を有する合金が得られる。更に、焼鈍温度は、１２００℃であっても、或いは１２５０℃であっても、又は１３００℃であってもよい。

改良合金は、異なる金属の添加又は削減をモデル化して、合金の相含有量に対する金属の量変化による影響を求めることによって、更に理解できる。例えば、クロム２０重量％、銅３重量％、マンガン４重量％、モリブデン０．３重量％、ニオブ０．８重量％、ニッケル１２．５重量％、ケイ素０．５重量％、タングステン１重量％、炭素０．１重量％、及び元素窒素０．２５重量％の出発組成物を用いて、クロムの量を変動するモデル化により、図２によれば、８００℃でＭ_２３Ｃ_６、Ｍ（Ｃ，Ｎ）、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）、Ｚ、Ｃｕ、カイ、ラーベス、Ｇ、及びシグマの相が包含される。図２〜１２のそれぞれにプロットした、これらの相の量は、８００℃におけるこれらの相の計算量である。図２〜１２においては、曲線２２０はＭ_２３Ｃ_６に関し、曲線２２２はＭ_２（Ｃ，Ｎ）相に関し、曲線２２４はＺ相に関し、曲線２２６はＣｕ相に関し、曲線２２８はシグマ相に関し、曲線２３０はカイ相に関し、曲線２３２はＧ相に関し、曲線２３４はラーベス相に関し、曲線２３６はＭ（Ｃ，Ｎ）相に関する。

図２は、相の重量％：合金中のクロムの重量％を表す。図示のように、相２２０、２２２、２２４、及び２２６の重量％は、クロム２０重量％〜３０重量％で、比較的に一定のままであった。一方、シグマ相２２８は、クロム含有量２０．５重量％を超えて、直線的に増大した。したがって、モデル化から、合金のクロム含有量２０重量％〜２０．５重量％が好ましいかも知れない。

図３は、相の重量％：合金中のケイ素（Ｓｉ）の重量％を表す。図３に示されるように、合金のケイ素含有量を変動することにより、ケイ素１．２重量％超のレベルで出現するシグマ相２２８、及びケイ素１．４重量％含有量超で出現するカイ相２３０が得られた。Ｇ相２３２は、ケイ素１．６重量％超で出現し、ケイ素の重量％が増大と共に増大した。ケイ素の重量％の増大と共に、相２２０、２２２、及び２２４は、比較的に一定のままであり、Ｃｕ相２２６の若干の増大が予測された。シグマ相２２８、カイ相２３０、及びＧ相２３２の出現は、この合金におけるケイ素含有量１．２重量％未満が、好ましい可能性があることを示す。

図４は、形成された相の重量％：合金中のタングステンの重量％を表す。図４に示されるように、合金中のタングステンの重量％を変動することにより、タングステン１．４重量％で出現するシグマ相２２８が得られた。ラーベス相２３４は、タングステン１．５重量％で出現し、タングステンの重量％の増大と共に増大した。したがって、モデルは、この合金中のタングステン含有量１．３重量％未満が、好ましい可能性があることを予測する。

図５は、形成された相の重量％：合金中のニオブの重量％を表す。図５に示されるように、モデル化により、ニオブの重量％が合金中で増大するにつれて、合金のニオブ含有量が１．５５重量％に達するまで、Ｚ相２２４の重量％が直線方式で増大したことが予測された。ニオブ含有量が、０．１重量％から１．４重量％に増大するにつれて、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）相２２２は、明瞭に直線的に減少した。Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）相２２２の減少は、Ｚ相２２４、Ｃｕ相２２６、及びＭ_２３Ｃ_６相２２０の増大によって相殺された。合金中のニオブ１．５重量％超では、シグマ相２２８は急速に増大し、Ｚ相２２４は減少し、Ｍ_２３Ｃ_６相２２０は減少し、Ｍ（Ｃ，Ｎ）相２３６が出現した。したがって、合金中のニオブ含有量最大で１．５重量％は、相２２０、２２２、２２４、及び２２６の重量％を最大にするが、合金中に形成されるシグマ相２２８の重量％が最小化することを回避できる。合金を熱間加工可能にするためには、ニオブ少なくとも０．５重量％が望ましいことが見出された。したがって、幾つかの実施態様においては、合金は、ニオブ０．５重量％〜１．５重量％、又は０．８重量％〜１重量％を含む。

図６は、形成された相の重量％：炭素の重量％を表す。図６に示されるように、シグマ相２２８の重量％は、合金中の炭素の重量％が、０から０．０６重量％に増大するにつれて、減少すると予測された。Ｍ_２３Ｃ_６相２２０の重量％は、合金中の炭素の重量％が、最大で０．５に増大するにつれて、直線的に増大すると予測された。Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）相２２２、Ｚ相２２４、及びＣｕ相２２６は、炭素の重量％が、合金中で増大するにつれて、比較的一定のままであると予測された。シグマ相２２８が炭素０．０６重量％後に減少したことから、合金中の炭素含有量０．０６重量％〜０．２重量％が好都合かも知れない。

図７は、形成された相の重量％：窒素の重量％を表す。図７に示されるように、合金中の窒素含有量は、０重量％から０．１５重量％に増大し、シグマ相２２８の含有量は、７重量％から０重量％に減少し、Ｍ（Ｃ，Ｎ）相２３６の含有量は、１重量％から０重量％に減少し、Ｍ_２３Ｃ_６相２２０の含有量は、０重量％から１．９重量％に増大し、Ｚ相２２４の含有量は、０重量％から１．４重量％に増大した。合金中の窒素含有量０．１５重量％超では、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）相２２２が、出現し、合金中の窒素の含有量が増大するにつれて増大した。したがって、合金中の窒素含有量０．１５重量％〜０．５重量％は、好都合かも知れない。

図８は、形成された相の重量％：チタン（Ｔｉ）の重量％を表す。図８に示されるように、チタンの重量％の０．１９から１への変動は、合金中のシグマ相２２８の重量％の０から７．５への増大に寄与し得る。したがって、合金中のチタン含有量０．２重量％未満が、望ましいかも知れない。図示のように、チタンの含有量が、０重量％から０．２重量％に増大するにつれて、Ｍ（Ｃ，Ｎ）相２３６の重量％の増大が現れ、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）相２２２の重量％の減少が現れ、Ｚ相２２４の重量％の減少が現れた。Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）相２２２及びＺ相２２４の量の減少は、Ｍ（Ｃ，Ｎ）相２３６の重量％の増大を相殺すると思われる。したがって、合金におけるＴｉの含有は、合金の特性を向上する相の量の増大すること以外の目的に対するものであってよい。

図９は、形成された相の重量％：Ｃｕの重量％を表す。図９に示されるように、Ｍ_２３Ｃ_６相２２０、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）相２２２、及びＺ相２２４の重量％は、合金中の銅の重量％が増大するにつれて、実質的に変動しなかった。合金中の銅の含有量が２．５重量％超で増大する場合、Ｃｕ相２２６は実質的に増大した。したがって、幾つかの実施態様においては、合金中のＣｕ３重量％超を有することが望ましい。幾つかの実施態様においては、合金中の銅１０重量％は好都合である。

図１０は、形成された相の重量％：マンガンの重量％を表す。図１０に示されるように、合金中のマンガン含有量を変動することにより、顕著には、合金中の好都合な相Ｍ_２３Ｃ_６相２２０、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）相２２２、Ｚ相２２４及びＣｕ相２２６の重量％は、影響を及ぼされなかった。したがって、マンガンの量は、コスト低下のため、又は他の理由で、合金の高温特性に実質的に影響を及ぼすことなく、変動してもよく、合金のマンガン含有量の許容範囲は、２重量％〜１０重量％である。

図１１は、形成された相の重量％：ニッケルの重量％を表す。図１１に示されるように、合金のニッケル含有量が、８．４重量％を超えて増大するにつれて、シグマ相２２８の減少が観察された。合金のニッケル含有量が８重量％から１７重量％に増大するにつれて、Ｃｕ相２２６は、それが、１７重量％で消滅するまで、ほとんど直線的に減少し、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）相２２２の重量％の僅かな増大が予測された。モデルから、合金中のニッケル含有量１０重量％〜１５重量％は、又は他の実施態様においては、合金中のニッケル含有量１２重量％〜１３重量％は、シグマ相２２８の形成を回避してもよく、一方腐食特性の向上により、一層少ないＣｕ相２２６のいかなる有害な効果も相殺される。

図１２は、形成された相の重量％：モリブデンの重量％を表す。図１２に示されるように、Ｍ_２３Ｃ_６相２２０、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）相２２２、Ｚ相２２４、及びＣｕ相２２６の重量％は、合金中のモリブデンの重量％が変動されるにつれて、比較的一定のままであった。合金のＭｏ含有量が０．６５重量％を超えるにつれて、合金中のシグマ相２２８及びカイ相２３０の重量％は、実質的に、他の相への実質的な変化なしに増大した。したがって、合金中のモリブデンの含有量は、幾つかの実施態様においては、最大で０．５重量％に限定されてもよい。

合金の例
合金Ａ〜Ｎを、表１にしたがって調製した。測定された組成は、これらの測定値が入手可能である場合に、表１に含まれる。合金の全相含有量は、列記の組成に対して計算される。

ニオブの熱間加工の例
合金について、熱間加工能力を求めるために、表１の合金Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｋ、Ｌ、及びＭの試料を、試料１ポンドを、インゴット（２５．４ｍｍ×２５．４ｍｍ×１０１．６ｍｍ（１インチ×１インチ×４インチ））にアーク溶融することによって調製した。高温の頂部を切断し、下側の幾らかかの縮みを除去した後に、各試料を、１２００℃で１時間均質化し、次いで中間加熱により、１２００℃で、厚さ１２．７ｍｍ（０．５インチ）に熱間圧延した。試料を、次いで、６．３４ｍｍ（０．２５インチ）厚の平板に冷間圧延し、１２００℃で１時間減圧焼鈍した。

合金Ｄ（ニオブ０重量％）が熱間圧延された場合には、ひび割れし、１２．７ｍｍ（０．５インチ）厚への圧延を完成することができなかった。合金Ｌ（ニオブ０．１２重量％）は、熱間圧延されることができたが、ひび割れが、試料の端部から発生し、試料の中央に向けて進行した。これは、このような熱間圧延の後では、有用な材料ではないであろう。合金Ｍ（ニオブ０．５１％）は、ひび割れの発生又はいかなる他の問題もなしに、熱間圧延されることができた。他の試料は、上記された手順を用いて、いかなる問題もなしに処理され、ひび割れのない６．３５ｍｍ（０．２５インチ）の平板が得られた。合金組成物中のニオブ０．０７重量％でさえ、実質的に、熱間加工中にひび割れを発生するという合金の傾向を低下してもよいことが見出された。ニオブ少なくとも０．５重量％を有する合金は、鍛錬合金に組込んで、高温加工性などの特性を向上することができる。或る合金は、ニオブ０．５重量％〜１．２重量％、ニオブ０．６重量％〜１．０重量％、又はニオブ０．７重量％〜０．９重量％を含有して、合金特性を向上できる。

高温熱処理の例
表１からの合金Ａ及びＢの試料を、２つの異なる方法によって処理した。処理Ａには、温度１２００℃における熱処理及び焼鈍工程が含まれた。処理Ｂには、温度１２５０℃における熱処理及び焼鈍工程が含まれた。更に高い熱処理及び焼鈍温度を用いて、降伏強度及び極限引張強度の測定可能な向上が、２つの合金について、更に高い温度で処理した際に観察された。

温度１２００℃での処理は、次のように達成された。即ち、１５．２４ｃｍ（６インチ）ＩＤ×３．８１ｃｍ（１．５インチ）厚の遠心力鋳造管の切片を、温度１２００℃で１．５時間均質化し、切片を、次いで、１２００℃で、合金Ａについては２５．４ｃｍ（１インチ）厚へ、及び合金Ｂについては１．９１ｃｍ（３／４インチ）厚に熱間圧延し、室温への冷却後、相を、１２００℃で１５分間焼鈍し、平板を、次いで、厚さ１３．９７ｍｍ（０．５５インチ）に冷間圧延した。冷間圧延された平板を、アルゴンブランケット下に空気中で、１２００℃で１時間焼鈍した。この処理を、本明細書では処理Ａという。

更に高い熱処理及び焼鈍温度による処理は、鋳造平板を１２５０℃で１．５時間に替わる３時間で均質化することによって、上記の処理とは異なり、高温圧延を、１２００℃で、３８．１ｍｍ（１．５インチ）厚から１９．０５ｍｍ（０．７５インチ）厚へ行い、得られた平板を、１２００℃で１５分間焼鈍し、続いて１３．９７ｍｍ（０．５５インチ）厚に冷間圧延した。この処理を、本明細書では処理Ｂという。

図１３〜１７は、異なる金属について、降伏強度及び極限引張強度を表す。図１３においては、データ２３８は、処理Ａによって処理された合金Ａについて、降伏強度を示し、データ２４０は極限引張強度を示す。データ２４２は、処理Ｂによって処理された合金Ｂについて、降伏強度を示し、データ２４４は極限引張強度を示す。データ２４６は、３４７Ｈステンレス鋼について、降伏強度を示し、データ２４８は極限引張強度を示す。

図１４においては、データ２５０は、処理Ａによって処理された合金Ｇの降伏強度を示す。データ２５２及び２５４は、合金Ｈ及びＩの降伏強度を示す。データ２５６は、処理Ａによって処理された合金Ｂの降伏強度を示す。データ２５８は、処理Ｂによって処理された合金Ｂの降伏強度を示す。データ２４６は、３４７Ｈステンレス鋼の降伏強度を示す。

図１５においては、データ２６０は、処理Ａによって処理された合金Ｇの極限引張強度を示す。データ２６２及び２６４は、合金Ｈ及びＩの極限引張強度を示す。２６６は、処理Ａによって処理された合金Ｂの極限引張強度を示す。データ２６８は、処理Ｂによって処理された合金Ｂの極限引張強度を示す。データ２４８は、３４７Ｈステンレス鋼の極限引張強度を示す。

図１６においては、データ２７０及び２７２は、合金Ｊ及びＫの降伏強度を示す。データ２５６は、処理Ａによって処理された合金Ｂの降伏強度を示す。データ２５８は、処理Ｂによって処理された合金Ｂの降伏強度を示す。データ２４６は、３４７Ｈステンレス鋼の降伏強度を示す。

図１７においては、データ２７４及び２７６は、合金Ｊ及びＫの極限引張強度を示す。データ２６６は、処理Ａによって処理された合金Ｂの極限引張強度を示す。データ２６８は、処理Ｂによって処理された合金Ｂの極限引張強度を示す。データ２４８は、３４７Ｈステンレス鋼の極限引張強度を示す。

極限引張強度及び降伏強度の何れも、更に高温で処理された合金については、３４７Ｈステンレス鋼に比較して、更に大きい。３４７Ｈを超えるかなりの向上が、合金Ａ、Ｂ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、及びＫに対して見られる。例えば、合金Ａ、Ｂ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、及びＫは、試験温度１０００℃まで引張特性を保持した。降伏強度２０ｋｓｉが必要とされる適用については、合金Ａ、Ｂ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、及びＫは、少なくとも更なる２５０℃に対して、必要な降伏強度を与える。試験温度における降伏及び極限引張強度の間の５ｋｓｉの差については、合金Ａ、Ｂ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、及びＫは、３４７Ｈの単に８７０℃とは対照的に、温度９５０℃及び１０００℃で用いてもよい。

合金Ｂの試料（処理Ａ及び処理Ｂによって処理された）を、応力破断試験に付した。結果を、表２に示す。表２から、処理Ｂ（更に高い焼鈍温度を用いる）は、破断時間の向上４７％〜４７４％を示したことが判る。

冷間加工及び熟成後の高温降伏の例
処理Ｂによって処理された合金Ｂの試料を、２．５％、５％、及び１０％で冷間加工された後、及び冷間加工なしに、７５０℃で１０００時間熟成した。熟成の後、それぞれを、引張強度及び降伏強度について、７５０℃で試験した。結果を、表３に示す。表３から、降伏強度は、冷間加工及び高温熟成の結果として、実質的に増大したことが判る。極限引張強度（７５０℃）は、高温熟成及び冷間加工の結果として、ほんの僅かに減少した。焼鈍されたのみの試料、及び熟成されたのみの試料をまた、降伏強度及び極限引張強度について、室温で試験した。室温での降伏強度は、熟成の結果として、３０７ＭＰａから３１８ＭＰａに増大した。極限引張強度は、高温熟成の結果として、７２０ＭＰａから７１０ＭＰａに減少した。

これらの特性は、３４７Ｈなどの競合合金と比較できる。これは、単に（例えば）１０％冷間加工の結果として、実質的に、高温特性を失う。現場熱処理プロセスで有用な管及びヒーターの製作は、しばしば、それらの製作に冷間加工を必要とすることから、ある高温特性が向上すること、又は高温特性の実質的な減少が少なくともないことが、これらの特性を有する合金の実質的な利点であってもよい。これは、特に、これらの特性が高温熟成によって向上するか、又は少なくとも実質的に減少しない場合、利点であってもよい。

クリープの例
合金の試料を、酸素０．１％／窒素の試験雰囲気中で、８００℃で応力１００ＭＰａに付した。各試料を、先ず、１２００℃で１時間焼鈍した。表４は、破断時間、破断時の伸び、及び全相含有量を示す。その際、全相含有量は既知である。

改良合金Ｂの試料を、圧延処理し、管に圧延した。継目を溶接して、３１．７５ｍｍ（１．２５インチ）ＯＤパイプを形成した。次いでパイプを切断し、一緒に溶接して戻して、溶接強度を試験した。溶加材は、ＥＲＮｉＣｒＭｏ−３であった。溶接は、アルゴン遮蔽ガス、並びに予熱最小温度５０℃及び通過間最高温度３５０℃による３回通過を用いて行われた。クリープ破壊を、溶接されたパイプの切片について、４４．８ＭＰａ及び９００℃で試験した。破断時間４１時間が、応力５．５％での破壊で測定された。これは、溶接（溶接周りの熱影響領域を含む）が、実質的にベース合金より弱くなかったことを示す。

本発明の種々の態様について、更なる修正及び他の実施態様は、この説明に照らして、当業者には明白かも知れない。

したがって、この説明は、あくまでも例示として解されるものであり、当業者に、本発明を実行する一般的な方式を教示する目的に対するものである。本明細書に示され、かつ説明される本発明の形態は、現在好ましい実施態様として解釈されるものであることが、理解されるべきである。要素及び材料は、本明細書に例示かつ記載されるものについて置換えられてもよく、部品及び処理は逆転されてもよく、本発明の特定の特徴は独立に用いられてもよく、これは全て、本発明のこの説明の利点を有して、当業者には明白であろう。変更は、本明細書に記載される要件において、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなくなされてもよい。更に、特定の実施態様において、本明細書に記載される特徴を組合せてもよいことは、理解すべきである。

炭化水素含有地層を処理するための現場熱処理システムの一部について、実施態様の概略図を示す。 相の重量％：合金中のクロムの重量％の実験計算値を表す。 相の重量％：合金中のケイ素の重量％の実験計算値を表す。 相の重量％：合金中のタングステンの重量％の実験計算値を表す。 相の重量％：合金中のニオブの重量％の実験計算値を表す。 相の重量％：合金中の炭素の重量％の実験計算値を表す。 相の重量％：合金中の窒素の重量％の実験計算値を表す。 相の重量％：合金中のチタンの重量％の実験計算値を表す。 相の重量％：合金中の銅の重量％の実験計算値を表す。 相の重量％：合金中のマンガンの重量％の実験計算値を表す。 相の重量％：合金中のニッケルの重量％の実験計算値を表す。 相の重量％：合金中のモリブデンの重量％の実験計算値を表す。 異なる金属について、降伏強度及び極限引張強度を表す。 異なる金属について、降伏強度を表す。 異なる金属について、極限引張強度を表す。 異なる金属について、降伏強度を表す。 異なる金属について、極限引張強度を表す。

Claims (47)

1. クロム１８〜２２重量％、
   ニッケル５〜１３重量％、
   銅３〜１０重量％、
   マンガン１〜１０重量％、
   ケイ素０．３〜１重量％、
   ニオブ０．５〜１．５重量％、
   タングステン０．５〜２重量％、及び
   鉄３８〜６８重量％、
   を含む組成物。
2. 前記組成物は、８００℃で３５ｋｓｉを超える降伏強度を有する請求項１に記載の組成物。
3. 前記組成物は、焼鈍後、２０％の冷間加工の結果として、２０％未満変化した降伏強度（８００℃）を有する請求項１又は２に記載の組成物。
4. 元素状窒素０．２〜０．５重量％を更に含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の組成物。
5. モリブデン０．３〜１重量％を更に含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の組成物。
6. 更に、炭素０．０８〜０．２重量％を含む請求項１〜５のいずれか一項に記載の組成物。
7. 前記組成物は、ナノ窒化物の沈殿を含む請求項１〜６のいずれか一項に記載の組成物。
8. 前記ナノ窒化物の沈殿は、粒子を含み、これら粒子の大部分は、最大寸法５〜１００ｎｍを有する請求項７に記載の組成物。
9. 前記組成物は、ナノ炭化物の沈殿を更に含む請求項７に記載の組成物。
10. 前記ナノ炭化物の沈殿は、粒子を含み、これら粒子の大部分は、最大寸法５〜２００ｎｍを有する請求項７に記載の組成物。
11. 前記組成物は、８００℃における際に、沈殿を少なくとも３．２５重量％有する請求項１〜１０のいずれか一項に記載の組成物。
12. ８００℃で存在する前記沈殿の少なくとも２重量％は、Ｃｕ、Ｍ（Ｃ，Ｎ）、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）、又はＭ_２３Ｃ_６相である請求項１１に記載の組成物。
13. 前記組成物は、焼鈍温度で焼鈍され、かつ組成物は、焼鈍温度での場合よりも、８００℃において、少なくとも１．５重量％多いＣｕ、Ｍ（Ｃ，Ｎ）、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）、又はＭ_２３Ｃ_６相を含む請求項１１又は１２に記載の組成物。
14. 前記焼鈍温度は、少なくとも１２５０℃である請求項１３に記載の組成物。
15. 前記焼鈍温度は、１３００℃から組成物の融点の間にある請求項１３に記載の組成物。
16. 前記組成物は、８００℃における際に、沈殿を少なくとも４重量％有する請求項１〜１５のいずれか一項に記載の組成物。
17. 前記組成物は、８００℃における際に、沈殿の少なくとも８重量％を有する請求項１〜１６のいずれか一項に記載の組成物。
18. クロム１８〜２２重量％、
    ニッケル５〜９重量％、
    銅１〜６重量％、
    ニオブ０．５〜１．５重量％、
    マンガン１〜１０重量％、
    タングステン０．５〜１．５重量％、
    鉄３６〜７４重量％、及び
    ナノ窒化物の沈殿
    を含み、かつタングステン／銅比は約１／１０〜１０／１である組成物。
19. 前記銅／マンガン比が約１／５〜５／１である請求項１８に記載の組成物。
20. 前記ナノ窒化物の沈殿は、粒子を含み、これら粒子の大部分は、最大寸法５〜１００ｎｍを有する請求項１８又は１９に記載の組成物。
21. 前記組成物は、８００℃における際に、沈殿を少なくとも３．２５重量％有する請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の組成物。
22. 前記組成物は、８００℃における際に、沈殿の少なくとも４重量％を有する請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の組成物。
23. ８００℃で存在する前記沈殿の少なくとも２重量％は、Ｃｕ、Ｍ（Ｃ，Ｎ）、Ｍ_２（Ｃ，Ｎ）、又はＭ_２３Ｃ_６相である請求項１８〜２２のいずれか一項に記載の組成物。
24. 前記組成物は、少なくとも約１０％程度までの冷間加工が施されている請求項１８〜２３のいずれか一項に記載の組成物。
25. 前記組成物は、少なくとも約１０％程度までの熱間加工が施されている請求項１８〜２４のいずれか一項に記載の組成物。
26. 前記組成物は、高温熟成が施されている請求項１８〜２５のいずれか一項に記載の組成物。
27. 発熱体、及び
    少なくとも部分的に発熱体を取り囲む吸収缶、
    を含み、前記吸収缶は、
    クロム１８〜２２重量％、
    ニッケル５〜１４重量％、
    銅１〜１０重量％、
    ニオブ０．５〜１．５重量％、
    鉄３６〜７０．５重量％、及び
    ナノ窒化物の沈殿、
    を含む材料から少なくとも部分的に作製されるヒーターシステム。
28. 前記発熱体は電力発熱体である請求項２７に記載のヒーターシステム。
29. 前記発熱体は炭化水素燃料燃焼体である請求項２７又は２８に記載のヒーターシステム。
30. 管を含む地下地層を加熱するためのシステムであって、前記管は、
    クロム１８〜２２重量％、
    ニッケル１０〜１４重量％、
    銅１〜１０重量％、
    ニオブ０．５〜１．５重量％、
    鉄３６〜７０．５重量％、及び
    ナノ窒化物の沈殿、
    を含む材料から少なくとも部分的に作製される地下地層の加熱システム。
31. 加熱媒体システムを更に含み、加熱媒体が、管を通って循環されて、地下地層を加熱する請求項３０に記載のシステム。
32. 前記加熱媒体は、スチームを含む請求項３０又は３１に記載のシステム。
33. 前記加熱媒体は、二酸化炭素を含む請求項３０〜３２のいずれか一項に記載のシステム。
34. 前記加熱媒体は、ヘリウムとの熱交換によって表面で加熱される請求項３０〜３３のいずれか一項に記載のシステム。
35. 前記ヘリウムは、原子炉で加熱される請求項３４に記載のシステム。
36. 前記システムは、熱源として電力発熱体を更に含む請求項３０〜３５のいずれか一項に記載のシステム。
37. 前記管は、材料の圧延平板を溶接して管を形成することにより、製作される請求項３０〜３６のいずれか一項に記載のシステム。
38. 前記溶接は、レーザー溶接を含む請求項３７に記載のシステム。
39. 前記溶接は、ガスタングステンアーク溶接を含む請求項３７に記載のシステム。
40. クロム１８〜２２重量％、
    ニッケル１１〜１４重量％、
    銅３重量％以下、
    マンガン１〜１０重量％、
    ケイ素０．７５重量％以下、
    ニオブ０．５〜１．５重量％、及び
    タングステン０．５〜１．５重量％、
    を含む組成物であって、該材料は冷間加工されて鍛錬材料を形成できる該組成物。
41. 前記材料は、熱間加工できる請求項４０に記載の組成物。
42. 炭素０．０７〜０．１５重量％を更に含む請求項４０又は４１に記載の組成物。
43. 窒素０．２〜０．５重量％を更に含む請求項４０〜４２のいずれか一項に記載の組成物。
44. 鉄を更に含む請求項４０〜４２のいずれか一項に記載の組成物。
45. １つ以上のヒーターシステムを配置する工程であって、少なくとも１つの前記ヒーターシステムの一部は、請求項１〜２４のいずれか一項、及び／又は請求項４０〜４４のいずれか一項に記載の組成物から作製され、かつ少なくとも１つの前記ヒーターシステムは、請求項２３〜４０のいずれか一項に記載のヒーターシステムである該工程、及び
    １つ以上の前記ヒーターシステムからの熱で地下地層の少なくとも一部を加熱する工程、
    を含む、地下地層の加熱方法。
46. 前記地層内の少なくとも若干の炭化水素が易動性になる、及び／又は熱分解されるように前記地層に熱を与える工程を更に含む請求項４５に記載の方法。
47. 炭化水素の少なくとも一部を地層から生産する工程を更に含む請求項４５又は４６に記載の方法。