JPS6016697A - 炭化水素系地下資源の電気加熱用電極装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、炭化水素系地下資源の電気加熱用電極装置
に関するものであり、さらに詳しくいうと、地中に存在
する高粘度、低流動性の炭化・水素を井戸から採取する
に際して、炭化水素の流動性を高めるために、地下に存
在する炭化水素含有層に通電し、加熱するために使用す
る電気加熱用電極装置に関するものである。

地中に存在する高粘度低流動性の炭化水素の代表的なも
のに、一般にオイルサンドあるいはタールサンドと呼ば
れるものに含まれるビチューメン。

ならびにオイルシェールと呼ばれるものに含まれるケロ
ゲン等がある。これらのうち、現在、経済性の点から専
ら研究対象になっているのはオイルサンドである。地下
に存在する油層の加熱方法として現実に研究が進められ
ているのは、地下の油層に達する鋼製のケーシングを埋
設し、熱水あるいは高温高圧の水蒸気を注入する方法と
、油層部忙適当な間隔を保持して２個の電極を埋設し、
電極間に通電してジュール熱により加熱する方法である
。前者の方法は装置的には容易であるという長所がある
反面、効率が悪いという短所がある。

後者の方法は、効率的にはきわめて良好であるというこ
とが理論的あるいは実験的に認められているが、装置の
点できわめて難かしい問題があるという短所がある。

この発明は、後者の所謂電気加熱方法に使用する電極装
置に関するものである。電気加熱方法は単独では地中の
オイルサンドを採取することは不可能である。電気加熱
方法の場合、ケーシングの下部に管状の電極装置を設け
、通電によりオイルの粘性を低下させた後、一方のケー
シングを通じを通じてオイルを採取する方法がとられる
。

以下、理解を容易にするために、オイルサンドの存在状
態、採取方法を含め、電極装置に要求される特性につい
て説明する。オイルサンドは、カナダ、アメリカ合衆国
５ペネゼラ等に埋蔵が確認されている。オイルサンド中
のオイルは、砂の表面および砂と砂との間隙に塩水とと
もに存在しているが、きわめて粘度が高く、自然に存在
する状態では流動性を有しない。オイルサンドの層は峡
谷、川岸などで一部露出している他は、大部分地下２０
０−タθθｍの深さに数／θｍの厚さの層をなして存在
している。オイルサンドを掘り出し地上でオイルを分離
するのは、経済性および環境保護の面から制約を受ける
ため、地中よりオイルのみを取り出す必要がある。また
地中の浅い層からのオイルの採取は地層が陥没する危険
があるため、地下３θθｍ以下の層から採取するのが望
ましいとされている。

この通電によりオイルサンド層を加熱する電極装置とし
て最も大きな問題は、オイルサンド層の電気抵抗がオイ
ルサンド層上部の地層、すなわち、オイルサンド上層よ
り高いということである。場所その他の条件によりそれ
ぞれ異なるため一律に表示し難いが、因にその平均値を
示すと、オイルサンド層が１０００ｍであり、上部の地
層はｉ。

ＱｒｒＬである。そのため鋼管で造られたケーシングの
下端に電極を支持し、この電極の／対をオイルサンド層
に埋設して通電すると、電流の殆どが上部の地層部で消
費されることになる。この現象を避けるためには、地層
部にあるケーシング表面に絶縁被覆層を設けるか、ある
いは、電極をケーシングから絶縁した状態にする必要が
ある。

この発明は、後者の装置に関するもので、以下、この装
置について説明する。

この装置を模型的に示せば、第１図に示すように電極装
置が配置されている。すなわち、鋼管で作られたケーシ
ング／、ｌ／に絶縁部コ、／Ｊを介して電極３，１３が
支持され、電極３．ｔ、ｙには電流を送るケーブル％、
／４１が接続されて電極装置を構成している。Ｓは電源
装置、乙はオイルサンド層、７は電極３，１３の間の電
流、ｇは地表、９はオイルサンド上層、１０はオイルサ
ンド下層を示している。かかる装置により、オイルサン
ド層乙に埋設した電極、？　、　／　、？に地上の電源
装置ＳよりケーブルＦ、、／’％を通じて電圧が印加さ
れると、オイルサンド層乙中の電気抵抗に応じて電流７
が流れてジュール熱が発生し、オイルサンド層６が加熱
される。このとき電流７０１部はオイルサンド上層デお
よびオイルサンド下層／θへも流れるが、ケーシング／
、／／と電極Ｊ　＋　’　Ｊ間に絶縁部コ、／２が介在
するために、電流、７の洩れは小さく抑えられる。オイ
ルサンド層６が温まれば通電を止め、電極装置の一方の
ケーシングｌの上部から熱水あるいは高温高圧の水蒸気
を圧入すれば、熱水または水蒸気はオイルサンド層を中
を通り、他方のケーシング／／よりオイルと共に流出す
る。熱水あるいは高温高圧水蒸気の流出をよくするため
に、電極３．ｔ、１には多数の細孔が設けられているの
が普通である。

事柄装置には通常、電極Ｊ、／ＪＫオイルサンド層Ａと
の接解抵抗を低くするために食塩水がパイプ（図示ぜず
）を通じて送り込まれ、食塩水とケーシング／、／／と
を分離するため、電極３゜／　、７上方に仕切板（図示
せず）が設けられて、さらに仕切板の上部には絶縁性液
体が充満される。

このような電極装置は埋設時に破壊せず、埋設当初は土
圧に耐える充分な強度を有１−１通電時は温度上昇があ
り、特に、電極近傍は電流密度が高いために特に温度上
昇が著しいが、それでもなお変形や破壊を生ぜず、内部
に充満される液体の静圧に耐え、かつ、熱水あるいは高
温高圧水蒸気注入時に破壊せず漏洩しないことが要求さ
れる。ちなみに、地下ＳＯＯ，の個所に埋設された場合
、内部に充満される液体の比重なｌとすればＳＯ〜の圧
力がかかり、３０％の圧力を有する水蒸気の温度は２４
３℃に達する。

なお、この絶縁部λ、ｌコの上部はケーシングｉ、ｉｔ
に、下部は電極３，１３に接続されるので、絶縁部ユ、
／２には常に懸垂荷重が加わることになり、しかも、そ
の条件はぶ左θ〜、？　００　’Ｃの高温下であるため
に、これを満たす特性が要求される。次にこの絶縁部コ
、／２は、下端に電イ１反３゜１３を懸垂し、上端はケ
ーシングλ、／、、２に灰絖された状態で地下数７００
　ｊｒＬの地底に設置されるものであるから、設置工程
で地層の孔壁と接触したり、衝突することは現実的には
僻けＦｉｒい条件になる。従って、全体の重量が重いた
めに僅かな接触も絶縁部コ、／２には大きな機械的衝ソ
？になり、この衝撃に耐え破損しない特性も要求さコす
る。

この発明は２以上の事情に垢みてなされたもので、上記
の緒特性を充足する炭化水素系地下質源の電気加熱用電
極装置を提供することを目的とするものである。

まず、本発明者らは、有用な電気加熱用電極装置に用い
る絶縁管継手の研究を行った。特性目標として次の項目
な誉げた。すなわち、電極を懸垂保持するので機械的強
度が大きいこと、両電極間にｔ４ｏｏｏ−ｓ、θθθ■
の電圧が印加されるのでこの電圧に耐える高い耐電圧特
性を保持すること、電極間の通電により温度が上昇し約
３０θ℃の温度になるが、この温度条件下においても前
記機械および電気的特性を保持すること、耐冷熱衝撃特
性に富むこと、埋設時に穴壁との接触が必然的に発生す
るので機械的衝撃強度が大きいこと、中央貫通孔の直径
が上部のケーシング／、　／／および電ｇｊ、／Ｊの内
径と等しく流通抵抗が低いこと。

なお、上記条件下において高度の水（油）密特性を有し
経年変化がなく長期信頼性を１すること、ならびに上下
のケーシング／、／／、及び電極部３．１３と容易に接
続できること等である。

この絶縁管継手／θ０の一例を第２図により説明する。

同図（ａ、）は製品構造を示し、それぞれ銅相でなり中
央にｎ通孔を有する内部金具、２１．外部金具、、ｌ！
　２　）Ｈ、それらの間隙部に介在する絶縁物、２．ダ
により構成されている。内部金具２／は下端部に外周環
、２　／　ｌ　／が形成されている。外部金具２２は上
部金具、２コーｌと下部金具２コー、２により構成され
、上部金具、；！−−ノは上端部忙内部金具、２／の外
周環ノ／−／と対面する内周環Ｊコー３が形成されてい
る。この内周環、２−一３を内部金具２１の壁部２１−
コの外周を貫入させた後、その下端部を下部金具２コー
コの壁部２コーダの外周部に螺合もしくは溶接により接
合２ｓする。なお、壁部２２−ダの内周径は内部金具２
１の貫通孔径より大きくなっている。絶縁物２ダは内部
金具、７／と外部金具ココの間隙部を充填するとともに
、これに連続して内部金具２１の壁部２／−一の外周面
および外部金具、２２の壁部−１：ｉ−ｑの内周面に延
設されている。

次に絶縁物、２Ｆであるが、ガラス・マイカ塑造体が使
用されている。このガラス・マイカ塑゛造体とは、ガラ
ス質の粉末とマイカの粉末との混合物を原料とし、この
原料粉末をガラス質が軟化して加圧により流動可能な温
度に加熱し、加熱状態で加圧成形して造られる絶縁物の
ことである。

この絶縁管継手は第２図（ｂ）に示す形状の内金３／。

外部３２．３３を用意し、専用の成形型（図示せず）を
使用して上記のガラス・マイカ塑造体からなる絶縁物２
ダを成形した後、機械加工により第２図（ａ）に示す製
品に仕上げて造られる。このガラス・マイカ塑造体には
、ガラス質の転位温度以下における熱膨張率が各金具を
構成する鋼材のそれより小さいものを使用する。成形時
の温度は、金具およびガラス・マイカ塑造体いずれもガ
ラス質の転位温度より高いので、成形後の冷却過程にお
いてガラス・マイカ塑造体の外周面は外周に存在する外
部３２．３３により強力に締付けられている。次に温度
が上昇するとこの面の締付力は減少するが、逆にガラス
・マイカ塑造体の内周面は内側に存在する内金３７の外
周面により強力忙締付けられるようになる。

この絶縁管継手ｌＯθは、内部金具２１には外周環Ｕ／
−／が、外部金具２２には内周環λコー３が設けられて
おり５両者とも絶縁物２’ｌの内外周面に金具部が存在
しているので、温度の上昇下降によって緩みを生ずるこ
とは全くない。そのため、常温乃至３００℃の温度領域
において水（油）密特性は勿論のこと機械的強度が低下
するということがない。また、内部金具２１の外周環２
／−／と外部金具コニの内周環、２．２−３が対向して
いるので懸垂荷重強度もきわめて大きい。最”後に、ケ
ーシングＩ、／／および電栖部３，１３との接続は、内
部金具２／、外部金具−！ユの内面にそＪｌぞれ螺子２
３−／、、２Ｊ−２が螺設されているのできわめて容易
である。

上記説明で明らかなように、この絶縁管継手ｉｏｏは電
極装置用の絶縁管継手として必要な特性を殆んど具備す
るものであるが溢面飴縁！Ｆ♀性に不可避の欠陥がある
。

そもそも、この電極装置は前記のように電極とオイルサ
ンド層の接触抵抗を低くするため（（食塩水がパイプを
通じて送り込まれる。そのため絶縁管継手の外周部にも
食塩水が介在するようになるため、外周部に長い浴面絶
縁部を構成して高い沿面絶縁特性を確保する必要がある
。内周面については、食塩水とケーシング／、／／とを
分Ｒ［（するために、電極３，１３の上部に第Ｓ図に示
す仕切板３０が設けられ、さらに仕切板３０の上部には
絶縁性液体が充満されるので、内周面の沿面絶縁抵抗に
ついては問題になる欠陥は存在しない。

さて、この絶縁管継手１００の外周沿面絶縁特性は、内
部金具、２／の壁部Ｕ／−λの外周面に形成される絶縁
物コター／の長さにより決まるが、その構成し得る長さ
には自ずと限界があり、その内径の約％が限度である。

理由は、主として成形性の問題で、この壁を突破するに
は膨大な成形設備を必要とするので価格面を併せ考慮す
ると上記の限界におさえられる。

この発明の電気加熱用電極装置は、きわめて優れた各種
特性を具備する上記の絶縁管継手１００を活用し、外面
の沿面絶縁特性を他の手段で確保することにより、全要
求特性を具備する構成になるものである。具体的には、
２個の絶縁管継手ｉｏｏの内部金具コｌを互いに対向さ
せ、その間に金属管の外周面に絶縁層を形成した絶縁管
を接合して介在させ、上記絶縁層と絶縁管継手ｉｏθの
内部金具コｌの外周面にある絶縁層２９ｔ−／の間に、
両者を連結する別な絶縁層を形成し、外周面の沿面絶縁
特性を確保しようとするものである。

上記の考え方を実現する際に、まず問題になるのは、外
周面に強固に接着された絶縁層を有する絶縁管を得るこ
とである。使用条ｆ′トが常温７＋Ｊ至ｌθＯ℃程度の
温度領域の場合には、耐食時性等を含め有機質の絶縁層
を構成することにより容易に目的品を得ることができる
のであるが、この電極装置のように使用軟性が３００℃
程度になると、事態は大きく変化する。まず、３００℃
の耐熱特性を保持する材料を選択する必要がある。有機
材料中に上記特性を保持する材料をめると、ポリ弗化エ
チレン（テフロン）あるいは；Ｊヒリエーテルエーテル
ケトン（ピーク）等がある。これらの材料は基体である
鋼管材料と熱膨張率が一悄顕なりきわめて大きく、温度
が上昇するとポリ弗化エチレンのように柔軟性を有する
拐料は大きく変形し。

柔軟性を有しないポリエーテルエーテルケトン等は破壊
現象に発展する。この傾向は形状が小型で膨張、収縮の
差の絶対量が僅少の場合には上記現象を避ける手段が考
えらねるが、直径、長さ等、形状が大きくなると、膨張
、収縮の差の絶対量が大きくなる。これは必然的な物理
的現象であり、これを避けることは本質的に不可能であ
る。この電ｇ？装僅の場合、直径が２００−２５０　ｍ
ｍ、長さが／〜ｘｔａｓ度のものが必要であるため、以
上の有機材料による絶縁層の構成は全く考えられない。

常温〜３００℃の温度領域において、外周面に剥離、破
枦などを生じない絶縁層を有する鋼管の絶Ｒ管の場合、
常温〜、７００℃の温度領域における絶縁物の熱膨張率
が鋼管のそれと近似であることが必須条件にノｆる。こ
の熱膨張率についての必須条件を満すとともに、常温〜
ａ’ｏｏ℃の温度領域において電気的および機械的特性
を保持し、耐冷熱衝撃特性に富み、優れた耐食特性を具
備して長期信頼性を有する絶縁物材料ということになる
と、その選択範囲は極端に限定されることになる。

この発明の電極装置は、上記絶縁管継手１００の絶縁物
に使用したガラス・マイカ塑造体を鋼管の外層面に絶縁
物層として形成した？線管な使用する。第３図はＰ線管
／θｌの一例を示し、金属管ユ６の外周面に被覆Ｐ綴物
コアを形成し、絶縁管継手１００の内部金具２１の螺子
、２３−７に螺合接続するための螺子、２３−３を金属
管、２乙の両端に設ける。このＰ線管ｌθｌは、金属管
、２　Ａに熱膨張率が／　ｌ　ｆｆ　Ｘ　／　０−４の
ゆ材を使用し、被覆絶縁物コアには常温〜グＯθ℃の熱
膨張率がｌ／ＳＸ　／　０−’のガラス・マイカｒｙＪ
造体を使用する。このように、金属管、２乙と被覆絶縁
物、２７の熱膨張率が互いにきわめて近似しているので
、常温〜３θＯ℃の温度上昇あるいは下降によって波層
絶縁物２７が剥離、破撰する現象は全く発生しない。

この被覆絶縁物２７を構成するガラス・マイカ塑造体の
熱膨張率は、絶縁管継手１０θの絶縁物ｕ’／より熱膨
張率が大きい。これは原料ガラスに熱膨張率の大きいも
のを使用することにより待ることかできる。なお、金属
管２乙の外周面に被覆絶縁物２７に埋設されるように環
状の鍔部−２４−／を複数箇設けることにより被覆絶縁
物２７をより安定に固定することができる。

次に、第２図に示した絶縁管継手１００の絶縁物２ＩＩ
−／と第３図に示した？縁管１０／の被覆絶縁物ｙ７と
を接続する絶縁物の構成が問題になる。ｖ下、その構成
の一例を第ダ図により説明する。絶縁管ｌθｌは鋼管、
２乙の表面にガラス・マイカ塑造体からなる被覆絶縁物
２７が形成されており、婦部にはｆ／！縁管線管ｉｏｏ
の内部金具２１に螺合する螺子λ、？　−、？が螺設さ
れており、螺子ユ、７−３の基底部には内部金具２１の
壁部、２／−コおよび絶縁物、２グーｌの端面に相対す
平面段部２６−２が形成さ第１ている。絶縁物２１１−
／と被色絶縁物コアとの連結部１０２は、螺子、２３−
／に螺合して絶縁管８１７手ｌＯθの壁部２１−２およ
び・ρ・静物２ｕ−／の端面と絶縁管！Ｑ／の鋼管２６
および被覆絶縁物、２７の端面２６−２の平面部の間に
間隙部を形成し、この間隙部比有機質よりなる絶縁材２
ｇを充填する。この絶縁材としてポリ弗化エチレン等は
好適に使用される。この絶謹材コざの一部は外周面に溢
出され、その外周部を金属製の締付環２９により締付け
る。

以上によって構成された電気加熱用電極装置の一実施例
を第５図により説明する。図において（１）〜（４＝＋
５第１図のそれと同じである。３ｏは電位・３の上部に
設けられた仕切板である。この電極装置では絶縁管継手
７００２個を使用し、各外部金具λ２にケーシングｌお
よび電イレ３が”；；「ゴノ、？−コにより結合されて
おり、相対する。Ｈｔ＋緑管／ｌ：手１０（２の内部金
具コ／には絶縁Ｗ　ｔ　Ｏ／が螺子、２．？−／により
介挿結合された構造に７′仁っているうこの、！Ｉ”＋
造によりケーシングｌと電極３は完全な絶縁が（１゛ｗ
保されている。次にこの室枠装置１′、’ｔ　Ｋ要求さ
れる夕り周面における清面イＩＲ特件ば、］ｉ１７．］
の７４／＋　１８萱継手１００の間に介在させた絶縁管
／θ／に、外周部にガラス・マイカ塑造体でノｆろルー
′σイア＋　ｉＪ物λ７７．’−影形成れており、この
祉４ル絶橡′吻）７の端面と局線管継手ｌθＯの外周イ
・静物ノ＆−／の端面との間隙に有機材料よりなる絶縁
材ノｇを充Ｊｌｉ’ｉ　ｌ、、溢出した絶縁材２Ｉｒの
外周を金比の締伺環２９（ρ′より締付けているので、
Ｐ線管継手／　Ｑ　Ｏの夕１周４：′１・綴物２ぐと絶
縁管／Ｑ／の外周（Ｃ声）る被覆絶縁物コアは絶縁材２
ｇで完全な絶縁を保持［２て連結されているので、外周
面の沿面絶イ派特性が完全に確保される。

上記のように、この発明は、絶縁管継手ｌθＯと絶縁管
１０／の外周部の絶縁層２１．コアを接続して沿面絶縁
特性を確保するのに熱膨張率の大きい有機材料を使用し
ているが、間隙部が狭く充填量が僅少であり、膨張、収
縮の絶対量が少ないこと、および外周を締付環２９で締
付けており、緩衝効果が得られることにより、完全な水
（油）密性が保持され、目的とする沿面絶縁特性が確保
される。

また、外周面の沿面絶縁特性以外の必要特性である電気
絶縁特性、機械的衝撃強度、懸垂荷重強度および耐食特
性等は絶縁管継手１００により確保される。

第Ｓ図に示した実施例では、絶縁管継手２個と絶縁管７
個の構成になっているが、必要に応じ、その接続数を多
くして沿面絶縁抵抗を一層高くすることができる。また
、ケーシング、絶縁管継手、絶縁管および電極の接続は
総べて螺子接合になっているが、溶接等により接合する
ことが可能であり、性能的には何らの支障がなく、組立
の雛易。

経済性を考え選択すればよい。

以上のように、この発明は、沿面絶縁特性ケはじめ緒特
性が安定に保持され、地下資源回収用の装置としてきわ
めて有用で、その経済的および技術的効果はきわめて太
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の使用態様を示す梱略断面図、第２図
はこの発明に使用する倍縁管継手の一実施例を示し、同
図（ａ）は製品の、同図（ｈ）は成形時のそれぞれ一部
縦断面図、第３図はこの発明に使用する絶縁管の一実施
例を示す縦断面１シ１．１！：　％図はこの発明による
絶縁管継手と絶縁管の結合態様の一実施例を示す一部縦
断面図、ｍ　ｓ図はこの発明の一実施例を示す縦断面図
である。 図中、ｌ、ｌｌはケーシング、ノ、ｌコは絶超、部、３
．／３は電極、ダ、／グはケーブル、Ｓは電源装置、乙
はオイルサンド層、２／は内部金具、コ／−／は外周環
１．２／−コは壁部、コニは外部金具、２２−／は上部
金具、２．２−２は下部金具５．２２−３は内周環、＋
２−ダは壁部、ユ、７−　／は２３−２．２．３−３は
螺子、２ダ、２ダーｌは絶縁物１．２夕は接合部、２乙
は金属Ｔ（・、２７は波器絶縁物、２ｇは絶縁材、ユｔ
は締付用、３０Ｇ士仕切板、１００はＰ線管継手、／Ｑ
／はＰ線管、１０２は連結部である。 なお、各図中、同一符号は同一ホ、るいは相当部分を示
す。 代理人　大　岩　増　雄 鷺１図 幣２図 （Ｑ）　（ｂ） 殆３図 殆４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）鋼管でなるケーシングの下端に絶縁部を介して電
   極を結合支持してなる電気加熱用電極装置において。 中空円筒でなり一端に外周環が形成された内部金具と、
   中空円筒でなり一端に前記外周環に対向する内周環が形
   成された外部金具と、この外部金具と前記内部金具の間
   隙部から前記内部金具の外周面および前記外部金具の内
   周面にわたって形成されガラス・マイカ塑造体の絶縁物
   とでなる絶縁管継手と、 ガラス・マイカ塑造体でなる被覆絶縁物が外周面に形成
   された金属管でなる絶縁管と。 前記金属管の両端に前記絶縁管継手の前記内部金具を結
   合し、その結合部の間隙に外部に溢出して充填され有機
   質でなる絶縁材と。 溢出した前記絶縁材の外周部を締付ける金属の締付環と
   。 により前記絶縁部を構成してなることを特徴とする炭化
   水素系地下資源の電気加熱用電極装置。
2. （２）絶縁部を複数備えた特許請求の範囲第１項記載の
   炭化水素系地下資源の電気加熱用電極装置。
3. （３）有機質でなる絶縁材がポリ弗化エチレンでなる特
   許請求の範囲第１項記載の炭化水素系地下資源の電気加
   熱用電極装置。