KR20080072662A - 지층으로부터 실질적으로 전기절연된 도관을 갖는 온도제한 히터 - Google Patents
지층으로부터 실질적으로 전기절연된 도관을 갖는 온도제한 히터 Download PDFInfo
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Abstract
탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템은 지층의 개구 내에 위치된 도관을 포함한다. 상기 도관 내에 도전체가 위치된다. 도전체는 지층으로부터 전기적으로 절연되고 (이로써, 지층으로의 전기적 손실이 감소됨) 도관의 단부 또는 그 근방에서 도관에 전기적으로 연결된 (따라서, 도전체와 도관은 전기적으로 직렬 연결됨) 히터를 형성한다. 시스템에 전류가 가해지는 동안 전류가 도관 내 전류 유동의 실질적으로 반대 방향으로 도전체 내에 전류가 흐른다. 도관의 외부 표면이 25 ℃ 에서 실질적으로 0 의 전압 또는 0 에 가까운 전압이 되도록, 도전체 내 전류 유동으로부터 생성되는 전자기장에 의해, 전자의 유동이 실질적으로 도관의 내부로 제한된다. 도관은 시스템에 전류를 가하는 동안 열을 생성하여 지층을 가열하도록 되어 있다.
지하 지층, 및 탄화수소.
Description
본 발명은 일반적으로 탄화수소 함유 지층 (formation) 과 같은 다양한 지하 지층으로부터 탄화수소, 수소 및/또는 다른 생성물을 형성하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 특히, 특정 실시형태는 지층으로부터 전기절연된 도관을 갖는 온도 제한 히터를 이용하여 지층의 선택 부분(들)을 가열하는 것에 관한 것이다.
지하 지층으로부터 얻어진 탄화수소는 공급원료 등의 에너지 자원으로서 그리고 소비재로서 종종 사용된다. 이용가능한 탄화수소 자원의 고갈에 대한 걱정 그리고 형성되는 탄화수소의 전체 질의 감소에 대한 걱정으로 인해, 이용가능한 탄화수소 자원의 더욱 효과적인 회수, 처리 및/또는 사용을 위한 처리가 개발되고 있다. 지하 지층으로부터 탄화수소 재료를 제거하기 위해 현장 처리가 이용될 수 있다. 지하 지층 속의 탄화수소 재료의 화학적 및/또는 물리적 특성은 지하 지층으로부터 탄화수소 재료를 더욱 용이하게 제거할 수 있도록 변화될 필요가 있을 수 있다. 화학적 및 물리적 변화는 제거가능한 유체를 형성하는 현장 반응, 지층 속의 탄화수소 재료의 조성 변화, 용해도 변화, 밀도 변화, 상 변화 및/또는 점도 변화를 포함할 수 있다. 유체는 가스, 액체, 에멀젼, 슬러리 및/또는 액체 유동과 유사한 유동 특성을 갖는 고체 입자의 스트림일 수 있고, 이에 국한되지 않는다.
히터는 현장 처리 동안 지층을 가열하기 위해 웰보어 (wellbore) 내에 위치될 수 있다. 다운홀 (downhole) 히터를 이용하는 현장 처리의 예가 Ljungstrom 의 미국특허 제 2,634,961 호, 제 2,732,195 호, 제 2,780,450 호, 2,789,805 호, 제 2,923,535 호 및 Van Meurs 등의 미국특허 제 4,886,118 호에 기재되어 있다.
오일 셰일 지층을 가열하는 용도가 Ljungstrom 의 미국특허 제 2,923,535 호 및 Van Meurs 등의 미국특허 제 4,886,118 호에 기재되어 있다. 오일 셰일 지층에 열이 가해져, 오일 셰일 지층 속의 케로겐을 열분해할 수 있다. 또한, 열은 지층을 파괴하여 지층의 투과성을 증가시킬 수 있다. 투과성이 증가하면, 오일 셰일 지층으로부터 지층 유체가 제거되는 제조 웰 (production well) 쪽으로 지층 유체가 이동할 수 있다. Ljungstrom 에 의해 개시된 몇몇의 처리에서, 연소를 개시하기 위해 예컨대 산소 함유 가스 매체가 바람직하게는 예비가열 단계로 인해 여전히 뜨거운 투과성 지층에 도입된다.
지하 지층을 가열하기 위해 열원이 사용될 수 있다. 복사 및/또는 전도에 의해 지하 지층을 가열하기 위해 전기 히터가 사용될 수 있다. 전기 히터는 부재를 저항 가열할 수도 있다. Germain 의 미국특허 제 2,548,360 호에는, 웰보어의 점성 오일 내에 위치된 전기 가열 부재가 개시되어 있다. 히터 부재는 오일을 가열하고 가늘게 하여, 오일을 웰보어로부터 펌핑될 수 있도록 한다. Eastlund 등의 미국특허 제 4,716,960 호에는 고체 형성을 방지하기 위해 튜빙 (tubing) 을 통해 비교적 낮은 전압을 통과시킴으로써 유정 (petroleum well) 을 전기적으로 가열하는 튜빙이 기재되어 있다. Van Egmond 의 미국특허 제 5,065,818 호에는, 가열 부재를 둘러싸는 케이싱 없이 웰 보어홀 내에 시멘트로 굳혀진 전기 가열 부재가 기재되어 있다.
Vinegar 등의 미국특허 제 6,023,554 호에는, 케이싱 내에 위치되는 전기 가열 부재가 기재되어 있다. 이 가열 부재는 케이싱을 가열하는 복사 에너지를 발생시킨다. 케이싱과 지층 사이에는 입상 (granular) 고체 충전재가 위치될 수 있다. 케이싱은 충전재를 전도 가열하고, 다음으로 이 충전재가 지층을 전도 가열한다.
몇몇의 지층은 두꺼운 탄화수소 층 내에 얇은 탄화수소 층 또는 얇은 농후 (rich) 층을 가질 수 있다. 이러한 종류의 지층을 가열 및/또는 처리하기 위해 지층으로부터 전기절연된 히터를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 지층으로부터 히터를 전기절연시키는 것은 지층으로의 전기적 손실을 감소시키고 히터에서의 가열 효율을 증가시킨다. 또한, 히터의 전기절연은 히터의 더 안전한 작동을 제공한다. 히터는 지층 표면에서의 개구의 개수를 줄이는 실질적으로 u자형 웰보어일 수 있다. 개구의 개수를 줄이는 것은 비용을 줄이고/줄이거나 지층 내 개구의 드릴링 충격 (예컨대, 환경 충격 및/또는 표면 지형 변형) 을 바람직하게 감소시킬 수 있다.
여기서 설명하는 실시형태는 일반적으로 지하 지층을 가열하기 위한 시스템, 방법 및 히터에 관한 것이다. 또한, 여기서 설명하는 실시형태는 신규 부품을 포함하는 히터에 관한 것이다. 여기서 설명하는 시스템 및 방법을 이용함으로써 그러한 히터를 얻을 수 있다.
특정 실시형태에서, 본 발명은 1 이상의 시스템, 방법 및/또는 히터를 제공한다. 몇몇의 실시형태에서, 상기 시스템, 방법 및/또는 히터는 지하 지층을 처리하기 위해 사용된다.
특정 실시형태에서, 본 발명은, 지층의 개구 내에 위치되고, 강자성 재료를 포함하는 도관; 및 상기 도관 내부에 위치된 도전체를 포함하는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템으로서, 상기 도전체는 도관의 단부에 또는 단부 근방에서 도관에 전기적으로 연결되어, 도전체와 도관이 전기적으로 직렬 연결되고, 시스템에 전류를 가하는 동안 도관 내 전류 유동의 실질적으로 반대 방향으로 전류가 도전체 내에 흐르게 되고, 상기 시스템에 전류를 가하는 동안, 도관의 외부 표면이 25 ℃ 에서 실질적으로 0 의 전압 또는 0 에 가까운 전압이 되도록, 도전체 내 전류 유동으로부터 형성되는 전자기장에 의해 전자의 유동이 실질적으로 도관의 내부로 제한되며, 상기 도관은 시스템에 전류를 가하는 동안 열을 생성하여 지층을 가열하도록 되어 있는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템을 제공한다.
다른 실시형태에서, 특정 실시형태의 특징은 다른 실시형태의 특징과 조합될 수 있다. 예컨대, 한 실시형태의 특징은 임의의 다른 실시형태의 특징과 조합될 수 있다.
다른 실시형태에서, 지하 지층의 처리는 여기서 설명하는 방법, 시스템 또는 히터를 이용하여 행해진다.
다른 실시형태에서, 부가적인 특징이 여기서 설명하는 특정 실시형태에 부가될 수 있다.
본 발명의 이점은 이하의 상세한 설명과 첨부 도면을 참조하면 본 기술분야의 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1 은 탄화수소 함유 지층의 가열 단계를 보여준다.
도 2 는 탄화수소 함유 지층을 처리하기 위한 현장 열처리 시스템 중 일부의 실시형태의 개략도이다.
도 3 은 지층으로부터 전기적으로 절연된 실질적으로 u자형 히터의 실시형태를 보여준다.
도 4 는 지층으로부터 전기적으로 절연된, 단일 단부 구비의 실질적으로 수평방향 히터의 실시형태를 보여준다.
도 5 는 중심 도체로서 절연된 도체를 이용하여 지층으로부터 전기적으로 절연된, 단일 단부 구비의 실질적으로 수평방향 히터의 실시형태를 보여준다.
본 발명은 다양한 수정과 다른 형태가 가능하지만, 본 발명의 특정 실시형태를 예로써 도면에 나타내고 여기서 상세히 설명한다. 도면은 일정한 축척이 아닐 수 있다. 도면과 상세한 설명은 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한하려는 것이 아니고, 오히려 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 보호범위에 속하는 모든 수정, 균등물 및 변형을 포함하려는 것임을 이해해야 한다.
이하의 설명은 일반적으로 지층 내 탄화수소를 처리하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 그러한 지층을 처리하여, 탄화수소 생성물, 수소 및 다른 생성물을 얻을 수 있다.
"탄화수소"는 일반적으로 주로 탄소와 수소 원자로 형성된 분자로 정의된다. 탄화수소는 할로겐, 금속원소, 질소, 산소 및/또는 황과 같은 다른 원소를 또한 포함할 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 탄화수소는 케로겐, 역청, 피로역청, 오일, 천연 광랍 및 아스팔타이트일 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 탄화수소는 땅 속 광물 매트릭스 내에 또는 인접하게 위치될 수 있다. 매트릭스는 퇴적암, 모래, 실리실라이트 (silicilyte), 탄산염, 규조토 및 다른 다공성 매체를 포함할 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. "탄화수소 유체"는 탄화수소를 포함하는 유체이다. 탄화수소 유체는 수소, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 황화수소, 물 및 암모니아와 같은 비탄화수소 (non-hydrocarbon) 유체를 포함 또는 동반하거나 비탄화수소 유체에 동반될 수 있다.
"지층"은 1 이상의 탄화수소 함유 층, 1 이상의 비탄화수소 층, 상부 퇴적물 (overburden) 및/또는 하부 퇴적물 (underburden) 을 포함한다. "상부 퇴적물" 및/또는 "하부 퇴적물"은 1 이상의 상이한 종류의 불투과성 재료를 포함한다. 예컨대, 상부 퇴적물 및/또는 하부 퇴적물은 암석, 셰일, 이암, 또는 습식/기밀 탄산염을 포함할 수 있다. 현장 열처리 과정의 일부 실시형태에서, 상부 퇴적물 및/또는 하부 퇴적물은, 상대적으로 불투과성이며 또 현장 열처리 동안 상부 퇴적물 및/또는 하부 퇴적물의 탄화수소 함유 층의 중요한 특성 변화를 발생시키는 온도를 거치지 않는 탄화수소 함유 층(들)을 포함할 수 있다. 예컨대, 하부 퇴적물은 셰일 또는 이암을 포함할 수 있지만, 하부 퇴적물은 열현장 열처리 과정 동안 열분해 온도까지 가열되는 것은 허용되지 않는다. 몇몇의 경우에, 상부 퇴적물 및/또는 하부 퇴적물은 약간 투과성일 수 있다.
"지층 유체"는 지층 내 유체를 가리키며, 열분해 유체, 합성가스, 가동화된 탄화수소 및 물 (증기) 을 포함할 수 있다. 지층 유체는 비탄화수소 유체뿐만 아니라 탄화수소 유체를 포함할 수 있다. 용어 "가동화 유체"는 지층의 열처리 결과 유동할 수 있는 탄화수소 함유 지층 내 유체를 가리킨다. "형성된 유체"는 지층으로부터 제거된 지층 유체를 가리킨다.
"열원"은 실질적으로 전도 및/또는 복사 열전달에 의해 지층의 적어도 일부에 열을 제공하는 임의의 시스템이다. 예컨대, 열원은 절연된 도체, 기다란 부재 및/또는 도관 내에 배치된 도체와 같은 전기 히터를 포함할 수 있다. 열원은 지층 외부 또는 내부에서 연료를 연소시킴으로써 열을 발생시키는 시스템을 또한 포함할 수 있다. 이 시스템은 표면 버너, 다운홀 가스 버너, 무염 (flameless) 분배 연소기 및 천연 분배 연소기일 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 1 이상의 열원에 제공되거나 열원에서 발생되는 열은 다른 에너지원에 의해 공급될 수 있다. 다른 에너지원은 지층을 직접 가열하거나, 또는 지층을 직접 또는 간접적으로 가열하는 전달 매체에 에너지가 가해질 수 있다. 지층에 열을 가하는 1 이상의 열원은 상이한 에너지원을 이용할 수 있다. 따라서, 예컨대, 주어진 지층의 경우, 일부 열원은 전기 저항 히터로부터 열을 공급하고, 일부 열원은 연소로부터 열을 공급하며, 또 일부 열원은 1 이상의 다른 에너지원 (예컨대, 화학 반응, 태양에너지, 풍력, 바이오매스 (biomass), 또는 재생가능한 다른 에너지원) 으로부터 열을 공급할 수 있다. 화학 반응은 발열 반응 (예컨대, 산화 반응) 을 포함할 수 있다. 열원은 히터 웰 (heater well) 과 같은 가열 위치에 가까운 구역 및/또는 가열 위치를 둘러싸는 구역에 열을 제공하는 히터를 또한 포함할 수 있다.
"히터"는 웰 (well) 내에 또는 웰보어 구역 근방에 열을 발생시키는 임의의 시스템 또는 열원이다. 히터는 지층 내 재료 또는 지층에서 형성된 재료와 반응할 수 있는 전기 히터, 버너, 연소기 및/또는 이들의 조합일 수 있으며, 이에 국한되지 않는다.
"현장 열처리 과정"은, 지층 내에 가동화 유체, 비스브레이킹 (visbreaking) 된 유체, 또는 열분해 유체가 형성되도록, 열원으로 탄화수소 함유 지층을 가열하여 지층 중 적어도 일부의 온도를 가동화, 또는 비스브레이킹, 또는 열분해 온도 이상으로 높이는 과정을 가리킨다.
"절연된 도체"는 전기를 흐르게 할 수 있으며 전기 절연 재료에 의해 전부 또는 일부 덮여 있는 임의의 기다란 재료를 가리킨다.
기다란 부재는 베어 메탈 히터 또는 노출된 금속 히터일 수 있다. "베어 메탈 (bare metal)" 및 "노출된 금속"은 기다란 부재의 작동 온도 범위 전체에서 금속에 전기절연을 제공하는 광물 절연체 등의 전기절연층을 포함하지 않는 금속을 가리킨다. 베어 메탈 및 노출된 금속은 천연 발생 산화층, 인공 산화층 및/또는 막과 같은 부식 억제물질을 포함하는 금속을 포함할 수 있다. 베어 메탈 및 노출된 금속은 기다란 부재의 일반적인 작동 온도에서 전기 절연 특성을 보유할 수 없는 중합 또는 다른 종류의 전기 절연체를 갖는 금속을 포함한다. 그러한 재료는 금속 상에 위치될 수 있고, 또는 히터의 사용시 열적으로 열하될 수 있다.
"온도 제한 히터"는 일반적으로 온도 제어기, 전력 조절기, 정류기, 또는 다른 장치와 같은 외부 제어의 사용 없이 특정 온도 이상에서 열 출력을 제한하는 (예컨대, 열 출력을 감소시키는) 히터를 가리킨다. 온도 제한 히터는 AC (교류) 또는 변조된 (예컨대, "절단된 (chopped)") DC (직류) 전력 전기 저항 히터일 수 있다.
강자성 재료는 어느 온도 이상에서 강자성 특성을 모두 잃게 되는데, 이 온도가 "큐리 온도"이다. 큐리 온도 이상에서 강자성 특성을 모두 잃는 것 외에, 강자성 재료는 그 강자성 재료를 통해 흐르는 전류가 증가하면 강자성 특성을 잃기 시작한다.
"시변 전류 (time-varing current)"는 강자성 도체 내에 표면 효과 전기 유동을 발생시키며 시간에 따라 크기가 변하는 전류를 가리킨다. 시변 전류는 교류 (AC) 와 변조된 직류 (DC) 모두를 포함한다.
"교류 (AC)"는, 실질적으로 사인파형으로 방향을 역전시킨 시변 전류를 가리킨다. AC 는 강자성 도체에 표면 효과 전기 유동을 발생시킨다.
"변조된 직류 (DC)"는 강자성 도체에 표면 효과 전기 유동을 발생시키는 실질적으로 사인파형이 아닌 시변 전류를 가리킨다.
온도 제한 히터의 "턴다운 비 (turndown ratio)"는 주어진 전류에 대해 큐리 온도 이상에서의 가장 낮은 저항에 대한 큐리 온도 미만에서의 가장 높은 AC 또는 변조된 DC 저항의 비이다.
감소된 열 출력 가열 시스템, 기구 및 방법의 내용에 있어서, 용어 "자동적으로"는 그러한 시스템, 기구 및 방법이 외부 제어 (예컨대, 온도 센서와 피드백 루프를 갖는 제어기, PID 제어기, 또는 예측 제어기와 같은 외부 제어기) 를 사용하지 않는 특정 방식으로 기능함을 의미한다.
용어 "웰보어"는 드릴링 또는 지층에의 도관 삽입에 의해 형성된 지층 내 구멍을 가리킨다. 웰보어는 실질적으로 원형의 단면 또는 다른 단면 형상을 가질 수 있다. 여기서 사용되는 용어 "웰"과 "개구"는 지층 내 개구를 나타내는 경우 용어 "웰보어"와 서로 교환가능하게 사용될 수 있다.
"u자형 웰보어"는 지층 내 제 1 개구로부터 적어도 포메이션의 일부를 통해 그리고 지층 내 제 2 개구까지 연장된 웰보어를 가리킨다. 본 명세서에서, 웰보어는 단지 개략적으로 "v" 또는 "u"자 형상일 수 있으며, "u자형"으로 간주되는 웰보어의 경우, "u"의 "다리부 (leg)"가 서로 평행하거나 "u"의 "저부 (bottom)"에 수직일 필요는 없다.
"열분해"는 열 공급으로 인한 화학 결합의 파괴이다. 예컨대, 열분해는 단지 열로써 화합물을 1 이상의 다른 물질로 변환시키는 것을 포함할 수 있다. 열은 지층의 구획에 전달되어 열분해를 야기할 수 있다. 몇몇의 지층의 경우, 지층의 부분 및/또는 지층 내 다른 재료가 촉매 활성을 통해 열분해를 촉진할 수 있다.
"열분해 유체" 또는 "열분해 생성물"은 실질적으로 탄화수소의 열분해 동안 형성된 유체를 가리킨다. 열분해 반응에 의해 형성된 유체는 지층 내 다른 유체와 혼합될 수 있다. 이 혼합물은 열분해 유체 또는 열분해 생성물로 간주된다. 여기서 사용되는 "열분해 구역"은 반응되거나 반응하여 열분해 유체를 형성하는 지층의 체적 (예컨대, 역청 지층과 같은 비교적 투과성인 지층) 을 가리킨다.
지층 내 탄화수소는 많은 상이한 생성물을 형성하기 위해 다양한 방식으로 처리될 수 있다. 특정 실시형태에서, 지층 내 탄화수소는 여러 단계로 처리된다. 도 1 은 탄화수소 함유 지층을 가열하는 여러 단계의 실례를 보여준다. 또한, 도 1 은 가열된 지층의 온도 ("T", 단위:℃, x축) 에 대해 지층의 지층 유체 1 톤당 수득량 ("Y", 단위: 오일 당량 (oil equivalent) 의 배럴, y축) 을 보여준다.
메탄의 탈착과 물의 증발이 제 1 단계 가열 동안 이루어진다. 지층의 제 1 단계 가열은 가능한 한 빨리 행해질 수 있다. 예컨대, 탄화수소 함유 지층이 처음 가열될 때, 지층 내 탄화수소는 흡착된 메탄을 탈착시킨다. 탈착된 메탄이 지층으로부터 형성될 수 있다. 탄화수소 함유 지층이 더 가열되면, 탄화수소 함유 지층 내 물이 증발된다. 몇몇의 탄화수소 함유 지층에서, 물은 지층 내 공극 체적의 10 ∼ 50 % 를 차지할 수 있다. 다른 지층의 경우, 물은 공극 체적의 더 많은 또는 더 적은 부분을 차지한다. 물은 일반적으로 600 kPa ∼ 7000 kPa 의 절대압력에서 160 ℃ ∼ 285 ℃ 의 지층에서 증발된다. 몇몇의 실시형태에서, 증발된 물은 지층 내 젖음성 변화 및/또는 증가된 지층 압력을 발생시킨다. 젖음성 변화 및/또는 증가된 압력은 열분해 반응 또는 지층 내 다른 반응에 영향을 미칠 수 있다. 특정 실시형태에서, 증발된 물은 지층으로부터 형성된다. 다른 실시형태에서, 증발된 물은 지층 내에서 또는 지층 외부에서 스팀 추출 및/또는 증류에 사용된다. 지층에서 물을 제거하고 지층 내 공극 체적을 증가시키는 것은 공극 체적 내 탄화수소용 저장 공간을 증가시킨다.
특정 실시형태에서, 제 1 단계 가열 후, 지층 내 온도가 (적어도) 초기 열분해 온도 (제 2 단계의 온도 범위에서의 하단측 온도 등) 에 도달하도록 지층은 더 가열된다. 지층 내 탄화수소는 제 2 단계 내내 열분해될 수 있다. 열분해 온도 범위는 지층 내 탄화수소의 종류에 따라 변한다. 열분해 온도 범위는 250 ℃ ∼ 900 ℃ 의 온도를 포함할 수 있다. 원하는 생성물을 형성하기 위한 열분해 온도 범위는 전체 열분해 온도 범위의 단지 일부일 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 원하는 생성물을 형성하기 위한 열분해 온도 범위는 250 ℃ ∼ 400 ℃ 의 온도 또는 270 ℃ ∼ 350 ℃ 의 온도를 포함할 수 있다. 지층 내 탄화수소의 온도가 250 ℃ ∼ 400 ℃ 의 온도 범위에서 느리게 올려진다면, 열분해 생성물의 형성은 실질적으로 온도가 400 ℃ 에 도달하는 때에 완료될 수 있다. 탄화수소의 평균 온도는 원하는 생성물을 형성하기 위한 열분해 온도 범위에서 하루에 5 ℃ 미만, 하루에 2 ℃ 미만, 하루에 1 ℃ 미만, 또는 하루에 0.5 ℃ 미만의 속도로 올려질 수 있다. 탄화수소 함유 지층을 복수의 열원으로 가열하면, 열분해 온도 범위에서 지층 내 탄화수소의 온도를 느리게 올리는 열원 주위의 열적 구배가 발생할 수 있다.
원하는 생성물을 위한 열분해 온도 범위에서의 온도 증가 속도는 탄화수소 함유 지층으로부터 생성된 지층 유체의 질과 양에 영향을 미칠 수 있다. 원하는 생성물을 위한 열분해 온도 범위에서 느리게 온도를 올리는 것은, 지층 내 큰 사슬 분자 (chain molecule) 의 가동화를 억제할 수 있다. 원하는 생성물을 위한 열분해 온도 범위에서 느리게 온도를 올리는 것은, 원하지 않는 생성물을 생산하는 가동화된 탄화수소들 사이의 반응을 제한할 수 있다. 원하는 생성물을 위한 열분해 온도 범위에서 지층의 온도를 느리게 올리면, 지층으로부터 높은 품질, 높은 API 비중 탄화수소를 제조할 수 있다. 원하는 생성물을 위한 열분해 온도 범위에서 지층의 온도를 느리게 올리면, 탄화수소 생성물으로서 지층 내에 존재하는 많은 양의 탄화수소를 제거할 수 있다.
몇몇의 현장 열처리 실시형태에서, 온도 범위에서 지층을 느리게 가열하는 대신, 지층의 일부가 원하는 온도까지 가열된다. 몇몇의 실시형태에서, 원하는 온도는 300 ℃, 325 ℃, 또는 350 ℃ 이다. 원하는 온도로 다른 온도가 선택될 수 있다. 열원으로부터의 열을 중첩시키면, 지층 내에서 원하는 온도를 비교적 빠르고 효율적으로 얻을 수 있다. 열원으로부터 지층으로의 에너지 입력은 지층 내 온도를 실질적으로 원하는 온도로 유지하기 위해 조절될 수 있다. 지층 의 가열된 부분은, 열분해가 쇠퇴하여 지층으로부터 원하는 지층 유체의 제조가 비경제적이 될 때까지 실질적으로 원하는 온도로 유지된다. 열분해되는 지층의 부분은 단 하나의 열원으로부터의 열전달에 의해 열분해 온도로 되는 영역을 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 열분해 유체를 포함하는 지층 유체가 지층으로부터 생성된다. 지층의 온도가 증가함에 따라, 생성된 지층 유체의 응집가능한 탄화수소의 양은 감소할 수 있다. 고온에서, 지층은 대개 메탄 및/또는 수소를 생성할 수 있다. 탄화수소 함유 지층이 전체 열분해 범위를 통해 가열되면, 지층은 열분해 범위의 상한을 향해 단지 소량의 수소를 생성할 수 있다. 이용가능한 수소 전부가 고갈된 후에는, 지층으로부터 최소량의 유체 생성이 일반적으로 발생할 것이다.
탄화수소의 열분해 후, 다량의 탄소와 약간의 수소가 지층 내에 여전히 존재할 수 있다. 지층 내 남아 있는 탄소의 많은 부분은 합성가스의 형태로 지층으로부터 생성될 수 있다. 합성가스 생성은 도 1 에 나타낸 제 3 단계 가열 동안 이루어질 수 있다. 제 3 단계는 합성가스가 생성되기에 충분한 온도까지 탄화수소 함유 지층을 가열하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 합성가스는 약 400 ℃ ∼ 약 1200 ℃, 약 500 ℃ ∼ 약 1100 ℃, 또는 약 550 ℃ ∼ 약 1000 ℃ 의 온도 범위에서 생성될 수 있다. 합성가스 생성 유체가 지층에 도입되는 때의 지층의 가열된 부분의 온도에 의해, 지층에서 생성되는 합성가스의 조성이 결정된다. 생성된 합성가스는 제조 웰(들)을 통해 지층으로부터 제거될 수 있다.
탄화수소 함유 지층으로부터 형성된 유체의 총 에너지 함량은 열분해와 합성가스 생성을 통해 비교적 일정하게 유지될 수 있다. 비교적 낮은 지층 온도에서의 열분해 동안, 형성된 유체의 많은 부분은 높은 에너지 함량을 갖는 응축성 (condensable) 탄화수소일 수 있다. 그러나, 더 높은 열분해 온도에서는, 더 적은 지층 유체가 응축성 탄화수소를 포함할 수 있다. 더욱 비응축성인 지층 유체가 지층으로부터 생성될 수 있다. 형성된 유체의 단위 체적당 에너지 함량은 주로 비응축성 지층 유체의 생성 동안 약간 감소할 수 있다. 합성가스 생성 동안, 생성된 합성가스의 단위 체적당 에너지 함량은 열분해 유체의 에너지 함량에 비해 크게 감소한다. 그러나 생성된 합성가스의 체적은 많은 경우 실질적으로 증가하고, 이로써 감소된 에너지 함량을 보상한다.
도 2 는 탄화수소 함유 지층을 처리하기 위한 현장 열처리 시스템의 일부의 실시형태의 개략도를 보여준다. 현장 열처리 시스템은 장벽 (barrier) 웰 (200) 을 포함할 수 있다. 장벽 웰은 처리 영역 주위에 장벽을 형성하기 위해 사용된다. 장벽은 처리 영역 내외로의 유체 유동을 금지한다. 장벽 웰은 탈수 웰, 진공 웰, 캡쳐 (capture) 웰, 주입 웰, 그라우트 (grout) 웰, 프리즈 (freeze) 웰, 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이에 국한되지 않는다. 몇몇의 실시형태에서, 장벽 웰 (200) 은 탈수 웰이다. 탈수 웰은 액체 물을 제거하고/하거나 액체 물이 가열되는 지층의 부분에 또는 가열되는 지층에 들어가는 것을 막을 수 있다. 도 2 에 나타낸 실시형태에서, 장벽 웰 (200) 은 단지 열원 (202) 의 한 측을 따라서만 연장되어 있고, 장벽 웰은 일반적으로 지층의 처리 영역을 가 열하기 위해 사용되는 또는 사용될 열원 (202) 을 둘러싸지 않는다.
열원 (202) 은 지층의 적어도 일부에 위치된다. 열원 (202) 은 절연된 도체, 도관 내 도체 히터, 표면 버너, 무염 분배 연소기, 및/또는 천연 분배 연소기와 같은 히터를 포함할 수 있다. 또한, 열원 (202) 은 다른 종류의 히터를 포함할 수 있다. 열원 (202) 은 지층 내 탄화수소를 가열하기 위해 지층의 적어도 일부에 열을 제공한다. 에너지가 공급 라인 (204) 을 통해 열원 (202) 에 공급될 수 있다. 공급 라인 (204) 의 구조는 지층을 가열하는데 사용되는 열원(들)의 종류에 따라 다를 수 있다. 열원을 위한 공급 라인 (204) 은 전기 히터를 위한 전기를 전달하거나, 연소기를 위한 연료를 운반하거나, 또는 지층에서 순환되는 열교환 유체를 운반할 수 있다.
제조 웰 (206) 은 지층으로부터 지층 유체를 제거하기 위해 사용된다. 몇몇의 실시형태에서, 제조 웰 (206) 은 열원을 포함한다. 제조 웰의 열원은 제조 웰에서 또는 제조 웰 근방에서 지층의 1 이상의 부분을 가열할 수 있다. 몇몇의 현장 열처리 과정 실시형태에서, 제조웰 1 미터당 제조 웰로부터 지층에 공급되는 열량은 열원의 1 미터당 지층을 가열하는 열원으로부터 지층에 공급되는 열량보다 작다. 제조 웰로부터 지층에 가해진 열은 제조 웰에 인접한 액상 유체를 증발 및 제거함으로써 그리고/또는 매크로 및/또는 마이크로 파괴의 형성에 의해 제조 웰에 인접한 지층의 투과성을 증가시킴으로써 제조 웰 근방에서의 지층 투과성을 증가시킬 수 있다.
제조 웰 (206) 로부터 생성된 지층 유체는 수집관 (208) 을 통해 처리 설비 (210) 로 운반될 수 있다. 또한, 지층 유체는 열원 (202) 으로부터 생성될 수 있다. 예컨대, 유체는 열원에 인접한 지층 내 압력을 제어하기 위해 열원 (202) 으로부터 생성될 수 있다. 열원 (202) 으로부터 형성된 유체는 튜빙 또는 파이핑을 통해 수집관 (208) 으로 운반되거나 또는 튜빙 또는 파이핑을 통해 처리 설비 (210) 로 직접 운반될 수 있다. 처리 설비 (210) 는 분리 유닛, 반응 유닛, 개량 (upgrading) 유닛, 연료 셀, 터빈, 저장 용기, 및/또는 생성된 지층 유체를 처리하기 위한 다른 시스템과 유닛을 포함할 수 있다. 처리 설비는 지층으로부터 생성된 탄화수소의 적어도 일부로부터 운반 연료를 형성할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 운반 연료는 JP-8 과 같은 제트 연료일 수 있다.
온도 제한 히터는 특정 온도에서 히터를 위한 자동 온도 제한 특성을 제공하는 재료로 구성되거나 그러한 재료를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 온도 제한 히터에서 강자성 재료가 사용된다. 강자성 재료는 그 재료에 시변 전류가 가해지는 때 큐리 온도 또는 그 근방에서 감소된 열량을 제공하기 위해 강자성 재료의 큐리 온도 또는 그 근방에서 온도를 스스로 제한할 수 있다. 특정 실시형태에서, 강자성 재료는 대략 큐리 온도인 선택된 온도에서 온도 제한 히터를 스스로 제한한다. 특정 실시형태에서, 선택된 온도는 큐리 온도의 35 ℃ 이내, 25 ℃ 이내, 20 ℃ 이내, 또는 10 ℃ 이내이다. 특정 실시형태에서, 강자성 재료는 다양한 전기적 및/또는 기계적 특성을 제공하기 위해 다른 재료 (예컨대, 고전도성 재료, 고강도 재료, 내식성 재료, 또는 이들의 조합) 에 연결된다. 온도 제한 히터의 일부 부품은 온도 제한 히터의 다른 부품에 비해 (상이한 기하학적 형상으로 인해 그리고/또는 상이한 상자성 및/또는 비상자성 재료를 사용함으로써 인해) 더 낮은 저항을 가질 수 있다. 온도 제한 히터의 부품이 다양한 재료 및/또는 치수를 가지면, 히터의 각 부품으로부터 원하는 열 출력을 얻을 수 있다.
온도 제한 히터는 다른 히터보다 더 신뢰할 수 있다. 온도 제한 히터는 지층의 열점 (hot spot) 으로 인한 고장이 덜 발생하는 경향이 있다. 몇몇의 실시형태에서, 온도 제한 히터에 의하면 지층의 실질적으로 균일한 가열이 가능하다. 몇몇의 실시형태에서, 온도 제한 히터는 히터 전체 길이에서 더 높은 평균 열 출력으로 작동함으로써 지층을 더 효과적으로 가열할 수 있다. 히터의 임의 지점에서의 온도가 히터의 최대 작동 온도를 초과하거나 초과하려는 경우 일반적으로 일정 와트수 히터의 경우처럼 히터로의 전력이 전체 히터로 감소될 필요가 없기 때문에, 온도 제한 히터는 히터의 전체 길이에서 더 높은 평균 열 출력으로 작동한다. 히터의 큐리 온도에 근접하는 온도 제한 히터의 부분으로부터의 열 출력은 히터에 가해지는 시변 전류의 제어된 조절 없이 자동적으로 감소된다. 열 출력은 온도 제한 히터의 부분의 전기 특성 (예컨대, 전기 저항) 의 변화로 인해 자동적으로 감소된다. 따라서, 더 많은 부분의 가열 과정 동안 온도 제한 히터에 의해 더 많은 전력이 공급된다.
특정 실시형태에서, 온도 제한 히터를 포함하는 시스템은 초기에 제 1 열 출력을 제공하고, 다음으로 온도 제한 히터가 시변 전류에 의해 전원이 들어오는 경우 히터의 전기저항성 부분의 큐리 온도 근방, 큐리온도, 또는 큐리 온도 이상에서 감소된 열 출력 (제 2 열 출력) 을 제공한다. 제 1 열 출력은 어느 온도에서의 열 출력인데, 이 온도 미만에서는 온도 제한 히터가 자가 제한을 시작한다. 몇몇의 실시형태에서, 제 1 열 출력은 온도 제한 히터에서 강자성 재료의 큐리 온도보다 50 ℃, 75 ℃, 100 ℃, 또는 125 ℃ 낮은 온도에서의 열 출력이다.
온도 제한 히터는 웰헤드 (wellhead) 에서 공급되는 시변 전류 (교류 또는 변조된 직류) 에 의해 전원이 들어올 수 있다. 웰헤드는 온도 제한 히터에 전력을 공급하는데 사용되는 전원 및 다른 부품 (예컨대, 변조 부품, 변압기, 및/또는 축전기) 을 포함할 수 있다. 온도 제한 히터는 지층의 부분을 가열하는데 사용되는 많은 히터 중 어느 하나일 수 있다.
특정 실시형태에서, 온도 제한 히터는 시변 전류가 도체에 가해지는 경우 표면 효과 또는 근접 효과히터로서 작동하는 도체를 포함한다. 표면 효과는 도체 내부로의 전류 침투 깊이를 제한한다. 강자성 재료의 경우, 표면 효과는 도체의 자기 투과율에 의해 지배된다. 강자성 재료의 상대적 자기투과율은 일반적으로 10 ∼ 1000 (예컨대, 강자성 재료의 상대적 자기 투과율은 일반적으로 적어도 10 이고, 적어도 50, 100, 500, 1000 또는 그 이상임) 이다. 강자성 재료의 온도가 큐리 온도 이상으로 올려짐에 따라 그리고/또는 가해지는 전류가 증가함에 따라, 강자성 재료의 자기 투과율은 실질적으로 감소하고 표면 깊이가 빠르게 확장된다 (예컨대, 표면 깊이가 자기 투과율의 역 제곱근으로 확장됨). 자기 투과율이 감소하면, 큐리 온도 근방, 큐리 온도, 또는 큐리 온도 이상에서 도체의 AC 또는 변조된 DC 저항이 감소하게 되고, 그리고/또는 가해지는 전류가 증가함에 따라 상기 저항이 감소한다. 온도 제한 히터에 실질적으로 일정한 전류원에 의해 전 원이 들어오는 때, 큐리 온도에 접근하는, 도달하는 또는 초과하는 히터의 부분은 감소된 방열을 가질 수 있다. 큐리 온도 또는 큐리 온도 근방이 아닌 온도 제한 히터의 구획은, 히터가 더 높은 저항 부하로 인해 높은 방열을 가질 수 있도록 하는 표면 효과 가열에 의해 지배될 수 있다.
지층 내 탄화수소를 가열하기 위해 온도 제한 히터를 사용하는 이점은, 바람직한 작동 온도 범위 내의 큐리 온도를 갖도록 도체가 선택된다는 것이다. 바람직한 작동 온도 범위 내의 작동에 의하면, 온도 제한 히터 (및 다른 장비) 의 온도를 설계 한계 온도 미만으로 유지하면서 지층에 실질적인 열 주입이 가능하다. 설계 한계 온도는 부식, 크리프, 및/또는 변형과 같은 특성에 악영향을 미치게 되는 온도이다. 온도 제한 히터의 온도 한계 특성은 지층 내 낮은 열전도도 "열점"에 인접한 히터의 과열 또는 번아웃 (burnout) 을 금지한다. 몇몇의 실시형태에서, 온도 제한 히터는 열 출력을 낮추거나 제어할 수 있고, 또는 히터에 사용되는 재료에 따라 25 ℃, 37 ℃, 100 ℃, 250 ℃, 500 ℃, 700 ℃, 800 ℃, 900 ℃ 이상의 온도, 또는 더 높은 온도로서 1131 ℃ 이하에서 열을 견딜 수 있다.
온도 제한 히터에 의하면, 온도 제한 히터에의 에너지 입력이 히터에 인접한 낮은 열전도도 영역을 수용하기 위해 제한될 필요가 없으므로 일정 와트수 히터의 경우보다 지층에 더 많은 열을 주입할 수 있다. 예컨대, 그린 강 (Green River) 오일 셰일에는, 가장 낮은 농후 오일 셰일 층과 가장 높은 농후 오일 셰일 층의 열전도도에서 적어도 팩터 (factor) 3 의 차이가 존재한다. 그러한 지층을 가열하는 때, 낮은 열전도도 층에서의 온도에 의해 제한을 받는 종래 히터를 사 용하는 경우보다 온도 제한 히터를 사용하는 경우 실질적으로 더 많은 열이 지층에 전달된다. 종래 히터의 전체 길이에서의 열 출력은 낮은 열 전도도 층을 감당할 필요가 있으므로, 히터는 낮은 열전도도 층을 과열시키지 않고 번아웃시키지 않는다. 온도 제한 히터의 경우 고온에 있는 낮은 열전도도 층에 인접한 열 출력은 감소하지만, 고온에 있지 않은 온도 제한 히터의 나머지 부분은 높은 열 출력을 제공한다. 탄화수소 지층을 가열하기 위한 히터는 일반적으로 길이가 길기 때문에 (예컨대, 적어도 10 m, 100m, 300 m, 적어도 500 m, 1 ㎞ 또는 그 이상으로서 10 ㎞ 이하), 온도 제한 히터의 길이의 대부분은, 단지 일부 부분만이 온도 제한 히터의 큐리 온도이거나 그 근방인 동안, 큐리 온도 미만에서 작동할 수 있다.
온도 제한 히터를 사용하면, 지층에 열을 효과적으로 전달할 수 있다. 효과적으로 열을 전달하면, 원하는 온도까지 지층을 가열하는데 필요한 시간을 줄일 수 있다. 예컨대, 그린 강 오일 셰일에서, 종래 일정 와트수 히터로 12 m 히터 웰 간격을 이용하는 경우 열분해는 일반적으로 9.5 ∼ 10 년의 가열을 필요로 한다. 동일한 히터 간격으로, 온도 제한 히터에 의하면, 히터 장비 온도를 장비 설계 한계 온도 미만으로 유지하면서 더 많은 평균 열 출력이 가능하다. 지층 내 열분해는 일정 와트수 히터에 의해 제공되는 더 낮은 평균 열 출력의 경우보다 온도 제한 히터에 의해 제공되는 더 많은 평균 열 출력으로 더 이른 시기에 이루어질 수 있다. 예컨대, 그린 강 오일 셰일에서, 열분해는 12 m 히터 웰 간격을 갖는 온도 제한 히터를 이용하여 5 년 안에 이루어질 수 있다. 온도 제한 히터는 히터 웰이 서로 너무 가까이 위치되는 부정확한 웰 간격 또는 드릴링으로 인한 열점을 중화한다. 특정 실시형태에서, 온도 제한 히터는 너무 멀리 떨어져 있는 히터 웰에 오랫동안 증가된 전력 출력을 허락하거나 또는 서로 너무 가까운 간격의 히터 웰에 전력 출력을 제한한다. 또한, 온도 제한 히터는 상부 퇴적물과 하부 퇴적물에서의 온도 손실을 보상하기 위해 이들 영역에 인접한 영역에 더 많은 전력을 공급한다.
온도 제한 히터는 많은 종류의 지층에 유리하게 사용될 수 있다. 예컨대, 역청 지층 또는 중질 (heavy) 탄화수소를 포함하는 비교적 투과성 지층에서, 유체 점도의 감소, 유체의 가동화, 및/또는 웰보어 또는 웰보어 근방에서 또는 지층 내에서 유체의 방사상 유동의 강화를 위한 제어가능한 저온 출력을 제공하기 위해, 온도 제한 히터가 사용될 수 있다. 온도 제한 히터는 지층의 웰보어 근방 영역의 과열로 인한 과잉 코크스 형성을 억제하기 위해 사용될 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 온도 제한 히터의 사용은, 값비싼 온도 제어 회로에 대한 필요를 제거하거나 감소시킨다. 예컨대, 온도 제한 히터의 사용은 열점에서의 잠재적인 과열을 모니터링하기 위해 온도 검층 (temperature logging) 을 행할 필요 및/또는 히터에 고정 열전대를 사용할 필요를 없애거나 감소시킨다.
특정 실시형태에서, 온도 제한 히터는 변형을 견딜 수 있다. 웰보어 내에서 재료의 국부적인 이동은 히터에 횡방향 응력을 발생시켜, 히터 형상이 변형될 수 있다. 히터 상에 웰보어가 접근하거나 가까워지는 히터 길이에서의 위치는, 표준 히터가 과열되고 번아웃될 가능성을 갖는 열점일 수 있다. 이들 열점은 금속의 항복강도 및 크리프 강도를 낮춰 히터의 파쇄 또는 변형을 가능하게 할 수 있다. 온도 제한 히터는 히터의 고장을 야기하지 않으면서 온도 제한 히터의 변형을 수용할 수 있는 S자 곡선 (또는 다른 비선형 형상) 으로 형성될 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 온도 제한 히터는 표준 히터보다 더 경제적으로 제조된다. 일반적인 강자성 재료는 철, 탄소강, 또는 페라이트계 스테인리스강을 포함한다. 그러한 재료는 절연된 도체 (무기절연 케이블) 히터에 일반적으로 사용되는 니켈계 가열용 합금 (니크롬, KanthalTM (Bulten-Kanthal AB, 스웨덴), 및/또는 LOHMTM (Driver-Harris Company, Harrision, 뉴저지, 미국)) 에 비해 덜 비싸다. 온도 제한 히터의 일 실시형태에서, 온도 제한 히터는 비용을 낮추고 신뢰도를 향상시키기 위해 절연된 도체 히터로서 연속 길이로 제조된다.
온도 제한 히터에 사용되는 강자성 합금(들)에 의해 히터의 큐리 온도가 결정된다. 다양한 금속에 대한 큐리 온도 데이터가 "미국물리학회 핸드북", 제 2 판, McGraw-Hill, p.5-170 ∼ 5-176 에 열거되어 있다. 강자성 도체는 1종 이상의 강자성 원소 (철, 코발트, 및 니켈) 및/또는 이들 원소의 합금을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 강자성 도체는 텅스텐 (W) 을 포함하는 철-크롬 (Fe-Cr) 합금 (예컨대, HCM12A 및 SAVE12 (Sumitomo Metals Co., 일본) 및/또는 크롬을 포함하는 철 합금 (예컨대, Fe-Cr 합금, Fe-Cr-W 합금, Fe-Cr-V(바나듐) 합금, Fe-Cr-Nb(니오븀) 합금) 을 포함한다. 3 종의 주된 강자성 원소 중, 철은 770 ℃ 의 큐리 온도를 갖고, 코발트 (Co) 는 1131 ℃ 의 큐리 온도를 가지며, 니켈은 약 358 ℃ 의 큐리 온도를 갖는다. 철-코발트 합금은 철의 큐리 온도보다 높은 큐리 온도를 갖는다. 예컨대, 2 중량% 코발트를 갖는 철-코발트 합금은 800 ℃ 의 큐리 온도를 갖고, 12 중량% 코발트를 갖는 철-코발트 합금은 900 ℃ 의 큐리 온도를 가지며, 20 중량% 코발트를 갖는 철-코발트 합금은 950 ℃ 의 큐리 온도를 갖는다. 철-니켈 합금은 철의 큐리 온도보다 낮은 큐리 온도를 갖는다. 예컨대, 20 중량% 니켈을 갖는 철-니켈 합금은 720 ℃ 의 큐리 온도를 갖고, 60 중량% 니켈을 갖는 철-니켈 합금은 560 ℃ 의 큐리 온도를 갖는다.
합금으로서 사용되는 일부 비강자성 원소는 철의 큐리 온도를 높인다. 예컨대, 5.9 중량% 바나듐을 갖는 철-바나듐 합금은 약 815 ℃ 의 큐리 온도를 갖는다. 다른 비강자성 원소 (예컨대, 탄소, 알루미늄, 구리, 규소, 및/또는 크롬) 가 큐리 온도를 낮추기 위해 철 또는 다른 강자성 재료와 합금될 수 있다. 큐리 온도를 높이는 비강자성 재료가 큐리 온도를 낮추는 비강자성 재료와 조합될 수 있고, 바람직한 큐리 온도와 다른 바람직한 물리적 및/또는 화학적 특성을 갖는 재료를 생성하기 위해 철 또는 다른 강자성 재료와 합금될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 큐리 온도 재료는 NiFe2O4 와 같은 페라이트이다. 다른 실시형태에서, 큐리 온도 재료는 FeNi3 또는 Fe3Al 와 같은 2성분 화합물이다.
온도 제한 히터의 특정 실시형태는 1종 이상의 강자성 재료를 포함할 수 있다. 그러한 실시형태는 여기서 설명하는 임의의 조건이 온도 제한 히터의 강자성 재료 중 적어도 1종에 적용된다면 여기서 설명하는 실시형태의 범위 내에 속한다.
강자성 특성은 일반적으로 큐리 온도에 접근할수록 줄어든다. 따라서, 자가 제한 온도는 강자성 도체의 실제 큐리 온도보다 약간 낮을 수 있다. 표면 깊이는 일반적으로 전도성 재료 안으로의 시변 전류의 효과적인 투과 깊이를 규정한다. 일반적으로, 전류밀도는 도체의 반경을 따라 외측 표면으로부터 중심까지 거리에 기하급수적으로 감소한다. 전류밀도가 표면 전류 밀도의 약 1/e 인 깊이를 표면 깊이라 부른다. 1 % 탄소강의 전류 유동에 대한 표면 깊이는 실온에서 0.132 ㎝ 이고, 720 ℃ 에서 0.445 ㎝ 로 증가한다. 720 ℃ 로부터 730 ℃ 까지, 표면 깊이는 2.5 ㎝ 이상으로 급격히 증가한다. 따라서, 1 % 탄소강을 이용하는 온도 제한 히터 실시형태는 650 ℃ ∼ 730 ℃ 에서 자가 제한을 시작한다.
대부분의 금속의 경우, 비저항 (ρ) 은 온도에 따라 증가한다. 상대적인 자기 투과율은 일반적으로 온도와 전류에 따라 변한다. 온도 및/또는 전류에 따른 자기 투과율 및/또는 표면 깊이의 변화를 평가하기 위해 부가적인 식을 이용할 수 있다. 전류에의 μ의 의존성은 전자기장에의 μ의 의존성에 기인한다.
온도 제한 히터에 사용되는 재료는 바람직한 턴다운 비를 제공하도록 선택될 수 있다. 적어도 1.1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 10:1, 30:1, 또는 50:1 의 턴다운 비가 온도 제한 히터를 위해 선택될 수 있다. 또한, 더 큰 턴다운 비가 선택될 수 있다. 선택된 턴다운 비는 온도 제한 히터가 위치되는 지층의 종류 (예컨대, 풍부한 오일 셰일 층과 희박한 오일 셰일 층 사이에 열전도도의 큰 변화를 갖는 오일 셰일 지층의 경우, 더 큰 턴다운 비가 사용될 수 있음) 및/또는 웰보 어에 사용되는 재료의 온도 한계 (예컨대, 히터 재료의 온도 한계) 를 포함하는 (그러나, 이에 국한되지 않음) 다수의 인자에 의존할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 부가적인 구리 또는 다른 양호한 도전체를 강자성 재료에 연결시킴으로써 (예컨대, 큐리 온도 이상에서 저항을 낮추기 위해 구리를 첨가함) 턴다운 비가 증가된다.
온도 제한 히터는 히터의 큐리 온도 미만에서 최소 열 출력 (전력 출력) 을 제공할 수 있다. 특정 실시형태에서, 최소 열 출력은 적어도 400 W/m (미터 당 와트), 600 W/m, 700 W/m, 800 W/m, 또는 그 이상으로서 2000 W/m 이하이다. 히터의 구획의 온도가 큐리 온도에 접근하거나 큐리 온도보다 높은 경우 온도 제한 히터는 히터의 구획에 의해 열 출력 양을 감소시킨다. 감소된 열량은 큐리 온도 미만에서 열량보다 실질적으로 더 작을 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 감소된 열량은 기껏해야 400 W/m, 200 W/m, 100 W/m 이거나 0 W/m 에 접근할 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 강자성 재료의 표면 깊이를 변화시키기 위해 AC 주파수가 조절된다. 예컨대, 실온에서 1 % 탄소강의 표면 깊이는 60 ㎐ 에서 0.132 ㎝, 180 ㎐ 에서 0.0762 ㎝, 그리고 440 ㎐ 에서 0.046 ㎝ 이다. 히터 직경은 일반적으로 스킨 깊이의 2배보다 더 크기 때문에, 더 높은 주파수 (따라서 더 작은 직경을 갖는 히터) 의 이용은 히터 비용을 감소시킨다. 고정된 기하학적 형상의 경우, 주파수가 높아지면 턴다운 비가 높아지게 된다. 높은 주파수에서의 턴다운 비는, 낮은 주파수에서의 턴다운 비에 낮은 주파수로 나눈 높은 주파수의 제곱근을 곱하여 계산된다. 몇몇의 실시형태에서, 100 ㎐ ∼ 1000 ㎐, 140 ㎐ ∼ 200 ㎐, 또는 400 ㎐ ∼ 600 ㎐ 의 주파수 (예컨대, 180 ㎐, 540 ㎐, 또는 720 ㎐) 가 사용된다. 몇몇의 실시형태에서, 높은 주파수가 사용될 수 있다. 주파수는 1000 ㎐ 보다 더 클 수 있다.
특정 실시형태에서, 온도 제한 히터에 전력을 제공하기 위해 변조된 DC (예컨대, 절단된 DC, 파형 변조된 DC, 또는 주기적인 DC) 가 사용될 수 있다. 변조된 직류의 출력을 제공하기 위해 DC 변조기 또는 DC 초퍼 (chopper) 가 DC 전원에 연결될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, DC 전원은 DC 를 변조하기 위한 수단을 포함할 수 있다. DC 변조기의 일례가 DC-to-DC 변환기 시스템이다. DC-to-DC 변환기 시스템은 본 기술분야에서 일반적으로 알려져 있다. DC 는 일반적으로 원하는 파형으로 변조 또는 절단된다. DC 변조를 위한 파형은 구형파, 사인파, 변형된 사인파, 변형된 구형파, 삼각형, 그리고 다른 규칙적 또는 불규칙적 파형을 포함하고, 이에 국한되지 않는다.
변조된 DC 파형은 일반적으로 변조된 DC 의 주파수를 규정한다. 따라서, 변조된 DC 파형은 원하는 변조된 DC 주파수를 제공하도록 선택될 수 있다. 변조된 DC 파형의 형상 및/또는 변조율 (절단율 등) 은 변조된 DC 주파수를 바꾸기 위해 변경될 수 있다. DC 는 일반적으로 이용가능한 AC 주파수보다 더 높은 주파수에서 변조될 수 있다. 예컨대, 변조된 DC 는 적어도 1000 ㎐ 의 주파수에서 제공될 수 있다. 공급 전류의 주파수를 더 높은 값으로 증가시키는 것은 온도 제한 히터의 턴다운 비를 유리하게 증가시킨다.
특정 실시형태에서, 변조된 DC 파형은 변조된 DC 주파수를 변화시키기 위해 조절 또는 변경된다. DC 변조기는, 온도 제한 히터의 사용 도중 임의의 시기에 그리고 높은 전류 또는 전압에서, 변조된 DC 파형을 조절 또는 변경할 수 있다. 따라서, 온도 제한 히터에 제공되는 변조된 DC 는 단일 주파수 또는 심지어 작은 세트의 주파수 값으로 제한되지 않는다. DC 변조기를 이용한 파형 선택은 넓은 범위의 변조된 DC 주파수 및 변조된 DC 주파수의 개별 제어를 가능하게 한다. 따라서, AC 주파수는 일반적으로 선 주파수 (line frequency) 배수로 제한되는 반면, 변조된 DC 주파수는 별개 값으로 더 용이하게 설정된다. 변조된 DC 주파수의 개별 제어는 온도 제한 히터의 턴다운 비에 대한 더욱 선택적인 제어를 가능하게 한다. 온도 제한 히터의 턴다운 비를 선택적으로 제어할 수 있으면, 온도 제한 히터를 설계하고 구성하는데 더 넓은 범위의 재료를 사용할 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 변조된 DC 주파수 또는 AC 주파수는 사용 동안 온도 제한 히터의 특성 (예컨대, 온도 또는 압력과 같은 지하 조건) 의 변화를 보상하기 위해 조절된다. 온도 제한 히터에 제공되는 변조된 DC 주파수 또는 AC 주파수는 평가된 다운홀 조건에 기초하여 변경된다. 예컨대, 웰보어 내 온도 제한 히터의 온도가 증가함에 따라, 히터에 제공되는 전류의 주파수를 증가시켜 히터의 턴다운 비를 증가시키는 것이 유리할 수 있다. 일 실시형태에서, 웰보어 내 온도 제한 히터의 다운홀 온도가 평가된다.
특정 실시형태에서, 변조된 DC 주파수 또는 AC 주파수는 온도 제한 히터의 턴다운 비를 조절하기 위해 변경된다. 턴다운 비는 온도 제한 히터의 길이를 따라 발생하는 열점을 보상하기 위해 조절될 수 있다. 예컨대, 턴다운 비는 온도 제한 히터가 특정 위치에서 너무 뜨거워지기 때문에 증가된다. 몇몇의 실시형태에서, 변조된 DC 주파수 또는 AC 주파수는 지하 조건을 평가함이 없이 턴다운 비를 조절하기 위해 변경된다.
금속 핸드북, 제 8 권, p.291 (미국재료학회(ASM)) 에는 합금 내 크롬량에 대한 철-크롬 합금의 큐리 온도 그래프가 기재되어 있다. 일부 온도 제한 히터 실시형태에서, 항복강도 및/또는 내크리프성을 제공하기 위해 (347H 스테인리스강으로 이루어진) 개별 지지 봉 또는 관이 철-크롬 합금으로 이루어진 온도 제한 히터에 연결된다. 특정 실시형태에서, 지지 재료 및/또는 강자성 재료는 650 ℃ 에서 적어도 20.7 MPa 의 100,000 시간 크리프 파괴 강도를 제공하도록 선택된다. 몇몇의 실시형태에서, 100,000 시간 크리프 파괴 강도는 650 ℃ 에서 적어도 13.8 MPa 또는 650 ℃ 에서 적어도 6.9 MPa 이다. 예컨대, 347H 강은 650 ℃ 이상에서 바람직한 크리프 파괴 강도를 갖는다. 몇몇의 실시형태에서, 더 긴 히터 및/또는 더 높은 지구 또는 유체 응력에 대해 100,000 시간 크리프 파괴 강도는 6.9 MPa ∼ 41.3 MPa 또는 그 이상이다.
특정 실시형태에서, u자형 웰보어의 실질적으로 수평방향 구획에서 온도 제한 가열 요소가 사용된다. 실질적으로 u자형 웰보어는 역청 지층, 오일 셰일 지층, 또는 비교적 얇은 탄화수소 층을 갖는 다른 지층에 사용될 수 있다. 역청 또는 얇은 오일 셰일 지층은 얇은 얕은 층을 가질 수 있는데, 이 층은 실질적으로 u자형 웰보어 내에 위치된 히터를 이용하여 더욱 용이하고 균일하게 가열된다. 또한, 실질적으로 u자형 웰보어는 지층 내에 두꺼운 탄화수소 층을 갖는 지층을 처리하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 두꺼운 탄화수소 지층 내 농후 층을 평가하기 위해 실질적으로 u자형 웰보어가 사용된다.
실질적으로 u자형 웰보어의 히터는, 수평방향 가열 구획이 수직방향 가열 요소에서 발생하는 크리프 또는 현수 (hanging) 응력과 관련한 문제를 갖지 않으므로, 수직방향 웰보어 내 히터에 비해 긴 길이를 가질 수 있다. 실질적으로 u자형 웰보어는 지층 내 천연 시일 및/또는 제한된 두께의 탄화수소 층을 이용할 수 있다. 예컨대, 수직방향으로 배향된 웰보어가 필요한 경우, 웰보어는 천연 시일에 다수의 구멍을 뚫지 않으면서 지층 내 천연 시일 위에 또는 아래에 위치될 수 있다. 또한, 수직방향 웰보어 대신 실질적으로 u자형 웰보어를 이용하면, 지층의 표면 자국을 처리하는데 필요한 웰의 개수를 줄일 수 있다. 웰을 덜 이용하면, 장비에 드는 자본비용이 감소하고, 표면에서의 웰보어의 양과 표면에서의 장비의 양이 감소함으로써 지층 처리의 환경 충격이 감소한다. 또한, 실질적으로 u자형 웰보어는 수직방향 웰보어의 경우보다 가열된 구획에 대한 상부 퇴적물 구획의 더 낮은 비를 이용할 수 있다.
실질적으로 u자형 웰보어에 의하면, 표면에서의 웰보어의 개구의 유연한 배치가 가능하다. 웰보어로의 개구는 지층의 표면 위상 (surface topology) 을 따라 위치될 수 있다. 특정 실시형태에서, 웰보어의 개구는 위상적으로 높은 곳 (예컨대, 언덕) 과 같은 지리적으로 평가가능한 위치에 위치된다. 예컨대, 웰보어는 제 1 위상적으로 높은 곳에 있는 제 1 개구 및 제 2 위상적으로 높은 곳 에 있는 제 2 개구를 가질 수 있고, 웰보어는 제 1 및 제 2 위상적으로 높은 곳 사이에서 위상적으로 낮은 곳 (예컨대, 충적 충전물 (alluvial fill) 을 갖는 골 (valley)) 의 아래에서 교차한다. 개구를 이처럼 배치하면, 위상적으로 낮은 곳 또는 다른 접근할 수 없는 위치에 개구 또는 장비를 두는 것을 회피할 수 있다. 그리고, 수위 (water level) 가 위상적으로 높은 영역에서는 찬정 (artesian) 이 될 수 없다. 웰보어는 개구가 개울, 조류 서식지, 또는 동물 보호구역과 같은 (이에 국한되지 않음) 환경적으로 민감한 영역 근방에 위치되지 않도록 뚫릴 수 있다.
특정 실시형태에서, 히터가 히터 외부에 전압을 거의 또는 전혀 갖지 않기 때문에, 히터는 지층으로부터 전기적으로 절연된다. 도 3 은 지층으로부터 전기적으로 절연된 실질적으로 u자형 히터의 실시형태를 보여준다. 히터 (220) 는 표면 (216) 상의 제 1 개구에 있는 제 1 단부 및 표면상의 제 2 개구에 있는 제 2 단부를 갖는다. 몇몇의 실시형태에서, 히터 (220) 는 표면에서 단지 제 1 단부만을 갖고, 히터의 제 2 단부는 탄화수소 층 (212) 내에 위치된다 (히터는 단일 단부 히터임). 도 4 및 도 5 는 지층으로부터 전기적으로 절연된 단일 단부 히터의 실시형태를 보여준다. 특정 실시형태에서, 단일 단부 히터 (220) 는 도 4 및 도 5 에 나타낸 것처럼 탄화수소 층 (212) 내에서 실질적으로 수평방향으로 있는 기다란 부분을 갖는다. 몇몇의 실시형태에서, 단일 단부 히터 (220) 는 탄화수소 층 (212) 내에서 실질적으로 수평방향이 아닌 다른 방향을 갖는 기다란 부분을 갖는다. 예컨대, 단일 단부 히터는 탄화수소 층 내에서 수평방향에 대해 15°각도를 이루는 기다란 부분을 가질 수 있다.
도 3 ∼ 도 5 에 나타낸 것처럼, 히터 (220) 는 탄화수소 층 (212) 내에 위치된 가열 요소 (218) 를 포함한다. 가열 요소 (218) 는 강자성 도관 가열 요소 또는 강자성 관형 가열 요소일 수 있다. 특정 실시형태에서, 가열 요소 (218) 는 온도 제한 히터 관형 가열 요소이다. 특정 실시형태에서, 가열 요소 (218) 는 410 스테인리스강 관형, T/P91 스테인리스강 관형, 또는 T/P92 스테인리스강 관형과 같은 9 중량% ∼ 13 중량% 크롬 스테인리스강 관형이다. 특정 실시형태에서, 가열 요소 (218) 는 25 ℃ 에서 강자성 재료의 적어도 약 1개의 표면 깊이의 벽 두께를 갖는 강자성 재료를 포함한다. 몇몇의 실시형태에서, 가열 요소 (218) 는 25 ℃ 에서 강자성 재료의 적어도 약 2 배 표면 깊이, 25 ℃ 에서 강자성 재료의 적어도 약 3 배 표면 깊이, 또는 25 ℃ 에서 강자성 재료의 적어도 약 4 배 표면 깊이의 벽 두께를 갖는 강자성 재료를 포함한다.
가열 요소 (218) 는 1 이상의 구획 (222) 에 연결된다. 구획 (222) 은 상부 퇴적물 (214) 에 위치되어 있다. 구획 (222) 은 구리 또는 알루미늄과 같은 더 높은 전기 전도도 재료를 포함한다. 특정 실시형태에서, 구획 (222) 은 동박 (copper clad) 내부 탄소강이다.
중심 도체 (226) 가 가열 요소 (218) 내부에 위치된다. 몇몇의 실시형태에서, 가열 요소 (218) 와 중심 도체 (226) 는 지층 내에 위치되는 동안 1 이상의 스풀 (spool) 로부터 가열 요소와 중심 도체를 풀어서 지층 내에 위치 또는 설치된다. 몇몇의 실시형태에서, 가열 요소 (218) 와 중심 도체 (226) 는 단일 스풀 에 함께 연결되고, 가열 요소 내부에서 중심 도체와 단일 시스템으로서 풀린다. 몇몇의 실시형태에서, 가열 요소 (218) 와 중심 도체 (226) 는 개별 스풀에 위치되고, 가열 요소가 지층 내에 위치된 후 중심 도체가 가열 요소 내부에 위치된다.
특정 실시형태에서, 중심 도체 (226) 는 가열 요소 (218) 의 중심에 또는 중심 근방에 위치된다. 중심 도체 (226) 는 중심 도체의 길이 (예컨대, 탄화수소 층 (212) 내 중심 도체의 길이) 를 따라 가열 요소 (218) 로부터 실질적으로 전기적으로 절연될 수 있다. 특정 실시형태에서, 중심 도체 (226) 는 1 이상의 전기절연 중심화기 (centralizer) 에 의해 가열 요소 (218) 로부터 분리된다. 중심화기는 질화규소 또는 다른 전기 절연 재료를 포함할 수 있다. 중심화기는 중심 도체 (226) 와 가열 요소 (218) 사이의 전기 접촉을 억제할 수 있으므로, 예컨대 중심 도체와 가열 요소 사이의 아킹 (arcing) 또는 쇼팅 (shorting) 이 억제된다. 몇몇의 실시형태에서, 중심 도체 (226) 는 도체 (예컨대, 중실 도체 또는 관형 도체) 이므로, 히터는 도관 내 도체의 구성이다.
특정 실시형태에서, 중심 도체 (226) 는 구리 봉 또는 구리 관이다. 몇몇의 실시형태에서, 중심 도체 (226) 및/또는 가열 요소 (218) 는 가열 요소로부터 전류 누설을 억제하는 얇은 전기절연층을 갖는다. 몇몇의 실시형태에서, 얇은 전기절연층은 산화알루미늄 또는 용사 피복 산화알루미늄이다. 몇몇의 실시형태에서, 얇은 전기절연층은 세라믹 조성물의 에나멜 코팅이다. 얇은 전기절연층은 3상 히터의 가열 요소들이 요소들 사이의 전류 누설, 지층으로의 전류 누설, 그리고 지층 내 다른 히터로의 전류 누설을 막을 수 있다. 따라서, 3상 히터는 더 긴 히터 길이를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 중심 도체 (226) 는 절연된 도체이다. 절연된 도체는 도전성 외장 내의 도전성 코어를 포함할 수 있으며, 코어와 외장 사이는 전기 절연되어 있다. 특정 실시형태에서, 절연된 도체는 비강자성 스테인리스강 (예컨대, 347 스테인리스강) 외장 내의 구리 코어를 포함하고, 코어와 외장 사이는 산화마그네슘 절연되어 있다. 절연된 도체를 통해 전류를 통하게 하기 위해 코어가 이용될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 절연된 도체는 절연된 도체와 가열 요소 사이에 중심화기 또는 스페이서 없이 가열 요소 (218) 내에 위치된다. 외장 및 절연된 도체의 전기 절연은, 중심 도체와 가열 요소가 접촉한다면, 가열 요소 (218) 로부터 코어를 전기적으로 절연시킬 수 있다. 따라서, 코어와 가열 요소 (218) 는 서로 전기적으로 쇼팅되는 것이 억제된다. 절연된 도체 또는 다른 중실 중심 도체 (226) 가 가열 요소 (218) 에 의해 파쇄 또는 변형되는 것이 억제될 수 있다. 특정 실시형태에서, 중심 도체 (226) 의 일 단부는 도 3 에 나타낸 것처럼 전기적 커플링 (224) 을 이용하여 표면 (216) 에서 가열 요소 (218) 의 일 단부에 전기적으로 연결된다. 일 실시형태에서, 중심 도체 (226) 의 단부는 도 4 및 도 5 에 나타낸 것처럼 전기적 커플링 (224) 을 이용하여 탄화수소 층 (212) 내에서 가열 요소 (218) 의 단부에 전기적으로 연결된다. 따라서, 중심 도체 (226) 는 도 3 ∼ 도 5 에 나타낸 실시형태에서 직렬 구성으로 가열 요소 (218) 에 전기적으로 연결된다. 특정 실시형태에서, 중심 도체 (226) 는 절연된 도체이고, 절연된 도체의 코어는 직렬 구성으로 가열 요소 (218) 에 전기적으로 연결된다. 중심 도체 (226) 는 가열 요소 (218) 에 대해 리턴 도전체 (return electrical conductor) 이므로, 중심 도체 내 전류가 가열 요소 내 전류와 (화살표 (228) 로 나타낸 것처럼) 반대 방향으로 흐른다. 중심 도체 (226) 에 흐르는 전류에 의해 생성되는 전자기장은 가열 요소의 강자성 재료의 큐리 온도 미만에서 가열 요소 (218) 의 내부 (예컨대, 가열 요소의 내벽) 로의 전자 유동 및 발열을 실질적으로 제한한다. 따라서, 가열 요소 (218) 의 외부는 실질적으로 0 의 전압이 되고, 가열 요소는 강자성 재료의 큐리 온도 미만의 온도 (예컨대, 25 ℃) 에서 지층 및 인접한 히터 또는 가열 요소로부터 전기적으로 절연된다. 가열 요소 (218) 의 외부를 실질적으로 0 의 전압으로 하고 가열 요소를 지층 및 인접한 히터 또는 가열 요소로부터 전기적으로 절연시키면, 탄화수소 층으로의 큰 전기적 (전류) 손실 없이 탄화수소 층 (212) 내에 기다란 길이의 히터를 사용할 수 있다. 예컨대, 탄화수소 층 (212) 내에 적어도 약 100 m, 적어도 약 500 m, 또는 적어도 약 1000 m 의 길이를 갖는 히터를 사용할 수 있다.
가열 요소 (218) 와 중심 도체 (226) 에 전류를 가하는 동안, 히터에 의해 열이 발생한다. 특정 실시형태에서, 가열 요소 (218) 는 히터의 열 출력의 대부분 또는 전부를 생성한다. 예컨대, 가열 요소 (218) 의 강자성 재료 및 중심 도체 (226) 의 구리 또는 다른 낮은 비저항 재료를 통해 전류가 흐를 때, 가열 요소는 히터의 열 출력의 대부분 또는 전부를 생성한다. 중심 도체 (226) 대신 외부 도체 (가열 요소 (218)) 내 열의 대부분을 생성하는 것은 발열 요소 (가열 요소 (218)) 로부터 지층으로의 직접 열 전달을 가능하게 함으로써 지층으로의 열 전 달 효율을 증가시킬 수 있고 또한 히터 (220) 에서의 열 손실 (예컨대, 중심 도체가 발열 요소인 경우, 중심 도체와 외부 도체 사이의 열 손실) 을 감소시킬 수 있다. 중심 도체 (226) 대신 가열 요소 (218) 내 열을 생성하는 것은, 히터 (220) 의 발열 표면적을 또한 증가시킨다. 따라서, 히터 (220) 의 동일한 작동 온도에서, 발열 요소로서 중심 도체 (226) 대신 외부 도체 (가열 요소 (218)) 를 이용하여 지층에 더 많은 열이 제공될 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 지층을 예열하고/하거나 가열 요소로부터 열을 회수하기 위해 유체가 (도 3 및 도 4 에서 화살표 (230) 으로 나타낸 것처럼) 히터 (220) 를 통해 흐른다. 도 3 에 나타낸 실시형태에서, 유체는, 가열 요소 (218) 의 내부와 가열 요소를 통해 그리고 중심 도체 (226) 의 외부를 화살표 (230) 로 나타낸 것처럼, 히터 (220) 의 일 단부에서 히터의 타 단부로 흐른다. 도 4 에 나타낸 실시형태에서, 유체는 화살표 (230) 로 나타낸 것처럼 관형 도체인 중심 도체 (226) 를 통해 히터 (220) 내로 흐른다. 중심 도체 (226) 는 유체가 중심 도체로부터 나올 수 있도록 중심 도체의 단부에서 개구 (232) 를 포함한다. 개구 (232) 는 유체가 중심 도체 (226) 로 유입 또는 유출할 수 있게 하는 천공 (perforation) 또는 다른 오리피스일 수 있다. 그리고 나서, 유체는 화살표 (230) 으로 나타낸 것처럼 가열 요소 (218) 내부 그리고 중심 도체 (226) 외부의 표면으로 되돌아간다.
히터 (220) 내부의 유체 유동 (도 3 및 도 4 에서 화살표 (230) 로 나타냄) 은 히터를 예열하기 위해, 지층을 초기에 가열하기 위해, 그리고/또는 현장 열처리 과정을 위한 가열이 완료된 후 지층으로부터 열을 회수하기 위해 이용될 수 있다. 히터를 통해 유동할 수 있는 유체는 공기, 물, 증기, 헬륨, 이산화탄소 또는 다른 높은 열용량 유체를 포함하며, 이에 국한되지 않는다. 몇몇의 실시형태에서, 이산화탄소, 헬륨 또는 DOWTHERM 
(Dow Chemical Company, Midland, 미시건, 미국) 와 같은 고온 유체가 지층에 열을 제공하기 위해 관형 가열 요소를 통해 흐른다. 고온 유체는, 지층에 열을 제공하기 위해 전기적 가열이 이용되기 전에 지층에 열을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 전기적 가열에 추가로 고온 유체가 열을 제공하기 위해 이용된다. 전기적 가열을 제공하는 것에 더하여, 지층에 열을 제공하기 위해 또는 지층을 예열하기 위해 고온 유체를 이용하는 것은, 지층에 열을 제공하기 위해 전기적 가열만을 이용하는 것보다 비용이 덜 들 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 지층의 현장 열처리 후 지층으로부터 열을 회수하기 위해 물 및/또는 증기가 관형 가열 요소를 통해 흐른다. 용해 채광법 및/또는 다른 처리를 위해 가열된 물 및/또는 증기가 이용될 수 있다.
본 발명의 다양한 측명에서의 다른 수정 및 대안적인 실시형태가 이 명세서로부터 본 기술분야의 당업자가에게 명백할 수 있다. 따라서, 본 명세서는 단지 설명적인 것으로 해석되어야 하며, 본 발명을 실시하는 일반적인 방식을 본 기술분야의 당업자에게 설명하기 위한 것이다. 여기서 설명한 본 발명의 형태는 현재 바람직한 실시형태로서 이해해야 한다. 요소 및 재료는 여기서 설명하는 것으로 대체될 수 있고, 부품과 과정은 역으로 될 수 있으며, 본 발명의 특정 측면들은 본 명세서의 이점을 가진 후 본 기술분야의 당업자에게 명백한 것처럼 독립적 으로 이용될 수 있다. 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않으면서 여기서 설명한 요소에 변형이 가해질 수 있다. 그리고, 여기서 독립적으로 설명한 측면들은 특정 실시형태에서 조합될 수 있다.
Claims (29)
- 지층의 개구 내에 위치되고, 강자성 재료를 포함하는 도관; 및상기 도관 내부에 위치된 도전체를 포함하는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템으로서,상기 도전체는 도관의 단부에 또는 단부 근방에서 도관에 전기적으로 연결되어, 도전체와 도관이 전기적으로 직렬 연결되고, 시스템에 전류를 가하는 동안 도관 내 전류 유동의 실질적으로 반대 방향으로 전류가 도전체 내에 흐르게 되고,상기 시스템에 전류를 가하는 동안, 도관의 외부 표면이 25 ℃ 에서 실질적으로 0 의 전압 또는 0 에 가까운 전압이 되도록, 도전체 내 전류 유동으로부터 생성되는 전자기장에 의해 전자의 유동이 실질적으로 도관의 내부로 제한되며,상기 도관은 시스템에 전류를 가하는 동안 열을 생성하여 지층을 가열하도록 되어 있는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 도관의 외부는 상기 지층으로부터 실질적으로 전기 절연되어 있는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 도관은 상기 지층의 근방에 있는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도관은 도관 벽 내에서 생성된 열이 지층에 전달되도록 상기 지층의 근방에 있는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도관은 상기 시스템의 열 출력의 대부분을 생성하도록 되어 있는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도관은 도전체의 외주보다 더 큰 외주를 갖고, 도관 벽 내에서 생성된 열이 도관의 외주로부터 지층으로 전달되는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도관은 25 ℃ 에서의 강자성 재료의 적어도 한 표면 깊이의 벽 두께를 갖는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도관은 지층 내에 위치된 적어도 한 인접 도관으로부터 전기 절연되어 있는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개구는 지층의 표면에서 제 1 위치에 있는 제 1 단부 및 지층의 표면에서 제 2 위치에 있는 제 2 단부를 갖는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도관의 대부분이 지층의 탄화수소 층 내에 실질적으로 수평방향으로 배향되어 있는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도전체는 도관의 길이를 따라 도관으로부터 실질적으로 전기 절연되어 있고, 상기 도전체는 도관의 단부 근방에서 도관에 전기적으로 연결되어 있는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 도관을 도전체로부터 전기적으로 분리시키기 위해 1 이상의 중심화기 (centralizer) 를 더 포함하는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 도관의 표면 및/또는 도전체의 외부 표면에 얇은 전기절연층을 더 포함하는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도관은 강자성 재료의 큐리 온도 미만에서 제 1 열 출력을 제공하도록 되어 있고, 상기 도관은 강자성 재료의 큐리 온도 이상에서 제 1 열 출력보다 작은 제 2 열 출력을 제공하도록 되어 있는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도전체는 도전성 외장 내에 도전성 코어를 포함하는 절연된 도체이고, 코어와 외장은 전기 절연되어 있는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 15 항에 있어서, 상기 코어는 구리이고, 상기 외장은 비강자성 스테인리스 강인, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 적어도 2 대 1 의 턴다운 비를 갖는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도관은 적어도 100 m, 적어도 500 m, 또는 적어도 1000 m 의 길이를 가지며 지층의 탄화수소 층 내에 있는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도관은 유체가 그 도관을 통해 흐를 수 있도록 하여 (a) 도관 및 시스템을 예열하고 그리고/또는 (b) 시스템으로부터 열을 회수하는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도전체는 도전체의 단부 또는 그 근방에 개구를 갖는 관형 도체이고, 이 개구는 유체가 도전체의 내부와 도관 사이를 흐를 수 있도록 되어 있는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 따른 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템을 이용하여 지하 지층을 가열하는 방법으로서, 지하 지층의 적어도 일부에 열을 제공하기 위해 도관에 전류를 제공하는 단계를 포함하는, 지하 지층을 가열하는 방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 지하 지층은 탄화수소를 포함하고, 상기 방법은 적어도 일부 탄화수소가 지층 내에서 열분해되도록 지층에 열이 전달되도록 하는 단계를 더 포함하는, 지하 지층을 가열하는 방법.
- 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서, 지층에 열을 제공하기 위해 도관에 고온 열 전달 유체를 제공하는 단계를 더 포함하는, 지하 지층을 가열하는 방법.
- 제 23 항에 있어서, 상기 고온 열전달 유체는 가열된 물, 증기, 및/또는 가열된 이산화탄소인, 지하 지층을 가열하는 방법.
- 제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 지층으로부터 유체를 생성시키는 단계를 더 포함하는, 지하 지층을 가열하는 방법.
- 제 21 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템으로부터 열을 회수하기 위해 도관에 유체를 제공하는 단계를 더 포함하는, 지하 지층을 가열하는 방법.
- 개구에 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 따른 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템을 설치하는 방법으로서,1 이상의 스풀 (spool) 로부터 도관 및 도전체를 푸는 단계, 및 그 도관 및 도전체를 지층의 개구 내에 위치시키는 단계를 포함하는, 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템의 설치 방법.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 따른 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템을 이용하여 또는 제 21 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 따른 탄화수소 함유 지층을 가열하기 위한 시스템의 설치 방법을 이용하여 지하 지층으로 부터 생성되는 탄화수소 함유 조성물.
- 제 28 항에 따른 탄화수소 함유 조성물로부터 제조되는 탄화수소 함유 수송용 연료.
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