KR20090007453A - 온도 제한 히터에서의 선택된 특성을 위한 조절용 합금 조성물 - Google Patents

온도 제한 히터에서의 선택된 특성을 위한 조절용 합금 조성물 Download PDF

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KR20090007453A
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존 마이클 비텍
마이클 패트릭 브래디
조셉 아노 주니어 호튼
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쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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Abstract

히터를 기술한다. 상기 히터는 철, 코발트 및 탄소를 포함하는 히터 구획을 갖는다. 상기 히터 구획은 상변태 온도보다 더 낮은 큐리 온도를 갖는다. 큐리 온도는 적어도 740 ℃ 이다. 상기 히터 구획은, 그 히터 구획에 시변 전류가 가해지는 때, 전기 저항을 제공한다.
온도 제한 히터, 상변태 온도, 큐리 온도.

Description

온도 제한 히터에서의 선택된 특성을 위한 조절용 합금 조성물{ADJUSTING ALLOY COMPOSITIONS FOR SELECTED PROPERTIES IN TEMPERATURE LIMITED HEATERS}
본 발명은 일반적으로 온도 제한 특성을 갖는 히터에 관한 것이다. 구체적인 실시형태는 탄화수소 함유 지층 (formation) 과 같은 지하 지층의 처리에서 사용되는 히터, 그 지층으로부터 탄화수소, 수소 및/또는 다른 생성물을 형성하는 것에 관한 것이다.
지하 지층으로부터 얻어지는 탄화수소는 에너지 자원, 공급원료 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 유 사한 유동 특성을 갖는 고체 입자의 스트림일 수 있고, 이에 국한되지 않는다.
현장 처리 동안 지층을 가열하기 위해 웰보어 내에 히터가 위치될 수 있다. 다운홀 히터를 이용하는 현장 처리의 예가 Ljungstrom 의 미국특허 제 2,634,961 호, 제 2,732,195 호, 제 2,780,450 호, 제 2,789,805 호, 제 2,923,535 호, 및 Van Meurs 등의 미국특허 제 4,886,118 호에 기재되어 있다.
오일 셰일 (oil shale) 지층에 열을 가하는 것은 Ljungstrom 의 미국특허 제 2,923,535 호 및 Van Meurs 등의 미국특허 제 4,886,118 호에 기재되어 있다. 오일 셰일 지층 내 케로겐을 열분해하기 위해 오일 셰일 지층에 열이 가해질 수 있다. 또한, 열은 지층을 파쇄하여, 지층의 투과성을 증가시킬 수 있다. 증가된 투과성으로 인해, 지층 유체는 그 지층 유체가 오일 셰일 지층으로부터 제거되는 제조 웰로 이동할 수 있다. Ljungstrom 에 의해 개시된 몇몇의 처리에서, 예컨대 산소 함유 기상 매체가 투과성 지층에, 바람직하게는 예열 단계로 여전히 뜨거운 동안 연소를 개시하기 위해 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 원소를 저항 가열할 수 있다. Germain 의 미국특허 제 2,548,360 호는 웰보어의 점성 오일 내에 위치되는 전기 가열 요소를 기재하고 있다. 히터 요소는 오일을 가열하고 가늘게 하여, 웰보어로부터 오일이 펌핑될 수 있도록 한다. Eastlund 등의 미국특허 제 4,716,960 호는, 고상물의 형성을 방지하기 위해 튜빙 (tubing) 을 통해 비교적 낮은 전류를 통과시킴으로써 유정을 전기적으로 가열하는 튜빙을 기재하고 있다. Van Egmond 의 미국특허 제 5,065,818 호는 가열 요소를 둘러싸는 케이싱 없이 웰 보어홀 내에 시멘트로 굳혀지는 전기 가열 요소를 기재하고 있다.
Vinegar 등의 미국특허 제 6,023,554 호는 케이싱 내에 위치되는 전기 가열 요소를 기재하고 있다. 이 가열 요소는 케이싱을 가열하는 복사 에너지를 생성한다. 케이싱과 지층 사이에, 과립 고형체 충전재가 위치될 수 있다. 케이싱은 충전재를 전도 가열할 수 있고, 이 충전재가 지층을 전도 가열할 수 있다.
몇몇의 히터는 지층내 열점으로 인해 고장날 수 있다. 히터의 어느 지점에서의 온도가 히터의 최대 작동 온도를 초과하거나 초과하려는 경우, 히터의 고장 및/또는 지층 내 열점 또는 그 근처에서의 지층의 과열을 회피하기 위해, 전체 히터에 공급되는 전력을 줄일 필요가 있을 수 있다. 몇몇의 히터는, 히터가 특정 온도 한계에 도달할 때까지, 히터 길이를 따라 균일한 열을 제공할 수 없다. 몇몇의 히터는 지하 지층을 효율적으로 가열할 수 없다. 히터 내에서 발견되는 몇몇의 공통적으로 사용되는 강자성 금속은 그 금속의 큐리 온도 미만의 또는 큐리 온도와 중첩되는 상변태 온도를 가질 수 있다. 따라서, 큐리 온도가 상변태 온도의 범위 미만이 되도록 합금의 상변태 온도를 조절하는 금속 조성을 갖는 강자성 금속 합금을 사용하는 것이 유리하다.
여기서 설명하는 실시형태는 일반적으로 지하 지층을 처리하기 위한 시스템, 방법 및 히터에 관한 것이다. 또한, 여기서 설명하는 실시형태는 일반적으로 신규한 구성요소를 갖는 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, 시스템, 방법 및/또는 히터는 지하 지층을 처리하기 위해 사용된다.
특정 실시형태에서, 본 발명은 철, 코발트 및 탄소를 포함하는 히터 구획을 갖는 히터를 제공하는데, 상기 히터 구획은 상변태 온도보다 더 낮은 큐리 온도 (Tc) 를 갖고, Tc 는 적어도 740 ℃ 이며, 상기 히터 구획은, 그 히터 구획에 시변 (time-varing) 전류가 가해지는 때, 전기 저항을 제공하도록 되어 있다.
몇몇의 실시형태에서, 본 발명은 1 중량% 이하의 니켈, 1 중량% 이하의 규소, 1 중량% 이하의 바나듐, 1 중량% 이하의 티탄, 및/또는 1 중량% 이하의 망간을 갖는 히터 구획을 제공한다.
몇몇의 실시형태에서, 본 발명은 상변태 온도보다 낮은 큐리 온도 (Tc) 를 갖고, Tc 는 적어도 800 ℃ 인 히터 구획을 제공한다. 몇몇의 실시형태에서, 본 발명은 적어도 50 중량% 의 철, 적어도 9 중량% 의 크롬 및 적어도 0.1 중량% 의 탄소를 갖는 히터 구획을 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 임의의 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, 도 4 및 도 5 는 강자성 구획과 비강자성 구획을 갖는 외부 도체를 구비한 온도 제한 히터의 일 실시형태의 단면도이다.
도 6, 도 7, 도 8 및 도 9 는 시스 (sheath) 내에 위치된 강자성 구획과 비강자성 구획을 갖는 외부 도체를 구비한 온도 제한 히터의 일 실시형태의 단면도이다.
도 10 은 온도 제한 히터의 일 실시형태를 나타내는데, 여기서 지지 부재가 강자성 도체의 큐리 온도 미만에서 열 출력의 대부분을 제공한다.
도 11 및 도 12 는 온도 제한 히터의 실시형태를 나타내는데, 여기서 재킷 (jacket) 이 강자성 도체의 큐리 온도 미만에서 열 출력의 대부분을 제공한다.
도 13 은 철합금 TC3 의 경우 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중 량% 의 실험적 계산 결과를 보여준다.
도 14 는 철합금 FM-4 의 경우 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중량% 의 실험적 계산 결과를 보여준다.
도 15 는 여러 개의 철합금에 대한 큐리 온도와 상변태 온도를 보여준다.
도 16 은 코발트 5.63 중량% 및 망간 0.4 중량% 를 갖는 철-코발트 합금의 경우 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중량% 의 실험적 계산 결과를 보여준다.
도 17 은 코발트 5.63 중량%, 망간 0.4 중량% 및 탄소 0.01 % 를 갖는 철-코발트 합금의 경우 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중량% 의 실험적 계산 결과를 보여준다.
도 18 은 코발트 5.63 중량%, 망간 0.4 중량% 및 탄소 0.085 % 를 갖는 철-코발트 합금의 경우 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중량% 의 실험적 계산 결과를 보여준다.
도 19 는 코발트 5.63 중량%, 망간 0.4 중량%, 탄소 0.085 % 및 티탄 0.4 % 를 갖는 철-코발트 합금의 경우 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중량% 의 실험적 계산 결과를 보여준다.
도 20 은 크롬 12.25 중량%, 탄소 0.1 중량%, 망간 0.5 중량% 및 규소 0.5 중량% 를 갖는 철-크롬 합금의 경우 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중량% 의 실험적 계산 결과를 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.
"교류 (AC)"는, 실질적으로 사인파형으로 방향을 역전시킨 시변 전류를 가리킨다. AC 는 강자성 도체에 표피 효과 전기 유동을 발생시킨다.
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.
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.
"지층"은 1 이상의 탄화수소 함유 층, 1 이상의 비탄화수소 (non-hydrocarbon) 층, 상부 퇴적물 (overburden) 및/또는 하부 퇴적물 (underburden) 을 포함한다. "탄화수소 층"은 탄화수소를 포함하는 지층 내 층을 가리킨다. 탄화수소 층은 비탄화수소 재료 및 탄화수소 재료를 포함할 수 있다. "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 몇몇의 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 현장 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 (mobilized) 탄화수소 및 물 (증기) 을 포함할 수 있다. 지층 유체는 비탄화수소 유체뿐만 아니라 탄화수소 유체를 포함할 수 있다. "가동화 유체"라는 용어는 지층의 열처리 결과 유동할 수 있는 탄화수소 함유 지층 내 유체를 가리킨다. "형성된 유체"는 지층으로부터 제거된 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 또 한 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 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.
"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, 피로역 청, 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 유체를 포함 또는 동반하거나 비탄화수소 유체에 동반될 수 있다.
"현장 변환 과정"은, 열분해 유체가 지층 내에 형성되도록 지층의 적어도 일부의 온도를 열분해 온도 이상으로 올리기 위해 열원으로부터 탄화수소 함유 지층을 가열하는 과정을 가리킨다.
"현장 열처리 과정"은, 지층 내에 가동화 유체, 비스브레이킹 (visbreaking) 된 유체, 또는 열분해 유체가 형성되도록, 열원으로 탄화수소 함유 지층을 가열하여 지층의 적어도 일부의 온도를, 가동화된 유체, 비스브레이킹, 및/또는 탄화수소 함유 물질의 열분해가 이루어지는 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. "열분해"는 열 공급으로 인한 화학 결합의 파괴이다. 예컨대, 열분해는 단지 열에 의해서만 화합물을 1종 이상의 다른 물질로 변환시키는 것을 포함할 수 있다. 열은 지층의 구획에 전달되어 열분해를 야기할 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 지층 (예컨대, 역청 지층과 같은 비교적 투과성인 지층) 의 체적을 가리킨다.
"시변 전류"는 강자성 도체 내에 표피 효과 전기 유동을 발생시키며 시간에 따라 크기가 변하는 전류를 가리킨다. 시변 전류는 교류 (AC) 와 변조된 직류 (DC) 모두를 포함한다.
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.
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 올라갈 수 있다. 탄화수소 함유 지층을 복수의 열원으로 가열하면, 열분해 온도 범위에서 지층 내 탄화수소의 온도를 느리게 올리는 열원 주위에 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. 지층의 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 온 도 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 내부 및/또는 외부로의 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 제 거하고/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 가열하기 위해 사용되는 또는 사용될 모든 열원 (202) 을 둘러싼다.
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. 몇몇의 실시형태에서, 현장 열처리 과정을 위한 전기는 원자력 발전소(들)에 의해 제공될 수 있다. 원자력을 사용하면, 현장 열처리 과정으로부터 이산화탄소의 방출을 줄이거나 또는 제거할 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 공 급되는 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.
몇몇의 실시형태에서, 제조웰 (206) 내의 열원은 지층으로부터 지층 유체가 증기상으로 제거될 수 있게 해준다. 제조웰에서 또는 제조웰을 통하여 열을 공급하는 것은, (1) 제조 유체가 상부 퇴적물 근방의 제조웰 내에서 움직이는 경우 제조 유체의 응축 및/또는 환류를 억제하고, (2) 지층 내로의 열 입력을 증가시키며, (3) 열원이 없는 제조웰과 비교하여 제조웰로부터의 제조 속도를 증가시키고, (4) 제조웰 내의 높은 탄소 수 화합물 (C6 이상) 의 응축을 억제하며, 그리고/또는 (5) 제조웰에서 또는 그 근방에서 지층 투과성을 증가시킨다.
지층 내의 하위 표면 압력은 지층 내에서 생성된 유압에 대응될 수 있다. 지층의 가열된 부분 내의 온도가 증가할수록, 가열된 부분 내의 압력은 증가된 유체 생성 및 물의 증발의 결과로 가능케 한다. 지층으로부터의 유체 제거 속도의 제어는 지층 내의 압력 제어를 대비하게 한다. 지층 내의 압력은, 제조웰 또는 그 근처, 열원 또는 그 근처, 또는 모니터 웰에서와 같은 많은 다른 지점에서 결정될 수 있다.
몇몇 탄화수소 함유 지층에서, 지층 내의 적어도 몇몇 탄화수소가 열분해될 때까지 지층으로부터의 탄화수소 제조는 억제된다. 지층 유체는 지층 유체가 선택된 품질인 경우 지층으로부터 제조될 수 있다. 몇몇 실시형태에서 선택된 품질은 적어도 약 20°,30°,또는 40°의 API 비중을 포함한다. 적어도 몇몇 탄화수소가 열분해 될 때까지 제조를 억제하면 중질 탄화수소의 경질 탄화수소로의 전환이 증가될 수 있다. 최초의 제조를 억제하면 지층으로부터 중질 탄화수소의 제조를 최소화할 수 있다. 상당한 양의 중질 탄화수소의 제조는 고가의 장비를 요할 수 있고 그리고/또는 제조 장비의 수명을 감소시킬 수 있다.
열분해 온도에 도달하고 지층으로부터의 제조가 허용되면, 제조된 지층 유체의 조성을 변경 및/또는 제어하고, 지층 유체 내의 비응축성 유체에 대한 응축성 유체의 퍼센트를 제어하며, 그리고/또는 제조되는 지층 유체의 API 비중을 제어하도록, 지층 내의 압력을 변화시킬 수 있다. 예컨대, 압력의 감소는 더 많은 응축성 유체 성분의 제조로 이어질 수 있다. 응축성 유체 성분은 더 많은 올레핀을 함유할 수 있다.
몇몇 현장 처리 공정 실시형태에서, 지층 내의 압력은 20°를 초과하는 API 비중을 갖는 지층 유체의 제조를 촉진하기에 충분하도록 높게 유지된다. 지층 내의 증가된 압력의 유지는 현장 열 처리 동안 지층의 침강을 억제할 수 있다. 증가된 압력의 유지는 지층으로부터 유체의 증기 상 제조를 촉진할 수 있다. 증기 상 제조는 지층으로부터 제조되는 유체를 운반하기 위해 사용되는 수집 도관의 크기 감소를 가능케 한다. 증가된 압력의 유지는, 수집 도관 내의 유체를 처리시설로 운반하기 위해 표면에서 지층 유체를 압축할 필요성을 감소 또는 제거할 수 있다.
지층의 가열된 부분 내의 증가된 압력의 유지로 인해 놀랍게도 더 나은 품질 및 상대적으로 작은 분자량을 갖는 탄화수소를 대량 제조하게 된다. 압력은 제조된 지층 유체가 선택된 탄소 수 이상의 화합물을 최소의 양만큼 갖도록 유지될 수 있다. 선택된 탄소 수는 25 이하, 20 이하, 12 이하 또는 8 이하일 수 있다. 몇몇의 높은 탄소 수 화합물은 지층 내의 증기 내에 동반될 수 있으며 증기와 함께 지층으로부터 제거될 수 있다. 지층 내의 증가된 압력을 유지하는 것은 높은 탄소 수 화합물 및/또는 다중 고리 탄화수소 화합물이 증기에 동반되는 것을 억제할 수 있다. 높은 탄소 수 화합물 및/또는 다중 고리 탄화수소 화합물은 상당한 기간 동안 지층 내에 액체 상으로 내에 남아있을 수 있다. 이러한 상당한 기간은 화합물이 보다 낮은 탄소 수 화합물을 형성하기 위해 열분해 하기에 충분한 시간을 줄 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 구성되고/구성되거나 그러한 재료를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 온도 제한 히터에 강자성 재료가 사용된다. 강자성 재료는 그 재료에 시변 전류가 가해지는 때 감소된 열량을 제공하기 위해 강자성 재료의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위에서 또는 그 근방에서 온도를 스스로 제한할 수 있다. 특정 실시형태에서, 강자성 재료는 대략 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 내인 선택된 온도에서 온도 제한 히터의 온도를 스스로 제한한다. 특정 실시형태에서, 선택된 온도는 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위의 약 35 ℃ 이내, 약 25 ℃ 이내, 약 20 ℃ 이내, 또는 약 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 강자성 및/또는 비강자성 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 온도 및/또는 상변태 온도 범위에 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 및/또는 상변태 온도 범위 근방, 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위에서, 또는 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 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 온도 및/또는 상변태 온도 범위보다 약 50 ℃, 약 75 ℃, 약 100 ℃, 또는 약 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 전 력을 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 표피 효과 또는 근접 효과 히터로서 작동하는 도체를 포함한다. 표피 효과는 도체 내부로의 전류 침투 깊이를 제한한다. 강자성 재료의 경우, 표피 효과는 도체의 투자율 (magnetic permeability) 에 의해 지배된다. 강자성 재료의 비투자율 (relative magnetic permeability) 은 일반적으로 10 ∼ 1000 (예컨대, 강자성 재료의 비투자율은 일반적으로 적어도 10 이고, 적어도 50, 100, 500, 1000 또는 그 이상임) 이다. 강자성 재료의 온도가 큐리 온도 또는 상변태 온도 범위 이상으로 올라감에 따라 그리고/또는 가해지는 전류가 증가함에 따라, 강자성 재료의 투자율은 실질적으로 감소하고 표면 깊이가 빠르게 확장된다 (예컨대, 표면 깊이가 투자율의 역 제곱근으로 확장됨). 투자율이 감소하면, 큐리 온도 또는 상변태 온도 범위 근방에서, 큐리 온도 또는 상변태 온도 범위에서, 또는 큐리 온도 또는 상변태 온도 범위 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 전원이 들어오는 때, 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위에 접근하는, 도달하는 또는 초과하는 히터의 부분은 감소된 방열을 가질 수 있다. 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위가 아닌, 또는 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 근방이 아닌 온도 제한 히터의 구획은, 히터가 더 높은 저항 부하로 인해 높은 방열을 가질 수 있도록 하는 표피 효과 가열에 의해 지배될 수 있다.
납땜용 장비, 의료용 히터, 및 오븐 (예컨대 피자 오븐) 용 가열 요소에 큐리 온도 히터가 사용되어 왔다. 이러한 사용의 일부가 Lamome 등의 미국특허 제 5,579,575 호; Henschen 등의 미국특허 제 5,065,501 호; 및 Yagnik 등의 미국특허 제 5,512,732 호에 개시되어 있다. Whitney 등의 미국특허 제 4,849,611 호는 서로 떨어져 있는 복수의 개별 가열 유닛을 개시하고 있는데, 이 가열 유닛은 반응성 부품, 저항 가열 부품 및 온도 응답성 부품을 포함하고 있다.
지층 내 탄화수소를 가열하기 위해 온도 제한 히터를 사용하는 이점은, 바람직한 작동 온도 범위 내에 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위를 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, 및/또는 히터에 사용되는 재료에 따라 25 ℃, 37 ℃, 100 ℃, 250 ℃, 500 ℃, 700 ℃, 800 ℃, 900 ℃ 이상의 온도, 또는 더 높은 온도로서 1,131 ℃ 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 사용하는 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, 100 m, 300 m, 적어도 500 m, 1 ㎞ 또는 그 이상으로서 10 ㎞ 이하), 온도 제한 히터의 길이의 대부분은, 단지 일부 부분만이 온도 제한 히터의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위이거나 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 장 비 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 행 할 필요 및/또는 히터에 고정 열전대를 사용할 필요를 없애거나 감소시킨다. 특정 실시형태에서, 온도 제한 히터에서 사용되는 재료의 상변태 (예컨대, 결정성 상변태 또는 결정 구조의 변화) 는 히터가 스스로 제한되는 선택된 온도를 변화시킨다. 온도 제한 히터에서 사용되는 강자성 재료는 강자성 재료의 투자율을 감소시키는 상변태 (예컨대, 페라이트에서 오스테나이트로의 변태) 를 가질 수 있다. 투자율의 이러한 감소는 큐리 온도에서 강자성 재료의 자기 전이 (magnetic transition) 로 인한 투자율의 감소와 유사하다. 큐리 온도는 강자성 재료의 페라이트 상의 자기 전이 온도이다. 투자율이 감소하면, 강자성 재료의 상변태 온도 및/또는 큐리 온도 근방에서, 그 온도에서, 또는 그 온도 이상에서 온도 제한 히터의 AC 또는 변조된 DC 저항이 감소한다.
강자성 재료의 상변태는 온도 범위에 걸쳐 이루어질 수 있다. 상변태의 온도 범위는 강자성 재료에 의존하고, 예컨대 약 5 ℃ 의 범위 내지 약 200 ℃ 의 범위에 걸쳐 변할 수 있다. 상변태가 온도 범위에 걸쳐 이루어지기 때문에, 상변태로 인한 투자율의 감소도 온도 범위에 걸쳐 이루어진다. 또한, 투자율의 감소는 상변태의 온도 범위에 걸쳐 이력적으로 (hysteretically) 이루어질 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 강자성 재료의 더 낮은 온도 상으로 되돌아가는 상변태는 더 높은 온도 상으로의 상변태보다 더 느리다 (예컨대, 오스테나이트에서 페라이트로 되돌아가는 전이가 페라이트에서 오스테나이트로의 전이보다 더 느리다). 더 낮은 온도 상으로 되돌아가는 더 느린 상변태는 상변태 온도 범위에서 또는 그 범위 근방에서 히터의 이력적인 (hysteretic) 작동을 야기하여, 높은 온도 로 인해 히터의 저항이 감소한 후에 히터를 더 높은 저항으로 느리게 올릴 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 온도가 강자성 재료의 큐리 온도에 접근하는 때 상변태 온도 범위는 투자율의 감소와 중첩된다. 상기 중첩은 단지 큐리 온도에 접근하는 온도로 인해서만 투자율이 감소하는 경우보다 온도에 대한 전기 저항을 더 빨리 떨어뜨릴 수 있다. 또한, 상기 중첩은 큐리 온도 근방에서 및/또는 상변태 온도 범위 내에서 온도 제한 히터의 이력적인 거동을 발생시킬 수 있다.
특정 실시형태에서, 상변태로 인한 이력적인 거동은 큐리 온도에서의 자기 전이로 인한 투자율의 감소보다 더 평활한 전이이다. 더 평활한 전이는 큐리 온도에서 더 날카로운 전이보다 제어 (예컨대, 전원 장치와 상호작용하는 과정 제어 장치를 이용하는 전기적 제어) 하기 더 용이할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 큐리 온도는 온도 제한 히터에서 사용되는 선택된 야금술에 있어서의 상변태 범위 내에 위치된다. 이 현상은 큐리 온도에서 자기 특성의 감소로 인한 날카롭고 분명한 전이 외에 상변태의 평활한 전이 특성을 온도 제한 히터에 제공한다. 상기 온도 제한 히터는, (날카로운 큐리 온도 전이로 인해) 한정된 온도 제한을 제공하면서, (상변태로 인해) 제어하기 용이할 수 있다. 온도 제한 히터에 큐리 온도 대신에 그리고/또는 큐리 온도에 더하여 상변태 온도 범위를 사용하면, 온도 제한 히터에 사용될 수 있는 야금술의 개수와 범위가 증가한다.
특정 실시형태에서, 상변태의 온도 범위를 조절하기 위해 강자성 재료에 합금이 첨가된다. 예컨대, 강자성 재료에 탄소를 첨가하면, 상변태 온도 범위를 증가시키고 상변태 개시 온도를 낮출 수 있다. 강자성 재료에 티탄을 첨가하면, 상변태 개시 온도를 높이고 상변태 온도 범위를 감소시킬 수 있다. 합금 조성은 강자성 재료에 원하는 큐리 온도 및 상변태 특성을 제공하도록 조절될 수 있다. 강자성 재료의 합금 조성은 강자성 재료의 원하는 특성 (투자율 전이 온도 또는 온도 범위, 저항 대 온도 프로파일, 또는 전력 출력 등, 다만 이에 국한되지 않음) 에 기초하여 선택될 수 있다. 페라이트를 오스테나이트 상변태 온도 범위, 즉 강자성 재료의 큐리 온도보다 높은, 또는 훨씬 높은 온도 범위로 올림으로써 410 스테인리스강에 코발트를 첨가하는 경우, 티탄을 첨가하면, 더 높은 큐리 온도를 얻을 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.
도 3 내지 도 12 는 온도 제한 히터의 다양한 실시형태를 보여준다. 이들 도면에 나타낸 온도 제한 히터의 일 실시형태의 1 이상의 특징은 이들 도면에 나타낸 온도 제한 히터의 다른 실시형태의 1 이상의 특징과 조합될 수 있다. 여기서 설명하는 특정 실시형태에서, 온도 제한 히터는 60 ㎐ AC 의 주파수에서 작동하는 치수로 되어 있다. 온도 제한 히터의 치수는, 다른 AC 주파수에서 또는 변조된 DC 전류에서 유사한 방식으로 작동하도록 여기서 설명하는 것으로부터 조절될 수 있음을 이해해야 한다.
도 3 은, 강자성 구획과 비강자성 구획을 갖는 외부 도체를 구비한 온도 제한 히터의 일 실시형태의 단면을 보여준다. 도 4 및 도 5 는 도 3 의 실시형태의 횡방향 단면을 보여준다. 일 실시형태에서, 지층 내 탄화수소 층에 열을 제공하기 위해 강자성 구획 (212) 이 사용된다. 지층의 상부 퇴적물에서 비강자성 구획 (214) 이 사용된다. 비강자성 구획 (214) 은 상부 퇴적물에 열을 거의 또는 전혀 제공하지 않으므로, 상부 퇴적물에서의 열 손실을 억제하고 열효율을 향상시킨다. 강자성 구획 (212) 은 409 스테인리스강 또는 410 스테인리스강과 같은 강자성 재료를 포함한다. 강자성 구획 (212) 은 0.3 ㎝ 의 두께를 갖는다. 비강자성 구획 (214) 은 0.3 ㎝ 의 두께를 갖는 구리이다. 내부 도체 (216) 는 구리이다. 내부 도체 (216) 는 0.9 ㎝ 의 직경을 갖는다. 전기 절연체 (218) 는 질화 규소, 질화 붕소, 산화 마그네슘 분말, 또는 다른 적절한 절연체 물질이다. 전기 절연체 (218) 는 0.1 ㎝ ∼ 0.3 ㎝ 의 두께를 갖는다.
도 6 은, 시스 내에 위치된 강자성 구획과 비강자성 구획을 갖는 외부 도체를 구비한 온도 제한 히터의 일 실시형태의 단면을 보여준다. 도 7, 도 8 및 도 9 는 도 6 에 나타낸 실시형태의 횡방향 단면도이다. 강자성 구획 (212) 은 0.6 ㎝ 의 두께를 갖는 410 스테인리스강이다. 비강자성 구획 (214) 은 0.6 ㎝ 의 두께를 갖는 구리이다. 내부 도체 (216) 는 0.9 ㎝ 의 직경을 갖는 구리이다. 외부 도체 (220) 는 강자성 재료를 포함한다. 외부 도체 (220) 는 히터의 상부 퇴적물 구획에 약간의 열을 제공한다. 상부 퇴적물에 약간의 열을 제공하는 것은 상부 퇴적물에서의 유체의 응축 또는 환류를 억제한다. 외부 도체 (220) 는 3.0 ㎝ 의 외경 및 0.6 ㎝ 의 두께를 갖는 409, 410, 또는 446 스테인리스강이다. 전기 절연체 (218) 는 0.3 ㎝ 의 두께를 갖는 콤팩트한 산화 마그네슘 분말을 포함한다. 몇몇의 실시형태에서, 전기 절연체 (218) 는 질화 규소, 질화 붕소, 또는 6방정계 질화 붕소를 포함한다. 전도성 구획 (222) 이 내부 도체 (216) 를 강자성 구획 (212) 및/또는 외부 도체 (220) 에 커플링할 수 있다.
강자성 도체가 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 저항 열 출력의 대부분을 제공하는 온도 제한 히터의 경우, 전류의 대부분이 자기장 (H) 대 자속 밀도 (magnetic inductance, B) 의 매우 비선형적인 기능을 갖는 재료를 통해 흐른다. 이러한 비선형적인 기능은 강한 유도 효과 및 왜곡 (distortion) 을 야기하여, 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만의 온도에서 온도 제한 히터의 감소된 전력 인자 (power factor) 를 발생시킬 수 있다. 이러한 효과는 온도 제한 히터에의 전력 공급을 제어하기 어렵게 할 수 있고, 표면 및/또는 상부 퇴적물 전력 공급 도체를 통한 부가적인 전류 유동을 발생시킬 수 있다. 강자성 재료를 통한 전류 유동에 의해 저항 열 출력의 대부분이 제공되는 경우, 이러한 효과를 보정하기 위해 그리고 온도 제한 히터를 제어하기 위해, 실행하기 값비싼 그리 고/또는 곤란한 제어 시스템 (가변 축전기 또는 변조된 전원 장치 등) 이 사용될 수 있다.
특정 온도 제한 히터 실시형태에서, 온도 제한 히터가 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만 또는 그 근방인 때, 강자성 도체는 전류 유동의 대부분을 강자성 도체에 커플링된 전기적 도체로 한정한다. 전기적 도체는 시스, 재캣, 지지 부재, 내식성 부재, 또는 다른 전기적으로 저항성인 부재일 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 강자성 도체는 전류의 유동의 대부분을 최외각 층과 강자성 도체 사이에 위치된 전기적 도체로 한정한다. 강자성 도체는, 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위에서 또는 그 미만에서 강자성 도체의 자기 특성이 전류의 대부분을 전기적 도체로 한정하도록 온도 제한 히터의 단면에 위치된다. 강자성 도체의 표피 효과로 인해, 전류 유동의 대부분이 전기적 도체로 한정된다. 따라서, 전류의 대부분은 히터의 작동 범위 대부분에서 실질적으로 선형 저항 특성을 갖는 재료를 통해 흐른다.
특정 실시형태에서, 강자성 도체 및 전기적 도체는 온도 제한 히터의 단면에 위치되어, 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만의 온도에서 강자성 재료의 표피 효과가 전기적 도체 및 강자성 도체에서의 전류의 침투 깊이를 제한한다. 따라서, 전기적 도체는 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 또는 그 근방의 온도 이하의 온도에서 온도 제한 히터의 전기적 저항성 열 출력의 대부분을 제공한다. 특정 실시형태에서, 전기적 도체의 치수는 원하는 열 출력 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 전류의 대부분이 전기적 도체를 통해 흐르기 때문에, 온도 제한 히터는 전기적 도체 내 재료의 저항 대 온도 프로파일을 적어도 부분적으로 반영하는 저항 대 온도 프로파일을 갖는다. 따라서, 전기적 도체 내 재료가 실질적으로 선형인 저항 대 온도 프로파일을 갖는다면, 온도 제한 히터의 저항 대 온도 프로파일은 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 실질적으로 선형이다. 온도 제한 히터의 저항은 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위에 가까운 온도까지 히터를 통해 흐르는 전류에 대한 의존성을 거의 또는 전혀 갖지 않는다. 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 전류의 대부분은 강자성 도체보다는 전기적 도체 내에서 흐른다.
전류의 대부분이 전기적 도체 내에서 흐르는 온도 제한 히터의 저항 대 온도 프로파일은, 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위나 그 근방에서 저항의 더 날카로운 감소를 나타내는 경향이 있다. 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위나 그 근방에서의 저항의 더 날카로운 감소는, 강자성 재료를 통해 전류가 거의 흐르지 않기 때문에, 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 근방에서의 더 점진적인 저항의 감소보다 제어하기 더 용이할 수 있다.
특정 실시형태에서, 전기적 도체의 재료 및/또는 그 재료의 치수는, 강자성 도체의 큐리 온도 및/도는 상변태 온도 범위 미만에서 온도 제한 히터가 원하는 저항 대 온도 프로파일을 갖도록 선택된다.
큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 전류의 대부분이 강자성 도체보다는 전기적 도체에서 흐르는 온도 제한 히터는 예견 및/또는 제어하기 더 용이 하다. 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 전류의 대부분이 강자성 도체보다는 전기적 도체에서 흐르는 온도 제한 히터의 거동은, 예컨대 그 온도 제한 히터의 저항 대 온도 프로파일 및/도는 전력 인자 대 온도 프로파일에 의해 예견될 수 있다. 저항 대 온도 프로파일 및/또는 전력 인자 대 온도 프로파일은 예컨대 온도 제한 히터의 거동을 평가하는 실험 측정치, 온도 제한 히터의 거동을 평가 또는 예견하는 분석 식, 및/또는 온도 제한 히터의 거동을 평가 또는 예견하는 시뮬레이션으로부터 평가 또는 예견될 수 있다.
특정 실시형태에서, 온도 제한 히터의 평가 또는 예견된 거동이 온도 제한 히터를 제어하는데 이용된다. 온도 제한 히터는 히터의 작동 동안 저항 및/또는 전력 인자의 측정치 (평가) 에 기초하여 제어될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 온도 제한 히터에 공급되는 전력 또는 전류는 히터의 작동 동안 히터의 저항 및/또는 전력 인자의 평가 그리고 히터의 평가 대 예견된 거동의 대조에 기초하여 제어된다. 특정 실시형태에서, 온도 제한 히터는 히터의 온도 또는 히터 근처의 온도의 측정없이 제어된다. 온도 측정없이 온도 제한 히터를 제어하는 것은 다운홀 온도 측정과 관련된 작동 비용을 없앤다. 또한, 히터의 저항 및/도는 전력 인자의 평가에 기초하여 온도 제한 히터를 제어하는 것은, 측정된 온도에 기초하여 히터를 제어하는 것에 비해, 히터에 공급되는 전력 또는 전류를 조절하기 위한 시간을 감소시킨다.
온도 제한 히터의 온도가 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위에 접근하거나 또는 이를 초과함에 따라, 강자성 도체의 강자성 특성이 감소하 여, 전류가 온도 제한 히터의 전기전도성 단면의 더 많은 부분을 통해 흐를 수 있다. 따라서, 온도 제한 히터의 전기 저항이 감소되고, 온도 제한 히터는 자동적으로 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위에서 또는 그 근방에서 감소된 열 출력을 제공한다. 특정 실시형태에서, 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위에서 또는 그 이상에서 온도 제한 히터의 전기 저항을 감소시키기 위해 고전도성 부재가 강자성 도체 및 전기적 도체에 커플링된다. 고전도성 부재는 구리, 알루미늄, 니켈 또는 이들의 합금으로 이루어진 내부 도체, 코어 또는 다른 전도성 부재일 수 있다.
큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만의 온도에서 전류 유동의 대부분을 전기적 도체로 한정하는 강자성 도체는, 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 이하 또는 그 근방에서 저항 열 출력의 대부분을 제공하기 위해 강자성 도체를 사용하는 온도 제한 히터의 강자성 도체에 비해 비교적 작은 단면적을 가질 수 있다. 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 저항 열 출력의 대부분이 강자성 재료에 의해 제공되는데, 온도 제한 히터에 비해 더 적은 전류가 강자성 도체를 통해 흐르기 때문에, 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 저항 열 출력의 대부분을 제공하기 위해 전기적 도체를 사용하는 온도 제한 히터는, 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만의 온도에서 낮은 자속 밀도를 갖는다. 강자성 도체의 반경 (r) 에서 자기장 (H) 은 강자성 도체를 통해 흐르는 전류 (I) 및 반경으로 나눈 코어에 비례한다:
(1) H ∝ I/r.
큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 저항 열 출력의 대부분을 제공하기 위해 외부 도체를 사용하는 온도 제한 히터의 경우 단지 전류의 일부만이 강자성 도체를 통해 흐르기 때문에, 온도 제한 히터의 자기장은 전류의 대부분이 강자성 재료를 통해 흐르는 온도 제한 히터의 자기장보다 훨씬 더 작을 수 있다. 비투자율 (μ) 은 작은 자기장에서 클 수 있다. 강자성 도체의 표피 깊이 (δ) 는 비투자율 (μ) 의 1/2 승에 반비례한다:
(2) δ ∝ (1/μ)1/2.
비투자율의 증가는 강자성 도체의 표피 깊이를 감소시킨다. 그러나, 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만의 온도에서 단지 전류의 일부만이 강자성 도체를 통해 흐르기 때문에, 높은 비투자율을 갖는 강자성 재료의 경우 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만의 온도에서 표피 효과가 전류의 침투 깊이를 전기적 도체로 제한할 수 있도록 하면서 감소된 표피 깊이를 보상하기 위해 강자성 도체의 반경 (또는 두께) 은 감소될 수 있다. 강자성 도체의 반경 (두께) 은 강자성 도체의 비투자율에 따라 0.3 ㎜ ∼ 8 ㎜, 0.3 ㎜ ∼ 2 ㎜, 또는 2 ㎜ ∼ 4 ㎜ 일 수 있다. 강자성 재료의 비용이 온도 제한 히터의 비용의 많은 부분을 차지하는 경향이 있으므로, 강자성 도체의 두께를 감소시키는 것은 온도 제한 히터의 제조 비용을 감소시킨다. 강자성 도체의 비투자율을 증가시키는 것은 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위에서 또는 그 근방에서 온도 제한 히터에 더 높은 턴다운 비 (turndown ratio) 및 전기 저항의 더 날카로운 감소를 제공한다.
높은 비투자율 (예컨대, 적어도 200, 적어도 1000, 적어도 1×104, 또는 적어도 1×105) 및/또는 높은 큐리 온도 (예컨대, 적어도 600 ℃, 적어도 700 ℃, 또는 적어도 800 ℃) 를 갖는 강자성 재료 (정련된 철 또는 철-코발트 합금 등) 는 고온에서 더 적은 내식성 및/또는 더 적은 기계적 강도를 갖는 경향이 있다. 전기적 도체는 온도 제한 히터의 경우 고온에서 내식성 및/또는 높은 기계적 강도를 제공할 수 있다. 따라서, 강자성 도체는 주로 강자성 특성을 위해 선택될 수 있다.
강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 전류 유동의 대부분을 전기적 도체로 한정하는 것은 전력 인자의 변화 (variation) 를 감소시킨다. 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 단지 전류의 일부만이 강자성 도체를 통해 흐르기 때문에, 강자성 도체의 비선형 강자성 특성은, 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위나 그 근방을 제외하고, 온도 제한 히터의 전력 인자에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않는다. 심지어 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위나 그 근방에서, 전력 인자에 미치는 영향은, 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 강자성 도체가 저항 열 출력의 대부분을 제공하는 온도 제한 히터에 비해 감소된다. 따라서, 비교적 높은 전력 인자를 유지하기 위해 온도 제한 히터의 유도 부하의 변화를 조절하는데 외부 보정 (예컨대, 가변 축전기 또는 파형 변조) 이 거의 또는 전혀 필요없다.
도 10 은 온도 제한 히터의 일 실시형태를 보여주는데, 여기서 지지 부재가 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 열 출력의 대부분을 제공한다. 코어 (226) 는 온도 제한 히터의 내부 도체이다. 특정 실시형태에서, 코어 (226) 는 구리 또는 알루미늄과 같은 고전도성 재료이다. 몇몇의 실시형태에서, 코어 (226) 는 분산강화형 구리와 같이 기계적 강도 및 양호한 전기전도도를 제공하는 구리 합금이다. 일 실시형태에서, 코어 (226) 는 Glidcopa (SCM Metal Produts, Inc., Research Triangle Park, 미국 노스캐롤라이나) 이다. 강자성 도체 (228) 는 전기적 도체 (232) 와 코어 (226) 사이에서 강자성 재료로 이루어진 얇은 층이다. 특정 실시형태에서, 전기적 도체 (232) 는 또한 지지 부재 (230) 이다. 특정 실시형태에서, 강자성 도체 (228) 는 철 또는 철합금이다. 몇몇의 실시형태에서, 강자성 도체 (228) 는 높은 비투자율을 갖는 강자성 재료를 포함한다. 예컨대, 강자성 도체 (228) 는 Armco 잉곳 철 (AK Steel Ltd., 영국) 과 같은 정련된 철일 수 있다. 약간의 불순물을 갖는 철은 일반적으로 400 정도의 비투자율을 갖는다. 1450 ℃, 수소 가스 (H2) 내에서 철을 풀림함으로써 철을 정련하면, 철의 비투자율이 증가한다. 강자성 도체 (228) 의 비투자율을 증가시키면, 강자성 도체의 두께를 줄일 수 있다. 예컨대, 정련된 철의 두께는 약 0.76 ㎜ 인 반면, 정련되지 않은 철의 두께는 약 4.5 ㎜ 일 수 있다.
특정 실시형태에서, 전기적 도체 (232) 는 강자성 도체 (228) 및 온도 제한 히터를 지지한다. 전기적 도체 (232) 는 강자성 도체 (228) 의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 근방 또는 그 이상의 온도에서 양호한 기계적 강도를 제공하는 재료로 이루어질 수 있다. 특정 실시형태에서, 전기적 도체 (232) 는 내식성 부재이다. 전기적 도체 (232) (지지 부재 (230)) 는 강자성 도체 (228) 및 내식성에 대한 지지를 제공할 수 있다. 전기적 도체 (232) 는 강자성 도체 (228) 의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 이하 및/또는 그 이상의 온도에서 원하는 전기저항 열 출력을 제공하는 재료로 이루어진다.
일 실시형태에서, 전기적 도체 (232) 는 347H 스테인리스강이다. 몇몇의 실시형태에서, 전기적 도체 (232) 는 다른 전기전도성의, 양호한 기계적 강도와 내식성을 갖는 재료이다. 예컨대, 전기적 도체 (232) 는 304H, 316H, 347HH, NF709, Incoloy
Figure 112008079158798-PCT00001
800H 합금 (Inco Alloys International, Huntington, West Virginia, 미국), Haynes
Figure 112008079158798-PCT00002
HR120
Figure 112008079158798-PCT00003
합금, 또는 Inconel
Figure 112008079158798-PCT00004
617 합금일 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 전기적 도체 (232) (지지 부재 (230)) 는 온도 제한 히터의 부분에 따라 상이한 합금을 포함한다. 예컨대, 전기적 도체 (232) (지지 부재 (230)) 의 하측 부분은 347H 스테인리스강이고, 전기적 도체 (지지 부재) 의 상측 부분은 NF709 이다. 특정 실시형태에서, 온도 제한 히터의 원하는 가열 특성을 유지하면서 전기적 도체 (지지 부재) 의 기계적 강도를 증가시키기 위해, 전기적 도체 (지지 부재) 의 부분에 따라 상이한 합금이 사용된다.
몇몇의 실시형태에서, 강자성 도체 (228) 는 온도 제한 히터의 부분에 따라 상이한 강자성 도체를 포함한다. 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위를 변화 시켜 상이한 부분에서 최대 작동 온도를 변경하기 위해, 온도 제한 히터의 부분에 따라 상이한 강자성 도체를 사용할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 온도 제한 히터의 상측 부분에서의 큐리 온도는 그 온도 제한 히터의 하측 부분에서의 큐리 온도보다 더 낮다. 상측 부분에서의 더 낮은 큐리 온도는 그 히터의 상측 부분에서의 크리프-파괴 강도 수명을 증가시킨다.
도 10 에 나타낸 실시형태에서, 강자성 도체 (228), 전기적 도체 (232), 및 코어 (226) 는, 온도가 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위보다 낮을 때, 강자성 도체의 표피 깊이가 전류 유동의 대부분의 침투 깊이를 지지 부재로 한정하도록 치수결정되어 있다. 따라서, 전기적 도체 (232) 는 강자성 도체 (228) 의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 이하 또는 그 근방 이하의 온도에서 온도 제한 히터의 전지저항 열 출력의 대부분을 제공한다. 특정 실시형태에서, 도 10 에 나타낸 온도 제한 히터는, 전기저항 열 출력의 대부분을 제공하기 위해 전기적 도체 (232) 를 사용하지 않는 다른 온도 제한 히터보다 더 작다 (예컨대, 3 ㎝, 2.9 ㎝, 2.5 ㎝ 이하의 외경). 저항 열 출력의 대부분이 강자성 도체에 의해 제공되는 온도 제한 히터에 요구되는 강자성 도체의 크기에 비해 강자성 도체 (228) 가 얇기 때문에, 도 10 에 나타낸 온도 제한 히터는 더 작을 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 지지 부재 및 내식성 부재는 온도 제한 히터에서 상이한 부재이다. 도 11 및 도 12 는, 강자성 도체의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 재킷이 열 출력의 대부분을 제공하는 온도 제한 히터의 실시형태를 보여준다. 이들 실시형태에서, 전기적 도체 (232) 가 재킷 (224) 이다. 전기적 도체 (232), 강자성 도체 (228), 지지 부재 (230), 및 코어 (226) (도 11) 또는 내부 도체 (216) (도 12) 는 강자성 도체의 표피 깊이가 전류 유동의 대부분의 침투 깊이를 재킷의 두께로 한정하도록 치수결정된다. 특정 실시형태에서, 전기적 도체 (232) 는, 내식성이며 강자성 도체 (228) 의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위 미만에서 전기저항 열 출력을 제공하는 재료이다. 예컨대, 전기적 도체 (232) 는 825 스테인리스강 또는 347H 스테인리스강이다. 몇몇의 실시형태에서, 전기적 도체 (232) 는 작은 두께 (예컨대, 0.5 ㎜ 정도) 를 갖는다.
도 11 에서, 코어 (226) 는 구리 또는 알루미늄과 같은 고전기전도성 재료이다. 지지 부재 (230) 는 347H 스테인리스강 또는 강자성 도체 (228) 의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위에서 또는 그 근방에서 양호한 기계적 강도를 갖는 다른 재료이다.
도 12 에서, 지지 부재 (230) 는 온도 제한 히터의 코어이고, 347H 스테인리스강 또는 강자성 도체 (228) 의 큐리 온도 및/또는 상변태 온도 범위에서 또는 그 근방에서 양호한 기계적 강도를 갖는 다른 재료이다. 내부 도체 (216) 는 구리 또는 알루미늄과 같은 고전기전도성 재료이다.
실시예
이하에서, 비제한적인 실시예를 설명한다.
도 13 은, 철 합금 TC3 (탄소 0.1 중량%, 코발트 5 중량%, 크롬 12 중량%, 망간 0.5 중량%, 규소 0.5 중량%) 에 있어서 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중량% 의 실험적 계산을 보여준다. 곡선 234 는 페라이트 상의 중량% 를 보여준다. 곡선 236 은 오스테나이트 상의 중량% 를 보여준다. 화살표는 이 합금의 큐리 온도를 가리킨다. 도 13 에 나타낸 것처럼, 이 합금의 경우 상변태가 큐리 온도 전에 끝났고, 큐리 온도와 중첩되지 않았다.
도 14 는, 철 합금 FM-4 (탄소 0.1 중량%, 코발트 5 중량%, 망간 0.5 중량%, 규소 0.5 중량%) 에 있어서 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중량% 의 실험적 계산을 보여준다. 곡선 238 은 페라이트 상의 중량% 를 보여준다. 곡선 240 은 오스테나이트 상의 중량% 를 보여준다. 화살표는 이 합금의 큐리 온도를 가리킨다. 도 14 에 나타낸 것처럼, 이 합금에서 크롬없이 상변태가 확장되었고, 이 합금의 경우 상변태는 큐리 온도와 중첩되어 있다.
선택된 조성에 대한 큐리 온도, 페라이트가 상자성 오스테나이트로 변태하는 온도 (A1) 및 이들 온도에서 존재하는 상에 미치는 첨가 원소의 효과를 예견하기 위해, 컴퓨터 열역학 소프트웨어 (Thermo-Calc Software, Inc. (MacMurray, PA, 미국) 으로부터 ThermoClac 을 구하고, Sente Software, Ltd. (Guildford, 영국) 로부터 JMatPro 를 구함) 를 이용하여, 코발트, 탄소, 망간, 규소, 바나듐 및 티탄의 다양한 혼합물에 대해 큐리 온도 (Tc) 및 상변태 거동에 대한 계산을 행하였다. 페라이트의 큐리 온도를 결정하는 모든 계산에서 700 ℃ 의 평형 계산 온도를 사용하였다. 표 1 에 나타낸 것처럼, 조성 내 코발트의 중량% 가 증가함에 따라, Tc 가 증가하고 A1 이 감소하지만, A1 이상에서 Tc 는 유지되었다. A1 온도의 증가는 탄화물 형성자 (former) 인 바나듐, 티탄, 니오브, 탄탈 및 텅스텐의 충분한 첨 가시 예견될 수 있다. 예컨대, 약 0.5 중량% 의 탄화물 형성자가 약 0.1 중량% 탄소를 포함하는 합금에 사용될 수 있다. 탄화물 형성자를 첨가하면, Fe3C 탄화물 상을 MC 탄화물 상으로 대체할 수 있다. 계산으로부터, 과잉 량의 다른 탄화물 형성자는 Tc 를 감소시키지만, 과잉 량의 바나듐은 Tc 에 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.
Figure 112008079158798-PCT00005
Figure 112008079158798-PCT00006
몇몇의 철-코발트 합금을 준비하였고, 이들의 조성을 표 2 에 나타내었다. 이들 주조 합금은 봉 및 와이어로 처리되었고, 봉에 대해 측정된 그리고 계산된 Tc 를 열거하였다. 가열 및 냉각 동안 비가역적 히스테리시스 (hysteresis) 효과가 전혀 관찰되지 않았으므로, 냉각 및 가열 Tc 측정의 평균을 사용하였다. 표 2 에 나타낸 것처럼, 계산된 Tc 및 측정된 Tc 사이의 일치를 얻을 수 있었다.
측정된 Tc 는 샘플 재료로 토러스 (torus) 가 감기는 토러스 기술에 의해 행해졌다. 길이를 따라 중간에 서모커플이 부착되었다.
Figure 112008079158798-PCT00007
도 15 는 몇몇의 철 합금에 대한 큐리 온도 (수평방향 막대) 및 상변태 온도 범위 (빗금친 수직방향 막대) 를 보여준다. 칼럼 242 는 FM-2 철-코발트 합금에 대한 것이다. 칼럼 244 는 FM-4 철-코발트 합금에 대한 것이다. 칼럼 246 은 FM-6 철-코발트 합금에 대한 것이다. 칼럼 248 은 FM-8 철-코발트 합금에 대한 것이다. 칼럼 250 은 코발트를 갖는 TC1 410 스테인리스강 합금에 대한 것이다. 칼럼 252 는 코발트를 갖는 TC2 410 스테인리스강 합금에 대한 것이다. 칼럼 254 는 코발트를 갖는 TC3 410 스테인리스강 합금에 대한 것이다. 칼럼 256 은 코발트를 갖는 TC4 410 스테인리스강 합금에 대한 것이다. 칼럼 258 은 코발트를 갖는 TC5 410 스테인리스강 합금에 대한 것이다. 도 15 에 나타낸 것처럼, 철-코발트 합금 (FM-2, FM-4, FM-6, FM-8) 은 큐리 온도와 중첩되는 넓은 상변태 온도 범위를 갖는다. 코발트를 갖는 410 스테인리스강 합금 (TC1, TC2, TC3, TC4, TC5) 은 작은 상변태 온도 범위를 갖는다. TC1, TC2 및 TC3 에 대한 상변태 온도 범위는 큐리 온도보다 높다. TC4 에 대한 상변태 온도 범위는 큐리 온도보다 낮다. 따라서, TC4 를 사용하는 온도 제한 히터는 TC4 의 큐리 온도 미만의 온도에서 스스로 제한될 수 있다.
도 16 내지 도 19 는 철-코발트 합금에 대한 합금 첨가의 효과를 보여준다. 도 16 및 도 17 은 철-코발트 합금에 대한 탄소 첨가의 효과를 보여준다. 도 18 및 도 19 는 철-코발트 합금에 대한 티탄 첨가의 효과를 보여준다.
도 16 은, 코발트 5.63 중량% 및 망간 0.4 중량% 를 갖는 철-코발트 합금에 있어서 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중량% 의 실험적 계산을 보여준다. 곡선 260 은 페라이트 상의 중량% 를 보여준다. 곡선 262 는 오스테나이트 상의 중량% 를 보여준다. 화살표는 이 합금의 큐리 온도를 가리킨다. 도 16 에 나타낸 것처럼, 이 합금의 경우 상변태가 큐리 온도 전에 끝났고, 큐리 온도와 중첩되지 않았다.
도 17 은, 코발트 5.63 중량%, 망간 0.4 중량% 및 탄소 0.01 % 를 갖는 철-코발트 합금에 있어서 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중량% 의 실험적 계산을 보여준다. 곡선 264 는 페라이트 상의 중량% 를 보여준다. 곡선 266 은 오스테나이트 상의 중량% 를 보여준다. 화살표는 이 합금의 큐리 온도를 가리킨다. 도 16 및 도 17 에 나타낸 것처럼, 상기 합금에 탄소를 첨가함에 따라, 상변태의 개시가 더 낮은 온도로 이동됨과 동시에, 상변태가 넓어졌다. 따라서, 상변태의 개시 온도를 낮추고 상변태의 온도 범위를 넓히기 위해, 철 합금에 탄소를 첨가할 수 있다.
도 18 은, 코발트 5.63 중량%, 망간 0.4 중량% 및 탄소 0.085 % 를 갖는 철-코발트 합금에 있어서 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중량% 의 실험적 계산을 보여준다. 곡선 268 은 페라이트 상의 중량% 를 보여준다. 곡선 270 는 오스테나이트 상의 중량% 를 보여준다. 화살표는 이 합금의 큐리 온도를 가리킨다. 도 18 에 나타낸 것처럼, 상변태가 큐리 온도와 중첩된다.
도 19 는, 코발트 5.63 중량%, 망간 0.4 중량%, 탄소 0.085 % 및 티탄 0.4 % 를 갖는 철-코발트 합금에 있어서 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중량% 의 실험적 계산을 보여준다. 곡선 272 는 페라이트 상의 중량% 를 보여준다. 곡선 274 는 오스테나이트 상의 중량% 를 보여준다. 화살표는 이 합금의 큐리 온도를 가리킨다. 도 18 및 도 19 에 나타낸 것처럼, 상기 합금에 티탄을 첨가함에 따라, 상변태의 개시가 더 높은 온도로 이동됨과 동시에, 상변태가 좁아졌다. 따라서, 상변태의 개시 온도를 높이고 상변태의 온도 범위를 좁히기 위해, 철 합금에 티탄을 첨가할 수 있다.
도 20 은, 410 스테인리스강 종류 합금 (크롬 12 중량%, 탄소 0.5 중량%, 망간 0.5 중량%, 규소 0.5 중량%, 잔부는 철) 에 있어서 온도에 대한 페라이트와 오스테나이트 상의 중량% 의 실험적 계산을 보여준다. 곡선 276 은 페라이트 상의 중량% 를 보여준다. 곡선 278 은 오스테나이트 상의 중량% 를 보여준다. 화살표는 이 합금의 큐리 온도를 가리킨다. 도 20 에 나타낸 것처럼, 크롬을 첨가함에 따라 큐리 온도가 감소되었다.
선택된 조성에 대한 큐리 온도 (Tc) 및 페라이트가 상자성 오스테나이트로 변태하는 온도 (A1) 에 미치는 첨가 원소의 효과를 예견하기 위해, 컴퓨터 열역학 소프트웨어 (ThermoCalc 및 JMatPro) 를 이용하여, 코발트, 탄소, 망간, 규소, 바나듐, 크롬 및 티탄의 다양한 혼합물에 대해 큐리 온도 및 상변태 거동에 대한 계산을 행하였다. 모든 계산에서 700 ℃ 의 평형 계산 온도를 사용하였다. 표 3 에 나타낸 것처럼, 조성 내 코발트의 중량% 가 증가함에 따라, Tc 가 증가하고 A1 이 감소하였다. 표 3 에 나타낸 것처럼, 바나듐 및/또는 티탄의 첨가는 A1 을 증가시켰다. 바나듐을 첨가하면, 큐리 히터에 더 많은 양의 크롬을 사용할 수 있다.
Figure 112008079158798-PCT00008
Figure 112008079158798-PCT00009
Figure 112008079158798-PCT00010
Figure 112008079158798-PCT00011
Figure 112008079158798-PCT00012
Figure 112008079158798-PCT00013
몇몇의 철-크롬 합금을 준비하였고, 이들의 조성을 표 4 에 나타내었다. 이들 주조 합금은 봉 및 와이어로 처리되었고, 토러스 기술을 이용한 측정된 그리고 계산된 Tc 를 열량 측정치와 함께 열거하였다.
Figure 112008079158798-PCT00014
본 기술분야의 당업자는, 본 상세한 설명으로부터 본 발명의 다양한 태양의 다른 변형 및 대안적인 실시형태를 알 수 있다. 따라서, 본 상세한 설명은 단지 설명을 위한 것이며, 당업자에게 본 발명을 실시하는 일반적인 방식을 설명하기 위한 것이다. 여기서 나타내고 설명한 본 발명의 형태는 현재 바람직한 실시형태로 간주되는 것으로 이해되어야 한다. 본 기술분야의 당업자에게 명백한 것처럼 본 발명의 상세한 설명의 이점을 가지면서, 원소 및 재료는 여기서 나타내고 설명한 것으로 대체될 수 있고, 부분 및 과정은 역으로 될 수 있으며, 본 발명의 어떤 특징은 독립적으로 이용될 수 있다. 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 여기서 설명한 원소들에 변경을 가할 수 있다. 그리고, 여기서 독립적으로 설명된 특징들은 특정 실시형태에서 조합될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 철, 코발트 및 탄소를 포함하는 히터 구획을 갖는 히터로서,
    상기 히터 구획은 상변태 온도보다 더 낮은 큐리 온도 (Tc) 를 갖고, Tc 는 적어도 740 ℃ 이며,
    상기 히터 구획은, 그 히터 구획에 시변 전류가 가해지는 때, 전기 저항을 제공하도록 되어 있는 히터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 히터 구획은 탄화물을 형성할 수 있는 1종 이상의 금속을 더 포함하고, 이 금속의 적어도 1종은 바나듐 및/또는 티탄인 히터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 히터 구획은 망간, 니켈, 규소, 크롬 및/또는 이들의 조합을 더 포함하는 히터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터 구획 내 철의 함량이 적어도 50 중량% 인 히터.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터 구획 내 코발트의 함량이 적어도 2 중량% 인 히터.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터 구획은 1 중량% 이하의 니켈, 1 중량% 이하의 규소, 1 중량% 이하의 바나듐, 1 중량% 이하의 티탄, 및/또는 1 중량% 이하의 망간을 갖는 히터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터 구획은 적어도 50 중량% 의 망간, 적어도 6 중량% 의 코발트, 적어도 9 중량% 의 크롬 및 적어도 0.5 중량% 의 바나듐을 갖는 히터.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터 구획은 큐리 온도에서 또는 그 근방에서, 그리고 그 이상에서 감소된 양의 열을 제공하도록 되어 있는 히터.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터는 지하 지층 내에 위치되는 히터.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터는 지하 지층에 열을 제공하도록 되어 있는 히터.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터는 지층 내 적어 도 일부 탄화수소가 가동화 및/또는 열분해되도록 탄화수소 함유 지층에 열을 제공하도록 되어 있는 히터.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터 구획은 상변태 온도보다 낮은 큐리 온도 (Tc) 를 갖고, Tc 는 적어도 800 ℃ 인 히터.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터 구획은 적어도 50 중량% 의 철, 적어도 9 중량% 의 크롬 및 적어도 0.1 중량% 의 탄소를 갖는 히터.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터 구획 내 크롬의 함량이 적어도 11 중량% 인 히터.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 히터를 이용하여 탄화수소 함유 지층을 가열하는 방법으로서,
    지층에 히터를 제공하는 단계; 및
    그 히터가 지층의 적어도 일부를 전기저항 가열하도록 히터에 전류를 제공하는 단계를 포함하는, 탄화수소 함유 지층을 가열하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 큐리 온도에서 또는 그 근방에서, 그리고 그 이상에서 감소된 양의 열을 제공하는 단계를 더 포함하는, 탄화수소 함유 지층을 가열하는 방법.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 지층 내 적어도 일부 탄화수소가 가동화 및/또는 열분해되도록 지층에 열을 제공하는 단계를 더 포함하는, 탄화수소 함유 지층을 가열하는 방법.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 지층으로부터 유체를 생성하는 단계를 더 포함하는, 탄화수소 함유 지층을 가열하는 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 히터 또는 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항의 탄화수소 함유 지층을 가열하는 방법을 이용하여 지하 지층으로부터 생성된 탄화수소를 포함하는 조성물.
  20. 제 19 항의 조성물로부터 이루어진, 탄화수소를 포함하는 수송용 연료.
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