利用井眼在地层的至少两个区域中的现场转化处理系统

摘要

本发明描述了一种用于加热地下地层的系统。该系统包括多个位于地层中的多个开口内的细长加热器(244)。对于加热器长度的至少一部分，至少两个加热器大体上彼此平行。至少两个加热器在地层的第一区域具有第一端部分(234)，在地层的第二区域具有第二端部分(238)。随时间变化的电流源(254)配置成向至少两个加热器施加随时间变化的电流。加热器的第一端部分配置成被施加大体上相同的电压。加热器的第二部分配置成被施加大体上相同的电压。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于从各种地下地层、例如含烃地层生产烃、氢和/或其它产品的方法和系统。特别是，某些实施例涉及利用放置在地层中的平行井眼内的温度限制加热器加热地层的选定部分。

背景技术

从地下地层获取的烃通常用作能源、原料和消费品。对可利用烃资源枯竭的担忧以及对所生产的烃总体质量下降的担忧引起对用于可利用烃资源更高效回收、加工和/或使用的工艺的发展。现场工艺可用来从地下地层中开采烃材料。地下地层中的烃材料的化学性质和/或物理性质可能需要改变，以便更容易地从地下地层中开采烃材料。化学变化和物理变化可包括产生可开采流体的现场反应、地层中烃材料的组成变化、可溶性变化、密度变化、相变和/或粘度变化。流体可以是气体、液体、乳液、泥浆和/或具有类似于液体流动的流动特性的固体颗粒流，但并不局限于这些。

加热器可放置在井眼中，以在现场处理期间加热地层。运用井下加热器的现场工艺的例子显示在Ljungstrom的美国专利号2,634,961；Ljungstrom的美国专利号2,732,195；Ljungstrom的美国专利号2,780,450；Ljungstrom的美国专利号2,789,805；Ljungstrom的美国专利号2,923,535；和Van Meurs等的美国专利号4,886,118中。

在Ljungstrom的美国专利号2,923,535和Van Meurs等的美国专利号4,886,118中描述了加热油页岩地层的应用。可以将热量应用于油页岩地层，以热解油页岩地层中的油母。热量也可以破碎地层，以增加地层的渗透率。增大的渗透率可以使地层流体移动至生产井，在这里，从油页岩地层中开采流体。在Ljungstrom披露的某些工艺中，例如，含氧气态介质被引入渗透层，优选从预热步骤起一直很热以起动燃烧。

可以使用热源加热地下地层。可以使用电加热器通过辐射和/或传导加热地下地层。电加热器可以以电阻方式加热元件。Germain的美国专利号2,548,360描述了一种电加热元件，其被放置在井眼内的粘性油中。该加热元件加热油，并使之变稀，以允许油从井眼泵出。Eastlund等的美国专利号4,716,960描述了石油井的电加热管，其通过使相对低压的电流流过该管，来防止固体的形成。Van Egmond的美国专利号5,065,818描述了一种电加热元件，其粘接到井孔中，不需要环绕加热元件的壳体。

Vinegar等的美国专利号6,023,554描述了一种电加热元件，该电加热元件位于壳体内。加热元件产生加热壳体的辐射能。粒状固体填充材料放置在壳体和地层之间。壳体可传导地加热填充材料，该填充材料反过来又传导地加热地层。

一些地层可能具有薄的烃层或在厚烃层中具有薄的富层。利用大体上平行的井眼来加热和/或处理这些类型的地层是非常有利的。利用大体上平行的井眼还可以减少地层地表上的开口数量。开口数量的减少对减少成本和/或减少钻孔对地层的冲击(例如环境影响和/或表面地形改变)是合乎需要的。

发明内容

在此所述的实施例总体上涉及用于处理地下地层的系统、方法和加热器。在此所述的实施例总体上还涉及其中具有新颖部件的加热器。利用在此所述的系统和方法可以获得这种加热器。

在一些实施例中，本发明提供了一种用于加热地下地层的系统，其包括：多个位于地层中的多个开口内的细长加热器，对于加热器长度的至少一部分，至少两个加热器大体上彼此平行；至少两个加热器在地层的第一区域具有第一端部分，在地层的第二区域具有第二端部分；和随时间变化的电流源，其配置成向至少两个加热器施加随时间变化的电流，其中加热器的第一端部分配置成被施加大体上相同的电压，加热器的第二部分配置成被施加大体上相同的电压。

在一些实施例中，本发明提供了一种用于加热地下地层的系统，其包括：多个位于地层中的多个第一开口内的第一细长加热器，对于加热器长度的至少一部分，至少两个第一加热器大体上彼此平行；多个位于地层中的多个第二开口内的第二细长加热器，对于加热器长度的至少一部分，至少两个第二加热器大体上彼此平行；至少两个第一加热器和至少两个第二加热器在地层的第一区域具有第一端部分，在地层的第二区域具有第二端部分；和随时间变化的电流源，其配置成向至少两个加热器施加随时间变化的电流；其中第一加热器的第一端部分配置成被施加第一电压，第一电压的极性与配置成施加于第二加热器的第一端部分的第二电压相反；和所述第二电压配置成被施加于第一加热器的第二端部分。

在更进一步的实施例中，来自特定实施例的特征可以与来自其它实施例的特征组合。例如，来自一个实施例的特征可以与来自任一其它实施例的特征组合。

在更进一步的实施例中，利用在此所述的任一方法、系统或加热器，进行地下地层的处理。

在更进一步的实施例中，附加特征可以添加到在此所述的特定实施例中。

附图说明

对本领域技术人员来说，通过下面的详细描述，并参照附图，本发明的优点将变得显而易见，其中：

图1是含烃地层加热阶段的图示。

图2是用于处理含烃地层的现场转化系统的一部分的实施例的示意图。

图3、4和5是带有外导体的温度限制加热器的实施例的横截面图，所述外导体具有铁磁部分和非铁磁部分。

图6A和6B是温度限制加热器的实施例的横截面图。

图7描绘了温度限制加热器的实施例，其中支撑构件在低于铁磁导体的居里温度时提供大部分热量输出。

图8和9描绘了温度限制加热器的实施例，其中护套在低于铁磁导体的居里温度时提供大部分热量输出。

图10是大体上u形加热器的实施例的侧视图。

图11是图10中所示的加热器的表面式样的实施例的顶视图。

图12是烃层中的大体上u形加热器的横截面图。

图13是耦合于大体上水平井眼的大体上竖直加热器的实施例的侧视图。

图14是大体上u形加热器的实施例，所述u形加热器与地层电隔离。

虽然本发明适合于各种变形和替代方式，但是，在附图中通过举例的方式给出了具体实施例，这些实施例在这里将被详细描述。附图并不是按比例绘制的。但是，应当明白，附图和详细描述并不是要把本发明局限于所公开的具体形式，相反，本发明应当覆盖落入由附带的权利要求书所限定的本发明精神和范围之内的所有改进、等同物或替代方案。

具体实施方式

下面的描述总体上涉及用于处理地层中的烃的系统和方法。这些地层可以被处理以便生产烃类产品、氢和其它产品。

“烃”一般定义为主要由碳和氢原子形成的分子。烃还可以包括其它元素，例如卤素、金属元素、氮、氧和/或硫，但并不局限于这些。烃可以是油母、沥青、焦性沥青、油、天然矿物蜡和沥青岩，但并不局限于这些。烃可以位于地层的矿石中或其附近。母岩可以包括沉积岩、砂岩、沉积石英岩、碳酸盐岩、硅藻岩及其他多孔介质，但并不局限于这些。“烃流体”是包括烃的流体。烃流体可以包括、夹带或者被夹带在非烃流体中，例如氢、氮、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水和氨。

“地层”包括一个或多个含烃层、一个或多个非烃层、履盖层和/或下伏地层。“履盖层”和/或“下伏地层”包括一个或多个不同类型的不可渗透材料。例如，履盖层和/或下伏地层可以包括岩石、页岩、泥岩或湿的/紧密的碳酸盐岩。在现场转化工艺的一些实施例中，履盖层和/或下伏地层可以包括一个含烃层或多个含烃层，在现场转化工艺期间，这些含烃层是相对不渗透的，并且不受温度影响，所述的现场转化工艺导致履盖层和/或下伏地层的含烃层特性发生明显变化。例如，下伏地层可以包含页岩或泥岩，但是在现场转化工艺期间，下伏地层不允许被加热到热解温度。在一些情况下，履盖层和/或下伏地层可以稍微渗透。

“地层流体”指的是存在于地层中的流体，其可以包括热解流体、合成气体、活动烃和水(蒸汽)。地层流体可以包括烃流体和非烃流体。术语“活动流体”是指含烃地层中的流体，其由于热处理地层而能够流动。“所产生的流体”是指从地层中开采出来的地层流体。

“热源”可以是主要通过热传导和/或热辐射传递向地层的至少一部分提供热量的任何系统。例如，热源可包括电加热器，例如设置在管道中的绝缘导体、细长构件和/或导体。热源还可以包括通过在地层外或在地层内燃烧燃料而产生热量的系统。该系统可以是表面燃烧器、井下气体燃烧器、无焰分布燃烧室和自然分布燃烧室。在一些实施例中，提供给一个或多个热源或在一个或多个热源中产生的热量可以由其它能源来供给。其它能源也可以直接加热地层，或者将能量供给给传递介质，由传递介质直接或间接加热地层。应当理解，向地层施加热量的一个或多个热源可以使用不同的能源。因而，例如，对于给定的地层，某些热源可以从电阻加热器供给热量，一些热源可以从燃烧提供热量，一些热源可以从一个或多个能源提供热量(例如化学反应、太阳能、风能、生物量或其它再生能源)。化学反应可以包括放热反应(例如氧化反应)。热源还可以包括向紧邻和/或围绕加热位置、例如加热器井的区域提供热量的加热器。

“加热器”是用于在井中或井眼附近区域产生热量的任何系统或热源。加热器可以是电加热器、燃烧器、与地层中的或从地层产生的材料反应的燃烧室和/或它们的组合，但并不局限于这些。

“现场转化工艺”指的是从热源加热含烃地层以将至少一部分地层的温度提高到热解温度以上的工艺，这样，在地层中产生热解流体。

“绝缘导体”是指任何细长材料，该细长材料能够导电，并且它全部或部分地被电绝缘材料覆盖。

细长构件可以是裸金属加热器或暴露金属加热器。“裸金属”和“暴露金属”是指不包括电绝缘层、例如矿物绝缘的金属，电绝缘层设计成能在细长构件的整个工作温度范围内为金属提供电绝缘。裸金属和暴露金属可以包含包括腐蚀抑制器、例如天然出现的氧化层、涂敷的氧化层和/或薄膜的金属。裸金属和暴露金属包括带有聚合物电绝缘或其它类型电绝缘的金属，这些电绝缘在细长构件的典型工作温度下不能保持电绝缘性质。这种材料可以放置在金属上，在加热器使用期间可以被热降解。

“温度限制加热器”泛指无需利用外部控制、例如温度控制器、功率调节器、整流器或其它装置，就能在规定温度以上调节热量输出(例如减小热量输出)的加热器。温度限制加热器可以是AC(交流电)或调制(例如“突变”)DC(直流)供电的电阻加热器。

“居里温度”是在该温度以上铁磁材料失去其全部的铁磁性质的温度。除了在居里温度以上失去其全部铁磁性质以外，当增大的电流通过该铁磁材料时也开始失去其铁磁性质。

“随时间变化的电流”是指在铁磁导体中产生集肤效应电荷流并且具有随时间变化的幅度的电流。随时间变化的电流既包括交流电(AC)，又包括调制直流电(DC)。

“交流电(AC)”是指随时间大体上正弦地反向变化的电流。AC在铁磁导体中生成集肤效应电荷流。

“调制直流电(DC)”是指任何大体上随时间非正弦变化的电流，其在铁磁导体中生成集肤效应电荷流。

温度限制加热器的“调节比”是指对于给定电流，在居里温度以下的最高AC或调制DC电阻与居里温度以上的最低电阻的比值。

在减少热量输出的加热系统、设备和方法的上下文中，术语“自动”意思是这些系统、设备和方法以某种方式起作用，无需采用外部控制(例如诸如带有温度传感器和反馈回路的控制器、PID控制器或预测控制器的外部控制器)。

“氮化物”是指氮与元素周期表中的一个或多个其它元素的合成物。氮化物包括四氮化三硅、氮化硼或矾土氮化物，但并不局限于这些。

术语“井眼”是指通过钻进或把管道插入地层内所形成在地层中的孔。井眼可以具有基本上圆形横截面形状或其它横截面形状。正如在此所使用的，当关于地层中的开口时，术语“井”和“开口”可以与术语“井眼”互换地使用。

“u形井眼”是指从地层中的第一开口、穿过至少一部分地层并穿过地层中的第二开口延伸出来的井眼。关于这点，井眼可以是大致“v”或“u”形，条件是，对于u形井眼，“u”形的“腿”不一定必须彼此平行，或者不一定必须垂直于“u”的“底部”。

“孔”是指开口，例如管道中的开口，其具有各种尺寸和横截面形状，包括圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形、缝隙或其它规则或不规则形状，但并不局限于这些。

“热解”是指由于施加热量而使化学键断开。例如，热解可以包括仅仅通过热量将合成物转换成一个或多个其它物质。热量可以传递至地层的一部分，以引起热解。在一些地层中，地层的部分和/或地层中的其它材料可以通过催化活性促进热解。

“热解流体”或“热解产品”是指基本上在烃热解期间所产生的流体。由热解反应所产生的流体可以与地层中的其它流体进行混合。混合物被认为是热解流体或热解产品。正如在此所使用的，“热解区域”是指起反应或进行反应以形成热解流体的地层体积(例如相对可渗透的层，如沥青砂地层)。

“重叠加热”是指从两个或多个热源向地层的所选择部分提供热量，这样，在热源之间的至少在一个部位的地层温度受热源的影响。

“合成气体”是指包括氢和一氧化碳的混合物。合成气体的附加部分可以包括水、二氧化碳、氮、甲烷和其它气体。合成气体可以通过各种工艺或原料生成。合成气体可用于合成各种合成物。

地层中的烃可以以各种方式处理以生产出许多不同的产品。在某些实施例中，地层中的烃被分阶段处理。图1示出了加热含烃地层的多个阶段。图1还示出了从地层产生地层流体的每吨等量桶数(y轴)产量(“Y”)与加热地层的摄氏度(x轴)温度(“T”)之间的关系。

甲烷的解吸和水的汽化发生在阶段1的加热期间。可以尽可能快地执行通过阶段1加热地层。当最初加热含烃地层时，地层中的烃可以解吸吸附了的甲烷。解吸的甲烷可以从地层中开采出来。如果含烃地层被进一步加热，含烃地层中的水就被汽化。在一些含烃地层中，水可能占地层中孔隙容积的10％到50％。在一些地层中，水占孔隙容积的更多或更少部分。在地层中，水通常在160℃到285℃之间、在600kPa绝对压力到7000kPa绝对压力之间汽化。在一些实施例中，汽化的水在地层中产生润湿性改变和/或增加地层压力。润湿性变化和/或增大的压力可能会影响地层中的热解反应或其它反应。在某些实施例中，汽化的水可以从地层中开采出来。在一些实施例中，汽化的水在地层中或地层外被用于蒸汽抽出和/或蒸馏。从地层中去除水和增加地层中孔隙容积，可以增大孔隙容积中烃的存储空间。

在某些实施例中，在阶段1加热之后，地层被进一步加热，使地层中的温度达到(至少)初始热解温度(例如，如阶段2所示的温度范围下端的温度)。地层中烃的热解可能贯穿整个阶段2。热解温度随着地层中烃的种类的不同而改变。热解温度范围可以包括250℃到900℃之间的温度。用于生产所希望的产品的热解温度只延伸总热解温度范围的一部分。在一些实施例中，用于生成所希望的产品的热解温度范围可以包括250℃到400℃之间的温度或270℃到350℃之间的温度。如果地层中烃的温度从250℃到400℃的温度范围慢慢升高，则在温度接近400℃时基本上就可以完成热解产品的生产。在用于生产所希望的产品的整个热解温度范围内，烃的平均温度可以以每天小于5℃、每天小于2℃、每天小于1℃或每天小于0.5℃的速度升高。通过使用多个热源加热含烃地层可以在热源周围建立热梯度，这些热源在整个热解温度范围内慢慢地升高地层中烃的温度。

在用于所希望的产品的整个热解温度范围内，温度增加速度可能会影响从含烃地层中产生地层流体的质量和数量。在用于所希望的产品的整个热解温度范围内，温度的慢慢升高会阻止地层中大链式分子的活动。在用于所希望的产品的整个热解温度范围内，温度的慢慢升高会制约生成不期望的产品的活动烃之间的反应。在用于所希望的产品的整个热解温度范围内，温度的慢慢升高允许从地层中产生高质量、高API比重的烃。在用于所希望的产品的整个热解温度范围内，温度的慢慢升高允许开采出存在于地层中的大量烃作为烃产品。

在一些现场转化实施例中，一部分地层被加热至所希望的温度，而不是在整个温度范围内慢慢地加热。在一些实施例中，所希望的温度为300℃、325℃或350℃。也可以选择其它温度作为所希望的温度。来自热源的热量的叠加，使得在地层中可以比较快速和有效地建立所希望的温度。可以调节从热源输入到地层中的能量，以使地层中的温度基本上保持在所希望的温度上。地层中的被加热部分基本上保持在所希望的温度，直到热解衰减，以致从地层中生产所希望的地层流体变得不经济。受到热解的部分地层可包括只通过一个热源的热传递来使其进入热解温度范围内的区域。

在某些实施例中，包括热解流体的地层流体从地层中被开采出来。随着地层温度的升高，产生的地层流体中可凝结烃的量会减少。在高温下，地层主要产生甲烷和/或氢。如果在整个热解范围内加热含烃地层，那么，朝着热解范围的上限，地层只可产生少量的氢。在所有可利用氢耗尽之后，通常出现只能从地层中开采极小量的流体。

在烃热解之后，大量的碳和一些氢仍然存在于地层中。以合成气体的形式从地层中产生留在地层中的大部分碳。合成气体的产生在如图1所示的阶段3加热期间进行。阶段3可以包括将含烃地层加热至足以生成合成气体的温度。例如，在从大约400℃到大约1200℃、从大约500℃到大约1100℃或从大约550℃到大约1000℃的温度范围内可以产生合成气体。当产生合成气体的流体被引入到地层中时，地层中被加热部分的温度可以确定在地层中所产生的合成气体的组成。通过一个或多个生产井可从地层中开采出所生成的合成气体。

贯穿热解和合成气体生成，从含烃地层中产生的流体总能量含量可以保持相对恒定。在较低地层温度下的热解期间，大部分采出流体可能是具有高能量含量的可凝结烃。但是，在较高热解温度时，较少的地层流体包括可凝结烃。更多非凝结地层流体可以从地层中开采出来。在主要产生非凝结地层流体期间，采出流体的每单位体积能量含量可能会略微衰减。在产生合成气体期间，与热解流体相比，采出来的合成气体的每单位体积能量含量衰减很明显。但是，在许多情况下，采出来的合成气体体积将大大增加，从而补偿减少的能量含量。

图2是用于处理含烃地层的现场转化系统的一部分的实施例的示意图。现场转化系统包括隔离井200。隔离井用来在处理区域周围形成屏障。该屏障阻止流体流入和/或流出处理区域。隔离井包括脱水井、真空井、捕获井、喷射井、灌浆井、凝固井或它们的组合，但并不局限于这些。在一些实施例中，隔离井200是脱水井。脱水井可以去除液态水和/或阻止液态水进入要被加热的一部分地层或正在被加热的一部分地层中。在图2所示的实施例中，所示的隔离井200只是沿着热源202的一侧延伸，但是，隔离井通常环绕在被用于或将被用于加热地层的处理区域的所有热源202周围。

热源202放置在至少一部分地层中。热源202可以包括诸如绝缘导体的加热器、管道内导体加热器、表面燃烧器、无焰分布燃烧室和/或天然分布燃烧室。热源202也可以包括其它类型的加热器。热源202向至少一部分地层提供热量，以加热地层中的烃。能量可通过供给管线204供给给热源202。供给管线204的结构可以根据用于加热地层的热源类型的不同而不同。热源的供给管线204可以为电加热器传输电，可以为燃烧室输送燃料，或者可以输送在地层中循环的热交换流体。

生产井206用于从地层中开采地层流体。在一些实施例中，生产井206可以包括一个或多个热源。生产井中的热源可以加热在生产井处或靠近生产井的地层的一部分或多部分。生产井中的热源可以阻止从地层中开采出来的地层流体的凝结和回流。

从生产井206产生的地层流体通过收集管路208输送至处理设施210。地层流体也可以从热源202产生。例如，流体可以从热源202产生，以控制邻近热源的地层中的压力。从热源202产生的流体通过管或管路输送至收集管路208，或者采出流体通过管或管路直接输送至处理设施210。处理设施210可包括分离单元、反应单元、浓缩单元、燃料电池、涡轮、存储容器和/或用于加工采出的地层流体的其它系统和单元。

温度限制限加热器可以具有多种构造，和/或可以包括在某些温度下为加热器提供自动温度限制特性的材料。在某些实施例中，铁磁材料被用于温度限制加热器中。铁磁材料在该材料的居里温度或其附近可以自我限制温度，以便在向该材料施加随时间变化的电流时，在居里温度或其附近提供减少的热量。在某些实施例中，铁磁材料在选定温度自我限制温度限制加热器的温度，所述选定温度大约是居里温度。在某些实施例中，选定温度在居里温度的35℃之内、25℃之内、20℃之内或10℃之内。在某些实施例中，铁磁材料与其它材料(例如高导材料、高强度材料、耐腐蚀材料或它们的组合)相结合，以提供各种电气性能和/或机械性能。温度限制加热器的某些部分所具有的电阻比温度限制加热器的其它部分要低(这是由不同几何形状和/或利用不同的铁磁材料和/或非铁磁材料造成的)。通过使温度限制加热器的各个部分具有不同的材料和/或尺寸，就可以定制从加热器的每个部分输出所希望的热量。

温度限制加热器可能比其它加热器更可靠。温度限制加热器不易于因地层中的热点而损坏或发生故障。在一些实施例中，温度限制加热器可以基本上均匀地加热地层。在一些实施例中，温度限制加热器通过沿加热器的整个长度以较高的平均热量输出进行操作，从而能够更有效地加热地层。温度限制加热器沿加热器的整个长度以较高的平均热量输出进行操作，这是因为如果沿着加热器任意点的温度超过或将超过加热器的最高工作温度，那么针对整个加热器而言，供给给加热器的功率无需减少，而对于典型的恒定瓦特数的加热器却必须减少供给给加热器的功率。从达到加热器的居里温度的温度限制加热器的各部分输出的热量会自动减少，无需对施加给加热器的随时间变化的电流进行受控调节。由于温度限制加热器各部分的电气性能(例如电阻)方面的变化，热量输出自动减少。因而，在加热过程的较大部分期间，温度限制加热器能提供更大的功率。

在某些实施例中，当温度限制加热器由随时间变化的电流激励时，包括温度限制加热器的系统最初提供第一热量输出，然后在加热器的电阻部分的居里温度附近、之处或之上提供减少的热量输出(第二热量输出)。第一热量输出是一定温度时的热量输出，温度限制加热器在低于所述一定温度时开始自我限制。在一些实施例中，第一热量输出是在低于温度限制加热器中铁磁材料的居里温度的50℃、75℃、100℃或125℃温度时的热量输出。

温度限制加热器可以由在井头供给的随时间变化的电流(交流电或调制直流电)激励。井头可以包括电源和其它用于向温度限制加热器供电的部件(例如调制部件、转换器和/或电容器)。温度限制加热器可以是用于加热一部分地层的许多加热器之一。

在某些实施例中，温度限制加热器包括导体，当向该导体施加随时间变化的电流时，该导体就作为一种集肤效应加热器或邻近效应加热器操作。集肤效应限制电流渗透到该导体内的深度。对于铁磁材料而言，集肤效应受导体的导磁率支配。铁磁材料的相对导磁率典型在10到1000之间(例如，铁磁材料的相对导磁率典型至少为10，可以至少为50、100、500、1000或以上)。随着铁磁材料的温度升高到居里温度和/或随着所施加的电流的增大，铁磁材料的导磁率显著减小，集肤深度快速增大(例如，集肤深度以导磁率的负二次方根增大)。导磁率的减小导致在居里温度或该温度附近、之处和/或随着所施加的电流的增大，导体的AC或调制DC电阻减小。当温度限制加热器由基本上恒流的电源供电时，接近、达到或高于居里温度的部分可以减少热耗损。不在居里温度之处或附近的温度限制加热器的部分可以由集肤效应加热支配，这允许加热器由于较高电阻负荷而具有高热耗损。

利用温度限制加热器加热地层中的烃的优点在于，导体被选择成具有在所希望的工作温度范围内的居里温度。在所希望的工作温度范围内运行允许大量的热被喷射到地层中，同时把温度限制加热器和其它设备的温度保持在设计极限温度以下。设计极限温度是在这些温度时诸如腐蚀、蠕变和/或变形的性能会受到不利的影响的温度。温度限制加热器的温度限制性能阻止邻近地层中低导热率“热点”的加热器过热或烧坏。在一些实施例中，温度限制加热器能降低或控制热量输出和/或承受温度高于25℃、37℃、100℃、250℃、500℃、700℃、800℃、900℃或高达1131℃的热量，这取决于加热器中所使用的材料。

与恒定瓦特数的加热器相比，温度限制加热器允许更多的热量喷射到地层内，这是因为输入到温度限制加热器中的能量无需被限制成适应邻近加热器的低导热率区域。例如，在Green River油页岩中最低富油页岩层和最高富油页岩层的导热率存在至少系数为3的差别。当加热这种地层时，与受到低导热性层处的温度限制的传统加热器相比，用温度限制加热器可以将更多的热量传递给地层。沿着传统加热器整个长度的热量输出需要适应低导热率层，以便使加热器在低导热率层不会过热和烧坏。对于温度限制加热器而言，邻近高温下的导热率层的热量输出将减少，但不处于高温的温度限制加热器的其余部分仍然会提供高的热量输出。因为用于加热含烃地层的加热器通常具有长的长度(例如至少10m、100m、300m、至少500m、1km或以上，直至10km)，所以，温度限制加热器的大部分长度可在居里温度以下工作，而只有一少部分在温度限制加热器的居里温度或其附近。

温度限制加热器的使用使得能够高效地向地层传递热量。通过高效地传递热量，可以减少把地层加热至所希望的温度所需要的时间。例如，在Green River油页岩中，当利用与传统恒定瓦特数加热器隔开的12m加热器井时，热解通常需要加热9.5年到10年的时间。对于相同的加热器间隔，温度限制加热器可具有较大的平均热量输出，同时把加热器设备的温度保持在设备设计极限温度以下。由于温度限制加热器所提供的平均热量输出要比恒定瓦特数加热器所提供的平均热量输出大，地层中的热解可以在更早的时间发生。例如，在Green River油页岩中，利用带有12m加热器井间隔的温度限制加热器，可以在5年内出现热解。由于井间距不精确，或者钻井时加热井靠得太近，温度限制加热器抵消热点。在某些实施例中，对于间隔太远的加热井而言，温度限制加热器允许长时间地增大功率输出，或者对于间隔太近的加热井而言，允许限制功率输出。温度限制加热器在邻近履盖层和下伏层的区域也提供更大的功率，以补偿这些区域中的温度损失。

有利的是，温度限制加热器可以用于许多类型的地层中。例如，在沥青砂地层或相对渗透的含重质烃地层中，温度限制加热器可用来提供可控制的低温输出，以便减小流体粘度，活动流体和/或增强井眼上或其附近或者地层中流体的径向流动。温度限制加热器可以用来阻止由于地层的井眼附近区域过热而引起过多的焦炭形成。

在一些实施例中，温度限制加热器的使用可以消除或减少对昂贵温度控制回路的需要。例如，温度限制加热器的使用，可以消除或减少对执行温度测量的需要和/或在加热器上利用固定热电偶以监测热点处的潜在过热的需要。

在某些实施例中，温度限制加热器容许变形。材料在井眼中的局部运动可能在加热器上引起侧向应力，侧向应力使加热器形状发生变形。在沿着加热器长度的部位，井眼靠近或接近加热器，这些部位可能是标准加热器过热和具有烧坏的潜在性的热点。这些热点会降低金属的屈服强度和抗蠕变强度，从而使加热器被压坏或变形。温度限制加热器可以形成S曲线(或其它非线性形状)，S曲线可以收容温度限制加热器的变形，不会引起加热器故障。

在一些实施例中，温度限制加热器可能比标准加热器更经济地制造或制成。典型铁磁材料包括铁、碳钢或铁素体不锈钢。与绝缘导体(矿物绝缘电缆)加热器中典型使用的镍基加热合金(例如镍铬合金、商标为Kanthal^TM(瑞典Bulten-Kanthal AB)和/或LOHM^TM(美国新泽西州哈里森Driver-Harris公司))相比，这些材料是便宜的。在温度限制加热器的一个实施例中，温度限制加热器以连续长度制造成绝缘导体加热器，以便降低成本和改善可靠性。

在一些实施例中，使用盘管钻机将温度限制加热器放置在加热器井中。通过使用金属，例如铁素体不锈钢(如409不锈钢)，可以制造盘绕在线轴上的加热器，使用电阻焊(ERW)来焊接该不锈钢。为了形成加热器部分，金属带从滚筒通过第一成形设备，在第一成形设备，它成形为管状，接着使用ERW进行纵向焊接。然后管通过第二成形设备，在第二成形设备，施加导电带(例如铜带)，通过冲模在管上向下紧紧压延，并且使用ERW进行纵向焊接。通过在导电带材料上纵向焊接支撑材料(例如钢，诸如347H或347HH)，可形成鞘。支撑材料可以是卷在导电带材料上的带。加热器的履盖层部分可以以类似的方式形成。在某些实施例中，履盖层部分使用非铁磁性材料来代替铁磁材料，例如304不锈钢或316不锈钢。可以使用标准技术，例如利用轨道焊接机的对缝焊接，将加热器部分和履盖层部分耦合在一起。在一些实施例中，在滚轧之前，履盖层部分材料(非铁磁性材料)可以预先焊接在铁磁材料上。预先焊接可以消除单独的耦合步骤(例如对缝焊接)的需要。在一个实施例中，在形成管状加热器之后，柔性电缆(例如炉电缆，诸如MGT 1000炉电缆)被拉动穿过中心。柔性电缆上的端套筒被焊接到管状加热器上，以提供电流返回路径。在安装到加热器井中之前，包括柔性电缆的管状加热器被卷绕在线轴上。在一个实施例中，使用盘管钻机安装温度限制加热器。盘管钻机可以将温度限制加热器放置在地层中的抗变形容器内。抗变形容器可以利用传统方法放置在加热器井内。

用于温度限制加热器的铁磁合金决定了加热器的居里温度。在“美国物理学会手册(American Institute of Physics Handbook)”第二版，McGraw-Hill，第5-170页至5-176页中列出了各种金属的居里温度数据。铁磁导体可以包括一种或多种铁磁元素(铁、钴和镍)和/或这些元素的合金。在一些实施例中，铁磁导体包括包含钨(W)(例如，HCM12A和SAVE12(日本Sumitomo Metals公司))的铁-铬(Fe-Cr)合金和/或包含铬的铁合金(例如，Fe-Cr合金、Fe-Cr-W合金、Fe-Cr-V(钒)合金、Fe-Cr-Nb(铌)合金)。在这三种主要的铁磁元素中，铁的居里温度大约为770℃；钴(Co)的居里温度大约为1131℃；镍的居里温度大约为358℃。铁-钴合金的居里温度高于比铁的居里温度。例如，具有2％重量比钴的铁-钴合金的居里温度大约为800℃；具有12％重量比钴的铁-钴合金的居里温度大约为900℃；具有20％重量比钴的铁-钴合金的居里温度大约为950℃。铁镍合金的居里温度低于铁的居里温度。例如，具有20％重量比镍的铁镍合金的居里温度大约为720℃，具有60％重量比镍的铁镍合金的居里温度大约为560℃。

用作合金的一些非铁磁元素可以提高铁的居里温度。例如，具有5.9％重量比钒的铁-钒合金的居里温度大约为815℃。其它非铁磁元素(例如碳、铝、铜、硅和/或铬)可以与铁或其它铁磁材料熔合，以降低居里温度。提高居里温度的非铁磁材料可以与降低居里温度的非铁磁材料相结合，并与铁或其它铁磁材料熔合，以制造具有所希望的居里温度及其它所希望的物理和/或化学性能的材料。在一些实施例中，居里温度材料是铁素体，例如NiFe₂O₄。在一些实施例中，居里温度材料是二元化合物，例如FeNi₃或Fe₃Al。

温度限制加热器的某些实施例可包括一种以上的铁磁材料。如果在此所述的任何状态应用于温度限制加热器的至少一种铁磁材料，这样的实施例也落入在此所述的实施例的范围之内。

铁磁性能通常随着接近居里温度而衰减。因而，自我限制温度可能稍微低于铁磁导体的实际居里温度。集肤深度通常限定了进入传导材料中的随时间变化的电流的有效穿透深度。一般而言，电流密度与沿着导体半径从外表面到中心的距离呈指数关系减小。电流密度大约为表面电流密度的1/e处的深度被称为集肤深度。在1％碳钢中，用于电流流动的集肤深度在室温下是0.132cm，并且在720℃时，增至0.445cm。从720℃至730℃，集肤深度急剧增至超过2.5cm。因而，使用1％碳钢的温度限制加热器实施例在650℃到730℃之间开始自我限制。

对于大多数金属来说，电阻系数(ρ)随着温度而增加。相对导磁率通常随着温度和电流的变化而变化。可以利用辅助等式来确定导磁率和/或集肤深度关于温度和/或电流两者的变化。μ对电流的依赖产生于μ对磁场的依赖。

用于温度限制加热器的材料可以选择成提供所希望的调节比。对于温度限制加热器来说，可以选择至少为1.1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、10∶1、30∶1或50∶1的调节比。也可以使用更大的调节比。所选择的调节比取决于许多因素，包括但不限于：温度限制加热器所处的地层类型(例如，随着富油页岩层与贫油页岩层之间的导热率方面的较大变化，油页岩层使用了更高的调节比)和/或在井眼中使用的材料的温度极限(例如，加热器材料的温度极限)。在一些实施例中，通过把额外的铜或另一种好的电导体耦合到铁磁材料(例如，添加铜以降低超过居里温度时的电阻)上，来增大调节比。

温度限制加热器在低于加热器的居里温度下可以提供最小热量输出(功率输出)。在某些实施例中，最小热量输出至少为400W/m(瓦特每米)、600W/m、700W/m、800W/m或高达2000W/m。当温度限制加热器的一部分接近或超过居里温度时，温度限制加热器通过加热器的这部分来减小热量输出量，减少的热量大体上小于居里温度以下时的热量输出。在一些实施例中，减小的热量最多为400W/m、200W/m、100W/m，或者可以接近0W/m。

在一些实施例中，AC频率被调节，以改变铁磁材料的集肤深度。例如，在室温时，1％碳钢的集肤深度在60Hz为0.132cm，在180Hz为0.0762cm，在440Hz为0.046cm。由于加热器直径通常比集肤深度大两倍，所以利用较高频率(从而利用较小直径的加热器)减少了加热器成本。对于固定的几何形状，较高频率导致较高调节比。通过把较低频率的调节比乘以较高频率除以较低频率之后的平方根，来计算较高频率下的调节比。在一些实施例中，采用100Hz到1000Hz之间、140Hz到200Hz之间或400Hz到600Hz之间的频率(例如180Hz、540Hz或720Hz)。在一些实施例中，可以使用高频率。频率可大于1000Hz。

在某些实施例中，调制DC(例如突变DC、波形调制DC或循环DC)可以用来向温度限制加热器提供电力。DC调制器或DC断路器可以与DC电源耦合在一起，以提供调制直流电的输出。在一些实施例中，DC电源可以包括用于调制DC的装置。DC调制器的一个例子是DC-DC变换器系统。DC-DC变换器系统在现有技术中是公知的。DC通常被调制或突变成所希望的波形。用于DC调制的波形包括正方形波、正弦曲线、变形的正弦曲线、变形的正方形波形、三角形及其它规则或不规则波形。

调制DC波形通常限定了调制DC的频率。因而，可以选择调制DC波形，以提供所希望的调制DC频率。可改变调制DC波形的形状和/或调制速率(例如突变速率)，以改变调制DC频率。DC可以被调制成高于一般可利用的AC频率的频率。例如，可以提供频率至少为1000Hz的调制DC。使供电电流的频率增大至更高值，就能有利地增大温度限制加热器的调节比。

在某些实施例中，可以调节或改变调制DC波形，以改变调制DC频率。在温度限制加热器使用以及高电流或高电压期间的任何时候，DC调制器都能够调节或改变调制DC波形。因而，提供给温度限制加热器的调制DC不局限于单个频率或甚至一小组频率值。利用DC调制器进行的波形选择允许较宽范围的调制DC频率且允许离散控制调制DC频率。因而，调制DC频率更容易被设定在不同的值，而AC频率一般被局限于行频的倍数。调制DC频率的离散控制允许对温度限制加热器的调节比进行更多选择控制。由于能够选择控制温度限制加热器的调节比，允许在设计和构造温度限制加热器时使用的材料范围更宽。

在一些实施例中，调节调制DC频率或AC频率，以补偿在使用期间温度限制加热器的性能(例如，诸如温度或压力的地下状态)的变化。供给至温度限制加热器的调制DC频率或AC频率根据确定的井下状态的变化而变化。例如，随着井眼中温度限制加热器的温度的升高，可以有利地增大供给给加热器的电流频率，从而增大加热器的调节比。在一个实施例中，对井眼中的温度限制加热器的井下温度进行确定。

在某些实施例中，改变调制DC频率或AC频率，以调节温度限制加热器的调节比。调节比可以被调节，以补偿沿着温度限制加热器的长度出现的热点。例如，因为温度限制加热器在某些部位变得太热，所以调节比增大。在一些实施例中，改变调制DC频率或AC频率，以在无需确定地下状态的情况下调节调节比。

在某些实施例中，根据耐腐蚀性、屈服强度和/或抗蠕变性，选择温度限制加热器的最外层(例如外导体)。在一个实施例中，在外导体中可以使用奥氏体(非铁磁)不锈钢，例如201、304H、347H、347HH、316H、310H、347HP、NF709(Nippon Steel公司，日本)不锈钢，或它们的组合。最外层还可包括包履导体。例如，诸如800H或347H不锈钢的耐腐蚀合金可被包履在铁磁碳钢管上，以便防腐蚀。如果不要求耐高温强度，最外层可以由具有良好耐腐蚀性的铁磁金属制成，例如其中一种铁素体不锈钢。在一个实施例中，由82.3％重量比铁和17.7％重量比铬组成的铁素体合金(居里温度为678℃)提供了所希望的耐腐蚀性。

金属手册，第8卷第291页(美国材料协会(ASM))中包括铁-铬合金的居里温度与合金中铬含量之间关系的曲线图。在一些温度限制加热器实施例中，单独的支撑杆或管(由347H不锈钢制成)被耦合到由铁-铬合金制成的温度限制加热器上，以提供屈服强度和/或抗蠕变性。在某些实施例中，支撑材料和/或铁磁材料被选择成，在至少20.7MPa、650℃提供100,000小时的蠕变断裂强度。在一些实施例中，100,000小时的蠕变断裂强度为在至少13.8MPa、650℃或至少6.9MPa、650℃。例如，347H钢在650℃或以上具有良好的蠕变断裂强度。在一些实施例中，100,000小时蠕变断裂强度在从6.9MPa到41.3MPa范围，或者对于更长的加热器和/或更高的泥土或流体压力，范围更高。

在某些实施例中，温度限制加热器包括复合导体，该复合导体具有铁磁管和非铁磁的高导电芯体。非铁磁的高导电芯体减少了导体所需的直径。例如，导体可以是复合的1.19cm直径的导体，它的芯体为0.575cm直径的铜，铜被包履环绕所述芯体的0.298cm厚的铁素体不锈钢或碳钢。芯体或非铁磁导体可以是铜或铜合金。芯体或非铁磁导体也可以由呈现低电阻率和接近1的相对导磁率的其它金属制成(例如，大量非铁磁材料，诸如铝和铝合金，磷青铜，铍铜，和/或黄铜)。复合导体使温度限制加热器的电阻在居里温度附近突然减小。随着集肤深度在居里温度附近增大以包括铜芯体，电阻非常急剧地减少。

复合导体可以增大温度限制加热器的传导率和/或允许加热器在较低电压下工作。在一个实施例中，复合导体在其铁磁导体的居里温度附近区域以下的温度呈现比较平的电阻-温度关系曲线。在一些实施例中，温度限制加热器在100℃到750℃之间或在300℃到600℃之间呈现较平的电阻-温度关系曲线。通过例如调节温度限制加热器的材料和/或材料构成，在其它温度范围内也可以呈现较平的电阻-温度关系曲线。在某些实施例中，选择复合导体中各种材料的相对厚度，使温度限制加热器生成所希望的电阻-温度关系曲线。

复合导体(例如复合内导体或复合外导体)可以通过以下方法制造，这些方法包括但不限于：混合挤压、滚轧成形、紧配合装管(例如，冷却内构件并加热外构件，然后将内构件插入外构件中，接着进行拉延工序和/或允许系统冷却)、爆炸或电磁包覆、圆弧堆焊、纵向带焊接、等离子粉末焊接、钢坯混合挤压、电镀、拉延、溅蚀、等离子沉积、混合挤压铸造、磁成形、熔化缸铸造(位于外部内的内芯体材料的或反之亦然)、插入之后进行焊接或高温炖、屏蔽活性气体焊接(SAG)和/或将内管插入外管之后通过液压成形或使用生铁机械膨胀内管，从而使内管膨胀并型锻到外管上。在一些实施例中，铁磁导体被编织在非铁磁导体上。在某些实施例中，复合导体利用类似于那些用于包覆(例如把铜包覆到钢上)的方法形成。铜覆层与基体铁磁材料之间冶金接合是有利的。通过混合挤压工序制成的复合导体可由Anomet Products(美国Massachusetts，Shrewsbury)公司提供，该混合挤压工序形成了较好的冶金接合(例如铜与446不锈钢之间较好的结合)。

图3-9描绘了温度限制加热器的各种实施例。在这些附图中的任意附图中所描绘的实施例的温度限制加热器的一个或多个特征可以与在这些附图中所描绘的温度限制加热器的其它实施例的一个或多个特征相结合。在这里所描述的某些实施例中，温度限制加热器的尺寸设计成能在60Hz AC频率工作。应当理解，可以调节这里所述的温度限制加热器的尺寸，以便利用温度限制加热器在其它AC频率以类似的方式工作或利用调制DC电流工作。

图3描绘了温度限制加热器的实施例的横截面视图，温度限制加热器带有外导体，所述外导体具有铁磁部分和非铁磁部分。图4和图5描绘了图3所示实施例的横向横截面视图。在一个实施例中，铁磁部分212用于向地层中的烃层提供热量。非铁磁部分214用于地层中的履盖层。非铁磁部分214几乎不或不向履盖层提供任何热量，从而阻止履盖层中的热量损失，提高加热器效率。铁磁部分212包括铁磁材料，例如409不锈钢或410不锈钢。铁磁部分212的厚度为0.3cm。非铁磁部分214是厚度为0.3cm的铜。内导体216是铜。内导体216的直径为0.9cm。电绝缘体218是四氮化三硅、氮化硼、氧化镁粉或另一种适合的绝缘体材料。电绝缘体218的厚度为0.1cm到0.3cm。

图6A和图6B是温度限制加热器的实施例的横截面图，所述温度限制加热器具有铁磁内导体和非铁磁芯体。内导体216可以由446不锈钢、409不锈钢、410不锈钢、碳钢、Armco铁锭、铁-钴合金或其它铁磁材料。芯体220紧紧地粘结在内导体216内部。芯体220是铜或其它非铁磁材料。在某些实施例中，在拉延工序之前，将芯体220插入并紧配合在内导体216内部。在一些实施例中，芯体220和内导体216通过复合挤压粘结在一起。外导体222是347H不锈钢。用以使电绝缘体218(例如紧凑的氮化硅、氮化硼或氧化镁粉末)紧凑的拉延或滚动操作可以确保内导体216和芯体220之间良好的电接触。在该实施例中，热量主要在内导体216中产生，直到靠近居里温度。随着电流穿透芯体220，电阻急剧减小。

图7描绘了温度限制加热器的实施例，其中支撑构件在低于铁磁导体的居里温度时提供大部分热量输出。芯体220是温度限制加热器的内导体。在某些实施例中，芯体220是高导电材料，例如铜或铝。在一些实施例中，芯体220是提供机械强度和良好的电导率的铜合金，例如分散(dispersion)加强铜。在一个实施例中，芯体220是Glidcop(美国North Carolina，Research Triangle Park，SCM Metal Products公司)。铁磁导体224是位于电导体226与芯体220之间的铁磁材料薄层。在某些实施例中，电导体226也是支撑构件228。在某些实施例中，铁磁导体224是铁或铁合金。在一些实施例中，铁磁导体224包括具有高相对导磁率的铁磁材料。例如，铁磁导体224可以是纯化铁，例如Armco铁锭(英国AK Steel有限公司)。具有一定纯度的铁通常具有大约400的相对导磁率。通过在氢气(H₂)中在1450℃对铁进行退火以使之纯化，来增大铁的相对导磁率。铁磁导体224的相对导磁率的增大，允许铁磁导体的厚度减小。例如，未纯化铁的厚度约为4.5mm，而纯化铁的厚度约为0.76mm。

在某些实施例中，电导体226对铁磁导体224和温度限制加热器提供支撑。电导体226可以由在铁磁导体224的居里温度附近或以上提供良好的机械强度的材料制成。在某些实施例中，电导体226也是耐腐蚀构件。电导体226(支撑构件228)可以为铁磁导体224提供支撑，并且也耐腐蚀。电导体226由在高达铁磁导体224的居里温度和/或高于该居里温度的温度下提供所希望的电阻热量输出的材料制成。

在一个实施例中，电导体226是347H不锈钢。在一些实施例中，电导体226是另一种导电的、具有良好机械强度的耐腐蚀材料。例如，电导体226可以是304H、316H、347HH、NF709、Incoloy800H合金(美国West Virginia，Huntington，Inco Alloys International)、HaynesHR120合金或Inconel617合金。

在一些实施例中，电导体226(支撑构件228)在温度限制加热器的不同部分包括不同的合金。例如，电导体226(支撑构件228)的下部分是347H不锈钢，而电导体(支撑构件)的上部分是NF709。在某些实施例中，在电导体(支撑构件)的不同部分使用不同的合金，以便增大电导体(支撑构件)的机械强度，同时维持所希望的温度限制加热器的加热性能。

在一些实施例中，铁磁导体224在温度限制加热器不同部分包括不同铁磁导体。可以在温度限制加热器的不同部分使用不同的铁磁导体，以改变居里温度，从而改变不同部分的最高工作温度。在一些实施例中，温度限制加热器上部分的居里温度低于加热器下部分的居里温度。上部分的较低的居里温度提高了加热器上部分的蠕变断裂强度寿命。

在图7所示的实施例中，铁磁导体224、电导体226和芯体220的尺寸设计成，使得当温度低于铁磁导体的居里温度时，铁磁导体的集肤深度限制大部分电流在支撑构件中流动的穿透深度。因而，在高达铁磁导体224的居里温度处或其附近的温度时，电导体226提供温度限制加热器的大部分电阻热量输出。在某些实施例中，图7中所描绘的温度限制加热器小于(例如，直径为3cm、2.9cm、2.5cm或以下)没有使用电导体226来提供大部分电阻热量输出的其它温度限制加热器。图7所描绘的温度限制加热器可较小，这是因为，与其中由铁磁导体提供大部分电阻热量输出的温度限制加热器所必需的铁磁导体尺寸相比，铁磁导体224薄。

在一些实施例中，支撑构件和耐腐蚀构件在温度限制加热器中是不同的构件。图8和9描绘了温度限制加热器的实施例，其中护套在低于铁磁导体的居里温度时提供大部分热量输出。在该实施例中，电导体226是护套230。电导体226、铁磁导体224、支撑构件228和芯体220(图8中)或内导体216(图9中)的尺寸设计成，使得铁磁导体的集肤深度限制大部分电流在护套厚度中流动的穿透深度，在某些实施例中，电导体226是在低于铁磁导体224的居里温度时提供电阻输出热量的耐腐蚀材料。例如，电导体226是825不锈钢或347H不锈钢。在一些实施例中，电导体226具有小的厚度(例如，约为0.5mm)。

在图8中，芯体220是高导电材料，例如铜或铝。支撑构件228是347H不锈钢或其它在铁磁导体224的居里温度或其附近具有良好的机械强度的材料。

在图9中，支撑构件228是温度限制加热器的芯体，而且是347H不锈钢或其它在铁磁导体224的居里温度或其附近具有良好的机械强度的材料。内导体216是高导电材料，例如铜或铝。

在某些实施例中，暴露金属加热元件用于u形井眼的大体上水平部分中。大体上u形井眼可用于沥青砂地层、油页岩地层或其它带有较薄烃层的地层。沥青砂或薄油页岩地层可能具有薄的浅层，利用放置在大体上u形井眼中的加热器，可以更加容易地和更加均匀地加热这些薄的浅层。大体上u形井眼还可以用于处理在地层中具有厚烃层的地层。在一些实施例中，大体上u形井眼用来进入厚烃地层中的富层。

与竖直井眼中的加热器相比，大体上u形状井眼中的加热器可以具有长的长度，这是因为，水平加热部分不存在竖直加热元件所遇到的蠕变或悬挂应力问题。大体上u形井眼可以利用地层中的固有密封和/或烃层的受限制的厚度。例如，在无需在固有密封上冲压大量的孔的情况下，井眼就可以放置在地层中固有密封的上面或下面，而对于竖直定向的井眼来说，这是必须的。利用大体上u形井眼代替竖直井眼，还可以减少处理地层的地表轨迹所必需的井数量。通过减少地表上的井眼数量和地表上的设备数量，较少井的使用减少了设备的投资成本，减少了处理地层对环境的影响。与竖直井眼相比，大体上u形井眼还可以运用较低的履盖层部分与加热部分之比。

大体上u形井眼可以允许将井眼的开口柔性地设置在地表上。井眼的开口可以根据地层的地表地形进行设置。在某些实施例中，井眼的开口设置在地理上可到达的地方，例如地形高处(例如山)。例如，井眼可以具有位于第一地形高处的第一开口和位于第二地形高处的第二开口，井眼横在第一和第二地形高处之间的地形低处(例如具有冲积填充的谷地)之下。开口的这种设置可以避免将开口或设备设置在地形低处或其它难到达的地方。另外，在地形高的区域，水位不会自动流出。可以钻井眼，使开口不设置在环境敏感区域附近，例如，但不限于河流、配套区域或动物禁猎区。

图10是加热器实施例的侧视图，所述加热器具有放置在大体上u形井眼中的暴露金属加热元件。加热器232A、232B、232C具有在地层地表236上的第一部位234处的第一端部分和在地表上的第二部位238处的第二端部分。加热器232A、232B、232C具有在履盖层242中的部分240。所述部分240配置成几乎不或不提供任何热量输出。在某些实施例中，所述部分240包括绝缘的电导体，例如绝缘的铜。所述部分240与加热元件244耦合在一起。

在某些实施例中，加热元件244的多个部分在烃层246中大体上是平行的。在某些实施例中，加热元件244是暴露金属加热元件。在某些实施例中，加热元件244是暴露金属温度限制加热元件。加热元件244可以包括铁磁材料，例如，类似于410不锈钢的含有9％重量比至13％重量比的铬的不锈钢、诸如T/P91或T/P92的铬不锈钢、409不锈钢、VM12(法国Vallourec和Mannesmann管)或用作温度限制加热器的铁-钴合金。在一些实施例中，加热元件244是复合材料温度限制加热元件，例如410不锈钢和铜复合材料加热元件或347H、铁、铜复合材料加热元件。加热元件244可具有至少大约100m、至少大约500m或至少大约1000m、直至大约6000m的长度。

加热元件244可以是实心杆或管。在某些实施例中，实心杆加热元件的直径是在铁磁材料居里温度时的集肤深度的几倍。典型地，实心杆加热元件可具有1.91cm或更大的直径(例如2.5cm、3.2cm、3.81cm或5.1cm)。在某些实施例中，管状加热元件具有的壁厚度至少是在铁磁材料居里温度时的集肤深度的两倍。典型地，管状加热元件的外径在大约2.5cm和大约15.2cm之间，壁厚度在大约0.13cm到大约1.01cm之间的范围内。

在某些实施例中，管状加热元件244允许流体通过管状加热元件对流传热。流过管状加热元件的流体可以用来预加热管状加热元件，以便初始加热地层，和/或以便在现场转化过程的加热完成之后从地层回收热量。流过管状加热元件的流体包括空气、水、蒸汽、氦、二氧化碳或其它流体，但并不局限于这些。在一些实施例中，热流体，例如二氧化碳或氦，流过管状加热元件，以向地层提供热量。热流体可以用来在电加热向地层提供热量之前向地层提供热量。在一些实施例中，热流体用来提供除电加热之外的热量。与仅仅使用电加热来向地层提供热量相比，使用热流体以及提供电加热向地层提供热量成本比较低廉。在一些实施例中，水和/或蒸汽流过管状加热元件，以从地层回收热量。被加热的水和/或蒸汽可用来溶解开采和/或其它工序。

过渡部分248将加热元件244与部分240耦合在一起。在某些实施例中，过渡部分248包括具有高导电性、但耐腐蚀的材料，例如铜上的347不锈钢。在一个实施例中，过渡部分包括不锈钢包覆铜的复合材料。过渡部分248阻止铜过热和/或绝缘部分240的过热。

图11是图10中所示的加热器的表面式样的实施例的顶视图。加热器232A-L可以在地层地表布置成重复三角形式样，如图11所示。三角形可以由加热器232A、232B和232C形成，三角形还由加热器232C、232D和232E形成。在一些实施例中，加热器232A-L可以在地层地表布置成直线。加热器232A-L具有在地层地表236上的第一部位234处的第一端部分和在地表上的第二部位238处的第二端部分。加热器232A-L布置成，使得(a)第一部位234与第二部位238的式样彼此对应，(b)加热器之间的间距保持在地表上的两个部位上，和/或(c)加热器都具有大体上相同的长度(地表上的加热器端部分之间大体上相同的水平距离，如图11的顶视图所示)。

如图10和图11所示，电缆250、252可以耦合于变换器254和一个或多个加热单元，例如包括加热器232A、232B、232C的加热单元。电缆250、252可以携带大量功率。在某些实施例中，电缆250、252能够携带具有低损耗的强电流。例如，电缆250、252可以是粗的铜或铝导线。电缆还可以具有厚的绝缘层。在一些实施例中，电缆250和/或电缆252可可以是超导电缆。超导电缆可以由液氮冷却。超导电缆可以从Superpower公司(美国纽约Schenectady)获得。超导电缆可以使功率损耗减到最小，并且可以减小耦合变换器254和加热器所必需的电缆尺寸。

在某些实施例中，汇流条255A与加热器232A-L的第一端部分耦合在一起，汇流条255B与加热器232A-L的第二端部分耦合在一起。汇流条255A、B将加热器232A-L电气耦合于电缆250、252和变换器254。汇流条255A、B将功率分配给加热器232A-L。在某些实施例中，汇流条255A、B能够携带具有低损耗的强电流。在一些实施例中，汇流条255A、B由超导材料制成，例如在电缆250、252中使用的超导体材料。

如图10和11所示，加热器232A-L与单个变换器254耦合在一起。在某些实施例中，变换器254是随时间变化的电流源。在某些实施例中，变换器254是电隔离的单相变换器。在某些实施例中，变换器254从该变换器的被隔离的次生相向加热器232A-L提供功率。加热器232A-L的第一端部分可以耦合于变换器254的一侧，加热器的第二端部分耦合于变换器的相对一侧。变换器254向加热器232A-L的第一端部分提供大体上通用的电压，向加热器232A-L的第二端部分提供大体上通用的电压。在某些实施例中，变换器254向加热器232A-L的第一端部分施加一电压电势，该电压电势与施加于加热器的第二端部分的电压电势极性相反，幅度基本上相等。例如，在随时间变化的电流(例如AC或调制DC)波形的选定点上，+660V电势可施加于加热器232A-L的第一端部分，-660V电势可施加于加热器的第二端部分。因而，加热器两端部分上的电压与大体上在地电势的平均电压幅度相等，极性相反。

通过向所有加热器232A-L的端部分施加相同的电压电势，沿着加热器的长度产生了沿加热器长度基本上相同的电压电势。图12描绘了烃层中的大体上u形加热器沿竖直平面、例如图10所示的平面A-A的横截面视图。沿着加热器232A的长度在图12中所示的横截面点上的电压电势与图12中所示的加热器232A-L上的相应横截面点上的电压电势基本上相同。在加热器井头之间等间距的管线上，电压电势大约为零。如果需要，其它井，例如生产井或监测井，可以沿这些零电压电势线设置。靠近履盖层设置的生产井206可用来将最初为汽相的地层流体输送至地表。靠近地层的加热部分底部设置的生产井可用来将最初为液相的地层流体输送至地表。

在某些实施例中，加热器232A-L的中点处的电压电势大约为零。通过使沿着加热器232A-L的长度具有同样的电压电势，阻止加热器之间的电流泄漏。因而，在地层中有少量或没有任何电流流动，加热器可以具有如上所述长的长度。与使加热器一端部分接地、一端部分全电势相比，通过使加热器的端部分具有极性相反、基本相等的电压电势，也将施加于加热器的任一端部分上的电压分成两半。施加于加热器的端部分的电压电势的减少(二等分)基本上减少了电流泄漏，减少了绝缘体要求，和/或减少了放电距离，这是因为在加热器的端部分上施加了低电压的对地电势的缘故。

在某些实施例中，大体上竖直的加热器用于向地层提供热量。如上所述的极性相反、基本上相等的电压电势可施加到大体上竖直的加热器的端部分上。图13是耦合于大体上水平井眼的大体上竖直加热器的实施例的侧视图。加热器232A、232B、232C、232D、232E、232F大体上竖直地坐落在烃层246中。加热器232A、232B、232C、232D、232E、232F的第一端部分耦合于地层地表上的汇流条255A。加热器232A、232B、232C、232D、232E、232F的第二端部分耦合于接触部分257中的汇流条255B。

汇流条255B是坐落于接触部分257中的大体上水平井眼内的汇流条。加热器232A、232B、232C、232D、232E、232F的第二端部分通过任何在此所述的方法或任何现有技术中已知的方法耦合于汇流条255B。例如，带有热熔剂粉末的容器耦合于汇流条255B(例如通过将容器焊接或硬钎焊到汇流条上)，加热器232A、232B、232C、232D、232E、232F的端部分放置在容器内部，然后激活热熔剂粉末，以将加热器电气耦合到汇流条上。例如通过将容器放置在汇流条255B中的孔或凹进部分内或者耦合到汇流条外部，然后将容器硬钎焊或焊接到汇流条上，可以将容器耦合到汇流条255B上。

汇流条255A和汇流条255B通过如上所述的电缆250、255耦合到变换器254上。对于如图10和11所述的实施例，变换器254可以向如上所述的汇流条255A和汇流条255B提供电压。例如，变换器254可以向加热器232A-F的第一端部分施加一电压势能，该电压势能与施加于加热器的第二端部分的电压势能极性相反，幅度基本上相等。通过向所有加热器232A-F的端部分施加相同的电压电势，沿着加热器的长度可以产生沿加热器长度基本上相同的电压电势。通过向所有加热器232A-F的端部分施加相同的电压电势，可以阻止加热器之间的电流泄漏和/或电流泄漏至地层。

在某些实施例中，在以较快的速率加热地层的早期加热阶段期间允许一定的电流泄漏至地层内可能是有利的。电流从加热器泄漏至地层内直接地电加热地层。除加热器提供的传导热之外，地层还由直接电加热进行加热。地层(烃层)具有平均至少为10ohm·m的初始电阻。在一些实施例中，地层具有至少为100ohm·m或至少300ohm·m的初始电阻。直接电加热可通过使相反电势施加到烃层中的相邻加热器而实现。电流被允许泄漏到地层中，直到加热器或地层达到选定温度。选定温度可以低于或接近使紧邻一个或多个加热器的水汽化的温度。在水汽化后，烃层基本上与加热器电气隔离，地层的直接加热效率低。在达到选定温度之后，如图10和11所示的方式，施加极性相反、幅度基本相等的电压电势，使相邻加热器沿它们的长度具有相同的电压电势。

通过使如图11所示的一个或多个加热器的极性反向而使电流泄漏到地层中，这样，使第一部位234处的第一组加热器具有正电压电势，使第一部位处的第二组加热器具有负电压电势。位于第一部位234上的第一组加热器(例如，如图11所示的加热器232A、232B、232D、232E、232G、232H、232J、232K)的第一端部分被施加正电压电势，该正电压电势与施加于位于第二部位238上的第一组加热器的第二端部分的负电压电势在幅度上基本上相等。位于第一部位234上的第二组加热器(例如加热器232C、232F、232I、232L)的第一端部分被施加负电压电势，该负电压电势与施加于第一组加热器的第一端部分的正电压电势在幅度上基本上相等。同样，位于第二部位238上的第二组加热器的第二端部分被施加正电压电势，该正电压电势与施加于第一组加热器的第二端部分的负电势在幅度上基本上相等。在达到选定温度之后，两组加热器的第一端部分被施加电压电势，该电压电势与施加于两组加热器的第二端部分的电压势能极性相反，幅度基本上相同。

在某些实施例中，加热元件244暴露于烃层246和来自烃层的流体。因而，加热元件244是“裸金属”或“暴露金属”加热元件。加热元件244可以由在用于热解烃的高温下具有可接受的硫化速度的材料制成。在某些实施例中，加热元件244由在至少一定温度范围(例如530℃至650℃)内硫化速度随温度升高而减少的材料制成，例如410不锈钢。通过使用这样的材料，减少了由于地层中的含硫气体(例如H₂S)引起的腐蚀问题。加热元件244对电腐蚀也可以基本上是惰性的。

在一些实施例中，加热元件244具有薄的电绝缘层，例如氧化铝或热喷镀涂敷的氧化铝。在一些实施例中，薄的电绝缘层是陶瓷组成物的搪瓷涂层。这些搪瓷涂层包括高温瓷制搪瓷，但并不局限于此。高温瓷制搪瓷可以包括二氧化硅、氧化硼、矾土和碱土氧化物(CaO或MgO)，以及微量的碱金属氧化物(Na₂O、K₂O、LiO)。通过将加热元件浸渍到细磨浆内或将细磨浆喷涂到加热元件上，作为细磨泥浆进行搪瓷涂敷。然后在炉中加热涂敷加热元件，直到达到玻璃态转化温度，使该浆遍布加热元件表面，形成搪瓷涂层。当在玻璃态转化温度以下冷却时，搪瓷涂层收缩，这样，使涂层处于压缩。因而，当涂层在加热器运行期间被加热时，涂层能够与加热器一起膨胀，不会产生裂纹。

薄的电绝缘层具有低的热阻抗，允许热量从加热元件传递至地层，同时阻止电流在相邻开口内的加热元件之间泄漏，并防止电流泄漏至地层。在某些实施例中，薄的电绝缘层在至少350℃、500℃以上或800℃以上的温度是稳定的。在某些实施例中，薄的电绝缘层具有至少为0.7、至少0.8或至少0.9的辐射率。使用薄的电绝缘层，可以允许在地层中设置具有低电流泄漏的长的加热器。

在某些实施例中，因为在加热器的外部几乎没有电压电势，所以加热器变得与地层电隔离。图14描绘了大体上u形加热器的实施例，该大体上u形加热器本身与地层电隔离。加热器232具有在地表236的第一开口上的第一端部分和在地表的第二开口上的第二端部分。在一些实施例中，加热器232只具有一个与地表耦合在一起的端部分。

加热器232包括坐落在烃层246中的加热元件244。加热元件244是铁磁管道加热元件或铁磁管状加热元件。在某些实施例中，加热元件244是温度限制加热器管状加热元件。在某些实施例中，加热元件244是含有9％重量比至13％重量比铬的不锈钢管，例如410不锈钢管、T/P91不锈钢管或T/P92不锈钢管。加热元件244与部分240耦合在一起。所述部分240坐落于履盖层242中。所述部分240包括高导电性材料，例如铜或铝。在某些实施例中，所述部分240是碳钢内部的铜履层。

中心导体256位于加热元件244的中心处或中心附近。在一个实施例中，中心导体256是绝缘导体(例如具有铜芯体的矿物绝缘导体、氧化镁绝缘体和不锈钢鞘)。在替换实施例中，中心导体256是通过一个或多个电绝缘定心器与加热元件244分开的导体，这样，加热器成管道内导体构造。定心器可以包括氮化硅或另一种电绝缘材料。

中心导体256在中心导体的端部分与加热元件244电耦合在一起，并且在地表236与加热元件电耦合在一起(如图14所示，通过耦合件258)。中心导体256被用作加热元件244的返回导体，以便中心导体中的电流沿与加热元件中电流相反的方向流动。在加热元件中的铁磁材料的居里温度以下，由中心导体256中电流流动产生的磁场大体上将电子流动和热量产生约束在加热元件244的内部。因而，加热元件244的外部基本上处于零电势，加热元件与地层和任何相联加热器或加热元件电隔离。在一些实施例中，流体，例如二氧化碳或另一种具有高热容量的流体，流过加热元件244，以预热地层和/或从加热元件回收热量。

在某些实施例中，贯穿履盖层延伸的井眼部分包括壳体。壳体可包括阻止壳体中的感应效应的材料。通过阻止壳体中的感应效应，可以阻止壳体中感应电流的产生和/或减少向履盖层的热量损失。在一些实施例中，履盖层壳体可以包括非金属材料，例如玻璃纤维、聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)或高密度聚乙烯(HDPE)。工作温度在使用范围内的HDPE包括可从Dow Chemical公司(美国Michigan，Midland)获得的HDPE。在一些实施例中，履盖层壳体可以包括非磁性金属，例如铝，或者包括非磁性合金，例如具有至少10％锰的锰钢、带有至少18％铝的铁铝合金或诸如304不锈钢或316不锈钢的奥氏体不锈钢。在一些实施例中，履盖层壳体可以包括在内径上耦合于高导电非铁磁金属(例如铜或铝)以阻止感应效应或集肤效应的碳钢或其它铁磁材料。

在某些实施例中，用于井眼的井头可以由一个或多个非铁磁材料制成。井头可以包括玻璃纤维、PVC、CPVC、HDPE和/或非磁性合金或金属。通过在井头使用非铁磁材料，可以阻止对井头中部件的不期望的加热。用于井头的铁磁材料与井头的其它部件电绝缘和/或热绝缘。在一些实施例中，一惰性气体(例如氮气或氩气)被吹到(purged)井头和/或壳体内部，以阻止被加热的气体回流到井头和/或壳体内。

在一些实施例中，两个或更多的大体上水平的井眼从自地层地表的第一部位向下钻孔的第一大体上竖直井眼分支出来。贯穿烃层，大体上水平的井眼基本上是平行的。大体上水平的井眼在自地层地表的第二部位向下钻孔的第二大体上竖直井眼处重新连接在一起。通过使多个井眼从单个自地表向下钻孔的大体上竖直井眼分支出来，减少了地层地表上形成的开口数量。

鉴于该描述，本发明各个方面的进一步改进和替换实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，该描述只是解释性的，其目的是用来教导本领域技术人员执行本发明的一般方式。应当理解，这里所示的和所描述的本发明的这些形式作为目前优选的实施例。元件和材料可以用这里所示的以及所描述的这些来替换，零件和流程可以颠倒，本发明的某些特征可以独立使用，在阅读了本发明的说明书之后，所有这些对本领域技术人员来说都是显而易见的。在没有脱离下列权利要求书中所述的本发明的精神和范围的情况下，可以对在此所述的元件进行改变。另外，应当理解，在此独立地描述的特征在某些实施例中可以结合起来。