Нагреватель с ограничением температуры, в котором используется фазовое преобразование ферромагнитного материала - RU2618240C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Правительство США имеет определенные права на это изобретение в соответствии с соглашением №ERD-05-2516 между UT-Battelle LLC, работающей по генеральному контракту №DE-ACO5-00OR22725 для Министерства энергетики, и Shell Exploration and Production Company.

Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится в основном к нагревателям со свойствами ограничения температуры. Конкретные варианты осуществления относятся к нагревателям, используемым при обработке подземных пластов, таких, как углеводородсодержащие пласты, для добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из пласта.

Уровень техники

Углеводороды, получаемые из подземных пластов, часто используются в качестве энергетических ресурсов, в качестве исходного сырья и в качестве потребительских продуктов. Беспокойство по поводу истощения имеющихся углеводородных ресурсов и беспокойство по поводу снижения качества добываемых углеводородов в целом привело к разработке процессов более эффективного извлечения, обработки и/или использования имеющихся углеводородных ресурсов. Для удаления углеводородных материалов из подземных пластов можно использовать процессы, проводимые in situ. Для обеспечения облегченного удаления углеводородного материала из подземного пласта может потребоваться изменение химических и/или физических свойств углеводородного материала в подземном пласте. Химические и физические изменения могут включать в себя реакции in situ, которые дают удаляемые флюиды, изменения композиций, изменения растворимости, изменения плотности, фазовые изменения и/или изменения скорости углеводородного материала в пласте. Флюиды могут быть, но не в ограничительном смысле, газом, жидкостью, эмульсией, суспензией и/или потоком твердых частиц, которые имеют характеристики течения, аналогичные течению жидкости.

Нагреватели могут быть установлены в стволах скважин для нагрева пласта во время проведения процесса in situ. Примеры процессов, проводимых in situ, проиллюстрированы в патентах США №№2634961 (Ljungstrom), 2732195 (Ljungstrom), 2780450 (Ljungstrom), 2789805 (Ljungstrom), 2923535 (Ljungstrom) и 4886118 (Van Meurs и др.).

Нагрев пластов горючих сланцев описан в патентах США №№2923535 (Ljungstrom) и 4886118 (Van Meurs и др.). К пласту горючих сланцев можно прикладывать нагрев, чтобы провести пиролиз керогена в пласте. Нагрев может также приводить к разрыву пласта, увеличивая проницаемость пласта. Повышенная проницаемость может обеспечить движение флюидов пласта в эксплуатационную скважину, по которой флюиды удаляются из пласта горючих сланцев. Например, в некоторых процессах, которые описал Ljungstrom, кислородсодержащую газовую среду вводят в проницаемый слой, предпочтительно еще горячий после стадии предварительного нагрева, чтобы инициировать сгорание.

Для нагрева подземного пласта можно использовать источник тепла. Для нагрева подземного пласта посредством излучения и/или проводимости, можно использовать электрические нагреватели. Электрический нагреватель может осуществлять резистивный нагрев элемента. В патенте США №2548360 (Germain) описан электрический нагревательный элемент, помещенный в вязкую нефть в стволе скважины. Этот нагревательный элемент нагревает нефть и делает ее более жидкой, обеспечивая выкачивание нефти из скважины. В патенте США №4716960 (Eastlund и др.) описана электрическая нагревательная труба нефтяной скважины, работающая за счет пропускания по этой трубе тока относительно низкого напряжения для предотвращения образования твердых частиц. В патенте США №5065818 (Van Egmond) описан электрический нагревательный элемент, который зацементирован в ствол скважины без кожуха, окружающего этот нагревательный элемент.

В патенте США №6023554 (Vinegar и др.) описан электрический нагревательный элемент, который расположен в обсадной трубе. Этот нагревательный элемент генерирует излучаемую энергию, которая нагревает обсадную трубу. Между обсадной трубой и пластом можно поместить гранулированный твердый наполнитель. Обсадная труба может нагревать наполнитель за счет теплопроводности, а он, в свою очередь, нагревает пласт за счет теплопроводности.

Некоторые нагреватели могут выходить из строя или отказывать из-за «горячих пятен» в пласте. Если температура вдоль любой точки нагревателя превышает или почти превышает максимальную рабочую температуру нагревателя, может потребоваться уменьшение мощности, подаваемой на весь нагреватель в целом, чтобы избежать отказа нагревателя и/или перегрева пласта в «горячих пятнах» в пласте или около них. Некоторые нагреватели не могут обеспечить равномерный нагрев вдоль длины нагревателя до тех пор, пока нагреватель не достигнет определенного предела температуры. Некоторые нагреватели не нагревают подземный пласт эффективно.

Поэтому выгодно иметь нагреватель, который обеспечивает равномерный нагрев вдоль длины нагревателя, нагревает поверхностный пласт эффективно, обеспечивает автоматическую коррекций температуры, когда участок пласта достигает выбранной температуры, и/или обладает, по существу линейными магнитными свойствами и большим коэффициентом мощности при температуре ниже выбранной температуры. Может оказаться выгодным использование нагревателей, которые ограничивают температуру на уровне температуры Кюри ферромагнитного материала в нагревателе или близком к этой температуре и/или на уровне, находящемся в пределах диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного материала или близком к этому диапазону. Использование температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного материала увеличивает диапазон металлургических композиций, которые можно использовать в нагревателях с ограничением температуры.

Сущность изобретения

Варианты осуществления, описываемые здесь, относятся в основном к системам, способам и нагревателям для обработки подземного пласта. Варианты осуществления, описываемые здесь, также относятся в основном к нагревателям, которые содержат новые композиции. Такие нагреватели можно получать путем использования систем и способов, описываемых в данной заявке.

В определенных вариантах осуществления, изобретение обеспечивает одну или более (один или более) систем, способов и/или нагревателей. В некоторых вариантах осуществления системы, способы и/или нагреватели используются для обработки подземного пласта.

В определенных вариантах осуществления, изобретение обеспечивает нагреватель, содержащий ферромагнитный проводник и электрический проводник, электрически соединенный с ферромагнитным проводником, причем конфигурация нагревателя обеспечивает первое количество тепла при более низкой температуре и конфигурация нагревателя обеспечивает второе, уменьшенное количество тепла, когда нагреватель достигает выбранной температуры или входит в диапазон выбранной температуры, при которой ферромагнитный проводник претерпевает фазовое превращение.

В дополнительных вариантах осуществления признаки из конкретных вариантов осуществления могут быть объединены с признаками из других вариантов осуществления. Например, признаки из одного варианта осуществления могут быть объединены с признаками любого из других вариантов осуществления.

В дополнительных вариантах осуществления, обработка подземного пласта осуществляется с использованием любого из способов, систем или нагревателей, описываемых здесь.

В дополнительных вариантах осуществления возможно внесение дополнительных признаков в описываемые здесь конкретные варианты осуществления.

Краткое описание чертежей

Преимущества настоящего изобретения могут стать очевидными для специалистов в данной области техники, ознакомившихся с нижеследующим подробным описанием, приводимым со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:

на фиг.1 изображена иллюстрация стадий нагрева углеводородсодержащего пласта;

на фиг.2 показано схематическое изображение варианта осуществления участка системы термической обработки in situ, предназначенной для обработки углеводородсодержащего пласта;

на фиг.3, 4 и 5 показаны изображения сечений варианта осуществления нагревателя с ограничением температуры и с внешним проводником, имеющим ферромагнитную секцию и неферромагнитную секцию;

на фиг.6, 7, 8 и 9 показаны изображения сечений варианта осуществления нагревателя с ограничением температуры и с внешним проводником, имеющим ферромагнитную секцию и неферромагнитную секцию, расположенные внутри оболочки;

на фиг.10 изображен вариант осуществления нагревателя с ограничением температуры, в котором опорный элемент обеспечивает большую часть отводимого тепла при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника;

на фиг.11 и 12 изображены варианты осуществления нагревателей с ограничением температуры, в каждом из которых рубашка обеспечивает большую часть отводимого тепла при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника;

на фиг.13 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для сплава железа ТС3;

на фиг.14 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для сплава железа FM-4;

на фиг.15 изображены температура Кюри и диапазон температуры фазового превращения для нескольких сплавов железа;

на фиг.16 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железокобальтового сплава с 5,63 масс.% кобальта и 0,4 масс.% марганца;

на фиг.17 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железокобальтового сплава с 5,63 масс.% кобальта, 0,4 масс.% марганца и 0,01% углерода;

на фиг.18 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железокобальтового сплава с 5,63 масс.% кобальта, 0,4 масс.% марганца и 0,085% углерода;

на фиг.19 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железокобальтового сплава с 5,63 масс.% кобальта, 0,4 масс.% марганца, 0,085% углерода и 0,4% титана;

на фиг.20 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железохромовых сплавов, имеющих 12,25 масс.% хрома, 0,01% углерода, 0,5 масс.% марганца и 0,5 масс.% кремния.

Хотя в изобретение можно внести модификации и воплотить его в альтернативных формах, конкретные варианты его осуществления показаны в качестве примера на чертежах и могут быть подробно описаны ниже. Чертежи могут быть выполнены не в масштабе. Вместе с тем, следует понять, что чертежи и их подробное описание не предназначено для ограничения изобретения описываемой конкретной формой, а наоборот, нужно считать изобретение охватывающим все модификации, эквиваленты и альтернативы, находящиеся в рамках существа и объема притязаний настоящего изобретения, ограничиваемых прилагаемой формулой изобретения.

Осуществление изобретения

Нижеследующее описание относится в основном к системам и способам обработки углеводородов в пластах. Такие пласты можно обрабатывать для получения углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.

Термин «переменный ток (ПТ)» относится к изменяющемуся во времени току, который меняет направление, по существу, синусоидально. ПТ обеспечивает поток электрических зарядов при наличии скин-эффекта в ферромагнитном проводнике.

В контексте нагревательных систем со сниженным отводимым теплом, а также соответствующих устройств и способов, термин «автоматически» означает, что такие системы, устройства и способы функционируют без использования внешнего управления (например, внешних контроллеров, таких, как контроллер с датчиком температуры и контуром обратной связи, пропорционально-интегрально-дифференциальньш (ПИД) контроллер или контроллер с предсказанием).

«Температура Кюри» - это температура, выше которой ферромагнитный материал теряет все свои ферромагнитные свойства. Помимо потери всех своих ферромагнитных свойств при температуре выше температуры Кюри, ферромагнитный материал начинает утрачивать свои ферромагнитные свойства, когда через этот ферромагнитный материал пропускается возрастающий электрический ток.

Термин «пласт» включает в себя один или более углеводородных слоев, один или более водородных слоев, покрывающие породы и/или нижележащие породы. «Углеводородные слои» относятся к слоям в пласте, которые содержат углеводороды. Углеводородные слои могут содержать не углеводородный материал и углеводородный материал. Термины «покрывающие породы» и/или «нижележащие породы», включают в себя один или более разных типов непроницаемых материалов. Например, покрывающие породы и/или нижележащие породы могут включать в себя скальную породу, сланец, аргиллит или влажный/плотный карбонат. В некоторых вариантах осуществления процессов термической обработки in situ покрывающие породы и/или нижележащие породы могут включать в себя углеводородсодержащие слои, которые относительно непроницаемы и не подвержены воздействию температур во время процессов термической обработки in situ, что приводит к изменениям важных характеристик углеводородсодержащих слоев покрывающих пород и/или нижележащих пород. Например, нижележащая порода может содержать сланец или аргиллит, но не может обеспечивать нагрев до температур пиролиза во время процесса термообработки in situ. В некоторых случаях покрывающая порода может содержать сланец или аргиллит, и/или нижележащая порода может быть в некоторой степени проницаемой.

Термин «флюиды пласта» относится к флюидам, присутствующим в пласте и может включать в себя флюиды пиролизации, синтез-газ, мобилизованный углеводород и воду (водяной пар). Флюиды пласта могут включать в себя углеводородные флюиды, а также не углеводородные флюиды. Термин «мобилизованный флюид» относится к флюидам в углеводородсодержащем пласте, которые оказываются способными течь в результате термической обработки пласта. Термин «добываемые флюиды» относится к флюидам, добываемым из пласта.

«Источник тепла» - это любая система для обеспечения нагрева, по меньшей мере, участка пласта посредством теплопередачи за счет теплопроводности и/или излучения тепла. Например, источник тепла может включать в себя электрические нагреватели, такие, как изолированный проводник, удлиненный элемент и/или проводник, расположенный в трубе. Источник тепла может также включать в себя системы, которые генерируют тепло за счет сгорания топлива снаружи или внутри пласта. Эти системы могут быть поверхностными нагревателями, скважинными газовыми горелками, камерами беспламенного сгорания с распределенными параметрами и камерами естественного сгорания с распределенными параметрами. В некоторых вариантах осуществления, тепло, обеспечиваемое в одном или более источников тепла или генерируемое в нем или в них, можно подводить посредством других источников энергии. Другие источники энергии могут обеспечивать прямой нагрев пласта, или энергия может подаваться в передающую среду, которая обеспечивает прямой или косвенный нагрев пласта. Следует понимать, что один или более источников тепла, которые подают тепло в пласт, могут использовать разные источники энергии. Так, например, для данного пласта некоторые источники тепла могут подавать тепло из электрических резистивных нагревателей, некоторые источники тепла могут подводить тепло сгорания, а некоторые источники тепла могут подводить тепло еще одного или нескольких других источников энергии (например, химических реакций, солнечной энергии, энергии ветра, биомассы или других источников возобновляемой энергии). Химическая реакция может включать в себя экзотермическую реакцию (например, реакцию окисления). Источник тепла может также включать в себя нагреватель, который подводит тепло в зону, расположенную вблизи или вокруг места нагрева, такую, как скважина, в которой находится нагреватель.

«Нагреватель» - это любая система или любой источник тепла в скважине или области около ствола скважины. Нагреватели могут быть, но не в ограничительном смысле, электрическими нагревателями, горелками, камерами сгорания, которые реагируют с материалом, находящемся в пласте или добываемом из него, и/или их комбинациями.

«Углеводороды» в общем случае определяются как вещества, молекулы которых образованы в основном атомами углерода и водорода. Углеводороды также могут включать в себя другие элементы, такие, как, но не в ограничительном смысле, галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или сера. Углеводороды могут быть, но не в ограничительном смысле, керогеном, битумом, пиробитумом, разновидностями нефти, природными минеральными парафинами и асфальтитами. Углеводороды могут находиться в матрицах минералов или рядом с этими матрицами в почве. Матрицы могут включать в себя, но не в ограничительном смысле, осадочную породу, пески, силицилиты, карбонаты, диатомиты и другие пористые среды. «Углеводородные флюиды» - это флюиды, которые включают в себя углеводороды. Углеводородные флюиды могут увлекать с собой не углеводородные флюиды или их могут увлекать с собой не углеводородные флюиды, такие, как водород, азот, монооксид углерода, диоксид углерода, сульфид водорода, вода и аммиак.

Термин «процесс конверсии in situ» относится к процессу нагрева углеводородсодержащего пласта с помощью источников тепла для подъема температуры, по меньшей мере, участка пласта выше температуры пиролиза, вследствие чего в пласте образуется флюид пиролизации.

Термин «процесс термической обработки in situ» относится к процессу нагрева углеводородсодержащего пласта с помощью источников тепла для подъема температуры, по меньшей мере, участка пласта выше температуры, что приводит к мобилизованному флюиду, легкому крекингу и/или пиролизу углеводородсодержащего материала, и поэтому в пласте происходит образование мобилизованного флюида, флюидов легкого крекинга и/или флюида пиролизации.

Термин «изолированный проводник» относится к удлиненному материалу, который способен проводить электричество и который покрыт, полностью или частично, электроизолирующим материалом.

«Пиролиз» - это разрыв химических связей вследствие нагрева. Например, пиролиз может включать в себя превращение соединения в одно или более других веществ только за счет тепла. Чтобы вызвать пиролиз, можно передавать тепло в секцию пласта.

Термин «флюиды» или «продукты пиролиза» относится к флюидам, получающимся, по существу, во время пиролиза углеводородов. Флюиды, получаемые посредством реакций пиролиза, могут быть смешаны с другими флюидами в пласте. Эту смесь и следует рассматривать как флюид пиролизации или продукт пиролиза. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «зона пиролиза» относится к объему пласта (например, относительно проницаемого пласта, такого, как пласт битуминозных песков), который вступает в реакцию или реагирует, образуя флюид пиролизации.

Термин «изменяющийся во времени ток» относится к электрическому току, который обеспечивает поток электрических зарядов при наличии скин-эффекта в ферромагнитном проводнике и имеет амплитуду, которая изменяется со временем. Измеряющийся во времени ток включает в себя переменный ток (ПТ) и модулированный постоянный ток (ПоТ).

«Соотношение пределов диапазона изменения параметров» - это соотношение наибольшего сопротивления по переменному току или модулированному постоянному току при температуре ниже температуры Кюри и наименьшего сопротивления при температуре выше температуры Кюри для заданного тока.

Термин «ствол скважины» относится к скважине в пласте, созданной посредством бурения или введения трубы в пласт. Ствол скважины может иметь, по существу, круглое поперечное сечение или другую форму поперечного сечения. В том смысле, в каком они употребляются здесь, термины «скважина» и «отверстие», когда они употребляются применительно к отверстию в пласте, можно использовать взаимозаменяемо с термином «ствол скважины».

Углеводороды в пластах можно обрабатывать различными способами для получения разных продуктов. В определенных вариантах осуществления, углеводороды в пластах обрабатываются постадийно. На фиг.1 изображены стадии нагрева углеводородсодержащего пласта. На фиг.1 также изображен пример выхода («Y») в баррелях нефтяного эквивалента на тонну (ось «у») пластовых флюидов их пласта в зависимости от температуры («Т») нагретого пласта в градусах Цельсия (ось «х»).

Во время нагрева на стадии 1 происходит десорбция метана и испарение воды. Посредством стадии 1 можно проводить быстрый нагрев пласта. Например, когда углеводородсодержащий пласт подвергают начальному нагреву, углеводороды в пласте десорбируют абсорбированный метан. Десорбированный метан можно добывать из пласта. Если углеводородсодержащий пласт продолжают нагревать, то в углеводородсодержащем пласте испаряется вода. В некоторых углеводородсодержащих пластах вода может занимать от 10% до 50% объема пор в пласте. В других пластах вода занимает большие или меньшие доли объема пор. Вода, как правило, испаряется в пласте между 160°С и 285°С при абсолютных давлениях от 600 кПа до 7000 кПа. В некоторых вариантах осуществления, испаренная вода дает изменения смачиваемости в пласте и/или повышенное пластовое давление. Изменения смачиваемости в пласте и/или повышенное пластовое давление могут влиять на реакции пиролиза или другие реакции в пласте. В определенных вариантах осуществления испаренную воду удаляют из пласта. В других вариантах осуществления испаренную воду используют для экстракции водяным паром и/или дистилляции в пласте или снаружи пласта. Удаление воды из пласта и увеличение объема пор в пласте увеличивают пространство для накопления углеводородов в объеме пор.

В определенных вариантах осуществления, после нагрева на стадии 1 пласт дополнительно нагревают, вследствие чего температура в пласте достигает (по меньшей мере) начальной температуры пиролизации (такой, как температура нижней точки диапазона температур, показанного в качестве стадии 2). Диапазон температур пиролиза изменяется в зависимости от типов углеводородов в пласте. Диапазон температур пиролиза может включать в себя температуры между 250°С и 900°С. Диапазон температур пиролиза для добычи желаемых продуктов может занимать лишь часть полного диапазона температур пиролиза. В некоторых вариантах осуществления, диапазон температур пиролиза для получение желаемых продуктов может включать в себя температуры между 250°С и 400°С или температуры между 270°С и 350°С. Если температура углеводородов в пласте медленно поднимается в диапазоне температур от 250°С до 400°С, получение продуктов пиролиза может, по существу, завершиться, когда температура достигает 400°С. Для получения желаемых продуктов, среднюю температуру углеводородов можно поднимать в диапазоне температур пиролиза со скоростью менее 5°С в сутки, менее 2°С в сутки, менее 1°С или менее 0,5°С в сутки. Нагрев углеводородсодержащего пласта с помощью множества источником тепла может обеспечить установление температурных градиентов около источников тепла, которые медленно поднимают температуру углеводородов в пласте в диапазоне температур пиролиза.

Скорость увеличения температуры в диапазоне температур пиролиза для желаемых продуктов может влиять на качество и количество пластовых флюидов, добываемых из углеводородсодержащего пласта. Медленный рост температуры в диапазоне температур пиролиза для желаемых продуктов может препятствовать мобилизации молекул с большой цепью в пласте. Медленный рост температуры в диапазоне температур пиролиза для желаемых продуктов может ограничить реакции между мобилизованными углеводородами, которые дают нежелательные продукты. Медленный рост температуры пласта в диапазоне температур пиролиза для желаемых продуктов может обеспечить добычу высококачественных углеводородов большой плотности, выражаемой в градусах Американского нефтяного института (API), из пласта. Медленный рост температуры пласта в диапазоне температур пиролиза для желаемых продуктов может обеспечить извлечение углеводородов, присутствующих в пласте, в качестве углеводородного продукта.

В некоторых вариантах осуществления обработки in situ, участок пласта нагревают до желаемой температуры вместо медленного повышения температуры в диапазоне температур. В некоторых вариантах осуществления, желаемая температура составляет 300°С, 325°С или 350°С. В качестве желаемой температуры можно выбрать и другие температуры. Суперпозиция тепла из нескольких источников тепла обеспечивает относительно быстрое и эффективное установление желаемой температуры в пласте. Энергию, вводимую в пласт из источников тепла, можно регулировать для поддержания температуры в пласте, по существу, на уровне желаемой температуры. Нагретый участок пласта поддерживают, по существу, на уровне желаемой температуры до тех пор, пока не прекратится пиролиз, вследствие чего добыча желаемых пластовых флюидов из пласта становится неэкономичной. Части пласта, которые подвергаются пиролизу, могут включать в себя области, нагретые до температур пиролиза посредством теплопередачи лишь от одного источника тепла.

В определенных вариантах осуществления, из пласта добывают пластовые флюиды, включающие в себя флюиды пиролизации. Когда температура пласта увеличивается, количество конденсируемых углеводородов в добываемом пластовом флюиде может уменьшаться. При высоких температурах пласт может давать главным образом метан и/или водород. Если углеводородсодержащий пласт нагревают по всему диапазону пиролиза в целом, этот пласт может давать лишь малые количества водорода вблизи верхнего предела диапазона пиролиза. После расходования всего имеющегося водорода обычно будет иметь место минимальный объем добычи флюида из пласта.

После пиролиза углеводородов, в пласте может по-прежнему присутствовать большое количество углерода и некоторое количество водорода. Значительную часть углерода, остающегося в пласте, можно добыть из пласта в форме синтез-газа. Генерирование синтез-газа может иметь место во время нагрева на стадии 3, изображенной на фиг.1. Стадия 3 может включать в себя нагрев углеводородсодержащего пласта до температуры, достаточной для генерирования синтез-газа. Например, синтез-газ можно получать в диапазоне температур от примерно 400°С до примерно 1200°С, от примерно 500°С до примерно 1100°С, или от примерно 550°С до примерно 1000°С. Температура нагретого участка пласта при введении в пласт флюида, генерирующего синтез-газ, определяет композицию синтез-газа, получаемого в пласте. Генерируемый синтез-газ можно извлекать из пласта по эксплуатационной скважине или эксплуатационным скважинам.

Суммарный запас энергии флюидов, добываемых их углеводородсодержащего пласта, может оставаться относительно постоянным на всем протяжении пиролиза и генерирования синтез-газа. Во время пиролиза при относительно низких пластовых температурах, значительная часть добываемых флюидов может представлять собой конденсируемые углеводороды, которые обладают большим запасом энергии. Вместе тем, при более высоких температурах пиролиза меньшая часть пластовых флюидов может включать в себя конденсируемые углеводороды. Тогда из пласта можно добывать больше неконденсируемых пластовых флюидов. Запас энергии на единицу объема добываемых флюидов может немного снизиться во время генерирования главным образом неконденсируемых пластовых флюидов. Во время генерирования синтез-газа, запас энергии на единицу объема получаемого синтез-газа значительно снижается по сравнению с запасом энергии флюидов пиролизации. Вместе с тем, объем получаемого синтез-газа будет во многих случаях существенно увеличиваться, тем самым компенсируя уменьшенный запас энергии.

На фиг.2 показано схематическое изображение варианта осуществления участка системы термической обработки in situ, предназначенной для обработки углеводородсодержащего пласта. Система обработки in situ может включать в себя барьерные скважины 200. Барьерные скважины используются для образования барьера вокруг зоны обработки. Барьер препятствует протеканию флюида в зону обработки и из нее. Барьерные скважины включают в себя, но не в ограничительном смысле, водопонижающие скважины, вакуумные скважины, улавливающие скважины, нагнетательные скважины, цементировочные скважины, замороженные скважины или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления барьерные скважины 200 являются водопонижающими скважинами. Водопонижающие скважины могут удалять воду из участка пласта, подлежащего нагреву, или нагреваемого пласта, и/или препятствовать попаданию воды в жидком виде на такой участок или в такой пласт.В варианте осуществления, изображенном на фиг.2, барьерные скважины 200 показаны проходящими только вдоль одной стороны источников 202 тепла, но в типичном случае барьерные скважины окружают все источники 202 тепла или должны использоваться для нагрева зоны обработки пласта.

Источники 202 тепла находятся, по меньшей мере, на участке пласта. Источники 202 тепла могут включать в себя нагреватели, такие, как изолированные проводники, поверхностные горелки, камеры беспламенного сгорания с распределенными параметрами и/или камеры естественного сгорания с распределенными параметрами. Источники 202 тепла подводят тепло, по меньшей мере, к участку пласта для нагрева углеводородов в пласте. Энергию в источники 202 тепла можно подавать по линиям 204 питания. Линии 204 питания могут быть конструктивно разными в зависимости от типа источника тепла или источников тепла, используемого или используемых для нагрева пласта. Линии 204 питания для источников тепла могут передавать электричество для электрических нагревателей, могут транспортировать топливо для камер сгорания или могут транспортировать теплообменную текучую среду, которая циркулирует в пласте. В некоторых вариантах осуществления, электричество для процесса термической обработки in situ можно обеспечивать посредством атомной электростанции или атомных электростанций. Использование атомной энергии может обеспечить уменьшение или исключение выбросов диоксида углерода, обусловленных процессом термической обработки in situ.

Эксплуатационные скважины 206 используются для удаления пластового флюида из пласта. В некоторых вариантах осуществления, эксплуатационная скважина 206 включает в себя источник тепла. Источник тепла в эксплуатационной скважине может нагревать один или несколько участков пласта в эксплуатационной скважине или около нее. В некоторых вариантах осуществления процесса термической обработки in situ количество тепла, подводимого к пласту из эксплуатационной скважины, приходящееся на метр эксплуатационной скважины, меньше, чем количество тепла, подаваемого в пласт из источника тепла, который нагревает пласт, приходящееся на метр источника тепла. Тепло, подаваемое в скважину, может увеличивать проницаемость пласта рядом с эксплуатационной скважиной путем испарения и удаления флюида в жидкой фазе рядом с эксплуатационной скважиной и/или путем увеличения проницаемости пласта рядом с эксплуатационной скважиной за счет формирования макро- и/или микроразрывов.

В некоторых вариантах осуществления, источник тепла в эксплуатационной скважине 206 обеспечивает удаление паровой фазы пластовых флюидов из пласта. Обеспечение нагрева в эксплуатационной скважине или посредством нее может: (1) препятствовать конденсации и/или обратному течению добываемого флюида, когда добываемый флюид движется в эксплуатационной скважине вблизи покрывающих пород, добыча из которой экономически выгодна; (2) увеличивать тепло, вводимое в пласт; (3) увеличивать темп добычи из эксплуатационной скважины по сравнению с эксплуатационной скважиной без источника тепла; (4) препятствовать конденсации соединений с большим углеродным числом (С₆ и более) в эксплуатационной скважине; и/или (5) увеличивать проницаемость пласта в эксплуатационной скважине или вблизи нее.

Подземное давление в пласте может соответствовать давлению флюидов, создаваемому в пласте. Когда температуры на нагреваемом участке пласта увеличиваются, давление на нагреваемом участке может увеличиваться в результате интенсифицированного образования флюидов и испарения воды. Управление скоростью флюидов среды может обеспечить управление давлением в пласте. Давление в пласте можно определять в ряде разных мест, таких, как около эксплуатационных скважин или вблизи них, около источников тепла или в них, либо в контрольных скважинах.

В некоторых углеводородсодержащих пластах добыча углеводородов из пласта задерживается до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторые углеводороды в пласте не окажутся пиролизованными. Пластовые флюиды можно добывать из пласта, когда эти пластовые флюиды имеют выбранное качество. В некоторых вариантах осуществления, выбранное качество включает в себя плотность, составляющую, по меньшей мере, 20°, 30° или 40° API. Задержка добычи до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторые углеводороды в пласте не окажутся пиролизованными, может увеличивать конверсию тяжелых углеводородов в легкие углеводороды. Начальная задержка добычи может минимизировать добычу тяжелых углеводородов из пласта. Добыча существенных количеств тяжелых углеводородов может потребовать наличия дорогостоящего оборудования и/или вызвать снижение строка службы эксплуатационного оборудования.

После достижения температур пиролиза и обеспечения добычи из пласта, давление в пласте можно изменять для изменения композиции добываемого пластового флюида и/или управления ею с целью регулирования процентной доли конденсируемого флюида по сравнению с неконденсируемым флюидом в пластовом флюиде и/или регулирования выражаемой в градусах API плотностью добываемого пластового флюида. Например, уменьшение давления может привести к большей составляющей конденсируемого флюида. Составляющая конденсируемого флюида может содержать повышенную процентную долю олефинов.

В некоторых вариантах осуществления процессов термической обработки in situ, давление в пласте можно поддерживать достаточно высоким, чтобы способствовать добыче пластового флюида с плотностью более 20° API. Поддержание повышенного давления может препятствовать оседанию пласта во время термической обработки in situ. Получение паровой фазы может обеспечить снижение габаритов коллекторных трубопроводов, используемых для транспортировки флюидов, добываемых из пласта. Поддержание повышенного давления может уменьшить или исключить потребность в сжатии пластовых флюидов на поверхности для транспортировки этих флюидов в коллекторных трубопроводах к оборудованию для обработки.

Поддержание повышенного давления на нагретом участке пласта может неожиданно обеспечить добычу больших количеств углеводородов повышенного качества и относительно малой молекулярной массы. Давление можно поддерживать таким образом, что добываемый флюид будет иметь минимальное количество соединений, в которых углеродное число превышает выбранное. Выбранное углеродное число может составлять, по большей мере, 25, по большей мере, 20, по большей мере, 12 или, по большей мере, 8. Некоторые соединения с большим углеродным числом могут быть вовлечены в пар в пласте и могут быть извлечены из пласта с этим паром. Поддержание повышенного давления в пласте может препятствовать вовлечению соединений с большим углеродным числом в пар. Соединения с большим углеродным числом и/или полициклические углеводородные соединения могут оставаться в жидкой фазе в пласте в течение значительных периодов времени. Значительные периоды времени могут обеспечивать достаточное время для пиролиза соединений с образованием соединений, имеющих меньшее углеродное число.

Пластовые флюиды, добываемые из эксплуатационных скважин 206, можно транспортировать по коллекторным трубопроводам 208 к оборудованию 210 для обработки. Пластовые флюиды также можно получать из источников 202 тепла. Например, флюиды можно получать из источников 202 тепла для управления давлением в пласте радом с источниками тепла. Флюиды, получаемые из источников 202 тепла, можно транспортировать по трубам или трубопроводам в коллекторный трубопровод 208, либо получаемые флюиды можно транспортировать по трубам или трубопроводам непосредственно к оборудованию 210 для обработки. Оборудование 210 для обработки может включать в себя разделительные агрегаты, реакционные агрегаты, агрегаты, повышающие качество, топливные элементы, турбины, резервуары и/или другие системы и агрегаты для обработки добываемых флюидов. Оборудование для обработки может обеспечивать получение транспортного топлива, по меньшей мере, из части углеводородов, добываемых из пласта. В некоторых вариантах осуществления, транспортное топливо может быть топливом для реактивных двигателей, таким, как JP-8.

Нагреватели с ограничением температуры могут быть выполнены в таких конфигурациях и/или могут включать в себя такие материалы, которые обеспечивают свойства автоматического ограничения температуры для нагревателя при определенных температурах. В определенных вариантах осуществления, в нагревателях с ограничением температуры используются ферромагнитные материалы. Ферромагнитный материал может обладать свойством самоограничения температуры на уровне температуры Кюри материала или около этого уровня и/или может иметь диапазон температуры фазового превращения, обеспечивающий уменьшенное количество тепла, когда к материалу прикладывают изменяющийся во времени ток. В некоторых вариантах осуществления, ферромагнитный материал обладает свойством самоограничения температуры нагревателя с ограничением температуры на уровне выбранной температуры, которая приблизительно соответствует температуре Кюри и/или находится в диапазоне температуры фазового превращения. В определенных вариантах осуществления, выбранная температура находится в пределах примерно 35°С, в пределах примерно 25°С, в пределах примерно 20°С или в пределах примерно 10°С от температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения. В определенных вариантах осуществления, ферромагнитные материалы соединены с другими материалами (например, материалами с высокой проводимостью, высокопрочными материалами, коррозионно-стойкими материалами или их комбинациями) для обеспечения различных электрических и/или механических свойств. Некоторые части нагревателя с ограничением температуры могут иметь меньшее электрическое сопротивление (обусловленное разными геометриями и/или использованием разных ферромагнитных и/или неферромагнитных материалов), чем другие части нагревателя с ограничением температуры. Наличие частей нагревателя с ограничением температуры с разными материалами и/или размерами обеспечивает адаптацию к желаемому теплу, отводимому из каждой части нагревателя.

Нагреватели с ограничением температуры могут оказаться надежнее, чем другие нагреватели. Нагреватели с ограничением температуры могут быть менее подверженными выходу из строя или отказу из-за «горячих пятен» в пласте. В некоторых вариантах осуществления, нагреватели с ограничением температуры обеспечивают, по существу, равномерный нагрев пласта. В некоторых вариантах осуществления, нагреватели с ограничением температуры способны нагревать пласт эффективнее за счет работы при большем среднем отводимом тепле по всей длине нагревателя. Нагреватель с ограничением температуры работает при большем среднем отводимом тепле по всей длине нагревателя, потому что не нужно уменьшать мощность, подводимую к нагревателю, для всего нагревателя в целом, как в случае с типичными нагревателями постоянной мощности, если температура в любой точке нагревателя превышает или почти превышает максимальную рабочую температуру нагревателя. Тепло, отводимое с участков нагревателя с ограничением температуры, достигающего температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения нагревателя, автоматически уменьшается без управляемого регулирования изменяющегося во времени тока, подаваемого в нагреватель. Отводимое тепло автоматически уменьшается из-за изменений электрических свойств (например, электрического сопротивления) участков нагревателя с ограничением температуры. Таким образом, мощность, подаваемая посредством нагревателя с ограничением температуры во время большей части процесса нагрева, оказывается большей.

В определенных вариантах осуществления, система, включающая в себя нагреватели с ограничением температуры, сначала обеспечивает первое отводимое тепло, а затем обеспечивает уменьшенное отводимое тепло (второе отводимое тепло) при температуре, близкой к температуре Кюри, равной ей или превышающей ее, либо близкой к диапазону температур фазового превращения электрически резистивного участка нагревателя, находящейся в его пределах или превышающей его, когда нагреватель с ограничением температуры запитывается изменяющимся во времени током. Первое отводимое тепло, это тепло, отводимое при температурах, ниже которых нагреватель с ограничением температуры начинает самоограничение. В некоторых вариантах осуществления, первое отводимое тепло, это тепло, отводимое при температуре примерно на 50°С, примерно на 75°С, примерно на 100°С или примерно на 125°С ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного материала в нагревателе с ограничением температуры.

Нагреватель с ограничением температуры можно запитывать изменяющимся во времени током (переменным током или модулированным постоянным током), подаваемым в оборудование устья скважины. Оборудование устья скважины может включать в себя источник питания и другие компоненты (например, модулирующие компоненты, трансформаторы и/или конденсаторы), используемые при подводе мощности к нагревателю с ограничением температуры. Нагреватель с ограничением температуры может быть одним из многих нагревателей, используемых для нагрева участка пласта.

В определенных вариантах осуществления, нагреватель с ограничением температуры включает в себя проводник, который работает как нагреватель со скин-эффектом или эффектом близости, когда изменяющийся во времени ток подается в проводник. Скин-эффект ограничивает глубину проникновения тока вовнутрь проводника. В случае ферромагнитных материалов, скин-эффект ограничивается магнитной проницаемостью проводника. Относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов в типичном случае находится между 10 и 1000 (например, относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов в типичном случае составляет, по меньшей мере, 10 и может составлять, по меньшей мере, 50, 100, 500, 1000 или более). Когда температура ферромагнитного материала растет, превышая температуру Кюри или диапазон температуры фазового превращения, и/или когда увеличивается подаваемый электрический ток, магнитная проницаемость ферромагнитного материала существенно уменьшается, а скин-эффект быстро распространяется (например, скин-эффект распространяется обратно пропорционально корню квадратному из магнитной проницаемости). Снижение магнитной проницаемости приводит к уменьшению сопротивления проводника по переменному току или модулированному постоянному току при температуре, близкой к температуре Кюри, равной ей или превышающей ее, либо температуре, близкой к диапазону температуры фазового превращения, находящейся в нем или превышающей его, и/или приводит к тому, что подаваемый электрический ток увеличивается. Когда нагреватель с ограничением температуры запитывается, источником, по существу, постоянного тока, участки нагревателя, температура которых приближается к температуре Кюри, достигает или превышает ее и/или приближается к диапазону температуры фазового превращения, находится в этом диапазоне или превышает его, могут иметь сниженную теплоотдачу. На участках нагревателя с ограничением температуры, которые имеют температуру, не равную или близкую к температуре Кюри и/или не находящуюся в диапазоне температуры фазового превращения или не близкую к нему, нагрев посредством скин-эффекта может доминировать, что обеспечивает повышенную теплоотдачу нагревателя из-за большей резистивной нагрузки.

Нагреватели с ограничением по температуре Кюри использовались в оборудовании для пайки, нагревателях для медицинских применений и нагревательных элементах для печей (например, печей для выпечки пиццы). Некоторые из этих применений описаны в патентах США №№5579575 (Lamome и др.), 5065501 (Henschen и др.) и 5512732 (Yagnik и др.). В патенте США №4849611 (Whitney и др.) описано множество дискретных, отстоящих друг от друга нагревательных блоков, включающих в себя реактивный компонент, резистивный нагревательный компонент и реагирующий на температуру компонент.

Преимущество использования нагревателя с ограничением по температуре для нагрева углеводородов в пласте заключается в том, что проводник имеет температуру Кюри и/или диапазон температуры фазового превращения в желаемом рабочем диапазоне температур. Работа в пределах желаемого рабочего диапазона температур обеспечивает существенный ввод тепла в пласт с одновременным поддержанием температуры нагревателя с ограничением температуры, а также другого оборудования, ниже расчетных предельных температур. Расчетные предельные температуры, это температуры, при которых сказывается негативное влияние таки свойств, как коррозия, ползучесть и/или деформация. Свойства ограничения температуры проводника с ограничением температуры препятствуют перегреву или пережогу проводника рядом с «горячими пятнами» низкой теплопроводности в пласте. В некоторых вариантах осуществления, нагреватель с ограничением температуры способен понижать отдаваемое тепло или управлять им и/или выдерживать нагрев при температурах выше 25°С, 37°С, 100°С, 250°С, 500°С, 700°С, 800°С, 900°С или выше вплоть до 113°С, в зависимости от материалов, применяемых в нагревателе.

Нагреватель с ограничением температуры обеспечивает больший подвод тепла в пласт, чем нагреватели постоянной мощности, потому что подвод энергии в нагреватель с ограничением температуры не приходится ограничивать с целью адаптации к областям низкой теплопроводности рядом с нагревателем. Например, в горючих сланцах с месторождения Green River имеется различие в теплопроводности с коэффициентом 3 между слоями, наименее богатыми горючими сланцами, и слоями, наиболее богатыми горючими сланцами. Когда нагревают такой пласт, предлагаемый нагреватель с ограничением температуры передает в этот пласт существенно большее количество тепла, чем обычный нагреватель, работа которого ограничена температурой в слоях низкой теплопроводности. Отводимое тепло по всей длине обычного нагревателя приходится подгонять к слоям низкой теплопроводности, чтобы нагреватель не перегревался и не перегорал в слоях низкой теплопроводности. Отводимое тепло рядом со слоями низкой теплопроводности, которые находятся в условиях высокой температуры, уменьшится в случае нагревателя с ограничением температуры, а остальные участки нагревателя с ограничением температуры, которые не находятся в условиях высокой температуры, по-прежнему будут обеспечивать большое отводимое тепло. Поскольку нагреватели для нагрева углеводородных пластов в типичном случае имеют большие длины (например, по меньшей мере, 10 м, 100 м, 300 м, 500 м, 1 км или более, вплоть до 10 км), большую часть длины нагревателя с ограничением температуры можно эксплуатировать при температуре ниже температуры Кюри, и лишь на немногих участках нагревателя с ограничением температуры температура равна температуре Кюри или близка к ней либо находится в диапазоне температуры фазового превращения или близка к этому диапазону.

Применение нагревателей с ограничением температуры обеспечивает эффективную теплопередачу в пласт. Эффективная теплопередача обеспечивает сокращение времени, необходимого для нагрева пласта до желаемой температуры. Например, пиролиз в горючих сланцах с месторождения Green River, как правило, требует от 9,5 до 10 лет нагрева, когда используют 12-метровый скважинный промежуток между нагревателями, представляющими собой обычные нагреватели постоянной мощности. При том же промежутке между нагревателями, нагреватели с ограничением температуры могут обеспечить большее среднее отдаваемое тепло, поддерживая при этом температуры нагревательного оборудования ниже расчетных предельных температур оборудования. Пиролиз в пласте может происходить за меньшее время при большем среднем отдаваемом тепле, обеспечиваемом нагревателями с ограничением температуры, чем меньшее среднее отдаваемое тепло, обеспечиваемое нагревателями постоянной мощности. Например, пиролиз в горючих сланцах с месторождения Green River может произойти за 5 лет использования нагревателей с ограничением температуры при 12-метровом скважинном промежутке между нагревателями. Нагреватели с ограничением температуры противодействуют появлению «горячих пятнен» из-за неточного скважинного промежутка или бурения, при котором скважины с нагревателями оказываются слишком близкими друг к другу. В некоторых вариантах осуществления, нагреватели с ограничением температур обеспечивают со временем повышенную отдаваемую мощность для скважин с нагревателями, находящихся слишком близко друг к другу. Нагреватели с ограничением температуры также подводят больше мощности в областях рядом с покрывающими породами и нижележащими породами, компенсируя потери температуры в этих областях.

Нагреватели с ограничением температуры можно с выгодой использовать в пластах многих типов. Например, в пластах битуминозных песков или относительно проницаемых пластах, содержащих тяжелые углеводороды, нагреватели с ограничением температуры можно использовать для обеспечения управляемой низкой температуры на выходе с целью уменьшения вязкости флюидов, мобилизации флюидов и/или интенсификации радиального течения флюидов в стволе скважины или около него либо в пласте. Нагреватели с ограниченной температурой можно использовать для того, чтобы воспрепятствовать избыточному образованию нагара из-за перегрева области пласта около ствола скважины.

Применение нагревателей с ограничением температуры в некоторых вариантах осуществления исключает или снижает потребность в дорогостоящих схемах управления температурой. Например, применение нагревателей с ограничением температуры исключает или снижает потребность в проведении термометрии и/или потребность в использовании закрепленных термопар на нагревателях для оперативного контроля потенциального перегрева в «горячих пятнах».

В некоторых вариантах осуществления, фазовое превращение (например, превращение кристаллической фазы или изменение кристаллической структуры) материалов, используемых в нагревателе с ограничением температуры, изменяет выбранную температуру, при которой нагреватель осуществляет самоограничение. Ферромагнитный материал, используемый в нагревателе с ограничением температуры, может претерпевать фазовое превращение (например, превращение из феррита в аустенит), которое уменьшает магнитную проницаемость ферромагнитного материала. Это снижение магнитной проницаемости аналогично снижению магнитной проницаемости из-за магнитного фазового перехода ферромагнитного материала при температуре Кюри. Температура Кюри - это температура магнитного перехода фазы феррита ферромагнитного материала. Снижение магнитной проницаемости приводит к уменьшению сопротивления по переменному току или модулированному постоянному току нагревателя с ограничением температуры в случае, если температура близка к температуре фазового превращения и/или температуре Кюри ферромагнитного материала, равна этой температуре или превышает ее.

Фазовое превращение ферромагнитного материала может происходить в некотором диапазоне температур. Диапазон температуры фазового превращения зависит от ферромагнитного материала и может изменяться, например, от диапазона примерно 5°С до диапазона примерно 200°С Поскольку фазовое превращение происходит в некотором диапазоне температур, снижение магнитной проницаемости из-за фазового превращения происходит в этом диапазоне температур. Снижение магнитной проницаемости также может происходить в диапазоне температуры фазового превращения. В некоторых вариантах осуществления, фазовое превращение обратно в фазу с более низкой температурой ферромагнитного материала происходит медленнее, чем фазовое превращение в фазу с более высокой температурой (например, превращение из аустенита обратно в феррит медленнее, чем превращение из феррита в аустенит). Более медленное фазовое превращение обратно в фазу с более низкой температурой может вызывать гистерезисную работу нагревателя при температуре, находящейся в диапазоне температуры фазового превращения или близкой к этому диапазону, что позволяет нагревателю медленно увеличивать сопротивление нагревателя до большей величины после того, как сопротивление нагревателя снижается из-за высокой температуры.

В некоторых вариантах осуществления, диапазон температуры фазового превращения перекрывается со снижением магнитной проницаемости, когда температура достигает температуры Кюри ферромагнитного материала. Перекрытие может давать более быстрый спад электрического сопротивления в зависимости от температуры, чем в случае, если снижение магнитной проницаемости происходит только из-за приближения температуры к температуре Кюри. Перекрытие может также давать гистерезисное поведение нагревателя с ограничением температуры вблизи температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения.

В некоторых вариантах осуществления, гистерезисная работа из-за фазового преобразования обуславливает более гладкий переход, чем снижение магнитной проницаемости из-за магнитного фазового перехода при температуре Кюри. Более гладкий переход может оказаться проще управляемым (например, путем электрического управления с использованием устройства управления процессом, которое взаимодействует с источником питания), чем более резкий переход при температуре Кюри. В некоторых вариантах осуществления, температура Кюри находится внутри диапазона фазового превращения для выбранных металлургических композиций, используемых в нагревателях с ограничением температуры. Это явление обеспечивает нагреватели с ограничением температуры, обладающие свойствами плавного перехода при фазовом превращении в дополнение к резкому и определенному переходу из-за снижения магнитных свойств при температуре Кюри. Управление такими нагревателями с ограничением температуры может оказаться простым (благодаря фазовому превращению) при одновременном обеспечении конечных пределов температуры (благодаря явно выраженному переходу при температуре Кюри). Использование диапазона температур превращения вместо температуры Кюри и/или в дополнение к ней в нагревателях с ограничением температуры увеличивает количество и диапазон металлургических композиций, которые можно использовать в нагревателях с ограничением температуры.

В определенных вариантах осуществления в ферромагнитный материал вносят легирующие добавки для коррекции диапазона температуры фазового превращения. Например, добавка углерода в ферромагнитный материал может увеличить диапазон температуры фазового превращения и уменьшить начальную температуру фазового превращения. Добавка титана в ферромагнитный материал может увеличить начальную температуру фазового превращения и уменьшить диапазон температуры фазового превращения. Композиции сплавов можно корректировать для обеспечения желаемой температуры Кюри и желаемых свойств фазового превращения для ферромагнитного материала. Композиция сплава ферромагнитного материала может быть выбрана на основании желаемых свойств ферромагнитного материала (таких, но не в ограничительном смысле, как температура или диапазон температур перехода магнитной проницаемости, зависимость электрического сопротивления от профиля температуры или отдаваемая мощность). Добавка титана может обеспечить получение повышенных температур Кюри при добавке кобальта в нержавеющую сталь марки 410 путем увеличения диапазона температуры фазового преобразования феррита в аустенит до диапазона температур, который выше или значительно выше температуры Кюри ферромагнитного материала.

В некоторых вариантах осуществления, нагреватели с ограничением температуры экономичнее в изготовлении или производстве, чем стандартные нагреватели. Типичные ферромагнитные материалы включают в себя железо, углеродистую сталь или ферритную нержавеющую сталь. Такие материалы недороги по сравнению со сплавами нагревателей на основе никеля (такими, как нихром, Kanthal™ (от Bulten-Kanthal АВ, Швеция) и/или LOHM™ (от Driver-Harris Company, Харрисон, штат Нью-Джерси, США)), как правило, используемых в нагревателях с изолированными проводниками (кабелями с неорганической изоляцией). В одном варианте осуществления нагреватель с ограничением температуры изготавливают в виде непрерывных отрезков как нагреватель с изолированными проводниками, чтобы снизить затраты и повысить надежность.

На фиг.3-12 изображены различные варианты осуществления нагревателей с ограничением температуры. Один или более признаков варианта осуществления нагревателя с ограничением температуры, изображенного на любом из этих чертежей, может быть объединена с одним или более признаком других вариантов осуществления нагревателей с ограничением температуры, изображенных на любом из этих чертежей. В определенных вариантах осуществления, описываемых здесь, нагреватели с ограничением температуры имеют размеры, обеспечивающие работу на частоте 60 Гц переменного тока. Следует понять, что размеры нагревателя с ограничением температуры можно корректировать по сравнению с описываемыми здесь, для работы аналогичным образом на других частотах переменного тока или на модулированном постоянном токе.

На фиг.3 показано изображение поперечного сечения варианта осуществления нагревателя с ограничением температуры и с внешним проводником, имеющим ферромагнитную секцию и неферромагнитную секцию. На фиг.4 и 5 изображены поперечные сечения варианта осуществления, показанного на фиг.3. В одном варианте осуществления, ферромагнитная секция 212 используется для подвода тепла к углеводородным слоям в пласте. Неферромагнитная секция 214 используется в покрывающей породе. Неферромагнитная секция 214 подводит мало тепла или вообще не подводит его покрывающую породу, препятствуя таким образом потерям тепла в покрывающей породе и повышая эффективность нагревателя. Ферромагнитная секция 212 включает в себя ферромагнитный материал, такой, как нержавеющая сталь марки 409 или нержавеющая сталь марки 410. Ферромагнитная секция 212 имеет толщину 0,3 см. Неферромагнитная секция 214 выполнена из меди и имеет толщину 0,3 см. Внутренний проводник 216 выполнен из меди. Внутренний проводник 216 имеет диаметр 0,9 см. Электрический изолятор 218 выполнен из нитрида кремния, нитрида бора, порошка оксида магния или другого подходящего изолирующего материала. Электрический изолятор 218 имеет толщину от 0,1 см до 0,3 см.

На фиг.6 показано изображение поперечного сечения варианта осуществления нагревателя с ограничением температуры и с внешним проводником, имеющим ферромагнитную секцию и неферромагнитную секцию. На фиг.7, 8 и 9 изображены поперечные сечения варианта осуществления, показанного на фиг.6. Ферромагнитная секция 212 выполнена из нержавеющей стали марки 410 толщиной 0,6 см. Внутренний проводник 216 выполнен из меди диаметром 0,9 см. Внешний проводник 220 включает в себя ферромагнитный материал. Внешний проводник 220 обеспечивает некоторый нагрев в секции нагревателя, находящейся в покрывающей породе. Обеспечение некоторого нагрева в секции нагревателя, находящейся в покрывающей породе, препятствует конденсации или обратному течению флюидов в покрывающей породе. Внешний проводник 220 выполнен из нержавеющей стали марки 409, 410 или 446 с наружным диаметром 3,0 см и толщиной 0,6 см. Электрический изолятор 218 включает в себя прессованный порошок оксида магния толщиной 0,3 см. В некоторых вариантах осуществления, электрический изолятор 218 включает в себя нитрид кремния, нитрид бора или нитрид бора гексагонального типа. Проводящая секция 222 может соединять внутренний проводник 216 с ферромагнитной секцией 212 и/или внешним проводником 220.

Для нагревателя с ограничением температуры, в которой ферромагнитный проводник обеспечивает большую часть отводимого резистивного тепла при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения, а большая часть тока течет по материалу с весьма нелинейными функциональными зависимостями магнитного поля (Н) от магнитной индукции (В). Эти нелинейные функциональные зависимости обуславливают сильные индуктивные воздействия и искажения, которые приводят к пониженному коэффициенту мощности в нагревателе с ограничением температуры при температурах ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения. Эти воздействия могут сделать подачу электрической мощности в нагреватель с ограничением температуры трудно управляемой и могут привести к протеканию дополнительного тока по поверхности и/или проводникам электропитания, находящимся в покрывающей породе. Для компенсации этих воздействий и для управления нагревателями с ограничением температуры можно использовать дорогостоящие и/или трудно реализуемые системы управления, такие, как переменные конденсаторы или модулированные источники питания, в которых большая часть резистивного отдаваемого тепла обеспечивается протеканием тока по ферромагнитному материалу.

В некоторых вариантах осуществления нагревателей с ограничением температуры, ферромагнитный проводник ограничивает протекание электрического тока электрическим проводником, подключенным к ферромагнитному проводнику, когда нагреватель с ограничением температуры поддерживается при температуре ниже температуры Кюри или близкой к ней и/или ниже диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного проводника или близкой к этому диапазону. Электрический проводник может представлять собой оболочку, рубашку, опорный элемент, коррозионно-стойкий элемент или другой электрически резистивный элемент. В некоторых вариантах осуществления, ферромагнитный проводник ограничивает большую часть протекающего электрического тока электрическим проводником, расположенным между крайним снаружи слоем и ферромагнитным проводником. Ферромагнитный проводник расположен в сечении нагревателя с ограничением температуры так, что магнитные свойства ферромагнитного проводника при температуре Кюри либо ниже нее и/или в диапазоне температуры фазового превращения ферромагнитного проводника либо ниже этого диапазона ограничивают электрическим проводником большую часть протекающего электрического тока. Большая часть протекающего электрического тока ограничена электрическим проводником благодаря скин-эффекту ферромагнитного проводника. Таким образом, большая часть тока течет по материалу, по существу, с линейными резистивными свойствами на протяжении большей части рабочего диапазона нагревателя.

В определенных вариантах осуществления, ферромагнитный проводник и электрический проводник расположены в сечении нагревателя с ограничением температуры так, что скин-эффект ферромагнитного материала ограничивает глубину электрического тока в электрическом проводнике и ферромагнитном проводнике при температурах ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного проводника. Таким образом, электрический проводник обеспечивает большую часть отводимого электрически резистивного тепла нагревателя с ограничением температуры при температурах вплоть до температуры, равной или близкой к температуре Кюри и/или находящейся в диапазоне температуры фазового превращения ферромагнитного проводника или близкой к этому диапазону. В определенных вариантах осуществления, размеры электрического проводника можно выбирать с обеспечением желаемых характеристик отводимого тепла.

Поскольку большая часть тока протекает по электрическому проводнику при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения, нагреватель с ограничением температуры имеет зависимость сопротивления от профиля температуры, которая, по меньшей мере, частично отражает зависимость сопротивления материала в электрическом проводнике от профиля температуры. Таким образом, зависимость сопротивления от профиля температуры нагревателя с ограничением температуры является по существу, линейной ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного проводника, если материал в электрическом проводнике имеет, по существу, линейную зависимость сопротивления от профиля температуры. Сопротивление нагревателя с ограничением температуры незначительно зависит или вообще не зависит от тока, текущего по нагревателю, пока температура является близкой к температуре Кюри и/или диапазону температуры фазового превращения. При температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения, ток протекает главным образом в электрическом проводнике, а не в ферромагнитном проводнике.

Зависимость сопротивления от профилей температуры для нагревателей с ограничением температуры, в которых ток протекает главным образом в электрическом проводнике, также имеет тенденцию к более резким снижениям сопротивления при температуре близкой к температуре Кюри или равной температуре Кюри и/или близкой к диапазону температуры фазового превращения ферромагнитного проводника либо находящейся в этом диапазоне. Более резкое снижение сопротивления при температуре близкой к или равной температуре Кюри и/или близкой к диапазону температуры фазового превращения либо находящейся в этом диапазоне может упростить управление по сравнению с более плавными снижениями сопротивления при температурах вблизи температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения, потому что через ферромагнитный материал протекает малый ток.

В определенных вариантах осуществления, материал и/или размеры материала в электрическом проводнике выбраны так, что нагреватель с ограничением температуры имеет желаемую зависимость сопротивления от профиля температуры при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного проводника.

Нагреватели с ограничением температуры, в которых ток протекает главным образом в электрическом проводнике, а не в ферромагнитном проводнике, при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения, упрощают прогнозирование и/или управление. Поведение нагревателей с ограничением температуры, в которых ток протекает главным образом в электрическом проводнике, а не в ферромагнитном проводнике, при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения, можно прогнозировать, например, по зависимости их сопротивления от профиля температуры и/или зависимости их коэффициента мощности от профиля температуры. Зависимость сопротивления от профиля температуры и/или зависимость коэффициента мощности от профиля температуры можно оценивать и/или предсказывать, например, по экспериментальным измерениям, которые дают возможность оценить поведение нагревателя с ограничением температуры, аналитическим уравнениям, которые дают возможность оценить или предсказать поведение нагревателя с ограничением температуры, и/или имитационным экспериментам, которые дают возможность оценить или предсказать поведение нагревателя с ограничением температуры.

В определенных вариантах осуществления, оцененное или спрогнозированное поведение нагревателя с ограничением температуры используют для управления нагревателем с ограничением температуры. Нагревателем с ограничением температуры можно управлять на основании измерений (оценок) сопротивления и/или коэффициента мощности во время работы нагревателя. В некоторых вариантах осуществления, управление мощностью или током, подаваемой или подаваемым в нагреватель с ограничением температуры, осуществляется на основании оценки сопротивления и/или коэффициента мощности нагревателя с ограничением температуры во время работы этого нагревателя и сравнения этой оценки со спрогнозированным поведением нагревателя с ограничением температуры. В определенных вариантах осуществления, управление нагревателем с ограничением температуры осуществляется без оценки температуры нагревателя или температуры около нагревателя. Управление нагревателем с ограничением температуры без измерения температуры исключает рабочие издержки, связанные с измерением температуры внутри скважины. Управление нагревателем с ограничением температуры на основании оценки сопротивления и/или коэффициента мощности нагревателя также сокращает время на проведение коррекций мощности или тока, подаваемой или подаваемого в нагреватель, по сравнению с управлением нагревателем на основании измеренной температуры.

Когда температура нагревателя с ограничением температуры достигает температуры Кюри либо превышает ее и/или достигает диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного проводника либо превышает этот диапазон, снижение ферромагнитных свойств ферромагнитного проводника обеспечивает протекание электрического тока по большему участку электропроводного сечения нагревателя с ограничением температуры. Таким образом, электрическое сопротивление нагревателя с ограничением температуры уменьшается, и нагреватель с ограничением температуры автоматически обеспечивает уменьшенное отводимое тепло при температуре, равной или близкой к температуре Кюри и/или находящейся в диапазоне температуры фазового превращения ферромагнитного проводника или близкой к нему. В определенных вариантах осуществления, к ферромагнитному проводнику и электрическому проводнику подсоединен элемент, обладающий высокой электропроводностью, чтобы уменьшить сопротивление нагревателя с ограничением температуры при температуре, равной температуре Кюри или превышающей ее и/или находящейся в диапазоне температуры фазового превращения ферромагнитного проводника или превышающей его. Элемент, обладающий высокой электропроводностью, может быть внутренним проводником, жилой, или другим проводящим элементом из меди, алюминия, никеля или их сплавов.

Ферромагнитный проводник, который ограничивает бóльшую часть электрического тока электрическим проводником при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения, может иметь относительно малое сечение по сравнению с ферромагнитным проводником в нагревателях с ограничением температуры, которые используют ферромагнитный проводник для обеспечения большей части отводимого тепла при температуре вплоть до температуры Кюри или близкой к ней и/или вплоть до диапазона температуры фазового превращения или близкой к этому диапазону. Нагреватель с ограничением температуры, который использует электрический проводник для обеспечения большей части отдаваемого резистивного тепла при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения, имеет малую магнитную индуктивность при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения, потому что по ферромагнитному проводнику протекает меньший ток по сравнению с нагревателем с ограничением температуры, в котором ферромагнитный материал обеспечивает большую часть отводимого резистивного тепла при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения. Магнитное поле (Н) на радиусе (r) ферромагнитного проводника пропорционально току (I), протекающему по ферромагнитному проводнику и жиле, деленному на радиус, или:

Поскольку лишь часть тока протекает по ферромагнитному проводнику в случае нагревателя с ограничением температуры, в котором внешний проводник используется для обеспечения большей части отводимого резистивного тепла при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения, магнитное поле этого нагревателя с ограничением температуры может быть значительно слабее, чем магнитное поле нагревателя с ограничением температуры в котором большая часть тока протекает по ферромагнитному материалу. Относительная магнитная проницаемость (μ) для слабых магнитных полей может быть большой.

Глубина (δ) скин-слоя (проникновения поля) ферромагнитного проводника обратно пропорциональна корню квадратному из относительной магнитной проницаемости (μ):

Увеличение относительной магнитной проницаемости уменьшает глубину скин-слоя ферромагнитного проводника. Вместе с тем, поскольку лишь часть тока протекает по ферромагнитному проводнику при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения, радиус (или толщину) ферромагнитного проводника можно уменьшить в случае магнитных материалов с большими относительными магнитными проницаемостями, чтобы компенсировать уменьшенную глубину проникновения поля при одновременном обеспечении скин-эффекта, ограничивающего глубину проникновения электрического тока в электрический проводник при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного проводника. Радиус (или толщина) ферромагнитного проводника может находиться в диапазоне между 0,3 мм и 8 мм, между 0,3 мм и 2 мм или между 2 мм и 4 мм в зависимости от относительной магнитной проницаемости ферромагнитного проводника. Уменьшение толщины ферромагнитного проводника уменьшает затраты на изготовление нагревателя с ограничением температуры, поскольку затраты на ферромагнитный материал имеют тенденцию составлять значительную часть стоимости нагревателя с ограничением температуры. Увеличение относительной магнитной проницаемости ферромагнитного проводника обеспечивает большее соотношение пределов диапазона изменения параметров для нагревателя с ограничением температуры при температуре, равной температуре Кюри или близкой к ней, и/или находящейся в диапазоне температуры фазового превращения ферромагнитного проводника или близкой к нему.

Ферромагнитные материалы (такие, как очищенное железо или железокобальтовые сплавы) с большой относительной магнитной проницаемостью (например, по меньшей мере, 200, по меньшей мере, 1000, по меньшей мере, 1×10⁴ или, по меньшей мере, 1×10⁵) и/или высокими температурами Кюри (например, по меньшей мере, 600°С, по меньшей мере, 700°С или, по меньшей мере, 800°С) имеют тенденцию к меньшей коррозионной стойкости и/или меньшей механической прочности при высоких температурах. Электрический проводник может обеспечить коррозионную стойкость и/или большую механическую прочность при высоких температурах для нагревателя с ограничением температуры. Таким образом, электрический проводник можно выбирать главным образом по его ферромагнитным свойствам.

Ограничение электрическим проводником большей части протекающего электрического тока при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного проводника уменьшает изменения в коэффициенте мощности. Поскольку лишь часть электрического тока протекает по ферромагнитному проводнику при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения, нелинейные ферромагнитные свойства ферромагнитного проводника оказывают малое влияние на коэффициент мощности нагревателя с ограничением температуры или вообще не оказывают такое влияние, за исключением температур, равных температуре Кюри или близких к ней, и/или находящихся в диапазоне температуры фазового превращения ферромагнитного проводника или близких к нему. Даже при температуре, равной температуре Кюри или близкой к ней, и/или находящейся в диапазоне температуры фазового превращения ферромагнитного проводника или близкой к нему, упомянутое влияние на коэффициент мощности уменьшается по сравнению с нагревателями с ограничением температуры, в которых ферромагнитный проводник обеспечивает большую часть отводимого резистивного тепла при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения. Таким образом, потребность во внешней компенсации (например, посредством переменных конденсаторов или модификации сигнала) с целью коррекции изменений в индуктивной нагрузке нагревателя с ограничением температуры для поддержания относительно большого коэффициента мощности является либо незначительной, либо вообще отсутствует.

На фиг.10 изображен вариант осуществления нагревателя с ограничением температуры, в котором опорный элемент обеспечивает большую часть отводимого тепла при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного проводника. Жила 226 представляет собой внутренний проводник нагревателя с ограничением температуры. В определенных вариантах осуществления, жила 226 выполнена из материала, обладающего высокой электропроводностью, такого, как медь или алюминий. В некоторых вариантах осуществления, жила 226 выполнена из медного сплава, который обеспечивает механическую прочность и хорошую электрическую проводимость, например, из дисперсионно упрочненной меди. В одном варианте осуществления, жила 226 выполнена из материала Glidcopa (от SCM Metal Products, Inc., Рисеч Триангл Парк, штат Северная Каролина, США). Ферромагнитный проводник 228 представляет собой тонкий слой ферромагнитного материала между электрическим проводником 232 и жилой 226. В определенных вариантах осуществления, электрическим проводник 232 также является опорным элементом 230. В определенных вариантах осуществления, ферромагнитный проводник 228 выполнен из железа или сплава железа. В некоторых вариантах осуществления, ферромагнитный проводник 228 включает в себя ферромагнитный материал с большой относительной магнитной проницаемостью. Например, ферромагнитный проводник 228 может быть выполнен из очищенного железа, такого, как слиточное железо марки Armco (от АК Steel Ltd., Соединенное Королевство). Железо с некоторыми примесями в типичном случае имеет относительную магнитную проницаемость порядка 400. Очистка железа посредством отжига железа в газообразном водороде (Н₂) при 1450°С увеличивает относительную магнитную проницаемость железа. Увеличение относительной магнитной проницаемости ферромагнитного проводника 228 обеспечивает уменьшение толщины ферромагнитного проводника. Например, толщина неочищенного железа может составлять приблизительно 4,5 мм, а толщина очищенного железа составляет приблизительно 0,76 мм.

В определенных вариантах осуществления, электрический проводник 232 обеспечивает опору для ферромагнитного проводника 228 и нагревателя с ограничением температуры. Электрический проводник может быть выполнен из материала, который обеспечивает надлежащую механическую прочность при температуре, близкой к температуре Кюри или превышающей ее и/или близкой к диапазону температуры фазового превращения ферромагнитного проводника 228 или превышающей этот диапазон. В определенных вариантах осуществления, электрический проводник 232 представляет собой коррозионностойкий элемент.Электрический проводник 232 (опорный элемент 230) может обеспечить опору для ферромагнитного проводника 228 и коррозионную стойкость. Электрический проводник 232 выполнен из материала, который обеспечивает желаемое отдаваемое электрически резистивное тепло при температуре вплоть до и/или выше температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного проводника 228.

В одном варианте осуществления, электрический проводник 232 выполнен из нержавеющей стали марки 347Н. В некоторых вариантах осуществления, электрический проводник 232 выполнен из другого электропроводного, обладающего надлежащей механической прочностью и коррозионно-стойкого материала. Например, электрический проводник 232 может быть выполнен из сплава 304Н, 316Н, 347Н, NF709, Incoloy^® 800Н (от Inco Alloys International, Хантингтон, штат Западная Виргиния, США), сплава Haynes HR120^® или сплава Inconel^® 617.

В некоторых вариантах осуществления, электрический проводник 232 (опорный элемент 230) включает в себя разные сплавы в разных частях нагревателя с ограничением температуры. Например, нижний участок электрического проводника 232 (опорного элемента 230) выполнен из нержавеющей стали марки 347Н, а верхний участок электрического проводника (опорного элемента) выполнен из сплава HF709. В определенных вариантах осуществления, на разных участках электрического проводника (опорного элемента) используются разные сплавы, чтобы увеличить механическую прочность электрического проводника (опорного элемента), одновременно поддерживая желаемые нагревательные свойства для нагревателя с ограничением температуры.

В некоторых вариантах осуществления, ферромагнитный проводник 228 включает в себя разные ферромагнитные проводники на разных участках нагревателя с ограничением температуры. Разные ферромагнитные проводники можно использовать на разных участках нагревателя с ограничением температуры, чтобы изменить температуру Кюри и/или диапазон температуры фазового превращения, а значит - и максимальную рабочую температуру на разных участках. В некоторых вариантах осуществления, температура Кюри на верхнем участке нагревателя с ограничением температуры ниже, чем температура Кюри на нижнем участке нагревателя. Более низкая температура Кюри на верхнем участке увеличивает время до разрушения (при испытании на длительную прочность) на верхнем участке нагревателя.

В варианте осуществления, изображенном на фиг.10, ферромагнитный проводник 228, электрический проводник 232 и жила 226 имеют такие размеры, что глубина скин-слоя ферромагнитного проводника ограничивает глубину проникновения большей части протекающего электрического тока опорным элементом, когда температура ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного проводника. Таким образом, электрический проводник 232 обеспечивает большую часть отводимого электрически резистивного тепла нагревателя с ограничением температуры при температуре вплоть до температуры, равной температуре Кюри или превышающей ее и/или находящейся в диапазоне температуры фазового превращения ферромагнитного проводника 228 или превышающей этот диапазон. В определенных вариантах осуществления, нагреватель с ограничением температуры, изображенный на фиг.10, меньше (например, имеет наружный диаметр 3 см, 2,9 см, 2,5 см или менее), чем другие нагреватели с ограничением температуры, в которых не используется проводник 232 для обеспечения большей части отводимого электрически резистивного тепла. Нагреватель с ограничением температуры, изображенный на фиг.10, может быть меньше потому, что ферромагнитный проводник 228 является тонким по сравнению с габаритами ферромагнитного проводника, необходимого для нагревателя с ограничением температуры, в котором большая часть отводимого резистивного тепла обеспечивается ферромагнитным проводником.

В некоторых вариантах осуществления, опорный элемент и коррозионно-стойкий элемент являются разными элементами в нагревателе с ограничением температуры. На фиг.11 и 12 изображены варианты осуществления нагревателей с ограничением температуры, в каждом из которых рубашка обеспечивает большую часть отводимого тепла при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового преобразования ферромагнитного проводника. В этих вариантах осуществления, электрический проводник 232 представляет собой рубашку 224. Электрический проводник 232, ферромагнитный проводник 228, опорный элемент 230 и жила 226 (на фиг.11) или внутренний проводник 216 (на фиг.12) имеют такие размеры, что глубина скин-слоя ферромагнитного проводника ограничивает глубину проникновения большей части протекающего электрического тока толщиной рубашки. В определенных вариантах осуществления, электрический проводник 232 представляет собой материал, являющийся коррозионно-стойким, и обеспечивает отводимое электрически резистивное тепло при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового преобразования ферромагнитного проводника 228. Например, электрический проводник 232 выполнен из нержавеющей стали марки 825 или нержавеющей стали марки 347Н. В некоторых вариантах осуществления, электрический проводник 232 имеет малую толщину (например, порядка 0,5 мм).

Показанная на фиг.11 жила 226 выполнена из материала, обладающего высокой электропроводностью, такого, как медь или алюминий. Опорный элемент 230 выполнен из нержавеющей стали марки 347Н или другого материала с надлежащей механической прочностью при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового преобразования ферромагнитного проводника 228.

Показанный на фиг.12 опорный элемент 230 представляет собой жилу нагревателя с ограничением температуры и выполнен из нержавеющей стали марки 347Н или другого материала с надлежащей механической прочностью при температуре ниже температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового преобразования ферромагнитного проводника 228. Внутренний проводник 216 выполнен из материала, обладающего высокой электропроводностью, такого, как медь или алюминий.

Примеры

Ниже приводятся неограничительные примеры.

На фиг.13 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для сплава железа ТС3 (0,1 масс.% углерода, 5 масс.% кобальта, 12 масс.% хрома, 0,5 масс.% марганца, 0,5 масс.% кремния). Кривая 234 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы феррита. Кривая 236 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы аустенита. Стрелка указывает температуру Кюри сплава. Как показано на фиг.13, фазовое превращение происходило вблизи температуры Кюри, но не перекрывалось с температурой Кюри для этого сплава.

На фиг.14 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для сплава железа FM-4 (0,1 масс.% углерода, 5 масс.% кобальта, 0,5 масс.% марганца, 0,5 масс.% кремния). Кривая 238 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы феррита. Кривая 240 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы аустенита. Стрелка указывает температуру Кюри сплава. Как показано на фиг.14, интервал температур фазового превращения при отсутствии хрома в сплаве расширился и этот интервал перекрывался с температурой Кюри для этого сплава.

Расчеты температуры Кюри (Т_с) и поведения фазового превращения проводились для различных смесей кобальта, углерода, марганца, кремния, ванадия и титана с использованием программного обеспечения для термодинамических расчетов (TermoCalc от TermoCalc Software, Inc. (Мак-Мюррей, штат Пенсильвания, США) и JMatPro от Sente Software, Ltd. (Гилдфорд, Соединенное Королевство)) для прогнозирования влияния дополнительных элементов на температуру Кюри для выбранных композиций, температуру (А₁, при которой феррит превращается в парамагнитный аустенит, а также фаз, присутствующих при этих температурах. Во всех расчетах использовали расчетную равновесную температуру 700°С для определения температуры Кюри феррита. Как показано в таблице 1, когда выраженная в процентах доля кобальта в композиции увеличивалась, Т_с увеличивалась, a A₁ уменьшалась, однако Т_с оставалась выше А₁. Увеличение температуры A₁ можно прогнозировать при достаточном добавлении карбидообразующих элементов - ванадия, титана, ниобия, тантала и вольфрама. Например, в сплаве, который включает в себя примерно 0,1 масс.% вольфрама, можно использовать примерно 0,5 масс.% карбидообразующих элементов. Добавление карбидообразующих элементов обеспечивает замену карбидной фазы F₃C карбидной фазой МС.Исходя из этих вычислений, можно считать, что избыточные количества ванадия проявили себя не оказывающими влияния на Т_с, а избыточные количества карбидообразующих элементов снижали Т_с.

Подготавливали несколько железокобальтовых сплавов, а их композиции приведены в таблице 2. Эти литейные сплавы обрабатывали, получая пруток и проволоку, а в таблице перечислены измеренные и расчетные значения Т_с для прутков. Использовали средние значения замеров Т_с при охлаждении и нагреве, поскольку во время нагрева и охлаждения наблюдался необратимый эффект гистерезиса. Как показано в таблице 2, согласованность между расчетной Тс и измеренной Тс была приемлемой.

Измерение Т_с проводили методом тора, при реализации которого обматывали тор материалом образца. Посредине длины подсоединяли термопару.

На фиг.15 изображены температура Кюри (горизонтальные полоски) и диапазон температуры фазового превращения (вертикальные заштрихованные полоски) для нескольких сплавов железа. Столбец 242 отображает железокобальтовый сплав FM-2. Столбец 244 отображает железокобальтовый сплав FM-4. Столбец 246 отображает железокобальтовый сплав FM-6. Столбец 248 отображает железокобальтовый сплав FM-8. Столбец 250 отображает сплав ТС1 нержавеющей стали марки 410 с кобальтом. Столбец 252 отображает сплав ТС2 нержавеющей стали марки 410 с кобальтом. Столбец 254 отображает сплав ТС3 нержавеющей стали марки 410 с кобальтом. Столбец 256 отображает сплав ТС4 нержавеющей стали марки 410 с кобальтом. Столбец 258 отображает сплав ТС5 нержавеющей стали марки 410 с кобальтом. Как показано на фиг.15, железокобальтовые сплавы (FM-2, FM-4, FM-6, FM-8) имели большие диапазоны температуры фазового превращения, которые перекрываются с температурой Кюри. Сплавы нержавеющей стали марки 410 с кобальтом (TC1, ТС2, ТС3, ТС4, ТС5) имели малые диапазоны температуры фазового превращения. Диапазоны температуры фазового превращения для сплавов TC1, ТС2, ТС3 были выше температуры Кюри. Диапазон температуры фазового превращения для сплава ТС4 был ниже температуры Кюри. Таким образом, нагреватель с ограничением температуры, в котором используется сплав ТС4, может обеспечить самоограничение при температуре ниже температуры Кюри сплава ТС4.

На фиг.16-19 изображены влияния легирующей добавки на железокобальтовые сплавы. На фиг.16 и 17 изображены влияния добавки углерода в железокобальтовый сплав. На фиг.18 и 19 изображены влияния добавки титана в железокобальтовый сплав.

На фиг.16 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железокобальтового сплава с 5,63 масс.% кобальта и 0,4 масс.% марганца. Кривая 260 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы феррита. Кривая 262 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы аустенита. Стрелка указывает температуру Кюри сплава. Как показано на фиг.16, фазовое превращение происходило вблизи температуры Кюри, но не перекрывалось с температурой Кюри для этого сплава.

На фиг.17 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железокобальтового сплава с 5,63 масс.% кобальта, 0,4 масс.% марганца и 0,01% углерода. Кривая 264 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы феррита. Кривая 266 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы аустенита. Стрелка указывает температуру Кюри сплава. Как показано на фиг.16 и 17, фазовое превращение расширялось при добавке углерода в сплав, при этом сначала происходило смещение фазового превращения в сторону меньшей температуры. Таким образом, углерод можно добавлять в сплав железа, чтобы понизить начальную температуру и расширить диапазон температуры фазового превращения.

На фиг.18 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железокобальтового сплава с 5,63 масс.% кобальта, 0,4 масс.% марганца и 0,085% углерода. Кривая 268 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы феррита. Кривая 270 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы аустенита. Стрелка указывает температуру Кюри сплава. Как показано на фиг.18, фазовое превращение перекрывалось с температурой Кюри сплава.

На фиг.19 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железокобальтового сплава с 5,63 масс.% кобальта, 0,4 масс.% марганца, 0,085% углерода и 0,4% титана. Кривая 272 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы феррита. Кривая 274 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы аустенита. Стрелка указывает температуру Кюри сплава. Как показано на фиг.18 и 19, фазовое превращение сужалось при добавке титана в сплав, при этом сначала происходило смещение фазового превращения в сторону большей температуры. Таким образом, углерод можно добавлять в сплав железа, чтобы повысить начальную температуру и сузить диапазон температуры фазового превращения.

На фиг.20 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для сплава того типа, который содержит нержавеющую сталь марки 410 (12 масс.% хрома, 0,1 масс.% углерода, 0,5 масс.% марганца, 0,5 масс.% кремния, а остальное - железо). Кривая 276 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы феррита. Кривая 278 отображает выраженную в массовых процентах долю фазы аустенита. Стрелка указывает температуру Кюри сплава. Как показано на фиг.20, температура Кюри снижалась при добавке хрома.

Расчеты температуры Кюри (Т_с) и поведения фазового превращения проводились для различных смесей кобальта, углерода, марганца, кремния, ванадия и титана с использованием программного обеспечения для термодинамических расчетов (TermoCalc от TermoCalc Software, Inc. для прогнозирования влияния дополнительных элементов на температуру Кюри для выбранных композиций, температуру (A₁), при которой феррит превращается в парамагнитный аустенит, а также фаз, присутствующих при этих температурах. Во всех расчетах использовали расчетную равновесную температуру 700°С для определения температуры Кюри феррита. Как показано в таблице 3, когда выраженная в процентах доля кобальта в композиции увеличивалась, Т_с увеличивалась, а A₁ уменьшалась. Как показано в таблице 3, добавление ванадия и/или титана увеличивало А₁ Добавление ванадия может обеспечить возможность использования возросших количеств хрома в нагревателях, Действие которых основано на температуре Кюри.

Подготавливали несколько железокобальтовых сплавов, а их композиции приведены в таблице 4. Эти литейные сплавы обрабатывали, получая пруток и проволоку, а в таблице перечислены измеренные и расчетные значения Т_с наряду с калориметрическими измерениями.

Дополнительные модификации и альтернативные варианты осуществления различных аспектов изобретения могут стать очевидными для специалистов в данной области техники в свете этого описания. Соответственно, это описание следует считать лишь иллюстративным и предназначенным для того, чтобы в общих чертах изложить для специалистов в данной области техники способ осуществления этого изобретения. Следует понять, что показанные и описанные здесь формы осуществления приведены как предпочтительные в настоящее время варианты осуществления. Элементы и материалы можно заменять по сравнению с теми, которые проиллюстрированы и описаны, детали и процессы можно сделать обратимыми, а определенные признаки изобретения можно использовать независимо, причем все это будет очевидно для специалистов в данной области техники после того, как они ознакомятся с описанием изобретения. В рамках существа и объема притязаний изобретения, охарактеризованных в нижеследующей формуле изобретения, в описанные здесь элементы можно внести изменения. Кроме того, следует понять, что признаки, описанные здесь, можно объединить в определенных вариантах осуществления.

Реферат

Группа изобретений относится к в основном к нагревателям со свойствами ограничения температуры. Нагреватель для нагрева подземного пласта содержит ферромагнитный проводник и электрический проводник, электрически соединенный с ферромагнитным проводником. При этом конфигурация нагревателя обеспечивает первое количество тепла при более низкой температуре и второе, уменьшенное количество тепла, когда нагреватель достигает выбранной температуры или входит в диапазон выбранной температуры, при которой ферромагнитный проводник претерпевает фазовое превращение из феррита в аустенит. Способ нагрева подземного слоя с использованием нагревателя заключается в том, что подают электрический ток в нагреватель, обеспечивая нагрев по меньшей мере участка подземного пласта. Техническим результатом является повышение эффективности и равномерности нагрева пласта. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 табл., 20 ил.

Формула