加热系统和方法

技术领域：

本发明涉及对包含碳氢化合物的地层进行加热的方法和系统，地 层如注热井周围的煤层或油页岩沉积。

背景技术：

发明人为Ljungstrom的美国专利2,923,535和发明人为Van Meurs等的美国专利4,886,118描述了对油页岩地层进行加热的方法。 上述现有技术的参考文献公开了利用电热器把热能传送到油页岩地层 以便对油页岩地层内的油母岩进行热解的方法。同时，热能可以使地 层破裂，以提高地层的渗透性。增强的渗透性允许地层流体移动到开 采井，在开采井中除掉油页岩地层中的流体。例如，在Ljungstrom 公开的工艺中，最好从预热步骤中把仍然热的包含气体的氧气引入透 水地层中，以便开始氧化。

美国专利2,548,360描述了一种放置在井身内之粘性油中的电加 热元件。该加热元件对石油进行加热并使其变稀，以便从井身中抽取 石油。美国专利4,716,960描述了利用较低的电压电流通过油管来防止 固体形成的石油钻井的电加热油管。Van Egmond的美国专利 5,065,818描述了在不给加热元件增加套管管的情况下就与井孔结合 在一起的电加热元件。

Vinegar等的美国专利6,023,554描述了放置在套管内的电加热元 件。加热元件产生对套管进行加热的辐射能。在套管和地层之间放置 粒状固体填充物。套管以导热方式对填充物加热，而填充物又以导热 方式对地层加热。

Van Meurs等的美国专利4,570,715描述了一种电加热元件。该加 热元件具有导电芯、由绝缘材料组成的包围层和外围金属套管。导电 芯在高温时的电阻较低。绝缘材料在高温时具有较高的电阻、耐压强 度以及导热性。绝缘层阻止导电芯击穿金属套管。金属套管在高温时 具有较高的抗张强度和抗爬电性。

Van Egmond的美国专利5,060,287描述了具有铜镍合金电芯的电 加热元件。

公知的对包含碳氢化合物的地下地层加热的系统可以从美国专利 4,704,514得知。在公知系统中在加热器井的加套管管的充满流体的部 分中利用支撑构件，悬挂一系列矿物绝缘导电加热部件。

上述已知电热器的缺点在于，价格昂贵，需要复杂的安装过程并 且容易过热、断裂和/或熔化，因此需要频繁更换，特别是在用于加热 长层段的井下地层时。

本发明的目的在于提供一种经过改良的廉价的井下电井加热方法 和系统，其中将该方法和系统配置为：在很长时间内把受控热量均匀 传送到地层。

发明内容：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于对包含碳氢化合物的地 下地层进行加热的系统，该系统包括：一个电导体，设置在通过所述 地层的一个加热器井内，在使用时向至少一部分所述地层提供辐射热， 以热解所述部分中的碳氢化合物，其中所述的电导体包括：多个导电 加热部件，每个所述加热部件由一个长支撑构件悬挂在一个加热器井 的充满流体的部分中；和一系列对中器，以选定的间隔安装在所述支 撑构件上，这些对中器支撑多个长导电加热部件，其特征在于，至少 一个加热部件由所述长支撑构件悬挂在一个加热器井的一个无套管的 下部，其中至少一个长导电加热部件包括：一个至少部分裸金属的条、 棒或导管。

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用上述系统对包含碳氢 化合物的地层进行加热的方法，其中加热部件的组件被配置用于在使 用中把所述加热器井每米长度上的0.5至1.5KW之间的辐射热的累积 量传送到所述地层中，从而把所述加热器井附近的地层中的碳氢化合 物加热到280摄氏度以上并使得地层中的碳氢化合物就地热解。

作为选择，至少一个长导电加热部件包括至少部分裸金属条、棒、 缆索、导管或其他导体。

最好利用长支撑构件，在加热器井的无套管的下部，悬挂至少一 个金属加热部件，其中支撑构件从靠近地面的井口延伸到加热器井的 所述无套管的下部。长支撑构件包括长管，在长管上按照所选间隔安 装许多对中器，对中器支撑众多裸金属加热部件。

作为选择，一个或多个裸金属加热部件为U字形，并在其上端接 电，以便向导管供电，导管向U字形裸金属加热部件的末端提供来自 电源的电力，其中U字形裸金属加热部件、电源导管和电源构成一条 电路。

管状长支撑构件配备有许多小孔，在使用时，通过这些小孔把氧 化剂注入到一节金属加热部件的至少一部分加热部件附近，氧化剂烧 掉周围的碳氢化合物地层释放的沉积在金属加热部件表面上的碳氢化 合物。管状长支撑构件从靠近加热器井之加套管的上部的下端的封隔 器，一直延伸到井口。

可选地，使金属加热部件和对中器位于加热器井的无套管的下部， 该下部穿过包含碳氢化合物的地层。

在根据本发明之方法的一种实施方式中，将一个或多个加热部件 的组合配置适当配置，以把每米加热器井0.5至1.5KW之间的辐射热 的累积量传送到地层，从而把加热器井附近的地层中的碳氢化合物， 加热到280摄氏度以上，并使得地层中的碳氢化合物在原地高温热解。

如果在使用中把诸如空气之类的氧化剂注入到加热器井的无套管 的下部，则氧化剂将至少部分烧掉长加热部件上沉积的碳氢化合物， 从而清洁加热部件并降低弧击穿和短路风险。经由通过加热器井之加 套管上部的排气导管，把废气排放到地面，并控制无套管的下部中的 流体压力，从而禁止将废气转移到地层中，并且禁止将距离加热器井 一米以外的地层中的经过热解的碳氢化合物流体，转移到加热器井的 无套管的下部。最好将所述流体压力保持在最小值1.5巴，并且结合 正在热解其碳氢化合物的地层部分的估计温度进行控制。为了在热解 期间维持有利于形成较高质量的碳氢化合物的条件，需要控制压力。 某些时候，需要依靠覆盖的厚度和重量，在加工区中维持最小平均压 力。所选压力有助于支撑覆盖层的重量，因而能够减轻压实和下沉。

包含碳氢化合物的地层可能为煤、油页岩、油母岩或沥青沉积。 该方法最好包括：把加热器井每米长度上的0.5至1.5KW的辐射热传 送到包含加热器井周围之地层的部分碳氢化合物中，从而对围绕加热 器井至少一部分地层进行加热，以便热解围绕加热器井的地层的所述 部分内的碳氢化合物，其中使大部分经过热解的碳氢化合物，流到位 于所选距离的开采井中，所选距离距注热井3到15米。

组件由至少一个(最好多个)注热井组成，并且由一个(最好多 个)开采井组成。

在加热器井的至少一部分无套管的部分中安装加热部件的优点在 于，节省了在加热器井的最热部分中安装和/或替换套管的成本。由于 周围地层的热膨胀与受热套管本身的径向和纵向膨胀的结合，所以与 加热器井结合在一起或加热器井中支撑的套管，容易受到高应力，因 此，由此引起的高应力可能限制从加热器井传送到地层的热量。

附图说明：

以下参照附图，通过举例详细说明本发明，其中附图为：

图1表示利用支撑构件悬挂裸金属条电导体组件的加热器井。

具体实施方式：

正如图1所示，在含有碳氢化合物的地层516中的开口514(例 如，开放式加热井身)内，布置许多长加热部件600。开口514最好 为含有碳氢化合物的地层516中的至少一部分无套管开口。开口514 的直径至少约为5cm，例如，约为8cm。开口514的直径可以随地层 中的所需升温速率改变。长加热部件600可以为一节(或一条)金属， 或任何其他长金属片(如金属棒)，并且可以用不锈钢制造。然而， 长加热部件600可以包括任何导电材料，这些导电材料能够产生热量， 以便对部分地层进行充分加热，并且经受开口内的相应温度，例如， 可以将导电材料配置为：在开口内的温度下抵抗腐蚀。

长加热部件600可以包括一个或多个裸金属加热器。“裸金属”指 不包含诸如无机绝缘之类的电气绝缘层的金属，其目的是在长构件的 工作温度范围内，为金属提供电气绝缘。裸金属包含以下金属，即包 括诸如自然出现的氧化层之类的阻蚀剂、外加氧化层和/或薄膜的金 属。裸金属包括带有聚合物或其他类型的电气绝缘物的金属，此类绝 缘物不能在长构件的工作温度范围内保持电气绝缘性。这样的材料可 以设置在金属上并且在使用加热器期间其热度会减退。

每个长加热部件600的长度可达650米。通过使用多节高强度合 金，能够达到更长长度，但此类长部件会非常昂贵。在某些实施方式 中，利用井口的盘来支撑长部件。长加热部件600可以包括首尾焊接 在一起的多节不同导电材料。可以利用大量导电焊接材料把各节连接 起来，以增强由此生成的组件的强度，并提供电流通路而不会在焊接 处引起电弧和/或腐蚀。不同导电材料可以包含具有较高抗爬电性的合 金。多节不同导电材料可以具有不同的直径，以确保沿长部件的均匀 加热。其抗爬电性高于第二金属的第一金属的电阻率通常比第二金属 的电阻率要高。电阻率的差允许横截面积较大、更抗爬电的第一金属， 与横截面积较小的第二金属散出相同热量。可以调整两种不同金属的 横截面积，从而在这些金属的两个焊接在一起的部分产生大致相同的 热散发。导电材料包括但并不限于617因科镍合金、HR-120、316不 锈钢以及304不锈钢。例如，长构件可以具有一节60米长的617因科 镍合金，一节60米长的HR-120，和一节150米长的304不锈钢。另 外，长构件可以具有一节从井口通过覆盖层的低电阻部分。该低电阻 部分可减小从井口经覆盖层的地层中的加热。例如，通过选择真正的 导电材料和/或增加导电使用的横截面面积，获得低电阻部分。

作为选择，支撑构件604可以延伸到覆盖层540，并把裸金属长 部件连接到圆盘、对中器或覆盖层与碳氢化合物地层之间的界面附近 的其他类型的支撑构件。诸如铜质胶缆线之类的低阻电缆606沿支撑 构件延伸，并将其连接到长部件。将铜质电缆连接到电源，后者向长 部件提供电力。

图1表示对包含碳氢化合物的地层剖面进行加热的众多长部件的 一种实施方式。利用支撑构件604支撑两个或多个(如，四个)长部 件600。通过利用绝缘对中器602，把长部件600连接到支撑构件604。 支撑构件604可以为管或导管。支撑构件604还可以是带孔管。可以 将支撑构件604配置为：向开口514提供氧化液体流。支撑构件604 的直径大约在1.2cm至4cm之间，最好约为2.5cm。可以将支撑构件 604、长部件600和绝缘对中器602部署在地层516中的开口514内。 绝缘对中器602可被配置成使得长部件600的位置保持在支撑构件 604上，以在温度高得足以使支撑构件604或长部件600变形时，基 本上禁止长部件600的横向移动。绝缘对中器602可以为本文描述的 对中器。在某些实施方式中，长部件600为2.5cm宽0.3cm厚的不锈 钢金属条。然而，长加热部件600可以包括由导电材料组成的管/棒。 向长加热部件600施加电流，以至长加热部件600因电阻而产生热量。

可以将长加热部件600配置为：在长部件600的每一米中约产生 650瓦至1605瓦的热量。这样，长部件600的温度约为480℃至815℃。 实际上，可以沿着比305m或610m更长的长部件600，对包含碳氢化 合物的地层进行均匀加热。然而，长部件600的长度可以随包含碳氢 化合物的地层的种类、地层中的开口深度和/或需要加热的地层深度改 变。

以串联方式电力连接长加热部件600。利用引入导线572向长部 件600提供电流。按照本文所述方式配置引入导线572。可以将引入 导线572连接到井口690。利用与长部件600相连的引出导线606，把 电流返回到井口690。通过位于井口690和覆盖层550之间的密封法 兰，把引入导线572和引出导线606连接到位于地面550的井口690。 密封法兰阻止流体从开口514排到地面550。通过利用低温引线过渡 导体，把引入导线572和引出导线606连接到长部件。低温引线过渡 导体包括低电阻绝缘导线，从而低温引线过渡导体实际上并不产生热 量。通过利用现有技术中的绞接或焊接方法，把低温引线过渡导体连 接到引入导线572、引出导线606和/或长部件600。低温引线过渡导 体提供引入导线572、引出导线606和/或长部件600之间的温度过渡。 可以按照本文中其他实施方式中描述的方式，配置低温引线过渡导体。 利用低电阻导线制造引入导线572和引出导线606，从而通过引入导 线572和引出导线606的电流实际上并不产生热量。

使焊道位于支撑构件604上的对中器602的下方，以固定对中器 的位置。焊道可以位于最上的对中器之上的长部件600上，以便相对 于支撑构件来固定长部件的位置(也可以使用其他种类的连接机制)。 当加热时，长部件会向下热膨胀。长部件由位于长部件长度方向上不 同位置的不同金属组成，以形成比较长的长度。例如，“U”字形长部 件包括由310不锈钢构成的第一节，由焊接到第一节的304不锈钢构 成的第二节，以及由310不锈钢构成的第三节。304不锈钢比310不 锈钢的电阻率要高，并且每单位长度比相同尺寸的304不锈钢要多耗 费25％的能量。310不锈钢比304不锈钢更抗爬电。利用使得第一 节和第三节耗散热量，与横截面面积较小的304不锈钢耗散的热量相 同的横截面面积，构成第一节和第三节。第一节和第三节的位置靠近 井口690。使用不同种类的金属能够形成长的长部件。不同金属包括 但并不限于617因科镍合金、HR120、316不锈钢、310不锈钢以及 304不锈钢。

可把包覆材料542放在覆盖层套管541和开口514之间。把包覆 材料542被适当地配置以：阻止流体从开口514流到地面550，并阻 止向地面的相应热损失。也可以按照本文所述方式配置包覆材料542。 把覆盖层套管541放到地层516之覆盖层540的水泥544中。也可以 按照本文所述方式配置包覆材料542。可以将地表导体545设置在水 泥544中。可以按照本文所述方式配置地表导体545。把支撑构件604 连接到位于地层516之地面550的井口690。把对中器581配置为： 使支撑构件604的位置保持在覆盖层套管541内。可以按照本文所述 方式配置对中器581。向长部件600提供电流，以产生热量。长部件 600产生的热量在开口154内辐射，从而对地层516的至少一部分加 热。

可从氧化液体源508沿长部件600的长度方向提供氧化液体。氧 化液体阻止长部件上或长部件附近的炭沉积。例如，氧化液体与碳氢 化合物起反应，从而形成二氧化碳，可以从开口排除二氧化碳。将支 撑构件604中的开口605配置为：沿长部件600的长度方向提供流动 的氧化液体。开口605可以为本文所述的临界流体小孔。作为选择， 可以在长部件600的附近部署管子，以便按上述实施方式中的所述方 式，控制地层中的压力。在另一种实施方式中，在长部件600的附近 部署管子，以便向开口514中提供流动的氧化液体。同时，长部件600 中的至少一个组件包括其开口能够提供流动氧化液体的管子。如果没 有流动的氧化液体，则长部件600的上面或附近以及绝缘对中器602 的上面可能出现炭沉积，从而在长部件600和绝缘对中器602之间出 现短路，或者长部件600上出现热点。正如本文所述的那样，氧化液 体与地层中的炭起反应。与炭起反应产生的热量补充了电力产生的热 量。

在一种实施方式中，可以在加热井或其他开口中部署的支撑构件 上，支撑许多长部件。以串联或并联方式电气连接众多长部件。选择 向众多长部件施加的电流和电压，从而使地面的电力供应成本和众多 长部件的成本最低。另外，选择工作电流和电压，从而优化输入电能 成本以及长部件的原材料成本。配置长部件以便按本文所述方式生成 并辐射热量。可以按本文所述方式在开口514中安装长部件。

在一种实施方式中，把裸金属长部件加工成“U”字形(或马蹄 形)，从井口或者从位于或靠近覆盖层与待加热地层之间之界面的定 位器位置，悬挂该组件。在某些实施方式中，裸金属加热器由杆材构 成。可以在长部件的侧翼上放置柱面形状的高氧化铝陶瓷电绝缘体。 沿侧翼长度方向的临时点焊固定绝缘体的位置。绝缘体阻止长部件与 地层或套筒接触(如果把长部件放置在套筒内的话)。绝缘体还阻止 “U”字形组件的侧翼彼此接触。可以从Cooper Industries(休斯敦， 得克萨斯州)那里购买高氧化铝陶瓷电绝缘体。在一种实施方式中， “U”字形组件可以由不同横截面面积的不同金属构成，从而使长部件 较长，并且在长部件的整个长度方向上，每单位长度消耗相同的热量。 通过使用不同的焊接在一起的许多节，导致在长部件之顶部具有较大 直径而在该长部件的某个长度后具有较小直径的长部件。例如，在一 种实施方式中，长部件具有两个直径为7/8英寸(2.2cm)的第一部分， 两个直径为1/2英寸(1.3cm)的中间部分，以及一个弯曲成“U”字 形的直径为3/8(0.95cm)的井底部分。可以利用横截面为椭圆、正方 形、长方形、三角形的材料制造长部件。各段可以由合金构成，从而 每一段的每单位长度消耗相同的热量。

可以选择特定段使用的横截面面积和/或金属，从而特定段在每单 位长度上比相邻段提供更多(或更少)的热散发。可以在碳氢化合物 层和非碳氢化合物层(如，覆盖层和包含碳氢化合物的地层)之间的 界面附近，在每单位长度上提供更多的热散发，以抵消端面效应，并 且向包含碳氢化合物的地层提供更均匀的热散发。也可以在长部件的 下端提供较高的热散发，以抵消端面效应，并且提供更均匀的热散发。

不同剖面需要不同的热散发，以便在热解处理中促成有利的物理 化学差异，从而提供比较有利的碳氢化合物产品质量。

可以配置电热器以便提供除地面燃烧室提供的热量之外的热量。 可以配置电热器以便向包含碳氢化合物的地层提供附加热量，从而沿 加热器井的所选深度，均匀地加热包含碳氢化合物的地层。