(57)【要約】  絶縁導体ヒータを形成するための方法が、細長円筒形の内側電気導体の少なくとも一部の上に絶縁層を配置するステップを含む。絶縁層の少なくとも一部の上に細長円筒形の外側電気導体を配置して絶縁導体ヒータを形成する。絶縁導体ヒータ上で１つまたは複数の冷間加工／熱処理ステップが行われる。冷間加工／熱処理ステップは、絶縁導体ヒータを冷間加工して絶縁導体ヒータの断面積を少なくとも約３０％減少させるステップと、絶縁導体ヒータを少なくとも約８７０℃の温度で熱処理するステップとを含む。その後、絶縁導体ヒータの断面積を、最終断面積まで約５％〜約２０％の範囲で減少させる。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長い円筒形の内側電気導体の少なくとも一部の上に絶縁層を配置するステップと、
前記絶縁層の少なくとも一部の上に細長い円筒形の外側電気導体を配置して絶縁導体ヒータを形成するステップと、
前記絶縁導体ヒータ上で１つまたは複数の冷間加工／熱処理ステップを行うステップとを含む、絶縁導体ヒータを形成するための方法であって、
前記冷間加工／熱処理ステップが、
前記絶縁導体ヒータを冷間加工して前記絶縁導体ヒータの断面積を少なくとも約３０％だけ減少させるステップと、
前記絶縁導体ヒータを少なくとも約８７０℃の温度で熱処理するステップと、
前記絶縁導体ヒータの断面積を、最終断面積まで、約５％〜約２０％の範囲の量だけ減少させるステップとを含む方法。
【請求項２】
前記絶縁導体ヒータの断面積の減少量が約１０％〜約２０％である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記絶縁導体ヒータの断面積を減少させるステップが、前記外側電気導体の断面積を減少させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記絶縁層が、１つまたは複数の絶縁ブロックを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記絶縁導体ヒータが、前記絶縁導体ヒータの断面積を約５％〜約２０％の範囲の量だけ減少させるステップ後に熱処理されない、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記絶縁導体ヒータの断面積を約５％〜約２０％の範囲の量だけ減少させるステップにより、前記絶縁層の誘電強度を予熱処理絶縁層の誘電強度の約５％以内にまで増加させる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記絶縁導体ヒータの断面積を約５％〜約２０％の範囲の量だけ減少させるステップにより、前記絶縁導体ヒータに約１２ｋＶ〜約２０ｋＶの破壊電圧を与える、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記絶縁導体ヒータの断面積を最終断面積まで減少させるステップの前に、前記冷間加工／熱処理ステップが複数回繰り返される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記絶縁導体が連続的である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
第１の外装材料をコア周りの管に形成するステップであって、前記第１の外装材料の長手方向縁部が、前記第１の外装材料の管の長さに沿って少なくとも部分的に重なるステップと、
電気絶縁体パウダを前記第１の外装材料の管の少なくとも一部に供給するステップと、
第２の外装材料を前記第１の外装材料周りの管に形成するステップと、
前記第２の外装材料の管の外径を絶縁導体ヒータの最終径まで減少させるステップとを含む、絶縁導体ヒータを形成するための方法。
【請求項１１】
前記第２の外装材料の管の外径を減少させるステップが、前記絶縁導体ヒータ上で１つまたは複数の冷間加工／熱処理ステップを行うステップを含み、
前記冷間加工／熱処理ステップが、
前記絶縁導体ヒータを冷間加工して前記絶縁導体ヒータの断面積を少なくとも約３０％だけ減少させるステップと、
前記絶縁導体ヒータを少なくとも約８７０℃の温度で熱処理するステップと、
前記絶縁導体ヒータの断面積を、前記絶縁導体ヒータの最終径を提供する最終断面積まで、約５％〜約２０％の範囲の量だけ減少させるステップとを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記電気絶縁パウダが酸化マグネシウムパウダを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の外装材料および前記第２の外装材料がステンレス鋼を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の外装材料が前記第１の外装材料よりも厚い、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
垂直位置にある前記第１の外装材料の管の少なくとも一部に、前記電気絶縁パウダを供給するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の外装材料の管内に前記コアを心合わせするステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の外装材料の長手方向縁部を溶接して、前記第２の外装材料の管を形成するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
第１の外装材料をコア周りの管に形成するステップであって、前記第１の外装材料の管の長さに沿った第１の外装材料の長手方向縁部間に間隙があるステップと、
電気絶縁体パウダを前記第１の外装材料の管の少なくとも一部に供給するステップと、
第２の外装材料を前記第１の外装材料周りの管に形成するステップと、
前記第２の外装材料の管の外径を絶縁導体ヒータの最終径まで減少させて、前記第１の外装材料の前記長手方向縁部が、前記第１の外装材料の管の長さに沿って互いに近接するようにするステップとを含む、絶縁導体ヒータを形成するための方法。
【請求項１９】
前記第２の外装材料の管の外径を減少させるステップが、前記絶縁導体ヒータ上で１つまたは複数の冷間加工／熱処理ステップを行うステップを含み、
前記冷間加工／熱処理ステップが、
前記絶縁導体ヒータを冷間加工して前記絶縁導体ヒータの断面積を少なくとも約３０％だけ減少させるステップと、
前記絶縁導体ヒータを少なくとも約８７０℃の温度で熱処理するステップと、
前記絶縁導体ヒータの断面積を、前記絶縁導体ヒータの最終径を提供する最終断面積まで、約５％〜約２０％の範囲の量だけ減少させるステップとを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記電気絶縁パウダが酸化マグネシウムパウダを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の外装材料および前記第２の外装材料がステンレス鋼を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２の外装材料が前記第１の外装材料よりも厚い、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
垂直位置にある前記第１の外装材料の管の少なくとも一部に、前記電気絶縁パウダを供給するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の外装材料の前記管内に前記コアを心合わせするステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２の外装材料の長手方向縁部を溶接して、前記第２の外装材料の管を形成するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
冷間加工絶縁導体ヒータを少なくとも約８７０℃の温度で熱処理するステップと、
前記絶縁導体ヒータの断面積を、最終断面積まで、約５％〜約２０％の範囲の量だけ減少させるステップとを含む、絶縁導体ヒータを形成するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、地表下地層を加熱するために使用されるシステムおよび方法に関する。特に、本発明は、地下炭化水素含有地層を加熱するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]地表下地層から得られる炭化水素は、エネルギー資源、供給原料、および消費製品として使用されることが多い。利用可能な炭化水素資源の枯渇に対する懸念および生成される炭化水素の全体的な品質低下に対する懸念から、利用可能な炭化水素資源のより効率的な回収、処理、および／または使用プロセスが開発されている。現場プロセスを使用して、以前は接近できなかった地表下地層および／または利用可能な方法を使用して抽出することが非常に高価であった地表下地層から炭化水素材料を取り出すことができる。地表下地層から炭化水素材料をより容易に取り出すことができるようにし、かつ／または炭化水素材料の価値を高めるには、地表下地層中の炭化水素材料の化学的および／または物理的特性を変化させることが必要となり得る。化学的、および／または物理的変化としては、除去可能な流体を生成する現場反応、地層中の炭化水素材料の組成変化、溶解度変化、密度変化、相変化、および／または粘度変化が挙げられる。
【０００３】
[0003]ヒータを坑井孔に配置して、現場プロセス中に地層を加熱することができる。地層を加熱するために使用可能な多くの異なるタイプのヒータがある。下げ孔内の(downhole)ヒータを使用する現場プロセスの例が、Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍの米国特許第２，６３４，９６１号、Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍの第２，７３２，１９５号、Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍの第２，７８０，４５０号、Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍの第２，７８９，８０５号、Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍの第２，９２３，５３５号、Ｖａｎ  Ｍｅｕｒｓ他の第４，８８６，１１８号、およびＷｅｌｌｉｎｇｔｏｎ他の第６，６８８，３８７号に示される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0004]一部の適用における炭化水素含有地層の加熱等の、地下での適用に使用する鉱物絶縁（ＭＩ）ケーブル（絶縁導体）は、ＭＩケーブル産業で一般的なものよりも長く、大きい外径を有し、高い電圧および温度で動作する可能性がある。長い絶縁導体の製造および／または組立て中に起こり得る多くの問題がある。
【０００５】
[0005]たとえば、絶縁導体で使用される電気絶縁体の経年劣化によって起こり得る電気的および／または機械的問題がある。また、絶縁導体ヒータの組立て中に克服すべき、電気絶縁体の問題もあり得る。コア膨張または他の機械的欠陥等の問題が、絶縁導体ヒータの組立て中に発生し得る。この発生により、ヒータの使用中に電気的な問題が生じるおそれがあり、ヒータが意図した目的で動作しなくなるおそれがある。
【０００６】
[0006]加えて、絶縁導体の組立ておよび／または地下への設置中に、絶縁導体に加わる応力が増加する問題があり得る。たとえば、絶縁導体の輸送および設置に使用されるスプールに絶縁導体を巻き付け、巻き出すことにより、電気絶縁体および／または絶縁導体の他の部品に対する機械的応力が生じ得る。したがって、絶縁導体の製造、組立て、および／または設置中に起こり得る問題を減少させるか、またはなくす、より信頼性の高いシステムおよび方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[0007]本明細書に記載の実施形態は、一般に、地表下地層を処理するためのシステム、方法およびヒータに関する。また、本明細書に記載の実施形態は、一般に、新規な部品を有するヒータに関する。このようなヒータを、本明細書に記載のシステムおよび方法を使用して得ることができる。
【０００８】
[0008]ある実施形態では、本発明は、１つまたは複数のシステム、方法、および／またはヒータを提供する。一部の実施形態では、システム、方法、および／またはヒータが、地表下地層を処理するために使用される。
【０００９】
[0009]ある実施形態では、絶縁導体ヒータを形成するための方法が、細長い円筒形の内側電気導体の少なくとも一部の上に絶縁層を配置するステップと、絶縁層の少なくとも一部の上に細長い円筒形の外側電気導体を配置して絶縁導体ヒータを形成するステップと、絶縁導体ヒータ上で１つまたは複数の冷間加工／熱処理ステップを行うステップとを含み、冷間加工／熱処理ステップが、絶縁導体ヒータを冷間加工して絶縁導体ヒータの断面積を少なくとも約３０％だけ減少させるステップと、絶縁導体ヒータを少なくとも約８７０℃の温度で熱処理するステップと、絶縁導体ヒータの断面積を、最終断面積まで、約５％〜約１５％の範囲の量だけ減少させるステップとを含む。
【００１０】
[0010]ある実施形態では、絶縁導体ヒータを形成するための方法が、第１の外装材料をコア周りの管に形成するステップであって、第１の外装材料の長手方向縁部が、第１の外装材料の管の長さに沿って少なくとも部分的に重なるステップと、電気絶縁体パウダを第１の外装材料の管の少なくとも一部に供給するステップと、第２の外装材料を第１の外装材料周りの管に形成するステップと、第２の外装材料の管の外径を絶縁導体ヒータの最終径まで減少させるステップとを含む。
【００１１】
[0011]ある実施形態では、絶縁導体ヒータを形成するための方法が、第１の外装材料をコア周りの管に形成するステップであって、第１の外装材料の管の長さに沿った第１の外装材料の長手方向縁部間に間隙があるステップと、電気絶縁体パウダを第１の外装材料の管の少なくとも一部に供給するステップと、第２の外装材料を第１の外装材料周りの管に形成するステップと、第２の外装材料の管の外径を絶縁導体ヒータの最終径まで減少させて、第１の外装材料の長手方向縁部が、第１の外装材料の管の長さに沿って互いに近接するか、またはほぼ当接するようにするステップとを含む。
【００１２】
[0012]さらなる実施形態では、特定の実施形態の特徴を他の実施形態の特徴と組み合わせることができる。たとえば、一実施形態の特徴を他の実施形態のいずれかの特徴と組み合わせることができる。
【００１３】
[0013]さらなる実施形態では、地表下地層を処理するステップが、本明細書に記載の方法、システム、電源、またはヒータのいずれかを使用して行われる。
【００１４】
[0014]さらなる実施形態では、本明細書に記載の特定の実施形態に、さらなる特徴を加えてもよい。
【００１５】
[0015]本発明の方法および装置の特徴および利点は、本発明による、現在好ましいが例示的である実施形態の以下の詳細な説明を、添付図面と組み合わせて参照することによって一層完全に理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】[0016]炭化水素含有地層を処理するための現場熱処理システムの一部の実施形態の概略図である。
【図２】[0017]絶縁導体熱源の実施形態を示す図である。
【図３】[0018]絶縁導体熱源の実施形態を示す図である。
【図４】[0019]絶縁導体熱源の実施形態を示す図である。
【図５】[0020]図５Ａは絶縁導体ヒータで使用される温度制限ヒータ部品の実施形態の断面図である。図５Ｂは絶縁導体ヒータで使用される温度制限ヒータ部品の実施形態の断面図である。
【図６】[0021]予冷間加工、予熱処理された絶縁導体の実施形態の断面図である。
【図７】[0022]冷間加工および熱処理後の、図６に示す絶縁導体の実施形態の断面図である。
【図８】[0023]冷間加工後の、図７に示す絶縁導体の実施形態の断面図である。
【図９】[0024]電気絶縁体用パウダを使用する、絶縁導体を製造するためのプロセスの実施形態を示す図である。
【図１０Ａ】[0025]絶縁導体内の第１の外装材料の第１の設計実施形態の断面図である。
【図１０Ｂ】[0026]第２の外装材料が管に形成され、第１の外装材料周りに溶接された、第１の設計実施形態の断面図である。
【図１０Ｃ】[0027]多少の圧延後に第２の外装材料が第１の外装材料周りの管に形成された、第１の設計実施形態の断面図である。
【図１０Ｄ】[0028]絶縁導体が圧延ロールでの最終圧延ステップを通過するときの、第１の設計実施形態の断面図である。
【図１１Ａ】[0029]絶縁導体内の第１の外装材料の第２の設計実施形態の断面図である。
【図１１Ｂ】[0030]第２の外装材料が管に形成され、第１の外装材料周りに溶接された、第２の設計実施形態の断面図である。
【図１１Ｃ】[0031]多少の圧延後に第２の外装材料が第１の外装材料周りの管に形成された、第２の設計実施形態の断面図である。
【図１１Ｄ】[0032]絶縁導体が圧延ロールでの最終圧延ステップを通過するときの、第２の設計実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
[0033]本発明は種々の修正および代替形態が可能であるが、本発明の特定の実施形態を例として図面に示し、本明細書で詳細に説明する。図面は一定の率で縮尺されていないことがある。図面およびその詳細な説明は、本発明を特定の開示された形態に限定するものではなく、特許請求の範囲により定義された本発明の精神および範囲内に含まれるすべての修正、等価物、および代替形態を包含するものであることを理解されたい。
【００１８】
[0034]以下の説明は、一般に、地層中の炭化水素を処理するためのシステムおよび方法に関する。このような地層を処理して、炭化水素生成物、水素、および他の生成物を産出することができる。
【００１９】
[0035]「交流電流（ＡＣ）」は、ほぼ正弦波状に方向を反転させる時変電流を指す。ＡＣは、強磁性導体に表皮効果電流を発生させる。
【００２０】
[0036]熱出力を低下させた加熱システム、装置、および方法の文脈で、「自動的に」という用語は、このようなシステム、装置、および方法が、外部制御（たとえば、温度センサおよびフィードバックループを有するコントローラ、ＰＩＤコントローラ、または予測コントローラ等の外部コントローラ）を使用せずに、ある方法で機能することを意味する。
【００２１】
[0037]「結合された」は、１つまたは複数の物体または部品間の直接接続または間接接続（たとえば、１つまたは複数の介在接続）を意味する。「直接接続された」という表現は、物体または部品を互いに直接接続して、物体または部品が「使用時点で」動作するようにした、物体または部品間の直接接続を意味する。
【００２２】
[0038]「キュリー温度」は、それよりも高い温度で強磁性材料がその強磁性のすべてを失う温度である。キュリー温度より高い温度でその強磁性のすべてを失うことに加えて、増加する電流が強磁性材料を通過するときに、強磁性材料はその強磁性を失い始める。
【００２３】
[0039]「地層」は、１つまたは複数の炭化水素含有層、１つまたは複数の非炭化水素層、上層土、および／または下層土を含む。「炭化水素層」は、炭化水素を含む地層中の層を指す。炭化水素層は、非炭化水素材料および炭化水素材料を含むことができる。「上層土」および／または「下層土」は、１つまたは複数の異なるタイプの不透過性材料を含む。たとえば、上層土および／または下層土としては、岩、頁岩、泥岩、または湿潤／緻密炭酸塩が挙げられる。現場熱処理プロセスの一部の実施形態では、上層土および／または下層土は、比較的不透過性で、上層土および／または下層土の炭化水素含有層の大きな特性変化をもたらす現場熱処理プロセス中の温度に従わない１つまたは複数の炭化水素含有層を含むことができる。たとえば、下層土は頁岩または泥岩を含有し得るが、現場熱処理プロセス中に下層土を熱分解温度まで加熱することはできない。一部の場合には、上層土および／または下層土が若干透過性であってもよい。
【００２４】
[0040]「地層流体」は、地層中に存在する流体を指し、熱分解流体、合成ガス、流動化炭化水素、および水（水蒸気）が挙げられる。地層流体は炭化水素流体であっても非炭化水素流体であってもよい。「流動化流体」は、地層を熱処理した結果、流動可能となる炭化水素含有地層中の流体を指す。「生成された流体」は、地層から取り出された流体を指す。
【００２５】
[0041]「熱流束」は、単位時間についての単位面積当たりのエネルギー流（たとえば、ワット／ｍ２）である。
【００２６】
[0042]「熱源」は、実質的に導電性および／または放射性熱伝達により地層の少なくとも一部に熱を与えるシステムである。熱源としては、たとえば、絶縁導体、細長の部材、および／または導管中に配置した導体等の、導電性材料および／または電気ヒータが挙げられる。熱源としては、地層外部または地層中の燃料を燃焼させて熱を発生するシステムであってもよい。このようなシステムは、表面バーナ、下げ孔ガスバーナ、無炎分配燃焼器、および自然分配燃焼器であってもよい。一部の実施形態では、１つまたは複数の熱源に供給され、またはこれらの熱源で発生した熱は、他のエネルギー源により供給され得る。他のエネルギー源は、地層を直接加熱することができ、または、地層を直接もしくは間接的に加熱する伝達媒体にエネルギーを加えることができる。地層を加熱する１つまたは複数の熱源は、異なるエネルギー源を使用可能であることを理解されたい。したがって、たとえば、所定の地層について、一部の熱源は、導電性材料、電気抵抗ヒータから熱を供給することができ、一部の熱源は、燃焼による熱を供給することができ、一部の熱源は、１つまたは複数の他のエネルギー源（たとえば化学反応、太陽エネルギー、風エネルギー、バイオマス、またはその他の更新可能なエネルギー）から熱を供給することができる。化学反応としては、発熱反応（たとえば酸化反応）がある。熱源は、導電性材料、および／またはヒータ坑井等の加熱場所に近い、および／または加熱場所を囲む帯域に熱を供給するヒータであってもよい。
【００２７】
[0043]「ヒータ」は、坑井内または近くの坑井孔領域に熱を発生させるためのシステムまたは熱源である。ヒータは、限定されないが、電気ヒータ、バーナ、地層中または地層から生成された材料と反応する燃焼器、および／またはそれらの組合せであってもよい。
【００２８】
[0044]「炭化水素」は、一般に、主として炭素および水素原子により形成された分子として定義される。炭化水素は、限定されないが、ハロゲン、金属元素、窒素、酸素および／または硫黄等の他の元素を含んでいてもよい。炭化水素は、限定されないが、ケロジェン、ビチュメン、ピロビチュメン、油、天然鉱物蝋、およびアスファルト鉱であってよい。炭化水素は、地球の鉱物基盤中またはそれに隣接して位置している可能性がある。基盤としては、限定されないが、堆積岩、砂、シリシライト、炭酸塩、珪藻土、およびその他の多孔質媒体が挙げられる。「炭化水素流体」は、炭化水素を含む流体である。炭化水素流体は、水素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、水およびアンモニア等の非炭化水素流体を含有または同伴してもよいし、非炭化水素流体に同伴されていてもよい。
【００２９】
[0045]「現場転換プロセス」は、地層中に熱分解流体が生成されるように、地層の少なくとも一部の温度が熱分解温度より高い温度に上昇するまで、熱源から炭化水素含有地層を加熱するプロセスを指す。
【００３０】
[0046]「現場熱処理プロセス」は、炭化水素含有地層を熱源で加熱して、炭化水素含有地層中に流動化流体、ビスブレーキング流体、および／または熱分解流体が生成されるように、地層の少なくとも一部を、流動化流体、ビスブレーキング、および／または炭化水素含有材料の熱分解が生じる温度よりも高い温度まで上昇させるプロセスを指す。
【００３１】
[0047]「絶縁導体」は、電気を通すことができ、電気絶縁材料によって全部または一部が覆われた、細長の材料を指す。
【００３２】
[0048]「変調直流電流（ＤＣ）」は、強磁性導体に表皮効果電流を発生させるほぼ非正弦波状の時変電流を指す。
【００３３】
[0049]「窒化物」は、窒素と、周期表の１つまたは複数の他の元素との化合物を指す。窒化物としては、限定されないが、窒化ケイ素、窒化ホウ素、または窒化アルミナが挙げられる。
【００３４】
[0050]「穿孔」としては、導管、管、パイプ、または他の流れ経路に対する流入または流出を可能にする、導管、管、パイプ、または他の流れ経路の壁の開口、スリット、開口部、または孔が挙げられる。
【００３５】
[0051]強磁性材料の「相転移温度」は、材料が強磁性材料の透磁率を低下させる相変化（たとえば、フェライトからオーステナイトへ）を受ける温度または温度範囲を指す。透磁率の低下は、キュリー温度での強磁性材料の磁気転移による透磁率の低下と同様である。
【００３６】
[0052]「熱分解」は、加熱により化学結合を破壊することである。たとえば、熱分解は、１つの化合物を熱単独で１つまたは複数の他の物質に変換することを含み得る。地層のある区画に熱を伝達させて、熱分解を生じさせることができる。
【００３７】
[0053]「熱分解流体」または「熱分解生成物」は、炭化水素の熱分解中に実質的に生成される流体を指す。熱分解反応により生成された流体は、地層中の他の流体と混合され得る。混合物は、熱分解流体または熱分解生成物と考えられる。本明細書で使用されるように、「熱分解帯域」は、反応され、または反応して熱分解流体を形成する地層の体積（たとえば、タールサンド地層等の比較的透過性の地層）を指す。
【００３８】
[0054]「熱の重合せ」は、２つ以上の熱源間の少なくとも１箇所の地層の温度がこれらの熱源により影響されるように、これら２つ以上の熱源から地層の選択区画に熱を供給することを指す。
【００３９】
[0055]「温度制限ヒータ」は、一般に、温度コントローラ、電力調整器、整流器、またはその他の装置等の外部制御を使用せずに、特定の温度よりも高い温度に熱出力を調整する（たとえば熱出力を低下させる）ヒータを指す。温度制限ヒータは、ＡＣ（交流電流）または変調（たとえば「チョップド」）ＤＣ（直流電流）電源式の電気抵抗ヒータであってもよい。
【００４０】
[0056]層の「厚さ」とは、層の断面の厚さを指し、断面は層の面に垂直である。
【００４１】
[0057]「時変電流」は、強磁性導体に表皮効果電流を発生させ、時間と共に大きさが変化する電流を指す。時変電流は、交流電流（ＡＣ）と変調直流電流（ＤＣ）の両方を含む。
【００４２】
[0058]電流がヒータに直接印加される温度制限ヒータの「ターンダウン比」は、所与の電流についての、キュリー温度よりも低い最高ＡＣまたは変調ＤＣ抵抗の、キュリー温度よりも高い最低抵抗に対する比である。誘導ヒータのターンダウン比は、ヒータに印加される所与の電流についての、キュリー温度よりも低い最高熱出力の、キュリー温度よりも高い最低熱出力に対する比である。
【００４３】
[0059]「ｕ形坑井孔」は、地層の第１の開口から延びて、地層の少なくとも一部を通り、地層の第２の開口を通って出る坑井孔を指す。これに関連して、坑井孔は、単におおむね「ｖ」または「ｕ」の形状であってもよく、「ｕ」の「脚」が、互いに平行であったり、「ｕ形」とみなされる坑井孔の「ｕ」の「底部」に垂直であったりする必要はないと理解される。
【００４４】
[0060]「坑井孔」という用語は、地層中への掘削または導管の挿入により作製された地層中の孔を指す。坑井孔は、ほぼ円形の断面または別の断面形状を有する。本明細書で使用されるように、「坑井」および「開口」という用語は、地層の開口を指すときには、「坑井孔」という用語と交換可能に使用することができる。
【００４５】
[0061]地層を種々の方法で処理して、多くの異なる生成物を生成することができる。異なる段階またはプロセスを使用して、現場熱処理プロセス中に地層を処理することができる。一部の実施形態では、地層の１つまたは複数の区画を溶液採鉱して、可溶鉱物を区画から取り出す。鉱物の溶液採鉱は、現場熱処理プロセスの前、間、および／または後に行うことができる。一部の実施形態では、溶液採鉱される１つまたは複数の区画の平均温度を約１２０℃よりも低く維持することができる。
【００４６】
[0062]一部の実施形態では、地層の１つまたは複数の区画が加熱されて、区画から水を取り出し、かつ／またはメタンおよびその他の揮発性炭化水素を区画から取り出す。一部の実施形態では、水および揮発性炭化水素の取出し中に、平均温度が周囲温度から約２２０℃未満の温度まで上昇し得る。
【００４７】
[0063]一部の実施形態では、地層の１つまたは複数の区画が、地層中の炭化水素の移動および／またはビスブレーキングを可能にする温度まで加熱される。一部の実施形態では、地層の１つまたは複数の区画の平均温度が、区画内の炭化水素の流動化温度（たとえば、１００℃〜２５０℃、１２０℃〜２４０℃、または１５０℃〜２３０℃の範囲の温度）まで上昇する。
【００４８】
[0064]一部の実施形態では、１つまたは複数の区画が、地層中の熱分解反応を可能にする温度まで加熱される。一部の実施形態では、地層の１つまたは複数の区画の平均温度を、区画内の炭化水素の熱分解温度（たとえば、２３０℃〜９００℃、２４０℃〜４００℃、または２５０℃〜３５０℃の範囲の温度）まで上昇させることができる。
【００４９】
[0065]炭化水素含有地層を複数の熱源で加熱することにより、地層中の炭化水素の温度を所望の加熱速度で所望の温度まで上昇させる熱源周りに、温度勾配が設定される。所望の生成物についての流動化温度範囲および／または熱分解温度範囲を通る温度上昇の速度は、炭化水素含有地層から生成される地層流体の品質および量に影響を与え得る。流動化温度範囲および／または熱分解温度範囲を通って地層温度をゆっくりと上昇させることにより、質が高くＡＰＩ比重の高い炭化水素を地層から生成することができる。流動化温度範囲および／または熱分解温度範囲を通って地層温度をゆっくりと上昇させることにより、地層中に炭化水素生成物として存在する大量の炭化水素を取り出すことができる。
【００５０】
[0066]一部の現場熱処理の実施形態では、温度範囲を通って温度をゆっくりと上昇させる代わりに、地層の一部が所望の温度まで加熱される。一部の実施形態では、所望の温度は３００℃、３２５℃、または３５０℃である。他の温度を所望の温度として選択してもよい。
【００５１】
[0067]熱源からの熱の重合せにより、所望の温度を地層中に比較的迅速かつ効率的に設定することができる。熱源から地層へのエネルギー入力を調節して、地層中の温度をほぼ所望の温度に維持することができる。
【００５２】
[0068]流動化および／または熱分解生成物を、生成坑井を通して地層から生成することができる。一部の実施形態では、１つまたは複数の区画の平均温度が流動化温度まで上昇し、炭化水素が生成坑井から生成される。流動化による生成が選択値よりも低下した後に、区画の１つまたは複数の平均温度を熱分解温度まで上昇させることができる。一部の実施形態では、熱分解温度への到達前に大きな生成を行うことなく、１つまたは複数の区画の平均温度を熱分解温度まで上昇させることができる。熱分解生成物を含む地層流体を、生成坑井を通して生成することができる。
【００５３】
[0069]一部の実施形態では、１つまたは複数の区画の平均温度を、流動化および／または熱分解後に合成ガスを生成可能な十分な温度まで上昇させることができる。一部の実施形態では、合成ガスを生成可能な十分な温度に到達する前に大きな生成を行うことなく、合成ガスを生成可能な十分な温度まで、炭化水素を上昇させることができる。たとえば、合成ガスを約４００℃〜約１２００℃、約５００℃〜約１１００℃、または約５５０℃〜約１０００℃の温度範囲で生成することができる。合成ガス発生流体（たとえば、水蒸気および／または水）を区画に導入して合成ガスを発生させることができる。合成ガスを生成坑井から生成することができる。
【００５４】
[0070]溶液採鉱、揮発性炭化水素および水の取出し、炭化水素の流動化、炭化水素の熱分解、合成ガスの発生、および／またはその他のプロセスを、現場熱処理プロセス中に行うことができる。一部の実施形態では、一部のプロセスを現場熱処理プロセス後に行うことができる。このようなプロセスとしては、限定されないが、処理された区画からの熱回収、前に処理した区画への流体（たとえば、水および／または炭化水素）の貯蔵、ならびに／あるいは前に処理した区画への二酸化炭素の分離が挙げられる。
【００５５】
[0071]図１は、炭化水素含有地層を処理するための現場熱処理システムの一部の実施形態の概略図である。現場熱処理システムは、障壁坑井２００を備えることができる。障壁坑井を使用して、処理領域の周囲に障壁を形成する。この障壁は、処理領域に対して流入および／または流出する流体流を阻止する。障壁坑井としては、限定されないが、脱水坑井、真空坑井、捕獲坑井、注入坑井、グラウト坑井、凍結坑井、またはこれらの組合せが挙げられる。一部の実施形態では、障壁坑井２００は脱水坑井である。脱水坑井は、液体水を除去し、かつ／または液体水が加熱すべき地層または加熱されている地層の一部に入るのを阻止することができる。図１に示す実施形態では、障壁坑井２００は、熱源２０２の片側沿いにだけ延びているが、通常、障壁坑井は、地層の処理領域を加熱するために、使用される熱源２０２または使用すべき熱源２０２のすべてを囲む。
【００５６】
[0072]熱源２０２は地層の少なくとも一部に配置される。熱源２０２としては、絶縁導体、導管中の導体ヒータ、表面バーナ、無炎分配燃焼器、および／または自然分配燃焼器等のヒータが挙げられる。熱源２０２は、他のタイプのヒータであってもよい。熱源２０２は、地層中の炭化水素を加熱するために、地層の少なくとも一部に熱を与える。供給ライン２０４を通って熱源２０２にエネルギーを供給してもよい。供給ライン２０４は、地層の加熱に使用する１つまたは複数の熱源のタイプに応じて、構造的に異なっていてもよい。熱源用供給ライン２０４は、電気ヒータ用の電気を伝達することができ、燃焼器用の燃料を輸送することができ、または地層に循環させる熱交換流体を輸送することができる。一部の実施形態では、現場熱処理プロセス用の電気は、１つまたは複数の原子力発電所により供給することができる。原子力を利用すると、現場熱処理プロセスからの二酸化炭素の排出を減少またはなくすことができる。
【００５７】
[0073]地層が加熱されると、地層への熱入力により、地層の膨張および地質工学的運動が生じ得る。脱水プロセスの前、同時、または間に熱源のスイッチを入れることができる。コンピュータシミュレーションは、加熱に応じたモデル地層とすることができる。コンピュータシミュレーションを使用して、地層の地質工学的運動が熱源、生成坑井、および地層中のその他の設備の機能性に悪影響を与えないように、地層中の熱源を作動させるためのパターンおよび時間系列を開発することができる。
【００５８】
[0074]地層を加熱することにより、地層の透過性および／または多孔性を向上させることができる。透過性および／または多孔性の向上は、水の蒸発および取出し、炭化水素の取出し、および／または割れ目の発生による地層質量の減少から生じ得る。地層の透過性および／または多孔性の向上により、流体は地層の加熱部分でより容易に流れることができる。透過性および／または多孔性の向上により、地層の加熱部分の流体は、地層を通って相当な距離を移動することができる。相当な距離は、地層の透過性、流体の特性、地層の温度、および流体の移動を可能にする圧力勾配等の種々の要因に応じて、１０００ｍ超とすることができる。流体が地層中で相当な距離を進むことができるため、地層中で生成坑井２０６同士を比較的離間させることができる。
【００５９】
[0075]生成坑井２０６を使用して、地層流体を地層から取り出す。一部の実施形態では、生成坑井２０６が熱源を備える。生成坑井の熱源は、生成坑井の、またはその近くの地層の１つまたは複数の部分を加熱することができる。一部の現場熱処理プロセスの実施形態では、生成坑井から地層へ供給される生成坑井１ｍ当たりの熱量は、地層を加熱する熱源から地層に加えられる熱源１ｍ当たりの熱量よりも少ない。生成坑井から地層に加えられる熱は、生成坑井に隣接する液相流体を蒸発させ取り出すことにより、かつ／または大規模な割れ目および／または微小な割れ目の形成によって生成坑井に隣接する地層の透過性を増加させることにより、生成坑井に隣接する地層の透過性を向上させることができる。
【００６０】
[0076]複数の熱源を生成坑井内に位置決めすることができる。隣接する熱源からの熱の重合せが、生成坑井を有する地層を加熱することにより得られる利点を打ち消すのに十分なほど地層を加熱したときに、生成坑井の下部の熱源のスイッチを切ることができる。一部の実施形態では、生成坑井の上部の熱源は、生成坑井の下部の熱源が動作停止された後に残存することができる。坑井の上部の熱源は、地層流体の凝縮および還流を阻止することができる。
【００６１】
[0077]一部の実施形態では、生成坑井２０６の熱源により、地層から地層流体を気相除去することができる。生成坑井で、または生成坑井を通して加熱を行なうと、（１）生成流体が上層土近くの生成坑井で移動しているときに、このような生成流体の凝縮および／または還流を阻止することができる、（２）地層への熱入力を増加させることができる、（３）熱源のない生成坑井と比べて、生成坑井からの生成速度を向上させることができる、（４）生成坑井中で炭素数の大きい化合物（Ｃ６以上）の凝集を阻止することができる、かつ／または（５）生成坑井での、または製造坑井近くの地層の透過性を向上させることができる。
【００６２】
[0078]地層中の地下圧力は、地層で発生した流体圧力に対応し得る。地層の加熱部分の温度が上昇すると、加熱部分の圧力は、現場流体の熱膨張、流体の発生および水の蒸発の増加によって上昇し得る。地層から流体を取り出す際の制御速度により、地層中の圧力を制御することができる。地層中の圧力は、生成坑井またはその付近、熱源またはその付近、あるいはモニター坑井等の複数の異なる場所で判定され得る。
【００６３】
[0079]一部の炭化水素含有地層では、地層からの炭化水素の生成は、地層中の少なくとも一部の炭化水素が流動化および／または熱分解されるまで阻止される。地層流体が選択された品質であるときに、このような地層流体を地層から生成することができる。一部の実施形態では、選択された品質として、少なくとも約２０°、３０°または４０°のＡＰＩ比重が挙げられる。少なくとも一部の炭化水素が流動化および／または熱分解されるまで生成を阻止すると、重質炭化水素の軽質炭化水素への変換を増加させることができる。初期に生成を阻止すると、地層からの重質炭化水素の生成を最少化することができる。実質的な量の重質炭化水素を生成するには、高価な設備を必要とし、かつ／または生成設備の寿命を短縮する可能性がある。
【００６４】
[0080]一部の炭化水素含有地層では、実質的な透過性が地層の加熱部分で発生する前に、地層中の炭化水素を流動化温度および／または熱分解温度まで加熱することができる。初期に透過性がないため、発生した流体が生成坑井２０６に輸送されるのを阻止することができる。初期加熱中に、地層中の流体圧力が熱源２０２近くで上昇し得る。上昇した流体圧力を、１つまたは複数の熱源２０２を通して解放、監視、変化および／または制御することができる。たとえば、選択された熱源２０２または別個の圧力解放坑井は、一部の流体を地層から除去可能な圧力解放弁を備えることができる。
【００６５】
[0081]一部の実施形態では、流動化流体、熱分解流体、または地層中で発生したその他の流体の膨張によって生じる圧力を上昇させることができるが、生成坑井２０６への開放経路または任意の他の圧力沈下が地層中にまだ存在していなくてもよい。流体圧力は、地盤圧力に向かって上昇することができる。流体が地盤圧力に近付くときに、炭化水素含有地層に割れ目が形成され得る。たとえば、割れ目は、地層の加熱部分で熱源２０２から生成坑井２０６に形成され得る。加熱部分の割れ目の発生により、その部分の圧力の一部を解放することができる。望ましくない生成、上層土または下層土の割れ、および／または地層中の炭化水素のコークス化を阻止するために、地層中の圧力を、選択された圧力より低く維持しなければならない。
【００６６】
[0082]流動化温度および／または熱分解温度に到達し、地層からの生成が可能になった後、地層中の圧力を変化させて、生成された地層流体の組成を変更および／または制御し、地層流体の非凝縮性流体と比較して凝縮性流体の百分率を制御し、かつ／または生成されている地層流体のＡＰＩ比重を制御することができる。たとえば、圧力低下により、一層多くの凝縮性流体成分を生成することができる。凝縮性流体成分は、より高い百分率のオレフィンを含有することができる。
【００６７】
[0083]一部の現場熱処理プロセスの実施形態では、地層中の圧力を、２０°を超えるＡＰＩ比重を有する地層流体の生成を促進するのに十分高く維持することができる。地層中で上昇した圧力を維持すると、現場熱処理中に、地層の沈下を阻止することができる。上昇した圧力を維持すると、収集導管中の地層流体を処理設備に輸送するために、表面の地層流体を圧縮する必要性が少なくなるか、またはなくなる。
【００６８】
[0084]地層の加熱部分で上昇した圧力を維持すると、品質が向上した比較的分子量の低い炭化水素を大量に生成することが驚くほどに可能になる。圧力は、生成された地層流体が選択された炭素数を超える化合物を最少量含むように維持され得る。選択された炭素数は、２５以下、２０以下、１２以下、または８以下とすることができる。地層の蒸気中に、炭素数の大きい化合物をいくつか同伴することができ、これらの化合物を蒸気と共に地層から取り出すことができる。地層中で上昇した圧力を維持すると、炭素数の大きい化合物および／または多環炭化水素化合物が蒸気中に同伴されるのを阻止することができる。炭素数の大きい化合物および／または多環炭化水素化合物は、かなりの時間、地層の液相中に残存できる。かなりの時間とは、化合物を熱分解して炭素数の少ない化合物を形成するのに十分な時間であり得る。
【００６９】
[0085]比較的分子量の低い炭化水素の発生は、部分的には、炭化水素含有地層の一部における水素の自己発生および反応によるものと考えられる。たとえば、上昇した圧力を維持することにより、熱分解中に発生した水素を地層内の液相に押し込むことができる。その部分を熱分解温度範囲の温度まで加熱することにより、地層中の炭化水素を熱分解して液相熱分解流体を発生させることができる。発生した液相熱分解流体成分は、二重結合および／またはラジカルを含むことができる。液相中の水素（Ｈ２）は、発生した熱分解流体の二重結合を減少させることにより、発生した熱分解流体からの長鎖化合物の重合または形成の可能性を低下させることができる。加えて、Ｈ２は、発生した熱分解流体中のラジカルを中和することもできる。液相中のＨ２は、発生した熱分解流体が互いに、および／または地層中の他の化合物と反応するのを阻止することができる。
【００７０】
[0086]生成坑井２０６から生成された地層流体を、収集配管２０８を通って処理設備２１０に輸送してもよい。地層流体は熱源２０２からも生成され得る。たとえば熱源に隣接する地層中の圧力を制御するために、流体が熱源２０２から生成され得る。熱源２０２から生成された流体は、チューブもしくは配管を通って収集配管２０８に輸送されるか、またはチューブもしくは配管を通って直接、処理設備２１０に輸送されてもよい。処理設備２１０としては、分離ユニット、反応ユニット、品質向上ユニット、燃料電池、タービン、貯蔵容器、および／またはその他の、生成された地層流体を処理するためのシステムおよびユニットが挙げられる。処理設備は、地層から生成された炭化水素の少なくとも一部から輸送燃料を形成することができる。一部の実施形態では、輸送燃料は、ＪＰ−８等のジェット燃料であってもよい。
【００７１】
[0087]絶縁導体は、ヒータまたは熱源の電気ヒータ素子として使用され得る。絶縁導体は、電気絶縁体により囲まれた内側電気導体（コア）と、外側電気導体（ジャケット）とを備えることができる。電気絶縁体は、鉱物絶縁体（たとえば、酸化マグネシウム）または他の電気絶縁体を含むことができる。
【００７２】
[0088]ある実施形態では、絶縁導体が炭化水素含有地層の開口内に配置される。一部の実施形態では、絶縁導体が炭化水素含有地層の、覆いのない開口に配置される。絶縁導体を炭化水素含有地層の、覆いのない開口に配置すると、放射および伝導によって熱を絶縁導体から地層に伝達することができる。覆いのない開口の使用により、必要な場合に、絶縁導体を坑井から容易に取り出すことができる。
【００７３】
[0089]一部の実施形態では、絶縁導体を、地層のケーシング内に配置し、地層内にセメント固定することができ、または砂、砂利もしくは他の充填材料と共に開口内に詰めることができる。絶縁導体は、開口内に位置決めされた支持部材上に支持され得る。支持部材は、ケーブル、ロッド、または導管（たとえばパイプ）であり得る。支持部材は、金属、セラミック、無機材料、またはこれらの組合せから構成され得る。使用中に支持部材の一部が地層流体および熱に晒されるため、支持部材は化学的耐性および／または熱耐性を有していてもよい。
【００７４】
[0090]つなぎ材、スポット溶接、および／または他のタイプのコネクタを使用して、絶縁導体の長さに沿った種々の位置で、絶縁導体を支持部材に結合することができる。支持部材を、地層の上面の坑井頭部に取り付けることができる。一部の実施形態では、支持部材が必要ないように、絶縁導体が十分な構造的強度を有する。絶縁導体は、多くの場合、少なくとも多少の可撓性を有して、温度変化を受けるときの熱膨張による損傷を阻止することができる。
【００７５】
[0091]ある実施形態では、絶縁導体が、支持部材および／またはセントラライザなしで坑井孔内に配置される。支持部材および／またはセントラライザのない絶縁導体は、耐温度性、耐食性、クリープ強度、長さ、厚さ（直径）、および使用中の絶縁導体の破損を阻止する冶金の適切な組合せを有することができる。
【００７６】
[0092]図２は、絶縁導体２５２の実施形態の端部の斜視図である。絶縁導体２５２は、限定されないが、円形（図２に示す）、三角形、楕円形、矩形、六角形、または不規則形状等の任意の所望の断面形状を有することができる。ある実施形態では、絶縁導体２５２が、コア２１８、電気絶縁体２１４、およびジャケット２１６を備える。コア２１８は、電流がコアを通過するときに抵抗加熱することができる。交流もしくは時変電流および／または直流電流を使用して、コア２１８が抵抗加熱するようにコアに電力を供給することができる。
【００７７】
[0093]一部の実施形態では、電気絶縁体２１４がジャケット２１６への電流漏れおよびアーク放電を阻止する。電気絶縁体２１４は、コア２１８内で発生した熱をジャケット２１６に熱伝導することができる。ジャケット２１６は、地層に熱を放射または伝導することができる。ある実施形態では、絶縁導体２５２の長さが１０００ｍ以上である。より長いまたは短い絶縁導体を使用して、特定の適用の必要性を満たすこともできる。絶縁導体２５２のコア２１８、電気絶縁体２１４、およびジャケット２１６の寸法は、絶縁導体が、作業温度上限でも自立に十分な強度を有するように選択することができる。絶縁導体に沿って炭化水素含有地層内へ延びる支持部材を必要とすることなく、このような絶縁導体を、上層土と炭化水素含有地層との間の界面近くに位置決めされた坑井頭部または支持部から吊り下げることができる。
【００７８】
[0094]絶縁導体２５２は、約１６５０ワット／ｍ以上の電力レベルで動作するように設計され得る。ある実施形態では、絶縁導体２５２が、地層を加熱するときに、約５００ワット／ｍと約１１５０ワット／ｍとの間の電力レベルで動作する。絶縁導体２５２は、一般的な動作温度での最大電圧レベルが電気絶縁体２１４の実質的な熱的および／または電気破壊を生じさせないように設計され得る。絶縁導体２５２は、ジャケット２１６が、ジャケット材料の耐食性を大きく低下させることになる温度を超えないように設計され得る。ある実施形態では、絶縁導体２５２を、約６５０℃〜約９００℃の範囲内の温度に到達するように設計することができる。他の動作範囲を有する絶縁導体を、特定の動作要件を満たすように形成することができる。
【００７９】
[0095]図２は、単一のコア２１８を有する絶縁導体２５２を示す。一部の実施形態では、絶縁導体２５２が２つ以上のコア２１８を有する。たとえば、単一の絶縁導体が３つのコアを有することができる。コア２１８を、金属または別の導電性材料から作製することができる。コア２１８を形成するために使用される材料としては、限定されないが、ニクロム、銅、ニッケル、炭素鋼、ステンレス鋼、およびこれらの組合せが挙げられる。ある実施形態では、オームの法則から導き出されるように、抵抗によって、１ｍ当たりの選択された電力損失、ヒータの長さ、および／またはコア材料に許容される最大電圧について、コア２１８を電気的および構造的に安定させるような直径および抵抗を動作温度で有するものとして、コア２１８が選択される。
【００８０】
[0096]一部の実施形態では、コア２１８が、絶縁導体２５２の長さに沿って異なる材料から作製される。たとえば、コア２１８の第１の区画を、コアの第２の区画よりもかなり抵抗が低い材料から作製することができる。第１の区画を、地層の層に隣接して配置することができ、この層は、第２の区画に隣接する第２の地層の層と同じ温度まで加熱する必要がない。コア２１８の種々の区画の抵抗を、可変直径を有することにより、および／または異なる材料から作製されたコア区画を有することにより調節することができる。
【００８１】
[0097]電気絶縁体２１４を種々の材料から作製することができる。一般に使用されるパウダとしては、限定されないが、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ジルコニア、ＢｅＯ、スピネルの異なる化学的変形物、およびこれらの組合せが挙げられる。ＭｇＯは、良好な熱伝導性および電気絶縁性をもたらすことができる。所望の電気絶縁性は、少ない漏れ電流および高い誘電強度を含む。少ない漏れ電流により熱的破壊の可能性が低下し、高い誘電強度により絶縁体両端のアーク放電の可能性が低下する。漏れ電流によって絶縁体両端のアーク放電にもつながる絶縁体温度の漸進的な上昇が生じた場合に、熱的破壊が起こり得る。
【００８２】
[0098]ジャケット２１６は、外側金属層または導電層であり得る。ジャケット２１６は、高温地層流体に接触していてもよい。ジャケット２１６を、高温で高い耐食性を有する材料から作製することができる。ジャケット２１６の所望の動作温度範囲で使用可能な合金としては、限定されないが、３０４ステンレス鋼、３１０ステンレス鋼、Ｉｎｃｏｌｏｙ（登録商標）８００、およびＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００（Ｉｎｃｏ  Ａｌｌｏｙｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ、Ｗｅｓｔ  Ｖｉｒｇｉｎｉａ、Ｕ．Ｓ．Ａ）が挙げられる。ジャケット２１６の厚さは、高温および腐食環境で３〜１０年耐えるのに十分なものでなければならないとされ得る。ジャケット２１６の厚さは、一般に、約１ｍｍ〜約２．５ｍｍで変化し得る。たとえば、１．３ｍｍ厚さの３１０ステンレス鋼外側層をジャケット２１６として使用して、地層の加熱帯域において３年以上の期間、硫化腐食に対する良好な耐化学性をもたらすことができる。より大きいまたは小さいジャケット厚さを使用して、特定の適用要件を満たしてもよい。
【００８３】
[0099]１つまたは複数の絶縁導体を地層中の開口内に配置して、１つまたは複数の熱源を形成することができる。電流を開口内の各絶縁導体に通過させて地層を加熱することができる。あるいは、電流を開口内の選択された絶縁導体に通過させることができる。未使用の導体を、バックアップヒータとして使用してもよい。絶縁導体は、従来の方法で電源に電気的に結合され得る。絶縁導体の各端部を、坑井頭部を通過する引込みケーブルに結合することができる。このような構成は、通常、熱源の底部近くに位置する１８０°曲がり（「ヘアピン」曲がり）またはターンを有する。１８０°曲がりまたはターンを有する絶縁導体は、底部終端を必要としなくてもよいが、１８０°曲がりまたはターンはヒータの電気的および／または構造的欠点になり得る。絶縁導体は、直列、並列、または直列および並列の組合せで、共に電気的に結合され得る。熱源の一部の実施形態では、電流が絶縁導体の導体に入ることができ、熱源の底部でコア２１８をジャケット２１６（図２に示す）に接続することにより、絶縁導体のジャケットを通って戻ることができる。
【００８４】
[0100]一部の実施形態では、３つの絶縁導体２５２が、３相Ｙ字構成で電源に電気的に結合される。図３は、Ｙ字構成で結合された、地表下地層の開口内の３つの絶縁導体の実施形態を示す。図４は、地層中の開口２３８から取り出し可能な３つの絶縁導体２５２の実施形態を示す。Ｙ字構成の３つの絶縁導体には、底部接続は必要ない。あるいは、Ｙ字構成の３つの絶縁導体のすべてを、開口の底部近くで共に接続してもよい。絶縁導体の加熱区画端部で、または絶縁導体底部で加熱区画に結合されたコールドピン（より抵抗の低い区画）の端部で、接続を直接行うことができる。絶縁体が充填され密閉されたキャニスタ、またはエポキシが充填されたキャニスタとの底部接続を行うことができる。絶縁体は、電気絶縁体として使用される絶縁体と同一の組成であり得る。
【００８５】
[0101]図３および図４に示す３つの絶縁導体２５２を、セントラライザ２２２を使用して支持部材２２０に結合することができる。あるいは、絶縁導体２５２が、金属ストラップを使用して支持部材２２０に直接ストラップ固定される。セントラライザ２２２は、位置を維持し、かつ／または支持部材２２０上での絶縁導体２５２の移動を阻止することができる。セントラライザ２２２は、金属、セラミック、またはこれらの組合せから作製され得る。金属は、ステンレス鋼または腐食および高温環境に耐えることのできる任意の他のタイプの金属であってもよい。一部の実施形態では、セントラライザ２２２が、約６ｍよりも小さい距離で支持部材に溶接された、湾曲した金属ストリップである。セントラライザ２２２で使用されるセラミックは、限定されないが、Ａｌ２０３、ＭｇＯ、または別の電気絶縁体であり得る。セントラライザ２２２は、支持部材２２０上での絶縁導体２５２の位置を維持して、絶縁導体の動作温度で絶縁導体の移動が阻止されるようにする。加熱中の支持部材２２０の膨張に耐えるために、絶縁導体２５２も若干可撓性であり得る。
【００８６】
[0102]支持部材２２０、絶縁導体２５２、およびセントラライザ２２２を、炭化水素層２４０の開口２３８内に配置することができる。絶縁導体２５２を、コールドピン２２６を使用して底部導体接合部２２４に結合することができる。底部導体接合部２２４は、各絶縁導体２５２を互いに電気的に結合することができる。底部導体接合部２２４は、導電性の、開口２３８内の温度では溶解しない材料を含むことができる。コールドピン２２６は、絶縁導体２５２よりも低い電気抵抗を有する絶縁導体であってもよい。
【００８７】
[0103]引込み導体２２８を坑井頭部２４２に結合して、絶縁導体２５２に電力を供給することができる。引込み導体２２８は、引込み導体を通過する電流から比較的少ない熱が発生するように、比較的低い電気抵抗導体から作製され得る。一部の実施形態では、引込み導体がゴムまたはポリマーの絶縁撚り銅線である。一部の実施形態では、引込み導体は銅コアを有する鉱物絶縁導体である。引込み導体２２８は、上層土２４６と表面２５０との間に位置する密閉フランジを通る表面２５０で坑井頭部２４２に結合することができる。密閉フランジにより、開口２３８から表面２５０へ流体が漏れるのを阻止することができる。
【００８８】
[0104]ある実施形態では、引込み導体２２８が転移(transition)導体２３０を使用して絶縁導体２５２に結合される。転移導体２３０は、絶縁導体２５２の抵抗の低い部分である。転移導体２３０を絶縁導体２５２の「コールドピン」と呼ぶことができる。転移導体２３０は、絶縁導体２５２の主な加熱区画の単位長さにおいて損失されるように、単位長さ当たりの電力の約１／１０〜約１／５を損失するよう設計され得る。転移導体２３０は、通常約１．５ｍ〜約１５ｍであるが、より短いまたは長い長さを使用して特定の適用の必要を満たすことができる。実施形態では、転移導体２３０の導体が銅である。転移導体２３０の電気絶縁体は、主な加熱区画で使用される同一のタイプの電気絶縁体であり得る。転移導体２３０のジャケットを耐食材料から作製することができる。
【００８９】
[0105]ある実施形態では、組継ぎまたは他の結合継手により、転移導体２３０が引込み導体２２８に結合される。組継ぎを使用して転移導体２３０を絶縁導体２５２に結合することができる。組継ぎは、目標帯域動作温度の半分に等しい温度に絶えるものでなければならないとされ得る。組継ぎ内の電気絶縁体の密度は、多くの場合において、必要な温度および動作電圧に耐えるのに十分な高さとすべきである。
【００９０】
[0106]一部の実施形態では、図３に示すように、パッキング材料２４８が上層土ケーシング２４４と開口２３８との間に配置される。一部の実施形態では、補強材料２３２が、上層土ケーシング２４４を上層土２４６に固定することができる。パッキング材料２４８は、流体が開口２３８から表面２５０に流れることを阻止する。補強材料２３２としては、たとえば、改良された高い温度性能のシリカ微粉、スラグもしくはシリカ微粉、および／もしくはそれらの混合物と混合されたクラスＧまたはクラスＨポルトランドセメントが挙げられる。一部の実施形態では、補強材料２３２が約５ｃｍ〜約２５ｃｍの幅だけ半径方向に延びる。
【００９１】
[0107]図３および図４に示すように、支持部材２２０および引込み導体２２８を、地層の表面２５０で坑井頭部２４２に結合することができる。表面導体２３４は補強材料２３２を囲み、坑井頭部２４２に結合することができる。表面導体の実施形態は、約３ｍ〜約５１５ｍの深さまで地層中の開口内へ延びる。あるいは、表面導体が約９ｍの深さまで地層中に延びることができる。電流を電源から絶縁導体２５２に供給して、絶縁導体の電気抵抗により熱を発生させることができる。３つの絶縁導体２５２から発生した熱は、開口２３８内で伝達して、炭化水素層２４０の少なくとも一部を加熱する。
【００９２】
[0108]絶縁導体２５２により発生した熱は、炭化水素含有地層の少なくとも一部を加熱することができる。一部の実施形態では、発生した熱を実質的に地層に放射することにより、熱を地層に伝達することができる。開口内にあるガスによる熱の伝導または対流によって、一部の熱を伝達することができる。開口は、図３および図４に示すような覆いのない開口であり得る。覆いのない開口により、ヒータを地層に熱でセメント固定することに関連する費用、ケーシングに関連する費用、および／または開口内へヒータを詰める費用が不要になる。加えて、放射により伝達された熱は、通常、伝導よりも効率的であるため、ヒータを開口した坑井孔内において低温度で動作させることができる。熱源の初期動作中の伝導熱伝達を、開口内のガスを追加することによって強化することができる。ガスは、約２７絶対バール以下の圧力で維持され得る。ガスとしては限定されないが、二酸化炭素および／またはヘリウムが挙げられる。開口した坑井孔内の絶縁導体ヒータは、熱膨張および収縮に対応するように自由に膨張または収縮することが有利となり得る。絶縁導体ヒータは、開口した坑井孔から取り出すことができ、または再配置することができると有利となり得る。
【００９３】
[0109]ある実施形態では、絶縁導体ヒータアセンブリが、スプール巻きアセンブリを使用して設置または取り外される。複数のスプール巻きアセンブリを使用して、絶縁導体および支持部材を同時に設置することができる。あるいは、コイルチューブユニットを使用して支持部材を設置することができる。支持部が坑井に挿入されると、ヒータを巻き出して支持部に接続することができる。電気ヒータおよび支持部材を、スプール巻きアセンブリから巻き出すことができる。スペーサを、支持部材の長さに沿って支持部材およびヒータに結合することができる。追加のスプール巻きアセンブリを、追加の電気ヒータ素子用に使用してもよい。
【００９４】
[0110]温度制限ヒータは、ある温度でヒータに自動温度制限特性を与える構成であってもよく、かつ／またはそのような材料を含んでいてもよい。ある実施形態では、強磁性材料が温度制限ヒータで使用される。強磁性材料は、材料のキュリー温度および／もしくは相転移温度範囲またはその近くの温度を自己制限して、時変電流が材料に印加されたときに減量された熱を供給することができる。ある実施形態では、強磁性材料が、温度制限ヒータの温度を、おおよそキュリー温度および／または相転移温度範囲内の選択された温度で自己制限する。ある実施形態では、選択された温度がキュリー温度および／または相転移温度範囲の約３５℃以内、約２５℃以内、約２０℃以内、または約１０℃以内である。ある実施形態では、強磁性材料が他の材料（たとえば、高伝導性材料、高強度材料、耐食材料、またはこれらの組合せ）に結合されて、種々の電気的および／または機械的特性を提供する。温度制限ヒータの一部は、（異なる形状により、かつ／または異なる強磁性および／もしくは非強磁性材料を使用することによって生じる）温度制限ヒータの他の部分よりも低い抵抗を有することができる。温度制限ヒータの一部が種々の材料および／または寸法を有することにより、ヒータの各部分からの所望の熱出力の調整が可能になる。
【００９５】
[0111]温度制限ヒータは、他のヒータよりも信頼性が高くなり得る。温度制限ヒータは、地層中のホットスポットによる破壊や破損を受けにくいとされ得る。一部の実施形態では、温度制限ヒータにより、地層のほぼ均一な加熱が可能になる。一部の実施形態では、温度制限ヒータは、ヒータの全長によったより高い平均熱出力で動作することによって、一層効率的に地層を加熱することができる。温度制限ヒータは、ヒータの全長に沿ったより高い平均熱出力で動作する。これは、ヒータの任意の点に沿った温度がヒータの最高動作温度を超えるか、またはほぼ超えようとしている場合に、通常の一定の消費電力ヒータの場合と同様に、ヒータへの電力をヒータ全体まで減少させる必要がないからである。温度制限ヒータのキュリー温度および／または相転移温度範囲に近付く温度制限ヒータの一部からの熱出力は、ヒータに印加される時変電流の制御調節なしで自動的に減少する。熱出力は、温度制限ヒータの一部の電気特性（たとえば、電気抵抗）の変化によって自動的に減少する。したがって、加熱プロセスのより多くの部分で、温度制限ヒータによって一層多くの電力が供給される。
【００９６】
[0112]ある実施形態では、温度制限ヒータを備えたシステムが最初に第１の熱出力を提供し、次に、温度制限ヒータが時変電流により通電されるときに、ヒータの電気抵抗部分のキュリー温度および／または相転移温度範囲に近い、その温度および／または温度範囲の、またはそれよりも高い、減少した（第２の）熱出力を提供する。第１の熱出力は、それよりも低い温度で温度制限ヒータが自己制限を開始する熱出力である。一部の実施形態では、第１の熱出力が、温度制限ヒータの強磁性材料のキュリー温度および／または相転移温度範囲よりも低い温度である約５０℃、約７５℃、約１００℃、または約１２５℃の熱出力である。
【００９７】
[0113]温度制限ヒータを、坑井頭部で供給された時変電流（交流電流または変調直流電流）により通電することができる。坑井頭部は、温度制限ヒータに電力を供給する際に使用される電源および他の部品（たとえば、変調部品、変圧器、および／または蓄電器）を備えることができる。温度制限ヒータは、地層の一部を加熱するために使用される多くのヒータの１つであってもよい。
【００９８】
[0114]一部の実施形態では、比較的薄い導電層を使用して、強磁性導体のキュリー温度および／もしくは相転移温度範囲またはその近くの温度以下の温度で、温度制限ヒータの電気抵抗熱出力の大部分を提供する。このような温度制限ヒータを、絶縁導体ヒータの加熱部材として使用することができる。絶縁導体ヒータの加熱部材は、外装と加熱部材との間に絶縁層を有して、外装内に位置決めされ得る。
【００９９】
[0115]図５Ａおよび図５Ｂは、加熱部材としての温度制限ヒータを有する絶縁導体ヒータの実施形態の断面図である。絶縁導体２５２は、コア２１８、強磁性導体２３６、内側導体２１２、電気絶縁体２１４、およびジャケット２１６を備える。コア２１８は銅コアである。強磁性導体２３６は、たとえば、鉄または鉄合金である。
【０１００】
[0116]内側導体２１２は、強磁性導体２３６よりも導電性の高い、非強磁性材料の比較的薄い導電層である。ある実施形態では、内側導体２１２が銅である。内側導体２１２は銅合金であってもよい。銅合金は、通常、純銅よりも平坦な抵抗対温度プロファイルを有する。より平坦な抵抗対温度プロファイルにより、キュリー温度および／または相転移温度範囲までの温度に応じて、熱出力をより小さく変動させることができる。一部の実施形態では、内側導体２１２は６重量％のニッケルを含む銅（たとえば、ＣｕＮｉ６またはＬＯＨＭ（商標））である。一部の実施形態では、内側導体２１２はＣｕＮｉ１０Ｆｅ１Ｍｎ合金である。強磁性導体２３６のキュリー温度および／または相転移温度範囲未満で、強磁性導体の磁気特性が、内側導体２１２への電流の流れの大部分を限定する。したがって、内側導体２１２は、キュリー温度および／または相転移温度範囲未満の絶縁導体２５２の抵抗熱出力の大部分を提供する。
【０１０１】
[0117]ある実施形態では、内側導体２１２が、コア２１８および強磁性導体２３６と共に、内側導体が所望の熱出力量および所望のターンダウン比を提供するように寸法付けされる。たとえば、内側導体２１２は、コア２１８の断面積の約１／２〜１／３の断面積を有することができる。通常、内側導体２１２は、内側導体が銅または銅合金である場合に所望の熱出力を提供するために、比較的小さい断面積を有していなければならない。銅内側導体２１２を有する実施形態では、コア２１８が０．６６ｃｍの直径を有し、強磁性導体２３６が０．９１ｃｍの外径を有し、内側導体２１２が１．０３ｃｍの外径を有し、電気絶縁体２１４が１．５３ｃｍの外径を有し、ジャケット２１６が１．７９ｃｍの外径を有する。ＣｕＮｉ６内側導体２１２を有する実施形態では、コア２１８が０．６６ｃｍの直径を有し、強磁性導体２３６が０．９１ｃｍの外径を有し、内側導体２１２が１．１２ｃｍの外径を有し、電気絶縁体２１４が１．６３ｃｍの外径を有し、ジャケット２１６が１．８８ｃｍの外径を有する。このような絶縁導体は、通常、キュリー温度および／または相転移温度範囲未満の熱出力の大部分を提供する薄い内側導体を使用しない絶縁導体よりも小さく、安価に製造できる。
【０１０２】
[0118]電気絶縁体２１４は、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化ベリリウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、またはこれらの組合せとすることができる。ある実施形態では、電気絶縁体２１４が酸化マグネシウムの圧縮パウダである。一部の実施形態では、電気絶縁体２１４が窒化ケイ素のビードを含む。
【０１０３】
[0119]ある実施形態では、小さい材料層が電気絶縁体２１４と内側導体２１２との間に配置されて、銅が高温で電気絶縁体内へ移動することを阻止する。たとえば、小さいニッケル層（たとえば、約０．５ｍｍのニッケル）を電気絶縁体２１４と内側導体２１２との間に配置することができる。
【０１０４】
[0120]ジャケット２１６は、限定されないが、３４７ステンレス鋼、３４７Ｈステンレス鋼、４４６ステンレス鋼、または８２５ステンレス鋼等の耐食材料から作製される。一部の実施形態では、ジャケット２１６は、強磁性導体２３６のキュリー温度および／もしくは相転移温度範囲またはそれよりも高い温度で絶縁導体２５２に多少の機械強度を与える。ある実施形態では、電流を伝導するためにジャケット２１６が使用されない。
【０１０５】
[0121]絶縁導体を比較的長い長さ（たとえば、１０ｍ以上の長さ）に作製する際に多くの考えられる問題がある。たとえば、絶縁導体に電気絶縁体を形成するために使用される材料のブロック管に間隙が存在するおそれがあり、かつ／または絶縁体両端の破壊電圧が、このようなヒータ長さに沿って熱を供給するために必要な動作電圧に耐えるのに十分な高さではないおそれがある。絶縁導体としては、ヒータとして使用される絶縁導体、および／または地層の上層土区画として使用される絶縁導体（熱出力をほとんどまたは全く提供しない絶縁導体）が挙げられる。絶縁導体は、たとえば、鉱物絶縁ケーブル等の鉱物絶縁導体であってもよい。
【０１０６】
[0122]絶縁導体を作製（形成）する典型的なプロセスでは、絶縁導体のジャケットが、導電性材料（たとえば、ステンレス鋼）のストリップとして始まる。ジャケットストリップは、部分円筒形に形成され（長手方向に丸められ）、電気絶縁体ブロック（たとえば、酸化マグネシウムブロック）が部分円筒形ジャケットに挿入される。挿入されたブロックは、半円筒ブロック等の部分円筒ブロックであってもよい。ブロックの挿入に続いて、通常は中実の円筒である長手方向コアが、部分円筒内および半円筒ブロック内に配置される。コアは、銅、ニッケル、および／または鋼等の導電性材料から作製される。
【０１０７】
[0123]電気絶縁体ブロックおよびコアが定位置に配置されると、ブロックおよびコアを含むジャケットの部分が、ブロックおよびコアの周りの完全な円筒に形成され得る。円筒を閉じるジャケットの長手方向縁部を溶接して、ジャケット内にコアおよび電気絶縁体ブロックを有する絶縁導体アセンブリ形成することができる。ブロックを挿入してジャケット円筒を閉じるプロセスを、ジャケットの長さに沿って繰り返して、所望の長さの絶縁導体アセンブリを形成することができる。
【０１０８】
[0124]絶縁導体アセンブリが形成されると、アセンブリの間隙および／または多孔性を減らすためのさらなるステップを取ることができる。たとえば、絶縁導体アセンブリは、漸減システム（冷間加工システム）を通って移動して、アセンブリの間隙を減少させることができる。漸減システムの一例は、ローラシステムである。ローラシステムでは、アセンブリが水平および垂直ローラ間に交互にある状態で、絶縁導体アセンブリが複数の水平および垂直ローラを通って前進することができる。ローラは、絶縁導体アセンブリの大きさを最終の所望の外径または断面積（たとえば、外側電気導体（外装もしくはジャケット等）の外径または断面積）まで漸減することができる。
【０１０９】
[0125]ある実施形態では、絶縁導体アセンブリが、圧延ステップ間で熱処理および／または焼きなましされる。絶縁導体アセンブリの熱処理は、絶縁導体アセンブリで使用される金属の機械的特性を取り戻して、絶縁導体アセンブリのさらなる圧延（冷間加工）を可能にするために必要とされ得る。たとえば、絶縁導体アセンブリを熱処理および／または焼きなましして、アセンブリの金属の応力を低下させ、金属の冷間加工（漸減）特性を向上させることができる。
【０１１０】
[0126]しかしながら、絶縁導体アセンブリの熱処理は、通常、絶縁導体アセンブリの誘電破壊電圧（誘電強度）を低下させる。たとえば、熱処理は、絶縁導体アセンブリで使用される金属の通常の熱処理について、破壊電圧を約５０％以上低下させ得る。このような破壊電圧の低下によって、絶縁導体アセンブリが長いヒータに必要な中電圧〜高電圧（たとえば、約５ｋＶ以上の電圧）で使用されるときに、短絡または他の電気的破壊を生じさせるおそれがある。
【０１１１】
[0127]ある実施形態では、熱処理後の絶縁導体アセンブリの最終圧延（冷間加工）が、破壊電圧を長いヒータについての許容値まで回復させることができる。しかしながら、最終圧延は、許容限度を超えるアセンブリの金属の歪みまたは過剰歪みを避けるために、絶縁導体アセンブリの前の圧延ほど大きな圧延でなくてもよい。最終圧延での圧延が多すぎると、絶縁導体アセンブリの金属に機械的特性を回復させるために、追加の熱処理が必要になるおそれがある。
【０１１２】
[0128]図６は、予冷間加工、予熱処理絶縁導体２５２の実施形態を示す。ある実施形態では、絶縁導体が、コア２１８、電気絶縁体２１４、およびジャケット２１６（たとえば、外装または外側電気導体）を備える。一部の実施形態では、電気絶縁体２１４が絶縁材料の複数のブロックから作製される。ある実施形態では、絶縁導体２５２が、絶縁導体を最終寸法まで最終圧延する前の冷間加工／熱処理プロセスで処理される。たとえば、絶縁導体アセンブリを冷間加工して、アセンブリの断面積を少なくとも約３０％だけ減少させ、次に、誘導コイル出口の光高温計で測定される少なくとも約８７０℃の温度で熱処理ステップを行うことができる。図７は、冷間加工および熱処理後の、図６に示す絶縁導体２５２の実施形態を示す。冷間加工および熱処理絶縁導体２５２は、予冷間加工、予熱処理絶縁導体のジャケット２１６と比較して、ジャケット２１６の断面積を約３０％だけ減少させることができる。一部の実施形態では、冷間加工および熱処理プロセス中に、電気絶縁体２１４および／またはコア２１８の断面積が約３０％だけ減少する。
【０１１３】
[0129]一部の実施形態では、絶縁導体アセンブリを冷間加工して、アセンブリの断面積を約３５％以下または絶縁導体アセンブリの機械破損点近くまで減少させる。一部の実施形態では、絶縁導体アセンブリが、約７６０℃〜約９２５℃の温度（たとえば、アセンブリの電気絶縁体を溶融させることなく、絶縁導体アセンブリの金属に機械的完全性をできるだけ回復させる温度）で熱処理および／または焼きなましされる。一部の実施形態では、熱処理ステップが、絶縁導体アセンブリを所望の温度まで急速に加熱した後に、アセンブリを周囲温度に急冷するステップを含む。
【０１１４】
[0130]ある実施形態では、絶縁導体アセンブリの断面積がアセンブリの所望の最終断面積に近付く（たとえば、約５％〜約１５％以内）まで、冷間加工／熱処理ステップが２回以上繰り返される。絶縁導体アセンブリの断面積をアセンブリの最終断面積に近付ける熱処理ステップの後、最終ステップでアセンブリが冷間加工されて、絶縁導体アセンブリの断面積を最終断面積まで減少させる。図８は、冷間加工後の、図７に示す絶縁導体２５２の実施形態を示す。図８のジャケット２１６の実施形態の断面積を、図７のジャケット２１６の実施形態と比較して約１５％減少させることができる。ある実施形態では、最終冷間加工ステップにより、絶縁導体アセンブリの断面積を約５％〜約２０％の範囲の量だけ減少させる。一部の実施形態では、最終冷間加工ステップにより、絶縁導体アセンブリの断面積を約１０％〜約２０％の範囲の量だけ減少させる。一部の実施形態では、電気絶縁体２１４および／またはコア２１８の断面積が、冷間加工および熱処理プロセス中に減少される。
【０１１５】
[0131]最終冷間加工ステップ中に絶縁導体アセンブリの断面積の減少を約２０％以下に制限すると、地表下地層の加熱の際に使用する絶縁導体アセンブリのジャケット（外側導体）の十分な機械的完全性を維持しながら、絶縁導体アセンブリの断面積が所望の値まで減少する。したがって、絶縁導体アセンブリの機械的完全性を回復させるためのさらなる熱処理の必要性がなくなるか、実質的に少なくなる。最終冷間加工ステップ中に絶縁導体アセンブリの断面積を約２０％超減少させるには、地表下地層中の長いヒータとして使用するのに十分な絶縁導体アセンブリに機械的完全性を回復させるために、さらなる熱処理が必要になり得る。
【０１１６】
[0132]加えて、冷間加工を、熱処理の代わりに絶縁導体アセンブリを作製するプロセスにおける最終ステップにすること、および／または熱処理することにより、絶縁導体アセンブリの誘電破壊電圧を向上させる。絶縁導体アセンブリの冷間加工（断面積の減少）によって、アセンブリの電気絶縁体の細孔容積および／または多孔性が減少する。電気絶縁体の細孔容積および／または多孔性が減少すると、電気絶縁体の電気的短絡および／または破損の経路がなくなることによって破壊電圧が上昇する。したがって、冷間加工を熱処理（通常は破壊電圧を低下させる）の代わりに最終ステップにすると、断面積を最大約２０％まで減少させる最終冷間加工ステップを使用して、より高い破壊電圧絶縁導体アセンブリを製造することができる。
【０１１７】
[0133]一部の実施形態では、最終冷間加工ステップ後の破壊電圧が、予熱処理絶縁導体アセンブリの破壊電圧（誘電強度）に近付く。ある実施形態では、最終冷間加工ステップ後の絶縁導体アセンブリの電気絶縁の誘電強度が、予熱処理された絶縁導体の電気絶縁の誘電強度の約１０％以内、約５％以内、または約２％以内である。ある実施形態では、絶縁導体アセンブリの破壊電圧が約１２ｋＶ〜約２０ｋＶである。
【０１１８】
[0134]このような良好な破壊電圧特性（約１２ｋＶ超の破壊電圧）を有する絶縁導体アセンブリは、より小さい直径（断面積）を有することができ、地表下地層中の同様の長さを加熱するためのより低い破壊電圧を有する絶縁導体アセンブリと同一の出力を提供することができる。より高い破壊電圧によって絶縁導体アセンブリの直径をより小さくすることができるため、より少ない絶縁ブロックを使用して、同じ長さのヒータを作製することができる。というのも、絶縁ブロックは、より小さい直径まで圧縮されたときにさらに細長になる（より長くなる）からである。したがって、絶縁導体アセンブリを構成するために使用するブロックの数を減少させて、電気絶縁の材料費を節約することができる。
【０１１９】
[0135]比較的長い絶縁導体を作製する（たとえば、１０ｍ以上の長さ）ための考えられる別の解決法は、電気絶縁体をパウダベースの材料から製造することである。たとえば、圧縮された鉱物パウダ絶縁体を使用して、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）絶縁導体等の鉱物絶縁導体を製造し、絶縁導体のコア上および外装内側に電気絶縁体を形成することができる。電気絶縁パウダを使用して絶縁導体を形成する以前の試みは、パウダ流、導体（コア）の心合わせ、および外側外装またはジャケットの溶接プロセス中のパウダ（たとえば、ＭｇＯパウダ）との相互作用に関連する問題のため、ほとんど成功しなかった。パウダ取扱い技術の新しい開発により、パウダによる絶縁導体の作製を改良することができる。絶縁導体をパウダ絶縁体から製造すると、材料費が低下し、絶縁導体を作製する他の方法と比較して製造信頼性が高まる。
【０１２０】
[0136]図９は、電気絶縁体用のパウダを使用して絶縁導体を製造するためのプロセスの実施形態を示す。ある実施形態では、プロセス２６８が、チューブミルまたは他のチューブ（パイプ）アセンブリ設備で行われる。ある実施形態では、プロセス２６８が、第１の外装材料２７４および導体（コア）材料２７６のそれぞれをプロセスフローラインに供給するスプール２７０およびスプール２７２から始まる。ある実施形態では、第１の外装材料２７４がステンレス鋼等の薄い外装材料であり、コア材料２７６が銅棒またはコアに使用される別の導電性材料である。第１の外装材料２７４およびコア材料２７６は、心合わせロール２７８を通過することができる。図９に示すように、心合わせロール２７８はコア材料２７６を第１の外装材料２７４上に心合わせすることができる。
【０１２１】
[0137]心合わせされたコア材料２７６および第１の外装材料２７４は、後で圧縮および心合わせロール２８０に入ることができる。圧縮および心合わせロール２８０は、第１の外装材料２７４をコア材料２７６周りの管に形成することができる。図９に示すように、第１の外装材料の上流部分の外装形成ロール２８１からの圧力のため、圧縮および心合わせロール２８０に到達する前に、第１の外装材料２７４を管に形成し始めることができる。第１の外装材料２７４が管に形成され始めると、電気絶縁パウダ２８２が、パウダディスペンサ２８４から第１の外装材料内に加えられる。一部の実施形態では、パウダ２８２が、第１の外装材料２７４に入る前にヒータ２８６によって加熱される。ヒータ２８６は、たとえば、パウダ２８２を加熱してパウダから水分を放出させ、かつ／またはより良好なパウダの流れ特性および最終組立導体の誘電特性を提供する誘導ヒータであってもよい。
【０１２２】
[0138]パウダ２８２が第１の外装材料２７４に入ると、アセンブリが、圧縮および心合わせロール２８０に入る前に振動機２８８を通過することができる。振動機２８８は、アセンブリを振動させて、第１の外装材料２７４内でパウダ２８２の圧縮を強める。ある実施形態では、第１の外装材料２７４へのパウダ２８２の充填および振動機２８８上流の他のプロセスステップは、垂直（換言すれば、鉛直）構成で行われる。このようなプロセスステップを垂直構成で行うことにより、第１の外装材料２７４内でより良好なパウダ２８２の圧縮が行われる。図９に示すように、プロセス２６８の垂直構成は、アセンブリが圧縮および心合わせロール２８０を通過する間に水平構成に移行し得る。
[0139]第１の外装材料２７４、コア材料２７６、およびパウダ２８２のアセンブリが圧縮および心合わせロール２８０から出ると、第２の外装材料２９０をアセンブリの周りに供給することができる。第２の外装材料２９０は、スプール２９２から供給され得る。第２の外装材料２９０は、第１の外装材料２７４より厚い外装材料であってもよい。ある実施形態では、第１の外装材料２７４が、プロセスの後の段階で（たとえば、絶縁導体の外径の減少中に）壊れたり欠陥を生じさせたりすることなく許容されているものと同様の薄さを有する。第２の外装材料２９０は、それでも絶縁導体の外径を所望の寸法まで最終的に減少させることの可能な、できるだけ大きい厚さを有することができる。第１の外装材料２７４および第２の外装材料２９０の厚さの組合せは、たとえば、絶縁導体の最終外径の約１／３〜約１／８（たとえば約１／６）であってもよい。
【０１２３】
[0140]一部の実施形態では、第１の外装材料２７４が、約０．０５０８ｃｍ（０．０２０インチ）〜約０．１９０５ｃｍ（０．０７５インチ）（たとえば、約０．０８８９ｃｍ（０．０３５インチ））の厚さを有し、第２の外装材料２９０が、最終圧延ステップ後に約２．５４ｃｍ（１インチ）の最終外径を有する絶縁導体について、約０．２５４ｃｍ（０．１００インチ）〜約０．３８１ｃｍ（０．１５０インチ）（たとえば、約０．３１７５ｃｍ（０．１２５インチ））の厚さを有する。一部の実施形態では、第２の外装材料２９０が第１の外装材料２７４と同じ材料である。一部の実施形態では、第２の外装材料２９０が、第１の外装材料２７４と異なる材料（たとえば、異なるステンレス鋼またはニッケル合金）である。
【０１２４】
[0141]第２の外装材料２９０を、形成ロール２９４により、第１の外装材料２７４、コア材料２７６、およびパウダ２８２のアセンブリ周りの管に形成することができる。第２の外装材料２９０を管に形成した後、第２の外装材料の長手方向縁部を、溶接機２９６を使用して共に溶接することができる。溶接機２９６は、たとえば、ステンレス鋼を溶接するためのレーザ溶接機であってもよい。第２の外装材料２９０の溶接により、アセンブリを、第１の外装材料２７４および絶縁導体の外装（ジャケット）を形成する第２の外装材料を有する絶縁導体２５２に形成する。
【０１２５】
[0142]絶縁導体２５２が形成された後、絶縁導体を１つまたは複数の圧延ロール２９８に通過させる。圧延ロール２９８は、外装（第１の外装材料２７４および第２の外装材料２９０）ならびにコア（コア材料２７６）の冷間加工により、絶縁導体２５２の外径を、最大で約３５％だけ減少させることができる。絶縁導体２５２の断面の減少に続いて、絶縁導体をヒータ３００により熱処理して、急冷器３０２で急冷することができる。ヒータ３００は、たとえば、誘導ヒータであり得る。急冷器３０２は、たとえば、絶縁導体２５２を急速に冷却する水急冷を使用することができる。一部の実施形態では、絶縁導体２５２が最終圧延ステップのために圧延ロール３０４に供給される前に、絶縁導体２５２の外径の減少に続いて、熱処理および急冷が１回または複数回繰り返されることができる。
【０１２６】
[0143]ヒータ３００および急冷器３０２での絶縁導体２５２の熱処理および急冷後、絶縁導体を最終圧延ステップ（最終冷間加工ステップ）のために圧延ロール３０４に通過させる。最終圧延ステップにより、絶縁導体２５２の外径（断面積）を、最終圧延ステップ前の断面の約５％〜約２０％まで減少させることができる。最終圧延された絶縁導体２５２は、次に、スプール３０６に供給されることができる。スプール３０６は、たとえば、絶縁導体（ヒータ）をヒータアセンブリ位置に搬送するために使用されるコイルチューブリグ(rig)または他のスプールであってもよい。
【０１２７】
[0144]ある実施形態では、第１の外装材料２７４および第２の外装材料２９０の使用を組み合わせると、プロセス２６８中にパウダ２８２を使用することにより絶縁導体２５２を形成することができる。たとえば、第１の外装材料２７４は、パウダ２８２が第２の外装材料２９０の溶接部と相互作用しないように保護することができる。ある実施形態では、第１の外装材料２７４の設計により、パウダ２８２と第２の外装材料２９０の溶接部との相互作用を阻止する。図１０および図１１は、絶縁導体２５２で使用される第１の外装材料２７４の設計の２つの考えられる実施形態の断面図である。
【０１２８】
[0145]図１０Ａは、絶縁導体２５２内の第１の外装材料２７４の第１の設計実施形態の断面図である。図１０Ａは、絶縁導体２５２が図９に示す圧縮および心合わせロール２８０を通過するときの絶縁導体２５２を示す。図１０Ａに示すように、第１の外装材料２７４は、第１の外装材料がパウダ２８２およびコア材料２７６周りの管に形成されるときにそれ自身に重なる（重なり３０８として示す）。重なり３０８は、第１の外装材料２７４の長手方向縁部間の重なりである。
【０１２９】
[0146]図１０Ｂは、第２の外装材料２９０が管に形成され第１の外装材料２７４周りに溶接された、第１の設計実施形態の断面図である。図１０Ｂは、絶縁導体２５２が図９に示す溶接機２９６を通過した直後の絶縁導体２５２を示す。図１０Ｂに示すように、第１の外装材料２７４が、第２の外装材料２９０により形成された管内に載置される（たとえば、外装材料の上部間に間隙がある）。溶接部３１０は第２の外装材料２９０を接合して、第１の外装材料２７４周りに管を形成する。一部の実施形態では、溶接部３１０は重なり３０８に、またはその近くに配置される。他の実施形態では、溶接部３１０が重なり３０８とは異なる位置にある。第１の外装材料２７４が溶接部と第１の外装材料内のパウダ２８２との相互作用を阻止するので、溶接部３１０の位置は重要でなくてもよい。第１の外装材料２７４の重なり３０８は、パウダ２８２を密封して、パウダが第２の外装材料２９０および／または溶接部３１０に接触するのを阻止することができる。
【０１３０】
[0147]図１０Ｃは、多少の圧延後に第２の外装材料２９０が第１の外装材料２７４周りの管に形成された、第１の設計実施形態の断面図である。図１０Ｃは、絶縁導体２５２が図９に示す圧延ロール２９８を通過するときの絶縁導体２５２を示す。図１０Ｃに示すように、第２の外装材料２９０が圧延ロール２９８により圧延されて、第２の外装材料が第１の外装材料２７４に接触する。ある実施形態では、第２の外装材料２９０が、圧延ロール２９８の通過後に第１の外装材料２７４に密着している。
【０１３１】
[0148]図１０Ｄは、絶縁導体２５２が図９に示す圧延ロール３０４で最終圧延ステップを通過するときの第１の設計実施形態の断面図である。図１０Ｄに示すように、絶縁導体２５２の断面積が最終圧延ステップ中に減少するときに、重なり３０８によって、第１の外装材料２７４および／または第２の外装材料２９０の外面および内面に沿って多少の膨張または不均一があり得る。重なり３０８により、第１の外装材料２７４の内面に沿って多少の不連続が生じ得る。しかしながら、この不連続は、絶縁導体２５２内に発生する電界に最小の影響しか与えないとされ得る。したがって、絶縁導体２５２は、最終圧延ステップ後、地表下地層の加熱の際に使用する十分な破壊電圧を有することができる。第２の外装材料２９０は、絶縁導体２５２に密封腐食障壁を提供することができる。
【０１３２】
[0149]図１１Ａは、絶縁導体２５２内の第１の外装材料２７４の第２の設計実施形態の断面図である。図１１Ａは、絶縁導体２５２が図９に示す圧縮および心合わせロール２８０を通過するときの絶縁導体２５２を示す。図１１Ａに示すように、第１の外装材料２７４は、第１の外装材料がパウダ２８２およびコア材料２７６周りで管に形成されるときに管の長手方向縁部間に間隙３１２を有する。
【０１３３】
[0150]図１１Ｂは、第２の外装材料２９０が管に形成され第１の外装材料２７４周りに溶接された、第２の設計実施形態の断面図である。図１１Ｂは、絶縁導体２５２が図９に示す溶接機２９６を通過した直後の絶縁導体２５２を示す。図１１Ｂに示すように、第１の外装材料２７４が、第２の外装材料２９０により形成された管内に載置される（たとえば、外装材料の上部間に間隙がある）。溶接部３１０は第２の外装材料２９０を接合して、第１の外装材料２７４周りに管を形成する。ある実施形態では、溶接部３１０が間隙３１２とは異なる位置にあり、溶接部と第１の外装材料２７４内のパウダ２８２との相互作用を回避する。
【０１３４】
[0151]図１１Ｃは、多少の圧延後に第２の外装材料２９０が第１の外装材料２７４周りの管に形成された、第２の設計実施形態の断面図である。図１１Ｃは、絶縁導体２５２が図９に示す圧延ロール２９８を通過するときの絶縁導体２５２を示す。図１１Ｃに示すように、第２の外装材料２９０が圧延ロール２９８により圧延されて、第２の外装材料が第１の外装材料２７４に接触する。ある実施形態では、第２の外装材料２９０が、圧延ロール２９８の通過後に第１の外装材料２７４に密着している。絶縁導体が圧延ロール２９８を通過すると、絶縁導体２５２の圧延中に間隙３１２が減少する。ある実施形態では、間隙３１２が減少して、間隙の各側の第１の外装材料２７４の端部が圧延後に互いに当接するようになっている。
【０１３５】
[0152]図１１Ｄは、絶縁導体２５２が図９に示す圧延ロール３０４で最終圧延ステップを通過するときの第２の設計実施形態の断面図である。図１１Ｄに示すように、間隙３１２の箇所で第１の外装材料２７４の内面に沿って多少の不連続があり得る。しかしながら、この不連続は絶縁導体２５２内に発生する電界に最小の影響しか与えないとされ得る。したがって、絶縁導体２５２は、最終圧延ステップ後、地表下地層の加熱の際に使用する十分な破壊電圧を有することができる。
【０１３６】
[0153]本発明は記載された特定のシステムに限定されるものではなく、当然変更可能であることを理解されたい。また、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、限定的なものではないことを理解されたい。本明細書で使用されるように、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、特に明記されていなければ、複数の指示対象を含む。したがって、たとえば、「１つのコア」への言及は２つ以上のコアの組合せを含み、「１つの材料」への言及は材料の混合物を含む。
【０１３７】
[0154]本発明の種々の態様のさらなる修正および代替実施形態が、本説明を考慮して当業者に明らかになろう。したがって、本説明は、単に例示として解釈されるべきであり、本発明を実施する一般的な方法を当業者に教示するためのものである。本明細書に図示され記載された本発明の形態は、現在好ましいものであると考えられることを理解されたい。要素および材料を、本明細書に図示され記載されたものに置き換えることができ、部品およびプロセスを入れ替えることができ、本発明のある特徴を独立して使用することができる。これらはすべて、本発明の記載の利点を得た後に当業者に明らかになろう。以下の特許請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された要素に変更を加えることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【国際調査報告】
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