СИСТЕМЫ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПРОВОДНИКОВ
SYSTEMS FOR JOINING INSULATED CONDUCTORS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системам для изолированных проводников, используемым в нагревательных элементах. Более конкретно, изобретение относится к соединительному устройству для сращивания кабелей с изолированными проводниками.
Предшествующий уровень техники
Углеводороды, получаемые из подземных формаций, часто используются как источник энергии, как сырье для промышленности и как продукт потребления. Озабоченность в отношении истощения доступных углеводородных ресурсов и в связи с ухудшением общего качества добываемых углеводородов привела к разработке процессов более эффективного восстановления, обработки и/или использования доступных углеводородных ресурсов. Процессы, исполняемые на месте, могут использоваться для извлечения углеводородных материалов из подземных формаций, которые ранее были недоступными и/или слишком дорогостоящими для добычи доступными способами. Химические и/или физические свойства углеводородного материала в подземной формации могут потребовать изменения для обеспечения более простого извлечения углеводородного материала из подземной формации и/или повышения стоимости углеводородного материала. Химические и физические изменения могут включать в себя реакции, проводимые на месте, в результате которых из углеводородного материала в формации получаются извлекаемые текучие среды, с измененным составом, измененной растворимостью, измененной плотностью, измененной фазой, и/или измененной вязкостью.
В скважины могут помещаться нагреватели для нагрева формация во время процессов, выполняемых на месте. Существует множество различных типов нагревателей, которые могут использоваться для нагрева формации. Примеры процессов, выполняемых на месте с использованием нагревателей внутри скважины, представлены в документах US 2634961 (Ljungstrom); US 2732195 (Ljungstrom); US 2780450 (Ljungstrom); US 2789805 (Ljungstrom); US 2923535 (Ljungstrom); US 4886118 (Van Meurs и др.); US 6688387 (Wellington и др.).
Кабели с минеральной изоляцией (MI) (изолированные проводники), предназначенные для использования внутри скважины для нагрева формаций, содержащих углеводороды, в некоторых случаях являются более длинными, могут иметь большой внешний диаметр и могут работать с более высокими напряжениями и температурами по сравнению с типичными MI кабелями. Существует множество потенциальных проблем, с которыми сталкиваются во время изготовления и/или сборки длинных изолированных проводников.
Например, существуют потенциальные электрические и/или механические проблемы, связанные с деградацией с течением времени электрического изолятора проводника. Также существуют потенциальные проблемы с электрическими изоляторами, которые должны быть преодолены во время сборки нагревателя с изолированным проводником. Во время сборки нагревателя с изолированным проводником могут возникнуть такие проблемы, как раздувание жилы или другие механические дефекты. Такие неисправности могут привести к электрическим проблемам во время использования нагревателя и могут потенциально сделать нагреватель непригодным для его использования.
Кроме того, для вариантов применения внутри скважины может потребоваться соединение множества MI кабелей для того, чтобы получить MI  кабели, длина которых достаточна для достижения глубин и расстояний, необходимых для эффективного нагрева под поверхностью и для соединения сегментов с разными функциями, такими, как подводящие кабели, соединенные с участками нагревателя. Такие длинные нагреватели также требуют более высоких напряжений для подачи достаточной мощности к самым дальним концам нагревателей.
Обычные конструкции соединительных устройств для кабеля MI, как правило, не пригодны для напряжений свыше 1000 вольт, свыше 1500 вольт или свыше 2000 вольт и могут не обеспечивать работоспособность в течение длительных периодов времени без выхода из строя при повышенных температурах, например, свыше 650°C (приблизительно 1200°F), свыше 700°C (приблизительно 1290°F), или свыше 800°C (приблизительно 1470°F). Такие варианты применения с высоким напряжением и с высокой температурой обычно требуют уплотнения минерального изолятора в месте сращивания, чтобы он находился как можно ближе или выше к уровню уплотнения самого изолированного проводника (кабеля MI).
Относительно большой внешний диаметр и большая длина MI кабелей для некоторых вариантов применения требуют, чтобы кабели были соединены при их горизонтальной ориентации. Существует соединение для других вариантов применения MI кабелей, которые были изготовлены горизонтально. В таких технологиях обычно используется малое отверстие, через которое в месте соединения вводят минеральную изоляцию (такую как порошковый оксид магния) и затем незначительно уплотняют эту изоляцию путем вибрации и трамбовки. Такие технологии не обеспечивают достаточное уплотнение минеральной изоляции или даже не позволяют выполнить какое-либо уплотнение минеральной изоляции и не пригодны для сращивания кабелей, используемых при высоких напряжениях, необходимых для применения внутри скважины.
Таким образом, существует потребность в соединении изолированных проводников, которое было бы простым, но позволяло бы безотказно работать при высоких напряжениях и температурах в среде внутри скважины в течение длительного времени. Кроме того, при соединении, возможно, понадобится обеспечить более высокую прочность на изгиб и на растяжение, чтобы предотвратить отказ места соединения под весом нагрузки и при температурах, которым могут быть подвергнуты кабели внутри скважины. Также могут использоваться технологии и способы для снижения интенсивности электрического поля, чтобы токи утечки в местах сращивания были минимальными и чтобы увеличить интервал между рабочим напряжением и напряжением пробоя. Уменьшение напряженности электрического поля может помочь повысить диапазон рабочего напряжения и температуры в местах сращивания.
Кроме того, могут возникнуть проблемы повышенного механического напряжения в изолированных проводниках во время сборки и/или установки внутри скважины изолированных проводников. Например, намотка и размотка изолированных проводников с катушек, используемых для транспортировки и установки изолированных проводников, могут привести к механическому напряжению электрических изоляторов и/или других компонентов в изолированных проводниках. Таким образом, требуются более надежные системы и способы для уменьшения или устранения потенциальных проблем во время изготовления, сборки и/или установки изолированных проводников.
Раскрытие изобретения
Варианты осуществления изобретения, описанные далее, в основном относятся к системам, способам и нагревателям для обработки подповерхностной формации. Также эти варианты относятся к нагревателям, которые имеют в своем составе новые компоненты. Такие нагреватели могут быть получены путем использования описанных здесь систем и способов.
В частности, в соответствии с изобретением соединительное устройство для соединения конца первого изолированного проводника с концом второго изолированного проводника содержит муфту, выполненную с возможностью расположения поверх концов первого и второго изолированных проводников, и расположенный внутри муфты соединитель жил, выполненный с возможностью его установки вокруг конца жилы первого изолированного проводника и конца жилы второго изолированного проводника, так что когда концы изолированных проводников вводятся внутрь соединительного устройства, жилы изолированных проводников имеют возможность взаимного перемещения в соединителе жил, образуя фиксированный зазор между концами жил, при этом внутренний объем муфты заполнен, по меньшей мере частично, электроизолирующим материалом, который выполнен так, что при соединении соединительного устройства с изолированными проводниками электроизолирующий материал сжимается концом электрического изолятора первого изолированного проводника и концом электрического изолятора второго изолированного проводника.
В дополнительных вариантах осуществления изобретения особенности конкретных вариантов могут быть скомбинированы с особенностями других вариантов осуществления изобретения. Например, особенности одного варианта осуществления изобретения могут быть скомбинированы с особенностями любых других вариантов.
В дополнительных вариантах осуществления изобретения обработку подповерхностной формации выполняют с использованием любых из описанных способов, систем, источников питания или нагревателей.
К конкретным вариантам осуществления изобретения могут быть добавлены дополнительные особенности, описанные далее.
Особенности и преимущества устройства в соответствии с настоящим изобретением будут более понятны из дальнейшего подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показана часть системы термической обработки на месте формации, содержащей углеводороды;
на фиг.2 показан один из вариантов выполнения конца изолированного проводника источника тепла;
на фиг.3 показан один из вариантов выполнения трех изолированных проводников, соединенных по схеме «звезда» и расположенных в скважине в подземной формации;
на фиг.4 показан один из вариантов выполнения трех изолированных проводников, которые могут быть извлечены из отверстия в формации;
на фиг.5 показано соединительное устройство для соединения изолированных проводников в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, вид сбоку в сечении;
на фиг.6 показан режущий инструмент в одном из вариантов его выполнения;
на фиг.7 показано соединительное устройство для соединения изолированных проводников в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, вид сбоку в сечении;
на фиг.8A показан вариант выполнения резьбового соединительного устройства для соединения трех изолированных проводников, вид сбоку в сечении;
на фиг.8B показан еще один вариант выполнения резьбового соединительного устройства для соединения трех изолированных проводников, вид сбоку в сечении;
на фиг.9 показан вариант выполнения инструмента, прикладывающего крутящий момент;
на фиг.10 показан один из вариантов выполнения зажимного устройства, которое может использоваться для механического обжатия соединительного устройства при соединении изолированных проводников;
на фиг.11 показан один из вариантов выполнения устройства для гидравлического обжатия, вид в перспективе с пространственным разделением деталей;
на фиг.12 - то же, в собранном состоянии;
на фиг.13 показаны соединительное устройство и закрепленные в зажимных устройствах изолированные проводники перед обжатием соединительного устройства с изолированными проводниками;
на фиг.14 показан еще один из вариантов выполнения соединительного устройства для соединения изолированных проводников, вид сбоку;
на фиг.15 - вариант выполнения соединительного устройства с отверстием, закрытым вкладышем, вид сбоку;
на фиг.16 показан один из вариантов выполнения соединительного устройства, обладающего свойством уменьшения электрического поля между оболочками изолированных проводников и муфт и на концах изолированных проводников;
на фиг.17 - вариант выполнения средства уменьшения напряженности электрического поля;
на фиг.18 - соединительное устройство с помещенными внутрь него изолированными проводниками, вид сбоку в сечении;
на фиг.19 - соединительное устройство с соединенными в нем изолированными проводниками, вид сбоку в сечении;
на фиг.20 - другой вариант выполнения соединительного устройства с соединенными в нем изолированными проводниками, вид сбоку в сечении;
на фиг.21 - еще один вариант выполнения соединительного устройства с соединенными в нем изолированными проводниками, вид сбоку в сечении;
на фиг.22 - вариант выполнения блоков электроизолирующего материала, расположенных вокруг жил соединенных изолированных проводников;
на фиг.23 - вариант выполнения четырех блоков электроизолирующего материала, расположенных вокруг жил соединенных изолированных проводников;
на фиг.24 - вариант выполнения внутренней муфты, размещенной поверх соединенных изолированных проводников;
на фиг.25 - вариант выполнения внешней муфты, размещенной поверх внутренней муфты и соединенных изолированных проводников;
на фиг.26 - скошенный конец изолированного проводника после обжатия.
на фиг.27 - вариант выполнения первой половины устройства обжатия, используемого для уплотнения электроизолирующего материала при соединении изолированных проводников;
на фиг.28 - устройство обжатия, соединенное вокруг изолированных проводников;
на фиг.29 - изолированный проводник в устройстве обжатия с первым плунжером в положении выше изолированного проводника с открытой жилой;
на фиг.30 - то же, но со вторым плунжером в положении выше изолированного проводника с открытой жилой;
на фиг.31А-3D показаны варианты выполнения второго плунжера;
на фиг.32 показано устройство обжатия с удаленной второй половиной и электроизолирующий материал, уплотненный вокруг соединения изолированных проводников;
на фиг.33 - электроизолирующий материал, сформированный вокруг соединения изолированных проводников;
на фиг.34 показана муфта, помещенная поверх электроизолирующего материала;
на фиг.35 показан гидравлический пресс, который может использоваться для приложения силы к плунжеру при гидравлическом уплотнении электроизолирующего материала в устройстве обжатия;
на фиг.36 показана муфта, которая используется при механическом сжатии по окружности;
на фиг.37 - муфта, установленная на изолированных проводниках после того, как она и выступы были сжаты по окружности;
на фиг.38 показаны усиливающие втулки на соединенных изолированных проводниках;
на фиг.39 - вариант выполнения соединительного устройства, используемого для соединения трех изолированных проводников, вид в перспективе с пространственным разделением деталей;
на фиг.40-47 показан процесс установки соединительного устройства на концы изолированных проводников;
на фиг.48 - один из вариантов выполнения инструмента, который можно использовать для уплотнения электроизолирующего материала;
на фиг.49 - другой вариант выполнения инструмента, который можно использовать для уплотнения электроизолирующего материала;
на фиг.50 - один из вариантов выполнения инструмента, который можно использовать для конечного уплотнения электроизолирующего материала.
В качестве примера на чертежах показаны и будут подробно описаны конкретные варианты осуществления изобретения, хотя изобретение может быть подвергнуто различным модификациям и выполнено в альтернативных формах. Чертежи могут быть представлены не в масштабе. Следует понимать, что чертежи и подробное их описание не предназначены для ограничения изобретения конкретной раскрытой формой, но, наоборот, изобретение предназначено для охвата всех модификаций, эквивалентов и альтернатив, попадающих в пределы сущности и объема настоящего изобретения, которые определены формулой изобретения.
Осуществление изобретения
Дальнейшее подробное описание в основном относится к системам и способам для обработки углеводородов в формациях. Такие формации могут быть обработаны для получения углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.
«Переменный ток (АС)» относится к изменяющемуся по времени току, который по существу синусоидально изменяет направление на обратное. Переменный ток формирует в ферромагнитном проводнике электрический ток с поверхностным эффектом (скин-эффектом).
«Соединенный» означает либо непосредственное, либо опосредованное соединение (например, посредством одного или больше промежуточных соединений) между одним или несколькими объектами или компонентами. Термин «непосредственно соединенный» означает прямое соединение между объектами или компонентами таким образом, что объекты или компоненты соединяют друг с другом так, что эти объекты или компоненты работают в «месте использования».
Понятие «формация» включает в себя один или несколько слоев, содержащих углеводороды, и расположенные над и/или под ними один или несколько слоев, не содержащих углеводороды. «Углеводородные слои» относятся к слоям в формации, которые содержат углеводороды. Углеводородные слои могут содержать материал, не являющийся углеводородом, и углеводородный материал. «Покрывающие» и/или «подстилающие» пласты включают в себя один или больше различных типов непроницаемых материалов. Например, покрывающие и/или подстилающие пласты могут включать в себя скалистую породу, сланцы, аргиллит, или влажную/плотную карбонатную породу. В некоторых вариантах осуществления процессов тепловой обработки, выполняемых на месте, покрывающие и/или подстилающие пласты могут включать в себя слой или слои, содержащие углеводороды, которые являются относительно непроницаемыми и не подвергаются воздействию температуры во время тепловой обработки на месте. Например, подстилающий пласт может содержать сланец или аргиллит, но для этого пласта не допускается нагрев до температур пиролиза во время процесса тепловой обработки на месте. В некоторых случаях, покрывающие и/или подстилающие пласты могут быть в определенной степени проницаемыми.
«Пластовый флюид» относится к присутствующим в формации текучих средам и может включать в себя текучую среду пиролизации, синтез-газ, мобилизованные углеводороды и воду (пар). Пластовый флюид может включать в себя углеводородные, а также неуглеводородные текучие среды. Термин «мобилизованная текучая среда», относится к текучим средам в формации, содержащей углеводород, которая имеет возможность течения в результате тепловой обработки. «Добываемый флюид» относятся к текучим средам, извлеченным из формации.
«Источник тепла» представляет собой любую систему для подачи тепла к по меньшей мере части формации путем теплопередачи за счет проводимости и/или излучения. Например, источник тепла может включать в себя электропроводные материалы и/или электрические нагреватели, такие как изолированный проводник, удлиненный элемент и/или проводник, расположенный в трубопроводе. Источник тепла также может включать в себя системы, которые генерируют тепло в результате сгорания топлива снаружи или внутри формации. Системы могут представлять собой поверхностные горелки, газовые горелки, работающие внутри скважины, беспламенные распределенные камеры сгорания, и естественные распределенные камеры сгорания. В некоторых случаях тепло, подводимое к одному или нескольким источникам тепла или вырабатываемой в них, может быть получено от других источников энергии. Другие источники энергии могут непосредственно нагревать формацию, или энергия может быть подана в среду передачи, которая непосредственно или опосредованно нагревает формацию. Следует понимать, что один или несколько источников тепла, которые подают тепло к формации, могут использовать разные источники энергии. Таким образом, например, для заданной формации некоторые источники тепла могут подавать тепло от электропроводных материалов, электрорезистивных нагревателей, некоторые источники тепла могут вырабатывать тепло от сгорания, а некоторые источники тепла могут подавать тепло от одного или больше других источников энергии (например, химической реакции, солнечной энергии, энергии ветра, биомассы или других источников возобновляемой энергии). Химическая реакция может включать в себя экзотермическую реакцию (например, реакцию окисления). Источник тепла также может включать в себя электропроводный материал и/или нагреватель, который подает тепло в зону, расположенную в непосредственной близости, и/или окружающую место нагрева, такое как нагревательная скважина.
«Нагреватель» представляет собой любую систему или источник тепла, для выработки тепла в скважине или в области рядом со скважиной. Нагреватели могут быть, но не ограничены этим, электрическими нагревателями, горелками, камерами сгорания, которые реагируют с материалом внутри формации или с материалом, получаемом из формации, и/или используя их комбинации.
«Углеводороды» в основном определяются как молекулы, формируемые преимущественно атомами углерода и водорода. Углеводороды также могут включать в себя другие элементы, такие как, например, галогены, металлы, азот, кислород и/или серу. Углеводороды могут представлять собой, в частности, кероген, битум, пиробитум, масла, минеральные воски и асфальтиты. Углеводороды могут быть расположены или могут находиться рядом с минеральными матрицами в земле. Матрицы могут включать в себя, в частности, осадочные породы, пески, силицилиты, карбонаты, диатомиты и другие пористые среды. «Углеводородные текучие среды» представляют собой текучие среды, которые включают в себя углеводороды. Углеводородные текучие среды могут включать в себя, могут захватывать или могут быть захвачены неуглеводородными текучими средами, такими как водород, азот, окись углерода, двуокись углерода, сульфит водорода, вода и аммиак.
«Процесс преобразования на месте» относится к процессу нагрева углеводородосодержащей формации источником тепла для повышения температуры по меньшей мере части формации выше температуры пиролиза, чтобы получить текучую среду пиролизации внутри формации.
«Процесс тепловой обработки на месте» относится к процессу нагрева углеводородосодержащей формации источником тепла для повышения температуры по меньшей мере части формации выше температуры, при которой образуется мобилизованная текучая среда, происходит легкий крекинг и/или пиролиз углеводородосодержащего материала, так что в формации образуются мобилизованные текучие среды, текучие среды после легкого крекинга и/или текучие среды пиролизации.
«Изолированный проводник» относится к любому удлиненному материалу, который позволяет проводить электричество и который покрыт, полностью или частично, электроизолирующим материалом.
«Нитрид» относится к соединению азота и одного или больше других химических элементов. Нитриды включают в себя, в частности, нитрид кремния, нитрид бора или нитрид алюминия.
«Перфорация» включают в себя отверстия, прорези, пазы или прорези в стенке трубопровода, трубчатого элемента, трубы или другого канала для протекания потока, которые позволяют протекать среде в трубопровод, трубчатый элемент, трубу или другой канал или из них.
«Пиролиз» представляет собой разрыв химических связей вследствие подвода тепла. Например, пиролиз может включать в себя преобразование соединения в одно или несколько других веществ только путем нагрева. Тепло может подаваться к участку формации для обеспечения пиролиза.
«Текучие среды пиролизации» или «продукты пиролиза» относятся к текучей среде, получаемой по существу во время пиролиза углеводородов. Текучая среда, производимая в результате реакций пиролиза, может смешиваться с другими текучими средами в формации. Смесь можно рассматривать, как текучую среду пиролизации или продукт пиролизации. Используемый здесь термин «зона пиролизации» относится к объему формации (например, относительно проницаемой формации, такой как формация битуминозных песков), который реагирует или вступает в реакцию для формирования текучей среды пиролизации.
«Толщина» слоя относится к толщине поперечного сечения слоя, в котором поперечное сечение рассматривают, как нормальное к поверхности слоя.
Термин «скважина» относится к отверстию внутри формации, выполненному путем бурения или вставки трубопровода в формацию. Скважина может иметь по существу круглое поперечное сечение или другую форму поперечного сечения. Используемые здесь термины «скважина» и «отверстие», когда они относятся к отверстию в формации, могут использоваться взаимозаменяемо с термином «скважина».
Формация может быть обработана различными способами для получения множества разных продуктов. Для обработки формации во время процесса тепловой обработки на месте могут использоваться разные этапы или процессы. В некоторых вариантах один или больше участков формации подвергают добыче растворением для удаления растворимых минералов из этих участков. Добыча минералов путем растворения в воде может выполняться перед, во время, и/или после процесса тепловой обработки на месте. В некоторых вариантах средняя температура одного или нескольких участков, минералы из которых добывают растворением, может поддерживаться ниже приблизительно 120°C.
В некоторых случаях один или несколько участков формации нагревают для удаления воды и/или удаления метана и других летучих углеводородов из этих участков. В этих случаях средняя температура может быть повышена по сравнению с температурой окружающей среды до температур ниже приблизительно 220°C во время удаления воды и летучих углеводородов.
В некоторых случаях один или несколько участков формации нагревают до температур, которые позволяют обеспечивать подвижность и/или легкий крекинг углеводородов в формации. В этих случаях среднюю температуру одного или нескольких участков формации поднимают до температуры мобилизации углеводородов на участках (например, до температур в диапазоне от 100°C до 250°C, от 120°C до 240°C или от 150°C до 230°C).
В некоторых случаях один или несколько участков нагревают до температур, которые позволяют производить реакции пиролиза внутри формации. В этих случаях средняя температура одного или больше участков формации может быть поднята до температуры пиролиза углеводородов на участках (например, до температур в диапазоне от 230°C до 900°C, от 240°C до 400°C или от 250°C до 350°C).
Нагрев формации, содержащей углеводороды, множеством источников тепла, может устанавливать температурные градиенты вокруг источников тепла, которые поднимают температуру углеводородов внутри формации до требуемых температур с желательными интенсивностями нагрева. Скорость повышения температуры через диапазон температур мобилизации и/или диапазон температуры пиролиза для желательных продуктов может повлиять на качество и количество производимых текучих сред формации из формаций, содержащих углеводороды. Медленное повышение температуры формации через диапазон температуры мобилизации и/или диапазон температуры пиролиза может обеспечить возможность производства из формации высококачественных углеводородов с высокой плотностью в градусах API (API - Американский нефтяной институт). Медленный подъем температуры формации через диапазон температуры мобилизации и/или диапазон температуры пиролиза может обеспечить извлечение большого количества углеводородов, присутствующих в формации, в качестве углеводородного продукта.
В некоторых случаях тепловой обработки на месте участок формации нагревают до требуемой температуры вместо медленного повышения температуры через диапазон температур. В этих случаях требуемая температура составляет 300°C, 325°C или 350°C. Могут быть выбраны как желательная температура и другие температуры.
Подвод тепла от нескольких источников позволяет относительно быстро и эффективно установить требуемую температуру внутри в формации. Энергия, подаваемая в формацию от источников тепла, может быть отрегулирована так, чтобы она поддерживала температуру в формации на желательном уровне.
Продукты мобилизации и/или пиролиза могут быть получены из формации через эксплуатационные скважины. В некоторых случаях средняя температура одного или нескольких участков повышается до температуры мобилизации, и углеводороды получают из эксплуатационных скважин. Средняя температура одного или нескольких участков может быть повышена до температуры пиролиза после производства в результате снижения мобилизации ниже выбранного значения. В некоторых случаях средняя температура одного или больше участков может быть повышена до температуры пиролиза без существенной добычи перед достижением температур пиролиза. Текучие среды формации, включающие в себя продукты пиролиза, могут быть получены через эксплуатационные скважины.
В некоторых случаях средняя температура одного или нескольких участков может быть повышена до значений, достаточных для обеспечения возможности производства синтез-газа после мобилизации и/или пиролиза. В некоторых случаях температура углеводородов может быть поднята в достаточной степени, для обеспечения производства синтеза-газа, без существенного производства до повышения температуры, в достаточной степени для обеспечения возможности производства синтез-газа. Например, синтез-газ может быть произведен в диапазоне температур от приблизительно 400°C до приблизительно 1200°C, приблизительно от 500°C до приблизительно 1100°C, или от приблизительно 550°C до приблизительно 1000°С. Для генерирования синтез-газа на участки может быть введена текучая среда (например, пар и/или вода). Синтез-газ может быть отобран из эксплуатационных скважин.
Добыча минералов из растворов, удаление летучих углеводородов и воды, мобилизация углеводородов, пиролизация углеводородов, генерирование синтез-газа и/или другие процессы могут быть выполнены во время тепловой обработки на месте. В некоторых случаях отдельные процессы могут быть выполнены после тепловой обработки на месте. Такие процессы могут включать в себя, в частности, восстановление тепла из обработанных участков, сохранение текучих сред (например, воды и/или углеводородов) на ранее обработанных участках, и/или изоляция двуокиси углерода на ранее обработанных участках.
На фиг.1 схематично показана часть системы тепловой обработки на месте для обработки формации, содержащей углеводороды. Система тепловой обработки на месте может включать в себя барьерные скважины 200, которые используются для формирования барьера вокруг области обработки. Барьер предотвращает протекание текучей среды в область обработки и/или из нее. Барьерные скважины включают в себя, в частности, скважины для удаления воды, вакуумные скважины, скважины захвата, нагнетательные скважины, скважины для залива цементного раствора, замораживающие скважины или их комбинации. В некоторых случаях барьерные скважины 200 представляют собой скважины для удаления воды. Скважины для удаления воды позволяют удалять жидкую воду и/или предотвращать попадание жидкой воды на участок формации, предназначенный для нагрева, или в нагреваемую формацию. В варианте, представленном на фиг.1, барьерные скважины 200 показаны так, что они продолжаются только вдоль одной стороны источников 202 тепла, но барьерные скважины обычно окружают все используемые источники 202 тепла, или используемые для нагрева области обработки формации.
Источники 202 тепла размещены, по меньшей мере, на участке формации. Источники 202 тепла могут включать в себя нагреватели, такие как изолированные проводники, проводники в трубе, поверхностные горелки, беспламенные распределенные камеры сгорания и/или естественные распределенные камеры сгорания. Источники 202 тепла могут также включать в себя другие типы нагревателей. Источники 202 тепла обеспечивают подачу тепла в по меньшей мере часть формации для нагрева углеводородов в этой формации. Энергия может поступать к источникам 202 тепла по линиям 204 питания. Линии 204 питания могут быть конструктивно разными в зависимости от типа источника тепла, используемых для нагрева формации. 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 формации. В некоторых случаях электричество для тепловой обработки на месте может быть предоставлено от атомной электростанции или атомных электростанций. Использование ядерной энергии может обеспечить уменьшение или снижение выделения двуокиси углерода при тепловой обработке на месте.
При нагреве формации подаваемое в формацию тепло может вызвать расширение формации и геомеханическое движение. Источники тепла могут быть включены до, одновременно или во время процесса удаления воды. Компьютерное моделирование позволяет смоделировать отклик формации на нагрев. Компьютерное моделирование можно использовать для разработки структуры и временной последовательности, для активации источников тепла в формации таким образом, чтобы геомеханические движения формации не оказывали негативного влияния на функцию источников тепла, эксплуатационных скважин и другого оборудования в формации.
Нагрев формации может привести к повышению проницаемости и/или пористости формации. Повышение проницаемости и/или пористости может произойти из-за уменьшения массы в формации в результате испарения и удаления воды, изъятия углеводородов и/или формирования трещин. Текучая среда может легче протекать на нагретом участке формации из-за повышенной проницаемости и/или пористости формации. Текучая среда в нагретом участке формации может перемещаться на существенное расстояние через формацию, из-за повышенной проницаемости и/или пористости. Существенное расстояние может составлять более 1000 м, в зависимости от различных факторов, таких как проницаемость формации, свойства текучей среды, температура формации и градиент давления, обеспечивающий движение текучей среды. Возможность текучей среды перемещаться на значительное расстояние внутри формации позволяет размещать эксплуатационные скважины 206 относительно далеко друг от друга в формации.
Эксплуатационные скважины 206 используются для удаления текучей среды из формации. В некоторых случаях эксплуатационная скважина 206 включает в себя источник тепла. Источник тепла в эксплуатационной скважине может нагревать один или несколько участков формации в эксплуатационной скважине или рядом с ней. В некоторых случаях тепловой обработки на месте количество тепла, подаваемое в формацию из эксплуатационной скважины на метр эксплуатационной скважины, меньше, чем количество тепла, подаваемое в формацию от источника тепла, который нагревает формацию на метр источника тепла. Тепло, подаваемое в формацию из эксплуатационной скважины, может повысить проницаемость формации рядом с эксплуатационной скважиной в результате испарения и удаления текучей среды с жидкой фазой, рядом с эксплуатационной скважиной и/или путем увеличения проницаемости формации, рядом с эксплуатационной скважиной, путем формирования макро и/или микротрещин.
В эксплуатационной скважине может быть установлено более одного источника тепла. Источник тепла на нижнем участке эксплуатационной скважины может быть выключен, когда тепло от соседних источников тепла нагревает формацию в достаточной степени. В некоторых случаях источник тепла на верхнем участке эксплуатационной скважины может оставаться включенным после того, как источник тепла на нижнем участке эксплуатационной скважины будет отключен. Источник тепла на верхнем участке скважины может сдерживать конденсацию и обратный поток текучей среды формации.
В некоторых случаях источник тепла в эксплуатационной скважине 206 позволяет удалять парообразную фазу текучих сред из формации. Обеспечивая нагрев в эксплуатационной скважине или через нее можно:
1) сдерживать конденсацию и/или обратный поток добываемой текучей среды, когда такая добываемая текучая среда движется в эксплуатационной скважине рядом с покрывающими пластами,
2) увеличить подвод тепла в формацию,
3) повысить степень производства из эксплуатационной скважины по сравнению с эксплуатационной скважиной без источника тепла,
4) сдерживать конденсацию соединений с большим количеством атомов углерода (для углеводородов С6 и выше) в эксплуатационной скважине, и/или
5) повысить проницаемость формации в непосредственной близости к эксплуатационной скважине.
Подземное давление внутри формации может соответствовать давлению текучей среды, генерируемой в формации. По мере того, как температура в нагретом участке формации повышается, давление в нагретом участке может повышаться в результате теплового расширения текучих сред, находящихся на месте, увеличенного генерирования текучей среды и испарения воды. Путем управления скоростью удаления текучей среды из формации можно обеспечить управление давлением внутри формации. Давление в формации может быть определено во множестве разных мест, например, рядом с эксплуатационными скважинами или в них, рядом с источниками тепла или в контрольных скважинах.
В некоторой формациях, содержащих углеводород, производство углеводородов из формации сдерживается до тех пор, пока по меньшей мере некоторые углеводороды в формации не будут мобилизованы и/или пиролизованы. Текучая среда формации может быть произведена из формации, когда она имеет заданное качество. В некоторых вариантах осуществления заданное качество включает в себя плотность в градусах API по меньшей мере около 20°, 30° или 40°. Сдерживание добычи до тех пор, пока по меньшей мере некоторые углеводороды не будут мобилизованы и/или пиролизованы, позволяет увеличить преобразование тяжелых углеводородов в легкие. Сдерживание исходной добычи может минимизировать производство тяжелых углеводородов из формации. Производство существенного количества тяжелых углеводородов может потребовать дорогостоящего оборудования и/или уменьшить срок службы оборудования.
В некоторых формациях, содержащих углеводород, углеводороды могут быть нагреты до температур мобилизации и/или пиролиза прежде, чем будет сгенерирована существенная проницаемость на нагретом участке формации. Исходное отсутствие проницаемости может сдерживать транспортировку генерируемых текучих сред в эксплуатационные скважины 206.
Во время исходного нагрева давление текучей среды в формации может повышаться вблизи с источниками 202 тепла. Повышенное давление текучей среды может быть сброшено, может быть изменено и/или им можно управлять через один или несколько источников 202 тепла. Например, выбранные источники 202 тепла или отдельные скважины сброса давления могут включать в себя клапаны сброса давления, которые позволяют удалять некоторое количество текучей среды из формации.
В некоторых случаях давление, генерируемое в результате расширения мобилизованных текучих сред, пиролиза текучих сред или других текучих сред, генерируемых в формации, может повышаться, хотя открытый путь в эксплуатационные скважины 206 или любые другие возможности падения давления еще могут не присутствовать в формации. Давление текучей среды может повышаться в направлении литостатического давления. Трещины в формации, содержащей углеводороды, могут формироваться, когда текучая среда приближается к литостатическому давлению. Например, трещины могут формироваться от источников 202 тепла до эксплуатационных скважин 206 на нагретом участке формации. Генерирование трещин на нагретом участке может обеспечить определенный сброс давления на этом участке. Может потребоваться поддерживать давление внутри формации ниже выбранного давления для предотвращения нежелательной добычи, растрескивания перекрывающих пластов или подстилающих отложений и/или коксования углеводородов внутри формации.
После того, как будут достигнуты температуры мобилизации и/или пиролиза, и будет разрешена добыча из формации, давление в формации может изменяться для изменения и/или управления составом получаемой текучей среды, для управления процентом конденсируемой текучей среды по сравнению с неконденсируемой текучей средой в текучей среде формации, и/или для управления плотностью в градусах API получаемой текучей среды. Например, снижение давления может привести к производству большего количества конденсируемого компонента текучей среды. Конденсируемый компонент текучей среды может содержать больший процент олефинов.
В некоторых вариантах осуществления процесса тепловой обработки на месте давление в формации может поддерживаться достаточно высоким для того, чтобы способствовать производству текучей среды формации с плотностью в градусах API, большей 20°. Поддержание повышенного давления в формации может предотвращать оседание формации во время тепловой обработки на месте. Поддержание повышенного давления может уменьшить или устранить необходимость сжатия текучих сред формации на поверхности, для транспортировки текучих сред в трубопроводах сбора до предприятий обработки.
Поддержание повышенного давления в нагретом участке формации неожиданно может обеспечить производство больших количеств углеводородов с повышенным качеством и относительно низким молекулярным весом. Давление может поддерживаться таким образом, что производимая текучая среда формации имеет минимальное количество соединений, выше выбранного углеродного числа. Выбранное углеродное число может составлять самое большее 25, самое большее 20, самое большее 12 или самое большее 8. Некоторые соединения с высоким углеродным числом могут быть захвачены парами внутри формации и могут быть удалены из формации с паром. Поддержание повышенного давления внутри формации может сдерживать захват соединений с большим углеродным числом и/или полициклических углеводородных соединений в парах. Соединения с высоким углеродным числом и/или полициклические углеводородные соединения могут оставаться в жидкой фазе в формации в течение существенных периодов времени. Существенные периоды времени могут обеспечивать достаточное количество времени для пиролизации соединений, для формирования соединений с меньшим углеродным числом.
2
2
2
Считается, что генерирование углеводородов с относительно малым молекулярным весом происходит из-за частичного автогенного генерирования и реакции водорода в участке формации, содержащей углеводород. Например, поддержание повышенного давления может способствовать генерированию водорода во время пиролиза в жидкой фазе внутри формации. Нагрев участка до температуры в диапазоне температур пиролиза может пиролизовать углеводороды в формации с генерированием текучих сред пиролизации в жидкой фазе. Сгенерированные компоненты текучих сред пиролизации в жидкой фазе могут включать в себя соединения с двойными связями и/или радикалы. Водород (H) в жидкой фазе может уменьшать двойные связи сгенерированных текучих сред пиролизации, уменьшая тем самым потенциал полимеризации или формирование соединений с длинной цепью в генерируемых текучих средах пиролизации. Кроме того, H также может нейтрализовать радикалы в генерируемых текучих средах пиролизации. H в жидкой фазе может сдерживать реакции генерируемых текучих сред друг с другом и/или с другими соединениями в формации.
Текучая среда формации, производимая из эксплуатационных скважин 206, может быть транспортирована через коллекторную трубу 208 к установкам 210 обработки. Текучие среды формации также могут быть получены из источников 202 тепла. Например, текучая среда может быть произведена из источников 202 тепла для управления давлением в формации рядом с источниками тепла. Текучая среда, производимая из источников 202 тепла, может быть транспортирована через трубы или трубопроводы в коллекторную трубу 208, или добываемая жидкость может быть транспортирована через трубы или трубопроводы непосредственно к установкам 210 обработки. Установки 210 обработки могут включать в себя разделительные модули, модули реакции, модули обновления, топливные элементы, турбины, накопительные резервуары и/или другие системы и модули, для обработки производимых текучих сред формации. Установки обработки могут формировать топливо для транспортировки из по меньшей мере части углеводородов, произведенных из формации. В некоторых случаях топливо для транспортировки может представлять собой топливо для реактивных двигателей, такое, как JP-8.
В качестве электрического нагревательного элемента нагревателя или источника тепла может использоваться изолированный проводник. Изолированный проводник может включать в себя внутренний электрический проводник (жилу), окруженный электрическим изолятором, и внешний электрический проводник (оболочку). Электрический изолятор может включать в себя минеральную изоляцию (например, окись магния) или другую электрическую изоляцию.
В некоторых случаях изолированный проводник помещают в отверстие в формации, содержащей углеводород. Иногда изолированный проводник помещают в скважине без обсадной трубы в формации, содержащей углеводород. Размещение изолированного проводника в скважине без обсадной трубы в формации, содержащей углеводород, также может обеспечить возможность передачи тепла от изолированного проводника в формацию путем излучения так же, как и за счет теплопроводности. Использование скважины без обсадной трубы может способствовать изъятию изолированного проводника из скважины, если это необходимо.
В некоторых случаях изолированный проводник помещают внутри обсадной трубы в формации. Он может быть зацементирован внутри формации; или он может быть уплотнен в скважине песком, гравием, или другим заполняющим материалом. Изолированный проводник может поддерживаться на опорном элементе, который расположен внутри скважины. Опорный элемент может представлять собой кабель, стержень или трубопровод (например, трубу). Опорный элемент может быть изготовлен из металла, керамики, неорганического материала или из их комбинаций. Поскольку части опорного элемента могут быть открыты для текучих сред формации и воздействию тепла во время использования, опорный элемент может быть химически устойчивым и/или устойчивым к тепловому воздействию.
Для соединения изолированного проводника с опорным элементом в разных местах по его длине можно использовать стяжки, точечную сварку и/или другие типы соединения. Опорный элемент может быть закреплен в устье скважины на верхней поверхности формации. В некоторых случаях изолированный проводник имеет достаточную конструктивную прочность, так что не требуется использование опорного элемента. Во многих случаях изолированный проводник может обладать некоторой гибкостью, чтобы предотвратить повреждение в результате теплового расширения при изменении температуры.
В определенных случаях изолированные проводники помещают в скважины без опорных элементов и/или центраторов. Изолированный проводник без опорных элементов и/или центраторов может иметь соответствующую комбинацию устойчивости к температуре и коррозии, сопротивлению ползучести, длины, толщины (диаметра) и металлургических свойств, которые сдерживают отказ изолированного проводника во время использования.
На фиг.2 показан конец изолированного проводника 212. Изолированный проводник 212 может иметь любую требуемую форму поперечного сечения, в частности, круглую (показана на фиг.2), треугольную, эллипсовидную, прямоугольную, шестиугольную или неправильную. В некоторых случаях изолированный проводник 212 включает в себя жилу 214, электрический изолятор 216 и оболочку 218. Жила 214 может резистивно нагреваться, когда по ней протекает электрический ток. Для генерирования энергии в жиле 214 с целью ее резистивного нагрева можно использовать переменный, изменяющийся по времени или постоянный ток
В некоторых случаях электрический изолятор 216 может предотвращать утечку тока и образование дуги с оболочкой 218. Электрический изолятор 216 может обеспечить передачу тепла, генерируемого в жиле 214, путем теплопроводности на оболочку 218. Оболочка 218 может излучать или проводить тепло в формацию. Изолированный проводник 212 может иметь длину 1000 м или больше. Для удовлетворения определенных потребностей также можно использовать более длинные или короткие изолированные проводники. Размеры жилы 214, электрического изолятора 216 и оболочки 218 изолированного проводника 212 можно выбрать такими, чтобы изолированный проводник имел достаточную прочность для собственного удержания даже при верхних пределах рабочей температуры. Такие изолированные проводники могут быть подвешены от устья скважины или на держателях, установленных рядом с границей перехода между пластами перекрытия и формацией, содержащей углеводород, без необходимости использовать элементы поддержки, продолжающиеся в формацию, содержащую углеводород, вместе с изолированными проводниками.
Изолированный проводник 212 может быть выполнен с возможностью работы с величинами мощности приблизительно до 1650 Вт/м или больше. В некоторых вариантах осуществления изобретения изолированный проводник 212 при нагреве формации работает при уровне мощности между приблизительно 500 Вт/м и приблизительно 1150 Вт/м. Изолированный проводник 212 может быть разработан так, чтобы максимальный уровень напряжения при типичной рабочей температуре не приводил к существенным тепловым и/или электрическим неисправностям электрического изолятора 216. Изолированный проводник 212 может быть разработан так, что температура оболочки 218 не будет превышать температуру, при которой возникает существенное снижение свойств устойчивости к коррозии материала оболочки. В некоторых случаях изолированный проводник 212 может быть разработан, для достижения температур в диапазоне от приблизительно 650°C до приблизительно 900°C. Для удовлетворения специфичных рабочих требований могут быть сформированы изолированные проводники, имеющие другие рабочие диапазоны.
На фиг.2 показан изолированный проводник 212 с одной жилой 214. В некоторых случаях изолированный проводник 212 имеет две или больше жилы 214. Например, один изолированный проводник может иметь три жилы. Жила 214 может быть изготовлена из металла или другого электропроводного материала. Материал, используемый для формирования жилы 214, может включать в себя, в частности, нихром, медь, никель, углеродистую сталь, нержавеющую сталь и их комбинации. В некоторых случаях жилу 214 выбирают так, чтобы она имела такие диаметр и удельное сопротивление при рабочих температурах, чтобы удельное сопротивление, выведенное на основе закона Ома, делало ее электрически и конструктивно стабильной для выбранной мощности рассеяния на метр длины нагревателя и/или максимального напряжения, допустимого для материала жилы.
В некоторых случаях жилу 214 выполняют из разных материалов по длине изолированного проводника 212. Например, жила 214 на первом участке может быть изготовлена из материала, который имеет существенно более низкое удельное сопротивление, чем на ее втором участке. Первый участок может быть помещен рядом со слоем формации, который не требуется нагревать до такой высокой температуры, как второй слой формации, который расположен рядом со вторым участком. Удельное сопротивление различных участков жилы 214 можно регулировать, изготовляя ее участки с различным диаметром и/или из разных материалов.
2
3
Электрический изолятор 216 может быть изготовлен из различных материалов. Обычно используются порошки, которые могут включать в себя, в частности, MgO, AlO, двуокись циркония, BeO, разные химические вариации шпинели и их комбинации. MgO может обеспечить хорошие свойства удельной теплопроводности и электрической изоляции. Требуемые свойства электрической изоляции включают в себя малый ток утечки и высокую диэлектрическую прочность. Малый ток утечки снижает возможность термического разрушения, а высокая диэлектрическая прочность снижает возможность возникновения дуги через изолятор. Термическое разрушение может возникнуть, если ток утечки приведет к росту температуры изолятора, что также может привести к образованию дуги через изолятор.
Оболочка 218 может представлять собой внешний металлический слой или электропроводный слой. Оболочка 218 может находиться в контакте с горячими текучими средами формации. Оболочка 218 может быть выполнена из материала, имеющего высокую устойчивость к коррозии при повышенных температурах. Сплавы, которые можно использовать в желательном рабочем диапазоне температур оболочки 218, включают в себя, в частности, нержавеющую сталь 304, нержавеющую сталь 310, Incoloy 800 и Inconel 600 (Inco Alloys International, Хантингтон, Западная Вирджиния, США). Толщина оболочки 218 может быть достаточной для работы в течение от трех до десяти лет в горячей и коррозионно-активной среде. Толщина оболочки 218, в общем, может изменяться от приблизительно 1 мм до приблизительно 2,5 мм. Например, в качестве оболочки 218 может использоваться внешняя оболочка из нержавеющей стали 310 толщиной 1,3 мм, обеспечивая хорошую химическую устойчивость к коррозии сульфидирования в нагретой зоне формации свыше 3 лет. Чтобы удовлетворять определенным требованиям в зависимости от применения можно использовать большие или меньшие значения толщины оболочки.
Один или несколько изолированных проводников могут быть помещены в отверстие в формации для формирования одного источника или нескольких источников тепла. Через каждый изолированный проводник в скважине может быть пропущен электрический ток для нагрева формации. Электрический ток может быть пропущен через выбранные изолированные проводники в скважине. Неиспользуемые проводники могут использоваться в качестве запасных нагревателей. Изолированные проводники могут быть электрически соединены с источником питания любым удобным способом. Каждый конец изолированного проводника может быть соединен с подводящими кабелями, которые пропущены через устье скважины. Такая конфигурация обычно имеет изгиб на 180° (изгиб типа «шпилька») или поворот, расположенный рядом с нижней частью источника тепла. Изолированный проводник, который включает в себя изгиб на 180° или поворот, может не требовать нижнего окончания, но изгиб на 180° или поворот может составлять электрически и/или структурно слабый элемент нагревателя. Изолированные проводники могут быть электрически соединены вместе последовательно, параллельно или комбинированно. В некоторых вариантах выполнения источников тепла электрический ток может проходить по изолированному проводнику и возвращаться через его оболочку в случае соединения жилы 214 с оболочкой 218 (как показано на фиг.2) в нижней части источника тепла.
В некоторых случаях три изолированных проводника 212 электрически соединены в 3-фазной конфигурации «звезда» с источником питания. На фиг.3 представлен вариант выполнения трех изолированных проводников в скважине, которые соединены по схеме «звезда». На фиг.4 показан вариант выполнения трех изолированных проводников 212, которые могут быть извлечены из отверстия 220 в формации. Нижнее соединение может быть ненужным для трех изолированных проводников в конфигурации «звезда». В качестве альтернативы, все три изолированных проводника в конфигурации «звезда» могут быть соединены вместе рядом с нижней частью отверстия. Соединение может быть выполнено непосредственно на концах нагревательных участков изолированных проводников или на концах холодных выводов (менее резистивные участки), соединенных с нагревательными участками в нижней части изолированных проводников. Нижние соединения могут быть выполнены с использованием изолирующих, заполненных и герметизированных контейнеров или контейнеров, заполненных эпоксидной смолой. Изолятор может иметь такой же состав, как и изолятор, используемый в качестве электрической изоляции.
2
3
Три изолированных проводника 212, показанные на фиг.3 и 4, могут быть соединены для поддержки элемента 222, используя центраторы 224. В качестве альтернативы, изолированные проводники 212 могут быть привязаны металлическими стяжками непосредственно к опорному элементу 222. Центраторы 224 могут поддерживать местоположение и/или предотвращать движение изолированных проводников 212 на опорном элементе 222. Центраторы 224 могут быть изготовлены из металла, керамики или их комбинации. Металл может представлять собой нержавеющую сталь или металл любого другого типа, выполненный с возможностью противостоять коррозийной среде при высокой температуре. В некоторых случаях центраторы 224 представляют собой изогнутые металлические полоски, приваренные к элементу держателя через расстояния не более 6 м. Керамика, используемая в центраторах 224, может представлять собой, в частности, AlO, MgO или другой электрический изолятор. Центраторы 224 могут поддерживать местоположение изолированных проводников 212 на опорном элементе 222 таким образом, что движение изолированных проводников сдерживается при рабочей температуре изолированных проводников. Изолированные проводники 212 также могут быть выполнены в определенной степени гибкими, чтобы противостоять расширению опорного элемента 222 во время нагревания.
Опорный элемент 222, изолированный проводник 212 и центраторы 224 могут быть помещены в слой 226 углеводорода в скважине 220. Изолированные проводники 212 могут быть соединены с нижним соединением 228 проводников, используя холодный вывод 230. Нижнее соединение 228 проводников может электрически соединять каждый изолированный проводник 212 друг с другом. Нижнее соединение 228 проводников может включать в себя электропроводные материалы, которые не плавятся при температурах, возникающих в скважине 220. Холодный вывод 230 может представлять собой изолированный проводник, имеющий меньшее электрическое удельное сопротивление, чем у изолированного проводника 212.
Подводящий проводник 232 может быть соединен с устьем 234 скважины, для подачи электроэнергии к изолированному проводнику 212. Подводящий проводник 232 может быть изготовлен из электрического проводника с относительно низким удельным сопротивлением, чтобы относительно мало тепла генерировалось проходящим через него электрическим током. В некоторых случаях подводящий проводник представляет собой изолированный резиной или полимером многожильный медный провод. В некоторых случаях подводящий проводник представляет собой проводник, изолированный минералом с медной жилой. Подводящий проводник 232 может соединяться с устьем 234 скважины на поверхности 236 через уплотнительный фланец, расположенный между пластами 238 перекрытия и поверхностью 236. Уплотнительный фланец может предотвращать утечку текучей среды через отверстия 220 на поверхность 236.
В некоторых случаях подводящий проводник 232 соединен с изолированным проводником 212 посредством переходного проводника 240. Переходный проводник 240 может представлять собой участок изолированного проводника 212 с меньшим удельным сопротивлением. Переходный проводник 240 может называться «холодным выводом» изолированного проводника 212. Переходный проводник 240 может быть разработан так, чтобы он рассеивал приблизительно от одной десятой до приблизительно одной пятой мощности на единицу длины, которая рассеивается на единице длины первичного нагревательного участка изолированного проводника 212. Переходный проводник 240 обычно имеет длину от приблизительно 1,5 м и до приблизительно 15 м, хотя для работы в конкретных условиях применения могут использоваться более короткие или более длинные отрезки. Проводник переходного проводника 240 выполнен из меди. Электроизоляция переходного проводника 240 может быть той же, что используется в первичном нагревательном участке. Оболочка переходного проводника 240 может быть изготовлена из устойчивого к коррозии материала.
В определенных вариантах осуществления изобретения переходный проводник 240 соединен с подводящим проводником 232 посредством сращивания или другого соединения. Сращивание может также использоваться для соединения переходного проводника 240 с изолированным проводником 212. Сращивание должно обеспечивать устойчивость к температуре, равной половине рабочей температуры целевой зоны. Плотность электрической изоляции в месте сращивания во многих случаях должна быть достаточно высокой, чтобы противостоять заданной температуре и рабочему напряжению.
В некоторых случаях, как показано на фиг.3, между обсадной трубой 244 перекрывающих пластов и отверстием 220 помещают уплотнительный материал 242. В некоторых случаях обсадную трубу 244 породы перекрытия внутри пород 238 перекрытия может закреплять усилительный материал 246. Уплотнительный материал 242 может предотвращать протекание текучей среды через отверстия 220 на поверхность 236. Уплотнительный материал 246 может включать в себя, например, портландцемент класса G или класса H, смешанный с порошком кремнезема для улучшенных рабочих характеристик при высоких температурах, шлак или порошок кремнезема, и/или их смесь. В некоторых случаях радиальная ширина уплотнительного материала 246 составляет от приблизительно 5 см до приблизительно 25 см.
Как показано на фиг.3 и 4, элемент 222 держателя и проводящий проводник 232 могут быть соединены с устьем 234 скважины на поверхности 236 формации. Поверхностный проводник 248 может содержать усилительный материал 246 и соединяться с устьем 234 скважины. В зависимости от вариантов выполнения поверхностных проводников они могут продолжаться до глубин от приблизительно 3 м до приблизительно 515 м внутрь отверстия в формации. В качестве альтернативы, поверхностный проводник может продолжаться до глубины приблизительно 9 м в формации. От источника питания может поступать электрический ток в изолированный проводник 212 для генерирования тепла вследствие электрического сопротивления изолированного проводника. Тепло, генерируемое тремя изолированными проводниками 212, может быть передано в отверстие 220 для нагрева по меньшей мере части слоя 226, содержащего углеводороды.
Тепло, генерируемое изолированными проводниками 212, может нагревать по меньшей мере участок формации, содержащей углеводороды. В некоторых случаях тепло передается в формацию по существу посредством излучения. Некоторая часть тепла может быть передана посредством теплопроводности или конвекции из-за наличия газов в скважине. Отверстие может представлять собой отверстие без обсадной трубы, как показано на фиг.3 и 4. Отверстие без обсадной трубы устраняет затраты, связанные с тепловым цементированием нагревателя внутри формации, затраты, связанные с обсадной трубой, и/или затраты на уплотнение нагревателя внутри отверстия. Кроме того, передача тепла путем излучения обычно является более эффективной, чем путем теплопроводности, поэтому нагреватели могут работать при более низких температурах в открытых скважинах. Передача тепла во время исходной работы источника тепла может быть улучшена путем добавки газа в скважину. Газ можно поддерживать под абсолютным давлением приблизительно до 27 бар. Газ может включать в себя, в частности, двуокись углерода и/или гелий. Предпочтительно нагреватель в виде изолированного проводника в открытой скважине может свободно расширяться или сжиматься при тепловом расширении и сжатии. Предпочтительно нагреватель изолированного проводника может быть выполнен с возможностью извлечения или повторного разворачивания из открытой скважины.
В некоторых вариантах осуществления изобретения узел нагревателя с изолированным проводником устанавливают или удаляют, используя катушку. Для одновременной установки как изолированного проводника, так и опорного элемента может использоваться несколько катушек. В качестве альтернативы, опорный элемент может быть установлен с использованием гибких насосно-компрессорных труб малого диаметра. Нагреватели могут быть размотаны и соединены с держателем по мере установки держателя в скважине. Электрический нагреватель и элемент держателя могут быть размотаны с катушек. С опорным элементом и нагревателем вдоль длины опорного элемента могут быть соединены разделители. Для дополнительных электрических нагревательных элементов можно использовать дополнительные катушки.
Нагреватели с ограниченной температурой могут иметь конструкцию и/или содержать материалы, которые обеспечивают автоматическое ограничение температуры. Примеры нагревателей с ограниченной температурой приведены в документах US 6688387 (Wellington et al.); US 6991036 (Sumnu-Dindoruk et al.); US 6698515 (Karanikas et al.); US 6880633 (Wellington et al.); US 6782947 (de Rouffignac et al.); US 6991045 (Vinegar et al.); US 7073578 (Vinegar et al.); US 7121342 (Vinegar et al.); US 7320364 (Fairbanks); US 7527094 (McKinzie et al.); US 7584789 (Mo et al.); US 7533719 (Hinson et al.); US 7562707 (Miller); US 20090071652 (Vinegar et al.); US 20090189617 (Burns et al.); US 20100071903 (Prince-Wright et al); US 20100096137 (Nguyen et al.). Нагреватели с ограниченной температурой имеют размеры для работы с частотами переменного тока (например, переменным током 60 Гц) или с модулированным постоянным током.
В некоторых вариантах осуществления изобретения в нагревателях с ограниченной температурой используются ферромагнитные материалы. Ферромагнитные материалы при прохождении через них изменяющегося по времени тока могут самостоятельно ограничивать температуру для уменьшения количества вырабатываемого тепла при температуре точки Кюри материала или рядом с ней и/или в диапазоне температур фазового превращения. Ферромагнитный материал самостоятельно ограничивает температуру нагревателя при выбранной температуре, которая приблизительно составляет температуру точки Кюри и/или находится в диапазоне температур фазового превращения. Выбранная температура может находиться в пределах приблизительно 35°C, приблизительно 25°C, приблизительно 20°C, или приблизительно 10°C от температуры точки Кюри и/или в диапазоне температур фазового превращения. В некоторых случаях ферромагнитные материалы соединены с другими материалами (например, материалами с высокой проводимостью, материалами с высокой прочностью, коррозионно-устойчивыми материалами или их комбинациями) для обеспечения различных электрических и/или механических свойств. Некоторые части нагревателя с ограниченной температурой могут иметь более низкое сопротивление (связанное с разными структурами и/или в результате использования других ферромагнитных и/или неферромагнитных материалов), чем другие части нагревателя с ограниченной температурой. При изготовлении частей нагревателя с ограниченной температурой из разных материалов и/или с разными размерами обеспечивается возможность подгонки требуемой тепловой отдачи из каждой части нагревателя.
Нагреватели с ограниченной температурой могут быть более надежными, чем другие нагреватели. Нагреватели с ограниченной температурой могут быть в меньшей степени подвержены неисправностям или отказам, вызванным наличием горячих точек в формации. В некоторых случаях нагреватели с ограниченной температурой позволяют обеспечить по существу однородное нагревание формации. Нагреватели с ограниченной температурой в некоторых случаях обеспечивают более эффективный нагрев формации из-за работы с более высокой средней тепловой отдачей вдоль всей длины нагревателя. Работа нагревателя с ограниченной температурой с более высокой средней тепловой отдачей вдоль всей его длины обусловлена тем, что подаваемая в нагреватель мощность не должна снижаться во всем нагревателе, как в случае типичных нагревателей с постоянным выходом мощности, если температура вдоль какой-либо точки нагревателя превышает или приближается к превышению максимальной рабочей температуры нагревателя. Тепловая отдача от участков нагревателя с ограниченной температурой при приближении к температуре точки Кюри и/или к диапазону температур фазового превращения автоматически уменьшается без регулировки подаваемого в нагреватель изменяющегося по времени тока. Тепловая отдача автоматически снижается в результате изменения электрических свойств (например, электрического сопротивления) участков нагревателя с ограниченной температурой. Таким образом, с помощью нагревателя с ограниченной температурой во время процесса нагрева большего участка подают больше мощности.
В некоторых вариантах осуществления изобретения система, включающая в себя нагреватели с ограниченной температурой, первоначально обеспечивает первую тепловую отдачу, а затем - уменьшенную (вторую) тепловую отдачу при температуре, близкой или превышающей температуру точки Кюри и/или диапазон температур фазового превращения электрически резистивного участка нагревателя, когда на нагреватель с ограниченной температурой подают питание в виде изменяющегося по времени тока. Первая тепловая отдача представляет собой тепловую отдачу при температурах, ниже которых нагреватель с ограниченной температурой начинает самоограничение. В некоторых случаях первая тепловая отдача представляет собой тепловую отдачу при температуре приблизительно на 50°C, приблизительно на 75°C, приблизительно на 100°C, или приблизительно на 125°C ниже температуры точки Кюри и/или диапазона температур фазового превращения ферромагнитного материала в нагревателе с ограниченной температурой.
Питание нагревателя с ограниченной температурой может осуществляться изменяющимся по времени током (переменным током или модулированным постоянным током), подаваемым в устье скважины. Устье скважины может включать в себя источник питания и другие компоненты (например, модуляторы, трансформаторы и/или конденсаторы), используемые при подаче питания к нагревателю с ограниченной температурой. Нагреватель с ограниченной температурой может представлять собой один из множества нагревателей, используемых для нагрева участка формации.
В некоторых вариантах осуществления изобретения нагреватель с ограниченной температурой включает в себя проводник, который работает как нагреватель с поверхностным эффектом или нагреватель с эффектом близости, когда в проводник подают ток, изменяющийся по времени. Поверхностный эффект ограничивает глубину проникновения тока внутрь проводника. Для ферромагнитных материалов поверхностный эффект зависит от магнитной проницаемости проводника. Относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов обычно имеет значение от 10 до 1000 (например, относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов обычно составляет не менее 10, а может составлять и 50, и 100, и 500, и 1000 и более). При повышении температуры ферромагнитного материала выше температуры точки Кюри, или диапазона температур фазового превращения, и/или при повышении подаваемого электрического тока магнитная проницаемость ферромагнитного материала существенно снижается, и глубина поверхностного слоя быстро растет (например, глубина поверхностного эффекта растет обратно пропорционально квадратному корню из величины магнитной проницаемости). Снижение магнитной проницаемости приводит к уменьшению сопротивления для переменного тока или сопротивления проводника для модулированного постоянного тока рядом с температурой точки Кюри или выше нее, в диапазоне температур фазового превращения, и/или приложенный электрический ток увеличивается. Когда в нагреватель с ограничением температуры подают питание от источника по существу постоянного тока, участки нагревателя, температура которых приближается, достигает превышает температуру точки Кюри, и/или диапазон температур фазового превращения, могут уменьшать рассеяние тепла. В участках нагревателя с ограниченной температурой, которые не приближаются и не находятся на уровне температуры точки Кюри/или в диапазоне температуры фазового превращения, может преобладать нагрев с поверхностным эффектом, который обеспечивает высокую степень рассеяния тепла нагревателя из-за большой резистивной нагрузки.
Преимущество использования нагревателя с ограниченной температурой для нагрева углеводородов в формации состоит в том, что проводник выбирают так, чтобы он имел температуру точки Кюри и/или диапазон температур фазового превращения в требуемом диапазоне рабочих температур. Работа в пределах требуемого диапазона рабочих температур позволяет выполнять существенную подачу тепла в формацию при поддержании температуры нагревателя с ограниченной температурой и другого оборудования ниже расчетного предела. Температуры расчетного предела представляют собой такие температуры, которые оказывают отрицательное влияние на такие свойства, как коррозия, ползучесть и/или деформация. Ограничение температуры нагревателя с ограниченной температурой предотвращает перегрев или перегорание нагревателя рядом с «горячими пятнами», имеющими низкую теплопроводность в формации. В некоторых случаях нагреватель с ограниченной температурой выполнен с возможностью снижения теплового выхода или управления им и/или противостояния теплу при температурах выше 25°C, 37°C, 100°C, 250°C, 500°C, 700°C, 800°C, 900°C или выше вплоть до 1131°C, в зависимости от материалов, используемых в нагревателе.
Нагреватель с ограниченной температурой позволяет подавать больше тепла в формацию, чем нагреватели постоянной мощности, поскольку энергия, подаваемая в нагреватель с ограниченной температурой, не должна быть ограничена возможностями областей с низкой теплопроводностью, расположенных рядом с нагревателем. Например, в битуминозном сланце Грин-Ривер существует различие с коэффициентом не менее 3 в удельной теплопроводности для самых нижних и самых верхних богатых слоев в слоях битуминозных сланцев. При нагреве такой формации существенно большее количество тепла передается в формацию нагревателем с ограниченной температурой, чем при использовании обычного нагревателя, который ограничен температурой в слоях с малой удельной теплопроводностью. Тепловой выход по всей длине обычного нагревателя должен быть приспособлен для работы в слоях с малой удельной теплопроводностью таким образом, чтобы нагреватель не перегревался в слоях с малой удельной теплопроводностью и не перегорал. Тепловая отдача рядом со слоями с малой удельной теплопроводностью, которые находятся при высокой температуре, будет уменьшена для нагревателя с ограниченной температурой, но остальные участки нагревателя с ограниченной температурой, которые не находятся в условиях высокой температуры, все еще будут обеспечивать высокую тепловую отдачу. Поскольку нагреватели для нагрева углеводородных формаций обычно имеют большую длину (например, по меньшей мере, 10 м, 100 м, 300 м, 500 м, 1 км или больше, вплоть до приблизительно 10 км), большая часть длины нагревателя с ограниченной температурой может работать ниже температуры точки Кюри и/или диапазона температур фазового превращения, в то время как только несколько участков имеют температуру точки Кюри или близкую к ней, и/или диапазон температур фазового превращения нагревателя с ограниченной температурой.
Использование нагревателей с ограниченной температурой позволяет выполнять эффективную передачу тепла в формацию. Эффективная передача тепла позволяет уменьшить время, необходимое для нагрева формации до требуемой температуры. Например, в битуминозном сланце Грин-Ривер пиролиз обычно требует от 9,5 до 10 лет для нагрева при использовании промежутков между скважинами нагревателя 12 м обычными нагревателями с постоянным напряжением. При таком же промежутке между нагревателями нагреватели с ограниченной температурой могут обеспечить больший средний выход тепла при поддержании температуры оборудования нагревателя ниже конструктивных предельных температур оборудования. Пиролиз в формации может произойти раньше, с большим средним тепловым выходом, обеспечиваемым нагревателями с ограниченной температурой, чем при меньшем среднем тепловом выходе, обеспечиваемом нагревателями постоянной мощности. Например, в битуминозных сланцах Грин-Ривер, пиролиз может произойти через 5 лет с использованием нагревателей с ограниченной температурой при промежутках между нагревателями скважин 12 м. Нагреватели с ограниченной температурой противодействуют возникновению горячих пятен из-за неточного размещения скважин или бурения, в местах, где нагревательные скважины располагаются слишком близко друг к другу. В некоторых случаях нагреватели с ограниченной температурой позволяют повысить выход мощности в течение времени для нагревательных скважин, которые были размещены слишком далеко друг от друга, или ограничивать выходную мощность для нагревательных скважин, которые расположены слишком близко друг к другу. Нагреватели с ограниченной температурой также подают больше мощности в областях, расположенных рядом с пластами перекрытия и подстилающими отложениями для компенсации потерь температуры в этих областях.
Нагреватели с ограниченной температурой можно предпочтительно использовать во множестве типов формаций. Например, в формациях битуминозного песка или в относительно проницаемых формациях, содержащих тяжелые углеводороды, нагреватели с ограниченной температурой можно использовать для обеспечения управляемой низкотемпературной отдачи, для снижения вязкости текучих сред, мобилизации текучих сред и/или улучшения радиального потока текучих сред в местах или рядом со скважиной или в формации. Нагреватели с ограниченной температурой можно использовать для предотвращения чрезмерного образования кокса, из-за перегрева в области рядом со скважиной в формации.
В некоторых случаях использование нагревателей с ограниченной температурой устраняет или уменьшает необходимость в дорогостоящих схемах управления температурой. Например, использование нагревателей с ограниченной температурой устраняет или уменьшает необходимость регистрации температуры и/или необходимости использовать фиксированные термопары на нагревателях для отслеживания потенциального перегрева в горячих пятнах.
Нагреватели с ограниченной температурой можно использовать в нагревателях типа проводник в трубе. В некоторых вариантах выполнения нагревателей в виде проводник в трубе большая часть резистивного тепла генерируется в проводнике, и происходит нагрев за счет излучения, теплопроводности и/или конвекции. В некоторых вариантах выполнения нагревателей типа проводник в трубе большая часть резистивного тепла генерируется в трубе.
В некоторых случаях относительно тонкий проводящий слой используется для обеспечения большей части выходного электрического резистивного тепла нагревателя с ограниченной температурой при температурах вплоть до температуры точки Кюри и/или рядом с ней и/или в диапазоне температур фазового превращения ферромагнитного проводника. Такой нагреватель с ограниченной температурой может использоваться, как нагревательный элемент в нагревателе с изолированным проводником. Нагревательный элемент нагревателя с изолированным проводником может быть расположен внутри оболочки с изолирующим слоем между оболочкой и нагревательным элементом.
Кабели с минеральной изоляцией (MI) (изолированные проводники) для использования внутри скважины, такого как нагрев формации, содержащей углеводороды, в некоторых вариантах применения выполнены длинными, могут иметь большие внешние диаметры, и могут работать при больших напряжениях и температурах, чем типичные кабели MI. Для таких вариантов применения для работы внутри скважины для получения кабелей MI с существенной длиной, а также для достижения глубин и расстояний, необходимых для эффективного нагрева внутри скважины и для соединения сегментов с разными функциями, таких, как подводящие кабели, соединенные с нагревательными участками, необходимо соединение множества кабелей MI. Длинные нагреватели также требуют больших напряжений для обеспечения достаточной мощности для самых дальних их концов.
Обычные конструкции соединения кабеля MI обычно не пригодны для напряжений свыше 1000 вольт, свыше 1500 вольт или свыше 2000 вольт и не могут работать в течение длительных периодоввремени без возникновения неисправностей при повышенных температурах, таких как свыше 650°C (приблизительно 1200°F), свыше 700°C (приблизительно 1290°F), или свыше 800°C (приблизительно 1470°F). Варианты применения с высоким напряжением и с высокой температурой обычно требуют уплотнения минерального изолятора в месте сращивания с тем, чтобы он был как можно ближе или превышал уровень уплотнения самого изолированного проводника (кабеля MI).
Относительно большой внешний диаметр и большая длина кабелей MI для некоторых вариантов применения требуют, чтобы кабели сращивались при их горизонтальной ориентации. Существуют варианты сращивания для других вариантов применения кабелей MI, которые были изготовлены горизонтально. В таких технологиях обычно используют малое отверстие, через которое место сращивания заполняют минеральной изоляцией (такой как порошок окиси магния) и несколько уплотняют, используя вибрацию и трамбование. Такие способы не обеспечивают достаточное уплотнение минеральной изоляции или, даже в некоторых случаях, не обеспечивают уплотнение минеральной изоляции, следовательно, не могут использоваться для сращивания кабелей, работающих при высоких напряжениях, необходимых для таких вариантов применения внутри скважины.
Таким образом, существует потребность в сращивании изолированных проводников, которое было бы простым, но позволяло бы работать при высоких напряжениях и температурах в среде внутри скважины в течение длительного времени без отказа. Кроме того, в местах сращивания может требоваться большая прочность на изгиб и растяжение, чтобы предотвращать отказ в месте сращивания под действием веса, нагрузок и температур, которым могут подвергаться кабели внутри скважины. Для уменьшения напряженности электрического поля в местах сращивания, для уменьшения токов утечки в местах сращивания и повышения запаса между рабочим напряжением и напряжением электрического пробоя можно использовать различные технологии и способы. Уменьшение напряженности электрического поля может помочь повысить напряжение и рабочие диапазоны температуры в месте сращивания.
На фиг.5 представлен один из вариантов выполнения соединительного устройства для соединения изолированных проводников. Соединительное устройство 250 представляет собой соединитель для сращивания или соединительную муфту для соединения изолированных проводников 212A и 212B. Соединительное устройство 250 включает в себя муфту 252 и кожухи 254A и 254B. Кожухи 254A и 254B могут представлять собой кожухи для сращивания, кожухи соединительной муфты или кожух для соединителя. Муфта 252 и кожухи 254A и 254B могут быть выполнены из механически прочных электропроводных материалов, таких как, в частности, нержавеющая сталь. Муфта 252 и кожухи 254A и 254B могут иметь цилиндрическую форму или форму многоугольника. Муфта 252 и кожухи 254A и 254B могут иметь закругленные кромки, конусность и другие особенности или их комбинации, которые уменьшают напряженность электрического поля в соединительное устройстве 250.
Соединительное устройство 250 можно использоваться для соединения (сращивания) изолированного проводника 212A с изолированным проводником 212B при сохранении механической и электрической целостности оболочек (защитного слоя), изоляции, и жил (проводников) в изолированных проводниках. Соединительное устройство 250 можно использовать для соединения изолированных проводников, производящих тепло, с изолированными проводниками, не производящими тепло, для соединения изолированных проводников, производящих тепло, с другими изолированными проводниками, производящими тепло, или для соединения изолированных проводников, не производящих тепло, с другими изолированными проводниками, не производящими тепло. В некоторых случаях для соединения множества изолированных проводников, производящих тепло и не производящих тепло, для получения длинного изолированного проводника может использоваться несколько соединительных устройство 250.
Соединительное устройство 250 можно использовать для соединения изолированных проводников с разными диаметрами, как показано на фиг.5. Например, изолированные проводники могут иметь разные диаметры жилы (проводника), разные диаметры оболочки (защитного слоя), или комбинации разных диаметров. Соединительное устройство 250 также может использоваться для соединения изолированных проводников с разными составами металла, разными типами изоляции, или их комбинаций.
Как показано на фиг.5, корпус 254A соединен с оболочкой (защитным слоем) 218A изолированного проводника 212A, а корпус 254B соединен с оболочкой 218B изолированного проводника 212B. Корпусы 254A, 254B приварены, припаяны твердым припоем, или по-другому постоянно закреплены на изолированных проводниках 212A, 212B. В некоторых случаях корпусы 254A, 254B временно или полупостоянно закреплены на оболочках 218A, 218B изолированных проводников 212A, 212B (например, соединены с использованием резьбы или клея). Соединительное устройство 250 может быть центрированным между концами изолированных проводников 212A, 212B.
2
Внутренние объемы муфты 252 и корпусов 254A, 254B могут быть по существу заполнены электроизолирующим материалом 256. «По существу заполненный» означает полное или почти полное заполнение объема или объемов электроизолирующим материалом с по существу отсутствием макроскопических пустот в объеме или объемах. Например, по «существу заполненный» может относиться к заполнению практически всего объема электроизолирующим материалом, который обладает определенной пористостью, из-за наличия микроскопических пустот (например, приблизительно до 40% пористости). Электроизолирующий материал 256 может включать в себя окись магния, тальк, керамические порошки (например, нитрид бора), смесь окиси магния и другого электрического изолятора (например, приблизительно до 50% массы нитрида бора), керамический цемент, смеси керамических порошков с некоторыми некерамическими материалами (такими, как сульфид вольфрама WS), или их смеси. Например, окись магния может быть смешана с нитридом бора или другим электрическим изолятором для повышения текучести электроизолирующего материала, для улучшения его диэлектрических характеристик или для повышения гибкости соединительного устройства. В некоторых случаях электроизолирующий материал 256 представляет собой материал, аналогичный электрической изоляции, используемой внутри по меньшей мере одного из изолированных проводников 212A, 212B. Электроизолирующий материал 256 может иметь по существу аналогичные диэлектрические характеристики для электрической изоляции, используемой внутри по меньшей мере одного из изолированных проводников 212A, 212B.
Первая муфта 252 и корпусы 254A, 254B могут быть изготовлены (например, сведены вместе или произведены) путем заглубления или погружения в электроизолирующий материал 256. При изготовлении муфты 252 и корпусов 254A, 254B с погружением в электроизолирующий материал 256 предотвращается формирование открытого пространства во внутренних объемах участков. Муфта 252 и корпусы 254A, 254B имеют открытые концы, которые обеспечивают проход через них изолированных проводников 212A, 212B. Эти открытые концы могут иметь такие размеры, чтобы получить диаметры, несколько большие, чем внешний диаметр оболочек изолированных проводников.
В определенных вариантах осуществления жилы 214A, 214B изолированных проводников 212A, 212B соединяют вместе в соединителях 258. Чтобы открыть требуемые отрезки жил 214A, 214B перед их соединением оболочки и изоляция изолированных проводников 212A, 212B могут быть обрезаны или сняты. Соединитель 258 может быть расположен в электроизолирующем материале 256 внутри муфты 252.
Соединитель 258 может соединять жилы 214A, 214B, например, путем обжатия, пайки твердым припоем, сварки или с использованием других технологий, известных в данной области техники. В некоторых случаях жила 214A может быть изготовлена из материала, отличного от материала жилы 214B. Например, жила 214A может быть медной, а жила 214B может быть выполнена из нержавеющей стали, углеродистой стали или сплава 180. В таких случаях может потребоваться использование специальных способов для сварки жил. Например, может потребоваться согласовать прочности на разрыв и/или пределы текучести жил так, чтобы соединение между ними не ухудшалось с течением времени или при использовании.

Медная жила может быть подвергнута деформационному упрочнению перед ее соединением с жилой из углеродистой стали или сплавом 180. В некоторых случаях жилы соединяют, используя сварку в линию, с использованием материала заполнителя (например, присадочного металла) между жилами из разных материалов. Например, в качестве присадочного металла можно использовать никелевые сплавы Monel (Special Metals Corporation, Нью-Хартфорд, Нью-Йорк, США). В некоторых случаях медные жилы соединяют с предварительной наплавкой металла (расплавляют и смешивают), используя присадочный металл перед сваркой.
Изолированные проводники 212A, 212B соединяют посредством соединительного устройства 250, устанавливая сначала скользящий корпус 254A поверх оболочки 218A изолированного проводника 212A, а затем скользящий корпус 254B поверх оболочки 218B изолированного проводника 212B. Корпуса скользят поверх оболочек с концами большего диаметра корпусов, которые обращены к концам изолированных проводников. Поверх изолированного проводника 212B может скользить муфта 252 так, что она располагается рядом с корпусом 254B. Жилы 214A и 214B соединяются в соединителях 258 для формирования надежного электрического и механического соединения между ними. Конец корпуса 254A с малым диаметром соединяют (например, приваривают) к оболочке 218А изолированного проводника 212A. Муфту 252 и корпус 254B сводят (перемещают или проталкивают) вместе с корпусом 254A для формирования соединительного устройства 250. В процессе сведения муфты и корпуса внутренний объем соединительного устройства 250 может быть по существу заполнен электроизолирующим материалом. Внутренний объем комбинации муфты и корпусов уменьшается таким образом, что электроизолирующий материал, по существу заполняющий весь внутренний объем, уплотняется. Муфту 252 соединяют с корпусом 254B, а корпус 254B соединяют с оболочкой 218B изолированного проводника 212B. Объем муфты 252 может быть дополнительно уменьшен, если требуется дополнительное уплотнение.
В некоторых вариантах осуществления изобретения внутренние объемы корпусов 254A, 254B, заполненные электроизолирующим материалом 256, имеют конусную форму. Внутренний диаметр корпусов 254A, 254B может сходиться на конус, меньший диаметр которого расположен рядом с концами корпусов, соединенных с изолированными проводниками 212A, 212B, а больший диаметр - рядом с концами корпусов, расположенных внутри муфты 252 (концы корпусов, каждый из которых обращен друг к другу, или концы корпусов, обращенные к концам изолированных проводников). Конусные формы внутренних объемов могут уменьшать напряженность электрического поля в соединительном устройстве 250. Уменьшение напряженности электрического поля в соединительном устройстве 250 позволяет уменьшить токи утечки в при повышенных рабочих напряжениях и температурах, и повысить запас до электрического пробоя. Таким образом, благодаря уменьшению напряженности электрического поля в соединительном устройстве 250 можно расширить диапазон его рабочих напряжений и температур.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, когда электроизолирующий материал 256 является более слабым диэлектриком, чем изоляция в изолированных проводниках, изоляция изолированных проводников 212А, 212В сужается от оболочки 218A, 218B до жил 214A, 214B в направлении к центру соединительного устройства 250. Когда электроизолирующий материал 256 является более сильным диэлектриком, чем изоляция в изолированных проводниках, изоляция в изолированных проводниках 212A, 212B сужается от оболочек 218A, 218B до жил 214A, 214B в направлении к изолированным проводникам. Коническое сужение изоляции в изолированных проводниках уменьшает интенсивность электрических полей на границах перехода между изоляцией изолированных проводников и электроизолирующим материалом внутри соединительного устройства.
На фиг.6 представлен инструмент, который можно использовать для среза части внутренней части изолированных проводников 212A, 212B (например, электрической изоляции внутри оболочки изолированного проводника). Инструмент 260 может включать в себя режущие зубья 262 и полый шток 264 привода. Полый шток 264 привода может быть соединен с корпусом режущего инструмента 260 посредством, например, сварки или пайки твердым припоем. В некоторых случаях для отрезки электроизоляции внутри оболочки не требуется режущий инструмент.
Муфта 252 и корпусы 254A, 254B могут быть соединены посредством любого средства, известного в данной области техники: пайкой твердым припоем, сваркой или обжатием. В некоторых случаях, как показано на фиг.7, муфта 252 и корпуса 254A, 254B имеют резьбу для соединения этих деталей между собой.
Как показано на фиг.5 и 7, в некоторых вариантах осуществления изобретения во время процесса сборки электроизолирующий материал 256 уплотняют. Для сжатия корпусов 254A, 254B в направлении друг к другу к электроизолирующему материалу 256 может прикладывать давление, например, от 25000 фунтов на квадратный дюйм до 55000 фунтов на квадратный дюйм для обеспечения приемлемого уплотнения изолирующего материала. Конусные формы внутренних объемов корпусов 254A, 254B и состав электроизолирующего материала 256 могут улучшать уплотнение электроизолирующего материала во время процесса сборки до состояния, когда диэлектрические характеристики электроизолирующего материала практически становятся теми же, что и у изолированных проводников 212A, 212B. Способы и устройства, которые способствуют уплотнению, включают в себя, в частности, механические способы (такие, как показано на фиг.10), пневматические, гидравлические (такие, как показано на фиг.11 и 12), штамповку или их комбинации.
Перемещение с усилием корпусов, имеющих конусные внутренние объемы, приводит к уплотнению электроизолирующего материала 256, сжимая его как в осевом, так и в радиальном направлениях. Одновременное осевое и радиальное сжатие электроизолирующего материала 256 обеспечивает более однородное его уплотнение. В некоторых случаях для уплотнения электроизолирующего материала 256 также можно использовать вибрацию и/или трамбовку. Вибрацию (и/или трамбовку) можно применять либо одновременно с приложением силы при перемещении корпусов 254A, 254B для их соединения вместе, либо чередовать с приложением этой силы. Вибрация и/или трамбовка могут уменьшить арочный эффект частиц в электроизолирующем материале 256.
В варианте осуществления изобретения, представленном на фиг.7, электроизолирующий материал 256 внутри корпусов 254A, 254B сжат механически в результате затягивания гаек 266 на манжетах 268, соединенных с оболочками 218A, 218B. Механический способ уплотняет внутренние объемы корпусов 254A, 254B, благодаря конической форме внутренних объемов. Манжеты 268 могут быть выполнены из меди или из другого мягкого металла. Гайки 266 могут быть выполнены из нержавеющей стали или из другого твердого сплава, которые могут перемещаться на оболочках 218A, 218B. Гайки 266 могут зацепляться с резьбой на корпусах 254A, 254B для соединения с корпусами. Поскольку гайки 266 навинчены на корпуса 254A, 254B, гайки 266 и манжеты 268 работают на сжатие внутренних объемов корпусов. В некоторых случаях гайки 266 и манжеты 268 могут обеспечивать перемещение корпусов 254A, 254B дальше на муфту 252 (используя резьбовое соединение между деталями) и уплотнять внутренний объем муфты. В некоторых случаях корпуса 254A, 254B и муфту 252 соединяют вместе посредством резьбового соединения перед гайкой и манжеты, наштампованной на второй участок. По мере уплотнения внутренних объемов корпусов 254A, 254B, внутренний объем внутри муфты 252 также может быть сжат. В некоторых вариантах осуществления изобретения гайки 266 и манжеты 268 могут действовать для соединения корпусов 254A, 254B с изолированными проводниками 212A, 212B.
В некоторых вариантах осуществления изобретения в концевых соединительных устройствах соединяют вместе множество изолированных проводников. Например, в концевом соединительном устройстве могут быть соединены вместе три изолированных проводника для их электрического соединения в 3-фазной конфигурации типа «звезда». На фиг.8A показано резьбовое соединительное устройство 270 для соединения трех изолированных проводников 212A, 212B, 212C, а на фиг.8B - сварное соединительное устройство 270 для соединения трех изолированных проводников 212A, 212B, 212C. Как показано на фиг.8A и 8B, изолированные проводники 212A, 212B, 212C могут быть соединены между собой в соединительное устройстве 270 через торцевую крышку 272. Торцевая крышка 272 может включать в себя три соединительных устройства 274, устраняющих механическое напряжение, через которые пропущены изолированные проводники 212A, 212B, 212C.
Жилы 214A, 214B, 214C изолированных проводников могут быть соединены вместе в соединителе 258. Соединитель 258 может представлять собой, например, пайку твердым припоем (такую как пайка серебряным твердым припоем, или пайка медным твердым припоем), сварное соединение, или обжимное соединение. Соединение жил 214A, 214B, 214C в соединителе 258 электрически соединяет три изолированных проводника для использования в 3-фазной конфигурации типа «звезда».
Как показано на фиг.8A, торцевая крышка 272 может быть соединена с основным корпусом 276 соединительного устройства 270 посредством резьбы. Резьбы на торцевой крышке 272 и на основном корпусе 276 могут обеспечить уплотнение электроизолирующего материала 256 внутри основного корпуса. На конце основного корпуса 276 противоположно торцевой крышке 272 находится заглушка 278. Заглушка 278 может быть прикреплена к основному корпусу 276 с помощью резьбы. В некоторых случаях уплотнение электроизолирующего материала 256 в соединительном устройстве 270 улучшается посредством затяжки заглушки 278 на основном корпусе 276, или путем обжатия основного корпуса после прикрепления заглушки, или в комбинации этих способов.
Как показано на фиг.8B, торцевая крышка 272 может быть соединена с основным корпусом 276 соединительного устройства 270 посредством сварки, пайки твердым припоем или обжатия. Торцевая крышка 272 может быть надвинута или прижата к основному корпусу 276 для уплотнения электроизолирующего материала 256. К основному корпусу 276 также посредством сварки, пайки твердым припоем, или обжатием может быть прикреплена заглушка 278. Заглушка 278 может быть надвинута или прижата к основному корпусу 276 для уплотнения электроизолирующего материала 256. Обжим основного корпуса после закрепления заглушки может дополнительно улучшить уплотнение электроизолирующего материала 256 в соединительное устройстве 270.
Как показано на фиг.8A и 8B, отверстия в заглушке 278 закрыты пробками 280. Например, пробки могут быть завинчены, приварены или припаяны твердым припоем в отверстиях заглушки 278. Отверстия в заглушке 278 позволяют ввести электроизолирующий материал 256 внутрь соединительного устройства 270, когда заглушка 278 и торцевая крышка 272 закреплены на основном корпусе 276. Отверстия в заглушке 278 могут быть закрыты или закупорены после подачи электроизолирующего материала 256 внутрь соединительного устройства 270. В некоторых случаях отверстия могут быть расположены на основном корпусе 276 соединительного устройства 270. Отверстия в основном корпусе 276 могут быть закрыты пробками 280 или другими затычками.
Заглушка 278 может включать в себя один или несколько штифтов, которые составляют часть пробок 280. Штифты могут зацепляться с инструментом, прикладывающим крутящий момент, который поворачивает заглушку 278 и затягивает его на основном корпусе 276. Пример выполнения инструмента 282, прикладывающего крутящий момент и способного зацепляться за штифты, показан на фиг.9. Инструмент 282, прикладывающий крутящий момент, может иметь внутренний диаметр, который по существу соответствует внешнему диаметру заглушки 278 (показан на фиг.8A). Как показано на фиг.9, инструмент 282, прикладывающий крутящий момент, может иметь пазы или другие углубления, которые имеют такую форму, которая позволяет зацепляется за штифты заглушки 278. Инструмент 282, прикладывающий крутящий момент, может иметь выемку 284, которая может иметь квадратную или другую форму, обеспечивающую возможность поворота инструмента, прикладывающего крутящий момент.
На фиг.10 показан вариант выполнения узлов 286A и 286B зажимного устройства, которые можно использовать для механического уплотнения соединительного устройства 250. Узлы 286A, 286B зажимного устройства могут иметь форму, обеспечивающую фиксацию соединительного устройства 250 с использованием буртиков на корпусах 254A, 254B. Через отверстия 290 в узлах 286A, 286B могут быть пропущены резьбовые стержни 288. На каждом из резьбовых стержней 288 имеются гайки 292 с шайбами, которые можно использовать для приложения силы к внешним сторонам каждого узла зажимного устройства с целью сведения вместе этих узлов, сжимая тем самым корпуса 254A, 254B соединительного устройства 250. Эти силы сжатия уплотняют электроизолирующий материал внутри соединительного устройства 250.
Узлы 286 зажимного устройства могут использоваться в гидравлических, пневматических или других способах уплотнения. На фиг.11 в разобранном виде представлено гидравлическое зажимное устройство 294, а на фиг.12 - в собранном виде. Как показано на фиг.11 и 12, узлы 286 зажимного устройства могут использоваться для закрепления соединительного устройства 250 (как представлено, например, на фиг.5) совместно с соединенными с ним изолированными проводниками. По меньшей мере один узел зажимного устройства (например, узел 286A) может перемещаться для сжатия соединительного устройства в осевом направлении. Для приведения в действие зажимного устройства 294 может использоваться энергоблок 296, показанный на фиг.11.
На фиг.13 показано соединительное устройство 250 с изолированными проводниками 212A, 212B, закрепленными в узлах 286A и 286B зажимного устройства перед обжатием соединительного устройства и изолированных проводников. Как показано на фиг.13, жилы изолированных проводников 212A, 212B соединены с посредством соединителя 258 в центре муфты 252 или рядом с ним. Муфта 252 передвигается со скольжением по корпусу 254A, который соединен с изолированным проводником 212A. Муфта 252 и корпус 254A закреплены на фиксированном (неподвижном) узле 286B зажимного устройства. Изолированный проводник 212B проходит через корпус 254B и подвижный узел 286A зажимного устройства. Изолированный проводник 212B может быть закреплен с помощью другого узла (не показан) зажимного устройства, неподвижного относительно узла 286B. Узел 286A может перемещаться в направлении узла 286B для соединения корпуса 254B с муфтой 252 и уплотнения электроизолирующего материала внутри корпусов и муфты. Границы перехода между изолированным проводником 212A и корпусом 254A, между корпусом 254A и муфтой 252, между муфтой 252 и корпусом 254B, и между корпусом 254B и изолированным проводником 212B могут быть затем соединены с помощью сварки, пайки твердым припоем или других технологий, известных в данной области техники.
На фиг.14 представлен один из вариантов выполнения соединительного устройства 298 для соединения изолированных проводников. Соединительное устройство 298 может представлять собой цилиндр или муфту, внутренний диаметр которой обеспечивает достаточный зазор между внутренней поверхностью этой муфты и внешней поверхностью изолированных проводников 212A и 212B, так что муфта может быть установлена поверх концов изолированных проводников. Жилы изолированных проводников 212A, 212B могут быть соединены внутри соединителя 298. Оболочки и изоляция изолированных проводников 212A, 212B могут быть обрезаны или содраны для оголения требуемых отрезков жил перед их соединением. Соединительное устройство 298 может быть установлено по центру относительно концов изолированных проводников 212A, 212B.
Соединительное устройство 298 можно использовать для соединения изолированного проводника 212A с изолированным проводником 212B, при поддержании механической и электрической целостности оболочек, изоляции и жил изолированных проводников. Соединительное устройство 298 можно использовать для соединения производящих тепло изолированных проводников с непроизводящими теплоизолированными проводниками, предназначенными для соединения производящих тепло изолированных проводников с другими производящими тепло изолированными проводниками, или соединения непроизводящих тепло изолированных проводников с другими непроизводящими тепло изолированными проводниками. В некоторых случаях для соединения множества производящих тепло и непроизводящих тепло изолированных проводников при формировании длинного изолированного проводника может использоваться несколько соединительных устройств 298.
Соединительное устройство 298 может использоваться для соединения изолированных проводников разных диаметров. Например, изолированные проводники могут иметь разные диаметры жилы, разные диаметры оболочки или комбинации разных диаметров. Соединительное устройство 298 также можно использовать для соединения изолированных проводников с разными составами металла, разными типами изоляции или при использовании их комбинации.
В некоторых вариантах осуществления изобретения соединительное устройство 298 имеет по меньшей мере один наклонный конец. Например, концы соединительного устройства 298 могут иметь наклон относительно его продольной оси. Угол может составлять, например, около 45° или от 30° до 60°. Таким образом, концы соединительного устройства 298 могут иметь по существу эллиптический профиль. По существу эллиптические профили концов соединительного устройства 298 обеспечивают большую площадь для сварки или пайки твердым припоем соединительного устройства на изолированных проводниках 212A, 212B. Большая площадь соединения увеличивает прочность сращенных изолированных проводников. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.14, наклонные концы соединительное устройства 298 придают ему на виде сбоку по существу форму параллелограмма.
Наклонные концы соединительного устройства 298 благодаря распределению нагрузки вдоль соединительного устройства обеспечивают такому соединительному устройству большую прочность на разрыв и большую прочность на изгиб по сравнению с соединительным устройством с прямыми концами. Соединительное устройство 298 может быть ориентировано таким образом, что, когда изолированные проводники 212A, 212B и соединительное устройство намотаны на катушки (например, при установке смотанных в бухты гибких насосно-компрессорных труб малого диаметра), наклонные концы сглаживают переход жесткости от корпуса соединительного устройства к изолированным проводники. Это уменьшает вероятность неисправности или образования складок на конце корпуса соединительного устройства.
Как показано на фиг.14, в соединительном устройстве 298 выполнено отверстие 300, которое обеспечивает возможность подачи электроизолирующего материала (такого как электроизолирующий материал 256, показанный на фиг.5) внутрь соединительного устройства 298. Отверстие 300 может представлять собой паз или другое продолговатое отверстие, проходящее вдоль части длины соединительного устройства 298. В некоторых случаях отверстие 300 ходит по существу по всему зазору между концами изолированных проводников 212A, 212B, расположенных внутри соединительного устройства 298. Отверстие 300 позволяет заполнять электроизолирующим материалом по существу весь объем (область) между изолированными проводниками 212A, 212B, и вокруг любых сваренных или сращенных соединений между изолированными проводниками без необходимости перемещения изолирующего материала вдоль оси к концам объема между изолированными проводниками. Ширина отверстия 300 позволяет проталкивать электроизолирующий материал в отверстие и более плотно его упаковывать внутри соединительное устройства 298, уменьшая тем самым величину пустого пространства внутри соединительного устройства. Электроизолирующий материал может проталкиваться через паз в пространство между изолированными проводниками 212A, 212B, например, с помощью инструмента, размер которого соответствует размеру паза. Инструмент может проталкиваться внутрь паза для уплотнения изолирующего материала. Затем может быть добавлен дополнительный изолирующий материал, и уплотнение повторяется. В некоторых случаях электроизолирующий материал может быть дополнительно уплотнен внутри соединительного устройства 298, посредством вибрации, трамбовки или других технологий. Дополнительное уплотнение электроизолирующего материала способствует более равномерному распределению электроизолирующего материала внутри соединительного устройства 298.
После заполнения электроизолирующим материалом соединительного устройства 298 и возможного уплотнения этого электроизолирующего материала, отверстие 300 может быть закрыто. Например, поверх отверстия могут быть помещены и закреплены вставка или другая крышка. На фиг.15 показано соединительное устройство с отверстием 300, закрытым вставкой 302. Вставка 302 может быть приварена или припаяна твердым припоем к соединительному устройству 298, чтобы закрыть отверстие 300. В некоторых случаях вставка 302 может быть обточена или отполирована так, что она располагается заподлицо с поверхностью соединительного устройства 298. Кроме того, как показано на фиг.15, для закрепления соединительного устройства 298 на изолированных проводниках 212A, 212B может использоваться сварка или пайка твердым припоем 304.
После того, как отверстие 300 будет закрыто, соединительное устройство 298 может быть обжато механически, гидравлически, пневматически для дополнительного уплотнения электроизолирующего материала внутри соединительного устройства. Дальнейшее уплотнение электроизолирующего материала уменьшает объем пустот внутри соединительного устройства 298, уменьшает токи утечки через него устройство и повышает рабочий диапазон соединительного устройства (например, максимальные рабочие напряжения или температуры).
В некоторых случаях соединительному устройству 298 могут быть приданы некоторые свойства, которые дополнительно уменьшают напряженность электрического поля внутри соединительного устройства. Например, соединительное устройство 298 или соединитель 258 жил изолированных проводников внутри соединительного устройства могут включать в себя конусные кромки, закругленные кромки или другие сглаженные элементы для уменьшения интенсивности электрического поля. На фиг.16 показан вариант выполнения соединительного устройства 298 с элементами, уменьшающими электрическое поле на соединителе 258 между изолированными проводниками 212A, 212B. Как показано на фиг.16, соединитель 258 представляет собой сварное соединение со сглаженным или закругленным профилем для уменьшения напряженности электрического поля внутри соединительного устройства 298. Кроме того, соединительное устройство 298 имеет конусный внутренний объем, который увеличивает объем электроизолирующего материала внутри соединительного устройства. Благодаря конусному и большему объему, можно уменьшить напряженность электрического поля внутри соединительного устройства 298.
В некоторых вариантах осуществления внутри соединительного устройства 298 изобретения могут быть расположены средства для уменьшения напряженности электрического поля. На фиг.17 представлен вариант выполнения средства 306 уменьшения напряженности электрического поля. Средство 306 может быть расположено во внутреннем объеме соединительного устройства 298 (фиг.16). Это средство 306 может представлять собой разделенное кольцо или другую разделяемую деталь, чтобы редуктор его можно было установить вокруг жил 214A, 214B изолированных проводников 212A, 212B после их соединения, как показано на фиг.16.
На фиг.18 и 19 показан другой вариант выполнения соединительного устройства 250 для соединения изолированных проводников. На фиг.18 показано соединительное устройство 250 во время процесса перемещения изолированных проводников 212A, 212B внутрь соединительного устройства. На фиг.19 показано соединительное устройство 250 с соединенными между собой изолированными проводниками 212A, 212B. В некоторых вариантах осуществления изобретения соединительное устройство 250 может содержать муфту 252 и соединитель 258.
Соединительное устройство 250 можно использовать для соединения (сращивания) изолированного проводника 212A с изолированным проводником 212B сохранением механической и электрической целостности оболочек (покрытий), изоляции и жил (проводников) изолированных проводников. Соединительное устройство 250 можно использовать для соединения изолированных проводников, производящих тепло, с изолированными проводниками, не производящими тепло, для соединения изолированных проводников, производящих тепло, с другими изолированными проводниками, производящими тепло, или для соединения изолированных проводников, не производящих тепло, с другими изолированными проводниками, не производящими тепло. В некоторых случаях для соединения множества изолированных проводников, производящих тепло и не производящих тепло, может использоваться несколько соединительных устройств 250 при образовании длинного изолированного проводника.
Соединительное устройство 250 можно использовать для соединения изолированных проводников с разными диаметрами. Например, изолированные проводники могут иметь разные диаметры жил (проводников), разные диаметры оболочки (покрытия) или комбинацию разных диаметров. Соединительное устройство 250 также можно использовать для соединения изолированных проводников с разными составами металла, разными типами изоляции, или их комбинации.
Соединитель 258 используется для скрепления и электрического соединения жил 214A, 214B изолированных проводников 212A, 212B внутри соединительного устройства 250. Соединитель 258 может быть изготовлен из меди или другого соответствующего электропроводного материала. В некоторых случаях жилы 214A, 214B устанавливают с запрессовкой или проталкивают в соединитель 258. В некоторых случаях соединитель 258 нагревают для обеспечения возможности передвижения со скольжением жил 214A, 214B внутрь него. В некоторых случаях жила 214A может быть изготовлена из другого материала, чем жила 214B. Например, жила 214A может быть медной, а жила 214B может быть изготовлена из нержавеющей стали, углеродистой стали или сплава 180. В таких случаях могут использоваться специальные способы сварки жил. Например, прочность на разрыв и/или предел текучести жил могут быть близко согласованы таким образом, чтобы соединение между жилами не приводило бы к деградации с течением времени или при эксплуатации.
В некоторых вариантах осуществления изобретения в соединителе 258 выполнены одна или несколько канавок. Канавки могут предотвращать попадание частиц или выход из соединения после соединения жил внутри соединителя. В некоторых случаях соединитель 258 имеет сужающийся внутренний диаметр (например, более узкий внутренний диаметр в направлении к центру соединителя). Сужающийся внутренний диаметр улучшает прессовую посадку между соединителем 258 и жилами 214A, 214B.
2
В некоторых случаях электроизолирующий материал 256 расположен внутри муфты 252. В некоторых случаях электроизолирующий материал 256 представляет собой окись магния или смесь окиси магния и нитрида бора (80% масс. окиси магния и 20% масс. нитрида бора). Электроизолирующий материал 256 может включать в себя окись магния, тальк, керамические порошки (например, нитрид бора), смесь окиси магния и другого электрического изолятора (например, приблизительно до 50% масс. нитрида бора), керамический цемент, смеси керамических порошков с определенными некерамическими материалами, такими как сульфид вольфрама (WS), или их смеси. Например, окись магния может быть смешана с нитридом бора или другим электрическим изолятором для улучшения затекания электроизолирующего материала, для улучшения диэлектрических характеристик электроизолирующего материала, или для повышения гибкости соединительного устройства. В некоторых случаях электроизолирующий материал 256 аналогичен материалу электрической изоляции, используемой внутри по меньшей мере одного из изолированных проводников 212A, 212B. Электроизолирующий материал 256 может иметь по существу такие же диэлектрические характеристики, как у электрической изоляции, используемой внутри по меньшей мере одного из изолированных проводников 212A, 212B.
В определенных вариантах осуществления изобретения внутренний объем муфты 252 по существу заполнен электроизолирующим материалом 256. «По существу заполненный» означает полное или практически полное заполнение объема или объемов электроизолирующим материалом при по существу отсутствии макроскопических пустот в объеме или объемах. Например, по существу заполненный может относиться к заполнению практически всего объема электроизолирующим материалом, который имеет определенную пористость из-за микроскопических пустот (например, пористость до приблизительно 40%).
В некоторых случаях муфта 252 имеет одну или больше канавок 308. Канавки 308 могут предотвращать движение электроизолирующего материала 256 из муфты 252 (например, канавки захвата электроизолирующего материала в муфте).
В некоторых вариантах осуществления изобретения оконечные участки электроизолирующего материала 256 имеют вогнутую форму на или рядом с кромками соединителя 258, как показано на фиг.18. Вогнутые формы электроизолирующего материала 256 могут улучшить соединение с электрическими изоляторами 216A, 216B проводников 212A, 212B. В некоторых случаях электрические изоляторы 216А, 216В имеют оконечные участки выпуклой формы (или конической формы) для улучшения соединения с электроизолирующим материалом 256. Оконечные участки электроизолирующего материала 256 и электрические изоляторы 216A, 216B могут соединяться или смешиваться под давлением, приложенным во время соединения изолированных проводников. Соединение или смешивание изолирующих материалов может улучшить соединение между изолированными проводниками.
В некоторых вариантах осуществления изобретения изолированные проводники 212A, 212B соединяются с соединительным устройством 250 путем перемещения (проталкивания) этих проводников по направлению к центру соединительного устройства. При движении изолированных проводников 212A, 212B жилы 214A, 214B сводят вместе внутри соединения 258. После сдвигания вместе изолированных проводников 212A, 212B внутри соединительного устройства 250 соединительное устройство и оконечные участки изолированных проводников внутри соединительного устройства могут быть уплотнены или спрессованы для закрепления изолированных проводников внутри соединительного устройства и для сжатия электроизолирующего материала 256. Для сведения вместе изолированных проводников 212A, 212B и соединительного устройства 250 могут использоваться зажимные или другие аналогичные устройства. В некоторых вариантах осуществления изобретения сила для сжатия электроизолирующего материала 256 для обеспечения приемлемого уплотнения изолирующего материала составляет, например, не менее 25000 фунтов на квадратный дюйм вплоть до 55000 фунтов на квадратный дюйм. Уплотнение электроизолирующего материала 256 в процессе сборки может обеспечить диэлектрические характеристики электроизолирующего материала, которые по существу сравнимы с характеристиками внутри изолированных проводников 212A, 212B. Способы и устройства, которые способствуют уплотнению, могут быть механическими, пневматическими, гидравлическими или их комбинациями.
В некоторых случаях оконечные участки муфты 252 соединены (приварены или припаяны твердым припоем) с оболочками 218A, 218B изолированных проводников 212A, 212B. Для обеспечения дополнительной прочности соединительного устройства поверх него могут быть помещены опорная муфта и/или элементы, предотвращающие механическую нагрузку.
На фиг.20 и 21 показан еще один вариант выполнения соединительного устройства 250 для соединения изолированных проводников. На фиг.20 показано, как изолированные проводники 212A, 212B вводятся в соединительное устройство, а на фиг.21 показано соединительное устройство 250 с соединенными внутри него изолированными проводниками 212A, 212B в конечном положении. Варианты выполнения соединительного устройства 250, показанные на фиг.20 и 21, могут быть аналогичны варианту выполнения соединительного устройства 250, показанного на фиг.18 и 19.
В некоторых случаях соединительное устройство 250, показанное на фиг.20 и 21, включает в себя муфту 252 и соединитель 258. Соединитель 258 используется для соединения и электрического сращивания жил 214A, 214B изолированных проводников 212A, 212B внутри соединительного устройства 250. Соединитель 258 может быть выполнен из меди или другого соответствующего электропроводного мягкого металла. Соединитель 258 может использоваться для соединения жил разных диаметров. Таким образом, соединитель 258 может иметь половины с разными внутренними диаметрами для соответствия диаметрам жил.
В некоторых случаях жилы 214A, 214B устанавливают с запрессовкой или проталкивают внутрь соединителя 258, подобно тому, как изолированные проводники 212A, 212B проталкивают внутрь муфты 252. Соединитель 258 может иметь сужающийся внутренний диаметр (например, по направлению к центру соединителя), как показано на фиг.20. Сужающийся внутренний диаметр усиливает прессовую посадку между соединителем 258 и жилами 214A, 214B и увеличивает длину границы перехода между жилами и соединителем. Увеличение длины границы перехода между соединителем 258 и жилами 214A, 214B снижает сопротивление между жилами и соединителем и предотвращает возникновение дуги, когда в изолированные проводники 212A, 212B подают электроэнергию.
В некоторых случаях жилы 214A, 214B проталкивают в конечное положение, показанное на фиг.21, с зазором 309 между концами жил. Зазор 309, являющийся разрывом или промежутком между концами жил 214A, 214B, может составлять от приблизительно 1 мил до приблизительно 15 мил или от приблизительно 2 мил до приблизительно 5 мил.
При наличии зазора 309 между концами жил 214A, 214B движение изолированных проводников 212A, 212B, по мере того, как изолированные проводники проталкивают внутрь муфты 252, ограничено силой сжатия электрических изоляторов 216A, 216B, относительно электроизолирующего материала 256, а не границы перехода между концами жил. Таким образом, поддержание зазора 309 между концами жил 214A, 214B обеспечивает более сильное сжатие электроизолирующего материала 256 и электрических изоляторов 216A, 216B внутри муфты 252 в конечном положении, показанном на фиг.21. Более сильное сжатие электроизолирующего материала 256 и электрических изоляторов 216A, 216B повышает надежность соединительного устройства 250 и улучшает его электрические характеристики.
Кроме того, поддержание зазора 309 между концами жил 214A, 214B предотвращает надвигание жил друг на друга и выпучивание или другую их деформацию. Проталкивание жил 214A, 214B навстречу друг другу внутри соединителя 258 позволяет соединять эти жилы без сварки, нагрева или другого повышения температуры жил. Поддержание пониженной температуры жил 214A, 214B во время их соединения предотвращает размягчение или плавление материала жил (меди). Сохранение твердости жил 214A, 214B улучшает электрические характеристики соединительного устройства 250.
В некоторых вариантах осуществления изобретения электроизолирующий материал 256 имеет оконечные участки вогнутой формы на кромках иди рядом с кромками соединителя 258, как показано на фиг.20. Вогнутые оконечные участки могут иметь кромки, расположенные под углом, для формирования угловой формы охватывающего типа, как показано на фиг.20. Оконечные участки вогнутой формы электроизолирующего материала 256 могут улучшить соединение изолированных проводников 212A, 212B с электрическими изоляторами 216A, 216B. В некоторых случаях электрические изоляторы 216A, 216B могут иметь оконечные участки выпуклой формы (или изогнутые кромки для охватываемого типа) для улучшения соединения с электроизолирующим материалом 256. Сжатие формованных оконечных участков друг с другом может распределять кромки оконечных участков и устранять разрывы между ними. Благодаря форме оконечных участков электроизолирующего материала 256 и электрических изоляторов 216A, 216B улучшается степень сжатия и/или сведения вместе электроизолирующих материалов и электрических изоляторов под давлением, прикладываемым во время соединения изолированных проводников 212A, 212B. Сжатие изолирующих материалов улучшает свойства электрической изоляции соединительного устройства 250.
В некоторых вариантах осуществления изобретения изолированные проводники 212A, 212B перемещают на заданное расстояние внутрь соединительного устройства 250 для обеспечения требуемой степени уплотнения изолированного материала в соединительном устройстве и желательного соединения жил 214A, 214B с соединителем 258. Для обеспечения требуемой степени уплотнения и желательного соединения изолированные проводники 212A, 212B перемещают на заданное расстояние при выбранной величине силы. Сила для проталкивания изолированных проводников 212A, 212B в соединительное устройство 250 может создаваться гидравлическим давлением. В качестве примера, каждый изолированный проводник 212A, 212B можно перемещать на приблизительно 7/8′′ (приблизительно 2,2 см) и приблизительно 1′′ (приблизительно 2,5 см) внутрь соединительное устройство 250, используя гидравлическое давление от приблизительно 2800 фунтов на квадратный дюйм (19300 кПа) и приблизительно 3000 фунтов на квадратный дюйм (приблизительно 20680 кПа).
На фиг.22 показан вариант выполнения электроизолирующего материала в виде блоков, окружающих жилы соединенных изолированных проводников. Жила 214A изолированного проводника 212A соединена с жилой 214B изолированного проводника 212B в соединителе 258. На концах изолированных проводников 212A, 212B электрические изоляторы 216A, 216B и оболочки 218A, 218B, окружающие жилы 214A и 214B, удалены, так что эти жилы являются оголенными.
В некоторых случаях жилы 214A, 214B имеют разные диаметры. В таких случаях соединитель 258 может сужаться от диаметра жилы 214A до диаметра жилы 214B. Жилы 214A, 214B могут включать в себя разные материалы. Соединитель 258 может компенсировать разницу материалов жил. Например, соединитель 258 может включать в себя смесь материалов жил.
Как показано на фиг.22, вокруг открытых участков жил 214A, 214B расположены один или несколько блоков электроизолирующего материала 256. Блоки электроизолирующего материала 256 могут быть изготовлены, например, из окиси магния или смеси окиси магния и другого электрического изолятора. Блоки электроизолирующего материала 256 могут быть твердыми или мягкими зависимости от типа требуемого уплотнения. Требуемое количество блоков электроизолирующего материала 256 может быть помещено вокруг открытых участков жил 214A, 214B таким образом, что эти блоки по существу полностью окружают открытые участки жил. Количество блоков электроизолирующего материала 256 может изменяться в зависимости, например, от длины и/или диаметра открытых участков жил и/или от размера блоков электроизолирующего материала. В частности, для ограничения открытых участков жил могут использоваться четыре блока электроизолирующего материала 256.
На фиг.22 показаны два блока электроизолирующего материала 256A, 256B, окружающих одну половину (полукруг) открытых участков жил 214A, 214B. Представленные блоки электроизолирующего материала 256 являются полукруглыми блоками, которые плотно установлены вокруг открытых участков жил. В варианте выполнения, представленном на фиг.22, могут быть установлены два дополнительных блока электроизолирующего материала 256 на открытых участках жил для окружения открытых участков сердцевины электроизолирующим материалом. На фиг.23 представлен вариант выполнения с четырьмя блоками электроизолирующего материала 256A, 256B, 256C, 256D в положении охвата жил соединенных изолированных проводников 212A, 212B.
В некоторых вариантах выполнения блоки электроизолирующего материала 256 имеют внутренние диаметры с размерами и/или формой, которые соответствуют внешним диаметрам открытых участков жил 214A, 214B. Согласование внутренних диаметров блоков с внешними диаметрами открытых участков жил обеспечивает плотную посадку блоков на открытые участки жил и предотвращает или уменьшает формирование зазора при обжатии блоков.
Один или несколько блоков электроизолирующего материала 256 могут иметь изменяющийся внутренний диаметр для согласования сужающегося внешнего диаметра соединителя 258 и/или открытых участков жил 214А, 214B, как показано на фиг.22. Внутренний диаметр блоков электроизолирующего материала 256 может быть сформирован путем шлифовки или расточки внутреннего диаметра блоков до требуемой конической формы.
После помещения блоков из электроизолирующего материала 256 вокруг открытых участков жил (как показано на фиг.23), поверх соединенных изолированных проводников помещают муфту или другое цилиндрическое покрытие, чтобы по существу покрыть эти блоки и по меньшей мере участок каждого из изолированных проводников. На фиг.24 представлен вариант выполнения внутренней муфты 252A, помещенной вокруг соединенных изолированных проводников 212A, 212B. Внутренняя муфта 252А может быть изготовлена из того же или аналогичного материала, который используется для оболочек 218А, 218B изолированных проводников 212A, 212B. Например, внутренняя муфта 252A и оболочки 218A, 218B могут быть изготовлены из нержавеющей стали 304. Внутренняя муфта 252A и оболочки 218A, 218B обычно изготавливают из материалов, которые могут быть сварены между собой.
Внутренняя муфта 252A имеет плотную или скользящую посадку не оболочках 218A, 218B изолированных проводников 212A, 212B. В некоторых случаях на внешней поверхности внутренней муфты 252A имеются осевые и/или радиальные канавки. Внутренняя муфта 252A может иметь выравнивающий выступ 310, который расположен в центре соединения изолированных проводников 212A, 212B или рядом с ним.
После размещения внутренней муфты вокруг блоков электроизолирующего материала (как показано на фиг.24), поверх внутренней муфты помещают внешнюю муфту или другое цилиндрическое покрытие. На фиг.25 представлен вариант выполнения внешней муфты 252B, помещенной поверх внутренней муфты 252A с соединенными изолированными проводниками 212A, 212B. В некоторых случаях длина внешней муфты 252B может быть меньше длины внутренней муфты 252A. Внешняя муфта 252B может иметь отверстие 312, которое может быть расположено в центре внешней муфты 252B или рядом с ним. Отверстие 312 может быть выровнено с выравнивающим выступом 310 на внутренней муфте 252А (выравнивающий выступ просматривается через отверстие). Внешняя муфта 252B может быть изготовлена из двух или нескольких деталей. Например, внешняя муфта может состоять из двух деталей, соединенных между собой с возможностью складывания. Части могут быть сварены или соединены по-другому для формирования внешней муфты. Внешняя муфта 252B на своей внутренней поверхности может иметь осевые и/или радиальные канавки.
Внешняя муфта 252B может быть изготовлена из того же или аналогичного материала, что и внутренняя муфта 252A и оболочки 218A, 218B (например, нержавеющая сталь 304). Внешняя муфта 252B может быть плотную посажена на внутреннюю муфту 252A. После установки внешней муфты 252B и внутренней муфты 252A поверх оболочек 218A, 218B изолированных проводников 212A, 212B, муфты могут быть постоянно соединены (например, посредством сварки) с оболочками 218A, 218B. Муфты 252A, 252B могут быть постоянно соединены с оболочками 218A, 218B таким образом, что концы муфт оказываются по существу герметизированными (на концах муфт отсутствуют утечки, которые позволили бы воздуху или другим текучим средам поступать или проходить через концы муфт). После соединения муфт 252A, 252B с оболочками 218A, 218B отверстие 312 оказывается единственным проходом, через который входом или выходом для текучей среды, через эта текучая среда может попасть во внешнюю муфту 252B или выйти из нее, так что внутренняя часть внутренней муфты 252A является по существу герметичной.
В некоторых случаях через отверстия 312 во внутренний объем внешней муфты 252B подают текучую среду (например, гидросмесь). Текучая среда может быть гидравлическим маслом. В некоторых случаях текучая среда может включать в себя другие текучие среды, такие как расплавленная соль или газ. В некоторых случаях во время обжатия текучую среду нагревают.
Текучая среда может подаваться во внутренний объем внешней муфты 252B под давлением для уплотнения или обжатия внутренней муфты 252A и электроизолирующего материала 256. Например, текучая среда может быть гидравлически сжата ручным или другим соответствующим гидравлическим насосом, создающим давление. Сжатая текучая среда внутри внешней муфты 252B может обеспечить изостатическое давление для обжатия внутренней муфты 252A.
Внешняя муфта 252B может быть жесткой или не подверженной обжатию под давлением, а внутренняя муфта 252A может обжиматься под действием давления. Например, внутренняя муфта 252A по сравнению с внешней муфтой 252B может быть выполнена более тонкой, и/или внутренняя муфта может быть подвергнута тепловой обработке (отожжена) так, чтобы она была более мягкой, чем внешняя муфта.
Текучая среда внутри внешней муфты 252B может быть сжата до выбранного давления или до выбранного диапазона давлений для уплотнения внутренней муфты 252A и электроизолирующего материала 256 до требуемой степени обжатия уплотнения. В частности, текучую среду внутри внешней муфты 252B сжимают до давления от приблизительно 15000 фунтов на квадратный дюйм (около 100000 кПа) до приблизительно 20000 фунтов на квадратный дюйм (около 140000 кПа). В некоторых случаях текучую среду сжимают до более высоких давлений, например, до приблизительно 35000 фунтов на квадратный дюйм (около 240000 кПа).
Сжатие текучей среды до таких давлений деформирует внутреннюю муфту 252A в результате ее уплотнения, уплотняя при этом электроизолирующий материал 256 внутри внутренней муфты. Внутренняя муфта 252A может быть однородно деформирована давлением текучей среды внутри внешней муфты 252B. В некоторых вариантах осуществления изобретения электроизолирующий материал 256 уплотняют таким образом, чтобы он приобретал диэлектрические свойства, аналогичные или лучшие, чем у электрического изолятора по меньшей мере одного из соединенных изолированных проводников. Используя текучую среду под давлением для обжатия и уплотнения внутренней муфты 252A и электроизолирующего материала 256, можно соединять изолированные проводники внутри муфт в горизонтальной конфигурации. Соединение изолированных проводников в горизонтальной конфигурации обеспечивает возможность соединения отрезков большей длины изолированных проводников без необходимости использования сложных или дорогостоящих систем подвески кабеля.
В некоторых вариантах осуществления изобретения концы изолированных проводников могут быть обжаты или могут быть выполнены коническими для обеспечения возможности сжатия внутренней муфты. На фиг.26 показан вариант выполнения обжатого конца изолированного проводника после сжатия. Изолированный проводник 212 имеет скос 314 внутри внутренней муфты 252A. Скос 314 может предотвратить образование переломов или выпучивание внутренней муфты 252A во время сжатия.
В некоторых вариантах осуществления изобретения перед герметизацией и уплотнением внутренней муфты 252A внутрь нее добавляют порошок из электроизолирующего материала. Порошок из электроизолирующего материала, поступая во внутреннюю муфту, заполняет пустоты внутри нее (такие, как в желобке, сформированном между выемкой на изолированном проводнике и на внутренней муфте). Использование порошка из электроизолирующего материала также может уменьшить количество границ перехода в уплотненном электроизолирующем материале. В некоторых случаях порошок электроизолирующего материала используется вместо блоков электроизолирующего материала.
В некоторых случаях к электроизолирующему материалу может быть добавлена примесь или другой дополнительный материал. Добавка может улучшить диэлектрические свойства электроизолирующего материала, например, его диэлектрическую прочность.
В некоторых вариантах осуществления изобретения для радиального уплотнения электроизолирующего материала (например, электроизолирующего материала в порошковой форме) в месте соединения соединенных изолированных проводников используется механическое и/или гидравлическое уплотнение. На фиг.27 представлен вариант выполнения первой половины 316A устройства 316 обжатия, которое предназначено для уплотнения электроизолирующего материала при соединении изолированных проводников. Вторая половина устройства 316 обжатия имеет аналогичную форму и размер. Первая и вторая половины устройства 316 обжатия соединены вместе для формирования его вокруг участка изолированных проводников, которые должны быть соединены вместе.
На фиг.28 показано устройство 316 обжатия с соединенными вместе изолированными проводниками 212A, 212B. При этом оболочки и электрический изолятор, окружающие жилы изолированных проводников 212A, 212B, удалены, чтобы открыть участки жил, расположенных внутри устройства 316.
Как показано на фиг.27, в первой половине 316A устройства обжатия образована первая половина 318A отверстия 318, которое формируется в верхней части устройства 316 обжатия, когда обе половины этого устройства соединены вместе. Отверстие 318 позволяет подавать электроизолирующий и/или другие материалы в пространство вокруг оголенных жил изолированных проводников. В частности, в устройство 316 обжатия подают электроизолирующий материал в виде порошка.
Как показано на фиг.28, после того, как по меньшей мере некоторая часть электроизолирующего материала будет подана через отверстие 318 внутрь устройства 316 вокруг открытых жил, в это отверстие вставляют первый плунжер 320A. Первый плунжер 320A используется для уплотнения (например, путем механического и/или гидравлического приложения силы к верхней части плунжера) электроизолирующего материала внутри устройства 316. Например, сила может быть приложена к первому плунжеру 320A молотком (механическое уплотнение) или поршнем с гидравлическим приводом (гидравлическое уплотнение).
На фиг.29 показан изолированный проводник 212 с открытой жилой 214 внутри устройства 316 обжатия с первым плунжером 320A, расположенным выше изолированного проводника. Первый плунжер 320A имеет в нижней части выемку 322A, форма которой может быть по существу аналогичной форме открытых участков жил. Первый плунжер 320A может иметь упоры 324 (фиг.28), которые предотвращают слишком глубокое его проникновение внутрь устройства 316, что могло бы изогнуть или деформировать жилы изолированных проводников. Первый плунжер 320A может быть разработан так, чтобы он мог проникать на заданную глубину, которая не приводит к изгибу или деформации жил изолированных проводников, и без использования упоров (например, верхняя пластина плунжера действует, как упор).
Первый плунжер 320A может использоваться для обжатия электроизолирующего материала 256 внутри устройства 316 до первого уровня. Например, как показано на фиг.29, электроизолирующий материал 256 уплотняют до такого уровня, что он окружает нижний участок (например, нижнюю половину) оголенной жилы 214. Процесс добавления электроизолирующего материала и его уплотнения с помощью первого плунжера может повторяться до тех пор, пока не будет достигнут требуемый уровень уплотнения этого материала вокруг нижней часта жилы.
На фиг.30 показан изолированный проводник 212 с оголенной жилой 214 внутри устройства 316 со вторым плунжером 320B, расположенным выше изолированного проводника. Второй плунжер 320B имеет в нижней части выемку 322B, которая имеет форму по существу, аналогичную внешней форме изолированного проводника.
В некоторых случаях выемка 322B во втором плунжере 320 В может иметь и другие внешние формы, или совсем отсутствовать. На фиг.31A-31D представлены различные варианты выполнения второго плунжера 320B. На фиг.31A показан второй плунжер 320B без выемки, на фиг.31B показана выемка 322B с прямыми кромками, расположенными под углом 30°, на фиг.31C показана выемка 322B с прямыми кромками, расположенными под углом 15°, а на фиг.31D показана выемка 322B, более мелкая по сравнению с выемкой, показанной на фиг.30.
Второй плунжер 320B может использоваться для уплотнения электроизолирующего материала 256 внутри устройства 316 до второго уровня. Например, как показано на фиг.30, электроизолирующий материал 256 уплотнен до уровня, при котором он окружает оголенную жилу 214. Процесс добавления электроизолирующего материала и его уплотнения вторым плунжером может повторяться до тех пор, пока не будет достигнут требуемый уровень уплотнения этого материала вокруг жилы. Например, процесс может повторяться до тех пор, пока требуемый уровень уплотнения электроизолирующего материала не будет достигнут по форме и внешнему диаметру, аналогичным форме и внешнему диаметру изолированного проводника.
После уплотнения требуемого количества электроизолирующего материала устройство 316 может быть выведено из положения вокруг соединенных изолированных проводников. На фиг.32 показано устройство 316 обжатия с удаленной второй половиной, так что осталась первая половина 316A и электроизолирующий материал 256, уплотненный вокруг соединения изолированных проводников 212A, 212B.
После удаления устройства 316 форма уплотненного электроизолирующего материала 256 оказывается по существу цилиндрической с внешним диаметром, аналогичным внешнему диаметру изолированных проводников 212A, 212B, как показано на фиг.33. Уплотненный электроизолирующий материал 256 может быть сформирован с приданием ему конечной формы, путем удаления лишних участков уплотненного материала. Например, лишние участки уплотненного электроизолирующего материала 256 могут быть удалены с использованием ленточной пилы, втулки с режущей кромкой, которую продвигают по уплотненному материалу и/или других известных технологий.
После формования электроизолирующего материала 256 с приданием ему конечной формы, поверх него помещают муфту 252, как показано на фиг.34. Муфта 252 может включать в себя две или более части, помещенные поверх электроизолирующего материала и соединенные (сваренные) между собой с образованием муфты. В некоторых случаях две или более части муфты 252 сжимают, используя текучую среду под давлением во внешней муфте (как описано в вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг.24 и 25) и/или путем механического обжатия частей муфты (так, как описано в вариантах выполнения муфты 252, показанных на фиг.36 и 37). Сжатие с использованием текучей среды под давлением и/или механическое обжатие муфты 252 может закрывать зазоры между частями муфты таким образом, что не требуется сварка для соединения этих частей. Кроме того, сжатие с использованием текучей среды под давлением и/или механическое обжатие могут убрать границу перехода (сделать более плотной подгонку на границе перехода) между муфтой 252 и электроизолирующим материалом 256. Муфта 252 может быть соединена (посредством сварки) с оболочками изолированных проводников 212A, 212B. Муфта 252 может быть выполнена из материалов, аналогичных материалу оболочек изолированных проводников 212A, 212B. Например, муфта 252 может быть выполнена из нержавеющей стали 304.
В некоторых вариантах осуществления изобретения электроизолирующий материал 256, который был уплотнен в устройстве 316, может включать в себя смесь порошков окиси магния и нитрида бора. В частности, электроизолирующий материал 256, который уплотняют в устройстве 316, может включать в себя смесь порошков, состоящую из 80% масс. окиси магния и 20% масс. нитрида бора. Можно использовать и другие электроизолирующие материалы и/или другие смеси электроизолирующих материалов. В некоторых случаях используется комбинация порошка из электроизолирующего материала и блоков электроизолирующего материала.
На фиг.35 показан один из вариантов выполнения гидравлического пресса 426, который может быть использован для приложения силы к плунжеру при гидравлическом уплотнении электроизолирующего материала (например, в устройстве 316 обжатия, показанном на фиг.27-32). Гидравлический пресс 426 содержит поршень 428 и держатель 430 устройства обжатия. Изолированные проводники подаются через зажимы 432 гидравлического пресса 426 таким образом, чтобы оконечные участки этих проводников устанавливались под поршнем 428 и над держателем 430. Зажимы 432 предназначены для закрепления концов изолированных проводников в гидравлическом прессе 426. Для тонкой регулировки положения изолированных проводников могут использоваться средства 434 позиционирования.
Устройство обжатия, например, представленное на фиг.27-32 устройство 316, помещается вокруг концов изолированных проводников в держателе 430 (например, две половины устройства обжатия сводят вместе вокруг концов изолированных проводников). Держатель 430 поддерживает устройство обжатия во время уплотнения материала. Во время уплотнения поршнем 428 прикладывается сила к плунжеру (например, к первому плунжеру 320A, показанному на фиг.28-29, и/или ко второму плунжеру 320B, показанному на фиг.30) для уплотнения электроизолирующего материала вокруг концов изолированных проводников. Поршень 428 прикладывает силу вплоть до приблизительно 50 тонн силы (приблизительно 100000 фунтов силы).
Гидравлическое уплотнение электроизолирующего материала в устройстве 316 обжатия, представленном на фиг.27-32, может обеспечивать уровни уплотнения (например, до приблизительно 85% уплотнения) в электроизолирующем материале, которые аналогичны уровням уплотнения в изолированных проводниках. Такие уровни уплотнения позволяют выполнять сращивание, которое пригодно для работы при температурах вплоть до приблизительно 1300°F (приблизительно 700°C). Гидравлическое уплотнение электроизолирующего материала в устройстве 316 может обеспечивать более управляемое уплотнение и/или более повторяемое уплотнение (повторяемое от уплотнения к уплотнению). Гидравлическое уплотнение может быть достигнуто с меньшими движениями или вариациями для обеспечения более равномерного и постоянного давления, чем при механическом уплотнении.
В некоторых случаях гидравлическое уплотнение используется в комбинации с механическим уплотнением (например, электроизолирующий материал вначале механически уплотняют и затем дополнительно уплотняют, используя гидравлическое уплотнение). В некоторых случаях электроизолирующий материал уплотняют при повышенных температурах, например, при температуре около 90°C или выше. Первый плунжер 320A и/или второй плунжер 320B могут быть покрыты материалами, предотвращающими прилипание. Например, плунжеры могут быть покрыты неметаллическими материалами, такими, как керамика или DLC (Diamond-Like Carbon) покрытие, поставляемое компанией Morgan Technical Ceramics (Беркшир, Англия). Покрытие плунжеров предотвращает перенос металла в электроизолирующий материал и/или склеивание электроизолирующего материала с плунжерами.
В некоторых вариантах осуществления изобретения муфту механически сжимают по окружности. На фиг.36 представлен вариант выполнения муфты 252, которая используется при механическом сжатии по окружности. Муфта 252 располагается вокруг блоков и/или порошка электроизолирующего материала. Например, муфта 252 может быть размещена вокруг блоков электроизолирующего материала, представленного на фиг.23 вокруг уплотненного порошка электроизолирующего материала, показанного на фиг.33, или при использовании комбинации этих блоков и порошка.
Муфта 252 может иметь выступы 326, которые представляют собой приподнятые участки муфты 252 (например, высокие участки на внешней поверхности муфты). Форму и размеры выступов 326 выбирают так, чтобы они соответствовали участкам обжима пресса, используемого для механического сжатия муфты 252. Например, муфта 252 может быть сжата с использованием гидравлически активируемой системы механического сжатия, которая выполняет сжатие по окружности муфты. В частности, муфта 252 может быть сжата с использованием штамповочного инструмента Pyplok, поставляемого компанией Tube-Mac Industries (Стони Крик, Онтарио, Канада).
Обжимающие части пресса сжимают выступы 326 до тех пор, пока эти выступы не будут сжаты до приблизительно внешнего диаметра оставшихся участков муфты 252 (диаметр выступов по существу равен диаметру остальной части муфты). На фиг.37 показана муфта 252 на изолированных проводниках 212A, 212B после обжатия муфты и выступов по окружности. Сжатие выступов 326 по окружности (радиально) сжимает электроизолирующий материал внутри муфты 252 и соединяет муфту с изолированными проводниками 212A, 212B. Муфта 252 может быть дополнительно соединена с изолированными проводникам 212A, 212B. Например, концы муфты 252 могут быть приварены к оболочкам изолированных проводников 212A, 212B.
Представленные соединительные устройства, в частности, такие как соединительное устройство 250 (фиг.5, 7, 18, 19, 20 и 21), соединительное устройство 270 (фиг.8), соединительное устройство 298 (фиг.14, 15 и 16), соединительные устройства, формируемые из внутренней муфты 252A и внешней муфты 252B (фиг.22-25), и соединительные устройства с муфтой 252 в различных вариантах ее выполнения (фиг.34, 36 и 37), позволяют формировать надежные электрические и механические соединения между изолированными проводниками. Например, представленные выше соединительные устройства могут использоваться для расширенных условий работы при напряжениях выше 1000 вольт, выше 1500 вольт или выше 2000 вольт и температурах свыше приблизительно 650°C, свыше приблизительно 700°C или свыше приблизительно 800°C.
В некоторых случаях представленные соединительное устройства соединяют изолированные проводники, используемые для нагрева (например, изолированные проводники, расположенные в слое, содержащем углеводороды), с изолированными проводникам, не используемыми для нагрева (например, изолированными проводниками, на участках пород перекрытия формации). Жила изолированного проводника для нагрева может иметь меньшее сечение или может быть выполнена из другого материала по сравнению с изолированным проводником, не предназначенным для нагрева. Например, жила изолированного проводника, предназначенного для нагрева, может быть изготовлена из медно-никелевого сплава, нержавеющей стали или углеродистой стали, а жила изолированного проводника, не предназначенного для нагрева, может быть выполнена из меди. Из-за разных размеров жил и различий в материалах толщина электрической изоляции может заметно различаться, что не может быть скомпенсировано простым соединением изолированных проводников с помощью соединительного устройства. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления изобретения между изолированным проводником для нагрева и изолированным проводником, не предназначенным для нагрева, может быть расположен короткий промежуточный изолированный проводник для нагрева.
В указанном промежуточном изолированном проводнике для нагрева диаметр жилы сужается от диаметра жилы изолированного проводника, не предназначенного для нагрева, до диаметра жилы изолированного проводника для нагрева при использовании того же материала жилы, что и у изолированного проводника, не предназначенного для нагрева. Например, жила промежуточного изолированного проводника для нагрева может быть выполнена из меди и ее диаметр сужается до диаметра изолированного проводника для нагрева. Таким образом, толщина электрической изоляции в месте соединения в соединительном устройстве промежуточного изолированного проводника с изолированным проводником для нагрева равна толщине электрической изоляции в изолированном проводнике для нагрева. Это позволяет обеспечить возможность простого соединения изолированных проводников в соединительное устройстве.
Промежуточный изолированный проводник для нагрева может вызвать определенное падение напряжения и некоторые тепловые потери из-за меньшего диаметра жилы, однако этот проводник является относительно коротким, следовательно, указанные потери будут минимальными.
В некоторых вариантах осуществления изобретения соединительное устройство уплотняют или обжимают для улучшения свойств электрической изоляции (диэлектрических характеристик) электроизолирующего материала внутри соединительного устройства. Например, уплотнение электроизолирующего материала внутри соединительного устройства позволяет повысить однородность электроизолирующего материала и/или удалить пустоты или другие границы перехода в электроизолирующем материале.
В некоторых случаях внутри соединительного устройства уплотняют блоки электроизолирующего материала (например, из окиси магния), а в других случаях - порошок электроизолирующего материала. Может также использоваться и комбинация порошка с блоками электроизолирующего материала. Кроме того, можно использовать комбинации разных типов электроизолирующего материала (например, комбинацию из окиси магния и нитрида бора).
При использовании порошка электроизолирующего материала этот порошок имеет выбранные свойства, которые обеспечивают лучшее уплотнение (большую плотность в сжатом состоянии). Порошок может иметь определенное распределение размера частиц (например, распределение частиц в среднем может составлять приблизительно 100 мкм и приблизительно 200 мкм для порошка окиси магния). Требуемый диапазон может быть выбран таким образом, чтобы порошок уплотнялся до требуемой плотности. Другие свойства порошка, которые могут быть выбраны для обеспечения требуемой плотности при уплотнении, включают в себя, в частности, форму частиц, уровень загрязнения (например, пропорции загрязнений такими загрязнителями, как кремний или кальций), свойства трения о стенки (угол трения о стенки), возможность сжатия при приложении стандартной силы (уплотнение в цилиндре стандартного размера при стандартной силе), и угол загрузочного бункера для обеспечения потока массы из загрузочного бункера. Одно из этих свойств или их комбинация может служить показателем способности уплотнения порошка и/или возможности его протекания во время сжатия или уплотнения.
Соединительное устройство для соединения изолированных проводников может быть обжато механически, пневматически и/или гидравлически. Обжим соединительного устройства может улучшить диэлектрические характеристики электроизолирующего материала, так что электроизолирующий материал может иметь диэлектрические характеристики, сходные с характеристиками электрической изоляции изолированных проводников. В некоторых случаях уплотненный электроизолирующий материал внутри соединительного устройства может иметь лучшие диэлектрические характеристики по сравнению с диэлектрическими характеристиками электрической изоляции изолированных проводников.
Например, электрическая изоляция (окись магния) изолированного проводника обычно имеет плотность от приблизительно 78% до приблизительно 82%. Неуплотненный порошок окиси магния имеет плотность от приблизительно 50% до приблизительно 55%. Блоки из окиси магния могут иметь плотность приблизительно 70%. В некоторых описанных выше вариантах выполнения соединительного устройства электрическая изоляции внутри него после уплотнения или обжатия имеет плотность в пределах от приблизительно 15%, приблизительно 10% или приблизительно 5% плотности изолированных проводников, соединенных с соединительном устройстве. В некоторых описанных выше вариантах выполнения соединительного устройства электрическая изоляция внутри него после уплотнения или обжатия имеет более высокую по сравнению с плотностью изоляции изолированных проводников, соединенных в таком соединительном устройстве. Например, электрическая изоляция внутри соединительного устройства может иметь плотность вплоть до приблизительно 85%.
В некоторых вариантах осуществления изобретения на соединителе изолированных проводников или рядом с ним устанавливают усиливающую втулку или другой элемент устранения механического напряжения. На фиг.38 показан один из вариантов выполнения усиливающих втулок 328 на соединенных изолированных проводниках 212A, 212B. Усиливающие втулки 328 устраняют механическое напряжение для упрочнения соединения изолированных проводников. Усиливающие втулки 328 позволяют наматывать на катушки соединенные изолированные проводники, разматывать их и вытягивать с натяжением при их введении или удалении внутри скважин и/или сматывания с барабана (например, при установке гибких насосно-компрессорных труб).
На фиг.39 показан вариант выполнения соединительного устройства 270 для соединения трех изолированных проводников 212A, 212B, 212C. Соединительное устройство 270 включает в себя разгрузочную муфту 274, устраняющую механическое напряжение, электрическую шину 330, цилиндр 332 и заглушку 272. На фиг.40-47 показан способ установки соединительного устройства 270 на концы изолированных проводников 212A, 212B, 212C.
Как показано на фиг.40, изолированные проводники 212A, 212B, 212C пропущены продольные отверстия разгрузочной муфты 274. Разгрузочная муфта 274 может представлять собой концевую заделку для изолированных проводников 212A, 212B, 212C. После установки изолированных проводников 212A, 212B, 212C в разгрузочную муфту 274 изолированные проводники 212A, 212B, 212C выравнивают и оголяют выступающие из разгрузочной муфты концы жил 214A, 214B, 214C путем удаления концевых участков оболочек и электрических изоляторов изолированных проводников 212A, 212B, 212C, которые проходят через разгрузочную муфту 274.
В некоторых случаях оконечные участки жил 214A, 214B, 214C, прошедших через разгрузочную муфту, припаивают твердым припоем к этой разгрузочной муфте. В качестве припоев могут использоваться, в частности, никелевые твердые припои, такие как AW 5.8 BNi-2 для окружающих сред с низким содержанием серы и AW 5.8 BNi-5A для окружающих сред с высоким содержанием серы. Материал твердого припоя во время пайки протекает в любые зазоры между жилами 214A, 214B, 214C и разгрузочной муфтой, заполняя и уплотняя эти зазоры. Уплотнение зазоров предотвращает попадание текучих сред внутрь разгрузочной муфты 270. Пайка твердым припоем концевых участков жил 214A, 214B, 214C до разгрузочной муфты 274 позволяет размещать сердцевины ближе друг к другу и уменьшить тем самым размер этой разгрузочной муфты. Благодаря меньшим размерам разгрузочной муфты 274 может быть уменьшен размер соединительного устройства 270, и можно будет использовать скважину для нагревателя с меньшим диаметром, поскольку обычно размер скважины определяет концевая заделка (соединительное устройство 270). В некоторых вариантах осуществления изобретения оболочки изолированных проводников 212A, 212B, 212C соединяют с разгрузочной муфтой 274, например, посредством сварки.
Как показано на фиг.41, к разгрузочной муфте 274 присоединяют первый цилиндр 332A так, чтобы жилы 214A, 214B, 214C выступали из него. Первый цилиндр 332A может быть приварен к концу разгрузочной муфты 274. Высота первого цилиндра 332A меньше длины выступающих жил 214A, 214B, 214C, так что некоторый участок жил выходит за пределы первого цилиндра 332A.
После соединения первого цилиндра 332A с разгрузочной муфтой 274 в цилиндр добавляют электроизолирующий материал 256, чтобы, по меньшей мере частично, покрыть жилы 214A, 214B, 214C, как показано на фиг.42. Таким образом, по меньшей мере участок жил остается открытым над электроизолирующим материалом 256. Электроизолирующий материал 256 может включать в себя порошок и/или блоки электроизолирующего материала (например, окиси магния). В некоторых случаях электроизолирующий материал 256 уплотняют внутри первого цилиндра 332A. Электроизолирующий материал 256 может быть гидравлически и/или механически уплотнен с использованием соответствующего инструмента. Например, для уплотнения к инструменту может быть приложена сила посредством поршня гидравлического пресса. На фиг.48 показан один из вариантов выполнения инструмента 334A для уплотнения, который можно использовать для уплотнения электроизолирующего материала 256. Инструмент 334A может иметь отверстия, которые позволяют устанавливать его поверх жил 214A, 214B, 214C при уплотнении электроизолирующего материала. После уплотнения на данном этапе или на следующих этапах на поверхность электроизолирующего материала 256 могут быть нанесены рубцы. Нанесенные на поверхность электроизолирующего материала 256 рубцы способствует соединению между слоями электроизолирующего материала во время уплотнения этих слоев.
В некоторых вариантах осуществления изобретения после уплотнения электроизолирующего материала 256 в цилиндре 332A оставшиеся оголенными участки жил 214A, 214B, 214C соединяют с электрической шиной 330, как показано на фиг.43. Электрическая шина 330 может быть выполнена, например, из меди или другого материала, пригодного для электрического соединения жил 214A, 214B, 214C между собой. В частности электрическая шина 330 может быть приварена к жилам 214A, 214B, 214C.
После соединения электрической шины 330 с жилами 214A, 214B, 214C к первому цилиндру 332А может быть присоединен второй цилиндр 332B для формирования цилиндра 332 вокруг открытых участков жил, как показано на фиг.44. В некоторых вариантах осуществления изобретения цилиндр 332 может быть выполнен в виде единого цилиндра, соединенного с разгрузочной муфтой 274 за один этап. В других вариантах осуществления изобретения цилиндр 332 может состоять из двух или более цилиндров, соединенных с разгрузочной муфтой 274 за несколько этапов.
Второй цилиндр 332B может быть приварен к концу первого цилиндра 332A. Как показано на фиг.44, высота законченного цилиндра 332 превышает длину выступающих концов жил 214A, 214B, 214C. Таким образом, жилы располагаются внутри цилиндра 332.
После формирования цилиндра 332 в него добавляют электроизолирующий материал 256 до уровня, который приблизительно выровнен с верхними частями жил 214A, 214B, 214C и электрической шиной 330, как показано на фиг.45. Электроизолирующий материал 256 на уровне, показанном на фиг.45, уплотняют (например, механически). На фиг.49 представлен вариант выполнения инструмента 334B, который можно использовать для уплотнения электроизолирующего материала 256. Инструмент 334B имеет кольцо, которое позволяет устанавливать инструмент поверх электрической шины 330 и жил 214A, 214B, 214C при уплотнении электроизолирующего материала.
После уплотнения материала на уровне верхней части электрической шины 330 и жил 214A, 214B, 214C в цилиндр добавляют дополнительный электроизолирующий материал 256, чтобы полностью покрыть электрическую шину и жилы, как показано на фиг.46. Таким образом, жилы и электрическая шина по существу заключены внутри электроизолирующего материала 256. В некоторых случаях электроизолирующий материал 256 уплотняют (например, механически). На фиг.50 показан инструмент 334C, который можно использовать для окончательного уплотнения электроизолирующего материала 256.
После окончательного уплотнения электроизолирующего материала 256 к цилиндру 332 присоединяют (приваривают) заглушку 272, формируя соединительное устройство 270. Заглушку 272 формируют так, чтобы ее можно было использовать в качестве направляющей при введении изолированных проводников 212A, 212B, 212C в скважину или в устройство для развертывания (например, на барабан). Соединительное устройство 270 можно использовать, когда изолированные проводники работают как однофазные нагреватели. Соединительное устройство 270 можно использовать с двумя изолированными проводниками, соединенными по Г-образной схеме внутри соединительного устройства, для получения одного изолированного проводника в качестве прямого проводника от источника питания и одного - в качестве обратного проводника.
Соединительное устройство 270 также можно использовать с одним изолированным проводником, в котором оболочка изолированного проводника используется для возврата тока на поверхность формации.
Механическое уплотнение электроизолирующего материала внутри соединительного устройства 270 позволяет получить соединительное устройство с более высоким напряжением пробоя и/или рабочей температурой, чем соединительное устройство, заполненное электроизолирующим материалом, который для его уплотнения был подвергнут воздействию вибрации. Например, соединительное устройство 270 может работать при напряжениях свыше приблизительно 6 кВ и температурах свыше приблизительно 1300°F (около 700°C). Поскольку соединительное устройство 270 (концевая заделка нагревателя) работает при температурах свыше приблизительно 700°C, его можно использовать в нагретых слоях подповерхностной формации (например, слоях, в которых происходит пиролизация). Таким образом, конец нагревателя не обязательно требуется помещать на более холодном участке формации, и скважину для нагревателя не обязательно бурить слишком глубоко внутри формации или в разных типах формации.
В некоторых случаях трехфазный нагреватель, в котором произошел отказ, может быть преобразован для работы в однофазном режиме с использованием того же источника питания. Если, например, в одной ветви трехфазного нагревателя происходит отказ (пробой на землю), остальные две ветви нагревателя можно использовать в качестве однофазного нагревателя. При этом одна ветвь представляет собой прямой проводник, а другая - обратный проводник. Для преобразования нагревателя из трехфазного режима работы в однофазный между нейтралью трехфазного силового источника питания (трансформатора) и ветвью нагревателя, в которой произошел пробой на землю, может быть включен резистор с высоким импедансом. Резистор устанавливают последовательно с ветвью нагревателя, в которой произошел пробой на землю. Из-за большого сопротивления резистора напряжение будут снято с ветви нагревателя, в которой произошел пробой на землю, и будет приложено к резистору. Таким образом, резистор используют для отсоединения питания от ветви, в которой произошел пробой на землю, так что через эту ветвь будет протекать малый ток или вообще не протекать. После включения резистора между нейтралью трансформатора и ветвью, в которой произошел пробой на землю, две остальные ветви нагревателя работают в однофазном режиме, при этом ток протекает по одной ветви, проходит через концевую заделку и возвращается по другой ветви.
В трехфазном режиме работы нагревателя напряжение на концевой заделке приблизительно равно нулю, поскольку три ветви работают со смещением фаз на 120° для балансирования напряжения между тремя ветвями (напряжение может не быть точно равно нулю, если присутствует какая-либо несбалансированность между ветвями в цепи). В трехфазном нагревателе концевая заделка обычно изолирована от земли. Когда нагреватель преобразуют в однофазный, напряжение концевой заделки повышается от приблизительно ноля до приблизительно половины выходного напряжения источника питания. Напряжение концевой заделки увеличивается во время однофазной работы, поскольку ток теперь протекает линейно через две рабочие ветви, и концевая заделка представляет собой точку на полпути цепи. Например, во время трехфазной работы с источником питания 480B, на каждой ветви может падать приблизительно 277B с напряжением приблизительно 0B в концевой заделке в нижней части нагревателя. После преобразования в однофазный режим работы с резистором, включенным последовательно с ветвью, в которой произошел пробой на землю, через ветвь, работающую в одной фазе, поступает напряжение приблизительно 240B на концевую заделку в нижней части нагревателя.
Поскольку обычно используют очень высокие напряжения (например, приблизительно 1 кВ или выше) для нагрева в скважине формации, содержащей углеводороды, до температур мобилизации и/или пиролиза, из-за больших длин нагревателей концевая заделка должна обеспечивать возможность работы при еще более высоких напряжениях для возможности использования однофазного режима работы. Существующие концевые заделки, используемые для нагрева внутри скважины, обычно не пригодны для работы с такими высокими напряжениями. Однако, поскольку соединительное устройство 270 может работать с напряжениями выше 6 кВ, соединительное устройство 270 позволяет преобразовывать трехфазный нагреватель внутри скважины для однофазной работы.
Примеры
Образцы, в которых используется вариант выполнения соединительного устройства, показанного на фиг.5
Образцы, в которых используется вариант выполнения соединительного устройства 250, соответствующего представленному на фиг.5, были изготовлены с использованием гидравлического пресса, изолированного проводника, рассчитанного на среднее напряжение, подходящее для использования в качестве нагревателя внутри скважины с одной стороны соединительного устройства, и изолированного проводника, рассчитанного на среднее напряжение, подходящее для использования в качестве кабеля для пород перекрытия с другой стороны соединительного устройства. В качестве электроизолирующего материала в соединительном устройстве использовалась окись магния. Образцы имели длину 6 футов от одного конца проводника с минеральной изоляцией до другого. Перед электрическими испытаниями образцы поместили в печь длиной 6-1/2 фута и сушили при температуре 850°F в течение 30 часов. После охлаждения до 150°F, концы проводников с минеральной изоляцией герметизировали эпоксидной смолой. Затем образцы поместили в печь длиной 3 фута для их нагрева, и к этим образцам приложили напряжение, используя тестер для испытания высоким напряжением (для высокого потенциала) с максимальным напряжением 5 кВ, который позволял измерять, как общую величину, так и активные составляющие тока утечки. На образцах поместили три термопары, и измеренную температуру усредняли. Затем образцы с соединительным устройством поместили в центр печи. С помощью тестера для испытания высоким напряжением измеряли характеристики рассеяния для постоянного тока и для тока утечки переменного тока.
В общей сложности восемь образцов тестировали при температуре приблизительно 1000 F и напряжениях вплоть до 5 кВ. Один образец, тестированный при 5 кВ, имел ток утечки 2,28 мА, а другой имел ток утечки 6,16 мА. Еще три образца с жилами, соединенными вместе параллельно, тестировали до 5 кВ и получили общий ток утечки 11,7 мА, или средний ток утечки 3,9 мА на кабель, и эти три образца были стабильными. Три других образца с жилами, соединенными вместе параллельно, тестировали до напряжения 4,4 кВ, и они имели общий ток утечки 4,39 мА, но не могли противостоять более высокому напряжению без отключения тестера (которое происходило, когда ток утечки превышал 40 мА). Один из образцов, тестированных до 5 кВ, подвергли дополнительному тестированию при температуре окружающей среды до пробоя. Пробой возник при 11 кВ.
Для дополнительного испытания на электрический пробой при температуре окружающей среды были дополнительно изготовлены еще одиннадцать образцов. Изолированные проводники из трех образцов были приготовлены со срезом минеральной изоляции перпендикулярно оболочке изолированные проводники для восьми других образцов были приготовлены со срезом минеральных изоляций под углом 30° относительно оболочки. Из первых трех образцов с перпендикулярным срезом первый образец противостоял напряжению 1,5 кВ до пробоя, второй образец - до 8 кВ, а третий образец - только до 500B, что предположительно, произошло из-за трещины при изготовлении третьего образца. Из восьми образцов со срезом 30° два образца противостояли 10 кВ до пробоя, три образца выдержали от 8 кВ до 9,5 кВ до пробоя, а остальные три образца не выдержали приложенное напряжение вообще или выдержали напряжение меньше 750B, что предполагает наличие трещин, возникших при изготовлении этих трех образцов.
Образцы с использованием варианта выполнения соединительного устройства, показанного на фиг.8B.
Были изготовлены три образца с использованием соединительного устройства 270, соответствующего представленному на фиг.8B. Образцы были выполнены с двумя изолированными проводниками вместо трех, и их тестировали до пробоя при температуре окружающей среды. Один образец выдержал до пробоя 5 кВ, второй образец - 4,5 кВ, а третий образец - только 500B, что предполагает наличие трещины, возникшей при изготовлении.
Образцы с использованием варианта выполнения соединительного устройства, показанного на фиг.14 и 15.
Образцы с использованием соединительного устройства 298, соответствующего представленному на фиг.14 и 15, использовали для соединения двух изолированных проводников с внешним диаметром 1,2′′ и жилами диаметром 0,7′′. В качестве электроизолирующего материала использовали порошок MgO (компания Muscle Shoals Minerals, Гринвилл, Теннесси, США). Соединительное устройство было изготовлено в виде трубки из нержавеющей стали 347h с внешним диаметром 1,5′′, с толщиной стенки 0,125′′ и длиной 7,0′′. Образцы поместили в печь, нагревали до 1050°F и циклически подавали на них напряжение вплоть до 3,4 кВ. Образцы были определены, как работоспособные при всех напряжениях, но не могли противостоять более высоким напряжениям без отключения тестера для измерений высоких напряжений.
На втором этапе образцы, аналогичные описанным, подвергли испытанию на изгибную усталость с низким циклом, а затем тестировали электрически в печи. Эти образцы поместили в печь, нагрели до 1050°F и циклически подавали на них напряжения: 350 B, 600 B, 800 B, 1000 B, 1200 B, 1400 B, 1600 B, 1900 B, 2200 B и 2500 B. Величина тока утечки и стабильность в образцах были приемлемыми вплоть до напряжения 1900 B. Увеличение рабочего диапазона соединительного устройства может быть достигнуто за счет использования дополнительных способов уменьшения интенсивности электрического поля, таких как конические, сглаженные или закругленные кромки в соединительном устройстве или добавление средств снижения напряженности электрического поля внутри соединительного устройства.
Следует понимать, что изобретение не ограничено конкретными описанными системами, которые, конечно, могут изменяться. Также следует понимать, что используемая здесь терминология предназначена для описания только конкретных вариантов осуществления изобретения, но не для его ограничения. Единственные формы слов включают в себя ссылки на множественное число, если только не будет ясно обозначено другое. Таким образом, например, ссылка на «жилу» включает в себя комбинацию двух или больше жил, а ссылка на «материал» включает в себя смеси материалов.
Другие модификации и альтернативные варианты осуществления различных аспектов изобретения будут понятны для специалиста в данной области техники с учетом настоящего описания. В соответствии с этим, описание следует рассматривать только как иллюстративное, и оно предназначено для представления для специалистов в данной области техники общего подхода к осуществлению изобретения. Следует понимать, что представленные и описанные выше варианты осуществления изобретения следует рассматривать как предпочтительные. Вместо представленных и описанных элементов, материалов, частей и процессов могут использоваться другие, а определенные особенности изобретения могут использоваться независимо. Все это будет очевидно для специалиста в данной области техники после ознакомления с данным описанием изобретения. Изменения могут быть произведены в элементах, описанных выше, без выхода за пределы сущности и объема изобретения, которое определено в формуле изобретения.