ИЗОЛИРОВАННЫЕ ПРОВОДНИКИ, СФОРМИРОВАННЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТАДИИ ОКОНЧАТЕЛЬНОГО УМЕНЬШЕНИЯ РАЗМЕРА ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
INSULATED CONDUCTORS, FORMED USING THE STAGE OF FINAL DECREASE DIMENSION AFTER THERMAL TREATMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам и способам, применяемым для нагревания формаций. Более конкретно, изобретение относится к устройствам и способам для нагревания формаций, содержащих углеводороды.
Уровень техники
Углеводороды, полученные из формаций, часто используются в качестве энергетических ресурсов, сырья, и как потребительские товары. Озабоченность по поводу исчерпания доступных углеводородных ресурсов и проблемы общего ухудшения качества произведенных углеводородов инициировали развитие процессов для более эффективного извлечения, переработки и/или использования доступных углеводородных ресурсов. Процессы на месте залегания могут быть использованы для извлечения углеводородных материалов из формаций, которые прежде были недоступны и/или их извлечение с использованием доступных способов было слишком дорогим. Может потребоваться изменение химических и/или физических свойств углеводородных материалов в формации, чтобы обеспечить более легкое удаление углеводородных материалов из формации и/или повысить ценность углеводородных материалов. Указанные изменения химических и физических свойств могут включать процессы на месте залегания, в которых образуются подвижные флюиды, происходят изменения состава, растворимости, плотности, вязкости и/или фазовые изменения углеводородных материалов в формации.
В стволе скважины могут быть размещены нагреватели с целью нагревания формации в ходе процесса на месте залегания. Существует множество нагревателей различного типа, которые могут быть использованы для нагревания формации. Примеры процессов на месте залегания с использованием скважинных нагревателей, приведены в патентах США №№2,634,961, автор Ljungstrom; 2,732,195 Ljungstrom; 2,780,450 Ljungstrom; 2,789,805 Ljungstrom; 2,923,535 Ljungstrom; 4,886,118 авторы Van Meurs и др.; и 6,688,387 Wellington и др.
Минеральные изолированные (MI) кабели (изолированные проводники) для использования в подземных условиях, таких как нагревание формаций, содержащих углеводороды, в некоторых областях применения являются, более длинными, могут иметь более крупный внешний диаметр, и могут эксплуатироваться при более высоком электрическом напряжении и температуре, по сравнению с типичными условиями для промышленности MI кабелей. Существует множество потенциальных проблем в ходе производства и/или компоновки изолированных проводников большой длины.
Например, существуют потенциальные электрические и/или механические проблемы из-за разрушения со временем электрических изоляторов, применяемых в изолированных проводниках. Кроме того, существуют потенциальные проблемы с электрическими изоляторами, которые преодолеваются в ходе компоновки нагревателя с изолированным проводником. Такие проблемы, как вспучивание сердцевины или другие механические дефекты могут возникать в ходе компоновки нагревателя с изолированным проводником. Указанные случаи могут привести к электрическим проблемам во время использования нагревателя, и потенциально могут затруднять эксплуатацию нагревателя при использовании по назначению.
Кроме того, существуют проблемы с возрастающим напряженным состоянием изолированных проводников в ходе подземной компоновки и/или монтажа изолированных проводников. Например, намотка и перемотка изолированных проводников на катушках, использованных для транспорта и монтажа изолированных проводников, может вызвать механическое напряжение в электрических изоляторах и/или других компонентах изолированных проводников. Таким образом, требуются более надежные устройства и способы для уменьшения или исключения потенциальных проблем в ходе производства, компоновки и/или монтажа изолированных проводников.
Раскрытие сущности изобретения
Описанные варианты осуществления изобретения в общем относятся к устройствам, способам и нагревателям для нагревания формации. Кроме того, описанные варианты осуществления изобретения в общем относятся также к нагревателям, в которых имеются новые компоненты. Такие нагреватели могут быть получены с использованием устройств и способов, описанных в изобретении.
В некоторых вариантах осуществления изобретение обеспечивает одно или несколько устройств, способов и/или нагревателей. В некоторых вариантах осуществления, устройства, способы, и/или нагреватели используются для обработки формации.
В некоторых вариантах осуществления, изолированный электрический проводник (например, MI кабель), включает: внутренний электрический проводник; электрический изолятор, по меньшей мере, частично окружающий электрический проводник, электрический изолятор, содержащий неорганическую изоляцию; и наружный электрический проводник, по меньшей мере, частично окружающий электрический изолятор; где изолированный электрический проводник имеет практически непрерывную длину, по меньшей мере, приблизительно 100 м; и где изолированный электрический проводник имеет начальное напряжение пробоя, практически по всей непрерывной длине, по меньшей мере, приблизительно 100 м, по меньшей мере, приблизительно 2400 Вольт на 1 мм толщины электрического изолятора, приблизительно при 700°С и частоте 60 Гц.
В дополнительных вариантах осуществления, признаки конкретных вариантов могут сочетаться с признаками других вариантов осуществления. Например, признаки одного варианта могут сочетаться с признаками любых других вариантов осуществления.
В дополнительных вариантах осуществления обработка формации осуществляется с использованием любых способов, устройств, источников питания, или нагревателей, описанных в изобретении.
В дополнительных вариантах осуществления изобретения могут быть добавлены дополнительные признаки к конкретным вариантам, описанным в изобретении.
Краткое описание чертежей
Признаки и преимущества способов и устройств настоящего изобретения можно более полно оценить, обратившись к следующему подробному описанию в настоящее время предпочтительных, но, тем не менее, иллюстративных вариантов осуществления, в соответствии с настоящим изобретением, взятых в сочетании с прилагаемыми чертежами.
На фигуре 1 показан схематичный чертеж варианта осуществления части на месте залегания устройства термической обработки формации, содержащей углеводороды.
На фигуре 2 изображен вариант осуществления изолированного проводника теплового источника.
На фигуре 3 изображен вариант осуществления изолированного проводника теплового источника.
На фигуре 4 изображен вариант осуществления изолированного проводника теплового источника.
На фигурах 5А и 5В приведено изображение сечения для варианта осуществления нагревательного компонента с ограниченной температурой, использованного в нагревателе с изолированным проводником.
На фигурах 6-8 изображен вариант осуществления блочного устройства толкателя, который может быть использован для обеспечения осевого усилия для блоков в компоновке нагревателя.
На фигуре 9 изображен вариант осуществления плунжера с такой формой поперечного сечения, которая позволяет плунжеру оказывать воздействие на блоки, но не на сердцевину внутри оболочки.
На фигуре 10 изображен вариант осуществления плунжера, который может быть использован для перемещения блоков (расположенных в шахматном порядке).
На фигуре 11 изображен вариант осуществления плунжера, который может быть использован для проталкивания блоков, расположенных верхней/нижней частью.
На фигуре 12 изображено поперечное сечение для варианта осуществления изолированного проводника, предварительно подвергнутого холодной и термической обработке.
На фигуре 13 изображено поперечное сечение для варианта осуществления изолированного проводника, показанного на фигуре 12, после холодной обработки и термической обработки.
На фигуре 14 изображено поперечное сечение для варианта осуществления изолированного проводника, показанного на фигуре 13 после холодной обработки.
На фигуре 15 изображен вариант осуществления способа производства изолированного проводника с использованием порошка для электрического изолятора.
На фигуре 16А изображено поперечное сечение первого сконструированного варианта осуществления первого защитного материала внутри изолированного проводника.
На фигуре 16В изображено поперечное сечение первого сконструированного варианта осуществления со вторым защитным материалом, сформованным в трубу и приваренным вокруг первого защитного материала.
На фигуре 16С изображено поперечное сечение первого сконструированного варианта осуществления со вторым защитным материалом, сформованным в трубу вокруг первого защитного материала после некоторого уменьшения размера.
На фигуре 16D изображено поперечное сечение первого сконструированного варианта осуществления, когда изолированный проводник проходит через конечную стадию уменьшения размера на сжимающих валках.
На фигуре 17А изображено поперечное сечение второго сконструированного варианта осуществления первого защитного материала внутри изолированного проводника.
На фигуре 17В изображено поперечное сечение второго сконструированного варианта осуществления со вторым защитным материалом, сформованным в трубу и приваренным вокруг первого защитного материала.
На фигуре 17С изображено поперечное сечение второго сконструированного варианта осуществления со вторым защитным материалом, сформованным в трубу вокруг первого защитного материала после некоторого уменьшения размера.
На фигуре 17D изображено поперечное сечение второго сконструированного варианта осуществления, когда изолированный проводник проходит через конечную стадию уменьшения размера на сжимающих валках.
На фигуре 18 изображена зависимость максимального электрического поля (например, напряжение пробоя) относительно времени для различных изолированных проводников.
На фигуре 19 изображено максимальное электрическое поле (например, напряжение пробоя) относительно времени для различных изолированных проводников, сформованных с использованием минеральной (MgO) порошковой электроизоляции.
На фигуре 20 показан аппарат для испытания с маслосборником - концевым согласователем, замыкающим один конец изолированного проводника.
На фигуре 21 показан изолированный проводник 252, закрепленный в лабораторной печи для испытания.
Хотя изобретение восприимчиво к различным модификациям и альтернативным формам, его конкретные варианты осуществления показаны с помощью примеров на чертежах и будут подробно описаны ниже. Чертежи могут быть выполнены не в масштабе. Следует понимать, что не предполагается, что чертежи и подробное описание изобретения ограничивают изобретение конкретными описанными формами, а наоборот, изобретение будет охватывать все модификации, эквиваленты и альтернативы, находящиеся в пределах замысла и объема настоящего изобретения, который определен в прилагаемой формуле изобретения.
Осуществление изобретения
В целом, нижеследующее описание относится к устройствам и способам для обработки углеводородов в формациях. Указанные формации могут обрабатываться с целью получения углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.
Термин "переменный ток (ПТ)" относится к току, изменяющемуся во времени, который меняет направление практически синусоидально. В ферромагнитном проводнике для переменного тока наблюдается скин-эффект.
В контексте систем нагревания с приведенной тепловой мощностью, устройств и способов, термин "автоматически" означает такие системы, устройства и способы, которые функционируют определенным образом, без использования внешнего контроля (например, внешние регуляторы, такие как регулятор с датчиком температуры и контуром обратной связи, ПИД-регулятор, или упреждающий регулятор).
Термин "соединенный" означает или непосредственное соединение, или косвенное соединение (например, одно или несколько промежуточных соединений) между одним или несколькими объектами, или компонентами. Выражение "непосредственно соединенный" означает непосредственное соединение между объектами или компонентами таким образом, что объекты или компоненты соединяются непосредственно друг с другом, так что объекты или компоненты работают в режиме "места применения".
Термин "температура Кюри" означает температуру, выше которой ферромагнитный материал полностью теряет свои ферромагнитные свойства. Кроме потери всех ферромагнитных свойств выше температуры Кюри, ферромагнитный материал начинает терять свои ферромагнитные свойства, когда через ферромагнитный материал проходит возрастающий электрический ток.
Термин "формация" включает один или несколько слоев, содержащих углеводородные слои, один или несколько неуглеводородных слоев, перекрывающих и/или подстилающих пород. "Углеводородные слои" относится к слоям в формации, которые содержат углеводороды. Углеводородные слои могут содержать неуглеводородные материалы и углеводородные материалы. "Перекрывающие породы" и/или "подстилающие породы" включают один или несколько различных типов непроницаемых материалов. Например, перекрывающие породы и/или подстилающие породы могут включать скальную породу, сланец, глинистую породу, или сырой/герметичный карбонат. В некоторых вариантах осуществления процессов термообработки на месте залегания перекрывающие и/или подстилающие породы могут включать, содержащий углеводороды слой или, содержащий углеводороды слой, который является относительно непроницаемым и не подвергается воздействию температуры на месте залегания в ходе термической обработки, которая приводит к значительным изменениям характеристик, содержащих углеводороды слоев перекрывающей и/или подстилающей породы. Например, подстилающая порода может содержать сланец или глинистую породу, но подстилающую породу нельзя нагревать до температуры пиролиза в ходе процессов термообработки на месте залегания. В некоторых случаях, перекрывающая и/или подстилающая порода может обладать некоторой проницаемостью.
Термин "флюиды формации" относится к флюидам, находящимся в формации, и могут включать пиролизованный флюид, синтез-газ, подвижные углеводороды, и воду (пар). Флюиды формации могут включать углеводородные флюиды, а также неуглеводородные флюиды. Термин "подвижный флюид" относится к флюидам в формации, содержащей углеводороды, которые способны к течению в результате термической обработки формации. "Добытые флюиды" относятся к флюидам, извлеченным из формации.
2
"Тепловой поток" означает энергетический поток на единицу площади, в единицу времени (например, Вт/м).
"Тепловой источник" является любой системой для предоставления тепла, по меньшей мере, в часть формации в значительной степени путем проводимости и/или радиационного теплообмена. Например, тепловой источник может включать электропроводящие материалы и/или электрические нагреватели, такие как изолированный проводник, удлиненный элемент, и/или проводник, расположенный в кабелепроводе. Кроме того, тепловой источник может включать устройства, которые генерируют тепло путем сгорания топлива снаружи или внутри формации. Эти системы могут быть горелками на поверхности, горелками скважинного газа, беспламенными рассредоточенными камерами сгорания, и природными рассредоточенными камерами сгорания. В некоторых вариантах осуществления, тепло, предоставляемое или генерированное в один или несколько тепловых источников, может подаваться из других источников энергии. Другие источники энергии могут непосредственно нагревать формацию, или энергия может передаваться передающей среде, которая непосредственно или косвенно нагревает формацию. Следует понимать, что в одном или нескольких тепловых источниках, которые передают тепло формации, могут использоваться различные источники энергии. Так, например, для данной формации некоторые тепловые источники могут подавать тепло от электропроводящих материалов, нагревателей электрического сопротивления, некоторые тепловые источники могут подавать тепло горения, и некоторые тепловые источники могут подавать тепло от одного или нескольких других источников энергии (например, химической реакции, солнечной энергии, ветровой энергии, биомассы, или других источников возобновляемой энергии). Химическая реакция может включать экзотермическую реакцию (например, реакцию окисления). Тепловой источник также может включать электропроводящий материал и/или нагреватель, который предоставляет тепло в зону, примыкающую и/или окружающую область нагревания, такую как нагреваемая скважина.
"Нагреватель" представляет собой любую систему или тепловой источник для генерации тепла в скважине или вблизи области ствола скважины. Нагреватели могут быть (но без ограничения указанным) электрическими нагревателями, горелками, камерами сгорания, которые реагируют с материалом внутри формации или образуются из формации, и/или их комбинации.
"Углеводороды" обычно определяются как молекулы, состоящие, главным образом, из атомов углерода и водорода. Углеводороды также могут включать другие элементы, такие как (но без ограничения указанными) галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или серу. Углеводороды могут представлять собой (но без ограничения указанным) кероген, битум, пиробитум, нефть, природные минеральные воски, и асфальтены. Углеводороды могут быть расположены внутри или рядом с минеральными матрицами в земле. Матрицы могут включать (но без ограничения указанными) осадочную скальную породу, пески, силикаты, карбонаты, диатомиты, и другие пористые среды. "Углеводородные флюиды" представляют собой флюиды, которые включают углеводороды. Углеводородные флюиды могут включать, захватывать, или быть захваченными в неуглеводородные флюиды, такие как водород, азот, монооксид углерода, диоксид углерода, сероводород, вода и аммиак.
Выражение "способ превращения на месте залегания" относится к способу нагревания формации, содержащей углеводороды, от теплового источника, с целью повышения температуры, по меньшей мере, в части формации выше температуры пиролиза, таким образом, чтобы пиролизованный флюид получался в формации.
Выражение "процесс термообработки на месте залегания" относится к способу нагревания формации, содержащей углеводороды, с помощью тепловых источников с целью повышения температуры, по меньшей мере, части формации выше температуры, которая приводит к подвижному флюиду, висбрекингу, и/или пиролизу материала, содержащего углеводороды, для того чтобы в формации образовались подвижные флюиды, флюиды с пониженной вязкостью, и/или пиролизованные флюиды.
Термин "изолированный проводник" относится к любому протяженному материалу, который способен проводить электричество, и который покрыт, полностью или частично, электроизолирующим материалом.
Термин "модулированный постоянный ток (ПоТ)" относится к любому, практически несинусоидальному току, изменяющемуся во времени, который вызывает скин-эффект электрического тока в ферромагнитном проводнике.
Термин "нитрид" относится к соединению азота и одного или нескольких других элементов периодической таблицы. Нитриды включают (но без ограничения указанными) нитрид кремния, нитрид бора, или нитрид алюминия.
Термин "перфорация" включат отверстия, щели, прорези или полости в стенке кабелепровода, трубчатого канала или других маршрутов потока, которые обеспечивают поток внутрь или из кабелепровода, трубчатого канала или из других маршрутов потока.
Выражение "температура фазового перехода" ферромагнитного материала относится к температуре или интервалу температур, в котором в материале происходит фазовый переход (например, феррита в аустенит), который снижает магнитную проницаемость ферромагнитного материала. Уменьшение магнитной проницаемости аналогично уменьшению величины магнитной проницаемости из-за магнитной перестройки ферромагнитного материала при температуре Кюри.
Термин "пиролиз" означает разрыв химических связей из-за воздействия теплоты. Например, пиролиз может включать превращение соединения в одно или несколько других веществ только под действием тепла. Тепло может передаваться в часть формации, чтобы вызвать пиролиз.
Термины "пиролизные флюиды" или "продукты пиролиза" относятся к флюидам, полученным, главным образом, в ходе пиролиза углеводородов. Флюид, полученный по реакциям пиролиза, может смешиваться с другими флюидами в формации. Эта смесь будет рассматриваться как пиролизованный флюид или пиролизованный продукт. Используемое в изобретении выражение "зона пиролиза" относится к объему формации (например, относительно проницаемой формации, такой как формация битуминозного песка), который взаимодействует или реагирует с образованием пиролизованного флюида.
Термин "суперпозиция тепла" относится к предоставлению тепла из двух или более тепловых источников в выбранный участок формации, так что температура формации, по меньшей мере, в одном положении между тепловыми источниками находилась под действием тепловых источников.
Термин "ограниченный по температуре нагреватель" обычно относится к нагревателю, который регулирует тепловую мощность (например, тепловая мощность уменьшается) выше заданной температуры, без применения внешних регуляторов, таких как регуляторы температуры, регуляторы мощности, выпрямители или другие устройства. Ограниченные по температуре нагреватели могут быть электрическими нагревателями сопротивления ПТ (переменного тока) или модулированными (например, "прерывистыми") ПоТ (постоянного тока).
"Толщина" слоя относится к толщине поперечного сечения слоя, где поперечное сечение проходит по нормали лицевого слоя.
Термин "ток, зависящий от времени" относится к электрическому току, который вызывает скин-эффект электрического тока в ферромагнитном проводнике и имеет величину, изменяющуюся во времени. Ток, зависящий от времени, включает как переменный ток (ПТ) (например, ПТ при 60 Гц или 50 Гц), так и модулированный постоянный ток (ПоТ).
Термин "соотношение в диапазоне изменения" для ограниченного по температуре нагревателя, в котором ток подается непосредственно в нагреватель, представляет собой отношение наибольшего сопротивления на ПТ или модулированном ПоТ ниже температуры Кюри к наименьшему сопротивлению выше температуры Кюри для данного тока. Соотношение в диапазоне изменения для индуктивного нагревателя представляет собой отношение наибольшей тепловой мощности ниже температуры Кюри к наименьшей тепловой мощности выше температуры Кюри для данного тока, подаваемого в нагреватель.
Термин "U-образный ствол скважины" относится к стволу скважины, который распространяется из первого отверстия в формации, по меньшей мере, через часть формации, и выходит через второе отверстие в формации. В этом контексте ствол скважины может иметь только приблизительно форму "V" или "U", причем понятно, что "стороны" U необязательно должны быть параллельны друг другу, или перпендикулярны "нижней части" U для ствола скважины, который считается "U-образным".
Термин "ствол скважины" относится к полости в формации, произведенной путем бурения или введения кабелепровода в формацию. Ствол скважины может иметь практически круглое поперечное сечение, или другую форму поперечного сечения. Используемые в изобретении термины "скважина" и "отверстие" при рассмотрении отверстия в формации могут использоваться попеременно с термином "ствол скважины".
Формация может быть обработана различными путями, с целью добычи множества различных продуктов. Могут использоваться различные стадии или процессы для обработки формации в ходе процесса термообработки на месте залегания. В некоторых вариантах осуществления, один или несколько участков формации обрабатывают растворителем для того, чтобы удалить растворимые минералы из этих участков. Добыча растворением минералов может быть осуществлена до, во время и/или после процессов термообработки на месте залегания. В некоторых вариантах осуществления, средняя температура одного или нескольких участков, которые обрабатывают растворителем, может поддерживаться приблизительно ниже 120°С.
В некоторых вариантах осуществления, один или несколько участков формации нагревают с целью удаления воды из участков и/или для удаления метана и других летучих углеводородов из участков. В некоторых вариантах осуществления, средняя температура может повышаться от температуры окружающей среды до температуры ниже приблизительно 220°С в ходе удаления воды и летучих углеводородов.
В некоторых вариантах осуществления, один или несколько участков формации нагревают до температуры, которая обеспечивает движение и/или снижение вязкости (висбрекинг) углеводородов в формации. В некоторых вариантах осуществления, средняя температура одного или нескольких участков формации повышается для создания подвижности углеводородов в этих участках (например, до температуры в диапазоне от 100°С до 250°С, от 120°С до 240°С, или от 150°С до 230°С).
В некоторых вариантах осуществления, один или несколько участков нагревают до температуры, которая обеспечивает реакции пиролиза в формации. В некоторых вариантах осуществления, средняя температура одного или нескольких участков формации может повышаться до температуры пиролиза углеводородов в этом участке (например, температура в диапазоне от 230°С до 900°С, от 240°С до 400°С или от 250°С до 350°С).
При нагревании формации, содержащей углеводороды, с помощью множества тепловых источников могут установиться термические градиенты вокруг тепловых источников, которые повышают температуру углеводородов в формации до желательной температуры при желательной скорости нагрева. Скорость повышения температуры внутри диапазона температур активации и/или диапазона температур пиролиза для желательных продуктов может влиять на качество и количество флюидов формации, добытых из формации, содержащей углеводороды. Медленное повышение температуры формации внутри диапазона температур активации и/или диапазона температур пиролиза может обеспечить получение продукции высокого качества, с низким удельным весом углеводородов (высоким градусом API) из формации. Медленное повышение температуры формации внутри диапазона температур активации и/или диапазона температур пиролиза может обеспечить удаление значительного количества углеводородов, находящихся в формации в виде углеводородного продукта.
В некоторых вариантах осуществления термической обработки на месте залегания, часть формации нагревается до желательной температуры вместо медленного повышения температуры внутри диапазона температур. В некоторых вариантах осуществления, желательная температура составляет 300°С, 325°С, или 350°С. В качестве желательной температуры могут быть выбраны другие температуры.
Суперпозиция тепла из тепловых источников обеспечивает относительно быстрое и эффективное установление желательной температуры в формации. Энергию, подводимую в формацию из тепловых источников, можно регулировать, чтобы поддерживать температуру в формации практически на заданном значении температуры.
Активация и/или продукты пиролиза могут быть добыты из формации через эксплуатационные скважины. В некоторых вариантах осуществления, средняя температура одного или нескольких участков повышается до температуры активации, и из эксплуатационных скважин добываются углеводороды. Средняя температура одного или нескольких участков может повышаться до температуры пиролиза после того, как добыча благодаря активации снижается ниже заданного значения. В некоторых вариантах осуществления, средняя температура одного или нескольких участков может повышаться до температуры пиролиза без значительной добычи, до достижения температуры пиролиза. Флюиды формации, включающие продукты пиролиза, могут добываться через эксплуатационные скважины.
В некоторых вариантах осуществления, средняя температура одного или нескольких участков может повышаться до температуры, достаточной для обеспечения добычи синтез-газа после активации и/или пиролиза. В некоторых вариантах осуществления, углеводороды могут нагреваться до температуры, достаточной для обеспечения добычи синтез-газа, без значительной добычи, до достижения температуры, достаточной для обеспечения добычи синтез-газа. Например, синтез-газ может быть получен в диапазоне температур приблизительно от 400°С до приблизительно 1200°С, приблизительно от 500°С до 1100°С, или приблизительно от 550°С до 1000°С. Флюид, генерирующий синтез-газ, (например, пар и/или вода) может вводиться внутрь участков, чтобы генерировать синтез-газ. Синтез-газ можно добывать из эксплуатационных скважин.
Добыча растворением, удаление летучих углеводородов и воды, активация углеводородов, пиролиз углеводородов, генерация синтез-газа, и/или другие процессы могут быть осуществлены в ходе процессов термообработки на месте залегания. В некоторых вариантах осуществления, некоторые процессы могут быть осуществлены после процесса термообработки на месте залегания. Указанные процессы могут включать (но без ограничения указанным) регенерацию тепла из обработанных участков, хранение флюидов (например, воды и/или углеводородов) в предварительно обработанных участках, и/или секвестирование диоксида углерода в предварительно обработанных участках.
На фигуре 1 приведен схематичный чертеж варианта осуществления части устройства термической обработки на месте залегания для технологической обработки формации, содержащей углеводороды. Устройство термической обработки на месте залегания может включать барьерные скважины 200. Барьерные скважины применяются для формирования барьера вокруг площади обработки. Барьер предотвращает течение флюида внутрь и/или за пределы площади обработки. Барьерные скважины включают (но без ограничения указанными) обезвоживающие скважины, вакуумные скважины, улавливающие скважины, нагнетательные скважины, цементированные скважины, замороженные скважины или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления, барьерные скважины 200 представляют собой обезвоживающие скважины. Обезвоживающие скважины могут удалять жидкую воду и/или предотвращать поступление жидкой воды в часть формации, которая будет нагреваться, или в нагреваемую формацию. В изображенном на фигуре 1 варианте осуществления, показаны барьерные скважины 200, тянущиеся только вдоль одной стороны тепловых источников 202, однако барьерные скважины обычно окружают все используемые тепловые источники 202, или источники, которые будут использованы для нагревания площади обработки этой формации.
Тепловые источники 202 расположены, по меньшей мере, в части формации. Тепловые источники 202 могут включать нагреватели, такие как изолированные проводники, нагреватели с проводником в кабелепроводе, горелки на поверхности, беспламенные рассредоточенные камеры сгорания, и/или естественные рассредоточенные камеры сгорания. Тепловые источники 202 также могут включать другие типы нагревателей. Тепловые источники 202 подают тепло, по меньшей мере, в часть формации, чтобы нагреть углеводороды в этой формации. Энергия может поступать в тепловые источники 202 по линиям питания 204. Линии питания 204 могут структурно различаться, в зависимости от типа теплового источника или тепловых источников, используемых для нагревания формации. Линии питания 204 для тепловых источников могут передавать электроэнергию для электрических нагревателей, могут транспортировать топливо для камер сгорания, или могут транспортировать теплообменный флюид, который циркулирует в формации. В некоторых вариантах осуществления, электроэнергия для процесса термообработки на месте залегания может подаваться от атомной электростанции или атомных электростанций. Применение атомной энергии может обеспечить уменьшение или исключение выбросов диоксида углерода из процесса термообработки на месте залегания.
При нагревании формации подвод тепла в формацию может вызвать расширение этой формации и геомеханическое движение. Тепловые источники можно включать до процесса обезвоживания, одновременно или в ходе процесса обезвоживания. Компьютерное моделирование может прогнозировать отклик формации на нагревание. Компьютерное моделирование может быть использовано для разработки диаграммы и временной последовательности для активации тепловых источников в формации таким образом, чтобы геомеханическое движение этой формации не оказывало вредного воздействия на рабочие характеристики тепловых источников, эксплуатационных скважин и другого оборудования в формации.
Нагревание формации может вызвать увеличение проницаемости и/или пористости этой формации. Увеличение проницаемости и/или пористости может происходить из-за уменьшения массы в формации вследствие испарения и удаления воды, удаления углеводородов, и/или образования трещин. Флюид может легче перемещаться в нагретой части формации, вследствие повышенной проницаемости и/или пористости этой формации. Флюид в нагретой части формации может перемещаться на значительное расстояние в этой формации вследствие повышенной проницаемости и/или пористости. Значительное расстояние может составлять свыше 1000 м, в зависимости от различных факторов, таких как проницаемость формации, характеристики флюида, температура в этой формации, градиент давления, обеспечивающий движение флюида. Способность флюида перемещаться на значительное расстояние в формации позволяет размещать эксплуатационные скважины 206 на относительно большом расстоянии друг от друга в формации.
Эксплуатационные скважины 206 используются для удаления флюидов формации из формации. В некоторых вариантах осуществления, эксплуатационная скважина 206 включает тепловой источник. Тепловой источник в эксплуатационной скважине может нагревать один или несколько участков формации в эксплуатационной скважине или вблизи нее. В некоторых вариантах осуществления процесса термообработки на месте залегания количество тепла, поданного в формацию из эксплуатационной скважины на один метр эксплуатационной скважины, меньше количества тепла, приложенного к формации из теплового источника, который нагревает формацию, на 1 метр теплового источника. Тепло, приложенное к формации из эксплуатационной скважины, может увеличивать проницаемость формации, расположенной рядом с эксплуатационной скважиной, за счет испарения и удаления жидкофазного флюида, расположенного рядом с эксплуатационной скважиной, и/или за счет увеличения проницаемости этой формации, расположенной рядом с эксплуатационной скважиной, из-за образования макроскопических и/или микроскопических трещин.
В эксплуатационной скважине могут располагаться больше одного теплового источника. Тепловой источник в нижней части эксплуатационной скважины может быть выключен, когда за счет суперпозиции тепла от расположенных рядом тепловых источников формация нагревается в достаточной степени, чтобы нейтрализовать преимущества под действием нагрева формации с помощью эксплуатационной скважины. В некоторых вариантах осуществления, тепловой источник в верхней части эксплуатационной скважины может оставаться включенным после деактивации теплового источника в нижней части эксплуатационной скважины. Тепловой источник в верхней части скважины может предотвращать конденсацию и возврат флегмы флюидов формации.
В некоторых вариантах осуществления, тепловой источник в эксплуатационной скважине 206 обеспечивает удаление паровой фазы флюидов формации из формации. Предоставление нагрева во всей эксплуатационной скважине может: (1) предотвращать конденсацию и возврат флегмы добытого флюида, когда указанный добытый флюид перемещается в эксплуатационную скважину, примыкающую к перекрывающей породе, (2) увеличить поступление тепла внутрь формации, (3) увеличить производительность эксплуатационной скважины, по сравнению с эксплуатационной скважиной без теплового источника, (4) предотвращать конденсацию соединений с большим числом атомов углерода (углеводороды С6 и выше) в эксплуатационной скважине, и/или (5) повысить проницаемость формации в эксплуатационную скважину или в примыкающую скважину.
Давление в формации может соответствовать давлению флюида, генерируемого в формации. Когда температура в нагретой части формации повышается, давление в нагретой части может увеличиться в результате термического расширения флюидов на месте залегания, усиления генерации флюида и испарения воды. Регулирование скорости удаления флюида из формации может обеспечить контроль давления в формации. Давление в формации можно регистрировать в ряде различных местоположений, таких как вблизи или в эксплуатационных скважинах, вблизи или в тепловых источниках или в контрольных скважинах.
В некоторых формациях, содержащих углеводороды, добыча углеводородов из формации подавляется, пока, по меньшей мере, некоторые углеводороды в формации не станут подвижными и/или не пиролизуются. Флюид формации можно добывать из формации, когда флюид формации имеет заданное качество. В некоторых вариантах осуществления, заданное качество включает удельный вес в градусах API, по меньшей мере, приблизительно 20°, 30° или 40° (то есть, 0,934, 0,876 или 0,825). Подавление добычи до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторые углеводороды в формации не станут подвижными и/или не пиролизуются, может повысить степень превращения тяжелых углеводородов в легкие углеводороды. Подавление начальной добычи может минимизировать добычу тяжелых углеводородов из формации. При добыче значительного количества тяжелых углеводородов может потребоваться дорогое оборудование и/или может сократиться срок службы производственного оборудования.
В некоторых формациях, содержащих углеводороды, можно нагревать углеводороды в формации до температуры активации и/или температуры пиролиза, до образования значительной проницаемости в нагретой части формации. Первоначальное отсутствие проницаемости может ингибировать транспорт образовавшихся флюидов в эксплуатационные скважины 206. В ходе первоначального нагревания давление флюида в формации может возрастать вблизи тепловых источников 202. Повышенное давление флюида можно сбросить, регистрировать, изменять и/или регулировать с помощью одного или нескольких тепловых источников 202. Например, выбранные тепловые источники 202 или отдельные скважины для сбрасывания давления могут включать клапаны сброса давления, которые обеспечивают удаление некоторых флюидов из формации.
В некоторых вариантах осуществления, можно допускать увеличение давления, создаваемого за счет расширения подвижных флюидов, пиролиза флюидов или других флюидов, генерированных в формации, хотя путь прохождения флюида в эксплуатационные скважины 206 или любые другие устройства сброса давления еще могут отсутствовать в формации. Можно допускать увеличение давления флюида в направлении литостатического давления. Могут образоваться трещины в формации, содержащей углеводороды, когда давление флюида приближается к литостатическому давлению. Например, в нагретой части формации могут образоваться трещины от теплового источника 202 до эксплуатационных скважин 206. Образование трещин в нагретой области может привести к некоторому сбросу давления в этом участке. Может быть необходимым поддерживать давление в формации ниже заданного давления для того, чтобы подавить образование нежелательных продуктов, растрескивание перекрывающей породы или подстилающей породы, и/или коксование углеводородов в формации.
После активации и/или достижения температуры пиролиза и обеспечения добычи из формации, давление в формации можно варьировать, чтобы изменить и/или регулировать состав флюидов, добываемых из формации, чтобы контролировать процент конденсирующихся флюидов по сравнению с неконденсирующимися флюидами в формации, и/или с целью регулирования удельного веса по API для добываемых флюидов формации. Например, снижение давления может привести к увеличению добычи конденсирующихся компонентов флюида. Конденсирующиеся компоненты флюида могут содержать повышенный процент олефинов.
В некоторых вариантах осуществления процесса термообработки на месте залегания, давление в формации можно поддерживать на достаточно высоком уровне, чтобы способствовать образованию флюидов формации, имеющих удельный вес по API больше, чем 20° (т.е. меньше 0,934). Поддержание повышенного давления в формации может подавлять оседание формации в ходе термообработки на месте залегания. Поддержание повышенного давления может уменьшать или исключать потребность в сжатии флюидов формации на поверхности, с целью транспорта флюидов по совокупности трубопроводов к установкам для переработки.
Поддержание повышенного давления в нагретой части формации неожиданно может обеспечить добычу большого количества углеводородов улучшенного качества и относительно низкой молекулярной массой. Можно поддерживать давление таким образом, что добытый флюид формации имеет минимальное количество соединений с числом атомов углерода выше заданного. Выбранное число атомов углерода может составлять по большей мере 25, по большей мере 20, по большей мере 12, или по большей мере 8. Некоторые соединения с большим числом атомов углерода могут быть захваченными с паровой фазой в формации и могут извлекаться из формации с паром. Поддержание повышенного давления в формации может ингибировать захватывание соединений с большим числом атомов углерода и/или полициклических углеводородных соединений с паровой фазой. Соединения с большим числом атомов углерода и/или полициклические углеводородные соединения могут оставаться в жидкой фазе в формации в течение значительного периода времени. Значительный период времени может обеспечить достаточное время, чтобы соединения подверглись пиролизу с образованием соединений с меньшим числом атомов углерода.
2
2
Предполагается, что образование углеводородов с относительно низкой молекулярной массой вызвано, отчасти, автогенной генерацией и взаимодействием водорода в участке формации, содержащей углеводороды. Например, поддержание повышенного давления может усилить переход водорода, образовавшегося в ходе пиролиза, в жидкую фазу внутри формации. Нагревание этого участка до температуры в диапазоне температур пиролиза может вызвать пиролиз углеводородов в формации с образованием жидкофазных пиролизованных флюидов. Образовавшиеся компоненты жидкофазного пиролизованного флюида могут содержать двойные связи и/или радикалы. Водород (Н) в жидкой фазе может насыщать двойные связи в образовавшихся пиролизованных флюидах, и таким образом, снижается вероятность полимеризации или образования соединений с длинной цепью из генерированных пиролизованных флюидов. Кроме того, Н также может нейтрализовать радикалы в генерированных пиролизованных флюидах. Водород в жидкой фазе может предотвратить взаимодействие генерированных пиролизованных флюидов друг с другом и/или с другими соединениями в формации.
Флюиды формации, добытые из эксплуатационных скважин 206, можно транспортировать по трубопроводной системе 208 в установки для переработки 210. Кроме того, флюиды формации можно добывать из тепловых источников 202. Например, флюид можно добывать из тепловых источников 202, чтобы регулировать давление в формации, расположенной рядом с тепловыми источниками. Флюид, добытый из тепловых источников 202, можно транспортировать по трубам или трубной обвязке в трубопроводную систему 208 или добытый флюид можно транспортировать по трубам или трубной обвязке непосредственно в устройства для переработки 210. Устройства для переработки 210 могут включать узел разделения, реакционные аппараты, установки улучшения качества, топливные элементы, турбины, емкости для хранения, и/или другие установки и аппараты для переработки добытых флюидов формации. В устройствах для переработки можно получать моторное топливо, по меньшей мере, из части углеводородов, добытых из формации. В некоторых вариантах осуществления, моторное топливо реактивным топливом, таким как JP-8.
Изолированный проводник может быть использован в качестве электрического нагревательного элемента нагревателя или теплового источника. Изолированный проводник может включать внутренний электрический проводник (жила), окруженный электрическим изолятором и наружный электрический проводник (оболочка). Электрический изолятор может включать неорганическую изоляцию (например, оксид магния) или другую электроизоляцию.
В некоторых вариантах осуществления, изолированный проводник располагается в отверстии формации, содержащей углеводороды. В некоторых вариантах осуществления, изолированный проводник располагается в необсаженной скважине в формации, содержащей углеводороды. Размещение изолированного проводника в необсаженной скважине в формации, содержащей углеводороды, может обеспечить передачу тепла от изолированного проводника в формацию путем излучения, а также проводимости. Использование необсаженной скважины может облегчить извлечение изолированного проводника из скважины, в случае необходимости.
В некоторых вариантах осуществления, изолированный проводник располагается внутри обсадной колонны в формации; может быть цементирован внутри формации; или может быть упакован в отверстии песком, гравием или другим наполняющим материалом. Изолированный проводник может опираться на опорное звено, расположенное внутри отверстия. Опорное звено может быть кабелем, прутком, или кабелепроводом (например, трубой). Опорное звено может быть выполнено из металла, керамики, неорганического материала или их комбинации. Поскольку детали опорного звена могут подвергаться воздействию флюидов формации и тепла во время применения, опорное звено может быть химически стойким и/или термически устойчивым.
Контакты, точечная сварка, и/или другие типы соединительных элементов могут быть использованы для присоединения изолированного проводника к опорному звену при различных расположениях вдоль длины изолированного проводника. Опорное звено может присоединяться к устью скважины на верхней поверхности формации. В некоторых вариантах осуществления, изолированный проводник обладает достаточной конструкционной прочностью, так чтобы опорное звено не потребовалось. Во многих случаях изолированный проводник может обладать, по меньшей мере, некоторой гибкостью, чтобы препятствовать повреждению от теплового расширения, когда он подвергается температурному воздействию.
В некоторых вариантах осуществления, изолированные проводники расположены в стволе скважин без опорных звеньев и/или центрирующих устройств. Изолированный проводник без опорных звеньев и/или центрирующих устройств может иметь подходящее сочетание термического и коррозионного сопротивления, сопротивления ползучести, длины, толщины (диаметра), и свойств металла, чтобы он мог ингибировать повреждение изолированного проводника в ходе использования.
На фигуре 2 изображен вид в перспективе концевого участка варианта осуществления изолированного проводника 252. Изолированный проводник 252 может иметь любую желательную форму поперечного сечения, такую как (но без ограничения указанным) круглую (изображена на фигуре 2), треугольную, эллипсоидную, прямоугольную, гексагональную, или неправильную. В некоторых вариантах осуществления, изолированный проводник 252 включает жилу 218, электрический изолятор 214, и оболочку 216. Жила 218 может осуществлять резистивный нагрев, когда электрический ток проходит через жилу. Для обеспечения жилы 218 энергией может быть использован переменный ток или ток, изменяющийся во времени и/или постоянный ток, так чтобы жила резистивно нагревалась.
В некоторых вариантах осуществления, электрический изолятор 214 предотвращает утечку тока и дуговой разряд на оболочке 216. Электрический изолятор 214 может термически проводить тепло, генерируемое в жиле 218, на оболочку 216. Оболочка 216 может передавать тепло формации излучением или за счет проводимости. В некоторых вариантах осуществления, изолированный проводник 252 имеет длину 1000 м или больше. Также могут быть использованы более длинные или укороченные изолированные проводники, которые соответствуют конкретным потребностям применения. Размеры жилы 218, электрического изолятора 214, и оболочки 216 изолированного проводника 252 можно выбирать таким образом, чтобы изолированный проводник обладал достаточной прочностью, чтобы быть свободно стоящим, даже на верхнем пределе температур эксплуатации. Указанные изолированные проводники могут быть подвешены от устья скважины или опор, расположенных вблизи поверхности раздела между перекрывающей породой и формацией, содержащей углеводороды, без необходимости в опорных звеньях, удлиняющихся внутрь формации, содержащей углеводороды, вместе с изолированными проводниками.
Изолированный проводник 252 может быть сконструирован таким образом, чтобы работать на уровне энергии приблизительно до 1650 Вт/м или выше. В некоторых вариантах осуществления, при нагревании формации изолированный проводник 252 работает на уровне энергии приблизительно между 500 Вт/м и 1150 Вт/м. Изолированный проводник 252 может быть сконструирован таким образом, чтобы уровень максимального напряжения при типичной температуре эксплуатации не приводил к значительному термическому и/или электрическому разрушению электрического изолятора 214. Изолированный проводник 252 может быть сконструирован таким образом, чтобы температура оболочки 216 не превышала температуры, при которой происходит значительное уменьшение характеристик коррозионного сопротивления материала оболочки. В некоторых вариантах осуществления, изолированный проводник 252 может быть сконструирован таким образом, чтобы нагреваться до температуры в диапазоне приблизительно между 650°С и 900°С. Могут быть получены изолированные проводники, имеющие другие диапазоны эксплуатации, которые соответствуют конкретным требованиям эксплуатации.
На фигуре 2 изображен изолированный проводник 252, имеющий единственную жилу 218. В некоторых вариантах осуществления, изолированный проводник 252 имеет две или больше жил 218. Например, простой изолированный проводник может иметь три жилы. Жила 218 может быть выполнена из металла или другого электропроводящего материала. Материал, используемый для получения жилы 218, может включать (но без ограничения указанными) нихром, медь, никель, золото, палладий, цинк, серебро, алюминий, магний, углеродистую сталь, нержавеющую сталь, и сплавы или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления, выбирают жилу 218, которая имеет диаметр и такое удельное сопротивление при температуре эксплуатации, чтобы сопротивление жилы, рассчитанное по закону Ома, обеспечивало электрическую и структурную стабильность для выбранного рассеяния энергии на 1 метр, длины нагревателя и/или максимального напряжения, допустимого для материала жилы.
В некоторых вариантах осуществления, жила 218 выполнена из различных материалов по длине изолированного проводника 252. Например, первый участок жилы 218 может быть выполнен из материала, который имеет значительно меньшее сопротивление, чем второй участок жилы. Первый участок может быть расположен рядом со слоем формации, который не нужно нагревать до столь высокой температуры, как второй слой формации, который расположен рядом со вторым участком. Удельное сопротивление различных участков жилы 218 можно регулировать путем изменения диаметра и/или путем использования участков жилы, выполненных из различных материалов.
2
3
3
4
Электрический изолятор 214 может быть выполнен из множества материалов. Общеизвестные порошки могут включать (но без ограничения указанными) MgO, AlO, BN, SiN, диоксид циркония, ВеО, различные химические модификации шпинелей и их комбинации. Оксид MgO может обеспечить хорошие характеристики теплопроводности и электроизоляции. Желательные электроизоляционные характеристики включают малый ток утечки и высокую диэлектрическую прочность. Низкий ток утечки снижает вероятность термического разрушения, а высокая диэлектрическая прочность снижает вероятность дугового разряда в поперечном направлении изолятора. Термическое разрушение может происходить, если ток утечки вызывает последовательный рост температуры изолятора, также приводящий к дуговому разряду поперек изолятора.
Оболочка 216 может представлять собой наружный металлический слой или электропроводящий слой. Оболочка 216 может находиться в контакте с горячими флюидами формации. Оболочка 216 может быть выполнена из материала, имеющего высокое сопротивление коррозии при повышенной температуре. Сплавы, которые могут быть использованы в желательном диапазоне температур эксплуатации оболочки 216, включают (но без ограничения указанными) нержавеющую сталь 304, нержавеющую сталь 310, нержавеющую сталь 316, нержавеющую сталь 347, другие нержавеющие стали 300й серии, нержавеющие стали 600й серии, нержавеющие стали 800й серии, Incoloy 800 и Inconel 600 (фирма Inco Alloys International, Huntington, West Virginia, U.S.A.). Оболочка 216 может иметь толщину, которая достаточна, чтобы сохраняться в течение трех-десяти лет в горячей и коррозионной окружающей среде. Толщина оболочки 216 обычно может изменяться приблизительно между 1 мм и 2.5 мм. Например, в качестве оболочки 216 может быть использован наружный слой из нержавеющей стали 310, толщиной 1.3 мм, чтобы обеспечить хорошее химическое сопротивление сульфидной коррозии в нагретой зоне формации в течение периода более 3 лет. Могут быть использованы большие или меньшие толщины оболочки, которые соответствуют конкретным требованиям эксплуатации.
Один или несколько изолированных проводников могут быть расположены внутри отверстия в формации с образованием теплового источника или тепловых источников. Электрический ток может проходить через каждый изолированный проводник в отверстии, чтобы нагреть формацию. В качестве альтернативы, электрический ток может проходить через выбранные изолированные проводники в отверстии. Неиспользуемые проводники могут быть использованы в качестве запасных нагревателей. Изолированные проводники могут быть электрически соединены с источником питания любым удобным способом. Каждый конец изолированного проводника может быть соединен с электрическими вводами кабелей, которые проходят через устье скважины. Такая конфигурация обычно имеет изгиб на 180° ("крутой" изгиб) или поворот, расположенный вблизи дна теплового источника. Для изолированного проводника, который включает изгиб на 180° или поворот, концевая муфта может не потребоваться, но изгиб на 180° или поворот может представлять собой электрическое и/или конструкционное ослабление нагревателя. Изолированные проводники могут быть электрически соединены вместе последовательно, параллельно, или в комбинации последовательного и параллельного соединения. В некоторых вариантах осуществления тепловых источников, электрический ток может проходить в проводник изолированного проводника и может возвращаться через оболочку изолированного проводника за счет соединения жилы 218 с оболочкой 216 (как показано на фигуре 2) внизу теплового источника.
В некоторых вариантах осуществления, три изолированных проводника 252 электрически соединяются в трехфазное соединение по схеме звезда с источником питания. На фигуре 3 изображен вариант осуществления трех изолированных проводников в отверстии в формации, соединенных по схеме звезда. На фигуре 4 изображен вариант осуществления трех изолированных проводников 252, которые можно вынимать из отверстия 238 в формации. Для трех изолированных проводников, соединенных по схеме звезда, может не потребоваться нижнее соединение. В качестве альтернативы, все три изолированных проводника, соединенных по схеме звезда, могут соединяться вместе, вблизи дна отверстия. Это соединение может быть выполнено непосредственно на концах нагревающих участков изолированных проводников или на концах холодных шпилек (участки с малым сопротивлением), соединенных с нагревающими участками внизу изолированных проводников. Нижние соединения могут быть выполнены с изолятором - заполненными и герметизированными контейнерами или контейнерами, заполненными эпоксидной смолой. Этот изолятор может иметь такой же состав, что и изолятор, использованный в качестве электроизоляции.
2
3
Три изолированных проводника 252, изображенных на фигурах 3 и 4, могут быть соединены с опорным звеном 220, используя центрирующие устройства 222. В качестве альтернативы, изолированные проводники 252 могут быть соединены с накладкой непосредственно с опорным звеном 220, с использованием металлических накладок. Центрирующие устройства 222 могут поддерживать положение и/или исключать движение изолированных проводников 252 на опорном звене 220. Центрирующие устройства 222 могут быть выполнены из металла, керамики, или их комбинаций. Металл может представлять собой нержавеющую сталь или любой другой тип металла, который способен противостоять коррозии в среде с высокой температурой. В некоторых вариантах осуществления, центрирующие устройства 222 представляют собой искривленные металлические полосы, приваренные к опорному звену на расстоянии меньше, чем приблизительно 6 м. Керамика, используемая в центрирующем устройстве 222, может быть (но без ограничения указанным) оксидами - AlO, MgO, или другим электрическим изолятором. Центрирующие устройства 222 могут поддерживать положение изолированных проводников 252 на опорном звене таким образом, чтобы исключить перемещение изолированных проводников при температуре эксплуатации изолированных проводников. Изолированные проводники 252 также могут иметь некоторую гибкость, чтобы выдерживать расширение опорного звена 220 во время нагревания.
Опорное звено 220, изолированный проводник 252 и центрирующие устройства 222 могут быть расположены в отверстии 238, в углеводородном слое 240. Изолированные проводники 252 могут быть подсоединены к нижнему контакту проводника 224 с использованием холодных шпилек 226. Нижний контакт проводника 224 может электрически соединять каждый изолированный проводник 252 друг с другом. Нижний контакт проводника 224 может включать материалы, которые являются электропроводящими и не плавятся при температурах, имеющихся в отверстии 238. Холодная шпилька 226 может быть изолированным проводником, имеющим меньшее электрическое сопротивление, чем изолированный проводник 252.
Проводник 228 с электрическими вводами может быть соединен с устьем скважины 242, чтобы обеспечить электрическую мощность для изолированного проводника 252. Проводник 228 с электрическими вводами может быть выполнен из материала проводника с относительно низким электрическим сопротивлением, таким образом, чтобы выделялось относительно небольшое количество тепла при пропускании электрического тока через проводник с электрическими вводами. В некоторых вариантах осуществления, проводник с электрическими вводами представляет собой многожильный медный провод, изолированный резиной или полимером. В некоторых вариантах осуществления, проводник с электрическими вводами представляет собой минеральный изолированный проводник с медной жилой. Проводник 228 с электрическими вводами может быть соединен с устьем скважины 242 на поверхности 250 с помощью герметизированного фланца, расположенного между перекрывающей породой 246 и поверхностью 250. Герметизированный фланец может предотвращать выход флюида из отверстия 238 на поверхность 250.
В некоторых вариантах осуществления, проводник 228 с электрическими вводами соединен с изолированным проводником 252, используя переходной проводник 230. Переходной проводник 230 может быть частью изолированного проводника 252, имеющей меньшее сопротивление. Переходной проводник 230 может называться изолированным проводником 252 с холодными шпильками. Переходной проводник 230 может быть сконструирован с целью рассеивания приблизительно от одной десятой до одной пятой мощности на единицу длины, которая рассеивается на единице длины первичного нагревающего участка изолированного проводника 252. Переходной проводник 230 обычно может иметь длину приблизительно между 1,5 м и 15 м, хотя может быть использована более короткая или большая длина для того, чтобы приспособиться к требованиям конкретного применения. В варианте осуществления, переходный проводник 230 является медным проводником. Электрический изолятор переходного проводника 230 может быть электрическим изолятором такого же типа, который используется в первичном нагревающем участке. Оболочка переходного проводника 230 может быть выполнена из коррозионностойкого материала.
В некоторых вариантах осуществления, переходной проводник 230 подсоединен к проводнику 228 с электрическими вводами с помощью соединения внахлестку или другой соединительной муфты. Соединения внахлестку также могут быть использованы для соединения переходного проводника 230 с изолированным проводником 252. Соединения внахлестку должны выдерживать температуру, которая равна половине эксплуатационной температуры в целевой зоне. Во многих случаях плотность электроизоляции при соединении внахлестку должна быть достаточно высокой для того, чтобы выдерживать требуемую температуру и рабочее напряжение.
В некоторых вариантах осуществления, которые показаны на фигуре 3, уплотняющий материал 248 расположен между обсадной колонной 244 перекрывающей породы и отверстием 238. В некоторых вариантах осуществления, усиливающий материал 232 может защищать обсадную колонну 244 перекрывающей породы до перекрывающей породы 246. Уплотняющий материал 248 может препятствовать вытеканию флюида из отверстия 238 на поверхность 250. Усиливающий материал 232 может включать, например, портландцемент класса G или класса Н, смешанный для улучшения высокотемпературной характеристики со шлаком или кварцевой мукой, и/или их смесью. В некоторых вариантах осуществления, усиливающий материал 232 распространяется по радиусу на ширину приблизительно от 5 см до 25 см.
Как показано на фигурах 3 и 4, опорное звено 220 и проводник 228 с электрическими вводами могут быть соединены с устьем скважины 242 на поверхности 250 этой формации. Поверхностный проводник 234 может включать в себя усиливающий материал 232 и соединяться с устьем скважины 242. Варианты поверхностного проводника могут распространяться на глубину приблизительно от 3 м до 515 м в отверстии формации. В качестве альтернативы, поверхностный проводник может распространяться на глубину приблизительно 9 м внутри формации. Электрический ток может податься от источника питания к изолированному проводнику 252 для того, чтобы генерировать тепло благодаря электрическому сопротивлению изолированного проводника. Выделяемое тремя изолированными проводниками 252 тепло может передаваться внутрь отверстия 238 с целью нагрева, по меньшей мере, части углеводородного слоя 240.
Выделяемое изолированными проводниками 252 тепло может нагревать, по меньшей мере, часть формации, содержащей углеводороды. В некоторых вариантах осуществления, передается в формацию, в значительной степени, путем излучения генерированного тепла в формацию. Некоторая часть тепла может передаваться путем проводимости или конвекции тепла, благодаря газам, присутствующим в отверстии. Отверстие может быть необсаженным отверстием, как показано на фигурах 3 и 4. С необсаженным отверстием исключаются затраты, связанные с термическим цементированием нагревателя в формации, затраты, связанные с обсадной колонной, и/или затраты на уплотнение нагревателя внутри отверстия. Кроме того, обычно теплопередача путем излучения является более эффективной, чем путем проводимости, так что нагреватели можно эксплуатировать при меньшей температуре в открытом стволе скважины. Кондуктивная теплопередача в ходе начальной эксплуатации теплового источника может быть усилена путем добавления газа в отверстие. Давление газа можно поддерживать приблизительно на уровне 27 бар (абс). Газ может включать (но без ограничения указанным) диоксид углерода и/или гелий. Нагреватель с изолированным проводником в открытом стволе скважины преимущественно может свободно расширяться или сжиматься в соответствии с термическим расширением и сжатием. Нагреватель с изолированным проводником преимущественно может быть подвижным или перемещаемым из открытого ствола скважины.
В некоторых вариантах осуществления, компоновка нагревателя с изолированным проводником монтируется или удаляется с использованием намоточного устройства. Могут быть использованы больше одного намоточного устройства для того, чтобы одновременно монтировать изолированный проводник, а также опорное звено. В качестве альтернативы, опорное звено может быть смонтировано с использованием блока труб в бухтах. Нагреватели могут быть размотаны и соединены с опорой, когда опора вставлена внутрь скважины. Электрический нагреватель и опорное звено могут быть размотаны из намоточного устройства. Распорки могут быть соединены с опорным звеном и нагревателем вдоль длины опорного звена. Могут быть использованы дополнительные намоточные устройства для дополнительных элементов электрических нагревателей.
Ограниченные по температуре нагреватели могут иметь конфигурации и/или могут включать материалы, которые имеют характеристики автоматического ограничения температуры нагревателя при определенной температуре. В некоторых вариантах осуществления, в ограниченных по температуре нагревателях используются ферромагнитные материалы. Температура ферромагнитного материала может автоматически ограничиваться при температуре Кюри материала, или около этой температуры, и/или в диапазоне температуры фазового перехода, что обеспечивает пониженное количество тепла, когда через материал проходит ток, изменяющийся во времени. В некоторых вариантах осуществления, температура ферромагнитного материала автоматически ограничивается, ограничивая температуру нагревателя при заданной температуре, которая приблизительно равна температуре Кюри, и/или в диапазоне температуры фазового перехода. В некоторых вариантах осуществления, заданная температура находится приблизительно в диапазоне 35°С, приблизительно в диапазоне 25°С, приблизительно в диапазоне 20°С, или приблизительно в диапазоне 10°С от температуры Кюри и/или температуры фазового перехода. В некоторых вариантах осуществления, ферромагнитные материалы соединены с другими материалами (например, материалами с высокой проводимостью, высокопрочными материалами, коррозионностойкими материалами, или их комбинациями) для того, чтобы обеспечить различные электрические и/или механические свойства. Некоторые участки ограниченного по температуре нагревателя могут обладать пониженным сопротивлением (вызванным различной геометрией и/или за счет использования различных ферромагнитных и/или неферромагнитных материалов), чем другие участки ограниченного по температуре нагревателя. Наличие в ограниченном по температуре нагревателе участков из различных материалов и/или различных размеров позволяет подгонять желательную тепловую мощность для каждого участка нагревателя.
Ограниченные по температуре нагреватели могут быть более надежными, чем другие нагреватели. Ограниченные по температуре нагреватели могут быть менее склонны к разрушению или повреждению из-за горячих пятен в формации. В некоторых вариантах осуществления, ограниченные по температуре нагреватели обеспечивают практически равномерный нагрев формации. В некоторых вариантах осуществления, ограниченные по температуре нагреватели способны более эффективно нагревать формацию путем эксплуатации при более высокой средней тепловой мощности по всей длине нагревателя. Ограниченный по температуре нагреватель работает при более высокой средней тепловой мощностью по всей длине нагревателя, поскольку нет необходимости понижать мощность нагревателя по всей его длине, как в случае с типичными нагревателями с постоянной мощностью, если температура в любом месте нагревателя превышает, или собирается превысить, максимальную рабочую температуру нагревателя. Тепловая мощность участков ограниченного по температуре нагревателя, при приближении к диапазону температуры Кюри и/или температуры фазового перехода нагревателя, автоматически уменьшается без контролируемого регулирования подаваемого в нагреватель тока, изменяющегося во времени. Тепловая мощность автоматически уменьшается благодаря изменению электрических характеристик (например, электрического сопротивления) участков ограниченного по температуре нагревателя. Таким образом, ограниченный по температуре нагреватель выдает большую мощность в течение большего периода процесса нагревания.
В некоторых вариантах осуществления, устройство ограниченных по температуре нагревателей сначала обеспечивает первую тепловую мощность и затем обеспечивает пониженную (вторую) тепловую мощность, вблизи или при температуре Кюри, или выше этой температуры, и/или в диапазоне температуры фазового перехода электрического резистивного участка нагревателя, когда ограниченный по температуре нагреватель получает энергию тока, изменяющегося во времени. Первая тепловая мощность представляет собой тепловую мощность при температуре, ниже которой ограниченный по температуре нагреватель начинает автоматически ограничиваться. В некоторых вариантах осуществления, первая тепловая мощность является тепловой мощностью при температуре приблизительно на 50°С, на 75°С, на 100°С, или приблизительно на 125°С ниже температуры Кюри и/или диапазона температур фазового перехода ферромагнитного материала в ограниченном по температуре нагревателе.
Ограниченный по температуре нагреватель может получать энергию тока, изменяющегося во времени (переменный ток или модулированный постоянный ток) и поступающего в устье скважины. Устье скважины может включать источник питания и другие компоненты (например, компоненты модуляции, трансформаторы и/или конденсаторы), применяемые для подачи мощности в ограниченный по температуре нагреватель. Ограниченный по температуре нагреватель может быть одним из многих нагревателей, используемых для нагревания участка формации.
В некоторых вариантах осуществления используется относительно тонкий проводящий слой, который обеспечивает большую часть электрически резистивной тепловой мощности ограниченного по температуре нагревателя при температурах вплоть до температуры Кюри, или вблизи нее, и/или в диапазон температур фазового перехода ферромагнитного проводника. Указанный ограниченный по температуре нагреватель может быть использован в качестве нагревающего элемента нагревателя с изолированным проводником. Нагревающий элемент нагревателя с изолированным проводником может быть расположен внутри оболочки с изоляционным слоем между оболочкой и нагревающим элементом.
На фигурах 5А и 5В приведено изображение сечения для варианта осуществления нагревателя с изолированным проводником и ограниченным по температуре нагревателем в качестве нагревающего элемента. Изолированный проводник 252 включает жилу 218, ферромагнитный проводник 236, внутренний проводник 212, электрический изолятор 214, и оболочку 216. Жила 218 представляет собой жилу из меди или медноникелевого сплава (например, Сплав 90 или Сплав 180). Ферромагнитным проводником 236 является, например, железо или железный сплав.
Внутренний проводник 212 представляет собой относительно тонкий проводящий слой неферромагнитного материала с более высокой электрической проводимостью, чем ферромагнитный проводник 236. В некоторых вариантах осуществления, внутренний проводник 212 является медью. Внутренний проводник 212 может быть медным сплавом. Медные сплавы обычно имеют более ровный профиль температурной зависимости сопротивления, чем чистая медь. Более ровный профиль температурной зависимости сопротивления может обеспечить меньшее изменение тепловой мощности как функции температуры вплоть до температуры Кюри и/или диапазона температур фазового перехода. В некоторых вариантах осуществления, внутренний проводник 212 представляет собой медь с добавкой 6 мас. % никеля (например, CuNi6 или LOHM™). В некоторых вариантах осуществления, внутренний проводник 212 является сплавом CuNi10Fe1Mn. Ниже температуры Кюри и/или диапазона температур фазового перехода ферромагнитного проводника 236, магнитные характеристики ферромагнитного проводника ограничивают большую часть электрического тока во внутреннем проводнике 212. Таким образом, внутренний проводник 212 обеспечивает большую часть резистивной тепловой мощности изолированного проводника 252 ниже температуры Кюри и/или диапазона температур фазового перехода.
В некоторых вариантах осуществления, внутренний проводник 212 имеет такие пространственные размеры вдоль жилы 218 и ферромагнитного проводника 236, что внутренний проводник обеспечивает заданную степень тепловой мощности и желательное соотношение в диапазоне изменения. Например, внутренний проводник 212 может иметь такую площадь поперечного сечения, которая приблизительно в 2 или 3 раза меньше, чем площадь поперечного сечения жилы 218. Обычно внутренний проводник 212 должен иметь относительно небольшую площадь поперечного сечения, чтобы обеспечить заданную тепловую мощность, если внутренний проводник сделан из меди или медного сплава. В варианте осуществления с медным внутренним проводником 212, жила 218 имеет диаметр 0.66 см, ферромагнитный проводник 236 имеет наружный диаметр 0.91 см, внутренний проводник 212 имеет наружный диаметр 1.03 см, электрический изолятор 214 имеет наружный диаметр 1.53 см и оболочка 216 имеет наружный диаметр 1.79 см. В варианте осуществления с внутренним проводником 212 из сплава CuNi6, жила 218 имеет диаметр 0.66 см, ферромагнитный проводник 236 имеет наружный диаметр 0,91 см, внутренний проводник 212 имеет наружный диаметр 1,12 см, электрический изолятор 214 имеет наружный диаметр 1,63 см и оболочка 216 имеет наружный диаметр 1,88 см. Обычно такие изолированные проводники имеют меньший размер и их производство дешевле, чем для изолированных проводников, в которых не применяется тонкий внутренний проводник, который обеспечивает большую часть тепловой мощности ниже температуры Кюри и/или диапазона температур фазового перехода.
Электрический изолятор 214 может быть выполнен из оксида магния, оксида алюминия, диоксида кремния, оксида бериллия, нитрида бора, нитрида кремния, или их комбинаций. В некоторых вариантах осуществления, электрический изолятор 214 представляет собой уплотненный порошок оксида магния. В некоторых вариантах осуществления, электрический изолятор 214 включает шарики из нитрида кремния.
В некоторых вариантах осуществления, между электрическим изолятором 214 и внутренним проводником 212 располагается небольшой слой материала, который препятствует миграции меди внутрь электрического изолятора при повышенной температуре. Например, между электрическим изолятором 214 и внутренним проводником 212 может быть расположен небольшой слой никеля (например, приблизительно 0.5 мм никеля).
Оболочка 216 выполнена из коррозионностойкого материала, такого как (но без ограничения указанными) нержавеющая сталь 304, нержавеющая сталь 316, нержавеющая сталь 347, нержавеющая сталь 347Н, нержавеющая сталь 446, или нержавеющая сталь 825. В некоторых вариантах осуществления, оболочка 216 обеспечивает некоторую механическую прочность изолированного проводника 252 при температуре Кюри или выше нее и/или диапазона температур фазового перехода ферромагнитного проводника 236. В некоторых вариантах осуществления, оболочка 216 не используется в качестве проводника электрического тока.
Существует множество потенциальных проблем при изготовлении изолированных проводников, имеющих относительно большую длину (например, длину 10 м или длиннее). Например, может существовать зазор между блоками материала, применяемого для формирования электрического изолятора в изолированном проводнике и/или напряжение пробоя через изоляцию может быть недостаточно высоким, чтобы выдерживать рабочее напряжение, необходимое для обеспечения тепла по всей длине указанного нагревателя. Изолированные проводники включают изолированный проводник, используемый в качестве нагревателей и/или изолированные проводники, используемые в участке перекрывающей породы формации (изолированные проводники, которые дают небольшую или нулевую тепловую мощность). Изолированные проводники могут быть, например, минеральными изолированными проводниками, такими как минеральные изолированные кабели.
В типичном способе, используемом для изготовления (формования) изолированного проводника, оболочка изолированного проводника начинается как полоса электропроводящего материала (например, из нержавеющей стали). Полоса оболочки формуется (прокатывается в продольном направлении) в частично цилиндрическую форму, и блоки электрического изолятора (например, блоки оксида магния) вставляют внутрь частично цилиндрической оболочки. Эти вставленные блоки могут быть частично цилиндрическими блоками, такими как полуцилиндрическими блоками. После вставки блоков, продольная жила, которая обычно является сплошной Цилиндрической, помещается в частично цилиндрические и внутри полуцилиндрических блоков. Жила изготовлена из электропроводящего материала, такого как медь, никель, и/или сталь.
Когда блоки электрического изолятора и жила вставлены по месту, часть оболочки, содержащая блоки и жилу, свертывается в полный цилиндр вокруг блоков и жилы. Продольные края оболочки, которые закрывают цилиндр, могут быть сварены, с образованием компоновки изолированного проводника с блоками жилы и электрического изолятора внутри оболочки. Процесс вставки блоков и закрытия оболочки цилиндра можно повторять по длине оболочки с образованием компоновки изолированного проводника заданной длины.
Когда компоновка изолированного проводника сформирована, могут быть выполнены дополнительные этапы с целью уменьшения разрывов и/или пористости в компоновке. Например, компоновка изолированного проводника может двигаться через систему последовательного уменьшения размера (система холодной обработки) с целью уменьшения разрывов в компоновке. Одним примером последовательного уменьшения размера системы является роликовый транспортер. В роликовом транспортере, компоновка изолированного проводника может продвигаться с помощью многочисленных горизонтальных и вертикальных валков, причем размер компоновки периодически изменяется между горизонтальными и вертикальными валками. Размер компоновки изолированного проводника может последовательно уменьшаться на валках до конечного, заданного внешнего диаметра или площади поперечного сечения (например, внешний диаметр или площадь поперечного сечения наружного электрического проводника (например, оболочки или рубашки).
В некоторых вариантах осуществления, на блоки внутри компоновки изолированного проводника воздействует осевое усилие для того, чтобы свести к минимуму разрывы между блоками. Например, когда один или несколько блоков вставляются в компоновку изолированного проводника, вставляемые блоки можно проталкивать (или механически или пневматически) в направлении оси компоновки относительно блоков, уже находящихся в компоновке. Проталкивание вставляемых блоков относительно блоков, уже находящихся в компоновке изолированного проводника с помощью достаточного усилия сводит к минимуму разрывы между блоками, путем предоставления и поддержания усилия между блоками в направлении длины компоновки при ее перемещении в процессе уменьшения размера компоновки.
На фигурах 6-8 изображен вариант осуществления блочного устройства толкателя 254, который может быть использован для обеспечения осевого усилия для блоков в компоновке изолированного проводника. В некоторых вариантах осуществления, как показано на фигуре 6, устройство 254 включает держатель 256 изолированного проводника, направляющее устройство 258 плунжера и пневматические цилиндры 260. Устройство 254 может быть расположено в сборочной линии, используемой для производства компоновок изолированного проводника. В некоторых вариантах осуществления, устройство 254 расположено в части сборочной линии, используемой для ввода блоков внутрь оболочки. Например, устройство 254 располагается между этапами прокатки полосы оболочки в продольном направлении внутри частично цилиндрической формы и введения жилы внутрь компоновки изолированного проводника. После введения жилы оболочка, содержащая блоки и жилу, может формоваться в полный цилиндр. В некоторых вариантах осуществления, жила вставляется до блоков, причем блоки вставляются вокруг жилы и внутри оболочки.
В некоторых вариантах осуществления, держатель 256 изолированного проводника имеет такую форму, чтобы поддерживать часть оболочки 216 и обеспечивать движение компоновки оболочки через держатель изолированного проводника, в то время как другие участки оболочки одновременно перемещаются через другие участки сборочной линии. Держатель 256 изолированного проводника может быть соединен с направляющим устройством 258 плунжера и пневматические цилиндры 260.
В некоторых вариантах осуществления, блочный держатель 262 подсоединен к держателю 256 изолированного проводника. Блочный держатель 262 может представлять собой устройство, используемое для хранения и вставки блоков 264 внутрь оболочки 216. В некоторых вариантах осуществления, блоки 264 образуются из двух полуцилиндрических блоков 264А, 264В. Блоки 264 могут быть выполнены из электрического изолятора, подходящего для использования в компоновке изолированного проводника, такого как (но без ограничения указанным) оксид магния. В некоторых вариантах осуществления, блоки 264 имеют длину около 15,24 см. Однако длина блоков 264 может изменяться, если это желательно или необходимо для компоновки изолированного проводника.
Для разделения блоков 264А, 264В в блочном держателе 262 может быть использована перегородка для того, чтобы блоки можно было надлежащим образом вставлять внутрь оболочки 216. Как показано на фигуре 8, блоки 264А, 264В могут под действием силы тяжести подаваться из блочного держателя 262 внутрь оболочки 216, когда оболочка проходит через держатель 256 изолированного проводника. Блоки 264А, 264В могут быть вставлены непосредственно с расположением рядом внутри оболочки 216 (после вставки, блоки остаются непосредственно расположенными рядом, горизонтально в оболочке).
Когда блоки 264А, 264В вставлены внутрь оболочки 216, эти блоки могут перемещаться (проталкиваться) в направлении предварительно вставленных блоков, чтобы устранить разрывы между блоками внутри оболочки. Блоки 264А, 264В могут перемещаться в направлении предварительно вставленных блоков, используя плунжер 266, показанный на фигуре 8. Плунжер 266 может быть расположен внутри оболочки 216 таким образом, чтобы плунжер обеспечивал давление на блоки внутри оболочки, а не на саму оболочку.
В некоторых вариантах осуществления, плунжер 266 имеет форму поперечного сечения, которая обеспечивает свободное перемещение плунжера внутри оболочки 216 и обеспечивает осевое усилие на блоки, не оказывая силового воздействия на сердцевину внутри оболочки. На фигуре 9 изображен вариант осуществления плунжера 266 с такой формой поперечного сечения, которая позволяет плунжеру оказывать воздействие на блоки, но не на сердцевину внутри оболочки. В некоторых вариантах осуществления, плунжер 266 выполнен из керамики или покрыт керамическим материалом. Примером керамического материала, который может быть использован, является оксид алюминия, упрочненный диоксидом циркония (ZTA). Используя керамический или покрытый керамикой плунжер, можно замедлить истирание блоков плунжером, когда к блокам передается усилие под действием плунжера.
В некоторых вариантах осуществления, пневматические цилиндры 260 соединены с направляющим устройством 258 плунжера с помощью одного или нескольких стержней (показаны на фигурах 6 и 7). Пневматические цилиндры 260 и направляющее устройство 258 плунжера могут быть расположены на одной прямой с оболочкой 216 и плунжером 266, чтобы предотвратить увеличение углового момента на блоках или оболочке. Пневматические цилиндры 260 могут работать с использованием двусторонних клапанов, таким образом, пневматические цилиндры перемещать вперед или назад, в зависимости от того, с какой стороны пневматического цилиндра поступает избыточное давление воздуха. Когда пневматические цилиндры 260 расширяются (как показано на фигуре 6), направляющее устройство 258 плунжера движется в сторону от держателя 256 изолированного проводника, таким образом, плунжер 266 освобождает проход и позволяет вставить блоки 264А, 264В (например, падать) внутрь оболочки 216 из блочного держателя 262.
Когда пневматические цилиндры 260 перемещаются назад (как показано на фигуре 7), направляющее устройство 258 плунжера движется в направлении плунжера 266, причем плунжер 266 обеспечивает заданное усилие на блоки 264А, 264В. Плунжер 266 обеспечивает заданное усилие на блоки 264А, 264В с целью проталкивания блоков в блоки, предварительно вставленные внутрь оболочки 216. Величина силы, обеспечиваемая плунжером 266 на блоки 264А, 264В, может быть подобрана на основе таких факторов как (но без ограничения указанным) скорость движения оболочки по сборочной линии, величина силы, необходимая для предотвращения образования разрывов между расположенными рядом блоками в оболочке, максимальная величина силы, которая может быть приложена к блокам без повреждения блоков, или их комбинации. Например, выбранная величина силы может составлять приблизительно между 45,36 кг и 226,80 кг силы (например, около 181,44 кг силы). В некоторых вариантах осуществления, выбранная величина силы представляет собой минимальную величину силы, необходимую для предотвращения образования разрывов между расположенными рядом блоками в оболочке. Выбранную величину силы можно определить по величине давления воздуха, действующего на пневматические цилиндры.
После того как блоки 264А, 264В проталкиваются относительно предварительно вставленных блоков, давление воздуха в пневматических цилиндрах 260 реверсируется, и пневматические цилиндры расширяются таким образом, что плунжер 266 перемещается назад, а дополнительные блоки падают внутрь оболочки 216 из блочного держателя 262. Этот процесс может повторяться, пока оболочка 216 не заполнится блоками вплоть до заданной длины для компоновки изолированного проводника.
В некоторых вариантах осуществления, плунжер 266 движется туда и обратно (удлиняется и перемещается назад), с использованием эксцентрика, который изменяет направление давления воздуха, поступающего в пневматические цилиндры 260. Например, эксцентрик может быть соединен с двусторонним клапаном, используемым для работы пневматических цилиндров. В первом положении эксцентрик управляет клапаном, который удлиняет пневматические цилиндры, и во втором положении эксцентрик управляет клапаном, который перемещает назад пневматические цилиндры. Эксцентрик может двигаться между первым и вторым положениями с помощью такой работы плунжера, что эксцентрик переключает режим работы пневматических цилиндров между удлинением и перемещением назад.
Подавая прерывистое усилие на блоки 264А, 264В за счет удлинения и перемещения назад плунжера 266, обеспечивается заданная величина усилия на цепочку блоков, вставленных в оболочку 216. Воздействие этого усилия на цепочку блоков в оболочке устраняет и предотвращает образование разрывов между расположенными рядом блоками. Подавление разрывов между блоками уменьшает возможность механического и/или электрического повреждения в компоновке изолированного проводника.
В некоторых вариантах осуществления, блоки 264А, 264В вставлены в оболочку 216 другими способами, кроме непосредственного расположения рядом, описанного выше. Например, блоки могут быть вставлены с расположением в шахматном порядке рядом, где блоки ответвляются вдоль длины оболочки. В указанном расположении рядом плунжер может иметь различную форму, соответствующую ответвляющимся блокам. Например, на фигуре 10 изображен вариант осуществления плунжера 266, который может быть использован для проталкивания ответвляющихся (расположенных в шахматном порядке) блоков. В качестве другого примера, блоки могут быть вставлены в верхнее/нижнее расположение рядом (один полуцилиндрический блок сверху другого полуцилиндрического блока). В верхнем/нижнем расположении рядом могут находиться блоки или непосредственно сверху каждого другого, или в смещенном (расположенном в шахматном порядке) отношении. На фигуре 11 изображен вариант осуществления плунжера 266, который может быть использован для проталкивания блоков, расположенных вверху/внизу. Расположение блоков со смещением или в шахматном порядке внутри оболочки может предотвратить вращение одних блоков относительно других блоков до или после вставленных блоков.
Другим источником потенциальных проблем в изолированных проводниках относительно большой длины (например, длиной 10 м или больше) является тот факт, что электрические характеристики электрического изолятора могут ухудшаться во времени. Любое небольшое изменение электрического свойства (например, удельного сопротивления) может приводить к повреждению изолированного проводника. Поскольку электрический изолятор, используемый в изолированном проводнике большой длины, обычно изготовлен из нескольких блоков электрического изолятора, как описано выше, усовершенствование процессов, применяемых для изготовления блоков электрического изолятора, может повысить надежность изолированного проводника. В некоторых вариантах осуществления, электрический изолятор усовершенствуется таким образом, чтобы его удельное сопротивление оставалось практически постоянным во времени, в ходе использования изолированного проводника (например, во время продуцирования тепла нагревателем с изолированным проводником).
В некоторых вариантах осуществления, блоки электрических изоляторов (такие как блоки оксида магния) очищаются с целью удаления примесей, которые могут вызвать разрушение блоков во времени. Например, сырьевой материал, используемый для блоков электрических изоляторов, можно нагревать до более высокой температуры, чтобы превратить металлоксидные примеси в элементарный металл (например, примесь оксида железа может быть превращена в элементарное железо). Элементарный металл может быть удален из любого сырьевого материала для электрических изоляторов легче, чем оксид металла. Таким образом, чистота исходного материала для электрического изолятора материал может быть улучшена путем нагревания исходного материала при повышенной температуре до удаления примесей. Исходный материал можно нагреть до повышенной температуры, например, с использованием плазменного разряда.
В некоторых вариантах осуществления, блоки электрических изоляторов приготовлены с использованием способа горячего прессования, этот метод известен из уровня техники для получения керамики. Горячее прессование блоков электрических изоляторов может привести к плавлению исходного материала блоков в точках контакта нагревателя с изолированным проводником. Плавление блоков в точках контакта может улучшить электрические характеристики электроизолятора.
В некоторых вариантах осуществления, блоки электрических изоляторов охлаждаются в печи с использованием сухого или очищенного воздуха. С использованием сухого или очищенного воздуха можно снизить количество примесей или влаги, попадающих в блоки в ходе процесса охлаждения. Удаление влаги из блоков может повысить надежность электрических характеристик блоков.
В некоторых вариантах осуществления, блоки электрических изоляторов не подвергают термообработке в ходе процесса приготовления блоков. При отсутствии термической обработки блоков можно сохранить удельное сопротивление блоков и предотвратить разрушение блоков во времени. В некоторых вариантах осуществления, блоки электрических изоляторов нагревают с малой скоростью нагрева, что способствует сохранению удельного сопротивления блоков.
В некоторых вариантах осуществления, жилу изолированного проводника покрывают материалом, который препятствует миграции примесей внутрь электрического изолятора изолированного проводника. Например, покрытие жилы из сплава 180 никелем или сплавом Inconel 625 может препятствовать миграции материалов из сплава 180 внутрь электрического изолятора. В некоторых вариантах осуществления, жила изготовлена из материала, который не мигрирует внутрь электрического изолятора. Например, жила из углеродистой стали не может вызывать разрушение электрического изолятора во времени.
В некоторых вариантах осуществления, электрический изолятор изготовлен из порошкового исходного материала, такого как порошкообразный оксид магния. Порошкообразный оксид магния может лучше сопротивляться разрушению, чем другие типы оксида магния.
В некоторых вариантах осуществления, компоновку изолированного (минерального изолированного) проводника подвергают термообработке (отжигу) между этапами уменьшения размера. Термообработка (отжиг) компоновки изолированного проводника может потребоваться для восстановления механических характеристик металла (металлов), используемого в компоновке изолированного проводника. Термообработка (отжиг) изолированного проводника может быть описана как термообработка, при которой снимается напряжение и возвращается естественное состояние материала (например, материала металлического сплава) (например, состояние сплавного материала до любой холодной обработки или термической обработки этого материал). Например, когда аустенитную нержавеющую сталь подвергают холодной обработке, она становится прочнее, но более хрупкой, пока не будет достигнуто состояние, в котором дополнительная холодная обработка может привести к разрушению материала из-за его хрупкости. Прочность отожженного материал, и прочность, которая может быть достигнута в результате холодной обработки до разрушения, может зависеть (изменяться) от природы обрабатываемого материала.
В некоторых вариантах осуществления, термообработка обеспечивает дополнительное уменьшение размера (холодная обработка) компоновки изолированного (минерального изолированного) проводника. Например, компоновка изолированного проводника может подвергаться термической обработке с целью уменьшения напряжения металла в компоновке после холодной обработки и улучшения характеристик металла после холодной обработки (последовательное уменьшение размера). Может потребоваться быстрая закалка металлических сплавов (например, нержавеющей стали, используемой в качестве оболочки или наружного электрического проводника) в компоновке изолированного проводника после проведения термической обработки. Металлические сплавы скорее могут подвергаться быстрой закалке для того, чтобы сплав затвердел, хотя его компоненты еще находятся в растворе, чем допускать кристаллизацию компонентов, которые не могут давать необходимый вклад в механические характеристики металлического сплава.
Во время закалки оболочка (наружный электрически проводник) сначала охлаждается, и затем тепло более медленно передается из внутренней части кабеля к оболочке. Таким образом, оболочка сокращается и обжимает электрический изолятор (например, MgO), что дополнительно сжимает электрический изолятор. В последующем, когда электрический изолятор и жила охлаждаются, они сжимаются, причем остаются небольшие пустоты, и сбрасывается давление, например, от стыков между блоками электрических изоляторов внутри компоновки изолированного проводника. Небольшие пустоты или стыки могут давать вклад в увеличение объема пор и/или пористости в электрическом изоляторе.
Эти пустоты могут быть вызваны термообработкой компоновки изолированного проводника, которая снижает напряжение пробоя диэлектрика (диэлектрическая прочность) в компоновке изолированного проводника (например, напряжение пробоя диэлектрика снижается за счет увеличенного объема пор и/или пористости в электрическом изоляторе). Например, термообработка может снижать напряжение пробоя приблизительно на 50% или больше для типичной термообработки металлов, применяемых при компоновке изолированного проводника. Подобное уменьшение напряжения пробоя может привести к короткому замыканию или другим электрическим авариям, когда компоновка изолированного проводника используется при среднем - высоком напряжении, которое требуется для нагревателей большой длины (например, напряжение около 5 кВ или выше).
В некоторых вариантах осуществления, окончательное уменьшение размера (холодной обработкой) компоновки изолированного проводника после термообработки может восстановить напряжение пробоя до приемлемого значения для нагревателей большой длины. Однако окончательное уменьшение размера не может быть таким большим, как предшествующее уменьшение размера компоновки изолированного проводника, чтобы избежать напряжения или перегрузки металла в компоновке сверх приемлемого предела. Слишком большое уменьшение размера при окончательном уменьшении размера может привести к необходимости дополнительной термообработки, чтобы восстановить механические характеристики металла в компоновке изолированного проводника. Таким образом, на стадии окончательного уменьшения размера (холодной обработкой) возможно достаточное уменьшение площади поперечного сечения компоновки изолированного проводника, чтобы сжать электрический изолятор и уменьшить или практически исключить пустоты в электрическом изоляторе (например, уменьшается объем пор и/или пористость), чтобы восстановить характеристику напряжения пробоя электрического изолятора до желательного уровня.
На фигуре 12 изображен вариант осуществления изолированного проводника 252, предварительно подвергнутого холодной и термической обработке. В некоторых вариантах осуществления, изолированный проводник включает жилу 218, электрический изолятор 214 и оболочку 216 (например, оболочку или наружный электрический проводник). В некоторых вариантах осуществления, электрический изолятор 214 выполнен из множества блоков изолирующего материала (например, неорганическая изоляция, такая как MgO). Блоки изолирующего материала могут быть вставлены вокруг жилы 218, расположенной внутри частично сформированного цилиндра, который может использоваться как оболочка 216 (например, оболочка частично формуется в цилиндр, и не полностью сваривается вокруг жилы, чтобы блоки можно было вставлять внутрь оболочки). Блоки могут быть расположены вдоль жилы 218 по длине изолированного проводника 252. После того, как блоки вставлены внутрь частично сформированной оболочки 216, продольные концы оболочки могут быть соединены (например, сваркой) вместе, с образованием цилиндра вокруг жилы 218 и электрического изолятора 214 (блоки изолирующего материала). Таким образом, после уплотнения электрического изолятора 214, образуется изолированный проводник 252, причем жила 218 является непрерывной, электрический изолятор 214 является непрерывным, и оболочка 216 является непрерывной по длине изолированного проводника. В некоторых вариантах осуществления, оболочка 216 соединяется (например, сваркой) вдоль непрерывного стыка по длине изолированного проводника 252.
В некоторых вариантах осуществления, оболочка 216 выполнена из материала, который является достаточно пластичным, так что после термообработки, диаметр (площадь поперечного сечения) оболочки может уменьшаться в достаточной степени, чтобы повторно сдавливать электрический изолятор 214 и сохранить достаточную пластичность, чтобы его можно было свернуть в спираль и развернуть из спирали (например, наматывать и разматывать из спиральной компоновки). Например, оболочка 216 может быть выполнена из сплавного материала нержавеющей стали, такого как нержавеющая сталь 304, нержавеющая сталь 316, или нержавеющая сталь 347. Кроме того, оболочка 216 может быть выполнена из других металлических сплавов, таких как Incoloy 800 и Inconel 600.
В некоторых вариантах осуществления, изолированный проводник 252 повергается холодной обработке/термической обработке в процессе, до окончательного уменьшения размера изолированного проводника. Например, компоновка изолированного проводника может повергаться холодной обработке, с целью уменьшения площади поперечного сечения компоновки, по меньшей мере, приблизительно на 30%, с последующей стадией термообработки при температуре, по меньшей мере, приблизительно 870°С, которую измеряют с помощью оптического пирометра на выходе из индукционной катушки. На фигуре 13 изображен вариант осуществления изолированного проводника 252, показанного на фигуре 12, после холодной обработки и термической обработки. При холодной обработке и термической обработке изолированного проводника 252 площадь поперечного сечения оболочки 216 может уменьшаться приблизительно на 30%, по сравнению с оболочкой 216 изолированного проводника, предварительно подвергнутого холодной и термической обработке. В некоторых вариантах осуществления, площадь поперечного сечения электрического изолятора 214 и/или жилы 218 уменьшается приблизительно на 30% в ходе процесса холодной обработки и термической обработки.
В некоторых вариантах осуществления, компоновка изолированного проводника повергается холодной обработке с целью уменьшения площади поперечного сечения компоновки приблизительно до 35% или вблизи точки механического повреждения компоновки изолированного проводника. В некоторых вариантах осуществления, компоновка изолированного проводника повергается термической обработке и/или отжигается при температуре приблизительно между 760°С и 925°С. В некоторых вариантах осуществления, компоновка изолированного проводника повергается термической обработке и/или отжигается при температуре приблизительно до 1050°С (например, температура, при которой максимально возможно восстанавливается механическая целостность металлов в компоновке изолированного проводника, без плавления электроизоляции в компоновке). В некоторых вариантах осуществления, компоновка изолированного проводника повергается термической обработке и/или отжигается при температуре, при которой сплав полностью отжигается (например, при температуре реального (или полного) отжига сплава). Например, компоновка изолированного проводника с оболочкой из нержавеющей стали 304 может отжигаться при температуре около 1050°С (температура реального отжига нержавеющей стали 304). Температура термической обработки/отжига для компоновки изолированного проводника может изменяться в зависимости от типа сплава (металла), использованного в оболочке компоновки изолированного проводника. Термическая обработка/отжиг оболочки в компоновке изолированного проводника при температуре реального отжига сплава может обеспечить повышенную пластичность изолированного проводника, чтобы легче свернуть в спираль и манипулировать с компоновкой. В некоторых вариантах осуществления, стадия термической обработки включает быстрый нагрев компоновки изолированного проводника до желательной температуры с последующей обратной закалкой компоновки до температуры окружающей среды.
В некоторых вариантах осуществления, стадии холодной обработки/термической обработки повторяются два раза (или больше), пока площадь поперечного сечения компоновки изолированного проводника не станет близкой (например, приблизительно в диапазоне от 5% до 15%) к заданной, окончательной площади поперечного сечения компоновки. После стадии термической обработки, на которой площадь поперечного сечения компоновки изолированного проводника становится близкой к окончательной площади поперечного сечения компоновки, последняя подвергается холодной обработке, на окончательной стадии, с целью уменьшения площади поперечного сечения компоновки изолированного проводника до окончательной площади поперечного сечения. Таким образом, компоновка изолированного проводника находится, по меньшей мере, частично в состоянии холодной обработки, например, компоновка изолированного проводника включает изолированный проводник после стадии окончательной (пост-отжиг) холодной обработки. Состояние частичной холодной обработки можно выбрать как промежуточное между состоянием последующей термической обработки (например, нагревание до температуры приблизительно между 760°С и 1050°С) и состоянием полной холодной обработки (например, холодной обработки с целью уменьшения площади поперечного сечения компоновки, по меньшей мере, приблизительно на 30% или вблизи точки механического повреждения компоновки изолированного проводника).
На фигуре 14 изображен вариант осуществления изолированного проводника 252, показанного на фигуре 13, после стадии окончательной холодной обработки. Площадь поперечного сечения варианта оболочки 216 на фигуре 14 может уменьшаться приблизительно на 15%, по сравнению с вариантом оболочки 216 на фигуре 13. В некоторых вариантах осуществления, на стадии окончательной холодной обработки величина площади поперечного сечения компоновки изолированного проводника уменьшается в диапазоне приблизительно между 5% и 20%. В некоторых вариантах осуществления, на стадии окончательной холодной обработки величина площади поперечного сечения компоновки изолированного проводника уменьшается в диапазоне приблизительно между 8% и 16%. В некоторых вариантах осуществления, на стадии окончательной холодной обработки величина площади поперечного сечения компоновки изолированного проводника уменьшается в диапазоне приблизительно между 10% и 20%. В некоторых вариантах осуществления, площадь поперечного сечения электрического изолятора 214 и/или жилы 218, уменьшается в ходе процесса холодной обработки и термической обработки.
Ограничение уменьшения размера площади поперечного сечения компоновки изолированного проводника, по большей мере, величиной около 20%, в ходе стадии окончательной холодной обработки, уменьшает площадь поперечного сечения компоновки изолированного проводника до заданного значения, и в то же время сохраняется достаточная механическая целостность в оболочке (наружный проводник) компоновки изолированного проводника для использования при нагревании формации. Таким образом, потребность в дополнительной термообработке для того, чтобы восстановить механическую целостность компоновки изолированного проводника, исключается или в значительной степени уменьшатся, поскольку сохраняются подходящие механические характеристики. Если площадь поперечного сечения компоновки изолированного проводника уменьшается больше, чем приблизительно на 20% в ходе стадии окончательной холодной обработки, может потребоваться дополнительная термообработка с целью возвращения механической целостности компоновки изолированного проводника, достаточной для использования в качестве длинного нагревателя в формации. Однако указанная дополнительная термообработка может вызвать ухудшение электрических характеристик компоновки изолированного проводника.
В некоторых вариантах осуществления, поддержание достаточной механической целостности в оболочке (наружный проводник) компоновки изолированного проводника после стадии окончательной (пост-отжиг) холодной обработки включает (но без ограничения указанным) то, что компоновку изолированного проводника можно будет свернуть в спираль радиусом в заданное число раз больше, чем диаметр изолированного проводника и/или наружного электрического проводника, имеющего заданный предел текучести. Например, в некоторых вариантах осуществления, компоновку изолированного проводника можно будет свернуть в спираль радиусом приблизительно в 100 раз больше диаметра изолированного проводника, после стадии окончательной (пост-отжиг) холодной обработки. В некоторых вариантах осуществления, компоновку изолированного проводника можно будет свернуть в спираль радиусом приблизительно в 75 раз, или приблизительно в 50 раз больше диаметра изолированного проводника после стадии окончательной (пост-отжиг) холодной обработки.
В некоторых вариантах осуществления, наружный электрический проводник имеет заданный предел текучести на основе 0.2% смещения приблизительно от 840 МПа (120 kpsi) после стадии окончательной (пост-отжиг) холодной обработки. В некоторых вариантах осуществления, наружный электрически проводник имеет заданный предел текучести на основе 0.2% смещения приблизительно от 700 МПа, или приблизительно 560 МПа, после стадии окончательной (пост-отжиг) холодной обработки. Для нержавеющих сталей, включающих (но без ограничения указанным) нержавеющую сталь 304, нержавеющую сталь 316 и нержавеющую сталь 347, указанный предел текучести может обеспечить свертывание в спираль наружного электрического проводника (и таким образом, компоновки изолированного проводника) радиусом приблизительно в 100 раз больше диаметра изолированного проводника. Типичный предел текучести указанных нержавеющих сталей в естественном состоянии (например, состояние нержавеющей стали до любой холодной обработки или термической обработки) может составлять около 210 МПа на основе 0.2% смещения.
Таким образом, предел текучести указанных сплавных материалов после стадии окончательной (пост-отжиг) холодной обработки может быть выше предела текучести в их естественном состоянии. В некоторых вариантах осуществления, наружный электрический проводник (например, металлический сплав, такой как нержавеющая сталь) после стадии окончательной (пост-отжиг) холодной обработки имеет предел текучести на основе 0.2% смещения, по меньшей мере, приблизительно на 50% больше, чем предел текучести металлического сплава в естественном состоянии. В некоторых вариантах осуществления, предел текучести металлического сплава после стадии окончательной (пост-отжиг) холодной обработки составляет, по большей мере, приблизительно 400% от предела текучести сплавного материала в естественном состоянии.
Кроме того, наличие стадии окончательной холодной обработки в способе получения компоновки изолированного проводника, вместо термообработки и/или термической обработки, улучшает напряжение пробоя диэлектрика в компоновке изолированного проводника. Холодная обработка (уменьшение площади поперечного сечения) компоновки изолированного проводника уменьшает объем пор и/или пористость электроизоляции компоновки. Уменьшение объема пор и/или пористости в электроизоляции увеличивает напряжение пробоя путем исключения маршрутов электрического короткого замыкания и/или повреждения электроизоляции. Таким образом, наличие стадии окончательной холодной обработки, вместо термообработки (которая обычно уменьшает напряжение пробоя), можно получить более высокое напряжение пробоя компоновки изолированного проводник, с использованием стадии окончательной холодной обработки, на которой площадь поперечного сечения уменьшается, по большей мере, приблизительно на 20%.
В некоторых вариантах осуществления, напряжение пробоя после стадии окончательной холодной обработки приближается к напряжению пробоя (диэлектрическая прочность) компоновки изолированного проводника после предварительной термообработки. В некоторых вариантах осуществления, диэлектрическая прочность электроизоляции в компоновке изолированного проводника после стадии окончательной холодной обработки приблизительно находится в диапазоне 10%, приблизительно в диапазоне 5%, или приблизительно в диапазоне 2% от диэлектрической прочности электроизоляции для предварительно термообработанного изолированного проводника. В некоторых вариантах осуществления, напряжение пробоя компоновки изолированного проводника находится приблизительно между 12 кВ и 20 кВ в зависимости от размеров компоновки. В некоторых вариантах осуществления, напряжение пробоя компоновки изолированного проводника может составлять приблизительно до 25 кВ в зависимости от размеров компоновки. В некоторых вариантах осуществления, напряжение пробоя компоновки изолированного проводника составляет, по меньшей мере, 15 кВ.
На фигуре 18 показана зависимость максимального электрического поля (например, напряжения пробоя) от времени для различных изолированных проводников. Измерительные точки 300 соответствуют изолированным проводникам, которые были обработаны на стадии окончательного отжига, без какой-либо последующей стадии холодной обработки. Измерительные точки 302 и измерительные точки 304 соответствуют изолированным проводникам, которые были обработаны на стадии окончательной (пост-отжиг) холодной обработки. Изолированные проводники, используемые для измерительных точек 300 и 304, в значительной степени близки по размеру, в то время как изолированные проводники, используемые для измерительных точек 302, имеют меньший диаметр. Например, изолированные проводники, используемые для измерительных точек 300 и 304, могут быть подогнаны по размеру, чтобы их можно было использовать в качестве трех изолированных проводников (для объединения вместе в трехфазном соединении по схеме звезда) в контейнере диаметром 114,3 мм, в то время как изолированные проводники, используемые для измерительных точек 302, могут быть подогнаны по размеру, чтобы их можно было использовать в качестве трех изолированных проводников в контейнере диаметром 5,5 мм. На фигуре 18 максимальное электрическое поле нормализовано с использованием толщины электрического изолятора в каждом изолированном проводнике (например, максимальное электрическое поле представляется в Вольтах/0,0254 мм толщины электрического изолятора (В/мил)).
Уравнение 1 может быть использовано для расчета максимального электрического поля в единицах толщины электрического изолятора (В/мил). Согласно уравнению 1:
(1) Е=V/(a*ln(b/a));
а
где Е означает максимальное электрическое поле, V представляет собой приложенное напряжение,  является радиусом внутреннего проводника (например, жилы), и b означает внутренний радиус оболочки (например, рубашки). Обычно уравнение 1 применимо для жилы (внутренний проводник), имеющей диаметр приблизительно между 0.125 дюйма (около 0.3175 см) и 0.5 дюйма (около 1.27 см). Однако уравнение 1 может применяться для жил различного диаметра. Например, уравнение 1 может применяться для жил большего диаметра, без модификации уравнения.
Линия 301 представляет собой минимальное напряжение пробоя (максимальная напряженность электрического поля), которое является приемлемым для изолированного проводника, который может быть использован при нагревании формации, содержащей углеводороды. Измерительные точки 300, 302 и 304 представляют максимальное электрическое поле образца изолированного проводника, который может непрерывно выдерживать температуру около 1300°F (приблизительно 700°С) до разрушения (например, напряжение пробоя приблизительно при 1300°F (около700°С)). Измерительные точки 300 и 302 включают измерительные точки, отобранные позже по времени (в сутках), которое показано на оси x. Заштрихованная область 306 соответствует измерительным точкам 300 и показывает ожидаемое уменьшение напряжения пробоя во времени. Заштрихованная область 308 соответствует измерительным точкам 302 и показывает ожидаемое уменьшение напряжения пробоя во времени. Заштрихованная область 310 соответствует измерительным точкам 304 и показывает ожидаемое уменьшение напряжения пробоя во времени.
Как показано на фигуре 18, изолированные проводники с окончательной стадией (пост-отжиг) холодной обработки обладают более высоким максимальным электрическим полем (в нормализованном основании), чем изолированные проводники, которые прошли стадию окончательного отжига. В некоторых вариантах осуществления, изолированные проводники со стадией окончательной (пост-отжиг) холодной обработки имеют начальное напряжение пробоя, которое в 2-5 раз больше, чем начальное напряжение пробоя изолированных проводников, которые прошли стадию окончательного отжига. Кроме того, изолированные проводники с окончательной стадией (пост-отжиг) холодной обработки могут иметь гораздо лучшие характеристики снижения напряжения пробоя в течение длительного периода (например, более высокое напряжение пробоя в течение длительного периода).
Изолированные проводники, изготовленные с окончательной стадией (пост-отжиг) холодной обработки, могут формироваться в значительной степени длинными, практически непрерывной длины. Например, практически непрерывная длина может означать непрерывную длину без каких-либо соединений внахлестку или других соединений между изолированными проводниками, которые необходимо изготовить (например, изолированный проводник включает практически непрерывную жилу, в значительной степени непрерывный электрический изолятор и практически непрерывную оболочку (рубашку)). В некоторых вариантах осуществления, оболочка в значительной степени непрерывного изолированного проводника включает непрерывный сварной шов по длине проводника.
В некоторых вариантах осуществления, изолированные проводники после окончательной стадии (пост-отжиг) холодной обработки имеют практически непрерывную длину, по меньшей мере, приблизительно 100 м. В некоторых вариантах осуществления, указанные изолированные проводники имеют практически непрерывную длину, по меньшей мере, приблизительно 50 м, по меньшей мере, приблизительно 250 м, или по меньшей мере, приблизительно 500 м. Такие изолированные проводники могут иметь практически непрерывную длину приблизительно до 1000 м, около 2000 м, или приблизительно 3000 м, в зависимости от других размеров изолированного проводника (например, диаметра).
В определенных вариантах осуществления, изолированные проводники с окончательной стадией (пост-отжиг) холодной обработки обладают заданными электрическими характеристиками. Например, указанные изолированные проводники могут иметь заданное (исходное) напряжение пробоя при заданной температуре и выбранной частоте по всей практически непрерывной длине изолированных проводников. В некоторых вариантах осуществления, для изолированных проводников с окончательной стадией (пост-отжиг) холодной обработки начальный пробой происходит, по меньшей мере, приблизительно при толщине электрического изолятора 60 В/мил (около 2400 В/мм) приблизительно при 1300°F (около 700°С) и приблизительно при 60 Гц (или около 50 Гц) по всей практически непрерывной длине изолированного проводника. В некоторых вариантах осуществления, для изолированных проводников с окончательной стадией (пост-отжиг) холодной обработки начальный пробой происходит, по меньшей мере, при толщине электрического изолятора приблизительно 100 В/мил (около 4000 В/мм), или при толщине электрического изолятора, по меньшей мере, приблизительно 120 В/мил (около 4750 В/мм), приблизительно при 1300°F (около 700°С) и приблизительно при 60 Гц (или около 50 Гц) по всей практически непрерывной длине изолированного проводника.
В определенных вариантах осуществления, практически непрерывная длина для исходного напряжения пробоя составляет, по меньшей мере, около 100 м. В некоторых вариантах осуществления, практически непрерывная длина для исходного напряжения пробоя составляет, по меньшей мере, приблизительно 50 м, по меньшей мере, около 75 м или по меньшей мере, приблизительно 250 м. Кроме того, указанные изолированные проводники могут иметь напряжение пробоя, с приемлемой степенью снижения со временем по всей практически непрерывной длине (как видно из данных на фигуре 18).
Изолированные проводники (MI кабели), которые обычно являются промышленно доступными, главным образом, используются в области теплового трассирования, в области датчиков температуры (например, термопар) и механизированных узлов подачи, где требуется обслуживание при высокой температуре (например, пожарные насосы, подъемники или аварийные контуры). Обычно в указанных областях применяется низкое напряжение (меньше, чем приблизительно 1000 В ПТ). Требования к проектированию и техническим характеристикам испытаний указанных MI кабелей можно определить с помощью двух промышленных стандартов - IEЕЕ STD 515™-2011 и IEC 60702-1, третье издание, 2002-02.
Обычно определение допустимости этого типа MI кабелей может быть основано на эксплуатационных испытаниях диэлектрика в условиях температуры окружающей среды. С этой целью типично проводятся два испытания, а именно:
1. Сопротивление изоляции на постоянном токе (IЕС 60702-1, Раздел 11.3) - каждый MI кабель полностью погружается в воду, по меньшей мере, на 1 час при температуре (15±10)°С. В течение 8 часов удаления из воды, обнажаются концы кабеля для того, чтобы воздействовать на проводники, и кабель временно герметизируется на каждом конце. Между наружной оболочкой и центром проводника подается ПоТ напряжение 1000 В. Сопротивление изоляции измеряется спустя 1 минуту приложения напряжения, при условии, что показание является стабильным или оно не снижается. Сопротивление изоляции должно быть не менее 10000 МОм.
2. Испытание диэлектрика (испытание высоким напряжением ПТ) (IEEE стандарт 515™, раздел 4.1.1) - каждый MI кабель подвергается испытанию на электрическую прочность диэлектрика. Это испытание осуществляется с использованием высокого напряжения ПТ, обеспечивающего выходной сигнал ПТ истинной гармонической волны. Частота, используемая для испытания диэлектрической прочности, составляет 60 Гц с приложением тестового напряжения 2,2 кВ. MI кабель должен выдерживать приложенное напряжение в течение 1 минуты, без пробоя диэлектрика.
Напротив, изолированные проводники, подходящие для подземных применений, такие как варианты изолированных проводников, описанных в изобретении, например, варианты (минеральных) изолированных проводников, сформованных с использованием стадии окончательной (пост-отжиг) холодной обработки, могут иметь более высокое напряжение пробоя при повышенной температуре (например, при температурах эксплуатации под землей). Например, в определенных вариантах осуществления эти изолированные проводники могут иметь напряжение пробоя, по меньшей мере, приблизительно 20 кВ при частоте 60 Гц (или 50 Гц) и эксплуатационной температуре приблизительно 700°С (1300°F). В некоторых вариантах осуществления, эти изолированные проводники могут иметь напряжение пробоя, по меньшей мере, приблизительно 25 кВ при 60 Гц (или 50 Гц) и эксплуатационной температуре приблизительно 700°С (1300°F). Указанные электрические характеристики могут быть продемонстрированы с использованием стандартных методов испытаний кабелей среднего напряжения, таких как:
1. Сопротивление изоляции (IEC 60702-1, Раздел 11.3) - каждый MI кабель (изолированный проводник) полностью погружается в воду, по меньшей мере, на 1 час при температуре (15±10)°С. В течение 8 часов удаления из воды, обнажаются концы кабеля для того, чтобы воздействовать на проводники, и кабель временно герметизируется на каждом конце. Между наружной оболочкой и центром проводника (жилой) подается ПоТ напряжение 5 кВ. Сопротивление изоляции измеряется спустя 1 минуту приложения напряжения, при условии, что показание является стабильным или оно не снижается. Это испытание проводится в условиях температуры окружающей среды. Сопротивление изоляции, умноженное на длину в метрах должно быть не менее 1 тераОм. м.
2. Испытание ПТ при очень низкой частоте (ОНЧ) и высоком напряжении (IEЕЕ 400.2™, раздел 5.3) - Это испытание MI кабеля осуществляется с использованием ОНЧ ПТ высокого напряжения, обеспечивающего выходной сигнал ПТ истинной гармонической волны. Частота, используемая для MI кабеля, может составлять 0,1 Гц с приложением тестового напряжения 19 кВ в течение 15 минут. Как показано на фигуре 20, аппарат для испытания включает маслосборник - концевой согласователь 312 с одним концом, замыкающим проводник с изоляцией между концевой заделкой, и оболочкой 216 MI кабеля (изолированный проводник 252). В качестве диэлектрической среды используется трансформаторное масло. MI кабель должен выдерживать указанное приложенное напряжение в течение 1 минут, без какого-либо пробоя диэлектрика.
3. Испытание диэлектрика (испытание высоким напряжением ПТ) (IEEE стандарт 400™, NETA - Acceptance Testing Specifications for Electrical Power Distribution Equipment and Systems, раздел 7.3.3) - Каждый MI кабель подвергается испытанию на электрическую прочность диэлектрика. Это испытание осуществляется с использованием высокого напряжения ПТ, обеспечивающего выходной сигнал ПТ истинной гармонической волны. Частота, используемая для испытания диэлектрической прочности, составляет 60 Гц с приложением тестового напряжения 19 кВ. Это испытание можно осуществлять с коротким образцом (меньше, чем 6,10 м) MI кабеля на катушке. Как показано на фигуре 21, испытуемый образец (изолированный проводник 252) может быть закреплен в лабораторной печи 314 с оборудованием для регулирования температуры и концевой заделкой 312. Каждый конец испытуемого образца должен быть заделан надлежащим образом, путем обнажения центрального проводника кабеля для внутреннего соединения с тестовым оборудованием высокого напряжения, с использованием маслосборника - концевого согласователя устройства с одним концом, замыкающим проводник с изоляцией между концевой заделкой и MI наружной оболочкой кабеля, с использованием трансформаторного масла в качестве диэлектрической среды (смотрите фигуру 20). Испытуемый образец нагревается до средней температуры 1200°F (или выше) и остается стабильным при температуре испытания, минимум в течение 30 минут. MI кабель должен выдерживать приложенное напряжение при температуре испытания в течение 5 минут, без какого-либо пробоя диэлектрика.
4. Тест искрового импульса (IEEE-Std 4). В этом стандарте требуется, чтобы MI кабель выдерживал искровой импульс на уровне 60 кВ ОУИП (основной уровень импульсной прочности), который установлен для оборудования класса среднего напряжения (5 кВ) [ссылка: ANSI IEEE С37.20.2]. Например, MI кабель, сформированный со стадией окончательной (пост-отжиг) холодной обработки, может выдержать испытание импульсом 60 кВ с использованием волны 1.2/60 мкс искрового импульса (тест УБИ). Известные промышленно доступные MI кабели не выдерживают описанное выше испытание ОУИП, и обычно обладают способностью ОУИП меньше половины способности ОУИП для MI кабеля, сформированного со стадией окончательной (пост-отжиг) холодной обработки.
В некоторых вариантах осуществления, MI кабели (изолированные проводники), сформированные со стадией окончательной (пост-отжиг) холодной обработки выдерживают один или несколько описанных выше методов испытаний стандартного кабеля среднего напряжения. Таким образом, MI кабели (изолированные проводники), сформированные со стадией окончательной (пост-отжиг) холодной обработки, в некоторых областях применения можно классифицировать (или квалифицировать) как стандартные кабели среднего напряжения. Например, варианты осуществления MI кабелей (изолированных проводников), сформированных со стадией окончательной стадией (пост-отжиг) холодной обработки, могут быть описаны, как способные выдержать искровой импульс на уровне 60 кВ ОУИП, который определен в IEEE-Std 4 (описан выше). Аналогичные описания с использованием любого из описанных выше методов испытаний стандартного кабеля среднего напряжения можно использовать для вариантов осуществления MI кабелей (изолированные проводники), сформированных со стадией окончательной (пост-отжиг) холодной обработки.
Изолированные (минеральные изолированные) компоновки проводника с такими характеристиками напряжения пробоя (напряжение пробоя электрического изолятора толщиной приблизительно выше 60 В/мил) могут иметь меньший диаметр (площадь поперечного сечения) и обеспечить такую же производительность, как компоновки изолированных проводников с меньшим напряжением пробоя для нагревания формации аналогичной длины. Поскольку повышенное напряжение пробоя позволяет уменьшить диаметр компоновки изолированного проводника, могут быть использованы меньшие изолированные блоки для получения нагревателя такой же длины, когда изолирующие блоки дополнительно удлиняются (приобретая большую длину), при сдавливании до меньшего диаметра. Таким образом, число блоков, используемых для приготовления компоновки изолированного проводника может быть уменьшено, таким образом, экономятся затраты на материал электроизоляции.
В некоторых вариантах осуществления, изолированные (минеральные изолированные) проводники с окончательной стадий (пост-отжиг) холодной обработки применяются для предоставления тепла в формации (например, формации, содержащие углеводороды). Изолированные проводники могут быть расположены в стволе скважины (отверстии) в формации и обеспечивать тепло в формации за счет излучения, проводимости и/или конвекции в стволе скважины, как описано в изобретении. В некоторых вариантах осуществления, изолированные проводники с окончательной (пост-отжиг) стадией холодной обработки обеспечивают тепловую мощность, по меньшей мере, приблизительно 400 Вт/м в формации. В некоторых вариантах осуществления, указанные изолированные проводники обеспечивают тепловую мощность по меньшей мере приблизительно 100 Вт/м, по меньшей мере приблизительно 300 Вт/м, или по меньшей мере около 500 Вт/м.
В некоторых вариантах осуществления, изолированные (минеральные изолированные) проводники с окончательной стадией (пост-отжиг) холодной обработки используются в качестве кабелей высокой мощности. Например, изолированные проводники могут быть использованы в морских трубопроводах для обеспечения непрерывного потока флюидов в трубопроводах (эксплуатация с гарантированным течением). Эксплуатация с гарантированным течением может иметь место по всей длине, приблизительно 1000 м или больше, таким образом, для эксплуатации требуется большая мощность (около 15 кВ, около 20 кВ, около 25 кВ, или больше). Таким образом, практически непрерывные изолированные проводники с высоким напряжением пробоя (такие как изолированные проводники с окончательной стадией (пост-отжиг) холодной обработки) могут быть использованы для обеспечения гарантированного течения на такие длинные расстояния.
В некоторых вариантах осуществления, изолированный проводник, сформированный со стадией окончательной (пост-отжиг) холодной обработки, включает больше одного проводника (например, жилы) внутри оболочки и изоляцию изолированного проводника. Например, изолированный проводник, сформированный со стадией окончательной (пост-отжиг) холодной обработки, может включать три жилы (внутренние проводники) внутри оболочки и изоляцию изолированного проводника. Изолированный проводник с тремя жилами может быть использован в качестве трехфазного изолированного проводника, причем каждая жила соединена с одной фазой трехфазного источника питания. Хотя использование множества (например, трех) жил внутри изолированного проводника, сформированного со стадией окончательной (пост-отжиг) холодной обработки, может влиять на некоторые характеристики электроизоляции (например, на исходное напряжение пробоя), все же на окончательной стадии (пост-отжиг) холодной обработки изолированного проводника можно получить изолированный проводник, который обладает улучшенными электрическими и/или диэлектрическими характеристиками, по сравнению с изолированным проводником, который сформирован со стадией окончательного отжига.
Другим возможным решением для получения изолированных проводников относительно большой длины (например, длиной 10 м или длиннее) является производство электрического изолятора из материала на основе порошка. Например, минеральные изолированные проводники, такие как изолированные проводники с оксидом магния (MgO), могут быть получены с использованием минеральной порошковой изоляции, которая уплотняется с образованием электрического изолятора сверху жилы изолированного проводника и внутри оболочки. Прежние попытки получения изолированных проводников с использованием порошкового электрического изолятора были безуспешными в основном из-за проблем, связанных с течением порошка, центрированием проводника (жилы) и взаимодействием порошка (например, порошка MgO) в ходе процесса сварки наружной оболочки или рубашки. Новые усовершенствования технологии манипулирования порошком могут обеспечить улучшение процесса получения изолированных проводников с порошком. Получение изолированных проводников с порошковой изоляцией может снизить материальные затраты и обеспечить повышенную надежность производства, по сравнению с другими способами получения изолированных проводников.
На фигуре 15 изображен вариант осуществления способа получения изолированного проводника с использованием порошка для электрического изолятора. В некоторых вариантах осуществления, процесс 268 осуществляется в трубчатой мельнице или установке с другой трубчатой (трубопроводной) компоновкой. В некоторых вариантах осуществления, процесс 268 начинается с подачи из катушки 270 и катушки 272 первого защитного материала 274 и материала 276 проводника (жилы), соответственно в последовательность технологических операций. В некоторых вариантах осуществления, первый защитный материал 274 является тонким защитным материалом, таким как нержавеющая сталь, и материалом жилы 276 является медный стержень или другой проводящий материал, используемый для жилы. Первый защитный материал 274 и материал жилы 276 могут проходить через центрирующие валки 278. Центрирующие валки 278 могут центрировать материал жилы 276 сверху первого защитного материала 274, как показано на фигуре 15.
В последующем центрированный материал жилы 276 и первый защитный материал 274 могут проходить в сдавливающие и центрирующие валки 280. Сдавливающие и центрирующие валки 280 могут формировать первый защитный материал 274 в трубчатый материал 276 вокруг жилы. Как показано на фигуре 15, первый защитный материал 274 может начинать формироваться в трубке до поступления на сдавливающие и центрирующие валки 280 за счет давления от формирующих оболочку валков 281 на лежащем выше участке первого защитного материала. Когда первый защитный материал 274 начинает формироваться в трубке, порошок 282 электрического изолятора может добавляться внутрь первого защитного материала из дозирующего устройства 284 для порошка. В некоторых вариантах осуществления, порошок 282 нагревается нагревателем 286 до поступления первого защитного материала 274. Нагреватель 286 может быть, например, индукционным нагревателем, который нагревает порошок 282, чтобы удалить влагу из порошка и/или обеспечить улучшенные характеристики течения порошка и диэлектрические характеристики окончательно скомпонованного проводника.
Когда порошок 282 поступает в первый защитный материал 274, компоновка может проходить через вибратор 288, до поступления на сдавливающие и центрирующие валки 280. Вибратор 288 может заставлять колебаться компоновку с целью увеличения уплотнения порошка 282 внутри первого защитного материала 274. В некоторых вариантах осуществления, заполнение порошка 282 внутри первого защитного материала 274 и другие технологические стадии, предшествующие вибратору 288, происходят в вертикальной формации. Проведение указанных технологических стадий в вертикальной формации обеспечивает лучшее уплотнение порошка 282 внутри первого защитного материала 274. Как показано на фигуре 15, вертикальная формация процесса 268 может переходить в горизонтальную формацию, в то время как компоновка проходит через сдавливающие и центрирующие валки 280.
Когда компоновка первого защитного материала 274, материала 276 жилы и порошок 282 покидают сдавливающие и центрирующие валки 280, второй защитный материал 290 может доставляться вокруг компоновки. Второй защитный материал 290 может доставляться из катушки 292. Второй защитный материал 290 может быть более густым защитным материалом, чем первый защитный материал 274. В некоторых вариантах осуществления, первый защитный материал 274 имеет столь малую толщину, насколько это допустимо без разрушения первого защитного материала или без появления дефектов на последующих стадиях процесса (например, в ходе уменьшения наружного диаметра изолированного проводника). Второй защитный материал 290 может иметь возможно большую толщину, которая еще позволяет окончательно уменьшить внешний диаметр изолированного проводника до заданного размера. Объединенная толщина первого защитного материала 274 и второго защитного материала 290 может составлять, например, приблизительно между 1/3 и около 1/8 (например, около 1/6) от окончательного внешнего диаметра изолированного проводника.
В некоторых вариантах осуществления, первый защитный материал 274 имеет толщину приблизительно между 0.020 и 0.075 дюйма (например, около 0.035 дюйма), и второй защитный материал 290 имеет толщину приблизительно между 0.100 дюйма и 0.150 дюйма (например, приблизительно 0.125 дюйма) для изолированного проводника, который имеет окончательный внешний диаметр около 1 дюйма, после конечной стадии уменьшения размера. В некоторых вариантах осуществления, второй защитный материал 290 является таким же материалом, как первый защитный материал 274. В некоторых вариантах осуществления, второй защитный материал 290 является другим материалом (например, другой нержавеющей сталью или сплавом на основе никеля), чем первый защитный материал 274.
Второй защитный материал 290 может быть сформован в трубку вокруг компоновки первого защитного материала 274, материала жилы 276 и порошка 282 с помощью формовочных валков 294. После формования второго защитного материала 290 в трубку, продольные края второго защитного материала могут быть сварены вместе с использованием сварочного аппарата 296. Сварочный аппарат 296 может быть, например, лазерным сварочным аппаратом для сварки нержавеющей стали. При сварке второго защитного материала 290 образуется компоновка в изолированном проводнике 252, причем первый защитный материал 274 и второй защитный материал образуют оболочки (рубашки) изолированного проводника.
После формирования изолированного проводника 252, изолированный проводник проходит через один или несколько сжимающих валков 298. Сжимающие валки 298 могут уменьшать внешний диаметр изолированного проводника 252 приблизительно на 35% путем холодной обработки оболочки (первый защитный материал 274 и второй защитный материал 290) и жилы (материал жилы 276). После уменьшения поперечного сечения изолированного проводника 252, изолированный проводник может подвергаться термообработке с помощью нагревателя 300 и закаливаться в закалочном устройстве 302. Нагреватель 300 может быть, например, индукционным нагревателем. В закалочном устройстве 302 может быть использована, например, закалка водой, чтобы быстро охладить изолированный проводник 252. В некоторых вариантах осуществления, операция уменьшения внешнего диаметра изолированного проводника 252 с последующей термической обработкой и закалкой может повторяться несколько раз до поступления изолированного проводника на сжимающие валки 304 на стадии окончательного уменьшения размера.
После термической обработки в нагревателе 300 и закалки изолированного проводника 252 в закалочной жидкости 302, изолированный проводник пропускается через сжимающие валки 304 на конечной стадии уменьшения размера (окончательная стадия холодной обработки). На конечной стадии уменьшения внешний диаметр (площадь поперечного сечения) изолированного проводника 252 может уменьшаться приблизительно на 5%-20% от величины поперечного сечения до конечной стадии уменьшения размера. Затем окончательно уменьшенный изолированный проводник 252 может поступать на катушку 306. Катушка 306 может быть, например, свернутой в спираль трубной оснасткой или другой катушкой, используемой для транспортирования изолированных проводников (нагревателей) в расположение компоновки нагревателя.
В некоторых вариантах осуществления, комбинированное использование первого защитного материала 274 и второго защитного материала 290 позволяет использовать порошок 282 в процессе 268 для получения изолированного проводника 252. Например, первый защитный материал 274 может защищать порошок 282 от взаимодействия со сварным швом на втором защитном материале 290. В некоторых вариантах осуществления, конструкция первого защитного материала 274 препятствует взаимодействию между порошком 282 и сварным швом на втором защитном материале 290. На фигурах 10 и 11 изображены поперечные сечения двух возможных вариантов осуществления для конструкции первого защитного материала 274 применяемого в изолированном проводнике 252.
На фигуре 16А изображено поперечное сечение первого сконструированного варианта осуществления первого защитного материала 274 внутри изолированного проводника 252. На фигуре 16А изображен изолированный проводник 252, когда этот проводник проходит через сдавливающие и центрирующие валки 280, показанный на фигуре 15. Как показано на фигуре 16А, первый защитный материал 274 перекрывается (показано как перекрытие 308), когда первый защитный материал формуется в трубку вокруг порошка 282 и материала жилы 276. Перекрытие 308 представляет собой перекрытие между продольными краями первого защитного материала 274.
На фигуре 16В изображено поперечное сечение первого сконструированного варианта осуществления, причем второй защитный материал 290 формуется в трубку и сваривается вокруг первого защитного материала 274. На фигуре 16В изображен изолированный проводник 252 сразу после прохода изолированного проводника через сварочный аппарат 296, показанный на фигуре 15. Как показано на фигуре 16В, первый защитный материал 274 остается внутри трубки, сформованной из второго защитного материала 290 (например, имеется разрыв между верхними участками защитного материала). Сварной шов 310 соединяет второй защитный материал 290, с образованием трубки вокруг первого защитного материала 274. В некоторых вариантах осуществления, сварной шов 310 расположен на перекрытии 308 или вблизи него. В других вариантах осуществления, сварной шов 310 расположен в другом месте, чем перекрытие 308. Расположение сварного шва 310 не имеет значения, поскольку первый защитный материал 274 препятствует взаимодействию между сварным швом и порошком 282 внутри первого защитного материала. Перекрытие 308 в первом защитном материале 274 может герметически заделывать порошок 282 и предотвращать любой контакт порошка со вторым защитным материалом 290 и/или сварным швом 310.
На фигуре 16С изображено поперечное сечение первого сконструированного варианта осуществления, где второй защитный материал 290 формуется в трубку вокруг первого защитного материал 274 после некоторого уменьшения размера. На фигуре 16С изображен изолированный проводник 252, когда изолированный проводник проходит через сжимающие валки 298, показанные на фигуре 15. Как показано на фигуре 16С, слой второго защитного материала 290 уменьшается под действием сжимающих валков 298 таким образом, что второй защитный материал контактирует с первым защитным материалом 274. В некоторых вариантах осуществления, второй защитный материал 290 находится в тесном контакте с первым защитным материалом 274 после пропускания через сжимающие валки 298.
На фигуре 16D изображено поперечное сечение первого сконструированного варианта осуществления, когда изолированный проводник 252 проходит через конечную стадию уменьшения размера на сжимающих валках 304, показанных на фигуре 15. Как показано на фигуре 16D, может происходить некоторое вспучивание или неоднородность вдоль наружной и внутренней поверхностей первого защитного материала 274 и/или второго защитного материала 290 из-за перекрытия 308, когда площадь поперечного сечения изолированного проводника 252 уменьшается в ходе конечной стадии уменьшения размера. Перекрытие 308 может вызвать некоторое нарушение непрерывности вдоль внутренней поверхности первого защитного материала 274. Однако это нарушение непрерывности может оказывать минимальное влияние на любое электрическое поле, развиваемое в изолированном проводнике 252. Таким образом, изолированный проводник 252, после конечной стадии уменьшения размера, может иметь соответствующее напряжение пробоя для использования при нагревании формации. Второй защитный материал 290 может обеспечить герметизированный барьер для коррозии изолированного проводника 252.
На фигуре 17А изображено поперечное сечение второго сконструированного варианта осуществления первого защитного материала 274 внутри изолированного проводника 252. На фигуре 17А изображен изолированный проводник 252, когда изолированный проводник проходит через сдавливающие и центрирующие валки 280, показанные на фигуре 15. Как показано на фигуре 17А, первый защитный материал 274 имеет разрыв 312 между продольными концами трубки, когда первый защитный материал формуется в трубку вокруг порошка 282 материала жилы 276.
На фигуре 17В изображено поперечное сечение второго сконструированного варианта осуществления, где второй защитный материал 290 формуется в трубку и сваривается вокруг первого защитного материала 274. На фигуре 17В изображен изолированный проводник 252 сразу после того, как изолированный проводник проходит через сварочный аппарат 296, показанный на фигуре 15. Как показано на фигуре 17В, первый защитный материал 274 остается внутри трубки образовавшейся из второго защитного материала 290 (например, имеется разрыв между верхними участками защитного материала). Сварной шов 310 соединяет второй защитный материал 290 с образованием трубки вокруг первого защитного материала 274. В некоторых вариантах осуществления, сварной шов 310 находится в другом месте, чем разрыв 312, чтобы избежать взаимодействия между сварным швом и порошком 282 внутри первого защитного материала 274.
На фигуре 17С изображено поперечное сечение второго сконструированного варианта осуществления, где второй защитный материал 290 формуется в трубку вокруг первого защитного материала 274 после некоторого уменьшения размера. На фигуре 17С изображен изолированный проводник 252, когда изолированный проводник проходит через сжимающие валки 298, показанные на фигуре 15. Как показано на фигуре 17С, слой второго защитного материала 290 уменьшается под действием сжимающих валков 298 таким образом, что второй защитный материал контактирует с первым защитным материалом 274. В некоторых вариантах осуществления, второй защитный материал 290 находится в тесном контакте с первым защитным материалом 274 после пропускания через сжимающие валки 298. Разрыв 312 уменьшается в процессе уменьшения размера изолированного проводника 252, когда изолированный проводник проходит через сжимающие валки 298. В некоторых вариантах осуществления, разрыв 312 уменьшается таким образом, что концы первого защитного материала 274 на каждой стороне разрыва примыкают к другим концам после уменьшения размера.
На фигуре 17D изображено поперечное сечение второго сконструированного варианта осуществления, когда изолированный проводник 252 проходит через конечную стадию уменьшения размера на сжимающих валках 304, показанных на фигуре 15. Как показано на фигуре 17D, может возникать некоторая неоднородность вдоль внутренней поверхности первого защитного материала 274 на разрыве 312. Однако эта неоднородность может оказывать минимальное влияние на любое электрическое поле, развиваемое в изолированном проводнике 252. Таким образом, изолированный проводник 252, после конечной стадии уменьшения размера, может иметь соответствующее напряжение пробоя для использования при нагревании формации.
На фигуре 19 показана зависимость максимального электрического поля (например, напряжение пробоя) от времени для различных изолированных проводников, сформованных с использованием минеральной (MgO) порошковой электроизоляции. Показаны данные для двух различных маркировок кабеля (представлены с разрывом на оси x). Измерительные точки 316 относятся к изолированным проводникам, которые были обработаны на стадии окончательного отжига без какой-либо последующей стадии холодной обработки. Измерительные точки 318 относятся к изолированным проводникам, которые были обработаны на стадии окончательной (пост-отжиг) холодной обработки. Максимальное электрическое поле нормализовано с использованием толщины электрического изолятора в каждом изолированном проводнике (например, максимальное электрическое поле представляется в Вольтах/0,0254 мм толщины электрического изолятора (В/мил)). Как показано на фигуре 19, изолированные проводники со стадией окончательной (пост-отжиг) холодной обработки имеют более высокое значение максимального электрического поля (на основе нормализации), чем изолированные проводники, которые прошли стадию окончательного отжига.
В некоторых вариантах осуществления, изолированный электрический проводник включает в себя: внутренний электрический проводник; электрический изолятор, по меньшей мере, частично окружающий электрический проводник, причем электрический изолятор содержит неорганическую изоляцию; и наружный электрический проводник, по меньшей мере, частично окружающий электрический изолятор; где изолированный электрический проводник может быть свернут в спираль вокруг радиуса приблизительно в 100 раз больше диаметра изолированного электрического проводника; и где изолированный электрический проводник имеет исходное напряжение пробоя, по всей практически непрерывной длине, по меньшей мере, приблизительно 100 м, по меньшей мере, равное приблизительно 2400 В на 1 мм толщины электрического изолятора приблизительно при 700°С и частоте около 60 Гц.
В некоторых вариантах осуществления, изолированный электрический проводник, включает в себя: внутренний электрический проводник; электрический изолятор, по меньшей мере, частично окружающий электрический проводник, причем электрический изолятор содержит неорганическую изоляцию; и наружный электрический проводник, по меньшей мере, частично окружающий электрический изолятор; где наружный электрический проводник имеет предел текучести на основе 0.2% смещения около 840 МПа; где изолированный электрический проводник имеет исходное напряжение пробоя, по всей практически непрерывной длине, по меньшей мере, приблизительно 100 м, по меньшей мере, равное приблизительно 2400 В на 1 мм толщины электрического изолятора приблизительно при 700°С частоте около 60 Гц.
В определенных вариантах осуществления, изолированный электрический проводник, включает в себя: внутренний электрический проводник; электрический изолятор, по меньшей мере, частично окружающий электрический проводник, причем электрический изолятор содержит неорганическую изоляцию; и наружный электрический проводник, по меньшей мере, частично окружающий электрический изолятор, где наружный электрический проводник включает сплавной материал, подвергнутый термической и холодной обработке, с пределом текучести на 0,2% смещения, по меньшей мере, приблизительно на 50% больше, чем предел текучести сплавного материала в естественном состоянии, но по большей мере, приблизительно равном 400% от предела текучести сплавного материала в естественном состоянии; где изолированный электрический проводник имеет исходное напряжение пробоя, по всей практически непрерывной длине, по меньшей мере, приблизительно 100 м, по меньшей мере, приблизительно равное 2400 Вольт на 1 мм толщины электрического изолятора приблизительно при 700°С и частоте около 60 Гц.
В некоторых вариантах осуществления, непрерывный изолированный электрический проводник, включает в себя: непрерывный внутренний электрический проводник; непрерывный электрический изолятор, по меньшей мере, частично окружающий непрерывный электрический проводник, электрический изолятор, содержащий неорганическую изоляцию; и непрерывный наружный электрический проводник, по меньшей мере, частично окружающий непрерывный электрический изолятор; где изолированный электрический проводник имеет исходное напряжение пробоя, по всей практически непрерывной длине, по меньшей мере, приблизительно 100 м, по меньшей мере, приблизительно равное 2400 В на 1 мм толщины электрического изолятора приблизительно при 700°С и частоте около 60 Гц; и где непрерывный наружный электрический проводник находится в заданном частично холоднообработанном состоянии, которое является промежуточным между пост-термически обработанным состоянием и полностью холоднообработанным состоянием.
В некоторых вариантах осуществления, устройство для нагревания формации включает в себя: изолированный электрический проводник, расположенный в отверстии формации, где изолированный электрический проводник содержит: внутренний электрический проводник; электрический изолятор, по меньшей мере, частично окружающий электрический проводник, электрический изолятор, содержащий неорганическую изоляцию; и наружный электрический проводник, по меньшей мере, частично окружающий электрический изолятор; где изолированный электрический проводник имеет практически непрерывную длину, по меньшей мере, приблизительно 100 м; и где изолированный электрический проводник имеет исходное напряжение пробоя, по всей практически непрерывной длине, по меньшей мере, приблизительно 100 м, по меньшей мере, приблизительно равное 2400 В на 1 мм толщины электрического изолятора приблизительно при 700°С и частоте около 60 Гц.
В некоторых вариантах осуществления, устройство для нагревания включает в себя: изолированный электрический проводник, расположенный в трубке, где изолированный электрический проводник содержит: внутренний электрический проводник; электрический изолятор, по меньшей мере, частично окружающий электрический проводник, электрический изолятор, содержащий неорганическую изоляцию; и наружный электрический проводник, по меньшей мере, частично окружающий электрически изолятор; где изолированный электрический проводник имеет практически непрерывную длину, по меньшей мере, приблизительно 100 м; и где изолированный электрический проводник имеет исходное напряжение пробоя, по всей практически непрерывной длине, по меньшей мере, приблизительно 100 м, по меньшей мере, приблизительно равное 2400 В на 1 мм толщины электрического изолятора приблизительно при 700°С и частоте около 60 Гц.
Следует понимать, что изобретение не ограничено конкретно описанными устройствами, которые, конечно, могут изменяться. Кроме того, следует понимать, что используемая в изобретение терминология предназначается для описания только конкретных вариантов осуществления, и не предназначается для ограничения. Используемые в описании изобретения формы артикля единственного числа "a", "an" и "the" включают и множественные формы, если из содержания явно не следует иное. Так, например, ссылка на "жилу" включает комбинацию из двух или более жил, и ссылка на "материал" включает смеси материалов.
Дополнительные модификации и альтернативные варианты осуществления различных аспектов изобретения будут очевидными для специалистов в этой области техники, с учетом приведенного описания. Соответственно, это описание следует рассматривать только как иллюстративное и предназначенное для разъяснения специалистам в этой области техники общих методов осуществления изобретения. Следует понимать, что показанные формы изобретения, и описанные в изобретении следует принимать как варианты осуществления, предпочтительные в настоящее время. Элементы и материалы, иллюстрированные и описанные в изобретении, могут быть заменены, части и процессы могут быть инвертированы, и определенные признаки изобретения могут быть использованы независимо, как все, что может быть очевидным для специалистов в этой области техники после использования преимуществ описания изобретения. Изменения могут быть выполнены в элементах, описанных в изобретении, без отклонения от сущности и объема изобретения, которое описано в следующей формуле изобретения.