ИНДУКЦИОННЫЕ НАГРЕВАТЕЛИ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ПЛАСТОВ
INDUCTION HEATERS FOR HEATING UNDERGROUND FORMATIONS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в общем, касается способов нагревания и систем нагревания, предназначенных для добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных подземных пластов, таких как пласты, содержащие углеводороды. Определенные варианты осуществления изобретения касаются систем нагревания, которые предназначены для нагревания подземных пластов и которые индуцируют ток в ферромагнитных материалах.
Уровень техники
Углеводороды, добываемые из подземных пластов, часто используются в качестве энергетических ресурсов, сырья и потребительских товаров. Озабоченность по поводу истощения углеводородных ресурсов и ухудшения общего качества добываемых углеводородов привела к разработке способов более эффективной добычи, обработки и/или использования доступных углеводородных ресурсов. Для извлечения углеводородных материалов из подземных пластов могут быть использованы процессы in situ. Для того чтобы легче извлекать углеводородный материал из подземного пласта может потребоваться изменить химические и/или физические свойства углеводородного материала. Изменения химических и физических свойств могут включать в себя реакции in situ, в результате которых получаются извлекаемые флюиды, происходят изменения состава, изменения растворяющей способности, изменения плотности, фазовые превращения и/или изменения вязкости углеводородного материала пласта. Флюид может представлять собой, помимо прочего, газ, жидкость, эмульсию, суспензию и/или поток твердых частиц, характеристики которого аналогичны характеристикам потока жидкости.
В пласте может быть выполнен ствол скважины. В некоторых вариантах осуществления изобретения в стволе скважины могут быть размещены или сформированы обсадные трубы или другая система труб. В некоторых вариантах осуществления изобретения в стволе скважины может быть использован расширяемый трубчатый элемент. В стволах скважины могут быть расположены нагреватели, предназначенные для нагревания пласта в ходе процесса in situ.
Применение нагрева в пластах нефтеносных сланцев описано в патентах US 2923535 (Ljungstrom) и US 4886118 (Van Meurs et al.). Нагрев может применяться к пласту нефтеносных сланцев с целью проведения пиролиза керогена в пласте нефтеносных сланцев. Также под действием тепла в пласте могут образовываться трещины, что делается с целью увеличения проницаемости пласта. Улучшенная проницаемость может позволить пластовому флюиду перемещаться к добывающей скважине, где флюид извлекается из пласта нефтеносного сланца. В некоторых процессах, описанных в патенте Ljungstrom, для начала горения в проницаемый слой вводится, например, газообразная среда, содержащая кислород, при этом предпочтительно, чтобы указанная газообразная среда была еще горячей после этапа предварительного нагревания.
Для нагревания подземного пласта может использоваться источник тепла. Для нагревания подземного пласта могут использоваться электрические нагреватели, нагревающие посредством радиационного теплообмена и/или теплопроводности. Электрический нагреватель может нагревать элемент за счет сопротивления. В патентах US 2548360 (Germain), US 4716960 (Easthmd et al.), US 4716960 (Eastlund et al.) и US 5065818 (Van Egmond) описаны электрические нагревательные элементы, расположенные в стволах скважин. В патенте US 6023554 (Vinegar et al.) описан электронагревательный элемент, который расположен в обсадной трубе. Нагревательный элемент вырабатывает излучаемую энергию, которая нагревает обсадную трубу.
В патенте US 4570715 (Van Meurs et al.) описан электронагревательный элемент. Нагревательный элемент содержит электропроводящий стержень, окружающий слой изоляционного материала и окружающую металлическую оболочку. При высоких температурах сопротивление проводящего стержня мало. При высоких температурах электрическое сопротивление, прочность при сжатии и теплопроводность изоляционного материала сравнительно высоки. Изоляционный материал может препятствовать образованию дуги между стержнем и металлической оболочкой. Нагрузка на растяжение и сопротивление ползучести металлической оболочки могут быть сравнительно высоки при высоких температурах. В патенте US 5060287 (Van Egmond) описан электронагревательный элемент со стержнем из медно-никелевого сплава.
Нагреватели могут быть выполнены из кованных нержавеющих сталей. В патенте US 7153373 (Maziasz et al.) и заявке на патент США US 2004/0191109 (Maziasz et al.) описаны модифицированные нержавеющие стали 237, в качестве листов и фольги с мелкозернистой структурой материала.
Как отмечено выше, прилагаются значительные усилия, направленные на разработку нагревателей, способов и систем экономически целесообразной добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из пластов, содержащих углеводороды. Тем не менее, в настоящий момент все еще существует большое количество пластов содержащих углеводороды, из которых невозможно добывать углеводороды, водород и/или другие продукты экономически целесообразным способом. Таким образом, существует необходимость в улучшенных способах и системах нагревания, предназначенных для добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных пластов, содержащих углеводороды.
Раскрытие изобретения
Описанные варианты осуществления изобретения, в общем, относятся к системам, способам и нагревателям, предназначенным для обработки подземного пласта. Описанные варианты осуществления изобретения, в общем, относятся к нагревателям, содержащим новые компоненты. Такие нагреватели могут быть получены с использованием описанных систем и способов.
В определенных вариантах осуществления изобретения предложена одна или более систем, способов и/или нагревателей. В некоторых вариантах осуществления изобретения системы, способы и/или нагреватели используются для обработки подземного пласта.
В определенных вариантах осуществления изобретения предложена система нагревания подземного пласта, содержащая: протяженный электрический проводник, размещенный в подземном пласте, при этом электрический проводник расположен между по меньшей мере первым электрическим контактом и вторым электрическим контактом; и ферромагнитный проводник, причем ферромагнитный проводник по меньшей мере частично окружает и по меньшей мере частично проходит вдоль длины электрического проводника; при этом электрический проводник, когда в него подают изменяющийся во времени электрический ток, индуцирует электрический ток в ферромагнитном проводнике, достаточный для нагревания ферромагнитного проводника за счет сопротивления до температуры по меньшей мере примерно 300°С.
В других вариантах осуществления изобретения признаки конкретных вариантов осуществления изобретения могут быть объединены с признаками других вариантов осуществления изобретения. Например, признаки одного варианта осуществления изобретения могут быть объединены с признаками любого другого варианта осуществления изобретения.
В других вариантах осуществления изобретения обработка подземного пласта осуществляется с использованием любых описанных здесь способов, систем или нагревателей.
В других вариантах осуществления изобретения к описанным конкретным вариантам осуществления изобретения могут быть добавлены дополнительные признаки.
Краткое описание чертежей
Достоинства настоящего изобретения будут ясны специалистам в рассматриваемой области после прочтения подробного описания, содержащего ссылки на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 - схематический вид варианта осуществления части системы тепловой обработки in situ, предназначенной для обработки пласта, содержащего углеводороды;
фиг.2 - вид, показывающий вариант осуществления u-образного нагревателя, содержащего трубчатый элемент, к которому энергия подводится за счет электромагнитной индукции;
фиг.3 - вид, показывающий вариант осуществления электрического проводника, расположенного по центру в трубчатом элементе;
фиг.4 - вид, показывающий вариант осуществления индукционного нагревателя с оболочкой из изолированного проводника, находящегося в электрическом контакте с трубчатым элементом;
фиг.5 - вид, показывающий вариант осуществления резистивного нагревателя с трубчатым элементом, поверхности которого содержат канавки, расположенные по радиусу;
фиг.6 - вид, показывающий вариант осуществления индукционного нагревателя с трубчатым элементом, поверхности которого содержат канавки, расположенные по радиусу;
фиг.7 - вид, показывающий вариант осуществления нагревателя, разделенного на трубчатые участки с целью обеспечения изменяющейся тепловой мощности вдоль длины нагревателя.
фиг.8 - вид, показывающий вариант осуществления трех электрических проводников, входящих в пласт через первый общий ствол скважины и выходящих из пласта через второй общий ствол скважины, при этом в слое углеводородов электрические проводники окружают три трубчатых элемента;
фиг.9 - вид, показывающий вариант осуществления трех электрических проводников и трех трубчатых элементов, расположенных в отдельных стволах скважин в пласте и соединенных с трансформатором;
фиг.10 - вид, показывающий вариант осуществления многослойного индукционного трубчатого элемента;
фиг.11 - вид, показывающий поперечное сечение варианта осуществления изолированного проводника, который используется в качестве индукционного нагревателя;
фиг.12 - вид сбоку, показывающий поперечное сечение варианта осуществления изобретения, показанного на фиг.11;
фиг.13 - вид с торца, показывающий поперечное сечение варианта осуществления изолированного проводника с двумя отрезками, который используется в качестве индукционного нагревателя;
фиг.14 - вид сбоку, показывающий поперечное сечение варианта осуществления изобретения, показанного на фиг.13;
фиг.15 - вид с торца, показывающий поперечное сечение варианта осуществления многослойного изолированного проводника, который используется в качестве индукционного нагревателя;
фиг.16 - вид с торца, показывающий вариант осуществления трех изолированных проводников, которые расположены в гибкой насосно-компрессорной трубе и которые используются в качестве индукционных нагревателей;
фиг.17 - вид, показывающий стержни изолированных проводников, концы которых соединены;
фиг.18 - вид с торца, показывающий вариант осуществления трех изолированных проводников, которые присоединены к опорному элементу и которые используются в качестве индукционных нагревателей;
фиг.19 - вид, показывающий вариант осуществления индукционного нагревателя со стрежнем и электрическим изолятором, окруженным ферромагнитным слоем;
фиг.20 - вид, показывающий вариант осуществления изолированного проводника, окруженного ферромагнитным слоем;
фиг.21 - вид, показывающий вариант осуществления индукционного нагревателя с двумя ферромагнитными слоями, которые спирально намотаны на сердцевину и электрический изолятор;
фиг.22 - вид, показывающий вариант осуществления установки ферромагнитного слоя на изолированный проводник;
фиг.23 - вид, показывающий вариант осуществления обсадной трубы с осевой ребристой поверхностью или поверхностью, содержащей канавки.
Хотя изобретение не исключает различные модификации и альтернативные формы, далее для примера на чертежах показаны и подробно описаны конкретные варианты осуществления изобретения. Чертежи могут быть выполнены не в масштабе. Тем не менее, необходимо понимать, что чертежи и подробное описание не ограничивают изобретение конкретной описанной формой, а, наоборот, изобретение подразумевает все модификации, эквиваленты и альтернативы, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения, который определен в прилагаемой формуле изобретения.
Подробное описание изобретения
Последующее описание, в общем, относится к системам и способам обработки углеводородов в пластах. Такие пласты обрабатывают с целью добычи углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.
«Переменным током» называется изменяющийся во времени ток, направление которого изменяется, по существу, синусоидальным образом. При протекании переменного тока в ферромагнитном проводнике возникает скин-эффект.
Под «открытым металлом» или «незащищенным металлом» понимаются металлы протяженных элементов, не содержащие слоя электрической изоляции, такой как неорганическая изоляция, которая призвана обеспечить электрическую изоляцию металла во всем диапазоне рабочих температур протяженного элемента. Под открытым металлом и незащищенным металлом также может подразумеваться металл, содержащий антикоррозионный ингибитор, такой как естественным образом образовавшийся слой оксида, нанесенный слой оксида и/или пленка. Открытый металл и незащищенный металл включают в себя металлы с полимерной или другой электрической изоляцией, которая не может сохранять электрические изолирующие свойства при типовой рабочей температуре протяженного элемента. Такой материал может быть расположен на металле и при использовании нагревателя может деградировать под воздействием температуры.
«Температура Кюри» - это температура, выше которой ферромагнитный материал теряет все свои ферромагнитные свойства. Помимо потери всех ферромагнитных свойств при температуре, превышающей температуру Кюри, ферромагнитный материал начинает терять ферромагнитные свойства тогда, когда через него пропускается увеличивающийся электрический ток.
«Давление флюида» - это давление, создаваемое флюидом в пласте. «Литостатическое давление» (иногда называемое «литостатическим напряжением») представляет собой давление в пласте, равное весу на единицу площади вышележащей породы. «Гидростатическое давление» представляет собой давление в пласте, причиной которого является столб воды.
«Пласт» включает в себя один или несколько слоев, содержащих углеводороды, один или несколько неуглеводородных слоев, покрывающий слой и/или подстилающий слой. «Углеводородными слоями» называются слои пласта, которые содержат углеводороды. Углеводородные слои могут содержать неуглеводородные материалы и углеводородные материалы. «Покрывающий слой» и/или «подстилающий слой» содержат один или несколько различных типов непроницаемых материалов. Например, покрывающий и/или подстилающий слои могут представлять собой скальную породу, сланцевую глину, алевритоглинистую породу или плотную карбонатную горную породу, не пропускающую влагу. В некоторых вариантах осуществления процессов тепловой обработки in situ, покрывающий и/или подстилающий слои могут включать в себя содержащий углеводороды слой или содержащие углеводороды слои, которые сравнительно непроницаемы и не подвергаются воздействию температур в процессе тепловой обработки in situ, в результате которой характеристики содержащих углеводороды слоев покрывающего и/или подстилающего слоев значительно изменяются. Например, подстилающий слой может содержать сланцевую глину или алевритоглинистую породу, но при осуществлении процесса тепловой обработки in situ подстилающий слой не нагревают до температуры пиролиза. В некоторых случаях покрывающий слой и/или подстилающий слои могут быть до некоторой степени проницаемыми.
«Пластовыми флюидами» называются флюиды, присутствующие в пласте, и они могут содержать флюид, полученный в результате пиролиза, синтез-газ, подвижные углеводороды и воду (пар). Пластовые флюиды могут содержать углеводородные флюиды, а также неуглеводородные флюиды. Под «подвижными флюидами» понимают флюиды пласта, содержащего углеводороды, которые способны течь в результате тепловой обработки пласта. «Добытыми флюидами» называются флюиды, извлеченные из пласта.
«Источник тепла» представляет собой любую систему, подводящую теплоту, по меньшей мере, к части пласта, теплота передается в основном в результате кондуктивного и/или радиационного теплообмена. Например, источник тепла может содержать электрические нагреватели, такие как изолированный проводник, протяженный элемент и/или проводник, расположенный в трубе. Также источник тепла может содержать системы, вырабатывающие теплоту в результате горения топлива вне пласта или в нем. Эти системы могут быть горелками, расположенными на поверхности, забойными газовыми горелками, беспламенными распределенными камерами сгорания и природными распределенными камерами сгорания. В некоторых вариантах осуществления изобретения теплота, подведенная к одному или нескольким источникам тепла или выработанная в них, может подводиться от других источников энергии. Другие источники энергии могут непосредственно нагревать пласт или энергия может сообщаться передающей среде, которая непосредственно или косвенно нагревает пласт. Ясно, что один или несколько источников тепла, которые передают теплоту пласту, могут использовать различные источники энергии. Таким образом, например, для заданного пласта некоторые источники тепла могут подводить теплоту от резистивных нагревателей, некоторые источники тепла могут обеспечивать нагревание благодаря камере сгорания, а другие источники тепла могут подводить теплоту из одного или нескольких источников энергии (например, энергия от химических реакций, солнечная энергия, энергия ветра, биомасса или другие источники возобновляемой энергии). Химическая реакция может включать в себя экзотермические реакции (например, реакцию окисления). Также источник тепла может включать в себя нагреватель, который подводит теплоту в зону, расположенную рядом с нагреваемым местом, таким как нагревательная скважина, или окружающую это место.
«Нагреватель» - это любая система или источник тепла, предназначенный для выработки теплоты в скважине или рядом со стволом скважины. К нагревателям относят, помимо прочего, электрические нагреватели, горелки, камеры сгорания, в которых в реакцию вступает материал пласта или материал, добываемый в пласте, и/или их комбинации.
Под «углеводородами» обычно понимают молекулы, образованные в основном атомами углерода и водорода. Углеводороды также могут содержать другие элементы, такие как, например, галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или серу. Углеводородами являются, например, кероген, битум, пиробитум, масла, природные минеральные воски и асфальтиты. Углеводороды могут располагаться в природных вмещающих породах в земле или рядом с ними. Вмещающими породами, помимо прочего, являются осадочные горные породы, пески, силицилиты, карбонатные горные породы, диатомиты и другие пористые среды. «Углеводородные флюиды» - это флюиды, содержащие углеводороды. Углеводородные флюиды могут содержать, увлекать с собой или быть увлеченными неуглеводородными флюидами, такими как водород, азот, угарный газ, диоксид углерода, сероводород, вода и аммиак.
Под «процессом переработки in situ» понимается процесс нагревания пласта, содержащего углеводород, от источников тепла, при этом указанный процесс направлен на повышение температуры, по меньшей мере, части пласта, выше температуры пиролиза, с целью получения в пласте флюида, являющегося результатом пиролиза.
Под «процессом тепловой обработки in situ» понимается процесс нагревания пласта, содержащего углеводороды, с помощью источников тепла, направленный на повышение температуры по меньшей мере части пласта выше температуры, в результате которой получается подвижный флюид, происходит легкий крекинг и/или пиролиз материала, содержащего углеводороды, так что в пласте вырабатываются подвижные флюиды, флюиды, являющиеся результатом легкого крекинга, и/или флюиды, являющиеся результатом пиролиза.
«Изолированным проводником» называется любой длинномерный материал, способный проводить электрический ток и покрытый полностью или частично электроизоляционным материалом.
«Температурой фазового перехода» ферромагнитного материала называется температура или диапазон температур, в котором материал проходит фазовое изменение (например, из феррита в аустенит), в результате чего уменьшается магнитная проницаемость ферромагнитного материала. Это уменьшение магнитной проницаемости аналогично уменьшению магнитной проницаемости, происходящей из-за магнитного перехода ферромагнитного материала при температуре Кюри.
«Пиролизом» называется разрушение химических связей, происходящее из-за подвода тепла. Например, пиролиз может включать в себя превращение соединения в одно или несколько других веществ с помощью только тепла. Чтобы вызвать пиролиз, участку пласта может подводиться тепло.
«Флюидами, являющимися результатом пиролиза» или «продуктами пиролиза» называются флюиды, полученные по существу во время процесса пиролиза углеводородов. Флюид, полученный в результате реакций пиролиза, может смешиваться в пласте с другими флюидами. Эта смесь будет считаться флюидом, являющимся результатом пиролиза или продуктом пиролиза. Здесь под «зоной пиролиза» понимается объем пласта (например, сравнительно проницаемого пласта, такого как пласт битуминозных песков), в котором происходит или происходила реакция, направленная на образование флюида, являющегося результатом пиролиза.
«Наложением тепла» называется подвод тепла из двух или нескольких источников тепла в выбранный участок пласта, так что источники тепла влияют на температуру пласта по меньшей мере в одном месте между источниками тепла.
Под «нагревателем с ограничением рабочих температур» в общем понимается нагреватель, в котором регулируется тепловая мощность (например, уменьшается величина тепловой мощности) выше определенной температуры, что происходит без использования внешних элементов управления, таких как регуляторы температуры, регуляторы мощности, детекторы или другие устройства. Нагреватели с ограничением рабочих температур могут быть резистивными нагревателями переменного тока или модулированного (например, «срезанного») постоянного тока.
Под «изменяющимся во времени током» понимается электрический ток, протекание которого в ферромагнитном проводнике происходит со скин-эффектом и величина которого изменяется со временем. Изменяющимся во времени током может быть как переменный ток, так и модулированный постоянный ток.
Под «показателем диапазона изменения» для нагревателя с ограничением рабочих температур, в котором ток приложен непосредственно к нагревателю, понимается отношение наибольшего сопротивления переменному току или модулированному постоянному току при температурах, меньших температуры Кюри, к наименьшему сопротивлению при температурах, превышающих температуру Кюри, для заданного тока. Показатель диапазона изменения для индукционного нагревателя представляет собой отношение наибольшей тепловой мощности при температурах, меньших температуры Кюри, к наименьшей тепловой мощности при температурах, превышающих температуру Кюри, для заданного тока, приложенного к нагревателю.
Под «u-образным стволом скважины» понимают ствол скважины, который начинается от первого отверстия в пласте, проходит, по меньшей мере, часть пласта и заканчивается вторым отверстием в пласте. В этом случае форма ствола скважины, которая считается «u-образной», может иметь вид, напоминающий буквы «v» или «u», при этом ясно, что «ножки» буквы «u» не обязательно параллельны друг другу или перпендикулярны «нижней части» буквы «u».
Под «обогащением» понимают улучшение качества углеводородов. Например, обогащение тяжелых углеводородов может приводить к увеличению плотности тяжелых углеводородов в градусах Американского нефтяного института (АНИ).
Под термином «ствол скважины» понимается отверстие в пласте, изготовленное бурением или введением трубы в пласт. Поперечное сечение ствола скважины может быть, по существу, круглым или каким-либо другим. Здесь термины «скважина» и «отверстие», когда говорится об отверстии в пласте, могут быть заменены термином «ствол скважины».
С целью добычи многих различных продуктов, углеводороды в пласте могут быть обработаны разными способами. Для обработки пласта в ходе процесса тепловой обработки in situ могут быть использованы различные этапы или процессы. В некоторых вариантах осуществления изобретения добыча из одного или нескольких участков пласта ведется с помощью растворения, что делается для извлечения из участков растворимых неорганических веществ. Добыча растворением неорганических веществ может быть осуществлена до процесса тепловой обработки in situ, во время этого процесса и/или после этого процесса. В некоторых вариантах осуществления изобретения средняя температура одного или нескольких участков, участвующих в добыче растворением, может поддерживаться на уровне, меньшем примерно 120°С.
В некоторых вариантах осуществления изобретения один или несколько участков пласта нагревают с целью извлечения из участков воды и/или метана и других летучих углеводородов. В некоторых вариантах осуществления изобретения при извлечении воды и летучих углеводородов средняя температура может быть повышена от температуры окружающей среды до температур, меньших примерно 220°С.
В некоторых вариантах осуществления изобретения один или несколько участков пласта нагревают до температур придания подвижности и/или легкого крекинга углеводородов в пласте. В некоторых вариантах осуществления изобретения среднюю температуру одного или нескольких участков пласта поднимают до температур придания углеводородам подвижности в пласте (например, до температур, находящихся 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 изобретения один или несколько участков пласта нагревают до температур проведения в пласте реакций пиролиза. В некоторых вариантах осуществления изобретения средняя температура одного или нескольких участков пласта может быть поднята до температур проведения пиролиза углеводородов в пласте (например, до температур, находящихся в диапазоне от 230°С до 900°С, от 240°С до 400°С или от 250°С до 350°С).
Нагревание пласта, содержащего углеводороды, несколькими источниками тепла может установить температурные перепады вокруг источников тепла, которые повышают температуру углеводородов в пласте до желательных температур с желательными скоростями нагревания. Скорость повышения температуры в диапазоне температур придания подвижности и/или диапазоне температур проведения пиролиза для нужных продуктов может влиять на количество и качество пластовых флюидов, которые добывают из пласта, содержащего углеводороды. Медленное увеличение температуры пласта в диапазоне температур придания подвижности и/или диапазоне температур проведения пиролиза может позволить добывать из пласта высококачественные углеводороды, с высокой плотностью, измеряемой в градусах АНИ. Медленное увеличение температуры пласта в диапазоне температур придания подвижности и/или диапазоне температур проведения пиролиза может позволить извлекать большое количество углеводородов, присутствующих в пласте, в качестве углеводородного продукта.
В некоторых вариантах осуществления тепловой обработки in situ, вместо того, чтобы медленно нагревать в некотором диапазоне температур, до нужной температуры нагревают часть пласта. В некоторых вариантах осуществления изобретения нужная температура составляет 300°С, 325°С или 350°С. В качестве нужной температуры может быть выбрано другое значение температуры.
Наложение тепла от источников тепла позволяет сравнительно быстро и эффективно установить в пласте нужную температуру. Можно регулировать подвод энергии в пласт от источников тепла с целью поддержания, по существу, нужного значения температуры в пласте.
Продукты, полученные в результате придания подвижности и/или проведения пиролиза, могут быть добыты из пласта через добывающие скважины. В некоторых вариантах осуществления изобретения средняя температура одного или нескольких участков пласта может быть поднята до температур придания углеводородам подвижности и углеводороды добывают через добывающие скважины. Средняя температура одного или нескольких участков пласта может быть повышена до температур осуществления пиролиза после того, как добыча, осуществляемая благодаря приданию углеводородам подвижности, уменьшится ниже заданного значения. В некоторых вариантах осуществления изобретения средняя температура одного или нескольких участков пласта может быть поднята до температур осуществления пиролиза без проведения существенной добычи углеводородов до достижения температур осуществления пиролиза. Пластовые флюиды, в том числе продукты пиролиза, могут быть добыты через добывающие скважины.
В некоторых вариантах осуществления изобретения после придания подвижности и/или осуществления пиролиза средняя температура одного или нескольких участков пласта может быть поднята до температур, достаточных для получения синтез-газа. В некоторых вариантах осуществления изобретения температура углеводородов может быть поднята до значений, достаточных для получения синтез-газа, без проведения существенной добычи углеводородов до достижения температур, достаточных для получения синтез-газа. Например, синтез-газ может быть получен в диапазоне температур примерно от 400°С до примерно 1200°С, примерно от 500°С до примерно 1100°С или примерно от 550°С до примерно 1000°С. Флюид для получения синтез-газа (например, пар и/или вода) может быть введен в участки с целью получения синтез-газа. Синтез-газ может добываться из пласта через добывающие скважины.
Добыча растворением, извлечение летучих углеводородов и воды, придание подвижности углеводородам, проведение пиролиза углеводородов, получение синтез-газа и/или другие процессы могут быть осуществления в ходе процесса тепловой обработки in situ. В некоторых вариантах осуществления изобретения некоторые процессы могут быть осуществлены после процесса тепловой обработки in situ. Такие процессы, помимо прочего, включают в себя рекуперирование тепла из обработанных участков, хранение флюидов (например, воды и/или углеводородов) в ранее обработанных участках и/или изолирование углекислого газа в ранее обработанных участках.
На фиг.1 показан схематический вид варианта осуществления части системы тепловой обработки in situ, предназначенной для обработки содержащего углеводороды пласта. Система тепловой обработки in situ может содержать барьерные скважины 200. Барьерные скважины используют для образования барьера вокруг области обработки. Барьер препятствует течению флюида в область обработки и/или из нее. Барьерные скважины включают в себя, помимо прочего, водопонижающие скважины, скважины создания разряжения, коллекторные скважины, нагнетательные скважины, скважины для заливки раствора, замораживающие скважины или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления изобретения барьерные скважины 200 представляют собой водопонижающие скважины. Водопонижающие скважины могут удалять жидкую воду и/или препятствовать проникновению жидкой воды в часть пласта, которую будут нагревать, или в нагреваемый пласт. В варианте осуществление изобретения с фиг.1, показаны барьерные скважины 200, расположенные только вдоль одной стороны источников 202 тепла, но барьерные скважины могут окружать все источники 202 тепла, используемые или планируемые к использованию для нагревания области обработки пласта.
Источники 202 тепла расположены, по меньшей мере, в части пласта. Источники 202 тепла могут представлять собой нагреватели, такие как изолированные проводники, нагревательные устройства с проводником в трубе, горелки, расположенные на поверхности, беспламенные распределенные камеры сгорания и/или природные распределенные камеры сгорания. Источники 202 тепла могут также представлять собой нагреватели других типов. Источники 202 тепла подводят теплоту, по меньшей мере, в часть пласта с целью нагревания углеводородов в пласте. Энергия может подаваться к источнику 202 тепла по линиям 204 питания. Линии 204 питания могут конструктивно различаться в зависимости от типа источника тепла или источников тепла, используемых для нагревания пласта. Линии 204 питания для источников тепла могут передавать электричество для электрических нагревателей, могут транспортировать топливо для камер сгорания или могут перемещать жидкий теплоноситель, циркулирующий в пласте. В некоторых вариантах осуществления изобретения электричество для процесса тепловой обработки in situ может поставляться атомной электростанцией или атомными электростанциями. Использование атомной энергии может позволить уменьшить или полностью исключить выбросы диоксида углерода в ходе процесса тепловой обработки in situ.
Добывающие скважины 206 используются для извлечения пластового флюида из пласта. В некоторых вариантах осуществления изобретения добывающая скважина 206 может содержать источник тепла. Источник тепла, расположенный в добывающей скважине, может нагревать одну или несколько частей пласта у добывающей скважины или рядом с ней. В некоторых вариантах осуществления процесса тепловой обработки in situ количество теплоты, подводимое в пласт от добывающей скважины, на метр добывающей скважины меньше количества теплоты, подводимого в пласт от источника тепла, который нагревает пласт, на метр источника тепла.
В некоторых вариантах осуществления изобретения источник тепла в добывающей скважине 206 позволяет извлекать из пласта паровую фазу пластовых флюидов. Подвод теплоты к добывающей скважине или через добывающую скважину может: (1) препятствовать конденсации и/или обратному потоку добываемого флюида, когда такой добываемый флюид перемещается по направлению к добывающей скважине близко к покрывающему слою, (2) увеличить подвод теплоты в пласт, (3) увеличить темп добычи для добывающей скважины по сравнению с добывающей скважиной без источника тепла, (4) препятствовать конденсации соединений с большим количеством атомов углерода (С6 и больше) в добывающей скважине и/или (5) увеличить проницаемость пласта у добывающей скважины или рядом с ней.
Подземное давление в пласте может соответствовать давлению флюида в пласте. Когда температура в нагретой части пласта увеличивается, то давление в нагретой части может увеличиваться в результате теплового расширения флюидов, увеличенного получения флюидов и испарения воды. Управление скоростью извлечения флюидов из пласта может позволить управлять давлением в пласте. Давление в пласте может быть определено в нескольких различных местах, например, рядом с добывающими скважинами или у них, рядом с источниками тепла или у них или у контрольных скважин.
В некоторых содержащих углеводороды пластах добыча углеводородов из пласта сдерживается до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторое количество углеводородов пласта не стало подвижным и/или не подверглось пиролизу. Пластовый флюид можно добывать из пласта тогда, когда качество пластового флюида соответствует выбранному уровню. В некоторых вариантах осуществления изобретения выбранный уровень качества представляет собой плотность в градусах АНИ, которая составляет, по меньшей мере, примерно 15°, 20°, 25°, 30° или 40°. Запрет на добычу до тех пор, пока, по меньшей мере, часть углеводородов не стала подвижной и/или не подверглась пиролизу, может увеличить переработку тяжелых углеводородов в легкие углеводороды. Запрет на добычу в начале может минимизировать добычу тяжелых углеводородов из пласта. Добыча значительных объемов тяжелых углеводородов может потребовать дорогого оборудования и/или уменьшения срока эксплуатации производственного оборудования.
После достижения температур придания подвижности или температур осуществления пиролиза и разрешения добычи из пласта, давление в пласте можно изменять с целью изменения и/или управления составом добываемых пластовых флюидов с целью регулирования процента конденсирующегося флюида относительно неконденсирующегося флюида в пластовом флюиде и/или с целью регулирования плотности в градусах АНИ добываемого пластового флюида. Например, уменьшение давления может привести к добыче большей доли конденсирующегося компонента флюидов. Конденсирующийся компонент флюидов может содержать больший процент олефинов.
В некоторых вариантах осуществления процесса тепловой обработки in situ давление в пласте может поддерживаться достаточно высоким для содействия добыче пластового флюида с плотностью более 20° в градусах АНИ. Поддержание повышенного давления в пласте может препятствовать оседанию пласта во время тепловой обработки in situ. Поддержание повышенного давления может уменьшить или исключить необходимость сжатия пластовых флюидов на поверхности с целью транспортировки флюидов по трубам до установок обработки.
Как ни удивительно, но поддержание повышенного давления в нагретой части пласта может позволить добывать большие количества углеводородов улучшенного качества и со сравнительно малой молекулярной массой. Давление может поддерживаться таким, что добытый пластовый флюид содержит минимальное количество соединений, в которых углеродное число превышает выбранное углеродное число. Выбранное углеродное число может составлять самое большее 25, самое больше 20, самое большее 12 или самое большее 8. Некоторые соединения с большим углеродным числом могут быть в пласте захвачены паром и могут быть извлечены из пласта с паром. Поддержание повышенного давления в пласте может препятствовать захвату паром соединений с большим углеродным числом и/или полициклических углеводородных соединений. Соединения с большим углеродным числом и/или полициклические углеводородные соединения могут оставаться в пласте в жидкой фазе в течение значительных периодов времени. Эти значительные периоды времени могут предоставлять достаточное количество времени для пиролиза соединений с целью получения соединений с меньшим углеродным числом.
Пластовый флюид, извлекаемый из добывающих скважин 206, может быть перекачен по коллекторному трубопроводу 208 до обрабатывающих установок 210. Также пластовые флюиды могут быть добыты из источников 202 тепла. Например, флюид может быть добыт из источников 202 тепла с целью регулирования давления в пласте рядом с источниками тепла. Флюид, добытый из источников 202 тепла, может быть перекачен по трубе или трубопроводу до коллекторного трубопровода 208 или добытый флюид может быть перекачен по трубе или трубопроводу непосредственно к обрабатывающим установкам 210. Обрабатывающие установки 210 могут содержать блоки сепарации, блоки проведения реакций, блоки обогащения, топливные ячейки, турбины, контейнеры для хранения и/или другие системы и блоки, предназначенные для обработки добытых пластовых флюидов. В обрабатывающих установках, по меньшей мере, из части углеводородов, добытых из пласта, можно получать транспортное топливо. В некоторых вариантах осуществления изобретения транспортное топливо может представлять собой реактивное топливо.
На фиг.2 схематично показан вариант осуществления u-образного нагревателя, содержащего трубчатый элемент, к которому энергия подводится за счет индукции. Нагреватель 212 содержит электрический проводник 214 и трубчатый элемент 216 в отверстии, которое расположено между стволом 218А скважины и стволом 218В скважины. В определенных вариантах осуществления изобретения электрический проводник 214 и/или находящаяся под током часть электрического проводника электрически изолирована от трубчатого элемента 216. Электрический проводник 214 и/или находящаяся под током часть электрического проводника электрически изолирована от трубчатого элемента 216 таким образом, что электрический ток не течет от электрического проводника к трубчатому элементу и наоборот (например, трубчатый элемент электрически напрямую не соединен с электрическим проводником).
В некоторых вариантах осуществления изобретения электрический проводник 214 расположен по центру внутри трубчатого элемента 216 (например, с использованием приспособлений 220 для центровки или других поддерживающих конструкций, что показано на фиг.3). Приспособления 220 для центровки электрически изолируют электрический проводник 214 от трубчатого элемента 216. В некоторых вариантах осуществления изобретения трубчатый элемент 216 контактирует с электрическим проводником 214. Например, трубчатый элемент 216 может быть подвешен к электрическому проводнику 214, свисать с него или каким-либо другим образом касаться электрического проводника 214. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрический проводник 214 содержит электрическую изоляцию (например, оксид магния или фарфоровую эмаль), которая изолирует находящуюся под током часть электрического проводника от трубчатого элемента 216. Электрическая изоляция предотвращает протекание тока между находящейся под током частью электрического проводника 214 и трубчатым элементом 216 в случае, когда электрический проводник 214 и трубчатый элемент 216 физически контактируют друг с другом.
В некоторых вариантах осуществления изобретения электрический проводник 214 является нагревателем с проводником из открытого металла или нагревателем с проводником в трубе. В определенных вариантах осуществления изобретения электрический проводник 214 является изолированным проводником, таким как проводник с неорганической изоляцией. Изолированный проводник может содержать медный стержень, стержень из сплава меди или аналогичный электропроводящий стержень малого сопротивления с малыми электрическими потерями. В некоторых вариантах осуществления изобретения стержень является медным стержнем, диаметр которого составляет примерно от 0,5 дюйма (1,27 см) до примерно 1 дюйма (2,54 см). Оболочка или кожух изолированного проводника может быть выполнен из неферромагнитной, коррозионностойкой стали, такой как нержавеющая сталь 347, нержавеющая сталь 625, нержавеющая сталь 825, нержавеющая сталь 304, или медь с защитным слоем (например, защитным покрытием). Внешний диаметр оболочки может составлять примерно от 1 дюйма (2,54 см) до примерно 1,25 дюйма (3,18 см).
В некоторых вариантах осуществления изобретения оболочка или кожух изолированного проводника физически контактирует с трубчатым элементом 216 (например, трубчатый элемент физически контактирует с оболочкой вдоль длины трубчатого элемента) или оболочка электрически присоединена к трубчатому элементу. В таких вариантах осуществления изобретения электрическая изоляция изолированного проводника электрически изолирует стержень изолированного проводника от оболочки и трубчатого элемента. На фиг.4 показан вариант осуществления индукционного нагревателя с оболочкой изолированного проводника, находящейся в электрическом контакте с трубчатым элементом 216. Электрический проводник 214 представляет собой изолированный проводник. Оболочка изолированного проводника электрически контактирует с трубчатым элементом 216 с использованием электрических контактных элементов 222. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрические контактные элементы 222 являются скользящими контактными элементами. В определенных вариантах осуществления изобретения электрические контактные элементы 222 электрически соединяют оболочку изолированного проводника с трубчатым элементом 216 у концов трубчатого элемента или рядом с этими концами. Электрическое соединение у концов трубчатого элемента 216 или рядом с этими концами, по существу, выравнивает напряжение вдоль трубчатого элемента с напряжением вдоль оболочки изолированного проводника. Выравнивание напряжений вдоль трубчатого элемента 216 и вдоль оболочки может препятствовать образованию дуги между трубчатым элементом и оболочкой.
Трубчатый элемент 216, такой как трубчатый элемент, показанный на фиг.2, 3 и 4, может быть выполнен из ферромагнитного материала или содержать ферромагнитные материалы. Толщина трубчатого элемента 216 может быть такова, что электрический проводник 214 индуцирует электрический ток на поверхности трубчатого элемента 216, когда на электрический проводник подают зависящий от времени ток. Электрический проводник индуцирует электрический ток благодаря ферромагнитным свойствам трубчатого элемента. Ток индуцируется как на внутренней, так и на внешней поверхностях трубчатого элемента 216. Трубчатый элемент 216 может работать как нагреватель, основанный на скин-эффекте, когда ток индуцируется на глубине скин-слоя одной или более поверхностей трубчатого элемента. В определенных вариантах осуществления изобретения индуцированный ток циркулирует по оси (в продольном направлении) на внутренней и/или внешней поверхностях трубчатого элемента 216. Продольно направленная компонента тока, текущая по электрическому проводнику 214, индуцирует главным образом продольный ток в трубчатом элементе 216 (большая часть индуцированного тока ориентирована в продольном направлении трубчатого элемента). Главным образом продольный ток в трубчатом элементе 216 может обеспечить более высокое сопротивление на фут по сравнению со случаем, когда индуцированный ток является током, направленным главным образом под углом.
В определенных вариантах осуществления изобретения ток в трубчатом элементе 216 индуцируется низкочастотным током электрического проводника 214 (например, от 50 Гц или 60 Гц до примерно 1000 Гц). В некоторых вариантах осуществления изобретения токи, индуцированные на внутренней и внешней поверхностях трубчатого элемента 216, по существу равны.
В определенных вариантах осуществления изобретения толщина трубчатого элемента 216 больше глубины скин-слоя ферромагнитного материала в трубчатом элементе при температуре Кюри ферромагнитного материала или близкой к ней или при температуре фазового превращения ферромагнитного материала или близкой к ней. Например, толщина трубчатого элемента 216 может быть, по меньшей мере, в 2,1 раза, по меньшей мере, в 2,5 раза, по меньшей мере, в 3 раза или, по меньшей мере, в 4 раза больше глубины скин-слоя ферромагнитного материала в трубчатом элементе при температуре, близкой к температуре Кюри или температуре фазового превращения ферромагнитного материала. В определенных вариантах осуществления изобретения толщина трубчатого элемента 216 может быть, по меньшей мере, в 2,1 раза, по меньшей мере, в 2,5 раза, по меньшей мере, в 3 раза или, по меньшей мере, в 4 раза больше глубины скин-слоя ферромагнитного материала в трубчатом элементе при температуре, которая примерно на 50°С меньше температуры Кюри или температуры фазового превращения ферромагнитного материала.
В определенных вариантах осуществления изобретения трубчатый элемент 216 выполнен из углеродистой стали. В некоторых вариантах осуществления изобретения трубчатый элемент 216 содержит коррозионностойкое покрытие (например, фарфоровое или керамическое покрытие) и/или электроизоляционное покрытие. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрический проводник 214 содержит электроизоляционное покрытие. Примерами электроизоляционного покрытия трубчатого элемента 216 и/или электрического проводника 214 являются, помимо прочего, покрытие из фарфоровой эмали, покрытие из оксида алюминия или покрытие из оксидов алюминия и титана.
В некоторых вариантах осуществления изобретения трубчатый элемент 216 и/или электрический проводник 214 содержат такое покрытие, как покрытие из полиэтилена или другое подходящее покрытие с малым коэффициентом трения, которое может расплавляться или разлагаться при подачи энергии на нагреватель. Покрытие может облегчить расположение трубчатого элемента и/или электрического проводника в пласте.
В некоторых вариантах осуществления изобретения трубчатый элемент 216 содержит коррозионностойкий ферромагнитный материал, такой как, помимо прочего, нержавеющая сталь 410, нержавеющая сталь 446, нержавеющая сталь Т/Р91, нержавеющая сталь Т/Р92, сплав 52, сплав 42 и Invar 36. В некоторых вариантах осуществления изобретения трубчатый элемент 216 выполнен из нержавеющей стали с добавлением кобальта (например, кобальта добавляют примерно от 3% по весу до примерно 10% по весу) и/или молибдена (например, примерно 0,5% молибдена по весу).
При температуре Кюри или при температурах, близких к ней, или при температуре фазового превращения ферромагнитного материала трубчатого элемента 216 магнитная проницаемость ферромагнитного материала быстро уменьшается. Когда магнитная проницаемость трубчатого элемента 216 уменьшается при температуре Кюри или при температурах, близких к ней, или при температуре фазового превращения в трубчатом элементе 216 присутствует слабый ток или его нет совсем, так как при таких температурах трубчатый элемент, по существу, является неферромагнитным и электрический проводник 214 не способен индуцировать ток в трубчатом элементе. При слабом токе или его отсутствии в трубчатом элементе 216 температура трубчатого элемента будет падать до меньших значений до тех пор, пока не возрастет магнитная проницаемость и трубчатый элемент не станет ферромагнитным. Таким образом, трубчатый элемент 216 сам ограничивает свою температуру при температуре Кюри или температурах, близких к ней, или температуре фазового превращения и функционирует как нагреватель с ограничением рабочих температур благодаря ферромагнитным свойствам ферромагнитного материала трубчатого элемента. Так как ток индуцируется в трубчатом элементе 216, то показатель диапазона изменения может быть больше и падение тока более острое для трубчатого элемента по сравнению с нагревателями с ограничением рабочих температур, в которых ток действует непосредственно на ферромагнитный материал. Например, показатель диапазона изменения для нагревателей с током, который индуцируют в трубчатом элементе 216, может составлять, по меньшей мере, примерно 5, по меньшей мере, примерно 10 или, по меньшей мере, примерно 20, а показатели диапазона изменения для нагревателей, в которых ток напрямую действует на ферромагнитный материал, могут составлять самое большее примерно 5.
Когда ток индуцируется в трубчатом элементе 216, трубчатый элемент подводит тепло в углеводородный слой 224 и определяет область нагревания в углеводородном слое. В определенных вариантах осуществления изобретения трубчатый элемент 216 нагревается до температур, составляющих, по меньшей мере, примерно 300°С, по меньшей мере, примерно 500°С или, по меньшей мере, примерно 700°С. Так как ток индуцируется как на внутренней, так и на внешней поверхностях трубчатого элемента 216, то выработка тепла трубчатым элементом увеличено по сравнению с нагревателями с ограничением рабочих температур, в которых ток непосредственно действует на ферромагнитный материал и течение тока ограничено одной поверхностью. Таким образом, в электрическом проводнике 214 может быть обеспечен меньший ток для выработки того же количества тепла, что и в нагревателях, в которых ток непосредственно действует на ферромагнитный материал. Использование меньшего тока в электрическом проводнике 214 уменьшает потребление энергии и уменьшает потери энергии в покрывающем слое пласта.
В определенных вариантах осуществления изобретения диаметры трубчатого элемента 216 имеют большие значения. Большие диаметры могут быть использованы для выравнивания или практически выравнивания высоких давлений на трубчатом элементе, действующих как изнутри трубчатого элемента, так и снаружи трубчатого элемента. В некоторых вариантах осуществления изобретения диаметр трубчатого элемента 216 находится в диапазоне примерно от 1,5 дюйма (примерно 3,8 см) до примерно 6 дюймов (примерно 15,2 см). В некоторых вариантах осуществления изобретения диаметр трубчатого элемента 216 находится в диапазоне примерно от 3 см до примерно 13 см, примерно от 4 см до примерно 12 см или примерно от 5 см до примерно 11 см. Увеличение диаметра трубчатого элемента 216 может обеспечить большую теплоотдачу в пласт благодаря увеличению площади поверхности теплообмена трубчатого элемента.
В определенных вариантах осуществления изобретения формы поверхностей трубчатого элемента 216 таковы, что увеличивают сопротивление трубчатого элемента. На фиг.5 показан вариант осуществления нагревателя с трубчатым элементом 216, который содержит поверхности с расположенными по радиусу канавками. Нагреватель 212 может содержать электрические проводники 214А, В, соединенные с трубчатым элементом 216. Электрические проводники 214А, В могут являться изолированными проводниками. Электрические контактные элементы могут электрически и физически соединять электрические проводники 214А, В с трубчатым элементом 216. В определенных вариантах осуществления изобретения электрические контактные элементы прикреплены к концам электрических проводников 214А, В. Форма электрических контактных элементов такова, что, когда концы электрических проводников 214А, В вдавливают в концы трубчатого элемента 216, электрические контактные элементы физически и электрически соединяют электрические проводники и трубчатый элемент. Например, форма электрических контактных элементов может быть конусообразной. Нагреватель 212 вырабатывает тепло тогда, когда ток непосредственно приложен к трубчатому элементу 216. Ток возникает в трубчатом элементе 216 с использованием электрических проводников 214А, В. Канавки 226 могут увеличить площадь поверхности теплообмена трубчатого элемента 216.
В некоторых вариантах осуществления изобретения одна или несколько поверхностей трубчатого элемента индукционного нагревателя могут содержать шероховатости для увеличения сопротивления нагревателя и увеличения площади поверхности теплообмена трубчатого элемента. На фиг.6 показан нагреватель 212, являющийся индукционным нагревателем. Электрический проводник 214 проходит через трубчатый элемент 216.
Трубчатый элемент 216 может содержать канавки 226. В некоторых вариантах осуществления изобретения канавки 226 вырезаны в трубчатом элементе 216. В некоторых вариантах осуществления изобретения к трубчатому элементу присоединены пластины с целью образования ребер и канавок 226. Пластины могут быть приварены или другим образом прикреплены к трубчатому элементу. В одном варианте осуществления изобретения пластины присоединены к оболочке трубчатого элемента, которая расположена поверх трубчатого элемента. С целью формирования трубчатого элемента 216 оболочка физически и электрически соединена с трубчатым элементом.
В определенных вариантах осуществления изобретения канавки 226 расположены на внешней поверхности трубчатого элемента 216. В некоторых вариантах осуществления изобретения канавки расположены на внутренней поверхности трубчатого элемента. В некоторых вариантах осуществления изобретения канавки расположены как на внешней, так и на внутренней поверхностях трубчатого элемента.
В определенных вариантах осуществления изобретения канавки 226 расположены по радиусу (канавки, которые оборачиваются по окружности трубчатого элемента 216). В определенных вариантах осуществления изобретения канавки 226 представляют собой прямые, наклонные или спиральные канавки или выступы. В некоторых вариантах осуществления изобретения канавки 226 расположены на одинаковых расстояниях друг от друга вдоль поверхности трубчатого элемента 216. В некоторых вариантах осуществления изобретения канавки 226 являются частью снабженной резьбой поверхности трубчатого элемента 216 (канавки выполнены в виде наматывающейся на поверхность резьбы). Формы канавок 226 могут быть разнообразными. Например, канавки 226 могут содержать квадратные края, прямоугольные края, v-образные края, u-образные края или закругленные края.
Канавки 226 увеличивают эффективное сопротивление трубчатого элемента 216 путем увеличения длины пути индуцированного тока на поверхности трубчатого элемента. Канавки 226 увеличивают эффективное сопротивление трубчатого элемента 216 по сравнению с трубчатым элементом с такими же внутренним и внешним диаметрами с гладкими поверхностями. Так как индуцированный ток перемещается по оси, то он должен перемещаться вверх и вниз по канавкам вдоль поверхности трубчатого элемента. Таким образом, глубина канавок 226 может быть изменена с целью получения выбранного сопротивления в трубчатом элементе 216. Например, увеличение глубины канавок увеличивает длину пути и сопротивление.
Увеличение сопротивления трубчатого элемента 216 с канавками 226 увеличивает выработку тепла трубчатого элемента по сравнению с трубчатым элементом с гладкими поверхностями. Таким образом, тот же электрический ток в электрическом проводнике 214 обеспечит большую теплоотдачу в трубчатом элементе, на поверхности которого по радиусу расположены канавки, по сравнению с трубчатым элементом с гладкой поверхностью. Следовательно, для обеспечения той же теплоотдачи в трубчатом элементе, на поверхности которого по радиусу расположены канавки, по сравнению с трубчатым элементом с гладкой поверхностью нужен меньший ток в электрическом проводнике 214 с трубчатым элементом, на поверхности которого по радиусу расположены канавки.
В некоторых вариантах осуществления изобретения канавки 226 заполнены материалами, которые разлагаются при низких температурах, что делают для защиты канавок при установке трубчатого элемента 216. Например, канавки 226 могут быть заполнены полиэтиленом или битумом. Полиэтилен или битум могут расплавляться и/или десорбироваться тогда, когда нагреватель 212 достигает нормальных рабочих температур.
Ясно, что канавки 226 могут быть использованы в других описанных здесь вариантах осуществления трубчатых элементов 216, что делается с целью увеличения сопротивления таких трубчатых элементов. Например, канавки 226 могут быть использованы в вариантах осуществления трубчатых элементов 216, показанных на фиг.2, 3 и 4.
На фиг.7 показан вариант осуществления нагревателя 212, разделенного на участки трубчатого элемента, что сделано с целью обеспечения изменяющихся теплоотдач вдоль длины нагревателя. Нагреватель 212 может содержать участки 216А, 216В, 216С, 216D трубчатого элемента с различными свойствами, что делается с целью обеспечения разных теплоотдач в каждом участке трубчатого элемента. Теплоотдача трубчатых участков 216D может быть меньше теплоотдачи снабженных канавками участков 216А, 216В, 216С. Примеры свойств, которые могут быть изменены, включают в себя, помимо прочего, толщины, диаметры, площади поперечного сечения, сопротивления, материалы, количество канавок, глубины канавок. Разные свойства трубчатых элементов 216А, 216В и 216С могут обеспечивать различные максимальные рабочие температуры (например, различные температуры Кюри или температуры фазового превращения) вдоль длины нагревателя 212. Различные максимальные температуры трубчатых участков обеспечивают различные теплоотдачи трубчатых участков. Участки, такие как снабженный канавками участок 216А, могут являться отдельными участками, которые размещают внизу ствола скважины в ходе отдельных процедур установки. Некоторые участки, такие как снабженные канавками участки 216В и 216С, могут быть соединены друг с другом не содержащим канавок участком 216D и могут быть опущены в ствол скважины вместе.
Обеспечение различных теплоотдач вдоль нагревателя 212 может обеспечить различное нагревание в одном или более углеводородных слоях. Например, нагреватель 212 может быть разделен на два или более участков нагревания с целью обеспечения различных теплоотдач в различных участках углеводородного слоя и/или различных углеводородных слоях.
В одном варианте осуществления изобретения первая часть нагревателя 212 может обеспечивать теплом первый участок углеводородного слоя, а вторая часть нагревателя может обеспечивать теплом второй участок углеводородного слоя. Углеводороды первого участка могут стать подвижными благодаря теплу, подведенному первой частью нагревателя. Углеводороды второго участка могут быть нагреты второй частью нагревателя до более высоких температур по сравнению с первым участком. Более высокая температура во втором участке может осуществить обогащение углеводородов второго участка по сравнению с первым участком. Например, углеводороды могут стать подвижными, пройти легкий крекинг и/или пройти пиролиз во втором участке. Углеводороды из первого участка могут быть перемещены во второй участок благодаря, например, рабочему флюиду, поданному в первый участок. В другом примере, нагреватель 212 может содержать концевые участки, которые обеспечивают большие теплоотдачи с целью уравновешивания потерь тепла в концах нагревателя, что нужно для поддержания более постоянной температуры в нагретой части пласта.
В определенных вариантах осуществления изобретения, три или кратное трем количество электрических проводников входит в пласт и выходит из него через общие стволы скважины, при этом трубчатые элементы окружают электрические проводники в части пласта, которую будут нагревать. На фиг.8 показан вариант осуществления электрических проводников 214А, В, С, которые входят в пласт через первый общий ствол 218А скважины и которые выходят из пласта через второй общий ствол 218С скважины, при этом три трубчатых элемента 216А, В, С окружают электрические проводники в углеводородном слое 224. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрические проводники 214А, В, С питаются одним трехфазным трансформатором с соединением обмоток по типу звезда. Трубчатые элементы 216А, В, С и части электрических проводников 214А, В, С могут быть расположены в трех отдельных стволах скважин в углеводородном слое 224. Три отдельных ствола скважины могут быть выполнены бурением стволов скважин из первого общего ствола 218А скважины до второго общего ствола 218В скважины и наоборот или бурением обоих общих стволов скважины и соединением пробуренных отверстий в углеводородном слое.
Расположение нескольких индукционных нагревателей между только двумя стволами скважин в углеводородном слое 224 уменьшает нужную для скважин площадь на поверхности, используемую для нагревания пласта. Количество стволов скважин, пробуренных в покрывающих слоях пласта, уменьшается, что сокращает капитальные затраты на один нагреватель в пласте. Потери энергии в покрывающем слое могут быть небольшой частью общего количества подведенной в пласт энергии, так как уменьшено количество скважин, расположенных в покрывающем слое и используемых для обработки пласта. Кроме того, потери энергии в покрывающем слое могут быть меньше, так как три фазы в общих стволах скважин, по существу, компенсируют друг друга и препятствуют образованию индуцированных токов в обсадных трубах или других конструкциях стволов скважин.
В некоторых вариантах осуществления изобретения три или кратное трем количество электрических проводников и трубчатых элементов расположены в отдельных стволах скважин в пласте. На фиг.9 показан вариант осуществления трех электрических проводников 214А, В, С и трех трубчатых элементов 216А, В, С в отдельных стволах скважин в пласте. Электрические проводники 214А, В, С могут питаться от одного трехфазного трансформатора 230 с соединением обмоток по типу звезда, при этом каждый электрический проводник соединен с одной фазой трансформатора. В некоторых вариантах осуществления изобретения один трехфазный трансформатор с соединением обмоток по типу звезда используется для питания 6, 9, 12 и другого кратного трем количества электрических проводников. Соединение кратного трем количества электрических проводников с одним трехфазным трансформатором с соединением обмоток по типу звезда может уменьшить затраты на оборудования при обеспечении питания индукционных нагревателей.
В некоторых вариантах осуществления изобретения два или кратное двум количество электрических проводников входит в пласт через первый общий ствол скважины и выходит из пласта через второй общий ствол скважины, при этом в углеводородном слое каждый электрический проводник окружает трубчатый элемент. Кратное двум количество электрических проводников может питаться от одного двухфазного трансформатора. В таких вариантах осуществления изобретения электрические проводники могут являться однородными электрическими проводниками (например, изолированными проводниками, выполненными целиком из одного материала), расположенными в покрывающих участках и нагревающих участках изолированного проводника. Обратный ток в покрывающих участках может уменьшить потери энергии в покрывающих участках стволов скважины, так как эти токи уменьшают или подавляют индуктивные эффекты в покрывающих участках.
В определенных вариантах осуществления изобретения трубчатые элементы 216, изображенные на фиг.2-8, содержат несколько слоев ферромагнитных материалов, отделенных электрическими изоляторами. На фиг.10 показан вариант осуществления многослойного индукционного трубчатого элемента. Трубчатый элемент 216 содержит ферромагнитные слои 232А, В, С, отделенные электрическими изоляторами 236А, В. На фиг.10 показаны три ферромагнитных слоя и два слоя электрических изоляторов. При желании трубчатый элемент 216 может содержать дополнительные ферромагнитные слои и/или электрические изоляторы. Например, количество слоев может быть выбрано так, чтобы обеспечить нужную теплоотдачу трубчатого элемента.
Ферромагнитные слои 232А, В, С электрически изолированы от электрического проводника 214, например, воздушным зазором. Ферромагнитные слои 232А, В, С электрически изолированы друг от друга электрическими изоляторами 236А и 236В. Таким образом, не допускается прямое протекание тока между ферромагнитными слоями 232А, В, С и электрическим проводником 214. Когда ток подают на электрический проводник 214, в ферромагнитных слоях 232А, В, С индуцируется электрический ток, что происходит благодаря ферромагнитным свойствам этих слоев. Предусматривая два или более электрически изолированных ферромагнитных слоя, обеспечивают несколько витков для индуцированного тока. Несколько витков для индуцированного тока могут эффективно выполнять роль электрических нагрузок, присоединенных последовательно к источнику питания электрического проводника 214. Несколько витков для индуцированного тока могут увеличить выработку тепла на единицу длины трубчатого элемента 216 по сравнению с трубчатым элементом, содержащим только один виток для индуцированного тока. Для той же теплоотдачи трубчатый элемент с несколькими слоями может иметь большее напряжение и меньший ток по сравнению с трубчатым элементом, содержащим один слой.
В определенных вариантах осуществления изобретения ферромагнитные слои 232А, В, С содержат один и тот же ферромагнитный материал. В некоторых вариантах осуществления изобретения ферромагнитные слои 232А, В, С содержат разные ферромагнитные материалы. Свойства ферромагнитных слоев 232А, В, С могут изменяться с целью обеспечения различных теплоотдач от различных слоев. Примерами свойств ферромагнитных слоев 232А, В, С, которые могут изменяться, являются, помимо прочего, ферромагнитный материал и толщины слоев.
Электрические изоляторы 236А и 236 В могут быть выполнены из оксида магния, фарфоровой эмали и/или другого подходящего электрического изолятора. Толщины и/или материалы электрических изоляторов 236А и 236В могут быть изменены с целью получения различных рабочих параметров трубчатого элемента 216.
В некоторых вариантах осуществления изобретения флюиды циркулируют по трубчатым элементам 216, показанным на фиг.2-8. В некоторых вариантах осуществления изобретения флюиды циркулируют по трубчатым элементам с целью подвода тепла к пласту. Например, флюиды циркулируют по трубчатым элементам с целью предварительного нагревания до подачи питания на трубчатые элементы (обеспечения тока в системе нагревания). В некоторых вариантах осуществления изобретения флюиды циркулируют по трубчатым элементам с целью рекуперации тепла из пласта. Рекуперированное тепло может быть использовано для передачи тепла другим частям пласта и/или в процессах, происходящих на поверхности и используемых для обработки флюидов, добытых из пласта. В некоторых вариантах осуществления изобретения флюиды используют для охлаждения нагревателя.
В некоторых вариантах осуществления изобретения изолированные проводники функционируют в качестве индукционных нагревателей. На фиг.11 показан вид с торца, иллюстрирующий поперечное сечение варианта осуществления изолированного проводника 240, который используется в качестве индукционного нагревателя. На фиг.12 показан вид сбоку, содержащий поперечное сечение варианта осуществления изобретения, показанного на фиг.11. Изолированный проводник 240 содержит стержень 234, электрический изолятор 236 и кожух 238. Стержень 234 может быть медным электрическим проводником или электрическим проводником, выполненным из другого неферромагнитного материала с малым сопротивлением, который не дает теплоотдачи вообще или теплоотдача от которого мала. В некоторых вариантах осуществления изобретения стержень может быть покрыт тонким слоем такого материала, как никель, который предотвращает перемещение частей стержня в электрический изолятор 236. Электрический изолятор 236 может быть выполнен из оксида магния или может являться другим подходящим электрическим изолятором, который предотвращает дуговой пробой при высоких напряжениях.
Кожух 238 содержит, по меньшей мере, один ферромагнитный материал. В определенных вариантах осуществления изобретения кожух 238 содержит углеродистую сталь или другую ферромагнитную сталь (например, нержавеющую сталь 410, нержавеющая сталь 446, нержавеющая сталь Т/Р91, нержавеющая сталь Т/Р92, сплав 52, сплав 42 и Invar 36). В некоторых вариантах осуществления изобретения кожух 238 содержит внешний слой коррозионностойкого материала (например, нержавеющую сталь, такую как нержавеющая сталь 347Н или нержавеющая сталь 304). Внешний слой может быть покрыт ферромагнитным материалом или может быть по-другому соединен с ферромагнитным материалом с использованием известных в технике способов.
В определенных вариантах осуществления изобретения толщина кожуха 238 составляет, по меньшей мере, примерно 2 глубины скин-слоя ферромагнитного материала кожуха. В некоторых вариантах осуществления изобретения толщина кожуха 238 составляет, по меньшей мере, примерно 3 глубины скин-слоя, по меньшей мере, примерно 4 глубины скин-слоя или, по меньшей мере, примерно 5 глубин скин-слоя. Увеличение толщины кожуха 238 может увеличить теплоотдачу изолированного проводника 240.
В одном варианте осуществления изобретения стержень 234 выполнен из меди и его диаметр составляет примерно 0,5 дюйма (1,27 см), электрический изолятор 236 выполнен из оксида магния и его толщина составляет примерно 0,20 дюйма (0,5 см) (внешний диаметр равен примерно 0,9 дюйма (2,3 см)) и кожух 238 выполнен из углеродистой стали и его внешний диаметр составляет примерно 1,6 дюйма (4,1 см) (толщина равна примерно 0,35 дюймов (0,88 см)). Снаружи кожух 238 может быть покрыт тонким слоем (толщина составляет примерно 0,1 дюйма (0,25 см) (внешний диаметр составляет примерно 1,7 дюйма (4,3 см))) коррозионностойкого материала, являющегося нержавеющей сталью 347Н.
В другом варианте осуществления изобретения стержень 234 выполнен из меди и его диаметр составляет примерно 0,338 дюйма (0,86 см), электрический изолятор 236 выполнен из оксида магния и его толщина составляет примерно 0,096 дюйма (0,24 см) (внешний диаметр равен примерно 0,53 дюйма (1,3 см)) и кожух 238 выполнен из углеродистой стали и его внешний диаметр составляет примерно 1,13 дюйма (2,9 см) (толщина равна примерно 0,3 дюйма (0,76 см)). Снаружи кожух 238 может быть покрыт тонким слоем (толщина составляет примерно 0,065 дюйма (0,17 см) (внешний диаметр составляет примерно 1,26 дюйма (3,2 см))) коррозионностойкого материала, являющегося нержавеющей сталью 347Н.
В другом варианте осуществления изобретения стержень 234 выполнен из меди, электрический изолятор 236 выполнен из оксида магния, а кожух 238 является тонким слоем меди, окруженным углеродистой сталью. Стержень 234, электрический изолятор 236 и тонкий слой кожуха 238 могут быть изготовлены в виде одной части изолированного проводника. Такие изолированные проводники могут быть изготовлены в виде длинных деталей изолированных проводников (например, кусков, длиной примерно 500 футов (примерно 150 м) или более). Слой углеродистой стали кожуха 238 может быть добавлен путем вытягивания углеродистой стали поверх длинного изолированного проводника. Такой изолированный проводник может вырабатывать тепло только снаружи кожуха 238, так как тонкий медный слой в кожухе закорочен на внутреннюю поверхность кожуха.
В некоторых вариантах осуществления изобретения кожух 238 выполнен из нескольких слоев ферромагнитного материала. Несколько слоев могут быть выполнены из одного и того же ферромагнитного материала или из разных ферромагнитных материалов. Например, в одном варианте осуществления изобретения кожух 238 является кожухом из углеродистой стали, толщина которого равна 0,35 дюйма (0,88 см) и который состоит из трех слоев углеродистой стали. Толщина первого и второго слоев составляет 0,10 дюйма (0,25 см), а толщина третьего слоя равна 0,15 дюйма (0,38 см). В другом варианте осуществления изобретения кожух 238 является кожухом из углеродистой стали, толщина которого равна 0,3 дюйма (0,76 см) и который состоит из трех слоев углеродистой стали, толщина каждого слоя равна 0,10 дюйма (0,25 см).
В определенных вариантах осуществления изобретения кожух 238 и стержень 234 электрически изолированы так, что между ними нет прямого электрического соединения. Стержень 234 может быть электрически соединен с единственным источником питания, при этом каждый конец стержня соединен с одним полюсом источника питания. Например, изолированный проводник 240 может быть u-образным нагревателем, расположенным в u-образном стволе скважины, при этом каждый конец стержня 234 соединен с одним полюсом источника питания.
Когда на стержень 234 подают зависящий от времени ток, стержень индуцирует электрический ток на поверхностях кожуха 238 (как показано стрелками на фиг.12) благодаря ферромагнитным свойствам ферромагнитного материала кожуха. В определенных вариантах осуществления изобретения ток индуцируется как на внутренней, так и на внешней поверхностях кожуха 238. В этих вариантах осуществления индукционного нагревателя кожух 238 функционирует в качестве нагревательного элемента изолированного проводника 240.
При температуре Кюри или при температурах, близких к ней, или при температуре фазового превращения ферромагнитного материала кожуха 238 магнитная проницаемость ферромагнитного материала быстро уменьшается. Когда магнитная проницаемость кожуха 238 уменьшается при температуре Кюри или при температурах, близких к ней, или при температуре фазового превращения в кожухе присутствует слабый ток или его нет совсем, так как при таких температурах кожух, по существу, является неферромагнитным и стержень 234 не способен индуцировать ток в кожухе. При слабом токе или его отсутствии в кожухе 238 температура кожуха будет падать до меньших значений до тех пор, пока не возрастет магнитная проницаемость и кожух не станет ферромагнитным. Таким образом, кожух 238 сам ограничивает свою температуру при температуре Кюри или температурах, близких к ней, или температуре фазового превращения и изолированный проводник 240 функционирует как нагреватель с ограничением рабочих температур благодаря ферромагнитным свойствам кожуха. Так как ток индуцируется в кожухе 238, то показатель диапазона изменения может быть больше и падение тока более острое для кожуха по сравнению со случаем, когда ток непосредственно приложен к кожуху.
В определенных вариантах осуществления изобретения части кожуха 238, расположенные в покрывающем слое пласта, не содержат ферромагнитный материал (например, являются неферромагнитными). Ситуация, когда покрывающие части кожуха 238 выполнены из неферромагнитного материала, предотвращает индуцирование тока в покрывающих частях кожуха. Благодаря недопущению индуцирования тока в покрывающих частях предотвращаются или уменьшаются потери энергии в покрывающих частях.
На фиг.13 показано поперечное сечение варианта осуществления изолированного проводника 240 с двумя отрезками, который используется в качестве индукционного нагревателя. На фиг.14 показано продольное поперечное сечение варианта осуществления изобретения с фиг.13. Изолированный проводник 240 является изолированным проводником с двумя отрезками, который содержит два стержня 234А, В, два электрических изолятора 236А, В и два кожуха 238А, В. Два отрезка изолированного проводника 240 могут физически контактировать друг с другом, так что кожух 238А контактирует с кожухом 238В вдоль их длин. Стержни 234А, В, электрические изоляторы 236А, В и кожухи 238А, В могут содержать такие материалы, которые используются в варианте осуществления изолированного проводника 240, показанном на фиг.11 и 12.
Как показано на фиг.14, стержень 234А и стержень 234 В присоединены к трансформатору 230 и оконечному блоку 242. Таким образом, стержень 234А и стержень 234В электрически соединены последовательно так, что ток в стержне 234А течет в противоположном направлении относительно тока в стержне 234В, как показано стрелками на фиг.14. Ток в стержнях 234А, В индуцирует ток в кожухах 238А, В соответственно, как показано стрелками на фиг.14.
В определенных вариантах осуществления изобретения части кожуха 23 8А и/или кожуха 238В содержат электроизоляционное покрытие (например, покрытие из фарфоровой эмали, покрытие из оксида алюминия и/или покрытие из оксидов алюминия и титана). Электроизоляционное покрытие может предотвращать ситуацию, когда токи в одном кожухе влияют на ток в другом кожухе или наоборот (например, ток в одном кожухе нейтрализует ток в другом кожухе). Электрическое изолирование кожухов друг от друга может предотвратить уменьшение показателя диапазона изменения нагревателя из-за взаимодействия индуцированных токов в кожухах.
Так как стержни 234А и 234В последовательно электрически соединены с одним трансформатором (трансформатором 230), изолированный проводник 240 может быть расположен в стволе скважины, который заканчивается в пласте (например, ствол скважины с одним отверстием, ведущим на поверхность, такой как L-образный или J-образный ствол скважины). Изолированный проводник 240, показанный на фиг.14, может функционировать в качестве подземного оконечного индукционного нагревателя, при этом электрические соединения между нагревателем и источником питания (трансформатором) расположены в одном отверстии, ведущим на поверхность.
Части кожухов 238А, В в покрывающем слое и/или рядом с частями пласта, которые не нагреваются значительно (например, толстые глинистые пропластки между двумя углеводородными слоями), могут быть неферромагнитными с целью предотвращения индуцирования токов в таких частях. Кожух может содержать один или несколько участков, которые электрически изолированы с целью предотвращения течения индуцированного тока в частях нагревателя изолированного проводника. Предотвращение появления индуцированных токов в покрывающей части кожухов предотвращает индукционное нагревание и/или потери энергии в покрывающей части. Индуцирование в других конструкциях в покрывающем слое, который окружает изолированный проводник 240 (например, в обсадных трубах покрывающего слоя) может быть предотвращено благодаря тому, что ток в стержне 234А течет в противоположном направлении по сравнению с током в стержне 234В.
На фиг.15 показано поперечное сечение варианта осуществления многослойного изолированного проводника, который используется в качестве индукционного проводника. Изолированный проводник 240 содержит стержень 234, окруженный электрическим изолятором 236А, и кожух 238А. Электрический изолятор 236А и кожух 238А содержат первый слой изолированного проводника 240. Первый слой окружен вторым слоем, который содержит электрический изолятор 236В и кожух 238В. Два слоя электрических изоляторов и кожухов показаны на фиг.15. При желании изолированный проводник может содержать дополнительные слои. Например, количество слоев может быть выбрано с целью обеспечения нужной теплоотдачи изолированного проводника.
Кожухи 238А и 238В электрически изолированы от стержня 234 и друг от друга электрическим изолятором 236А и электрическим изолятором 236В. Таким образом, не допускается прямое протекание тока между кожухами 238А и 238В и стержнем 234. Когда ток подают на стержень 234, в кожухе 238А и кожухе 238В индуцируется электрический ток, что происходит благодаря ферромагнитным свойствам кожухов. Предусматривая два или более электрических изоляторов и кожухов, обеспечивается наличие нескольких витков для индуцированного тока. Несколько витков для индуцированного тока могут эффективно выполнять роль электрических нагрузок, присоединенных последовательно к источнику питания изолированного проводника 240. Несколько витков для индуцированного тока могут увеличить выработку тепла на единицу длины изолированного проводника 240 по сравнению с изолированным проводником, содержащим только один виток для индуцированного тока. Для той же теплоотдачи изолированный проводник с несколькими слоями может иметь большее напряжение и меньший ток по сравнению с изолированным проводником, содержащим один слой.
В определенных вариантах осуществления изобретения кожухи 238А и 238В содержат один и тот же ферромагнитный материал. В некоторых вариантах осуществления изобретения кожухи 238А и 238В содержат разные ферромагнитные материалы. Свойства кожухов 238А и 238В могут изменяться с целью обеспечения различных теплоотдач от различных слоев. Примерами свойств кожухов 238А и 238В, которые могут изменяться, являются, помимо прочего, ферромагнитный материал и толщины слоев.
Электрические изоляторы 236А и 236В могут быть выполнены из оксида магния, фарфоровой эмали и/или другого подходящего электрического изолятора. Толщины и/или материалы электрических изоляторов 236А и 236В могут быть изменены с целью получения различных рабочих параметров изолированного проводника 240.
На фиг.16 показан вид с торца варианта осуществления трех изолированных проводников 240, которые расположены в гибкой насосно-компрессорной трубе и которые используются в качестве индукционных нагревателей. Каждый изолированный проводник 240 может являться, например, изолированным проводником, показанным на фиг.11, 12 и 15. Стержни изолированных проводников 240 могут быть соединены друг с другом так, что изолированные проводники электрически соединены в трехфазную звездообразную конфигурацию. На фиг.17 показаны стержни 234 изолированных проводников 240, соединенных вместе своими концами.
Как показано на фиг.16, изолированные проводники 240 расположены в трубчатом элементе 216. Трубчатый элемент 216 может являться гибкой насосно-компрессорной трубой или другим гибким насосно-компрессорным трубчатым элементом или обсадной трубой. Изолированные проводники 240 могут быть расположены спирально внутри трубчатого элемента 216 с целью уменьшения напряжений на изолированных проводниках, когда они намотаны, например, на барабан для намотки гибких насосно-компрессорных труб. Трубчатый элемент 216 дает возможность устанавливать изолированные проводники в пласте с использованием приспособления для гибких наносно-компрессорных труб и защищает изолированные проводники во время установки в пласте.
На фиг.18 показан вид с торца варианта осуществления трех изолированных проводников 240, которые расположены на одном опорном элементе и которые используются в качестве индукционных нагревателей. Каждый из изолированных проводников 240 может быть, например, изолированным проводником, показанным на фиг.11, 12 и 15. Стержни изолированных проводников 240 могут быть соединены друг с другом так, чтобы изолированные проводники были соединены в трехфазную звездообразную конфигурацию. Например, стержни могут быть соединены так, как показано на фиг.17.
Как показано на фиг.18, изолированные проводники 240 присоединены к опорному элементу 244. Опорный элемент 244 обеспечивает опору для изолированных проводников 240. Изолированные проводники 240 могут быть намотаны на опорный элемент 244 в виде спирали. В некоторых вариантах осуществления изобретения опорный элемент 244 содержит ферромагнитный материал. Ток может быть индуцирован в ферромагнитном материале опорного элемента 244. Таким образом, опорный элемент 244 может вырабатывать некоторое количество тепла в дополнение к теплу, вырабатываемому в кожухах изолированных проводников 240.
В определенных вариантах осуществления изобретения изолированные проводники 240 удерживаются вместе на опорном элементе 244 с помощью обода 246. Обод 246 может быть выполнен из нержавеющей стали или другого коррозионностойкого материала. В некоторых вариантах осуществления изобретения обод 246 содержит несколько ободов, которые удерживают вместе изолированные проводники 240. Ободы могут быть расположены периодически вокруг изолированных проводников 240, что делают для удержания проводников вместе.
В некоторых вариантах осуществления изобретения кожухи 238, показанные на фиг.11 и 12, или кожухи 238А, В, показанные на фиг.14, содержат канавки или другие детали на внешней поверхности и/или внутренней поверхности кожуха, что сделано с целью увеличения эффективного сопротивления кожуха. Увеличение сопротивления кожуха 238 и/или кожухов 238А, В с канавками увеличивает выработку тепла кожухов по сравнению с кожухами с гладкими поверхностями. Таким образом, тот же самый электрический ток в стержне 234 и стержнях 234А, В обеспечивает большую теплоотдачу в кожухах с поверхностями, снабженными канавками, по сравнению с кожухами с гладкими поверхностями.
В некоторых вариантах осуществления изобретения кожух 238 (такой как кожухи 238, показанные на фиг.11 и 12, или кожухи 238А, В, показанные на фиг.14) разделены на участки с целью обеспечения различных теплоотдач вдоль длин нагревателей. Например, кожух 238 и/или кожухи 238А, В могут быть разделены на участки аналогично трубчатым элементам 216А, 216В и 216С, показанным на фиг.7. Свойства участков кожухов 238, показанных на фиг.11, 12 и 14, могут быть различны с целью обеспечения различных теплоотдач в каждом участке. Примеры свойств, которые могут быть изменены, включают в себя, помимо прочего, толщины, диаметры, сопротивления, материалы, количество канавок, глубины канавок. Различные свойства участков могут обеспечивать различные максимальные рабочие температуры (например, различные температуры Кюри или температуры фазового превращения) вдоль длины изолированного проводника 240. Различные максимальные температуры участков обеспечивают различные теплоотдачи участков.
В определенных вариантах осуществления изобретения индукционные нагреватели содержат изолированные электрические проводники, окруженные спирально намотанными ферромагнитными материалами. Например, спирально намотанные ферромагнитные материалы могут работать в качестве индукционных нагревательных элементов, аналогичных трубчатым элементам 216, показанным на фиг.2-8. На фиг.19 показан вариант осуществления индукционного нагревателя со стержнем 234 и электрическим изолятором 236, окруженным ферромагнитным слоем 232. Стержень 234 может быть выполнен из меди или являться электрическим проводником, выполненными из другого неферромагнитного материала с малым сопротивлением, который не дает теплоотдачи вообще или теплоотдача от которого мала. Электрический изолятор 236 может являться полимерным электрическим изолятором, таким как Teflon, сшитым полиэтиленом или этилен-пропилен монодиеном. В некоторых вариантах осуществления изобретения стержень 234 и электрический изолятор 236 выполнены вместе в виде кабеля, покрытого полимером (изолятором). В некоторых вариантах осуществления изобретения электрический изолятор 236 выполнен из оксида магний или является другим подходящим электрическим изолятором, который препятствует дугообразованию при высоких напряжениях и/или высоких температурах.
В определенных вариантах осуществления изобретения ферромагнитный слой 232 спирально намотан на стержень 234 и электрический изолятор 236. Ферромагнитный слой 232 может содержать углеродистую сталь или другую ферромагнитную сталь (нержавеющую сталь 410, нержавеющая сталь 446, нержавеющая сталь Т/Р91, нержавеющая сталь Т/Р92, сплав 52, сплав 42 и Invar 36).
В некоторых вариантах осуществления изобретения ферромагнитный слой 232 спирально намотан на изолированный проводник. В некоторых вариантах осуществления изобретения ферромагнитный слой 232 содержит внешний слой коррозионностойкого материала. В некоторых вариантах осуществления изобретения ферромагнитный слой является прутковым материалом. На фиг.20 показан вариант осуществления изолированного проводника 240, окруженного ферромагнитным слоем 232. Изолированный проводник 240 содержит стержень 234, электрический изолятор 236 и кожух 238. Стержень 234 может быть медным электрическим проводником или электрическим проводником, выполненным из другого неферромагнитного материала с малым сопротивлением, который не дает теплоотдачи вообще или теплоотдача от которого мала. Электрический изолятор 236 выполнен из оксида магния или является другим подходящим электрическим изолятором. Ферромагнитный слой 232 спирально намотан на изолированный проводник 240.
Спиральная намотка ферромагнитного слоя 232 на нагреватель может улучшить управление толщиной ферромагнитного слоя по сравнению с другими способами изготовления индукционных нагревателей. Например, с целью изменения теплоотдачи нагревателя на него может быть намотано более одного ферромагнитного слоя 232. Количество ферромагнитных слоев 232 может быть выбрано так, чтобы обеспечить нужную теплоотдачу нагревателя. На фиг.21 показан вариант осуществления индукционного нагревателя с двумя ферромагнитными слоями 232А, В, которые спирально намотаны на стержень 234 и электрический изолятор 236. В некоторых вариантах осуществления изобретения ферромагнитный слой 232А намотан в противоположном направлении по сравнению с ферромагнитным слоем 232В, что сделано для обеспечения отсутствия вращающего момента, приложенного к нагревателю. Нулевой вращающий момент может быть полезен тогда, когда нагреватель подвешен в отверстии в пласте или свободно свисает в этом отверстии.
Количество спиральных витков (например, количество ферромагнитных слоев) может меняться с целью изменения теплоотдачи индукционного нагревателя. Кроме того, с целью изменения теплоотдачи индукционного нагревателя могут изменяться другие параметры. Примерами других изменяющихся параметров могут служить, помимо прочего, прикладываемый ток, прикладываемая частота, геометрия, ферромагнитные материалы и толщина и/или количество спиральных витков.
Использование спирально намотанных ферромагнитных слоев может позволить изготавливать индукционные нагреватели в виде непрерывных длинных отрезков путем спирального наматывания ферромагнитного материала на длинные отрезки обычного или легко изготавливаемого изолированного кабеля. Таким образом, индукционные нагреватели со спиральной намоткой могут отличаться уменьшенными затратами на изготовления по сравнению с другими индукционными нагревателями. Спирально намотанные ферромагнитные слои могут увеличить механическую гибкость индукционного нагревателя по сравнению с индукционными нагревателями, содержащими сплошной ферромагнитный трубчатый элемент. Увеличенная гибкость может позволить изгибать индукционные нагреватели со спиральной намоткой относительно выступов поверхности, таких как места соединения с устройством подвешивания.
На фиг.22 показан вариант осуществления установки ферромагнитного слоя 232 на изолированный проводник 240. Изолированный проводник 240 может являться кабелем с изолированным проводником (например, кабель с проводником и неорганической изоляцией или кабель с проводником и полимерной изоляцией) или являться другим подходящим электропроводящим стержнем, покрытым изоляцией.
В определенных вариантах осуществления изобретения ферромагнитный слой 232 выполнен из ферромагнитного материала 254, подаваемого с барабана 252 и наматываемого на изолированный проводник 240. Барабан 252 может являться барабаном для гибких насосно-компрессорных труб или другим вращающимся барабаном, предназначенным для подачи материала. Барабан 252 может вращаться вокруг изолированного проводника 240 при намотке ферромагнитного материала 254 на изолированный проводник, что делают для формирования ферромагнитного слоя 232. Изолированный проводник 240 можно подавать с барабана или валков при вращении барабана 252 вокруг изолированного проводника.
В некоторых вариантах осуществления изобретения ферромагнитный материал 254 нагревают до его намотки на изолированный проводник 240. Например, ферромагнитный материал 254 может быть нагрет с использованием индукционного нагревателя 256. Предварительное нагревание ферромагнитного материала 254 до его наматывания может позволить ферромагнитному материалу сжаться и закрепиться на изолированном проводнике 240 при охлаждении ферромагнитного материала.
В некоторых вариантах осуществления изобретения части поверхностей обсадных труб в покрывающих участках стволов нагревательных скважин выполнены так, чтобы увеличивать эффективный диаметр обсадной трубы. Обсадные трубы в покрывающих участках стволов нагревательных скважин могут являться, помимо прочего, обсадными трубами покрывающего участка, нагревательными обсадными трубами, нагревательными трубчатыми элементами и/или кожухами изолированных проводников. Увеличение эффективного диаметра обсадной трубы может уменьшить индукционное действие в трубе, когда ток, используемый для питания нагревателя или нагревателей под покрывающим слоем, передается по обсадной трубе (например, когда одна фаза питания передается по покрывающему участку). Когда ток передается только в одном направлении через покрывающий слой, ток может индуцировать другие токи в ферромагнитных или других электропроводящих материалах, так что эти токи будут присутствовать в обсадных трубах покрывающего слоя. Эти индуцированные токи могут являться причиной нежелательных потерь энергии и/или нежелательного нагревания в покрывающем слое пласта.
На фиг.23 показан вариант осуществления обсадной трубы 248 с ребристой поверхностью или поверхность которой содержит канавки. В определенных вариантах осуществления изобретения обсадная труба 248 содержит канавки 250. В некоторых вариантах осуществления изобретения канавки 250 являются бороздками или содержат бороздки. Канавки 250 могут быть выполнены в виде части поверхности обсадной трубы 248 (например, обсадная труба сформирована с поверхностями, содержащими канавки) или канавки могут быть выполнены путем добавления материала на поверхность обсадной трубы или извлечения (например, фрезерования) материала. Например, канавки 250 могут быть расположены на длинном отрезке трубчатого элемента, который приварен к обсадной трубе 248.
В определенных вариантах осуществления изобретения канавки 250 расположены на внешней поверхности обсадной трубы 248. В некоторых вариантах осуществления изобретения канавки 250 расположены на внутренней поверхности обсадной трубы 248. В некоторых вариантах осуществления изобретения канавки 250 расположены как на внешней, так и на внутренней поверхностях обсадной трубы 248.
В определенных вариантах осуществления изобретения канавки 250 являются осевыми канавками (канавки расположены продольно вдоль длины обсадной трубы 248). В определенных вариантах осуществления изобретения канавки 250 являются прямыми, наклонными или спиральными в продольном направлении. В некоторых вариантах осуществления изобретения канавки 250 являются, по существу, осевыми канавками или спиральными канавками со значительным продольным компонентом (то есть угол спирали составляет менее 10°, менее 5° или менее 1°). В некоторых вариантах осуществления изобретения канавки 250 расположены, по существу, по оси вдоль длины обсадной трубы 248. В некоторых вариантах осуществления изобретения канавки 250 равномерно распределены по поверхности обсадной трубы 248. При желании форма канавок 250 может быть разнообразной. Например, канавки 250 могут содержать квадратные края, v-образные края, u-образные края или закругленные края.
1
1
1
4
4
4
Канавки 250 увеличивают эффективный периметр обсадной трубы 248. Канавки 250 увеличивают эффективный периметр обсадной трубы 248 по сравнению с периметром обсадной трубы с такими же внутренним и внешним диаметрами и гладкими поверхностями. Глубина канавок 250 может изменяться с целью получения выбранного эффективного периметра обсадной трубы 248. Например, осевые канавки, ширина которых равна / дюйма (0,63 см), а глубина равна / дюйма (0,63 см) и которые отстоят друг от друга на расстояние / дюйма (0,63 см), могут увеличить эффективный периметр трубы, диаметром 6 дюймов (15,24 см) с 18,84 дюйма (47,85 см) до 37,68 дюйма (95,71 см) (или до периметра трубы, диаметр которой равен 12 дюймам (30,48 см))
В определенных вариантах осуществления изобретения канавки 250 увеличивают эффективный периметр обсадной трубы 248, по меньшей мере, в 2 раза по сравнению с обсадной трубой таких же внутреннего и внешнего диаметров и гладкими поверхностями. В некоторых вариантах осуществления изобретения канавки 250 увеличивают эффективный периметр обсадной трубы 248, по меньшей мере, в 3 раза, по меньшей мере, в 4 раза, или, по меньшей мере, в 6 раз, по сравнению с обсадной трубой таких же внутреннего и внешнего диаметров и гладкими поверхностями.
Увеличение эффективного периметра обсадной трубы 248 с канавками 250 увеличивает площадь поверхности обсадной трубы. Увеличение площади поверхности обсадной трубы 248 уменьшает индуцированный ток в обсадной трубе для заданного течения тока. Потери энергии, связанные с индукционным нагреванием в обсадной трубе 248, уменьшены по сравнению с обсадной трубой с гладкими поверхностями, что объясняется уменьшенным индуцированным током. Таким образом, такой же электрический ток обеспечивает меньшую теплоотдачу от индукционного нагревания в обсадной трубе с поверхностями, содержащими осевые канавки, по сравнению со случаем обсадной трубы с гладкой поверхностью. Уменьшение теплоотдачи в покрывающем участке нагревателя увеличивает эффективность работы нагревателя и уменьшает затраты, связанные с работой нагревателя. Увеличение эффективного периметра обсадной трубы 248 и уменьшение эффектов, связанных с индуцированном тока, в обсадной трубе дает возможность изготавливать обсадные трубы из более дешевых материалов, таких как углеродистая сталь.
В некоторых вариантах осуществления изобретения электроизоляционное покрытие (например, покрытие из фарфоровой эмали) расположено на одной или более поверхностях обсадной трубы 248, что сделано для предотвращения потерь тока и/или потерь энергии в обсадной трубе. В некоторых вариантах осуществления изобретения обсадная труба 248 выполнена из двух или более продольных участков обсадной трубы (например, продольных участков, приваренных друг к другу или привинченных друг к другу концами). Продольные участки могут быть выровнены так, чтобы были выровнены канавки этих участков. Выравнивание участков может позволить течь по канавкам цементу или другим материалам.
В свете настоящего описания специалистам в рассматриваемой области могут быть ясны дополнительные модификации и альтернативные варианты осуществления различных аспектов настоящего изобретения. Соответственно это описание рассматривается только с иллюстративной точки зрения и с целью обучения специалистов в рассматриваемой области общему способу осуществления этого изобретения. Ясно, что показанные и описанные здесь формы изобретения надо рассматривать как предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения. Показанные и описанные здесь элементы и материалы могут быть заменены, части и способы могут быть изменены и некоторые признаки изобретения могут быть использованы независимо, что ясно специалисту в рассматриваемой области после понимания описания настоящего изобретения. В описанные здесь элементы могут быть внесены изменения, которые не выходят за пределы объема и сущности изобретения, которые описаны в прилагаемой формуле изобретения. Кроме того, ясно, что описанные здесь независимые признаки могут быть объединены в некоторых вариантах осуществления изобретения.