專利名稱：利用閉環(huán)加熱系統(tǒng)的現(xiàn)場轉(zhuǎn)換處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及從諸如包含碳?xì)浠衔锏牡貙拥母鞣N地下地層 生產(chǎn)碳?xì)浠衔?、氫?或其它產(chǎn)品的方法與系統(tǒng)。特別是，某些實(shí)施 例涉及在現(xiàn)場轉(zhuǎn)換處理的過程中使用閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)以加熱地層的 一部背景技術(shù)從地下地層獲得的碳?xì)浠衔锿ǔＳ米髂茉?、原料以及消費(fèi)產(chǎn)品。 關(guān)于可用的碳?xì)浠衔镌吹南牡目紤]以及關(guān)于生產(chǎn)碳?xì)浠衔锟偭?的下降的考慮導(dǎo)致工藝的發(fā)展以便更有效地回收、處理和/或使用可用 的碳?xì)浠衔镌础？梢允褂矛F(xiàn)場處理以從地下地層提取碳?xì)浠衔锊?料?？赡苄枰淖兊叵碌貙又刑?xì)浠衔锊牧系幕瘜W(xué)和/或物理特性以 使碳?xì)浠衔锊牧峡筛菀椎貜牡叵碌貙颖惶崛?。該化學(xué)和物理變化 可以包括現(xiàn)場反應(yīng)，該反應(yīng)產(chǎn)生地層中碳?xì)浠衔锏目商崛〉牧黧w、 合成變化、可溶性變化、密度變化、相變和/或粘度變化。流體可以是， 但不局限于，氣體、液體、乳化液、泥槳和/或固體顆粒的蒸汽，該蒸 汽具有類似于液體流的流動特性。如上概述的，已經(jīng)有很大的努力來發(fā)展方法和系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)地從包 含碳?xì)寤衔锏牡貙由a(chǎn)碳?xì)浠衔?、氫?或其它產(chǎn)品。但是，目前， 仍存在許多不能從它經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)碳?xì)浠衔?、氫?或其它產(chǎn)品的包含 碳?xì)浠衔锏牡貙?。因此，仍需要從各種包含碳?xì)浠衔锏牡貙由a(chǎn) 碳?xì)浠衔铩浜?或其它產(chǎn)品的改進(jìn)的方法和系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容此處描述的實(shí)施例總體上涉及到從諸如包含碳?xì)浠衔锏貙拥母?種地下地層生產(chǎn)碳?xì)浠衔?、氫?或其它產(chǎn)品的系統(tǒng)和/或方法。本發(fā)明提供一種現(xiàn)場處理系統(tǒng)以從地下地層生產(chǎn)碳?xì)浠衔?，該系統(tǒng)包括地層中的多個u型井孔；置于所述u型井孔中的至少兩個 中的管路；聯(lián)接到該管路的流體循環(huán)系統(tǒng)，其中該流體循環(huán)系統(tǒng)被構(gòu) 造成使熱的熱傳遞流體循環(huán)通過管路的至少一部分以形成地層的至少 一個被加熱部分；以及電力供給源，其中該電力供給源被構(gòu)造成以向 管路的至少位于地層中上覆巖層(overburden)以下的一部分提供電 流以電阻地加熱管路的至少一部分，并且其中熱從管路傳遞至地層。本發(fā)明還提供用于現(xiàn)場轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以從地下地層生產(chǎn)碳?xì)浠衔锏?方法。在另一些實(shí)施例中，來自特定實(shí)施例的特征可以與來自其它實(shí)施 例的特征組合。例如，來自一個實(shí)施例的特征可以與來自其它實(shí)施例 的任何一個的特征組合。在另一些實(shí)施例中，使用此處描述的任何方法、系統(tǒng)或加熱器實(shí) 施處理地下地層。在另一些實(shí)施例中，可以將額外的特征添加到此處描述的特定實(shí) 施例中。


對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，借助以下詳細(xì)說明并參考附圖，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中圖1示出加熱包含碳?xì)浠衔锏牡貙拥母麟A段的圖解；圖2示出為處理包含碳?xì)湮锏貙拥默F(xiàn)場轉(zhuǎn)換系統(tǒng)一部分的實(shí)施例的示意圖；圖3示出為加熱地層一部分的閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)的示意圖； 圖4示出待使用閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)加熱的地層一部分的井孔進(jìn)口和出 口的平面^f見圖；圖5示出為可以^使用閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)和/或電加熱的用于加熱地層的 系統(tǒng)的 一 個實(shí)施例的側(cè)視圖6示出對實(shí)心2.54厘米直徑、1.8米長410不銹鋼桿在不同施 加的電流下電阻對溫度的數(shù)據(jù)；圖7示出對實(shí)心2.54厘米直徑、1.8米長410不銹鋼桿在不同施 加的交流電流下趨膚深度值對溫度的數(shù)據(jù)；圖8示出對2.5厘米實(shí)心410不銹鋼桿和2.5厘米實(shí)心304不銹鋼 桿溫度對時間對數(shù)的數(shù)據(jù)。盡管本發(fā)明可以有各種修改和替代形式，但是在附圖中以舉例方 式表示其特定實(shí)施例并在此處詳細(xì)描述。附圖可能不按比例。但是， 應(yīng)該理解，對實(shí)施例的附圖和詳細(xì)描述不試圖將本發(fā)明局限于特殊的 公開形式，而相反，本發(fā)明涵蓋處于由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的 精神和范圍以內(nèi)的所有修改、等效物和各種替代方案。
具體實(shí)施方式
以下的描述總體上涉及用于處理地層中碳?xì)浠衔锏南到y(tǒng)和方 法。可處理這種地層以產(chǎn)生碳?xì)浠衔锂a(chǎn)品、氫和其它產(chǎn)品。"碳?xì)浠衔? 一般定義成主要由碳和氫原子構(gòu)成的分子。碳?xì)浠?合物還包括其它元素，諸如，但不局限于，氦、金屬元素、氮、氧和/ 或硫。碳?xì)浠衔锟梢允?，但不局限于，油母巖、瀝青、焦性瀝青、 油、天然礦臘和瀝青巖。碳?xì)浠衔锟梢晕挥诨蜞徑厍蛑械牡V脈。 該礦脈可以包括，但不局限于，沉積的巖石、砂子、硅化物、碳化物、 硅藻土和其它多孔介質(zhì)。"碳?xì)浠衔锪黧w"是包括碳?xì)浠衔锏牧黧w。碳?xì)浠衔锪黧w可以包括、夾雜或被夾雜在諸如氫、氮、 一氧化 碳、二氧化碳、氫硫化物、水和氨的非碳?xì)浠衔镏小?地層"包括一或多個包含碳?xì)浠衔锏膶印?一個或更多個非碳?xì)?化合物層、上覆巖層和/或下伏巖層(underburden )。該"上覆巖層" 和/或"下伏巖層"包括一種或更多種不同型式的不可滲透的材料。例 如，上覆巖層和/或下伏巖層可以包括巖石、油頁巖、泥石或濕/密的 碳化物。在現(xiàn)場轉(zhuǎn)換處理的某些實(shí)施例中，上覆巖層和/或下伏巖層可 以包括包含碳?xì)寤衔锏膶雍洼^不可滲透的且在現(xiàn)場轉(zhuǎn)換處理過程中
不受溫度(熱)的包含碳?xì)浠衔锏膶樱摐囟葘?dǎo)致上覆巖層和下伏 巖層的包含碳?xì)浠衔锏膶拥拿黠@特性變化。例如，下伏巖層可以包 含頁巖或泥石，但下伏巖層不允許在現(xiàn)場轉(zhuǎn)換過程中被加熱到熱解溫。 在某些情況下，上覆巖層和下伏巖層可以是稍許可滲透的。"地層流體"是指地層中存在的流體且可以包括熱解流體、合成氣 體、流動的碳?xì)寤衔锖退?蒸汽)。地層流體可以包括碳?xì)浠衔?流體以及非碳?xì)浠衔锪黧w。術(shù)語"流動的流體"是指包含碳?xì)浠?物的地層中的流體，由于地層的熱處理，所述流體會流動，"生產(chǎn)的 流體"是指從地層提取的地層流體。"熱導(dǎo)流體"包括在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(STP) (0才聶氏度和 101.325 kPa)時具有比空氣高的熱導(dǎo)性的流體。"熱源"是用于基本上通過傳導(dǎo)和/或輻射熱傳遞向地層的至少一 部分提供熱的任何系統(tǒng)。例如，熱源可以包括電加熱器，諸如絕緣的 導(dǎo)體、細(xì)長的構(gòu)件和/或置于管道內(nèi)的導(dǎo)體。熱源也可以包括通過在地 層外部或內(nèi)部燃燒燃料產(chǎn)生熱的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以是表面燃燒器、井 下氣體燃燒器、無火焰分布燃燒室和自然分布燃燒室。在某些實(shí)施例 中，提供到或在一個或更多個熱源中產(chǎn)生的熱可以由其它能源供給。 該其它能源可以直接加熱地層，或者該能源可以施加到直接加熱或間 接加熱地層的傳遞介質(zhì)上。應(yīng)該理解，施加熱到地層的一個或更多個 熱源可以使用不同的能源。因此，例如，對于給定的地層，某些熱源 可以從電阻加熱器供給熱，某些熱源可以從燃燒室供給熱，并且某些 熱源可以從一個或更多個其它能源(例如化學(xué)反應(yīng)、太陽能、風(fēng)能、 生物物質(zhì)或其它可再生能)提供熱?；瘜W(xué)反應(yīng)可包括放熱反應(yīng)(例如， 氧化反應(yīng))。熱源還可以包括提供熱到接近和/或包圍加熱位置的區(qū)域 的加熱器，如加熱器井。"現(xiàn)場轉(zhuǎn)換處理，，是指從熱源加熱包含碳?xì)浠衔锏牡貙右员銓⒌?層的至少一部分的溫度升高到熱解溫度以上從而在地層中產(chǎn)生熱解流 體的過程。"加熱器"是用于在井中或接近井孔區(qū)域產(chǎn)生熱的任何系統(tǒng)或熱 源。加熱器可以是，但不局限于，電加熱器、燃燒器、與地層中的或 從地層產(chǎn)生的材料反應(yīng)的燃燒室和/或其組合。"絕緣的導(dǎo)體"是指全部或部分被電絕緣材料覆蓋并能導(dǎo)電的任何 細(xì)長材料。細(xì)長構(gòu)件可以是棵金屬加熱器或暴露的金屬加熱器。"棵金屬" 和"暴露的金屬"是指不包括諸如礦物質(zhì)絕緣層的電絕緣層的金屬， 設(shè)計(jì)該絕緣材料以提供金屬在細(xì)長構(gòu)件的整個工作范圍上的電絕緣。 棵金屬和暴露的金屬可以包括金屬，該金屬包括諸如天然出現(xiàn)的氧化 物層、施加的氧化物層和/或薄膜的腐蝕抑制劑。棵金屬和暴露的金屬 包括具有聚合物或其它型式電絕緣材料的金屬，該電絕緣材料不能在 細(xì)長構(gòu)件的典型工作溫度下保持電絕緣特性。這種材料可以放置在金 屬上并可在加熱器的使用過程中熱降解。"溫度限制加熱器"通常指在特定溫度以上調(diào)節(jié)熱輸出(例如，降 低熱輸出)而不使用外部控制器諸如溫度控制器、功率調(diào)節(jié)器、整流器或其它裝置的加熱器。溫度限制加熱器可以是AC (交流)或調(diào)制 的(例如，"斷續(xù)"的)DC (直流)驅(qū)動的電阻加熱器。"居里溫度"是在該溫度以上鐵磁材料失去其所有鐵磁性質(zhì)的溫 度。除去在居里溫度以上失去其所有鐵磁性質(zhì)外，當(dāng)增加的電流通過 鐵磁材料時該鐵磁材料開始失去其鐵磁性質(zhì)。"隨時間變化的電流"是指在鐵磁導(dǎo)體中產(chǎn)生趨膚效應(yīng)電流并具有 隨時間變化的幅值的電流。時間變化的電流包括交流(AC)與調(diào)制直 流(DC) 二者。"交流(AC)"是指基本上正弦相反方向的隨時間變化的電流。 AC在鐵磁導(dǎo)體中產(chǎn)生趨膚效應(yīng)電流。"調(diào)制的直流(DC)，，指的是任何基本上非正弦的隨時間變化的 電流，該電流在鐵磁導(dǎo)體中產(chǎn)生趨膚效應(yīng)電流。溫度限制加熱器的"調(diào)節(jié)(turndown)比"是對于給定電流的居 里溫度以下的最高AC或調(diào)制的DC電阻與居里溫度以上的最低電阻 之比。
關(guān)于降低熱輸出的加熱系統(tǒng)、裝置和方法，術(shù)語"自動地"意味 著這種系統(tǒng)、裝置和方法能以某種方式工作而不使用外部控制器(例如，諸如具有溫度傳感器和反饋環(huán)的控制器、PID控制器或預(yù)測控制 器的外部控制器)。術(shù)語"井孔"指的是通過鉆孔或管道插入到地層中制成的地層中 的孔。井孔可能具有基本上圓形的橫截面或其它橫截面形狀。如此處 使用的，當(dāng)指的是地層中的開口時，術(shù)語"井"和"開口，，可以與術(shù) 語"井孔"互換地使用。"u型井孔"指的是從地層中的第一開口 、通過地層的至少一部分 并延伸通過地層中的第二開口出來的井孔。在此，井孔可以僅粗略地 是"v"或"u"型，但要理解"u"型的兩條"腿，，不需要是彼此平 行，或者對于所謂的"u"型井，不需要垂直于"u"的"底"。"熱解"是由于應(yīng)用熱使化學(xué)鏈斷開。例如熱解可以包括只通過熱 將一種化合物轉(zhuǎn)變成一種或更多種其它物質(zhì)?？梢詡鬟f熱到地層的段 以造成熱解。在某些地層中，地層中的地層部分和/或其它材料可通過 催化作用促進(jìn)熱解。"熱解流體"或"熱解產(chǎn)物"指的是主要在碳?xì)浠衔锏臒峤膺^程 中產(chǎn)生的流體。由熱解反應(yīng)產(chǎn)生的流體可以與地層中的其它流體混合。 該混合物可以認(rèn)為是熱解流體或熱解產(chǎn)物。如此處使用的，"熱解區(qū) 域"指的是被反應(yīng)或反應(yīng)以形成熱解流體的地層(例如，較可滲透的 地層，諸如瀝清砂地層)的體積。"熱的疊加"指的是從二個或更多個熱源將熱提供到地層的選擇部 分，以便使在熱源之間的至少一個位置處的地層的溫度受多個熱源的 影響。"熱傳導(dǎo)性"是材料的一種特性，該特性描述對給定的兩表面之間 的溫度差，材料的兩表面之間，在穩(wěn)態(tài)中，熱流動的速度。"合成氣體"是包括氫和一氧化碳的混合物。合成氣體的附加成份 可以包括水、二氧化碳、氮、甲烷和其它氣體。合成氣體可以通過各 種過程和原料產(chǎn)生。可以使用合成氣體以合成廣泛范圍的化合物。 綜述工藝過程圖可以用各種方法處理地層中的碳?xì)寤衔镆援a(chǎn)生許多不同的產(chǎn) 品。在某些實(shí)施例中，分階段處理地層中的碳?xì)浠衔?。圖l示出加熱包含碳?xì)浠衔锏牡貙拥母麟A段的圖解。圖l還示出每噸(y軸) 來自地層的地層流體的油等效物以桶表示的產(chǎn)量("Y")對加熱地 層的攝氏度(x軸)溫度("T")的例子。在階段l的加熱過程中出現(xiàn)水的汽化和甲烷的解吸附作用。地層 通過階段l的加熱可以盡可能快地進(jìn)行。當(dāng)初始加熱包含碳?xì)浠衔?的地層時，地層中的碳?xì)浠衔锝馕奖晃盏募淄??？梢詮牡貙由?產(chǎn)解吸附的甲烷。如果進(jìn)一步加熱包含碳?xì)寤衔锏牡貙?，則包含碳 氬化合物的地層中的水汽化。在某些包含碳?xì)浠衔锏牡貙又校?能占據(jù)地層中孔隙容積的10%至50%之間。在另一些地層中，水占據(jù) 孔隙容積的較大或較小部分。在地層中典型地在160。C至285。C下，在 絕對壓力600 kPa至7000 kPa之間水汽化。在某些實(shí)施例中，汽化的 水產(chǎn)生地層中濕度的變化和/或增加的地層壓力。濕度的變化和/或增 加的壓力可以影響地層中的熱解反應(yīng)或其它的反應(yīng)。在某些實(shí)施例中， 從地層產(chǎn)生汽化的水。在其它實(shí)施例中，汽化的水用于地層中或地層 外蒸汽的提取和/或蒸餾。從地層中的孔隙容積去除水和增加孔隙容積 增加了碳?xì)浠衔镌诳紫度莘e中的儲存空間。在某些實(shí)施例中，在階段l加熱之后，進(jìn)一步加熱地層，以便使 地層中的溫度達(dá)到(至少)初始的熱解溫度(諸如階段2所示的溫度 范圍低端處的溫度)。在整個階段2可以熱解地層中的碳?xì)寤衔铩?熱解溫度范圍根據(jù)地層中碳?xì)浠衔锏念愋妥兓?。該熱解溫度范圍?以包括25(TC與900。C之間的溫度。對于生產(chǎn)要求的產(chǎn)品熱解溫度范圍 可以僅延伸通過整個熱解溫度范圍的一部分。在某些實(shí)施例中，對生 產(chǎn)要求的產(chǎn)品的熱解溫度范圍可以包括250。C與400。C之間的溫度或 者270。C和350。C之間的溫度。如果地層中碳?xì)浠衔锏臏囟染徛仙?通過從250。C至400。C的溫度范圍，則當(dāng)溫度接近400。C時，熱解產(chǎn)品
的產(chǎn)生可以基本完成。碳?xì)浠衔锏钠骄鶞囟瓤梢砸孕∮?。C/天、小 于2。C/天、小于rC/天或小于0.5。C/天的速度上升通過生產(chǎn)要求的產(chǎn)品的熱解溫度范圍。以多個熱源加熱包含碳?xì)浠衔锏牡貙涌梢試@ 熱源建立熱梯度，所述熱源緩慢升高地層中碳?xì)浠衔锏臏囟韧ㄟ^熱 解溫度范圍。通過對要求產(chǎn)品的熱解溫度范圍的溫度增加速度可以影響從包含 碳?xì)浠衔锏牡貙赢a(chǎn)生的結(jié)構(gòu)流體的質(zhì)和量。緩慢地升高溫度通過對 要求的產(chǎn)品的熱解溫度范圍可以抑制地層中大鏈分子的活動。緩慢地升高溫度通過對要求的產(chǎn)品的熱解溫度范圍可以限制產(chǎn)生不希望的產(chǎn) 品的活動碳?xì)浠衔镏g的反應(yīng)。緩慢地升高地層的溫度通過對要求的產(chǎn)品的熱解溫度范圍可以允許從地層產(chǎn)生高質(zhì)量、高的API比重的 碳?xì)浠衔?。緩慢地升高地層的溫度通過對要求的產(chǎn)品的熱解溫度范 圍可以允許存在于地層中的大量碳?xì)浠衔镒鳛樘細(xì)浠衔锂a(chǎn)品的提 取。在某些現(xiàn)場轉(zhuǎn)換的實(shí)施例中，加熱地層的一部分到要求的溫度取 代緩慢加熱溫度通過溫度范圍。在某些實(shí)施例中，要求的溫度是 300°C、 325。C或350°C。也可以選擇其它溫度作為要求溫度。來自熱 源的熱的疊加允許在地層中較快和有效地建立要求的溫度。從熱源輸 入到地層中的能量可以調(diào)節(jié)以基本保持地層中要求的溫度?；旧媳?持地層的加熱部分處在要求的溫度直到熱解下降以致使從地層生產(chǎn)要 求的地層流體變得不經(jīng)濟(jì)為止。受到熱解的地層的部分可以包括通過 僅從一個熱源的熱傳遞進(jìn)入熱解溫度范圍的區(qū)域。在某些實(shí)施例中，從地層生產(chǎn)包括熱解流體的地層流體。隨著地 層的溫度升高，在生產(chǎn)的地層流體中可冷凝的碳?xì)浠衔锏牧靠赡軠p 少。在高溫下，地層可能主要產(chǎn)生甲烷和/或氫。如果在整個熱解范圍 加熱包含碳?xì)浠衔锏牡貙?，則該地層在接近熱解范圍的上限可能僅 產(chǎn)生少量的氫。在所有這些可能的氫消耗完之后，將典型地出現(xiàn)來自 該地層的最小量的流體生產(chǎn)。在碳?xì)浠衔餆峤庵螅诘貙又锌赡苋源嬖诖罅康奶己鸵恍洹?可以從地層以合成氣體的形式產(chǎn)生保留在該地層中的碳的有效部分。合成氣體的產(chǎn)生可以發(fā)生在圖1所示的階段3加熱的過程中。階段3 可以包括將包含碳?xì)浠衔锏牡貙蛹訜岬阶阋栽试S合成氣體產(chǎn)生的溫 度。例如，可以在以下溫度范圍產(chǎn)生合成氣體，即大約400。C到大約 1200°C、大約500。C到大約IIO(TC或大約550。C到大約1000°C。當(dāng)合 成氣體產(chǎn)生流體被引入到地層時，地層加熱部分的溫度確定在該地層 中產(chǎn)生的合成氣體的成份。通過一個或更多個生產(chǎn)井可以從地層去除 產(chǎn)生的合成氣體。從包含碳?xì)浠衔锏牡貙赢a(chǎn)生的流體的總能量含量在整個熱解和 合成氣體產(chǎn)生的期間保持較恒定。在較低地層溫度的熱解過程中，所 產(chǎn)生的流體的大部分可能是可冷凝的碳?xì)浠衔?，該碳?xì)浠衔锞哂?高的能量含量。但是，在較高的熱解溫度下，較少地層流體可能包括 可冷凝的碳?xì)浠衔?。可以從地層生產(chǎn)較多不可冷凝的地層流體。在 產(chǎn)生主要不可冷凝結(jié)構(gòu)流體的過程中產(chǎn)生的流體的每單位體積的能量 含量可能稍微下降。在合成氣體的產(chǎn)生過程中，產(chǎn)生的合成氣體的每 單位體積的能量含量與熱解流體的能量含量相比明顯地下降。但是， 產(chǎn)生的合成氣體的體積在許多情況下將顯著地增加，從而補(bǔ)償降低的 能量含量。圖2示出用于處理包含碳?xì)浠衔锏牡貙拥默F(xiàn)場轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的一部 分的一個實(shí)施例的示意圖。該現(xiàn)場轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以包括阻擋井208。阻 擋井208用于圍繞處理區(qū)域形成阻擋層。該阻擋層禁止流體流入或流 出該處理區(qū)域。阻擋井包括，但不局限于，去水井、真空井、收集井、 注射井、灌漿井、冷凍井或它們的組合，在圖2所示的實(shí)施例中，阻 擋井208被表示成僅沿?zé)嵩?10的一側(cè)延伸，但阻擋井典型地環(huán)繞所 有使用的、或要使用的熱源210以加熱地層的處理區(qū)域。在地層的至少一部分中放置熱源210。熱源210可以包括加熱器， 諸如絕緣的導(dǎo)體、管道中的導(dǎo)體加熱器、表面燃燒器、無火焰分布的 燃燒室式燃燒器和/或自然分布的燃燒室式燃燒器。熱源210還可以包 括其它型式的加熱器。熱源210提供熱到地層的至少一部分以加熱地
層中的碳?xì)浠衔?。通過供給線212可以將能量供給到熱源210。根 據(jù)熱源或用于加熱地層的熱源的型式供給線212在結(jié)構(gòu)上可能不同。 用于熱源的供給線212可以給電加熱器傳遞電，可以給燃燒室式燃燒 器輸送燃料，或者可以輸送在地層中循環(huán)的熱交換流體。生產(chǎn)井214用于從地層去除地層流體。在某些實(shí)施例中，生產(chǎn)井 214可以包括一個或更多個熱源。生產(chǎn)井中的熱源可以加熱生產(chǎn)井處 或其附近的地層的一個或更多個部分。生產(chǎn)井中的熱源可以禁止從地 層被去除的地層流體的凝固和回流。從生產(chǎn)井214生產(chǎn)的地層流體可以通過收集管道216輸送到處理 設(shè)備218。地層流體也可以從熱源210生產(chǎn)。例如，可以從熱源210 生產(chǎn)流體以控制鄰近熱源的地層中的壓力。從熱源210生產(chǎn)的流體可 以通過管子或管道輸送到收集管道216，或者生產(chǎn)的流體可以通過管 子或管道直接輸送到處理設(shè)備218。處理設(shè)備218可以包括分離單元、 反應(yīng)單元、改良單元、燃料電池、渦輪、存儲罐和/或用于處理生產(chǎn)的 地層流體的其它系統(tǒng)以及單元。處理設(shè)備可以從自地層生產(chǎn)的碳?xì)浠?合物的至少 一部分形成運(yùn)輸燃料。在某些現(xiàn)場轉(zhuǎn)換過程的實(shí)施例中，使用循環(huán)系統(tǒng)以加熱地層。該 循環(huán)系統(tǒng)可以是一閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)。圖3示出使用循環(huán)系統(tǒng)加熱地層的 系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)可以用于加熱在地內(nèi)較深的以及較大范圍的地 層中的碳?xì)浠衔铩Ｔ谀承?shí)施例中，該碳?xì)浠衔锟梢允堑乇硪韵?100米、200米、300米或更多。也可以4吏用該循環(huán)系統(tǒng)加熱不那么深 的地內(nèi)的碳?xì)浠衔?。該碳?xì)浠衔锟梢允窃陂L度方向延伸達(dá)500米、 750米、1000米或更多的地層中。在那種與上覆巖層厚度相比要處理 的包含碳?xì)浠衔锏牡貙拥拈L度長的地層中該循環(huán)系統(tǒng)可變成經(jīng)濟(jì)可 行的。要被加熱器加熱的碳?xì)浠衔锏貙臃秶c上覆巖層厚度之比可 以是至少3、至少5或至少10。循環(huán)系統(tǒng)的加熱器可以相對于鄰近加 熱器放置，從而使循環(huán)系統(tǒng)的加熱器之間的熱的疊加能使要升高的地 層的溫度至少在地層中含水地層流體的沸點(diǎn)以上。在某些實(shí)施例中，可以通過鉆第一井孔然后鉆與第一井孔連接的
第二井孔在地層中形成加熱器220?？梢詫⒐艿婪胖迷赨型井孔中以 形成U型加熱220。通過管道將加熱器220連接至熱傳遞流體循環(huán)系 統(tǒng)222。在閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)中可以使用高壓的氣體作為熱傳遞流體。在 某些實(shí)施例中，熱傳遞流體是二氧化碳。在要求的溫度與壓力下，二 氧化碳是化學(xué)穩(wěn)定的并且有較高的分子量，這就導(dǎo)致高的體積熱容量。 也可以使用諸如蒸汽、空氣、氦和/或氮的其它流體。進(jìn)入地層的熱傳 遞流體的壓力可以是3000 kPa或更高。高壓熱傳遞流體的^f吏用能使該 熱傳遞流體具有較高的密度，因此具有較大的傳遞熱的容量。而且， 當(dāng)?shù)谝粔毫Υ笥诘诙毫r，對于在第一壓力下熱傳遞流體以給定的 質(zhì)量流量進(jìn)入加熱器的系統(tǒng)，跨越加熱器的壓力降要比當(dāng)在第二壓力 下熱傳遞流體以相同的質(zhì)量流量進(jìn)入加熱器時的要小。熱傳遞流體循環(huán)系統(tǒng)222可以包括熱供給源224、第一熱交換器 226、第二熱交換器228和壓縮機(jī)230。熱供給源224加熱熱傳遞流體 到高溫。熱供給源224可以是爐子、太陽能收集器、反應(yīng)器、燃料電 池廢熱或者其它能夠向熱傳遞流體供熱的高溫源。在圖3所示的實(shí)施 例中，熱供給源224是爐子，該爐子加熱熱傳遞流體到以下范圍內(nèi)的 溫度，即從大約700。C到大約920。C、從大約770。C到大約870。C或從 大約800。C到大約850°C。在一個實(shí)施例中，供熱源224加熱熱傳遞流 體到大約820。C的溫度。該熱傳遞流體從供熱源224流到加熱器220。 熱從加熱器220傳遞到鄰近加熱器的地層232。離開地層232的熱傳 遞流體的溫度可能在以下范圍內(nèi)，即從大約350。C到大約580。C、從大 約400。C到大約530。C或從大約450。C到大約500°C。在一個實(shí)施例中， 離開地層232的熱傳遞流體的溫度是大約480'C。用于構(gòu)成熱傳遞流 體循環(huán)系統(tǒng)222的管道的冶金術(shù)可以變化以顯著地降低管道的成本。 從爐子224到溫度足夠低的一點(diǎn)可以使用高溫鋼，從而從那一點(diǎn)到第 一熱交換器226可以使用廉價的鋼?？梢允褂脦追N不同鋼的等級以構(gòu) 成熱傳遞流體循環(huán)系統(tǒng)222的管道。來自熱傳遞流體循環(huán)系統(tǒng)222的供熱源224的熱傳遞流體通過地 層232的上覆巖層234到碳?xì)浠衔飳?36。加熱器220延伸通過上
覆巖層234的部分可以被絕熱。在某些實(shí)施例中，絕熱層或絕熱層的 部分是聚酰亞胺絕熱材料。碳?xì)浠衔飳?36中加熱器220的入口部 分可以具有錐形的絕熱層以減少靠近加熱器進(jìn)入碳?xì)浠衔飳拥娜肟?的碳?xì)寤衔飳拥倪^熱。在某些實(shí)施例中，在上覆巖層234中管道的直徑可以小于通過碳 氫化合物層236的管道的直徑。通過上覆巖層234的較小直徑管道可 以允許較少的熱傳遞到上覆巖層。降低傳遞到上覆巖層234的熱量減 少了供給到鄰近碳氧化物層236的管道的熱傳遞流體的冷卻的量。由 于通過小直徑管道的增加的熱傳遞流體的速度在較小直徑管道中增加 的熱傳遞被較小直徑管道的較小表面積補(bǔ)償并減少熱傳遞流體在較小 直徑管道中的駐留時間。在離開地層232之后，熱傳遞流體通過第一熱交換器226和第二 熱交換器228到壓縮機(jī)230。第一熱交換器226在離開地層232的熱 傳遞流體與離開壓縮機(jī)230的熱傳遞流體之間傳遞熱以升高進(jìn)入供熱 源224的熱傳遞流體的溫度并降低離開地層232的流體的溫度。在熱 傳遞流體進(jìn)入壓縮機(jī)230之前第二熱交換器228進(jìn)一步降低熱傳遞流體的溫度o圖4示出要使用循環(huán)系統(tǒng)加熱的地層中的井孔開口的一個實(shí)施例 的平面圖。進(jìn)入地層232的熱傳遞流體入口 238與熱傳遞流體出口 240 交替。熱傳遞流體入口 238與熱傳遞流體出口 240的交替可以允許地 層232中碳?xì)浠衔锏母鶆虻募訜??？梢允褂醚h(huán)系統(tǒng)以加熱地層的一部分。地層中的生產(chǎn)井用于去 除產(chǎn)生的流體。在從地層的生產(chǎn)結(jié)束之后，可以使用該循環(huán)系統(tǒng)以回 收來自地層的熱。在熱供給源224 (圖3所示)從循環(huán)系統(tǒng)脫開之后， 熱傳遞流體可以通過加熱器220循環(huán)。該熱傳遞流體可以是與用于加 熱地層的熱傳遞流體不同的熱傳遞流體。熱從加熱的地層傳遞到熱傳 遞流體。該熱傳遞流體可以用于加熱地層的另一部分或者該熱傳遞流 體可以用于其它目的。在某些實(shí)施例中，將水引入加熱器220以產(chǎn)生 蒸汽。在某些施例中，將低溫度蒸汽引入加熱器220從而使通過加熱
器的蒸汽的通道增加蒸汽的溫度。其它的熱傳遞流體包括天然或合成的油，諸如Syltherm oil (Dow corning公司)(米德蘭市，密歇根州， 美國)，可以用于代替蒸汽或水。在某些實(shí)施例中，循環(huán)系統(tǒng)可與電加熱結(jié)合使用。在某些實(shí)施例 中，在U型井孔中管道的至少鄰近要被加熱的地層的部分的一部分由 鐵磁材料制成。例如，鄰近要加熱的地層的一層或多層的管道由9% 至13%的鉻鋼制成，諸如410不銹鋼。當(dāng)隨時間變化的電流施加到該 管道時，該管道可以是一溫度限制加熱器。該隨時間變化的電流電阻 地加熱管道，該管道加熱地層。在某些實(shí)施例中，可使用直流電流以 電阻地加熱管道，該管道加熱地層。在某些實(shí)施例中，使用循環(huán)系統(tǒng)以加熱地層到第一溫度，并使用 電能以保持地層的溫度和/或加熱地層到較高溫度。該第一溫度可足以 汽化地層中的含水地層流體。該第一溫度可是至多大約200°C、至多 大約300°C、至多大約350。C或至多大約400°C。當(dāng)^f吏用電加熱地層時， 使用循環(huán)系統(tǒng)以加熱地層到第 一溫度允許地層被干燥。加熱干燥的地 層可以最小化到該地層中的電流泄漏。在某些實(shí)施例中，可以使用循環(huán)系統(tǒng)和電加熱以將地層加熱到第 一溫度。使用循環(huán)系統(tǒng)和/或電加熱，可以保持地層，或可以從第一溫 度增加地層的溫度。在某些實(shí)施例中，地層可以使用電加熱升高到第 一溫度，并可以使用循環(huán)系統(tǒng)保持和/或升高溫度。經(jīng)濟(jì)因素、可用的 電力、用于加熱傳遞流體的燃料的可用性或其它因素可以用于確定何 時4吏用電加熱和/或循環(huán)系統(tǒng)加熱。在某些實(shí)施例中，將加熱器220在碳?xì)浠衔飳?36中的部分聯(lián) 接到引入導(dǎo)體。該引入導(dǎo)體可位于上覆巖層234中。引入導(dǎo)體可以將 碳?xì)浠衔飳?36中的加熱器220部分電聯(lián)接到地表處的一個或更多 個井頭。電絕緣體可以位于碳?xì)浠衔飳?36中的加熱器220部分與 上覆巖層234中的加熱器220部分的連接處，從而使上覆巖層中的加 熱器220部分與碳?xì)浠衔飳又械募訜崞鞑糠蛛娊^緣。在某些實(shí)施例 中，引入導(dǎo)體放置在閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)的管道內(nèi)。在某些實(shí)施例中，引入
導(dǎo)體放置在閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)的管道外面。在某些實(shí)施例中，引入導(dǎo)體是 具有諸如氧化錳的礦物絕緣材料的絕緣導(dǎo)體。該引入導(dǎo)體可以包括高度導(dǎo)電的材料，諸如銅或鋁，以在電加熱過程中減少在上覆巖層234 中的熱損失。在某些實(shí)施例中，可以使用加熱器220在上覆巖層234中的部分 作為引入導(dǎo)體。加熱器220在上覆巖層234中的部分可以電聯(lián)接到碳 氫化合物層236中的加熱器220部分。在某些實(shí)施例中，將一種或更 多種導(dǎo)電材料(諸如銅或鋁)聯(lián)接(例如，包覆或焊接)到加熱器220 在上覆巖層234中的部分以降低上覆巖層中加熱器部分的電阻。降低 上覆巖層234中加熱器220部分的電阻減少了在電加熱過程中在上覆 巖層中的熱損失。在某些實(shí)施例中，加熱器220在碳?xì)浠衔飳?36中的部分是具 有在大約600。C與大約1000。C之間自我限制溫度的溫度限制加熱器。 加熱器220在碳?xì)浠衔飳?36中的部分可以是9%至13%的鉻不銹 鋼。例如，加熱器220在碳?xì)浠衔飳?36中的部分可以是410不銹 鋼。可將隨時間變化的電流施加到加熱器220在碳?xì)浠衔飳?36中 的部分，從而使該加熱器作為溫度限制加熱器工作。圖5示出使用循環(huán)流體系統(tǒng)和/或電加熱加熱地層的一部分的系統(tǒng) 的實(shí)施例的側(cè)視圖。加熱器220的井頭242通過管道可以聯(lián)接到熱傳 遞流體循環(huán)系統(tǒng)222。井頭242也可以聯(lián)接到電力供給系統(tǒng)244。在某 些實(shí)施例中，當(dāng)^f吏用電力以加熱地層時，熱傳遞流體循環(huán)系統(tǒng)222可 以與加熱器脫開連接。在某些實(shí)施例中，當(dāng)使用熱傳遞流體循環(huán)系統(tǒng) 222加熱地層時，電力供給系統(tǒng)244與加熱器脫開連接。電力供給系統(tǒng)244可以包括變壓器246和電纜248、 250。在某些 實(shí)施例中，電纜248、 250能以低損耗輸送大電流。例如，電纜248、 250可以是粗的銅或鋁導(dǎo)體。該電纜也可以具有厚的絕緣層。在某些 實(shí)施例中，電纜248和/或電纜250可以是超導(dǎo)電纜?？梢杂靡旱鋮s 該超導(dǎo)電纜。超導(dǎo)電纜可從Superpower公司(斯卡奈塔第市，紐約 州，美國)獲得。超導(dǎo)電纜可以最小化功率耗損和/或減小將變壓器246
聯(lián)接到加熱器所需的電纜尺寸。溫度限制加熱器可以被構(gòu)造成和/或可以包括對在某些溫度下為 加熱器提供自動溫度限制特性的材料。在某些實(shí)施例中，在溫度限制 加熱器中使用鐵磁材料。鐵磁材料在或接近材料的居里溫度處可自我 限制溫度，以當(dāng)隨時間變化的電流施加到該材料時提供在或接近居里 溫度處減少的熱量。在某些實(shí)施例中，在選擇的接近居里溫度的溫度 下鐵磁材料自我限制溫度限制加熱器的溫度。在某些實(shí)施例中，該選擇的溫度是居里溫度的35。C以內(nèi)、25。C以內(nèi)、20。C以內(nèi)或10。C以內(nèi)。 在某些實(shí)施例中，鐵磁材料與其它材料(例如，高導(dǎo)電材料、高強(qiáng)度 材料、抗腐蝕材料或它們的組合)聯(lián)接以提供各種電和/或機(jī)械特性。 溫度限制加熱器的某些部分可具有比該溫度限制加熱器的其它部分低 的電阻(由不同幾何形狀和/或由使用不同的鐵磁和/或非鐵磁材料所 造成的)。具有各種材料和/或尺寸的溫度限制加熱器的部分允許設(shè)計(jì) 從加熱器每個部分的要求的熱輸出。溫度限制加熱器可以比其它加熱器更可靠。溫度限制加熱器可以 較不易于由于地層中的熱點(diǎn)出現(xiàn)故障或損壞。在某些實(shí)施例中，溫度 限制加熱器能使地層被基本上均勻地加熱。在某些實(shí)施例中，溫度限 制加熱器能夠通過沿整個加熱器的長度在較高的平均熱輸出下工作， 更高效地加熱地層。該溫度限制加熱器在沿加熱器的整個長度的較高 平均熱輸出下工作，因?yàn)槿绻丶訜崞魅魏我稽c(diǎn)的溫度超過、或者要 超過加熱器的最大工作溫度，由于這是具有典型恒定功率加熱器的情 況，給加熱器的功率不一定要降低到整個加熱器。從溫度限制加熱器 接近加熱器居里溫度的部分的熱輸出自動地降低而不需要受控制地調(diào) 節(jié)施加到該加熱器的隨時間變化的電流。由于溫度限制加熱器的部分 的電特性(例如，電阻)的改變，熱輸出自動地降低。因此，在加熱 處理的較大部分的過程中由溫度限制加熱器供給較大功率。在某些實(shí)施例中，當(dāng)由隨時間變化的電流對溫度限制加熱器供能 時，包括溫度限制加熱器的系統(tǒng)起初提供第一熱輸出然后在接近、處 在加熱器電阻部分的居里溫度、或居里溫度以上提供降低的熱輸出(第 二熱輸出)。該第一熱輸出是在該溫度以下溫度限制加熱器開始自我 限制的溫度的熱輸出。在某些實(shí)施例中。第一熱輸出是在溫度限制加熱器中鐵磁材料的居里溫度以下50。C、 75。C、 100。C或125。C的溫度下 的熱輸出。該溫度限制加熱器可以由在井頭供給的隨時間變化的電流(交流 或調(diào)制直流)供能。該井頭可以包括在向溫度限制加熱器供給電力中 使用的電源和其它部件(例如，調(diào)制部件、變壓器和/或電容器)。該 溫度限制加熱器可以是用于加熱地層的一部分的許多加熱器中的一 個。在某些實(shí)施例中，溫度限制加熱器包括一導(dǎo)體，當(dāng)施加隨時間變 化的電流到該導(dǎo)體時，該導(dǎo)體作為趨膚效應(yīng)或鄰近效應(yīng)加熱器工作。 趨膚效應(yīng)限制電流穿透到導(dǎo)體內(nèi)部中的深度。對于鐵磁材料，趨膚效 應(yīng)由導(dǎo)體的磁滲透性控制。鐵磁材料的相對磁滲透性典型地是在10 與1000之間(例如，鐵磁材料的相對磁滲透性典型地至少是10并且 可能至少是50、 100、 500、 1000或更大)。隨著鐵磁材料的溫度升高 到居里溫度以上和/或隨著施加的電流增加，鐵磁材料的磁滲透性顯著 地降低并且趨膚深度迅速擴(kuò)大(例如，趨膚深度隨磁滲透性的平方根 的倒數(shù)擴(kuò)大)。磁滲透性的減少導(dǎo)致導(dǎo)體接近、在居里溫度或居里溫 度以上和/或隨著施加的電流增加AC或調(diào)制DC電阻的降低。當(dāng)由基 本上恒定的電流源為溫度限制加熱器供給電力時，加熱器的接近、達(dá) 到或在居里溫度以上的部分可具有降低的熱擴(kuò)散。溫度限制加熱器不 在或不接近居里溫度的段可能由趨膚效應(yīng)加熱控制，該趨膚效應(yīng)加熱 允許該加熱器由于較高的電阻負(fù)載具有高的熱擴(kuò)散。使用溫度限制加熱器加熱地層中碳?xì)浠衔锏囊粋€優(yōu)點(diǎn)是選擇導(dǎo) 體以具有在要求的溫度運(yùn)行范圍中的居里溫度。在要求的工作溫度范 圍內(nèi)運(yùn)行允許相當(dāng)大的熱注入到地層中，同時保持溫度限制器以及其 它設(shè)備的溫度在設(shè)計(jì)限制溫度以下。設(shè)計(jì)限制溫度是在該溫度下諸如 腐蝕、蠕變和/或變形的特性受不利的影響的溫度。溫度限制加熱器的 溫度限制特性阻止鄰近地層中低導(dǎo)熱性"熱點(diǎn)"的加熱器的過熱或燒
毀。在某些實(shí)施例中，溫度限制加熱器能根據(jù)在加熱器中使用的材料降低或控制熱輸出和/或經(jīng)受在25°C、 37。C、 100。C、 250。C、 500。C、 700°C、 800°C、卯0。C或更高達(dá)1131。C以上溫度處的熱。溫度限制加熱器允許比恒定功率加熱器多的熱注入到地層中，因 為輸入到溫度限制加熱器中的能量不必要被限制到以適應(yīng)鄰近加熱器 的低導(dǎo)熱性區(qū)域。例如，在Green River油頁巖中最低富油頁巖層和 最高富油頁巖層的導(dǎo)熱性中存在至少系數(shù)3的差別。當(dāng)加熱這種地層 時，傳遞到具有溫度限制加熱器的地層的熱要明顯多于具有傳統(tǒng)加熱 器的地層的，該傳統(tǒng)加熱器受到在低導(dǎo)熱性層處的溫度的限制。沿傳 統(tǒng)加熱器的整個長度的熱輸出需要適應(yīng)低導(dǎo)熱性層，從而使該加熱器 在低導(dǎo)熱性層不會過熱和燒毀。鄰近處于高溫的低導(dǎo)熱性層的熱輸出 對于溫度限制加熱器將減少，但是不處于高溫的溫度限制加熱器的其 余部分將仍提供高的熱輸出。因?yàn)榧訜崽細(xì)浠衔锏貙拥募訜崞鞯湫?地具有長的長度(例如，至少10米、100米、300米，至少500米、 1000米或更長達(dá)10000米)，溫度限制加熱器的長度的大部分可以在 居里溫度以下工作，同時僅一小部分是在或接近溫度限制加熱器的居 里溫度。溫度限制加熱器的使用允許熱到地層的高效傳遞。熱的高效傳遞 允許將地層加熱到要求溫度所需時間的減少。對于相同的加熱器間隔， 溫度限制加熱器可以允許較大的平均熱輸出同時保持加熱器設(shè)備的溫 度在設(shè)備設(shè)計(jì)的限制溫度以下。通過由溫度限制加熱器提供的較大平 均熱輸出在地層中的熱解可比通過由恒定功率加熱器提供的較低平均 熱輸出在較早的時間出現(xiàn)。由于不精確的井間隔或加熱器井在一起靠 得太近的鉆井溫度限制加熱器抵消熱點(diǎn)。在某些實(shí)施例中，溫度限制 加熱器對于已經(jīng)間隔太遠(yuǎn)的加熱器井允許超時增加的功率輸出，或者 對間隔太近的加熱器井限制功率輸出。溫度限制加熱器還在鄰近上覆 巖層和下層的區(qū)域中供給較大功率以補(bǔ)償在這些區(qū)域中溫度的損失。溫度限制加熱器可有利地在許多類型的地層中使用。例如，在瀝 青砂地層或者包含重碳?xì)浠衔锏妮^可滲透的地層中，溫度限制加熱
器可用于提供可控低溫輸出以降低流體、移動流體的粘度，和/或在或 接近井孔處或地層中增大流體的徑向流動。溫度限制加熱器可用于阻 止由于地層的接近井孔區(qū)域的過熱的超焦化地層。在某些實(shí)施例中，溫度限制加熱的使用消除或減少對昂貴溫度控 制回路的需要。例如，溫度限制加熱器的使用消除或減少對實(shí)施溫度 記錄的需要和/或?qū)υ诩訜崞魃鲜褂霉潭ǖ臒犭娕家员O(jiān)測熱點(diǎn)處的可 能過熱的需要。在溫度限制加熱器中使用的 一種或多種鐵磁合金確定加熱器的居 里溫度。鐵磁導(dǎo)體可以包括一種或更多種鐵磁元素(鐵、鈷和鎳)和/或這些元素的合金。在某些實(shí)施例中，鐵磁導(dǎo)體包括含鴒(w)的鐵—鉻(Fe—Cr)合金(例如，HCM12A和SAVE12 (日本Sumitomo 金屬公司))和/或包含鉻的鐵合金(例如，F(xiàn)e—Cr合金、Fe—Cr一W 合金、Fe—Cr一V (釩)合金、Fe—Cr一Nb (鈮)合金)。這三種主 要鐵磁元素中，鐵具有770。C的居里溫度；鈷具有1131。C的居里溫度； 以及鎳具有近似358。C的居里溫度。鐵一鈷合金具有比鐵的居里溫度 高的居里溫度。例如具有2%重量鈷的鐵一鈷合金具有800。C的居里溫 度；具有12%重量鈷的鐵_鈷合金具有900。C的居里溫度；以及具有 20%重量鈷的鐵一鈷合金具有950。C的居里溫度。鐵一鎳合金具有比 鐵的居里溫度低的居里溫度。例如，具有20%重量鎳的鐵一鎳合金具 有72(TC的居里溫度，而具有60%重量鎳的鐵_鎳合金具有560。C的 居里溫度。某些非鐵磁元素提高鐵的居里溫度。例如，具有5.9%重量釩的鐵 一釩合金具有大約815。C的居里溫度。其它非鐵磁元素(例如，碳、 鋁、銅、硅和/或鉻)可與鐵或其它鐵磁材料熔成合金以降低居里溫度。 升高居里溫度的非鐵磁材料可以與降低居里溫度的非鐵磁材料組合并 與鐵或其它鐵磁材料熔成合金以產(chǎn)生具有要求的居里溫度和其它物理 和/或化學(xué)特性的材料。在某些實(shí)施例中，居里溫度材料是一種鐵氧體， 如NiFe204。在另一些實(shí)施例中，居里溫度材料是一種雙元素化合物， 諸如FeNi3或Fe3Al。 溫度限制加熱器的某些實(shí)施例可以包括多種鐵磁材料。這種實(shí)施 例處在此處描述的實(shí)施例的范圍以內(nèi)，只要此處描的任何條件適用于 溫度限制加熱器中的鐵磁材料的至少一種。當(dāng)接近居里溫度時鐵磁特性通常削弱。自我限制溫度可少許在鐵 磁導(dǎo)體的實(shí)際居里溫度以下。在1。/。碳鋼中電流的趨膚深度在室溫下是0.132厘米，而在720。C時增加到0.445厘米。從720。C到730。C，趨膚深度陡增到超過2.5厘米。因此，使用1%碳鋼的溫度限制加熱器實(shí)施例在650。C到73(TC之間開始自我限制。趨膚深度通常限定隨時間變化的電流到導(dǎo)電材料中的有效膚深。通常，電流密度隨沿導(dǎo)體的半徑從外表面到中心的距離指數(shù)地降低。在該深度處電流密度近似為表面電流密度的l/e的深度稱為趨膚深度。對于直徑遠(yuǎn)大于有效膚深的實(shí)心的圓柱桿或者對于壁厚超過有效膚深的空心圓筒，趨膚深度5是(1)S=1981.5*[p/ ( n*f)'/2式中 8=趨膚深度(英寸)；p二工作溫度下的電阻率(歐姆-厘米)；H-相對磁導(dǎo)率；以及 f-頻率(赫茲)。從"工業(yè)電加熱手冊，，(作者C.James Erickson， IEEE出版社， 1995)得到式(1)。對大多數(shù)金屬，電阻率(p)隨溫度增加。相對 磁導(dǎo)率通常隨溫度和電流變化?？梢岳昧硗獾墓皆u估磁導(dǎo)率和/ 或趨膚深度對溫度和/或電流二者的變化。n對電流的依賴關(guān)系可以從 li對磁場的依賴關(guān)系產(chǎn)生?？梢赃x擇在溫度限制加熱器中使用的材料以提供要求的調(diào)節(jié)比。 對于溫度限制加熱器可以選擇至少1.1: 1、 2: 1、 3: 1、 4: 1、 5: 1、 10: 1、 30: 1或50: 1的調(diào)節(jié)比。也可以4吏用更大的調(diào)節(jié)比。選擇的 調(diào)節(jié)比可取決于許多因素，包括，但不局限于，在其中放置溫度限制 加熱器的地層類型(例如，較高調(diào)節(jié)比可以用于在富與貧油頁巖之間 導(dǎo)熱性具有大的差別的油頁巖地層)和/或在井孔中使用的材料的溫度
限制(例如，加熱器材料的溫度限制)。在某些實(shí)施例中，通過將額 外的銅或其它好的導(dǎo)電體聯(lián)接到鐵磁材料增加調(diào)節(jié)比(例如，添加銅 以降低居里溫度以上的電阻)。該溫度限制加熱器可以在加熱器的居里溫度以下提供最小的熱輸出(功率輸出)。在某些實(shí)施例中，該最小的熱輸出是至少400瓦/ 米(瓦每米)、600瓦/米、700瓦/米、800瓦/米或更高達(dá)2000瓦/米。 當(dāng)加熱器的段的溫度接近或在居里溫度以上時，溫度限制加熱器降低 通過加熱器的該段輸出的熱量。降低的熱量可以基本小于低于居里溫 度的熱輸出。在某些實(shí)施例中，降低的熱量是至多400瓦/米、200瓦/ 米、100瓦/米或可接近0瓦/米。在某些實(shí)施例中，調(diào)節(jié)AC頻率以改變鐵磁材料的趨膚深度。例 如，在室溫下在60赫茲時1%碳鋼的趨膚深度是0.132厘米、在180 赫茲是0.076厘米以及在440赫茲是0.046厘米。由于加熱器直徑典型 地是大于趨膚深度的二倍，因此使用較高的頻率(并因此具有較小直 徑的加熱器)降低了加熱器的成本。對于固定的幾何形狀，較高的頻 率導(dǎo)致較高的調(diào)節(jié)比。在較高頻率處的調(diào)節(jié)比通過較高頻率的平方根 乘較低頻率時的調(diào)節(jié)比被較低頻率除來計(jì)算。在某些實(shí)施例中，使用 100赫茲與1000赫茲之間、140赫茲與200赫茲之間或400赫茲與600 赫茲之間的頻率(例如，180赫茲、540赫茲或720赫茲)。在某些實(shí) 施例中，可以使用高頻。該頻率可以大于1000赫茲。在某些實(shí)施例中，可以使用調(diào)制的直流(例如，截?cái)嘀绷?、波?調(diào)制直流或循環(huán)直流)以向溫度限制加熱器提供電功率。直流調(diào)制器 或直流截?cái)嗥骺梢月?lián)接到直流電源以提供調(diào)制直流的輸出。在某些實(shí) 施例中，直流電源可以包括用于調(diào)制直流的裝置。直流調(diào)制器的一個 例子是直流到直流的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。直流到直流的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)通常在技 術(shù)上是已知的。將直流典型地調(diào)制或截?cái)喑蔀橐蟮牟ㄐ?。用于直?調(diào)制的波形包括，但不局限于，方波、正弦波、變形的正弦波、變形 的方波、三角波以及其它規(guī)則或不規(guī)則的波形。調(diào)制的直流波形通常限定調(diào)制直流的頻率。因此，可以選擇調(diào)制
的直流波形以提供要求的調(diào)制直流的頻率。調(diào)制直流波形的調(diào)制的形 狀和/或速率(諸如截?cái)嗟乃俾?可以變化以改變調(diào)制的直流頻率?？?以在高于通常可用的交流頻率的頻率下調(diào)節(jié)直流。例如，可以在至少IOOO赫茲的頻率下提供調(diào)制的直流。增加供給的電流的頻率到較高值有利地增加溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比。在某些實(shí)施例中，調(diào)節(jié)或改變調(diào)制直流的波形以改變調(diào)制直流的 頻率。直流調(diào)制器在使用溫度限制加熱器的過程中的任何時間以及在 高電流或高電壓下能夠調(diào)節(jié)或變換調(diào)制的直流波形。因此，提供給溫 度限制加熱器的調(diào)制直流不局限于單一頻率或者甚至一小套頻率值。 使用直流調(diào)制器的波形選擇典型地允許調(diào)制直流頻率的寬范圍并允許 調(diào)制直流頻率的離散控制。因此，調(diào)制直流頻率較容易地設(shè)定在一個 特殊的值而交流頻率通常局限于線性頻率的倍數(shù)。調(diào)制的直流頻率的 離散控制允許在整個溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比上更多選擇的控制。能 夠選擇地控制溫度限制加熱器的調(diào)節(jié)比允許要在設(shè)計(jì)和構(gòu)造溫度限制 加熱器中使用的材料的較寬的范圍。在某些實(shí)施例中，調(diào)節(jié)調(diào)制的直流頻率或交流頻率以補(bǔ)償溫度限 制加熱器在使用過程中特性(例如，表面狀態(tài)，如溫度或壓力)的改 變?；谠u估的井下狀態(tài)改變提供到溫度限制加熱器的調(diào)制直流頻率 或交流頻率。例如，隨著井孔中溫度限制加熱器的溫度增加，有利的 是增加提供到加熱器的電流的頻率，因此增加加熱器的調(diào)節(jié)比。在一 個實(shí)施例中，評估在井孔中溫度限制加熱器的井下溫度。在某些實(shí)施例中，改變調(diào)制直流頻率或交流頻率，以調(diào)節(jié)溫度限 制加熱器的調(diào)節(jié)比?？梢哉{(diào)節(jié)調(diào)節(jié)比以補(bǔ)償沿溫度限制加熱器長度出 現(xiàn)的熱點(diǎn)。例如，因?yàn)樵谀承┪恢脺囟认拗萍訜崞髯兊眠^熱而增加調(diào) 節(jié)比。在某些實(shí)施例中，改變調(diào)制直流頻率或交流頻率，以調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 比而不評估地下狀態(tài)。在某些循環(huán)系統(tǒng)實(shí)施例中，由于材料的特性，鄰近要加熱的地層部分的管道部分是9%至13%鉻不銹鋼，如410不銹鋼。410不銹鋼 管道較便宜且容易得到。410不銹鋼是鐵磁材料，所以如果對管道施加隨時間變化的電流以電阻地加熱該管道，則該管道將是一溫度限制加熱器。而且，410不銹鋼的硫化作用的速度是較低的，并且該速度 隨著溫度至少在從大約530。C到650。C的范圍內(nèi)增加而降低。該硫化作 用的特征使得410不銹鋼對于在現(xiàn)場轉(zhuǎn)換過程中的使用是一種好材 料。圖6示出對直徑2.54厘米、長1.8米的實(shí)心410不銹鋼桿在施加 不同電流時電阻(mil)對溫度(。C )的數(shù)據(jù)。曲線252、 254、 256、 258和260表示410不銹鋼桿在40安交流(曲線258 ) 、 70安交流(曲 線260) 、 140安交流(曲線252) 、 230安交流(曲線254)以及IO 安直流(曲線256)時作為溫度的函數(shù)的電阻分布圖。對于施加140 安和230安的交流電流，電阻隨溫度增加而逐漸增加，直到達(dá)到居里 溫度。在居里溫度處，電阻陡降。反之，對施加的直流示出隨溫度通 過居里溫度逐漸增加的電阻。圖7示出對直徑2.54厘米、長1.8米的實(shí)心410不銹鋼桿在施加 不同交流電流時趨膚深度值(厘米)對溫度(°C)的數(shù)據(jù)。用式(2) 來計(jì)算趨膚深度，(2 ) 一R廣R^ ( 1- (1/RAC/RDC ) ) 1/2式中6是趨膚深度，R!是圓柱體的半徑，RAC是交流電阻，以及Rdc是直流電阻。在圖7中，曲線262-282示出對于施加的交流電流在50 安至500安的范圍上(262: 50安；264: 100安；266: 150安；268: 200安；270: 250安；272: 300安；274: 350安；278: 400安；280: 450安；282: 500安)時作為溫度的函數(shù)的趨膚深度的分布圖。對于 每一個施加的交流電流，趨膚深度隨著溫度增加到達(dá)到居里溫度而逐 漸增加。在居里溫度處，趨膚深度陡增。圖8示出對于2.5厘米實(shí)心410不銹鋼桿和2.5厘米實(shí)心304不銹 鋼桿的溫度(。C)對時間(小時)的對數(shù)的數(shù)據(jù)。在施加恒定的交流 電流時，每根桿的溫度隨時間增加。曲線284表示對于置于304不銹 鋼桿的外表面上和絕緣層下面的熱電偶的數(shù)據(jù)。曲線286表示置于沒 有絕緣層的304不銹鋼桿的外表面上的熱電偶數(shù)據(jù)。曲線288表示對
于置于410不銹鋼桿的外表面上和絕緣層下面的熱電偶的數(shù)據(jù)。曲線 290表示對于置于沒有絕緣層的410不銹鋼桿的外表面上的熱電偶的 數(shù)據(jù)。各曲線的比較表明304不銹鋼桿的溫度(曲線284和286)增 加要比410不銹鋼桿的溫度(曲線288和290 )更快。304不銹鋼桿的 溫度(曲線284和286)也達(dá)到比410不銹鋼桿的溫度(曲線288和 290 )更高的值。410不銹鋼桿的非絕緣部分(曲線290 )與410不銹 鋼桿的絕緣部分(曲線288)之間的溫度差要小于304不銹鋼桿的非 絕緣部分(曲線286)與304不銹鋼桿的絕緣部分(曲線284)之間的 溫度差。304不銹鋼桿的溫度在實(shí)驗(yàn)的末尾增加(曲線284和286 )而 410不銹鋼桿的溫度已經(jīng)變成水平(曲線288和290)。因此，410不 銹鋼桿(溫度限制加熱器)在(由于絕緣)存在變化的熱負(fù)荷的情況 下提供比304不銹鋼桿(非溫度限制加熱器)更好的溫度控制。本發(fā)明的各方面的進(jìn)一步修改與替代實(shí)施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員 在考慮本說明時將是顯而易見的。因而，本說明僅作為示例并為了教 導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施本發(fā)明的一般方式的目的。應(yīng)該理解，此處表 示和描述的本發(fā)明的形式是作為優(yōu)選實(shí)施例?？梢灾脫Q此處的說明與 描述的元素和材料，零件和過程可以顛倒，同時可以獨(dú)立地利用本發(fā) 明的某些特征，所有這些對于本領(lǐng)域技術(shù)人員具有本發(fā)明描述的益處 之后將是顯而易見的。此處描述的元素可進(jìn)行改變而不偏離如以下權(quán) 利要求中描述的本發(fā)明的精神和范圍。此外，應(yīng)該理解，在某些實(shí)施 例中，可以組合此處獨(dú)立地描述的各個特征。
權(quán)利要求
1、一種用于從地下地層生產(chǎn)碳?xì)浠衔锏默F(xiàn)場轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個在地層中的u形井孔；置于所述u形井孔的至少兩個中的管道；聯(lián)接到所述管道的流體循環(huán)系統(tǒng)，其中所述流體循環(huán)系統(tǒng)被構(gòu)造成使熱的熱傳遞流體循環(huán)通過管道的至少一部分以形成地層的至少一個被加熱的部分；以及電源，其中所述電源被構(gòu)造成提供電流到管道的至少位于地層中上覆巖層之下的一部分，以電阻地加熱管道的至少一部分，并且其中熱從管道傳遞到地層。
2、 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中在井孔的至少兩個中的管道允 許熱的疊加。
3、 如權(quán)利要求1或2的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中熱傳遞流體包括 二氧化碳、蒸汽和/或氦。
4、 如權(quán)利要求1-3的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中熱傳遞流體包括油。
5、 如權(quán)利要求l-4任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中管道的至少鄰近地層 的待被加熱的一部分的部分包括鐵磁材料。
6、 如權(quán)利要求l-5任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括聯(lián)接到至少一個井 孔中的管道的至少一個引入導(dǎo)體。
7、 如權(quán)利要求l-6任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中管道上的熱傳遞流體 通過其引入到地層中的一部分在上覆巖層中具有比在上覆巖層之下的 管道部分小的直徑。
8、 如權(quán)利要求l-7任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中電源被構(gòu)造成提供較 恒定的量的隨時間變化的電流。
9、 如權(quán)利要求l-8任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括絕緣管道的至少延 伸通過上覆巖層的一部分。
10、 如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中電源是交流或直流的。
11、 一種使用權(quán)利要求l-10任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)加熱地下地層的方 法，所述方法包4舌力口熱熱傳遞流體；使熱傳遞流體循環(huán)通過地層中的管道以加熱地層的在上覆巖層之 下的部分；以及施加電流到管道的至少 一部分以電阻地加熱所述管道。
12、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中循環(huán)和/或施加電流加熱地 層的所述部分至最高200°C、最高300。C、最高350。C或最高400。C的 第一溫度。
13、 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括施加電流和/或循環(huán)熱傳 遞流體以將地層的溫度從第 一溫度增加到第二溫度。
14、 如權(quán)利要求11-13任一項(xiàng)所述的方法，還包括通過使水循環(huán) 通過管道來從纟皮加熱的地層回收熱。
15、 一種用于從地下地層生產(chǎn)碳?xì)浠衔锏默F(xiàn)場轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述 系統(tǒng)包括地層中的多個井孔；置于井孔的至少兩個中的管道，其中所述管道的一部分延伸通過 地層的上覆巖層；以及聯(lián)接到所述管道的流體循環(huán)系統(tǒng)，其中所述流體循環(huán)系統(tǒng)被構(gòu)造 成使熱的熱傳遞流體循環(huán)通過管道以形成地層的至少一個被加熱的部 分。
16、 從地下地層生產(chǎn)流體的方法，所述方法包括使用如權(quán)利要求 1-10或15所述的系統(tǒng)或者如權(quán)利要求11-14任一項(xiàng)所述的方法加熱地 下地層。
17、 一種合成物，所述合成物包括使用如權(quán)利要求l-10任一項(xiàng)或 權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)或者使用如權(quán)利要求11-14任一項(xiàng)或權(quán)利要求 16所述的方法從地下地層生產(chǎn)的碳?xì)浠衔铩?br> 18、 一種包括碳?xì)浠衔锏倪\(yùn)輸燃料，所述運(yùn)輸燃料從如權(quán)利要 求17所述的合成物制成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于從地下地層生產(chǎn)碳?xì)浠衔锏默F(xiàn)場轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括地層中的多個u型井孔；置于u型井孔的至少兩個中的管路；聯(lián)接到該管路的流體循環(huán)系統(tǒng)，以及電源。該流體循環(huán)系統(tǒng)被構(gòu)造成使熱的熱傳遞流體循環(huán)通過管路的至少一部分以形成地層的至少一個被加熱的部分。該電源被構(gòu)造成向管路(220)的至少位于地層中上覆巖層之下的一部分提供電流以電阻地加熱管路的至少一部分并且熱從管路傳遞到地層。本發(fā)明還提供使用現(xiàn)場轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以從地下地層生產(chǎn)碳?xì)浠衔锏姆椒ā?br> 文檔編號E21B43/24GK101163858SQ200680013121
公開日2008年4月16日 申請日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者C·L·桑德伯格, H·J·維納加爾, T·D·福勒, W·肖貝爾 申請人:國際殼牌研究有限公司