DE602005006115T2

DE602005006115T2 - Verringerung der viskosität von öl zur gewinnung aus einer kohlenwasserstoffhaltigen formation

Info

Publication number: DE602005006115T2
Application number: DE602005006115T
Authority: DE
Inventors: Guillermo Houston PASTOR-SANZ; Harold J. Bellaire VINEGAR
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2025-04-23
Also published as: EP1738052A1; CN1946918B; CN1954131A; WO2005106195A1; US7424915B2; MXPA06011960A; JP4806398B2; US7320364B2; US20050269092A1; ZA200608169B; EP1738058A1; US7353872B2; DE602005006116D1; US7357180B2; CN1946919B; EA200601956A1; CA2563525C; ATE414840T1; CA2564515A1; ZA200608260B

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Systeme zur Förderung von Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff und/oder anderen Produkten aus verschiedenen unterirdischen Formationen, wie z. B. kohlenwasserstoffhaltigen Formationen. Bestimmte Ausführungsformen beziehen sich auf Verfahren und Systeme zur Reduktion der Viskosität von schweren Kohlenwasserstoffen in unterirdischen Formationen und die Förderung von schweren Kohlenwasserstoffen.
Beschreibung des Technischen Gebietes
Kohlenwasserstoffe, die aus unterirdischen Formationen erhalten werden, werden oft als Energiequellen, als Einsatzstoffe und als Verbrauchsgüter verwendet. Die Sorge über eine Ausbeutung vorhandener Kohlenwasserstoffressourcen und Überlegungen hinsichtlich der Abnahme der Gesamtqualität von geförderten Kohlenwasserstoffen haben zur Entwicklung von Verfahren für eine effizientere Gewinnung, Verarbeitung und/oder Verwendung von vorhandenen Kohlenwasserstoffressourcen geführt. In situ-Verfahren können verwendet werden, um Kohlenwasserstoff-Materialien aus unterirdischen Formationen zu entfernen. Chemische und/oder physikalische Eigenschaften von Kohlenwasserstoff-Material in einer unterirdischen Formation müssen unter Umständen verändert werden, um Kohlenwasserstoff-Material einfacher aus der unterirdischen Formation entfernen zu können. Die chemischen und physikalischen Änderungen können in situ-Reaktionen, die entfernbare Fluide erzeugen, Änderungen in der Zusammensetzung, Löslichkeitsänderungen, Änderungen der Dichte, Phasenänderungen und/oder Viskositätsänderungen des Kohlenwas serstoff-Materials in der Formation umfassen. Ein Fluid kann ein Gas, eine Flüssigkeit, eine Emulsion, eine Aufschlämmung, und/oder ein Strom von festen Partikeln mit Strömungseigenschaften ähnlich einem Flüssigkeitsstrom sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
Große Vorkommen von schweren Kohlenwasserstoffen (z. B. Schweröl und/oder Teer), die in relativ durchlässigen Formationen enthalten sind, sind in Nordamerika, Südamerika, Afrika und Asien zu finden. Teer kann im Tageabbau gewonnen und zu leichteren Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Rohöl, Naphtha, Petroleum und/oder Gasöl, veredelt werden. Oberflächenverfahren können ferner Bitumen von Sand trennen. Das abgetrennte Bitumen kann mit Hilfe herkömmlicher Raffinerieverfahren in leichte Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden. Der Abbau und das Veredeln von Teersand ist üblicherweise wesentlich kostspieliger als die Förderung von leichteren Kohlenwasserstoffen aus herkömmlichen Öllagerstätten.
Die in situ-Förderung von Kohlenwasserstoffen aus Teersanden kann durch Erhitzen und/oder Injizieren eines Gases, wie z. B. Wasserdampf, in die Formation bewerkstelligt werden. Die US-Patente Nr. 5 211 230 an Ostapovich et al. und 5 339 897 an Leaute beschreiben ein horizontales Förderbohrloch, das in einer ölhaltigen Lagerstätte angeordnet ist. Ein vertikales Injektionsbohrloch wird verwendet, um ein oxidierendes Gas für eine in situ-Verbrennung in die Lagerstätte zu injizieren.
Das US-Patent Nr. 2 780 450 an Ljungstrom beschreibt die „in situ"-Erhitzung (d. h. mit den im Boden ungestörten Ölschichten), um die dicke, teerartige Substanzen in wertvolle Öle und Gase umzuwandeln oder zu cracken.
Das US-Patent Nr. 4 597 441 an Ware et al. beschreibt das gleichzeitige Inkontaktbringen von Öl, Hitze und Wasserstoff in einer Lagerstättenformation, um wirkungsvoll eine Hydrierung und/oder Hydrogenolyse auszuführen und die Gewinnung des Öls zu verbessern.
Das US-Patent Nr. 5 046 559 an Glandt beschreibt das elektrische Vorerhitzen eines Teiles einer Teersandformation zwischen einem Injektor-Bohrloch und einem Fördersonden-Bohrloch. Wasserdampf wird in die Formation injiziert, um Kohlenwasserstoffe zu fördern.
Das US-Patent Nr. 5 060 726 an Glandt et al. beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Räumung von Lagerstätten von dickem Teersand durch Vorerhitzen von dünnen, relativ gut leitenden Schichten mit horizontalen Elektroden und Wasserdampfstimulierung. Das Vorerhitzen wird fortgesetzt, bis die Viskosität des Teers in einer dünnen vorerhitzten Zone benachbart zu den gut leitenden Schichten ausreichend reduziert ist, um eine Wasserdampfinjektion in die Teersandlagerstätte zu gestatten. Danach wird die gesamte Lagerstätte durch Wasserdampffluten geräumt. Die internationale Patentanmeldung WO 03/040 513 offenbart ein Verfahren zum Erhitzen einer kohlenwasserstoffhaltigen Formation mit einem elektrischen Heizgerät und/oder einem verbrennbaren Gas, das in ein Heizgerätebohrloch injiziert wird, welches Kohlenwasserstoffe aus der Formation verbrennt, um Hitze zu erzeugen.
Das Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus dem US-Patent 4 228 853 bekannt, das ein elektrisches Heizgerät in einem Rohöl-Förderbohrloch, in das auch ein Fördergas injiziert wird, um die Ölförderung zu steigern, offenbart. Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß das injizierte Fördergas und die geförderten Kohlenwasserstoffe eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit aufweisen, so daß das elektrische Heizgerät an einigen Punkten abgekühlt wird, während an anderen Punkten heiße Stellen vorhanden sind, die ein Überhitzen und einen Ausfall des elektrischen Heizgerätes verursachen können.
Viele unterirdische Formationen mit schweren Kohlenwasserstoffen sind derzeit zur Förderung von schweren Kohlenwasserstoffen nicht brauchbar. Der Grund hierfür kann darin liegen, daß die schweren Kohlenwasserstoffe eine zu hohe Viskosität für übliche Förderverfahren, wie z. B. Gasförderung, aufweisen und/oder daß die Verfahren zum Erhitzen der schweren Kohlenwasserstoffe unzuverlässig und/oder wirtschaftlich nicht realisierbar sind. Es besteht somit Bedarf an zuverlässigen, wirtschaftlich realisierbaren Systemen und Verfahren zur Reduzierung der Viskosität von schweren Kohlenwasserstoffen, so daß die schweren Kohlenwasserstoffe aus unterirdischen Formationen gefördert werden können, die andernfalls nicht zur Förderung von schweren Kohlenwasserstoffen verwendet würden.
Zusammenfassung
Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Behandeln einer kohlenwasserstoffhaltigen Formation vor, welches umfaßt: Anlegen eines elektrischen Stromes an einen oder mehrere elektrische Leiter, die in einer Öffnung in der kohlenwasserstoffhaltigen Formation angeordnet sind, um einen elektrischen Widerstands-Hitzeaustrag zu erzielen;
Gestatten, daß die Hitze von den elektrischen Leitern auf einen Teil der Formation, die Kohlenwasserstoffe enthält, übertragen wird, so daß eine Viskosität der Kohlenwasserstoffe in dem Teil an oder nahe der Öffnung in der Formation reduziert wird;
Bereitstellen von Fördergas an einer oder mehreren Stellen in der Öffnung, um die Dichte der Kohlenwasserstoffe zu reduzieren, so daß die Kohlenwasserstoffe in der Öffnung durch den Formationsdruck gegen die Oberfläche der Formation angehoben werden; und
Fördern der Kohlenwasserstoffe durch die Öffnung;
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der elektrischen Leiter ein elektrisch widerstandsfähiges ferromagnetisches Material enthält und eine reduzierte Hitzemenge oberhalb oder nahe einer Curie-Temperatur des ferromagnetischen Materials liefert, und daß die geförderten Kohlenwasserstoffe eine API-Dichte von 20 Grad oder weniger haben.
Die Erfindung sieht in Kombination mit der obigen Erfindung auch vor:

(a) Anordnen des einen oder der mehreren elektrischen Leiter in der Öffnung;
(b) Fördern zumindest einiger Fluide aus der Öffnung, indem die Fluide aus der Öffnung gepumpt werden;
(c) Fördern der Fluide aus der Öffnung durch eine Leitung, die in der Öffnung vorgesehen ist, und/oder das Liefern des Gases durch eines oder mehrere Ventile, das/die entlang der Leitung angeordnet ist/sind; und
(d) Begrenzen einer Temperatur in der Formation an oder nahe der Öffnung auf höchstens 250°C.

Die Erfindung sieht in Kombination mit einer oder mehreren der obigen Erfindungen auch vor, daß:

(a) die Viskosität der Fluide an oder nahe der Öffnung auf höchstens 0,05 Pa·s reduziert wird;
(b) das Gas Methan umfaßt; und
(c) die kohlenwasserstoffhaltige Formation eine relativ durchlässige Formation ist, die schwere Kohlenwasserstoffe enthält.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann mit Hilfe der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und durch Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen offensichtlich, wobei:
1 und 2 Ausführungsformen zum Erhitzen und Fördern aus der Formation mit dem temperaturbegrenzten Heizgerät in dem Förderbohrloch zeigen; 3 und 4 Ausführungsformen der Heiz/Förderanordnung zeigen, die in der Bohrung zur Gasförderung angeordnet werden können; 5 eine Ausführungsform einer Förderleitung und eines Heizgerätes zeigt; 6 eine Ausführungsform zum Behandeln der Formation zeigt; 7 eine Ausführungsform eines Heizgerätebohrloches mit selektiver Heizung zeigt; 8, 9 und 10 Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem äußeren Leiter, der einen ferromagnetischen Abschnitt und einen nicht-ferromagnetischen Abschnitt aufweist, zeigen; 11, 12, 13 und 14 Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem äußeren Leiter, der einen ferromagnetischen Abschnitt und einen nicht- ferromagnetischen Abschnitt aufweist, die innerhalb eines Hüllrohres angeordnet sind, zeigen; 15, 16 und 17 Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen äußeren Leiter zeigen; 18, 19 und 20 Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem äußeren Leiter zeigen; 21, 22, 23 und 24 Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes zeigen; 25, 26 und 27 Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem Abschnitt in einer überlagernden Schicht und einem Heizabschnitt zeigen; 28A und 28B Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen inneren Leiter zeigen; 29A und 29B Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen inneren Leiter und einem nicht-ferromagnetischen Kern zeigen; 30A und 30B Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen äußeren Leiter zeigen; 31A und 31B Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen äußeren Leiter, der mit eine korrosionsbeständigen Legierung umhüllt ist, zeigen; 32A und 32B Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen äußeren Leiter zeigen; 33 eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines Verbundleiters mit einem Abstützelement zeigt; 34 eine Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Leiter-in-Leitung-Heizgerätes zeigt; 35 eine Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen äußeren Niedertemperaturleiter zeigt; 36 eine Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Leiter-in-Leitung-Heizgerätes zeigt; 37 und 38 Querschnittsdarstellungen von Ausführungsformen eines temperaturbegrenzten Leiter-in-Leitung-Heizgerätes zeigen; und 39 eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Leiter-in-Leitung-Heizgerätes mit einem isolierten Leiter zeigt.
Während die Erfindung für verschiedene Abwandlungen und alternative Formen geeignet ist, sind spezielle Ausführungsformen davon beispielhaft in den Zeichnungen dargestellt und können hierin im Detail beschrieben sein. Es kann sein, daß die Zeichnungen nicht maßstabgetreu sind. Es sollte jedoch einzusehen sein, daß die Zeichnungen und die detaillierten Beschreibungen hierzu nicht vorgesehen sind, die Erfindung auf die besondere offenbarte Form einzuschränken, sondern statt dessen sollen alle Abwandlungen, Äquivalente und Alternativen, die durch die beigefügten Ansprüche definiert sind, abgedeckt sein.
Detaillierte Beschreibung
Den oben stehenden Problemen kann mit Hilfe der hierin beschriebenen Systeme, Verfahren und Heizgeräte entgegengetreten werden. Zum Beispiel umfaßt ein Verfahren zum Behandeln einer kohlenwasserstoffhaltigen Formation das Anlegen eines elektrischen Stromes an einen oder mehrere elektrische Leiter, die in einer Öffnung in der Formation angeordnet sind, um einen elektrischen Widerstands-Hitzeaustrag zu erzielen. Das Verfahren umfaßt ferner, daß gestattet wird, daß die Hitze von den elektrischen Leitern auf einen Teil der kohlenwasserstoffhaltigen Formation übertragen wird, so daß eine Viskosität der Fluide in dem Teil an oder nahe der Öffnung in der Formation reduziert wird. Das Verfahren umfaßt ferner, daß ein Gas an einer oder mehreren Stellen in der Öffnung bereitgestellt wird, um die Dichte der Fluide zu reduzieren, so daß die Fluide in der Öffnung durch den Formationsdruck gegen die Oberfläche der Formation angehoben werden. Die Fluide werden durch die Öffnung gefördert.
Die folgende Beschreibung betrifft im allgemeinen Systeme und Verfahren zum Behandeln von Kohlenwasserstoffen in den Formationen. Solche Formationen können behandelt werden, um Kohlenwasserstoffprodukte, Wasserstoff und andere Produkte zu gewinnen.
„Kohlenwasserstoffe" sind allgemein als Moleküle definiert, die hauptsächlich aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen gebildet sind. Kohlenwasserstoffe können auch andere Elemente, wie z. B. Halogene, Metallelemente, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Schwefel, umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Kohlenwasserstoffe können Kerngen, Bitumen, Pyrobitumen, öle, natürliche Mineralwachse und Asphaltite sein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Kohlenwasserstoffe können sich innerhalb von oder neben mineralischen Matrizes in der Erde befinden. Matrizes können Sedimentgestein, Sande, Silizite, Karbonate, Diatomite und weitere poröse Medien umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. „Kohlenwasserstofffluide" sind Fluide, die Kohlenwasserstoffe enthalten. Kohlenwasserstofffluide können Nicht-Kohlenwasserstofffluide (z. B. Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Schwefelwasserstoff, Wasser und Ammoniak) umfassen oder mit sich führen oder von diesen mitgeführt werden.
Eine „Formation" umfaßt eine oder mehrere kohlenwasserstoffhaltige Schichten, eine oder mehrere nicht-kohlenwasserstoffhaltige Schichten, eine überlagernde Schicht und/oder eine darunterliegende Schicht. Die überlagernde Schicht und/oder die darunterliegende Schicht kann/können Fels, Schiefer, Tongestein oder ein nasses/dichtes Carbonat umfassen. In einigen Ausführungsformen von in situ-Umwandlungsverfahren kann/können eine überlagernde Schicht und/oder eine darunterliegende Schicht eine kohlenwasser stoffhaltige Schicht oder kohlenwasserstoffhaltige Schichten umfassen, die relativ undurchlässig ist/sind und während einer in situ-Umwandlungs-Verarbeitung keinen Temperaturen unterworfen ist/sind, die in deutlichen Änderungen der Eigenschaften der kohlenwasserstoffhaltigen Schichten der überlagernden Schicht und/oder der darunterliegenden Schicht resultieren. Zum Beispiel kann die darunterliegende Schicht Schiefer oder Tongestein enthalten, es wird jedoch nicht zugelassen, daß sich die darunterliegende Schicht während des in situ-Umwandlungsverfahrens auf Pyrolysetemperaturen erhitzt. In einigen Fällen kann/können die überlagernde Schicht und/oder die darunterliegende bis zu einem gewissen Grad durchlässig sein.
„Formationsfluide" und „geförderte Fluide" beziehen sich auf Fluide, die aus der Formation entfernt werden, und können Pyrolysefluid, Synthesegas, mobilisierten Kohlenwasserstoff und Wasser (Wasserdampf) umfassen. Formationsfluide können Kohlenwasserstoff-Fluide und Nicht-Kohlenwasserstoff-Fluide umfassen.
Eine „Wärmequelle" ist jedes beliebige System zum Bereitstellen von Wärme an zumindest einen Abschnitt der Formation im wesentlichen durch eine leitende und/oder strahlende Wärmeübertragung.
Eine „Heizgerät" ist ein beliebiges System zum Erzeugen von Hitze in einem Bohrloch eines bohrlochnahen Bereiches. Heizgeräte können elektrische Heizgeräte, ein im Kreislauf geführtes/r Wärmeübertragungsfluid oder Wasserdampf, Brenner oder Combustoren, die mit einem Material in einer Formation oder einem aus dieser geförderten Material reagieren, und/oder Kombinationen daraus sein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Der Begriff „Bohrung" bezieht sich auf ein Loch in der Formation, das durch Bohren oder Einsetzen einer Leitung in eine Formation hergestellt wird. Wie hierin verwendet, können die Begriffe „Bohrloch" und „Öffnung" bei Bezugnahme auf eine Öffnung in der Formation wechselweise mit dem Begriff „Bohrung" verwendet werden.
Ein „isolierter Leiter" ist ein längliches Material, das in der Lage ist, Elektrizität zu leiten, und das als Ganzes oder teilweise mit einem elektrisch isolierenden Material bedeckt ist. Der Begriff „Selbststeuerung" bezieht sich auf die Steuerung einer Leistung eines Heizgerätes ohne irgendeine Art von externer Steuerung.
„Pyrolyse" ist das Aufbrechen von chemischen Bindungen infolge der Anwendung von Hitze. Die Pyrolyse umfaßt die Umwandlung einer Verbindung in einen oder mehrere Stoffe allein durch Hitze. Die Hitze kann zu einem Abschnitt der Formation übertragen werden, um eine Pyrolyse zu bewirken. „Pyrolysefluide" oder „Pyrolyseprodukte" beziehen/t sich auf ein Fluid, das im während einer Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen erzeugt wird. Ein Fluid, das durch Pyrolysereaktionen erzeugt wird, kann sich mit anderen Fluiden in der Formation mischen. Das Gemisch würde als Pyrolysefluid oder Pyrolyseprodukt betrachtet werden. Pyrolysefluide umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Stickstoff, Wasser und Gemische davon.
„Kondensierbare Kohlenwasserstoffe" sind Kohlenwasserstoffe, die bei 25°C und einem absoluten Druck von 101 kPa absolut kondensieren. Kondensierbare Kohlenwasserstoffe können ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen mit Kohlenstoffzahlen von mehr als 4 umfassen. „Nicht-kondensierbare Kohlenwasserstoffe" sind Kohlenwasserstoffe, die bei 25°C und einem absolutem Druck von 101 kPa nicht kondensieren. Nicht-kondensierbare Kohlenwasserstoffe können Kohlenwasserstoffe mit Kohlenstoffzahlen von weniger als 5 umfassen.
„Schwere Kohlenwasserstoffe” sind viskose Kohlenwasserstofffluide. Schwere Kohlenwasserstoffe können hochviskose Kohlenwasserstofffluide, wie z. B. Schweröl, Teer und/oder Asphalt, umfassen. Schwere Kohlenwasserstoffe können Kohlenstoff und Wasserstoff wie auch geringere Konzentrationen an Schwefel, Sauerstoff und Stickstoff umfassen. Auch zusätzliche Elemente können in schweren Kohlenwasserstoffen in Spurenkonzentrationen vorhanden sein. Schwere Kohlenwasserstoffe können durch die API-Dichte klassifiziert werden. Schwere Kohlenwasserstoffe weisen im allgemeinen eine API-Dichte von unter etwa 20° auf. Schweröl z. B. weist im allgemeinen eine API-Dichte von etwa 10°–20° auf, während Teer im allgemeinen eine API-Dichte von weniger als 10° aufweist. Die Viskosität von schweren Kohlenwasserstoffen beträgt im allgemeinen zumindest 0,1 Pa·s (Pascalsekunde) bei 15°C. Schwere Kohlenwasserstoffe können auch Aromaten oder andere komplexe ringförmige Kohlenwasserstoffe umfassen.
Schwere Kohlenwasserstoffe sind in relativ durchlässigen Formationen anzutreffen. Die relativ durchlässige Formation kann schwere Kohlenwasserstoffe umfassen, die z. B. in Sand oder Carbonat mitgeführt werden. „Relativ durchlässig" ist in bezug auf Formationen oder Abschnitte davon als eine durchschnittliche Durchlässigkeit von 10 Millidarcy oder mehr (z. B. 10 oder 100 Millidarcy oder 1000 Millidarcy) definiert. „Relativ geringe Durchlässigkeit" ist in bezug auf Formationen oder Abschnitte davon als eine durchschnittliche Durchlässigkeit von höchstens 10 Millidarcy definiert. Ein Darcy entspricht 0,99 Quadratmikrometer. Eine undurchlässige Schicht weist im allgemeinen eine Durchlässigkeit von höchstens 0,1 Millidarcy auf.
„Teer" ist ein viskoser Kohlenwasserstoff, der im allgemeinen eine Viskosität von zumindest 10 Pa·s bei 15°C aufweist. Die spezifische Dichte von Teer beträgt im allgemeinen zumindest 1,000. Teer kann eine API-Dichte von höchstens 10° aufweisen.
Eine „Teersandformation" ist eine Formation, in der Kohlenwasserstoffe vorwiegend in Form von schweren Kohlenwasserstoffen vorliegen und/oder in einem körnigen Mineralgerüst oder anderen Muttergesteinen (z. B. Sand oder Carbonat) mitgeführt werden.
In einigen Fällen kann ein Teil des oder der gesamte Kohlenwasserstoffabschnittes einer relativ durchlässigen Formation vorwiegend aus schweren Kohlenwasserstoffen und/oder Teer ohne ein stützendes körniges Mineralgerüst und nur schwebenden (oder keinen) mineralischen Stoffen bestehen (z. B. Asphaltseen).
„Überlagerung von Wärme" bezieht sich auf die Bereitstellung von Wärme von zwei oder mehr Wärmequellen an einen ausgewählten Abschnitt einer Formation, so daß die Temperatur der Formation an zumindest einer Stelle zwischen den Wärmequellen durch die Wärmequellen beeinflußt wird.
„Curie-Temperatur" ist die Temperatur, oberhalb der ein ferromagnetisches Material all seine ferromagnetischen Eigenschaften verliert.
„Modulierter Gleichstrom (DC)" bezieht sich auf einen beliebigen zeitvariablen Strom, der einen Skin-Effekt-Elektrizitätsfluß in einem ferromagnetischen Leiter gestattet.
Das „Stellverhältnis" für das temperaturbegrenzte Heizgerät ist das Verhältnis zwischen dem höchsten Wechselstrom- oder modulierten Gleichstromwiderstand unterhalb der Curie-Temperatur und dem kleinsten Widerstand für einen gegebenen Strom oberhalb der Curie-Temperatur.
Im Zusammenhang mit Heizsystemen, -vorrichtungen und -verfahren mit reduziertem Hitzeaustrag bedeutet der Begriff „automatisch", daß solche Systeme und Vorrichtungen auf eine bestimmte Weise ohne die Verwendung einer externen Steuerung (z. B. externe Regler, wie z. B. ein Regler mit einem Temperatursensor und einem Rückführkreis, einen PID-Regler oder einen Prädiktivregler) arbeiten.
„Temperaturbegrenztes Heizgerät" bezieht sich im allgemeinen auf ein Heizgerät, das den Hitzeaustrag oberhalb einer festgelegten Temperatur ohne die Verwendung externer Steuerungen, wie z. B. Temperaturregler, Leistungsregler, Gleichrichter oder anderer Vorrichtungen, regelt (z. B. den Hitzeaustrag reduziert). Temperaturbegrenzte Heizgeräte können elektrische Widerstandsheizgeräte sein, die mit AC (Wechselstrom) oder moduliertem (z. B. „gechopptem") DC (Gleichstrom) betrieben werden.
Eine Wärmequelle kann ein Volumen einer Formation benachbart zu einem Förderbohrung (einem förderbohrungsnahen Bereich) erhitzen, so daß die Temperatur eines Fluids in dem Förderbohrloch und in dem Volumen benachbart zu der Förderbohrung niedriger ist als die Temperatur, die die Zersetzung des Fluids bewirkt. Die Wärmequelle kann in der Förderbohrung oder nahe der Förderbohrung angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen ist die Wärmequelle ein temperaturbegrenztes Heizgerät. In einigen Ausführungsformen können zwei oder mehr Wärmequellen dem Volumen Hitze zuführen. Hitze von der Wärmequelle kann die Viskosität von Rohöl in oder nahe der Förderbohrung reduzieren. In einigen Ausführungsformen mobilisiert die Hitze von der Wärmequelle Fluide in oder nahe der Förderbohrung und/oder erhöht die radiale Strömung von Fluiden zu der Förderbohrung. In einigen Ausführungsformen gestattet die Reduktion der Viskosität von Rohöl die Gasförderung von Schweröl oder Öl mit mittlerer Dichte (Öl mit einer API-Dichte von ca. 12° bis 20°) aus der Förderbohrung oder verbessert sie. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Viskosität eines Öls in der Formation zumindest 0,05 Pa·s. Es kann sein, daß große Mengen an Erdgas verwendet werden müssen, um eine Gasförderung von Öl mit Viskositäten oberhalb von 0,05 Pa·s bereitzustellen. Eine Reduktion der Viskosität eines Öls an oder nahe der Förderbohrung in der Formation auf eine Viskosität von 0,03 Pa·s oder weniger (bis zu 0,001 Pa·s oder darunter) verringert die Menge an Erdgas, die erforderlich ist, um Öl aus der Formation zu heben. In einigen Ausführungsformen wird Öl mit niedriger Viskosität durch andere Verfahren, wie z. B. Pumpen, gefördert.
Die Förderrate von Öl aus der Formation kann gesteigert werden, indem die Temperatur bei oder nahe einer Förderbohrung erhöht wird, um die Viskosität des Öls in der Formation und benachbart zu der Förderbohrung zu reduzieren. In bestimmten Ausführungsformen ist die Förderrate von Öl aus der Formation um das 2-fache, 3-fache, 4-fache oder mehr bis zum 20-fachen gegenüber einer standardmäßigen Kaltförderung, die keine externe Heizung der Formation während der Förderung aufweist, erhöht. Bestimmte Formationen können für eine gesteigerte Ölförderung bei Verwendung der Heizung des Bereiches nahe der Förderbohrung wirtschaftlich wertvoller sein. Formationen, die eine Kaltförderrate von ca. zwischen 0,05 m³/(Tag pro Meter örderbohrungslänge) und 0,20 m³/(Tag pro Meter Förderbohrungslänge) aufweisen, zeigen deutliche Verbesserungen der Förderrate bei Verwendung einer Heizung zur Reduktion der Viskosität in dem Bereich nahe der Förderbohrung. In einigen Formationen werden Förderbohrlöcher mit einer Länge bis zu 775 m, bis zu 1000 m oder bis zu 1500 m verwendet. Zum Beispiel werden Förderbohrlöcher mit einer Länge zwischen 450 m und 775 m verwendet, zwischen 550 m und 800 m verwendet oder zwischen 650 m und 900 m verwendet. Somit ist eine deutliche Erhöhung der Förderung in einigen Formationen erzielbar. Ein Erhitzen nahe eines Förderbohrungsbereiches kann in Formationen angewandt werden, bei denen die Kaltförderrate nicht zwischen 0,05 m³/(Tag pro Meter Förderbohrungslänge) und 0,20 m³/(Tag pro Meter Förderbohrungslänge) liegt, aber ein Erhitzen solcher Formationen kann unter Umständen wirtschaftlich nicht vorteilhaft sein. Es kann sein, daß höhere Kaltförderraten durch ein Erhitzen nahe dem Förderbohrungsbereich nicht wesentlich erhöht werden, während niedrigere Förderraten nicht bis zu einem wirtschaftlich nützlichen Wert erhöht werden können.
Die Verwendung eines temperaturbegrenzten Heizgerätes zur Reduzierung der Viskosität von Öl an oder nahe dem Förderbohrloch verhindert Probleme in Verbindung mit nicht-temperaturbegrenzten Heizgeräten und ein Erhitzen des Öls in der Formation auf Grund von heißen Stellen. Ein mögliches Problem besteht darin, daß nicht-temperaturbegrenzte Heizgeräte ein Verkoken von Öl an oder nahe dem Förderbohrloch verursachen kann, wenn das Heizgerät das Öl überhitzt, da sich die Heizgeräte bei einer zu hohen Temperatur befinden. Höhere Temperaturen in dem Förderbohrloch können auch bewirken, daß eine Sohle in dem Bohrloch siedet, was zu einer Kesselsteinbildung in dem Bohrloch führen können. Nicht-temperaturbegrenzte Heizgeräte, die höhere Temperaturen erreichen, können auch Schäden an anderen Bohrungskomponenten (z. B. Sieben, die gegen Sand verwendet werden, Pumpen oder Ventile) verursachen. Heiße Stellen können durch Abschnitte der Formation verursacht werden, die sich gegen das Heizgerät erstrecken oder daran stoßen. In einigen Ausführungsformen weist das Heizgerät (entweder ein temperaturbegrenztes Heizgerät oder eine andere Art von nicht-temperaturbegrenztem Heizgerät) Abschnitte auf, die infolge eines Durchsackens über lange Heizgerätdistanzen tiefer liegen. Diese unteren Abschnitte können in Schweröl oder Bitumen sitzen, das sich in unteren Abschnitten der Bohrung sammelt. An diesen unteren Abschnitten kann das Heizgerät heiße Stellen auf Grund einer Verkokung des Schweröls oder Bitumens bilden. Ein standardmäßiges nicht-temperaturbegrenztes Heizgerät kann sich an diesen heißen Stellen überhitzen und daher eine ungleichmäßige Hitzemenge entlang der Länge des Heizgerätes erzeugen. Eine Verwendung des temperaturbegrenzten Heizgerätes kann das Überhitzen des Heizgerätes an heißen Stellen oder unteren Abschnitten verhindern und ein gleichmäßigeres Erhitzen entlang der Länge der Bohrung bereitstellen.
In einigen Ausführungsformen verkokt Öl oder Bitumen in einem perforierten Liner oder Sieb in einer Heizgeräte/Förderbohrung (z. B. kann sich Koks zwischen dem Heizgerät und dem Liner oder zwischen dem Liner und der Formation bilden). Öl oder Bitumen kann auch in einem Zehenabschnitt einer Fersen- und Zehen-Heizgeräte/Förderbohrung verkoken, wie unten stehend für 7 gezeigt und beschrieben. Ein temperaturbegrenztes Heizgerät kann eine Temperatur einer Heizgräte/Förderbohrung unter eine Verkokungstemperatur reduzieren, um eine Verkokung in dem Bohrloch zu verhindern, so daß die Förderung in der Bohrung nicht verstopft.
1 zeigt eine Ausführungsform zum Erhitzen und Fördern aus der Formation mit dem temperaturbegrenzten Heizgerät in einer Förderbohrung. Eine Förderleitung 100 ist in der Bohrung 102 angeordnet. In bestimmten Ausführungsformen ist ein Abschnitt der Bohrung 102 im wesentlichen horizontal in einer Formation 104 angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist die Bohrung im wesentlichen vertikal in der Formation angeordnet. In einer Ausführungsform ist die Bohrung 102 eine offene Bohrung (eine unverrohrte Bohrung). In einigen Ausführungsformen weist die Bohrung eine Verrohrung oder Wände auf, die Perforationen oder Öffnungen besitzen, um zu gestatten, daß Fluid in die Bohrung strömt.
Die Leitung 100 kann aus Kohlenstoffstahl oder korrosionsbeständigeren Materialien, wie z. B. Edelstahl, hergestellt sein. Die Leitung 100 kann eine Vorrichtung und Mechanismen zur Gasförderung oder zum Pumpen von gefördertem Öl an die Oberfläche umfassen. Zum Beispiel umfaßt die Leitung 100 Gasförderventile, die in einem Gasförderverfahren verwendet werden. Beispiele von Gasfördersteuersystemen und -ventilen sind in dem US-Patent Nr. 6 715 550 an Vinegar et al. und den US-Patentanmeldungen Nr. 2002-0 036 085 an Bass et al. und 2003-0 038 734 an Hirsch et al. offenbart. Die Leitung 100 kann eine oder mehrere Öffnungen (Perforationen) umfassen, um zu gestatten, daß Fluid in die Förderleitung strömt. In bestimmten Ausführungsformen befinden sich die Öffnungen in der Leitung 100 in einem Abschnitt der Leitung, der unterhalb des Flüssigkeitsniveaus in der Bohrung 102 bleibt. Die Öffnungen befinden sich zum Beispiel in einem horizontalen Abschnitt der Leitung 100.
Ein Heizgerät 106 ist in der Leitung 100 angeordnet, wie in 1 gezeigt. In einigen Ausführungsformen ist das Heizgerät 106 außerhalb der Leitung 100 angeordnet, wie in 2 gezeigt. Das außerhalb der Förderleitung angeordnete Heizgerät kann mit der Förderleitung gekoppelt (verbunden) sein. In einigen Ausführungsformen sind mehr als ein Heizgerät (z. B. zwei, drei oder vier Heizgeräte) um die Leitung 100 angeordnet. Die Verwendung von mehr als einem Heizgerät kann ein Ausbuchten oder Durchbiegen der Förderleitung, das durch Erhitzen nur einer Seite der Förderleitung verursacht wird, reduzieren. In einer Ausführungsform ist das Heizgerät 106 ein temperaturbegrenztes Heizgerät. Das Heizgerät 106 stellt Wärme bereit, um die Viskosität eines Fluids (wie z. B. Öl oder Kohlenwasserstoffe) in und nahe der Bohrung 102 zu reduzieren. In bestimmten Ausführungsformen erhöht das Heizgerät 106 die Temperatur des Fluids in der Bohrung 102 bis zu einer Temperatur von 250°C oder weniger (zum Beispiel 225°C, 220°C oder 150°C). Das Heizgerät 106 kann sich bei höheren Temperaturen (zum Beispiel 275°C, 300°C oder 325°C) befinden, da das Heizgerät Hitze an die Leitung 100 abstrahlt und ein gewisser Temperaturverlust zwischen dem Heizgerät und der Leitung vorhanden ist. Daher erhöht die von dem Heizgerät erzeugte Wärme die Temperatur von Fluiden in der Bohrung nicht über 250°C.
In bestimmten Ausführungsformen umfaßt das Heizgerät 106 ferromagnetische Materialien, wie Carpenter Temperature Compensator „32", eine Legierung 42-6, eine Legierung 52, Invar 36 oder andere Eisen-Nickel- oder Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen. In bestimmten Ausführungsformen werden Nickel- oder Nickel-Chrom-Legierungen in dem Heizgerät 106 verwendet. In einigen Ausführungsformen umfaßt das Heizgerät 106 einen Verbundleiter mit einem hochleitfähigen Material, wie z. B. Kupfer, auf der Innenseite des Heizgerätes, um das Stellverhältnis des Heizgerätes zu verbessern. Die Hitze von dem Heizgerät 106 erhitzt Fluide in oder nahe der Bohrung 102, um die Viskosität der Fluide zu reduzieren und eine Förderrate durch die Leitung 100 zu erhöhen.
In bestimmten Ausführungsformen besitzen Abschnitte des Heizgerätes 106 oberhalb des Flüssigkeitsniveaus in der Bohrung 102 (wie z. B. der vertikale Abschnitt der in den 1 und 2 gezeigten Bohrung) eine niedrigere Maximaltemperatur als Abschnitte des Heizgerätes, die unterhalb des Flüssigkeitsniveaus angeordnet sind. Zum Beispiel können Abschnitte des Heizgerätes 106 oberhalb des Flüssigkeitsniveaus in der Bohrung 102 eine Maximaltemperatur von 100°C besitzen, während Abschnitte des Heizgerätes, die unterhalb des Flüssigkeitsniveaus angeordnet sind, eine Maximaltemperatur von 250°C besitzen. In bestimmten Ausführungsformen umfaßt solch ein Heizgerät zwei oder mehr ferromagnetische Abschnitte mit verschiedenen Curie-Temperaturen, um das gewünschte Aufheizmuster zu er zielen. Die Bereitstellung von weniger Wärme an Abschnitte der Bohrung 102 oberhalb des Flüssigkeitsniveaus und näher an der Oberfläche kann Energie sparen.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Heizgerät 106 an der Außenfläche des Heizgerätes elektrisch isoliert und kann sich in der Leitung 100 frei bewegen. Zum Beispiel kann das Heizgerät 106 einen inneren Leiter mit einem Hochtemperaturkabel umfassen. In einigen Ausführungsformen sind elektrisch isolierende Zentralisierer an der Außenseite des Heizgerätes 106 angeordnet, um einen Zwischenraum zwischen der Leitung 100 und dem Heizgerät aufrechtzuerhalten. Die Zentralisierer sind aus Aluminium, gasdruckgesintertem, reaktionsgebundendem Siliziumnitrid oder Bornitrid, einem anderen elektrisch isolierenden und thermisch beständigem Material und/oder Kombinationen davon hergestellt. In einigen Ausführungsformen ist das Heizgerät 106 elektrisch mit der Leitung 100 gekoppelt, so daß ein elektrischer Kreis mit der Leitung hergestellt wird. Zum Beispiel kann eine Wechselstromspannung an das Heizgerät 106 und die Leitung 100 angelegt werden, so daß ein Wechselstrom die Außenfläche des Heizgerätes hinunterfließt und zu einem Bohrlochkopf an der inneren Fläche der Förderleitung zurückkehrt. Das Heizgerät 106 und die Leitung 100 können ferromagnetische Materialien umfassen, so daß der Wechselstrom im wesentlichen auf eine Skin-Tiefe an der Außenseite des Heizgerätes und/oder einer Skin-Tiefe an der Innenseite der Förderleitung begrenzt ist. Ein Schleifverbinder kann an oder nahe dem Boden der Leitung 100 angeordnet sein, um die Förderleitung und das Heizgerät 106 elektrisch zu koppeln.
In einigen Ausführungsformen wird das Heizgerät 106 derart getaktet (ein- und ausgeschaltet), daß Fluide, die durch die Leitung 100 gefördert werden, nicht überhitzt werden. In einer Ausführungsform wird das Heizgerät 106 für einen festgelegten Zeitbetrag eingeschaltet, bis eine Temperatur von Fluiden in oder nahe der Bohrung 102 eine gewünschte Temperatur (zum Beispiel die Maximaltemperatur des Heizgerätes) erreicht. Während der Aufheizzeit (zum Beispiel 10 Tage, 20 Tage oder 30 Tage) kann die Förderung durch die Leitung 100 gestoppt werden, um zu gestatten, daß die Fluide in der Formation „einsickern" und eine reduzierte Viskosität erhalten. Nachdem die Heizung ausgeschaltet oder reduziert wird,. wird mit der Förderung durch die Leitung 100 begonnen und Fluide werden aus der Formation gefördert, ohne daß überschüssige Hitze an die Fluide geliefert wird. Während der Förderung werden die Fluide in oder nahe der Bohrung 102 abkühlen, wenn von dem Heizgerät 106 keine Hitze geliefert wird. Wenn die Fluide eine Temperatur erreichen, bei der sich die Förderung deutlich verlangsamt, wird die Förderung gestoppt und das Heizgerät 106 wird wieder eingeschaltet, um die Fluide wieder zu erhitzen. Dieses Verfahren kann wiederholt werden, bis eine gewisse Fördermenge erreicht ist. In einigen Ausführungsformen wird etwas Hitze mit niedrigerer Temperatur bereitgestellt, um einen Strom der geförderten Fluide aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel kann eine Hitze mit niedrigerer Temperatur (zum Beispiel 100°C, 125°C, 150°C) in den oberen Abschnitten der Bohrung 102 bereitgestellt werden, um die Fluide vor einem Abkühlen auf niedrigere Temperaturen zu bewahren.
3 zeigt eine Ausführungsform einer Heiz/Förderanordnung, die in einem Bohrloch für eine Gasförderung angeordnet sein kann. Die Heiz/Förderanordnung 108 kann in einer Bohrung in der Formation (zum Beispiel der in den 1 oder 2 gezeigten Bohrung 102) angeordnet sein. Eine Leitung 100 ist im Inneren einer Verrohrung 110 angeordnet. In einer Ausführungsform ist die Leitung 100 ein Schlangenrohr, wie z. B. ein Schlangenrohr mit einem Durchmesser von 6 cm. Die Verrohrung 110 besitzt einen Durchmesser zwischen 10 cm und 25 cm (zum Beispiel einen Durchmesser von 14 cm, 16 cm oder 18 cm). Ein Heizgerät 106 ist mit einem Ende der Leitung 100 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen ist das Heizgerät 106 im Inneren der Leitung 100 angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist das Heizgerät 106 ein Widerstandsabschnitt der Leitung 100. In einigen Ausführungsformen ist das Heizgerät 106 mit einer Länge der Leitung 100 gekoppelt.
Eine Öffnung 112 ist an oder nahe einer Verbindungsstelle des Heizgerätes 106 und der Leitung 100 angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist die Öffnung 112 ein Schlitz oder ein Spalt in der Leitung 100. In einigen Ausführungsformen umfaßt die Öffnung 112 mehr als eine Öffnung in der Leitung 100. Die Öffnung 112 gestattet, daß Förderfluide aus einer Bohrung in die Leitung 100 strömen. Eine perforierte Verrohrung 114 gestattet, daß Fluide in die Heiz/Förderanordnung 108 strömen. In bestimmten Ausführungsformen ist die perforierte Verrohrung 114 ein mit einem Draht umhülltes Gitter. In einer Ausführungsform ist die perforierte Verrohrung 114 ein mit Draht umhülltes Gitter mit einem Durchmesser von 9 cm.
Die perforierte Verrohrung 114 kann mit der Verrohrung 110 mit einem Füllmaterial 116 gekoppelt sein. Das Füllmaterial 116 verhindert, daß Fluide von außerhalb der perforierten Verrohrung 114 in die Verrohrung 110 strömen. Das Füllmaterial 116 kann auch innerhalb der Verrohrung 110 angeordnet sein, um zu verhindern, daß Fluide den Ringraum zwischen der Verrohrung und der Leitung 100 nach oben strömen. Eine Dichtungsanordnung 118 wird verwendet, um die Leitung 100 gegenüber dem Füllmaterial 116 abzudichten. Die Dichtungsanordnung 118 kann eine Position einer Leitung 100 entlang einer Länge einer Bohrung fixieren. In einigen Ausführungsformen gestattet die Dichtungsanordnung 108, die Abdichtung der Leitung 100 zu entfernen, so daß die Förderleitung und das Heizgerät 106 aus der Bohrung entfernt werden können.
Eine Durchführung 120 wird verwendet, um ein Einführungskabel 122 für die Stromversorgung des Heizgerätes 106 einzuführen. Das Einführungskabel 122 kann mit einer Klemme 124 an der Leitung 100 befestigt werden. In einigen Ausführungsformen verläuft das Einführungskabel 122 mit Hilfe einer separaten Durchführung durch das Füllmaterial 116.
Ein Fördergas (zum Beispiel Erdgas, Methan, Kohlendioxid, Propan und/oder Stickstoff) kann an den Ringraum zwischen der Leitung 100 und der Verrohrung 110 bereitgestellt werden. Ventile 126 sind entlang einer Länge der Leitung 100 angeordnet, um zu gestatten, daß Gas in die Förderleitung gelangt und für eine Gasförderung von Fluiden in der Förderleitung sorgt. Das Fördergas kann sich mit Fluiden in der Leitung 100 mischen, um die Dichte der Fluide herabzusetzen und eine Gasförderung der Fluide aus der Formation zu gestatten. In bestimmten Ausführungsformen sind die Ventile 126 in einem überlagernden Abschnitt einer Formation angeordnet, so daß die Gasförderung in dem überlagernden Abschnitt bereitgestellt wird. In einigen Ausführungsformen werden Fluide durch den Ringraum zwischen der Leitung 100 und dem Gehäuse 110 gefördert, und ein Fördergas kann durch die Ventile 126 zugeführt werden.
In einer Ausführungsform werden Fluide mit Hilfe einer Pumpe gefördert, die mit der Leitung 100 gekoppelt ist. Die Pumpe kann eine Tauchpumpe (z. B. eine elektrische oder gasbetriebene Tauchpumpe) sein. In einigen Ausführungsformen ist ein Heizgerät mit der Leitung 100 gekoppelt, um die reduzierte Viskosität von Fluiden in der Leitung und/oder der Pumpe aufrechtzuerhalten.
In bestimmten Ausführungsformen ist eine zusätzliche Leitung, wie z. B. eine zusätzliche Schlangenrohrleitung, in der Formation angeordnet. In der zusätzlichen Leitung können Sensoren angeordnet sein. Zum Beispiel kann ein Förderaufzeichnungswerkzeug in der zusätzlichen Leitung angeordnet sein, um Stellen von Förderzonen zu identifizieren und/oder Strömungsraten zu bewerten. In einigen Ausführungsformen ist ein Temperatursensor (z. B. ein Temperaturverteilungssensor, ein faseroptischer Sensor und/oder ein Array von Thermoelementen) in der zusätzlichen Leitung angeordnet, um ein unterirdisches Temperaturprofil zu ermitteln.
Einige Ausführungsformen der Heiz/Förderanordnung werden in einem Bohrloch angeordnet, das bereits besteht (zum Beispiel wird die Heiz/Förderanordnung für ein bereits bestehendes Förderbohrloch, Heizgerätebohrloch oder Überwachungsbohrloch nachgerüstet). Ein Beispiel für eine Heiz/Förderanordnung, die in dem bereits bestehenden Bohrloch verwendet werden kann, ist in 4 gezeigt. Einige bereits bestehende Bohrlöcher umfassen eine Pumpe. Die Pumpe in dem bereits bestehenden Bohrloch kann sich links in dem mit der Heiz/Förderanordnung nachgerüsteten Heiz/Förderbohrloch befinden.
4 zeigt eine Ausführungsform der Heiz/Förderanordnung, die in der Bohrung zur Gasförderung angeordnet sein kann. In 4 ist die Leitung 100 in einer äußeren Förderleitung 128 angeordnet. In einer Ausführungsform ist die äußere Förderleitung 128 ein Steigrohr mit einem Durchmesser von 11,4 cm. Die Verrohrung 110 besitzt einen Durchmesser von 24,4 cm. Die perforierte Verrohrung 114 besitzt einen Durchmesser von 11,4 cm. Eine Dichtungsanordnung 118 dichtet die Leitung 100 im Inneren außerhalb der Förderleitung 128 ab. In einer Ausführungsform ist die Pumpe 130 eine Strahlpumpe, wie z. B. eine Strahlpumpe für eine Bohrgarnitur.
In einigen Ausführungsformen wird verhindert, daß sich Wärme in die Leitung 100 ausbreitet. 5 zeigt eine Ausführungsform der Leitung 100 und Heizgeräte 106, die die Wärmeausbreitung in die Leitung verhindern. Die Heizgeräte 106 sind mit der Leitung 100 verbunden. Die Heizgeräte 106 umfassen ferromagnetische Abschnitte 132 und nicht-ferromagnetische Abschnitte 134. Die ferromagnetischen Abschnitte 132 stellen Hitze bei einer Temperatur bereit, die die Viskosität von Fluiden in oder nahe einer Bohrung reduziert. Die nicht-ferromagnetischen Abschnitte 134 stellen wenig oder keine Hitze bereit. In bestimmten Ausführungsformen weisen die ferromagnetischen Abschnitte 132 und die nicht-ferromagnetischen Abschnitte 134 eine Länge von 6 m auf. In einigen Ausführungsformen besitzen die ferromagnetischen Abschnitte 132 und die nicht-ferromagnetischen Abschnitte 134 eine Länge zwischen 3 m und 12 m, eine Länge zwischen 4 m und 11 m oder eine Länge zwischen 5 m und 10 m. In bestimmten Ausführungsformen umfassen die nicht-ferromagnetischen Abschnitte 134 Perforationen 136, um zu gestatten, daß Fluide zu der Leitung 100 strömen. In einigen Ausführungsformen ist das Heizgerät 106 derart positioniert, daß keine Perforationen notwendig sind, um zu gestatten, daß Fluide zu der Leitung 100 strömen.
Die Leitung 100 kann Perforationen 136 aufwesen, um zuzulassen, daß Fluid in die Leitung eintritt. Die Perforationen 136 fallen mit den nicht-ferromagnetischen Abschnitten 134 des Heizgerätes 106 zusammen. Die Abschnitte der Leitung 100, die mit den ferromagnetischen Abschnitten 132 zusammenfallen, umfassen eine Isolierleitung 138. Die Leitung 138 kann ein vakuumisoliertes Rohrelement sein. Zum Beispiel kann die Leitung 138 ein vakuumisoliertes Förderrohrelement sein, das von Oil Tech Services, Inc. (Houston, TX) erhältlich ist. Die Leitung 138 verhindert eine Wärmeübertragung in die Leitung 100 aus den ferromagnetischen Abschnitten 132. Ein Begrenzen der Wär meübertragung in die Leitung 100 reduziert den Wärmeverlust und/oder verhindert ein Überhitzen der Fluide in der Leitung. In einer Ausführungsform stellt das Heizgerät 106 Hitze entlang einer gesamten Länge des Heizgerätes bereit, und die Leitung 100 umfaßt die Leitung 138 entlang einer gesamten Länge einer Förderleitung.
In bestimmten Ausführungsformen werden mehr als eine Bohrung 102 verwendet, um Schweröle aus einer Formation unter Verwendung des temperaturbegrenzten Heizgerätes zu fördern. 6 zeigt eine Stirnansicht einer Ausführungsform, wobei Bohrungen 102 in einer Kohlenwasserstoffschicht 140 angeordnet sind. Ein Abschnitt der Bohrungen 102 ist im wesentlichen horizontal in einem Dreiecksmuster in der Kohlenwasserstoffschicht 140 angeordnet. In bestimmten Ausführungsformen weisen die Bohrungen 102 eine Beabstandung von 30 m bis 60 m, 35 m bis 55 m oder 40 m bis 50 m auf. Die Bohrungen 102 können die zuvor beschriebenen Förderleitungen und Heizgeräte umfassen. Fluide können erhitzt und durch die Bohrungen 102 mit einer erhöhten Produktionsrate oberhalb eine Kaltförderrate für die Formation gefördert werden. Die Förderung kann für eine ausgewählte Zeitdauer (z. B. 5 Jahre bis 10 Jahre, 6 Jahre bis 9 Jahre oder 7 Jahre bis 8 Jahre) andauern, bis die Hitze, die aus jedem der Bohrungen 102 produziert wird, eine Überlappung beginnt (d. h. eine Überlagerung von Hitze beginnt). Zu solch einer Zeit wird Hitze von unteren Bohrungen 102 (wie z. B. den Bohrungen 102 nahe dem Boden der Kohlenwasserstoffschicht 140) aufrechterhalten, reduziert oder ausgeschaltet, während die Produktion fortgesetzt wird. Eine Förderung in oberen Bohrungen (wie z. B. den Bohrungen 102 nahe der Oberseite der Kohlenwasserstoffschicht 140) kann gestoppt werden, so daß Fluide in der Kohlenwasserstoffschicht gegen die unteren Bohrungen abfließen. In einigen Ausführungsformen wird die Leistung zu den oberen Bohrungen 102 erhöht und die Temperatur über die Curie- Temperatur erhöht, um die Hitzeinjektionsrate zu erhöhen. Das Ableiten der Fluide in der Formation in solch einem Verfahren erhöht die Gesamt-Kohlenwasserstoffgewinnung aus der Formation.
In einer Ausführungsform wird ein temperaturbegrenztes Heizgerät in einem horizontalen Heizgeräte/Förderbohrloch angeordnet. Das temperaturbegrenzte Heizgerät kann ausgewählte Hitzemengen an die „Zehe" oder die „Ferse" des horizontalen Abschnittes des Bohrloches liefern. Mehr Hitze kann an die Formation durch die Zehe als durch die Ferse geliefert werden, was einen „heißen Abschnitt" an der Zehe und einen „warmen Abschnitt" an der Ferse schaffen kann. Formationsfluide können in dem heißen Abschnitt gebildet und durch den warmen Abschnitt gefördert werden, wie in 7 gezeigt.
7 zeigt eine Ausführungsform eines Bohrloches zum selektiven Erhitzen einer Formation. Eine Wärmequelle 142 ist in einer Öffnung 144 in der Kohlenwasserstoffschicht 140 angeordnet. In bestimmten Ausführungsformen ist die Öffnung 144 eine im wesentlichen horizontale Öffnung in der Kohlenwasserstoffschicht 140. Ein perforierte Verrohrung 114 ist in der Öffnung 144 angeordnet. Die perforierte Verrohrung 114 sorgt für eine Unterstützung, die verhindert, daß Kohlenwasserstoff und/oder anderes Material in der Kohlenwasserstoffschicht 140 in die Öffnung 144 stürzen. Die Perforationen in der perforierten Verrohrung 114 gestatten einen Fluidstrom aus der Kohlenwasserstoffschicht 140 in die Öffnung 144. Die Wärmequelle 142 kann einen heißen Abschnitt 146 umfassen. Der heiße Abschnitt 146 ist ein Abschnitt der Wärmequelle 142, der bei einem höheren Hitzeaustrag als benachbarte Abschnitte der Wärmequelle arbeitet. Zum Beispiel kann der heiße Abschnitt 146 zwischen 650 W/m und 1650 W/m, 650 W/m und 1500 W/m oder 800 W/m und 1500 W/m abgeben. Der heiße Abschnitt 146 kann sich von einer „Ferse” der Wärmequelle zu der „Zehe" der Wärmequelle erstrecken. Die Ferse der Wärmequelle ist der Teil der Wärmequelle, der sich am nächsten an dem Punkt befindet, an dem die Wärmequelle in die Kohlenwasserstoffschicht 140 eintritt. Die Zehe der Wärmequelle ist das Ende der Wärmequelle am weitesten entfernt von der Eintrittstelle der Wärmequelle in eine Kohlenwasserstoffschicht.
In einer Ausführungsform umfaßt die Wärmequelle 142 einen warmen Abschnitt 148. Der warme Abschnitt 148 ist ein Abschnitt der Wärmequelle 142, der bei niedrigeren Hitzeausträgen als der heiße Abschnitt 146 arbeitet. Zum Beispiel kann der warme Abschnitt 148 zwischen 30 W/m und 1000 W/m, 30 W/m und 750 W/m oder 100 W/m und 750 W/m abgeben. Der warme Abschnitt 148 kann näher an der Ferse der Wärmequelle 142 angeordnet sein. In bestimmten Ausführungsformen ist der warme Abschnitt 148 ein Übergangsabschnitt (zum Beispiel ein Übergangsleiter) zwischen dem heißen Abschnitt 146 und einem Abschnitt 150 in einer überlagernden Schicht. Der Abschnitt 150 in einer überlagernden Schicht ist in einer überlagernden Schicht 152 angeordnet. Der Abschnitt 150 in der überlagernden Schicht stellt einen niedrigeren Hitzeaustrag bereit als der warme Abschnitt 148. Zum Beispiel kann der Abschnitt 150 in der überlagernden Schicht zwischen 10 W/m und 90 W/m, 15 W/m und 80 W/m oder 25 W/m und 75 W/m abgeben. In einigen Ausführungsformen stellt der Abschnitt 150 in der überlagernden Schicht so wenig wie möglich Hitze (0 W/m) an die überlagernde Schicht 152 bereit. Etwas Hitze kann jedoch verwendet werden, um Fluide, die durch die Öffnung 144 gefördert werden, in eine Dampfphase in der überlagernden Schicht 152 zu halten.
In bestimmten Ausführungsformen erhitzt der heiße Abschnitt 146 der Wärmequelle 142 Kohlenwasserstoff auf ausreichend hohe Temperaturen, die dazu führen, daß sich Koks 154 in der Koh lenwasserstoffschicht 140 bildet. Koks 154 kann in einem die Öffnung 144 umgebenden Bereich auftreten. Der warme Abschnitt 148 kann bei niedrigeren Hitzeausträgen betrieben werden, so daß sich kein Koks an oder nahe dem warmen Abschnitt der Wärmequelle 142 bildet. Koks 154 kann sich radial von der Öffnung 144 erstrecken, wenn sich Hitze von der Wärmequelle 142 von der Öffnung nach außen ausbreitet. Bei einem bestimmten Abstand bildet sich jedoch kein Koks 154 mehr, da die Temperaturen in der Kohlenwasserstoffschicht 140 bei dem bestimmten Abstand keine Verkokungstemperaturen erreichen. Der Abstand, bei dem sich kein Koks bildet, ist eine Funktion des Wärmeaustrages (W/m von der Wärmequelle 142), des Formationstyps, des Kohlenwasserstoffgehaltes in der Formation und/oder anderer Bedingungen in der Formation.
Die Bildung von Koks 154 verhindert einen Fluidstrom in die Öffnung 144 infolge der Verkokung. Fluide in der Formation können jedoch durch die Öffnung 144 an der Ferse der Wärmequelle 142 (z. B. an dem warmen Abschnitt 148 der Wärmequelle) gefördert werden, wo nur eine geringe oder keine Koksbildung stattfindet. Die niedrigeren Temperaturen an der Ferse der Wärmequelle 142 verringern die Wahrscheinlichkeit eines erhöhten Crackens von durch die Ferse geförderten Formationsfluiden. Die Fluide können in einer horizontalen Richtung durch die Formation leichter strömen als in einer vertikalen Richtung. Typischerweise ist die horizontale Durchlässigkeit in einer relativ durchlässigen Formation um das ca. 5- bis 10-fache größer als die vertikale Durchlässigkeit. Daher strömen Fluide entlang der Länge der Wärmequelle 142 in einer im wesentlichen horizontalen Richtung. Die Förderung von Formationsfluiden durch die Öffnung 144 ist zu früheren Zeiten möglich als eine Förderung von Fluiden durch Förderbohrlöcher in der Kohlenwasserstoffschicht 140. Die früheren Förderzeiten durch die Öffnung 144 sind möglich, da die Temperaturen nahe der Öffnung auf Grund der Leitung von Hitze von der Wärmequelle 142 durch die Kohlenwasserstoffschicht 140 schneller ansteigen als die Temperaturen weiter weg. Die frühe Förderung von Formationsfluiden kann verwendet werden, um niedrigere Drücke in der Kohlenwasserstoffschicht 140 während der Anlaufphase des Erhitzens der Formation aufrechtzuerhalten. Die Anlaufphase des Erhitzens der Formation ist die Zeit des Erhitzens, bevor die Förderung an den Förderbohrlöchern in der Formation beginnt. Niedrigere Drücke in der Formation können die Förderung von Flüssigkeiten aus der Formation steigern. Darüber hinaus kann ein Fördern von Formationsfluiden durch die Öffnung 144 die Anzahl von Förderbohrlöchern reduzieren, die in der Formation erforderlich sind.
Einige Ausführungsformen von Heizgeräten umfassen Schalter (z. B. Sicherungen und/oder Thermostate), die die Energie zu dem Heizgerät oder Abschnitten des Heizgerät ausschalten, wenn in dem Heizgerät ein bestimmter Zustand erreicht wird. In bestimmten Ausführungsformen wird ein „temperaturbegrenztes Heizgerät" verwendet, um Hitze an die Formation bereitzustellen. Das temperaturbegrenzte Heizgerät ist ein Heizgerät, das den Wärmeaustrag oberhalb einer festgelegten Temperatur regelt (z. B. den Hitzeaustrag reduziert), ohne externe Steuerungen wie z. B. Temperaturregler, Leistungsregler, Gleichrichter oder anderer Vorrichtungen zu verwenden. Temperaturbegrenzte Heizgeräte können elektrische Widerstandsheizgeräte sein, die mit AC (Wechselstrom) oder moduliertem (z. B. „gechopptem") DC (Gleichstrom) betrieben werden.
Temperaturbegrenzte Heizgeräte können in Konfigurationen vorliegen und/oder Materialien umfassen, die automatische Temperaturbegrenzungseigenschaften für das Heizgerät bei bestimmten Temperaturen bereitstellen. In bestimmten Ausführungsformen werden ferromagnetische Materialien in temperaturbegrenzten Heizgeräten verwendet. Ein ferromagnetisches Material kann eine Temperatur bei oder nahe der Curie-Temperatur des Materials selbst begrenzen, um eine reduzierte Hitzemenge bei oder nahe der Curie-Temperatur bereitzustellen, wenn ein Wechselstrom an das Material angelegt wird. In bestimmten Ausführungsformen sind die ferromagnetischen Materialien mit anderen Materialien (z. B. hochleitfähigen Materialien, hochfesten Materialien, korrosionsbeständigen Materialien oder Kombinationen davon) gekoppelt, um verschiedene elektrische und/oder mechanische Eigenschaften vorzusehen. Einige Teile des temperaturbegrenzten Heizgerätes können einen geringeren Widerstand (auf Grund verschiedenere Geometrien und/oder durch Verwendung verschiedener ferromagnetischer und/oder nicht-ferromagnetischer Materialien) als andere Teile des temperaturbegrenzten Heizgerätes aufweisen. Die Verwendung von Teilen des temperaturbegrenzten Heizgerätes mit verschiedenen Materialien und/oder Abmessungen gestattet einen maßgeschneiderten Hitzeaustrag von jedem Teil des Heizgerätes. Die Verwendung von ferromagnetischen Materialien in temperaturbegrenzten Heizgeräten ist typischerweise weniger kostspielig und zuverlässiger als die Verwendung von Schaltern oder anderen Steuereinrichtungen in temperaturbegrenzten Heizgeräten.
Temperaturbegrenzte Heizgeräte können zuverlässiger sein als andere Heizgeräte. Temperaturbegrenzte Heizgeräte können weniger anfällig gegenüber einem Ausfall oder Versagen auf Grund von heißen Stellen in der Formation sein. In einigen Ausführungsformen gestatten temperaturbegrenzte Heizgeräte ein im wesentlichen gleichmäßiges Erhitzen der Formation. In einigen Ausführungsformen sind temperaturbegrenzte Heizgeräte in der Lage, die Formation effizienter zu erhitzen, indem sie bei einem höheren durchschnittlichen Energieaustrag entlang der gesamten Länge des Heizgerätes arbeiten. Das temperaturbegrenzte Heizgerät arbeitet bei einem höheren durchschnittlichen Hitze austrag entlang der gesamten Länge des Heizgerätes, da die Energie an das Heizgerät nicht auf das gesamte Heizgerät reduziert werden muß, wie es bei Heizgeräten mit konstanter Leistung der Fall ist, wenn eine Temperatur entlang eines beliebigen Punktes des Heizgerätes eine maximale Betriebstemperatur des Heizgerätes überschreitet oder dabei ist, diese zu überschreiten. Ein Wärmeaustrag von Abschnitten eines temperaturbegrenzten Heizgerätes, die sich einer Curie-Temperatur des Heizgerätes annähern, wird, ohne eine gesteuerte Anpassung eines an das Heizgerät angelegten Stromes, automatisch gesteuert. Der Hitzeaustrag wird auf Grund von Änderungen elektrischer Eigenschaften (z. B. des elektrischen Widerstandes) von Abschnitten des temperaturbegrenzten Heizgerätes automatisch reduziert. Daher wird von dem temperaturbegrenzten Heizgerät während eines größeren Anteiles eines Erhitzungsverfahrens mehr Hitze zugeführt.
In einer Ausführungsform stellt das System, das temperaturbegrenzte Heizgeräte umfaßt, anfangs einen ersten Hitzeaustrag bereit und stellt dann einen reduzierten Hitzebetrag nahe, bei oder oberhalb der Curie-Temperatur eines elektrischen Widerstandsabschnittes des Heizgerätes bereit, wenn das temperaturbegrenzte Heizgerät durch eine Wechselstrom oder einen modulierten Gleichstrom aktiviert wird. Das temperaturbegrenzte Heizgerät kann durch einen dem Bohrlochkopf zugeführten Wechselstrom oder modulierten Gleichstrom aktiviert werden. Der Bohrlochkopf kann eine Energiequelle und andere Komponenten (z. B. Modulationskomponenten, Transformatoren und/oder Kondensatoren) umfassen, die verwendet werden, um dem temperaturbegrenzten Heizgerät Energie zuzuführen. Das temperaturbegrenzte Heizgerät kann ein beliebiges von vielen Heizgeräten sein, die verwendet werden, um einen Abschnitt der Formation zu erhitzen.
In bestimmten Ausführungsformen umfaßt das temperaturbegrenzte Heizgerät einen Leiter, der als ein Skin-Effekt- oder Nahwirkungseffekt-Heizgerät arbeitet, wenn ein Wechselstrom oder ein modulierter Gleichstrom an den Leiter angelegt wird. Der Skin-Effekt begrenzt die Tiefe der Stromeindringung in das Innere des Leiters. Für ferromagnetische Materialien wird der Skin-Effekt durch die magnetische Permeabilität des Leiters dominiert. Die relative magnetische Permeabilität von ferromagnetischen Materialien liegt typischerweise zwischen 10 und 1000 (z. B. beträgt die relative magnetische Permeabilität von ferromagnetischen Materialien typischerweise mindestens 10 und kann mindestens 50, 100, 500, 1000 oder mehr betragen). Wenn die Temperatur des ferromagnetischen Materials über die Curie-Temperatur erhöht wird und/oder wenn der angelegte elektrische Strom erhöht wird, nimmt die magnetische Permeabilität des ferromagnetischen Materials deutlich ab und die Skin-Tiefe erweitert sich schnell (zum Beispiel erweitert sich die Skin-Tiefe als der Kehrwert der Quadratwurzel der magnetischen Permeabilität). Die Reduktion der magnetischen Permeabilität führt zu einer Abnahme des Wechselstrom- oder modulierten Gleichstromwiderstandes des Leiters nahe, bei oder oberhalb der Curie-Temperatur und/oder wenn der angelegte elektrische Strom erhöht wird. Wenn das temperaturbegrenzte Heizgerät mit einer im wesentlichen konstanten Stromquelle betrieben wird, können Abschnitte des Heizgerätes, die sich der Curie-Temperatur annähern, diese erreichen oder überschreiten, eine verminderte Wärmeabfuhr aufweisen. Abschnitte des temperaturbegrenzten Heizgerätes, die sich nicht bei oder nahe der Curie-Temperatur befinden, können durch eine Skin-Effekt-Erhitzung dominiert sein, die gestattet, daß das Heizgerät eine hohe Wärmeabfuhr auf Grund einer höheren Widerstandslast aufweist.
Ein Vorteil bei der Verwendung des temperaturbegrenzten Heizgerätes zum Erhitzen von Kohlenwasserstoffen der Formation be steht darin, daß der Leiter derart ausgewählt wird, daß er eine Curie-Temperatur in einem erwünschten Betriebstemperaturbereich aufweist. Ein Betrieb innerhalb des gewünschten Betriebstemperaturbereichs gestattet eine beträchtliche Hitzeinjektion in die Formation, während die Temperatur des temperaturbegrenzten Heizgerätes und anderer Geräte unter den Auslegungsgrenztemperaturen gehalten wird. Auslegungsgrenztemperaturen sind Temperaturen, bei denen Eigenschaften, wie z. B. Korrosion, Kriechen und/oder Verformung, nachteilig beeinflußt werden. Die temperaturbegrenzenden Eigenschaften des temperaturbegrenzten Heizgerätes verhindern ein Überhitzen oder Durchbrennen des Heizgerätes neben „heißen Stellen" mit geringer thermischer Leitfähigkeit in der Formation. In einigen Ausführungsformen ist das temperaturbegrenzte Heizgerät in der Lage, einen Wärmeaustrag zu verringern oder zu steuern und/oder, je nach Materialien, die in dem Heizgerät verwendet werden, einer Hitze oberhalb von 25°C, 37°C, 100°C, 250°C, 500°C, 700°C, 800°C, 900°C oder darüber, bis zu 1131°C, standzuhalten.
Die Verwendung von temperaturbegrenzten Heizgeräten gestattet eine effiziente Übertragung von Hitze auf die Formation. Eine effiziente Übertragung von Hitze gestattet eine Reduktion der Zeit, die erforderlich ist, um die Formation auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen. Zum Beispiel erfordert eine Pyrolyse in dem Green River Ölschiefer typischerweise ein Erhitzen über ca. 9,5 bis 10 Jahre bei Verwendung einer Heizgerätebohrlochbeabstandung von 12 m mit herkömmlichen Heizgeräten mit konstanter Leistung. Für dieselbe Heizgerätebeabstandung können temperaturbegrenzte Heizgeräte einen höheren durchschnittlichen Hitzeaustrag gestatten, während die Heizgeräteausrüstungstemperaturen unter den Ausrüstungsauslegungstemperaturen gehalten werden. Eine Pyrolyse in der Formation kann mit dem durch die temperaturbegrenzten Heizgeräte bereit gestellten größeren durchschnittlichen Hitzeaustrag zu einer früheren Zeit stattfinden als mit dem durch Heizgeräte mit konstanter Leistung bereitgestellten niedrigeren durchschnittlichen Hitzeaustrag. Zum Beispiel kann eine Pyrolyse in dem Green River Ölschiefer bei Verwendung von temperaturbegrenzten Heizgeräten mit einer Heizgerätebohrlochbeabstandung von 12 m in 5 Jahren stattfinden. Temperaturbegrenzte Heizgeräte wirken heißen Stellen auf Grund einer ungenauen Bohrlochbeabstandung oder Bohrung, bei der Heizgerätebohrlöcher einander zu nahe kommen, entgegen. In bestimmten Ausführungsformen gestatten temperaturbegrenzte Heizgeräte einen erhöhten Hitzaustrag über die Zeit für Heizgerätebohrlöcher, die zu weit voneinander beabstandet wurden, oder begrenzen den Hitzeaustrag für Heizgerätebohrlöcher, die zu nahe aneinander beabstandet sind. Temperaturbegrenzte Heizgeräte können auch mehr Energie in Gebieten benachbart zu einer überlagernden Schicht oder einer darunterliegenden Schicht zuführen, um Temperaturverluste in diesen Gebieten auszugleichen.
Die ferromagnetische Legierung oder ferromagnetischen Legierungen, die in dem temperaturbegrenzten Heizgerät verwendet werden, bestimmen die Curie-Temperatur des Heizgerätes. Die Curie-Temperatur-Daten für verschiedene Metalle sind in dem Handbuch „American Institute of Physics Handbook, 2. Auflage, McGraw-Hill, Seiten 5-170 bis 5-176, aufgelistet. Ferromagnetische Leiter können ein oder mehrere ferromagnetische Elemente (Eisen, Cobalt und Nickel) und/oder Legierungen aus diesen Elementen umfassen. In einigen Ausführungsformen umfassen ferromagnetische Leiter Eisen-Chrom (Fe-Cr)-Legierungen, die Wolfram (W) umfassen (z. B. HCMA12A und SAVE12 (Sumitomo Metals Co., Japan) und/oder Eisenlegierungen, die Chrom enthalten (z. B. FE-Cr-Legierungen, Fe-Cr-W-Legierungen, Fe-Cr-V (Vanadium)-Legierungen, Fe-Cr-Nb (Niob)-Legierungen). Von den drei ferromagnetischen Hauptelementen besitzt Eisen eine Curie-Tem peratur von ca. 770°C; Cobalt (Co) besitzt eine Curie-Temperatur von ca. 1131°C; und Nickel besitzt eine Curie-Temperatur von ca. 358°C. Eine Eisen-Cobalt-Legierung besitzt eine Curie-Temperatur, die höher ist als die Curie-Temperatur von Eisen. Zum Beispiel besitzt eine Eisen-Cobalt-Legierung mit 2 Gew.-% Cobalt eine Curie-Temperatur von ca. 800°C; eine Eisen-Cobalt-Legierung mit 12 Gew.-% Cobalt besitzt eine Curie-Temperatur von ca. 900°C; und eine Eisen-Cobalt-Legierung mit 20 Gew.-% Cobalt besitzt eine Curie-Temperatur von ca. 950°C. Eine Eisen-Nickel-Legierung besitzt eine Curie-Temperatur, die niedriger ist als die Curie-Temperatur von Eisen. Zum Beispiel besitzt eine Eisen-Nickel-Legierung mit 20 Gew.-% Nickel eine Curie-Temperatur von ca. 720°C; und eine Eisen-Nickel-Legierung mit 60 Gew.-% Nickel besitzt eine Curie-Temperatur von ca. 560°C.
Einige als Legierungen verwendete nicht-ferromagnetische Elemente setzen die Curie-Temperatur von Eisen herauf. Zum Beispiel besitzt eine Eisen-Vanadium-Legierung mit 5,9 Gew.-% Vanadium eine Curie-Temperatur von ca. 815°C. Andere nicht-ferromagnetische Elemente (zum Beispiel Kohlenstoff, Aluminium, Kupfer, Silicium und/oder Chrom) können mit Eisen oder anderen ferromagnetischen Materialien legiert werden, um die Curie-Temperatur herabzusetzen. Nicht-ferromagnetische Materialien, die die Curie-Temperatur heraufsetzen, können mit nicht-ferromagnetischen Materialien, die die Curie-Temperatur herabsetzen, kombiniert und mit Eisen oder anderen ferromagnetischen Materialien legiert werden, um ein Material mit einer gewünschten Curie-Temperatur und/oder erwünschten physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen ist das Curie-Temperatur-Material ein Ferrit, wie z. B. NiFe₂O₄. In weiteren Ausführungsformen ist das Curie-Temperatur-Material eine binäre Komponente, wie z. B. FeNi₃ oder Fe₃Al.
Die magnetischen Eigenschaften nehmen bei einer Annäherung an die Curie-Temperatur im allgemeinen ab. Das Handbuch „Handbook of Electrical Heating for Industry" von James Erickson (IEEE Press 1995) zeigt eine typische Kurve für einen 1%-igen Kohlenstoffstahl (Stahl mit 1 Gew.-% Kohlenstoff). Der Verlust der magnetischen Permeabilität beginnt bei Temperaturen oberhalb von 650°C und neigt dazu, vollständig zu sein, wenn die Temperaturen 730°C übersteigen. Daher kann eine selbstbegrenzende Temperatur etwas unterhalb der tatsächlichen Curie-Temperatur des ferromagnetischen Leiters liegen. Die Skin-Tiefe für einen Stromfluß in dem 1%-igen Kohlenstoffstahl liegt bei 0,132 cm (Zentimeter) bei Raumtemperatur und nimmt auf 0,445 cm bei 720°C zu. Von 720°C bis 730°C nimmt die Skin-Tiefe schnell auf über 2,5 cm zu. Daher begrenzt sich eine Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes bei Verwendung eines Stahls mit 1% Kohlenstoff selbst zwischen 650°C und 730°C.
Die Skin-Tiefe definiert im allgemeinen eine effektive Eindringtiefe von Wechselstrom oder moduliertem Gleichstrom in das leitende Material. Im allgemeinen nimmt die Stromdichte mit dem Abstand von der äußeren Oberfläche zur Mitte entlang des Radius des Leiters exponentiell ab. Die Tiefe, bei der die Stromdichte ungefähr 1/e des Oberflächen-Stromdichte beträgt, wird als Skin-Tiefe bezeichnet. Für eine solide zylindrische Stange mit einem Durchmesser, der viel größer ist als die Eindringtiefe oder für hohle Zylinder mit einer Wanddicke, die größer ist als die Eindringtiefe, ist die Skin-Tiefe δ: δ = 1981,5·(ρ/μ·f))1/2 (1);wobei:

δ: = Skin-Tiefe in Zoll;
ρ: = Widerstand bei Betriebstemperatur (ohm-cm)
μ: = relative magnetische Permeabilität; und
f: = Frequenz (Hz).

Gleichung 1 wird aus dem Handbuch „Handbook of Electrical Heating for Industry" von James Erickson (IEEE Press 1995) erhalten. Für die meisten Metalle nimmt der Widerstand (ρ) mit der Temperatur zu. Die relative magnetische Permeabilität variiert im allgemeinen mit der Temperatur und dem Strom. Es können zusätzliche Gleichungen verwendet werden, um die Varianz der magnetischen Permeabilität und/oder der Skin-Tiefe mit der Temperatur und/oder dem Strom zu ermitteln. Die Abhängigkeit von μ vom Strom ergibt sich aus der Abhängigkeit von μ vom Magnetfeld.
Materialien, die in dem temperaturbegrenzten Heizgerät verwendet werden, können derart ausgewählt werden, daß sie ein gewünschtes Stellverhältnis bereitstellen. Stellverhältnisse von zumindest 1,1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 10:1, 30:1 oder 50:1 können für temperaturbegrenzte Heizgeräte ausgewählt werden. Es können auch größere Stellverhältnisse verwendet werden. Das ausgewählte Stellverhältnis ist von einer Anzahl von Faktoren abhängig, die den Formationstyp, in dem das temperaturbegrenzte Heizgerät angeordnet ist, und/oder eine Temperaturgrenze von in dem Bohrloch verwendeten Materialen einschließen, jedoch nicht darauf begrenzt sind. In einigen Ausführungsformen wird das Stellverhältnis erhöht, indem ein zusätzlicher Kupfer- oder ein anderer guter elektrischer Leiter mit dem ferromagnetischen Material verbunden wird (zum Beispiel durch Hinzufügen von Kupfer, um den Widerstand oberhalb der Curie-Temperatur zu senken).
Das temperaturbegrenzte Heizgerät kann einen minimalen Hitzeaustrag (Energieaustrag) unterhalb der Curie-Temperatur des Heizgerätes bereitstellen. In bestimmten Ausführungsformen be trägt der minimale Hitzeaustrag zumindest 400 W/m (Watt pro Meter), 600 W/m, 700 W/m, 800 W/m oder mehr, bis zu 2000 W/m. Das temperaturbegrenzte Heizgerät reduziert die Hitzeaustragmenge um einen Abschnitt des Heizgerätes, wenn sich die Temperatur des Abschnittes des Heizgerätes der Curie-Temperatur annähert oder über dieser liegt. Die reduzierte Hitzemenge kann wesentlich kleiner sein als der Hitzeaustrag unterhalb der Curie-Temperatur. In einigen Ausführungsformen beträgt die reduzierte Hitzemenge höchstens 400 W/m, 200 W/m oder 100 W/m oder kann sich 0 W/m annähern.
In einigen Ausführungsformen kann das temperaturbegrenzte Heizgerät im wesentlichen unabhängig von der thermischen Belastung auf dem Heizgerät in einem bestimmten Betriebstemperaturbereich arbeiten. Die „thermische Belastung" ist die Rate, mit der die Hitze von einem Heizsystem auf seine Umgebung übertragen wird. Es sollte einzusehen sein, daß die thermische Belastung mit der Temperatur der Umgebung und/oder der thermischen Leitfähigkeit der Umgebung variieren kann. In einer Ausführungsform arbeitet das temperaturbegrenzte Heizgerät bei oder oberhalb der Curie-Temperatur des temperaturbegrenzten Heizgerätes, so daß die Betriebstemperatur des Heizgerätes um höchstens 1,5°C, 1°C oder 0,5°C für eine Verringerung der thermischen Belastung von 1 W/m nahe einem Abschnitt des Heizgerätes ansteigt.
Der Wechselstrom-Widerstand oder der Widerstand des modulierten Gleichstromes und/oder der Hitzeaustrag des temperaturbegrenzten Heizgerätes kann auf Grund des Curie-Effekts oberhalb der Curie-Temperatur abrupt abfallen. In bestimmten Ausführungsformen beträgt der Wert des elektrischen Widerstandes oder des Hitzeaustrages oberhalb oder nahe der Curie-Temperatur höchstens die Hälfte des Werts des elektrischen Widerstandes oder des Hitzeaustrages an einem bestimmten Punkt un terhalb der Curie-Temperatur. In einigen Ausführungsformen beträgt der Hitzeaustrag oberhalb oder nahe der Curie-Temperatur höchstens 40%, 30%, 20% oder weniger bis zu 0% des Hitzeaustrages an einem bestimmten Punkt unterhalb der Curie-Temperatur (z. B. 30°C unterhalb der Curie-Temperatur, 40°C unterhalb der Curie-Temperatur, 50°C unterhalb der Curie-Temperatur oder 100°C unterhalb der Curie-Temperatur). In einigen Ausführungsformen nimmt der elektrische Widerstand oberhalb oder nahe der Curie-Temperatur auf 80%, 70%, 60%, 50% oder weniger bis 0% des elektrischen Widerstandes an einem bestimmten Punkt unterhalb der Curie-Temperatur (z. B. 30°C unterhalb der Curie-Temperatur, 40°C unterhalb der Curie-Temperatur, 50°C unterhalb der Curie-Temperatur oder 100°C unterhalb der Curie-Temperatur) ab.
In einigen Ausführungsformen wird die Wechselstromfrequenz verstellt, um die Skin-Tiefe des ferromagnetischen Materials zu ändern. Zum Beispiel beträgt die Skin-Tiefe eines 1%-igen Kohlenstoffstahls bei Raumtemperatur 0,132 cm bei 60 Hz, 0,0762 cm bei 180 Hz und 0,046 cm bei 440 Hz. Da der Heizgrätedurchmesser typischerweise größer als das Doppelte der Skin-Tiefe ist, reduziert die Verwendung einer höheren Frequenz (und somit eines Heizgerätes mit einem kleineren Durchmesser) die Heizgerätekosten. Für eine feststehende Geometrie führt die höhere Frequenz zu einem höheren Stellverhältnis. Das Stellverhältnis bei einer höheren Frequenz wird berechnet, indem das Stellverhältnis bei einer niedrigeren Frequenz mit der Quadratwurzel der höheren Frequenz dividiert durch die Quadratwurzel der niedrigeren Frequenz multipliziert wird. In einigen Ausführungsformen wird eine Frequenz zwischen 100 Hz und 1000 Hz, zwischen 140 Hz und 200 Hz oder zwischen 400 Hz und 600 Hz verwendet (z. B. 180 Hz, 540 Hz oder 720 Hz). In einigen Ausführungsformen können hohe Frequenzen verwendet werden. Hohe Frequenzen können z. B. zumindest 1000 Hz betragen.
Um eine im wesentlichen konstante Skin-Tiefe aufrechtzuerhalten, bis die Curie-Temperatur des temperaturbegrenzten Heizgerätes erreicht ist, kann das Heizgerät bei einer niedrigeren Frequenz betrieben werden, wenn das Heizgerät kalt ist und bei einer höheren Frequenz betrieben werden, wenn das Heizgerät heiß ist. Allerdings ist im allgemeinen eine Netzfrequenzheizung zu bevorzugen, da weniger Bedarf an kostspieligen Komponenten, wie z. B. Spannungsquellen, Transformatoren oder Strommodulatoren, die die Frequenz ändern, besteht. Die Netzfrequenz ist die Frequenz einer allgemeinen Stromversorgung. Die Netzfrequenz beträgt typischerweise 60 Hz, kann jedoch, abhängig von der Quelle für die Stromversorgung, 50 Hz betragen oder eine andere Frequenz sein. Höhere Frequenzen können mit Hilfe handelsüblicher Geräte wie z. B. Halbleiternetze mit variabler Frequenz sein. Transformatoren, die eine Drehstromleistung in eine einphasige Stromleistung mit dem Dreifachen der Frequenz umwandelt, sind im Handel erhältlich. Zum Beispiel kann eine Hochspannungs-Drehstromleistung bei 60 Hz in eine einphasige Stromleistung bei 180 Hz und bei einer niedrigeren Spannung transformiert werden. Solche Transformatoren sind weniger kostspielig und energieeffizienter als Halbleiternetze mit variabler Frequenz. In bestimmten Ausführungsformen können Transformatoren, die eine Wechselstromleistung in eine einphasige Stromleistung umwandeln, verwendet werden, um die Frequenz von Stromleistung, die dem temperaturbegrenzten Heizgerät zugeführt wird, zu erhöhen.
In bestimmten Ausführungsformen kann ein modulierter Gleichstrom (z. B. ein gechoppter Gleichstrom, ein wellenformmodulierter Gleichstrom oder ein getakteter Gleichstrom) verwendet werden, um elektrische Leistung an das temperaturbegrenzte Heizgerät zu liefern. Ein Gleichstrommodulator oder Gleichstrom-Chopper kann mit einer Gleichstromspannungsquelle gekoppelt sein, um einen Ausgang eines modulierten Gleichstromes vorzusehen. In einigen Ausführungsformen kann die Gleichstromspannungsquelle ein Mittel zum Modulieren des Gleichstrom umfassen. Ein Beispiel für einen Gleichstrommodulator ist ein Gleichstromwandlersystem. Gleichstromwandlersysteme sind in der Technik im allgemeinen bekannt. Der Gleichstrom wird typischerweise in eine gewünschte Wellenform moduliert oder gechoppt. Wellenformen für eine Gleichstrommodulationen umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Rechteckwellen, Sinus-, verformte Sinus-, verformte Rechteckwellen, dreieckige und andere regelmäßige oder unregelmäßige Wellenformen.
Die modulierte Gleichstromwellenform definiert im allgemeinen die Frequenz des modulierten Gleichstromes. Daher kann die modulierte Gleichstromwellenform ausgewählt werden, um eine gewünschte modulierte Gleichstromfrequenz bereitzustellen. Die Form und/oder die Geschwindigkeit der Modulation (wie z. B. die Chop-Geschwindigkeit) der modulierten Gleichstromwellenform kann variiert werden, um die modulierte Gleichstromfrequenz zu variieren. Der Gleichstrom kann bei Frequenzen moduliert werden, die höher sind als allgemein verfügbare Wechselstromfrequenzen. Zum Beispiel kann ein modulierter Gleichstrom bei Frequenzen von mindestens 1000 Hz bereitgestellt werden. Eine Erhöhung der Frequenz eines zugeführten Stromes zu höheren Werten erhöht vorteilhafterweise das Stellverhältnis des temperaturbegrenzten Heizgerätes.
In bestimmten Ausführungsformen wird die modulierte Gleichstromwellenform verstellt oder geändert, um die modulierte Gleichstromfrequenz zu variieren. Der Gleichstrommodulator kann in der Lage sein, die modulierte Gleichstromwellenform zu jeder Zeit während der Verwendung des temperaturbegrenzten Heizgerätes und bei hohen Strömen oder Spannungen zu verstellen oder zu ändern. Daher ist der an das temperaturbegrenzte Heizgerät gelieferte modulierte Gleichstrom nicht auf eine einzige Frequenz oder selbst einen kleinen Satz von Frequenzwerten begrenzt. Die Wellenformauswahl mit Hilfe des Gleichstrommodulators gestattet typischerweise einen weiten Bereich von modulierten Gleichstromfrequenzen und eine diskrete Steuerung der modulierten Gleichstromfrequenz. Daher wird die modulierte Gleichstromfrequenz einfach auf einen eindeutigen Wert gesetzt, wohingegen eine Wechselstromfrequenz im allgemeinen auf inkrementelle Werte der Netzfrequenz beschränkt ist. Eine diskrete Steuerung der modulierten Gleichstromfrequenz gestattet eine selektivere Steuerung über das Stellverhältnis des temperaturbegrenzten Heizgerätes hinweg. Dadurch, daß man in der Lage ist, das Stellverhältnis des temperaturbegrenzten Heizgerätes selektiv zu steuern, wird ein weiterer Bereich von Materialien zugelassen, die bei der Konstruktion und dem Aufbau des temperaturbegrenzten Heizgerätes verwendet werden.
In bestimmten Ausführungsformen wird die elektrische Energie für das temperaturbegrenzte Heizgerät zu Beginn mit Hilfe eines nicht-modulierten Gleichstromes oder eines mit sehr niedriger Frequenz modulierten Gleichstromes zugeführt. Die Verwendung eines nicht-modulierten Gleichstromes oder eines mit sehr niedriger Frequenz modulierten Gleichstromes zu frühen Zeiten des Erhitzens reduziert Verluste in Verbindung mit höheren Frequenzen. Ein nicht-modulierter Gleichstrom und/oder ein mit sehr niedriger Frequenz modulierter Gleichstrom ist/sind während der anfänglichen Aufheizzeiten auch kostengünstiger zu verwenden. Nachdem eine ausgewählte Temperatur in einem temperaturbegrenzten Heizgerät erreicht ist, wird ein modulierter Gleichstrom, ein mit höherer Frequenz modulierter Gleichstrom oder ein Wechselstrom verwendet, um elektrische Energie an das temperaturbegrenzte Heizgerät bereitzustellen, so daß der Hitzeaustrag nahe, bei oder oberhalb der Curie-Temperatur abnehmen wird.
In einigen Ausführungsformen wird die modulierte Gleichstromfrequenz oder die Wechselstromfrequenz verstellt, um Änderungen von Eigenschaften (zum Beispiel unterirdische Bedingungen, wie z. B. Temperatur oder Druck) des temperaturbegrenzten Heizgerätes während der Verwendung auszugleichen. Die modulierte Gleichstromfrequenz oder die Wechselstromfrequenz, die an das temperaturbegrenzte Heizgerät geliefert wird, wird auf der Basis von ermittelten Untertage-Bedingungen variiert. Zum Beispiel kann es, wenn die Temperatur des temperaturbegrenzten Heizgerätes in dem Bohrloch zunimmt, von Vorteil sein, die Frequenz des an das Heizgerät gelieferten Stromes zu erhöhen und damit das Stellverhältnis des Heizgerätes zu erhöhen. In einer Ausführungsform wird die Untertage-Temperatur des temperaturbegrenzten Heizgerätes in dem Bohrloch ermittelt.
In bestimmten Ausführungsformen wird die modulierte Gleichstromfrequenz oder die Wechselstromfrequenz variiert, um das Stellverhältnis des temperaturbegrenzten Heizgerätes zu verstellen. Das Stellverhältnis kann verstellt werden, um heiße Stellen, die entlang einer Länge des temperaturbegrenzten Heizgerätes auftreten, auszugleichen. Zum Beispiel wird das Stellverhältnis erhöht, da das temperaturbegrenzte Heizgerät an bestimmten Orten zu heiß wird. In einigen Ausführungsformen wird die modulierte Gleichstromfrequenz oder die Wechselstromfrequenz variiert, um ein Stellverhältnis zu verstellen, ohne eine unterirdische Bedingung zu ermitteln.
Bei oder nahe der Curie-Temperatur des ferromagnetischen Materials kann eine relativ geringe Änderung der Spannung eine relativ starke Änderung der Strombelastung bewirken. Die relativ kleine Änderung der Spannung kann Probleme in der dem temperaturbegrenzten Heizgerät zugeführten Energie schaffen, insbesondere bei oder nahe der Curie-Temperatur. Die Probleme umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf das Auslösen eines Schutzschalters und/oder das Fallen einer Sicherung. In bestimmten Ausführungsformen liefert eine elektrische Stromzufuhr (z. B. eine Zufuhr von moduliertem Gleichstrom oder von Wechselstrom) einen relativ konstanten Betrag von Strom, der mit Änderungen der Belastung des temperaturbegrenzten Heizgerätes nicht wesentlich variiert. In einer Ausführungsform liefert die elektrische Stromzufuhr einen Betrag an elektrischem Strom, der innerhalb von 15%, innerhalb von 10%, innerhalb von 5% oder innerhalb von 2% eines ausgewählten konstanten Stromwerts bleibt, wenn sich eine Belastung des temperaturbegrenzten Heizgerätes ändert.
Temperaturbegrenzte Heizgeräte können eine induktive Belastung erzeugen. Zu einer induktiven Belastung kommt es infolge dessen, daß durch das ferromagnetische Material ein gewisser angelegter elektrischer Strom verwendet wird, um, zusätzlich zu der Erzeugung eines Widerstandshitzeaustrages, ein Magnetfeld zu erzeugen. Wenn sich die Untertage-Temperatur in dem temperaturbegrenzten Heizgerät ändert, ändert sich die induktive Belastung des Heizgerätes auf Grund von Änderungen der magnetischen Eigenschaften von ferromagnetischen Materialien in dem Heizgerät mit der Temperatur. Die induktive Belastung des temperaturbegrenzten Heizgerätes kann eine Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung, die an das Heizgerät angelegt sind, verursachen.
Eine Reduktion der auf dem temperaturbegrenzten Heizgerät aufgebrachten tatsächlichen Leistung kann durch eine Zeitverzögerung der Stromwellenform (z. B. weist der Strom eine Phasenverschiebung relativ zu der Spannung auf Grund einer induktiven Belastung auf) und/oder durch Verzerrungen der Stromwellenform (z. B. Verzerrungen in der Stromwellenform, die durch eingeführte Oberschwingungen auf Grund einer nicht linearen Belastung verursacht werden) bewirkt werden. Auf Grund der Phasen verschiebung oder der Wellenformverzerrung kann daher mehr Strom erforderlich sein, um einen ausgewählten Leistungsbetrag aufzubringen. Das Verhältnis zwischen der aufgebrachten tatsächlichen Leistung und der scheinbaren Leistung, die übertragen worden wäre, wenn derselbe Strom in Phase und unverzerrt wäre, ist der Leistungsfaktor. Der Leistungsfaktor ist immer kleiner oder gleich 1. Der Leistungsfaktor ist gleich 1, wenn keine Phasenverschiebung oder Verzerrung in der Wellenform vorhanden ist.
Die tatsächliche infolge der Phasenverschiebung auf dem temperaturbegrenzten Heizgerät aufgebrachten Leistung ist durch Gleichung 2 beschrieben: P = I × V × cos (θ) (2);wobei P die tatsächlich an dem Heizgerät aufgebrachte Leistung ist; I der angelegte Strom ist; V die angelegte Spannung ist; und θ die Phasenwinkeldifferenz zwischen der Spannung und dem Strom ist. Wenn in der Wellenform keine Verzerrung vorhanden ist, so ist cos (θ) gleich dem Leistungsfaktor.
Bei höheren Frequenzen (z. B. modulierten Gleichstromfrequenzen von zumindest 1000 Hz, 1500 Hz oder 2000 Hz) ist das Problem mit der Phasenverschiebung und/oder Verzerrung ausgeprägter. In bestimmten Ausführungsformen wird ein Kondensator verwendet, um die durch die induktive Last verursachte Phasenverschiebung zu kompensieren. Die induktive Last kann verwendet werden, um die induktive Last auszugleichen, da der Strom für den kapazitiven Widerstand um 180° aus der Phase eines Stromes für die Induktivität ist. In einigen Ausführungsformen wird ein variabler Kondensator (z. B. ein Halbleiter-Schaltkondensator) verwendet, um die durch eine variierende induktive Last verursachte Phasenverschiebung zu kompensieren. In einer Aus führungsform ist der variable Kondensator an dem Bohrlochkopf für das temperaturbegrenzte Heizgerät angeordnet. Das Anordnen des variablen Kondensators an den Bohrlochkopf gestattet ein einfacheres Variieren des kapazitiven Widerstandes in Ansprechen auf Änderungen der induktiven Last des temperaturbegrenzten Heizgerätes. In bestimmten Ausführungsformen ist der variable Kondensator unterirdisch mit dem temperaturbegrenzten Heizgerät, unterirdisch innerhalb des Heizgerätes oder so nahe wie möglich an dem Heizleiter angeordnet, um Leitungsverluste auf Grund des Kondensators zu minimieren. In einigen Ausführungsformen ist der variable Kondensator an einer zentralen Stelle für ein Feld von Heizgerätebohrungen angeordnet (in einigen Ausführungsformen kann ein variabler Kondensator für mehrere temperaturbegrenzte Heizgeräte verwendet werden). In einer Ausführungsform ist der variable Kondensator an der elektrischen Verbindungsstelle zwischen dem Feld von Heizgeräten und der elektrischen Versorgung angeordnet.
In bestimmten Ausführungsformen wird der variable Kondensator verwendet, um den Leistungsfaktor des temperaturbegrenzten Heizgerätes oder den Leistungsfaktor der elektrischen Leiter in dem temperaturbegrenzten Heizgerät oberhalb eines ausgewählten Wertes zu halten. In einigen Ausführungsformen wird der variable Kondensator verwendet, um den Leistungsfaktor des temperaturbegrenzten Heizgerätes oberhalb des ausgewählten Wertes von 0,85, 0,9 oder 0,95 zu halten. In bestimmten Ausführungsformen wird der kapazitive Widerstand in dem variablen Kondensator variiert, um den Leistungsfaktor des temperaturbegrenzten Heizgerätes oberhalb des ausgewählten Wertes zu halten.
In einigen Ausführungsformen wird die modulierte Gleichstromwellenform vorgeformt, um die Phasenverschiebung und/oder Oberwellenverzerrung zu kompensieren. Die Wellenform kann vor geformt werden, indem die Wellenform in eine spezifische Form moduliert wird. Zum Beispiel ist der Gleichstrommodulator programmiert oder konstruiert, um eine Wellenform mit einer speziellen Form auszugeben. In bestimmten Ausführungsformen wird die vorgeformte Wellenform variiert, um Änderungen der induktiven Last des temperaturbegrenzten Heizgerätes, die durch Änderungen der Phasenverschiebung und/oder die Oberwellenverzerrung verursacht werden, zu kompensieren. In bestimmten Ausführungsformen werden die Heizgerätebedingungen (z. B. Untertage-Temperatur oder -Druck) ermittelt und verwendet, um die vorgeformte Wellenform zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen wird die vorgeformte Wellenform durch die Verwendung einer Simulation oder von Berechnungen auf der Basis der Heizgeräteauslegung bestimmt. Simulationen und/oder Heizgerätebedingungen können auch verwendet werden, um den für den variablen Kondensator erforderlichen kapazitiven Widerstand zu bestimmten.
In einigen Ausführungsformen moduliert die modulierte Gleichstromwellenform einen Gleichstrom zwischen 100% (volle Stromlast) und 0% (keine Stromlast). Zum Beispiel kann eine Rechteckwelle einen Gleichstrom mit 100 A zwischen 100% (100 A) und 0% (0 A) (volle Wellenmodulation), zwischen 100% (100 A) und 50% (50 A) oder zwischen 75% (75 A) und 25% (25 A) modulieren. Die niedrigere Stromlast (z. B. die Stromlast von 0%, 25% oder 50%) kann als die Basisstromlast definiert werden.
In einigen Ausführungsformen wird/werden elektrische Spannung und/oder elektrische Strom verstellt, um die Skin-Tiefe des ferromagnetischen Materials zu ändern. Eine Erhöhung der Spannung und/oder Verringerung des Stromes kann/können die Skin-Tiefe des ferromagnetischen Materials verringern. Eine geringere Skin-Tiefe gestattet die Verwendung eines temperaturbe grenzten Heizgerätes mit einem kleineren Durchmesser und dadurch eine Reduktion der Ausrüstungskosten. In bestimmten Ausführungsformen besitzt der Strom mindestens 1 Amp (A), 10 A, 70 A, 100 A, 200 A, 500 A oder mehr bis zu 2000 A. In einigen Ausführungsformen wird Wechselstrom mit Spannungen von mehr als 200 Volt, mehr als 480 Volt, mehr als 650 Volt, mehr als 1000 Volt, mehr als 1500 Volt oder darüber bis zu 10000 Volt zugeführt.
In einer Ausführungsform umfaßt das temperaturbegrenzte Heizgerät einen inneren Leiter innerhalb eines äußeren Leiters. Der innere Leiter und der äußere Leiter sind radial um eine zentrale Achse herum angeordnet. Der innere und der äußere Leiter können durch eine Isolierschicht getrennt sein. In bestimmten Ausführungsformen sind der innere und der äußere Leiter an der Unterseite des temperaturbegrenzten Heizgerätes gekoppelt. Elektrischer Strom kann durch den inneren Leiter in das temperaturbegrenzte Heizgerät fließen und durch den äußeren Leiter zurückkehren. Ein oder beide Leiter kann/können ein ferromagnetisches Material umfassen.
Die Isolierschicht kann eine elektrisch isolierende Keramik mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie z. B. Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Berylliumoxid, Bornitrid, Siliciumnitrid oder Kombinationen davon, umfassen. Die Isolierschicht kann ein verdichtetes Pulver (z. B. ein verdichtetes keramisches Pulver) sein. Das Verdichten kann die thermische Leitfähigkeit verbessern und für einen besseren Isolierwiderstand sorgen. Für Anwendungen bei niedrigeren Temperaturen kann eine Polymerisolierung verwendet werden, die z. B. aus Fluorpolymeeren, Polyimiden, Polyamiden und/oder Polyethylenen hergestellt ist. In einigen Ausführungsformen ist die Polymerisolierung aus Perfluoralkoxi-(PFA) oder Polyetheretherketon (PEEK^TM (Victrex Ltd., England)) hergestellt. Die Isolier schicht kann derart ausgewählt werden, daß sie im wesentlichen infrarotdurchlässig ist, um eine Wärmeübertragung von dem inneren Leiter zu dem äußeren Leiter zu unterstützen. In einer Ausführungsform besteht die Isolierschicht aus transparenten Quarzsand. Die Isolierschicht kann Luft oder ein nicht-reaktives Gas, wie z. B. Helium, Stickstoff oder Schwefelhexafluorid, sein. Wenn die Isolierschicht Luft oder ein nicht reaktives Gas ist, können isolierende Abstandhalter vorhanden sein, die konstruiert sind, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem inneren Leiter und dem äußeren Leiter zu verhindern. Die isolierenden Abstandhalter können z. B. aus hoch reinem Aluminiumoxid oder einem anderen thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Material, wie z. B. Siliciumnitrid, hergestellt sein. Die isolierenden Abstandhalter können ein Keramikfasermaterial wie z. B. Nextel^TM 312 (3M Corporation, St. Paul, Minnesota), ein Mica-Band oder eine Glasfaser sein. Das Keramikmaterial kann aus Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Silikat, Aluminiumoxid-Borsilikat, Siliciumnitrid, Bornitrid oder anderen Materialien hergestellt sein.
Die Isolierschicht kann flexibel und/oder im wesentlichen verformungstolerant sein. Wenn die Isolierschicht z. B. ein festes oder verdichtetes Material ist, das den Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter füllt, kann das temperaturbegrenzte Heizgerät flexibel und/oder im wesentlichen verformungstolerant sein. Kräfte auf dem äußeren Leiter können durch die Isolierschicht auf den festen inneren Leiter übertragen werden, wodurch eine Bruchfestigkeit gegeben sein kann. Solch ein temperaturbegrenztes Heizgerät kann gebogen, scharf gekrümmt oder spiralförmig sein, ohne zu bewirken, daß der äußere Leiter und der innere Leiter einander elektrisch kurzschließen. Eine Verformungstoleranz kann von Bedeutung sein, wenn die Wahrscheinlichkeit besteht, daß die Bohrung während des Erhitzens der Formation eine wesentliche Verformung erfährt.
In bestimmten Ausführungsformen wird der äußere Leiter im Hinblick auf Korrosions- und/oder Kriechbeständigkeit ausgewählt. In einer Ausführungsform können austenitische (nicht-ferromagnetische) Edelstähle, wie z. B. 304H, 347H, 347HH, 316H, 310H, 347HP, NF709 (Nippon Steel Corp., Japan) Edelstähle oder Kombinationen davon, in dem äußeren Leiter verwendet werden. Der äußere Leiter kann auch einen Hüllenleiter umfassen. Zum Beispiel kann eine korrosionsbeständige Legierung, wie z. B. 800H oder 347H-Edelstahl, als Hülle für einen Korrosionsschutz über einem ferromagnetischen Kohlenstoffstahl-Rohrelement vorhanden sein. Wenn eine Hochtemperaturbeständigkeit nicht erforderlich ist, kann der äußere Leiter aus dem ferromagnetischen Metall mit einer guten Korrosionsbeständigkeit, wie z. B. einem der ferritischen Edelstählen, ausgebildet sein. In einer Ausführungsform stellt eine ferritische Legierung aus 82,3 Gew.-% Eisen mit 17,7 Gew.-% Chrom (mit einer Curie-Temperatur von 678°C) die gewünschte Korrosionsbeständigkeit bereit.
Das Handbuch „The Metals Handbook", Band 8, Seite 291 (American Society of Materials (ASM)), enthält einen Graph, in dem die Curie-Temperatur von Eisen-Chrom-Legierungen gegen die Chrommenge in den Legierungen aufgetragen ist. In einigen Ausführungsformen des temperaturbegrenzten Heizgerätes ist ein/e separate/s Stützstange oder Rohrelement (aus 347H-Edelstahl hergestellt) mit dem aus einer Eisen-Chrom-Legierung hergestellten temperaturbegrenzten Heizgerät gekoppelt, um Festigkeit und/oder Kriechbeständigkeit vorzusehen. Das Stützmaterial und/oder das ferromagnetische Material kann/können derart ausgewählt werden, daß es/sie eine 100000-Stunden-Kriechbruchfestigkeit von zumindest 20,7 MPa bei 650°C bereitstellt/en. In einigen Ausführungsformen beträgt die 100000- Stunden-Kriechbruchfestigkeit zumindest 13,8 MPa bei 650°C oder zumindest 6,9 MPa bei 650°C. Zum Beispiel besitzt ein 347H-Stahl eine günstige Kriechbruchfestigkeit bei oder oberhalb von 650°C. In einigen Ausführungsformen liegt die 100000-Stunden-Kriechbruchfestigkeit in einem Bereich zwischen 6,9 MPa und 41,3 MPa oder mehr für längere Heizgeräte und/oder höhere Erd- oder Fluidspannungen. In Ausführungsformen mit dem inneren ferromagnetischen Leiter und dem äußeren ferromagnetischen Leiter befindet sich der Skin-Effekt-Strompfad auf der Außenseite des inneren Leiters und auf der Innenseite des äußeren Leiters. Somit kann die Außenseite des äußeren Leiters mit der korrosionsbeständigen Legierung, wie z. B. Edelstahl, umhüllt sein, ohne den Skin-Effekt-Strompfad auf der Innenseite des äußeren Leiters zu beinträchtigen.
In Ausführungsformen mit dem inneren ferromagnetischen Leiter und dem äußeren ferromagnetischen Leiter befindet sich der Skin-Effekt-Strompfad auf der Außenseite des inneren Leiters und auf der Innenseite des äußeren Leiters. Somit kann die Außenseite des äußeren Leiters mit der korrosionsbeständigen Legierung, wie z. B. Edelstahl, umhüllt sein, ohne den Skin-Effekt-Strompfad auf der Innenseite des äußeren Leiters zu beeinträchtigen.
Ein ferromagnetischer Leiter mit einer Dicke von zumindest der Skin-Tiefe bei der Curie-Temperatur gestattet einen beträchtlichen Verringerung des Wechselstromwiderstandes des ferromagnetischen Materials, da die Skin-Tiefe nahe der Curie-Temperatur abrupt zunimmt. In bestimmten Ausführungsformen, wenn der ferromagnetischer Leiter nicht mit einem hochleitfähigen Material, wie z. B. Kupfer, umhüllt ist, kann die Dicke des Leiters das etwa 1,5-fache der Skin-Tiefe nahe der Curie-Temperatur, das 3-fache der Skin-Tiefe nahe der Curie-Temperatur oder sogar das 10-fache oder mehr der Skin-Tiefe nahe der Curie-Temperatur betragen. Wenn der ferromagnetische Leiter mit Kupfer umhüllt ist, kann die Dicke des ferromagnetischen Leiters im wesentlichen gleich sein wie die Skin-Tiefe nahe der Curie-Temperatur. In einigen Ausführungsformen weist der mit Kupfer umhüllte ferromagnetische Leiter eine Dicke von zumindest drei Viertel der Skin-Tiefe nahe der Curie-Temperatur auf.
In bestimmten Ausführungsformen umfaßt das temperaturbegrenzte Heizgerät einen Verbundleiter mit einem ferromagnetischen Rohrelement und einem nicht-ferromagnetischen, elektrisch hochleitfähigem Kern. Der nicht-ferromagnetische, elektrisch hochleitfähige Kern reduziert einen erforderlichen Durchmesser des Leiters. Zum Beispiel kann der Leiter ein Verbundleiter mit einem Durchmesser von 1,19 cm mit einem Kupferkern mit einem Durchmesser von 0,575 cm, der mit einem ferritischen Edelstahl oder Kohlenstoffstahl mit einer Dicke von 0,298 cm umhüllt ist, der den Kern umgibt. Ein Verbundleiter gestattet es, den elektrischen Widerstand des temperaturbegrenzten Heizgerätes nahe der Curie-Temperatur steiler zu verringern. Da die Skin-Tiefe nahe der Curie-Temperatur ansteigt, um den Kupferkern einzuschließen, nimmt der elektrische Widerstand sehr abrupt ab.
Der Verbundleiter kann die Leitfähigkeit des temperaturbegrenzten Heizgerätes erhöhen und/oder gestatten, daß das Heizgerät bei niedrigeren Spannungen arbeitet. In einer Ausführungsform zeigt der Verbundleiter ein relativ flaches Widerstands-/Temperaturprofil. In einigen Ausführungsformen zeigt das temperaturbegrenzte Heizgerät ein relativ flaches Widerstands-/Temperaturprofil zwischen 100°C und 750°C oder zwischen 300°C und 600°C. Das relativ flache Widerstands-/Temperaturprofil kann auch in anderen Temperaturbereichen zum Ausdruck kommen, indem z. B. Materialien und/oder die Konfigurati on von Materialien in dem temperaturbegrenzten Heizgerät angepaßt werden. In bestimmten Ausführungsformen wird die relative Dicke eines jeden Materials in dem Verbundleiter derart ausgewählt, um ein gewünschtes Widerstands-/Temperaturprofil für das temperaturbegrenzte Heizgerät zu schaffen.
Die 8–32 zeigen verschiedene Ausführungsformen von temperaturbegrenzten Heizgeräten. Ein oder mehrere Merkmale einer in einer beliebigen dieser Figuren gezeigten Ausführungsform des temperaturbegrenzten Heizgerätes kann/können mit einem oder mehreren Merkmalen von weiteren in diesen Figuren gezeigten Ausführungsformen von temperaturbegrenzten Heizgeräten kombiniert werden. In bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen sind temperaturbegrenzte Heizgeräte derart bemessen, daß sie bei einer Frequenz von 60 Hz Wechselstrom arbeiten. Es ist einzusehen, daß die Abmessungen des temperaturbegrenzten Heizgerätes von den hierin beschriebenen angepaßt werden können, damit das temperaturbegrenzte Heizgerät bei anderen Wechselstromfrequenzen oder mit einem modulierte Gleichstrom auf dieselbe Weise arbeitet.
8 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform des temperaturbegrenzten Heizgerätes, wobei ein äußerer Leiter einen ferromagnetischen Abschnitt und einen nicht-ferromagnetischen Abschnitt aufweist. Die 9 und 10 zeigen Querschnittsansichten der in 8 gezeigten Ausführungsform in der Querrichtung. In einer Ausführungsform wird der ferromagnetische Abschnitt 132 verwendet, um Hitze an Kohlenwasserstoffschichten in der Formation zu liefern. Der nicht-ferromagnetische Abschnitt 134 wird in der überlagernden Schicht der Formation verwendet. Der nicht-ferromagnetische Abschnitt 134 liefert wenig oder keine Hitze an die überlagernde Schicht, verhindert somit Hitzeverluste in der überlagernden Schicht und verbessert die Heizgerät-Effizienz. Der ferroma gnetische Abschnitt 132 umfaßt ein ferromagnetisches Material, wie z. B. 409-Edelstahl oder 410-Edelstahl. 409-Edelstahl ist problemlos als Streifenmaterial erhältlich. Der ferromagnetische Abschnitt 132 weist eine Dicke von 0,3 cm auf. Der nicht-ferromagnetische Abschnitt 134 besteht aus Kupfer und weist eine Dicke von 0,3 cm auf. Der innere Leiter 156 besteht aus Kupfer. Der innere Leiter 156 besitzt einen Durchmesser von 0,9 cm. Der elektrische Isolator 158 besteht aus Siliciumnitrid, Bornitrid, Magnesiumoxidpulver oder einem anderen geeigneten Isolatormaterial. Der elektrische Isolator 158 weist eine Dicke von 0,1 cm bis 0,3 cm auf.
11 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes, wobei ein äußerer Leiter, der einen ferromagnetischen Abschnitt und einen nicht-ferromagnetischen Abschnitt aufweist, in einem Mantel angeordnet ist. Die 12, 13 und 14 zeigen Querschnittsansichten der in 11 gezeigten Ausführungsform in der Querrichtung. Der ferromagnetische Abschnitt 132 besteht aus 410-Edelstahl und weist eine Dicke von 0,6 cm auf. Der nicht-ferromagnetische Abschnitt 134 besteht aus Kupfer und weist eine Dicke von 0,6 cm auf. Der innere Leiter 156 besteht aus Kupfer und besitzt einen Durchmesser von 0,9 cm. Der äußere Leiter 160 umfaßt ein ferromagnetisches Material. Der äußere Leiter 160 stellt etwas Hitze in dem Abschnitt des Heizgerätes in der überlagernden Schicht bereit. Die Bereitstellung von etwas Hitze in der überlagernden Schicht verhindert eine Kondensation oder Rückfluß von Fluiden in der überlagernden Schicht. Der äußere Leiter 160 besteht aus 409, 410 oder 446-Edelstahl mit einem Außendurchmesser von 3,0 cm und einer Dicke von 0,6 cm. Der elektrische Isolator 158 besteht aus Magnesiumoxidpulver und weist eine Dicke von 0,3 cm auf. In einigen Ausführungsformen besteht der elektrische Isolator 158 aus Siliciumnitrid, Bornitrid oder hexagonalem Bornitrid. Der leitende Ab schnitt 162 kann den inneren Leiter 156 mit dem ferromagnetischen Abschnitt 132 und/oder dem äußeren Leiter koppeln.
15 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen äußeren Leiter. Das Heizgerät ist in einer korrosionsbeständigen Ummantelung angeordnet. Eine leitende Schicht ist zwischen dem äußeren Leiter und der Ummantelung angeordnet. Die 16 und 17 zeigen Querschnittsdarstellungen der in 15 gezeigten Ausführungsform in Querrichtung. Der äußere Leiter 160 ist ein Schedule 80 446-Edelstahlrohr. In einer Ausführungsform ist die leitende Schicht 164 zwischen dem äußeren Leiter 160 und der Ummantelung 166 angeordnet. Die leitende Schicht 164 ist eine Kupferschicht. Der äußere Leiter 160 ist mit einer leitenden Schicht 164 umhüllt. In bestimmten Ausführungsformen umfaßt die leitende Schicht 164 ein oder mehrer Segmente (zum Beispiel umfaßt die leitende Schicht 164 ein oder mehrere Kupferrohrsegmente). Die Ummantelung 166 ist eine Schedule 80 347H-Edelstahlrohr oder ein Schedule 160 347H-Edelstahlrohr. In einer Ausführungsform ist der innere Leiter 156 ein 4/0 MGT-1000-Hochtemperaturkabel mit einem verseilten nickel-beschichteten Kupferdraht mit Schichten aus Mica-Band und einer Glasfaserisolierung. Das 4/0 MGT-1000-Hochtemperaturkabel ist vom Typ UL 5107 (erhältlich von Allied Wire and Cable (Phoenixville, Pennsylvania)). Der leitende Abschnitt 162 koppelt den inneren Leiter 156 und die Ummantelung 166. In einer Ausführungsform besteht der leitende Abschnitt 162 aus Kupfer.
18 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem äußeren Leiter. Der äußere Leiter umfaßt einen ferromagnetischen und einen nicht-ferromagnetischen Abschnitt. Das Heizgerät ist in einer korrosionsbeständigen Ummantelung angeordnet. Eine lei tende Schicht ist zwischen dem äußeren Leiter und der Ummantelung angeordnet. Die 19 und 20 zeigen Querschnittsansichten der in 18 gezeigte Ausführungsform in Querrichtung. Der ferromagnetische Abschnitt 132 besteht aus 409, 410 oder 446-Edelstahl und weist eine Dicke von 0,9 cm auf. Der nicht-ferromagnetische Abschnitt 134 besteht aus Kupfer und weist eine Dicke von 0,9 cm auf. Der ferromagnetische Abschnitt 132 und der nicht-ferromagnetische Abschnitt 134 sind in der Ummantelung 166 angeordnet. Die Ummantelung 166 besteht aus 304-Edelstahl und weist eine Dicke von 0,1 cm auf. Die leitende Schicht 164 ist eine Kupferschicht. Der elektrische Isolator 158 beseht aus Siliciumnitrid, Bornitrid oder Magnesiumoxid und weist eine Dicke von 0,1 cm bis 0,3 cm auf. Der innere Leiter 156 besteht aus Kupfer und besitzt einen Durchmesser von 1,0 cm.
In einer Ausführungsform besteht der ferromagnetische Abschnitt 132 aus 446-Edelstahl und weist eine Dicke von 0,9 cm auf. Die Ummantelung 166 besteht aus 410-Edelstahl und weist eine Dicke von 0,6 cm auf. 410-Edelstahl besitzt eine höhere Curie-Temperatur als 446-Edelstahl. Solch ein temperaturbegrenzte Heizgerät kann Strom „einsperren" so daß der Strom nicht ohne weiteres von dem Heizgerät zu der umgebende Formation und/oder zu irgendeinem umgebenden Wasser (zum Beispiel Sohle, Grundwasser oder Formationswasser) fließen kann. In dieser Ausführungsform fließt Strom durch den ferromagnetischen Abschnitt 132, bis die Curie-Temperatur des ferromagnetisches Abschnittes erreicht ist. Nachdem die Curie-Temperatur des ferromagnetischen Abschnittes 132 erreicht ist, fließt Strom durch die leitende Schicht 164. Die ferromagnetischen Eigenschaften der Ummantelung 166 (410-Edelstahl) verhindern, daß der Strom außerhalb der Ummantelung fließt und „sperren" den Strom ein. Die Ummantelung 166 kann auch eine Dicke auf weisen, die dem temperaturbegrenzten Heizgerät Festigkeit verleiht.
21 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes. Der Heizabschnitt des temperaturbegrenzten Heizgerätes umfaßt nicht-ferromagnetische innere Leiter und einen ferromagnetischen äußeren Leiter. Der Abschnitt des temperaturbegrenzten Heizgerätes in der überlagernden Schicht umfaßt einen nicht-ferromagnetischen äußeren Leiter. Die 22, 23 und 24 zeigen Querschnittsansichten der in 21 gezeigten Ausführungsform in Querrichtung. Der innere Leiter 156 besteht aus Kupfer und besitzt einen Durchmesser von 1,0 cm. Ein elektrischer Isolator 158 ist zwischen dem inneren Leiter 156 und der leitenden Schicht 164 angeordnet. Der elektrische Isolator 158 besteht aus Siliciumnitrid, Bornitrid oder Magnesiumoxid und weist eine Dicke von 0,1 cm bis 0,3 cm auf. Die leitende Schicht 164 besteht aus Kupfer und weist eine Dicke von 0,1 cm auf. Die Isolierschicht 168 befindet sich in dem Ringraum außerhalb der leitenden Schicht 164. Die Dicke des Ringraumes kann 0,3 cm betragen. Die Isolierschicht 168 besteht aus Quarzsand.
Der Heizabschnitt 170 kann Hitze an eine oder mehrere Kohlenwasserstoffschichten in der Formation liefern. Der Heizabschnitt 170 umfaßt ein ferromagnetisches Material, wie z. B. 409-Edelstahl oder 410-Edelstahl. Der Heizabschnitt 170 weist eine Dicke von 0,9 cm auf. Eine Endabdeckung 172 ist mit einem Ende des Heizabschnittes 170 gekoppelt. Die Endabdeckung 172 koppelt den Heizabschnitt 170 elektrisch mit dem inneren Leiter 156 und/oder der leitenden Schicht 164. Die Endabdeckung 172 besteht aus 304-Edelstahl. Der Heizabschnitt 170 ist mit dem Abschnitt 174 in der überlagernden Schicht gekoppelt. Der Abschnitt 174 in der überlagernden Schicht umfaßt Kohlenstoffstahl und/oder andere geeignete Stützmaterialien. Der Ab schnitt 174 in der überlagernden Schicht weist eine Dicke von 0,6 cm auf. Der Abschnitt 174 in der überlagernden Schicht ist mit einer leitenden Schicht 176 ausgekleidet. Die leitende Schicht 176 besteht aus Kupfer und weist eine Dicke von 0,3 cm auf.
25 ist eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem Abschnitt in einer überlagernden Schicht und einem Heizabschnitt. Die 26 und 27 zeigen Querschnittsansichten der in 25 gezeigte Ausführungsform in Querrichtung. Der Abschnitt in der überlagernden Schicht umfaßt einen Abschnitt 156A eines inneren Leiters 156. Der Abschnitt 156A besteht aus Kupfer und besitzt einen Durchmesser von 1,3 cm. Der Heizabschnitt umfaßt einen Abschnitt 156B des inneren Leiters 156. Der Abschnitt 156B besteht aus Kupfer und besitzt einen Durchmesser von 0,5 cm. Der Abschnitt 156B ist in einem ferromagnetischen Leiter 178 angeordnet. Der ferromagnetische Leiter 178 besteht aus 446-Edelstahl und weist eine Dicke von 0,4 cm auf. Der elektrische Isolator 158 besteht aus Siliciumnitrid, Bornitrid oder Magnesiumoxid und weist eine Dicke von 0,2 cm auf. Der äußere Leiter 160 besteht aus Kupfer und weist eine Dicke von 0,1 cm auf. Der äußere Leiter 160 ist in der Ummantelung 166 angeordnet. Die Ummantelung 166 besteht aus 316H oder 347H-Edelstahl und weist eine Dicke von 0,2 cm auf.
Die 28A und 28B zeigen Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen inneren Leiter. Der innere Leiter 156 ist ein 1''-Schedule XXS-446-Edelstahlrohr. In einigen Ausführungsformen umfaßt der innere Leiter 146 409-Edelstahl, 410-Edelstahl, Invar 36, eine 42-6-Legierung, eine 52-Legierung oder andere ferromagnetische Materialien. Die 42-6-Legierung besteht aus 42,5 Gew.-% Nickel, 5,75 Gew.-% Chrom und der Rest ist Eisen. Die 42-6-Legierung besitzt eine Curie-Temperatur von 295°C. Die 52-Legierung besteht aus 50,5 Gew.-% Nickel, 0,10 Gew.-% Silicium, 0,30 Gew.-% Mangan und der Rest ist Eisen. Die 52-Legierung besitzt eine Curie-Temperatur von 482°C. Der elektrische Leiter 156 besitzt einen Durchmesser 2,5 cm. Der elektrische Isolator 158 besteht aus Siliciumnitrid, Bornitrid oder Magnesiumoxid, Polymeren, Nextel Keramikfaser, Mica oder Glasfasern. Der äußere Leiter 160 besteht auf Kupfer oder einem beliebigen anderen nicht-ferromagnetischen Material, wie z. B. Aluminium. Der äußere Leiter 160 ist mit der Ummantelung 166 gekoppelt. Die Ummantelung 166 besteht aus 340H, 316H oder 347H-Edelstahl. In dieser Ausführungsform wird ein Großteil der Hitze in dem inneren Leiter 156 erzeugt.
Die 29A und 29B zeigen Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen inneren Leiter und einem nicht-ferromagnetischen Kern. Der innere Leiter 156 umfaßt 446-Edelstahl, 409-Edelstahl, 410-Edelstahl, Invar 36, eine 42-6-Legierung, eine 52-Legierung oder andere ferromagnetische Materialien. Der Kern 180 ist eng innerhalb des inneren Leiters 156 verbunden. Der Kern 180 ist eine Stange aus Kupfer oder einem anderen nicht-ferromagnetischen Material. Der Kern 180 wird vor einem Ziehverfahren mit einem engen Sitz innerhalb des inneren Leiters 156 angeordnet. In einigen Ausführungsformen werden der Kern 180 und der innere Leiter 156 koextrusionsverbunden. Der äußere Leiter 160 besteht aus 347H-Edelstahl. Ein Zieh- oder Rollverfahren zum Verdichten des elektrischen Isolators 158 kann einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem inneren Leiter 156 und dem Kern 180 sicherstellen. In dieser Ausführungsform wird Hitze hauptsächlich in dem inneren Leiter 156 erzeugt, bis man sich der Curie-Temperatur annähert. Der Widerstand nimmt dann abrupt ab, wenn Wechselstrom in den Kern 180 eindringt.
Die 30A und 30B zeigen Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen äußeren Leiter. Der innere Leiter 156 besteht aus nickelumhülltem Kupfer. Der elektrische Isolator 160 besteht aus Siliciumnitrid, Bornitrid oder Magnesiumoxid. Der äußere Leiter 160 ist ein Schedule XXS-446-Edelstahlrohr. In dieser Ausführungsform wird Hitze hauptsächlich in dem äußeren Leiter 160 erzeugt, was zu einem kleinen Temperaturdifferential über den elektrischen Isolator 158 hinweg führt.
Die 31A und 31B zeigen Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen äußeren Leiter, der mit einer korrosionsbeständigen Legierung umhüllt ist. Der innere Leiter 156 besteht aus Kupfer. Der äußere Leiter 160 ist ein Schedule XXS-446-Edelstahlrohr. Der äußere Leiter 160 ist mit der Ummantelung 166 gekoppelt. Die Ummantelung 166 besteht aus einem korrosionsbeständigen Material (z. B. 347H-Edelstahl). Die Ummantelung 166 bietet Schutz vor korrosiven Fluiden in dem Bohrloch (z. B. sulfidierende oder verkokende Gase). Hitze wird hauptsächlich in den äußeren Leiter 160 erzeugt, was zu einem kleine Temperaturdifferential über den elektrischen Isolator 158 hinweg führt.
Die 32A und 32B zeigen Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen äußeren Leiter. Der äußere Leiter ist mit einer leitenden Schicht und einer korrosionsbeständigen Legierung umhüllt. Der innere Leiter 156 besteht aus Kupfer. Der elektrische Isolator 158 besteht aus Siliciumnitrid, Bornitrid oder Magnesiumoxid. Der äußere Leiter ist ein 1''-Schedule 80-446-Edelstahlrohr. Der äußere Leiter 160 ist mit der Ummantelung 166 gekoppelt. Die Ummantelung 166 besteht aus einem korrosionsbeständigen Material. In einer Ausführungsform ist die leitende Schicht 164 zwischen dem äußeren Leiter 160 und der Ummantelung 166 angeordnet. Die leitende Schicht 164 ist eine Kupferschicht. Hitze wird hauptsächlich in den äußeren Leiter 160 erzeugt, was zu einem geringen Temperaturdifferential über den elektrischen Isolator 158 hinweg führt. Die leitende Schicht 164 gestattet eine abrupte Abnahme des Widerstandes des äußeren Leiters 160, wenn sich der äußere Leiter der Curie-Temperatur annähert. Die Ummantelung 166 bietet Schutz vor korrosiven Fluiden in dem Bohrloch.
In einigen Ausführungsformen ist der Leiter (z. B. ein innerer Leiter, ein äußerer Leiter oder ein ferromagnetischer Leiter) der Verbundleiter, der zwei oder mehr verschiedene Materialien umfaßt. In bestimmten Ausführungsformen umfaßt der Verbundleiter zwei oder mehr ferromagnetische Materialien. In einigen Ausführungsformen umfaßt der ferromagnetische Verbundleiter zwei oder mehr radial angeordnete Materialien. In bestimmten Ausführungsformen umfaßt der Verbundleiter einen ferromagnetischen Leiter und einen nicht-ferromagnetischen Leiter. In einigen Ausführungsformen umfaßt der Verbundleiter den über einem nicht-ferromagnetischen Kern angeordneten ferromagnetischen Leiter. Zwei oder mehr Materialien können verwendet werden, um ein relativ flaches Widerstand/Temperaturprofil in einem Temperaturgebiet unterhalb der Curie-Temperatur und/oder eine abrupte Abnahme (ein hohes Stellverhältnis) des elektrischen Widerstandes bei oder nahe der Curie-Temperatur zu erhalten. In einigen Fällen werden zwei oder mehr Materialien verwendet, um mehr als eine Curie-Temperatur für das temperaturbegrenzte Heizgerät vorzusehen.
Der elektrische Verbundleiter kann als Leiter in einer beliebigen hierin beschriebenen elektrischen Heizgeräte-Ausführungsform verwendet werden. Zum Beispiel kann der Verbundleiter als Leiter in einem Leiter-in-Leitung-Heizgerät oder einem Heizgerät mit isoliertem Leiter verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der Verbundleiter mit einem Stützelement, wie z. B. einem Stützleiter, verbunden sein. Das Stützelement kann verwendet werden, um eine Stütze für den Verbundleiter bereitzustellen, so daß der Verbundleiter nicht auf Festigkeit bei oder nahe der Curie-Temperatur angewiesen ist. Das Stützelement kann für Heizgeräte mit Längen von zumindest 100 m nützlich sein. Das Stützelement kann ein nicht-ferromagnetisches Element sein, das eine gute Hochtemperatur-Kriechfestigkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweist. Beispiele für Materialien, die für ein Stützelement verwendet werden, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf die Legierungen Haynes^® 625 Alloy und Haynes^® HR120^® Alloy (Haynes International, Kokomo, IN), NF709, Incoloy^® 800H Alloy und 347HP Alloy (Allegheny Ludlum Corp., Pittsburgh, PA). In einigen Ausführungsformen sind die Materialien in einem Verbundleiter direkt miteinander und/oder dem Stützelement gekoppelt (z. B. verlötet, metallurgisch verbunden oder tiefgezogen). Die Verwendung eines Stützelements kann das ferromagnetische Element entkoppeln, so daß dieses keine Stütze für das temperaturbegrenzte Heizgerät, insbesondere bei oder nahe der Curie-Temperatur bereitstellen muß. Somit kann das temperaturbegrenzte Heizgerät mit mehr Flexibilität bei der Auswahl von ferromagnetischen Materialien gestaltet werden.
33 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform des Verbundleiters mit dem Stützelement. Ein Kern 180 ist von einem ferromagnetischen Leiter 178 und einem Stützelement 182 umgeben. In einigen Ausführungsformen sind der Kern 180, der ferromagnetische Leiter 178 und das Stützelement 182 direkt gekoppelt (z. B. verlötet, metallurgisch miteinander verbunden oder miteinander tiefgezogen). In einer Ausführungsform besteht der Kern 180 aus Kupfer, der ferromagnetische Leiter 178 besteht auf 446-Edelstahl und das Stützelement 182 besteht aus 347H-Legierung. In bestimmten Ausführungsformen ist das Stützelement 182 ein Schedule 80 Rohr. Das Stützelement 182 umgibt den Verbundleiter, der den ferromagnetischen Leiter 178 und den Kern 180 aufweist. Der ferromagnetische Leiter 178 und der Kern 180 sind z. B. durch ein Coextrusionsverfahren miteinander verbunden, um den Verbundleiter zu bilden. Zum Beispiel ist der Verbundleiter ein ferromagnetischer Leiter aus 446-Edelstahl mit einem Außendurchmesser von 1,9 cm, der einen Kupferkern mit einem Durchmesser von 0,95 cm umgibt. Dieser Verbundleiter innerhalb eines 1,9 cm Schedule 80-Stützelements erzeugt ein Stellverhältnis von 1,7.
In bestimmten Ausführungsformen wird der Durchmesser des Kerns 180 relativ an einen konstanten Außendurchmesser des ferromagnetischen Leiters 178 angepaßt, um das Stellverhältnis des temperaturbegrenzten Heizgerätes anzupassen. Zum Beispiel kann der Durchmesser des Kerns 180 auf 1,14 cm vergrößert werden, während der Außendurchmesser des ferromagnetischen Leiters 178 bei 1,9 cm gehalten wird, um das Stellverhältnis des Heizgerätes auf 2,2 zu erhöhen. In einigen Ausführungsformen sind die Leiter (zum Beispiel der Kern 180 und der ferromagnetische Leiter 178) in dem Verbundleiter durch das Stützelement 182 getrennt.
In einigen Ausführungsformen wird das temperaturbegrenzte Heizgerät verwendet, um ein Erhitzen mit niedrigerer Temperatur zu erzielen (zum Beispiel um Fluide in einer Förderbohrung zu erhitzen, eine Pipeline an der Oberfläche zu erhitzen oder die Viskosität von Fluiden in eine Bohrung oder nahe einem Bohrungsgebiet zu reduzieren). Ein Variieren der ferromagnetischen Materialien des temperaturbegrenzten Heizgerätes gestattet ein Erhitzen mit niedrigerer Temperatur. In einigen Ausführungsformen ist der ferromagnetische Leiter aus einem Material mit einer niedrigeren Curie-Temperatur als jener von 446- Edelstahl hergestellt. Zum Beispiel kann der ferromagnetische Leiter aus einer Legierung aus Eisen und Nickel bestehen. Die Legierung kann zwischen 30 Gew.-% und 42 Gew.-% Nickel aufweisen, wobei der Rest Eisen ist. In einer Ausführungsform ist die Legierung Invar 36. Invar 36 besteht aus 36 Gew.-% Nickel in Eisen und besitzt eine Curie-Temperatur von 277°C. In einigen Ausführungsformen ist eine Legierung eine Dreikomponentenlegierung mit z. B. Eisen, Chrom und Nickel. Zum Beispiel kann eine Legierung 6 Gew.-% Chrom, 42 Gew.-% Nickel und 52 Gew.-% Eisen aufweisen. Eine Stange aus Invar 36 mit einem Durchmesser von 2,5 cm weist ein Stellverhältnis von ungefähr 2 zu 1 bei der Curie-Temperatur auf. Wenn die Invar 36-Legierung über einem Kupferkern angeordnet wird, kann dies eine Stange mit einem kleineren Durchmesser gestatten. Ein Kupferkern kann in einem hohen Stellverhältnis resultieren.
Für temperaturbegrenzte Heizgeräte, die einen Kupferkern oder eine Kupferumhüllung umfassen, kann das Kupfer durch eine relativ diffusionsbeständige Schicht, wie z. B. Nickel, geschützt sein. In einigen Ausführungsformen umfaßt der innere Verbundleiter Eisen, das über Nickel gehüllt ist, das über einen Kupferkern gehüllt ist. Die relativ diffusionsbeständige Schicht verhindert, daß Kupfer in andere Schichten des Heizgerätes, einschließlich z. B. eine Isolierschicht, wandert. In einigen Ausführungsformen verhindert die relativ undurchlässige Schicht eine Ablagerung von Kupfer in einem Bohrloch während des Einbaues des Heizgerätes in das Bohrloch.
Für Anwendungen bei niedrigeren Temperaturen besteht der ferromagnetische Leiter 178 in 34 aus der Legierung Alloy 42-6, die mit dem Leiter 184 gekoppelt ist. Der Leiter 184 kann aus Kupfer bestehen. In einer Ausführungsform befindet sich der ferromagnetische Leiter 178 aus Alloy 42-6, der einen Außendurchmesser von 1,9 cm aufweist, über einem Kupferleiter 184 mit einem Außendurchmesser/Kupferdurchmesser-Verhältnis von 2:1. In einigen Ausführungsformen umfaßt der ferromagnetische Leiter 178 andere ferromagnetische Materialien für niedrigere Temperaturen, wie z. B. die Legierungen Alloy 32, Alloy 52, Invar 36, Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen, Nickel-Chrom-Legierungen oder andere Nickel-Legierungen. Die Leitung 186 kann eine hohle Pumpstange sein, die aus Kohlenstoffstahl hergestellt ist. Der Kohlenstoffstahl oder ein anderes in der Leitung 186 verwendetes Material beschränkt einen Wechselstrom oder modulierten Gleichstrom auf das Innere der Leitung, um Streuspannungen an der Oberfläche der Formation zu verhindern. Zentralisierer 188 können aus gasdruckgesintertem, reaktionsgebundenem Siliciumnitrid hergestellt sein. In einigen Ausführungsformen ist der Zentralisierer 188 aus Polymeren, wie z. B. PFA oder PEEK^TM, hergestellt. In bestimmten Ausführungsformen ist eine Polymerisolierung über eine gesamte Länge des Heizgerätes gehüllt. Der Leiter 184 und der ferromagnetische Leiter 178 sind mit einem Schleifverbinder 190 elektrisch mit der Leitung 186 gekoppelt.
35 zeigt eine Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Heizgerätes mit einem ferromagnetischen äußeren Leiter für niedrigere Temperaturen. Der äußere Leiter 160 ist eine Glasdichtungslegierung Alloy 42-6. Die Legierung Alloy 42-6 ist von Carpenter Metals (Reading, Pennsylvania) oder Anomet Products, Inc. (Shrewsbury, Massachusetts) erhältlich. In einigen Ausführungsformen umfaßt der äußere Leiter 160 andere Zusammensetzungen und/oder Materialien, um verschiedene Curie-Temperaturen zu erhalten (zum Beispiel Carpenter Temperature Compensator „32" (mit einer Curie-Temperatur von 199°C, erhältlich von Carpenter Metals) oder Invar 36). In einer Ausführungsform ist die leitende Schicht 164 mit dem äußeren Leiter 160 gekoppelt (z. B. umhüllt, geschweißt oder gelötet). Die leitende Schicht 160 ist eine Kupferschicht. Die leitende Schicht 164 verbessert ein Stellverhältnis des äußeren Leiters 160. Die Ummantelung 166 besteht aus einem ferromagnetischen Metall, wie z. B. Kohlenstoffstahl. Die Ummantelung 166 schützt den äußeren Leiter 160 vor einer korrosiven Umgebung. Der innere Leiter 156 kann einen elektrischen Isolator 158 aufweisen. Der elektrische Isolator 158 kann eine Mica-Bandwicklung mit einem darüber liegenden Glasfaserumflechtung sein. In einer Ausführungsform sind der innere Leiter 156 und der elektrische Isolator 158 ein Hochtemperaturkabel 4/0 MGT-1000 oder ein Hochtemperaturkabel 3/0 MGT-1000. Das Hochtemperaturkabel 4/0 MGT-1000 oder das Hochtemperaturkabel 3/0 MGT-1000 sind von Allied Wire and Cable (Phoenixville, Pennsylvania) erhältlich. In einigen Ausführungsformen kann eine Schutzumflechtung, wie z. B. eine Edelstahlumflechtung, über dem elektrischen Isolator 158 angeordnet sein.
Ein leitender Abschnitt 162 koppelt den inneren Leiter 156 elektrisch mit dem äußeren Leiter 160 und/oder der Ummantelung 166. In einigen Ausführungsformen berührt die Ummantelung 166 die leitende Schicht 164 oder gelangt mit dieser in elektrischen Kontakt (z. B. wenn das Heizgerät in einer horizontalen Konfiguration angeordnet ist). Wenn die Ummantelung 166 aus einem ferromagnetischen Metall, wie z. B. Kohlenstoffstahl (mit einer Curie-Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur des äußeren Leiters 160), besteht, wird sich ein Strom nur auf der Innenseite der Ummantelung ausbreiten. Somit bleibt die Außenseite der Ummantelung während eines Betriebes elektrisch sicher. In einigen Ausführungsformen ist die Ummantelung 166 auf einer leitenden Schicht 164 nach unten gezogen (z. B. in einem Werkzeug nach unten tiefgezogen), so daß ein fester Sitz zwischen der Ummantelung und der leitenden Schicht hergestellt wird. Das Heizgerät kann zum Einsetzen in ein Bohrloch als Schlangenrohr gewickelt sein. In weiteren Ausführungsformen ist ein ringförmiger Raum zwischen der leitenden Schicht 164 und der Ummantelung 166 vorhanden, wie in 35 gezeigt.
36 zeigt eine Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Leiter-in-Leitung-Heizgerätes. Die Leitung 186 ist eine hohle Pumpstange, die aus einem ferromagnetischen Metall, wie z. B. den Legierungen Alloy 32, Alloy 52, Invar 36, Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen, Nickel-Legierungen oder Nickel-Chrom-Legierungen, hergestellt ist. Der innere Leiter 156 weist einen elektrischen Isolator 158 auf. Der elektrische Isolator 158 ist eine Mica-Bandwicklung mit einer darüberliegenden Glasfaserumflechtung. In einer Ausführungsform sind der innere Leiter 156 und der elektrische Isolator 158 ein Hochtemperaturkabel 4/0 MGT-1000 oder ein Hochtemperaturkabel 3/0 MGT-1000. In einigen Ausführungsformen werden Polymer-Isolierungen für Curie-Heizgeräte für niedrigere Temperaturen verwendet. In bestimmten Ausführungsformen ist eine Schutzumflechtung über dem elektrischen Isolator 158 angeordnet. Die Leitung 186 besitzt eine Wanddicke, die größer ist als eine Skin-Tiefe bei der Curie-Temperatur (z. B. das 2- bis 3-fache der Skin-Tiefe der Curie-Temperatur). In einigen Ausführungsformen ist eine besser leitender Leiter mit der Leitung 186 gekoppelt, um das Stellverhältnis des Heizgerätes zu erhöhen.
37 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Leiter-in-Leitung-Heizgerätes. Der Leiter 184 ist mit dem ferromagnetischen Leiter 178 gekoppelt (z. B. umhüllt, koextrudiert, preßgepaßt oder nach innen gezogen). Eine metallurgische Verbindung zwischen dem Leiter 184 und dem ferromagnetischen Leiter ist zu bevorzugen. Der ferromagnetische Leiter 178 ist mit der Außenseite des Leiters 184 gekoppelt, so daß sich ein Wechselstrom bei Raumtemperatur durch die Skin-Tiefe des ferromagnetischen Leiters ausbreitet.
Der Leiter 184 stellt für den ferromagnetischen Leiter 178 eine mechanische Stütze bei erhöhten Temperaturen bereit. Der ferromagnetische Leiter 178 besteht aus Eisen, einer Eisenlegierung (z. B. Eisen mit 10 Gew.-% bis 27 Gew.-% Chrom für die Korossionsbeständigkeit) oder einem beliebigen anderen ferromagnetischen Material. In einer Ausführungsform besteht der Leiter 184 aus 304-Edelstahl, und der ferromagnetische Leiter 178 besteht aus 446-Edelstahl. Der Leiter 184 und der ferromagnetische Leiter 178 sind mit einem Schleifverbinder 190 elektrisch mit der Leitung 186 gekoppelt. Die Leitung 186 kann aus einem nicht-ferromagnetischen Material, wie z. B. einem austenitischen Edelstahl, bestehen.
38 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Leiter-in-Leitung-Heizgerätes. Die Leitung 168 ist mit dem ferromagnetischen Leiter 178 gekoppelt (z. B. umhüllt, preßgepaßt oder nach innen von dem ferromagnetischen Leiter gezogen). Der ferromagnetische Leiter 178 ist mit der Innennseite der Leitung 186 gekoppelt, um zu gestatten, daß sich ein Wechselstrom bei Raumtemperatur durch die Skin-Tiefe des ferromagnetischen Leiters ausbreitet. Die Leitung 186 stellt für den ferromagnetischen Leiter 178 eine mechanische Stütze bei erhöhten Temperaturen bereit. Die Leitung 186 und der ferromagnetische Leiter 178 sind mit einem Schleifverbinder 190 elektrisch mit dem Leiter 184 gekoppelt.
39 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines temperaturbegrenzten Leiter-in-Leitung-Heizgerätes mit einem isolierten Leiter. Der isolierte Leiter 192 umfaßt einen Kern 180, einen elektrischen Isolator 158 und eine Ummantelung 166. Die Ummantelung ist aus einem elektrisch hochleitenden Material, wie z. B. Kupfer, hergestellt. Der Kern 180 ist aus einem ferromagnetischen Material für niedrige Temperaturen, wie z. B. den Legierungen Alloy 42-6, Alloy 32, Invar 36, Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen, Nickel-Legierungen oder Nickel-Chrom-Legierungen, hergestellt. In bestimmten Ausführungsformen sind die Materialien der Ummantelung 166 und des Kerns 180 umgedreht, so daß die Ummantelung der ferromagnetische Leiter ist und der Kern der hochleitende Abschnitt des Heizgerätes ist. Das in der Ummantelung 166 oder dem Kern 180 verwendete ferromagnetische Material kann eine Dicke aufweisen, die größer ist als die Skin-Tiefe bei der Curie-Temperatur (zum Beispiel das 2- bis 3-fache der Skin-Tiefe bei der Curie-Temperatur). Eine Endabdeckung 172 ist an einem Ende des isolierten Leiters 192 angeordnet, um den Kern 180 mit dem Schleifverbinder 190 zu koppeln. Die Endabdeckung 172 ist aus nicht-korrosiven, elektrisch leitenden Materialien, wie z. B. Nickel oder Edelstahl, hergestellt. In bestimmten Ausführungsformen ist die Leitung 186 eine hohle Pumpstange, die z. B. aus Kohlenstoffstahl hergestellt ist.
Das temperaturbegrenzte Heizgerät kann ein einphasiges Heizgerät oder ein dreiphasiges Heizgerät sein. In einer dreiphasigen Heizgeräteausführungsform besitzt das temperaturbegrenzte Heizgerät eine Delta- oder Y-Konfiguration. Jeder der drei ferromagnetischen Leiter in dem dreiphasigen Heizgerät kann sich innerhalb eines separaten Mantels befinden. Eine Verbindung zwischen den Leitern kann an der Unterseite des Heizgerätes im Inneren eines Spleißabschnittes hergestellt sein. Die drei Leiter können von dem Mantel innerhalb des Spleißabschnittes isoliert sein.
In einigen dreiphasigen Heizgerätsausführungsformen sind drei ferromagnetische Leiter von dem Mantel isoliert. Die drei Leiter können von dem Mantel isoliert sein, oder die drei Leiter können an der Unterseite der Heizgeräteanordnung mit dem Mantel verbunden sein. In einer weiteren Ausführungsform ist/sind ein einziger äußerer Mantel oder drei äußere Mäntel (ein) fer romagnetische/r Leiter und die inneren Leiter können nicht-ferromagnetisch sein (z. B. aus Aluminium, Kupfer oder einer hochleitfähigen Legierung). Alternativ befindet sich jeder der drei nicht-ferromagnetischen Leiter innerhalb eines separaten ferromagnetischen Mantels, und eine Verbindung zwischen den Leitern ist an der Unterseite des Heizgerätes innerhalb des Spleißabschnittes hergestellt. Die drei Leiter können von dem Mantel innerhalb des Spleißabschnittes isoliert bleiben.
In einigen Ausführungsformen umfaßt das dreiphasige Heizgerät drei Schenkel, die in separaten Bohrlöchern angeordnet sind. Die Schenkel können an der Unterseite in einem gemeinsamen Kontaktabschnitt (z. B. einem zentralen Bohrloch, einem Verbindungsbohrloch oder einem mit einer Lösung gefüllten Kontaktabschnitt) gekoppelt sein.
In einigen Ausführungsformen umfaßt das temperaturbegrenzte Heizgerät einen einzigen ferromagnetischen Leiter mit einem durch die Formation zurückkehrenden Strom. Das Heizelement kann ein ferromagnetisches Rohrelement (in einer Ausführungsform 446-Edelstahl (mit 25 Gew.-% Chrom und einer Curie-Temperatur oberhalb von 620°C), das einen 304H, 316H oder 347H-Edeistahl umhüllt) sein, das sich durch den erhitzten Zielabschnitt erstreckt und einen elektrischen Kontakt mit der Formation in einem elektrischen Kontaktabschnitt herstellt. Der elektrische Kontaktabschnitt kann unterhalb eines erhitzten Zielabschnittes angeordnet sein. Zum Beispiel befindet sich der elektrische Kontaktabschnitt in der darunterliegenden Schicht der Formation. In einer Ausführungsform ist der elektrische Kontaktabschnitt ein Abschnitt mit einer Tiefe von 60 m, der einen größeren Durchmesser aufweist als das Heizgerätebohrloch. Das Rohrelement in dem elektrischen Kontaktabschnitt ist ein elektrisch hochleitfähiges Metall. Der Ringraum in dem elektrischen Kontaktabschnitt kann mit einem/r Kontaktmaterial/lösung wie z. B. Sohle oder anderen Materialien gefüllt sein, die den elektrischen Kontakt mit der Formation verstärken (z. B. Metallperlen oder Hematit). Der elektrische Kontaktabschnitt kann in einer mit einer Sohle mit geringem Widerstand gesättigten Zone angeordnet sein, um einen elektrischen Kontakt durch die Sohle aufrechtzuerhalten. In dem elektrischen Kontaktabschnitt kann der Durchmesser des Rohrelements auch erhöht werden, um einen maximalen Stromfluß in die Formation mit einer geringeren Wärmeabfuhr in dem Fluid zu gestatten. Der Strom kann durch das ferromagnetische Rohrelement in dem erhitzten Abschnitt fließen und das Rohrelement erhitzen.
In einer Ausführungsform werden dreiphasige temperaturbegrenzte Heizgeräte mit einer Stromverbindung durch die Formation hergestellt. Jedes Heizgerät umfaßt ein einziges Curie-Temperatur-Heizelement mit einem elektrischen Kontaktabschnitt in einer sohlegesättigten Zone unterhalb eines erhitzten Zielabschnittes. In einer Ausführungsform sind drei solche Heizgeräte an der Oberfläche in einer dreiphasigen Y-Konfiguration elektrisch verbunden. Die Heizgeräte können in einem Dreiecksmuster von der Oberfläche ausgefahren werden. In bestimmten Ausführungsformen kehrt der Strom durch die Erde zu einem neutralen Punkt zwischen den drei Heizgeräten zurück. Die dreiphasigen Curie-Heizgeräte können in einem Muster wiederholt werden, das die gesamte Formation bedeckt.
Ein Abschnitt des Heizgerätes durch eine Zone mit hoher thermischer Leitfähigkeit kann maßgeschneidert werden, um mehr Wärmeabfuhr in der Zone mit hoher thermischer Leitfähigkeit zu liefern. Das Maßschneidern des Heizgerätes kann erreicht werden, indem die Querschnittsflächen der Heizelemente geändert werden und/oder verschiedene Metalle in den Heizelementen verwendet werden. Die thermische Leitfähigkeit der Isolierschicht kann in bestimmten Abschnitten auch modifiziert werden, um den thermischen Austrag zu steuern und die Zone der scheinbaren Curie-Temperatur zu erhöhen oder zu erniedrigen.
In einer Ausführungsform umfaßt ein temperaturbegrenztes Heizgerät einen hohlen Kern oder einen hohlen inneren Leiter. Schichten, die das Heizgerät bilden, können perforiert sein, um zu gestatten, daß Fluide aus dem Bohrloch (z. B. Formationsfluide oder Wasser) in den hohlen Kern eintreten. Fluide in dem hohlen Kern können durch den hohlen Kern an die Oberfläche transportiert werden (z. B. gepumpt oder durch Gasförderung). In einigen Ausführungsformen wird ein temperaturbegrenztes Heizgerät mit einem hohlen Kern oder einem hohlen inneren Leiter als Heizgeräte/Förderbohrung oder ein Förderbohrloch verwendet. Fluide, wie z. B. Wasserdampf, können durch den hohlen inneren Leiter in die Formation eingespritzt werden.
Beispiele
Nicht einschränkende Beispiele von temperaturbegrenzten Heizgeräten und Eigenschaften der temperaturbegrenzten Heizgeräte sind nachfolgend dargelegt.
40 zeigt Auftragungsdaten des elektrischen Widerstandes (Milliohm (mΩ)) gegen die Temperatur (°C) für eine Verbundstange aus Alloy 42-6 mit einem Kupferkern bei verschiedenen angelegten elektrischen Strömen. Die Kurven 194, 196, 198, 200, 202, 204, 206 und 208 zeigen Widerstandsprofile als eine Funktion der Temperatur für die Stange aus Alloy 42-6 mit einem Kupferkern bei 300 A Wechselstrom (Kurve 194), 350 A Wechselstrom (Kurve 196), 400 A Wechselstrom (Kurve 198), 450 A Wechselstrom (Kurve 200), 500 A Wechselstrom (Kurve 202), 550 A Wechselstrom (Kurve 204), 600 A Wechselstrom (Kurve 206) und 10 A Gleichstrom (Kurve 208). Für die angelegten Wechselströme nahm der Widerstand mit ansteigender Temperatur allmählich ab, bis die Curie-Temperatur erreicht war. Wenn sich die Temperatur der Curie-Temperatur annäherte, nahm der Widerstand abrupter ab. Hingegen zeigte der Widerstand einen allmählichen Anstieg mit der Temperatur für einen angelegten Gleichstrom.
41 zeigt Auftragungsdaten des Leistungsausgangs (Watt pro Fuß (W/ft)) gegen die Temperatur (°C) für eine Verbundstange aus Alloy 42-6 mit einem Kupferkern bei verschiedenen angelegten elektrischen Strömen. Die Kurven 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222 und 224 zeigen die Leistung als eine Funktion der Temperatur für die Stange aus Alloy 42-6 mit einem Kupferkern bei 300 A Wechselstrom (Kurve 210), 350 A Wechselstrom (Kurve 212), 400 A Wechselstrom (Kurve 214), 450 A Wechselstrom (Kurve 216), 500 A Wechselstrom (Kurve 218), 550 A Wechselstrom (Kurve 220), 600 A Wechselstrom (Kurve 222) und 10 A Gleichstrom (Kurve 224). Für die angelegten Wechselströme nahm der Leistungsausgang mit ansteigender Temperatur allmählich ab, bis die Curie-Temperatur erreicht war. Wenn sich die Temperatur der Curie-Temperatur annäherte, nahm der Leistungsausgang abrupter ab. Hingegen zeigte der Leistungsausgang ein relativ flaches Profil mit der Temperatur für einen angelegten Gleichstrom.
42 zeigt Auftragungsdaten des elektrischen Widerstandes (Milliohm (mΩ)) gegen die Temperatur (°C) für eine Verbundstange aus Alloy 52 mit einem Kupferkern bei verschiedenen angelegten elektrischen Strömen. Die Kurven 226, 228, 230, 232 und 234 zeigen Widerstandsprofile als eine Funktion der Temperatur für die Stange aus Alloy 52 mit einem Kupferkern bei 300 A Wechselstrom (Kurve 226), 400 A Wechselstrom (Kurve 228), 500 A Wechselstrom (Kurve 230), 600 A Wechselstrom (Kurve 232) und 10 A Gleichstrom (Kurve 234). Für die angelegten Wechsel ströme nahm der Widerstand mit ansteigender Temperatur allmählich bis etwa 350°C zu. Nach 350°C begann der Widerstand allmählich abzunehmen, wobei er abrupter abnahm, wenn die Temperatur sich der Curie-Temperatur annäherte. Bei der Curie-Temperatur nahm der Wechselstromwiderstand sehr abrupt ab. Hingegen zeigte der Widerstand einen allmählichen Anstieg mit der Temperatur für einen angelegten Gleichstrom. Das Stellverhältnis für den angelegten Wechselstrom mit 400 A (Kurve GL102) betrug 2,8.
43 zeigt Auftragungsdaten einer des Leistungsausganges (Watt pro Fuß (W/ft)) gegen die Temperatur (°C) für eine Verbundstange aus Alloy 52 mit einem Kupferkern bei verschiedenen angelegten elektrischen Strömen. Die Kurven 236, 238, 240 und 242 zeigen die Leistung als eine Funktion der Temperatur für die Stange aus Alloy 52 mit einem Kupferkern bei 300 A Wechselstrom (Kurve 236), 400 A Wechselstrom (Kurve 238), 500 A Wechselstrom (Kurve 240) und 600 A Wechselstrom (Kurve 242). Für die angelegten Wechselströme nahm der Leistungsausgang mit ansteigender Temperatur allmählich bis etwa 350°C zu. Nach 350°C begann der Leistungsausgang allmählich abzunehmen, wobei er abrupter abnahm, wenn die Temperatur sich der Curie-Temperatur annäherte. Bei der Curie-Temperatur nahm der Wechselstromwiderstand sehr abrupt ab.
Weitere Abwandlungen und alternative Ausführungsformen verschiedener Aspekte der Erfindung können für den Fachmann im Hinblick auf diese Beschreibung offensichtlich sein. Demgemäß soll diese Beschreibung lediglich illustrativ sein und dient dazu, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise, die Erfindung auszuführen, nahezubringen. Es sollte einzusehen sein, daß die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen anzusehen sind. Andere Elemente und Materialien können anstelle der hierin veranschaulichten und beschriebenen verwendet werden, Teile und Verfahren können umgekehrt werden, und gewisse Merkmale der Erfindung können unabhängig angewendet werden, wie es für einen Fachmann, der die Vorteile dieser Beschreibung der Erfindung nutzt, offensichtlich wäre. An den hierin beschriebenen Elementen können Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Geist und dem Umfang der Erfindung, wie in den nachfolgenden Ansprüchen beschrieben, abzuweichen. Des weiteren sollte einzusehen sein, daß hierin unabhängig beschriebene Merkmale in bestimmten Ausführungsformen kombiniert werden können.

Claims

Verfahren zum Behandeln einer kohlenwasserstoffhaltigen Formation (104), welches umfaßt: Anlegen eines elektrischen Stromes an einen oder mehrere elektrische Leiter (106), die in einer Öffnung in der Formation (104) angeordnet sind, um einen elektrischen Widerstands-Hitzeaustrag zu erzielen; Gestatten, daß die Hitze von den elektrischen Leitern (106) auf einen Teil der Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation (104) übertragen wird, so daß eine Viskosität der Kohlenwasserstoffe in dem Teil und an oder nahe der Öffnung in der Formation (104) reduziert wird; Bereitstellen von Gas an einer oder mehreren Stellen in der Öffnung, um die Dichte der Kohlenwasserstoffe zu reduzieren, so daß die Kohlenwasserstoffe in der Öffnung (102) durch den Formationsdruck gegen die Oberfläche der Formation (104) angehoben werden; und Fördern der Kohlenwasserstoffe durch die Öffnung (102), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der elektrischen Leiter (106) ein elektrisch widerstandsfähiges ferromagnetisches Material enthält und eine reduzierte Hitzemenge oberhalb oder nahe einer Curie-Temperatur des ferromagnetischen Materials liefert, und daß die geförderten Kohlenwasserstoffe eine API-Dichte von 20 Grad oder weniger haben.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Verfahren ferner das Anordnen des einen oder der mehreren elektrischen Leiter (106) in der Öffnung (102) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Viskosität der Fluide an oder nahe der Öffnung (102) auf höchstens 0,05 Pa·s reduziert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, bei welchem das Verfahren ferner das Fördern zumindest einiger Fluide aus der Öffnung (102) umfaßt, indem die Fluide aus der Öffnung (102) gepumpt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, bei welchem das Gas Methan enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, bei welchem das Verfahren ferner das Fördern der Fluide aus der Öffnung (102) durch eine Leitung (100) umfaßt, die in der Öffnung (102) vorgesehen ist, und/oder das Liefern des Gases durch eines oder mehrere Ventile, die entlang der Leitung (100) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, bei welchem das Verfahren ferner das Begrenzen einer Temperatur in der Formation an oder nahe der Öffnung auf höchstens 250°C umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, bei welchem das Verfahren ferner das Anlegen eines Wechselstromes oder modulierten Gleichstromes an einen oder mehrere elektrische Leiter (106) umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, bei welchem das Verfahren ferner das Liefern einer reduzierten Hitzemenge oberhalb oder nahe der gewählten Temperatur von höchstens 200 W/m Länge des elektrischen Leiters (106) und/oder das Liefern eines Hitzeaustrages unterhalb der Curie-Temperatur von zumindest 300 W/m Länge des elektrischen Leiters (106) umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, bei welchem das Verfahren ferner das Liefern eines Hitzeaustrages von zumindest einem der elektrischen Leiter (106) umfaßt, wobei ein elektrischer Widerstand eines solchen elektrischen Leiters (106) oberhalb oder nahe der Curie-Temperatur 80% oder weniger des elektrischen Widerstandes eines solchen elektrischen Leiters (106) bei 50°C unterhalb der Curie-Temperatur beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, bei welchem die kohlenwasserstoffhaltige Formation (104) eine relativ durchlässige Formation (104) ist, die schwere Kohlenwasserstoffe enthält.