CN103946476B - 形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成绝缘导体加热器的方法，所述方法包括在至少部分细长圆筒状内导体上放置绝缘层。将细长圆筒状外导体放置在至少部分绝缘层上以形成绝缘导体加热器。对绝缘导体加热器实施一个或多个冷加工/热处理步骤。所述冷加工/热处理步骤包括：冷加工绝缘导体加热器以将绝缘导体加热器的截面积减小至少约30％和在至少约870℃的温度下热处理绝缘导体加热器。然后绝缘导体加热器的截面积减小约5‑20％至最终截面积。

Description

形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法
技术领域
本发明涉及用于加热地下地层的系统和方法。更具体地，本发明涉及用于加热地下含烃地层的系统和方法。
背景技术
由地下地层获得的烃通常用作能源、原料和消费产品。对可得烃资源枯竭的担心和对所产生烃整体质量下降的担心已经导致开发更有效采收、处理和/或应用可得烃资源的方法。可以应用原位方法来从地下地层中脱除烃物质，这些烃物质以前应用可获得方法难以接近和/或太昂贵而无法采出。可能需要改变地下地层中烃物质的化学和/或物理特性，以允许烃物质更容易地从地下地层中脱除和/或提高烃物质的价值。所述化学和物理改变可以包括产生可脱除流体的原位反应、地层中烃物质的组成改变、溶解度改变、密度改变、相态改变和/或粘度改变。
在原位方法中可以将加热器放置入井孔中以加热地层。有许多不同类型的可用于加热地层的加热器。应用井下加热器的原位方法的例子在Ljungstrom等人的US 2,634,961、Ljungstrom的US 2,732,195、Ljungstrom的US 2,780,450、Ljungstrom的US 2,789,805、Ljungstrom的US 2,923,535、Van Meurs等人的US 4,886,118和Wellington等人的US6,688,387中有述。
用于地下用途(如在有些用途中加热含烃地层)的矿物绝缘(MI)电缆(绝缘导体)很长，可能具有较大的外径，和与MI电缆工业中典型的情况相比，可能在更高的电压和温度下操作。在生产和/或组装较长长度的绝缘导体时，存在一些可能的问题。
例如，由于绝缘导体中应用的电绝缘体随时间降解，存在可能的 电和/或机械问题。在组装绝缘导体加热器的过程中也存在需要克服的电绝缘体的可能问题。在组装绝缘导体加热器的过程中，可能发生问题如芯膨胀或其它机械缺陷。这些问题的发生可能导致使用加热器的过程中的电问题，和有可能使得加热器不能操作用于其目的用途。
另外，在组装和/或安装绝缘导体进入地下的过程中可能存在绝缘导体上应力增加的问题。例如，在用于运输和安装绝缘导体的线轴上缠绕和解绕绝缘导体可能会造成绝缘导体中电绝缘体和/或其它组件上的机械应力。因此，需要更可靠的系统和方法来减少或消除生产、组装和/或安装绝缘导体过程中存在的可能问题。
发明内容
这里描述的实施方案通常涉及用于处理地下地层的系统、方法和加热器。这里描述的实施方案通常还涉及其中具有新组件的加热器。这种加热器可以应用这里所描述的系统和方法获得。
在某些实施方案中，本发明提供一种或多种系统、方法和/或加热器。在一些实施方案中，所述系统、方法和/或加热器用于处理地下地层。
在某些实施方案中，提供一种形成绝缘导体加热器的方法，包括：在至少部分细长圆筒状内导体上放置绝缘层；在至少部分绝缘层上放置细长圆筒状外导体以形成绝缘导体加热器；对绝缘导体加热器实施一个或多个冷加工/热处理步骤，其中所述冷加工/热处理步骤包括：冷加工绝缘导体加热器以将绝缘导体加热器的截面积减小至少约30％；和在至少约870℃的温度下热处理绝缘导体加热器；和将绝缘导体加热器的截面积减小约5-15％至最终截面积。
在某些实施方案中，提供一种形成绝缘导体加热器的方法，包括：使第一套管材料绕芯形成管，其中所述第一套管材料的纵向边沿第一套管材料管的长度至少部分重叠；向至少部分第一套管材料管内提供电绝缘粉末；使第二套管材料绕第一套管材料形成管；和将第二套管材料管的外径减小至绝缘导体加热器的最终直径。
在某些实施方案中，提供一种形成绝缘导体加热器的方法，包括：使第一套管材料绕芯形成管，其中在第一套管材料的纵向边之间沿第一套管材料管的长度存在间隙；向至少部分第一套管材料管内提供电绝缘粉末；使第二套管材料绕第一套管材料形成管；和将第二套管材料管的外径减小至绝缘导体加热器的最终直径，从而第一套管材料的纵向边沿第一套管材料管的长度彼此接近或基本相邻。
在另一些实施方案中，特定实施方案的特征可以与其它实施方案的特征组合。例如，一个实施方案的特征可以与任何其它实施方案的特征组合。
在另一些实施方案中，应用这里描述的任何方法、系统、电源或加热器处理地下地层。
在另一些实施方案中，可以为这里所述的具体实施方案添加附加特征。
附图说明
通过结合附图参考如下本发明的优选但只为描述性的实施方案的详细描述，可以更完全地理解本发明方法和设备的特征和优点。
图1示意性给出了用于处理含烃地层的原位热处理系统的一部分的实施方案。
图2描述了绝缘导体热源的一个实施方案。
图3描述了绝缘导体热源的一个实施方案。
图4描述了绝缘导体热源的一个实施方案。
图5A和5B描述了用于绝缘导体加热器的限温加热器组件一个实施方案的截面图。
图6描述了预冷加工、预热处理的绝缘导体的一个实施方案的截面图。
图7描述了冷加工和热处理后图6中描述的绝缘导体的一个实施方案的截面图。
图8描述了冷加工后图7中描述的绝缘导体的一个实施方案的截 面图。
图9描述了应用电绝缘粉末制备绝缘导体的方法的一个实施方案。
图10A描述了绝缘导体内第一套管材料的第一设计方案的截面图。
图10B描述了第二套管材料绕第一套管材料形成管且焊接的第一设计方案的截面图。
图10C描述了第二套管材料绕第一套管材料形成管的第一设计方案在作一些减小后的截面图。
图10D描述了当绝缘导体在压缩辊处经过最后的减小步骤后第一设计方案的截面图。
图11A描述了绝缘导体内第一套管材料的第二设计方案的截面图。
图11B描述了第二套管材料绕第一套管材料形成管且焊接的第二设计方案的截面图。
图11C描述了第二套管材料绕第一套管材料形成管的第二设计方案在作一些减小后的截面图。
图11D描述了当绝缘导体在压缩辊处经过最后的减小步骤后第二设计方案的截面图。
虽然本发明易于进行各种改变和具有各种替代形式，但它的具体实施方案通过附图中实例的方式给出和在这里将详细描述。所述附图可能不按比例。应该理解的是附图及其详细描述不用于将本发明局限于所公开的具体形式，而是相反，本发明覆盖落在所附权利要求所定义的本发明的实质和范围内的所有调整、等价物和替代物。
具体实施方式
如下说明书通常涉及处理地层中烃的系统和方法。可以处理所述地层以产生烃产品、氢和其它产品。
"交流电(AC)"指基本按正弦曲线改变方向的随时间变化的电流。 AC在铁磁导体中产生趋肤效应电流。
在与减小热输出的加热系统、设备和方法相关的上下文中，术语"自动"指所述系统、设备和方法以不应用外部控制(例如，外部控制器如具有温度传感器和反馈回路的控制器、PID控制器或预测性控制器)的某种方式起作用。
"偶合"指一个或多个物体或部件间直接相连或者间接相连(例如一个或多个介入连接)。短语"直接连接"指物体或部件间直接连接从而使物体或部件相互之间直接连接，从而物体或部件以"点应用"方式操作。
“居里温度”是在这个温度之上铁磁材料失去其所有铁磁性质的温度。除去在居里温度之上失去所有铁磁性质之外，当渐增的电流流经铁磁材料时，铁磁材料开始失去其铁磁性质。
“地层”包括一层或多层含烃层、一层或多层非烃层、上覆层和/或下伏层。“烃层”指地层中含烃的层。烃层可包含非烃物质和烃物质。“上覆层”和/或“下伏层”包括一类或更多不同类的不可渗透材料。例如，上覆层和/或下伏层可包括岩石、页岩、泥岩或湿/致密碳酸盐。在原位热处理法的一些实施方案中，上覆层和/或下伏层可包括一层含烃层或多层含烃层，所述含烃层相对不可渗透和没有经历导致上覆层和/或下伏层中含烃层显著特征变化的原位热处理处理期间的温度。例如，下伏层可包含页岩或泥岩，但原位热处理法期期间不允许加热下伏层至热解温度。在一些情况下，上覆层和/或下伏层可具有一定的渗透性。
“地层流体”是指存在于地层内的流体，和可包括热解流体、合成气、运动烃和水(蒸汽)。地层流体可包括烃流体以及非烃流体。术语“运动流体”是指作为热处理地层的结果能流动的含烃地层内的流体。“产生的流体”是指从地层移出的流体。
"热通量"为单位时间单位面积的能量流量(例如W/m2)。
“热源”是基本通过传导和/或辐射传热提供热量到至少一部分地层的任意系统。例如热源可包括导电材料和/或电加热器，例如绝缘导体、细长构件和/或在导管内布置的导体。热源也可包括通过在地层外部或 者内部燃烧燃料产热的系统。该系统可以是地面燃烧器、井下气体燃烧器、无火焰分布式燃烧器和自然分布式燃烧器。在一些实施方案中，可通过其它能量源供应在一个或多个热源内提供或生成的热量。其它能量源可直接加热地层，或者可施加能量到传递介质上，所述传递介质直接或间接加热地层。应理解向地层施加热量的一个或多个热源可使用不同的能量源。因此，例如对于给定的地层来说，某些热源可由导电材料、电阻加热器供应热量，某些热源可由燃烧提供热量，而某些热源可由一种或多种其它能量源(例如化学反应、太阳能、风能、生物质或其它可再生的能量源)提供热量。化学反应可包括放热反应(例如氧化反应)。热源也可包括提供热量到与加热位置相邻的区域和/或在其周围的区域例如加热器井的导电材料和/或加热器。
“加热器”是在井内或者在附近的井孔区域内产热的任意系统或热源。加热器可以是但不限于电加热器、燃烧器、与在地层内的材料或者从地层中产生的材料反应的燃烧器和/或它们的组合。
“烃”通常定义为主要由碳和氢原子形成的分子。烃也可包括其它元素，例如但不限于卤素、金属元素、氮、氧和/或硫。烃可以是但不限于油母质、沥青、焦沥青、油、天然矿物蜡和沥青岩。烃可位于地壳内的矿物母岩内或者与之相邻。母岩可包括但不限于沉积岩、砂子、沉积石英岩、碳酸盐、硅藻土和其它多孔介质。“烃流体”是包含烃的流体。烃流体可包含、夹带或者被夹带在非烃流体内，所述非烃流体例如氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水和氨气。
“原位转化法”指通过热源加热含烃地层以将至少一部分地层的温度提高至高于热解温度从而在地层中产生热解流体的方法。
“原位热处理法”是指用热源加热含烃地层以将至少一部分地层的温度升高到导致流体流动、减粘和/或含烃物质热解的温度之上从而在地层中产生流动流体、减粘流体和/或热解流体的方法。
"绝缘导体"指能够导电但全部或部分被电绝缘材料覆盖的任何细长材料。
"调制直流电(DC)"指在铁磁导体中产生趋肤效应电流的任何基 本非正弦的随时间变化电流。
"氮化物"指氮和元素周期表中一种或多种其它元素的化合物。氮化物包括但不限于氮化硅、氮化硼或氮化铝。
"穿孔"包括管道、管子、管或其它流道的壁上的允许流进或流出所述管道、管子、管或其它流道的开口、开槽、缝隙或孔。
铁磁材料的"相转变温度"指材料经受相变(例如从铁素体变为奥氏体)的温度或温度范围，它降低铁磁材料的磁导率。磁导率降低类似于由于在居里温度下铁磁材料磁跃迁造成的磁导率降低。
“热解”是由于施加热量导致的化学键断裂。例如热解可包括通过单独加热将化合物转化成一种或多种其它物质。热量可转移到一部分地层上以引起热解。
"热解流体"或"热解产品"指在烃的热解期间主要产生的流体。热解反应产生的流体可以与地层中的其它流体混合。混合物将被认为是热解流体或热解产品。正如这里所应用，"热解区"指已反应或正在反应以形成热解流体的地层体积(例如相对可渗透地层如焦油砂地层)。
"热叠加"指由两个或多个热源为地层的选择区域提供热，从而在热源之间至少一个位置处的地层温度受所述热源影响。
“限温加热器”通常是指在不使用外部控制例如温度控制器、功率调节器、整流器或者其它设备的情况下在特定温度之上调节热输出(例如降低热输出)的加热器。限温加热器可以是AC(交流电流)或调制的(例如“斩波的”)DC(直流电流)供电的电阻加热器。
层的"厚度"指层的截面厚度，其中截面与层的表面正交。
"随时间变化的电流"指在铁磁导体中产生趋肤效应电流并且大小随时间变化的电流。随时间变化的电流包括交流电流(AC)和调制直流电流(DC)。
用于其中直接向加热器施用电流的限温加热器的"调节比"是对于给定电流在低于居里温度时最高AC或调制DC电阻与高于居里温度时最低电阻之间的比。感应加热器的调节比是当向加热器施加给定电流时低于居里温度时最高热输出与高于居里温度时最低热输出之间 的比。
"u形井孔"指从地层中第一开口延伸通过至少部分地层并从地层中第二开口出来的井孔。在该上下文中，井孔可能只是大致地为"v"或"u"的形状，理解的是对于被认为是"u形"的井孔来说，"u"的"腿"不需要相互平行或者垂直于"u"的"底"。
术语"井孔"指通过钻探或者在地层中插入管道制备的地层中的孔。井孔可能具有基本圆形的截面或其它截面形状。正如这里所应用，当指地层中的开口时，术语"井"和"开口"可以与术语"井孔"相互替换。
可以以各种方式处理地层以产生许多不同的产品。在原位热处理方法中可以应用不同的步骤或过程来处理地层。在一些实施方案中，对地层的一个或多个区进行溶液采矿以从所述区中脱除可溶性矿物质。溶液采矿矿物质可以在原位热处理方法之前、期间和/或之后实施。在一些实施方案中，被溶液采矿的一个或多个区的平均温度可以维持在低于约120℃。
在一些实施方案中，加热地层的一个或多个区以从所述区中脱除水和/或从所述区脱除甲烷和其它挥发性烃。在一些实施方案中，在脱除水和挥发性烃的过程中可以将平均温度从环境温度提升至低于约220℃的温度。
在一些实施方案中，加热地层的一个或多个区至允许地层中的烃运动和/或减粘的温度。在一些实施方案中，将地层的一个或多个区的平均温度提升至所述区中烃移动的温度(例如至温度为100-250℃、120-240℃或150-230℃)。
在一些实施方案中，将一个或多个区加热至允许在地层中发生热解反应的温度。在一些实施方案中，可以将地层的一个或多个区的平均温度提升至所述区中烃的热解温度(例如温度为230-900℃、240-400℃或250-350℃)。
用多个热源加热含烃地层可以围绕热源建立热梯度，从而以所需加热速率将地层中烃的温度提升至所需温度。通过所需产品的移动温 度范围和/或热解温度范围的升温速率可以影响由含烃地层产生的地层流体的质量和数量。慢慢提升地层温度通过移动温度范围和/或热解温度范围可以允许由地层生产高质量、高API重度烃。慢慢提升地层温度通过移动温度范围和/或热解温度范围可以允许作为烃产品脱除地层中存在的大量烃。
在一些原位热处理实施方案中，替代慢慢提升温度通过温度范围而将一部分地层加热至所需温度。在一些实施方案中，所需温度为300℃、325℃或350℃。可以选择其它温度作为所需温度。
来自热源的热量叠加允许所需温度在地层中相对快速和有效地建立。可以调节由热源输入地层的能量以维持地层中的温度基本为所需温度。
可以通过生产井由地层产生移动和/或热解产品。在一些实施方案中，将一个或多个区的平均温度提升至移动温度和由生产井产出烃。由于移动降低至低于所选值，生产后可以将一个或多个区的平均温度提升至热解温度。在一些实施方案中，在达到热解温度前在没有大量生产的情况下可以将一个或多个区的平均温度提升至热解温度。包括热解产品的地层流体可以通过生产井产出。
在一些实施方案中，一个或多个区的平均温度可以被提升至足以允许在移动和/或热解后产生合成气的温度。在一些实施方案中，可以将烃提升至足以允许合成气产生的温度，且在达到足以允许合成气产生的温度前不会大量产生合成气。例如，可以在温度范围为约400-1200℃、约500-1100℃或约550-1000℃下生产合成气。可以将合成气产生流体(例如蒸汽和/或水)引入各区中以产生合成气。可以由生产井生产合成气。
在原位热处理方法中可以实施溶液采矿、脱除挥发性烃和水、移动烃、热解烃、产生合成气和/或其它过程。在一些实施方案中，在原位热处理方法后可以实施一些过程。这些过程可以包括但不限于由处理区回收热量、在以前处理的区中贮存流体(如水和/或烃)、和/或在以前处理的区中封存二氧化碳。
图1描述了用于处理含烃地层的原位热处理系统的一部分的实施方案的示意图。原位热处理系统可以包括屏蔽井200。应用屏蔽井绕处理区形成屏蔽。所述屏蔽防止流体流入和/或流出处理区域。屏蔽井包括但不限于脱水井、真空井、捕获井、注入井、泥浆井、冷冻井或它们的组合。在一些实施方案中，屏蔽井200是脱水井。脱水井可以脱除液态水和/或防止液态水进入将被加热的部分地层或正在加热的地层。在图1所述的实施方案中，屏蔽井200被表示为只沿热源202的一侧延伸，但屏蔽井通常包围所有用于或将被用于加热地层的处理区域的热源202。
将热源202放置在至少部分地层中。热源202可以包括加热器如绝缘导体、管道内导体加热器、地面燃烧器、无火焰分布式燃烧器和/或自然分布式燃烧器。热源202也可以包括其它类型的加热器。热源202为至少部分地层提供热以加热地层中的烃。能量可以通过供应管线204提供给热源202。取决于加热地层所应用的热源的类型，供应管线204可以在结构上不同。用于热源的供应管线204可以为电加热器输送电，可以为燃烧器输送燃料，或者可以运输在地层中循环的换热流体。在一些实施方案中，可以通过核电站提供用于原位热处理方法的电。应用核电可能允许减小或消除原位热处理方法的二氧化碳排放。
当加热地层时，输入地层的热量可能造成地层的膨胀和地质运动。热源可以在脱水过程之前、同时或期间被打开。计算机模拟可以模拟地层对热的响应。可以应用计算机模拟开发用于在地层中激活热源的模式和时间顺序，从而地层的地质运动不会负面地影响地层内热源、产出井和其它设备的功能。
加热地层可能造成地层的渗透性和/或孔隙率的增加。渗透性和/或孔隙率的增加可以是由于蒸发和脱除了水、脱除了烃和/或产生裂缝而使地层中质量减小造成的。由于地层渗透性和/或孔隙率的增加，流体可以更容易地在地层的加热部分流动。由于渗透性和/或孔隙率的增加，地层加热部分的流体可以在地层中移动相当长的距离。取决于各 种因素如地层的渗透性、流体的特性、地层的温度和允许流体移动的压力梯度，所述相当长的距离可以超过1000m。流体在地层中运行相当长距离的能力允许生产井206在地层中相隔相对远的距离。
应用生产井206来从地层中脱除地层流体。在一些实施方案中，生产井206包括热源。生产井中的热源可以在生产井处或其附近加热一部分或多部分地层。在一些原位热处理方法的实施方案中，由生产井提供给地层的热量以每米生产井计小于由加地层的热源以每米热源计施加给地层的热量。由生产井施加给地层的热可以通过蒸发和脱除邻近生产井的液态流体增加邻近生产井的地层的渗透性和/或通过形成大的和/或小的裂缝增加邻近生产井的地层的渗透性。
可以将多个热源放置入生产井中。当由相邻热源的热叠加加热地层足以抵消用生产井加热地层所提供的好处时，生产井下部的热源可以被关掉。在一些实施方案中，在生产井下部的热源失活时，生产井上部的热源可以保持打开。井上部的热源可以防止地层流体的冷凝和回流。
在一些实施方案中，生产井206中的热源允许从地层中气相脱除地层流体。在或通过生产井提供热量可以：(1)当生产流体在接近上覆层的生产井中移动时，防止这种生产流体的冷凝和/或回流，(2)增加向地层中输入的热量，(3)与没有热源的生产井相比，增加生产井的生产速率，(4)防止生产井中高碳数化合物(C6烃及以上)的冷凝，和/或(5)增加生产井处或接近生产井处地层的渗透性。
地层中的地下压力可以对应于在地层中产生的流体压力。随地层加热部分的温度升高，作为原位流体热膨胀、产生更多的流体和蒸发水的结果，加热部分的压力可能会增加。控制地层中流体脱除速率可以允许控制地层中的压力。地层中的压力可以在多个不同位置如在生产井处或其附近、在热源处或其附近、或在监测井处确定。
在一些含烃地层中，由地层生产烃受到抑制直到地层中的至少一些烃已经被移动和/或热解。当地层流体具有选定的质量时，可以从地层产出地层流体。在一些实施方案中，所述选定的质量包括至少约20°、 30°或40°的API重度。抑制生产直到至少一些烃移动和/或热解可以增加重烃至轻烃的转化率。抑制最初的生产可以使由地层生产重烃最小化。生产大量的重烃可能需要昂贵的设备和/或缩短生产设备的寿命。
在一些含烃地层中，在地层的加热部分中已产生明显的渗透性之前,地层中的烃可以被加热至移动和/或热解温度。最初的缺乏渗透性可以抑制所产生的流体输送到生产井206中。在最初的加热阶段，接近热源202的地层中的流体压力可以增加。可以通过一个或多个热源202释放、监测、改变和/或控制所述增加了的流体压力。例如，选定的热源202或单独的泄压井可以包括允许从地层脱除一些流体的泄压阀。
在一些实施方案中，虽然在地层中可能还不存在至生产井206的开放路径或任何其它压力阱，但可以允许地层中产生的移动流体、热解流体或其它流体的膨胀产生的压力增加。可以允许流体压力增加至静岩压。当流体接近静岩压时，可以在含烃地层中形成裂缝。例如，可以在地层的加热部分中形成从热源202至生产井206的裂缝。加热部分中裂缝的产生可以释放所述部分的一些压力。地层中的压力可能必须保持低于选定压力以抑制不想要的生产、上覆或下伏层的断裂和/或在地层中烃的焦化。
达到移动和/或热解温度和允许由地层生产后，可以改变地层内的压力以改变和/或控制所产生地层流体的组成，控制地层流体中可冷凝流体相比于不凝流体的百分比，和/或控制所产生地层流体的API重度。例如，降压可能会造成产生较多的可冷凝流体组分。可冷凝流体组分可能含有更大百分比的烯烃。
在一些原位热处理方法的实施方案中，可以将地层中的压力维持足够高以促进生产API重度大于20°的地层流体。在地层中维持升高的压力可以防止在原位热处理过程中地层的下沉。维持升高的压力可以减小或消除在地表处压缩地层流体以在收集管道中输送流体至处理设施的需求。
维持地层加热部分升高的压力可以令人惊讶地允许生产大量质量提高和具有相对低分子量的烃。可以维持压力从而所产生的地层流体 具有最少量的高于选定碳数的化合物。所述选定碳数可以为至多25、至多20、至多12或至多8。一些高碳数化合物可以被夹带于地层的蒸气中，和可以用蒸气从地层脱除。维持地层升高的压力可以抑制蒸气中夹带高碳数化合物和/或多环烃化合物。高碳数化合物和/或多环烃化合物可以在地层中相当长的时间保持液态。所述相当长的时间可以提供化合物热解形成低碳数化合物的足够时间。
据信相对低分子量的烃的产生部分是由于在部分含烃地层中氢的自发产生和反应造成的。例如，维持升高的压力可以迫使热解过程中产生的氢进入地层内的液相中。加热所述部分至热解温度范围内的温度可以热解地层中的烃，以产生液相的热解流体。所产生的液相热解流体组分可以包含双键和/或自由基。液相中的氢(H2)可以减少所产生的热解流体的双键，从而减小由所产生的热解流体聚合或形成长链化合物的可能。另外，H2可以中和所产生的热解流体中的自由基。液相中的H2可以防止所产生的热解流体相互反应和/或与地层中的其它化合物反应。
由生产井206产生的地层流体可以通过收集管208被输送至处理设施210。也可以由热源202产生地层流体。例如，可以由热源202产生流体以控制邻近热源的地层的压力。由热源202产生的流体可以通过管道或管子被输送至收集管208或所产生的流体可以通过管道或管子直接被输送至处理设施210。处理设施210可以包括分离单元、反应单元、提质单元、燃料电池、透平、贮存容器和/或用于处理所产生的地层流体的其它系统和单元。处理设施可以由地层产生的至少部分烃形成运输燃料。在一些实施方案中，所述运输燃料可以为航空燃料如JP-8。
可以将绝缘导体用作加热器或热源的电加热器元件。绝缘导体可以包括被电绝缘体和外导体(夹套)包围的内导体(芯)。电绝缘体可以包括矿物绝缘(例如氧化镁)或其它电绝缘。
在某些实施方案中，将绝缘导体放置入含烃地层的开口中。在一些实施方案中，将绝缘导体放置入含烃地层中无套管的开口中。在含 烃地层中的无套管的开口中放置绝缘导体可以允许通过辐射和传导从绝缘导体向地层传热。应用无套管的开口可能有利于在需要时从井中取回绝缘导体。
在一些实施方案中，将绝缘导体放置在地层中的套管内；可以将绝缘导体用水泥封在地层内；或者可以将其用砂子、碎石或其它填充材料封装在开口内。绝缘导体可以被支撑在放置在开口内的支撑元件上。支撑元件可以是电缆、杆或管道(例如管子)。支撑元件可以由金属、陶瓷、无机材料或它们的组合制成。因为部分支撑元件在使用过程中可能暴露于地层流体和热，支撑元件可能是耐化学和/或耐热的。
可以应用扎带、点焊和/或其它类型的连接，以沿绝缘导体长度在不同位置使绝缘导体与支撑元件偶合。支撑元件可以在地层的上表层处连接到井口上。在一些实施方案中，绝缘导体具有足够的结构强度，从而不需要支撑元件。在许多情况下，绝缘导体可以具有至少一些挠性以防止当经受温度改变时的热膨胀损坏。
在某些实施方案中，在没有支撑元件和/或定心器的情况下将绝缘导体放置入井孔中。没有支撑元件和/或定心器的绝缘导体可能具有如下合适的组合：耐温和耐腐蚀、蠕变强度、长度、厚度(直径)和防止绝缘导体使用过程中故障的治金学。
图2描述了绝缘导体252的一个实施方案的端部透视图。绝缘导体252可能具有任何所需的截面形状，例如但不限于圆形(图2中所述)、三角形、椭圆形、矩形、六边形或不规则形状。在某些实施方案中，绝缘导体252包括芯218、电绝缘体214和夹套216。当电流流过芯218时，芯218可能电阻发热。可以应用交流或随时间变化的电流和/或直流电流为芯218供电从而使芯电阻发热。
在一些实施方案中，电绝缘体214防止漏电和产生电弧至夹套216。电绝缘体214可以将芯218中产生的热量热传导至夹套216。夹套216可以将热量辐射或传导给地层。在某些实施方案中，绝缘导体252具有1000m或更长的长度。为了满足具体的应用需求，也可以应用更长或更短的绝缘导体。可以选择绝缘导体252的芯218、电绝缘 体214和夹套216的尺寸，从而使绝缘导体具有足够的强度，以甚至在工作温度的上限处也能够自支撑。可以将这种绝缘导体从井口或在上覆层和含烃地层之间的界面附近处设置的支撑悬浮，而不需要支撑元件与绝缘导体一起延伸进入含烃地层。
可以设计绝缘导体252，以在功率水平至多约1650瓦/米或更高下操作。在某些实施方案中，当加热地层时，绝缘导体252在功率水平为约500-1150瓦/米下操作。可以设计绝缘导体252，从而在典型操作温度下的最大电压水平不会造成电绝缘体214明显的热和/或电击穿。可以设计绝缘导体252，从而夹套216不会超过导致夹套材料耐腐蚀特性显著降低的温度。在某些实施方案中，可以设计绝缘导体252，以达到约650-900℃的温度。为了满足具体的操作需求，可以形成具有其它操作范围的绝缘导体。
图2描述了具有单个芯218的绝缘导体252。在一些实施方案中，绝缘导体252具有两个或更多个芯218。例如，单个绝缘导体可以具有三个芯。芯218可以由金属或其它导电材料制成。形成芯218所应用的材料可以包括但不限于镍铬合金、铜、镍、碳钢、不锈钢和它们的组合。在某些实施方案中，选择芯218使其在操作温度下具有一定直径和电阻率，从而由欧姆定律得到的电阻使得其对于所选的每米电损耗、加热器的长度和/或芯材料允许的最大电压，在电和结构方面稳定。
在一些实施方案中，芯218沿绝缘导体252的长度由不同的材料制成。例如，芯218的第一段可以由电阻比芯的第二段明显更低的材料制成。可以将第一段放置在邻近不需要加热至与邻近第二段的第二地层温度一样的地层。通过具有变化的直径和/或通过具有由不同材料制得的芯段，可以调节芯218各段的电阻率。
电绝缘体214可以由多种材料制成。通常应用的粉末可以包括但不限于MgO、Al2O3、BN、Si3N4、氧化锆、BeO、尖晶石的不同化学变体和它们的组合。MgO可以提供好的热导率和电绝缘特性。所需的电绝缘特性包括低漏电和高介电强度。低漏电降低了热击穿的可能性，而高介电强度降低了穿过绝缘体产生电弧的可能性。如果漏电造成绝缘体温度持续上升，有可能发生热击穿，也导致穿过绝缘体产生电弧。
夹套216可以是外部金属层或导电层。夹套216可能与热的地层流体接触。夹套216可以由在高温下高度耐腐蚀的材料制成。可以在夹套216的所需操作温度范围内应用的合金包括但不限于304不锈钢、310不锈钢、和(Inco合金International，Huntington，West Virginia，U.S.A.)。夹套216的厚可能必须足以在热和腐蚀环境下持续三至十年。夹套216的厚度通常可以在约1-2.5mm间变化。例如，1.3mm厚的310不锈钢外层可以用作夹套216，以在超过3年的时间内在地层的加热区对硫化腐蚀提供良好的化学耐受性。为了满足具体的应用需求，可以应用更大或更小的夹套厚度。
可以将一个或多个绝缘导体放置在地层的开口内以形成热源。可以为开口内的每一个绝缘导体通电流以加热地层。替代地，可以为开口内的所选绝缘导体通电流。未应用的导体可以用作备用加热器。绝缘导体可以以任何方便的方式与电源电偶合。绝缘导体的每一端均可以偶合至通过井口的导入电缆。这种构造典型地具有位于热源底部附近的180°弯("发卡"弯)或转向。包括180°弯或转向的绝缘导体可能不需要底部终端，但180°弯或转向可能是加热器中的电和/或结构弱区。绝缘导体可以以串联、并联或串联和并联的组合电偶合在一起。在热源的一些实施方案中，电流可以流入绝缘导体的导体内和可以通过在热源的底部将芯218与夹套216连接起来(如图2所示)而通过绝缘导体的夹套返回。
在一些实施方案中，三个绝缘导体252在三相Y形结构中电偶合至电源。图3描述了三个绝缘导体在地下地层的开口中以Y形结构偶合的实施方案。图4描述了可从地层中的开口238拆除的三个绝缘导体252的实施方案。对于Y型结构中的三个绝缘导体可能不需要底部连接。替代地，Y型结构中的全部三个绝缘导体可以在开口的底部附近连接在一起。可以在绝缘导体的加热段端部或在绝缘导体底部偶合至加热段的冷销(低电阻段)的端部直接连接。可以用绝缘体填充和密 封的筒或用环氧树脂填充的筒制成底部连接。绝缘体的组成可以与用作电绝缘的绝缘体相同。
图3和图4中描述的三个绝缘导体252可以应用定心器222偶合至支撑元件220上。替代地，绝缘导体252可以应用金属带直接绑在支撑元件220上。定心器222可以定位和/或防止绝缘导体252在支撑元件220上移动。定心器222可以由金属、陶瓷或它们的组合制成。金属可以为不锈钢或能够承受腐蚀和高温环境的任何其它类型的金属。在一些实施方案中，定心器222为以距离小于约6m焊接到支撑元件上的弓形金属条。在定心器222中应用的陶瓷可以为但不限于Al2O3、MgO或其它电绝缘体。定心器222可以保持绝缘导体252在支撑元件220上的位置，从而防止在绝缘导体的操作温度下绝缘导体移动。绝缘导体252也可以具有一些挠性以在加热过程中承受支撑元件220的膨胀。
支撑元件220、绝缘导体252和定心器222可以被放置在烃层240内的开口238中。可以应用冷销226将绝缘导体252偶合至底部导体连接224上。底部导体连接224可以将每个绝缘导体252相互电偶合。底部导体连接224可以包括导电且在开口238中存在的温度下不熔的材料。冷销226可以为具有比绝缘导体252更低电阻的绝缘导体。
可以将导入导体228偶合至井口242，以为绝缘导体252供电。导入导体228可以由相对低电阻的导体制成，从而当电流流过导入导体时产生相对少的热。在一些实施方案中，导入导体为橡胶或聚合物绝缘的铜铰线。在一些实施方案中，导入导体为带有铜芯的矿物绝缘导体。在地表250处，通过位于上覆层246和地表250间的密封法兰可以使导入导体228与井口242偶合。密封法兰可以防止流体从开口238逃至地面250。
在某些实施方案中，应用过渡导体230将导入导体228偶合至绝缘导体252上。过渡导体230可以为绝缘导体252的低电阻部分。过渡导体230可以被称为绝缘导体252的"冷销"。可以设计过渡导体230以使单位长度消耗的功为单位长度绝缘导体252的主加热段所消耗功 的约十分之一至约五分之一。过渡导体230典型地可以为约1.5-15m，虽然为了适应具体的应用需要也可以应用更短或更长的长度。在一个实施方案中，过渡导体230的导体为铜。过渡导体230的电绝缘体可以为与在主加热段中应用的电绝缘体相同的类型。过渡导体230的夹套可以由耐腐蚀材料制成。
在某些实施方案中，可以通过接片或其它偶合接头将过渡导体230偶合至导入导体228上。也可以应用接片偶合过渡导体230与绝缘导体252。接片可能必须承受等于目标区操作温度一半的温度。接片中电绝缘的密度在许多情况下应该足够高，以承受所需的温度和操作电压。
在一些实施方案中，如图3所示，在上覆层套管244和开口238之间放置填充材料248。在一些实施方案中，增强材料232可以固定上覆层套管244至上覆层246上。填充材料248可以防止流体从开口238流至地面250。增强材料232可以包括例如与用于提高其高温性能的石英粉混合的Class G或Class H波兰特水泥、炉渣或石英粉和/或它们的混合物。在一些实施方案中，增强材料232径向延伸约5-25cm的宽度。
正如图3和图4所示，可以在地层的地表250处将支撑元件220和导入导体228偶合至井口242上。地表导体234可以包围增强材料232和与井口242偶合。地表导体的实施方案可以延伸进入地层内的开口约3-515m的深度。替代地，地表导体可以延伸进入地层约9m的深度。可以由电源为绝缘导体252提供电流，从而由于绝缘导体的电阻产生热量。三个绝缘导体252产生的热量可以在开口238内传递以加热至少部分烃层240。
绝缘导体252产生的热量可以加热至少部分含烃地层。在一些实施方案中，主要通过辐射产生的热量至地层而将热量传递给地层。由于开口中气体的存在，可以通过热的传导或对流而传递一些热量。所述开口可以是无套管开口，正如图3和图4所示。无套管开口取消了与热粘合加热器至地层相关的费用、与套管相关的费用和/或在开口内 填置加热器的费用。另外，辐射传热通常比传导更加有效，从而加热器可以在开放井孔中在更低的温度下操作。在热源的初始操作期间可以通过在开口中加入气体而强化传导传热。可以将所述气体保持在至多约27bars绝压的压力。所述气体可以包括但不限于二氧化碳和/或氦。在开放井孔中的绝缘导体加热器可能有利地自由膨胀或收缩，以适应热膨胀和收缩。绝缘导体加热器可以有利地从开放井孔中取出或重新布置。
在某些实施方案中，应用线轴组件安装或移出绝缘导体加热器组件。可以应用多个线轴组件以同时安装绝缘导体和支撑元件。替代地，可以应用盘管单元安装支撑元件。加热器可以被解缠绕并且当支撑元件被插入井时与支撑元件连接。电加热器和支撑元件可以由线轴组件上解缠绕。沿支撑元件的长度可以将间隔器偶合到支撑元件和加热器上。对于附加的电加热器元件，可以应用附加的线轴组件。
限温加热器可以配置和/或可以包括在一定温度下为加器提供自动限温特性的材料。在某些实施方案中，在限温加热器中应用铁磁材料。铁磁材料可以在材料的居里温度处或附近和/或相转变温度范围处自限温度，从而当向所述材料施用随时间变化的电流时，提供减小的热量。在某些实施方案中，铁磁材料在接近居里温度和/或相转变温度范围内的选定温度下自限限温加热器的温度。在某些实施方案中，所选的温度在居里温度和/或相转变温度范围的约35℃以内、约25℃以内、约20℃以内或约10℃以内。在某些实施方案中，铁磁材料与其它材料(例如高传导材料、高强度材料、耐腐蚀材料或它们的组合)偶合以提供各种电和/或机械特性。限温加热器的一些部分可以具有比限温加热器的其它部分更低的电阻(由不同的几何形状和/或通过应用不同的铁磁和/或非铁磁材料造成)。使限温加热器的部分具有不同材料和/或尺寸允许由加热器的各部分定制所需的热输出。
限温加热器可能比其它加热器更加可靠。限温加热器可能更不容易因地层中的热点造成击穿或故障。在一些实施方案中，限温加热器允许基本均匀地加热地层。在一些实施方案中，限温加热器能够通过 沿加热器的整个长度在更高平均热输出下操作而更加有效地加热地层。限温加热器沿加热器的整个长度在较高的平均热输出下操作，这是因为如果沿加热器内任何点的温度超过或将要超过加热器的最大操作温度，输入加热器的电不必如典型的恒定瓦数加热器一样减小至整个加热器。由接近加热器的居里温度和/或相转变温度范围的限温加热器部分的热输出将自动减小，而不需要控制调节施加到加热器的随时间变化的电流。热输出自动减小是由于限温加热器部分的电特性(例如电阻)发生变化。因此，在更大部分的加热过程中通过限温加热器提供更多电。
在某些实施方案中，当限温加热器用随时间变化的电流提供能量时，包括限温加热器的系统开始提供第一热输出，和然后在加热器的电阻部分的居里温度和/或相转变温度范围处、附近或更高处提供减小的(第二)热输出。第一热输出是温度低于限温加热器开始自限时的热输出。在一些实施方案中，第一热输出为在低于限温加热器中铁磁材料的居里温度和/或相转变温度约50℃、约75℃、约100℃或约125℃的温度下的热输出。
限温加热器可以由在井口提供的随时间变化的电流(交流或调制直流电)提供能量。所述井口可以包括用于为限温加热器供电的电源和其它组件(例如调制组件、变压器和/或电容器)。限温加热器可以为用于加热部分地层的多个加热器中的一个。
在一些实施方案中，应用相对薄的导电层在温度至多为铁磁导体的居里温度和/或相转变温度范围处或附近提供限温加热器的大部分电阻热输出。这种限温加热器可以用作绝缘导体加热器中的加热元件。绝缘导体加热器的加热元件可以位于套管内部且在套管和加热元件之间具有绝缘层。
图5A和5B描述了带有限温加热器作为加热元件的绝缘导体加热器的一个实施方案的截面图。绝缘导体252包括芯218、铁磁导体236、内导体212、电绝缘体214和夹套216。芯218为铜芯。铁磁导体236例如为铁或铁合金。
内导体212为比铁磁导体236具有更高电导率的非铁磁材料的相对薄的导电层。在某些实施方案中，内导体212为铜。内导体212可以为铜合金。与纯铜相比，铜合金通常具有更平的电阻-温度曲线。作为至多为居里温度和/或相转变温度范围的温度的函数，更平的电阻-温度曲线可以提供更少的热输出变化。在一些实施方案中，内导体212为含有6wt％镍的铜(例如CuNi6或LOHMTM)。在一些实施方案中，内导体212为CuNi10Fe1Mn合金。低于铁磁导体236的居里温度和/或相转变温度范围，铁磁导体的磁特性限制了大部分电流流至内导体212。因此，低于居里温度和/或相转变温度范围，内导体212提供绝缘导体252的大部分电阻热输出。
在某些实施方案中，与芯218和铁磁导体236一起，为内导体212定尺寸，从而内导体提供所需量的热输出和所需的调节比。例如，内导体212的截面积可以为芯218的截面积的约1/2或1/3。通常,如果内导体为铜或铜合金，则内导体212必须具有相对小的截面积以提供所需的热输出。在利用铜内导体212的实施方案中，芯218的直径为0.66cm，铁磁导体236的外径为0.91cm，内导体212的外径为1.03cm，电绝缘体214的外径为1.53cm和夹套216的外径为1.79cm。在利用CuNi6内导体212的实施方案中，芯218的直径为0.66cm，铁磁导体236的外径为0.91cm，内导体212的外径为1.12cm，电绝缘体214的外径为1.63cm和夹套216的外径为1.88cm。为提供低于居里温度和/或相转变温度范围的大部分热输出，这种绝缘导体通常比不应用薄内导体的绝缘导体更小和制造起来更便宜。
电绝缘体214可以为氧化镁、氧化铝、二氧化硅、氧化铍、氮化硼、氮化硅或它们的组合。在某些实施方案中，电绝缘体214为氧化镁的压实粉末。在一些实施方案中，电绝缘体214包括氮化硅小球。
在某些实施方案中，在电绝缘体214和内导体212之间放置一小层材料以防止在高温下铜迁移进入电绝缘体。例如，可以在电绝缘体214和内导体212之间放置一小层镍(例如约0.5mm的镍)。
夹套216由耐腐蚀材料制成，例如但不限于347不锈钢、347H不 锈钢、446不锈钢或825不锈钢。在一些实施方案中，夹套216在或高于铁磁导体236的居里温度和/或相转变温度范围为绝缘导体252提供一些机械强度。在某些实施方案中，夹套216不用于传导电流。
制备相对较长长度(例如10m或更长的长度)的绝缘导体时，有许多潜在的问题。例如，在绝缘导体中用于形成电绝缘体的材料块之间可能存在间隙，和/或穿过绝缘体的击穿电压可能不够高，无法承受沿这种加热器长度提供热量需要的操作电压。绝缘导体包括用作加热器的绝缘导体和/或在地层的上覆区应用的绝缘导体(提供较小或不提供热输出的绝缘导体)。绝缘导体可以为例如矿物绝缘导体如矿物绝缘电缆。
在用于制备(形成)绝缘导体的典型方法中，绝缘导体的夹套作为导电材料带(例如不锈钢)开始。夹套带(纵向辊压)形成部分圆筒形状和向部分圆筒状的夹套中插入电绝缘体块(例如氧化镁块)。所插入的块可以为部分圆筒状块如半圆筒状块。在插入块后，将通常为实心圆柱体的纵向芯放置在部分圆筒中和半圆筒状块的内部。所述芯由导电材料如铜、镍和/或钢制成。
一旦电绝缘体块和芯就位，含所述块和芯的夹套部分可以形成绕块和芯的完整圆筒。可以焊接封闭圆筒的夹套的纵向边以形成在夹套内部具有芯和电绝缘体块的绝缘导体组件。沿夹套的长度可以重复插入块和封闭夹套圆筒的过程，以形成具有所需长度的绝缘导体组件。
当形成绝缘导体组件时，可以采取进一步的步骤来减小组件中的间隙和/或孔隙。例如，可以将绝缘导体组件移动通过渐进式减小系统(冷加工系统)以减小组件中的间隙。渐进式减小系统的一个例子是辊系统。在辊系统中，绝缘导体组件可以行进通过多个水平和垂直辊，所述组件在水平和垂直辊间交替。所述辊可以渐进式地减小绝缘导体组件的尺寸为最后所需的外径或截面积(例如外导体(如套管或夹套)的外径或截面积)。
在某些实施方案中，在减小步骤之间将绝缘导体组件热处理和/或退火。绝缘导体组件的热处理可能是需要的，以恢复绝缘导体组件 中应用的金属的机械特性，从而允许进一步减小(冷加工)绝缘导体组件。例如，可以使绝缘导体组件热处理和/或退火，以减小组件中金属的应力和提高金属的冷加工(渐进式减小)特性。
但绝缘导体组件的热处理通常减小绝缘导体组件的介电击穿电压(介电强度)。例如，对于绝缘导体组件中应用的金属的典型热处理，热处理可以减小击穿电压约50％或更多。当绝缘导体组件在较长长度的加热器所需的中至高电压(例如约5kV或更高的电压)下应用时，所述击穿电压减小可能会产生短路或其它电击穿。
在某些实施方案中，热处理后绝缘导体组件的最后减小(冷加工)步骤可以恢复击穿电压至较长长度加热器可接受的值。但所述的最后减小可能不象绝缘导体组件之前的减小那样大，以避免使组件中金属的应变或过应变超过可接受的极限。最后减小步骤中减小太多可能导致需要附加的热处理来恢复绝缘导体组件中金属的机械特性。
图6描述了预冷加工、预热处理的绝缘导体252的一个实施方案。在某些实施方案中，绝缘导体包括芯218、电绝缘体214和夹套216(例如套管或外导体)。在一些实施方案中，电绝缘体214由多个绝缘材料块制成。在某些实施方案中，在最后减小绝缘导体至其最终尺寸前，在冷加工/热处理过程中处理绝缘导体252。例如，绝缘导体组件可以被冷加工以减小组件的截面积至少约30％，随后接着在至少约870℃的温度下的热处理步骤，其中所述温度在感应线圈的出口处用光学高温计测量。图7描述了冷加工和热处理后图6中描述的绝缘导体252的一个实施方案。相比于预冷加工、预热处理绝缘导体的夹套216，冷加工和热处理绝缘导体252可以减小夹套216的截面积约30％。在一些实施方案中，电绝缘体214和/或芯218的截面积在冷加工和热处理过程中减少约30％。
在一些实施方案中，使绝缘导体组件冷加工以减小组件的截面积至多约35％或接近绝缘导体组件的机械故障点。在一些实施方案中，绝缘导体组件在约760-925℃的温度(例如在不熔化组件中电绝缘的情况下使绝缘导体组件中的金属恢复尽可能多的机械完整性的温度)进 行热处理和/或退火。在一些实施方案中，所述热处理步骤包括快速加热绝缘导体组件至所需温度，和然后使组件急冷回到环境温度。
在某些实施方案中，重复冷加工/热处理步骤两次或更多次，直到绝缘导体组件的截面积接近组件所需的最终截面积(例如在约5-15％以内)。在使绝缘导体组件的截面积接近组件的最终截面积的热处理步骤后，在最后的步骤中使所述组件冷加工，以减小绝缘导体组件的截面积至最终截面积。图8描述了冷加工后图7中描述的绝缘导体252的一个实施方案。与图7中夹套216的实施方案相比，图8中夹套216的实施方案的截面积可以减小约15％。在某些实施方案中，最后的冷加工步骤使绝缘导体组件的截面积减小约5-20％。在一些实施方案中，最后的冷加工步骤使绝缘导体组件的截面积减小约10-20％。在一些实施方案中，电绝缘体214和/或芯218的截面积在冷加工和热处理过程中减小。
限制最后的冷加工步骤中绝缘导体组件的截面积减小为至多约20％，这样可以减小绝缘导体组件的截面积为所需值，同时保持加热地下地层中应用的绝缘导体组件的夹套(外导体)具有足够的机械完整性。因此，进一步热处理以恢复绝缘导体组件的机械完整性的需求被取消或大大减小。在最后的冷加工步骤中减小绝缘导体组件的截面积超过约20％可能需要进一步的热处理以恢复绝缘导体组件的机械完整性，使其足以用作地下地层中的长加热器。
附加地，在制备绝缘导体组件的方法中替代热处理而将冷加工当作最后步骤可以提高绝缘导体组件的介电击穿电压。绝缘导体组件的冷加工(减小截面积)减小了组件的电绝缘中的孔体积和/或孔隙率。减小电绝缘中孔体积和/或孔隙率通过排除电绝缘中电短路和/或故障通路而增加击穿电压。因此，替代热处理(其通常减小击穿电压)而将冷加工作为最后步骤，应用最后的冷加工步骤可以产生更高击穿电压的绝缘导体组件，其中所述的最后的冷加工步骤可以减小截面积至多约20％。
在一些实施方案中，最后的冷加工步骤后击穿电压接近预热处理 的绝缘导体组件的击穿电压(介电强度)。在某些实施方案中，经过最后的冷加工步骤后，绝缘导体组件中电绝缘的介电强度为预热处理的绝缘导体中电绝缘的介电强度的约10％以内、约5％以内或约2％以内。在某些实施方案中，绝缘导体组件的击穿电压为约12-20kV。
对于加热地下地层中类似的长度来说，具有这种较好击穿电压特性(击穿电压高于约12kV)的绝缘导体组件可以比具有较低击穿电压的绝缘导体组件直径(截面积)更小，但提供相同的输出。因为更高的击穿电压允许绝缘导体组件的直径更小，可以应用更少的绝缘块来制备相同长度的加热器，因为当压缩到更小直径时绝缘块进一步拉长(取得更长的长度)。因此，用于制备绝缘导体组件的所述块的数量可以减小，从而节约绝缘材料成本。
制备相对较长长度(例如长度为10m或更长)的绝缘导体的另一种可能的方案是由基于粉末的材料生产电绝缘体。例如矿物绝缘导体如氧化镁(MgO)绝缘导体可以应用经压实以在绝缘导体的芯上和套管内侧形成电绝缘体的矿物粉末绝缘材料来生产。以前应用电绝缘粉末形成绝缘导体的尝试多不成功是由于与粉末流动、导体(芯)居中和用于外套管或夹套的焊接过程中与粉末(例如MgO粉末)相互作用等相关的问题。粉末处理技术的新进展可能允许改进利用粉末制备绝缘导体。相比于制备绝缘导体的其它方法，由粉末绝缘材料生产绝缘导体可以减小材料成本和增加制备过程的可靠性。
图9描述了应用电绝缘体的粉末制备绝缘导体的方法的一个实施方案。在某些实施方案中，在管磨机或其它管状(管子)组装设备中实施方法268。在某些实施方案中，方法268开始于分别进料第一套管材料274和导体(芯)材料276进入工艺流动管线的线轴270和线轴272。在某些实施方案中，第一套管材料274为薄的套管材料如不锈钢，和芯材料276为铜杆或用于芯的其它导电材料。第一套管材料274和芯材料276可以通过定中辊278。如图9所示，定中辊278可以使芯材料276相对第一套管材料274居中。
居中的芯材料276和第一套管材料274随后可以进入压缩和集中 辊280中。压缩和集中辊280可以使第一套管材料274绕芯材料276形成管。正如图9所示，在到达压缩和集中辊280之前，第一套管材料274可能由于第一套管材料上游部分来自套管形成辊281的压力开始形成管。随着第一套管材料274开始形成管，可以由粉末分配器284在第一套管材料内部加入电绝缘粉末282。在一些实施方案中，在进入第一套管材料274之前，用加热器286加热粉末282。加热器286可以例如为加热粉末282的感应加热器，以从粉末中释入出水分和/或为粉末提供更好的流动特性以及为最终的组装导体提供更好的介电特性。
随着粉末282进入第一套管材料274，在进入压缩和集中辊280之前组件可以通过振动器288。振动器288可以使组件振动，以强化第一套管材料274内粉末282的压实。在某些实施方案中，粉末282填充入第一套管材料274和振动器288上游的其它工艺步骤在垂直形成中发生。在垂直形成中实施这些工艺步骤供在第一套管材料274内提供更好的粉末282的压实。正如图9所示，方法268的垂直形成可以过渡到水平形成中，同时组件通过压缩和集中辊280。
随着第一套管材料274、芯材料276和粉末282的组件离开压缩和集中辊280，可以围绕所述组件提供第二套管材料290。第二套管材料290可以由线轴292提供。第二套管材料290可以为比第一套管材料274更厚的套管材料。在某些实施方案中，第一套管材料274的厚度尽可能薄，只要第一套管材料不会在过程后期(例如在减小绝缘导体外径的过程中)破裂或产生缺陷即可。第二套管材料290可以具有尽可能厚的厚度，但其仍允许绝缘导体的外径最后减小到所需尺寸。第一套管材料274和第二套管材料290的组合厚度可以为例如绝缘导体最终外径的约1/3至约1/8(例如约1/6)。
在一些实施方案中，对于最后减小步骤后最终外径为约1"的绝缘导体，第一套管材料274的厚度为约0.020-0.075"(例如约0.035")和第二套管材料290的厚度为约0.100-0.150"(例如约0.125")。在一些实施方案中，第二套管材料290为与第一套管材料274相同的材料。在一 些实施方案中，第二套管材料290为与第一套管材料274不同的材料(例如不同的不锈钢或镍基合金)。
第二套管材料290可以绕第一套管材料274、芯材料276和粉末282的组件由形成辊294形成管。在使第二套管材料290形成管后，可以应用焊机296将第二套管材料的纵向边焊接在一起。焊机296可以是例如用于焊接不锈钢的激光焊机。焊接第二套管材料290将组件形成绝缘导体252，其中第一套管材料274和第二套管材料形成绝缘导体的套管(夹套)。
在形成绝缘导体252后，使绝缘导体通过一个或多个压缩辊298。压缩辊298通过对套管(第一套管材料274和第二套管材料290)和芯(芯材料276)冷加工可以减小绝缘导体252的外径至多约35％。在减小绝缘导体252的截面后，绝缘导体可以用加热器300热处理和在急冷器302中急冷。加热器300可以是例如感应加热器。急冷器302可以应用例如水急冷使绝缘导体252快速冷却。在一些实施方案中，在将绝缘导体提供给压缩辊304进行最后的减小步骤之前，可以重复一次或多次减小绝缘导体252的外径之后跟着热处理和急冷。
在加热器300和急冷器302处热处理和急冷绝缘导体252之后，使绝缘导体通过压缩辊304进行最后的减小步骤(最后的冷加工步骤)。最后的减小步骤可以将绝缘导体252的外径(截面积)减小至最后减小步骤前的截面积的约5-20％。然后可以将最后减小的绝缘导体252提供给线轴306。线轴306可以是例如盘管装备或用于输送绝缘导体(加热器)至加热器组装位置的其它线轴。
在某些实施方案中，应用第一套管材料274和第二套管材料290的组合允许在方法268中使用粉末282来形成绝缘导体252。例如，第一套管材料274可以保护粉末282不与第二套管材料290上的焊接相互作用。在某些实施方案中，第一套管材料274的设计防止了粉末282与第二套管材料290上的焊接相互作用。图10A-D和图11A-D描述了在绝缘导体252中应用的第一套管材料274的设计的两种可能实施方案的截面图。
图10A描述了绝缘导体252内的第一套管材料274的第一设计方案的截面图。图10A描述了如图9所示通过压缩和集中辊280的绝缘导体252。正如图10A所示，当第一套管材料绕粉末282和芯材料276形成管时，第一套管材料274本身重叠(示为重叠308)。重叠308是第一套管材料274的纵向边的重叠。
图10B描述了第二套管材料290绕第一套管材料274形成管且焊接的第一设计方案的截面图。图10B描述了如图9所示刚刚通过焊机296的绝缘导体252。正如图10B所示，第一套管材料274位于由第二套管材料290形成的管的内部(例如套管材料上部之间存在间隙)。焊接310将第二套管材料290连接起来绕第一套管材料274形成管。在一些实施方案中，焊接310被放置在重叠308处或其附近。在其它实施方案中，焊接310在与重叠308不同的位置处。焊接310的位置可能并不重要，因为第一套管材料274防止了焊接与第一套管材料内的粉末282相互作用。第一套管材料274的重叠308可以密封粉末282和防止任何粉末与第二套管材料290和/或焊接310接触。
图10C描述了第二套管材料290绕第一套管材料274形成管的第一设计方案在作一些减小后的截面图。图10C描述了如图9所示通过压缩辊298的绝缘导体252。正如图10C所示，第二套管材料290被压缩辊298减小，从而第二套管材料与第一套管材料274接触。在某些实施方案中，在通过压缩辊298后，第二套管材料290与第一套管材料274紧密接触。
图10D描述了如图9所示绝缘导体252在压缩辊304处经过最后的减小步骤时第一设计方案的截面图。正如图10D所示，当绝缘导体252的截面积在最后的减小步骤中减小时，沿第一套管材料274和/或第二套管材料290的外表面和内表面可能由于重叠308存在一些凸出或不均匀。重叠308可能会沿着第一套管材料274的内表面造成一些不连续。但这些不连续可能会最小化地影响绝缘导体252中产生的任何电场。因此，在最后的减小步骤后，绝缘导体252可以具有用于加热地下地层的足够的击穿电压。第二套管材料290可以为绝缘导体252 提供密封的腐蚀屏蔽。
图11A描述了绝缘导体252内第一套管材料274的第二设计方案的截面图。图11A描述了如图9所示通过压缩和集中辊280的绝缘导体252。正如图11A所示，当第一套管材料绕粉末282和芯材料276形成管时，第一套管材料274在管子的纵向边之间存在间隙312。
图11B描述了第二套管材料290绕第一套管材料274形成管且焊接的第二设计方案的截面图。图11B描述了如图9所示刚刚通过焊机296的绝缘导体252。正如图11B所示，第一套管材料274位于由第二套管材料290形成的管的内部(例如套管材料上部之间存在间隙)。焊接310将第二套管材料290连接起来绕第一套管材料274形成管。在某些实施方案中，焊接310在与间隙312不同的位置处以避免焊接与第一套管材料274内的粉末282相互作用。
图11C描述了第二套管材料290绕第一套管材料274形成管的第二设计方案在作一些减小后的截面图。图11C描述了如图9所示通过压缩辊298的绝缘导体252。正如图11C所示，第二套管材料290被压缩辊298减小，从而第二套管材料与第一套管材料274接触。在某些实施方案中，在通过压缩辊298后，第二套管材料290与第一套管材料274紧密接触。当绝缘导体经过压缩辊298时，间隙312在绝缘导体252减小的过程中减小。在某些实施方案中，减小间隙312，使得在减小后所述间隙两侧第一套管材料274的端部相互邻接。
图11D描述了如图9所示当绝缘导体252在压缩辊304处经过最后的减小步骤时第二设计方案的截面图。正如图11D所示，沿着第一套管材料274的内表面在间隙312处可能存在一些不连续。但该不连续可能会最小化地影响绝缘导体252中产生的任何电场。因此，在最后的减小步骤后，绝缘导体252可以具有用于加热地下地层的足够的击穿电压。
应理解本发明不限于这里描述的特定系统，所述系统当然可以变化。还应理解这里所应用的术语只是为了描述特定实施方案，而不是用来限定。正如在本说明书中应用，如果没有清楚地指出，单数形式 包括复数。因此，例如，当指"芯"时，包括两个或更多个芯的组合，和当指"材料"时，包括材料的混合物。
基于本说明书，本发明各方面的进一步调整和替代实施方案对本领域的熟练技术人员来说将会很明显。因此，本说明书只是描述性的和目的在于教导本领域熟练技术人员实施本发明的通常方式。应理解的是这里给出和描述的本发明形式被认为是现有的优选实施方案。元件和材料可以替换为这里给出和描述的那些，部件和过程可以颠倒，和本发明的某些特征可以单独应用，所有这些在本领域熟练技术人员受益于本发明说明书之后都将变得很明显。在不偏离如下权利要求描述的本发明的实质和范围的情况下，对于这里描述的元件可以作一些改变。

Claims (20)

1.形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，包括：
在至少部分细长圆筒状内导体上放置绝缘层；
在至少部分绝缘层上放置细长圆筒状外导体以形成绝缘导体组件；
对绝缘导体组件实施至少一组冷加工步骤和热处理步骤，其中所述至少一组冷加工步骤和热处理步骤包括：
冷加工绝缘导体组件以将绝缘导体组件的截面积减小至少30％；和
在至少870℃的温度下热处理绝缘导体组件；和
通过在至少一组冷加工步骤和热处理步骤完成后进一步减小绝缘导体组件的截面积而由绝缘导体组件形成具有最终截面积的绝缘导体加热器，其中进一步减小绝缘导体组件的截面积包括冷加工绝缘导体组件，以将绝缘导体组件的截面积进一步减小5-20％，基于至少一组冷加工步骤和热处理步骤完成后绝缘导体组件的截面积计。
2.权利要求1所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中绝缘导体组件截面积的减小量为至少一组冷加工步骤和热处理步骤完成后绝缘导体组件的截面积的10-20％。
3.权利要求1所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中减小绝缘导体组件的截面积包括减小外导体的截面积。
4.权利要求1所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中所述绝缘层包括一个或多个绝缘块。
5.权利要求1所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中在至少一组冷加工步骤和热处理步骤完成后，不再热处理具有最终截面积的绝缘导体加热器。
6.权利要求1所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中将绝缘导体组件的截面积减小5-20％使绝缘层的介电强度增加至预热处理的绝缘层的介电强度的5％以内。
7.权利要求1所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中将绝缘导体组件的截面积减小5-20％为具有最终截面积的绝缘导体加热器提供12-20kV的击穿电压。
8.权利要求1所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中在形成具有最终截面积的绝缘导体加热器之前多次重复所述至少一组冷加工步骤和热处理步骤。
9.形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，包括：
在至少部分细长圆筒状内导体上放置绝缘层，其中所述绝缘层包括一个或多个绝缘块；
在至少部分绝缘层上放置细长圆筒状外导体以形成绝缘导体组件；
对绝缘导体组件实施至少一组冷加工步骤和热处理步骤，其中所述至少一组冷加工步骤和热处理步骤包括：
冷加工绝缘导体组件以减小绝缘导体组件的截面积；和
在至少870℃的温度下热处理绝缘导体组件；和
通过在至少一组冷加工步骤和热处理步骤完成后减小绝缘导体组件的截面积而由绝缘导体组件形成具有最终截面积的绝缘导体加热器，其中减小绝缘导体组件的截面积包括冷加工绝缘导体组件，以将绝缘导体组件的截面积减小至多20％，基于至少一组冷加工步骤和热处理步骤完成后绝缘导体组件的截面积计。
10.权利要求9所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中冷加工绝缘导体组件将绝缘导体组件的截面积减小至少30％。
11.权利要求9所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中绝缘导体组件截面积的减小量为至少一组冷加工步骤和热处理步骤完成后绝缘导体组件的截面积的5-20％。
12.权利要求9所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中绝缘导体组件截面积的减小量为至少一组冷加工步骤和热处理步骤完成后绝缘导体组件的截面积的10-20％。
13.权利要求9所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中在至少一组冷加工步骤和热处理步骤完成后，不再热处理具有最终截面积的绝缘导体加热器。
14.权利要求9所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中将绝缘导体组件的截面积减小至多20％使绝缘层的介电强度增加至预热处理的绝缘层的介电强度的5％以内。
15.权利要求9所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中将绝缘导体组件的截面积减小至多20％为具有最终截面积的绝缘导体加热器提供12-20kV的击穿电压。
16.权利要求9所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中在形成具有最终截面积的绝缘导体加热器之前多次重复所述至少一组冷加工步骤和热处理步骤。
17.形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，包括：
在至少部分细长圆筒状内导体上放置绝缘层，其中所述绝缘层包括一个或多个绝缘块；
在至少部分绝缘层上放置细长圆筒状外导体以形成绝缘导体组件；
对绝缘导体组件实施至少一组冷加工步骤和热处理步骤；和
通过在至少一组冷加工步骤和热处理步骤完成后减小绝缘导体组件的截面积而由绝缘导体组件形成具有最终截面积的绝缘导体加热器，其中减小绝缘导体组件的截面积包括冷加工绝缘导体组件，以减小至少一组冷加工步骤和热处理步骤完成后绝缘导体组件的截面积。
18.权利要求17所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中所述至少一组冷加工步骤和热处理步骤包括：
冷加工绝缘导体组件以减小绝缘导体组件的截面积；和
在至少760℃的温度下热处理绝缘导体组件。
19.权利要求17所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中在至少一组冷加工步骤和热处理步骤完成后减小绝缘导体组件的截面积包括将绝缘导体组件的截面积减小至多20％，基于至少一组冷加工步骤和热处理步骤完成后绝缘导体组件的截面积计。
20.权利要求17所述的形成具有最终截面积的绝缘导体加热器的方法，其中将绝缘导体组件的截面积减小至绝缘导体组件的最终截面积为具有最终截面积的绝缘导体加热器提供12-20kV的击穿电压。
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