本發(fā)明涉及一種加熱細長的空間或區(qū)域（有細長的加熱器）的方法和裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及加熱細長的地下井道的電阻加熱器，它能在井道的不同深度以不同的速率加熱。

大家知道，使用細長的加熱器，例如井道加熱器，來加熱地下巖層的區(qū)間，管道的內(nèi)部，或其它細長的空間是有益的。在許多情況下，人們希望以相對高的溫度較長時間地加熱這樣的空間。這樣加熱所獲得的有益的結(jié)果包括：油頁巖層的熱分解;焦化石油以固化未凝固的儲層。焦化石油在儲層中以形成可作為電極的導電碳化區(qū)，把從油或柏油中衍生的碳氫化合物的熱量轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)區(qū);防止形成水合物，沉淀物或液流中的類似物質(zhì)，這些物質(zhì)是在井中產(chǎn)生的和/或通過管道或類似裝置傳輸?shù)摹?/p>

本發(fā)明的目的在于提供一種加熱設備，它能在井的不同深度以不同的速率產(chǎn)生熱。

根據(jù)本發(fā)明提供了一種延伸的導電體，它是連續(xù)的整體的，并且在沿其長度上的不同位置具有不同的粗細，因此，當沿均一介質(zhì)傳導電流時，此導體可在其長度上的不同位置以不同的速率產(chǎn)生熱量。

在一最佳實施方案中，導電體包括一單一的有展延性的金屬芯體，它被固態(tài)絕緣材料圍在一金屬殼內(nèi)。至少有一部分芯體綜合了粗細和單位長度的電阻的關(guān)系，因此，當將其置于一均一介質(zhì)中并以選定的速率傳導電流時，它能以選定的速率產(chǎn)生并傳輸熱量。至少有另一部分芯體比上述部分細一些，因此，當將其置于同一均一介質(zhì)中并以同樣速率傳導電流時，它能以一選定的較高速率產(chǎn)生并傳輸熱量。

根據(jù)本發(fā)明的另一構(gòu)思，提供了在井中利用這種導體加熱一細長空間的方法。因此，在其長度上的不同位置粗細不同的導電體沿著要加熱的井道延伸。此導電體的較粗和較細部分是這樣排列的，至少有一較細部分要沿著一部分加熱的井道放置，這一部分井道中導熱率等于或高于沿此井的其它部分的導熱率。而后，一電流流過該導體。

在一最佳方法中，所用的導電體是一具有單一導電芯體的電纜，此芯體由有展延性的金屬制成并被固體絕緣材料圍在一金屬殼內(nèi)。通過對電纜和芯體的壓縮，至少有一部分芯體的粗細減少了一定的量，此減少量與在要加熱的空間中，產(chǎn)生熱量或溫度的速率有關(guān)，使在這空間中在不同的位置速率有所不同。

下面參照附圖更詳細地解釋本發(fā)明。在附圖中：

圖1是適用于本發(fā)明的包括有鍛造和未鍛造部分的導電電纜的三維示圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明在井中安裝一電阻加熱器的略圖。

圖3給出了一個金屬殼絕緣供電電纜和可作為本發(fā)明加熱元件的金屬殼絕緣電纜間的接頭。

圖4和圖5示出了適用于本發(fā)明的一對金屬殼礦物絕緣的加熱電纜的導電芯體的電氣連接接頭。

圖6給出了適用于本發(fā)明的電源電路。

至少本發(fā)明部分地以這樣一個發(fā)現(xiàn)為前提，即一導電體的特性（例如包含一單一銅芯的金屬殼固體材料絕緣導電電纜）是這樣的，對它的金屬殼外部壓鍛的結(jié)果，通過絕緣層傳到電纜的芯體，使這些部件中的每一個截面積基本上同時減少了同樣的相對量。可以控制電纜芯體截面積的減少來使電纜的鍛造部分在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量較未鍛造部分高得多，即使在較低溫度時也是如此。

在本發(fā)明的一最佳實施方案中，這一鍛造是由旋轉(zhuǎn)鍛造來完成的，就是用旋轉(zhuǎn)模具所施加的多次打擊來擠壓電纜。旋轉(zhuǎn)鍛造裝置和技術(shù)是已知的并可買到。這種機器通常包括兩個模具，它們安裝在一主軸上迅速地往復運動，而此主軸則是在旋轉(zhuǎn)中。一擠壓旋轉(zhuǎn)鍛造操作包括鍛打動作，它同鍛造一樣，在金屬上形成同樣的有益物質(zhì)。它產(chǎn)生所希望的晶粒結(jié)構(gòu)，導致抗拉強度和彈性的增加。冷（溫度上）鍛的目的是使大多數(shù)金屬材料變硬，如果希望的話，通過退火，能使這種堅硬變得更有韌性。

在一旋轉(zhuǎn)鍛造操作中，可以非常精確地控制被鍛材料截面積減小的程度。例如，由于金屬殼固體材料絕緣銅芯導電電纜在旋轉(zhuǎn)鍛造過程中相當于固體材料，因此，直徑為大約0.68cm到1.25cm的這樣一根電纜可以被鍛成小直徑，其精度大約為±0.0025cm。

圖1示出了推薦用于本發(fā)明中的一根電纜的鍛造與未鍛造部分。在圖示電纜中，一不銹鋼殼2圍著一礦物質(zhì)絕緣體3，此絕緣體由氧化鎂的高度壓縮微粒組成，基本上由純鋼制成的一固體導電芯體4被絕緣體和殼同心地圍在中間，在圖示類型的電纜中，殼2的內(nèi)徑和外徑分別是7.25mm和9mm，芯體4的直徑是3mm，在未鍛造部分，當傳輸180A的交流電流時，電纜可產(chǎn)生大約600℃的溫度。然而，在電纜的鍛造過的部分，直徑已減小16%，當在同樣的介質(zhì)中傳導同樣大小的電流時，產(chǎn)生的溫度約為850℃。

在最佳實施方案中，本發(fā)明可用來提供一個特定結(jié)構(gòu)（formation-tailored）的方法和設備，以高的溫度來均勻加熱地下一長段的地層結(jié)構(gòu)。根據(jù)這種方法，地下區(qū)間由一種電加熱器來加熱，這種電加熱器包括至少一根可繞卷的鋼殼礦物質(zhì)絕緣電纜，此電纜有一導電性好的固體芯體。這種電纜可用來加熱地層結(jié)構(gòu)，因此，熱基本上以均勻的速率傳入結(jié)構(gòu)層中，即使當加熱超過大約330W/m，溫度在600℃到1000℃之間也是如此。熱傳輸?shù)木鶆蛐允峭ㄟ^提供這樣一種加熱器來保證的，這種加熱器在井中不同深度所用的電阻與相應的不同深度的周圍地層結(jié)構(gòu)的導熱率相關(guān)。

圖2給出了安裝在井中的本發(fā)明的井道加熱器的最佳實施方案。如圖所示，一對有選擇地鍛造過的加熱器電纜（其鍛造與未鍛造部分的類型如圖1所示）被布纜裝置5和6放入井中，同時，一支撐件7，例如一金屬線或可卷繞的金屬導管同時也從一布纜裝置（未示出）放入井中。支撐件7的下端與一推進裝置8相連，例如，在豎井中是一個沉錘桿，在具體的橫井下則是可用泵抽的或其它的推進裝置。加熱電纜的下部，鍛造過的部分1b，機械地連到一電纜接頭或終端接頭9上，其中，導電芯體在內(nèi)部電氣連接（如圖4詳細給出的）。接頭9也機械地連到支撐件7，例如通過固緊裝置12。電纜部分的下端已經(jīng)鍛造因而增加了加熱性能，它們在接頭9中內(nèi)部電氣連接，定位在選定的接收增加熱的區(qū)域。

加熱電纜的未鍛造部分1a是用于沿著要加熱區(qū)域進行微量加熱的，它們位于鍛造部分1b之上并延伸一段距離以便達到一足夠冷的區(qū)域，用接頭或拼接頭將加熱電纜的1a部分與供電電纜10內(nèi)部連接，進而電氣或機械地連接供電和加熱電纜。供電電纜10被用來傳輸選定的電流量，但它本身只產(chǎn)生微量的熱。與金屬殼礦物質(zhì)絕緣的供電電纜一起使用，適用于機械和電氣連接電纜的接頭的細節(jié)示于圖3。

當加熱電纜1和供電電纜10與承重絞合線7一起放入井中時，電纜通過夾具或固緊裝置12分段地與絞合線7相連。這種夾具用來在電纜和絞合線間產(chǎn)生摩擦，此摩擦足以支持置在兩個夾具中間的這一段電纜長度所產(chǎn)生的重量。

圖3示出了拼接頭11的最佳結(jié)構(gòu)的細節(jié)。如圖所示，供電電纜10有一金屬殼14，例如是一銅殼，圍著一絕緣的導電芯體13，此芯體綜合了截面積與單位長度的電阻的關(guān)系，使之能夠傳輸用于加熱操作的電流，而只產(chǎn)生微量的熱。如圖所示，供電電纜的殼14和芯體13比加熱電纜的未鍛造部分1a的殼2和芯體4更大。此電纜的導電芯體內(nèi)部電氣連接，最好是利用焊接。一般情況下，供電電纜基本上可由任何形式的導電纜構(gòu)成。在加熱電纜的微量加熱部分（例如1a）產(chǎn)生的溫度下，它具有足夠的熱穩(wěn)定性。當選定的最大加熱溫度足夠低和/或供電電源到要加熱的區(qū)域間的距離足夠短時，供電電纜可由金屬殼礦物質(zhì)絕緣固體芯的電纜構(gòu)成，它被有選擇地進行鍛造以提供選定的加熱溫度，因此不需要拼接頭，例如拼接頭11。

如圖3所示，一相對短的套筒15，例如一鋼套筒固定在電源電纜10的殼14周圍，用焊接或銅焊或用其它機械方法使它與殼14相連接。最好選擇套筒15具有這樣的內(nèi)徑，在它和殼2間形成一環(huán)形空間，此空間足夠容納固定在電纜1a的殼周圍的較短的鋼套筒16。在最佳裝配過程中，在插入短套筒16之前，電纜芯體4和13以及套筒15之間的全部環(huán)形空間基本上都充滿了一種粉未狀礦物質(zhì)絕緣材料，例如氧化鎂。絕緣材料最好放置在電纜芯體和套管15間的環(huán)形空間和套筒15和電纜10的殼2之間的空間中，并振動一下使礦物質(zhì)絕緣材料顆粒堅實。然后套筒16打入套筒15和殼2之間的空間中，由于打入產(chǎn)生的力使礦物質(zhì)絕緣材料顆粒更堅實。最后套筒15和16以及殼2被焊或銅焊在一起。

圖4示出了一終端接頭或拼接頭9的細節(jié)。如圖所示，電纜16穿過鋼塊9中的孔，因此，很短的一部分1c進入鋼塊中間部分的圓柱狀開口中。電纜的導電芯體在焊點17被焊到一起，電纜殼在焊點18被焊到鋼塊9上。電纜的中心導電體最好由一熱穩(wěn)定的電絕緣材料包住，例如一堆密實的粉未狀礦物粒子和/或陶瓷小片（未示出），包上絕緣材料以后，將中心開口密封，例如，焊上鋼片（未示出）。當將加熱器連到一細長的柱狀構(gòu)件7上來支撐它時，如圖2所示，最好沿終端接頭9的外部開一槽19，以與構(gòu)件配合并使終端接頭能方便地連接到該構(gòu)件上，比如利用固緊裝置12。

圖5給出了一種最佳形式的終端接頭，它不用切削和焊接一加熱電纜來形成一對加熱電纜，例如電纜1b。加熱電纜只是簡單地變成U型并由一擰緊夾板21機械地夾到鋼塊20上。鋼塊20最好有一槽22以利于將其夾在柱狀構(gòu)件上，例如圖2所示的圓柱狀結(jié)構(gòu)件7。

一般來說，供電元件可由能夠使這種形式的加熱器以一選定的較高的速率加熱的任何交流或直流系統(tǒng)組成。這種加熱速率大約是330W/米或更多一些。

圖6是適用于這種形式的加熱器的交流供電元件的最佳安排。這種安排包括兩相反的并排的可控硅整流器（SCRs），處在一個兩元件加熱器的兩個元件的電路中。在這種平衡系統(tǒng)中，加熱器的導體應具有同樣的電阻，這樣，電纜芯接頭點A（在連接頭9中）可保持零電位或虛地電位。加熱電纜的殼與變壓器次級的接地中心抽頭相連。由于點A代表終端連接件9中的焊接處，此處與外殼之間的電位差對所有實用來說都將是零。這些點可以電氣接觸但沒有任何電流流過。在加熱器芯體向上移動的那些點上，外殼和中心導體間的電位差增加，最后達到最大值，例如+240V或-240V。

在各種情況下，要加熱一細長的空間時，沿著這個空間中的不同層或區(qū)域中的導熱情況是顯著變化的。一個良導熱層比不良導熱層能更快地帶走加熱器所產(chǎn)生的熱量。結(jié)果是。針對一良導熱層處傳輸給定量電流的電阻加熱器所能維持的溫度將會很低。在希望沿著加熱空間保持一個平坦的或均勻的溫度的情況下，為了以同樣的速率產(chǎn)生熱量（就象在加熱器另一較熱部分一樣），就應減小加熱器芯體的截面積。

通過安裝包括不同截面積的導體的加熱部件，可以使一個電阻加熱器在不同區(qū)域產(chǎn)生選定的加熱速率。芯體或?qū)w的截面積越小對電流的電阻就越大，因而在同樣的溫度下，將此較粗的芯體以更高的速率產(chǎn)生熱量。例如，在被加熱的空間中，它能以選定的速率在較低溫度下，將較易傳熱層加熱。

本發(fā)明提供了一種能使加熱器具有一個導電芯體的方法，此芯體是連續(xù)的和整體的，以能在加熱器的一個或多個不同部分產(chǎn)生恒定的和/或選定量的熱，而無需眾多的加熱電纜接頭。特別是在較高的溫度下較長的時間加熱處，加熱電纜的切口和連接處都存在焊接問題和滲漏的可能。

就由一對內(nèi)部電氣連接的金屬殼固體材料絕緣電纜（每根包括一可展延的金屬的導電芯體）組成的電阻加熱器來說，可以安排四組旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換模具，來在每根電纜和它的導電芯體的初始直徑從一頭到另一頭提供6%，12%，18%和24%的減小量。通過將電纜的一部分的直徑減小6%，另一部分減小12%，則總的減小量是9%。利用這種方法，加熱器的兩根電纜總的截面減小量可分為8步來完成，每步大約10%。例如，參看下表：

直徑減小截面減小

（%）（%）

導體1導體2兩導體

0611.6

6623.3

61234.2

121245.1

121855.3

181865.5

182475.0

242484.5

在這一過程中，如果使用上述推薦的供電電纜，有必要使加熱器的每一導體在其芯體直徑減小后的總電阻等于另一導體在其芯體直徑減小后的總電阻。這對于保證在終端連接件處內(nèi)部連接的導體的零電位是必要的。因此，有必要在加熱器的兩個長度上來均分導電芯體總的減小程度。

在實施本發(fā)明的過程中，實際上可采用任何等效于或基本等效于旋轉(zhuǎn)鍛造的壓鍛過程?？刹捎玫腻憴C和/或技術(shù)的例子包括模具閉合鍛機，例如Torrington公司或AbbeyAetna機器公司或Fenn制造公司生產(chǎn)的鍛機。

在本發(fā)明中，可以使用能傳輸要使用的選定量的電流，而只產(chǎn)生非常少的熱量的供電電纜，這種電纜具有良好的熱穩(wěn)定性，利于電氣地或機械地連接到選定的金屬電纜上，以產(chǎn)生微小的熱量。這種電纜的例子包括諸如BICC/PyrotenacMI導電纜。

一般來說，在導電體不需絕緣的情況下，利用任何連續(xù)的和整體的電纜（即：是一連續(xù)的整體，而沒有內(nèi)部連接的分段或分股），這種電纜的芯體或?qū)w的粗細（也就是導電體的截面積）沿其長度在不同的部位有所不同，都可實現(xiàn)本發(fā)明。最佳的導電體包括由可展延金屬或合金制成的單一導電芯體，它由熱穩(wěn)定的固體絕緣材料圍在一個熱穩(wěn)定的金屬殼內(nèi)，例如由高熔點的粉末或固體纖維材料圍在一銅或鋼殼內(nèi)。這里特別推薦在中等溫度下，用粉末狀的氧化鎂將銅芯體圍在銅殼內(nèi);而在高溫下，則用不銹鋼殼。

一般說來，本發(fā)明可用來在一空間中，此空間包括至少有一個導熱率低的區(qū)域，開始并維持一基本上均勻的加熱速率，和/或在一個導熱率近似均勻的空間的選定區(qū)域中建立并維持較高的加熱速率。在一細長的通道中導熱率隨距離的變化可借助于許多已知的和可利用的裝置和技術(shù)來確定。

在利用本發(fā)明來沿一導熱率不均勻通道進行加熱的特別推薦的過程中，當導電體（具有要使用的結(jié)構(gòu)）在要加熱的通道中傳導使用的電流，會遇到導熱率很低的均一介質(zhì)時，要選擇加熱速率。所用導電體的最大粗細就是能在這種情況下提供這種加熱速率的粗細。置于通道中導熱率高的區(qū)域的那部分導電體的粗細要做得細一些以便基本上能補償由于導熱率高而很快帶走的熱量。

換句話說，如果希望沿著要加熱的通道的某些部分（例如地下地層結(jié)構(gòu)的頂部或底部）以較快的速率產(chǎn)生熱量，盡管沿著要加熱的通道導熱率基本是均勻的，也可以利用上述的這種安排。選擇大部分電纜導體所需要的導體粗細和電阻，沿著均一介質(zhì)（導熱率與在多數(shù)要加熱的區(qū)間是一樣的）來選定加熱速率。因而，把延伸到通道的選定區(qū)域的導體變細，就能沿著通道那部分區(qū)域獲得更快的加熱速率。