CN101163856B - 成组的暴露金属加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于处理含碳氢化合物的地层的系统。这种系统包括两组或多组伸长加热器。一组加热器包括放入地层中的两个或多个开口中的两个或多个加热器(242)。所述加热器组内的加热器在地层表面以下电气耦联。所述开口是位于地层的碳氢化合物层中的至少部分暴露的井眼。所述加热器组被电气配置成使流过位于至少两个加热器组之间的地层的电流得到抑制。加热器配置成给地层提供热量。

Description

成组的暴露金属加热器
技术领域
本发明通常涉及用于加热例如含碳氢化合物地层的各种地下地层并由其生产碳氢化合物、氢气和/或其它产物的方法和系统。实施例涉及用于处理含碳氢化合物地层的加热器布局和生产井位置。
背景技术
从地下岩层获得的碳氢化合物通常用作能源、原料和消费产品。对可用油气资源耗尽的担忧以及对降低产出的碳氢化合物的综合质量的担忧导致对工艺的改进，以便更有效地提取、加工和/或利用现有油气资源。在现场，可以使用从地下岩层去除碳氢化合物物质的工艺。需要改变地下岩层中的碳氢化合物材料的化学和/或物理性能，从而允许碳氢化合物物质从地下岩层中更容易地去除。化学和物理变化可以包括产出可动流体的就地反应、地层中碳氢化合物物质的成分变化、可溶性变化、密度变化、相变和/或粘度变化。流体可以是(但不限于)气体、液体、乳剂、浆料和/或具有类似于液体流的流动性质的固体颗粒流。
加热器可以放置在井眼中以在就地工艺中加热地层。授权给Ljungstrom美国专利No.2,634,961，授权给Ljungstrom的美国专利No.2,732,195，授权给Ljungstrom的美国专利No.2,780,450，授权给Ljungstrom的美国专利No.2,789,805，授权给Ljungstrom的2,923,535，授权给Van Meurs et al的美国专利No.4,886,118显示说明了利用井下加热器的就地工艺的实例。
授权给Ljungstrom的美国专利No.2,923,535和授权给Van Meurs etal的美国专利No.4,886,118描述了对油页岩地层加热的应用。可以给油页岩地层加热以使油页岩地层中的油母岩质热解。热量还可以破坏地层以提高地层的穿透性。增大的穿透性可以允许地层流体流向使流体从油页岩地层中去除的生产井。在由Ljungstrom公开的一些工艺中，例如，含氧气态介质导入渗透层(优选地，仍然由于预热步骤保持热度)以开始燃烧。
热源可用于加热地下岩层。电加热器可用于通过辐射和/或传导加热地下岩层。电加热器可有阻抗地加热元件。授权给Germain的美国专利No.2,548,360描述了放入井眼内粘性油中的电热元件。加热元件加热油并使其变稀以允许油从井眼抽出。授权给Eastlund et al.的美国专利No.4,716,960描述了通过使相对低压电流流过管线来电加热石油井管线，从而防止固体形成。授权给Van Egmond的美国专利No.5,065,818描述了粘结到井孔中的电热元件，没有围绕加热元件的套管。
授权给Vinegar et al.的美国专利No.6,023,554描述了位于套管中的电热元件。加热元件产生加热套管的辐射能。粒状固体填充材料可以放在套管和地层之间。套管可以传导地加热填充材料，其继而传导地加热地层。暴露金属加热器可以使电流泄漏到地层中。电流泄漏到地层中可以导致地层中不希望和/或不均匀加热。因此，有利地是提供这样一种加热装置，其沿加热器的长度提供均匀的热量；有效地加热表层以下的地层；和/或抑制加热器之间的电流泄漏和抑制电流泄漏到地层中。
发明内容
这里描述的实施例通常涉及用于处理地下地层的系统、方法和加热器。这里描述的实施例还通常涉及内部具有新颖部件的加热器。这种加热器可以通过使用此处描述的系统和方法获得。
在一些实施例中，本发明提供了一种用于处理含碳氢化合物地层的系统，包括：两组或多组伸长加热器，其中一组包括放入地层中的两个或多个开口内的两个或多个加热器，组内加热器在地层表面以下电气耦联，所述开口包括位于地层的碳氢化合物层中的至少部分暴露的井眼；所述组电气配置成使流过位于至少两组之间的地层的电流得到抑制；并且，加热器配置成给地层提供热量。
在特定实施例中，本发明提供一个或多个系统、方法和/或加热器。
在一些实施例中，所述系统、方法和/或加热器用于处理地下地层。
在进一步的实施例中，特定实施例的特征可以与其它实施例的特征组合。例如，一个实施例的特征可以与任意其它实施例的特征组合。
在进一步的实施例中，利用这里描述的任意方法、系统或加热器进行对地下地层的处理。
在进一步的实施例中，附加特征可以加到这里描述的特定实施例中。
附图说明
对于本领域的普通技术人员来说，通过阅读下列详细说明并参考附图可以使本发明的优点变得显而易见，其中：
图1显示了加热含碳氢化合物地层的阶段的实例。
图2显示了用于处理含碳氢化合物地层的现场转化系统的一部分的实例的示意图。
图3、4和5显示了具有外部导体的温度限制加热器的实例的横截面视图，所述外部导体具有铁磁部分和非铁磁部分。
图6A和6B显示了温度限制加热器的实例的横截面视图。
图7显示了温度限制加热器的实例，其中，在温度低于铁磁导体的居里温度时，支撑构件提供大部分热输出。
图8和9显示了温度限制加热器的实施例，其中在温度低于铁磁导体的居里温度时，护套提供大部分热输出。
图10显示了以三相配置耦联在一起的温度限制加热器的实施例。
图11显示了以三相配置耦联的三个加热器的实施例。
图12显示了大体上U形三相加热器的实施例的侧视图。
图13显示了位于地层中的多个三元结构的三相加热器的实施例的顶视图。
图14显示了带有生产井的图13所示实施例的顶视图。
图15显示了六边形的多个三元结构的三相加热器的实施例的顶视图。
图16显示了图15所示六边形结构的实施例的顶视图。
图17显示了三元结构耦联到水平连接井上的实施例。
图18显示了利用图11和13所示加热器和加热器布局进行STARS模拟得出的累积产气量和累积产油量对时间的图表。
尽管本发明易于存在多种改进和可选形式，但是本发明的特定实施例将作为实例显示于附图中并在此进行详细说明。附图未按比例绘制。但是，应当理解，附图及其详细说明不是将本发明限制于所公开的特定形式，相反地，本发明涵盖落入如所附权利要求限定的本发明的精神和范围之内的所有改进，等效物和可选方案。
具体实施方式
下列说明通常涉及用于处理地层中的碳氢化合物的系统和方法。可以处理这种地层以生产烃类产品、氢气和其它产物。
“碳氢化合物”通常解释为主要由碳原子和氢原子组成的分子。碳氢化合物还可以包括其它元素，例如但不限于，卤素、金属元素、氮、氧和/或硫。碳氢化合物可以是(但不限于)油母岩质、沥青、焦性沥青、油、天然矿物蜡和沥青岩。碳氢化合物可能位于地下矿物母岩中或与其相邻。母岩可以包括但不限于沉积岩、矿砂、硅质生物岩、碳酸盐、硅藻岩和其它多孔介质。“碳氢化合物流体”是包括碳氢化合物的流体。碳氢化合物流体可以包括、夹带或被夹带在非烃流体中，所述非烃流体例如为氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水和氨。
“地层”包括一或多个含碳氢化合物层，一或多个非烃层、上覆岩层和/或下伏岩层。“上覆岩层”和/或“下伏岩层”包括一或多种不同类型的不渗透物质。例如，上覆岩层和/或下伏岩层可以包括岩石、页岩、泥岩或湿/致密碳酸盐。在现场转化工艺的一些实施例中，上覆岩层和/或下伏岩层可以包括含碳氢化合物层，它们是相对不渗透的，并且在导致上覆岩层和/或下伏岩层的含碳氢化合物层发生显著的特征变化的现场转化工艺过程中不受温度影响。例如，下伏岩层可以包含页岩或泥岩，但是下伏岩层在现场转化工艺期间不允许加热到热解温度。在有些情况下，上覆岩层和/或下伏岩层可以具有一些渗透性。
“加热器”是用于在井内或接近井眼的区域内产生热量的任何系统或热源。加热器可以是(但不限于)与地层中或由地层产生的物质或其组合发生反应的电加热器、燃烧器、燃烧室。
“现场转化工艺”是指通过热源加热含碳氢化合物地层以将至少一部分地层的温度提高至热解温度以上，以便在地层中产生热解流体的工艺。
“绝缘导体”是指能够导电并且全部或部分地由电气绝缘材料包覆的任何伸长材料。
伸长构件可以是裸露金属加热器或暴露金属加热器。“裸露金属”和“暴露金属”是指不包括例如矿物绝缘层的电气绝缘层的金属，所述电气绝缘层设计成在伸长构件的所有工作温度范围内给金属提供电气绝缘。裸露金属和暴露金属可以包括具有腐蚀抑制剂的金属，所述腐蚀抑制剂例如为天然产生的氧化层、施加的氧化层和/或薄膜。裸露金属和暴露金属包括具有聚合或其它类型电气绝缘的金属，所述电气绝缘在伸长构件的典型工作温度下不能保持电气绝缘性质。这种物质可以放在金属上，并且在使用加热器期间可能发生热解。
“温度限制加热器”通常是指在不使用例如调温器、功率调节器、整流器或其它装置的情况下，将热输出调节(例如，减小热输出)到规定温度以上的加热器。温度限制加热器可以是AC(交流)或调制(例如，“斩波”)DC(直流)供电的电阻加热器。
“居里温度”是指在该温度以上使铁磁材料丧失其全部铁磁性质的温度。除了在高于居里温度时丧失全部铁磁性质，在增大的电流流过铁磁材料时，铁磁材料也开始丧失铁磁性质。
“时变电流”是指在铁磁导体中产生趋肤效应电荷流并且具有随时间变化的大小的电流。时变电流包括交流(AC)和调制直流(DC)。
“交流(AC)”是指大体上沿正弦方向翻转的时变电流。交流在铁磁导体中产生趋肤效应电荷流。
“调制直流(DC)”是指在铁磁导体中产生趋肤效应电荷流的任何大体上非正弦的时变电流。
温度限制加热器的“调节比”是指对于给定电流而言，低于居里温度时的最高交流或调制直流电阻与高于居里温度时的最低电阻的比率。
在减少的热输出加热系统、设备和方法的范围内，术语“自动地”是指这种系统、设备和方法在不使用外部控制(例如，诸如具有温度传感器和反馈回路的控制器、PID控制器或预测控制器的外部控制器)的情况下以特定方式工作。
术语“井眼”是指通过钻入地层或将管道插入地层而在地层中形成的孔。井眼具有大体上圆形横截面，或其它横截面形状。当在此使用时，术语“井”和“开口”在指地层中的开口时可与术语“井眼”互换使用。
“三元结构(Triad)”是指一组三个耦联在一起的物品(例如，加热器，井眼或其它物体)。
地层中的碳氢化合物可以多种方式进行处理以产出多种不同的产物。在特定实施例中，地层中的碳氢化合物分阶段地处理。图1显示了加热含碳氢化合物地层的阶段的实例。图1还显示了以每吨的当量油桶数(y轴)为单位的由地层产出的地层流体产量(“Y”)对以摄氏温度(x轴)为单位的受热地层的温度(“T”)的实例。
在阶段1加热期间发生甲烷解吸和水汽化。阶段1的地层加热可以尽可能快地进行。例如，当首先加热含碳氢化合物地层时，地层中的碳氢化合物解吸被吸附的甲烷。从地层中可以产出被解吸的甲烷。如果含碳氢化合物地层进一步加热，含碳氢化合物地层中的水汽化。在一些含碳氢化合物地层中，水可能占据地层中10％-50％的孔隙空间。在其它地层中，水占据更多或更少的孔隙空间。水典型地在绝对压力为600kPa到7000kPa，温度为160到285℃的地层中汽化。在一些实施例中，汽化水产生地层中的可湿度变化和/或增大的地层压力。可湿度变化和/或增大的压力可能影响地层中的热解反应或其它反应。在特定实施例中，汽化水从地层中产生。在其它实施例中，汽化水用于地层中或地层外的蒸汽提取和/或蒸馏。从地层中去除水以及增加地层中的孔隙空间可以增大地层中碳氢化合物的存储空间。
在特定实施例中，在阶段1加热之后，地层进一步受热，使得地层中的温度(至少)达到初始热解温度(例如阶段2所示温度范围的下限温度)。地层中的碳氢化合物可在阶段2期间热解。热解温度范围根据地层中碳氢化合物的类型而改变。热解温度范围可以包括250到900℃。用于生产希望产物的热解温度范围可以只贯穿总热解温度范围的一部分。在一些实施例中，用于生产希望产物的热解温度范围可以为250到400℃或者270到350℃。如果地层中碳氢化合物的温度在250到400℃的温度范围内缓慢升高，在温度达到400℃时，热解产物的生产基本完成。碳氢化合物的平均温度可以在用于生产希望产物的热解温度范围内以小于5℃/天，小于2℃/天，小于1℃/天，或小于0.5℃/天的速率升高。利用多个热源加热含碳氢化合物地层可以在热源周围建立热梯度，所述热源使地层中碳氢化合物的温度在热解温度范围内缓慢升高。
用于生产希望产物的热解温度范围内的增温率可能影响由含碳氢化合物地层产出的地层流体的数量和质量。在用于生产希望产物的热解温度范围内缓慢升高温度可能抑制地层中长链分子的活化。在用于生产希望产物的热解温度范围内缓慢升高温度可能限制生产非希望产物的活化碳氢化合物之间的反应。在用于希望产物的热解温度范围内缓慢升高地层温度可能允许从地层中生产高质量、高API重度的碳氢化合物。在用于希望产物的热解温度范围内缓慢升高地层温度可能允许去除存在于地层中作为碳氢化合物产物的大量碳氢化合物。
在一些现场转化实施例中，一部分地层加热到希望的温度，以代替在温度范围内缓慢加热。在一些实施例中，希望的温度是300℃，325℃或350℃。可以选择其它温度作为希望的温度。来自热源的热量叠加允许在地层中相对迅速、有效地产生希望的温度。可以调节从热源输入到地层中的能量以将地层中的温度大体保持在希望的温度。地层的受热部分大体上保持在希望的温度，直到热解作用减弱到使从地层中生产希望的地层流体变得不经济。进行热解作用的一部分地层可以包括只通过来自一个热源的热传递达到热解温度范围的区域。
在特定实施例中，地层流体包括由地层生产的热解流体。当地层温度升高时，产出的地层流体中的可凝结碳氢化合物的数量可能减少。高温下，地层可能主要产出甲烷和/或氢气。如果含碳氢化合物地层始终在整个热解范围内加热，地层在接近热解范围上限时可能只生产少量氢气。在所有可用氢气耗尽之后，通常发生最小量的流体生产。
在碳氢化合物热解之后，大量碳和一部分氢气可能仍然存在于地层中。保留在地层中的大部分碳可以合成气体的形式从地层中产出。在图1所示的阶段3加热期间可以发生合成气体生产。阶段3可以包括将含碳氢化合物地层加热到足以发生合成气体生产的温度。例如，合成气体可以在400到1200℃、500到1100℃或550到1000℃的温度范围内产出。地层受热部分的温度在合成气体产生流体引入地层时确定在地层中产出的合成气体的成分。生成的合成气体可以通过生产井从地层中去除。
由含碳氢化合物地层产出的流体的总能含量可以在热解和合成气体生产期间保持相对稳定。在较低地层温度下发生热解期间，大部分产出流体可能是具有高能含量的可凝结碳氢化合物。但是，在较高热解温度下，少量地层流体可能包括可凝结碳氢化合物。更多的不凝结地层流体可以从地层中产出。产出流体每单位体积的能含量可能在主要生产不凝结地层流体期间略有下降。在合成气体生产期间，产出合成气体每单位体积的能含量与热解流体的能含量相比显著下降。但是，产出合成气体的体积在许多情况下显著增大，从而补偿降低的能含量。
图2显示了用于处理含碳氢化合物地层的现场转化系统的一部分的实施例的示意图。现场转化系统可以包括隔离井200。隔离井用于形成处理区域周围的隔离。隔离井防止流体流入和/或流出处理区域。隔离井包括但不限于脱水井、真空井、俘获井、注入井、水泥浆井、冷冻井或其组合。在一些实施例中，隔离井200是脱水井。脱水井可以去除液态水和/或防止液态水进入要加热地层的一部分，或进入正加热地层。在图2所示实施例中，隔离井200显示为只沿热源202的一侧延伸，但是隔离井典型地围绕所用或要使用的所有热源202以加热地层的处理区域。
热源202放在地层的至少一部分中。热源202可以包括加热器，例如绝缘导体、管道内导体加热器、表面燃烧器、无焰分布式燃烧室和/或天然分布式燃烧室。热源202还可以包括其它类型的加热器。热源202给地层的至少一部分提供热量以加热地层中的碳氢化合物。能量可以通过供给管线204提供给热源202。供给管线204根据用于加热地层的热源类型而在结构上有所不同。用于热源的供给管线204可以传输用于电加热器的电能，可以输送用于燃烧室的燃料，或者可以输送在地层中循环的热交换流体。
生产井206用于从地层中去除地层流体。在一些实施例中，生产井206可以包括一或多个热源。生产井中的热源可以加热位于生产井中或其附近的地层的一或多个部分。生产井中的热源可以防止从地层中去除的地层流体发生凝结和回流。
从生产井206中产出的地层流体可以通过收集管线208输送给处理设备210。地层流体也可以由热源202生产。例如，流体可以由热源202生产以控制邻近热源的地层中的压力。由热源202生产的流体可以通过管道或管线输送给收集管线208，或者产出流体可以通过管道或管线直接输送给处理设备210。处理设备210可以包括分离单元、反应单元、提质加工单元、燃料电池、涡轮机、存储容器和/或用于加工产出的地层流体的其它系统与单元。处理设备可以从由地层产出的碳氢化合物的至少一部分中形成运输燃料。
温度限制加热器可以包含在配置中和/或可以包括在特定温度下给加热器提供自动温度限制性质的材料。在特定实施例中，温度限制加热器中使用铁磁材料。铁磁材料在温度等于或接近材料的居里温度时自我限制温度，以在时变电流施加给材料时，在温度等于或接近居里温度的情况下提供减小的热量。在特定实施例中，铁磁材料在大约等于居里温度的选定温度下自我限制温度限制加热器的温度。在特定实施例中，选定温度为居里温度的35℃以内、25℃以内、20℃以内或10℃以内。在特定实施例中，铁磁材料与其它材料(例如，高传导材料、高强度材料、耐腐蚀材料或其组合)结合以提供各种电气和/或机械性能。温度限制加热器的一些部件与温度限制加热器的其它部分相比可以具有较低的电阻(起因于不同的几何结构和/或使用不同的铁磁材料和/或非铁磁材料)。使温度限制加热器的一部分具有不同材料和/或尺寸允许从加热器的每一部分产生希望的热输出。
温度限制加热器比其它加热器更加可靠。温度限制加热器不容易因地层中的热点而中止或失效。在一些实施例中，温度限制加热器允许大体上均匀地加热地层。在一些实施例中，温度限制加热器通过沿加热器的整个长度以较高的平均热输出操作而更为有效地加热地层。如果沿加热器任一点的温度超过或要超过加热器的最高工作温度，因为加热器功率无须像典型的恒定瓦特加热器那样在整个加热器范围内减小，使得温度限制加热器可以沿加热器的整个长度在较高的平均热输出下操作。来自温度限制加热器的一部分且接近加热器居里温度的热输出自动减小，而无需给加热器施加时变电流进行控制。热输出由于温度限制加热器的一部分的电气性质(例如，电阻)的改变而自动减小。因此，在加热过程的大部分时间内，温度限制加热器提供了更多的能量。
在特定实施例中，当给温度限制加热器施加时变电流时，在温度接近、等于或高于加热器电阻部分的居里温度时，包括温度限制加热器的系统首先提供第一热输出，随后提供减小的(第二热输出)热输出。第一热输出是温度限制加热器开始自我限制的温度以下的热输出。在一些实施例中，第一热输出是温度限制加热器中铁磁材料在居里温度以下50℃、75℃、100℃或125℃温度的热输出。
温度限制加热器可以由在井头处提供的时变电流(交流或调制直流)激励。井头可以包括电源和用于给温度限制加热器提供能量的其它部件(例如，调制元件、变压器和/或电容器)。温度限制加热器可以是用于加热地层一部分的许多加热器之一。
在特定实施例中，温度限制加热器包括导体，当时变电流提供给导体时，该导体起到趋肤效应或邻近效应加热器的作用。趋肤效应限制电流透入导体内部的深度。对于铁磁体来说，趋肤效应由导体导磁率控制。铁磁体的相对导磁率典型地为10到1000(例如，铁磁体的相对导磁率典型地为至少10，可以是至少50，100，500，1000或更大)。当铁磁材料的温度上升到居里温度以上或者施加的电流增大时，铁磁材料的导磁率大大降低，并且趋肤深度迅速扩大(例如，透入深度以导磁率的平方根倒数扩大)。当温度接近、等于或高于居里温度和/或施加的电流增大时，导磁率的减小导致导体的交流或调制直流电阻减小。当温度限制加热器由大体上恒流电源供电时，接近、达到或高于居里温度的加热器部分具有减少的热耗散。不等于或接近居里温度的温度限制加热器部分可以由趋肤效应加热控制，所述趋肤效应加热允许加热器由于较高的电阻负荷而具有高热耗散。
使用温度限制加热器加热地层中碳氢化合物的优点是所选导体具有处于希望的工作温度范围内的居里温度。在希望的工作温度范围内操作允许大量热量注入地层，同时将温度限制加热器和其它设备的温度保持在设计极限温度以下。设计极限温度是产生例如腐蚀、蠕动和/或变形的性质的温度。温度限制加热器的温度限制特性防止邻近地层中低导热率“热点”的加热器过热或烧坏。在一些实施例中，根据加热器中所用材料，温度限制加热器能够在高于25℃、37℃、100℃、250℃、550℃、700℃、800℃、900℃或高至1131℃的温度下降低或控制热输出和/或耐热。
因为输入到温度限制加热器中的能量无须限制于适应邻近加热器的低导热率区域，所以与恒定瓦特加热器相比，温度限制加热器允许向地层中注入更多的能量。例如，在Green River油页岩中，最低富油页岩层和最高富油页岩层的热传导率之间存在至少为3倍的差异。当加热这种地层时，与受限于低导热率层温度的传统加热器相比，利用温度限制加热器可以给地层输送显著增多的热量。沿传统加热器整个长度的热输出需要适应低导热率层，使得加热器不会在低导热率层中过热或烧化。对于温度限制加热器来说，邻近高温下低导热率层的热输出将减少，但是不处于高温下的温度限制加热器的剩余部分将保持提供高热输出。因为用于加热碳氢化合物地层的加热器典型地很长(例如，至少10米，100米，300米，至少500米，1千米，或长至10千米)，温度限制加热器的大部分长度可以在居里温度以下工作，而只有一小部分长度在温度等于或接近温度限制加热器的居里温度的情况下工作。
使用温度限制加热器允许有效地将热量输送给地层。有效传热允许减少将地层加热到希望温度所需要的时间。例如，在Green River油页岩中，在利用传统的恒定瓦特加热器使用12米加热器井距时，热解典型地需要9.5到10年的加热时间。对于相同的加热器间距来说，温度限制加热器允许较大的平均热输出，同时将加热设备温度保持在设备设计极限温度以下。与由恒定瓦特加热器提供的较低平均热输出相比，在由温度限制加热器提供的较大平均热输出情况下，地层中的热解可以在更早的时刻发生。例如，在Green River油页岩中，使用具有12米加热器井距的温度限制加热器，热解可以存在5年。温度限制加热器抵消由于不准确井距或在加热器井过于密集的地方钻孔引起的热点。在特定实施例中，温度限制加热器允许对间隔过大的加热器井随时间加大能量输出，或者对过于密集布置的加热器井限制能量输出。温度限制加热器还在邻近上覆岩层和下伏岩层之间的区域内提供较多热量以补偿这些区域内的温度损失。
温度限制加热器有利地在许多类型的地层中使用。例如，在含沥青砂地层或含重质烃类的相对渗透的地层中，温度限制加热器可提供可控低温输出，以便减小液体粘度、活性流体、和/或增强井眼处或附近或着地层中的径向流体流。温度限制加热器可用于防止由于地层的近井眼区域过热导致的过度焦化地层生成。
在一些实施例中，使用温度限制加热器消除或减少了对昂贵温度控制线路的需要。例如，使用温度限制加热器消除或减少进行温度测井的需要和/或使用位于加热器上的固定热电偶监视热点处潜在过热的需要。
在特定实施例中，温度限制加热器耐变形。井眼中物质的定位运动可能在加热器上产生使其形状变形的横向应力。沿着加热器长度且井眼接近或靠近加热器的位置可能是热点，在所述热点处，标准加热器过热并且具有烧坏的可能。这些热点可能降低金属的屈服强度和蠕变强度，导致加热器压碎或变形。温度限制加热器可以形成为S曲线(或其它非线性形状)，其适应温度限制加热器的变形而不会导致加热器故障。
在一些实施例中，温度限制加热器可以比标准加热器更经济地生产或制造。典型的铁磁材料包括铁、碳钢或铁素体不锈钢。这种材料与在绝缘导体(矿物绝缘电缆)加热器中使用的镍基加热合金(例如，镍铬合金，KanthalTM(Bulten-Kanthal AB，Sweden)，和/或LOHMTM(Driver-Harris Company，Harrison，New Jersey，U.S.A))相比更为便宜。在温度限制加热器的一个实施例中，温度限制加热器以连续长度的形式制造为绝缘导体加热器，从而降低成本和提高可靠性。
在一些实施例中，温度限制加热器利用盘管装置放在加热器井中。可以盘绕在卷轴上的加热器可以通过使用金属，例如铁素体不锈钢(例如，409不锈钢)制成，所述铁素体不锈钢利用电阻焊(ERW)焊接。为了形成加热器部分，来自滚筒机的金属条穿过第一成形设备，其中所述金属条成形为管状，随后利用ERW进行纵焊。所述管子穿过第二成形设备，其中，导电带材(例如，铜带材)被施加、通过模具紧密收缩到管子上，并利用ERW进行纵焊。通过将支撑材料(例如，诸如347H或347HH的钢)纵焊到传导带材上形成护层。支撑材料可以是卷绕在传导带材上的带材。加热器的覆盖部分可以类似的方式形成。在特定实施例中，覆盖部分使用诸如304不锈钢或316不锈钢的非铁磁性材料代替铁磁材料。加热器部分和覆盖部分可以使用标准技术，例如使用轨道焊接装置的对接焊连接在一起。在一些实施例中，覆盖部分材料(非铁磁性材料)可以在卷绕之前预焊接到铁磁材料上。预焊接可以消除对单独连接步骤(例如，对接焊)的需要。在实施例中，可以在形成管式加热器之后拉动柔性电缆(例如，诸如MGT1000熔炉电缆的熔炉电缆(furnace cable))穿过中心。柔性电缆上的端部衬套可以焊接到管式加热器上以提供电流返回通路。包括柔性电缆的管式加热器可以在安装到加热器井中之前盘绕到卷轴上。在实施例中，温度限制加热器利用盘管装置安装。盘管装置可以将温度限制加热器放在地层中的防变形容器内。防变形容器可以利用常规方法放入加热器井中。
在温度限制加热器中使用的铁磁性合金或铁磁性合金决定加热器的居里温度。用于各种金属的居里温度数据记录于“American Institute ofPhysics Handbook”，第二版，McGraw-Hill，5-170到5-176页中。铁磁导体可以包括一种或多种铁磁元素(铁，钴和镍)和/或这些元素的合金。在一些实施例中，铁磁导体包括含有钨(W)的铁铬(Fe-Cr)合金(例如，HCM12A和SAVE12(Sumitomo Metals Co.，Japan))和/或含有铬的铁合金(例如，Fe-Cr合金，Fe-Cr-W合金，Fe-Cr-V(钒)合金，Fe-Cr-Nb(铌)合金)。在三种主要的铁磁元素中，铁具有770℃的居里温度；钴(Co)具有1131℃的居里温度；镍具有大约358℃的居里温度。铁钴合金的居里温度高于铁的居里温度。例如，具有2％wt(重量百分比)钴的铁钴合金的居里温度为800℃；具有12％wt钴的铁钴合金的居里温度为900℃；具有20％wt钴的铁钴合金的居里温度为950℃。铁镍合金的居里温度低于铁的居里温度。例如，具有20％wt镍的铁镍合金的居里温度为720℃，具有60％wt镍的铁镍合金的居里温度为560℃。
用作合金的一些非铁磁元素提高了铁的居里温度。例如，具有5.9％wt钒的铁钒合金的居里温度为大约815℃。其它非铁磁元素(例如，碳铝，铜，硅和/或铬)可以与铁或其它铁磁材料形成合金以降低居里温度。提高居里温度的非铁磁性材料可以与降低居里温度的非铁磁性材料结合以及与铁或其它铁磁材料形成合金以制造具有希望的居里温度和其它希望的物理和/或化学性质的材料。在一些实施例中，居里温度材料是例如NiFe2O4的铁酸盐。在其它实施例中，居里温度材料是例如FeNi3或Fe3Al的二元化合物。
温度限制加热器的特定实施例可以包括一种以上的铁磁材料。如果这里描述的所有情况应用于温度限制加热器中的至少一种铁磁材料，这种实施例包含在此处所述实施例的范围之内。
铁磁性质通常在接近居里温度时下降。由C.James Erickson(IEEEPress，1995)撰写的“Handbook of Electrical Heating for Industry”显示了用于1％碳钢(具有1％wt碳的钢)的标准曲线。导磁率损失开始于650℃以上的温度，并且在温度超过730℃时趋于完成。因此，自限制温度会略低于铁磁导体的实际居里温度。1％碳钢内用于电流的趋肤深度在室温下为0.132厘米，在720℃下增大到0.445厘米。从720到730℃，趋肤深度迅速增大到2.5厘米以上。因此，使用1％碳钢的温度限制加热器实施例在650到730℃之间开始自我限制。
趋肤深度通常定义了时变电流进入传导材料中的有效透入深度。一般而言，电流密度随着沿导体半径从外表面向中心的距离呈指数规律减小。电流密度等于表面电流密度的大致1/e的深度称作趋肤深度。对于直径远大于透入深度的实心圆柱杆，或者对于具有超过透入深度的壁厚的空心圆柱体来说，趋肤深度δ等于：
(1)δ＝1981.5*(ρ/(μ*f))1/2
其中：δ＝趋肤深度(英寸)；
ρ＝工作温度下的电阻(欧姆·厘米)；
μ＝相对导磁率；和
f＝频率(赫兹)。
由C.James Erickson(IEEE Press，1995)撰写的“Handbook ofElectrical Heating for Industry”中得到等式1。对于大多数金属而言，电阻(ρ)随时间增大。相对导磁率通常随温度和电流变化。附加等式可用于估算导磁率和/或趋肤深度随温度和/或电流的变化。由μ对磁场的关系导出μ对电流的关系。
可以选择温度限制加热器中的所用材料以提供希望的调节比。对温度限制加热器可以选择至少1.1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1，10∶1，30∶1或50∶1的调节比。还可以使用更大的调节比。选定的调节比可能取决于许多因素，这些因素包括但不限于安放温度限制加热器的地层类型(例如，较大的调节比可用于油页岩地层，其中富油页岩层和贫油页岩层之间的热传导率具有很大不同)和/或井眼中所用材料的温度极限(例如，加热器材料的温度极限)。在一些实施例中，通过使附加铜或其它良导体结合到铁磁材料中(例如，添加铜以降低高于居里温度时的电阻)增大调节比。
温度限制加热器可以在低于加热器的居里温度时提供最小热输出(功率输出)。在特定实施例中，最小热输出为至少400W/m(瓦特/米)，600W/m，700W/m，800W/m或高至2000W/m。当加热器的一部分的温度接近或高于居里温度时，温度限制加热器减少了该部分加热器的热输出量。减少的热量可以充分小于居里温度以下的热输出。在一些实施例中，减小的热量为至多400W/m，200W/m，100W/m或可能接近0W/m。
在一些实施例中，调节交流频率以改变铁磁材料的趋肤深度。例如，在室温下，1％碳钢的趋肤深度为60赫兹下0.132厘米，180赫兹下0.0762厘米，440赫兹下0.046厘米。因为加热器直径典型地大于趋肤深度的两倍，使用较高频率(和由此形成的具有较小直径的加热器)可以降低加热器成本。对于固定几何结构来说，较高的频率产生较大的调节比。较高频率下的调节比通过使较低频率下的调节比与较高频率除以较低频率的平方根相乘而得出。在一些实施例中，使用100到1000赫兹，140到200赫兹，或400到600赫兹的频率(例如，180赫兹，540赫兹或720赫兹)。在一些实施例中，可以使用高频率。频率可以大于1000赫兹。
在特定实施例中，调制直流(例如，斩波直流，波形调制直流或循环直流)可用于给温度限制加热器提供电能。直流调制器或直流斩波器可与直流电源相联以提供调制直流输出。在一些实施例中，直流电源可以包括用于调制直流的装置。直流调制器的一个实例是直流-直流变换器系统。直流-直流变换器系统在本领域中通常已知。直流典型地调制或斩波为希望的波形。用于直流调制的波形包括但不限于方波、正弦波、变形正弦波、变形方波、三角形波、和其它规则或不规则波形。
调制直流波形通常定义了调制直流的频率。因此，可以选择调制直流波形以提供希望的调制直流频率。调制直流波形的调制形状和/或速率(例如，斩波速率)可以变化以改变调制直流频率。直流可在频率高于常用交流频率的情况下调制。例如，调制直流可以在至少1000赫兹的频率下提供。将馈送电流的频率提高到较高值有利地增大温度限制加热器的调节比。
在特定实施例中，调节或改变调制直流波形以改变调制直流频率。直流调制器能够在使用温度限制加热器期间的任何时刻和在高电流或电压下对调制直流波形进行调节或改变。因此，提供给温度限制加热器的调制直流不限于单频率乃至频率值的小集合。使用直流调制器进行波形选择典型地允许大范围调制直流频率和调制直流频率的离散控制。因此，调制直流频率更容易设置在离散值，而交流频率通常限制到多个行频(line frequency)。调制直流频率的离散控制允许对温度限制加热器的调节比进行更多的选择控制。能够选择控制温度限制加热器的调节比允许大量材料用于设计和构造温度限制加热器。
在一些实施例中，调节调制直流频率或交流频率以补偿在使用期间温度限制加热器的性质(例如，地下情况，例如温度或压力)变化。根据估算的井下条件改变提供给温度限制加热器的调制直流频率或交流频率。例如，当井眼中温度限制加热器的温度增加时，有利地是增大提供给加热器的电流频率，从而增大加热器的调节比。在实施例中，估计井眼中温度限制加热器的井下温度。
在特定实施例中，改变调制直流频率或交流频率以调节温度限制加热器的调节比。可以调节调节比以补偿沿温度限制加热器长度出现的热点。例如，因为温度限制加热器在特定位置变得过热，从而使调节比增大。在一些实施例中，在不估计地下状况的情况下，改变调制直流频率或交流频率以调节调节比。
在特定实施例中，为耐腐蚀性、屈服强度和/或抗蠕变性选择温度限制加热器的最外层(例如外部导体)。在一个实施例中，在外部导体中可以使用奥氏体(非铁磁性)不锈钢，例如201，304H，347H，347HH，316H，310H，347HP，NF709(Nippon Steel Corp.，Japan)不锈钢或其组合。最外层还可以包括包覆金属的导体。例如，为了在铁磁碳钢管上进行防腐，可以包覆例如800H或347H不锈钢的耐腐蚀合金。如果不要求耐高温强度，最外层可以由具有良耐腐蚀性的铁磁金属，例如铁素体不锈钢之一构造而成。在一个实施例中，具有82.3％wt铁，17.7％wt铬的铁素体合金(居里温度为678℃)提供希望的耐腐蚀性。
Metals Handbook，第8卷，291页(American Society of Materials(ASM))包括铁铬合金的居里温度对合金中铬量的图表。在一些温度限制加热器实施例中，单独的支撑杆或管(由347H不锈钢制成)耦联到由铁铬合金制成的温度限制加热器上以提供屈服强度和/或抗蠕变性。在特定实施例中，选择支持材料和/或铁磁材料以提供650℃下，至少20.7MPa的100,000小时蠕变断裂强度。在一些实施例中，100,000小时蠕变断裂强度是650℃下至少13.8MPa，或者650℃下至少6.9MPa。例如，347H钢在温度等于或高于650℃时具有良好的蠕变断裂强度。在一些实施例中，对于更长的加热器和/或更高的地应力或流体应力来说具有从6.9MPa到41.3MPa或以上的100,000小时蠕变断裂强度。
在特定实施例中，温度限制加热器包括复合导体，其具有铁磁性管和非铁磁的高导电性芯部。非铁磁的高导电性芯部减少了所需的导体直径。例如，导体可以是直径为1.19厘米的导体和直径为0.575厘米的铜芯的复合物，所述铜芯包覆有0.298厘米厚的铁素体不锈钢或碳钢。芯部或非铁磁导体可以是铜或铜合金。芯部或非铁磁导体还可以由其它金属制成，所述金属呈现低电阻率和接近1的相对导磁率(例如，大体上非铁磁性材料，例如铝和铝合金，磷青铜，铍铜和/或黄铜)。复合导体允许温度限制加热器的电阻在接近居里温度时更急剧地减小。当趋肤深度在接近居里温度时增大到包括铜芯，电阻极为迅速地减小。
复合导体可以增大温度限制加热器的传导率和/或允许加热器在低压下操作。在实施例中，在温度低于接近复合导体的铁磁导体的居里温度的范围时，复合导体具有相对平坦的电阻对温度曲线。在一些实施例中，在100到750℃或300到600℃之间，温度限制加热器具有相对平坦的电阻对温度曲线。通过调节温度限制加热器中的材料和/或材料构造，在其它温度范围内也可以呈现相对平坦的电阻对温度曲线。在特定实施例中，选择复合导体中每种材料的相对厚度以产生用于温度限制加热器的希望的电阻对温度曲线。
复合导体(例如，复合内部导体或外部导体)可以通过包括但不限于复合挤压、辊轧成形、紧配合制管(例如，冷却内部构件，加热外部构件，随后将内部构件插入外部构件，其后是拉延工序和/或允许系统冷却)、爆炸包覆或电磁包覆、电弧堆焊、纵向带焊、等离子粉末焊、铸坯复合挤压、电镀、拉拔、溅镀、等离子沉积、共挤流延、磁力成形、(外部材料内的内芯材料的)熔融圆筒铸造(或反之亦然)、插入之后焊接或高温蒸、防护活性气体焊接(SAG)、和/或将内管插入外管之后，通过液压成形机械扩大内管或者使用扩管器(pig)扩大和挤压内管靠在外管上。在一些实施例中，铁磁导体编织在非铁磁导体上。在特定实施例中，复合导体利用与用于包覆(例如，将铜包覆到钢上)的那些方法类似的方法形成。铜覆层和铁磁材料基体之间的冶金结合是有利的。Anomet Products，Inc.(Shrewsbury，Massachusetts，U.S.A)可以提供通过形成良好冶金结合(例如，铜和446不锈钢之间的良好结合)的复合挤压工艺生产的复合导体。
图3-9显示了温度限制加热器的各种实施例。这些附图中任意一副所显示的温度限制加热器的实施例的一个或多个特征可以与这些附图中显示的温度限制加热器的其它实施例的一个或多个特征相结合。在这里描述的特定实施例中，温度限制加热器的尺寸制成在60赫兹交流频率下操作。应当理解，温度限制加热器的尺寸可以根据这里描述的方式进行调节，以便使温度限制加热器在其它交流频率下或利用调制直流以类似的方式操作。
图3显示了具有外部导体的温度限制加热器的实施例的横截面视图，所述外部导体具有铁磁部分和非铁磁部分。图4和5显示了图3所示实施例的横截面视图。在一个实施例中，使用铁磁部分212给地层中的碳氢化合物层提供热量。非铁磁部分214在地层的上覆岩层中使用。非铁磁部分214几乎不给上覆岩层提供热量，从而抑制上覆岩层中的热损失并提高加热器效率。铁磁部分212包括例如409不锈钢或410不锈钢的铁磁材料。铁磁部分212的厚度为0.3厘米。非铁磁部分214是厚度为0.3厘米的铜。内部导体216是铜。内部导体216的直径为0.9厘米。电绝缘体218是氮化硅、氮化硼、氧化镁粉末或其它适当的绝缘材料。电绝缘体218的厚度为0.1到0.3厘米。
图6A和图6B显示了具有铁磁性内部导体和非铁磁性芯部的温度限制加热器的实施例的横截面视图。内部导体216可以由446不锈钢、409不锈钢、410不锈钢、碳钢、阿姆科铁锭、铁钴合金或其它铁磁材料制成。芯部220可以紧密结合在内部导体216内。芯部220是铜或其它非铁磁性材料。在特定实施例中，在拉延操作之前，芯部220以紧配合方式插入内部导体216内。在一些实施例中，芯部220和内部导体216复合挤压结合。外部导体222是347H不锈钢。对致密电绝缘体218(例如，致密氮化硅、氮化硼或氧化镁粉末)进行拉拔或辊轧操作可以确保内部导体216和芯部220之间的良好电接触。在这个实施例中，热量主要在内部导体216中产生，直到达到居里温度。随后，当电流透入芯部220时，电阻急剧减小。
对于铁磁导体在居里温度以下提供大部分电阻热输出的温度限制加热器来说，大部分电流以磁场(H)对磁感应强度(B)成高度非线性函数的关系流过材料。这些非线性函数可能导致强感应效应和变形，其导致在温度低于居里温度时，温度限制加热器中的功率因数减小。这些作用可能导致提供给温度限制加热器的功率难以控制，并且可能导致附加电流流过表面和/或上覆岩层供电导体。高成本和/或难以实现例如可变电容器或调制电源供给的控制系统可用于尝试补偿这些影响，并控制其中大多数电阻热输出由通过铁磁材料的电流提供的温度限制加热器。
在特定的温度限制加热器实施例中，当温度限制加热器低于或接近铁磁导体的居里温度时，铁磁导体限制大部分电流流向与铁磁导体耦联的电导体。电导体可以是护层、护套、支撑构件、耐腐蚀构件或其它电阻构件。在一些实施例中，铁磁导体限制大部分电流流向位于最外层和铁磁导体之间的电导体。铁磁导体位于温度限制加热器的横截面内，使得温度等于或低于铁磁导体的居里温度时，铁磁导体的磁性限制大多数电流流向电导体。由于铁磁导体的趋肤效应，大部分电流流动限制在电导体中。因此，大多数电流流过在加热器的大部分工作范围内具有大体上线性电阻性质的材料。
在特定实施例中，铁磁导体和电导体位于温度限制加热器的横截面内，使得在温度低于铁磁导体的居里温度时，铁磁材料的趋肤效应限制电导体和铁磁导体中的电流的透入深度。因此，在温度高达等于或接近铁磁导体的居里温度时，电导体提供温度限制加热器的大部分电阻热输出。在特定实施例中，可以选择电导体的尺寸以提供希望的热输出特征。
因为在温度低于居里温度时，大部分电流流过电导体，温度限制加热器具有电阻对温度曲线，其至少部分地反映出电导体中材料的电阻对温度曲线。因此，如果电导体中的材料具有大体上线性的电阻对温度曲线，在温度低于铁磁导体居里温度时，温度限制加热器的电阻对温度曲线为大体上线性的。温度限制加热器的电阻与流过加热器的电流几乎没有关系，直到温度接近居里温度。在温度低于居里温度时，大部分电流在电导体而不是铁磁导体中流动。
其中大部分电流在电导体中流动的温度限制加热器的电阻对温度曲线还呈现出，在温度等于或接近铁磁导体的居里温度时，电阻迅速减小。接近或等于居里温度时电阻的迅速减小比接近居里温度时电阻的逐渐减小更容易控制。
在特定实施例中，选择电导体中的材料和/或材料尺寸，使得在温度低于铁磁导体的居里温度时，温度限制加热器具有希望的电阻对温度曲线。
其中在温度低于居里温度时，大部分电流在电导体而不是铁磁导体中流动的温度限制加热器更容易预测和/或控制。其中在温度低于居里温度时，大部分电流在电导体而不是铁磁导体中流动的温度限制加热器的性质可以通过例如其电阻对温度曲线和/或其功率因数对温度曲线进行预测。通过例如估计温度限制加热器性质的实验测量，估计或预测温度限制加热器性质的分析公式，和/或估计或预测温度限制加热器性质的模拟实验可以对电阻对温度曲线和/或功率因数对温度曲线进行估计或预测。
当温度限制加热器的温度达到或超过铁磁导体的居里温度时，铁磁导体的铁磁性减少允许电流流过温度限制加热器的导电横截面的较大部分。因此，在温度等于或接近铁磁导体的居里温度时，温度限制加热器的电阻减小，并且温度限制加热器自动提供减小的热输出。在特定实施例中，在温度等于或高于铁磁导体的居里温度时，高导电构件与铁磁导体和电导体耦联以减小温度限制加热器的电阻。高导电构件可以是由铜、铝、镍或其合金制成的内部导体、芯部或其它传导构件。
在温度低于居里温度时，限制大多数电流流向电导体的铁磁导体与温度限制加热器中的铁磁导体相比具有较小的横截面，在温度高达或接近居里温度时，所述温度限制加热器使用铁磁导体提供大部分电阻热输出。使用电导体在温度低于居里温度时提供大部分电阻热输出的温度限制加热器在温度低于居里温度时具有低磁感应系数，这是因为与在温度低于居里温度的情况下大部分电阻热输出由铁磁材料提供的温度限制加热器相比，更少的电流流过铁磁导体。铁磁导体半径(r)处的磁感应强度(H)与流过铁磁导体和芯部的电流(I)除以半径的值成正比，或者：
(2)H∝I/r
因为对于在温度低于居里温度时，使用外部导体提供大部分电阻热输出的温度限制加热器而言，只有一部分电流流过铁磁导体，所以温度限制加热器的磁场强度可以明显小于其中大部分电流流过铁磁材料的温度限制加热器的磁场强度。小磁场的相对导磁率μ大。
铁磁导体的趋肤深度(δ)与相对导磁率(μ)的平方根成反比：
(3)δ∝(1/μ)1/2
增大相对导磁率减小铁磁导体的趋肤深度。但是，因为在温度低于居里温度时，只有一部分电流流过铁磁导体，铁磁导体的半径(或厚度)对于具有大相对导磁率的铁磁材料而言可以减小以补偿减小的趋肤深度，同时当温度低于铁磁导体的居里温度时，仍然允许产生趋肤效应以限制电流进入电导体的透入深度。根据铁磁导体的相对导磁率，铁磁导体的半径(厚度)可以为0.3到8毫米，0.3到2毫米，2到4毫米。由于铁磁材料的成本变成温度限制加热器成本的重要部分，因此减小铁磁导体的厚度可以降低制造温度限制加热器的成本。当温度等于或接近铁磁导体的居里温度时，对于温度限制加热器而言，增大铁磁导体的相对导磁率提供更大的调节比和电阻方面更迅速的减小。在高温下，具有高相对导磁率(例如，至少200，至少1000，至少1×104，或至少1×105)和/或高居里温度(例如，至少600℃，至少700℃，或至少800℃)的铁磁材料(例如纯铁或铁钴合金)趋于具有更低的耐腐蚀性和/或更小的机械强度。在高温下，电导体可以给温度限制加热器提供耐腐蚀性和/或高机械强度。因此，可以主要根据铁磁导体的铁磁性质对其进行选择。
在温度低于铁磁导体的居里温度时，限制大部分电流流向电导体减小了功率因数方面的变化。因为在温度低于居里温度时，只有一部分电流流过铁磁导体，铁磁导体的非线性铁磁性质对温度限制加热器的功率因数几乎不起作用，等于或接近居里温度时除外。即使在温度等于或接近居里温度时，与铁磁导体在居里温度以下时提供大部分电阻热输出的温度限制加热器相比对功率因数的作用变小。因此，很少或不需要外部补偿(例如，可变电容器或波形修正装置)改变温度限制加热器的电感负载，从而保持较高的功率因数。
在特定实施例中，当温度低于铁磁导体的居里温度时，限制大部分电流流向电导体温度限制加热器在加热器使用期间将功率因数保持在0.85以上，0.9以上或0.95以上。功率因数的任何减小都只在温度接近居里温度的温度限制加热器的部分中发生。在使用期间，温度限制加热器的大部分的温度典型地不等于或接近居里温度。这些部分具有接近1.0的高功率因数。在加热器使用期间，即使加热器的一些部分具有0.85以下的功率因数，整个温度限制加热器的功率因数也保持在0.85以上、0.9以上或0.95以上。
保持高功率因数还允许使用较为便宜的电力供给装置和/或控制设备，例如固态电力供给装置或SCRs(可控硅整流器)。如果功率因数由于电感负载而变化过大的话，这些装置可能适当地失效。但是，由于功率因数保持在较大值，这些装置可用于给温度限制加热器提供电能。固态电力供给装置还具有以下优点，即，允许对提供给温度限制加热器的功率进行精调和受控调节。
在一些实施例中，使用变压器给温度限制加热器提供电能。在变压器中可以制造多个电压抽头以给温度限制加热器提供电能。多个电压抽头允许所供电流在多种电压之间来回转换。这将电流保持在由多个电压抽头限定的范围内。
高导电构件或内部导体增大温度限制加热器的调节比。在特定实施例中，高导电构件的厚度增加以提高温度限制加热器的调节比。在一些实施例中，电导体的厚度减小以降低温度限制加热器的调节比。在特定实施例中，温度限制加热器的调节比为1.1到10、2到8或3到6(例如，调节比为至少1.1、至少2或至少3)。
图7显示了温度限制加热器的实例，其中，在温度低于铁磁导体的居里温度时，支撑构件提供大部分热输出。芯部是温度限制加热器的内部导体。在特定实施例中，芯部220是例如铜或铝的高导电材料。在一些实施例中，芯部是例如扩散强化铜的铜合金，其提供机械强度和良好导电率。在一个实施例中，芯部220是Glidcop
Figure 2006800133204_0
(SCM Metal Products，Inc.，Research Triangle Park，North Carolina，U.S.A)。铁磁导体224是位于电导体226和芯部220之间的薄铁磁材料层。在特定实施例中，电导体226还是支撑构件228。在特定实施例中，铁磁导体224是铁或铁合金。在一些实施例中，铁磁导体224包括具有高相对导磁率的铁磁材料。例如，铁磁导体224可以是例如阿姆科铁锭(AK Steel Ltd.，UnitedKingdom)的纯铁。具有一些杂质的铁典型地具有大约400的相对导磁率。通过在1450℃下，使铁在氢气(H2)中退火对铁进行提纯增大了铁的相对导磁率。增大铁磁导体224的相对导磁率允许减小铁磁导体的厚度。例如，未纯化铁的厚度可能为大约4.5毫米，而纯铁的厚度为大约0.76毫米。
在特定实施例中，电导体226为铁磁导体224和温度限制加热器提供支撑。电导体226可以由在温度接近或高于铁磁导体224的居里温度时提供良好机械强度的材料制成。在特定实施例中，电导体226是耐腐蚀构件。电导体226(支撑构件228)可以为铁磁导体224和耐腐蚀性提供支撑。电导体226由在温度达到和/或高于铁磁导体224的居里温度时提供希望的电阻热输出的材料制成。
在实施例中，电导体226是347H不锈钢。在一些实施例中，电导体226是其它导电、良好机械强度、耐腐蚀材料。例如，电导体226可以是304H、316H、347HH、NF709、Incoloy
Figure 2006800133204_1
800H合金(Inco AlloysInternational，Huntington，West Virginia，U.S.A)、Haynes
Figure 2006800133204_2
HR120
Figure 2006800133204_3
合金、或Inconel617合金。
在一些实施例中，电导体226(支撑构件228)包括位于温度限制加热器不同部分中的不同合金。例如，电导体226(支撑构件228)的下部是347H不锈钢，电导体(支撑构件)的上部是NF709。在特定实施例中，在电导体(支撑构件)的不同部分中使用不同的合金以提高电导体(支撑构件)的机械强度，同时保持温度限制加热器的希望加热性质。
在一些实施例中，铁磁导体224包括位于温度限制加热器的不同部分中的不同铁磁导体。在温度限制加热器的不同部分中可以使用不同的铁磁导体改变不同部分中的居里温度和最大工作温度。在一些实施例中，温度限制加热器上部的居里温度低于加热器下部的居里温度。上部较低的居里温度增大了加热器上部的蠕变断裂强度寿命。
在图7所示实施例中，铁磁导体224、电导体226和芯部220尺寸如此设置，使得当温度低于铁磁导体的居里温度时，铁磁导体的趋肤深度限制流向支撑构件的大部分电流的透入深度。因此，在温度达到或接近铁磁导体224的居里温度时，电导体226提供温度限制加热器的电阻热输出。在特定实施例中，图7所示温度限制加热器小于(外径为3厘米、2.9厘米、2.5厘米或更小)不使用电导体226提供大部分电阻热输出的其它温度限制加热器。因为铁磁导体224与其中大部分电阻热输出由铁磁导体提供的温度限制加热器所需的铁磁导体的尺寸相比更薄，所以图7所示温度限制加热器可能更小。
在一些实施例中，支撑构件和耐腐蚀构件是温度限制加热器中不同的构件。图8和9显示了温度限制加热器的实施例，其中在温度低于铁磁导体的居里温度时，护套提供大部分热输出。在这些实施例中，电导体226是护套230。电导体226、铁磁导体224、支撑构件228和芯部220(在图8中)或内部导体216(在图9中)的尺寸设置成使铁磁导体的趋肤深度限制流向护套厚度的大部分流体的透入深度。在特定实施例中，电导体226是具有耐腐蚀性并且在温度低于铁磁导体224的居里温度时提供电阻热输出的材料。例如，电导体226是825不锈钢或347H不锈钢。在一些实施例中，电导体226具有小厚度(例如，大约0.5毫米)。
在图8中，芯部220是例如铜或铝的高导电性材料。支撑构件228是347H不锈钢或者在温度等于或接近铁磁导体224的居里温度时具有良好机械强度的其它材料。
在图9中，支撑构件228是温度限制加热器的芯部，是347H不锈钢或者在温度等于或接近铁磁导体224的居里温度时具有良好机械强度的其它材料。内部导体216是例如铜或铝的高导电性材料。
温度限制加热器可以是单相加热器或三相加热器。在三相加热器实施例中，温度限制加热器具有Δ或Y形配置。在一些实施例中，三相加热器包括位于分开的井眼中的三个支腿。支腿可以耦联在共用接触部分中(例如，中心井眼，连接井眼或装满溶液的接触部分)。图10显示了以三相配置耦联在一起的温度限制加热器的实施例。每个支腿232、234、236可以位于碳氢化合物层240中分开的开口238内。每个支腿232、234、236可以包括加热元件242。每个支腿232、234、236可以耦联到一个开口238中的单个接触元件244上。接触元件244可以三相配置方式将支腿232、234、236电气耦联在一起。接触元件244可以例如位于地层中的中心开口内。接触元件244可以位于碳氢化合物层240以下(例如，在下伏岩层中)的开口238的一部分中。在特定实施例中，位于中心开口(例如，具有支腿234的开口238)中的磁性元件的磁辐射跟踪用于引导外部开口(例如，具有支腿232和236的开口238)的构成，使得外部开口与中心开口相交。首先利用标准的井眼钻孔方法形成中心开口。接触元件244可以包括用于允许每个支腿插入接触元件的沟槽、引导装置或稳定装置(catchers)。
在特定实施例中，上覆岩层246中支腿232和234的一部分具有绝缘体(例如，聚合物绝缘体)以防止加热上覆岩层。加热元件242可以是大体上竖直的，并且在碳氢化合物层240中大体上彼此平行。在碳氢化合物层240的底部或其附近，支腿232可以定向地钻向支腿234以在接触部分中与支腿234交叉。定向钻孔例如可以通过Vector MagneticsLLC(Ithaca，New York，U.S.A)完成。接触部分的深度取决于交叉支腿234所需的支腿232中的弯曲长度。例如，对于支腿232和234的竖直部分之间的40英尺(12米)间距来说，需要200英尺(61米)以允许支腿232弯曲而与支腿234交叉。
图11显示了以三相配置耦联的三个加热器的实施例。导体“支腿”232、234、236耦联到三相变压器250上。变压器250可以是隔离的三相变压器。在特定实施例中，变压器250提供Y形配置的三相输出，如图11所示。变压器250的输入可以任何输入配置(例如，图11所示的Δ配置)完成。每个支腿232、234、236包括位于地层的上覆岩层中的引入导线252，其耦联到碳氢化合物层240中的加热元件242。引入导线252包括具有绝缘层的铜。例如，引入导线252可以是具有TEFLON
Figure 2006800133204_5
绝缘体的4-0铜电缆，具有聚氨酯绝缘体的铜棒，或者例如裸铜或裸铝的其它金属导体。在特定实施例中，引入导线252位于地层的上覆岩层部分中。上覆岩层部分可以包括上覆岩层套管262中。加热元件242可以是温度限制加热器加热元件。在实施例中，加热元件242是410不锈钢棒(例如，直径为3.1厘米的410不锈钢棒)。在一些实施例中，加热元件242是复合温度限制加热器加热元件(例如，347不锈钢，410不锈钢，铜复合加热元件；347不锈钢，铁，铜复合加热元件；或410不锈钢和铜复合加热元件)。在特定实施例中，加热元件242的长度为至少10到2000米，20到400米，或者30到300米。
在特定实施例中，加热元件242暴露给碳氢化合物层240和来自碳氢化合物层的流体。因此，加热元件242是“裸露金属”或“暴露金属”加热元件。加热元件242可以由在高温下具有用于热解碳氢化合物的可接受硫化率的材料制成。在特定实施例中，加热元件242由在至少某一温度范围(例如，530到650℃)内具有随温度增加而减小的硫化率的材料，例如410不锈钢制成。由于来自地层的含硫气体(例如，H2S)的原因，使用这种材料减少了腐蚀问题。加热元件242还可以充分对电化腐蚀呈现惰性。
在一些实施例中，加热元件242具有薄电气绝缘层，例如氧化铝或热喷涂的氧化铝。在一些实施例中，薄电气绝缘层是陶瓷成分的搪瓷涂层。这些搪瓷涂层包括但不限于高温搪瓷。高温搪瓷可以包括二氧化硅、氧化硼、矾土和碱土氧化物(CaO或MgO)，以及少量碱金属氧化物(Na2O、K2O、LiO)。搪瓷涂层可作为细磨浆料通过将加热元件浸在浆料中或给加热元件喷涂浆料进行施加。包覆的加热元件随后在熔炉中加热直至达到玻璃态转化温度，使得浆料在加热元件表面上扩散并形成搪瓷涂层。搪瓷涂层在温度低于玻璃态转化温度而冷却时收缩，使得涂层处于压缩状态。因此，当涂层在加热器工作期间受热时，涂层能够随加热器膨胀而不会破裂。
薄电气绝缘层具有低热阻抗，允许热量从加热元件传递到地层，同时防止相邻开口中的加热元件之间的电流泄漏以及电流泄漏到地层中。在特定实施例中，薄电气绝缘层在至少350℃、至少500℃或至少800℃以上的温度下是稳定的。在特定实施例中，薄电气绝缘层具有至少0.7、至少0.8或至少0.9的辐射率。使用薄电气绝缘层可以允许地层中长加热器长度具有低电流泄漏。
加热元件242可以与地层的地层上或附近的接触元件244相联。接触元件244是铜棒或铝棒，或者其它高传导材料。在特定实施例中，过渡部分254位于引入导线252和加热元件242之间，或者加热元件242和接触元件244之间。过渡部分254可以由位于铜芯外面具有耐腐蚀性的传导材料，例如347不锈钢制成。在特定实施例中，过渡部分254由电气耦联引入导线252和加热元件242，同时几乎不提供热输出的材料制成。因此，过渡部分254通过使引入导线与加热元件242隔开而有助于防止用于引入导线252中的导体和绝缘体过热。过渡部分254的长度可以是3到9米(例如，6米)。
接触元件244耦联到接触部分260中的接触器256上以使支腿232、234、236彼此电气耦联。在一些实施例中，接触溶液(例如，传导性的结合沉淀物(cement))位于接触部分260中以电气耦联接触部分中的接触元件244。在特定实施例中，支腿232、234、236在碳氢化合物层240中大体上平行，并且支腿232大体上垂直地延伸到接触部分260中。其它两个支腿234、236被定向(例如，通过定向钻出用于支腿的井眼)以与接触部分260中的支腿232相交。
每个支腿232、234、236可以是三相加热器实施例中的一个支腿，使得支腿与地层中的其它加热器大体上电气隔离并且与地层大体上电气隔离。支腿232、234、236可以三角方式布置，使得三个支腿形成三角形的三相加热器。在实施例中，支腿232、234、236以三角方式布置，其中支腿之间具有12米间隔(三角形每条边的长度为12米)。
在特定实施例中，薄电气绝缘层允许在具有大体上U形加热器的碳氢化合物层中存在较长的、大体上水平的加热器支腿长度。大体上U形井眼可在含沥青砂地层、油页岩地层或具有较薄碳氢化合物层的其它地层中使用。含沥青砂或薄油页岩地层可以具有薄浅层，可以利用放在大体上U形井眼中的加热器对所述浅层进行更为容易和均匀地加热。大体上U形井眼还可用于处理在地层中具有厚碳氢化合物层的地层。在一些实施例中，大体上U形井眼用于接触厚碳氢化合物地层中的富层。
图12显示了大体上U形三相加热器的实施例的侧视图。支腿232、234、236的第一端与第一位置264处的变压器250相联。在实施例中，变压器250是三相交流变压器。支腿232、234、236的端部利用位于第二位置268处的连接器266电气耦联在一起。连接器266电气耦联支腿232、234、236的端部，使得支腿可以三相配置的方式工作。在特定实施例中，支腿232、234、236以三相Y形配置耦联进行工作。在特定实施例中，支腿232、234、236在碳氢化合物层240中大体上平行。在特定实施例中，支腿232、234、236在碳氢化合物层240中以三角方式布置。在特定实施例中，加热元件242包括薄电气绝缘材料(例如，搪瓷涂层)以防止加热元件的电流泄漏。在特定实施例中，支腿232、234、236电气耦联，使得支腿与地层中的其它加热器大体上电气隔离，并且与地层大体上电气隔离。
在特定实施例中，上覆岩层246中的上覆岩层套管(例如，图11和12中所示上覆岩层套管262)包括抑制套管中的铁磁影响的材料。抑制套管262中的铁磁影响减少了上覆岩层的热损失。在一些实施例中，套管262可以包括非金属材料，例如，玻璃纤维、聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)或高密度聚乙烯(HDPE)。可以在上覆岩层246的温度下工作的高密度聚乙烯包括由Dow Chemical Co.，Inc.(Midland，Michigan，USA)购得的高密度聚乙烯。非金属套管还可以消除对隔离的上覆岩层导体的需要。在一些实施例中，套管262包括结合到非铁磁性金属内径上的碳钢(例如，包覆有铜或铝的碳钢)以抑制碳钢中的铁磁效应或感应效应。其它非铁磁性金属包括但不限于具有至少10％wt锰的锰钢，具有至少18％wt铝的铁铝合金，和例如304不锈钢或316不锈钢的奥氏体不锈钢。
在特定实施例中，套管262中使用的一种或多种非铁磁性材料在结合到套管和支腿232、234、236上的井头中使用。在井头中使用非铁磁性材料防止井头中部件不希望的加热。在一些实施例中，在井头内部和/或套管262内部吹扫惰性气体(例如，氮气或氩气)防止受热气体回流到井头和/或套管中。
在特定实施例中，一个或多个支腿232、234、236使用盘管安装在地层中。在特定实施例中，盘管安装在地层中，支腿安装在盘管内部，并且盘管从地层中抽出以剩下安装在地层中的支腿。支腿可以同心地放在盘管内部。在一些实施例中，其内部带有支腿的盘管安装在地层中，并且盘管从地层中取出以剩下安装在地层中的支腿。盘管可以只延伸到碳氢化合物层240与接触部分260的接合处或只延伸到支腿开始在接触部分中弯曲的位置。
图13显示了位于地层中的多个三元结构的三相加热器的实施例的顶视图。每个三元结构270包括通过连杆274电气耦联的支腿A、B、C(其相当于图11和12所示的支腿232、234、236)。每个三元结构270耦联到其自身的电隔离三相变压器上，使得三元结构彼此之间大体上电气隔离。使三元结构电气隔离防止了三元结构之间的净电流流动。
每个三元结构270的相可以布置成使支腿A、B、C在相应位于三元结构之间，如图13所示。在图13中，支腿A、B、C布置成使给定三元结构中的相腿(例如，支腿A)与相邻三元结构中的相同相腿(支腿A)具有两个三元结构高度。三元结构高度是从三元结构的顶点到连接三元结构的另外两个顶点的线段中点的距离。在特定实施例中，三元结构270的相布置成防止净电流在单独的三元结构之间流动。在单独的三元结构内部可能存在一些电流泄漏，但是由于三元结构的充分电气隔离和特定实施例中的三元相布置，而在两个三元结构之间几乎没有净电流流动。
在加热的初始阶段，暴露的加热元件(例如图11和12所示加热元件242)可能将一些电流泄漏到在地层中具有导电性的水或其它流体中，使得地层本身受热。在水或其它导电流体从井眼中去除之后(例如，汽化或产出)，加热元件变成与地层电气隔离。随后，当水从地层中去除时，地层的电阻性更强，并且地层加热更主要地通过热传递和/或热辐射进行。典型地，地层(碳氢化合物层)具有平均至少10欧姆·米的初始电阻。在一些实施例中，地层具有至少100欧姆·米或至少300欧姆·米的初始电阻。
使用温度限制加热器作为加热元件限制了含水饱和度对加热器效率的影响。当水在地层和加热器井眼中时，存在以下趋势，即，电流在位于电压最高的碳氢化合物层顶部处的加热元件之间流动，并导致碳氢化合物层的不均匀加热。利用温度限制加热器抑制了这一影响，这是因为温度限制加热器减小了加热元件和碳氢化合物层中的局部过热。
在特定实施例中，生产井位于具有较小或零电位的位置处。这一位置使生产井处的杂层(stray)可能减至最低。将生产井放在这样的位置减小或防止由在生产井中流动的电流引起的生产井的不希望加热。图14显示了带有生产井206的图13所示实施例的顶视图。在特定实施例中，生产井206位于或接近三元结构270的中心。在特定实施例中，生产井206位于三元结构之间具有较小或零电位的位置处(位于由三个三元结构的顶点的电位平均得出较小或零电位的位置处)。例如，生产井206可以位于与第一三元结构的支腿A，第二三元结构的支腿B和第三三元结构的支腿C等距的位置处，如图14所示。
图15显示了在地层中采用六边形布局的多个三元的三相加热器的实施例的顶视图。图16显示了图15所示六边形结构的实施例的顶视图。六边形276包括两个三元的加热器。第一三元结构包括通过连杆274以三相配置方式电气耦联在一起的支腿A1、B1、C1。第二三元结构包括通过连杆274以三相配置方式电气耦联在一起的支腿A2、B2、C2。三元结构布置成使三元结构的相应支腿(例如，A1和A2，B1和B2，C1和C2)位于六边形276的相对顶点。三元结构电气耦联并布置成在六边形276的中心或其附近具有较小或零电位。
生产井206可以位于或接近六边形276的中心。将生产井206放置在六边形276的中心或其附近使生产井位于这样的位置，其减少或防止由三元结构的支腿中的电流引起的电磁效应所产生的不希望的加热。在六边形276中具有两个三元结构确保了生产井206周围的冗余加热。因此，如果一个三元结构失效或必须停止时，生产井206仍保持在一个三元结构的中心。
如图15所示，六边形276可在地层中以这样的方式布置，使得相邻六边形产生偏移。利用相邻六边形上的电气隔离的变压器可以抑制地层中的电势，使得在六边形之间几乎没有净电流泄漏。
加热器三元结构和/或加热器支腿可以任何形状或希望的方式布置。例如，如上所述，三元结构可以包括以等边三角形布置的三个加热器和/或加热器支腿。在一些实施例中，三元结构包括以其它三角形状(例如，等腰三角形或直角三角形)布置的三个加热器和/或加热器支腿。在一些实施例中，三元结构中的加热器支腿在地层中彼此交叉(例如，十字交叉)。在特定实施例中，三元结构包括沿直线顺序布置的三个加热器和/或加热器支腿。
图17显示了三元结构耦联到水平连接井上的实施例。三元结构270A包括232A、234A、236A。三元结构270B包括支腿232B、234B、236B。支腿232A、234A、236A和支腿232B、234B、236B可以沿地层表面上的直线布置。在一些实施例中，支腿232A、234A、236A沿直线布置并相对于可能沿直线布置的支腿232B、234B、236B偏移。支腿232A、234A、236A和支腿232B、234B、236B包括位于碳氢化合物层240中的加热元件242。引入导线252将加热元件242耦联到地层表面上。加热元件242耦联到位于地层的底层上或附近的接触元件244。在特定实施例中，过渡部分(例如，图11所示过渡部分254)位于引入导线252和加热元件242之间，和/或加热元件242和接触元件244之间。
接触元件244耦联到接触部分260中的接触器256上，以使支腿232A、234A、236A彼此电气耦联以形成三元结构270A，使支腿232B、234B、236B彼此电气耦联以形成三元结构270B。在特定实施例中，接触器256是接地导体，使得三元结构270A和/或三元结构270B可以三相Y形配置耦联。在特定实施例中，三元结构270A和三元结构270B彼此电气隔离。在一些实施例中，三元结构270A和三元结构270B彼此电气耦联(例如，电气串联或并联)。
在特定实施例中，接触器256是位于接触部分260中的大体上水平的接触器。接触器256可以是放入井眼中的套管或实心杆，所述井眼在接触部分260中大体上水平地钻出。支腿232A、234A、236A和支腿232B、234B、236B可以通过此处描述的任何方法或本领域已知的任何方法电气耦联到接触器256上。例如，具有铝热剂粉末的容器耦联到接触器256上(例如，通过将容器焊接或钎焊到接触器上)，支腿232A、234A、236A和支腿232B、234B、236B放在容器内部，并且铝热剂粉末活化以将支腿电气耦联到接触器上。容器通过例如将容器放在接触器256的孔或凹部内而耦联到接触器256上或连接到接触器外部，随后将容器钎焊或焊接到接触器上。
实例
下面说明非限制实例。
举例来说，图18描述了使用图11和13中描述的温度限制加热器和加热器布局通过STARS模拟实验(Computer Modelling Group，LTD.，Calgary，Alberta，Canada)得出的累积产气量和累积产油量对时间(年)的曲线。曲线278描述了初始含水饱和度为15％时的累积产油量(m3)。曲线280描述了初始含水饱和度为15％时的累积产气量(m3)。曲线282描述了初始含水饱和度为85％时的累积产油量(m3)。曲线284描述了初始含水饱和度为85％时的累积产气量(m3)。如用于累积产油量的曲线278和282与用于累积产气量的曲线280和284之间的微小差异所示，初始含水饱和度基本上不改变地层加热。因此，初始含水饱和度也基本上不改变地层中的碳氢化合物总产量。使用温度限制加热器抑制由初始含水饱和度差异引起的地层加热的变化。
对于本领域的普通技术人员来说，本发明各方面的进一步改进和可选实施例变得显而易见。因此，本说明书只能看作是说明性的，并且用于教导本领域的技术人员执行本发明的一般方式。应当理解，此处显示和描述的本发明的形式应理解为目前来讲优选的实施方式。此处显示和描述的元素和材料可以被取代，环节和工艺可以相反，本发明的特定特征可以独立使用，对于本领域的普通技术人员来说，在阅读本发明的说明书后，所有这些都变得显而易见。如下列权利要求所述，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对此处描述的要素进行改变。另外，应当理解，此处独立描述的特征在特定实施例中可以组合。

Claims (24)

1.一种用于处理含碳氢化合物地层(240)的系统，包括：
用于对所述地层(240)提供热量的两组或多组伸长的加热器，其中每个加热器组包括三相加热器(A，B，C，232，234，236)的三元结构(270)，所述三元结构(270)的每个支腿放置在分开的开口(238)之一中，所述开口(238)包括位于地层(240)中的至少部分暴露的井眼，该加热器组内的加热器在地层(240)表面以下进行电气耦联，每个加热器包括暴露金属加热器，
其特征在于，所述两组或多组加热器在电气上配置成通过使三相加热器(A，B，C，232，234，236)的各个三元结构(270)耦联到其自身的电气隔离的三相变压器(250)，从而使得所述三元结构(270)基本上相互电气隔离，由此使流过位于至少两个加热器组之间的地层的净电流得到抑制。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统包括耦联到所述加热器组中的至少两组的至少两个所述电气隔离的三相变压器(250)，并且其中，所述加热器组中的至少一组由所述三相变压器(250)中的至少一个提供电能，从而给所述组中的每个加热器(A，B，C，232，234，236)提供不同相位的电能。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述组的相位布置成基本上没有净电流流过位于至少两组之间的地层(240)。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述组中的至少一组包括加热器(A，B，C，232，234，236)的两个三元结构(270)。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述组中的至少一组包括加热器(A，B，C，232，234，236)的两个重叠的、三角形间隔开的三元结构(270)。
6.如权利要求1所述的系统，其中，电气隔离的三相变压器(250)以Y形配置电气耦联到单独的三元结构(270)上。
7.如权利要求1所述的系统，其中，三元结构(270)在地层中以三角方式布置。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统配置成允许在至少一组加热器中的至少两个加热器(A，B，C，232，234，236)之间存在一些电流泄漏。
9.如权利要求1所述的系统，其中，至少一个伸长加热器(A，B，C，232，234，236)包括温度限制加热器，所述温度限制加热器包括铁磁导体，并配置为在时变电流施加给该温度限制加热器并且加热器低于选定温度时提供电阻，并且在铁磁导体的温度处于或高于所述选定温度时，温度限制加热器自动地提供减小的电阻。
10.如权利要求1所述的系统，其中，所述地层(240)具有平均为至少10欧姆·米的初始电阻。
11.如权利要求1所述的系统，其中，至少一组加热器中的至少两个加热器(A，B，C，232，234，236)在远离地层(240)表面的开口的端部处或其附近电气耦联。
12.如权利要求1所述的系统，其中，至少两个开口(238)在远离地层(240)表面的开口的端部处或其附近互连，并且开口中的加热器(A，B，C，232，234，236)在开口(238)的互连部分处电气耦联。
13.如权利要求1所述的系统，其中，所述加热器(A，B，C，232，234，236)在加热器外侧具有电气绝缘层以防止加热器发生电流泄漏。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述电气绝缘层包括位于加热器(A，B，C，232，234，236)外表面上的搪瓷涂层。
15.如权利要求1所述的系统，其中，所述加热器(A，B，C，232，234，236)中的至少一个为温度限制加热器。
16.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括一种或多种非铁磁性材料，该一种或多种非铁磁性材料耦联到位于地层的上覆岩层部分(246)中的伸长加热器(A，B，C，232，234，236)上。
17.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括生产井(206)，所述生产井设置在地层(240)中具有相对小电位或零电位的位置处或其附近。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述生产井(206)位于一组加热器的中心或其附近。
19.如权利要求17所述的系统，其中，所述生产井(206)位于由两组或多组加热器的顶点的电位平均而得到相对小或零电位的位置处。
20.一种使用如权利要求1-19中任意一项所述的系统的方法，所述方法包括给地层(240)的至少一部分提供热量。
21.如权利要求20所述的方法，还包括将足够的热量传递给地层(240)，以在地层(240)中热解至少一部分碳氢化合物。
22.如权利要求20所述的方法，还包括从地层(240)中生产流体。
23.如权利要求21所述的方法，还包括从地层(240)中生产流体。
24.如权利要求20-23之一所述的方法，其中该方法用于生产包括碳氢化合物的运输燃料或其他混合物。
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