DE69923247T2 - Elektrisches Bohrlochheizgerät - Google Patents

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Lawrence James Bellaire Bielamowicz
Eric Houston De Rouffignac
Harold J. Houston Vinegar
Scott Lee Houston Wellington
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B36/00Heating, cooling or insulating arrangements for boreholes or wells, e.g. for use in permafrost zones
    • E21B36/04Heating, cooling or insulating arrangements for boreholes or wells, e.g. for use in permafrost zones using electrical heaters

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Heizverfahren und eine Vorrichtung, die sich für ein Bohrloch eignen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die US-Patente Nr. 4,640,352 und 4,886,118 offenbaren die konduktive Erhitzung von Untergrundformationen geringer Durchlässigkeit, die Öl enthalten, um das Öl aus diesen zu gewinnen. Formationen mit geringer Durchlässigkeit umfassen Diatomit, Lipidkohle und Ölschiefer. Formationen geringer Durchlässigkeit sind für Sekundärölförderverfahren nicht geeignet, wie das Fluten mit Dampf, Kohlendioxid oder Feuer. Flutmaterialien tendieren dazu, in Formationen einzudringen, die geringe Durchlässigkeit haben, vorzugsweise durch Frakturen. Die eingespritzten Materialien gehen an den meisten Formationskohlenwasserstoffen vorbei. Im Gegensatz dazu erfordert die konduktive Erhitzung keinen Fluidtransport in die Formation. Öl innerhalb der Formation wird deshalb nicht wie bei einem Flutungsprozeß in einem Bypass umgangen. Die Bohrlöcher mit Hitzeeinspritzung werden dazu verwendet, die Hitze für solche Verfahren zu liefern.
  • Hitzeeinspritz-Bohrlöcher eignen sich auch zur Dekontaminierung von Böden. Die US-Patente 5,318,116 und 5,244,310 offenbaren beispielsweise Verfahren zum Dekontaminieren von Böden, wobei Hitze unter die Oberfläche eingespritzt wird, um die Kontaminate zu verdampfen. Die Heizeinrichtungen des Patentes '310 wenden den elektrischen Widerstand von Dornen an, wobei die Elektrizität durch die Dorne in die Erde strömt. Das Patent '116 offenbart Heizelemente, die sich durch das Bohrloch zum Boden der zu erhitzenden Formation erstrecken. Das die Heizelemente umgebende Bohrloch weist ein Katalysatorbett auf, das durch die Heizelemente erhitzt wird. Wärme strömt durch Wärmeleitung durch das Katalysatorbett zu einer das Katalysatorbett umgebenden Auskleidung, und dann von der Auskleidung in radialer Richtung in die das Bohrloch umgebende Erde. Typische Katalysatoren auf Basis von Aluminiumoxid haben eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit, und ein signifikanter Temperaturgradient existiert durch das Katalysatorbett hindurch. Dieser signifikante Temperaturgradient resultiert in einer abnehmenden Wärmeübertragung an die zu erhitzende Erde bei einer begrenzten Heizelementtemperatur.
  • Das US-Patent 5,065,818 offenbart ein Heizbohrloch mit ausgekleideten und mineralisolierten („MI") Heizkabeln, die direkt in das Bohrloch einzementiert sind. Die MI-Kabel umfassen ein Heizelement, das beispielsweise von einer Magnesiumoxid-Isolierung umgeben ist, und eine relativ dünne Hülle um die Isolierung. Der Außendurchmesser des Heizkabels ist typischerweise kleiner als eineinhalb Zoll (1,25 cm). Das Heizbohrloch umfaßt gegebenenfalls einen Kanal zum Absenken eines Thermoelementes durch das zementierte Bohrloch zum Überwachen eines Temperaturprofils des Heizbohrloches. Da es direkt in das Bohrloch zementiert ist, besteht kein Erfordernis für eine Auskleidung (außer der Kabelhülle), doch ist der Außendurchmesser des Kabels relativ klein. Der kleine Durchmesser des Heizkabels begrenzt die Wärmemenge, die von dem Heizkabel an die Formation übertragen werden kann, weil die Fläche, über welche die Wärme an der Oberfläche des Kabels strömt, begrenzt ist. Zement hat eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit, und deshalb würde ein größerer Wärmestrom an der Oberfläche des Kabels in einer unannehmbar hohen Heizkabeltemperatur resultierten. Mehrere Heizkabel können in das Bohrloch zementiert sein, um die Wärmeübertragung an die Formation über jene hinaus zu erhöhen, die mit nur einem Kabel möglich wäre, aber es wäre erwünscht, die Wärme zu erhöhen, die in die die Heizelemente umgebende Erde übertragen werden kann.
  • Das US-Patent 2,732,195 offenbart ein elektrisches Heizbohrloch, bei welchem eine „elektrisch widerstandsfähige pulverförmige" Substanz, vorzugsweise Quarzsand oder zerdrückter Quarzkies, sowohl innerhalb als auch außerhalb einer Auskleidung einer Bohrlochheizeinrichtung und um ein elektrisches Heizelement herum innerhalb der Auskleidung angeordnet wird. Der Quarz wird dort angeordnet, um die Auskleidung gegen Außendrücke zu verstärken, und eine Auskleidung, die gegen die Formation abdichtet, ist erforderlich. Die Auskleidung erhöht die Kosten der Installation beträchtlich.
  • Die Bohrlochheizeinrichtung und das Heizverfahren gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9 sind aus dem vorerwähnten US-Patent 5,065,818 bekannt. Die relativ kleine Oberflächenzone der bekannten Heizkabel begrenzt die Wärmemenge, die in die umgebende Formation übertragen wird.
  • Das US-Patent Nr. 2,500,513 offenbart eine Anordnung von elektrischen Heizstäben in einem Bohrlochkäfig, um Wachsklumpen in den geförderten Bohrlochfluiden zu zerdrücken und zu schmelzen. Auch dieses Patent offenbart die Merkmale im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9.
  • Das US-Patent Nr. 2,350,429 offenbart ein Bohrloch-Dampfkesselgefäß, in dem Wasser durch ein elektromagnetisches Feld erhitzt wird, das durch nicht isolierte ringförmige Elektroden übertragen wird.
  • Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Bohrlochheizeinrichtung zu schaffen, bei welcher die Heizeinrichtung eine größere Oberflächenzone auf der Temperatur des elek trischen Widerstandselementes als jene nach dem Stand der Technik hat, und bei welcher eine wesentliche Auskleidung nicht erforderlich ist. Diese Heizeinrichtung eignet sich als Bohrlochheizeinrichtung für solche Zwecke zur Wärmerückgewinnung aus Kohlenwasserstoffen und Erde.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Diese und andere Ziele werden durch eine Bohrlochheizeinrichtung erreicht, die ein elektrisch isolierendes Material aufweist, das eine ringförmige Konfiguration elektrischer Widerstandsheize umgibt, die aus der Gruppe gewählt sind, welche eine ringförmige poröse Metallhülle und eine oder mehrere gerundete und/oder expandierte Metallplatten und ein Drahtgitter aufweist, wobei die Bohrlochheizeinrichtung keine Metallauskleidung hat, die zwischen der Heizelementkonfiguration und der Erde angeordnet ist, welche das zu erhitzende Bohrloch umgibt.
  • Die auskleidungslose Ausbildung der vorliegenden Heizeinrichtung reduziert die Kosten eines Hitzeeinspritz-Bohrloches signifikant, was bei dessen Anwendung beträchtliche Ersparnis einbringt, wie bei Heizinjektoren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus beispielsweise Ölschiefer, Teersand oder Diatomit. Die Hitzeeinspritzung kann auch dazu verwendet werden, irgendwelche Kontaminate zu entfernen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erhitzen eines Teiles der Erde geschaffen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
    Schaffung eines Bohrloches innerhalb des zu erhitzenden Erdteiles;
    Anordnen einer rohrförmigen elektrischen Widerstandsheizelementkonfiguration, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus einem ringförmigen porösen Metallblech, einer oder mehreren gerundeten und/oder expandierten Metallplatten und einem Drahtgitter innerhalb des Bohrloches besteht; und
    Abstützen der Heizelementkonfiguration innerhalb des Bohrloches mit einem elektrisch isolierenden Material, wobei eine Metallauskleidung zwischen der Heizelementkonfiguration und der zu erhitzenden Erde nicht vorgesehen ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine Ausführungsform einer Heizeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung innerhalb eines Bohrloches.
  • Die 2A, 2B und 2C zeigen Details eines elektrischen Kabels, das an die Oberseite einer Heizeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt ist.
  • 3 zeigt eine Vorrichtung zum Installieren der Heizeinrichtung gemäß der Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Fakultativ hat die ringförmige Heizeinrichtung gemäß der Erfindung ein Gitterheizelement, welches so geformt werden kann, daß es einer Wand eines Bohrloches angepaßt ist, um die Oberfläche des bereitgestellten Heizelementes zu maximieren und um den das Bohrloch verlassenden Wärmestrom ebenfalls zu maximieren. Ein elektrischer isolierter Füller wird um das Heizelement herum und innerhalb desselben angebracht, um im wesentlichen einen elektrischen Kurzschluß des Elementes gegenüber der Formation zu vermeiden. Dieses elektrisch isolierende Material könnte ein Material sein, das anfänglich naß und deshalb elektrisch leitend ist, bis es getrocknet wird. Der Trocknungsschritt könnte durch Hindurchleiten von Elektrizität durch das Heizelement und in das nasse Material ausgeführt werden, und die von der elektrischen Energie erzeugte Hitze würde allmählich den Boden erwärmen und gegebenenfalls anfänglich vorhandenes flüssiges Wasser zum Verdampfen bringen. Der verbleibende trockene Sand ist ein akzeptabler elektrischer Isolator. Fakultativ könnte ein hydraulischer Zement anstelle von Sand verwendet werden. Die Hydratation von Zement reduziert freies flüssiges Wasser, und der ausgehärtete Zement kann ein akzeptabler elektrischer Isolator sein. Andere Materialien könnten als Isoliermaterial verwendet werden. Bevorzugte Materialien sind leicht anzuordnen und billig. Ein ideales Material wäre auch ein elektrisch nicht leitendes Material bzw. ein Material, das elektrisch nicht leitend werden kann. Ein Material wie Sand könnte pneumatisch oder als Schlamm angeordnet werden.
  • Eine Vielzahl von elektrischen Heizelementen wird vorzugsweise im Bohrloch angeordnet, um die Heizeinrichtung zu bilden, wobei die Elemente im unteren Teil des Bohrloches miteinander verbunden werden und unterschiedliche Phasen von Wechselstromenergie an jedes dieser Elemente angelegt werden. Zwei oder drei Elemente werden bevorzugt.
  • Die Heizelemente können ein expandiertes Metall oder irgendein anderes poröses Metallelement, wie Drahtgitter oder Drahtnetze, sein. Eine Porosität zwischen etwa vierzig Prozent und etwa achtzig Prozent wird bevorzugt, wenn die Porosität als Prozentsatz von offener Fläche definiert ist, wenn man auf die Oberfläche der Materiallage blickt. Durch diese offene Fläche wird die gesamte Fläche beträchtlich erhöht, die vom Element kontaktiert wird, ohne daß die Dicke des Elementes reduziert wird. Ein dickeres Element ermöglicht stärkere Korrosion. Die Dicke des Elementes wird so gewählt, daß sie in einem Spannungsbedarf für den beabsichtigten Wärmefluß resultiert, der nicht exzessiv niedrig oder hoch ist. Beispielsweise wird eine Spannungsdifferenz von etwa 120 bis etwa 960 Volt Wechselstrom zwischen den oberen Enden von zwei Elementen innerhalb eines Bohrloches bevorzugt, die verbundene untere Enden haben. Im allgemeinen wird für größere Längen von Metern (100 bis 700 Meter) von 480 bis 960 Volt und für kürzere Längen von Metern (2 bis 200 Meter) von 120 bis 480 Volt bevorzugt. Um eine größere Dicke von Elementen aufzunehmen, könnten mehrere Heizeinrichtungen in Reihe geschaltet sein, doch ist das Ausmaß, bis zu welchem dies geschehen kann, durch die Kosten der Kabel, die zu den Heizelementen führen, begrenzt. Energie wird vorzugsweise zwischen zwei symmetrischen Heizelementen angelegt, wobei die Nettospannung Null ist. Somit ist die Spannung, die einmal an eine Elektrode angelegt wird, gegenüber Erde negativ, im Vergleich zur Spannung, die an das andere Heizelement angelegt wird.
  • Die Heizelemente werden vorzugsweise zu einer gekrümmten Gestalt geformt, entweder an der Oberfläche oder innerhalb des Bohrloches, um den Wänden des Bohrloches zu entsprechen. Die gekrümmte Gestalt könnte auch an der Oberfläche durch eine Matrize erzeugt werden, durch welche das Metall hindurchgeleitet wird, wenn es in das Bohrloch eingeleitet wird. Die gekrümmte Gestalt könnte innerhalb des Bohrloches durch einen Dorn erzeugt werden, der durch das Element geht. Der Dorn könnte beispielsweise als Teil einer Vorrichtung ausgebildet sein, welche die Elemente ausweitet und das elektrische Isoliermaterial um die Elemente herum und zwischen den Elementen anordnet. Wenn die Elemente an der Oberfläche zu einer gekrümmten Gestalt geformt werden, können Zentralisierer oder Abstandhalter zu den Elementen hinzugefügt werden, um die Elemente innerhalb des Bohrloches getrennt zu halten. Die Verwendung des Dornes, wie vorstehend beschrieben, wird bevorzugt, weil Zentralisierer und Abstandhalter vermieden werden, was die Materialkosten reduziert. Flache Gitterelemente könnten vorgesehen sein. Der Vorteil der Schaffung gekrümmter Elemente besteht darin, daß die Wärme von nahezu dem gesamten Umfang des Bohrloches mit zwei flachen Elementen übertragen werden kann, wobei die Wärme von einer Oberflächenzone übertragen werden könnte, die nur etwa das Doppelte des Bohrlochdurchmessers beträgt, doch könnte die Installation der flachen Elemente im Vergleich zu halbkreisförmig geformten Elementen vereinfacht werden.
  • Im allgemeinen werden Heizelemente aus rostfreiem Stahl, beispielsweise der Qualitäten 304 oder 316, bevorzugt. INCLOY 600 könnte auch nützlich sein (INCLOY ist eine Marke). 316 rostfreier Stahl wird bevorzugt, wenn die Elemente Salzsole ausgesetzt sind, weil 316 rostfreier Stahl eine größere Festigkeit gegenüber Chlorid-Korrosionsbeanspruchung hat. Rostfreie Stähle sind nicht übermäßig teuer und könnten Elementen ausgesetzt sein, die während der Anlaufphase vorhanden sind, während einer ausreichenden Zeitspanne, um die Elemente auf erhöhte Temperaturen zu bringen, und ausreichend niedrigen Korrosionsraten, wenn sie den meisten Bohrlochumgebungen über lange Zeitspannen bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind. Typischerweise werden rostfreie Stähle nicht als Heizelemente verwendet, und zwar wegen der begrenzten Korrosionsfestigkeit bei hohen Temperaturen, doch kann die relativ große Oberflächenzone, von welcher Hitze in der Heizeinrichtung der vorliegenden Erfindung übertragen wird, und die Oberflächentemperatur der Elemente für rostfreie Stähle geeignet sein. Kohlenstoffstähle könnten auch als Heizelemente bei Anwendungen verwendet werden, wo hohe Hitzepegel über ausgedehnte Zeitspannen nicht bereitgestellt werden müssen.
  • Obzwar bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung rostfreier Stahl als Heizelementmaterial verwendet wird, könnten höherlegierte Stähle bei einigen Anwendungen der vorliegenden Erfindung nützlich sein. Wenn beispielsweise die Heizeinrichtung in einem relativ tiefen Bohrloch angewendet wird, könnten die Kosten des Bohrloches wesentlich höher als die Kosten des Heizelementmaterials sein, und deshalb könnten höherlegierte Materialien die Gesamtkosten reduzieren, weil sie einen Betrieb bei höheren Temperaturen ermöglichen und somit die Anzahl von Bohrlöchern reduzieren, die für die gesamte Hitzeaufbringung erforderlich sind.
  • Alternativ könnten die Heizelemente mit einer oder mehreren korrosionsfesten Metallflächen oder einer Feuerfestfläche beschichtet sein, um zusätzliche elektrische Isolation und Schutz zu schaffen.
  • Thermoelemente zur Steuerung der Heizeinrichtungen könnten innerhalb des Bohrloches entweder innerhalb von gekrümmten Heizelementen, außerhalb der Elemente oder an den Heizelementen befestigt (durch eine elektrisch isolierende Verbindung) vorgesehen sein. Die Thermoelemente könnten verwendet werden, um den Betrieb zu überwachen oder die elektrische Energie zu steuern, die an die Heizelemente angelegt wird. Wenn Thermoelemente verwendet werden, um die elektrische Energie zu steuern, könnten multiple Thermoelemente vorgesehen und eine Steuertemperatur von den Thermoelementen gewählt werden. Die Wahl könnte auf der Maximaltemperatur, auf einer Durchschnittstemperatur oder auf einer Kombination eines solchen Durchschnitts der größten zwei oder mehr Temperaturen basieren.
  • Die Heizelemente gemäß der vorliegenden Erfindung können wegen der Flexibilität, unterschiedliche Kombinationen von Spannungen und Porositäten der Heizelemente zu wählen, in einer gro ßen Vielzahl von Längen hergestellt werden. Heizeinrichtungen, die so kurz sind wie zwei bis sechs Meter, und die so lang sind wie zweihundert oder siebenhundert Meter, können verwendet werden.
  • Ein Bohrloch, in dem die Heizeinrichtung der vorliegenden Erfindung angeordnet wird, kann ausgekleidet und zementiert sein, über zumindest einen Teil des Bohrloches oberhalb der Heizeinrichtung, um eine Isolierung der zu erhitzenden Formation sicherzustellen. In einem weniger tiefen Bohrloch kann das Bohrloch mit Sand bis zur Oberfläche gefüllt werden.
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist in einer schematischen Zeichnung eine ringförmigen Heizeinrichtung gemäß der Erfindung gezeigt. Ein Gitterheizelement 1 ist in Form von zwei halbkreisförmigen expandierten Metallplatten innerhalb eines Bohrloches 2 gezeigt. Ein elektrisch isolierender Füller 3, wie Sand, umgibt die Heizelemente und ist zwischen diesen angeordnet. Das Bohrloch ist innerhalb eines Teiles der zu erhitzenden Erde 4, wie einer Formation von ölhältigem Diatomit, Teersanden oder Ölschiefer, angeordnet. Alternativ könnte die zu erhitzende Erde 4 kontaminiertes Erdreich in einem Wärme-Desorptions-Sanierungsverfahren sein. Elektrische Leitungen 5 erstrecken sich zu jedem der Heizelemente, und die Heizelemente sind elektrisch an ihrem unteren Teil durch Verbinder 6 miteinander verbunden. Alternativ könnten alle Elemente an der Basis des Bohrloches geerdet sein. Elektrische Leitungen erstrecken sich durch den Teil der Überlagerschicht, der nicht erhitzt werden soll, durch mit Umhüllungen versehene Kabel 8, wobei diese Kabel durch Abstandhalter 9 getrennt sind. Ein Übergangsteil des Bohrloches wird durch die Heizelemente erhitzt, aber nicht bis zu Temperaturen, die jenen entsprechen, die in dem die Heizelemente enthaltenden Bohrloch auftreten. Dieser Übergangsteil des Bohrloches ist mit einer Auskleidung 10 ausgekleidet, die aus Metall, wie rostfreiem Stahl, sein kann, der eine annehmbar lange Lebensdauer hat, wenn er erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist. Die Korrosionsumgebung innerhalb dieses Übergangsvolumens kann heftiger sein als jene nahe den Heizelementen, weil sich die Taupunkttemperatur innerhalb dieses Bereiches befindet. Oberhalb der Übergangszone könnte die Auskleidung eine Kohlenstoff-Stahlauskleidung 11 sein. Die Auskleidung innerhalb der Übergangszone und in der Überlagerschicht 7 könnte mit einem Füller 12, wie Sand oder Zement, gefüllt oder frei gelassen werden.
  • Unter Bezugnahme auf die 2A, 2B und 2C sind drei teilweise weggeschnittene Ansichten von Fittingen für elektrische Kabel und Verbindungen zu den Heizelementen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das obere der Heizelemente 21 ist an einem Hochtemperatur-Leitungskabel 22 durch eine Schweißverbindung 33 angeschlossen. Eine wasserdichte Zwischenschicht zwischen dem Kabel und der Heizeinrichtung A liegt innerhalb einer Übergangszone. Oberhalb der Übergangszone ist ein billiges Kabel, wie ein polyethylenbeschichteter Kupferdraht, in Verwendung. Ein elektrisch isolierter Hochtemperaturabschnitt B erstreckt sich von der wasserdichten Zwischenschicht zu dem Heizelement. Eine Aussteifung 24 bildet eine Abstützung für die elektrische Verbindung zu dem Heizelement. Die Aussteifung ist an dem Kabel mittels eines Kragens 25 befestigt. Der Kragen ist ein elektrisch isolierter Kragen. Die wasserdichte Zwischenschicht umfaßt eine Kupplung 26 um eine Lötverbindung 27, wobei die Lötverbindung eine Kontinuität zwischen dem Hochtemperatur-Leitungskabel 22 und einem Niedertemperatur-Bleikabel 28 herstellt. Die Kupplung ist mit einem Gewinde für Fittinge 30 versehen, die Kupferfittinge sein könnten, und die eine Reibungspassung mit jedem der Hochtemperatur-Leitungskabel 31 und dem Niedertemperatur-Bleikabel 23 eingehen. Das Kabel 23 erstreckt sich von der Oberfläche bis unmittelbar ober halb der Oberseite der Heizeinrichtung und kann ein Kupferkern-kupferumhülltes mineralisoliertes Kabel sein. Diese Art von Kabel wird wegen ihrer Fähigkeit, sehr große Mengen an elektrischer Energie zu führen, bevorzugt, und weil es wasserdicht ist. Obzwar das Kabel hohen Temperaturen widerstehen kann, wird es wegen der Korrosionsanfälligkeit bei Temperaturen unterhalb des Wassersiedepunktes verwendet. Eine wasserdichte Spleißung A beendet das mineralisolierte Kabel 23 und bildet einen Übergang zu einer Nickelelektrode oder zu einer mit Nickelchrom beschichteten Nickelelektrode 22, die bei 33 an den oberen Teil der Heizeinrichtung 21 angeschweißt ist. Die Nickel-Heißelektrode 22 kann durch eine TEFLON-Hülle 31 isoliert sein, um die Korrosion der Nickelelektrode zu verhindern und eine wasserdichte Abdichtung am unteren Ende des Kabelüberganges 33 zu bilden (TEFLON ist eine Marke). Ein Aussteifungsarm 24 bildet eine Abstützung für die TEFLON-umhüllte Nickelelektrode 22 während der Installation der Heizeinrichtung in einem Bohrloch. Die wasserdichte Spleißung A kann etwa zwei bis zwanzig Fuß oberhalb der Oberseite des Heizelementes liegen. Die wasserdichte Speisung ist weit genug von dem Heizelement entfernt, damit sie auf einer Temperatur unterhalb des Wassersiedepunktes bleibt. Die TEFLON-beschichtete Hochtemperaturleitung ist an einem Punkt dem Wassersiedepunkt ausgesetzt und kann diese Art von Umgebung leicht ertragen. Der untere (heißere) Teil der Hochtemperaturleitungshülle 31 wird gegebenenfalls wegschmelzen und läßt das Hochtemperaturkabel exponiert. Eine TEFLON-Beschichtung an diesem Punkt stellt sicher, daß sich das TEFLON über den Punkt hinauserstreckt, an welchem die Temperatur dem Siedepunkt von Wasser entspricht.
  • Die Hochtemperaturleitungshülle könnte irgendein Überzug sein, der die Hochtemperaturleitung vor Korrosion bei Temperaturen schützen könnte, die am Siedepunkt von Wasser oder darunter liegen, und könnte entweder höheren Temperaturen standhalten oder wegschmelzen, und keine Korrosion bei höheren Temperaturen verursachen. Hitzebeständige Harze werden bevorzugt, weil sie eine größere Länge an geschützter Hochtemperaturleitung ergeben, was nützlich sein kann, wenn der Punkt, an welchem die Temperatur dem Siedepunkt von Wasser entspricht, sich verschiebt. Akzeptable Hochtemperaturharze umfassen Polyimide, Polyamidimide und Polyetheretherketone.
  • Die Hochtemperaturkabelhülle wird von der Hochtemperaturleitung durch eine Mineralisolation, wie Magnesiumoxid, getrennt. Kupferleitungen sind für Niedrigtemperaturleitungen akzeptabel und effektiv, doch werden nickel- oder nickel-chrombeschichtete Nickelmaterialien für Hochtemperaturleitungen bevorzugt.
  • Alternativ wird eine Vielzahl von langgestreckten elektrischen Heizelementen in dem Bohrloch angeordnet, um die Heizeinrichtung zu bilden, wobei die Elemente in einem unteren Teil des Bohrloches miteinander verbunden sind, und es werden unterschiedliche Phasen von Wechselstromenergie an die Elemente angelegt. Zumindest sechs Elemente werden bevorzugt, um Hitze in dem gesamten Umfang des Bohrloches zu erzeugen.
  • Die Heizelemente können beispielsweise rostfreier Stahldraht, nickel-chromlegierter Draht oder Kohlenstoff-Faserelemente sein. Die Drähte haben einen Durchmesser von vorzugsweise zwischen etwa 0,2 und 0,8 mm und vorzugsweise von etwa 0,3 mm. Dickere Elemente lassen mehr Korrosion zu, aber die Kosten von höheren Stromanforderungen und höhere Materialkosten machen sich bemerkbar. Die Dicke des Elementes wird so gewählt, daß sie bei dem in Aussicht genommenen Hitzestrom einen Spannungsbedarf hat, der nicht exzessiv niedrig oder hoch ist. Beispielsweise wird eine Spannungsdifferenz von etwa 60 bis etwa 960 Volt Wechselstrom zwischen den oberen Enden der beiden Elemente innerhalb eines Bohrloches bevorzugt, deren untere Enden verbunden sind. Für kürzere Heizeinrichtungen (2 bis 200 Meter) werden Spannungen von 60 bis 480 Volt Wechselstrom und für längere Heizeinrichtungen (100 bis 700 Meter) wird eine Spannung von 480 bis 960 Volt Wechselstrom bevorzugt. Um größere Dicken der Elemente aufzunehmen, könnten mehrere Heizeinrichtungen in Reihe geschaltet sein, aber das Ausmaß, an dem dies erfolgen kann, ist durch die Kosten der Kabel begrenzt, die zu den Heizelementen führen.
  • Im allgemeinen werden Heizelemente aus rostfreiem Stahl, beispielsweise der Qualitäten 304, 316 oder 310, bevorzugt. Rostfreie Stähle sind nicht übermäßig teuer und könnten Elementen ausgesetzt werden, die während der Anlaufphase über eine ausreichende Zeitspanne vorhanden sind, bis diese Elemente auf erhöhte Temperaturen gebracht sind, und ausreichend niedrigen Korrosionsraten, wenn sie den meisten Bohrlochumgebungen über längere Zeitspannen bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind. Kohlenstoffstäbe könnten als Heizelemente für Anwendungen verwendet werden, in denen Hitze über eine ausgedehnte Zeitperiode nicht bereitgestellt werden muß. Für seichte Anwendungen, wie Erdreicherwärmung, wird Nichrom 80 bevorzugt.
  • Thermoelemente zur Steuerung der Heizeinrichtungen könnten innerhalb des Bohrloches vorgesehen werden, entweder innerhalb des Ringes von Heizelementen, außerhalb der Elemente oder an den Heizelementen befestigt. Die Thermoelemente könnten beispielsweise an einem Ende an die elektrisch isolierenden Abstandhalter angebracht werden. Das Thermoelement könnte dazu verwendet werden, den Betrieb zu überwachen oder die elektrische Energie zu steuern, die dem Heizelement zugeführt wird. Wenn die Thermoelemente dazu verwendet werden, elektrische Energie zu steuern, könnten mehrere Thermoelemente vorgesehen werden und die Temperatur steuern, die von den Thermoelementen gewählt wird. Die Wahl könnte auf einer Maximaltemperatur, ei ner Durchschnittstemperatur oder einer Kombination, wie einem Durchschnitt der zwei oder drei größten Temperaturen, basieren.
  • Die Heizelemente der vorliegenden Erfindung können wegen der Flexibilität, unterschiedliche Kombinationen von Spannungen und Durchmessern für die Heizelemente zu wählen, in einer großen Vielzahl von Längen hergestellt werden. Heizeinrichtungen, die so kurz wie zwei Meter sind, können verwendet werden, und die so lang wie 700 Meter sind, ebenfalls.
  • Ein Bohrloch, in welchem die Heizung der vorliegenden Erfindung angeordnet ist, kann über zumindest einen Teil des Bohrloches oberhalb der Heizeinrichtung ausgekleidet und zementiert sein, um eine Isolation der zu erhitzenden Formation sicherzustellen. In einem seichten Bohrloch kann das Bohrloch mit Sand oder einem Bentonitschlamm bis zur Oberfläche gefüllt werden. Der Bentonitschlamm verhindert, das Wasser von oben eindringt.
  • Unter Bezugnahme auf 3 ist eine Vorrichtung gezeigt, die dazu verwendet werden kann, die Heizeinrichtung der vorliegenden Erfindung in einem Bohrloch anzuordnen. Die Heizelemente 101 (zwei sind gezeigt) sind über Rollen 301 geschlungen, wobei die Rollen auf Armen 302 angeordnet sind, die auf einem Flansch 303 ruhen. Der Flansch ist an der Auskleidung 103 befestigt, die mit einem entsprechenden Flansch ausgebildet ist. Die Heizelemente 101 werden von Spulen abgezogen (nicht gezeigt) und können unter leichter Spannung gehalten werden, um eine Verwicklung der Heizelemente innerhalb des Bohrloches zu verhindern. Ein gewickeltes Rohr 304 ist gezeigt, das sich in das Bohrloch erstreckt. Dieses Rohr kann dazu verwendet werden, die Heizelemente und elektrische Leitungen innerhalb des Bohrloches zu planieren, und dann dazu verwendet werden, das Bohrloch mit elektrisch isolierendem Füllmaterial zu füllen, das entfernt wird.
  • Die Heizelemente können aus einer großen Vielzahl von Längen bestehen und mit einer großen Vielzahl von Abständen in einem Bohrloch angeordnet sein. Beispielsweise kann die Heizeinrichtung zum Erhitzen einer Ölschieferformation bis zu 400 Meter lang sein. Für die Behandlung kontaminierter Erde kann die Heizeinrichtung nur zwei bis drei Meter lang sein, obzwar längere Heizelemente für die vorliegende Erfindung vorteilhafter sind. Die Heizeinrichtungen können sich über größere Entfernung in ein Bohrloch erstrecken. Beispielsweise kann eine Ölschieferformation erhitzt werden, die unter 400 Meter unterhalb einer Oberschicht liegt. Wenn die Länge der Heizeinrichtung und die elektrischen Leitungen sehr lang werden, können die Heizelemente und/oder elektrischen Leitungen größeren Durchmesser haben, oder sie können mehr Material erfordern, welches größere Festigkeit hat, doch müssen diese Elemente selbsttragend sein, bis der elektrisch isolierende Füller um die Elemente herum angeordnet ist. Die Heizelemente müssen deshalb nicht bei Betriebstemperaturen selbsttragend sein, weil die Reibung innerhalb des elektrisch isolierenden Füllers eine vertikale Abstützung für die Elemente erzeugt.

Claims (11)

  1. Bohrlochheizeinrichtung, mit: einer Heizelementkonfiguration (1); und einem elektrisch isolierenden Material (3), welches die Heizelementkonfiguration (1) umgibt; wobei die Bohrlochheizeinrichtung keine Metallauskleidung aufweist, die zwischen der Heizelementkonfiguration (1) und der das Bohrloch umgebenden, zu erhitzenden Erde angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelementkonfiguration (1) ringförmig ist und elektrische Widerstandsheizelemente aufweist, die aus der Gruppe gewählt sind, welche ein ringförmiges poröses Metallblech, eine oder mehrere gerundete und/oder expandierte Metallplatten und ein Drahtgitter umfaßt.
  2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die ringförmige Heizelementkonfiguration (1) zumindest ein expandiertes Blech aufweist, welches gerundet ist, um mit einem Teil der Wand des Bohrloches im wesentlichen übereinzustimmen.
  3. Heizeinrichtung nach Anspruch 2, bei welcher eine Vielzahl von expandierten geschlitzten Metallblech-Heizelementen (1) vorgesehen ist, und jedes expandierte geschlitzte Metallblech von den anderen expandierten geschlitzten Metallblechen getrennt ist.
  4. Heizeinrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Vielzahl von expandierten Metallblechen (1) am unteren Ende (6) elektrisch miteinander verbunden ist.
  5. Heizeinrichtung nach Anspruch 4, die ferner eine Energieversorgung (5) zu jedem der expandierten Metallbleche an einem oberen Ende aufweist, und bei welcher jede der Energieversorgungen elektrische Energie mit einer unterschiedlichen Phase zuführt.
  6. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das elektrisch isolierende Material (3) Sand umfaßt.
  7. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das elektrisch isolierende Material (3) Zement umfaßt.
  8. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher eine Vielzahl von expandierten Metallheizelementen (1) vorgesehen ist, und die Vielzahl von Heizelementen an dem Zuführende elektrisch an unterschiedliche Phasen elektrischer Wechselstromenergie angeschlossen ist, und am Erdungsende elektrisch an eine gemeinsame Erdung angeschlossen ist.
  9. Verfahren zum Erhitzen eines Teiles der Erde, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Vorsehen eines Bohrloches innerhalb des zu erhitzenden Erdteiles; Anordnung einer Heizelementkonfiguration (1) innerhalb des Bohrloches; und Abstützen der Heizelementkonfiguration (1) innerhalb des Bohrloches mit elektrisch isolierendem Material, wobei ei ne Metallauskleidung zwischen der Heizelementkonfiguration und der zu erhitzenden Erde nicht vorgesehen ist; dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelementkonfiguration ringförmig ist und sie elektrische Widerstandsheizelemente aufweist, die aus der Gruppe gewählt sind, welche aus einem ringförmigen porösen Metallblech, einer oder mehreren gerundeten und/oder expandierten Metallplatten und einem Drahtgitter besteht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, welches ferner den Schritt aufweist, daß ein elektrischer Strom durch die Heizelementkonfiguration geleitet wird, indem der elektrische Strom von dem Heizelement zu dem Teil der zu erhitzenden Erde mit einer Stromstärke geleitet wird, die ausreicht, um flüssiges Wasser von dem elektrischen Isoliermaterial zu entfernen; und daß die an die Heizelementkonfiguration angelegte Spannung erhöht wird, wenn der Widerstand durch die elektrische Heizelementkonfiguration zunimmt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem eine Vielzahl von Heizelementen vorgesehen ist; wobei alle Heizelemente am unteren Ende der Heizelemente elektrisch miteinander verbunden sind; und am oberen Ende der Heizelemente unterschiedliche Phasen elektrischer Energie an die Heizelemente angelegt werden.
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