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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Heizverfahren und eine
Vorrichtung, die sich für
ein Bohrloch eignen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Ausführungsform
einer Heizeinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung innerhalb eines Bohrloches.
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Die 2A, 2B und 2C zeigen
Details eines elektrischen Kabels, das an die Oberseite einer Heizeinrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung befestigt ist.
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3 zeigt
eine Vorrichtung zum Installieren der Heizeinrichtung gemäß der Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Alternativ
könnten
die Heizelemente mit einer oder mehreren korrosionsfesten Metallflächen oder
einer Feuerfestfläche
beschichtet sein, um zusätzliche
elektrische Isolation und Schutz zu schaffen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.