Высокопрочные сплавы

Высокопрочные сплавы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Правительство США имеет определенные права на это изобретение в соответствии с соглашением №ERD-05-2516 между UT-Battelle LLC, работающей по генеральному контракту №DE-ACО5-00OR22725 для Министерства энергетики и Shell Exploration and Production Company.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в основном к композициям металлов. В частности, изобретение относится к сплавам металлов, обладающих высокой прочностью при высоких и/или низких температурах.

Уровень техники

Углеводороды, получаемые из подземных пластов, часто используются в качестве энергетических ресурсов, в качестве исходного сырья и в качестве потребительских продуктов. Беспокойство по поводу истощения имеющихся углеводородных ресурсов и беспокойство по поводу снижения качества добываемых углеводородов в целом привело к разработке процессов более эффективного извлечения, обработки и/или использования имеющихся углеводородных ресурсов. Для удаления углеводородных материалов из подземных пластов можно использовать процессы, проводимые in situ. Для обеспечения облегченного удаления углеводородного материала из подземного пласта может потребоваться изменение химических и/или физических свойств углеводородного материала в подземном пласте. Химические и физические свойства могут включать в себя реакции in situ, которые дают удаляемые флюиды, изменения композиций, изменения растворимости, изменения плотности, фазовые изменения и/или изменения скорости углеводородного материала в пласте. Флюид может быть, но не в ограничительном смысле, газом, жидкостью, эмульсией, суспензией и/или потоком твердых частиц, которые имеют характеристики течения, аналогичные течению жидкости.

В пласте может быть сформирован ствол скважины. В некоторых вариантах осуществления, в стволе скважины может быть размещена или сформирована обсадная труба или другая система трубопроводов. В некоторых вариантах осуществления, в стволе скважины можно использовать трубу, сворачиваемую в бухту и расправляемую. Нагреватели могут быть установлены в стволах скважин для нагрева пласта во время проведения процесса in situ.

Приложение нагрева к пластам горючих сланцев описано в патентах США №2923535 (Ljungstrom) и 4886118 (Van Mews и др.). К пласту горючих сланцев можно прикладывать нагрев, чтобы провести пиролиз керогена в пласте. Нагрев может также приводить к разрыву пласта, увеличивая проницаемость пласта. Повышенная проницаемость может обеспечить движение пластового флюида в эксплуатационную скважину, по которой флюид удаляется из пласта горючих сланцев. Например, в некоторых процессах, которые описал Ljungstrom, кислородсодержащую газовую среду вводят в проницаемый слой, предпочтительно еще горячий после этапа предварительного нагрева, чтобы инициировать сгорание.

Для нагрева подземного пласта можно использовать источник тепла. Для нагрева подземного пласта посредством излучения и/или проводимости, можно использовать электрические нагреватели. Электрический нагреватель может осуществлять резистивный нагрев элемента. В патентах США №2548360 (Germain), 4716960 (Eastlund и др.) и 5065818 (Van Egmond) описан электрический нагревательный элемент, находящийся в стволе скважины. В патенте США №6023554 (Vinegar и др.) описан электрический нагревательный элемент, который расположен в обсадной трубе. Этот нагревательный элемент генерирует излучаемую энергию, которая нагревает обсадную трубу.

В патент США №4570715 (Van Meurs и др.) описан электрический нагревательный элемент. Этот нагревательный элемент имеет электропроводную жилу, окружающий слой изолирующего материала и окружающую металлическую оболочку. Электропроводная жила может иметь относительно низкое сопротивление при высоких температурах. Изолирующий материал может иметь электрическое сопротивление, предел прочности при сжатии и свойства теплопроводности, которые относительно высоки при высоких температурах. Изолирующий слой может препятствовать дугообразованию от жилы к металлической оболочке. Металлическая оболочка может иметь предел прочности при растяжении и свойства сопротивления ползучести, которые относительно высоки при высоких температурах. В патенте США №5060287 (Van Egmond) описан электрический нагревательный элемент, имеющий жилу из медно-никелевого сплава.

Нагреватели можно изготавливать из ковких нержавеющих сталей. В патенте США №7153373 (Maziasz и др.) и публикации заявки США №2004/0191109 США (Maziasz и др.) в качестве материала микроструктур либо листов и фольги мелкозернистой структуры, получаемых в результате литья, описана модифицированная нержавеющая сталь марки 237.

Как подчеркивалось выше, предприняты значительные усилия с целью разработки нагревателей, способов и систем для экономичной добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из углеводородсодержащих пластов. Однако в настоящее время по-прежнему существует много углеводородсодержащих пластов, экономичная добыча углеводородов, водорода и/или других продуктов из которых невозможна. Таким образом, существует потребность в улучшенных металлах для нагревателей, подлежащих использованию в способах и системах для добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных углеводородсодержащих пластов.

Сущность изобретения

Варианты осуществления, описываемые здесь, относятся в основном к одной или более композициям металлов. В некоторых вариантах осуществления, описаны системы и способы, предусматривающие использование материалов, содержащих эти композиции металлов.

В некоторых вариантах осуществления, состав сплава металлов может включать в себя от 18 мас.% до 22 мас.% хрома, от 5 мас.% до 13 мас.% никеля, между 3 мас.% и 10 мас.% меди, от 1 мас.% до 10 мас.% марганца, от 0,3 мас.% до 1 мас.% кремния, от 0,5 мас.% до 1,5 мас.% ниобия, от 0,5 мас.% до 2 мас.% вольфрама и от 38 мас.% до 63 мас.% железа.

В некоторых вариантах осуществления, состав сплава металлов может включать в себя от 18 мас.% до 22 мас.% хрома, от 5 мас.% до 9 мас.% никеля, от 1 мас.% до 6 мас.% меди, от 0,5 мас.% до 1,5 мас.% ниобия, от 1 мас.% до 10 мас.% марганца, от 0,5 мас.% до 1,5 мас.% вольфрама, от 36 мас.% до 74 мас.% железа и нанонитридные выделения, при этом соотношение вольфрама и меди находится между примерно 1/10 и 10/1.

В некоторых вариантах осуществления, в изобретении описана система нагревателя, которая может включать в себя теплогенерирующий элемент и корпус, окружающий теплогенерирующий элемент, по меньшей мере, частично выполненный из материала, содержащего от 18 мас.% до 22 мас.% хрома, от 5 мас.% до 14 мас.% никеля, от 1 мас.% до 10 мас.% меди, от 0,5 мас.% до 1,5 мас.% ниобия, от 36 мас.% до 70,5 мас.% железа и выделения нанонитридов.

В некоторых вариантах осуществления, в изобретении описана система для нагрева подземного пласта, содержащая трубу, а эта труба, по меньшей мере, частично выполнена из материала, содержащего от 18 мас.% до 22 мас.% хрома, от 10 мас.% до 14 мас.% никеля, от 1 мас.% до 10 мас.% меди, от 0,5 мас.% до 1,5 мас.% ниобия, от 36 мас.% до 70,5 мас.% железа и выделения нанонитридов.

В дополнительных вариантах осуществления, признаки из конкретных вариантов осуществления могут быть объединены с признаками из других вариантов осуществления. Например, признаки из одного варианта осуществления могут быть объединены с признаками любого из других вариантов осуществления.

В дополнительных вариантах осуществления, обработка подземного пласта осуществляется с использованием любого (любой) из способов, систем или нагревателей, описываемых здесь.

В дополнительных вариантах осуществления возможно внесение дополнительных признаков в описываемые здесь конкретные варианты осуществления.

Краткое описание чертежей

Преимущества настоящего изобретения могут стать очевидными для специалистов в данной области техники, ознакомившихся с нижеследующим подробным описанием, приводимым со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:

на фиг.1 показано схематическое изображение варианта участка системы термической обработки в условиях пласта, предназначенной для обработки углеводородсодержащего пласта;

на фиг.2 изображены экспериментальные расчеты выражаемых в массовых процентах долей фаз в зависимости от выражаемой в массовых процентах доли хрома в сплаве;

на фиг.3 изображены экспериментальные расчеты выражаемых в массовых процентах долей фаз в зависимости от выражаемой в массовых процентах доли кремния в сплаве;

на фиг.4 изображены экспериментальные расчеты выражаемых в массовых процентах долей фаз в зависимости от выражаемой в массовых процентах доли вольфрама в сплаве;

на фиг.5 изображены экспериментальные расчеты выражаемых в массовых процентах долей фаз в зависимости от выражаемой в массовых процентах доли ниобия в сплаве;

на фиг.6 изображены экспериментальные расчеты выражаемых в массовых процентах долей фаз в зависимости от выражаемой в массовых процентах доли углерода в сплаве;

на фиг.7 изображены экспериментальные расчеты выражаемых в массовых процентах долей фаз в зависимости от выражаемой в массовых процентах доли азота в сплаве;

на фиг.8 изображены экспериментальные расчеты выражаемых в массовых процентах долей фаз в зависимости от выражаемой в массовых процентах доли титана в сплаве;

на фиг.9 изображены экспериментальные расчеты выражаемых в массовых процентах долей фаз в зависимости от выражаемой в массовых процентах доли меди в сплаве;

на фиг.10 изображены экспериментальные расчеты выражаемых в массовых процентах долей фаз в зависимости от выражаемой в массовых процентах доли марганца в сплаве;

на фиг.11 изображены экспериментальные расчеты выражаемых в массовых процентах долей фаз в зависимости от выражаемой в массовых процентах доли никеля в сплаве;

на фиг.12 изображены экспериментальные расчеты выражаемых в массовых процентах долей фаз в зависимости от выражаемой в массовых процентах доли молибдена в сплаве;

на фиг.13 изображены пределы текучести и пределы прочности при растяжении для разных металлов;

на фиг.14 изображены пределы текучести для разных металлов;

на фиг.15 изображены пределы прочности при растяжении для разных металлов;

на фиг.16 изображены пределы текучести для разных металлов;

на фиг.17 изображены пределы прочности при растяжении для разных металлов.

Хотя в изобретение можно внести модификации и воплотить его в альтернативных формах, конкретные варианты его осуществления показаны в качестве примера на чертежах и подробно описаны ниже. Чертежи могут быть выполнены не в масштабе. Вместе с тем, следует понять, что чертежи и их подробное описание не предназначено для ограничения изобретения описываемой конкретной формой осуществления, а наоборот, нужно считать изобретение охватывающим все модификации, эквиваленты и альтернативы, находящиеся в рамках существа и объема притязаний настоящего изобретения, ограничиваемых прилагаемой формулой изобретения.

Осуществление изобретения

Нижеследующее описание относится в основном к системам и способам обработки углеводородов в пластах. Такие пласты можно обрабатывать для получения углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.

Термин «переменный ток (ПТ)» относится к изменяющемуся во времени току, который меняет направление, по существу, синусоидально. ПТ обеспечивает поток электрических зарядов при наличии скин-эффекта в ферромагнитном проводнике.

Термин «выражаемая в градусах API плотность» относится к плотности, выражаемой в градусах Американского нефтяного института при 15°С (60°F). Выражаемая в градусах API плотность определяется методом D6822 Американского общества по испытанию материалов (ASTM).

Термины «неизолированный металл» и «оголенный металл» относятся к металлам удлиненных элементов, которые не включают в себя слой электрической изоляции, такой как минеральная изоляция, который предназначен для обеспечения электрической изоляции металла по всему диапазону рабочей температуры удлиненного элемента. Неизолированный металл и оголенный металл могут содержать металл, включающий ингибитор коррозии, такой как природный залегающий окислительный слой, созданный окислительный слой и/или пленку. Неизолированный металл и оголенный металл включают в себя металлы с полимерной электрической изоляцией или электрической изоляцией других типов, которая не может сохранить электроизолирующие свойства при типичной рабочей температуре удлиненного элемента. Такой материал может находиться на металле и может подвергаться обуславливаемому температурой ухудшению качества во время использования нагревателя.

Термин «углеродное число» относится к количеству атомов углерода в молекуле. Углеводородный флюид может включать в себя различные углеводороды с разными углеродными числами. Углеводородный флюид можно описать распределением углеродных чисел. Углеродные числа и/или распределения углеродных чисел можно определить по распределению истинных точек кипения и/или с помощью газожидкостной хроматографии.

Термины «элемент столбца X» или «элементы столбца X» относятся к одному или более элементам столбца Х периодической системы элементов и/или к одному или более соединениям одного или более элементов столбца Х периодической системы элементов, где Х соответствует номеру столбца (например, 13-18) периодической системы элементов. Например, термин «элементы столбца 15» относится к элементам из столбца 15 периодической системы элементов и/или соединениям одного или более элементов из столбца 15 периодической системы элементов.

«Температура Кюри» - это температура, выше которой ферромагнитный материал теряет все свои ферромагнитные свойства. Помимо потери всех своих ферромагнитных свойств при температуре выше температуры Кюри, ферромагнитный материал начинает утрачивать свои ферромагнитные свойства, когда через этот ферромагнитный материал пропускается возрастающий электрический ток.

«Давление флюида» - это давление, создаваемое флюидом в пласте. «Литостатическое давление» (иногда называемое «литостатическим механическим напряжением») это давление в пласте, равное весу вышележащей массы горной породы, приходящемуся на единицу площади. «Гидростатическое давление» - это в пласте, подвергающемся воздействию столба воды.

Термин «пласт» включает в себя один или более углеводородных слоев, один или более неуглеводородных слоев, покрывающую породу и/или нижележащую породу. «Углеводородные слои» относятся к слоям в пласте, которые содержат углеводороды. Углеводородные слои могут содержать неуглеводородный материал и углеводородный материал. Термины «покрывающая порода и/или нижележащая порода» включают в себя один или более разных типов непроницаемых материалов. Например, покрывающая порода и/или нижележащая порода, могут включать в себя скальную породу, сланец, аргиллит или влажный/плотный карбонат. В некоторых вариантах осуществления процессов термической обработки in situ покрывающая порода и/или нижележащая порода могут включать в себя углеводородсодержащие слои (слой), которые относительно непроницаемы и не подвержены воздействию температур во время процессов термической обработки in situ, что приводит к изменениям важных характеристик углеводородсодержащих слоев материала, покрывающей породы и/или нижележащей породы. Например, материал нижележащей породы может содержать сланец или аргиллит, но этот материал нижележащей породы не может обеспечивать нагрев до температур пиролиза во время процесса термообработки in situ. В некоторых случаях материал покрывающей породы и/или материал нижележащей породы могут быть в некоторой степени проницаемыми.

Термин «пластовые флюиды» относится к флюидам, присутствующим в пласте, и может включать в себя флюиды пиролизации, синтез-газ, мобилизованный углеводород и воду (водяной пар). Пластовые флюиды могут включать в себя углеводородные флюиды, а также неуглеводородные флюиды. Термин «мобилизованный флюид» относится к флюидам в углеводородсодержащем пласте, которые оказываются способными течь в результате термической обработки пласта. Термин «добываемые флюиды» относится к флюидам, добываемым из пласта.

«Источник тепла» - это любая система для обеспечения нагрева, по меньшей мере, участка пласта посредством теплопередачи за счет теплопроводности и/или излучения тепла. Например, источник тепла может включать в себя электрические нагреватели, такие как изолированный проводник, удлиненный элемент и/или проводник, расположенный в трубе. Источник тепла может также включать в себя системы, которые генерируют тепло за счет сгорания топлива снаружи или внутри пласта. Эти системы могут быть поверхностными нагревателями, скважинными газовыми горелками, камерами беспламенного сгорания с распределенными параметрами и камерами естественного сгорания с распределенными параметрами. В некоторых вариантах осуществления, тепло, создаваемое в одном или более источников тепла или генерируемое в нем или в них, можно подводить посредством других источников энергии. Другие источники энергии могут обеспечивать прямой нагрев пласта, или энергия может подаваться в передающую среду, которая обеспечивает прямой или косвенный нагрев пласта. Понятно, что один или более источников тепла, которые подают тепло в пласт, могут использовать разные источники энергии. Так, например, для заданного пласта некоторые источники тепла могут подавать тепло из электрических резистивных нагревателей, некоторые источники тепла могут подводить тепло сгорания, а некоторые источники тепла могут подводить тепло еще одного или нескольких других источников энергии (например, химических реакций, солнечной энергии, энергии ветра, биомассы или других источников возобновляемой энергии). Химическая реакция может включать в себя экзотермическую реакцию (например, реакцию окисления). Источник тепла может также включать в себя нагреватель, который подводит тепло в зону, расположенную вблизи или вокруг места нагрева, такую как скважина, в которой находится нагреватель.

«Нагреватель» - это любая система или любой источник тепла в скважине или области около ствола скважины. Нагреватели могут быть, но не в ограничительном смысле, электрическими нагревателями, горелками, камерами сгорания, которые реагируют с материалом, находящимся в пласте или добываемым из него, и/или их комбинациями.

«Тяжелые углеводороды» - это вязкие углеводородные флюиды. Тяжелые углеводороды могут включать в себя очень вязкие углеводородные флюиды, такие как тяжелая нефть, гудрон и/или асфальт. Тяжелые углеводороды могут включать в себя углерод и водород, а также меньшие концентрации серы, кислорода и азота. В тяжелых водородах также могут присутствовать дополнительные элементы в ничтожных количествах. Тяжелые углеводороды можно классифицировать по выражаемой в градусах API плотности. Тяжелые углеводороды обычно имеют плотность ниже 20° API. Например, тяжелая нефть обычно имеет плотность 10-20° API, тогда как гудрон обычно имеет плотность ниже 10° API. Вязкость тяжелых углеводородов обычно превышает 100 сантипуаз при 15°С. Тяжелые углеводороды могут включать в себя ароматические соединения или другие сложные циклические углеводороды.

Тяжелые углеводороды могут находиться в относительно проницаемом пласте. Относительно проницаемый пласт может включать в себя тяжелые углеводороды, вовлеченные, например, в песок или карбонат.Термин «относительно проницаемый» определяется по отношению к пластам или их участкам как обуславливающий среднюю проницаемость 10 миллидарси или более (например, 10 или 100 миллидарси). «Относительно низкая проницаемость» определяется по отношению к пластам или их участкам как средняя проницаемость менее 10 миллидарси. Один дарси равен 0,99 квадратного микрометра. Непроницаемый слой обычно имеет проницаемость менее 0,1 миллидарси.

Тяжелыми углеводородами, входящими в состав пластов некоторых типов, могут быть, но не в ограничительном смысле, природные минеральные парафины или природные асфальтиты. «Природные минеральные парафины», как правило, присутствуют, по существу, в трубчатых жилах, которые могут иметь ширину несколько метров, длину несколько километров и глубину, составляющую сотни метров. «Природные асфальтиты» включают в себя твердые ароматические углеводороды и, как правило, появляются в больших жилах. Проводимое in situ извлечение углеводородов, например природных минеральных парафинов и природных асфальтитов, из пластов может предусматривать расплавление для образования жидких углеводородов и/или добычу углеводородов из пластов посредством растворения.

«Углеводороды» в общем случае определяются как вещества, молекулы которых образованы в основном атомами углерода и водорода. Углеводороды также могут включать в себя другие элементы, такие как, но не в ограничительном смысле, галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или сера. Углеводороды могут быть, но не в ограничительном смысле, керогеном, битумом, пиробитумом, разновидностями нефти, природными минеральными парафинами и асфальтитами. Углеводороды могут находиться в матрицах минералов или рядом с этими матрицами в почве. Матрицы могут включать в себя, но не в ограничительном смысле, осадочную породу, пески, силицилиты, карбонаты, диатомиты и другие пористые среды. «Углеводородные флюиды» - это флюиды, которые включают в себя углеводороды. Углеводородные флюиды могут увлекать с собой неуглеводородные флюиды или их могут увлекать неуглеводородные флюиды, такие как водород, азот, монооксид углерода, диоксид углерода, сульфид водорода, вода и аммиак.

Термин «процесс конверсии in situ» относится к процессу нагрева углеводородсодержащего пласта с помощью источников тепла для подъема температуры, по меньшей мере, участка пласта выше температуры пиролиза, вследствие чего в пласте образуется флюид пиролизации.

Термин «процесс термической обработки in situ» относится к процессу нагрева углеводородсодержащего пласта с помощью источников тепла для подъема температуры, по меньшей мере, участка пласта выше температуры, в результате чего является мобилизованный флюид, легкий крекинг и/или пиролиз углеводородсодержащего материала, и поэтому в пласте происходит образование мобилизованных флюидов, флюидов легкого крекинга и/или флюидов пиролизации.

Термин «изолированный проводник» относится к удлиненному материалу, который способен проводить электричество и который покрыт, полностью или частично, электроизолирующим материалом.

«Кероген» - это твердый, нерастворимый углеводород, который подвергся конверсии за счет естественного разложения и который содержит в основном углерод, водород, азот, кислород и серу. Типичными примерами материалов, которые содержат кероген, являются уголь и горючий сланец. «Битум» - это некристаллический твердый или вязкий углеводородный материал, который является, по существу, нерастворимым в дисульфиде углерода. «Нефть» - это флюид, содержащий смесь конденсируемых углеводородов.

Термин «модулированный постоянный ток (ПоТ)» относится к любому, по существу, несинусоидальному, изменяющемуся во времени току, который обеспечивает поток электрических зарядов при наличии скин-эффекта в ферромагнитном проводнике.

Термин «нитрид» относится к соединению азота и одного или более других элементов периодической системы элементов. Нитриды включают в себя, но не в ограничительном смысле, нитрид кремния, нитрид тора или нитрид алюминия.

Термин «периодическая система элементов» относится к периодической системе элементов, утвержденной Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAK) в ноябре 2003 г. В рамках этого описания, масса металла из периодической системы элементов, масса соединения металла из периодической системы элементов, масса элемента из периодической системы элементов или масса соединения элемента из периодической системы элементов рассчитывается как масса металла или масса элемента. Например, если используется 0,1 грамма МоО₃ на грамм катализатора, то масса металла, молибдена, в катализаторе составляет 0,067 грамма на грамм катализатора.

«Пиролиз» - это разрыв химических связей благодаря приложению нагрева. Например, пиролиз может включать в себя превращение соединения в одно или более других веществ только за счет тепла. Чтобы вызвать пиролиз, можно передавать тепло в секцию пласта.

Термин «флюиды пиролизации» или «продукты пиролиза» относится к флюидам, получающимся, по существу, во время пиролиза углеводородов. Флюид, получаемый посредством реакций пиролиза, может быть смешан с другими флюидами в пласте. Эту смесь и следует рассматривать как флюид пиролизации или продукт пиролиза. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «зона пиролиза» относится к объему пласта (например, относительно проницаемого пласта, такого, как пласт битуминозных песков), который вступает в реакцию или реагирует, образуя флюид пиролизации.

«Оседание» - это движение вниз участка пласта относительно исходного возвышения поверхности.

«Гудрон» - это вязкий углеводород, который в общем случае имеет вязкость более 10000 сантипуаз при 15°С. Удельный весь гудрона в общем случае превышает 1,000. Гудрон может иметь плотность менее 10° API.

«Пласт битуминозных песков» - это пласт, в котором углеводороды присутствуют главным образом в форме тяжелых углеводородов и/или гудрона, вовлеченных в зернистую структуру минералов или другую основную литологию (например, песок или карбонат). Примеры пластов битуминозных песков включают в себя такие пласты, как пласт месторождения Atabasca, пласт месторождения Grosmont и пласт месторождения Peace Rive (все они находятся в провинции Альберта, Канада), а также пласт месторождения Faja в поясе Ориноко в Венесуэле.

Термин «нагреватель с ограничением температуры» в общем случае относится к нагревателю, который регулирует отводимое тепло (например, уменьшает отводимое тепло) при температуре выше заданной температуры без использования внешних средств управления, таких как контроллеры температуры, регуляторы мощности, выпрямители или другие устройства. Нагреватели с ограничением температуры могут быть электрическими резистивными нагревателями, запитываемыми переменным током (ПТ) или модулированным (например, «срезанным») постоянным током (ПоТ).

«Теплопроводность» - это свойство материала, которое описывает скорость, с которой тепло протекает в статическом состоянии между двумя поверхностями материала при заданной разности температур между этими двумя поверхностями.

Термин «термический разрыв» относится к разрывам, создаваемым в пласте и обуславливаемым расширением либо сжатием пласта и/или флюидов в пласте, которое в свою очередь обуславливается увеличением либо уменьшением температуры пласта и/или флюидов в пласте и/или увеличением либо уменьшением давления флюидов в пласте из-за нагрева.

Термин «изменяющийся во времени ток» относится к электрическому току, который обеспечивает поток электрических зарядов при наличии скин-эффекта в ферромагнитном проводнике и имеет амплитуду, которая изменяется со временем. Измеряющийся во времени ток включает в себя переменный ток (ПТ) и модулированный постоянный ток (ПоТ).

«Отношение пределов диапазона изменения параметров» - это отношение наибольшего сопротивления по переменному току или модулированному постоянному току при температуре ниже температуры Кюри и наименьшего сопротивления при температуре выше температуры Кюри для заданного тока.

Термин «ствол скважины» относится к скважине в пласте, созданной посредством бурения или введения трубы в пласт. Ствол скважины может иметь, по существу, круглое поперечное сечение или другую форму поперечного сечения. В том смысле, в каком они употребляются здесь, термины «скважина» и «отверстие», когда они употребляются применительно к отверстию в пласте, можно использовать взаимозаменяемо с термином «ствол скважины».

На фиг.1 схематически показан вариант участка системы термической обработки in situ, предназначенной для обработки углеводородсодержащего пласта. Система обработки in situ может включать в себя барьерные скважины 200. Барьерные скважины используются для образования барьера вокруг зоны обработки. Барьер препятствует протеканию флюида в зону обработки и из нее. Барьерные скважины включают в себя, но не в ограничительном смысле, водопонижающие скважины, вакуумные скважины, улавливающие скважины, нагнетательные скважины, цементировочные скважины, замороженные скважины или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления барьерные скважины 200 являются водопонижающими скважинами. Водопонижающие скважины могут удалять воду из участка пласта, подлежащего нагреву, или нагреваемого пласта, и/или препятствовать попаданию воды на такой участок или в такой пласт. В варианте осуществления, изображенном на фиг.1, барьерные скважины 200 показаны проходящими только вдоль одной стороны источников 202 тепла, но в типичном случае барьерные скважины окружают все источники 202 тепла или должны использоваться для нагрева зоны обработки пласта.

Источники 202 тепла находятся, по меньшей мере, на участке пласта. Источники 202 тепла могут включать в себя нагреватели, такие как изолированные проводники, поверхностные горелки, камеры беспламенного сгорания с распределенными параметрами и камеры естественного сгорания с распределенными параметрами. Источники 202 тепла подводят тепло, по меньшей мере, к участку пласта для нагрева углеводородов в пласте. Энергию в источники 202 тепла можно подавать по линиям 204 питания. Линии 204 питания могут быть конструктивно разными в зависимости от типа источника тепла или источников тепла, используемого или используемых для нагрева пласта. Линии 204 питания для источников тепла могут передавать электричество для электрических нагревателей, могут транспортировать топливо для камер сгорания или могут транспортировать теплообменную текучую среду, которая циркулирует в пласте. В некоторых вариантах осуществления, электричество для процесса термической обработки in situ можно обеспечивать посредством атомной электростанции или атомных электростанций. Использование атомной энергии может обеспечить уменьшение или исключение выбросов диоксида углерода, обусловленных процессом термической обработки в условиях пласта.

Когда пласт нагревают, тепло, подводимое в пласт, может вызвать расширение пласта и геомеханическое движение. Источники тепла включают до процесса понижения воды, одновременно с его началом или во время него. Реакцию пласта на нагрев можно моделировать с помощью компьютерных имитационных экспериментов. Компьютерные имитационные эксперименты можно использовать для разработки структуры и временной последовательности активации источников тепла в пласте таким образом, чтобы геомеханическое движение пласта не оказывало негативное влияние на функциональные возможности источников тепла, эксплуатационных скважин и другого оборудования в пласте.

Нагрев пласта может вызывать увеличение проницаемости и/или пористости пласта. Увеличение проницаемости и/или пористости может быть результатом уменьшения массы в пласте из-за испарения и удаления воды, удаления углеводородов и/или создания разрывов. Флюид может беспрепятственно течь на нагретом участке пласта ввиду увеличенной проницаемости и/или пористости пласта. Флюид на нагретом участке пласта может перемещаться на значительное расстояние по пласту ввиду увеличенной проницаемости и/или пористости пласта. Упомянутое значительное расстояние может составлять более 1000 м в зависимости от различных факторов, таких как проницаемость пласта, свойства флюида, температура пласта и градиент давления, обеспечивающий движение флюида. Способность флюида перемещаться на значительное расстояние в пласте обеспечивает возможность располагать эксплуатационные скважины 206 относительно далеко друг от друга в пласте.

Эксплуатационные скважины 206 используются для удаления пластовых флюидов из пласта. В некоторых вариантах осуществления, эксплуатационная скважина 206 включает в себя источник тепла. Источник тепла в эксплуатационной скважине может нагревать один или несколько участков пласта в эксплуатационной скважине или около нее. В некоторых вариантах осуществления процесса термической обработки in situ, количество тепла, подводимого к пласту из эксплуатационной скважины, приходящееся на метр эксплуатационной скважины, меньше, чем количество тепла, подаваемого в пласт из источника тепла, который нагревает пласт, приходящееся на метр источника тепла. Тепло, подаваемое в скважину, может увеличивать проницаемость пласта рядом с эксплуатационной скважиной путем испарения и удаления флюида в жидкой фазе рядом с эксплуатационной скважиной и/или путем увеличения проницаемости пласта рядом с эксплуатационной скважиной за счет формирования макро- и/или микроразрывов.

В эксплуатационной скважине можно располагать более одного источника тепла. Источник тепла на нижнем участке эксплуатационной скважины можно отключать, когда суперпозиция тепла из соседних источников питания достаточно нагревает пласт, чтобы можно было пренебречь воздействием этого отключения на преимущество, обеспечиваемое нагревом пласта с помощью эксплуатационной скважины. В некоторых вариантах осуществления, источник тепла на верхнем участке скважины можно оставлять включенным после деактивации источника тепла на нижнем участке скважины. Источник тепла на верхнем участке скважины может препятствовать конденсации и обратному течению потока флюида.

В некоторых вариантах осуществления, источник тепла в эксплуатационной скважине 206 обеспечивает удаление паровой фазы пластовых флюидов из пласта. Обеспечение нагрева эксплуатационной скважины или в эксплуатационной скважине может: (1) препятствовать конденсации и/или обратному течению добываемого флюида, когда добываемый флюид движется в эксплуатационной скважине вблизи покрывающей породы; (2) увеличивать тепло, вводимое в пласт; (3) увеличивать темп добычи из эксплуатационной скважины по сравнению с эксплуатационной скважиной без источника тепла; (4) препятствовать конденсации соединений с большим углеродным числом (С₆ и более) в эксплуатационной скважине; и/или (5) увеличивать проницаемость пласта в эксплуатационной скважине или вблизи нее.

Подземное давление в пласте может соответствовать давлению флюида, создаваемому в пласте. Когда температуры на нагреваемом участке пласта увеличиваются, давление на нагреваемом участке может увеличиваться в результате интенсифицированного образования флюида и испарения воды. Управление скоростью удаления флюида может обеспечить управление давлением в пласте. Давление в пласте можно определять в ряде разных мест, таких как около эксплуатационных скважин или вблизи них, около источников тепла или в них, либо в контрольных скважинах. В некоторых углеводородсодержащих пластах добыча углеводородов из пласта замеряется до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторые углеводороды в пласте не окажутся пиролизованными. Пластовые флюиды можно добывать из пласта, когда эти пластовые флюиды обладают выбранным качеством. В некоторых вариантах осуществления, выбранное качество включает в себя плотность, составляющую, по меньшей мере, 20°, 30° или 40° API. Замедление добычи до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторые углеводороды в пласте не окажутся пиролизованными, может увеличивать конверсию тяжелых углеводородов в легкие углеводороды. Начальная задержка добычи может минимизировать добычу тяжелых углеводородов из пласта. Добыча существенных количеств тяжелых углеводородов может потребовать наличия дорогостоящего оборудования и/или обусловить снижение строка службы эксплуатационного оборудования.

В некоторых углеводородсодержащих пластах, углеводороды в пласте можно нагревать до температур пиролиза перед тем, как на нагретом участке пласта будет достигнута существенная проницаемость. Начальный недостаток проницаемости может препятствовать транспортировке образующихся флюидов к эксплуатационной скважине 206. Во время начального нагрева да