波纹加热导管和用其减轻热膨胀和沉降的方法

专利名称：波纹加热导管和用其减轻热膨胀和沉降的方法
波纹加热导管和用其减轻热膨胀和沉降的方法相关申请本申请要求美国临时申请No. 61/152，150的权益，该临时申请提交于2009年 2 月 12 日，题目为"Corrugated Heating Conduit and Method of Using in Thermal Expansion and Subsidence Mitigation”，其通过引用完整地合并在此。
背景技术：
尽管价格增加以及其他经济和地理政治因素，对化石燃料的全球和国内需求持续上升。随着此类需求持续上升，对探测另外经济可行的化石燃料来源的研究和调查相应增加。历史上，许多人已意识到，例如贮存在油页岩、煤和浙青砂矿床中的大量能源。然而，就经济竞争性回收而言，这些来源一直是有难度的挑战。加拿大浙青砂已显示，此种努力可以是富有成效的，但仍存在许多挑战，包括尤其是对环境的影响、产品质量、生产成本和处理时间。全球油页岩储量估计为2万亿至近7万亿桶油，这取决于估计的来源。无论如何， 这些储量代表巨大的容量，并且仍然是基本未开发的资源。许多公司和调查者不断研究和测试从此种储量中回收油的方法。在油页岩工业中，提取方法包括由爆炸产生地下碎屑竖筒(chimney)、原位方法如原位转化工艺(ICP)法(壳牌石油公司SieUOil)、在钢制造的蒸馏炉中加热。其它方法包括原位射频法(微波)和“改良的”原位工艺，其中已经结合地下采矿、爆破和蒸馏以便从地层制造碎屑从而可以改善传热和产品除去。在典型的油页岩工艺中，所有工艺都面临经济和环境因素的权衡。目前没有工艺能单独满足经济、环境和技术挑战。而且，全球变暖问题引发解决与此种工艺相关的二氧化碳(CO2)排放的另外的措施。需要实现环境管理(environmental stewardship)，又提供高容量节省成本的油生产的方法。地下原位概念的出现基于它们在避免采矿成本的同时产生高容量的能力。虽然可以实现因避免采矿而产生的成本节约，但由于固体油页岩极低的导热性和高的比热，所以原位方法需要加热地层较长的时间段。可能任何原位工艺最大的挑战在于不确定性和可能伴随地下淡水蓄水层出现的长期潜在的水污染。在壳牌的ICP方法的情况下，“冷冻壁”用作维持蓄水层与地下处理区域之间的隔离的屏障。虽然这是可能的，但没有长期的分析证明可长期保证防止污染。在没有保证以及甚至补救措施较少的情况下，如果冷冻壁失败，就需要其它方法来解决此类环境危险。出于这个和其它原因，仍然需要可以改进适当含烃物质中烃的回收、具有可接受的经济效果并避免上述缺陷的方法和系统。

发明内容
提供了保持被掩埋的导管的结构完整性的方法，诸如用来加热被装在结构化渗透性控制基础构造中的含烃物质的可渗透体的加热导管。该方法包括获得具有波纹壁 (corrugated wall)并被配置为用于输送传热流体的加热导管，和将加热导管掩埋在含烃物质的可渗透体内一定深度处，该加热导管具有从结构化渗透性控制基础构造的边界延伸的入口端。该方法也包括将该加热导管的入口端可操作地连接到传热流体的来源，并且将该传热流体传递通过加热导管，从而将热量从传热流体转移到可渗透体同时允许波纹壁轴向压缩，并且减轻沿着加热导管的纵轴线受限制的热膨胀，并且从而使波纹管相应地弯曲并减轻由可渗透体的沉降引起的侧向应力。根据本文概括描述的另一个代表实施例，提供了将热量从传热流体转移到包含在结构化渗透性控制基础构造内的含烃物质的可渗透体中的加热导管系统。该系统包括结构化渗透性控制基础构造和包含在该控制基础构造中的含烃物质的可渗透体。该系统还包括被配置为用于输送传热流体并被掩埋在该可渗透体内一定深度处的加热导管，该加热导管具有波纹壁和从该控制基础构造的边界延伸的至少一个入口端。该系统进一步包括可操作地连接到该至少一个入口端的传热流体的来源，以便将传热流体传递通过加热导管从而将热量转移到可渗透体中，允许被掩埋的加热导管的至少一部分的波纹壁在热膨胀影响下轴向压缩，并允许被掩埋的加热导管的至少一个其它部分的波纹壁响应于该可渗透体的沉降而相应地弯曲。


根据结合后面的附图一起阐述本发明特征的详细描述，本发明特征和优点将变得明显。应理解，这些附图仅描述了示例性实施方式，而不应视为限制本发明范围。此外，容易理解，在本文附图中一般性描述和举例说明的组件可以被布置和设计在多种不同配置中。图1示出根据一个实施例的结构化渗透性控制基础构造的侧面示意性部分剖视图，该结构化渗透性控制基础构造包括含烃(hydrocarbonaceous)物质的可渗透体、热源和互连管路(piping)；图2示出根据图1所示实施例，包含在结构化渗透性控制基础构造中的含烃物质的沉降的可渗透体的侧剖视图；图3示出根据另外实施例，掩埋在可渗透体(为清晰起见而未示出)中的具有波纹壁的加热导管的透视图；图如和4b示出根据另外实施例，具有波纹壁的加热导管侧视图；图如示出根据另一个实施例，掩埋在可渗透体中的具有波纹壁的加热导管的侧剖视图；图恥和5c示出图fe所示加热导管的特写侧视图；图6a示出根据另一个实施例，掩埋在沉降的可渗透体中的具有波纹壁的加热导管侧剖视图；图6b示出图6a所示加热导管的特写侧视图；图7a示出根据另一个实施例，掩埋在沉降的可渗透体中的具有波纹壁的加热导管的侧剖视图；图7b和7c示出图7a所示加热导管的特写侧视图；和图8是描述根据又一个实施例，维持用来加热包含在结构化渗透性控制基础构造中的含烃物质的可渗透体的加热导管的结构完整性的方法的流程图。
具体实施例方式现参考示例性实施例，特定语言用来在本文中描述相同的实施例。然而，应当理解，不意在由此限制本发明范围。相关领域技术人员以及已拥有本公开的技术人员可以想到的本文所述的独创性特征的改进和进一步修改以及本文所述的本发明原理的另外应用， 应视为在本发明范围内。进一步地，在公开和描述具体实施例之前，应当理解，本发明不局限于本文公开的具体工艺和物质，因为这些在一定程度上可以变化。还应理解，本文使用的术语仅用于描述具体实施例，而不是意欲进行限制，本发明范围仅由所附权利要求及其等价物限定。限定在描述和要求保护本发明时，将使用下面术语。单数形式“一”、“一个”和“该/所述”包括复数指代，除非上下文另外明确规定。 因而，例如对“壁”的指代包括指代一种或多种此类结构，“可渗透体”包括指代一种或多种此类物质，“加热步骤”指代一个或多个此类步骤。如本文使用的，“导管”是指沿着指定距离的任何通道，其可用来从一点向另一点输送物质和/或热。虽然导管一般可以是圆形管，但其它非圆形管也可以使用，例如，椭圆形、长方形等。导管可以有利地用来将流体引入可渗透体中或从该可渗透体提取流体，进行热传递和/或输送射频装置、燃料电池机构、电阻加热器或其它装置。如本文使用的，“纵轴”是指导管或通道的长轴线或中线。如本文使用的，“横向”是指以从垂直于参考平面或参考轴的角度至与其成约45度角度的范围穿过该参考平面或参考轴线的方向。如本文使用的，“顺应地弯曲，，是指至少部分地沿着可渗透体在加热期间的沉降运动的弯曲。此种弯曲允许该导管的侧向偏斜，同时降低使导管壁破裂的风险。如本文使用的，“纵轴线热膨胀”是指沿着波纹导管长度方向的手风琴效应 (accordion effect)。当波纹是环向波纹例如螺旋形或环形时，随着该导管材料的膨胀，如果该导管可以在一端或两端自由移动，则该波纹可以使该导管总长度增大。然而，如果该导管在其长度方向是固定的，则该波纹使该纵向膨胀在个别波纹处被缓解。因而，通过允许波纹在不使导管壁完整性受损的情况下折曲(flexing)，波纹导管可以被设计用于消除线性膨胀，或至少降低与受限制的线性膨胀相关的应力。如本文使用的，“孔口(aperture)”是指导管壁或导管接头中的孔(hole)、狭槽 (slot)、孔隙(pore)或开口等，其允许流体，不论是气体或液体，在导管内部和紧邻环境之间流动。如果导管内的压力大于外部压力，则该流可以向外朝向邻近环境。如果该导管内的压力小于外部压力，则该流也可以向内朝向导管内部。如本文使用的，“结构化基础构造”是指基本上全部是人造的结构，其与修改或填充现有地质地层的孔隙形成的冻结壁、硫壁或其它屏障相反。结构化渗透性控制基础构造通常基本上不含原状(undisturbed)地质地层，但是该基础构造可以靠近或直接接触原状地层而形成。此种控制基础构造可以是独立的，或通过机械方式、化学方式或此种方式的组合固定至原状地层，例如利用锚、系材或其它适当的硬件设备螺栓连接到该地层中。如本文使用的，“粉碎”是指将地层或较大的团块破裂成碎块。被粉碎的团块可以被破碎或以其它方式破裂成碎片。如本文使用的，“含烃物质”是指从中可以提取或得到烃产品的任何含烃物质。例如，烃可以直接提取为液体、经由溶剂提取而移出、直接蒸发或以其它方式从该物质中移出。然而，许多含烃物质包含干酪根或浙青，其通过加热和热解转化成烃产品。含烃物质可以包括，但不局限于，油页岩、浙青砂、煤、褐煤、浙青、泥炭和其它有机物质。如本文使用的，“蓄积池”是指被设计用于容纳或保留累积的流体和/或固体可移动物质的结构。蓄积池通常源于至少一大部分地基和来自土地物质的结构支撑。因而，该控制壁未必总是具有与形成它们的土地物质和/或地层无关的独立的强度或结构完整性。如本文使用的，“可渗透体”是指具有相对高渗透性的任何粉碎的含烃物质团块， 该相对高的渗透性超过相同组成的固体原状地层的渗透性。合适的可渗透体可以具有大于约10%的空隙空间以及通常具有大约30%至50%的空隙空间，但其它范围也可能是合适的。例如通过并入不规则形状的大颗粒，允许高渗透性有利于通过对流作为主要的传热而对可渗透体的加热，同时也大大降低了与压碎成微细大小(例如，低于约1到约0. 5英寸) 相关的成本。如本文使用的，“壁”是指具有渗透性控制作用而将物质限制在至少部分由控制壁限定的密闭容积内的任何结构化特征。壁可以任何方式定向，诸如垂直的，但限定该密闭容积的顶、底及其它外形也可以是如本文所用的“壁”。如本文使用的，“采出的”是指已经从最初的色层分离位置或地质位置移到或扰动到第二不同位置或返回到相同位置的物质。通常，采出的物质可以通过破碎、压碎、爆炸引爆、钻孔或其它方式从地质地层中移出物质而产生。如本文使用的，“体对流模式(bulk convective flow pattern) ”是指跨越可渗透体的大部分的对流热流。通常，对流是通过将一个或多个导管或热源定向在限定容积的下部或基部中而产生的。通过以这种方式定向导管，沿着由含烃物质的可渗透体占据的绝大部分容积，以再循环模式，热流体可以向上流动，而冷却流体向下流回。如本文使用的，“基本静止的”是指当从封闭容积内含烃物质中移出烃从而留下贫瘠物质(lean material)时，几乎静止的物质定位，并允许一定程度的下沉、由于爆米花效应膨胀和/或沉降。相反，诸如在流化床或旋转蒸馏器中发现的含烃物质的任何循环和/ 或流动，涉及含烃物质的高度显著移动和处理。如本文使用的，“基本”当用于指物质的量或数量或其具体特征时，是指足以提供试图让该物质或特征提供的效应的量。可允许的精确的偏差度在一些情况下可以取决于具体的上下文。类似地，“基本不含”等是指在组成中缺乏所指的元素或因素(agent)。特别地，被指为“基本不含”的元素完全不存在于该组成中，或者仅含足够小的量以致对该组成不具有可测量影响。如本文使用的，“大约”是指基于表示所指特定性质的实验误差的偏差度。术语“大约”提供的范围将取决于具体的上下文以及特定的性质并且是本领域技术人员能够容易辨别的。术语“大约”不意欲扩大或限制可另外被赋予特定值的等价物的程度。此外，除非另有说明，术语“大约”将明确地包括“精确地”，与下面关于范围和数值数据的讨论一致。浓度、尺寸、数量及其他数值数据在此可以以范围形式呈现。应当理解，这样的范围形式仅仅为方便和简洁起见而使用的，并且应当被灵活地解释为不仅包括作为该范围界
7限明确叙述的数值，而且还包括包含在该范围内的全部个体数值或子范围，如同每个数值和子范围被明确地叙述。例如，大约1至大约200的范围应当被解释为不仅包括明确叙述的1和大约200的界限，而且包括个体大小，诸如2、3、4以及子范围诸如10至50、20至100寸。如本文使用的，为方便起见，多个项、结构成分、组成元素和/或物质可以在共用列举中呈现。然而，这些列举应当被理解为如同该列举的每个成员各自地被确定为单独且独特的成员。因此，事实上在没有相反表示的情况下，此类列举的个体成员都不应当仅仅基于它们呈现在一个共同组中而被解释为相同列举的任何其它成员的等价物。波纹加热导管图1-8示出波纹加热导管系统和利用该波纹加热导管系统减轻热膨胀和沉降的方法的几个代表性实施例。该加热导管可以掩埋在采出的含烃物质的可渗透体内，含烃物质如油页岩、浙青砂、煤等，该可渗透体包含在结构化渗透性控制基础构造中，并且意欲从其中提取烃产品。可以通过将传热流体如热空气、热排气、蒸汽、烃蒸气和/或热液体传递进入或通过所掩埋的加热导管，从而将该含烃物质加热至足以从其中除去烃的温度水平， 来提取该烃产品。可以从可渗透体中分离出传热流体，或任选地允许该传热流体对流地流过该可渗透体中的间隙容积。为了使提取工艺有效，可能期望将该可渗透体温度升高到200 华氏度和900华氏度之间从而启动热解。因此，可以将加热导管内的传热流体的温度升高到甚至更高的温度，例如1000华氏度或以上，从而维持恒定热流远离传热流体并进入可渗透体中。已发现，在加热和/或热解过程中，含烃物质的可渗透体在侧向可能仍然是基本静止的，但是当烃被释放从而作为液体向下流动或作为气体向上流动时，随着时间的推移可能会发生显著的垂直沉降运动和下沉。该可渗透体的垂直沉降可能会对掩埋在可渗透体内的结构施加横向剪切应力，导致对加热导管或其它导管的壁和接头中的有害侧向应力积聚(build-up)。同时，由于上覆重量足够大，所以当被加热到高温时，采出的含烃物质的粉碎颗粒性质可能会对该导管的任何应力消除纵向热膨胀起限制作用。当集中于局部应力集中点时，该剪切诱导的应力和热诱导的应力可以结合在一起从而超过导管壁和接头的材料限制，导致破裂，致使热流体逸出。所以，期望通过减轻导管所经历的有害热膨胀和沉降诱导的影响来维持掩埋在沉降的可渗透体内的加热导管的结构完整性。结构化渗透性控制基础构造以及包含在其基本密封的容积内的含烃物质的可渗透体的示例性实施例被更详细地描述在共同拥有且共同待决的美国专利申请 No. 12/028, 569中，该专利申请提交于2008年2月8日，其题目为“Methods Of Recovering Hydrocarbons From Hydrocarbonaceous Material Using A Constructed Infrastructure And Associated Systems”，其通过引用完整地合并在此。根据一个实施例，图1提供了结构化渗透性控制基础构造或蓄积池10、含烃物质 32的可渗透体30、热源40以及互连管路62、64和66的侧面示意性部分剖视图。在所示实施例中，现有参考水准面(grade) 4主要用作不渗透性底层16的支撑。外部舱体(capsule) 蓄积池侧壁12可以提供防漏容器(containment)，并可以但不必由内壁14再分。再分可以在蓄积池10的更大舱体防漏容器20内创建独立的防漏舱体22，其可以是任何结构、大小或再分部分。
侧壁12和14，以及不渗透盖18和不渗透底层16可以包括限定密封容积20的渗透性控制蓄积池10，并可以由任何合适的物质形成。例如，蓄积池10的侧壁12和14也可以是自支承式，其中尾部护台(tailings berms)、壁和底部在结构以及基本不渗透性方面可以被压实并建造(例如，足以防止流体从该蓄积池中不受控制地逸出)。此外，不渗透盖层18可以用来阻止挥发物和气体不受控制地逸出，以及将该气体和蒸气引导至适当的气体收集出口 66。类似地，不渗透底层16可以用来容纳和引导所收集的液体至适当的出口， 诸如排放系统26从而从蓄积池较低区域移去液体产品。虽然在一些实施例中不渗透侧壁可能是期望的，但是此种不渗透侧壁并不总是需要。具有可渗透侧壁也可以允许一些来自蓄积池的气体和/或液体小量排出。进一步地，一个或多个壁可以是多层结构，从而给该系统提供渗透性控制、热绝缘和/或其它特征。一旦壁结构12和14已经在始于地表面6的结构化和不渗透底层16之上被构造， 采出的含烃物质32 (其可以按照大小或烃富集度被压碎或分级)可以分层放置在预先布置的管状加热管或导管62、流体排放管64和/或气体聚集或注射管66上(或挨着它们)。这些管可以以任何最佳流动型式、角度、长度、大小、体积、交叉、栅格、壁大小、合金结构、穿孔设计、注入速率和提取率来被定向和设计。在一些情况下，管诸如那些用于传热的那些管可以连接至热源40、再循环通过热源40或从热源40取得热量。可替换地或结合地，回收的气体可以通过冷凝器42冷凝。通过该冷凝器回收的热量可以任选地用于可渗透体的补充加热或用于其它处理需要。热源40可以源自任何适当的热源或从任何适当的热源产生热量，该适当的热源包括但不限于燃料电池(例如，固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等)、太阳能源、 风源、液态烃或气体燃烧加热器、地热热源、核电站、燃煤电厂、射频发热、波能、无焰燃烧室、自然分布的燃烧室或其任何组合。尽管燃料电池和基于燃烧的加热器特别有效，在一些情况下，也可以使用电阻加热器或其它加热器。在一些场所，地热水可以以足够的量循环到地表并引入到基础构造中从而加热可渗透体。在一个实施例中，可渗透体30的加热可以通过来自烃燃烧的对流加热来完成。特别感兴趣的是在燃料与氧的化学计量比例条件下进行的烃燃烧。化学计量比例条件可以允许显著地增加加热气体温度。化学计量比例燃烧可以使用纯氧源但通常不需要纯氧源，纯氧源可以通过已知的技术提供，包括但不限于氧浓缩器、膜、电解等。在一些实施例中，氧可以从具有化学计量比例数量的氧和氢的空气提供。燃烧废气可以被引入超高温换热器，例如陶瓷或操作温度在大约2500 °F之上的其它适当的材料。从周围环境中获得或从其它工艺再循环的空气可以经过该超高温换热器被加热，然后被送至蓄积池用于加热可渗透体。 燃烧废气然后可以被隔离，而无需进一步的分离，也就是说，这是因为该废气主要是二氧化碳和水。液体或气体传热流体可以将来自热源40的热转移通过加热导管62并进入含烃物质32的可渗透体30中。从舱体蓄积池处理区域20或22中提取的液体或气体可以储存在附近储存罐44 中或储存在舱体防漏容器20或22内。例如，不渗透底层16可以包括倾斜区域M，其朝向排放系统沈引导液体，在那里液体被引导通过排放管路64到达储存罐44中。随着所放置的碎屑物质32填充舱体处理区域20或22，可渗透体30也可以变成建造的不渗透盖层18的顶部支撑，其可以包括建造的流体和气体屏障。在帽层18上方，可以添加填充物质观从而形成可以在舱体处理区域20或22上产生岩石静压力的顶层。用足以在可渗透体30内产生增加的岩石静压力的足够的压实的填充层观覆盖可渗透体30可以有助于进一步提高烃产品质量。压实填充层观可以基本上覆盖可渗透体30，而可渗透体 30反过来可以基本上支撑压实的填充层观。图2示出包含在结构化渗透性控制基础构造或蓄积池10中的含烃物质32的可渗透体30。该可渗透体可以基本上填充由侧壁12、不渗透底层16和不渗透盖层(未示出) 限定的防漏舱体或容积20。如上所述，已发现，当烃被释放时，在加热过程中含烃物质的可渗透体可以发生显著的垂直沉降运动和下沉。例如，在填充阶段和在加热过程开始之前，该密封容积20可以基本上填充有含烃物质32，以便可渗透体30的顶表面t0与侧壁12的顶部基本齐平从而使包括在间歇过程(batch process)中的含烃物质量最大。随着热引入到可渗透体，且中心和上部区域变得比与防漏舱体20的未加热边界邻近的侧边缘和底部边缘热，温度梯度开始形成。烃可以开始更容易从较热区域流动，导致在中心区域中最大运动的顶表面初始沉降到、位置。然而，到达、位置所需的时间段有很大的不同，这取决于含烃物质32的组成和结构、可渗透体30的尺寸、加热方法和由加热导管系统提供的加热率(heat rate)、周围环境和绝缘边界条件等，并且到达、位置所需的时间段可以为几天至几个月。已观察到，当含烃物质32到达约600华氏度的温度时，基本上可以开始除去该烃产品。随着更高的温度向防漏舱体20的边缘蔓延，可渗透体30的顶表面可以遵循中心区域仍比边缘经历更大的垂直运动的模式继续沉降通过、和t3位置。然而，连续加热最终可以将整个可渗透体内的含烃物质32的温度升高至临界提取点，甚至使得与蓄积池10的边界邻近的物质释出烃。那时，外部区域也可以发生显著的垂直沉降直至顶表面到达、位置。可渗透体30经历的垂直沉降量可能有很大的不同，这取决于含烃物质32的组成以及其初始结构。虽然在图2中为了示出效果而放大，但顶表面的垂直运动量有时可以为该可渗透体的初始垂直高度的5% 25%，油页岩通常沉降12% 16%。在一个油页岩示例中，在16英尺深的可渗透体中可以实现约30英寸的沉降。如本领域技术人员可以理解的，维持掩埋在此种沉降的可渗透体中的任何导管的结构完整性，及其与蓄积池壁和/或位于结构化渗透性控制结构外部的热源的连接具有挑战性。下面的描述是特别针对加热导管举例说明的，但应当理解，该波纹和配置也可以应用于嵌入在可渗透体内的冷却导管、收集导管和其它导管。加热导管的各种配置一般地在图3中示出，其中加热导管掩埋在被装在防漏舱体 20内的含烃物质(未示出)的可渗透体内部，该防漏舱体20进一步由侧壁12、不渗透底层 16和不渗透盖层(未示出)限定，并且其中可以将该导管嵌入在可渗透体30中，同时用含烃物质32填充控制基础构造10。在实施例70的情况下，例如，该加热导管可以被配置成带有敞开的孔口 78的单向导管，从而允许在整个可渗透体内传热流体直接进入并对流混合、 加热和反应。该开口系统可以具有从结构化渗透性控制基础构造的边界延伸的入口端72， 其可操作地连接到传热流体的热源。(参见图1)。在控制基础构造10内部，加热导管70 可以具有多种加热网路配置(heating network configuration)，包括导管主管74和侧支管76。主管和支管都可以具有敞开的孔口 78，其使传热流体朝向可渗透体方向传递。这种配置也非常适合于收集导管从而从可渗透体的较低区域取出液体烃产品。或者，加热导管80可以配置成回路，其用于使传热流体与可渗透体隔离，并且建立穿过该导管壁的热传导并接着使此种热对流作为加热该可渗透体的主要机制。该闭合系统也可以具有从结构化渗透性控制基础构造的边界延伸的入口端72，其可操作地连接到传热流体的热源。然而，一旦在控制基础构造10内部，加热导管80就可以包括入口主管84 和返回主管86，它们与一个或多个回路连接，用于保持含烃物质与传热流体之间的分离，以及引导所有传热流体流出返回端88，该返回端88也从蓄积池的侧壁12延伸。图3进一步示出可选的金属网90或类似结构，其可以设置在加热导管的一部分下面，从而保持加热导管在可渗透体内的相对位置。虽然已发现含烃物质的可渗透体可以经历显著下沉，但加热导管的集中载重(concentrated weight)与紧邻该导管的高热通量相结合可以致使该管沉降或下沉的速度甚至比可渗透体作为整体下沉的速度还快。为减轻沉降的一些有害和破坏性影响，可利用金属网90将加热导管的重量分配到可渗透体的较大部分上，保持该加热导管在该可渗透体内的相对位置。如下面更详细讨论的，沉降的有害和破坏性影响可以通过形成具有如图如和4b 所示的环绕波纹92和92'的加热导管壁而进一步被减轻，从而有助于缓解纵向运动引起的下垂和弯曲。有利地，当加热导管的壁通过与被加热的传热流体直接接触而温度升高几百度时，通过将该加热导管的壁配置成也径向增长或倾斜而不是仅轴向增长或倾斜，波纹 92和92'也可以使该管路纵轴线的热膨胀最小。在一个方面，波纹92可以遵循由所示光滑曲线形波谷96和波峰98形成的连续重复的正弦波图案。在其它方面，该波纹可以有不同的形状，如波峰顶部和波谷底部是平的， 或过渡表面为线性壁(linear wall)，或光滑部分短，波纹之间为直管等。此外，波纹92可以垂直于加热导管的纵轴线排列成行(图如)，或者波纹92’可以相对于纵轴线成锐角θ 的方式螺旋缠绕(图4b)。波纹的振幅(96和98之间的距离)和周期(相邻波峰98之间的距离)可以被预先配置为提供贯穿该加热导管所经历的整个温度和沉降范围内的最佳弹性和持久性。该波纹的振幅和周期也提供了关于显著增大传热可利用表面积的显著的额外益处。可以由波纹金属片形成波纹加热导管，将该波纹金属片压褶(crimp)、卷起 (roll)并且然后沿着纵向缝焊接从而形成管状导管节段。该管状节段然后可以照原样使用，或者将其与其它节段首尾相连焊接从而形成延长的加热导管。替换地，可将该波纹金属片围绕和沿着管纵向长度连续成螺旋形焊接在一起，从而使得在该导管壁中没有接缝连续平行于或垂直于该导管的中心纵轴线。此种波纹导管制造可以任选地通过便携式设备现场完成。图如 5c更详细地示出波纹导管的热膨胀减轻益处，在该图中，加热导管的示例性节段100已掩埋在含烃物质32的可渗透体30内一定深度处，该可渗透体进而被装在结构化渗透性控制基础构造10的防漏舱体20内。该导管节段可以包括延伸到控制基础构造 10边界以外的入口端110，入口端110可操作地连接到位于该控制基础构造外部的热源。由于该加热导管穿过防漏容器侧壁，加热导管可以被可选的绝缘屏障112围绕。如图如所示，导管节段100可以掩埋在可渗透体30内一定深度处。像任何被加热的管子或导管一样，当导管节段100的壁温升高时，如果该导管在一端或两端可以自由移动或膨胀，则该节段总长度将会成比例地增大。运动是响应于由导管材料膨胀引起的内部应力。膨胀度当然取决于那种材料的膨胀系数(例如，该膨胀的线性和体积系数两者)。 然而，所采出的形成可渗透体30的含烃物质32可以具有粉碎的颗粒形式，这种形式可以 “抓取(grab) ”加热导管壁并阻碍任何运动，尤其是已在该导管上面建立可渗透体从而沿着所掩埋结构的长度方向产生足以限制导管的任何应力消除运动的载重。这种影响随着导管长度的增长而增大。另外，安设在导管节段尖端、弯曲部分或自由端114前面的含烃物质32 也可以起到减弱任何应力消除的正向运动的作用，结果可能会致使该尖端、弯曲部分或自由端弯曲或被压碎。因此，加热导管节段100的侧壁和接头在加热操作期间可能会经受积聚的有害和破坏性应力，如果不加以处理这将导致加热导管变形或破裂。为了克服这些问题，可以由导管壁中周期性环绕波纹102形成导管节段100，该波纹由交替的波谷106和波峰108组成，并在非加热环境中配置有振幅104。如上所述，放置在加热环境中后，该波纹导管的长度将因线性热膨胀而力图在纵向或轴向方向增长或变长。然而，如果该导管节段在沿其长度方向是固定的并且该增长遭到阻挡或限制，则波纹 102可以使该纵向膨胀至少部分被重新定向并在个别波纹处被缓解，和/或使波峰108和波谷106处的弯曲度增大。代替导管节段总长度的大的增长，每条波纹的振幅104’可以有着相对小的增大(该增幅的增大已在图5c中放大)，并且该增大可以通过每个弯曲处曲率半径的相应减小(或弯曲度增大)实现。因而，波纹导管可以配置被为通过允许热膨胀和 /或允许每条波纹处的弯曲度增大，而消除或减轻线性热膨胀，或至少减轻与受限制线性热膨胀关联的压缩轴向应力。通过缓解由可渗透体沉降形成的下垂和弯曲，该波纹可以有进一步的益处。如图 6a 6b所示，即使在导管力图继续附接到固定的入口 130时，可渗透体30的沉降也可以致使加热导管节段120被向下拉向或弯向防漏舱体20的中心。同一管子两个节段之间的这种相对侧向偏斜可以产生显著的横向剪切应力，如果不加以处理，则可能致使该加热导管壁撕破或破裂。如上所述，加热导管节段120可以由导管壁中周期性环绕波纹122形成。该波纹可以由交替的波谷1 和波峰1 组成，当该导管节段以其初始笔直且未偏斜的方向设置时，该波纹在相邻波峰之间配置有恒定的周期或间隔(spacing) 124。如图6b所示，通过允许相邻峰之间正常间隔在成弧形的导管内边缘上缩小到较短间隔124’，并在成弧形的导管外边缘上膨胀到较长间隔124”，波纹122可以减轻弯曲或下垂(例如，弧形)导管所遭受到的沉降导致的影响。对于波谷和波峰之间配置有足够振幅的波纹，间隔的变化可利用位于内边缘上的导管壁中的压缩应力的小幅增加和位于外边缘上的导管壁中的抗张应力的小幅增加而被缓解。在两个应力水平都不足以达到加热导管壁的材料限制的情况下，可以避免或减轻该加热导管的撕裂或破裂。图7a 7c示出上述加热导管实施例的变化形式，其中波纹加热导管140进一步配置有紧邻固定入口 150和防漏容器壁的波纹导管的短垂直节段144。像导管节段140中的波纹142 —样，这个节段中的波纹152也由交替的波谷156和波峰158组成，其中相邻波峰之间具有恒定的周期或间隔154。垂直加热导管节段144中的波纹152可以与水平定向的导管节段140中的波纹142相同或不同。
当初始位于可渗透体内时，垂直节段144可以具有初始长度，并且水平节段140可能不被偏斜。但是当填充防漏舱体20的含烃物质32开始变热、释放烃并发生沉降时，长的水平节段140’的中心跨距(center span)可能响应于可渗透体30中心处的垂直运动(参见图2)开始偏斜和弯曲。该沉降将继续向外朝着结构化渗透性控制基础构造10的防漏容器壁前进，直至围绕垂直导管节段44的可渗透体部分最终也经历向下运动为止。这时，这替代地通过增加每条波纹的每个波谷156和波峰158处曲率半径(例如，减小弯曲度)，波纹152之间的间隔IM可以及时地伸长到新间隔1M’，从而允许垂直节段向下延伸并遵循可渗透体的运动，而没有使加热导管壁中的压力显著增加。图8是示出保持用来加热包含在结构化渗透性控制基础构造内的含烃物质的可渗透体的加热导管的结构完整性的方法200的流程图。该方法包括202获得具有波纹壁并配置为用于输送传热流体的加热导管。207将加热导管掩埋在包含在结构化渗透性控制基础构造中的含烃物质的可渗透体内一定深度处，该加热导管具有从该控制基础构造的边界延伸的入口端。该方法也包括206将加热导管的入口端可操作地连接到传热流体的来源。 该方法进一步包括208通过加热导管传递传热流体从而将热量转移到可渗透体中，其中加热导管的波纹壁被配置为用于膨胀和减轻沿着纵轴线的受限热膨胀引起的应力，并且进一步地，其中加热导管的波纹壁被配置为用于相应地弯曲并减轻由可渗透体的沉降引起的应力。总之，波纹加热导管(如图fe、6a和7a中描述的示例性实施例)可以显著地减轻在加热导管温度升高几百度时该加热导管自身的受限纵向热膨胀，和可渗透体随后沉降导致加热导管显著侧向偏斜两方面的破坏性影响。因而，该加热导管可以用于维持其结构完整性，并且在加热过程持续时间内继续在整个可渗透体内施加传热流体。前面详细说明参考具体示例性实施例说明了本发明。然而，应当理解，在不偏离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下可以作出多种修改和变化。该详细说明和附图应仅视为是说明性的，而不是限制性的，并且所有此类修改或变化，如果存在，它们将落在本文所述和限定的本发明范围内。更具体地，虽然本文已描述本发明说明性示例实施例，但本发明不局限于这些实施例，而包括具有本领域技术人员基于前述详细说明将会理解的修改、省略、组合(例如， 交叉多个实施例的多个方面的组合)、调整和/或更改的任何和所有实施例。权利要求的限制应基于权利要求中所采用的语言从广义上解释，而不局限于前面详细说明或实行本申请期间所描述的示例，该示例应解读为非排他性的。任何方法或工艺权利要求中所述的任何步骤可以以任何顺序执行，而不局限于权利要求中所列顺序。因此，本发明范围仅由所附权利要求及其法律等效物确定，而不由上面给予的描述和示例确定。
权利要求
1.一种保持加热导管的结构完整性的方法，所述加热导管用来加热包含在结构化渗透性控制基础构造中的含烃物质的可渗透体，所述方法包括获得具有波纹壁并且被配置为用于输送传热流体的加热导管；将所述加热导管掩埋在所述含烃物质的可渗透体内的一定深度处，所述加热导管具有从所述结构化渗透性控制基础构造的边界延伸的入口端；将所述加热导管的所述入口端可操作地连接到所述传热流体的来源；将所述传热流体传递通过所述加热导管从而将热量转移到所述可渗透体，其中所述波纹壁被配置为减轻由沿着纵轴线的受限热膨胀所引起的应力，并且所述波纹壁被配置为相应地弯曲并减轻由所述可渗透体的沉降所引起的应力。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包含将所述波纹壁中的横向波纹的图案定向为垂直于所述加热导管的纵轴线。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包含将所述波纹壁中的横向波纹的图案定向为相对于所述加热导管的纵轴线成锐角。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包含将所述加热导管嵌入在所述可渗透体中， 同时用含烃物质填充所述控制基础构造。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包含将至少一部分所述加热导管基本水平地定向在所述可渗透体中，从而缓解穿过所述加热导管的纵轴线的沉降的影响。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包含将至少一部分所述加热导管基本垂直地定向在所述可渗透体中，从而缓解沿着所述加热导管的纵轴线的沉降的影响。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包含在所述加热导管的一部分中的波纹壁中形成孔口，从而允许所述传热流体进入所述可渗透体。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包含将所述加热导管布置成闭合回路，从而使所述传热流体与所述可渗透体隔离，所述闭合回路具有从所述结构化渗透性控制基础构造的边界延伸的返回端。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包含从热排气、热空气、蒸汽、含烃蒸气和热液体中选择所述传热流体。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包含将所述传热流体加热到200至1000华氏度的温度。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包含将金属网结构设置在被掩埋在所述可渗透体内的所述加热导管的一部分下面，从而保持所述加热导管在所述可渗透体内的相对位置。
12.一种将热量从传热流体转移到包含在结构化渗透性控制基础构造内的含烃物质的可渗透体中的加热导管系统，包括结构化渗透性控制基础构造；包含在所述控制基础构造中的含烃物质的可渗透体；掩埋在所述可渗透体内一定深度处并具有波纹壁的加热导管，所述加热导管被配置为用于输送所述传热流体并具有从所述控制基础构造的边界延伸的至少一个入口端；和可操作地连接到所述至少一个入口端的传热流体的来源，其中将所述传热流体传递通过所述加热导管从而将热量转移到所述可渗透体，使至少一部分被掩埋的加热导管的波纹壁在热膨胀影响下轴向压缩，并且至少一个其它部分被掩埋的加热导管的波纹壁响应于所述可渗透体的沉降而相应地弯曲。
13.根据权利要求12所述的导管系统，其中所述波纹壁中的横向波纹的图案被定向为垂直于所述加热导管的纵轴线。
14.根据权利要求12所述的导管系统，其中所述波纹壁中的横向波纹的图案被定向为相对于所述加热导管的纵轴线成锐角。
15.根据权利要求12所述的导管系统，其中至少一部分所述加热导管被基本水平地定向在所述可渗透体中，从而缓解穿过所述加热导管的纵轴线的沉降的影响。
16.根据权利要求12所述的导管系统，其中至少一部分所述加热导管的被基本垂直地定向在所述可渗透体中，从而缓解沿着所述加热导管的纵轴线的沉降的影响。
17.根据权利要求12所述的导管系统，进一步包含具有孔口的至少一部分所述加热导管，所述孔口形成在所述波纹壁中，从而允许所述传热流体进入所述可渗透体。
18.根据权利要求12所述的导管系统，进一步包含形成为闭合回路从而使所述传热流体与所述可渗透体隔离的加热导管，所述回路具有从所述结构化渗透性控制基础构造的边界延伸的返回端。
19.根据权利要求12所述的导管系统，其中所述传热流体选自热排气、热空气、蒸汽、 含烃蒸气和热液体。
20.根据权利要求12所述的导管系统，其中所述传热流体被加热到200至900华氏度的温度。
21.根据权利要求12所述的导管系统，进一步包含设置在被掩埋在所述可渗透体内的加热导管的一部分下面的金属网结构，从而保持所述加热导管在所述可渗透体内的相对位置。
全文摘要
本发明提供一种保持加热导管的结构完整性的方法，该加热导管用来加热被装在结构化渗透性控制基础构造中的含烃物质的可渗透体。该方法(200)包括(202)获得具有波纹壁并配置为输送传热流体的加热导管；(204)将该加热导管掩埋在含烃物质的可渗透体内的一定深度处，该加热导管具有从该结构化渗透性控制基础构造的边界延伸的入口端，该方法还包括(206)将该加热导管的入口端可操作地连接到传热流体的来源，和(208)将传热流体传递通过该加热导管从而将热量从该传热流体转移到该可渗透体，其中该波纹壁中的波纹可以减轻加热导管的纵轴热膨胀并允许该加热热导管响应于可渗透体的沉降而相应地弯曲。
文档编号C10G9/00GK102317567SQ201080007768
公开日2012年1月11日 申请日期2010年2月11日 优先权日2009年2月12日
发明者J·W·帕藤, T·达纳 申请人:红叶资源公司