JPS5816439B2 - 炭化水素系地下資源の電気加熱用電極装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は炭化水素系地下資源を電気加熱する場合に使
用する電極装置に係る。

さらに詳しくいえば、地中に存在する高粘度、低流動性
の炭化水素を井戸から生産するに際して、当該炭化水素
の流動性を高めるための地中に通電し加熱するために使
用する電極装置に関するものである。

ここでいう「炭化水素」とは、ベトロリウムまたはオイ
ル、オイルサンド（タールサンドともよばれる）に含ま
れるピチューメン（Ｂｉ ｔｕｍｅｎ ）、オイルシェ
ルに含まれるケロゲン（Ｋｅｒｏｇｅｎ ）を指し、以
下簡略化のためこれら炭化水素をオイルと呼ぶことにす
る。

また、「生産」とは、自噴、汲出し、流体移送など油井
から流動性のオイルを取出すことをいう。

地中に存在するオイルが流動性を有する場合は、地表よ
り油層に到達する井戸を堀り、油層に共存するガス田に
よる自噴、あるいはポンプによる汲上げ、あるいは一方
の井戸より塩水等の液体を千人し他方の井戸から流出さ
せるなどの方法でオイルを生産することが可能である。

しかし、地中のオイルの流動性が低い場合は、オイルが
流動するための手段を講じなければ生産できない。

オイルを流動化させる為の一般的な方法は、加熱により
オイルの粘度を低下させる方法で、流動化に適した温度
（オオイルの個々の性状により異なるが、地中の油層を
加熱する必要が生ずる。

油層の加熱方法として、熱水の注入、高温高圧水蒸気の
注入、地中通電、地中燃焼法（地中の油層に着火させ空
気を送り燃焼させる）、爆薬の第１４１用などが提唱さ
れているが、後二者は制御が難しく一般性に乏しい。

熱水あるいは高温高圧水蒸気注入法は、油層を加熱しオ
イルの流動性を高めると同時に流動化したオイルを地表
へ流出させることも可能であるが油層に裂は目などの通
過抵抗の低い個所が存在すると、その個所ばかりを通り
抜は全体に拡散しないおそれがあり、反対に油層が固く
緻密な場合は熱水あるいは蒸気が拡散せず温度が上昇し
がたい通電加熱法は油層に複数の井戸を堀り、これら井
戸に電極を設置し、各電極間の電位差を与えて油層の導
電性を利用して加熱するので、油層に裂は目があったり
、あるいは固く緻密であっても全体を加熱しやすい利点
がある。

しかし、流動化したオイルを取り出すには別の手段が必
要である。

そこで、オイル生産の効率を上げる方法としてまず通電
法により油層を加熱し、油層が軟化した時に熱水あるい
は高温高圧水蒸気を注入して加熱を続けるとともに流動
化したオイルを取り出す方法が考えられている。

この方法に使用する電極装置は、効率よく油層を加熱す
るために、油層以外への電流の漏洩をできる限り避ける
よう電気絶縁を施す必要があり、地中の土圧とか加熱に
より発生した蒸気または注入された熱水あるいは高温高
圧水蒸気の王力で破壊しないことが必要であり、さらに
熱水あるいは高温高圧水蒸気が洩れないことが必要であ
る。

この電極装置についてより具体的に説明するため、オイ
ルサンドよりオイルを生産する場合の例を以下に述べる
。

オイルサンドはクールサンドとも呼ばれ、カナダ、ベエ
ネゼラ、アメリカ合衆国に埋蔵が確認されている。

オイルサンド中のオイルは、砂の表面および砂と砂との
間隙に塩水と共存しているが、極めて粘度が高く自然に
存在する状態では流動性を有しない。

オイルサンドの層は峡谷、川岸などで一部露出している
他は、大部分地下２００〜５００ｍの深さに数十ｍの厚
さで存在し、オイルサンドを堀り出し地上でオイルを分
離するのは経済性および環境保護の面から制約を受ける
ため、地中よりオイルのみを取り出す必要がある。

また、地中の浅い層からのオイルの生産は陥没の危険が
あるため、地下３００ｍ以下の層から採取するのが望ま
しいとされる。

通電によりオイルサンド層を加熱する電極装置において
、最も大きな問題はオイルサンド層の電気抵抗がオイル
サンド層上部の地層より高いということである。

場所、条件によりそれぞれ異なるため一律に表示し難い
が、因にその平均値を示すと、オイルサンド層力月００
Ω−ｍであり、上部の地層は１０Ω−ｍである。

そのため鋼管で造られたケーシングに電極を連結しこの
電極をオイルサンド層に埋設した電極装置２本を設置し
て通電すると、電流の殆どが上部の地層部で消費される
ようになる。

この現象を避けるためには、地層部にあるケーシング表
面に絶縁棲覆層を設けるか、あるいは電極をケーシング
から絶縁した状態にする必要がある。

この発明は後者の装置に関するもので、以下この装置に
ついて説明する。

この装置を横形的に示せば第１図のごとく電極装置が配
置される。

第１図において、１，１１は鋼管で作られたケーシング
、２，１２はケーシング１，１１に接合された絶縁物、
３，１３は絶縁物２，１２に接合された電極、４，１４
は電極３゜１３に電流を送るケーブルでこれを併せて電
極装置とよぶ。

５は電源装置６はオイルサンド層、７は電極３，１３の
間の電流、８は地上、９はオイルサンド上層、１０はオ
イルサンド下層である。

オイルサンド層６に埋設した電極３，１３に地上の電源
装置５よりケーブル４，１４を通じて電王が印加される
と、オイルサンド層６中の電気抵抗に応じて電流７が流
れてジュール損が発生しオイルサンド層６が加熱される
。

このとき電流７の１部はオイルサンド上層９およびオイ
ルサンド下層１０へ電流れるが、ケーシング１，１１と
電極３゜１３間に絶縁物２，１２が介在するため、電流
７の洩れは小さく抑えられる。

オイルサンド層６が温まれば通電を止め、電極装置の一
方のケーシング１の上部から熱水あるいは高温高圧水蒸
気を圧入すれば、オイルサンド層６中を通り、他方の電
他装置のケーシング１１よりオイルとともに流出する。

熱水あるいは高温高圧水蒸気の流出をよくするため、電
極３，１３には細孔があけられるのが普通である。

電極装置には通常、電極３，１３にオイルサンド層６と
の接触抵抗をよくするため食塩水がパイプ（図示してい
ない）を通じて送り込まれ、食塩水とケーシング１，１
１とを分離するため、電極３．１３上方に仕切板（図示
省略）が設けられて、さらζこ仕切板の上部には絶縁性
液体が充満されている。

これらの電気加熱に関する事項については、例えば米国
特許第３，９４６．８０９号とか、カナダ特許第１，０
２２，０６２号に述べられている。

電極装置は埋設時に破壊せず、埋設当初は上田に耐える
充分な強度を有し、通電時は温度上昇があり電極近傍は
電流密度高いためとくに著しいが変形や破壊を生ぜず、
内部に充満される液体の静子に耐え、かつ熱水あるいは
高温高圧水蒸気注入時に破壊せず漏洩しないことが要求
される。

ちなみに、地下５００ｍの個所に埋設された場合、内部
に充満される液体の比重を１とすれば５０ｋｙ／ｃｆｆ
ｌの圧力がかかり、５０ｋｙ／ｉの圧力を有する水蒸気
の温度は２６５°Ｃに達する。

なおこの絶縁物２，１２の上部はケーシング１う１１に
、下部は電極３，１３に接続されるので絶縁物２，１２
には常に懸垂荷重が加わることになり、しかもその条件
は２５０°Ｃ〜３００℃の高温状態下であるため、これ
を満す特性が要求される。

次にこの絶縁物２，１２は下端に電極３，１３を・懸垂
し、上端はケーシング２，１２に接続された状態で地下
数１００ｍの地底に設置されるものであるから設置工程
で孔壁と接触したり衝突することは現実的には避は難い
条件になる。

全体の重量が重いため、僅かな接触も絶縁物２，１２に
は犬・きな機械的衝撃になる。

この衝撃に耐え破損しない特性も要求される。

上記の要求特性を満し、実用価値のある絶縁物２．１２
を得るように多くの研究を重ねた。

先ず検討したのは金属材で構成したフランジ付管状品の
全表面部にテフロンのような耐熱特性に優れた有機樹脂
質の被膜を構成したものを接続する方法である。

懸垂荷重強度および機械的衝撃強度に関しては完全な特
性を保持するものが得られるが、フランジ部分の被膜構
成および絶縁を保持した接続方法が極めて困難であり、
常温条件下では必要とする絶縁特性を保持するものが何
とか得られるが現実の使用条件である常温〜２５０℃程
度の温度の反復にあうと本質的な熱膨張収縮率の差によ
りとくにフランジ部分に剥離現象を生じ、絶縁が破壊さ
れる事態に発展するという不可避の致命的欠陥が現われ
使用不能である。

次に検討されたのは磁器材質である。

そもそもこの絶縁物２，１２には前記のように水（油）
音特性が要求されるものであるから、ケーシング１゜１
１、電極３，１３および絶縁物相互間の接続方法を考慮
する必要がある。

一般的に考えられるのは磁器管の外周に金属管を焼嵌め
し、この金属管を溶接あるいは螺子等常法により接続す
ることである。

この方法の場合常温では水（油）音特性は確保出来るが
、温度が上昇すると焼嵌め強度が低下し、懸垂強度の低
下に連らなること、焼嵌先端部に発生した応力番こより
破損するなどの欠陥が現われるようになる。

この欠陥を除くために磁器管の両端に鍔部を設は接触面
にパツキン材を介在させ鍔部を金属質で締付ける方法が
あるが、この場合常温では十分特性は確保出来るが温度
が上昇すると磁器質との熱膨張率の差により、水（油）
音特性が低下するという不可避の欠陥が現われるように
なる。

その他磁脂質は本質的に機械衝撃強度が乏しいので、前
述のように設置作業工程において予期しない条件下で発
生する機械的衝撃により破損する可能性が極めて高いと
いう本質的な条件があるため、現実に使用する場合大き
な危険要素があるという不可避の欠点がある。

本発明者らは上記欠陥を除去した有用な電気加熱用電極
装置を得ることに成功した。

次にその内容を一実施例に基づいて詳細に説明する。

先ず電極装置を構成する絶縁物２又は１２であるがこれ
には第２図（こ示す絶縁管継手２１を使用する。

以下この絶縁管継手２１の構成について説明する。

図中２２は第１の管状部材でケーシング１と同内外径寸
法の鋼管２３の一端部に全周を包囲する鍔部２４を有し
ている。

２５は第２の管状部材で、鍔部２４の外径より犬ぎな内
径を有する胴部２６の上部Ｑこ鋼管２３の外径より大き
く、鍔部２４の外径より小さい内径を有する輪状の被部
２７を、下部に雌螺子２８を有する蓋部２９と、一端部
がケーシング１と同内外径寸法を有する鋼管３０で上部
に鋼管３０の内径より太い筒状の空胴部３１と外周に雄
螺子３２を有する基部３３とにより構成されている。

つまり、第２の管状部材２５は第１の管状部材２２の鍔
部２４を間隙を保って収納する袋部３４を一端部に有し
ている。

上記第２の管状部材２５の蓋部２９に第１の管状部材２
２を挿入した後、蓋部２９に基部３３を螺合させ一体構
造となし、第１の管状部材２２の鍔部２４と第２の管状
部材２５の袋部３４が間隙を保持するように保持し、こ
の間隙に絶縁物３５を介装させ第１および第２の管状部
材を密封固着するとともに、この絶縁物３６と一体に第
１の管状部材２２の外周絶縁物３５を、第２の管状部材
２５の空胴部３１に内径が鋼管３０のそれ上回等の内周
絶縁物３７を形成するものである。

上記絶縁物３５，３６，３７はガラスマイカ塑造体によ
り構成されている。

ガラスマイカ塑造体とはガラス質の粉末とマイカの粉末
の混合粉末を原料さし、この原料粉末をガラス質が加圧
により流動可能な温度に加熱し、加熱状態で加用成形に
より造られる。

この絶縁管継手２１は専用の成形型（図示せず〕を使用
し、所定温度に加熱しておき第１の管状部材２２と第２
の管状部材２５を第２図に示すように組立て５所定温度
に加熱し、加熱状態で成形型内に挿填し、次に原料粉末
は第１の管状部材２２の鋼管２３とその外周に存在する
成形型の間隙部に挿填可能な筒状形態に予備成形体を成
形しておき、これを所定温度に加熱し、加熱状態で挿填
し、直ぐ加圧を行い外周絶縁物３６の方から絶縁物３５
、内周絶縁物３７に向って用人介在させて造られる。

上記予備成形体はガラス質に日本フェロ−株式会社製の
４２３１２の鉄器琺瑯用釉薬を２００メツシユに粉砕し
た粉末４５Ｗ％と、合成全弗素マイカの粉末６０〜２０
０メツシュ品５５Ｗ％を混合し、水５Ｗ％を加えて湿潤
状態にしたものを原料とし、１５００ｇｒを秤取し、別
の成形型（図示せず）を使用し、冷間加圧成形により円
筒形状品を作成し、１２０℃の乾燥器中に２時間保持し
、水分を除去し、作成を完了した。

第２の管状部材２５の蓋部２９と基部３３との結合は螺
子で行なっているが、両者の結合は溶接で行なってもよ
い。

又第２の管状部材２５の被部２７を４等分し、その中の
２つを切欠き、この切欠部を通って第１の管状部材２２
の鍔部２４が袋部３４に収納されるように上記鍔部２４
を切欠いて、第２の管状部材２５の袋部３４？こ第１の
管状部材２２の鍔部２４を収納するようにしてもよい。

なお絶縁管継手及びその製造方法の詳細は同出願人の同
日出願特許昭５５−５１１５２号に記載しである。

・ この構造の絶縁管継手は両端に発生した引張り力は
袋部３４と鍔部２４の間の圧縮力になるようになってい
る。

一般にこの種の絶縁物の子線強度は引張り強度に比し遥
かに大きいものであり、しかもこの構造の場合、圧縮力
の加わる対向面積も大きくすることにより、単位面積当
りの荷重は任意に調節することが可能であるため、機械
的強度に関しては危惧する点はほとんど存在しない。

なお高温時、この場合には約３００℃の温度であるが耐
熱特性は原料粉末に使用するガラス質の熱特性と密接に
関係する。

とくに転位温度との関係は顕著である。

転位温度が５５０℃〜６００℃のものを使用した場合３
００℃における機械的強度の低下はほとんど現われない
。

次に機械的衝撃特性であるが、絶縁物であるガラスマイ
カ塑造体の原料であるマイカ粉末は完全な剥片形状をし
でおり、各剥片の平均面積径と厚すの比は一般に３０〜
５０：１の比率を保持している。

そのためガラスマイカ塑造体は完全な積層形状をしてお
り、単なる粉末を含有する成形品と異なり、大きな弾性
を有している。

上記理由により一般の無機質絶縁物に比し遥かに大きい
冷熱および機械衝撃強度を有しており、埋設工事中にお
ける予期しない衝撃に対して十分耐え得る強度を保持す
るものである。

この絶縁管継手の最大の問題点は、沿面絶縁長を極端に
長くすることが困難なことにあり、その長さは鋼管２３
の径と同一寸法程度が限度である。

その理由は金属である鋼管２３の熱膨張特性が直線的で
あるのに、ガラスマイカ塑造体のそれはガラス質と同様
、転位温度が存在し、転位温度附近゛で屈曲することに
あり、上記限度を起すと温度の上昇下降の反復により、
亀裂を発生する危険がある。

さて、上記絶縁管継手２１を使用した電極装置の一実施
例の構造を第３図に従い説明する。

図において１〜４は第１図のそれと同じである。

第３図ａ（右半分）は、基本構成を示す、絶縁物２は絶
縁管継手２１２ケにより構成されており、両端にケーシ
ング１および電極３が接続されている。

各の接続は溶接、螺子等金属接合の常法により容易に実
施可能である。

この電極装置の場合、各部分の内径寸法が同一の連通孔
になっているので、前記の仕切板等必要部品は容易に取
付けることが出来る。

なおこの基本構成図では絶縁管継手２１２ケで絶縁物２
が構成されているが沿面絶縁長を確保するためには、そ
の数を増して接続すればよＧ）。

またこの絶縁管継手２１の使用は絶縁物２の構成に限定
されず、ケーシング１の中間に使用することも可能であ
る。

次に前記のように絶縁物２の外周部に濃度の高い食塩水
が存在し、とくに高い沿面絶縁抵抗が要求される場合に
は第３図ｂ（左半分）に示すように絶縁管継手２１め外
周に耐熱特性ｌこ富む有機系の被覆材４１を構成するこ
とにより、容易Ｑど必要特性を確保することが可能で、
例えば収縮タイプのテフロン管を使用して被覆材４１を
構成することは有効な方法である。

以上説明したように、この発明は、特殊な絶縁管継手を
使用して、ケーシングと電極を連結している。

絶縁管継手の両端に発生した引張り力は袋部と鍔部の間
の圧縮力Ｏこなるようになっている。

絶縁物の圧縮強度は引張り強度に比し、はるかに大きい
ものであるため本発明の電極装置は、機械的強度が大き
く、地下資源の回収に係わる厳しい条件下の圧力、機械
的衝撃強度にも充分耐えることができる。

又絶縁管継手の管状部材の内外部の円面に絶縁物を設け
たり、又は絶縁管継手自体の外周面を絶縁物で被覆した
りすると、沿面絶縁距離が長くなり、ケーシングと電極
との絶縁を一層良好にすることができる。

又絶縁管継手の絶縁物としてガラスマイカ塑造体を用い
ると、高温に充分耐える電極装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電気加熱用電極装置によりオイルサンド層を加
熱する状態を模型的に示した図、第２図は電極装置を構
成する絶縁に使用する絶縁管継手の一実施例の構造を示
す縦断面図、第３図は絶縁管継手により構成し差絶縁物
を使用した電極装置の一実施例を示す縦断面図で第３図
ａ（右半分）はその基本構成を、第３図ｂ（左半分）は
絶縁管継手の外周面を絶縁物で被った状態を示す図であ
る。 図中、１，１１はケーシング、２，１２は絶縁物、３，
１３は電極、４，１４はケーブル、５は電源、６はオイ
ルサンド層、７は電流、８は地上、９はオイルサンド上
層、１０はオイルサンド下層、２１は絶縁管継手、２３
は第１の管状部材、２４は鍔部、２５は第２の管状部材
、３４は袋部、３５．３６，３７，４１は絶縁物である
。 なお図中同一符号は同一もしくは相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ （イ）地下に埋設される金属製管状ケーシング、（
   ロ）地下の炭化水素系地下資源に埋設され、上記地下資
   源に電流を流す電極、（ハ）一端部に鍔部を有する第１
   の管状部材、この第１の管状部材の鍔部を間隙を保って
   収納した袋部を一端部に有する第２の管状部材、及び上
   記鍔部と袋部との間隙に介在し、第１と第２の管状部材
   を密封固着すると共に、第１と第２の管状部材間を電気
   的に絶縁するように設けた絶縁物で構成され、上記ケー
   シングと上記電極を連結すると共に、電気的に絶縁する
   絶縁管継手、及び２上記電極に接続され電流を供給する
   ケーブルを備えた炭化水素系地下資源の電気加熱用電極
   装置。 ２ 絶縁管継手は複数個が連結されたものである特許請
   求の範囲第１項記載の炭化水素系地下資源の電気加熱用
   電極装置。 ３ 絶縁管継手の絶縁物は鍔部と袋部との間隙に介在し
   た絶縁物と、この絶縁物に連続して管状部材の内外部の
   周面に設けた絶縁物である特許請求の範囲第１項又は第
   ２項記載の炭化水素系地下資源の電気加熱用電極装置。 ４ 絶縁管継手の絶縁物はガラス質及びマイカの粉末か
   らなるがラスマイカ塑遺体である特許請求の範囲第１項
   ないし第３項のいずれかに記載の炭化水素系地下資源の
   電気加熱用電極装置。 ５ 絶縁管継手の外周面を絶縁物で被覆した特許請求の
   範囲第１項〜第４項記載の炭化水素系地下資源の電気加
   熱用電極装置。 ６ 絶縁管継手の外周面にテフロンを被覆した特許請求
   の範囲第５項記載の炭化水素系地下資源の電気加熱用電
   極装置。