JPS59141692A - 炭化水素系地下資源の電気加熱用電極装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、炭化水素系地下資源の電気加熱用電極装置
に関するものであり、さらに詳しくいうと、地中に存在
する高粘度、低流動性の炭化水素系地下資源を井戸から
採取するに際して、当該炭化水素系地下資源の流動性を
高めるために、地中の資源層に通電し加熱する炭化水素
系地下資源の電気加熱用電極装置に関するものである。

地中に存在する高粘度、低流動性の炭化水素の代表的′
１．仁ものに、一般にオイルサンド、あるいはクールサ
ンドと呼ばれるものに含まれるビチューメン、ならびに
オイルシェールと呼ばれるものに含まれるケロゲン等が
ある。

現在経済的効果を配慮して専ら研究対象になっているの
はオイルサンドである。このような地下に存在する油層
の加熱方法として現実に研究が進められているのは、地
下の油層に達する鋼管を埋設して熱水あるいは高温高圧
の水蒸気を注入する方法と、油層部如適当な間隔を保持
してコケの電極を埋設し、電極間に通電してジュール熱
により加熱する方法である、前者の方法は装置的には容
易であるという長所がある反面、効率が悪いという短所
がある。後者の方法は効率的にはきわめて良好であると
いうことが、理論的あるいは実験的に認めらねているが
、装置的にはきわめて煕かしい問題があるという短所が
ある。

この発明は、後者の所謂電気加熱方法に使用するｉ極装
置に関するものである。電気加熱方法は単独では細巾の
オイルサンドを採取することは不可能である。電気加熱
方法の場合、鋼管の下部に管状の電極装置を設け、通電
によりオイルを加熱してその粘性を低下させた後、一方
の鋼管を通じて高温高圧の水蒸気を注入し他方の鋼管を
通じてオイルを採取する方法がとられる８ 以下、理解を容易にするために、オイルサンドの存在状
態、採取方法を含め電極装置に要求される特性について
説明する。オイルサンドは、カナダ、アメリカ合衆国、
ベネゼラに埋蔵が確認さねでいる。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ともに
存在しているが、きわめて粘度が高く、自然に存在する
状態では流動性を有りない。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〜ｓ
ｏｏｍの深さに数１ｏｒｒｔの厚さの層をなして存在し
ている。オイルサンドを掘り出し、地上でオイルを分離
するのは仔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採取は陥没の危険があるため
、ｊｌし下３θＱｍ以下の層から採取するのが望ましい
とされている。

このようなオイルナンド層を通電により加熱する電極装
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、すなわら、オイルサン
ド上層より高いということである。場所２条件Ｃτより
それぞれ異なるため一律に表示し雛いが、因にその乎均
値を示すと、オイルサンド層が１０００ｍであり、上部
の地層は７００ｍである。そのため姿１■管で造らハた
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
埋設した電極装置ユ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′）になる。

この現象を避けろためには、地層部にあるケーシング表
面に鹸縁被σ層を設けろか、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。

この発明は一後者、すなわち電極をケーシングから絶Ｐ
ｌ、した装置に関するもので一以下この装置を図面につ
いて説明する。

第１図は電極装置の配置を楔形的に示したもので１図に
おいて、鋼管で作られたケーシング／。

ｊｌの下端に、絶縁部コ、／ユが接合され、この絶縁部
コ、／コに電極３．／３がそねぞれ接合されている。グ
、／グは電極３．／３に電流を送るケーブルでこハらを
併せて電極装置とよぶ。また、５は電源装置、乙はオイ
ルサンド層、７は電極３゜１３の間の電流を示す線、ｇ
は地表、デはオイルサンド上層、１０はオイルサンド下
層である。かかる構成により、オイルサンド層６に埋設
した電極３．／３に地上の電源装置左よりケーブルク。

／ｑを通じて電圧が印加されると、オイルサンド層Ａ中
の電気抵抗に応じて電流７が流れてジュール熱が発生し
、オイルサンド層Ａが加熱さねる。

このとき電流りの７部はオイルサンド上層デおよびオイ
ルサンド下層／θへも流ねるが、ケーシング／、／ｌと
電極３，１３間に絶縁部ユ、／ユが介在するために一重
部７の洩れは小さく抑えらねる。オイルサンド層６が所
定の温度まで加熱されると通電を止め、電極装置の一方
のケーシング／の上部から熱水あるいは高温高圧水蒸気
をオイルサンド層６中に圧入すれば、この水蒸気や熱水
はケーシング／／よりオイルと共に流出する。熱水ある
いは高温高圧水蒸気の流出をよくするために、電極３．
／３には細孔があけられるのが普通である。

ｔｉｔ　極装ＲＫは通常、電極３．／３にオイルサンド
層乙との接触抵抗を低くするために食塩水がパイプ（図
示していない〕を通じて送り込まハ、食塩水とケーシン
グ／、／／とを分離するため、電１、ｆｔ、３．／、３
上方に仕切板（図示せず）が設けられ、さらに仕切板°
の上部に絶縁性液体を充満する手段がとられる。

このような電極装置は埋設時に破壊せず、埋設当初は土
庄に耐える充分な強度を有し、通電時は温度上昇があり
、特に、電極近傍は電流密度が高いために特に著しいが
、それでもたお変形や破壊を生ぜず、内部に充満される
液体の静圧に耐え、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ｓｏｏｍ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／とすればＳＯ〜の圧力がかかり、
３０〜の圧力を有する水蒸気の温度はΩＡｊ℃に達する
。

なお−この絶縁部コ、／２の上部はケーシング／、／／
に、また、下部は電極３．／３に接続されるので絶縁部
λ、／２には常に懸垂荷重が加わることになり、しかも
、その条件はコ！ｒθ〜３００℃の高温状態下であるた
めに、これらの条件に耐える特性が要求される。次にこ
の絶縁部２．／、２は下端に電極３．／３を懸垂し、上
端はケーシングユ、／２に接続された状態で地下数／　
００ｍ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。従って、全体の重量が重いために、僅かな
接触も絶縁部ユ、／２には大きな機械的衝撃になり、こ
の衝撃に耐え破損しない特性も要求されろ。

本発明者らは、有用な電気加熱用電極装置を得る可く、
先ず、絶縁部を構成する有用な絶縁管継手の研究を行っ
た。特性目標として次の項目を挙げた。すなわち、電極
を懸垂保持するので機械的強度が大きいこと、両電極間
にりθθＯ−タ、ＯＯＯ■の電圧が印加されるので、こ
の電圧に耐える高（・耐電圧特性を保持すること一電極
間の通電により温度が上昇し、約３０θ℃の温度になる
カニ、この温度条件下においても前記機械的および電気
的特性を保持すること、耐冷熱衝撃特性に富むこと、埋
設時に穴壁との接触が必然的に発生するので機械的衝撃
強度が太きし・こと、中央貫通孔力量上部のケーシング
／、／／および電極３．／３の内径と等しく流通抵抗が
低（・こと、なお上言己条件下において高度の水（油）
密特性を保持すること、および経年変化がなく長期信頼
性を有すること、ならびに上下のケーシングｉ、ｉｉ−
および電極３゜／３と容易に接続できること、等である
。

そうして、上記のような目標特性を具備した絶縁管継手
を得ることに成功した。まず、この絶縁管継手の構成を
第一図により説明する。第２図（ａ）部は製品構造を示
し、それぞれ鋼材で造られ中央に貫通孔を有する内部金
具コ／、外部金具２−とその間隙部に介在する絶縁物ユ
ダにより構成されている。内部金具、２／は下端部に外
周環ユ／−／が形成されている。外部金具ｊ、２は上部
金具、７２−７と下部金具、２コーユにより構成され、
上部金具、２．２−／は上端部に内部金具、２／の外周
環：ｌ／−／と対向する内周環、２λ−／ａが形成され
ている。この内周環り２−／ａを内部金具２１の壁部、
２／−２の外周に貫入させた後、その下端部を下部金具
２．２−２の壁部：ｌｊ−、？の外周部に螺合もしくは
溶接により接合２りする。なお、壁部２２−３の内周径
は内部金具２／の貫通孔径より大きくなっている。絶縁
物２りは内部金具２／と外部金具２−１の間隙部を充填
するとともに、こねに連結して内部金具ユ／の壁部、２
／−２の外周面および外部金具−！λの壁部−！−−３
の内周面に密接して設けられている。

次に絶縁物−ｔであるが、ガラス・マイカ塑造体が使用
されている。このガラス・マイカ塑造体とは、ガラス質
の粉末とマイカの粉末との混合物を原料とし、この原料
粉末をガラス質が軟化して加圧により流動可能な温度に
加熱し、加熱状態で加圧成形して造られる絶縁物のこと
である。

この絶縁管継手は第２図（ｂ１部に示す形状の内外部金
型３１．．３２を用意し、専用の成形型（図示せず）を
使用して上記のガラス・マイカ塑造体からなる絶縁物−
グを構成した後、機械加工により第一図（ａ）部に示す
ような製品に仕上げて造られる。

コノガラス・マイカ塑造体としては、ガラス質の転位温
度以下における熱膨張率が内部金具λ／。

外部金具２２を構成する鋼材のそれより小さいものを使
用する。成形時の温度は内、外部金具２／。

、２２およびマイカ・ガラス塑造体いずれもガラス質の
転位温度より高いので成形後の冷却過程において、ガラ
ス・マイカ塑造体の外周面は内、外部金具ｕ／、、２．
２により強力に締付けられる。次に温度が上昇すると、
上記の締付力は減少するが、逆洗ガラス・マイカ塑造体
の内周面は内側に存在する金具の外周面により強力に締
付けられるようになる。

この絶縁管継手の場合、内部金具、コ／には外周環コ／
−／が外部金具２．２には内周環３ノー／ａが設けられ
ており、両者とも絶縁物、２１Ｉの内外周面に金具部が
存在しているので、温度の上昇下降があっても緩みを生
ずるおそれは全くない。そのため、常温乃至３θ０　’
Ｃの温度領域にふ・いて水（油）密特性は勿論のこと機
械的強度が低下するということがない。また、内部金具
、２／の外周環２／−／と外部金具２コの内周環２２−
／ａが対向しているので、懸垂荷重強度もきわめて犬で
ある。

最後に、ケーシング／、／／と電極部、？、／、？との
接続は内部金具２／、外部金具、２．２の内面にそハぞ
れ螺子２／−３，，２２−グが螺設されているのできわ
めて容易である。

上記説明で明らかなよう妬、この絶縁管継手は電極装置
用の絶縁管継手として必要な特性を殆んど具備するもの
であるが、沿面ＰＲ特性に不可避の欠陥がある。そもそ
も、この電極ｉＲは前述したように電極とオイルサンド
層の接触抵抗を低くするためにパイプを通じて食塩水が
送り込まれる。

そのため絶縁管継手の外周部にも食塩水が介在するよウ
ニなるため、外周部に形成される長い沿面絶縁部は高い
沿面絶縁特性を確保する必要がある。

内周面については、食塩水とケーシング／、／／とを分
離するために電極３．／３の上方に仕切板が設けられ、
さらに仕切板の上部にはソ・練性液体が充満されるので
、内周面の涜面紗縁抵抗については問題になる欠陥は存
在しない。

さて、この絶縁管継手の外周浴面絶縁特性は、内部金具
２／の壁部り／−一の外周面に構成されるに６縁物ノグ
の長すにより決まるが、その構成し得る長すには自ずと
限界がｉ）す、その内径寸法の約＋が限度である。その
理由ば、主として成形性の問題で、この限度を突破する
には膨大な成形設備を必要とし、価格面を併せ考慮する
と上記のよりＶＣ７’：ｃる。

本発明者らは、各種特性についてきわめて優れた特性を
具備する上記の絶縁管継手を活用“し、外面の沿面絶縁
特性を他の手段で確保して全要求特性を具備する電極装
置の実現に到達した。具体的、には−個の絶縁管継手の
内部金具２／を対向させ、その間に外周面に絶縁層を構
成した鋼管を接合して介在させ、この絶縁層と絶縁管継
手の内部金具コ／の外周面にある絶縁層２１の間に、両
者を連結する別な絶縁材を介挿して外周面の沿面絶縁抵
抗を確保しようとするものである。

上記の考え方を実現する際に先ず問題になるのは、外周
面に強固に接着された絶縁層を有する鋼管を得ることで
ある。使用条件が常温乃至ｉｏ。

℃程度の温度領域の場合には耐食特性等を含め有機質の
絶縁層を構成することにより容易に目的品を得ることが
できるが、この電極装置のように使用条件が３０θ℃程
度になると事態は大きく異なる。先ず、３θθ℃の耐熱
特性を有する材料を選択する必要がある。有機材料中に
上記特性を有する材料を求めると、ポリ弗化エチレン（
テフロン）あるいはポリエーテルエーテルケトン（ビー
ク）等がある。こハらの材料は基体である鋼管材料と熱
膨張率が優に一桁異なり、きわめて大きいので、温度が
上昇すると、ポリ弗化エチレンのように柔軟性を有する
材料は大きく変形し、柔軟性を有しないポリエーテルエ
ーテルケトン等は破損現象に発展する。この場合、形状
が小型で膨張、収縮量差の絶対値が僅少の場合には、上
記現象を避ける手段が考えられるが、直径、長す等形状
が大きくなり膨張、収縮量の差の絶対値が大きくなると
、こねは必然的な物理的現象であり不可避の条件である
。この電極装置のように、直径が２０θ〜、２５θ朋、
長ザが１００θ〜コθＯθｗともなると、こねを避ける
条件は先ず考えらねず、有機材料によるＰ線層の構成は
不可能である。

鋼管の外周面に構成した絶縁層で常温〜３００℃の温度
領域において密着性を含め安定した特性を保持するため
には常温〜３０θ℃の温度領域で熱膨張率が鋼管のそれ
と近似であることが必要条件であり、同時に密着特性が
良好であることも要求される。上記条件を満たすものと
して、ガラス質の絶縁層を構成することを考えた。この
場合問題になるのは耐食特性であるが、熱膨張率と耐食
特性を基本てガラス組成の研究を重ね遂に目的を果すガ
ラス質を得た。

そうして鉄器琺瑯技術を転用して鋼管表面に有用な絶縁
層を被着することに成功した。

次は絶縁管継手の外周面に被着されるガラス・マイカ塑
造体よりなるＰ綴物と鋼管表面に構成したガラス質の絶
縁層とを連結する絶縁材の構成である。

次に、この発明に使用する前記の鋼管の表面にガラス質
の絶縁層を有する接続管の構造およびこの発明になる絶
縁管継手と接続管の連結構造の一実施例を第３図により
説明する。ｉｏｏは絶縁管継手、／θ／は接続管である
。接続管１０／は鋼管、２乙の表面にガラス質よりなる
絶縁層λりが形成されており、端部には絶縁管継手１０
０の内部金具、２／の螺子、２／−３に螺合する螺子１
０／−／が螺設されており、螺子／θ／−／の基底部に
は内部金具、２／の壁部ρ／−コおよび絶縁物、２’１
の端面に対向する平面部が形成さねている。絶縁管継手
１０θと接続管１０／の接合部に介挿される連結部１０
２は、螺子ノ／−３を螺合して、絶縁管継手１０θの壁
部ユ／−ユおよび絶縁物コダの端面と絶縁管１０／の鋼
管２乙および絶縁層２７の端部に設けた平面部の間に間
隔部を形成し−この間隔部に有機質よりなる絶縁材、２
ｇを充填する。

そうして絶縁材、２ｇの一部を外周面に浴出させ、その
外周部を金属製の締付環、２９により締伺ゆて構成され
る。

次に、この発明になる加熱用電柵装置の一実施例を第グ
図により説明する。図において（１）〜（グ）は第１図
におけると同じである。３０は電極３上部に設けられた
前述の仕切板である。絶縁部２は、−個の絶縁管継手／
θ０を端部の螺子２　／−、？に接続管１０／の両端を
結合して接続し、連結部１０２は第３図に示した絶縁材
２ｇおよび締付環ユタにより、絶縁管継手／θ０および
接続管１０／の表面のＰ静物を完全な絶縁を保持して連
結する。

絶縁部ユの両端にはケーシング／および電極３がいずれ
も螺子２：ｌ−グにより結合する、この電極装置の場合
、絶縁管継手／θθには内部金具、！／、外部金具、ｌ
ｕにそハぞれ相対向する状態に外周環、２ｉ−ｉと内周
環λ、２−／ａを有し、絶縁物２グにガラス・マイカ塑
造体−を使用したので、完全な懸垂荷重強度を保持する
とともに常温〜３０θ℃の温度領域において機械衝撃強
度および水（油）密特性を保持しつる。また、不可避の
欠陥である外周部の沿面絶縁特性を確保するために、絶
縁管継手／θＯの中間に常温〜３θＯ℃の温度領域にお
いて、基体である鋼管２乙と熱膨張率がよく一致し、剥
離、脱落の恐れがなく、かつ十分な耐食特性を有するガ
ラス質よりなる。ｐ線層２７を鋼管コロの外周面に形成
した接続管／θ／を介在させ、さらに絶縁管継手／θＯ
および接続管１０／の表面の給綴物間の間隔部を狭くし
、この間隔部に有機材料よりなる絶縁材２ｇを充填し、
浴出した絶縁材２ｇの外周を金属よりなる締付環Ｊ？で
締付けるという構成えより、外周面の沿面絶縁抵抗を完
全に確保している。また、絶縁管継手１００と接続管／
θ／の表面のＰ線層を絶縁保持して連結するのに熱膨張
率の大きい有機材料を使用しているが、間隔部が狭く絶
縁部、２　ｇの充填量が僅少であり、膨張、収縮量の絶
対値が少ないこと、および絶縁材２ｇの外部への浴出部
の外周を締付環、２ｑで締付けであるので緩衝効果が得
られることにより、水（油）密性が保持される。

以上の説明から明らかなように、この発明になる電気加
熱用電極装置は外周部の沿面Ｐ縁特性以外の必要特性は
絶縁管継手で、沿面絶縁抵抗は接続管およびその連結構
造により確保されており、従来装置の致命的な欠陥であ
った沿面絶縁抵抗の低い点が完全忙除去され、懸垂強度
、水（油）密性、冷熱および機械的衝撃強度を保持する
ことは勿論、耐食特性に富み、長期信頼性を有し、地下
資源回収用の電気加熱用電極装置としてきわめて有用で
、その実用的および技術的効果はきわめて大きいもので
ある。

蓋た、ケーシングあるいは電極と絶縁部との接続が螺子
になっているため組立がきわめて容易で安価に提供でき
るという大きな効果もある。

なお、絶縁管継手と接続管の接合は螺子結合により説明
しているが、溶接による結合であってもよく、さらに、
内部金具の外周環および外部金具の内周環はいずれも鍔
状９輪状のものであってもよく、同様の効果が得らねる
。

【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断面図、第２図はこの発明
に使用する絶縁管継手の一実施例を示す断面図で同図（
ａ１部は製品の、同図（ｂ）部は成形時のそわぞれ縦断
面図、第３図は同じく接続管および接続管と絶縁管継手
の接続構造の一実施例を示す縦断面図、第７図は同じく
電気加熱用電極装置の一実施例の縦断面図である。 ｌ、／／・・ケーシング−，２，／、！・・絶縁部、３
、／３・・電極、コ／・・内部金具、２／−／・・外周
環、コ／−２・・壁部１．２／−，３・・螺子、ノー・
・外部金具、βｇ−／・・上部金具、ρコー／ａ・・内
周環１．２コーλ・・下部金具、２−一り・・螺子１．
２り・・Ｐ綴物−，２左・・接合部５．．２乙・・鋼管
、コク・・ＰＲ層１．２ｇ・・絶縁材１．２９・・締付
環５、？θ・−仕切板、／θθ・・絶縁管継手、１０／
・・接続管、／θユ・・連結部。 なお、各図中、同一符号は同一ある０は相当部分を示す
。 代理人　　　　葛　　野　　信　　− ん１図 昂３図 −４９３−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）金属製ケーシングの下端に絶縁部を介して管状の
   電極を結合してなる電気加熱用電極装置において、 一端部に外周環を有する内部金具と、一端部に前記外周
   環に対向する内周環を有する外部金具と、前記外周環お
   よび前記内周環を囲むとともに前記内部金具の外周面お
   よび前記外部金具の内周面に被着された絶縁物を備えた
   絶縁管継手と、外周面に絶縁層を有し前記内部金具との
   結合により上下端に前記絶縁管継手をそれぞれ連結した
   接続管と、前記内部金具の外周面の前記絶縁物の端部と
   前記接続管の前記絶縁層の端部との間に介挿された絶縁
   材と、この絶縁材の外周に配設された締付環を備えた前
   記絶縁部と、 前記外部金具との結合により前記絶縁部の上下端にそれ
   ぞれ連結された前記ケーシングおよび前記電極と、 を備えてなることを特徴とする炭化水素系地下資源の電
   気加熱用電極装置。 （コ）　　絶縁管継手の絶縁物がガラス・マイカ塑造体
   でな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）接続管の絶縁層がガラス質でなる特許請求の範囲
   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
   。 （９）外周に締付環が配設さねた絶縁材が有機質材料で
   な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。