JPS6260559B2 - - 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に、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、ペトロリウムま
たはオイル、オイルサンド（タールサンドともよ
ばれる）に含まれるビチユーメン（Bitumen）、
オイルシエ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
共存するガス圧による自噴、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
を圧入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
した温度は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）、爆薬の利
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、油層に裂け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け全体に拡散
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、各電極間に電位差を与えて
油層の導電性を利用して加熱するので、油層に裂
け目があつたり、あるいは固く緻密であつても全
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
温高圧水蒸気の圧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。

オイルサンドはタ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10ｍ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、オイルサンド層が100Ω−ｍであり、上部の
地層は10Ω−ｍである。そのため銅管で造られた
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被覆層を設けるか、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。

この装置を模形的に示せば第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
て電圧が印加されると、オイルサンド層６中の電
気抵抗に応じて電流７が流れてジユール熱が発生
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へも流れるが、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、
他方の電極装置のケーシング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１，１１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、さらに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3946809号とか、カナダ特許第
1022062号に述べられている。

電極装置は埋設時に破壊せず、埋設当初は土圧
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が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50Kg／
cm²の圧力がかかり、50Kg／cm²の圧力を有する水蒸
気の温度は265℃に達する。

なおこの絶縁物２，１２の上部はケーシング
１，１１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℃〜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
は現実的には避け難い条件になる。全体の重量が
重いため、僅かな接触も絶縁物２，１２には大き
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脹収縮率の差により
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）密
特性が要求されるものであるから、ケーシング
１，１１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）密特
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に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け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脹率の差により、水
（油）密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。その他磁器質は本質的に機械
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ａに示す絶縁管継手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。この絶管継手２１は第２図ｂに示す成
形品３１から機械加工により造られるものであ
る。理解を容易にするため先にこの成形品３１を
説明する。この成形品３１は内周金具３２、外周
金具３３および絶縁物３４により構成されてい
る。内周金具３２は、筒体３２−１の下端に支持
部３２−２を有し、その上部に外周に螺子３２−
３を有し、外径が支持部３２−２より大きい凸部
３２−４をその上部に外周金具の螺子３３−４と
間隙を保持する凹部３２−５、この凹部３２−５
より大きく、かつ螺子３３−４が通過し得る外径
の平行部３２−６、この平行部３２−６より小さ
い外径の補助部３２−７を連結して保持する構造
になつている。外周金具３３は内周金具３２と同
じ内径を有する筒体３３−１の上に内周金具３２
の支持部３２−２の外周部および凸部３２−４の
底面の間に同寸法の間隙を保持する支持部３３−
２と、螺子３２−３と小径との間に上記間隙と同
寸法の間隙を保持する凹部３３−３と螺子３２−
３に螺合する螺子３３−４を有し、凹部３２−５
とこの螺子の山径との間隔が前記間隔と同寸法を
保持する螺子部３３−７および平行部３２−６と
も前記間隔と同寸法の間隔を保持し、かつ頂点が
等しい高さになる平行部３３−５により構成され
ている。材料は鉄材が使用される。第２図ｂに示
すように内周金具３２の螺子３２−３を外周金具
３３の螺子３３−４を通過させ支持部３２−２を
筒体３３−１上に載置する。この時両金具の各部
分が等しい間隙を保持するようにしておく、この
間隙にガラス、マイカ塑造体からなる絶縁物３４
−１，３４−２，３４−３が充填され両金具を密
封固着している。上記絶縁物を構成するガラス、
マイカ塑造体とはガラス質の粉末とマイカの剥片
状の粉末の混合物を原料とし、この原料粉末をガ
ラス質が軟化し、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により造られるもので
ある。

この成形品３１は専用の成形型（図示せず）を
使用し、これを所定温度に加熱しておき、内周金
具３２と外周金具３３は第２図ｂに示すように組
立てて所定温度に加熱し、加熱状態で成形型内に
挿填し、次に原料粉末は内周金具３２とその外周
に存在する成形型の間隙部に挿填可能な円筒形状
の予備成形体を作成しておき、これを所定温度に
加熱し加熱状態で挿填し、加熱状態で加圧し、両
金具の間隙部に圧入して絶縁物３４−１，３４−
２，３４−３を構成して造られる。

上記予備成形体はガラス質の日本フエロー株式
会社製のNo.C−６の鉄器琺瑯用釉薬を200メツシ
ユに粉砕した粉末45W％と合成金弗素マイカの粉
末60〜200メツシユ品55W％を混合し、水約5W％
を加えて湿潤状態にしたものを原料とし、別の成
形型（図示せず）を使用し、冷間加圧により必要
量を処定の円筒形状品に成形し、乾燥して水分を
除去して作成に完了したものである。

上記のようにして製造した成形品は機械加工に
より第２図ａに示す絶縁管継手に仕上げられる。
絶縁物３４−１と３４−３が露出され外部と内部
の絶縁部を構成する。内周金具３２と外周金具３
３には金属管接続用の管用螺子３５−１，３５−
２が螺設され本発明に必要な絶縁管継手が得られ
る。

この構造の絶縁管継手の特性について説明す
る。一般的な機械的および電気特性は絶縁物であ
る。ガラス、マイカ塑造体の特性に、引張り特性
については構造に大きく支配されるものであるガ
ラス、マイカ塑造体の特性はこれを構成するマイ
カ粉末の配列状態とガラス特性により決まる。ま
ずマイカ粉末の配列状態から説明する。このマイ
カ粉末は剥片形状をしており、一般に剥片の平均
粒子径と厚さの比率は30〜50：１の形状をしてい
る。一方ガラス質粉末は方向性を有さない微粉末
形状である。上記の混合粉末をガラス質が軟化し
て流動可能な温度に加熱し、加熱状態で加圧成形
すると形状が板状である場合、混合粉末は殆んど
移動せずに加圧される。この時マイカ剥片は加圧
面と平行に配列し、あたかも積層品のようにな
る。次に加圧により混合粉末が流動し間隙部に圧
入されるような成形をすると、流動方向に配列し
移動せずに加圧を受ける部分は加圧方向と平行に
配列するようになる。第２図、第４図のｂに鎖線
で示してあるのはマイカ剥片の配列方向で、成形
時上部に残存した上部絶縁物３４−４は加圧面と
平行であるが内周金具３２と外周金具３３の間隙
部に構成された絶縁物３４−１〜３は総べて流動
方向と平行であり金具の表面に平行に配列してい
る。

扨、マイカ剥片の配列方向と機械的および電気
的特性の関係について説明する。まず、機械的強
度であるが、引張り強度に関しては、配列と平行
方向が強く逆に配列と直角方向は、圧縮には極め
て強いが、引張りに関しては層間剥離を生じ極め
て弱い。そのため、成形品の厚さが25mm程度に達
すると、単体成形品の場合には、表面部と内部に
発生する応力により、また第２図ｂ、第４図ｂの
絶縁物３４−４のように金属と接して成形したも
のにおいては、熱膨脹率差により生じた応力によ
り層間剥離を生ずるようになる。以上のように、
機械的強度は配列方向に大きく支配されるもので
ある。

次に電気的特性との関係であるが、これも配列
方向によりその特性は大きく異なる。配列方向と
直角方向については15〜20kv／mmの耐電圧を保
持するが、逆に平行方向については、密度に大き
く支配され、例えば層間剥離を生じていなくとも
発生する直前の状態品の場合、極めて弱いもので
ある。

扨製品である絶縁管継手２１の電気特性である
が、第２図ａに示すように内周金具３２に機械加
工が施され絶縁物３４−１と３４−３が片面露出
するように仕上げられている。内周金具３２と外
周金具３３の間隙部に存在する絶縁物３４−２は
総てで金具表面と平行に配列されているため、前
述のように耐電圧は極めて高く全く問題はない。
次に沿面絶縁抵抗であるが絶縁物３４−１，３４
−３何れも外周金具３３に平行に配列しているた
め長さが長くなつても層間剥離を生ずることがな
く、機械強度的にも安定しており沿面長の長いも
のが得られる。次に引張り強度であるが螺子３２
−３と３３−４が螺通されており螺子間の空隙部
のマイカ剥片は螺子と平行に配列しており、引張
り荷重は圧縮を受ける状態になるので、その強度
は極めて大きいものになり、螺子の構造を変更し
て対向面積を調節することにより必要特性を具備
するものを得ることが出来る。次に機械的衝撃強
度であるが、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が前記のように剥片状で
あるため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ため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。次に高温時に
おける強度であるが耐熱特性は原料に使用するガ
ラス質の熱特性と密接に関係しガラスの転位温度
との関係が支配的で、転位温度より60〜70℃低い
温度範囲では機械的強度の低下は殆んど現われな
い。即ち転位温度が360℃より高いガラス質を使
用した場合300℃では完全な耐熱特性を保持す
る。

扨、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で、その長
さは絶縁物３４−１，３４−３の外径寸法の約1/
２が限度である。ガラス、マイカ塑造体のガラス
質の転位温度以下の熱膨脹率を外周金具３３の熱
膨脹率と同等にすると上記の限度は大きくなり外
径寸法と同一寸法程度まで可能になるが、このよ
うな大きな熱膨脹率のガラス、マイカ塑造体は耐
食特性が極端に低下し、その実用価値が乏しくな
るので、この点を考慮すると上記のように外径寸
法の約1/2が限度になる。

次に上記絶縁管継手２１を使用した電極装置の
一実施例の構造を第３図により説明する。図にお
いて１〜４は第１図のそれと同じである。第３図
ａは基本構造を示す絶縁物２は絶縁管継手２１２
ケにより構成されており両端に螺子２２−１を有
する接続管２２により接続されている。絶縁物２
の両端にはケーシング１および電極３が何れも接
続螺子３５−１，３５−２により接続されてい
る。この電極装置の場合、各部分の接続がケーシ
ング１の接続に使用する螺子がそのまま使用可能
であり、接続作業は極めて安易に施行出来る大き
な効果がある。また各部分が同一寸法の連通孔に
なつているので、前記の仕切板等が必要部品は容
易に取付けることむ出来る。なおこの絶縁物２の
最大の特徴は絶縁管継手２１の絶縁部３４−１，
３４−３が総べて外周金具３３の内周部に位置す
ることである。このことは埋設時に絶縁物が孔壁
に接触して破損するという事態は完全に防止され
埋設工事は高度の信頼性を保持して実施できる。
なおこの基本構成図では絶縁管継手２１ ２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い。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に示すように絶縁管継
手２１の接続管２２の外周部に耐熱特性に富む有
機系の被覆材４１を絶縁物３４−１に連結させて
構成することにより、容易に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お
よび注形材を使用して被覆材４１を構成すること
は有効な方法である。この場合の被覆材４１は絶
縁管継手２１の外周面に露出しないので埋設時に
孔壁と接触して破損する危険性は全くない。

第４図ａはこの発明の他の実施例で第２図ａと
異なるところは絶縁物３４−１の上方部における
外周金具３３を切り取り、内周金具３２を残し、
絶縁物３４−１の上方部を外部へ露出させた点で
ある。

また第４図ｂに示されるように絶縁管継手の接
続管２２の外周面に絶縁被覆材４１を設けること
により沿面絶縁距離が一層長くなり、ケーシング
を電極との絶縁を一層良好にすることができる。

以上のようにこの発明によれば絶縁管継手の両
端に発生した引張り力は絶縁管継手を構成する第
２の管状部材の螺子間の圧縮力になりその螺子間
に充填された絶縁物の圧縮強度は引張り強度に対
して遥かに大きいものであるため、大きな機械的
衝撃強度に十分耐え得ることができかつ構成が簡
単で製作が容易である等諸効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は電気加熱用電気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３図
ａはこの発明の一実施例を示す断面図、第３図ｂ
はこの発明の他の実施例を示す断面図、第２図ａ
図およびｂ図は第３図ａ，ｂに示される絶縁管継
手の一実施例を示す断面図およびその成形品の構
造を示す断面図、第４図ａ図およびｂ図は第３図
に示される絶縁管継手の他の実施例を示す断面図
およびその成形品の構造を示す断面図である。 図において、１はケーシング、２，２２は絶縁
物、３は電極、４はケーブル、２１は絶縁管継手
である。なお図中同一符号は同一または相当部分
を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一端部に螺子部を有する第１の管状部材と、
   この第１の管状部材の螺子に螺合する螺子部を一
   端部に有する第２の管状部材と、上記第１の管状
   部材の螺子部を上記第２の管状部材の螺子部に螺
   合させこの螺子部を通過させて形成された間隙部
   に充填され上記第１と第２の管状部材を密封固着
   すると共に第１と第２の部材間を絶縁する絶縁物
   とからなる絶縁管継手、炭化水素系地下資源の上
   方を覆う地層に埋設される金属性管状ケーシン
   グ、上記炭化水素系地下資源内に埋設され上記炭
   化水素系地下資源へ電流を流す電極を備え、上記
   第１と第２の管状部材の一方に上記電極を、他方
   に上記金属性ケーシングを固着してなる炭化水素
   系地下資源の電気加熱用電極装置。 ２ 絶縁管継手を複数個有し、この複数個の管継
   手が接続管にて接続されていることを特徴とする
   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 絶縁継手の絶縁物はガラス質及びマイカの粉
   末からなるガラス、マイカ塑造体であることを特
   徴とす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。