Щелевой фильтр
Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано для защиты установок скважинных насосов при добыче нефти в условиях, осложненных высоким содержанием механических примесей в пластовой жидкости. Устройство содержит трубу, имеющую фильтровальный участок с перфорациями в виде отверстий и пазы для перемещения подвижного двустороннего упора. Вокруг трубы концентрично установлен фильтрующий элемент, выполненный в виде навитой по спирали проволоки, между витками которой формируются щели. Размер щелей регулируется посредством пружины, усилие которой превышает упругую деформацию проволоки фильтрующего элемента. На окончаниях трубы смонтированы верхний и нижний неподвижные упоры, а на внешней поверхности фильтровального участка установлены ребра жесткости. Фильтр дополнительно снабжен упругим элементом со сквозными отверстиями, каналами или полостями, который закреплен на подвижном двустороннем упоре. Фильтрующий элемент размещен между подвижным двусторонним и верхним неподвижным упорами с жестким присоединением к ним торцевых витков проволоки. Пружина расположена между двусторонним и нижним неподвижным упорами. Повышается удобство обслуживания и эффективность работы щелевого фильтра в скважине за счет сокращения времени на его очистку и, как следствие, увеличение наработки скважинной насосной установки на отказ. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано для защиты установок скважинных насосов при добыче нефти в условиях, осложненных высоким содержанием механических примесей в пластовой жидкости.
Известно устройство, представляющее собой скважинный щелевой фильтр, включающий фильтрующий элемент, ведущий и ведомый валы, соединенные между собой посредством редуктора, лопасть и элементы очистки, установленные на ведомом валу. Ведомый вал окружен фильтрующим элементом, нижний торец которого открыт, а верхний торец закрыт крышкой, через которую проходит ведомый вал. На ведущем валу расположена лопасть, заключенная в корпус с входными отверстиями внизу и выходными отверстиями вверху. На корпусе выше входных отверстий и на нижнем конце фильтрующего элемента установлены уплотнительные кольца. Элементы очистки взаимодействуют с фильтрующим элементом при вращении ведомого вала, тем самым осуществляя его очистку в процессе работы в скважине. Устройство предназначено для продолжительной защиты электроцентробежных насосов от попадания механических примесей [Пат. RU 2618248 С1, МПК Е21В 43/08, опубл. 03.05.2017].
К недостаткам известного устройства относится то, что его область применения ограничена скважинными насосными установками, имеющими погружные электродвигатели с двухсторонним выходом вращающихся приводных валов. Устройство имеет сложную конструкцию, в состав которой входит редуктор. Контакт фильтрующего элемента с элементами очистки, выполненными в виде реечных щеток или подпружиненных бойков, обусловливает ускоренный износ последних, что снижает ресурс устройства в целом.
Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности признаков является щелевой фильтр, содержащий трубу, фильтровальный участок которой имеет перфорацию в виде отверстий, фильтрующий элемент в виде навитой по спирали проволоки с образованием щелей между витками, и пружину. Фильтрующий элемент расположен концентрично трубе между неподвижно закрепленным нижним упором в виде стакана и подвижным двусторонним упором и установлен в кольцевых зазорах между наружным диаметром трубы и внутренними диаметрами нижнего упора и подвижного двустороннего упора, с опорой торцевых витков проволоки на кольцевую площадку каждого из упоров. Между подвижным двусторонним упором и верхним неподвижно закрепленным упором установлена пружина, первоначальное усилие которой превышает упругую деформацию проволоки фильтрующего элемента, что обеспечивает плотное прилегание витков проволоки фильтрующего элемента [пат. RU 2445146 С1, МПК B01D 29/48, опубл. 20.03.2012].
При работе описываемого щелевого фильтра очищаемая жидкость проходит через щели фильтрующего элемента, а содержащиеся в ней частицы механических примесей задерживаются на поверхности фильтрующего элемента, снижая со временем его пропускную способность. Для очистки фильтрующего элемента от образовавшихся отложений проводят обратную промывку, при которой жидкость подается во внутреннее пространство перфорированного участка трубы и попадает в пространство между внешней стенкой трубы и фильтрующим элементом, где оказывает гидравлическое давление на подвижный двусторонний упор, поджатый пружиной. Возникают усилия, превышающие усилие пружины, поджимающей фильтрующий элемент. Подвижный двусторонний упор начинает двигаться, витки намотанной проволоки фильтрующего элемента растягиваются. В результате размер щелей между витками увеличивается и под действием потока жидкости происходит очищение фильтрующего элемента от механических примесей.
Данное устройство принято в качестве прототипа.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства для очистки добываемой жидкости, являются: наличие трубы, содержащей фильтровальный участок с перфорацией в виде отверстий; пазов для ограничения подвижности двустороннего упора; установленного концентрично трубе фильтрующего элемента в виде навитой по спирали проволоки со щелями между витками; неподвижных и подвижного двустороннего упоров; пружины, усилие которой превышает упругую деформацию проволоки фильтрующего элемента.
К недостаткам известного устройства следует отнести то, что для очистки фильтрующего элемента требуется выполнять обратную промывку фильтра, что затруднительно, а зачастую невозможно, осуществлять в условиях нефтяных скважин. Насосную установку приходится останавливать и поднимать из скважины для очистки фильтра, что влечет за собой существенные временные и материальные затраты.
Задачами, на решение которых направленно предлагаемое изобретение, являются: повышение удобства обслуживания и эффективности работы щелевого фильтра в скважине за счет сокращения времени на его очистку и, как следствие, увеличение наработки скважинной насосной установки на отказ.
Указанный результат достигается тем, что в щелевом фильтре, включающем трубу с фильтровальным участком с перфорацией в виде отверстий и пазов для ограничения перемещения подвижного двустороннего упора, установленный концентрично трубе фильтрующий элемент в виде навитой по спирали проволоки со щелями между витками, верхний и нижний упоры, пружину, усилие которой превышает упругую деформацию проволоки фильтрующего элемента, согласно изобретению на двустороннем подвижном упоре закреплен упругий элемент со сквозными отверстиями, каналами или полостями, торцевые витки проволоки фильтрующего элемента жестко соединены с упорами, а на внешней поверхности фильтровального участка трубы установлены ребра жесткости.
При использовании щелевого фильтра в качестве входного фильтра через трубу дополнительно пропускают приводной вал, который устанавливают в подшипниковых узлах.
Применение в конструкции предлагаемого устройства упругого элемента, закрепленного на двустороннем подвижном упоре, позволяет осуществлять механическую очистку фильтрующего элемента при работе в составе скважинной насосной установки. За счет трения упругого элемента о стенки эксплуатационной колонны скважины осуществляется деформация фильтрующего элемента, увеличиваются щели между витками проволок. При этом механическая очистка фильтрующего элемента может быть осуществлена непосредственно в скважине без извлечения из нее установки, что исключает выполнение дорогостоящих спускоподъемных операций и длительной остановки процесса добычи скважинной жидкости. Наличие сквозных отверстий, каналов или полостей в упругом элементе обеспечивает беспрепятственное поступление скважинной жидкости к фильтрующему элементу и удаление частиц механических примесей в зумпф скважины при очистке фильтрующего элемента.
Жесткое соединение торцевых витков проволоки фильтрующего элемента с подвижным и неподвижным упорами обеспечивает деформацию фильтрующего элемента при перемещении подвижного упора и увеличение щелей между витками. Благодаря этому осуществляется очистка фильтрующего элемента от отложений механических примесей и восстановление его проницаемости.
Наличие ребер жесткости на внешней поверхности трубы позволяет предотвратить деформацию фильтрующего элемента при работе фильтра и снизить площади трущихся поверхностей при очистке фильтрующего элемента. Кроме того, наличие зазоров между трубой и фильтрующим элементом, создаваемыми ребрами жесткости, обеспечивает очистку скважинной жидкости всей поверхностью фильтрующего элемента.
Варианты исполнения предусматривают изготовление заявляемого устройства в качестве скважинного фильтра и входного фильтра скважинного насоса.
На основании изложенного заявляемый фильтр является техническим решением, обладает новизной и имеет изобретательский уровень, так как он неизвестен из уровня техники и для специалистов он явным образом не следует из уровня техники с более ранним приоритетом. Промышленная применимость щелевого фильтра подтверждается возможностью его реализации с использованием известных средств, применяемых в нефтедобывающей промышленности, и материалов.
Сущность устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез заявляемого щелевого фильтра в варианте исполнения в качестве скважинного фильтра с упругим элементом в виде манжеты.
На фиг. 2 изображен продольный разрез заявляемого щелевого фильтра в варианте исполнения в качестве входного фильтра скважинного насоса с упругим элементом.
На фиг. 3 изображен продольный разрез упругого элемента в виде манжеты со сквозными отверстиями.
На фиг. 4 изображена фронтальная проекция упругого элемента в виде манжеты со сквозными отверстиями.
На фиг. 5 изображен продольный разрез заявляемого щелевого фильтра в варианте исполнения в качестве входного фильтра скважинного насоса с упругим элементом в виде центратора со сквозными полостями.
Щелевой фильтр (фиг. 1, 2) содержит трубу 1 с фильтровальным участком 2, на котором выполнена перфорация в виде сквозных отверстий 3 и установлены ребра жесткости 4 на наружной поверхности. На окончаниях вокруг трубы 1 смонтированы верхний 5 и нижний 6 неподвижные упоры, выполненные в виде стаканов, между внутренней поверхностью стенок которых и наружной поверхностью трубы 1 образованы кольцевые зазоры. Вокруг трубы 1 концентрично установлен фильтрующий элемент 7, выполненный в виде навитой по спирали проволоки 8, между витками которой формируются щели 9. Фильтрующий элемент 7 установлен между верхним неподвижным упором 5 и подвижным двусторонним упором 10, при этом торцевые витки спиральной проволоки 8 фильтрующего элемента 7, размещенные внутри кольцевых зазоров, жестко соединены с упорами 5 и 10.
Двусторонний подвижный упор 10 способен перемещаться в осевом направлении вдоль трубы 1, при этом перемещение подвижного двустороннего упора 10 ограничено длиной выполненных на наружной поверхности трубы 1 пазов 11, в которые заглублены концы винтов 12. На боковой поверхности двустороннего подвижного упора 10, например, с помощью винтов 12 закреплен упругий элемент, выполненный, например, в виде манжеты 13 со сквозными отверстиями 14 (фиг. 3, 4). Манжета 13 может быть выполнена, например, в виде усеченного конуса со сквозными отверстиями, либо в виде диска со сквозными отверстиями или каналами, либо иметь сложную форму в поперечном сечении, в частности, составную конструкцию с отдельными лепестками и сквозными полостями для беспрепятственного прохождения скважинной жидкости к фильтрующему элементу. Манжета 13 контактирует в скважине со стенками эксплуатационной колонны 15 (фиг. 1, 2). Между нижним неподвижным упором 6 и двусторонним подвижным упором 10 с опорой на их кольцевые площадки установлена пружина 16, усилие которой превышает упругую деформацию проволоки фильтрующего элемента 7.
При использовании заявляемого щелевого фильтра в качестве входного фильтра скважинного насоса (фиг. 2) внутри трубы 1 жестко устанавливаются подшипниковые узлы 17, которые служат опорами для приводного вала 18, проходящего через них.
В качестве альтернативы упругой манжеты 13 может использоваться центратор 19 (фиг. 5), образованный, например, несколькими выгнутыми металлическими пластинами 20, верхние концы которых жестко закреплены на наружной поверхности подвижного упора 10, а нижние концы могут свободно перемещаются относительно наружной поверхности подвижного упора 10 при упругой деформации пластин 20. Между пластинами 20 центратора 19, внешней поверхностью подвижного упора 10 и стенками эксплуатационной колонны 15 образуются сквозные полости 21, обеспечивающие проход скважинной жидкости к фильтрующему элементу 7. Выгнутые поверхности пластин 20 контактируют со стенками эксплуатационной колонны 15.
Заявляемый щелевой фильтр работает следующим образом.
Щелевой фильтр в составе компоновки погружной насосной установки спускается в скважину. Скважинная жидкость, содержащая механические примеси, свободно поступает к поверхности фильтрующего элемента 7 через сквозные отверстия 14 манжеты 13 (фиг. 1, 2), или через сквозные полости 21 центратора 19 (фиг. 5). Проходя между щелями 9 витков спирально навитой проволоки 8 фильтрующего элемента 7, скважинная жидкость очищается, и через отверстия 3 фильтрующего участка 2 подает вовнутрь трубы 1, по которой далее поднимается в скважинный насос (не показан).
Частицы механических примесей, отделенные от скважинной жидкости, оседают на внешней поверхности фильтрующего элемента 7, создавая «мостики» отложений и снижая со временем его проницаемость (пропускную способность). Увеличивающийся перепад давлений на внешней и внутренних поверхностях фильтрующего элемента 7 ведет к увеличению нагрузки на внешнюю поверхность, но благодаря ребрам жесткости 4 деформации фильтрующего элемента 7 удается избежать. Пружина 16, установленная в кольцевом зазоре неподвижного упора 6, удерживает фильтрующий элемент 7 и двусторонний упор 10 в неподвижном первоначальном состоянии.
При кольматации фильтрующего элемента 7 отбор скважинной жидкости прекращают, отключая привод скважинного насоса. Всю компоновку погружной насосной установки перемещают вдоль эксплуатационной колонны 15 в сторону устья скважины на величину, равную длине 1-2 насосно-компрессорных труб. Во время подъема упругая манжета 13 или выгнутые поверхности пластин 20 центратора 19 трутся о стенки эксплуатационной колонны 15, при этом сила трения направлена противоположно усилию пружины 16. В результате чего подвижный двусторонний упор 10 с закрепленным на нем упругим элементом сдвигается по пазам 11 вниз, сжимая пружину 16 и растягивая проволоку фильтрующего элемента 7 вдоль ребер жесткости 4.
Увеличение щелей 9 между витками проволоки 8 способствует разрушению «мостиков» отложений механических примесей и восстановлению проницаемости фильтрующего элемента 7. Таким образом, осуществляется механическая очистка заявляемого щелевого фильтра.
Отделившиеся от поверхности фильтрующего элемента 7 частицы механических примесей через отверстия 14 в манжете 13 или через сквозные полости 21 центратора 19 оседают в зумпф скважины.
Для возвращения на прежнее место компоновку погружной насосной установки перемещают вдоль эксплуатационной колонны 15 в сторону забоя скважины на величину, равную длине 1-2 насосно-компрессорных труб, при этом происходит изменение направление силы трения, создаваемой при контакте стенок эксплуатационной колонны 15 и упругого элемента 13 или 19. Под действием пружины 16 подвижный упор 10 перемещается в пазах 11 вверх и сжимает витки проволоки 8 фильтрующего элемента 7, восстанавливая первоначальную величину щелей 9 между витками 8, после чего очищенный щелевой фильтр готов для дальнейшего использования.
Таким образом, за счет периодического проведения механических очисток фильтрующего элемента увеличивается время работы щелевого фильтра в скважине и повышается наработка скважинной насосной установки на отказ.
1. Щелевой фильтр, содержащий трубу, имеющую фильтровальный участок с перфорациями в виде отверстий и пазы для перемещения подвижного двустороннего упора, установленный концентрично трубе фильтрующий элемент в виде навитой по спирали проволоки с образованием щелей между витками, регулируемых посредством пружины, усилие которой превышает упругую деформацию проволоки фильтрующего элемента, неподвижные верхний и нижний упоры, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен упругим элементом со сквозными отверстиями, каналами или полостями, который закреплен на подвижном двустороннем упоре, фильтрующий элемент размещен между подвижным двусторонним и верхним неподвижным упорами с жестким присоединением к ним торцевых витков проволоки, а пружина расположена между двусторонним и нижним неподвижным упорами, при этом на внешней поверхности фильтровального участка трубы установлены ребра жесткости.
2. Щелевой фильтр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве упругого элемента использована манжета.
3. Щелевой фильтр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве упругого элемента использован центратор со сквозными полостями.
4. Щелевой фильтр по п. 1, отличающийся тем, что при использовании в качестве входного фильтра он дополнительно содержит подшипниковые узлы и приводной вал, установленные внутри трубы.
