Скважинный фильтр и способ его очистки

Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей промышленности, конкретно к средствам фильтрации нефти и газа. Скважинный фильтр содержит ниппели, муфту и фильтрующий элемент со стрингерами, уложенными параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки, внутренний стержень, установленный внутри фильтрующего элемента, внешний цилиндр в виде плоской спирали с уложенными на него стрингерами, выполненными из эластичного материала, две крестовины: нижнюю и верхнюю, установленные внутри ограничительных колец. К верхней крестовине присоединен цилиндр высокого давления с штуцером БРС. Внутренний стержень соединен с нижней крестовиной жестким соединением, а с верхней крестовиной с возможностью осевого перемещения внутреннего стержня по скользящей посадке. Высота стрингеров выполнена из соотношения: Н₂=(2…5)δ₂, где Н₂ - высота стрингера, δ₂ - толщина внешнего цилиндра. Уменьшается вес, увеличивается прочность на изгиб при сохранении прочности на кручение, обеспечивается эффективная очистка. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 23 ил.

 

Группа изобретений относится к нефтегазобобывающей промышленности, конкретно - к средствам фильтрования нефти и газа.

Известен щелевой скважинный фильтр по патенту РФ на полезную модель №71694, МПК Е21В 43/08, опубл. 20.03.2008 г.

Фильтр содержит перфорированную трубу, на которой установлены продольные опорные элементы, на внешней поверхности которых намотана проволока с образованием зазоров между витками, при этом проволока приварена или припаяна к продольным элементам, а соотношение шага установки продольных элементов к их высоте выполнено в диапазоне от 1,0 до 10. Между трубой и продольными опорными элементами установлена фильтрующая сетка. Между опорными продольными элементами и фильтрующей сеткой намотана проволока, выполняющая роль дренажного слоя. Между трубой и фильтрующей сеткой установлена дренажная сетка. Между продольными опорными элементами и фильтрующей сеткой установлена дренажная сетка.

Недостатками фильтра являются сложность конструкции скважинного фильтра, трудоемкость изготовления, низкая надежность и быстрый абразивный износ фильтрующего элемента.

Известен скважинный фильтр по патенту РФ на изобретение №2507384, МПК Е21В 43/08, опубл. 20.02.2014 г.

Этот щелевой скважинный фильтр содержит перфорированную несущую трубу и щелевой фильтрующий элемент, выполненный из проволоки, намотанной на продольные элементы по спирали, причем поперечное сечение проволоки, намотанной по спирали выполнено пятигранным, одна из граней проволоки выполнена параллельно продольной оси фильтра и образует его наружную поверхность, а каждая боковая сторона выполнена с двумя гранями, верхние образуют фильтрующий зазор, а нижние сходятся, образуя острый угол.

Недостатки: низкая прочность проволоки фильтрующего элемента, что приводит к изменению зазоров при спуске скважинного фильтра, и быстрый абразивный износ «самого узкого места» фильтрующего элемента.

Известен бескаркасный скважинный фильтр по патенту РФ на изобретение №2606470, МПК В21В 43/08, опубл. 10.01.2017 г., прототип.

Достигнутый технический результат: уменьшение веса, увеличении прочности на изгиб при сохранении прочности на кручение и обеспечении качественной промывки фильтра.

Решение указанной задачи достигнуто в скважинном фильтре, содержащем ниппели, муфту и фильтрующий элемент со стрингерами, уложенными параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки, тем, что он содержит внутренний стержень, установленный внутри фильтрующего элемента, внешний цилиндр в виде спирали с радиальными отверстиями и с уложенными на него стрингерами, выполненными из эластичного материала, две крестовины: нижнюю и верхнюю, установленные внутри ограничительных колец, при этом соединение с нижней крестовиной выполнено жестким, с верхней - с возможностью взаимного осевого перемещения и к ней присоединен цилиндр высокого давления с штуцером БРС, внутренний стержень соединен с нижней крестовиной жестким соединением, а с верхней крестовиной с возможностью осевого внутреннего стержня по скользящей посадке, при этом высота стрингеров выполнена из соотношения:

Н₂=(2…5)δ₂ где:

Н₂ - высота стрингера,

δ₂ - толщина внешнего цилиндра.

Внешний диаметр внутреннего стержня может быть выполнен из соотношения:

D_вн1=(0,2…0,3)D_внф, где:

D_вн1 - внешний диаметр внутреннего стержня,

D_внф - внутренний диаметр фильтра.

Толщина стрингеров может быть выполнена из соотношения:

δ_с=(0,8…1,0)δ₂, где:

δ_с - толщина стрингера,

δ₂ - толщина внешнего цилиндра.

Профилированная проволока может быть выполнена треугольного поперечного сечения с радиусным скруглением вершины, обращенной к оси скважного фильтра.

Радиусное скругление вершины, обращенной к оси скважного фильтра может быть выполнено из условия:

R=(0,2…0,25) а, где:

R -радиус скругления вершины,

а - ширина профилированной проволоки.

Укладка внешнего цилиндра со стингерами при сборке может быть выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр внешнего цилиндра был больше внутреннего диаметра фильтра:

D₂ > D_вн.

Укладка внешнего цилиндра со стингерами при сборке может быть выполнена таким образом, чтобы внешний диаметр фильтрующего элемента был меньше внешнего диаметра муфты:

D₂ > D_вн.

Решение указанных задач достигнуто в способе очистки скважинного фильтра путем воздействия на фильтрующий элемент, тем, что на фильтрующий элемент воздействую цилиндром высокого давления, временно удлиняющим фильтрующий элемент и увеличивающим фильтрующие зазоры между рядами профилированной проволоки, потом промывают скважинный фильтр подачей промывочной жидкости из полости эксплуатационной колонны.

При очистке скважинного фильтра фильтрующие зазоры могут быть увеличены в 2…3 раза.

Сущность группы изобретений поясняется на чертежах фиг. 1-23, где:

- на фиг. 1 приведена скважный фильтр,

- на фиг. 2 приведен фильтрующий элемент,

- на фиг. 3 приведена внутренняя труба с продольными ребрами,

- на фиг. 4 приведено внешний цилиндр со стрингерами,

- на фиг. 5 приведен конец внешнего цилиндра со стрингерами,

- на фиг. 6 приведен конец продольного ребра на внутренней трубе,

- на фиг. 7 приведен первый вариант профилированной проволоки,

- на фиг. 8 приведен второй вариант профилированной проволоки,

- на фиг. 9 приведена сборка внутренней трубы и внешнего цилиндра,

- на фиг. 10 приведен первый вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 11 приведен второй вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 12 приведен третий вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 13 приведен четвертый вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 14 приведен пятый вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 15 приведен шестой вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 16 приведен вид А,

- на фиг. 17 приведено ограничительное кольцо в разрезе, первый вариант,

- на фиг. 18 приведено ограничительное кольцо в разрезе, второй вариант,

- на фиг. 19 приведено ограничительное кольцо в разрезе, третий вариант,

- на фиг. 20 приведен вид В,

- на фиг. 21 приведен первый вариант сборки фильтрующего блока,

- на фиг. 22 приведен второй вариант сборки фильтрующего блока,

- на фиг. 23 приведен скважинный фильтр с присоединенным к нему колтюбингом.

Обозначения, принятые в описании:

ниппель 1,

муфта 2,

центратор 3,

фильтрующий элемент 4,

стрингер 5,

ограничительное кольцо 6,

профилированная проволока 7,

сварочный шов 8,

клеевое соединение 9,

внутренняя полость 10,

внутренний стержень 11,

нижняя крестовина 12,

верхняя крестовина 13,

жесткое соединение 14,

скользящая посадка 15,

цилиндр высокого давления 16,

внешний цилиндр 17,

плоская спираль 18,

внешняя обойма 19,

внутренняя обойма 20,

стойка крестовины 21,

внутренняя проточка 22,

внутренний торец 23,

внешняя проточка 24,

внешний торец 25,

внутренняя фаска 26,

внешняя фаска 27,

внутренний сварной шов 28,

вторая внутренняя проточка 29,

внутренняя поверхность 30,

входной обтекатель 31,

штуцер быстроразъемного соединение 32,

ответный штуцер быстроразъемного соединение 33,

колтюбинг 34,

нижний упор 35,

верхний упор 36,

башмак 37,

поверхность 38,

эксплуатационная колонна 39,

система подачи высокого давления 40,

система подачи промывочной жидкости 41.

Н₀ - высота фильтрующего элемента в поперечном сечении,

H₁ - основной зазор,

Н₂ - высота профиля стрингера,

Н₃ - высота поперечного сечения профилированной проволоки.

D₁ - внутренний диаметр внутренней трубы,

D₂ - внутренний диаметр наружного цилиндра,

D_м - наружный диаметр муфты,

D_ф - наружный диаметр фильтрующего элемента,

δ₁ - толщина внутренней трубы,

δ_с - толщина стрингера,

δ₂ - толщина наружного цилиндра,

δ₃ - зазор между витками пружины,

δ_пр - боковой зазор между рядами профилированной проволоки,

t - шаг установки стрингеров,

а - ширина профилированной проволоки,

R - радиус скругления контактной поверхности профилированной проволоки,

r₁ - радиус скругления вершины поперечного сечения профилированной проволоки.

Скважинный фильтр (фиг. 1…23) предназначен для очистки нефти или газа. 3

Скважинный фильтр (фиг. 1) содержит ниппели 1, муфту 2 на верхнем ниппеле 1 и может быть установлен центратор 3.

Фильтрующий элемент 4, (фиг. 2) содержит стрингеры 5, уложенные параллельно оси ОО скважинного фильтра между ограничительными кольцами 6, и намотанные на них витки профилированной проволоки 7 треугольного сечения.

Особенностью заявленного изобретения является то, что стрингеры 5 выполнены из эластичного материала способного растягиваться в длину на 3…7%, например, из пластмассы.

Соединения ниппелей 1 с ограничительными кольцами 6 и ограничительных колец 6 с фильтрующими элементами 4 выполнено сварочными швами 8.

Соединение профилированной проволоки 7 со стрингерами 5 выполнено клеевым соединением 9.

Внутри скважинного фильтра образована внутренняя полость 10, в которую поступает очищенный добываемый продукт.

Высота стрингеров 5 может быть выполнена из соотношения:

Н₂=(3…5)δ_с, где:

Н₂ - высота стрингера 5,

δ_с - толщина стрингера 5.

При такой толщине стрингера 5 его вес уменьшается в 4…5 раз, а прочность на изгиб возрастает в 7 раз при условии выполнения соответствующей высоты профилей стрингеров 5 Н₁.

Сборка стрингеров 5 показана на фиг. 5, 18 и 19.

Доказательство оптимальности указанного соотношения размеров для определения высоты стрингера Н₂.

Из сопротивления материалов известно (для прямоугольного профиля):

W - момент сопротивления изгибу,

H₂ - высота стрингера 5,

δ₂ - толщина стрингера 5.

Из этой формулы следует, что с увеличением высоты стрингера 5 - Н₂ его сопротивление изгибу возрастает с квадратичной зависимостью. Однако верхний передел ограничен наружным диаметральным габаритом скважинного фильтра: сделать фильтрующий элемент 4 диаметром больше внешнего диаметра муфты 7 D_м нельзя из-за возможности разрушения фильтрующего элемента 4 при спуске в скважину.

Более подробное обоснование высоты стрингеров 5 с использованием некоторых данных, частично позаимствованных из ГОСТ 633- 80. Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия, приведено в табл. 1.

Также возможно применение на практике труб по ГОСТ 632 - 80. Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия.

Из табл. 1 следует, что высота фильтрующего элемента Н₀=13,5…16,0 мм.

При высоте профилированной проволоки 7 - Н₃ равной 3 мм, учитывая, что Н₀=Н₃+Н₂ имеем высоту Н₂ (фиг. 3) стрингеров 5:

Н₂=10,5…13,0 мм, что вполне достаточно для изготовления внешней трубы со стрингерами.

Например, при δ₂=1,0 мм и δ_с=1,0 мм, имеем, что высота стрингеров 5 будет находиться в диапазоне:

Н₂=3,0…5,0 мм.

При δ₂=2,0 мм и δ_с=2,0 м

Н₂=6,0…10,0 мм, что немного меньше максимально-допустимого диапазона Н₂=10,5…13,0 мм.

Кроме того, скважинный фильтр содержит (фиг. 5 и 6) внутренний стержень 11, нижнюю крестовину 12 и верхнюю крестовину 13, в которых внутренний стержень 11 установлен.

При этом внутренний стержень 11 соединен с нижней крестовиной 12 жестким соединением 14, а с верхней крестовиной 13 с возможностью осевого перемещения внутреннего стержня 11 по скользящей посадке 15. К внутреннему стержню 11 со стороны верхней крестовины 13 присоединен цилиндр высокого давления 16.

Коаксиально внутреннему стержню 11 установлен внешний цилиндр 17 с радиальными отверстиями 18 и стрингерами 5, выполненными заодно с внешним цилиндром 17.

Стрингеры 5 контактируют с профилированной проволокой 7 и соединены с ней клеевым соединением 9 (фиг. 2, 5 и 6).

Возможны два варианта выполнения профилированной проволоки 7 фиг. 7 и 8.

По первому варианту профилированная проволока 7 скруглена в месте контакта со стрингерами 5 радиусом R.

Радиусное скругление вершины, обращенной к оси скважного фильтра может быть выполнено из условия:

R=(0,2…0,25)а, где:

R - радиус скругления вершины,

а - ширина профилированной проволоки.

По второму варианту (фиг. 8) возможно применение проволоки трапециевидного поперечного сечения, при этом ее меньшее основание обращено к оси скважинного фильтра ОО.

Внешний диаметр внутреннего стержня 11 может быть выполнен из соотношения: D₁=(0,2…0,3)D₂, где:

D₁ - внешний диаметр внутреннего стержня,

D₂ - внутренний диаметр внешней трубы.

При таких соотношениях размеров загромождение сечения фильтра внутренним стержнем 11 гнзначительно.

При установке входного обтекателя 31 гидродинамические потери внутри скважинного фильтра во внутренней полости 10 значительно уменьшаются.

Нижняя и верхняя крестовины 12 и 13 одинаковые по конструкции и содержат внешнюю обойму 19, внутреннюю

На фиг. 5 приведен конец стрингера 5 с вырезом стрингера прямоугольной формы. На фиг. 6 приведен внутренний стержень 11 с жестким соединением 14 и скользящей посадкой 15 на концах.

Возможны 5 вариантов скважинного фильтра (фиг. 9…15)

На фиг. 9, 10 и 13 приведен первый вариант скважинного фильтра:

D₂ ≥ D_вн,

где:

D₂ - внутренний диаметр внешней трубы 17,

D_вн - внутренний диаметр фильтра.

В крестовинах 12 и 13 (фиг. 9) выполнены стойки крестовины 21. Они выполнены радиально между внешними и внутренними обоймам 19 и 20 обеих крестовин 19 и 20. На фиг. 11 и 12 приведен второй вариант скважинного фильтра:

D₂=D_вн,

где:

D₂ - внутренний диаметр внешней трубы 17,

D_вн - внутренний диаметр фильтра.

На фиг. 14…16 приведен третий вариант скважинного фильтра:

D₂ ≤ D_вн,

где:

D₂ - внутренний диаметр внешней трубы 17,

D_вн - внутренний диаметр фильтра.

На фиг. 17 приведено ограничительное кольцо 6, первый вариант.

На фиг. 18 приведено ограничительное кольцо 6, второй вариант.

На фиг. 19 приведен третий вариант ограничительного кольца 6 внутренней поверхностью 30 конической формы в виде усеченного конуса.

На фиг. 20 приведен вид В ограничительного кольца 6, третьего варианта.

На фиг. 21 и 22 приведены два варианта сборки фильтрующих элементов 4.

При этом в варианте фиг. 21 в крестовинах 12 и 13 применяют только внутренние обоймы 20. А в варианте фиг. 22 наружные обоймы 19 и внутренние обоймы 20.

На фиг. 23 приведено присоединение колтюбинга 34 при помощи штуцера БРС 32 и ответного штуцера БРС 33.

Регулировка исходного положения фильтрующего элемента 4 может быть выполнена любым способом. Например, на внутреннем стержне 11 могут быть выполнены нижний и верхний упоры 35 и 36 (фиг. 9 и 23),

В состав системы очистки входят башмак 37, выполненная на поверхности 38 и присоединенная к эксплуатационной колонне 39 система подачи высокого давления 40 и система подачи промывочной жидкости 41.

Сборка скважинного фильтра

При сборке отдельно (фиг. 1…23) изготавливают ниппели 1, ограничительные кольца 6 и фильтрующие элементы 4.

Фильтрующие элементы 4 собирают на оправке (не показано) на которой устанавливают внутренний цилиндр 17 со стрингерами 5 из эластичного материала и на них наматывают профилированную проволоку 7 периодически приклеиивая ее к стрингерам 5 клеевыми соединениями 9 (фиг. 12).

Фильтрующие элементы 4 после из сборки приваривают с обеих сторон к ограничительным кольцам 6 сварочными швами 8 (фиг. 1, 2 и 19, 20).

При помощи жесткого соединения 14 и упоров 35 и 36 собирают фильтрующий элемент 4 и внутри него со стороны верхней крестовины 13 крепят цилиндр высокого давления 16.

До этого или потом фильтрующие элементы 4 приваривают к ограничительным кольцам 6 при помощи внутренних сварочных швов 28.

Ниппеля 1 вставляют во внутренние проточки 22 (фиг. 1, 2 и 19, 20) и приваривают к ограничительным кольцам 6 тоже сварочными швами 8 (фиг. 1 и 2).

РАБОТА СКВАЖИННОГО ФИЛЬТРА

Скважинный фильтр предназначен для очистки нефти или газа от посторонних примесей (фиг. 1…23). Для этого скважинный фильтр устанавливают в состав эксплуатационной колонны 32. Нефть (газ) через зазор δ₁ между витками профилированной проволоки 7 и далее через зазоры между стрингерами 5 - δ₂ и зазоры между витками плоской пружины 18 δ₂ поступает во внутреннюю полость 10 с высокой степенью очистки.

Степень фильтрации зависит преимущественно от зазора δ₁ и задается заказчиком обычно в диапазоне от 0,1 до 1,0 мм. При этом не допустима деформация витков профилированной проволоки 7, ни при изготовлении, ни при перевозке и спуске скважинного фильтра в скважину. Это достигнуто контактом профилированной проволоки 7 со стрингерами 5 при ее приклеивании без вытяжки профилированной проволоки 7 за счет большей площади их контакта между собой.

Проходя через зазоры δ₁ между стрингерами 5 (фиг. 10) во внутреннюю полость 10 скважинного фильтра добываемый продукт очищается.

В процессе эксплуатации полость между профилированной проволокой 7 и внешним цилиндром 17 в виде плоской пружины 18 забивается посторонними частицами.

Для очистки фильтрующего элемента 2 скважинного фильтра через эксплуатационную колонну 39 (фиг. 23) сбрасывают колтюбинг 34 с ответным штуцером быстроразъемного соединение БПС 33, который соединяется с штуцером быстроразъемного соединение БПС 32. Собирают системы подачи высокого давления 40 и систему подачи промывочной жидкости 41 (фиг. 23).

После этого подают высокое давление жидкости или газа по системе подачи высокого давления 40 в цилиндр высокого давления 16, который удлиняет фильтрующий элемент 4 на 3…7% и увеличивая тем самым зазоры δ₁.

Потом подают промывочную жидкость в полость 10 скважинного фильтра, при этом выполняется промывка фильтрующего элемента 4.

Предложенная конструкция обеспечивает улучшение фильтрации за счет стабильности бокового зазора между рядами профилированной проволоки δ₁ (фиг. 10) и повышает его прочность за счет предложенного профиля и материала стрингеров 5 и профилированной проволоки 7.

Позволяет периодически осуществлять качественную промывку скважинного фильтра.

При применении таких фильтрующих элементов 4 с предварительным осевым натягом увеличивает их прочность на разрыв, скручивание и вибронагрузки. Применение изобретения позволило:

- уменьшить вес скважинного фильтра на 30…50% при увеличении его прочности на изгиб и сохранении прочности на растяжение и кручение,

- увеличить прочность скважинного фильтра при воздействии изгибающих и сжимающих нагрузок,

- улучшить очистку добываемого продукта за счет уменьшение деформации витков профилированной проволоки при сварке и при спуске скважинного фильтра в скважину.

1. Скважинный фильтр, содержащий ниппели, муфту и фильтрующий элемент со стрингерами, уложенными параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки, отличающийся тем, что он содержит внутренний стержень, установленный внутри фильтрующего элемента, внешний цилиндр в виде спирали с радиальными отверстиями с уложенными на него стрингерами, выполненными из эластичного материала, две крестовины: нижнюю и верхнюю, установленные внутри ограничительных колец, к верхней крестовине присоединен цилиндр высокого давления с штуцером БРС, внутренний стержень соединен с нижней крестовиной жестким соединением, а с верхней крестовиной с возможностью осевого перемещения внутреннего стержня по скользящей посадке, при этом высота стрингеров выполнена из соотношения:

Н₂=(2…5)δ₂,

где Н₂ - высота стрингера,

δ₂ - толщина внешнего цилиндра.

2. Скважинный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что внешний диаметр внутреннего стержня выполнен из соотношения:

D_вн1=(0,2…0,3)D_внф,

где D_вн1 - внешний диаметр внутреннего стержня,

D_внф - внутренний диаметр фильтра.

3. Скважинный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что толщина стрингеров выполнена из соотношения:

δc=(0,8…1,0)δ₂,

где δ_c - толщина стрингера,

δ₂ - толщина внешнего цилиндра.

4. Скважинный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что профилированная проволока выполнена треугольного поперечного сечения с радиусным скруглением вершины, обращенной к оси скважного фильтра.

5. Скважинный фильтр по п. 7, отличающийся тем, что радиусное скругление вершины, обращенной к оси скважного фильтра, выполнено из условия:

R=(0,2…0,25)а,

где R - радиус скругления вершины,

а - ширина профилированной проволоки.

6. Скважинный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что укладка внешнего цилиндра со стрингерами при сборке выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр внешнего цилиндра был больше внутреннего диаметра фильтра:

D₂>D_внф.

7. Скважинный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что укладка внешнего цилиндра со стрингерами при сборке выполнена таким образом, чтобы внешний диаметр фильтрующего элемента был меньше внешнего диаметра муфты:

D_м>D_ф.

8. Способ очистки скважинного фильтра по п.1 путем воздействия на фильтрующий элемент, отличающийся тем, что на фильтрующий элемент воздействуют цилиндром высокого давления, временно удлиняющим фильтрующий элемент и увеличивающим фильтрующие зазоры между рядами профилированной проволоки, потом промывают скважинный фильтр подачей промывочной жидкости из полости эксплуатационной колонны.

9. Способ очистки скважинного фильтра по п. 8, отличающийся тем, что при очистке скважинного фильтра фильтрующие зазоры увеличивают в 1,5…2,0 раза.