Brevet FR2763095A1 — publié le 19981113

Enveloppe pour un filtre de puits L'invention concerne de façon générale les filtres de puits, et en particulier les enveloppes qui constituent une partie usuelle d'un ensemble de filtre de puits. Les enveloppes sont utilisées pour protéger les filtres qui en fait filtrent les particules solides, telles que du sable, issues du fluide produit par un puits à huile et/ou à gaz. Les enveloppes empêchent également les filtres d'être endommagés lorsque l'ensemble de filtre de puits est connecté dans un train de tube, lorsqu'il évolue dans le forage d'un puits de pétrole ou de gaz. Les enveloppes servent également à assurer la connexion du filtre dans la colonne de production. Par conséquent, les enveloppes sont simplement des raccords à tubes dotés de parois perforées. Ceci permet au fluide du puits et à tous les éventuels solides ayant été entrainés de s'écouler à travers les perforations et de heurter directement le filtre placé à l'intérieur du puits. Lorsque l'on a affaire à des puits de production hauts, et en particulier à un puits produisant une quantité substantielle de gaz avec entraînement de sable, le sable entraîné pourrait, en peu de temps, découper le filtre de puits. Un objet de cette invention est de fournir, pour un filtre de puits, une enveloppe qui soit dotée d'ouvertures de conception spéciale provoquant un écoulement du fluide de puits à travers les ouvertures pour former un vortex dans l'ouverture, de manière que le fluide pénètre dans l'espace annulaire existant entre l'enveloppe et le filtre, dans une direction globalement parallèle à l'espace annulaire, de manière à réduire sensiblement la tendance du fluide à éroder ou à tailler et découper le filtre. Un autre objet et une autre caractéristique de cette invention est de fournir une enveloppe destinée à un filtre de puits, doté de perforations cylindriques ménagées dans la paroi de l'enveloppe, une partie convexe de la masse métallique de l'enveloppe s'étendant vers le haut dans l'ouverture et ayant une section transversale arquée se combinant avec la configuration circulaire de la perforation, pour améliorer le mouvement de rotation du fluide lors de son passage à travers la perforation et dans la pénétration de l'espace annulaire existant entre l'enveloppe et le filtre de puits. Comme indiqué ci- desus, jusqu'ici, la plupart des enveloppes pour filtres de puits étaient simplement des raccords de tubes perforés, ayant des perforations cylindriques à travers lesquelles le fluide s'écoulant sous un angle perpendiculaire par rapport à l'axe longitudinal du filtre et venait percuter directement ce filtre. Baker-Hughes a commercialisé à présent une enveloppe (représentée sur la figure 4), dans laquelle le fluide du puits passe par une ouverture rectangulaire ménagée dans le filtre, exactement sous un axe perpendiculaire par rapport à l'axe longitudinal du filtre, et vient percuter une paroi plate positionnée dans la sortie de la perforation, provoquant une déviation de l'écoulement à 90 , de manière que le fluide pénètre dans l'espace annulaire existant entre l'enveloppe et le filtre de puits, sur une ligne globalement parallèle à l'axe longitudinal du filtre. Dans cet agencement, la paroi de déviation plate souffre du phénomène d'érosion. L'objet de l'invention est un filtre de puits, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe tubulaire couvrant le filtre et constituant un espace annulaire entre l'enveloppe et le filtre, ladite enveloppe ayant une pluralité de trous ronds à travers lesquels le fluide du puits peut s'écouler et passer dans l'espace annulaire, une pluralité de pattes arquées, placées dans l'espace annulaire, chaque patte ayant une largeur inférieure au diamètre des trous, les extrémités de chaque patte étant fixées à l'enveloppe, sur les côtés opposés d'un des trous ménagés dans l'enveloppe, et s'étendant dans l'espace annulaire existant entre l'enveloppe et le filtre afin de provoquer la rotation du fluide s'écoulant à travers les trous, lors de son passage à travers ces trous, et son écoulement latéralement, depuis chaque côté des pattes, dans l'espace annulaire existant entre l'enveloppe et le filtre. L'invention a également pour objet une enveloppe pour un filtre de puits tel que défini ci-dessus, cette enveloppe comprenant un organe tubulaire ayant une pluralité d'ouvertures circulaires dans sa paroi, à travers lesquelles le fluide du puits peut s'écouler pour pénétrer dans l'enveloppe. Elle est caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de pattes arquées dont chacune est connectée, à une extrémité, à des côtés opposés d'une des ouvertures pour constituer des surfaces concaves contre lesquelles s'écoule le fluide passant à travers les ouvertures vers l'espace annulaire, afin de provoquer, en combinaison avec l'ouverture circulaire, une rotation du fluide lors de son écoulement à travers lesdites ouvertures pour pénétrer latéralement dans l'espace annulaire. Ces objets ainsi que d'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention seront compris par à l'homme de l'art à partir de la lecture de la présente demande, en référence aux dessins annexés. Dans les dessins: La figure 1 est une vue en coupe du filtre de puits de cette invention. La figure 2 est une vue en coupe, à plus grande échelle, tracée suivant la ligne 2-2. La figure 3 est une vue tracée suivant la ligne 3-3 de l'une des ouvertures ménagées dans l'enveloppe. La figure 4 est une vue en coupe transversale du filtre de Baker-Hughes. La figure 5 est un schéma illustrant les composants de la loi de Poiseuille. La figure 6 est un schéma des termes impliqués dans le calcul de la vitesse et de l'accélération du déplacement circulaire. La base perforée P d'un tube, pourvue de connexions filetées pour assurer la liaison avec un train de tube, est entourrée par un filtre S. Ce filtre S est constitué d'un fil métallique enroulé hélicoïdalement, avec un écartement approprié entre spires, autour du tube en étant soutenu par des barettes d'écartement longitudinales R régulièrement réparties sur la surface de la base P du tube. La forme d'écoulement produite par l'enveloppe selon cette invention est basée sur une configuration circulaire tridimensionnelle. Fondamentalement, le fluide pénètre dans les ouvertures cylindriques 10 ménagées dans l'enveloppe 9, d'une manière hélicoïdale et lors du contact avec la surface concave de pattes 12 positionnées directement au-dessous et au centre de l'ouverture. Ces pattes (12) sont de largeur uniforme et de forme semi-annulaire. L'écoulement hélicoïdal circulaire du fluide est amélioré, de manière que le fluide pénètre dans l'espace annulaire existant entre l'enveloppe et le filtre de puits selon une forme d'écoulement circulaire, globalement parallèle à l'axe longitudinal du filtre, ce qui va provoquer un écoulement du fluide dans l'espace annulaire, dans une direction globalement parallèle à la surface extérieure du filtre de puits. D'un point de vue physique, ceci est une forme d'écoulement beaucoup plus efficace que ce que permet un angle perpendiculaire et protège également le filtre de tout endommagement par des particules solides transportées par le fluide du puits et heurtant directement le filtre. Il résulte que l'on obtient une diminution de l'érosion agissant sur le filtre. La forme d'écoulement de cette invention est basée sur une configuration circulaire tridimensionnelle. Le vecteur d'écoulement pénètre dans les perforations ménagées dans l'enveloppe, en s'écoulant de façon hélicoïdale avec une amélioration au niveau du contact avec le centre solide, arrondi ou concave. Une stricte définition de i'ECOULEMENT est la quantité de matière physique transportée par unité de temps à travers une aire unitaire, perpendiculairement à la direction de l'écoulement. Elle est proportionnelle au gradient d'autres propriétés physiques, c'est-à- dire la température, la pesanteur, la pression, etc. Mathématiquement, le terme "zx" va être utilisé pour indiquer la direction de l'écoulement. Etant donné que l'écoulement se produit dans une direction particulière, il s'agit d'une quantité vectorielle. La vitesse à laquelle le fluide s'écoule à travers un tube ou une ouverture cylindrique dépend des dimensions du rayon et de la longueur du tube, de la viscosité du fluide et de la chute de pression intervenant entre les extrémités du tube. Les éléments ci-après sont les propositions mathématiques destinées à vérifier la direction de l'écoulement du fluide à travers les perforations de cette invention, comme représenté sur la figure 5. Ces éléments comprennent la formule de Poiseuille. On utilise également la courbure arquée dans les vecteurs tridimensionnels pour vérifier l'écoulement circulaire. 1. LOI GENERALE Js = -BD &Z Jz = Ecoulement (par cm2 par seconde) -B = Constante de Proportionnalité ay - = Gradient de Y dans la direction de 1' écoulement Y = Quantités correspondant à des paramètres physiques 2. LOI DE POISEUILLE (ECOULEMENT DE FLUIDE) (utilisée pour le calcul de l'écoulement pour un trou à travers la paroi de l'enveloppe) Jz= -Co Z z Jz = Ecoulement (par cm2 par seconde) p= Gradient de la pression et de 1' écoulement dz -C = Constante de Proportionnalité Loi de Poiseuille pour le Calcul Détaillé des Paramètres V = 2Wrvdr = Volume Total Passant en un Point quelconque par Unité de Temps fx = (Pl - P2) 2 nrdr = Force Nette + Direction x nS av+d nS.j av r ( ar) Force agissant dans la direction x sur la surface extérieure fx = d(nS a-VJ La Force Visqueuse nette est la somme des forces agissant sur les surfaces intérieures et extérieures L'incorporation de ces équations détaillées et l'utilisation des connaissances mathématiques permet d'obtenir: _(P - P2_)_ (2 _r2>dr = a (p _ P2) qui est 2galement la formule de Poiseuille ou si: qui est également la formule de Poiseuille ou si a unité de temps. Etant donné que le gradient de pression est donné par _p (P2-PI) ax on change la forme pour passer à: ra4 ap V-_ 8n x qui est également la formule de Poiseuille 3. VITESSE ET ACCELERATION (Mouvement Circulaire) Vitesse instantanée = v(t) = r' (t) t=temps Accélération = a(t) = v'(t) = r''(t) Valeur de la Vitesse = |v(tl =[f, (t)] + g(t)g 2 +,[h(t)] Vecteur de Vitesse (Point de Déplacement P, Temps t) = v(t) = -a sin ti-b cos tj+k Courbure de la Longueur d'arc d'une Hélice Circulaire à l'instant t, Courbure=K Tl(t) - cost sin t K(t= I(t) = - it --I 4. AIRE OUVERTE (Fabriquée Sur l'Enveloppe) D)2C Aire découpée = (S)2 Par exemple: si D = 0,3125 pouce C = 90,69 (qui est une constante d'origine inconnue) S = distance entre les centres, exprimé en pouces [(0,3125)(0,3125)](90,69) [(0o,5)(0,5)] = 35,4 pouce2 Zone Ouverte = (Zone Découpée) (Aire Ouverte Découpée) = (35,4) (0,574) = 20,3 % 0,574 = Pour le Projet Comme représenté sur les dessins, la formation des pattes 12 crée des ouvertures latérales 14 et 16 à travers lesquelles du fluide s'écoule en pénétrant dans l'enveloppe et longitudinalement dans l'espace annulaire existant entre l'enveloppe et le filtre de puits. Le fluide circule de façon inhérente dans une direction circulaire du fait de la combinaison de la force de Coriolis avec l'effet retardateur de l'écoulement exercé par la patte concave s'étendant sur le fond de l'ouverture. Il résulte de ce qui précède que cette invention est bien adaptée pour satisfaire à la totalité des buts et objets indiqués ci- dessus conjointement avec d'autres avantages qui sont évidents et qui sont inhérents à l'appareil et à la structure. Du fait que de nombreuses variantes de réalisation peuvent être apportées à l'invention sans quitter le champ d'application de celle- ci, il est évident que la totalité de ce qui est décrit ici ou présenté dans les dessins annexés doit être interprété comme étant indiqué à titre illustratif et non pas au sens limitatif. REVENDICATIONS 1. Filtre de puits, devant être positionné dans un forage de puits, afin de filtrer les particules solides issues du fluide produit par le puits, comprenant une base de tube perforée présentant des connexions filetées, destinées à assurer la liaison de la base du tube à un train de tube, et un filtre en fil métallique entourant les perforations de la base du tube, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe tubulaire (9) couvrant le filtre (S) et constituant un espace annulaire entre l'enveloppe et le filtre, ladite enveloppe ayant une pluralité de trous ronds (10) à travers lesquels le fluide du puits peut s'écouler et passer dans l'espace annulaire, une pluralité de pattes arquées (12), placées dans l'espace annulaire, chaque patte ayant une largeur inférieure au diamètre des trous (10), les extrémités de chaque patte étant fixées à l'enveloppe, sur les côtés opposés d'un des trous ménagés dans l'enveloppe, et s'étendant dans l'espace annulaire existant entre l'enveloppe et le filtre afin de provoquer la rotation du fluide s'écoulant à travers les trous (10), lors de son passage à travers ces trous, et son écoulement latéralement, depuis chaque côté des pattes, dans l'espace annulaire existant entre l'enveloppe et le filtre. 2. Filtre de puits selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre (S) en fil métallique contient des barettes de support s'étendant longitudinalement par rapport au tube. 3. Enveloppe pour un filtre de puits selon la revendication 1, comprenant un organe tubulaire ayant une pluralité d'ouvertures circulaires dans sa paroi, à travers lesquelles le fluide du puits peut s'écouler pour pénétrer dans l'enveloppe, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de pattes arquées (12) dont chacune est connectée, à une extrémité, à des côtés opposés d'une des ouvertures (10) pour constituer des surfaces concaves contre lesquelles s'écoule le fluide passant à travers les ouvertures vers l'espace annulaire, afin de provoquer, en combinaison avec l'ouverture circulaire, une rotation du fluide lors de son écoulement à travers lesdites ouvertures pour pénétrer latéralement dans l'espace annulaire. 4. Enveloppe selon la revendication 3, caractérisée en ce que les pattes (12)sont d'une largeur uniforme. 5. Enveloppe selon les revendications 3 et 4, caractérisée en ce que les pattes (12) sont semi-annulaires.