Универсальный фильтр для штанговых глубинных насосов нефтяных скважин

Полезная модель относится к нефтяной промышленности и применяется при работе штанговых глубинных насосов в условиях, когда на приеме насоса присутствуют свободный газ и механические примеси.
Для использования в данной области в разработан фильтр-насадка ЖНШ-ШГН, содержащий перфорированный корпус с расположенным на нем многосекционным щелевым фильтроэлементом, включающим наружные кольца, с верхней головкой, выполненной в виде переходника с внутренней конической резьбой и наружной резьбой по габариту корпуса фильтра, а на основании корпуса установлена транспортировочная крышка (патент РФ на полезную модель №92490, опубликованный 20.03.2010).
Известен фильтр скважинный щелевой штангового глубинного насоса, предназначенный для установки на входе штанговых глубинных насосов для добычи воды и нефти и содержащий корпус с отверстиями для прохода пластовой жидкости, присоединенные к корпусу основание и головку. Фильтрующий элемент, установленный снаружи от корпуса, кольца наружные для герметичной посадки и центрации фильтроэлемента относительно корпуса (патент РФ на полезную модель №67630, опубликованный 27.10.2007).
Известен скважинный фильтр (патент RU №2097533, МПК 7 Е21В 43/08 опубл. в бюл. №33 от 27.11.1997 г.), включающий перфорированную трубу с муфтой, металлическую сетку, охватывающую наружную поверхность перфорированной трубы и проволочную обмотку, при этом перфорированная труба на ее наружной поверхности выполнена с ребрами, высота которых определяется расчетным путем. При этом ребра расположены по спирали с шагом на ширину сетки.
Все вышеуказанные фильтры тонкой очистки относительно сложны по конструкции, быстро засоряются в условиях отложения солей, мехпримесей, подвергаются коррозии и теряют свою работоспособность.
Известны защитные фильтры ОАО Ижнефтемаш (1'', 1 1/4'', 1 1/2''', 2''), предназначенные для предотвращения попадания в насос инородных частиц размером более 3 мм. Такой фильтр представляет собой трубу с приваренной заглушкой и отверстиями диаметром 3 мм, в верхней части трубы нарезана присоединительная резьба, которая соответствует внутренней резьбе в нижней части насоса. Такие фильтры из-за небольшой длины и недостатков конструкций практически не сепарируют свободный газ и не задерживают малоразмерные мехпримеси.
Наиболее близкими к предлагаемому универсальному фильтру являются газопесочные якоря, изложенные в книге «Справочная книга по добыче нефти» под редакцией Ш.К.Гиматутдинова, Москва, Недра, 1974г, стр. 331, состоящие с наружной перфорированной трубы с заглушенным нижним концом и внутренней трубы меньшего диаметра с открытым нижним концом. Газированная жидкость входит в отверстия в верхней части наружной трубы, меняет направление потока вниз по межтрубному пространству, далее по внутренней трубе попадает на прием насоса. Из-за резкого изменения направления движения жидкость избавляется от большей части газа и мехпримесей.
Однако при наличии отложений АСПО, солей и мехпримесей межтрубное пространство за короткое время заполняется твердыми осадками и газопесочный фильтр теряет свою работоспособность, из-за чего такие якоря не нашли применения.
Цель предлагаемой модели – существенно снизить количество поступающих на прием насоса свободного газа и мехпримесей, увеличить продолжительность безотказной работы насоса, при этом обеспечить простоту и надежность конструкции фильтра.
Цель достигается созданием универсального фильтра на основе изучения всех особенностей, условий функционирования и осложняющих факторов при работе фильтров на приеме штангового глубинного насоса (ШГН). После этого с учетом эмпирических данных принимаются оптимальные конструкторско-технологические решения. Основные условия такие: при работе насоса на прием может поступать поверхностный мусор (волокнистый, чешуйчатый материал, растительные остатки, щепки, изолента, куски полиэтилена и т.д.).
Из скважины и пласта поступают мехпримеси, окалина, кристаллы солей, цементная корка, мелкие частицы породы и другое. Фильтрующее устройство на приеме насоса не должно пропускать предметы, способствующие потере работоспособности клапанов. По данным завода «Ижнефтемаш» это достигается фильтром с отверстиями диаметром до трех миллиметров. Что касается мелкодисперсных твердых примесей, способствующих заклиниванию плунжера в цилиндре, они удаляются в предлагаемом варианте путем осаждения на забой.
Кроме нефти через водный слой в эксплуатационной колонне поднимается и свободный газ, если забойное давление значительно ниже давления насыщения нефти газом. Свободный газ вместе с нефтью поступает в цилиндр насоса, снижая коэффициент подачи. Поэтому универсальный фильтр должен существенно уменьшить также отрицательное влияние свободного газа на работу насоса путем сепарации газа и удаления его в затрубное пространство.
Фильтр насоса совершает возвратно-поступательное движение за каждые 10-14 секунд на длину 8-15 см за счет изменения длины НКТ за каждый ход плунжера. Данный факт тоже учитывается при разработке конструкции универсального фильтра.
Поскольку в практике не существует абсолютно вертикальных стволов скважин, насос и хвостовик соприкасаются со стенкой эксплуатационной колонны. Поэтому определенный сектор фильтра может не выполнять свою функцию. Это устраняется путем установки центраторов на корпусе фильтра через каждые 100-120 см.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого универсального фильтра. К нижнему концу ШГН универсальный фильтр соединяется с помощью переводника 1. К переводнику присоединяются поочередно: верхняя секция фильтра 2, центратор 3, средняя секция фильтра 4, центратор 5, нижняя секция фильтра 6, в конце которого размещены отстойник мехпримесей 7 и центратор-заглушка 8. Каждая секция фильтра имеет отверстия диаметром три мм, просверленных под углом 45 градусов к оси устройства. Отверстия просверлены в четыре ряда по окружности фильтра и через 50 мм по оси фильтра. Количество отверстий рассчитывается исходя из общей площади сечения отверстий, превышающей не менее в 3,5-4 раза площадь сечения отверстия седла приемного клапана насоса.
Диаметр центраторов больше диаметра муфт НКТ на 10-12 мм. Центраторы 3, 5, 8 снабжены винтообразными ребрами для направления поднимающегося свободного газа из центра к периферии ствола скважины при совершении фильтром возвратно поступательного движения. Это снижает вероятность поступления свободного газа на прием насоса. Центраторы также обеспечивают работу фильтрующей части устройства по всей окружности.
Общая длина фильтрующей части устройства по эмпирическим данным должна превышать внутренний диаметр эксплуатационной колонны в 25-30 раз. Это диктуется также необходимостью снижения скорости потока в интервале фильтра.
Средняя скорость движения жидкости в затрубном пространстве скважины в интервале фильтра при такой конструкции уменьшается относительно скорости ниже фильтра в десятки раз.
V
V
= V
- V
V
V
V
о
о
г
ж
о
ж
г
Относительную скорость движения газа относительно жидкости получаем как разницу скоростей: , где - относительная скорость движения газа,  - скорость движения жидкости,  - скорость движения газа.
V
ж
Поскольку скорость жидкости  в интервале фильтра в десятки раз меньше, чем в эксплуатационной колонне ниже фильтра, скорость сепарации и объем выделенного газа соответственно больше. Что касается мелких пузырьков газа диаметром меньше 3 мм, то большая часть пузырьков остается в затрубе скважины из-за конфигурации отверстий на корпусе фильтра.
3
Скорость седиментации песчинок размером 0,2 мм составляет 25 мм/сек, что эквивалентно движению жидкости вверх по эксплуатационной колонне при дебите жидкости 20 м/сут., т.е. при таком дебите малоразмерные механические примеси могут подниматься потоком жидкости.
В случае снижения скорости жидкости в затрубном пространстве в десятки раз во столько же раз увеличивается количество оседавших примесей. Осевшие мехпримеси ниже фильтра в результате агломерации укрупняются на большие размеры и перемещаются на забой. Таким методом значительно снижается количество мелких примесей, поступающих на прием насоса.
Все вышеизложенное обеспечивает выполнение поставленной цели.
Если среда сильно коррозионноактивная, универсальный фильтр может изготавливаться из стеклопластиковых НКТ.