ФИЛЬТР

Полезная модель относится к оборудованию буровых скважин и предназначена для очистки бурового раствора и промывочной жидкости.
Анализ существующего уровня показал следующее:
Известен фильтр - грязеуловитель, состоящий из полого корпуса (камеры) и картриджа, включающего фильтрующую трубу с отверстиями и центрирующий элемент (узел фиксации), соосно установленного в полом корпусе с образованием кольцевой камеры (см. п. РФ №2290249 от 29.07.05 г. по кл. B01D 29/11, 41/04, опубл. 27.12.06 г.). Устройство содержит входной и выходной патрубки.
Недостатком указанного устройства является низкая надежность работы устройства и низкая эффективность очитки рабочего агента, обусловленная следующими причинами:
- фильтрующая труба имеет низкую механическую прочность, что может привести к ее смятию при больших перепадах давления;
- фильтрация производится через внутреннюю полость картриджа, что существенно усложняет его очистку от уплотненного давлением шлама, особенно при малом его диаметре;
- фильтрующая труба выполнена в виде перфорированной трубы, что позволяет проводить грубую очистку прокачиваемой жидкости;
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является фильтр с перепускным узлом, состоящий из полого корпуса и картриджа, включающего фильтрующую трубу с щелевыми отверстиями, центрирующий элемент (кольцо) и заглушку на входе, соосно установленного в полом
корпусе с образованием кольцевой камеры (см. п. РФ №2016186 от 03.06.94 г. по кл. Е21В 21/00, опубл. в ОБ №13,1994 г.)
Недостатком указанного устройства является низкая надежность работы устройства и низкая эффективность очистки рабочего агента, обусловленная следующими причинами:
- низкая прочность фильтрующей трубы может привести к ее смятию при больших перепадах давления;
- конструкция устройства не позволяет производить быстрой регенерации или замены картриджа, т.к. для этого необходимы большие временные затраты для извлечения его из компоновки бурильной колонны;
- фильтрующая труба конструктивно выполнена в виде трубы с отверстиями круглой или щелеобразной формы, что не обеспечивает проведения тонкой очистки прокачиваемой жидкости.
Технический результат сводится к повышению надежности работы устройства и повышению эффективности очистки рабочего агента за счет создания оптимальной конструкции, обеспечивающей повышение прочностных характеристик устройства, возможности быстрой регенерации или замены картриджа, проведения тонкой очистки прокачиваемой жидкости.
Технический результат достигается с помощью известного устройства, состоящего из полого корпуса и картриджа, включающего фильтрующую трубу с щелевыми отверстиями, центрирующий элемент и заглушку на входе, соосно установленного в полом корпусе с образованием кольцевой камеры.
Новым является следующее:
фильтр снабжен входным патрубком, соединенным с полым корпусом посредством переводника, и выходным патрубком, соединенным с картриджем посредством конусного переводника с кольцевой канавкой на его конусной поверхности и уплотнительным резиновым кольцом, при этом картридж жестко закреплен в полом корпусе гайкой;
щелевые отверстия фильтрующей трубы расположены поясами в шахматном порядке и перекрыты участками проволочной навивки, уложенной в спиральные канавки, выполненные на наружной поверхности фильтрующей трубы с шагом, обеспечивающим зазор между витками проволочной навивки, не превышающий двух диаметров задерживаемых частиц;
ширину щелевого отверстия фильтрующей трубы рассчитывают по формуле
,
где а - ширина щелевого отверстия фильтрующей трубы, м;
π - число π, равное ~3,14;
[τ] - допускаемое напряжение материала проволоки при срезе. Па;
d - диаметр проволоки, м;
ΔР - максимально допустимый перепад давления, действующий на фильтр. Па;
δ - зазор между витками проволочной навивки, м;
внутри фильтрующей трубы с натягом установлен упрочняющий патрубок, в теле которого выполнены щелевые отверстия, расположенные ответно щелевым отверстиям фильтрующей трубы;
ширину щелевого отверстия упрочняющего патрубка рассчитывают по формуле
,
y
где a - ширина щелевого отверстия упрочняющего патрубка, м.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию новизны.
На чертеже представлен продольный разрез предлагаемого устройства.
Заявляемое устройство содержит полый корпус 1 соединенный с входным патрубком 2 посредством переводника 3. В полом корпусе 1 соосно установлен картридж, с образованием кольцевой камеры 4. Картридж состоит
из фильтрующей трубы 5, в теле которой выполнены щелевые отверстия 6, расположенные поясами в шахматном порядке. Щелевые отверстия 6 перекрыты участками проволочной навивки 7. Витки проволочной навивки 7 уложены в спиральные канавки 8, выполненные на наружной поверхности фильтрующей трубы 5 с шагом, обеспечивающим зазор 9 между витками проволочной навивки 7, который не превышает двух диаметров задерживаемых частиц. Концы проволочной навивки 7 заделаны в сквозных отверстиях на поясах связи. На входе фильтрующая труба 5 закрыта заглушкой 10, выполненной в виде конусной пробки. На наружной поверхности фильтрующей трубы 5 жестко закреплен центрирующий элемент 11, выполненный в виде центрирующих планок. На выходе картридж соединен с выходным патрубком 12 посредством конусного переводника 13, с кольцевой канавкой 14 на его конусной поверхности и уплотнительным резиновым кольцом 15. Картридж жестко закреплен в полом корпусе 1 гайкой 16. Внутри фильтрующей трубы 5 с натягом установлен упрочняющий патрубок 17, в теле которого имеются щелевые отверстия 18, расположенные ответно щелевым отверстиям 6 фильтрующей трубы 5.
Более подробно сущность заявляемого технического решения поясняется следующим примером.
Фильтр устанавливают в нагнетательную линию скважины. Буровой раствор с твердыми частицами шлама поступает через входной патрубок 2 в кольцевую камеру 4, образованную полым корпусом 1 и картриджем, и далее на наружную поверхность проволочной навивки 7. Витки проволочной навивки 7 уложены в спиральные канавки 8, что препятствует их смещению и проникновению крупных частиц. Очищенный буровой раствор просачивается через зазоры 9 проволочной навивки 7, щелевые отверстия 6 фильтрующей трубы 5 и щелевые отверстия 18 упрочняющего патрубка 17 во внутреннюю полость картриджа и далее через выходной патрубок 12 в нагнетательную линию скважины. Твердые частицы задерживаются на внешней поверхности проволочной навивки 7 и образуют слой осадка. По мере его накопления
растет перепад давления на фильтре. По достижении максимально допустимой величины перепада давления, фильтр подлежит очистке от осадка, который удаляется по завершении технологической операции механическим путем и промывкой. Картридж легко извлекается из полого корпуса 1 путем отвинчивания гайки 16, при необходимости возможна замена картриджа на резервный. Если требуется очистка фильтра до завершения технологической операции, то для обеспечения непрерывности циркуляции промывочной жидкости, на байпасной линии устанавливают дополнительный фильтр данной конструкции. При очистке основного фильтра или замене его картриджа циркуляция идет через байпасную линию.
Для увеличения прочности картриджа, в фильтрующую трубу 5 с натягом установлен упрочняющий патрубок 17. Расположение щелевых отверстий 18 в упрочняющем патрубке 17 напротив щелевых отверстий 6 фильтрующей трубы 5 позволяет исключить искривление потока бурового раствора и повышенный абразивный износ упрочняющего патрубка 17, фильтрующей трубы 5 и проволочной навивки 7.
Повышение надежности работы фильтра достигается тем, что ширина щелевых отверстий 6 фильтрующей трубы 5 определена из условия прочности проволочной навивки 7 при срезе. Щелевые отверстия 6 фильтрующей трубы 5 и щелевые отверстия 18 упрочняющего патрубка 17 имеют одинаковую форму и длину. Ширина щелевых отверстий 18 упрочняющего патрубка 17 меньше ширины щелевых отверстий 6 фильтрующей трубы 5 и ограничена равенством площади щелевых отверстий 18 упрочняющего патрубка 17 и площади фильтрации через проволочную навивку 7 и щелевые отверстия 6 фильтрующей трубы 5, что не снижает пропускной способности фильтра при увеличении его прочности.
Ширину щелевого отверстия 6 фильтрующей трубы 5 рассчитывают из условия прочности проволоки проволочной навивки 7 при срезе. Известно условие прочности при срезе (см. Кинасошвили Р.С. Сопротивление материалов. - М.: Наука - 1975, с.119)
,
где Р - сила, перпендикулярная к оси проволоки, Н;
2
F - площадь поперечного сечения проволоки, м.
Определяем поперечную силу Р для случая полной кольматации картриджа фильтра
Поперечной силой Р нагружены два сечения каждой проволоки проволочной навивки 7, перекрывающей щелевое отверстие 6 фильтрующей трубы 5, поэтому
Выразив ширину щелевого отверстия 6 фильтрующей трубы 5 из условия прочности проволочной навивки 7 при срезе получаем формулу
,
Зазор 9 между витками проволочной навивки 7, обеспечивающий сводообразование задерживаемых частиц на проволочной навивке 7 картриджа определен из соотношения
,
ч
где d - минимальный диаметр фильтруемых (задерживаемых) частиц, м, и задается требованиями технологической операции к степени очистки промывочной жидкости (см. Соловьев Е.М. Заканчивание скважин - М: Недра - 1979, с.62)
Площадь фильтрации через проволочную навивку 7 и щелевые отверстия 6 фильтрующей трубы 5 рассчитывают по формуле
,
где b - длина щелевого отверстия, м;
n - количество щелевых отверстий, шт.
Площадь щелевых отверстий 18 упрочняющего патрубка 17 рассчитывают по формуле
y
y
S=b·a·n
ф
y
Из равенства площадей S и S получаем формулу для определения ширины щелевого отверстия 18 упрочняющего патрубка 17
Пример.
ч
6
Для планируемой технологической операции фильтр должен задерживать частицы диаметром d≥0,00025 м и выдерживать перепад давления ΔР=10·10Па. Длина щели принята b=0,1 м.
Вычисляем зазор 9 между витками проволочной навивки 7
ч
δ=2 d=2·0,00025=0,0005 м
6
Для навивки выбрана проволока d=0,002 м, с допускаемым напряжением материала проволоки при срезе, [τ]=45·10Па (см. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. - М.: Машиностроение - 1992, 1 том, с.76)
Рассчитаем ширину щелевого отверстия 6 фильтрующей трубы 5
Рассчитаем ширину щелевого отверстия 18 упрочняющего патрубка 17
Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию промышленная применимость.
Предлагаемая полезная модель соответствует условию патентоспособности, так как является новой и имеет промышленную применимость.