СКВАЖИННЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к горной промышленности, а именно к устройствам добычи пластовой жидкости из скважин, в частности к фильтрам, предотвращающим вынос механических примесей с извлекаемым продуктом.
Известен проволочный многослойный фильтр, содержащий перфорированный каркас с продольными опорными металлическими лентами толщиной, равной размеру фильтрующих щелей и уменьшающейся от наружного слоя к внутреннему, и навитые вокруг лент слои проволоки круглого сечения с расположением витков каждого последующего слоя сверху между витками предыдущего слоя (А.с. №927058 СССР, Е21В 43/08, 1982).
Недостатками фильтра являются непродолжительный ресурс работы из-за быстрой кольматации зазоров между витками навиваемой круглой проволоки, ограниченная грязеемкость вследствие малого свободного пространства между составляющими элементами фильтра, а также сложность и трудоемкость изготовления.
Известен скважинный фильтр, состоящий из корпуса с циркуляционными отверстиями, фильтрующего элемента, установленного на корпусе и выполненного в виде стрингеров и проволочной профильной навивки, кольцевого упорного бандажа, закрепляющего торцевую поверхность фильтрующего элемента на корпусе, переводника, кожуха, образующего с корпусом и переводником кольцевую камеру, помещенной в камеру втулки с радиальными отверстиями и упорными элементами, одна часть которых установлена в радиальных отверстиях втулки, а другая часть - в циркуляционных отверстиях корпуса, при этом кожух и втулка соединены срезными элементами (Патент №2102585 РФ, Е21В 43/08, 1998).
Недостатком скважинного фильтра является ограниченная фильтрующая способность из-за наличия одного щелевого элемента, тонкость очистки которого определяется шириной щели между витками профильной проволоки.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является скважинный фильтр, содержащий перфорированный каркас, на котором концентрично закреплены внутренний и наружный фильтрующие элементы в виде пластмассовых дисков одинаковой и переменной толщины, образующих щели между собой и вертикальные каналы между собой и перфорированным каркасом, отстойник, соединенный с вертикальными каналами, верхний патрубок, связанный с приемом насоса, причем размер щели в наружном фильтрующем элементе больше размера щели во внутреннем фильтрующем элементе (А.с. №1530759 СССР, Е21В 43/08, 1989).
Недостатками скважинного фильтра являются повышенная потеря напора вследствие высокого отношения длины щели к ее ширине, трудоемкость изготовления из множества разнообразных дисков, чувствительность к механическим нагрузкам, способным изменить ширину щели, а также ограниченный температурный диапазон работы пластмассовых дисков.
Задачей настоящей полезной модели является повышение качества очистки пластовой жидкости, уменьшение потерь давления и увеличение ресурса работы фильтра, а также снижение трудоемкости его изготовления и расширение области применения.
Указанный технический результат достигается тем, что в скважинном фильтре, содержащем трубчатый каркас, наружный и внутренний щелевые фильтроэлементы, концентрично установленные на трубчатом каркасе с образованием вертикальных каналов, отстойник, соединенный с вертикальными каналами, патрубок, связанный с приемом насоса, согласно полезной модели, щелевые фильтроэлементы сформированы из продольных призматических стержней и соединенного с ними навитого призматического профиля, размещены снаружи и внутри трубчатого каркаса с опорой на продольные стержни, образуя наружные и внутренние вертикальные каналы между продольными стержнями и трубчатым каркасом и центральную цилиндрическую полость во внутреннем щелевом фильтроэлементе, причем наружные вертикальные каналы герметично закрыты сверху и соединены с отстойником в нижней части, а внутренние вертикальные каналы герметично закрыты снизу и соединены вверху с патрубком, центральная цилиндрическая полость отделена от патрубка клапаном и соединена с отстойником.
Для повышения эффективности отделения частиц за счет создания направленного движения пластовой жидкости трубчатый каркас заглублен в отстойник.
С целью пофракционного улавливания частиц на фильтроэлементах и увеличения периода эффективной очистки каждым из них ширина щели, то есть расстояние между витками призматического профиля, в наружном фильтроэлементе выполнена большей, чем во внутреннем, например, 100-200 и 60-80 мкм.
Для повышения ресурса работы фильтра за счет образования проницаемых структур из задержанных частиц над щелями подбор ширины щелей осуществляется исходя из гранулометрического состава песка и проппанта в пластовой жидкости.
Длина наружного и внутреннего фильтроэлемента рассчитывается из условия, чтобы площадь свободного сечения щелей у каждого из них была, по крайней мере, не меньше площади проходного сечения верхнего патрубка.
Наружный фильтроэлемент может быть длиннее или короче внутреннего фильтроэлемента в зависимости от условий эксплуатации скважины.
Скважинный фильтр может содержать дополнительный клапан на дне отстойника, автоматически открывающийся при превышении весом накопленных примесей порогового значения.
На фиг.1 изображен скважинный фильтр, общий вид, продольный (а) и поперечный (б) разрезы.
Скважинный фильтр содержит наружный 1 и внутренний 2 щелевые фильтроэлементы, состоящие из продольных призматических стержней 3, 4 и навитых призматических профилей 5 и 6, между витками которых образуются непрерывные спиралевидные щели 7 и 8. Размер щели 7 в наружном щелевом фильтроэлементе 1 превышает размер щели 8 во внутреннем щелевом фильтроэлементе 2. Щелевые фильтроэлементы 1 и 2 отделены друг от друга трубчатым каркасом 9, примыкающие к нему продольные стержни 3, 4 образуют наружные 10 и внутренние 11 вертикальные каналы для движения жидкости. В наружном щелевом фильтроэлементе 1 навитый профиль 5 располагается снаружи продольных стержней 3, а во внутреннем фильтроэлементе 2 навитый профиль 6 - внутри стержней 4. Фильтрация жидкости в наружном фильтроэлементе 1 происходит снаружи внутрь, а во внутреннем фильтроэлементе 2 - изнутри наружу. К нижней торцовой поверхности наружного фильтроэлемента 1 присоединен отстойник 12, сообщающийся с наружными вертикальными каналами 10, сверху герметично закрытыми патрубком 13. Нижняя часть трубчатого каркаса 9, длина которого превышает длину щелевых фильтроэлементов 1 и 2, размещается в отстойнике 12. Нижняя торцовая поверхность внутреннего щелевого фильтроэлемента 2 герметично закрыта кольцевой заглушкой 14 для предотвращения сообщения внутренних вертикальных каналов 11 с отстойником 12, а вверху каналы 11 сообщаются с наклонными отверстиями 15, а через них - с отводящим отверстием 16 в патрубке 13. Во внутреннем щелевом фильтроэлементе 2 образована центральная цилиндрическая полость 17, которая внизу переходит в полость отстойника 12, а вверху через клапан 18 сообщается с отводящим отверстием 16.
Скважинный фильтр работает следующим образом.
Под действием перепада давления, создаваемого погружным насосом, пластовая жидкость, содержащая песок и проппант, фильтруется через щель 7 между витками навитого профиля 5 наружного фильтроэлемента 1. Крупная фракция частиц, размер которых превышает ширину щели 7, задерживается над ней, образуя проницаемые структуры из песка и проппанта. Частично очищенная жидкость увлекается в расширяющееся пространство между витками профиля 5, а затем попадает в вертикальные каналы 10 между продольными призматическими стержнями 3 и трубчатым каркасом 9 и движется вниз в отстойник 12. Трубчатый каркас 9 способствует увеличению скорости направленного вниз потока жидкости с находящимися в ней частицами и отделяет этот поток от восходящего потока, поднимающегося из отстойника 12 к внутреннему щелевому фильтроэлементу 2. С приближением к основанию отстойника 12 поток жидкости разворачивается на 180 градусов, при этом наиболее тяжелые оставшиеся в жидкости частицы под действием инерционных и гравитационных сил продолжают прямолинейное движение и оседают на дне отстойника 12. Поток жидкости, очистившись еще от одной фракции частиц, поднимается в центральную цилиндрическую полость 17, разворачивается на 90 градусов и достигает внутреннего щелевого фильтроэлемента 2. При фильтрации через более узкую спиралевидную щель 8 между витками профиля 6 происходит окончательная очистка пластовой жидкости. Очищенная жидкость оказывается в вертикальных каналах 11 между продольными призматическими стержнями 4 и трубчатым каркасом 9, течет по наклонным отверстиям 15, попадает в отводящее отверстие 16 патрубка 13 и подается на прием насоса.
В процессе фильтрации загрязненной пластовой жидкости происходит укрупнение задержанных частиц на навитых профилях 5, 6 и образование из них конгломератов. По мере утяжеления конгломераты сползают по гладкой поверхности наружного 1 и внутреннего 2 щелевого фильтроэлемента, отрываются от нее и оседают соответственно в зумпф скважины и отстойник 12. Расширяющиеся по направлению движения жидкости щели 7, 8 не удерживают частицы, что способствует их очистке и восстановлению пропускной способности скважинного фильтра в целом. Благодаря этому процесс фильтрации пластовой жидкости может продолжаться длительное время.
При наличии в жидкости частиц глины или растворенных солей, скрепляющих задержанные частицы песка и проппанта, пропускная способность внутреннего щелевого фильтроэлемента 2 с более узкой щелью 8 постепенно снижается. Перепад давления на клапане 18, разделяющем центральную цилиндрическую полость 17 и отводящее отверстие 16, возрастает. При превышении давлением критического значения клапан 18 открывается и скважинный фильтр продолжает функционировать. Очистка пластовой жидкости происходит на наружном щелевом фильтроэлементе 1, а затем в отстойнике 12 по описанному выше механизму.
При заполнении отстойника 12 песок и проппант автоматически сбрасываются на зумпф скважины через клапан (не показан) на дне отстойника или извлекаются на поверхность вместе со скважинным фильтром. В последнем случае одновременно производится очистка зумпфа скважины.
Специфическая форма щели и незначительное время пребывания жидкости в наиболее узком ее сечении минимизируют потери давления на отдельных фильтроэлементах, что благоприятно сказывается на пропускной способности заявляемого скважинного фильтра в целом.
Скважинный фильтр характеризуется высокими фильтрационными свойствами, так как в нем происходит трехкаскадная очистка: жидкость подвергается механической очистке на наружном и внутреннем щелевом фильтроэлементах, а также в отстойнике, где на частицы в жидкости действуют инерционные и гравитационные силы в сочетании с лабиринтным эффектом.
Скважинный фильтр выполнен из нержавеющей стали и имеет широкий температурный диапазон работы.