СКВАЖИННЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к горной промышленности, а именно к нефтегазодобывающей и может быть использовано при освоении нефтяных скважин.
Известен скважинный фильтр по А.С. СССР №1788219, содержащий перфорированную трубу и съемные металлокерамические элементы, установленные с наружной стороны трубы. Недостаток такого фильтра это необходимость периодической замены фильтрующих элементов и низкая прочность при изгибающих нагрузках.
Известен скважинный фильтр по А.С. СССР №1754884, содержащий фильтрующий элемент в виде дуговых пластин, с фильтрующими щелями. Кроме недостатков, присущих выше описанному фильтру, этот фильтр сложен в сборке, т.к. содержит большое количество мелких деталей, выполненных с высокой точностью.
Известен скважинный фильтр по А.С. СССР №1645470, содержащий уложенный на перфорированный каркас проволочный фильтрующий элемент. Этот фильтр плохо работает при изгибающих нагрузках: с одной стороны проходное сечение щелей при изгибе уменьшается, а с другой - увеличивается и фильтр пропускает более крупные фракции примесей. При этом увеличивается износ оборудования, перекачивающего нефть.
Известен скважинный фильтр по патенту РФ на полезную модель №38827, который содержит трубу, герметично установленные срезаемые пробки, фильтрующую сетку и защитный кожух.
Недостатком этого фильтра является его низкая пропускная способность, обусловленная отсутствием дренажной сетки или дренажного слоя. То есть после прохождения добываемого продукта (флюида) через отверстия перфорированного защитного кожуха, добываемый продукт не имеет возможности растекаться вдоль трубы, как в окружном направлении, так и вдоль оси. Из-за редкого расположения отверстий на перфорированном кожухе резко возрастает гидравлическое сопротивление.
Известен скважинный фильтр по патенту РФ №2108447, содержащий трубу с герметичными срезаемыми пробками. Колонну обсадных труб с фильтром опускают в скважину. Скважину цементируют выше фильтра. После схватывания цементного раствора в скважину спускают колонну насосно-компрессорных труб с воронкой. Скважину промывают. Срезают воронкой концы пробок. Скважину промывают вторично. Разгерметизируют продуктивный пласт и одновременно с этим пускают скважину в работу.
Недостатком этого фильтра является очень плохие фильтрующие свойства, обусловленные тем, что фильтр пропускает частицы, диаметр которых равен внутреннему диаметру пробок: 5...10 мм, что не допустимо.
Известен скважинный фильтр по св. РФ на полезную модель №16758, заявитель ЗАО НПО «Самарские Горизонты», прототип.
Этот фильтр содержит перфорированную трубу, по меньшей мере, одну фильтрующую сетку и, по меньшей мере, одну дренажную сетку и защитный перфорированный кожух.
Недостатком этого фильтра является низкая пропускная способность, обусловленная отсутствием регламента на размер ячеек и проволоки как фильтрующей так и дренажных сеток. При неоптимальном размере дренажных сеток они либо плохо выполняют свои функции, либо имеют большие габариты, увеличивая тем самым диаметральный габарит фильтра, что делает невозможным его установку в скважину или затрудняет спусковые операции.
Задачей создания полезной модели является обеспечение оптимальной пропускной способности и габаритов фильтра.
Решение указанной задачи достигнуто в скважинном фильтре, содержащем трубу, имеющую отверстия на боковой поверхности, защитный перфорированный кожух, установленный концентрично, по меньшей одну фильтрующую сетку и, по меньшей мере, одну дренажную сетку, установленные концентрично трубе, при этом: отношение ширины ячейки к диаметру проволоки соток выполнено в диапазоне: - для фильтрующей сетки от 1,2 до 2,0, - для дренажной сетки от 2 до 5, отношение длины фильтрующей части к его наружному диаметру выполнено в диапазоне от 0,008 до 0,178, фильтрующие сетки выполнены из проволоки диаметром от 0,25 мм до 1,2 мм. Дренажные сетки выполнены из проволоки диаметром от 1,2 мм до 4,0 мм.
Исследования патентной и научно-технической литературы показали, что подобная совокупность существенных признаков является новой и ранее не использовалась, Предложенное техническое решение также обладает критерием «промышленная применимость», т.к. фильтр может быть изготовлен с помощью стандартного оборудования из недифицитных материалов.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах фиг.1...4, где:
на фиг.1 - приведен скважинный фильтр,
на фиг.2 проведен вид А,
на фиг.3 приведена фильтрующая сетка,
на фиг.4 приведена дренажная сетка.
Скважинный фильтр (фиг.1) состоит из трубы 1, в отверстия на боковой поверхности которой в отверстиях «В» установлены герметичные срезаемые пробки 2. Возможен вариант изготовления скважинного фильтра без пробок 2. На трубе 1 концентрично ей установлен защитный перфорированный кожух 3, а между трубой 1 и защитным перфорированным кожухом 3 установлена, по меньшей мере, одна фильтрующая сетка 4 и по меньшей мере, одна дренажная сетка 5. На поверхности защитного кожуха 3 выполнены несколько рядов отверстий «Г». Защитный кожух 3 может быть изготовлен из просечно-вытяжного листа. Отверстия «В» и «Г» не совпадают. При этом ряды отверстий «Г» могут быть выполнены по винтовой линии, что при установке фильтра в горизонтальной скважине предотвращает перекрытие нижнего ряда породой. Материал фильтрующих сеток 4 и дренажный сеток 5 - нержавеющая сталь. Фильтрующая сетка 4 размещена между двумя дренажными сетками 5.
Основные характеристики некоторых вариантов фильтров, изготавливаемых в ООО «РосФиН» приведены в табл.1.
Табл.1
№
Параметры
ФС102
ФС114
ФС146
ФС168
ФС178
1
Наружный диаметр трубы, мм
102
114
146
168
178
2
Расстояние от муфты до фильтрующей части, мм
1000
1000
1000
1000
1000
3
Расстояние ниппеля трубы до фильтрующей части, мм
750
810
750
750
750
4
Длина фильтрующей части, L ф, мм
1000...12000
1000...12000
1000...12000
1000...12000
1000 12000
5
Размер ячейки дренажной сетки, мм
3,2
3,2
3,2
3,2
3,2
6
Размер ячейки фильтрующей сетки, мм
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
7
Соотношение b/d
1,2...2
1,2...2
1,2...2
1,2...2
1,2...2
8
Соотношение B/D
2...5
2...5
2...5
2...5
2...5
9
Соотношение D/L
0,008...0.100
0,0095...0,114
0,012...0,146
0,014...0,168
0,015...0,178
Оптимальное соотношение диаметра фильтра к длине фильтрующей части составляет от 0,008 до 0,178. Если отношение размеров выполнить меньшим, то пропускная способность фильтра уменьшается. Большее соотношение невозможно осуществить технически, т.к. оно ограничивается стандартом на диаметр труб.
Оптимальный диаметр проволоки для фильтрующих сеток от 0,25 мм до 1,2 мм оптимальный диаметр проволоки дренажных сеток от 1,2 мм до 4 мм.
Оптимальные размеры (соотношение размеров ячейки и диаметра проволоки для фильтрующей и дренажной сеток) подобраны опытно-экспериментальным путем и приведены в табл.2 и 3
Табл.2Выбор оптимальных размеров для фильтрующих сеток
№
Параметр
1 вариант
2вариант
3 вариант
4 вариант
5 вариант
1
Ширина ячейки, мм
0,14
0,14
0,16
0,16
0,40
2
Диаметр проволоки, мм
0,11
0,09
0,12
0,10
0,2
3
Отношение b/d
0,11
0,09
0,12
0,12
0,20
Оптимальный диапазон соотношений ширины ячейки и диаметра для фильтрующих сеток как видно из табл.2 составляет b/d=1,2...2,0
Табл.3Выбор оптимальных размеров для дренажных сеток
№
Параметр
1 вариант
2 вариант
3 вариант
4 вариант
5 вариант
6 вариант
1
Ширина ячейки, мм
0,8
0,8
0,9
0,9
1,2
4,0
2
Диаметр проволоки, мм
0,25
0,32
0,22
0,36
0,32
1,2
3
Отношение B/D
3,2
2,5
4,0
2,5
3,75
3,33
Оптимальный диапазон соотношений ширины ячейки и диаметра для дренажных сеток как видно из табл.3 составляет B/D=2,5...4,0
Предложенный фильтр имеет преимущества по сравнению с фильтрами других организаций. Далее в табл.4 и 5 приведено сравнение фильтров ООО «РосФиН», спроектированного авторами заявленной полезной модели и двух наиболее известных в России производителей фильтров: ОАО «Тяжмашпресс» и ЗАО НПП «Самарские Горизонты».
Табл.4Сравнение фильтров (диаметр 168 мм.) ОАО «Тяжмашпресс» и ООО «РосФиН»
N
Параметр
ОАО «Тяжпрессмаш»
000 «РосФиН»
Сравнение
1
Тип
щелевой
сетчатый
Лучше
2
Максимальная длина фильтрующей части, м.
5,0
9,0
Лучше на 80%
3
Размер фильтрующего зазора, мм.
0,15-0,25...±0,05 (щель)
0,15...0,35 (ячейка)
Лучше
4
Число отверстий шт./п.м.
до 40
до 360
Лучше в 9 раз
5
Диаметр отверстий, мм.
10,0
10,0
Равны
6
Площадь отверстий на 1 п.м, см<sup>2</sup>
31,4
282,6
Лучше в 9 раз
7
Площадь поверхности трубы на 1 п.м, см<sup>2</sup>
558,8
558,8
Равны
8
Площадь проходного сечения фильтрующего элемента на 1 п.м, см при размерах щели/ячейки сетки
155,0×0,15=23,25
4000×2000×2×10<sup>-4</sup>=1600
Лучше в 69 раз
9
Площадь проходного сечения обсадной трубы, см<sup>2</sup>
172,0
172,0
Равны
10
Герметизирующие пробки
да
да или нет
Лучше
11
Наличие защитного кожуха фильтроэлемента
нет
да
Лучше
Из табл.4 следует, что сетчатые фильтры ООО «РосФиН по сравнению с фильтрами ОАО «Тяжмашпресс» имеют следующие преимущества:
1. Большая в 9 раз, чем у щелевого фильтра площадь проходного сечения отверстий в трубе фильтра;
2. Большая 69 раз, чем у щелевого фильтра площадь проходного сечения фильтрующей сетки, т.е. фильтрующая способность на 1 п.м. фильтрующей части, при этом длина фильтрующей части больше на 80%.
3. При прохождении фильтром участков сужений скважины или интервала скважины с большой интенсивностью кривизны, у щелевых фильтров возможна деформация фильтрующего элемента с невосстановимым изменением размеров зазора.
4. Число отверстий в трубе на 1 п.м. больше в 9 раз, что приводит к снижению гидравлического сопротивления и повышению дебита скважины.
СРАВНЕНИЕ СКВАЖИННЫХ ФИЛЬТРОВ
ООО «РосФиН» и ЗАО НПП «Самарские Горизонты»
Исходные данные для сравнения взяты:
- Для ООО «РосФиН» из технических условий на скважинные фильтры ТУ 3665-001-75170487-2007,
- Для ЗАО НПП «Самарские Горизонты» из технических условий на скважинный фильтр ТУ 3665-002-15355973-2004 и паспорта на фильтры ФЗСМ производства ЗАО НПП «Самарские Горизонты».
Для примера приведено сравнение фильтров диаметром 168 мм
№
Наименование параметра
OOO «РосФиН»
ЗАО НПП «Самарские Горизонты»
Вывод
1
Количество отверстий в трубе на п.м, максимально
360
32
Площадь отверстий больше в 3,3 раза у фильтров ООО «РосФиН»
2
Диаметр отверстий в трубе, мм
10
18,4
3
Площадь одного отверстия, мм<sup>2</sup>
78,7
265,6
4
Площадь суммарная отверстий в трубе, мм<sup>2</sup>
28322
8504
5
Количество отверстий в защитном перфорированном кожухе, на 1 п.м., шт
220
40
Площадь отверстий больше в 1,1 раза у фильтров ООО «РосФиН»
6
Диаметр отверстий в защитном перфорированном кожухе, мм
18
40
7
Площадь 1-го отверстия в перфор. кожухе, мм<sup>2</sup>
254
1256
8
Площадь отверстий в защитном перфор. кожухе, мм<sup>2</sup>
55880
50240
9
Площадь поверхности 1 п.м. трубы, мм<sup>2</sup>
527520
527520
Равно
10
Скважинность по трубе, %
5,37
1,6
Больше в 3,3 раза у ООО «РосФиН»
11
Скважинность по перфорированному кожуху, %
10,6
9,5
Больше в 1,1 раза у ООО «РосФиН»
12
Скважинность по кожуху из просечно-вытяжного листа, %
70%
Нет (условно 9,5)
У OOO «РосФиН» лучше в 7,4 раза
Вывод: по площади проходного сечения отверстий и скважинности фильтры ООО «РосФиН» значительно превосходят фильтры ЗАО НПП «Самарские Горизонты»
Диапазон соотношений ширины ячейки и диаметра проволоки для дренажных сеток составляет от 2,0 до 5,0 мм.
Если применить диаметр проволоки дренажной сетки меньше, чем это указано в рекомендуемом диапазоне, то дренажная сетка не будет выполнять свои функции. При большем диаметре проволоки, диаметр фильтра возрастет и возникнут проблемы с его установкой в скважину. Применение соотношений ширины ячейки и диаметра проволоки дренажных сеток менее 2,0 также приведет к тому, что дренажные свойства дренажной сетки ухудшатся, а при соотношении более 5,0 фильтрующая сетка будет провисать внутри ячейки дренажной сетки и касаться перфорированной трубы или защитного кожуха, из-за чего ее пропускная способность снизится.
Скважинный фильтр работает следующим образом. Перед эксплуатацией скважинный фильтр устанавливается в колонну обсадных труб, скважину цементируют выше фильтра. Производят опрессовку колонны. Потом срезают пробки 2 (при их наличии) механическим способом или вытравливают кислотой, в последнем случае их следует изготовить из магния. Скважина готова к работе. Скважинные флюиды, содержащие нефть, воду и/или газ проходят через отверстия «Г», выполненные на защитном кожухе 3, далее проходят через фильтрующую сетку 4, где отфильтровываются частицы, имеющие размер, больший, чем размер ячейки фильтрующей сетки 4. Далее очищенный продукт (нефть или газ) растекается вдоль дренажной сетки 5 по оси трубы 1 и в окружном направлении и через дренажную сетку 5 поступает в отверстия «В», выполненные в трубе 1, и далее внутрь трубы 1.
Применение полезной модели позволило:
1. Увеличить степень очистки продукта (нефти) от примесей за счет оптимального соотношения размеров фильтрующей и дренажной сеток и соотношения длины фильтрующей части и диаметра фильтра.
2. Обеспечить автоматизацию процесса изготовления фильтра за счет применения автоматической сварки и других прогрессивных технологий.
3. Повысить надежность фильтра, исключив возможность смятия фильтрующих и дренажных сеток при спуске фильтра в скважину за счет применения перфорированного защитного кожуха или защитного кожуха, выполненного из просечно-вытяжного листа.
4. Обеспечить эксплуатацию скважинных фильтров в течение всего срока эксплуатации скважины.
5. Предотвратить коррозию фильтрующего элемента.
6. Упростить сборку скважинного фильтра.
7. Снизить себестоимость устройства.
8. Обеспечить надежность работы фильтра при изгибающих нагрузках.
На предприятии ООО «РосФиН» изготовлена опытно-промышленная партия скважинных фильтров, которая прошла эксплуатационные испытания