Составной фильтр вставного скважинного штангового насоса

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к скважинным фильтрам для фильтрации продукции нефтяных скважин, и предназначена для защиты вставного скважинного штангового насоса от попадания в него механических примесей в зависимости от производительности (типоразмера) насоса, и может быть использована при добыче вязких, высоковязких, легких парафинистых нефтей в вертикальных и наклонно-направленных скважинах.
Известен скважинный фильтр для вставного штангового насоса, включающий перфорированную трубу, металлическую сетку, охватывающую наружную поверхность перфорированной трубы, перфорированный патрубок, установленный снаружи металлической сетки и телескопически закрепленный относительно перфорированной трубы винтами, фиксирующими соосно перфорационные отверстия перфорированной трубы и перфорированного патрубка, поршень с продольными сквозными отверстиями, размещенный напротив радиальных отверстий, которые имеют возможность гидравлического сообщения с продольными сквозными отверстиями поршня в его верхнем положении, сверху перфорированная труба жестко присоединена к цилиндру вставного штангового глубинного насоса, при этом наружный диаметр перфорированного патрубка меньше внутреннего диаметра колонны насосно-компрессорных труб, а радиальные отверстия выполнены на нижнем конце перфорированной трубы, причем поршень размещен внутри перфорированной трубы с возможностью осевого перемещения, ограниченного кольцевым упором, выполненным на внутренней поверхности перфорированной трубы (патент RU №65123, МПК Е21В 43/08, опубл. 27.07.2007). Данный фильтр используется для защиты вставных штанговых насосов, что позволяет проводить подземный ремонт с заменой насоса без подъема колонны насосно-компрессорных труб, что значительно снижает затраты на подземный ремонт.
Недостатком данного фильтра является сложность конструкции, высокая металлоемкость, необходимость ревизии в сервисном цехе после вывоза насоса, что увеличивает продолжительность ремонта, а также низкая надежность из-за высокой вероятности заклинивания поршня. Также к недостаткам относится низкая надежность и преждевременная потеря работоспособности фильтра, связанная с тем, что при спуске насоса и прохождении через узлы компоновки глубинно-насосного оборудования, например, через переводники, замковую опору, возникает затруднение и заклинивание фильтра, а также закупорка фильтрационных отверстий отложениями, скопившимися на внутренней поверхности насосно-компрессорных труб как вертикальных, так и наклонно-направленных или искривленных участках ствола скважины.
Наиболее близким техническим решением является защитный фильтр вставного штангового скважинного насоса, состоящий из перфорированной трубы с круглыми отверстиями, заглушенной с нижнего конца (см. глубинные штанговые насосы, каталог ОА "Ижнефтемаш", ред. 5-2009, стр. 129).
Недостатком данного фильтра является быстрое забивание фильтрационных отверстий механическими примесями, особенно продуктами бурового раствора (кордовое волокно), из-за отсутствия возможности регулирования пропускной способности фильтра в зависимости от производительности насоса, что приводит сначала к снижению производительности скважинной установки, а при полном перекрытии фильтрационных отверстий - необходимости проведения подземного ремонта. Также недостатком данного фильтра является то, что по мере забивания фильтрационных отверстий при поступлении добываемой продукции внутрь полости фильтра из-за перепада давления (эффект штуцирования), снижается надежность фильтра, происходит образование асфальтено-смоло-парафиновых отложений или солей, которые засоряют клапана штангового насоса, что также приводит к снижению производительности скважинной установки из-за утечек или полному выходу из строя и необходимости проведения подземного ремонта скважины. Сборку и ревизию фильтра осуществляют в сервисном центре. Также к недостаткам относится низкая надежность при добыче вязких, высоковязких и легких парафинистых нефтей и преждевременная потеря работоспособности фильтра, связанная с тем, что при спуске насоса и прохождении через узлы компоновки глубинно-насосного оборудования, напрамер, через переводники, замковую опору, возникает затруднение и заклинивание фильтра, а также закупорка фильтрационных отверстий отложениями, скопившимися на внутренней поверхности насосно-компрессорных труб как вертикальных, так и наклонно-направленных или искривленных участках ствола скважины.
Техническая задача решается составным фильтром вставного скважинного штангового насоса, включающим перфорированную трубу с круглыми отверстиями, заглушенную с нижнего конца.
Новым является то, что перфорированная труба выполнена как минимум из двух секций перфорированных труб, имеющих внутренние резьбовые соединения с обоих концов, жестко и герметично соединенных друг с другом промежуточным переводником, выполненным с внутренним проходным сечением и наружной резьбой с обоих концов, количество секций перфорированных труб подобрано в соответствии с условием четырехкратного превышения суммарной площади фильтрационных отверстий над площадью сечения плунжера штангового насоса, самая нижняя секция в нижней части герметично соединена с заглушкой, имеющей наружную резьбу, а самая верхняя секция в верхней части герметично соединена с насосом через переводник, причем заглушка снизу выполнена под конус, сужающийся сверху вниз, на наружной поверхности заглушки выполнены четыре центратора в виде прямоугольных призм шириной не менее 3 мм, расположенных под углом 90°, с наружным диаметром центратора меньше проходного сечения замковой опоры на 2 мм.
На фигуре схематично изображен составной фильтр вставного скважинного штангового насоса.
Составной фильтр вставного скважинного штангового насоса включает как минимум две секции перфорированных труб 1 с круглыми отверстиями 2, выполненными под углом 60° по периметру трубы. Длина секции перфорированной трубы равна 30 см, перфорированная часть составляет не менее 80%. Диаметр секций фильтра для НКТ номинальным диаметром 73 мм составляет 48 мм, для НКТ 60 мм составляет 40 мм. Секция перфорированной трубы 1 с обоих концов имеет внутренние резьбы для жесткого и герметичного соединения друг с другом промежуточным переводником 3, выполненным с внутренним проходным сечением и наружной резьбой с обоих концов. Диаметр и количество отверстий выбирают в зависимости от фракционного состава механических примесей, а также качественного состава продукции скважины, например от вязкости, содержания парафина и т.д., от типаразмера скважинного насоса. Количество секций перфорированных труб подобрано в соответствии с условием четырехкратного превышения суммарной площади фильтрационных отверстий над площадью сечения плунжера штангового насоса (на фигуре не показан), обеспечивающей общую пропускную способность составного фильтра в зависимости от производительности скважинного насоса, исключающую возникновение перепада давления при прохождении продукции через фильтрационные отверстия и дополнительного сопротивления потоку продукции скважины, что исключает образование асфальтено-смоло-парафиновых отложений или солей, которые засоряют клапана штангового насоса, повышает надежность при добыче вязких, высоковязких, легких парафинистых нефтей. Количество секций определяют по формуле:
2
2
N = 4 ⋅ Fпл / (Fотв ⋅ n) = 4⋅Dпл / (Dотв ⋅ n),
где Fпл - площадь сечения плунжера,
Fотв - площадь сечения одного фильтрационного отверстия,
n - количество фильтрационных отверстий в секции;
Dпл - диаметр сечения плунжера,
Dотв - диаметр одного фильтрационного отверстия.
Самая нижняя секция перфорированных труб в нижней части герметично соединена с заглушкой 4, имеющей наружную резьбу. Заглушка снизу выполнена под конус, сужающийся сверху вниз, что исключает преждевременную потерю работоспособности фильтра, связанную с заклиниванием фильтра при спуске насоса и с прохождением через узлы компоновки глубинно-насосного оборудования. На наружной поверхности заглушки выполнены четыре центратора 5 в виде прямоугольных призм шириной не менее 3 мм, расположенных под углом 90°, с наружным диаметром центратора меньше проходного сечения замковой опоры на 2 мм, обеспечивающих при спуске насоса исключение закупорки фильтрационных отверстий отложениями, скопившимися на внутренней поверхности насосно-компрессорных труб как вертикальных, так и наклонно-направленных или искривленных участках ствола скважины. Самая верхняя секция перфорированных труб 1 в верхней части герметично соединена с насосом через переводник 6. Таким образом предлагаемая конструкция составного фильтра повышает эффективность надежной защиты вставного штангового скважинного насоса от механических примесей при увеличении надежности и ресурса работы составного фильтра и скважинной штанговой насосной установки, предотвращает потери нефти, увеличивает межремонтный период работы насоса, снижает затраты на подземный ремонт. Для обеспечения надежности конструкции составного фильтра рекомендуемая общая длина не более 1,5 метра, материал Сталь 40 по ГОСТ 1050-2013.
Составной фильтр вставного скважинного штангового насоса работает следующим образом. При работе вставного штангового скважинного насоса добываемая продукция скважины, например парафинистая нефть, проходит через фильтрационные отверстия 2, в которых происходит задерживание механических примесей (в частности кордовое волокно). Для увеличения ресурса работы фильтра и установки в целом определяют количество секций фильтра в зависимости от типоразмера насоса с соблюдением условия не менее четырехкратного превышения суммарной площади фильтрационных отверстий над площадью сечения плунжера штангового насоса.
Количество секций определяют по формуле:
2
2
N = 4 ⋅ Fпл / (Fотв ⋅ n) = 4 ⋅ Dпл / (Dотв ⋅ n),
где Fпл - площадь сечения плунжера,
Fотв - площадь сечения одного фильтрационного отверстия,
n - количество фильтрационных отверстий в секции;
Dпл - диаметр сечения плунжера,
Dотв - диаметр одного фильтрационного отверстия.
Например, при длине секций - 30 см, диаметре отверстий - 4 мм, количестве отверстий на одной секции - 108 (6 рядов), НКТ 73 мм, при расчете получим необходимое количество секций:
для насоса диаметром плунжера 27 мм - 2 секции с наружным диаметром 48 мм,
для насоса диаметром плунжера 32 мм - 3 секции с наружным диаметром 48 мм,
для насоса диаметром плунжера 38 мм - 3 секции с наружным диаметром 48 мм,
для насоса диаметром плунжера 44 мм - 4 секции с наружным диаметром 48 мм.
Перед спуском вставного штангового насоса на колонне насосных штанг выполняют сборку фильтра в следующей последовательности. Сначала перфорированные трубы 1, представляющие собой секции, соединяют с помощью промежуточных переводников 3. Затем на самую верхнюю секцию перфорированных труб 1 сверху наворачивают переводник 5, а самую нижнюю секцию перфорированных труб в нижней части герметично соединяют с заглушкой 4, имеющей наружную резьбу. С помощью переводника 6 весь фильтр устанавливают на прием соответствующего вставного штангового насоса.
Заглушка 4 снизу выполнена под конус, сужающаяся сверху вниз, исключает преждевременную потерю работоспособности фильтра, связанную с заклиниванием фильтра при спуске насоса и прохождением через узлы компоновки глубинно-насосного оборудования. На наружной поверхности заглушки выполнены четыре центратора 5 в виде прямоугольных призм шириной не менее 3 мм, расположенных под углом 90°, с наружным диаметром центратора меньше проходного сечения замковой опоры на 2 мм, обеспечивающие при спуске насоса исключение закупорки фильтрационных отверстий отложениями, скопившимися на внутренней поверхности насосно-компрессорных труб как вертикальных, так и наклонно-направленных или искривленных участках ствола скважины.
Составной фильтр вставного скважинного штангового насоса спускают в скважину в компоновке с любым типом насосного оборудования. Продукция скважины, приводимая в движение за счет действие насоса, через круглые отверстия 2 поступает в перфорированную трубу 1. Крупные твердые включения, например, кордовое волокно удерживаются круглыми фильтрационными отверстиями 2. Далее поток пластовой жидкости поднимается вверх и поступает на прием насоса. Выполнение условия: не менее четырехкратного превышения суммарной площади фильтрационных отверстий над площадью сечения плунжера штангового насоса при расчете количества секций перфорационных труб обеспечивает увеличение ресурса работы фильтра и установки в целом. Запас пропускной способности позволяет предотвратить снижение коэффициента подачи из-за засорения приема насоса даже в случае забивания значительной части отверстий.
В прототипе же пластовая жидкость очищается от частиц механических примесей в отверстиях диаметром 3 мм при длине 210 мм перфорированной трубы, поэтому происходит быстрое забивание фильтрационных отверстий механическими примесями, особенно продуктами бурового раствора (кордовое волокно), из-за отсутствия возможности регулирования пропускной способности фильтра в зависимости от производительности насоса, что приводит сначала к снижению производительности скважинной установки, а при полном перекрытии фильтрационных отверстий - необходимости проведения подземного ремонта. По мере забивания фильтрационных отверстий при поступлении добываемой продукции внутрь полости фильтра из-за перепада давления происходит эффект штуцирования, снижается надежность фильтра, происходит образование асфальтено-смоло-парафиновых отложений или солей, которые засоряют клапана штангового насоса, что также приводит к снижению производительности скважинной установки из-за утечек или полному выходу из строя и необходимости проведения подземного ремонта скважины. Сборку и ревизию фильтра осуществляют в сервисном центре. Конструкция не обеспечивает защиту от преждевременной потери работоспособности фильтра при добыче вязких, высоковязких, легких парафинистых нефтей, от закупорки фильтрационных отверстий отложениями при спуске насоса как в вертикальных, так и наклонно-направленных или искривленных участках ствола скважины, от заклинивания фильтра при спуске насоса и прохождении через узлы компоновки глубинно-насосного оборудования.
В предлагаемом составном фильтре повышается эффективность защиты вставного штангового скважинного насоса от механических примесей при увеличении надежности и ресурса межремонтного периода работы фильтра порядка 50 % и скважинной штанговой насосной установки, что предотвращает потери нефти, снижает затраты на подземный ремонт, за счет исключения перепада давления при поступлении добываемой продукции внутрь полости фильтра, обеспечения необходимой пропускной способности в зависимости от производительности скважинного насоса, повышения надежности при добыче вязких, высоковязких, легких парафинистых нефтей и исключения преждевременной потери работоспособности фильтра. Фильтр позволяет обеспечить защиту вставных штанговых насосов благодаря увеличению количества фильтрационных отверстий за счет составной конструкции.
Составная конструкция позволяет производить сборку и ревизию фильтра прямо на устье скважины, что исключает необходимость вывоза фильтра для ревизии в сервисный центр, а также обеспечивает надежность фильтра. Таким образом, предлагаемая конструкция фильтра позволяет повысить эффективность защиты вставного штангового скважинного насоса от механических примесей, увеличить ресурс работы фильтра и скважинной штанговой насосной установки, что предотвратит потери нефти, затраты на подземный ремонт скважины.