ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
FILTER ELEMENT AND ITS USE

Область техники
Изобретение относится к области очистки добываемых текучих сред, в частности к фильтроэлементам, используемых в составе фильтров для очистки жидких и газообразных сред при эксплуатации и ремонте скважин, при транспортировке добываемой продукции и в системе поддержания пластового давления.
Уровень техники
Известен проволочный фильтр, который содержит фильтрующую часть, выполненную в виде тела вращения и состоящую из проволоки, навитой в виде спиралей, уложенных рядами, смещенными друг относительно друга в плоскости оси фильтра и в перпендикулярной ей плоскости, и подвергнутых прессованию с возможностью образования многослойной пористой структуры фильтрующей части. Фильтрующая часть выполнена в виде кольца с цилиндрической образующей. Проволочный фильтр дополнительно снабжен соосными с фильтрующей частью обечайками, охватывающими каждый из обоих торцов фильтрующей части и выполненными в виде колец с цилиндрической образующей, параллельной цилиндрической образующей кольца фильтрующей части, и П-образным сечением в плоскости, проходящей вдоль оси вращения фильтрующей части, открытым со стороны торцов фильтрующей части с возможностью заглубления последних вовнутрь колец обечаек. Соединение обеих обечаек с заглубленными в них торцами фильтрующей части по цилиндрическим поверхностям примыкания выполнено жестким с образованием единой детали и герметизацией торцов фильтрующей части (по патенту РФ №2470695, опубл. 27.12.2012).
Известен фильтроэлемент, выполненный в виде тела вращения с концентрическим отверстием и изготовленный из проницаемого материала, представляющего собой прессованную металлическую проволочную заготовку, и отличающийся тем, что торцы выполнены конгруэнтными друг другу в виде замков зигзагообразной формы, а для формирования цилиндрической проволочной заготовки используется металлическая рукавная сетка (по патенту РФ №2734972, опубл. 26.10.2020).
Недостатками данных фильтров является то, что при соединении между собой фильтрующих элементов не обеспечивается их герметичное соединение, так как место контакта металлических обечаек никак не уплотнено, также обечайки уменьшают площадь фильтрации. Для повышения герметичности стыков и регулирования тонкости фильтрации, фильтрующие элементы прижимают друг к другу, но при этом сила прижатия не может быть слишком большой, так как при этом увеличится тонкость фильтрации и гидравлическое сопротивление фильтра. Сжатие происходит неравномерно как по блоку втулок, так и по длине каждой втулки, что не может обеспечить постоянную тонкость фильтрации, соответственно уменьшает ресурс фильтра из-за преждевременного засорения или не обеспечивает необходимую фильтрацию добываемой жидкости.
Известные фильтры по патентам РФ №№2703038 и 2705682, которые имеют сложную конструкцию из-за применения 2-х и 3-х слоев фильтроэлементов соответственно, из проволочно-проницаемого материала, синтетического материала, базальтового волокна, а также нахождении фильтрующего экрана в предварительно натянутом состоянии не менее чем на 1%, кроме того площадь фильтрации ограничивается боковой площадью цилиндра фильтроэлемента.
Известен скважинный фильтр, содержащий перфорированный каркас и концентрично размещенные на нем фильтрующие элементы в виде дисков с центральным отверстием, образующие щели между собой, отличающийся тем, что диски изготовлены из металлической сетки, а перфорированный каркас выполнен из профильной трубы квадратной или шестигранной формы с образованием продольных каналов между ее гранями и дисками (по патенту РФ №2473787, опубл. 27.01.2013).
Недостатком фильтра является большая трудоемкость и материалоемкость изготовления, поскольку диски получают вырубкой из листов соответствующих материалов с большим количеством отходов. Недостатком данного фильтроэлемента также является необходимость сжатия дисков. Сжатие происходит неравномерно, что не может обеспечить постоянную тонкость фильтрации, соответственно уменьшает ресурс фильтра из-за преждевременного засорения или не обеспечивает необходимую фильтрацию добываемой жидкости. Площадь фильтрации ограничивается боковой площадью цилиндра фильтроэлемента. Кроме того, фильтроэлемент плохо поддается регенерации обратной промывкой.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является устранение недостатков уровня техники, а именно создание устойчивой конструкции фильтроэлемента единого по всей длине фильтра, в котором настоящий фильтроэлемент должен быть установлен.
При этом обеспечивается простой в монтаже фильтроэлемент с постоянной тонкостью фильтрации по всей длине. Удельная площадь фильтрации фильтроэлемента увеличена по сравнению с уровнем техники даже при уменьшении диаметра фильтроэлемента, что дает возможность использовать данный фильтроэлемент в скважинах малого диаметра (до 114 мм) и других соответствующих применению каналах малого диаметра. Обеспечивается возможность самоочищения фильтроэлемента в процессе эксплуатации и повышение процента его регенерации. Таким образом, эффективность и надежность работы фильтроэлемента улучшены.
Указанные преимущества достигаются при помощи предложенного фильтроэлемента для очистки текучих сред от механических примесей, представляющего собой полый элемент из проницаемого материала, выполненного в виде тела вращения, отличающегося тем, что полый элемент содержит гофрирование, причем гофрирование рассчитывается таким образом, чтобы соблюдалось условие:
t ≤ 2S + 5*ТФ; где
t – шаг гофрирования;
S – толщина фильтроэлемента;
ТФ – тонкость фильтрации фильтроэлемента.
Коэффициент гофрирования, представляющий собой отношение длины предназначенного для гофрирования материала до гофрирования к длине этого материала после гофрирования, составляет по меньшей мере 2.
Проницаемый материал представляет собой сетчатый материал, или объемный проволочный материал, или пористый материал.
Фильтроэлемент содержит по меньшей мере один слой проницаемого материала.
Слои проницаемого материала имеют одинаковую или различную тонкость фильтрации.
Тело вращения представляет собой цилиндр или усеченный конус.
Гофрирование выполнено на участке материала полого элемента или по всей длине материала полого элемента.
Текучая среда представляет собой воду, нефть или нефтесодержащую смесь, природный газ или смесь, содержащую природный газ.
Данный фильтроэлемент применяется для очистки текучих сред при эксплуатации и ремонте скважин, при транспортировке добываемой продукции и в системе поддержания пластового давления.
Краткое описание чертежей
На чертеже представлен поперечный разрез гофрированного фильтроэлемента.
Подробное описание изобретения
Фильтроэлемент 1 представляет собой сетчатый проницаемый материал, или объемный проволочный проницаемый материал, или пористый проницаемый материал, подвергнутый полностью или частично гофрированию и уложенный в виде фильтрующих штор с продольными гофрами в виде тела вращения, в частности, в виде цилиндра или усеченного конуса. При этом гофрированная штора может состоять из одного, двух и более слоев проницаемого материала с одинаковой или различной тонкостью фильтрации, в том числе слоя(-ев) более грубой фильтрации, используемых для придания жесткости фильтроэлементу, как снаружи, так и изнутри фильтроэлемента. Слой грубой фильтрации имеет тонкость фильтрации, превышающую тонкость фильтрации слоя фильтроэлемента с самой малой тонкостью фильтрации в два и более раз.
Слой грубой фильтрации может располагаться как с внешней стороны фильтроэлемента, так и с внутренней, и, кроме того, можно разместить слой грубой фильтрации в виде промежуточного слоя. Фильтроэлемент может содержать несколько слоев грубой фильтрации в различном порядке.
В многослойных фильтроэлементах каждый слой может иметь как одинаковую тонкость фильтрации, так и различную тонкость фильтрации. Таким образом, тонкая очистка может быть одно- или многоступенчатой.
Гофры выступают в качестве ребер жесткости, и придают конструкции функцию самонесущей. При этом обеспечивают постоянную тонкость фильтрации по длине фильтроэлемента. В действительности, ввиду значительных длин фильтроэлемента, которые могут быть достигнуты в единой конструкции, а соответственно и увеличенных масс такой конструкции, существует потребность в обеспечении подобия каркаса, который будет предохранять эту конструкцию от провисания и от прогиба стенки фильтроэлемента при работе насоса, и, следовательно, от местного увеличения тонкости фильтрации, где будут в первую очередь возникать места закупорки. Гофры в настоящем фильтроэлементе служат таким каркасом.
Гофрированная форма фильтроэлемента сочетает в себе преимущества щелевого каркасно-проволочного фильтроэлемента (в виде решетки Джонсона) и фильтроэлементов из проницаемого сетчатого, проволочного или пористого материала, отсеивая рикошетом крупные частицы и в то же время не создавая завихрений в перекачиваемой текучей среде, обеспечивая по существу ламинарный поток текучей среды по каналам проволочного, сетчатого или пористого материала, эффективность фильтрации таким образом улучшена по сравнению с этими видами фильтроэлементов. Крупные частицы, размер которых превышает размер щелевого зазора между гофрами отсеиваются рикошетом, не проходя в зазор между гофрами. В каналах тела самого фильтроэлемента происходит тонкая очистка путем прохождения текучей среды сквозь фильтрующие шторы. Частицы же с размером в пределах размеров зазора могут застревать в щелевых зазорах, способствуя формированию предварительного фильтра. Застревая в зазоре, частица размером в пределах размеров зазора между гофрами, ввиду своей произвольной формы, оставляет проход для текучей среды, так называемое поровое пространство. Со временем более мелкие частицы удерживаются в поровом пространстве больших частиц, и далее даже самые мелкие частицы захватываются в поровом пространстве более крупных частиц, создавая так называемый «мостик», формирующий предфильтр.
Исследованиями установлено, что «мостик» из механических частиц формируется, когда диаметр частиц от 2 до 5 раз меньше размеров фильтрационных отверстий, т.е. от 2 до 5 раз меньше величины тонкости фильтрации.
Авторы обнаружили, что для способствования созданию такого предфильтра необходимо соблюдать условие, при котором t ≤ 2S + 5*ТФ, где t – шаг гофрирования; S – толщина фильтроэлемента; ТФ – тонкость фильтрации фильтроэлемента.
Это условие необходимо, чтобы исключить образование предфильтра из механических частиц, размер которых будет сопоставим с размером тонкости фильтрации на боковой поверхности, образованной вершинами гофры, в противном случае площадь фильтрации кратно снижается, становится сопоставимой с площадью поверхности, образованной вершинами гофры.
Таким образом, ввиду наличия гофрирования с заданными характеристиками, фильтроэлемент позволяет увеличить наработку на отказ.
Коэффициент гофрирования представляющий собой отношение длины предназначенного для гофрирования материала или участка материала до гофрирования к длине этого материала или участка материала после гофрирования, влияет на количество гофр на единицу длины в радиальном направлении фильтроэлемента. Значение коэффициента гофрирования не должно быть меньше 2, поскольку в ином случае площадь фильтрации снижается настолько, что влияние гофрированной формы на эффективность фильтрации становится пренебрежимо малым. Кроме того, чем больше гофр, тем конструкция более устойчива к провисанию с течением времени и к прогибу стенки во время работы насоса.
При работе насоса в режиме всасывания фильтроэлемент подвержен прогибу в направлении потока жидкости. Предварительный фильтр, образующийся в суженном ввиду прогиба зазоре между гофрами, эффективно распадается при возвращении фильтроэлемента в исходное положение, способствуя самоочищению.
Регенерация гофрированного фильтроэлемента улучшена, за счет конструкции, способной к расширению под давлением обратного потока жидкости. Щелевые каналы, расширяясь, позволяют высвобождать скопившиеся после грубой очистки засорения. Промывка происходит быстрее и эффективнее.
В частном случае выполнения фильтроэлемент является полностью гофрированным, то есть гофрирование выполнено по всей поверхности фильтроэлемента.
В частном случае выполнения фильтроэлемент является частично гофрированным, то есть гофрирование выполнено только на части поверхности фильтроэлемента.
В частном случае выполнения фильтроэлемент содержит по меньшей мере два слоя проницаемого материала, один из которых является гофрированным полностью или частично.
Гофрированный фильтроэлемент 1 может применяться в составе фильтров приема насоса УШГН, УЭЦН или УЭВН, в составе забойных скважинных фильтров, в составе фильтров оборудования по очистке технологической жидкости или жидкости глушения, применяемой при ремонте скважин, в составе фильтров оборудования по очистке агента закачки системы поддержания пластового давления, в составе фильтров в системе сбора и транспортировки добываемой продукции, в том числе перед замерными устройствами, насосными агрегатами.
Гофрирование может быть как продольным, так и радиальным, или винтовым.
Фильтроэлемент работает следующим образом: во время эксплуатации фильтроэлемента загрязненная текучая среда (вода, нефть или газ, или их смеси), подлежащая очистке 4, подается с рабочей стороны - с внутренней или внешней, в зависимости от направления потока очищаемой жидкости - на периферийный слой гофрированного фильтроэлемента 1.
Фильтроэлемент содержит щелевые зазоры 2, образованные свободным пространством между вершинами фильтрующих штор 3 с гофрами, где происходит «грубая» очистка текучей среды от крупных механических частиц, размером, превышающих расстояния между вершинами фильтрующих штор. При дальнейшей работе насоса формируется предварительный фильтр из мелких частиц заданного размера. После «грубой» очистки и пройдя предварительный фильтр, текучая среда проходит сквозь фильтрующие шторы, где проходит одно-, двух- или многоступенчатую «тонкую» очистку от мехпримесей, в зависимости от дизайна гофрированной шторы, которая может состоять из одного, двух и более слоев проницаемого материала. На выходе из фильтроэлемента получаем текучую среду 6, очищенную от механических примесей размером, превышающим величину тонкости фильтрации фильтроэлемента.