ФИЛЬТРУЮЩЕЕ СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО
WELL FILTERING DEVICE

Изобретение относится к нефтепогружному оборудованию, а именно к скважинным фильтрующим устройствам, предотвращающим попадание частиц механических примесей в электроцентробежный насос.
Известен скважинный фильтр, содержащий ниппельную и муфтовую части и щелевой фильтрующий элемент в виде намотанной на продольные ребра профилированной проволоки (Пат. №2374433 РФ, E21B 43/08, 2009).
Недостатком скважинного фильтра является возможность быстрого засорения единственного щелевого фильтрующего элемента и последующее прекращение поступления очищенной пластовой жидкости на прием погружного насоса.
Известен скважинный сепаратор, содержащий корпус с входными отверстиями, концентрично установленную в корпусе отводящую трубу, шнек центробежной очистки в кольцевой полости между корпусом и отводящей трубой и сборник примесей (Якимов С.Б. и др. Применение десендеров для защиты ЭЦН на пластах Покурской свиты // Новатор. 2009. №27. С.27-31).
Скважинный сепаратор характеризуется высокой продолжительностью работы, однако его недостатком является нестабильный коэффициент сепарации, зависящий от удельного объема добываемой жидкости и размера содержащихся в ней частиц примесей.
Известно скважинное фильтрующее устройство, содержащее трубчатый каркас, верхний конец которого соединен с патрубком, а нижний конец заглублен в отстойник, щелевые фильтры, концентрично установленные снаружи и внутри трубчатого каркаса и образующие с ним наружные вертикальные каналы, герметично закрытые сверху и соединенные с отстойником снизу, и внутренние вертикальные каналы, герметично закрытые внизу и соединенные с патрубком вверху, а также клапан, отделяющий полость внутреннего щелевого фильтра от патрубка (Пат. №2446274 РФ, E21B 43/08, 2012). Скважинное фильтрующее устройство имеет повышенный ресурс работы за счет двойной очистки добываемой жидкости на концентрично установленных щелевых фильтрах и открытия предохранительного клапана после их засорения. Однако в таком устройстве не обеспечивается восстановление пропускной способности щелевых фильтров во время эксплуатации.
Известно фильтрующее скважинное устройство, содержащее опорную перфорированную трубу, на которой установлены щелевые фильтры, состоящие из продольных призматических стержней и навитого на них призматического профиля с образованием щели между витками, причем между смежными щелевыми фильтрами внутри опорной трубы размещены предохранительные клапаны, характеристики которых выбраны из условия последовательного открытия клапанов сверху вниз (Пат. №133561 РФ, E21B 43/08, 2013).
Недостатком фильтрующего скважинного устройства является трудоемкость настройки клапанов на индивидуальное давление открытия, а также невозможность регенерации всех щелевых фильтров.
Известно фильтрующее скважинное устройство, состоящее из разделенных кольцевой перегородкой и сообщающихся посредством отводящей трубы верхней и нижней секций, и сборника примесей, в нижней секции имеются радиальные входные отверстия и шнек, охватывающий отводящую трубу, а в верхней секции отводящая труба выполнена с перфорациями, перекрытыми фильтром, выше которого размещен предохранительный клапан, выполнены радиальные отверстия и имеется осевое выходное отверстие (Пат. №116571 РФ, E21B 43/08, 2011).
Недостаток известного фильтрующего скважинного устройства заключается в невозможности регенерации фильтра, поскольку предохранительный клапан размещен на выходе из верхней секции, то есть за фильтром по ходу движения жидкости.
В качестве прототипа принято фильтрующее скважинное устройство, содержащее отводящую трубу, нижняя часть которой охвачена шнеком, оснащена предохранительным клапаном на торце и заключена в корпус с входными отверстиями вверху и присоединенным контейнером внизу, а верхняя часть выполнена перфорированной и окружена сварным щелевым фильтром, состоящим из внутреннего опорного слоя в виде продольных призматических профилей и наружного фильтрующего слоя в виде навивки из призматического профиля (Пат. №131070 РФ, E21B 43/08, 2013).
Недостатками фильтрующего скважинного устройства являются непостоянная пропускная способность, снижающаяся по мере закупоривания щели в щелевом фильтре, и неэффективное использование шнека, выполняющего центробежную очистку пластовой жидкости только при открытом предохранительном клапане во время регенерации щелевого фильтра. К недостаткам следует отнести то, что при регенерации с фильтрующей поверхности затруднено соскальзывание задержанных частиц, поскольку они удерживаются в щели, опираясь на ребра навивки, и это отрицательно сказывается на ресурсе работы устройства. Кроме того, в контейнере накапливаются только частицы, отделенные на шнеке, тогда как частицы с щелевого фильтра сбрасываются при регенерации на зумпф скважины, что потребует их извлечения.
Настоящее изобретение направлено на поддержание стабильной пропускной способности и увеличение ресурса работы фильтрующего скважинного устройства за счет одновременной очистки пластовой жидкости на щелевом фильтре и удаления задержанных частиц механических примесей с его фильтрующего слоя. Кроме того, заявляемое фильтрующее скважинное устройство устраняет пересыпание зумпфа скважины механическими примесями, что удлиняет период между ее ремонтами.
Указанный технический результат достигается тем, что в фильтрующем скважинном устройстве, содержащем корпус с верхними входными отверстиями, расположенную коаксиально корпусу отводящую трубу с участком радиальных отверстий и предохранительным клапаном на нижнем торце, шнек, насаженный на отводящую трубу, щелевой фильтр в виде внутреннего опорного и наружного фильтрующего слоя из призматического профиля, перекрывающий участок с радиальными отверстиями отводящей трубы, и контейнер внизу корпуса, согласно изобретению, отводящая труба установлена внутри корпуса, а шнек размещен между верхними входными отверстиями и щелевым фильтром.
Предпочтительно выполнение щелевого фильтра с внутренним опорным слоем в виде окружных призматических профилей и наружным фильтрующим слоем из продольных призматических профилей, образующих между собой продольные щели, при этом на цилиндрической поверхности окружных призматических профилей со стороны отводящей трубы могут быть выполнены продольные прорези.
Кроме того, отводящая труба может быть дополнительно оснащена, по крайней мере, одним шнеком и одним щелевым фильтром, при этом шнеки и щелевые фильтры расположены в чередующемся порядке.
На фиг.1 схематично изображено заявляемое фильтрующее скважинное устройство с одним шнеком и щелевым фильтром на отводящей трубе; на фиг.2 - то же, но с двумя шнеками и щелевыми фильтрами; на фиг.3 - показано поперечное сечение предлагаемого устройства.
Фильтрующее скважинное устройство содержит корпус 1 с верхними входными отверстиями 2 в стенке, к которому присоединен контейнер 3 (фиг.1). Внутри корпуса 1 коаксиально установлена отводящая труба 4, имеющая предохранительный клапан 5 на нижнем торце и расположенный выше участок с радиальными отверстиями 6. На отводящей трубе 4 ниже уровня верхних входных отверстий 2 насажен шнек 7. Ниже шнека 7 отводящая труба 4 охвачена щелевым фильтром 8, перекрывающим ее участок с радиальными отверстиями 6. Геометрические размеры шнека, определяющие его сепарационные свойства, подбираются с учетом предполагаемого фракционного состава примесей в пластовой жидкости. Между щелевым фильтром 8 и корпусом 1 имеется кольцевой зазор 9.
Щелевой фильтр 8 состоит из внутреннего опорного слоя в виде окружных призматических профилей 10, к которым приварены и на которые опираются продольные призматические профили 11, образующие наружный фильтрующий слой с равновеликими продольными щелями 12 (фиг.1, 3). В зависимости от требований к очистке пластовой жидкости, поступающей на прием ЭЦН, ширина продольных щелей может быть выбрана из интервала 100…1000 мкм. Расстояние между окружными профилями 10 находится из условия сохранения прямолинейности продольными профилями 11 при возникновении перепада давления на щелевом фильтре 8. Между отводящей трубой 4, продольными профилями 11 и смежными окружными профилями 10 образуются кольцевые полости 13, каждая из которых перекрывает полностью или частично, по меньшей мере, одно отверстие 6 на отводящей трубе 4. Этим обеспечивается беспрепятственный сток в отводящую трубу 4 пластовой жидкости, прошедшей через участки фильтрующего слоя, расположенные над кольцевыми полостями 13. Дополнительно на внутренней поверхности окружных профилей 10, примыкающей к отводящей трубе 4, могут быть выполнены продольные прорези 14, сообщающие кольцевые полости 13 между собой.
Для повышения пропускной способности при сохранении качества очистки в некоторых вариантах исполнения фильтрующее скважинное устройство дополнительно оснащено, по крайней мере, одним шнеком 15 и одним щелевым фильтром 16, которые расположены на отводящей трубе 4 в чередующемся порядке со шнеком 7 и щелевым фильтром 8 (фиг.2).
Фильтрующее скважинное устройство работает следующим образом.
При включении ЭЦН (не показан) пластовая жидкость с частицами механических примесей различной дисперсности поступает через верхние входные отверстия 2 в пространство между стенкой корпуса 1 и отводящей трубой 4 и движется вниз вдоль находящегося там шнека 7, приобретая вращательное движение (фиг.1). Под действием возникающих центробежных сил крупнодисперсные частицы смещаются в наружную часть потока жидкости, то есть к стенке корпуса 1, а мелкодисперсные частицы остаются во внутренней части вблизи отводящей трубы 4.
После прохождения шнека поток жидкости с разделенными на фракции частицами продолжает движение вниз и попадает в кольцевой зазор 9 между щелевым фильтром 8 и стенкой корпуса 1. Движущиеся в периферийной части потока жидкости более крупные частицы проскакивают по инерции мимо щелевого фильтра 8 и под действием собственного веса опускаются в контейнер 3. Очищенная от крупных частиц жидкость сливается с текущим вдоль щелевого фильтра 8 потоком жидкости с более мелкими частицами, и совместно фильтруется через продольные щели 12 (фиг.3), при этом частицы с размером, превышающим ширину щели, задерживаются между продольными профилями 11. Очищенная жидкость попадает в кольцевые полости 13, откуда через отверстия 6 проходит внутрь отводящей трубы 4 и покидает фильтрующее скважинное устройство. Прорези 14 в окружных профилях 10 уравнивают давление в кольцевых полостях 13, тем самым, исключая деформирование продольных профилей 11. Предохранительный клапан 5 на этом этапе работы устройства закрыт.
Задержанные частицы удерживаются между продольными профилями 11 за счет прижимающего действия радиального потока жидкости, втекающей в щелевой фильтр 8. По мере перекрытия налипшими частицами продольных щелей 12 радиальный поток жидкости через них ослабевает, что уменьшает силу, удерживающую частицы на щелевом фильтре 8. Одновременно с ослаблением радиального потока возрастает скорость направленного вниз потока жидкости в кольцевом зазоре 9. Под его воздействием и действием силы тяжести задержанные частицы сползают вдоль продольных профилей 11 вниз, отрываются от фильтрующего слоя щелевого фильтра 8 и оседают в контейнер 3. Описанный процесс происходит тем интенсивнее, чем больше толщина слоя из задержанных частиц. За счет непрерывной очистки щелей 12 от задержанных частиц пропускная и фильтрационная способности щелевого фильтра 8 поддерживаются практически в неизменном состоянии.
В случае залпового выброса частиц породы из пласта в скважину и быстрого закупоривания продольных щелей 12 проницаемость щелевого фильтра 8 резко снижается. Это приводит к созданию разряжения внутри отводящей трубы 4 и возрастанию действующего на предохранительный клапан 5 давления, поскольку полость корпуса 1 остается сообщенной со скважиной через верхние входные отверстия 2. При достижении заранее заданного давления предохранительный клапан 5 открывается и жидкость под напором попадает в опорную трубу 4. Возникающий при этом в опорной трубе 4 гидравлический удар передается через отверстия 6 в кольцевые полости 13, вызывая отделение частиц, налипших снаружи продольных профилей 11, и их осаждение в контейнер 3. В результате раскрытия продольных щелей 12 перепад давления между полостями корпуса 1 и опорной трубы 4 падает до исходного значения, предохранительный клапан 5 закрывается и движение пластовой жидкости через щелевой фильтр 8 возобновляется.
Если фильтрующее скважинное устройство имеет два шнека 7, 15 и два щелевых фильтра 8, 16, в чередующемся порядке расположенных на отводящей трубе 4, то поступившая в корпус 1 пластовая жидкость сначала очищается на верхней паре шнек 7 - щелевой фильтр 8 (фиг.2). При этом часть содержащихся в жидкости мелкодисперсных частиц задерживается на щелевом фильтре 8, а более крупные частицы перемещаются с потоком жидкости вниз ко второму шнеку 15. На шнеке 15 происходит повторное фракционирование оставшихся в жидкости частиц по сечению потока, после чего наиболее мелкие из них задерживаются на щелевом фильтре 16, а наиболее крупные частицы осаждаются под действием силы тяжести в контейнер 3. При постепенном загрязнении щелевых фильтров 8, 16 снос задержанных частиц и освобождение продольных щелей 12 происходит одновременно на обоих из них, но с разной интенсивностью, которая пропорциональна скорости потока жидкости в зазоре 9. Открытие предохранительного клапана 5 случается после внезапного перекрытия частицами продольных щелей 12 сразу у обоих щелевых фильтров 8, 16, вслед за чем в опорной трубе 4 и сообщающихся с ней кольцевых полостях 13 возникает гидравлический удар, который выталкивает наружу частицы, налипшие между продольными профилями 11. В результате пропускная и фильтрационная способности щелевых фильтров 8, 16 восстанавливаются. Благодаря двукратной центробежной очистке пластовой жидкости на шнеках 7, 15 и ее фильтрации через два щелевых фильтра 8, 16 увеличивается ресурс непрерывной работы скважинного фильтрующего устройства в целом, поскольку при этом снижается количество частиц, приходящихся на каждый щелевой фильтр.