СКВАЖИННЫЙ ФИЛЬТР
DOWNHOLE FILTER

Изобретение относится к нефтегазобобывающей промышленности, конкретно - к средствам фильтрования нефти и газа.
Известен щелевой скважинный фильтр по патенту РФ на полезную модель №71694, МПК Е21В 43/08, опубл. 20.03.2008 г.
Фильтр содержит перфорированную трубу, на которой установлены продольные опорные элементы, на внешней поверхности которых намотана проволока с образованием зазоров между витками, при этом проволока приварена или припаяна к продольным элементам, а соотношение шага установки продольных элементов к их высоте выполнено в диапазоне от 1,0 до 10. Между трубой и продольными опорными элементами установлена фильтрующая сетка. Между опорными продольными элементами и фильтрующей сеткой намотана проволока, выполняющая роль дренажного слоя. Между трубой и фильтрующей сеткой установлена дренажная сетка. Между продольными опорными элементами и фильтрующей сеткой установлена дренажная сетка.
Недостатками фильтра являются сложность конструкции скважинного фильтра, трудоемкость изготовления, низкая надежность и быстрый абразивный износ фильтрующего элемента.
Известен скважинный фильтр по патенту РФ на изобретение №2507384, МПК Е21В 43/08, опубл. 20.02.2014 г.
Этот щелевой скважинный фильтр содержит перфорированную несущую трубу и щелевой фильтрующий элемент, выполненный из проволоки, намотанной на продольные элементы по спирали, причем поперечное сечение проволоки, намотанной по спирали выполнено пятигранным, одна из граней проволоки выполнена параллельно продольной оси фильтра и образует его наружную поверхность, а каждая боковая сторона выполнена с двумя гранями, верхние образуют фильтрующий зазор, а нижние сходятся, образуя острый угол.
Недостатки: низкая прочность проволоки фильтрующего элемента, что приводит к изменению зазоров при спуске скважинного фильтра, и быстрый абразивный износ «самого узкого места» фильтрующего элемента.
Известен бескаркасный скважинный фильтр по патенту РФ на изобретение №2606470, МПК В21В 43/08, опубл. 10.01.2017 г., прототип.
Этот бескаркасный скважинный фильтр содержит два ниппеля и, по меньшей мере, один
отверстия, и выполненным между ограничительными кольцами, тем, что каждый фильтрующий элемент уложен на продольные элементы, а оба ниппеля приварены к крайним ограничительным кольцам, внутри фильтра без кольцевого зазора установлен кольцевой кожух, внутри которого с кольцевым зазором установлено средство закрутки добываемого продукта. Фильтрующий элемент может быть выполнен щелевым в виде проволоки, намотанной на продольные элементы по спирали.
Недостатки: высокий вес, соизмеримый с весом каркасного фильтра и сложность конструкции.
Задача создания изобретения уменьшение веса скважинного фильтра.
Достигнутый технические результат: уменьшение веса скважинного фильтра.
Решение указанной задачи достигнуто в скважинном фильтре, содержащем ниппели, муфту и фильтрующий элемент, содержащий стрингеры, уложенные параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки, отличающийся тем, что стрингеры выполнены пустотелыми, прямоугольного поперечного сечения, при этом их меньшие грани выполнены параллельно продольной оси скважинного фильтра, а высота стрингеров выполнена из соотношения:
1
х
Н=(2,3…2,8)в где:
1
H - высота стрингера,
1
в - ширина меньшего основания стрингера.
Сечение профилированной проволоки может быть выполнено в виде трапеции, меньшее основание которой обращено к продольной оси скважинного фильтра. Высота стрингеров может быть выполнена из соотношения:
1
2
H=(2,3…2,8)в,
1
где: H - высота стрингера,
2
в - ширина меньшего основания стрингера.
Большее основание трапеции может быть выполнено скругленным.
Концы стрингеров могут быть уложены в выполненные с равномерным шагом в радиальные пазы на торцах ограничительных колец
Профилированная проволока может быть выполнена треугольного сечения выполнена с радиусным скруглением при вершине.
Профилированная проволока может быть выполнена трапециевидного поперечного сечения с радиусным скруглением вершины, обращенной к оси скважного фильтра.
Радиусное скругление вершины, обращенной к оси скважного фильтра может быть выполнено из условия:
1
а
r=(0,2…0,25), где:
1
r - радиус скругления вершины,
а
- ширина большего основания трапеции профилированной проволоки.
Укладка стингеров может быть выполнена таким образом, чтобы:
внс
вн,
D=D
внс
где: D - внутренний диаметр установки стрингеров,
вн,
D - внутренний диаметр ниппелей и ограничительных колец.
Укладка стингеров может быть выполнена таким образом, чтобы:
внс
вн
D>D.
Укладка стингеров может быть выполнена таким образом, чтобы:
внс
вн
D<D.
Укладка стингеров может быть выполнена таким образом, чтобы:
вн
внс
D-D=6…10 мм
Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1-15, где:
- на фиг. 1 приведена скважный фильтр,
- на фиг. 2 приведен фильтрующий элемент,
- на фиг. 3 приведен стрингер с вырезами,
- на фиг. 4 приведен первый вариант стрингера,
- на фиг. 5 приведен второй вариант стрингера,
- на фиг. 6 приведен третий вариант стрингера,
- на фиг. 7 приведен четвертый вариант стрингера,
- на фиг. 8 приведен первый вариант профилированной проволоки,
- на фиг. 9 приведен второй вариант профилированной проволоки,
- на фиг. 10 приведен конец стрингера и его установка в ограничительное кольцо, первый вариант,
- на фиг. 11 приведен конец стрингера и его установка в ограничительное кольцо, второй вариант,
- на фиг. 12 приведена сборка фильтрующего элемента,
- на фиг. 13 приведен вид А,
- на фиг. 14 приведен вид В,
- на фиг 15 приведено ограничительное кольцо,
- на фиг. 16 приведен вид С.
Обозначения, принятые в описании:
ниппели 1,
муфта 2,
центратор 3,
фильтрующий элемент 4,
стрингер 5,
ограничительное кольцо 6,
профилированная проволока 7,
сварочный шов 8,
контактная сварка 9,
внутренняя полость 10,
полость 11,
меньшее основание 12,
большее основание 13,
боковая стенка 14,
конец 15,
вырез 16,
основная грань 17,
опорная поверхность 18
боковые грани 19.
меньшее основание 20,
большее основание 21,
радиальный паз 22,
внутренний торец 23,
внутренняя фаска 24,
внешняя фаска 25,
внешний торец 26,
внутренняя проточка 27.
Скважинный фильтр (фиг. 1…16) предназначен для очистки нефти или газа.
Скважинный фильтр (фиг. 1) содержит два ниппеля 1, муфту 2 на верхнем ниппеле 1 и центратор 3.
Фильтрующий элемент 4 выполнен между ниппелями 1, (фиг. 2) содержит стрингеры 5, уложенные параллельно оси ОО скважинного фильтра между ограничительными кольцами 6, и намотанные на них витки профилированной проволоки 7 треугольного или трапециевидного поперечного сечения.
Соединения ниппелей 1 с ограничительными кольцами 6 и ограничительных колец 6 с фильтрующими элементами 4 выполнено сварочными швами 8.
Соединение профилированной проволоки 7 со стрингерами выполнено контактной сваркой 9. Внутри фильтра образована внутренняя полость 10 для прохождения добываемого продукта.
На стрингерах 5 перед сборкой на их концах 15 выполняют вырезы 16 (фиг. 3 и 4) прямоугольной формы.
Стрингеры 5 (фиг. 5…8) выполнены пустотелыми, с полостью 11 внутри них любой формы. Стрингеры 5 могут быть выполнены четырехугольного поперечного сечения и различной формы в виде прямоугольника (фиг. 5 и 6)) или в виде трапеции (фиг. 7 и 8).
1
Высота стрингеров 5 - Н выбирается из соотношения:
1
1
H=(2,3…2,8) в,
1
где: H - высота стрингера 5,
1
в - ширина меньшего основания стрингера 5.
Доказательство оптимальности указанного соотношения размеров.
Из сопротивления материалов известно (для прямоугольного профиля):
W - момент сопротивления изгибу,
1
H - высота стрингера 5,
1
b - минимальная ширина стрингера 5.
1
Если ширина стрингера 5 постоянная, то вместо b принимают b (фиг. 4 и 5).
1
Из этой формулы следует, что с увеличением высоты стрингера 5 - H его сопротивление изгибу возрастает с квадратичной зависимостью (Табл. 1).
м
Однако верхний передел высоты стрингера 5 ограничен наружным диаметральным габаритом скважинного фильтра: сделать фильтрующий элемент 4 диаметром больше внешнего диаметра муфты 7 D нельзя из-за возможности разрушения фильтрующего элемента при спуске в скважину.
Кроме того, многократное увеличение сопротивления изгибу сопровождается некоторым ухудшением других характеристик прочности.
Примечания:
0pcп
1
W - сопротивление изгибу сплошной решетки, выполненной с t=в,
0р
1
1
W - сопротивление изгибу решетки с t=3b, т.к при большем шаге навивки профилированной проволоки внешняя поверхность скважинного фильтра будет ребристой и профилированная проволока 7 будет провисать и изгибаться, что изменит зазоры δ, в некоторых местах в сторону увеличения и ухудшит качество фильтрования.
Вывод по табл. 1
1
1
1
1
При H/b более 2,3 сопротивление изгибу каркаса на стрингерах равно (и немного более) сопротивлению изгибу сплошной трубы, а при H/b=2,8 превышает на 27%, однако дальнейшее увеличение высоты невозможно из-за ограничения диаметрального габарита скважинного фильтра и ограничений по диаметральному габариту скважины.
1
1
При этом высота H/в=2,8 может быть достигнута за счет частичного загромождения внутренней полости 10 на высоту от 3 до 5 мм в зависимости от диаметра скважинного фильтра и толщины его стенки, т.е. должно выть выполнено условие:
При этом загромождение поперечного сечения скважинного фильтра не превысит 3%…5% по сечению и это мало повлияет на его гидравлические характеристики.
Более подробно разъяснение этих рассуждений приведено в конкретных цифрах для всей номенклатуры скважинных фильтров в данных, частично позаимствованных из ГОСТ 632 - 80 Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия и сведенных в табл. 2.
В табл. 2 приведены данные для труб различного диаметра и толщины и размеры муфт к ним.
0
В случае применения усиленной муфты максимальная высота фильтрующего элемента 4 - Н колеблется в диапазоне от 16,3 до 20,25 мм.
0
1
2
Учитываем в дальнейшем, что Н=H+Н.
2
1
внс
вн
Если принять высоту профилированной проволоки 7 Н=3,0 мм, то высота стрингера 5 будет иметь значение H=13,3…17,25 мм при условии равенства D>D.
1
1
Величина H при необходимости может быть увеличена еще на 3…5 мм за счет расположения части стрингеров 5 во внутренней полости 10, при этом H=16…20 мм, что достаточно для создания прочного и технологичного пустотелого профиля стрингера 5 с толщиной стенок 1…1, 5 мм и шириной полости 11 внутри него от 3 до 5 мм.
0
1
На фиг. 4 приведен прямоугольный стрингер 5 с полостью 11 прямоугольного поперечного сечения. Ориентировочно площадь поперечного сечения S полости 11 должна быть равна 0,4…0,6 от площади поперечного сечения S стрингера 5. Это не ослабит стрингер 5, так как его внутренняя площадь практически не противодействует изгибу и одновременно уменьшит вес скважинного фильтра почти на 50% и обеспечит технологичность изготовления таких стрингеров 5.
Для этого одновременно необходимо выполнение условия:
1
где: H - высота стрингера.
1
в - ширина меньшего основания стрингера 5.
На фиг. 6 приведен прямоугольный стрингер 5 с эллипсной полостью 11.
На фиг 7 и 8 приведены варианты стрингеров 5 четырехугольного поперечного сечения в виде трапеции, меньшее основание 12 которой обращено к продольной оси ОО скважинного фильтра, а большее основание 13 трапеции может быть выполнено скругленным радиусом R (фиг. 7).
Стрингеры 5 имеют боковые стенки 14 (фиг. 5…8), между которыми проходит добываемый продукт, концы 15 стрингеров 5 для заделки и вырезы 16 прямоугольной формы (фиг. 3) на концах 15, обращенных к продольной оси ОО скважинного фильтра.
Профилированная проволока 7 (фиг. 9 и 10) может быть выполнена двух вариантах:
Первый вариант - треугольного поперечного сечения, имеющий основную грань 17, опорную поверхность 18 с радиусным скруглением r1, а также две боковые грани 19.
Радиусное скругление, выполнено радиусом r1 (фиг. 9), при том оптимальный радиус скругления:
1
где: r - радиус радиусного скругления при вершине поперечного сечения профилированной проволоки 7, где:
а - ширина профилированной проволоки 7.
На фиг. 10 приведен второй вариант профилированной проволоки 7, выполненной в поперечном сечении в форме трапеции, меньшее основание 20 которой обращено в сторону оси ОО скважинного фильтра, а большее основание 21 в сторону профилированной проволоки 7 и две боковые грани 19. Изготовление пустотелой профилированной проволоки на современном уровне развития технологий невозможно.
На фиг. 11 приведен конец 15 стрингера 5 с вырезом 16 и его установка в ограничительное кольцо 6, первый вариант, в котором
внс
где: D - внутренний диаметр установки стрингеров 5,
вн,
D - внутренний диаметр ниппелей 1 и ограничительных колец 6.
На фиг. 12 приведен конец 15 стрингера 5, второй вариант и его установка в ограничительное кольцо 6, в котором:
На фиг. 13 приведена соединение фильтрующего элемента 4 с ограничительным кольцом 6, а на фиг. 14 вид И, при этом необходимо соблюдать соотношение:
макс
где: D - максимальный диаметр фильтрующего элемента,
м
D - внешний диаметр муфты 2.
На фиг 15 приведено ограничительное кольцо 6 в разрезе.
Оно содержит радиальные пазы 22, выполненные на внутреннем торце 23, внутреннюю фаску 24, внешнюю фаска 25 на внешнем диаметре внешнего торца 26 и внутренняя проточка 27 со стороны внешнего торца 26 по меньшему диаметру цилиндрической формы.
На фиг. 14 приведен вид В ограничительного кольца 6 на котором видны радиальные пазы 22 для установки концов 15 стрингеров 5.
Сборка скважинного фильтра
При сборке отдельно изготавливают ниппели 1, ограничительные кольца 6 и фильтрующие элементы 4.
Фильтрующие элементы 4 изготавливают намоткой и приваркой к стрингерам 5 профилированной проволоки 7. Стрингеры устанавливают концами 15 стрингеров 5 фиг. 3 и 4 на оправки (оправки на фиг. 1…16 не показаны).
Фильтрующие элементы 4 приваривают к ограничительным кольцам 6 с двух сторон сварочными швами 8. (фиг. 2) Ниппеля 1 приваривают к ограничительным кольцам 6 тоже сварочными швами 8.
Фильтрующий элемент в предложенной конструкции одновременно выполняет функцию силового каркаса.
РАБОТА СКВАЖИНОГО ФИЛЬТРА
1
2
Скважинный фильтр предназначен для очистки нефти или газа от посторонних примесей (фиг. 1…16). Для этого скважинный фильтр устанавливают в состав эксплуатационной колонны (не показано). Нефть (газ) через зазор δ между витками профилированной проволоки 7 и далее через зазоры - δ между стрингерами 5 поступает во внутреннюю полость 10.
1
Степень фильтрации зависит преимущественно от зазора δ и задается заказчиком обычно в диапазоне от 0,1 до 1,0 мм. При этом не возникнет деформация витков профилированной проволоки 7 ни при изготовлении, ни при перевозке и спуске скважинного фильтра в скважину.
Прочность стрингеров 5 обеспечена профилем их поперечного сечения, соотношением размеров и приваркой профилированной проволоки 7.
Применение изобретения позволило:
- уменьшить вес скважинного фильтра на 30…50% при сохранении его прочности и улучшении качества очистки добываемого продукта.