Стенд для исследования гидромеханических характеристик скважинных фильтров
STAND FOR THE STUDY OF HYDROMECHANICAL CHARACTERISTICS OF WELL FILTERS

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам для испытаний скважинных фильтров различных типов конструкции, используемых для процессов добычи и хранения углеводородов в нефтегазовой отрасли.
Наиболее перспективным и надежным методом борьбы с пескопроявлением является установка в скважине забойных фильтров. Скважинный фильтр - один из важнейших элементов обустройства конструкции забоя скважин, в конечном счете определяющий эффективность работы скважины в течение всего срока ее эксплуатации.
Стенд для исследования гидромеханических характеристик скважинных фильтров предназначен для оценки номинального давления смятия и разрыва, при которых происходит разрушение фильтра и потеря способности удерживать механические примеси при фильтрации флюида при эксплуатации водяных, нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин. Кроме того, стенд позволяет выявить методы воздействия на закольматированный фильтр с целью его очистки.
На стенде проводятся два основных вида испытаний: на давление смятия и на давление разрыва. Испытания на давление смятия проводятся для проверки номинального давления смятия, определенного поставщиком/изготовителем, либо для определения давления смятия, при котором происходит разрушение фильтра и теряется его способность удерживать механические примеси. Испытания на смятие проводятся нагнетанием рабочей жидкости с наружной части скважинного фильтра.
Испытания на давление разрыва проводятся для оценки номинального давления разрыва, определенного поставщиком/изготовителем, либо для определения давления разрыва, при котором происходит разрушение фильтра и теряется его способность удерживать механические примеси. Испытания на разрыв проводятся нагнетанием рабочей жидкости во внутреннюю полость скважинного фильтра.
Таким образом, создание стенда для исследования гидромеханических характеристик скважинных фильтров поможет осуществить выбор оптимальной конструкции скважинных фильтров для надежного предотвращения пескопроявления скважин при долговременной и устойчивой эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому стенду является стенд для испытаний фильтров скважинных насосных установок (патент РФ №2687690 C1, Е21В 43/08, G01M 99/00, 15.05.2019). В известном стенде осуществляют испытания фильтров скважинных насосных установок, эксплуатирующихся в условиях, осложненных высоким содержанием абразивных частиц в пластовой продукции. Стенд содержит вертикальную обсадную колонну, внутри которой установлен испытываемый фильтр с предохранительным клапаном, трубопроводы с задвижками, насос, манометр, установленный на нагнетательном трубопроводе насоса, дозатор механических примесей и шламосборник. Фильтр напрямую соединен со всасывающим трубопроводом насоса, оборудованным мановакуумметром. Обсадная колонна заполнена моделирующей жидкостью и связана с нагнетателем, предназначенным для создания избыточного давления. Нагнетатель оборудован манометром, обратным клапаном и предохранительным клапаном с регулируемой затяжкой пружины. Шламосборник подключен к обсадной колонне через трубопровод с задвижкой. Функциональные возможности известного стенда обеспечивают моделирование скважинных условий работы фильтров.
Недостатки известного фильтра состоят в следующем. Известный стенд не позволяет моделировать условия, характерные для горизонтальных и наклонно-направленных скважин. Кроме того, в известном стенде отсутствует возможность менять направление потока - нагнетать жидкость во внутреннюю полость фильтра, имитируя, таким образом, проведение ремонтных и других работ, в процессе которых происходит воздействие жидкостей на элементы скважинного фильтра. Также известный стенд сложен в исполнении и регулировании. Кроме того, сложно поддерживать работу известного стенда в заданном диапазоне рабочих параметров. Следует отметить, что подача механических примесей в нагнетательный трубопровод не позволяет добиться однородности модельной среды и контролировать ее параметры в ходе испытаний, т.к. отсутствует узел приготовления и поддержания однородности модельной среды.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание стенда для испытаний гидромеханических характеристик скважинных фильтров, представляющего собой замкнутую систему циркуляции с узлом подготовки рабочей жидкости, которая повышает достоверность результатов проведения испытаний скважинных фильтров.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, является расширение функциональных возможностей стенда, которые заключаются в возможности проведения испытаний скважинных фильтров в условиях, характерных как для вертикальных скважин, так и для горизонтальных и наклонно-направленных скважин.
Указанный технический результат достигается за счет создания стенда для исследования гидромеханических характеристик скважинных фильтров, который включает в себя испытательную камеру с верхней и нижней крышками на концах, закрывающими соответственно верхний и нижний торцы испытательной камеры, служащие как входом рабочей жидкости так и выходом отработанной жидкости из испытательной камеры в зависимости от направления движения жидкости, испытываемый фильтр, установленный в испытательной камере, насосный агрегат, емкость для приготовления рабочей жидкости, в верхней части которой установлен электродвигатель с мешалкой на валу, емкость с промывочной жидкостью, емкость для отработанной жидкости, датчики давления, установленные на торцах испытательной камеры, и оборудованные запорной арматурой первый, второй и третий трубопроводы подачи рабочей жидкости, первый, второй и третий трубопроводы отвода рабочей жидкости, первый и второй трубопроводы, выполненные с возможностью подвода в испытательную камеру рабочей жидкости или отвода из испытательной камеры отработанной жидкости, трубопровод подачи промывочной жидкости и первый и второй трубопроводы для слива отработанной жидкости, причем выход емкости подачи промывочной жидкости через трубопровод подачи промывочной жидкости соединен со входом насосного агрегата, с которым через третий трубопровод подачи рабочей жидкости соединен выход емкости для приготовления рабочей жидкости, выход же насосного агрегата через первый трубопровод подачи рабочей жидкости и первый трубопровод, выполненный с возможностью подвода в испытательную камеру рабочей жидкости или отвода из испытательной камеры отработанной жидкости, соединен через верхнюю крышку и, соответственно, верхний торец испытательной камеры с одним из торцов испытуемого фильтра, при этом нижний торец испытательной камеры с нижней крышкой через второй трубопровод, выполненный с возможностью подвода в испытательную камеру рабочей жидкости или отвода из испытательной камеры отработанной жидкости, и первый трубопровод для слива отработанной жидкости соединен с входом в емкость отработанной жидкости, причем испытательная камера своим верхним торцом и, соответственно, верхней крышкой через первый трубопровод, выполненный с возможностью подвода в испытательную камеру рабочей жидкости или отвода из испытательной камеры отработанной жидкости, соединена с вторым трубопроводом слива отработанной жидкости, который в свою очередь связан с входом в емкость отработанной жидкости, а своим вторым торцом с нижней крышкой испытательная камера через второй трубопровод, выполненный с возможностью подвода в испытательную камеру рабочей жидкости или отвода из испытательной камеры отработанной жидкости, соединена с вторым трубопроводом подачи рабочей жидкости, который в свою очередь через первый и третий трубопроводы подачи рабочей жидкости соединен с выходом емкости для приготовления рабочей жидкости, кроме того, вход емкости для приготовления рабочей жидкости через третий и первый трубопроводы отвода рабочей жидкости, первый трубопровод подачи рабочей жидкости и трубопровод подачи промывочной жидкости соединен с выходом емкости с промывочной жидкостью.
На чертеже представлена схема предлагаемого стенда для испытаний гидромеханических характеристик скважинных фильтров, который состоит из:
- испытательная камера (1) с верхней и нижней крышками (2, 3), закрывающими соответственно верхний и нижний торцы испытательной камеры (1);
- испытываемый фильтр (4);
- насосный агрегат (5);
- емкость (6) для приготовления рабочей жидкости, в верхней части которой установлен электродвигатель 7 с мешалкой на валу электродвигателя, которая предназначена для предотвращения оседания твердых частиц;
- емкость (8) с промывочной жидкостью;
- емкость (9) для отработанной жидкости;
- первый трубопровод (10) подачи рабочей жидкости;
- первый, второй и третий трубопроводы (11, 12, 13) отвода рабочей жидкости;
- второй трубопровод (14) подачи рабочей жидкости;
- первый трубопровод (15), выполненный с возможностью подвода в камеру (1) рабочей жидкости или отвода из камеры (1) отработанной жидкости;
- второй трубопровод (16), выполненный с возможностью подвода в камеру (1) рабочей жидкости или отвода из камеры (1) отработанной жидкости;
- первый трубопровод (17) для слива отработанной жидкости;
- трубопровод (18) подачи промывочной жидкости;
- третий трубопровод (19) подачи рабочей жидкости;
- датчики (20, 21) давления на концах испытательной камеры;
- запорная арматура (22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32);
- второй трубопровод (33) для слива отработанной жидкости. Кроме того, в составе стенда дополнительно для наглядности могут быть установлены манометры (на схеме не указано).
Стенд для исследования гидромеханических характеристик скважинных фильтров включает в себя испытательную камеру (1) с верхней и нижней крышками (2, 3) на концах, при этом со стороны крышек (2, 3) каждый из обоих торцов испытательной камеры (1) служит как входом рабочей жидкости, так и выходом отработанной жидкости в зависимости от направления поступающей в камеру (1) жидкости, кроме того стенд включает в себя испытываемый фильтр (4), установленный в испытательной камере (1), насосный агрегат (5), емкость (6) для приготовления рабочей жидкости, в верхней части которой установлен электродвигатель (7) с мешалкой на валу, емкость (8) с промывочной жидкостью, емкость (9) для отработанной жидкости, а также одиннадцать трубопроводов (10-19), запорную арматуру (22-30), установленную на указанных трубопроводах, и два датчика (20, 21) давления на концах испытательной камеры (1). Выход емкости (8) подачи промывочной жидкости через трубопровод (18) подачи промывочной жидкости соединен со входом насосного агрегата (5), с которым через третий трубопровод (19) подачи рабочей жидкости соединен выход емкости (6) для приготовления рабочей жидкости. При этом выход насосного агрегата (5) через первый трубопровод (10) подачи рабочей жидкости и первый трубопровод (15), выполненный с возможностью подвода рабочей жидкости или отвода отработанной жидкости, соединен через верхнюю крышку и, соответственно, первый торец испытательной камеры (1) с одним торцом испытуемого фильтра (4), при этом второй торец испытательной камеры (1) с нижней крышкой через второй трубопровод (16), выполненный с возможностью подвода рабочей жидкости или отвода отработанной жидкости, и первый трубопровод (17) слива отработанной жидкости соединен с входом в емкость (9) отработанной жидкости. При этом испытательная камера (1) своим верхним торцом и, соответственно, верхней крышкой соединена с вторым трубопроводом (33) слива отработанной жидкости, который в свою очередь связан с входом в емкость (9) отработанной жидкости, а своим вторым торцом с нижней крышкой испытательная камера (1) через второй трубопровод (16), выполненный с возможностью подвода рабочей жидкости или отвода отработанной жидкости, и второй трубопровод (14) подачи рабочей жидкости соединена с первым трубопроводом (10) подачи рабочей жидкости, который в свою очередь через третий трубопровод (19) подачи рабочей жидкости соединен с выходом емкости (6) для приготовления рабочей жидкости. При этом, вход емкости (6) для приготовления рабочей жидкости через третий и первый трубопроводы (13, 11) отвода рабочей жидкости, первый трубопровод (10) подачи рабочей жидкости и трубопровод (18) подачи промывочной жидкости соединен с выходом емкости (8) с промывочной жидкостью.
Работа заявленного стенда осуществляется следующим образом.
Перед сборкой стенда узлы проходят проверку на прочность и герметичность. В предлагаемом стенде для испытаний гидромеханических характеристик скважинных фильтров испытания могут проводиться как с жидкостью, так и с жидкостью вместе с механическими примесями в различных пропорциях. При этом трубопроводы, примыкающие к испытательной камере (1) являются гибкими и позволяют устанавливать ее в любом положении (вертикально, горизонтально или под углом).
Проверяют закрытие всей запорной арматуры (22-30). В испытательную камеру (1) помещают испытуемый фильтр (4), который в нижней части с одной стороны наглухо закрыт.Обеспечивают закрытие крышками (2 и 3). Устанавливают камеру (1) в требуемом положении (вертикально, горизонтально или под углом). В емкость (6) для приготовления рабочей жидкости заливают необходимое количество жидкости. В емкость (8) с промывочной жидкостью заливают необходимое количество промывочной жидкости. Включают электродвигатель (7) и путем добавления в емкость (6) для приготовления рабочей жидкости необходимых компонентов (химические реагенты и твердые частицы) в требуемых пропорциях приготавливают рабочую жидкость с заданными характеристиками (плотность, вязкость, концентрация твердых частиц). Объем рабочей жидкости должен превышать объем, требуемый для заполнения всей системы стенда. В случае необходимости, (например, емкость (6) осталась заполненной после проведения предыдущих испытаний), из емкости (9) для отработанной жидкости сливают жидкость и, при необходимости, очищают от твердых частиц. Далее проводят испытания либо на давление смятия, либо на давления разрыва.
Испытания на давление смятия.
Открывают запорную арматуру (23, 25, 26, 28, 30) и заполняют систему рабочей жидкостью. Включают насосный агрегат (5), задают необходимый расход жидкости и начинают нагнетать рабочую жидкость из емкости (6) для приготовления рабочей жидкости сначала по трубопроводу (19, 10) подачи рабочей жидкости и затем по трубопроводу (14) подачи рабочей жидкости для испытаний на давление смятия и трубопроводу (16) подвода рабочей жидкости в испытуемую камеру (1) через нижнюю крышку (3). Жидкость начинает фильтроваться через фильтр во внутренней его части, после чего выходит через верхнюю крышку (2) по трубопроводам (15, 11, 13) отвода рабочей жидкости и попадает в емкость (6) для приготовления рабочей жидкости. Жидкость начинает циркулировать по замкнутому циклу. Контролируют соответствие характеристики рабочей жидкости в емкости (6) для приготовления рабочей жидкости и при необходимости поддерживают их на заданном уровне, добавляя необходимое количество химических реагентов или разбавляя рабочую жидкость водой. Циркуляция жидкости проводится до резкого повышения давления нагнетания, определяемого по датчику (20) давления, которое сигнализирует о кольматации фильтра твердыми частицами из рабочей жидкости (степень кольматации оценивается по разности показаний датчиков (20, 21) давления). После этого нагнетание жидкости продолжается до повышения давления до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое значение, определенное заводом-изготовителем или пока не будет зафиксирована потеря контроля над фильтрацией песка (оценивается по резкому падению значения давления на датчике (20) давления). В ходе проведения испытаний постоянно фиксируются значения давления датчиками (20 и 21) давления, по разности значений которых определяется перепад давления на фильтре. По окончании испытаний отключают электродвигатель (7) и открывают запорную арматуру (22 и 27), закрывают запорную арматуру (30). Промывают трубопровод (14) подачи рабочей жидкости для испытаний на давление смятия, жидкость при этом поступает в емкость (9) для отработанной жидкости. Затем открывают запорную арматуру (24), закрывают запорную арматуру (25) и промывают трубопроводы (15, 11 и 13) отвода рабочей жидкости, при этом жидкость сливается в емкость (6) для приготовления рабочей жидкости. Затем открывают запорную арматуру (30), закрывают запорную арматуру (26) и промывают фильтр (4) и испытательную камеру (1), жидкость при этом сливается в емкость (9) для отработанной жидкости. После чего отключают насосный агрегат (5) и закрывают всю запорную арматуру. После чего жидкость из емкости (9) для отработанной жидкости сливают путем открытия запорного устройства (32), перерабатывают или утилизируют.
Испытания на давление разрыва.
Открывают запорную арматуру (23, 24, 29, 30) и заполняют систему рабочей жидкостью. Включают насосный агрегат (5), задают необходимый расход жидкости и начинают нагнетать рабочую жидкость из емкости (6) для приготовления рабочей жидкости сначала по трубопроводу (19, 10) подачи рабочей жидкости и трубопроводу (15) подвода рабочей жидкости в испытуемую камеру (1) через верхнюю крышку (2) во внутреннюю полость испытуемого фильтра (4). Жидкость начинает фильтроваться во внутренней полости фильтра, выходит через нижнюю крышку (3) по трубопроводам (16, 12, 13) и попадает в емкость (16) для приготовления рабочей жидкости. Жидкость начинает циркулировать по замкнутому циклу. Контролируют соответствие характеристик рабочей жидкости в емкости для приготовления рабочей жидкости (6) и при необходимости поддерживают их на заданном уровне, добавляя необходимое количество химических реагентов или разбавляя рабочую жидкость водой. Циркуляция жидкости проводится до резкого повышения давления нагнетания, определяемого по датчику (21) давления, которое сигнализирует о кольматации фильтра (степень кольматации оценивается по разности показаний датчиков (20 и 21) давления). После чего нагнетание жидкости продолжается до повышения давления до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое значение, определенное заводом-изготовителем или пока не будет зафиксирована потеря контроля над фильтрацией песка (оценивается по резкому падению значения давления на датчике (21) давления). В ходе проведения испытаний постоянно фиксируются значения давления датчиками (20 и 21) давления, по разности значений которых определяется перепад давления на фильтре. По окончании испытаний отключают электродвигатель (7) и открывают запорную арматуру (22 и 25, 28), закрывают запорную арматуру (24, 30). Промывают трубопроводы (12 и 13) отвода рабочей жидкости, при этом жидкость сливается в емкость (6) для приготовления рабочей жидкости. Затем открывают запорную арматуру (30, 31) и закрывают (29). Далее промывают фильтр (4) и испытательную камеру (1), жидкость при этом сливается в емкость (9) для отработанной жидкости. После чего отключают насосный агрегат (5) и закрывают всю запорную арматуру. Жидкость из емкости (9) для отработанной жидкости сливают путем открытия запорного устройства (32), перерабатывают или утилизируют.
В ходе испытаний в зависимости от выбранного режима проведения испытаний, (расхода жидкости, концентрации твердых частиц и давления) проводится оценка основных характеристик испытуемого фильтра 4 в испытательном блоке 1: номинальное давление смятия; номинальное давление разрыва; сопоставление максимальных фактических и паспортных значений давлений, при которых не происходит потеря способности фильтра удерживать механические примеси при фильтрации флюида; гидравлическое сопротивление фильтра.
По результатам испытаний дается заключение о соответствии заявленных производителем гидромеханических характеристик испытуемого фильтра фактическим. После испытаний открывается верхняя крышки 2 (или верхняя (2) и нижняя (3)) и происходит извлечение фильтра (4).
В случае необходимости испытательную камеру (1) могут демонтировать и смонтировать снова.
В случае необходимости в испытательную камеру (1) устанавливается новый образец фильтра и повторяются испытания.
Испытания предлагаемой полезной модели проводились следующим образом.
Перед исследованием установлен испытуемый образец скважинного фильтра (4) в горизонтальном положении и подготовлена рабочая жидкость. Затем стенд был заполнен рабочей жидкостью до давления до 2 атмосфер. При этом была проведена проверка работоспособности манометров. По показаниям датчиков (20, 21) давления фиксировалась герметичность системы (значение давления, равное 2 атмосферам держится на протяжении 10-15 минут). Далее путем включения насосного агрегата (5) поднималось значение давления до резкого скачка, т.е. определяемого условиями проводимого эксперимента, например, до 120 атмосфер, которое тоже фиксировалось по показаниям датчика (20 или 21) давления на входе в испытательную камеру (1). Стенд работал до резкого скачка давления в течение 1 часа. При этом с частотой 1 минута датчиками (20, 21) давления фиксировали значение давления на входе в испытательную камеру (1), которое составило 120 атмосфер, и на выходе, значение которого соответствовало 100 атмосфер. Перепад давления на фильтре (4) составил - 20 атмосфер. Для повторения исследования могут быть изменены условия проведения эксперимента. Были также проведены исследования при измененном значении давления на входе в испытательную камеру (1), например, со 120 атмосфер до 170 атмосфер, по итогам которого получили потерю контроля над фильтрацией песка (оценивалось по резкому снижению значений давления на входе и увеличению на выходе из фильтра, которое изменилось со 170 до 140 атмосфер на входе и со 120 до 140 атмосфер на выходе).
Предлагаемый стенд имеет конструкцию, позволяющую оперативно менять углы наклона испытательной камеры (1) и проводить испытания гидромеханических характеристик скважинных фильтров (4).
Таким образом, налицо расширение функциональных возможностей стенда, которые заключаются в возможности проведения испытаний скважинных фильтров в условиях, характерных как для вертикальных скважин, так и для горизонтальных и наклонно-направленных скважин. Другими словами, проведение испытаний с помощью предлагаемого стенда позволяет определить эффективность работы скважинного фильтра, определить условия и их длительность, при которых кольматируется фильтр, а также получить сопоставление максимальных фактических и паспортных значений давлений, при которых не происходит потеря способности фильтра удерживать механические примеси при фильтрации флюида.