БЕСКАРКАСНЫЙ СКВАЖИННЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при добыче газа и нефти.
Известен щелевой фильтр по патенту РФ на изобретение №2445146. Изобретение относится к устройствам фильтрования жидких сред и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где требуется эффективная очистка маловязких жидких сред, например воды, керосина, бензина, ацетона, дизельного топлива и других, от механических примесей. Щелевой фильтр содержит трубу, фильтровальный участок которой имеет перфорацию в виде отверстий, фильтрующий элемент в виде навитой по спирали проволоки, пружину. Фильтрующий элемент установлен концентрично трубе между неподвижно закрепленным нижним опорным элементом в виде стакана и подвижным двусторонним упором в кольцевых зазорах между наружным диаметром трубы и внутренними диаметрами нижнего опорного элемента и подвижного двустороннего упора, с опорой на кольцевую площадку-каждого. Между подвижным двусторонним упором и верхним подвижным упором в кольцевые зазоры между наружным диаметром трубы и внутренними диаметрами упоров с опорой на кольцевую площадку каждого установлена пружина, первоначальное усилие которой превышает упругую деформацию пружины фильтрующего элемента, что обеспечивает плотное прилегание витков проволоки фильтрующего элемента. Недостатком щелевого фильтра является отсутствие нормированного фильтрующего зазора.
Известен щелевой скважинный фильтр по патенту РФ на полезную модель №68585. Фильтр включает несущий каркас, выполненный из перфорированной трубы, и щелевого фильтрующего элемента выполненного из проволоки, намотанной на продольные элементы по спирали, отличающийся тем, что под продольными элементами установлен сетчатый фильтрующий элемент в виде, по меньшей мере, одной фильтрующей сетки. Сетки закреплены фиксирующей проволокой, намотанной по спирали. Между фильтрующей сеткой и перфорированной трубой выполнен дренажный слой. Дренажный слой выполнен из проволоки, намотанной по спирали. Навивка проволоки в дренажном слое отличается по направлению от навивки фиксирующей проволоки. Дренажный слой выполнен из сетки. Диаметр проволоки дренажного слоя выполнен меньше, чем высота поперечного сечения проволоки щелевого фильтрующего элемента. Диаметр проволоки фильтрующей сетки выполнен меньше, чем диаметр проволоки дренажного слоя. Дренажный слой зафиксирован направляющими кольцами. Фильтрующие сетки, и фиксирующая проволока закреплены направляющими кольцами.
Направляющие кольца выполнены из полосы стального листа. В начале и в конце щелевого фильтрующего элемента установлены ограничительные кольца. Недостатком фильтра является низкая надежность и быстрый износ фильтрующего элемента.
Известен скважинный фильтр по патенту РФ на полезную модель №70300. Фильтр содержит перфорированную трубу, на которой установлен щелевой фильтрующий элемент, содержащий, в свою очередь, продольные опорные элементы, на внешней поверхности которых намотана проволока с образованием зазоров между витками, отличающийся тем, что концентрично щелевому фильтрующему элементу установлен внешний щелевой фильтрующий элемент, имеющий аналогичную конструкцию, а зазор между ними заполнен фильтрующим наполнителем. Между щелевыми фильтрующими элементами установлены дистанционные кольца. Зазор между витками внешнего щелевого элемента не менее чем зазор между витками внутреннего щелевого элемента. Внешний щелевой элемент выполнен из проволоки большего поперечного сечения, чем внутренний щелевой элемент. Внешний щелевой элемент выполнен из проволоки большего поперечного сечения, чем внутренний щелевой элемент. Размер частиц
гравийной набивки превышает зазор между витками фильтрующего элемента в 1, 2…10 раз. Фильтрующий наполнитель выполнен из шариков. Шарики выполнены из нержавеющей стали. Шарики выполнены из стекла. Шарики выполнены из полимерного материала. Фильтрующий наполнитель выполнен из песка. Недостатком фильтра является низкая надежность и быстрый износ фильтрующего элемента.
Известен щелевой фильтр с проволочным фильтрующим элементом по патенту РФ на изобретение №2378494 Изобретение относится к горной промышленности, а именно к нефтегазодобывающей, и может быть использовано при освоении нефтяных и газовых скважин. Щелевой фильтр с проволочным фильтрующим элементом содержит перфорированную трубу с ниппельной и муфтовой частями, концентрично которой выполнен фильтрующий элемент из намотанной по спирали проволоки, соединенной с проволочными продольными стрингерами. При этом проволока в спирали уложена виток к витку, как минимум, на одной из соприкасающихся сторон проволоки выполнена обеспечивающая фильтрующий зазор тангенциальная или пересекающаяся насечка. Техническим результатом является упрощение технологии изготовления и уменьшение кольматации фильтра при добыче нефти или газа. Недостатком фильтра является высокое гидравлическое сопротивление и низкая пропускная способность.
Известен щелевой скважинный фильтр по патенту РФ на полезную модель №71694. Фильтр содержит перфорированную трубу, на которой установлены продольные  3
опорные элементы, на внешней поверхности которых намотана проволока с образованием зазоров между витками, отличающийся тем, что 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.
Недостатком фильтра является 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., прототип.
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 пятиграненным, 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 продольных элементов и проволоки фильтрующего элемента, его относительно низкая прочность особенно на сжатие при работе на большом перепаде давления происходит сминание фильтрующего элемента.
Задачей создания полезной модели является повышение прочности продольных элементов и проволоки фильтрующего элемента, особенно на сжатие при работе на большом перепаде давления исключение сминание фильтрующего элемента.
Решение указанных задач достигнуто в скважинном фильтре, включающем два ниппеля, фильтрующие элементы, выполненные между ограничительными кольцами, тем, что все фильтрующие элементы выполнены из проволоки, намотанной на продольные элементы по спирали, на боковых гранях продольных элементов с одной или с обеих сторон выполнены дистанционные выступы. Длина фильтрующей части фильтрующего элемента может быть выполнена из условия
Lф=(2,0…3,0)D вн,
где D вн - внутренний диаметр фильтра. Ограничительные кольца соседних фильтрующих элементов могут быть соединены между собой. Соединение ограничительных колец может быть выполнено по резьбе. Соединение ограничительных 4
колец может быть выполнено посредством прессовой посадки. Соединение ограничительных колец может быть выполнено посредством сварочных швов. Поперечное сечение проволоки, намотанной по спирали, может быть выполнено треугольным, причем одна из граней проволоки выполнена параллельно продольной оси фильтра и образует его наружную поверхность, а два боковых угла образуют калиброванный зазор. Поперечное сечение проволоки, намотанной по спирали, может быть выполнено треугольным, причем одна из граней проволоки может быть выполнена параллельно продольной оси фильтра и соединена с продольными элементами, а два боковых угла образуют калиброванный зазор. Поперечное сечение проволоки, намотанной по спирали, может быть выполнено трапециевидным. Трапециевидное поперечное сечение проволоки, намотанной по спирали, может быть выполнено таким образом, что радиус большей стороны трапеции сечения равен внешнему радиусу фильтра, а радиус меньшей стороны трапеции сечения равен радиусу канавки ограничительного кольца. Продольные элементы могут быть уложены меньшей стороной трапеции их сечения по радиусу перпендикулярного сечения фильтра. Продольные элементы могут быть уложены большей стороной трапеции их сечения по радиусу перпендикулярного сечения фильтра. Зазоры между продольными элементами могут быть выполнены уменьшающимися по радиусу. Зазоры между продольными элементами могут быть выполнены постоянными по радиусу. Зазоры между продольными элементами могут быть выполнены увеличивающимися по радиусу. На проволоку может быть нанесено покрытие. Покрытие может быть выполнено корозионностойким. Покрытие может быть выполнено гидрофобным.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1…23,
где: на фиг. 1 приведен скважинный фильтр,
на фиг 2 приведен вид А, первый вариант,
на фиг. 3 приведен вид А второй вариант,
на фиг. 4 приведена проволока трапециевидного поперечного сечения, зазор между витками уменьшается по радиусу,
на фиг. 5 приведена проволока трапециевидного поперечного сечения, зазор между витками имеет постоянную величину,
на фиг. 6 приведена проволока трапециевидного поперечного сечения, зазор между витками увеличивается по радиусу, меньшая сторона трапеции выполнена снаружи,
на фиг. 7 приведена проволока трапециевидного поперечного сечения, оптимальный вариант,
на фиг. 8 приведена проволока треугольного поперечного сечения, первый вариант,
на фиг. 9 приведена проволока треугольного поперечного сечения, второй вариант
на фиг. 10 приведена проволока трапециевидного поперечного сечения,
на фиг. 11 приведена проволока ромбического поперечного сечения,
на фиг. 12 приведена проволока треугольного поперечного сечения, первый вариант,
на фиг. 13 приведена проволока треугольного поперечного сечения, второй вариант,
на фиг. 14 приведена проволока трапециевидного поперечного сечения с уступами на одной боковой грани,
на фиг. 15 приведена проволока трапециевидного поперечного сечения с уступами на обеих боковых гранях,
на фиг. 16 показан разрез С-С,
на фиг. 17 показан разрез D - D,
на фиг. 18 приведено ограничительное кольцо,
на фиг. 19 приведен вид Е,
на фиг. 20 приварка продольного элемента к ограничительному кольцу, 1 вариант,
на фиг. 21 приварка продольного элемента к ограничительному кольцу 2 вариант,
на фиг. 22 приведен процесс приварки проволоки к продольным элементам?
на фиг. 23 приведено доказательство оптимальности выбранного соотношения размеров фильтра.
Бескаркасный скважинный фильтр (фиг. 1…23), включает два ниппеля 1 и 2 и муфту 3 для установки в состав обсадной колонны или колонны НКТ несколько фильтрующих элементов, 4 установленный между ограничительными кольцами 5 и приваренный к ниппелям 1 и 2 сварочным швом 6. Соединение соседних ограничительных колец выполнено преимущественно сварочным швом 9. Возможно применение резьбы или прессовой посадки (на фиг. 1…22 такие варианты не показаны).
Труба для изготовления ниппелей 1 и 2 поставляется по ГОСТ 633-80 Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия.
Фильтрующий элемент 4 содержит приваренные проваренные к ограничительным кольцам 5 сварочными швами 8, продольные элементы 9. На продольные элементы 9 по спирали намотана проволока 10 (фиг.2) с зазором между рядами δ1 и соединенной с продольными элементами 7 точечной сваркой 11.
На проволоку 10 может быть нанесено покрытие. Покрытие может быть выполнено корозионностойким, например хром или никель Покрытие может быть выполнено гидрофобным, например фторопласт. Рекомендуемая величина зазора 81
δ1=0,1 мм…2 мм.
Поперечное сечение проволоки 10, намотанной по спирали, может быть выполнено различного профиля.
Оптимальная длина фильтрующих элементов
Lф=(2…3)Dвн
Доказательство оптимальности выбранного соотношения размеров фильтрующих элементов приведено на фиг. 23.
При Lф/Dвн менее 2 возрастают вес фильтра и его гидравлическое сопротивление, а при Lф/Dвн более 3, снижается его прочность (на смятие от внешнего давления).
Возможно выполнение продольных элементов 7 трапециевидным (фиг. 4…7).
Зазор δ2 между рядами должен быть выполнен больше чем 82 для того, чтобы повысить проницаемость фильтрующего элемента 4.
δ2=(2…10)δ1
При этом зазор δ2 между рядами может уменьшаться по радиусу (фиг. 4) или иметь постоянную величину (фиг. 5) или увеличиваться (фиг. 6).
Большее основание трапеции может быть выполнено по радиусу и обращено наружу (фиг. 4 и 5) или внутрь (фиг. 6).
На фиг. 7 приведен оптимальный вариант приварки продольного элемента. При этом необходимо соблюсти следующие соотношении:
Радиус большей стороны трапеции сечения должен быть равен внешнему радиусу фильтра
R1=Rф
Радиус меньшей стороны трапеции сечения должен быть равен радиусу канавки ограничительного кольца
R2=R кол.
В этом случае можно провести более качественную приварку сварочными швами 8 продольных элементов 9 к ограничительным кольцам 5 и проволоки 10 фильтрующего элемента 4 к продольным элементам 9.
Возможно, выполнение проволоки 10 треугольным, при этом одна из сторон треугольника 12 может быть выполнена параллельно оси фильтра ОО и образует его 7
внешнюю поверхность (фиг. 8), или одна из сторон треугольника 12 выполнена параллельно продольной оси фильтра 00 и прилегает к продольным элементам 9 (фиг. 9) Проволока 10 может быть выполнена из углеродистой стали из проволоки круглого сечения методом холодной прокатки. Диаметр исходной проволоки от 2 до 4 мм. Зазор 61 от 0,1 мм до 2 мм.
Возможные различные варианты исполнения продольных элементов 9 приведены на фиг. 10…13.
Продольные элементы 9 могут иметь дистанционные выступы 13 и 14 с обеих сторон (фиг. 14) или только дистанционные выступы 13 с одной стороны (фиг. 15). Они дополнительно увеличивают жесткость фильтрующего элемента 4 на изгиб и кручение и предотвращают его смятие при большом перепаде давления. Это важно, так как фильтрующий элемент 4 заменяет каркас.
На фиг. 18 и 19 приведено дистанционное кольцо 5, которое содержит с обеих сторон канавки внутреннюю 15 и наружную 16 и прорези 17 под наружной канавкой 16, в которые укладываются продольные элементы 9 и сваривают сварочным швом 8 (фиг. 20 или 21). Вариант, приведенный на фиг. 21 наиболее оптимальный с точки зрения прочности фильтра и его технологичности, так как D3=D4, то при контактной сварке не будет наблюдаться прогиба продольных элементов 9.
Дистанционное кольцо 4 выполнено в виде цилиндрической втулки, на которой, как уже упоминалось с обеих сторон выполнены канавки 15 и 16, а с одного торца 18-фаска 19 для сварочного шва 20 (фиг. 21).
При этом диаметр расположения продольных элементов равен внутреннему диаметру ограничительного кольца 5
D4=D3
На фиг. 22 приведена сборка фильтрующего элемента 4 при помощи станка, который содержит привод 21, патрон 22, керамическую трубу 23, установленную в патроне 22 и на заднем центре 24.
Станок содержит суппорт 25 и контактный ролик 26 и скользящий контакт 27. Кроме того в оборудование входит сварочный трансформатор 28, который проводами 29 соединен с контактным роликом 26 и скользящим контактом 27. Вне станка установлена катушка 30 с проволокой 10.
На фиг. 23 приведено доказательство оптимальности выбранного соотношения размеров фильтра из которого следует, что при Lф/Dвн менее 2 возрастают вес фильтра и его гидравлическое сопротивление, а при Lф/Dвн более 3 снижается его прочность (на смятие от внешнего давления).
Таким образом, оптимально соотношение размеров
Lф=(2…3) D вн
РАБОТА СКВАЖИННОГО ФИЛЬТРА
Бескаркасный скважинный фильтр работает следующим образом (фиг. 1…23). Отдельные скважинные фильтры собирают в колонну на обсадных трубах или в составе подвески хвостовика, спускают в продуктивный горизонт. Газ или нефть проходят сначала через зазоры между продольными элементами δ2 (фиг. 16…18), потом через
фильтрующий зазор δ1 (фиг.2) фильтрующего элемента 4. Механические частицы больше фильтрующего зазора δ1 остаются снаружи фильтрующего элемента 4, а более мелкие или равные проходят внутрь него и с газом или с нефтью поднимаются на поверхность.
Бескаркасный фильтр имеет меньший вес по сравнению с другими фильтрами.
По сравнению с каркасным фильтром, имеющим перфорированный каркас проницаемость через щели δ2 на порядок выше. Это позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление скважинного фильтра и увеличить дебит нефти или газа.
Отсутствие застойных полостей в фильтрующих элементах 4 приводит к тому, что фильтр засоряется медленнее и легко промывается.
Для обратной промывки наиболее оптимален вариант с увеличением зазора δ1 (фиг. 9) и δ2 (фиг. 6) по радиусу. Это способствует выносу посторонних частиц в отличие от традиционно применяющихся вариантов скважинных фильтров, например каркасных щелевых или сетчатых.
При промывке щелевого скважинного фильтра посторонние частицы выходят через зазор δ1 и δ2 наружу.
Применение полезной модели позволило:
1. Повысить прочности продольных элементов и проволоки фильтрующего элемента, особенно на сжатие при работе на большом перепаде давления исключение сминание фильтрующего элемента. Это достигнуто применение относительно коротких фильтрующих элементов и выполнением продольных элементов под углом.
2. Повысить пропускную способность фильтра на порядок по сравнению с фильтром имеющим каркас.
3. Снизить вес фильтра в 2…3 раза.
4. Повысить надежность и долговечность скважинного фильтра по сравнению с прототипом.
5. Обеспечить в течение длительного времени необходимый уровень фильтрации за счет стабильно зазора.
6. Обеспечить фильтрацию газа и нефти от механических примесей.
7. Повысить устойчивость фильтрующего элемента к абразивному износу.
8. Уменьшить деформацию щелевого фильтрующего элемента при спуске фильтра в скважину.
9. Улучшить очистку фильтра.
10. Сделать конструкцию фильтра более технологичной.