СКВАЖИННЫЙ ЩЕТОЧНЫЙ ФИЛЬТР (ВАРИАНТЫ)
DOWNHOLE BRUSH FILTER (VERSIONS)

Изобретение относится к оборудованию, применяемому в нефтедобыче, в частности к фильтрующим устройствам, размещаемым в интервале перфораций эксплуатационной колонны (ЭК) скважины для предотвращения выноса в нее частиц породы и пропанта из призабойной зоны пласта (ПЗП).
Известен целый ряд скважинных фильтров, препятствующих попаданию частиц породы из продуктивного пласта в ствол скважины. Примером является скважинный фильтр, содержащий опорную трубу с продольными прорезями и закрепленные на ней с перекрытием друг друга в осевом и окружном направлении фильтровальные листы в форме ирисовой диаграммы (Патент РФ №2197600, Е21В 43/08, 1998), а также скважинный фильтр, включающий опорную трубу с перфорациями, дренажную и фильтрующую металлические сетки, проволоки основы и утка которых расположены под углом к оси (Патент США №6607032, Е21В 43/08, 2003).
Недостаток описанных скважинных фильтров заключается в том, что для их приведения в рабочее положение в скважине необходимо применение специальной технологической оснастки и привлечение высококвалифицированного персонала. Это приводит к значительным эксплуатационным затратам и ограничивает использование фильтров дорогостоящими высокопродуктивными скважинами.
Известен скважинный щеточный фильтр (СЩФ), включающий несущую штангу и пакет щеточных дисков с радиально ориентированными пучками щетинок из коррозионностойкой стали, в котором диаметр дисков превышает внутренний диаметр ЭК (ПМ №103842 РФ, Е21В 43/08, 2010).
Недостатком СЩФ является высокое гидравлическое сопротивление, поскольку из-за отсутствия радиальных отверстий в несущей штанге жидкость движется на прием ЭЦН в осевом направлении сквозь весь пакет щеточных дисков, обтекая бессчетное множество щетинок.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является СЩФ, содержащий несущую перфорированную трубу, закрепленные на ней фильтрующие круглые щетки в виде цилиндрического корпуса с радиальными каналами и радиально ориентированными пучками щетинок, превышающими в диаметре внутренний диаметр ЭК, и разобщитель межтрубного пространства, установленный сверху (Пат. РФ №2504643, Е21В 43/08, 2014).
Недостатком принятого за прототип СЩФ является невысокая способность к удержанию частиц породы, поскольку круглые щетки имеют низкую наполненность щетинками, которые сгруппированы в пучки, закрепленные в корпусе на некотором расстоянии друг от друга. Следствием низкой наполненности щетинками является необходимость установки выше СЩФ разобщителя межтрубного пространства для предотвращения движения неочищенной пластовой жидкости к ЭЦН в осевом направлении между пучками щетинок, что усложняет конструкцию СЩФ. Кроме того, СЩФ не технологичен в изготовлении.
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является улучшение фильтрационных характеристик и упрощение технологии изготовления СЩФ.
Указанный технический результат достигается тем, что в скважинном щеточном фильтре, содержащем несущую трубу с перфорациями и щетку, состоящую из корпуса с радиальными каналами и щетинок с наружным диаметром не менее внутреннего диаметра ЭК, согласно изобретению, корпус щетки образован сомкнутыми витками U-образного желоба спиральной полосовой щетки, на боковых стенках которого выполнены канавки, выполняющие функцию радиальных каналов.
В другом варианте исполнения функцию радиальных каналов выполняют отверстия в основании U-образного желоба.
В скважинном щеточном фильтре щетинки могут быть выполнены гофрированными.
На фиг. 1-4 схематично изображен заявляемый СЩФ по первому варианту: фиг. 1 - продольное сечение; фиг. 2 - фрагмент А (увеличено) фиг. 1, щетка с прямыми щетинками; фиг. 3 - фрагмент А (увеличено) фиг. 1, щетка с гофрированными щетинками; фиг. 4 - поперечное сечение. На фиг. 5-8 схематично изображен заявляемый СЩФ по второму варианту: фиг. 5 - продольное сечение; фиг. 6 - фрагмент А (увеличено) фиг. 5, щетка с прямыми щетинками; фиг. 7 - фрагмент А (увеличено) фиг. 5, щетка с гофрированными щетинками; фиг. 8 - поперечное сечение.
СЩФ (фиг. 1, 4, 5, 8) содержит несущую трубу 1 с перфорациями 2 и спиральную полосовую щетку 3, состоящую из сомкнутых витков спирали 4 U-образного желоба 5, в который заделаны вплотную друг к другу щетинки 6 (фиг. 2, 6). Щетинки 6 могут быть выполнены гофрированными с образованием между собой лабиринтообразных каналов переменного сечения (фиг. 3, 7). Материалом щетинок 6 служит преимущественно коррозионно- и износостойкая сталь; возможно изготовление щетинок из износо- и термостойкого полимера. Диаметр щетинок 6 изменяется в диапазоне 0,3…0,7 мм в зависимости от условий эксплуатации СЩФ. Витки спирали 4 U-образного желоба 5, навитые впритык друг к другу на несущей трубе 1, образуют единый корпус 7 щетки 3 (фиг. 2, 6). U-образный желоб 5 выполнен из тонколистового металла, поэтому щетинки 6 соседних витков спирали переплетаются между собой и формируют непрерывное щеточное поле в осевом направлении. В первом варианте СЩФ на боковых стенках 8 U-образного желоба 5 сформировано множество канавок 9, выполняющих функцию радиальных каналов и гидравлически связывающих лицевую и тыльную поверхности щетки 3 (фиг. 2, 4). Во втором варианте СЩФ эту функцию выполняют отверстия 11, расположенные на основании 10 U-образного желоба 5 (фиг. 6). Изнутри к виткам спирали 4 приварены продольные стержни 12, обеспечивающие прочность корпуса 7 щетки 3 и образование кольцевого зазора 13 между корпусом 7 и несущей трубой 1. Кольцевой зазор 13 исключает появление тупиковых, то есть упирающихся в стенку трубы 1 канавок 9 и отверстий 11 (фиг. 4, 8).
Несущая труба 1 может быть выполнена не только круглой, но и профильной, например, шестигранной формы (не показана). В этом случае корпус 7 щетки 3 будет опираться на ребра вышеназванной трубы и все канавки 9 или отверстия 11 будут сообщаться с сегментообразными каналами, образующимися между гранями профильной трубы и корпусом щетки.
Следствием анизотропной структуры щетки 3 и большой густоты щетинок 6 является то, что величина гидравлического сопротивления щетки 3 при поперечном обтекании щетинок 6 значительно выше, чем при продольном обтекании. Благодаря сказанному и наличию в желобе 5 канавок 9 или отверстий 11 пластовая жидкость движется в СЩФ только в радиальном направлении. Отсутствие осевого потока жидкости исключает потребность в разобщителе межтрубного пространства, устанавливаемом выше СЩФ для направления очищенной жидкости на прием ЭЦН, что упрощает монтаж СЩФ в скважине.
СЩФ работает следующим образом.
СЩФ, щетинки 6 которого образует цилиндр с наружным диаметром, равным или несколько большим внутреннего диаметра ЭК 14, спускают в интервал перфораций 15 (фиг. 1, 4, 5, 8). После расправления щетинки 6 соприкасаются со стенкой ЭК 14 и перегораживают сечение перфораций 15.
При работе ЭЦН (не показан) жидкость с находящимися в ней частицами породы течет к перфорациям 15 из ПЗП 16. На выходе из перфораций 15 наиболее крупные частицы породы сталкиваются с щетинками 6 щетки 3, теряют скорость, застревают и накапливаются в пространстве между ними. Благодаря гофрированной форме щетинок 6 движение жидкости происходит по лабиринтообразной траектории, что увеличивает вероятность задержания частиц. Задержанные частицы формируют проницаемую структуру, препятствующую движению частиц породы из продуктивного пласта внутрь ЭК14, но не ограничивающую течение пластовой жидкости по этой траектории. Свободная от частиц жидкость продолжает движение по линии наименьшего гидравлического сопротивления вдоль щетинок 6. При этом щетинки 6 практически не изменяют свою конфигурацию и положение относительно перфораций 15, что исключает неконтролируемый вынос частиц породы из ПЗП в скважину. После прохождения между щетинками 6 жидкость попадает в канавки 9 в первом варианте СЩФ или в отверстия 11 во втором варианте ФСЩ в корпусе 7 щетки 3. Пройдя сквозь них, жидкость оказывается в кольцевом зазоре 13, откуда через перфорации 2 втекает в несущую трубу 1. Поднявшись по несущей трубе 1 за пределы щетки 3, жидкость выходит в межтрубное пространство, достигает приема ЭЦН и поднимается по лифту НКТ на дневную поверхность.
Благодаря высокой наполненности щетки щетинками, достигаемой за счет ее изготовления из плотно прижатых друг к другу витков спиральной полосовой щетки, СЩФ хорошо задерживает частицы породы, выносимые из пласта в ЭК. Этим сохраняется производительность скважины и удлиняется период между ее ремонтами. Одновременно уменьшается износ работающего в скважине погружного оборудования и увеличивается его наработка.
СЩФ благодаря своей конструкции и принципу работы может эффективно применяться в многопластовых скважинах, при этом на одном лифте НКТ возможно размещение СЩФ напротив каждого интервала перфораций. За счет предотвращения миграции частиц породы из пласта в ствол скважины сохраняется целостность всех коллекторов в скважине.