ФИЛЬТРУЮЩИЙ МОДУЛЬ
FILTERING MODULE

Предлагаемое техническое решение относится к добыче жидких и газообразных текучих сред из буровых скважин, в частности к их подземному фильтрованию, а именно к конструкциям скважинных фильтров, и может найти применение при эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Известен фильтрующий модуль, содержащий несущий корпус, выполненный в виде перфорированной цилиндрической трубы с радиальными отверстиями, вал, размещенный в полости корпуса, и фильтрующий элемент, перекрывающий радиальные отверстия, установленный коаксиально с корпусом снаружи его с образованием между ними радиального зазора, при этом корпус жестко соединен своими торцами с верхним и нижним фланцами соответственно, а верхний и нижний торцы вала соединены с насосом и с погружным двигателем, соответственно, при этом фильтрующий модуль дополнительно снабжен, по меньшей мере, одним центральным и двумя периферийными подшипниками скольжения, фиксированно установленными в осевом направлении между валом и внутренней поверхностью корпуса с возможностью вращения в них вала, снабжен центратором и устройством для оптимального сжатия фильтрующего элемента в осевом направлении, выполненным в виде резьбовых соединений с регулировочными шайбами и снабженным распорными кольцами, расположенными на стыке фильтрующего элемента с верхним и нижним фланцами с возможностью регулирования общей осевой длины фильтрующего элемента путем взаимодействия каждого резьбового соединения с соответствующим распорным кольцом, причем центратор выполнен в виде цилиндрической решетки «беличьего колеса» и содержит две втулки, жестко связанные между собой продольными дискретно установленными стержнями, и расположен коаксиально между корпусом и фильтрующим элементом с примыканием втулок к цилиндрическим поверхностям корпуса и фильтрующего элемента, соответственно, в обеих торцевых зонах, а зазор между корпусом и фильтрующим элементом образован в промежутках между стержнями, фильтрующий элемент состоит, по меньшей мере, из одного блока автономных сменных кольцевых фильтрующих втулок, снабженных торцевыми кольцевыми наконечниками, жестко с ними связанными, выполненными заподлицо с фильтрующей поверхностью и последовательно установленными вдоль корпуса с плотным примыканием друг к другу кольцевыми торцами наконечников, выполненными с взаимно сопряженным профилем, а в качестве фильтрующего материала взят проволочный нетканый материал, или «металлорезина», или спрессованная металлическая путанка, или пористый проницаемый материал, а средняя величина пор предпочтительно кратна 10 мкм и выбрана из ряда в диапазоне 50-600 мкм, величина пористости фильтрующего материала выполнена, предпочтительно, равной 70-95%, и общая площадь радиальных отверстий в корпусе выполнена, предпочтительно, равной 0,5-5%. Радиальные отверстия в корпусе фильтрующего модуля могут быть выполнены с цилиндрическими образующими или в виде продольных пазов или с переменным в осевом направлении диаметром. Диаметр радиальных отверстий в корпусе фильтрующего модуля может быть выполнен постоянным, предпочтительно, равным 8-30 мм при диаметре корпуса равном 50-150 мм или переменным в осевом направлении корпуса. Фильтрующий модуль может быть снабжен перепускным клапаном.
Наконечники фильтрующих втулок могут быть выполнены из металла, например из нержавеющей стали, или полимера, или углепластика. Пористая структура фильтрующих элементов может быть выполнена с гидрофобным покрытием.
Взаимно сопряженный профиль кольцевых торцов наконечников в зоне примыкания каждой смежной пары кольцевых фильтрующих втулок может быть выполнен плоским и перпендикулярным оси фильтрующего элемента.
Взаимно сопряженный профиль кольцевых торцов наконечников в зоне примыкания каждой смежной пары кольцевых фильтрующих втулок может быть выполнен в виде ломаной линии.
В качестве материала фильтрующего элемента могут быть взяты коррозионно-стойкие материалы, например нержавеющие стали и/или полимеры ряда полифениленсульфид, и/или полиэфирэфиркетон, и/или полиимиды, и/или углеграфит. / Патент РФ на полезную модель №120999 «Фильтрующий модуль», Е21В 43/08, опубл.2012 г./.
В процессе работы известного фильтрующего модуля агрессивная рабочая среда, нагнетаемая погружным насосом, постоянно омывает подшипники скольжения, в которых установлен вал, подвергая их усиленному износу. Кроме тогоЮ сам перфорированный корпус фильтрующих модулей, особенно большеразмерных, из-за ослабления перфорацией становится непрочным и подверженным возможному изгибу. За счет примыкания обеих кольцевых фильтрующих втулок цилиндрической решетки «беличьего колеса» к цилиндрическим поверхностям несущего корпуса и фильтрующего элемента в обеих торцевых зонах решетки нарушается прохождение фильтруемой рабочей среды через такую конструкцию центратора. Рабочая среда проходит через дискретно установленные стержни «беличьего колеса», но далее не имеет возможности быстрого выхода из «беличьего колеса» благодаря полному перекрытию обеими втулками радиального зазора кольцевых полостей между внутренней цилиндрической поверхностью фильтрующего элемента и наружной цилиндрической поверхностью несущего корпуса, причем радиальный зазор между корпусом и фильтрующим элементом образован только в промежутках между стержнями. Поток фильтруемой рабочей среды, ограниченный обеими втулками решетки, может только с очень небольшой скоростью проникать через отверстия перфорированного несущего корпуса в зоне расположения «беличьего колеса».
Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности и долговечности эксплуатации фильтрующего модуля путем упрочнения несущего корпуса, выполненного с ограниченным количеством радиальных каналов в зоне подшипников скольжения и радиальных отверстий в зоне размещения каждой захватной втулки, защиты этих подшипников скольжения от разрушения агрессивной рабочей средой, и эффективной фиксации фильтрующего элемента посредством надежного центратора, а также в облегчении технического обслуживания модуля посредством использования захватных втулок и повышении производительности модуля путем ускорения процесса фильтрации.
Для решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического результата известный фильтрующий модуль, содержащий несущий корпус, выполненный в виде цилиндрической трубы, вал, размещенный в полости этого корпуса, и фильтрующий элемент, состоящий по меньшей мере из одного блока автономных сменных кольцевых фильтрующих втулок и установленный коаксиально с корпусом, снаружи него с образованием между ними радиального зазора, подшипники скольжения, фиксированно установленные в осевом направлении между валом и внутренней цилиндрической поверхностью несущего корпуса с возможностью вращения в них вала, по меньшей мере, один центратор, расположенный коаксиально между несущим корпусом и фильтрующим элементом с примыканием к цилиндрическим поверхностям несущего корпуса и фильтрующего элемента, и устройство для оптимального сжатия фильтрующего элемента в осевом направлении, снабженное, по меньшей мере, одним распорным кольцом, расположенным на стыке фильтрующего элемента с верхним и нижним фланцами модуля, при этом несущий корпус жестко соединен своими торцами с верхним и нижним фланцами со стороны погружного насоса и узла гидрозащиты погружного электродвигателя соответственно, кольцевые втулки фильтрующих элементов последовательно установлены вдоль несущего корпуса с плотным примыканием друг к другу кольцевыми торцами, а в качестве фильтрующего
материала взят проволочный нетканый материал, или «металлорезина», или спрессованная металлическая путанка, или пористый проницаемый материал, согласно предлагаемому изобретению фильтрующий модуль дополнительно снабжен, по меньшей мере, одной захватной втулкой с фиксатором, коаксиально установленной на наружной поверхности несущего корпуса, по меньшей мере, одним дополнительным распорным кольцом, расположенным на стыке смежных блоков автономных сменных кольцевых фильтрующих втулок, установленным на наружной поверхности несущего корпуса, и снабженным, по меньшей мере, одним радиальным углублением, открытым со стороны несущего корпуса, снабжен коаксиальными с валом распорными устройствами, выполненными в полости между валом и внутренней поверхностью несущего корпуса, например, в виде отдельных отрезков труб, размещенных вдоль фильтрующего модуля между подшипниками скольжения, а верхний фланец модуля в зоне соединения с погружным насосом снабжен цилиндрической полостью, сообщенной с входной полостью погружного насоса, и продольными каналами, выполненными с возможностью сообщения этой цилиндрической полости с кольцевой полостью между несущим корпусом и фильтрующим элементом, при этом каждый центратор выполнен в виде кольцевого каркаса, предпочтительно тонкостенного, имеющего поперечное сечение со смежными выступами и впадинами в радиальном направлении, и установлен с возможностью примыкания выступов к внутренней поверхности фильтрующего элемента и впадин к наружной поверхности несущего корпуса по всей осевой длине центратора, внутренняя цилиндрическая поверхность каждой захватной втулки снабжена, по меньшей мере, одним радиальным углублением, открытым со стороны несущего корпуса и выполненным с возможностью образования, по меньшей мере, одного сквозного продольного канала захватной втулки, несущий корпус фильтрующего модуля в зоне размещения каждого подшипника скольжения снабжен, по меньшей мере, одним радиальным каналом, а в зоне размещения каждой захватной втулки несущий корпус снабжен радиальным отверстием, размещенным с возможностью образования единой детали каждой захватной втулкой и несущего корпуса фильтрующего модуля посредством соответствующего фиксатора, установленного одной его частью в радиальном отверстии несущего корпуса и другой его частью - в открытом углублении внутренней цилиндрической поверхности сквозного продольного канала захватной втулки, причем наружные втулки подшипников скольжения снабжены кольцевыми канавками и уплотнениями, расположенными в них с примыканием к внутренней цилиндрической поверхности несущего корпуса, а отрезки распорных труб в зоне расположения радиальных каналов несущего корпуса снабжены перепускными отверстиями.
Внутренняя цилиндрическая поверхность каждой захватной втулки может быть снабжена равномерно по ней распределенными радиальными углублениями, выполненными открытыми со стороны несущего корпуса, сквозными по всей длине захватной втулки и размещенными параллельно продольной ее оси с возможностью дискретного примыкания участков между соседними радиальными углублениями к наружной цилиндрической поверхности несущего корпуса фильтрующего модуля.
Наружная цилиндрическая поверхность каждой захватной втулки может быть снабжена выступами, сопряженными с каждой из них и выполненными с наружный диаметром, предпочтительно превышающим наружный диаметр фильтрующего элемента.
Фиксатор каждой захватной втулки может быть выполнен предпочтительно Т-образным.
Наружная поверхность верхнего фланца модуля может быть снабжена выступами, сопряженными с ним и выполненными с наружный диаметром, предпочтительно превышающими наружный диаметр фильтрующего элемента. Кольцевой каркас центратора со смежными выступами и впадинами в поперечном сечении может быть выполнен в виде незамкнутой упругой металлической ленты.
Кольцевой каркас центратора со смежными выступами и впадинами в поперечном сечении может быть выполнен в виде замкнутой упругой металлической ленты.
Кольцевой каркас центратора со смежными выступами и впадинами, в поперечном сечении может быть выполнен в виде металлической сетки.
Центры окружностей поверхностей радиальных углублений захватной втулки, открытых со стороны несущего корпуса, могут быть расположены в зоне наружной цилиндрической поверхности несущего корпуса.
Соседние выступы на наружной цилиндрической поверхности каждой захватной втулки и соседние выступы на наружной поверхности верхнего фланца модуля могут быть выполнены под углом, предпочтительно равным 60-90 градусов.
Радиальное углубление в дополнительном распорном кольце, расположенном на стыке смежных блоков автономных смежных кольцевых фильтрующих втулок, может быть выполнено сквозным по всей длине распорного кольца.
Уплотнения подшипников скольжения, расположенные в канавках их наружных втулок с примыканием к внутренней поверхности несущего корпуса, могут быть выполнены из набухающей в рабочей среде эластомерной композиции, например, на основе каучука СКЭП-Т.
Распорные устройства, выполненные в виде труб, размещенных в полости между валом и внутренней поверхностью несущего корпуса между подшипниками скольжения, могут быть снабжены перепускными каналами.
В процессе проведения поиска по патентной и научно-технической литературе не выявлена известность предлагаемой совокупности существенных признаков.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графически.
На фиг. 1 показана схема скважинной установки, содержащей предлагаемый фильтрующий модуль.
На фиг. 2 показано поперечное сечение по А-А фильтрующего модуля через центратор в виде кольцевого каркаса в виде незамкнутой ленты.
На фиг. 3 показано поперечное сечение по Б-Б фильтрующего модуля через захватную втулку.
На фиг. 4 показано поперечное сечение по В-В фильтрующего модуля через дополнительное распорное кольцо.
На фиг. 5 показано поперечное сечение по Г-Г фильтрующего модуля в зоне расположения продольных каналов в верхним фланце модуля.
На фиг. 6 показано продольное сечение предлагаемого фильтрующего модуля с кольцевым каркасом центратора, выполненным в виде незамкнутой ленты.
На фиг. 7 показана схема прохождения рабочей среды через предлагаемый фильтрующий модуль. Представленная на фиг.1 схема скважинной установки включает размещенные внутри скважины с жидкостью фильтрующий модуль 1, закрепленный между основанием 2 установки и головкой 3. Со стороны верхнего фланца 4 к фильтрующему модулю 1 крепится погружной насос 5, сообщенный с насосно-компрессионной трубой 6. К нижнему фланцу 7 модуля крепится узел 8 гидрозащиты, связанный с погружным электрическим двигателем 9.
На фиг. 2-6 представлен предлагаемый фильтрующий модуль, содержащий несущий корпус 10, выполненный в виде цилиндрической трубы, вал 11 с продольной осью 12, фильтрующий элемент 13, коаксиально размещенный внутри кольцевой полости 14 этого корпуса 10, и подшипники 15 скольжения, фиксированно установленные в осевом направлении между валом 11 и внутренней цилиндрической поверхностью 16 несущего корпуса 10 с возможностью вращения в них вала 11. В кольцевой полости 14 между несущим корпусом 10 и фильтрующим элементом 13 с примыканием к наружной цилиндрической поверхности 17 несущего корпуса 10 и к внутренней цилиндрической поверхности 18 фильтрующего элемента 13 коаксиально расположен центратор 19.
Кольцевой центратор 19 выполнен в виде кольцевого каркаса, предпочтительно,тонкостенного, со смежными выступами 20 и впадинами 21 в радиальном направлении и установлен с возможностью примыкания выступов 20 к внутренней поверхности 18 фильтрующего элемента, и впадин 21 к наружной поверхности 17 несущего корпуса 10 по всей осевой длине центратора 19.
Кроме того, модуль содержит устройство 22 для оптимального сжатия в осевом направлении фильтрующего элемента 13, снабженное, например, одним распорным кольцом 23, расположенным на стыке фильтрующего элемента 13, например, с нижним фланцем 7 модуля с возможностью регулирования общей осевой длины фильтрующего элемента 13.
При этом фильтрующий элемент 13 состоит, например, из нескольких блоков автономных смежных кольцевых фильтрующих втулок 24 и установлен коаксиально с несущим корпусом 10, снаружи его, с образованием между ними (несущим корпусом 10 и фильтрующими втулками 24) радиального зазора. Кольцевые фильтрующие втулки 24 фильтрующих элементов 13 установлены последовательно заподлицо с фильтрующей поверхностью, с плотным примыканием друг к другу кольцевыми торцами.
В качестве фильтрующего материала взят проволочный нетканый материал, или металлорезина, или спрессованная металлическая путанка, или пористый проницаемый материал.
Кроме того, фильтрующий модуль дополнительно содержит, например, одну захватную втулку 25, (возможно несколько захватных втулок 25, рассредоточенных по длине фильтрующего модуля 1) и дополнительное распорное кольцо 26, расположенное на стыке смежных блоков автономных смежных кольцевых фильтрующих втулок 24 и установленное на наружной цилиндрической поверхности 17 несущего корпуса 10 с прилеганием к ней. Дополнительное распорное кольцо 26 снабжено, по меньшей мере, одним радиальным углублением 27. Также фильтрующий модуль 1 дополнительно содержит фиксатор 28, например Т-образный.
Внутренняя цилиндрическая поверхность 29 захватной втулки 25 снабжена, например, десятью, равномерно по ним распределенными радиальными углублениями 30, открытыми со стороны несущего корпуса 10 и выполненными в захватной втулке 25 корпуса 10 с возможностью образования сквозных продольных каналов 31 по всей длине захватной втулки 25 с осями 32 этих каналов, параллельными продольной оси несущего корпуса 10 и с возможностью дискретного примыкания участков между соседними радиальными углублениями 30 к наружной поверхности 17 несущего корпуса 10 фильтрующего модуля 1.
Радиальные углубления 30 захватной втулки 25 могут быть выполнены, например, с цилиндрической образующей 33, ориентированной параллельно продольной оси несущего корпуса 10. Кроме того, радиальные углубления 30 могут быть выполнены с конической образующей.
Наружная цилиндрическая поверхность 34 захватной втулки 25 снабжена выступами 35, плавно с ней (наружной цилиндрической поверхностью каждой захватной втулки) сопряженными и имеющими наружный диаметр, превышающий наружный диаметр фильтрующего элемента 13.
Наружная цилиндрическая поверхность 34 захватной втулки 25 может быть выполнена и без выступов с диаметром, предпочтительно превышающим наружный диаметр фильтрующего элемента 13.
Наружная поверхность 36 верхнего фланца 4 модуля также может быть снабжена выступами 37, сопряженными с ней и выполненными с наружный диаметром, превышающим наружный диаметр фильтрующего элемента 13.
Радиальный угол между соседними выступами 35 на наружной цилиндрической поверхности 34 каждой захватной втулки 25 и радиальный угол между соседними
выступами 37 на наружной поверхности 36 верхнего фланца 4 модуля выполнен предпочтительно равным 60-90 градусам.
Несущий корпус 10 фильтрующего модуля снабжен радиально направленным отверстием 38 в зоне размещения захватной втулки 25 и каждая захватная втулка 25 связана с несущим корпусом 10 фильтрующего модуля 1 с образованием единой детали посредством соответствующего фиксатора 28, например Т-образного, установленного одной его частью в радиальном отверстии 38 несущего корпуса 10 и другой его частью - в торце 39 радиального углубления 30 на внутренней цилиндрической поверхности 29 захватной втулки 25, открытом со стороны несущего корпуса 10.
Верхний фланец 4 модуля 1 в зоне соединения с погружным насосом 5 снабжен цилиндрической полостью 40, сообщенной с входной полостью 41 погружного насоса 5, и продольными каналами 42 (например, шестью продольными каналами), выполненными с возможностью сообщения этой цилиндрической полости 40 с кольцевой полостью 16 между наружной цилиндрической поверхностью несущего корпуса 10 и фильтрующим элементом 13. Продольные каналы 42 могут быть выполнены наклонными.
В полости 43 между валом 11 и внутренней поверхностью 16 несущего корпуса 10 с примыканием к последней установлены кольцевые коаксиальные с валом 11 распорные устройства 44, выполненные в виде отдельных отрезков труб, размещенных вдоль фильтрующего модуля между подшипниками 15 скольжения.
Наружные втулки 45 подшипников 15 скольжения снабжены кольцевыми канавками 46 и размещенными в них уплотнениями 47, выполненными из набухающей в рабочей среде эластомерной композиции, например, на основе каучука СКЭП-Т, и расположенными с примыканием к внутренней поверхности 15 несущего корпуса 10.
Несущий корпус 10 фильтрующего модуля 1 в зоне размещения каждого подшипника 15 скольжения снабжен, по меньшей мере, одним радиальным каналом 48, сообщенным с кольцевой полостью 14 между несущим корпусом 10 и фильтрующим элементом 13, по которой поступает рабочая среда. Распорные устройства 44, выполненные в виде труб, размещенных в полости между валом 11 и внутренней поверхностью 16 несущего корпуса 10 между подшипниками 15 скольжения ,могут быть снабжены перепускными каналами. Отрезки распорных труб в зоне расположения радиальных каналов 48 несущего корпуса 10 и в зоне расположения Т-образного фиксатора 28 снабжены перепускными каналами 49 и 50 соответственно.
Кольцевой каркас центратора 19 в поперечном сечении может быть выполнен в виде незамкнутой упругой металлической ленты.
Кольцевой каркас центратора 19 в поперечном сечении может быть выполнен в виде замкнутой многогранной упругой металлической ленты.
Кольцевой каркас центратора 19 в поперечном сечении может быть выполнен в виде металлической сетки.
Центры окружностей цилиндрических поверхностей всех радиальных углублений 30 захватной втулки 25, образующих сквозные продольные каналы 31, могут быть расположены в зоне наружной цилиндрической поверхности 17 несущего корпуса 10.
Работа предлагаемого фильтрующего модуля осуществляется посредством нагнетания рабочей среды через фильтрующие элементы 13 внутрь кольцевой полости 14 между цилиндрическими поверхностями несущего корпуса 10 и фильтрующего элемента 13. При этом подшипники скольжения 15 и вал 11 остаются закрытыми от потока агрессивной рабочей среды, поскольку размещены внутри полости 43 несущего корпуса 10.
Конструкция центратора 19 в виде кольцевого каркаса, предпочтительно тонкостенного, прилегающего своими выступами 20 к внутренней цилиндрической поверхности 18 фильтрующего элемента 13 и впадинами 21 к наружной поверхности 17 несущего корпуса 10, позволяет прочно и надежно фиксировать фильтрующую поверхность фильтрующих элементов 13 относительно несущего корпуса 10 с
ограниченным количеством радиальных каналов в зоне подшипников скольжения и радиальных отверстий в зоне размещения каждой захватной втулки и поэтому более прочного.
По меньшей мере, одна захватная втулка 25 и дополнительное распорное кольцо 26, установленные на наружной цилиндрической поверхности 17 несущего корпуса 10, позволяют облегчить проведение технического обслуживания фильтрующего модуля 1, без повреждения фильтрующих элементов 13, а также позволяют укрепить фильтрующую поверхность модуля относительно несущего корпуса 10, а следовательно, повысить долговечность фильтрующего модуля. Кроме того, каждая защитная втулка 25 и дополнительное распорное кольцо 26 снабжены сквозными продольными каналами 31, которые позволяют бесперебойно пропускать поток фильтруемой рабочей среды через фильтрующий модуль 1.
Для исключения «сухого» трения в подшипниках 15 скольжения в зоне размещения последних несущий корпус 10 снабжен, по меньшей мере, одним радиальным каналом 48, через который возможно поступление ограниченного количества рабочей жидкости на втулки подшипника 15 скольжения.
Предлагаемый фильтрующий модуль успешно прошел опытные испытания и подготовлен к производству.
Применение заявляемого устройства позволит значительно повысить надежность и долговечность эксплуатации фильтрующего модуля любых осевых размеров путем упрочнения несущего корпуса с ограниченным количеством радиальных каналов в зоне подшипников скольжения и радиальных отверстий в зоне размещения каждой захватной втулки и эффективной фиксации фильтрующего элемента посредством надежного, предпочтительно тонкостенного центратора, путем защиты подшипников скольжения от разрушения агрессивной рабочей средой, а также позволит облегчить техническое обслуживание модуля посредством использования захватных втулок и повысить производительность модуля путем ускорения процесса фильтрации.