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 фильтрующий элемент, закрытый защитным кожухом, имеющим 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, сложность конструкции и возможность деформации витков профилированной проволоки.
Задача создания изобретения уменьшение веса и упрощение конструкции скважинного фильтра при сохранении прочности и обеспечении эффективной очистки.
Решение указанной задачи достигнуто в скважинном фильтре, содержащем ниппели, и фильтрующий элемент, содержащий стрингеры, уложенные параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки, тем, что стрингеры выполнены «Т»-образного поперечного сечения со стойками и полками, их полки контактируют с витками профилированной проволоки.
Высота стрингеров может быть выполнена из соотношения:
2
1
Н=(2,5…3,0) В, где:
2
Н - высота стрингера,
1
В - ширина основания стрингера.
Контактные поверхности полок стрингеров могут быть выполнены скругленными, при этом радиус скругления выполнен из соотношения:
ф
2
R=0,5 (В-2Н), где:
R - радиус скругления полки,
ф
D - внешний диаметр фильтрующего элемента,
2
Н - высота стрингера.
Профилированная проволока может быть выполнена треугольного 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 профилированной проволоки.
Укладка стингеров может быть выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр установки стрингеров был равен внутреннему диаметру фильтра:
внс
вн
D=D,
внс
где: D- внутренний диаметр установки стрингеров,
вн,
D - внутренний диаметр ограничительных колец.
Укладка стингеров может быть выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр установки стрингеров был меньше внутреннего диаметра фильтра:
внс
вн
D<D.
Укладка стингеров может быть выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр установки стрингеров был больше внутреннего диаметра фильтра:
внс
вн
D<D.
Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1-13, где:
- на фиг. 1 приведен скважный фильтр,
- на фиг. 2 приведен фильтрующий элемент,
- на фиг. 3 приведен первый вариант стрингера,
- на фиг. 4 приведен второй вариант стрингера,
- на фиг. 5 приведен первый вариант профилированной проволоки,
- на фиг. 6 приведен второй вариант профилированной проволоки,
- на фиг. 7 приведен конец стрингера и его установка в ограничительное кольцо, первый вариант,
- на фиг. 8 приведен конец стрингера и его установка в ограничительное кольцо, второй вариант,
- на фиг. 9 приведен конец стрингера и его установка в ограничительное кольцо, третий вариант
- на фиг. 10 приведена сборка фильтрующего элемента,
- на фиг. 11 приведен вид А,
- на фиг 12 приведено ограничительное кольцо,
- на фиг. 13 приведен вид В.
Обозначения, принятые в описании:
ниппель 1,
муфта 2,
центратор 3,
фильтрующий элемент 4,
стрингер 5,
ограничительно кольцо 6,
профилированная проволока 7,
сварочный шов 8,
контактная сварка 9,
внутренняя полость 10,
стойка 11,
полка 12,
внутреннее основание 13,
контактная поверхность 14,
внешняя грань 15,
внутренняя грань 16,
боковая грань 17,
конец стрингера 18,
радиальный паз 19,
внутренний торец 20,
внутренняя фаска 21,
внешний торец 22,
внешняя фаска 23,
внутренняя проточка 24,
вырез 25,
0
Н - высота фильтрующего элемента,
1
H - высота поперечного сечения профилированной проволоки.
2
Н - высота стрингера,
вн
D - внутренний диаметр фильтра,
внс
D - внутренний диаметр установки стрингеров,
м
D - наружный диаметр муфты,
ф
D - диаметр фильтрующего элемента,
а - ширина профиля поперечного сечения профилированной проволоки
b - ширина стрингера,
1
B - ширина основания стрингера,
2
В - полки стрингера,
1
δ - фильтрующий зазор,
2
δ- зазор между стрингерами,
t - шаг установки стрингеров,
R - радиус скругления контактной поверхности,
1
r - радиус скругления вершины.
Скважинный фильтр (фиг. 1…13) предназначен для очистки нефти или газа. Скважинный фильтр (фиг. 1) содержит ниппели 1, муфту 2 на верхнем ниппеле 1 и центратор 3.
Фильтрующий элемент 4, (фиг. 2) содержит стрингеры 5, уложенные параллельно оси OO скважинного фильтра между ограничительными кольцами 6, и намотанные на них витки профилированной проволоки 7 треугольного 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.
Стрингеры 5 (фиг. 3) выполнены «Т»-образной формы в поперечном сечении. Они имеют стойку 11, полку 12, внутренне основание 13, контактную поверхность 14, которая может быть выполнена со скруглением радиусом R (фиг. 6). Высота стрингеров 5 должна быть выполнена из соотношения:
2
2
Н=(2,5…3,0) В,где:
2
Н - высота стрингера 5,
2
В - ширина полки 12 стрингера 5.
Доказательство оптимальности указанного соотношения размеров.
Из сопротивления материалов известно (для прямоугольного профиля):
W - момент сопротивления изгибу,
2
Н - высота стрингера 5,
1
В - ширина основания стрингера 5.
2
Кроме того, полка 12 стрингера 5 шириной В значительно увеличивает момент сопротивления изгибу (фиг. 3 и 4).
2
Из этой формулы следует, что с увеличением высоты стрингера δ - Н его сопротивление изгибу возрастает с квадратичной зависимостью (Табл. 1). Однако верхний передел ограничен наружным диаметральным габаритом скважинного фильтра: сделать фильтрующий элемент 4 диаметром больше внешнего диаметра муфты 7 нельзя из-за возможности разрушения фильтрующего элемента при спуске в скважину.
Вывод по табл.1
2
1
2
1
При Н/В более 2,5 сопротивление изгибу каркаса на стрингерах равно (и более) сопротивлению изгибу сплошной трубы, а при Н/B=3,0 превышает на 27%, однако дальнейшее увеличение высоты невозможно из-за ограничения диаметрального габарита скважинного фильтра и ограничений по диаметральному габариту скважины.
2
1
При этом высота Н/В=3,0 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:
вн
внм
D - D=6…10 мм, что приводит к загромождению сечения трубы на 3…5%.
Возможность реализации этого диапазона соотношения размеров приведено в табл. 2, данные, в которой частично позаимствованных из ГОСТ 633 - 80 Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия. Возможно применение труб по ГОСТ 632 - 80. Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия.
0
Из табл.2 следует, что высота фильтрующего элемента Н=13,5…16, 0 мм.
2
2
При высоте профилированной проволоки 7 равной 3 мм имеем высоту Н (фиг. 3) стрингеров 5: Н=10, 5…13,0 мм, что достаточно для изготовления тонкостенного профилированного проката.
Профилированная проволока 7 может быть выполнена двух вариантах фиг. 5 и 6.
Первый вариант профилированной проволоки 7 (фиг 5) треугольного поперечного сечения, имеющий внешнюю грань 15 и внутреннюю грань 16 в виде радиусного скругления, а также две боковые грани 17 и радиусное скругление внутренней грани 16.
1
Радиусное скругление внутренней грани 16, выполнено радиусом r (фиг. 5), при этом оптимальный радиус скругления:
1
а
r=(0,2…0,25) ,
1
где: r - радиус радиусного скругления при вершине поперечного сечения профилированной проволоки 7,
а
- ширина профилированной проволоки 7.
На фиг. 6 приведен второй вариант профилированной проволоки 7, выполненной в поперечном сечении в форме трапеции, внешнюю грань 15 и внутреннюю грань 16, обращенную в сторону оси OO скважинного фильтра.
На фиг. 7 приведена заделка концов 18 стрингеров 5 в радиальные пазы 19 ограничительных колец 6.
Ограничительные кольца 6 содержат внутренний торец 20, внутренние фаски 21, внешний торец 22, и внешняя фаска 23 и выемку 24 на меньшем диаметре для стыковки к ниппелю 1. Концы 18 стрингеров 5 имеют вырезы 25.
При этом выполнено условие:
внс
вн
D≤D,
внс
где: D- внутренний диаметр установки стрингеров 5,
вн
D - внутренний диаметр фильтра (ниппелей 1 и ограничительных колец 6).
На фиг. 8 приведен конец 18 стрингера 5 с вырезом 25 и его установка в ограничительное кольцо 6, первый вариант, в котором:
внс
вн
D=D,
внс
где: D - внутренний диаметр установки стрингеров 5,
вн
D - внутренний диаметр ниппелей 1 и ограничительных колец 6. Концы 18 стрингеров 5 могут быть перед приваркой уложены в выполненные с равномерным шагом в радиальные пазы 19 на торцах 20 ограничительных колец 6. Внутренняя фаска 21 предназначена для сварочного шва 8.
На фиг. 9 приведен конец 18 стрингера 5, второй вариант и его установка в ограничительное кольцо 6, в котором:
внс
вн
D<D.
внс
где: D - внутренний диаметр установки стрингеров 5,
вн
D - внутренний диаметр фильтра (во ниппелям 1 и ограничительным кольцам 6) На фиг. 10 приведена соединение фильтрующего элемента 2 с ограничительным кольцом 6, а на фиг. 11 вид В, при этом необходимо соблюдать соотношение:
ф
м
D≤D,
ф
где D - максимальный внешний диаметр фильтрующего элемента,
м
D - внешний диаметр муфты (фиг. 7).
На фиг. 12 приведено ограничительное кольцо 6, а на фиг. 13 приведен вид В ограничительного кольца 6. Ограничительное кольцо 6 имеет внешнюю фаску 23 на большем диаметре внешнего торца 22 и вырез 25 на меньшем диаметре для стыковки к ниппелю 1.
Сборка скважинного фильтра
При сборке отдельно (фиг. 1…13) изготавливают ниппели 1, ограничительные кольца 6 и фильтрующие элементы 4.
Фильтрующие элементы 4 изготавливают на оправках (на фиг. 1…13 не показано) равномерным расположением стрингеров 5 с шагом t по окружности и приваркой контрактной сваркой 9 к ним профилированной проволоки 7 (фиг. 2).
Фильтрующие элементы 4 приваривают с обеих сторон к ограничительным кольцам 6 сварочными швами 8 (фиг. 1 и 2).
Ниппеля 1 приваривают к ограничительным кольцам 6 тоже сварочными швами 8.
РАБОТА СКВАЖИНОГО ФИЛЬТРА
1
2
Скважинный фильтр предназначен для очистки нефти или газа от посторонних примесей (фиг. 1…13). 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 между стрингерами 5 - δ (фиг. 11) поступает во внутреннюю полость 10.
1
Степень фильтрации зависит преимущественно от зазора δ между витками профилированной проволоки 7 и задается заказчиком обычно в диапазоне от 0,1 до 1,0 мм. При этом не происходит деформация витков профилированной проволоки 7 при изготовлении, при перевозке и спуске скважинного фильтра в скважину. Это достигнуто за счет большой площади контакта профилированной проволоки 7 со стрингерами 5 при их сварке.
2
Проходя далее через зазоры 8 между стрингерами 5 (фиг. 13) очищенный добываемый продукт поступает во внутреннюю полость 10 скважинного фильтра.
1
Предложенная конструкция обеспечивает улучшение фильтрации за счет стабильности бокового зазора δ и повышает его прочность за счет предложенного «Т» -образного профиля стрингеров 5, соотношения его размеров, способствующих увеличению момента сопротивления изгибу, и приварки к ним витков профилированной проволоки 7 контактной сваркой 9 широкой полке стрингера.
Применение изобретения позволило:
- уменьшить вес скважинного фильтра на 30…50% при сохранении его прочности, за счет профиля стрингеров, а именно, применение стрингеров «Т»-образного поперечного сечения позволит увеличить прочность скважинного фильтра на изгиб за счет большой высоты основания стрингера и наличия широкой полки,
- простить конструкцию скважинного фильтра,
- улучшить очистку добываемого продукта за счет уменьшения деформации профилированной проволоки при сварке и спуске в скважину при выбранных профилях и соотношениях размеров для стрингеров и профилированной проволоки.