ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ СКВАЖИННОЙ ЖИДКОСТИ
FILTER FOR WELL FLUID PURIFICATION

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для защиты УЭЦН от воздействия механических примесей: засорения и гидроабразивного износа.
Известен фильтр объемного действия, который монтируется на приеме насоса (патент РФ №2258131 C1, E21B 43/08, 2005). Он представляет собой цилиндрическую трубу с перфорированной боковой поверхностью, внутри которой вставлен цилиндрический фильтрующий элемент с внутренним коаксиальным отверстием. Фильтрующий элемент выполнен из пористого материала с порами, уменьшающимися в радиальном направлении от наружной поверхности к внутренней.
Недостатком известной конструкции является быстрая потеря проницаемости при засорении порового пространства механическими примесями в скважинах с высоким выносом пропанта и породы.
Известно устройство скважинное пескозащитное, включающее в себя гравитационный сепаратор с контейнером для сбора механических примесей, снабженный байпасным клапаном и пакером (Якимов С., Афанасьев А., Шмонин П. Применение десендеров для защиты ЭЦИ на пластах Покурской свиты // Новатор. - 2009 г. - №27. - С.27-31). Гравитационный сепаратор представляет собой концентрично установленные трубы, образующие кольцевой зазор. Пластовая жидкость из скважины попадает во внутреннюю трубу, в которой поток ускоряется, разворачивается на 180 градусов и поднимается по кольцевому зазору. При развороте струи происходит сброс частиц песка в контейнер. Недостатком устройства является низкая степень сепарации частиц песка, а также то, что при заполнении контейнера гравитационного фильтра жидкость двигается через байпасный клапан и не осуществляется очистка от механических примесей.
В последнее время для очистки скважинной жидкости широко применяются щелевые фильтры различных конструкций, в которых фильтрация происходит на поверхности фильтра, а не в его объеме. Известен спирально-щелевой фильтр скважинного глубинного насоса (патент РФ №56947 U1, E21B 43/08, 2006), имеющий цилиндрический корпус, в боковой поверхности которого выполнены сквозные отверстия. Снаружи корпуса размещен спирально-щелевой фильтрующий элемент. Геометрия фильтрующего элемента подобрана так, что механические частицы, прижимаемые потоком жидкости к щели фильтрующего элемента, опираются на две острые кромки щели фильтра. При двух точках опоры частицы не могут находиться в состоянии устойчивого равновесия, поэтому не накапливаются на фильтрующей поверхности.
Однако из-за присутствия в нефтяных скважинах солей, отлагающихся на погружном оборудовании, в том числе и на фильтрующих поверхностях, щелевые фильтры также засоряются.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является фильтр для очистки скважинной жидкости от примесей, содержащий механический и присоединенный к нему гравитационный фильтрующий элемент, в нижней части которого закреплен контейнер для сбора отделенных механический примесей (патент РФ №51096 U1, E21B 43/08, 2006). Гравитационный фильтрующий элемент выполнен в виде концентрически расположенных наружной, внутренней и промежуточной труб, наружная и внутренняя трубы заглушены снизу, промежуточная труба заглушена сверху конусом, наружная труба снабжена входными патрубками для ввода потока в центр промежуточной трубы, в пространстве между внутренней и наружной трубой расположены прямые и обратные конусы. Механический фильтр представляет собой фильтрующую сетку.
Недостатком устройства является ограниченный ресурс работы, так как при засорении механического фильтра подача потока жидкости на прием насоса прекращается.
Техническим преимуществом предлагаемого фильтра для очистки скважинной жидкости является исключение возможности отказа из-за засорения механическими примесями и солями при сохранении приемлемого качества очистки добываемой жидкости от твердых частиц.
Указанный результат достигается тем, что в фильтре для очистки скважинной жидкости от примесей, содержащем перфорированную трубу с механическим фильтром и присоединенный к механическому фильтру гравитационный фильтрующий элемент, в нижней части которого закреплен контейнер для сбора отделенных механических примесей, согласно изобретению гравитационный фильтрующий элемент состоит из концентрично установленных внутренней и наружной труб, образующих между собой кольцевой зазор, при этом в верхней части наружной трубы выполнено, по меньшей мере, одно отверстие для входа потока жидкости с возможностью подачи потока жидкости в кольцевой зазор или во внутреннюю трубу, механический и гравитационный фильтры расположены таким образом, что входящий поток жидкости проходит только через один из фильтров, а сопротивление гравитационного фильтрующего элемента, как минимум, в 1,5 раза больше сопротивления механического фильтра.
Для улучшения сепарации гравитационного элемента в кольцевом зазоре гравитационного элемента может быть размещена направляющая лопасть в форме шнека. К днищу контейнера для сбора отделенных механических примесей может быть прикреплена коаксиальная труба, обеспечивающая отвод механических примесей. В качестве механического фильтра может быть использован фильтр объемного или поверхностного действия, например щелевой фильтрующий элемент.
Для пояснения сущности заявленного изобретения рассмотрим конструкцию с щелевым фильтром поверхностного действия. На фиг.1 показан вариант, когда в гравитационный сепаратор жидкость поступает в кольцевой зазор, на фиг.2 - во внутреннюю трубу.
Устройство состоит из перфорированной трубы 1 с отверстиями 2, на которой установлен щелевой фильтрующий элемент 3. Снизу крепится гравитационный фильтрующий элемент, имеющий две концентрично установленные трубы 4 и 5, между которыми образован кольцевой зазор 6. В верхней части наружной трубы 4 выполнены отверстия 7 для входа жидкости в гравитационный фильтрующий элемент. Ширина и длина кольцевого зазора 6 подбираются так, чтобы его гидравлическое сопротивление, как минимум, в 1,5 раза больше, чем щелевого фильтрующего элемента 3. При таком подборе основной поток жидкости будет первоначально проходить через щелевой фильтрующий элемент. Гравитационный и щелевой фильтры расположены таким образом, что поток добываемой жидкости проходит только через один из фильтров. Согласно расчетам, основанным на предположении, что сопротивление пропорционально расходу проходящей через фильтр жидкости, устойчивое улучшение сепарации начинает наблюдаться при превышении сопротивления гравитационного фильтрующего элемента по отношению к сопротивлению механического фильтра, «как минимум, в 1,5 раза». Снизу к гравитационному фильтрующему элементу жестко прикреплен контейнер 8, в котором накапливаются твердые частицы. Для предотвращения переполнения контейнер 8 может быть оснащен трубой 9. В первом варианте (см. фиг.1) поток входит в гравитационный фильтрующий элемент через отверстие 7, попадает в кольцевой зазор 6, а затем двигается вверх по внутренней трубе 4. Во втором варианте (см. фиг.2) вход в гравитационный фильтрующий элемент выполнен таким образом, что поток сначала попадает во внутреннюю трубу 4 через отверстие 7 с помощью соединения 10, а затем поднимается по кольцевому зазору 6. Второй вариант исполнения гравитационного элемента повышает тонкость очистки устройства, однако его изготовление более трудоемко. С целью улучшения сепарации гравитационного элемента в кольцевом зазоре 6 может быть размещена направляющая лопасть в форме шнека (не показана).
Фильтр для очистки скважинной жидкости работает следующим образом. После установки фильтра в скважине большая часть входящего потока жидкости фильтруется через щелевой фильтрующий элемент 3, поскольку сопротивление щелевого фильтрующего элемента меньше, чем гравитационного. Тонкость очистки на этой стадии определяется размером щели. По мере засорения щелевого фильтрующего элемента 3 к работе начинает подключаться гравитационный фильтрующий элемент, жидкость в который поступает через отверстие 7. В первом варианте исполнения (фиг.1) входящий поток жидкости поступает через отверстия 7 в кольцевой зазор 6 гравитационного фильтрующего элемента, спускается по кольцевому зазору 6 и, огибая нижний конец наружной трубы 4, поднимается вверх по ее внутренней полости. В другом варианте исполнения (фиг.2) входящий поток жидкости попадает в гравитационный элемент через отверстие 7, проходит через соединение 10 и спускается по внутренней трубе 4, затем огибает нижний конец трубы 4 и поднимается вверх по кольцевому зазору 6. При повороте потока крупные частицы примесей под действием силы тяжести опускаются вниз, накапливаясь на дне контейнера 8 вокруг трубы 9. При переполнении контейнера 8, когда уровень примесей становится выше верхнего конца трубы 9, твердые частицы сбрасываются в зумпф через трубу 9.
Тонкость очистки будет определяться соотношением сил вязкого трения частиц о жидкость, архимедовой силы и веса частиц. Выходящий из гравитационного фильтра поток жидкости смешивается с очищенной жидкостью, находящейся внутри щелевого фильтрующего элемента 3, и поступает в насосную установку. Размещение внутри кольцевого зазора 6 направляющей лопасти в форме шнека улучшает сепарацию механических примесей за счет центробежной силы, прижимающей механические примеси к стенкам внешней трубы 5.
Разработанное устройство обеспечивает тонкость очистки добываемой жидкости и малое гидравлическое сопротивление на уровне щелевых фильтров, пока щелевой фильтрующий элемент не засорен. Затем, когда щелевой фильтр засорится и возрастет гидравлическое сопротивление щелевого фильтра, основной поток жидкости пойдет через гравитационный фильтрующий элемент. Благодаря поочередному подключению к работе фильтров разного типа для очистки скважинной жидкости удалось создать устройство с качественно новым уровнем - незасоряющийся фильтр. Таким образом, будет предотвращено закупоривание фильтра механическими примесями и солями и увеличен срок службы погружной установки.