СКВАЖИННЫЙ ФИЛЬТР
DOWNHOLE FILTER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится в общем к скважинному фильтру для отфильтровывания твердых частиц в скважинных текучих средах.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известны различные скважинные трубные изделия, служащие различным целям. Скважинный фильтр является трубным изделием, включающим в себя материал фильтра, образующий стенку трубного изделия или вмонтированный в нее. Скважинный фильтр можно использовать в стволах скважин, например, для нагнетания воды, пара и/или получения нефтесодержащей жидкости. Скважинный фильтр применяется для отделения частиц слишком большого диаметра из текучих сред, проходящих через него, и действует, стабилизируя ствол скважины.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно общему аспекту настоящего изобретения создано устройство для отфильтровывания твердых частиц в скважинной текучей среде, содержащее: основную трубу, имеющую внутренний канал; и секцию фильтра, установленную в секции основной трубы, причем секция фильтра содержит: (I) наружную рубашку, имеющую внутреннюю поверхность и калиброванные отверстия, проходящие через наружную рубашку, (II) внутреннюю стенку, имеющую наружную поверхность, внутреннюю поверхность и окна, проходящие через внутреннюю стенку от внутренней поверхности к наружной поверхности, (III) кольцевое пространство, образованное между внутренней поверхностью наружной рубашки и наружной поверхностью внутренней стенки; (IV) фильтрующее средство для калиброванных отверстий наружной рубашки; и (V) фильтрующий диск, установленный в окне внутренней стенки, в котором скважинная текучая среда снаружи основной трубы проходит во внутренний канал через калиброванные отверстия, фильтрующее средство, кольцевое пространство и фильтрующий диск.
Согласно другому общему аспекту настоящего изобретения, создан способ отфильтровывания твердых частиц текучей среды в стволе скважины, содержащий: установку фильтра в стволе скважины, причем фильтр содержит основную трубу, имеющую внутренний канал; и секцию фильтра, установленную в секции основной трубы, причем секция фильтра содержит: (I) наружную рубашку, имеющую внутреннюю поверхность и калиброванные отверстия, проходящие через наружную рубашку, (II) внутреннюю стенку, имеющую наружную поверхность, внутреннюю поверхность и окна, проходящие через внутреннюю стенку от внутренней поверхности к наружной поверхности, (III) кольцевое пространство, образованное между внутренней поверхностью наружной рубашки и наружной поверхностью внутренней стенки, (IV) фильтрующее средство для калиброванных отверстий наружной рубашки; и (V) фильтрующий диск, установленный в окне внутренней стенки; и обеспечение прохода потока текучей среды, подлежащей фильтрованию, через фильтр, при этом скважинная текучая среда снаружи фильтра проходит во внутренний канал через калиброванные отверстия, фильтрующее средство, кольцевое пространство и фильтрующий диск.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах, где одинаковыми позициями указаны аналогичные части в нескольких видах, несколько аспектов настоящего изобретения подробно показaны в качестве примера и без ограничения этим на следующих чертежах.
На Фиг. 1 показана часть продольного сечения скважинного фильтра.
На Фиг. 2 показана часть продольного сечения другого скважинного фильтра.
На Фиг. 3 показан вид сбоку скважинного фильтра с вырезом части наружной рубашки и фильтрующего средства для обеспечения рассмотрения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В подробном описании, приведенном ниже с приложением чертежей, раскрыты различные варианты осуществления настоящего изобретения и представлены не только варианты осуществления, предложенные изобретателем. Подробное описание включает в себя конкретные детали для обеспечения понимания настоящего изобретения. Вместе с тем, специалисту в данной области техники понятно, что настоящее изобретение можно реализовать без данных конкретных деталей.
На Фиг.1 показан скважинный фильтр 10, включающий в себя основную трубу 11 и секцию фильтра.
Секция скважинного фильтра содержит наружную рубашку 12 и внутреннюю стенку 14. В одном варианте осуществления наружная поверхность 12a наружной рубашки 12 обращена наружу и может подвергаться воздействию внешней среды вокруг скважинного фильтра. Внутренняя поверхность 14a внутренней стенки 14 может открываться во внутренний диаметр 24 основной трубы 11. Пространство, например кольцевое пространство 13, образуется между внутренней поверхностью наружной рубашки 12 и наружной поверхностью 14b внутренней стенки 14.
Наружная рубашка 12 имеет калиброванные отверстия 20, обеспечивающие проход текучей среды от наружной поверхности к внутренней поверхности наружной рубашки 12. Фильтрующее средство 16 предусмотрен для фильтрования текучих сред, проходящих через калиброванные отверстия 20. Фильтрующее средство 16 для калиброванных отверстий 20 может устанавливаться в калиброванных отверстиях 20, прикрепляться снаружи к наружной рубашке 12 или может располагаться смежно с внутренней поверхностью наружной рубашки 12. На Фиг. 1 показано фильтрующее средство 16, установленное в кольцевом пространстве 13 смежно с внутренней поверхностью наружной рубашки 12 и между наружной рубашкой и внутренней стенкой 14. В данном положении фильтрующее средство защищено наружной рубашкой 12 от наружных воздействий, например, абразивного воздействия, прихвата и истирания. Фильтрующее средство 16 установлено на пути потока текучей среды, проходящего через калиброванные отверстия 20, так что любая текучая среда, проходящая через калиброванные отверстия 20, должна проходить через фильтрующее средство 16.
Внутренняя стенка 14 включает в себя одно или несколько окон 17. Окна 17 обеспечивают проход текучей среды от наружной поверхности к внутренней поверхности 14a внутренней стенки 14. Наружная рубашка 12 проходит по меньшей мере поверх участка стенки 14 с окнами 17, так что единственный путь текучей среды снаружи скважинного фильтра к окнам 17 проходит через калиброванные отверстия 20 рубашки 12.
Окна 17 являются входными точками для прохода текучей среды через стенку 14 во внутренний канал 24. При этом число, размер и расположение окон 17 определяют возможное проходное сечение секции фильтра.
Каждое окно 17 заполнено фильтрующим диском 18 для фильтрования текучих сред, проходящих через окна 17. На Фиг. 1 и 3 окна 17 показаны расположенными вблизи одного конца внутренней стенки 14/наружной рубашки 12 и аксиально смещенными от калиброванных отверстий 20 на часть сплошного, без калиброванных отверстий участка 12b наружной рубашки, проходящего над окнами 17. Вместе с тем, понятно, что для некоторых вариантов применения, таких как показанные на Фиг. 2, окна 17 могут устанавливаться приблизительно по одной радиальной линии с калиброванными отверстиями 20.
Таким образом, для текучих сред, проходящих в скважинный фильтр, фильтрующее средство 16 создает первую ступень фильтрования, и фильтрующие диски 18 создают вторую ступень фильтрования.
Фильтрующее средство 16 может выполняться, например, включающим в себя прессованные волокна, беспорядочно расположенные волокна, сетку, пористый материал или их комбинации, а также может включать в себя специализированные фильтрующие материалы, например, ламинат из связанных сплавлением сеток, содержащий несколько слоев тканых стальных сеток и/или спрессованной стальной шерсти с беспорядочно расположенными волокнами, например, фильтрующее средство MeshRite™ (производится и продается Absolute Completion Technologies Ltd., Calgary, Alberta, Canada) или т.п., которое может работать в условиях в стволе скважины. Фильтрующее средство должно быть проницаемым для заданных текучих сред, например, одной или нескольких из следующего: пар, текучие среды интенсификации притока, нефть и/или газ, и исключать проход слишком крупных твердых частиц, например, взвешенных частиц, песка или частиц горной породы. Естественно, проход некоторых твердых частиц может допускаться, если не создаются проблемы эксплуатации скважины. Фильтрующее средство выбирается с возможностью отделения (т.е. отфильтровывания) твердых частиц крупнее заданного размера, если требуется.
3
В одном варианте осуществления фильтрующее средство 16 включает в себя фильтрующее средство MeshRite. Волокна в фильтрующем средстве MeshRite являются гранеными, например, приблизительно треугольного сечения и имеют толщину приблизительно 70-100 мкм. В результате имеется множество пор угловатой формы с размером в диапазоне 15-600 мкм. В другом варианте осуществления волокна укладываются с прессованием на основную трубу в вид прокладки шириной около 5-15 см, например, шириной 10 см, с весом приблизительно 44 г/м. В еще одном варианте осуществления фильтрующее средство 16 включает в себя фильтрующее средство MeshRite, имеющее фильтрующий слой толщиной приблизительно 2-8 мм, например 5 мм, и плотностью приблизительно 0,65-0,9 г/см. Данное фильтрующее средство отфильтровывает частицы с диаметром, превышающим около 80 мкм, и может отфильтровывать большинство частиц диаметром до 25 мкм. Мелкодисперсным частицам меньше данных размеров обеспечивается проход, при этом уменьшается закупоривание средств.
В еще одном варианте осуществления фильтрующее средство 16 включает в себя ламинат из связанных сплавлением сеток, который может содержать множество, например, два - четыре слоя тканых стальных сеток различных размеров и рисунков плетения. Понятно, что и другие материалы, функционирующие в условиях в стволе скважины, можно применять для фильтрующего материала 16.
Фильтрующие диски 18 можно устанавливать размещенными в толще стенки, при этом если требуется, они не выступают из наружной поверхности 14b или внутренней поверхности 14a внутренней стенки 14. Таким образом их можно устанавливать без риска создания преград во внутреннем диаметре или кольцевом пространстве 13. Обеспечивая установку заподлицо с наружной поверхностью стенки 14, наружный диаметр скважинного фильтра можно минимизировать, при этом наружный диаметр фильтра, например, по наружной поверхности 12a наружной рубашки требует только придания размера для соответствия сумме толщины внутренней стенки 14, ширины кольцевого пространства 13 с фильтрующим средством 16 в нем и толщины наружной рубашки 12. При этом получается наружный диаметр, гораздо меньше диаметра обычного многослойного фильтра, который может обеспечивать максимальный внутренний диаметр для любого конкретного наружного диаметра.
Фильтрующие диски 18 можно выполнять из материалов, например, включающих в себя слой спрессованных беспорядочно расположенных волокон, тканого материала, ламината из связанных сплавлением сеток, керамического и/или спеченного материала, способного работать в условиях в стволе скважины. Материал фильтра должен быть проницаемым для заданных текучих сред, например, одной или нескольких из следующего; пар, текучие среды интенсификации притока, нефть и/или газ, но при этом способным исключать проход слишком крупных твердых частиц, например, взвесей, песка или частиц породы. Естественно, проход некоторых твердых частиц может допускаться, если не создаются проблемы эксплуатации скважины. Материал фильтра выбирается отделяющим твердые частицы крупнее заданного размера, если требуется. Представленные фильтрующие диски 18 могут иметь один или несколько слоев или видов материалов фильтра. В одном варианте осуществления фильтрующие диски 18 включают в себя внутренний тканый фильтр, наружный тканый фильтр и волокнистый материал между ними. В другом варианте осуществления фильтрующий диск может включать в себя один слой материала фильтра для упрощения изготовления. Спеченный материал может являться предпочтительным в качестве материала однослойного фильтра. В одном варианте осуществления фильтрующие диски 18 выполняются из множества слоев (например, 10-15 слоев) сплетенной стальной проволоки, например, сетки из нержавеющей стали. Слои могут сплавляться, например, с помощью спекания.
В одном варианте осуществления фильтрующие диски 18 выполняются из фильтрующих дисков FacsRite (производятся и продаются Absolute Completion Technologies Ltd., Calgary, Alberta, Canada). Диски FacsRite обычно имеют толщину приблизительно 2-10 мм (например, 6,5 мм) и диаметр 12-40 мм (например 25,4 мм), но можно использовать диски других размеров. Диски FacsRite обычно выполняются из множества слоев спеченной сетки из нержавеющей стали 316L, которые связаны сплавлением вместе. Сетки в дисках FacsRite в общем включают в себя волокна, сплетенные по типу ткани, и волокна, проходящие различных направлениях в "ткани", могут иметь отличающиеся диаметры. "Ткани" могут также иметь различные рисунки плетения. Волокна сетки, применяемые в фильтровальных дисках FacsRite, часто по существу имеют круглое сечение и их диаметр находится в диапазоне от 20 до более 1000 мкм. Понятно, что другие фильтровальные материалы, работающие в условиях забоя скважины можно использовать для фильтрующих дисков 18.
Прочностные, деформационные и фильтрационные свойства материала, применяемого для фильтрующих дисков 18, могут отличаться от аналогичных свойств материала, применяемого для фильтрующего средства 16. Например, фильтрующее средство 16 и фильтрующие диски могут отличаться применяемыми материалами, номинальной характеристикой отделения (размером отделяемых материалов), долговечностью и т.д.
Фильтрующее средство 16 может заполнять часть или весь объем кольцевого пространства 13. Фильтрующее средство 16 устанавливается действующим на поток, проходящий через все калиброванные отверстия 20, но в кольцевом пространстве 13 могут оставаться места без фильтрующего средства. В одном варианте осуществления, например, фильтрующее средство 16 не устанавливается непосредственно поверх окон 17, так что кольцевое пространство содержит пустое пространство 13a между фильтрующими средствами 16 и окнами 17, например, между внутренней поверхностью наружной рубашки 12 и фильтрующими дисками 18.
Фильтрующие средства 16 могут укладываться непосредственно на наружной поверхности. В одном варианте осуществления вместе с тем, фильтрующее средство 16 отнесено по меньшей мере на некоторое расстояние от наружной поверхности 14b внутренней стенки 14, при этом что образуется канал проходного сечения. Хотя отдельные дистанцирующие устройства можно применять для отведения фильтрующего средства 16 в направлении наружу, в одном варианте осуществления наружная поверхность 14b выполняется на нем на одном или нескольких углублениях с образованием одного или нескольких каналов 15 потока. Каналы 15 потока могут выполняться с помощью удаления части наружной поверхности 14b, например, фрезерованием.
Каналы 15 потока проходят вдоль наружной поверхности внутренней стенки 14 и создают пространство между нижней стороной фильтрующего средства 16 и внутренней стенкой 14. Каналы 15 потока проходят от низа фильтрующего средства к окнам 17. Например, завершающие концы каналов потока могут проходить за концом 16a фильтрующего средства. В одном варианте осуществления каналы 15 потока являются углублениями на наружной поверхности внутренней стенки 14 и являются отнесенными друг от друга, с поднятыми участками между ними, где внутренняя стенка остается не удаленной. Таким образом, каждый канал потока может являться изолированным с помощью интервалов и поднятых участков, на которые опирается фильтрующее средство 16, от других каналов потока, так что поток, выходящий из каждого канала потока, может главным образом проходить из выбранных калиброванных отверстий 20, отличающихся от калиброванных отверстий смежных каналов потока. Как лучше показано на Фиг. 3, каналы 15 потока в одном варианте осуществления могут являться по существу прямыми, проходящими по существу аксиально от низа фильтрующего средства 16 к окнам 17, и каждый являться изолированным поднятыми участками от других. В одном варианте осуществления каналы 15 потока заканчиваются на окнах 17 или в открытом пространстве 13a кольцевого пространства 13, которое по существу является свободным от средства 16 и смежных окон 17. Если каналы 15 потока заканчиваются на расстоянии от окон 17, их завершением на концах может являться уступ 15a, который может быть резким или плавным. С каналами 15 потока фильтрующее средство 16 опирается на нормальный диаметр на внутренней поверхности 14b внутренней стенки 14, но открытые пространства остаются в каналах 15 потока.
В одном варианте осуществления секция фильтра полностью окружает основную трубу. В альтернативном варианте осуществления секция фильтра перекрывает только участок окружности основной трубы. В другом варианте осуществления скважинный фильтр имеет несколько секций фильтра, расположенных по длине основной трубы. Показанный скважинный фильтр является по существу симметричным относительно своей продольной оси x. Показан только вырез четверти вдоль оси x.
Скважинный фильтр 10 может иметь концы 10a, 10b, выполненные для соединения в скважинной трубной колонне. Например, концы 10a, 10b могут выполняться с возможностью резьбового соединения со смежными фильтрами или другими скважинными трубными изделиями.
При эксплуатации, текучая среда снаружи скважинного фильтра может проходить во внутренний канал 24 скважинного фильтра по путям потока, обозначенным позицией F (Фиг. 1) или F2 (Фиг. 2).
Более конкретно, в нормальных условиях текучая среда вначале проходит через калиброванные отверстия 20 и проходит через фильтрующее средство 16. Текучая среда может содержать твердые частицы, и фильтрующее средство 16 может задерживать некоторую часть твердых частиц при проходe текучей среды через него. Когда текучая среда выходит из фильтрующего средства 16, текучая среда проходит окна 17 через фильтрующие диски 18. Текучая среда затем выходит из фильтрующих дисков 18 и проходит во внутренний канал 24 скважинного фильтра.
Когда участок наружной рубашки 12, который содержит калиброванные отверстия 20, расположен фактически прямо над участком внутренней стенки 14, содержащем окна 17, как показано на Фиг. 2, поток F2 является по существу радиальным, проходящим снаружи фильтра во внутренний канал 24 фильтра.
Когда участок наружной рубашки 12, который содержит калиброванные отверстия 20, аксиально смещен от положения над участком внутренней стенки 14, содержащей окна 17, как показано на Фиг. 1, поток F является вначале по существу радиальным при проходе от наружной поверхности 12a наружной рубашки к наружной поверхности 14b внутренней стенки. Затем направление потока меняется на аксиальное, по существу близкое к направлению вдоль наружной поверхности 14b, например, через каналы 15. Затем, поток F отклоняется сплошным участком 12b наружной рубашки для прохода радиально через фильтрующие диски 18 и во внутренний канал фильтра. Отклонение потоков от радиального к аксиальному и вновь к радиальному направлению рассеивает энергию в потоках и уменьшает вредное воздействие, например эрозионное, потоков текучей среды и улучшает отфильтровывание твердых частиц, поскольку сила текучей среды, несущая отходы, может снижаться.
В одном варианте осуществления фильтрующее средство 16 удаляет частицы с размером менее крупные, чем частицы, удаляемые фильтрующими дисками 18, так что частицы, проходящие через фильтрующее средство 16 при нормальной эксплуатации, могут также проходить через фильтрующие диски 18. Таким образом, например, в одном варианте осуществления фильтрующее средство 16 удаляет частицы с размером больше около 80 мкм, и диски 18 только удаляют частицы с размером больше 80 мкм и возможно даже больше 100 мкм при более низком расчетном показателе. Таким образом, мелкодисперсные частицы, проходящие через средство 16, при нормальной эксплуатации, не задерживаются на дисках 18, при этом уменьшается удержание частиц в кольцевом пространстве 13, и поэтому уменьшается возможность засорения фильтра при нормальной эксплуатации.
В случае, когда фильтрующее средство 16 не работает, например фильтрующее средство 16 вышло из строя от разрушения, эрозии, повреждения при установке и т.д., большинство или все твердые частицы в текучей среде должны проходить без отфильтровывания через перфорации 20 в зоне неработающего средства и в кольцевое пространство 13. При продолжении прохода текучей среды через кольцевое пространство 13 к фильтрующим дискам 18 твердые частицы, слишком крупные для прохода через фильтрующие диски 18, должны накапливаться в кольцевом пространстве 13 на дисках 18, например, в одном или нескольких каналах 15 потока и/или в открытом пространстве 13a, смежном с окнами 17. Когда пространство 13a над фильтрующим диском по существу заполняется твердыми частицами, уменьшенный объем текучей среды может проходить через такой фильтрующий диск. При этом, проход через диск во внутренний канал 24 автоматически перекрывается без вмешательства оператора, механически или иным способом. В зависимости от характера частиц, накапливающихся в пространстве 13a, проход через соответствующую секцию фильтра может частично или полностью перекрываться. Если накопление частиц резервируется каналом потока, который возникает в результате отсутствия фильтрования до блокирования всех дисков 18, проход потока через фильтры может продолжаться, но проход через один или несколько каналов потока, принимающих поток из зоны неработающего фильтрующего средства, перекрывается.
Например, если фильтр включает в себя первый канал потока и второй канал потока, и каждый, первый канал потока и второй канал потока, не имеет фильтрующего средства, проходит между фильтрующим средством и наружной поверхностью и включает в себя завершающий конец, выходящий от кромки фильтрующего средства к окну, и при этом первый канал потока изолирован фильтрующим средством от второго канала потока, кроме завершающего конца, во время нормальной эксплуатации поток текучей среды, подлежащий фильтрованию, может включать в себя первую часть, проходящую вдоль первого канала текучей среды и вторую часть потока текучей среды, проходящую вдоль второго канала текучей среды. Если частицы начинают накапливаться в кольцевом пространстве от первой части потока текучей среды, частицы могут с нарастанием накапливаться и препятствовать прохождению потока мимо них до остановки по существу прохода через первый канал. Данное может происходить при продолжении прохода потока текучей среды через второй канал текучей среды.
С другой стороны, если происходит более серьезный выход из строя фильтрующего средства 16, все диски 18 могут блокироваться, полностью перекрывая проход потока через секцию фильтра. Данное может возникать, даже если имеется множество каналов потока, поскольку потоку в конечном счете требуется канал прохода через диски 18 во внутренний канал. Если частицы начинают накапливаться в кольцевом пространстве около окон, частицы могут с нарастанием накапливаться и противодействовать потоку, проходящему мимо них до, по существу, остановки потока через окна.
Поэтому скважинный фильтр, описанный в данном документе, обеспечивает резервированное отфильтровывание твердых частиц и создает механизм автоматического перекрывания, который может предотвращать вход неотфильтрованной текучей среды и создающих проблемы твердых частиц во внутренний канал 24.
Поскольку размер, число и место установки окон 17 определяют возможное проходное сечение секции фильтра, число, размер и место установки окон 17 можно выбирать, задавая время срабатывания перекрывающего механизма, т.е. скорость, с которой фильтр должен перекрывается в случае выхода из строя фильтрующего средства 16. Например, если требуется фильтр с более высокой скоростью срабатывания при отсутствии фильтрования, который перекрывается быстрее, можно применять фильтр, в котором меньше окон 17.
Понятно, что скважинный фильтр можно сконструировать различными способами. Например, на Фиг. 1 наружная рубашка 12 показана как одно целое с основной трубой 11; вместе с тем, понятно, что наружная рубашка 12 может являться отдельной частью, установленной на основной трубе 11, как показано на Фиг. 3, где рубашка обжата на основной трубе для создания уплотнения на стыке с последней. Также на Фиг. 1, внутренняя стенка 14 показана, как одно целое с основной трубой; вместе с тем, понятно, что внутренняя стенка может являться отдельной частью, соединенной на основной трубе 11. Можно упростить конструкцию, выполняя внутреннюю стенку 14 как одно целое с основной трубой 11. При этом можно увеличить долговечность и срок эксплуатации фильтра, например, обеспечивая его превосходное реагирование и не меняющуюся проницаемость даже под воздействием крутящего момента и/или сил растяжения и сжатия. Можно упростить конструкцию, выполняя наружную рубашку 12 как часть, отдельную от основной трубы 11, но установленную поверх нее с помощью концевого кольца, обжатия, сварки и т.д.
Приведенное выше описание вариантов осуществления изобретения обеспечивает специалисту в данной области техники реализацию настоящего изобретения. Различные модификации вариантов осуществления должны быть понятны специалисту в данной области техники, и основные принципы, изложенные в данном документе, можно применять в других вариантах осуществления без отхода от сущности или объема изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не ограничено вариантами осуществления, показанными в данном документе, но его объем соответствует формуле изобретения. Все конструктивные и функциональные эквиваленты элементов различных вариантов осуществления, приведенные в описании, которые известны или станут позже известны специалисты в данной области техники, должны охватываться элементами формулы изобретения. Кроме того, описанное в данном документе не делается всеобщим достоянием безотносительно прямого указания на описанное в формуле изобретения. Никакой элемент заявки не должен подпадать под действие документа 35 USC 112, sixth paragraph, если элемент прямо не указан с использованием фразы "средство для" или "этап для".