ФИЛЬТРУЮЩИЙ МОДУЛЬ

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.
Уже 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 взаимносопряженным 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.
Взаимносопряженный профиль кольцевых торцов наконечников в зоне примыкания каждой смежной пары кольцевых фильтрующих втулок может быть выполнен плоским и перпендикулярным оси фильтрующего элемента.
Взаимносопряженный 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», E21B 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 того сам перфорированный корпус фильтрующих модулей, особенно болыдеразмерных, 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».
Такое размещение торцевых кольцевых втулок и стержней в центраторе в виде «беличьего колеса» не позволяет создать открытый канал для прохода рабочей среды, подвергаемой фильтрованию, через торцевые кольцевые втулки «беличьего колеса», так как этот канал закрыт обеими торцевыми втулками.
Стержни «беличьего колеса» по всей длине фильтрующего элемента установлены с примыканием к последнему, с упором во внешнюю цилиндрическую поверхность несущего корпуса и с возможностью образования радиального зазора между несущим корпусом и фильтрующим элементом в промежутках между стержнями.
Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности и долговечности эксплуатации фильтрующего модуля путем упрочнения несущего корпуса, а также в повышении производительности фильтрации модуля путем ускорения процесса фильтрации оптимизацией радиального зазора сечения кольцевой полости между несущим корпусом и фильтрующим элементом для протекания рабочей среды.
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 несущим корпусом, снаружи него с образованием между ними радиального зазора, подшипники скольжения, фиксировано установленные в осевом направлении между валом и внутренней цилиндрической поверхностью несущего корпуса с возможностью вращения в них вала, по меньшей мере один центратор, выполненный в виде цилиндрической решетки «беличьего колеса» и содержащий в обеих торцевых зонах последней кольцевые втулки, жестко связанные между собой продольными дискретно установленными стержнями, и расположенные коаксиально между несущим корпусом и фильтрующим элементом с примыканием кольцевых втулок в обеих торцевых зонах к внутренней цилиндрической поверхности фильтрующего элемента и с возможностью образования радиального зазора между несущим корпусом и фильтрующим элементом в промежутках между стержнями, и устройство для оптимального сжатия фильтрующего элемента в осевом направлении, снабженное по меньшей мере одним распорным кольцом, расположенным на стыке фильтрующего элемента с фланцем модуля, при этом несущий корпус жестко соединен своим торцом с верхним фланцем со стороны погружного насоса, 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 предлагаемой полезной модели, цилиндрическая труба несущего корпуса по всей его длине выполнена со сплошными стенками, стержни выполнены в виде узких брусков и установлены с примыканием противолежащими длинными сторонами брусков к внутренней цилиндрической поверхности фильтрующего элемента и к наружной цилиндрической поверхности несущего корпуса, соответственно, по всей длине цилиндрической решетки, при этом толщина каждой кольцевой втулки «беличьего колеса» в радиальном направлении выполнена, предпочтительно, равной 0,30-0,40 от величины радиального зазора кольцевой полости между наружной цилиндрической поверхностью несущего корпуса и внутренней цилиндрической поверхностью фильтрующего элемента с возможностью образования дополнительного радиального зазора между внутренней поверхностью торцевой кольцевой втулки и наружной цилиндрической поверхностью несущего корпуса, толщина каждого стержня в радиальном направлении выполнена равной величине радиального зазора кольцевой полости между наружной цилиндрической поверхностью несущего корпуса и внутренней цилиндрической поверхностью фильтрующего элемента, а верхний фланец модуля со стороны зоны входной полости погружного насоса снабжен цилиндрической полостью и продольными каналами, выполненными с возможностью сообщения этой цилиндрической полости с кольцевой полостью радиального зазора между несущим корпусом и фильтрующим элементом.
Наружная поверхность верхнего фланца модуля может быть снабжена выступами, сопряженными с ним и выполненными с наружный диаметром, предпочтительно, превышающими наружный диаметр фильтрующего элемента.
Соседние выступы на наружной поверхности верхнего фланца модуля могут быть выполнены под углом, предпочтительно, равным 60-90 градусов.
Соседние центраторы могут быть закреплены в модуле посредством крепежной втулки, установленной между ними на наружной поверхности несущего корпуса с примыканием боковых сторон крепежной втулки к торцевым кольцевым втулкам каждой смежной цилиндрической решетки «беличьего колеса» и снабженной сквозными осевыми отверстиями.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графически.
На фиг. 1 показана схема скважинной установки, содержащей фильтрующий модуль.
На фиг. 2 показано продольное сечение предлагаемого фильтрующего модуля с центратором в виде «беличьего колеса».
На фиг. 3 показано поперечное сечение «по А-А» фильтрующего модуля через торцевую кольцевую втулку центратора в виде «беличьего колеса».
На фиг. 4 показано поперечное сечение «по Б-Б» фильтрующего модуля в зоне расположения продольных каналов в верхним фланце модуля.
На фиг. 5 показано поперечное сечение «по В-В» фильтрующего модуля через крепежную втулку центратора в виде «беличьего колеса».
На фиг. 6 показано поперечное сечение «по С-С» фильтрующего модуля через среднюю зону центратора в виде «беличьего колеса».
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 со сплошными стенками по всей его длине, т.е. без перфорированных отверстий, вал 11 с продольной осью 12, фильтрующий элемент 13 коаксиально размещенный внутри кольцевой полости 14 этого корпуса 10, и подшипники 15 скольжения, фиксировано 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, выполненный в виде цилиндрической решетки «беличьего колеса» и содержащий в обеих торцевых зонах последней кольцевые втулки 20 и 21, жестко связанные между собой продольными дискретно установленными стержнями 22, и расположенные коаксиально между несущим корпусом 10 и фильтрующим элементом 13 с прилеганием торцевых кольцевых втулок 20 и 21 в обеих торцевых зонах к внутренней цилиндрической поверхности 18 фильтрующего элемента 13 и с возможностью образования радиального зазора /кольцевой полости 14/ между несущим корпусом 10 и фильтрующим элементом 13 в промежутках между стержнями 22.
Стержни 22 выполнены в виде узких брусков и установлены с примыканием противолежащими длинными сторонами брусков к внутренней цилиндрической поверхности 18 фильтрующего элемента 13 и к наружной цилиндрической поверхности 17 несущего корпуса 10, соответственно, по всей длине цилиндрической решетки.
При этом толщина каждой кольцевой втулки 20 или 21 «беличьего колеса» в радиальном направлении выполнена, предпочтительно, равной 0,30-0,40 от величины радиального зазора кольцевой полости 14 между наружной цилиндрической поверхностью 17 несущего корпуса 10 и внутренней цилиндрической поверхностью 18 фильтрующего элемента 13 с возможностью образования дополнительного радиального зазора между внутренней поверхностью торцевой кольцевой втулки и наружной цилиндрической поверхностью несущего корпуса. Толщина каждого стержня 22 в радиальном направлении выполнена равной величине радиального зазора кольцевой полости 14 между наружной цилиндрической поверхностью 17 несущего корпуса 10 и внутренней цилиндрической поверхностью 18 фильтрующего элемента 13.
Кроме того модуль содержит устройство 23 для оптимального сжатия в осевом направлении фильтрующего элемента 13, снабженное, например, одним распорным кольцом 24 расположенным на стыке фильтрующего элемента 13, например, с фланцем 4 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 25 и установлен коаксиально с несущим корпусом 10, снаружи его, с образованием между ними /несущим корпусом 10 и фильтрующими втулками 25/ радиального зазора. Кольцевые фильтрующие втулки 25 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.
Наружная поверхность 26 верхнего фланца 4 модуля может быть снабжена выступами 27, сопряженными с ней и выполненными с наружный диаметром, превышающим наружный диаметр фильтрующего элемента 13.
Радиальный угол между соседними выступами 27 на наружной поверхности 26 верхнего фланца 4 модуля выполнен, предпочтительно, равным 60-90 градусов.
Верхний фланец 4 модуля 1 в зоне соединения с погружным насосом 5 снабжен цилиндрической полостью 28, сообщенной с входной полостью 29 погружного насоса 5, и продольными каналами 30, /например, шестью продольными каналами/ выполненными с возможностью сообщения этой цилиндрической полости 28 с кольцевой полостью 16 между наружной цилиндрической поверхностью несущего корпуса 10 и фильтрующим элементом 13. Продольные каналы 30 могут быть выполнены наклонными.
Соседние центраторы 19, выполненные в виде «беличьего колеса» закреплены в модуле посредством крепежной втулки 31, снабженной сквозными осевыми отверстиями 32, установленной между ними на наружной поверхности 17 несущего корпуса 10 с примыканием боковых сторон крепежной втулки к торцевым кольцевым втулкам каждой смежной цилиндрической решетки «беличьего колеса» и снабженной сквозными осевыми отверстиями.
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. Конструкция центратора 19 в виде «беличьего колеса», установленного с прилеганием своими торцевыми кольцевыми втулками 20 и 21 к внутренней цилиндрической поверхности 18 фильтрующего элемента 13 и с примыканием противолежащих длинных сторонам брусков стержней 22 к внутренней цилиндрической поверхности 18 фильтрующего элемента и к наружной цилиндрической поверхности 17 несущего корпуса 10, соответственно, по всей длине цилиндрической решетки, обеспечивая прочное и надежное фиксирование фильтрующих элементов 13 относительно неперфорированного, т.е. выполненного со сплошной цилиндрической стенкой несущего прочного корпуса 10. Как очевидно из продольного сечения модуля, представленного на фиг. 2, обе торцевые кольцевые втулки 20 и 21.«беличьего колеса» не примыкают к несущему корпусу 10. В то время как стержни 22 установлены с примыканием и к фильтрующему элементу 13 по всей длине «беличьего колеса» и к несущему корпусу 10.
Из поперечного сечения модуля, представленного на фиг. 2, следует, что каждый стержень одним торцем в радиальном направлении жестко связан с торцевой кольцевой втулкой 20, а другим торцем этот стержень 22 установлен внутри радиального зазора кольцевой полости 14.
Такое размещение торцевых кольцевых втулок и стержней в центраторе 19 в виде «беличьего колеса» позволяет создать всегда гарантированно открытый канал-кольцевую полость 14 для прохода рабочей среды в зоне жесткой связи торцевой кольцевой втулки 20 и каждого радиально установленного стержня 22. Причем стержни 22 по всей длине фильтрующего элемента 13 установлены с примыканием к последнему и с упором в наружную цилиндрическую поверхность 17 несущего корпуса 10 с возможностью образования радиального зазора кольцевой полости 14 как между несущим корпусом 10 и фильтрующим элементом 13 в промежутках между стержнями 22, так и между внутренней поверхностью торцевой кольцевой втулки 20 и наружной цилиндрической поверхностью 17 несущего корпуса 10.
Предлагаемый фильтрующий модуль успешно прошел опытные испытания и подготовлен к производству.
Применение заявляемого устройства позволит значительно повысить надежность и долговечность эксплуатации фильтрующего модуля путем упрочнения несущего корпуса, а также в повышении производительности фильтрации модуля путем оптимизацией радиального зазора сечения кольцевой полости между несущим корпусом и фильтрующим элементом при использовании заявляемых оптимальных соотношений размеров.