СКВАЖИННЫЙ КАРКАСНО-СТЕРЖНЕВОЙ СЕТЧАТЫЙ ФИЛЬТР
WELL SCREEN

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано в строительстве и эксплуатации нефтяных, газовых, водозаборных и нагнетательных скважин в условиях, осложненных неустойчивостью коллекторов.
Анализ существующего уровня техники показал, что распространенным способом заканчивания скважин как для добычи, так и для нагнетания флюидов в условиях, осложненных разрушением призабойной зоны, является ее крепление механическими методами или тампонажными растворами.
Механические методы основаны на использовании фильтров различных конструкций. Фильтры сооружают либо внутри обсадной колонны после проведения операции перфорирования на соответствующем участке обсаженной скважины, либо спускают фильтр-хвостовик в предварительно закрепленную тампонажным раствором открытую часть ствола скважины.
Наиболее часто используют для этих целей гравийные фильтры. Гравийный фильтр представляет собой двухступенчатую конструкцию и состоит из сетчатого или проволочного фильтра с отверстиями заданного размера и формы и гравия заданной крупности. Первая ступень выполняет в основном опорную функцию, а фильтрационные свойства в большей степени обеспечиваются гравийной обсыпкой. Иногда порода пласта обладает такими характеристиками, которые позволяют обходиться без гравийной обсыпки, с использованием лишь фильтров первой ступени. Известны различные конструкции, обеспечивающие в той или иной степени требуемые характеристики фильтров первой ступени.
Известен скважинный фильтр, содержащий трубчатый перфорированный (щелевой) каркас, продольные опорные стержни (ребра), имеющие по наружной поверхности резьбовую нарезку (канавки) под витки обмоточной проволоки. Витки обмоточной проволоки жестко закреплены в резьбовой нарезке с образованием технологической щели (зазора) между ними (Гаврилко В.М. Фильтры водозаборных, водопонизительных и гидрогеологических скважин, Москва, 1968 г., с.77).
Недостатком известного скважинного фильтра является ненадежность конструкции вследствие непрочного крепления витков обмоточной проволоки на продольных опорных стержнях. В случае обрыва витков обмоточной проволоки в нескольких местах по периметру происходит разматывание всего фильтра и, как результат, возникает аварийная ситуация в скважине.
Известен скважинный фильтр (Патент RU №2334865, кл. Е21В 43/08, опубл. 27.09.2008 г. «Скважинный фильтр»), включающий трубу с выполненными на ее боковой поверхности спиральными рядами отверстий, в которые герметично установлены срезаемые пластмассовые пустотелые пробки. Концентрично трубе установлены, по меньшей мере, один слой опорно-дренажной сетки, три слоя фильтрующих сеток и наружный перфорированный защитный кожух. Фильтрующая сетка с мелкими ячейками установлена между двумя слоями фильтрующих сеток с крупными ячейками. Фильтр дополнительно содержит перекрывающую ленту, выполненную из нержавеющей стали. Ширина ленты равна удвоенному диаметру отверстий на трубе, толщина - 0,1-1,0 мм. Лента располагается на трубе между наружным перфорированным защитным кожухом и фильтрующей сеткой с крупными ячейками над отверстиями по одной и той же спирали, что и отверстия на боковой поверхности трубы.
Недостатком известного фильтра является сложность обеспечения требуемых совпадений отверстий и опорных точек многослойной конструкции при изготовлении, и особенно при спуске фильтра в скважину. Возможное смещение слоев ухудшает фильтрационные характеристики фильтра.
Известны скважинные фильтры (патент RU №2329373, кл. Е21В 43/08, опубл. 20.07.2008 г. «Скважинный фильтр и устройство для его сборки», патент RU № 2325510, кл. Е21В 43/08, опубл. 27.05.2008 г. «Скважинный фильтр и способ его сборки», патент RU №2259472, кл. Е21В 43/08, опубл. 27.08.2005 г. «Скважинный фильтр» - прототип), содержащие дренажную и фильтрующую сетки, защитный перфорированный кожух, установленные концентрично на трубе с рядами отверстий, выполненными на ее боковой поверхности, в которых герметично установлены срезаемые пробки. Защитный кожух выполнен из листового металла. Концы кожуха и сеток с торцов закрыты ограничительными кольцами, зафиксированными на трубе.
Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной группы изобретений, является повышение надежности конструкции за счет использования в качестве фильтрующей оболочки не проволочной обмотки, а металлических сеток с требуемыми механическими, физико-химическими и фильтрационными характеристиками.
Недостатком известных конструкций является использование в качестве опорного элемента фильтрующей оболочки трубы, возможная площадь перфорации которой при сохранении прочности на смятие не позволяет обеспечить высокую величину скважности (более 30%).
При проведении анализа изобретательского уровня не выявлены технические решения, имеющие в своей основе признаки, совпадающие со всеми отличительными признаками заявляемого технического решения. Техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.е. соответствует условию изобретательского уровня.
Целью настоящего изобретения является обеспечение высокой скважности опорного элемента и получение высоких фильтрационных характеристик.
Поставленная цель достигается тем, что в скважинном фильтре, включающем опорный каркас и концентрично установленную на нем фильтрующую оболочку, содержащую, по меньшей мере, один слой опорно-дренажной сетки, два слоя фильтрующих сеток и наружный защитный кожух из сетки, аналогичной опорно-дренажной, в качестве опорного каркаса для фильтрующей оболочки используется стержневая конструкция, образованная стальными стержнями круглого сечения (один из которых имеет паз радиального профиля до центра стержня, предназначенный для крепления сеток фильтровой оболочки), которые устанавливаются и привариваются по контактным контурам к двум опорным стальным цилиндрам с ниппельными концами под муфту и к опорным стальным кольцам из прутка круглого сечения с загибами для утопления в них стержней, а поверх стержней последовательно обматываются сетки фильтрующей оболочки с образованием нахлестка концов сеток симметрично стержню с радиальным пазом.
Торцевые концы фильтрующей оболочки крепятся сваркой к опорным цилиндрам кольцами, обжимающих эти концы и изготовляемых из стального прутка круглого сечения, а закрепление нахлестка сеток фильтрующей оболочки осуществляют на опорном стержне с пазом радиального профиля другим дополнительным стержнем диаметром 6 мм сваркой на участках длиной в 10-15 мм, расположенных симметрично по всему контуру контакта стержней.
В качестве опорно-дренажной сетки и, соответственно, сетки защитного кожуха используется сетка, тканная с квадратными ячейками из стальной проволоки, а в качестве фильтрующих - сетка тканая, фильтровая, из стальной проволоки.
Заявляемая конструкция является одним из сочленений фильтровой колонны и состоит как минимум из одного сочленения. Конструкция заявляемого устройства поясняется следующими чертежами: фиг.1 - скважинный каркасно-стержневой сетчатый фильтр (1 - стальной цилиндр; 2 - контур крепления торцов фильтрующей оболочки; 3 - стальное кольцо крепления фильтрующей оболочки; 4 - стальные стержни опорного каркаса; 5 - слой опорно-дренажной сетки; 6 - слой фильтрующих сеток; 7 - слой защитного кожуха; 8 - опорные стальные кольца с загибами); фиг.2 - вид поверхности фильтра по месту приварки дополнительного стержня (9 - места сварки; 10 - дополнительный стержень; 11 - нахлест фильтрующей оболочки); фиг.3 - разрез А-А по фиг.1 (11 - наружный выход нахлеста фильтрующей оболочки; 10 - дополнительный стержень; 12 - опорный стальной стержень с пазом радиального профиля; 8 - опорные стальные кольца с загибами; 4 - стальные стержни опорного каркаса).
Скважинный каркасно-стержневой сетчатый фильтр (см. фиг.1) включает опорный каркас и фильтрующую оболочку. Опорный каркас образован стальными стержнями 4 (см. фиг.1), один из которых 10 (см. фиг.3) имеет паз радиального профиля до центра стержня, двумя стальными цилиндрами 1 (см. фиг.1) с ниппельными концами по резьбе, диаметру и толщине, соответствующими стандартам для труб нефтяного сортамента и стальными кольцами 8 (см. фиг.1) из прутка круглого сечения с загибами для утопления в них стержней 4.
Фильтрующая оболочка образована одной (или более) опорно-дренажной сеткой 5 (см. фиг.1), двумя фильтрующими сетками 6 (см. фиг.1) и защитным кожухом 7 (см. фиг.1).
Длина одного сочленения фильтра составляет 3 м, диаметр по защитному кожуху определяется диаметром ствола скважины и диаметром муфты под ниппельными концами цилиндров. Диаметр и количество стержней, количество колец и диаметр прутка для их изготовления определяются из расчетов на прочность этих элементов конструкции фильтра для условий, соответствующих глубине спуска фильтровой колонны.
Цилиндры образуют концевые, а кольца - промежуточные опорные элементы фильтра, принимающие на себя основную сжимающую нагрузку пород пласта. Стержни, равномерно расположенные по окружностям обоих цилиндров и всех промежуточных колец, образуют опорную конструкцию для фильтрующей оболочки и работают на изгиб от сжимающих пластовых напряжений и на растяжение за счет общего веса фильтровой колонны. Фильтрующая оболочка испытывает в основном плоское двухосное растяжение.
Расчет начинают с определения толщины цилиндров, используя таблицы для расчета обсадных труб на смятие. Затем определяют необходимый диаметр прутка для изготовления колец по формуле
,
где d - диаметр прутка; q - радиальные силы, равномерно распределенные по наружной окружности кольца; R - радиус кольца, выбранный исходя из величин общего диаметра фильтра и толщины фильтровой оболочки; σ - допустимое напряжение, соответствующее марке стали прутка кольца.
Рассчитывают оптимальное сочетание диаметра стержней и количества колец, служащих им опорами из условия
где σ - допустимое напряжение, соответствующее марке стали стержня; q - силы, равномерно распределенные по наружной поверхности стержня; l - длина пролета стержня между опорами; d - диаметр стержня.
В завершении при расчете оптимальной ширины (а) окна, образованного двумя стержнями и дугами двух колец, при известной, ранее выявленной длине пролета между опорами, из условия равновесия сил, действующих на площадку дренажной сетки толщиной h, определяются с количеством стержней 2σh(a+l)=q.
Пример
В качестве примера в таблице приведены результаты расчетов параметров сочленения фильтра, выполненных для условий спуска фильтровой колонны в продуктивный пласт хадумского горизонта. Пласт сложен алевритами и алевритами глинистыми общей мощностью 40 м. Согласно разработанной технологии заканчивания нагнетательных скважин фильтровая колонна спускается на глубину 850 м в предварительно закрепленный специальным составом (на основе силиката натрия) открытый ствол скважины диаметром 190 мм. Расчет проведен для условия спуска на глубину 1000 м, допустимое напряжение выбрано по пределу упругости, соответствующее марке стали 12Х18Н9Т, диаметр опорных колец составил 160 мм.
Толщина стенок трубы для изготовления цилиндров, выбранная по справочнику (В.В.Сергеев и др. Обсадные колонны. М., Недра, 1974 г., стр.79) для труб эксплуатационных колонн диаметром 114 мм, составила 7 мм. Полученные результаты по остальным показателям приведены в таблице.
Скважность опорного каркаса при этих показателях составила 65%. В качестве опорно-дренажной сетки и, соответственно, сетки защитного кожуха была выбрана сетка тканная с квадратными ячейками с номинальным размером стороны в свету 5 мм из проволоки нержавеющей стали марки 12Х18Н9Т диаметром 2 мм, а в качестве фильтрующий - сетка тканая фильтровая саржевого плетения из проволоки нержавеющей стали с диаметром основы 1,2 мм и утка 0,7 мм.
Результаты расчетов характеристик фильтра
Наименование конструкции фильтра
Показатели
Диаметр, мм
Количество, шт.
Длина пролета между центрами опор, мм
Ширина окна между центрами стержней, мм
Опорный стержень
25
6
300
75
Опорные кольца
15
8
Кольца крепления фильтрующей оболочки
С
2
Изготовление предлагаемой конструкции скважинного фильтра осуществляется следующим образом. На специальных опорных приспособлениях заранее изготовленные цилиндры и опорные кольца устанавливаются, закрепляются и ориентируются симметрично оси и сечению посредине фильтра на рассчитанном расстоянии друг от друга. На цилиндры, с заходом на 75 мм от их внутренних концов, и в специальные изгибы опорных колец последовательно устанавливаются и привариваются по контактным контурам стержни, оба конца которых срезаны под углом 45° к оси стержня и обращены плоскостями среза вверх, для плавного загиба торцов сетки. В одном из опорных стержней выполняют паз радиального профиля до центра стержня, предназначенный для крепления сеток фильтровой оболочки. Поверх изготовленного таким образом каркаса обматывают последовательно сетки фильтрующей оболочки с образованием нахлестка концов сеток размером 100 мм симметрично стержню с радиальным пазом и одновременно закрепляют их точечной сваркой на каждом стержне на симметричных расстояниях. По завершению обмотки фильтрующей оболочки производят закрепление ее торцов на цилиндрах с помощью стальных колец 3 (см. фиг.1) и сварки, в результате которой образуется контур 2 (см. фиг.1) закрепления торцевых концов фильтрующей оболочки. Поверх нахлестка 11 (см. фиг.2 и 3) сетки фильтрующей оболочки вдавливают в радиальный паз опорного стержня, дополнительный стержень 10 (см. фиг.2 и 3) диаметром 6 мм и приваривают его к основному стержню сваркой на участках 9 (см. фиг.2) длиной в 10-15 мм, расположенных симметрично по всему контуру контакта стержней.