САМООЧИЩАЮЩИЙСЯ СКВАЖИННЫЙ ФИЛЬТР
SELF-CLEANING WELL FILTER

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, а именно к устройствам для продолжительной защиты электроцентробежных насосов от попадания механических примесей.
Известен самоочищающийся скважинный фильтр, включающий корпус, фильтрующий элемент с коническими перфорациями и упругие скобы, введенные в перфорации с зазором (А.с. СССР №685810, E21B 43/08, 1979).
Недостатком известного фильтра является то, что он может применяться исключительно со штанговым насосом, поскольку очистка фильтрующего элемента от загрязнений осуществляется упругими скобами, качающимися при возвратно-поступательном движении штанги.
Известен самоочищающийся скважинный фильтр, содержащий перфорированную трубу с ниппельными резьбовыми участками и соединительной муфтой на одном из участков, фильтрующий элемент и изолированную обмотку, подключенную к источнику энергии (Пат. №2338871 РФ, E21B 43/08, 2008).
Недостаток известного фильтра состоит в том, что применяемая в нем тепловая очистка фильтрующего элемента позволяет удалять преимущественно асфальтосмолистые и парафиногидратные отложения, но не твердые механические примеси.
Известен очищаемый в скважине фильтр, который присоединяется полым хвостовиком к цилиндрическому кожуху, охватывающему погружной насос и закрепленному на колонне труб выше обратного клапана, пропускающего снизу вверх, и подпружиненного клапана, сообщающего колонну труб с зазором между кожухом и насосом (Пат. №2415253 РФ, E21B 43/00, 2011).
Недостатком рассмотренного скважинного фильтра является то, что на время его очистки прерывается работа погружного насоса и, как следствие, снижается количество добытой жидкости.
Известен самоочищающийся скважинный фильтр, содержащий цилиндрический каркас со сквозными пазами, фильтрующий элемент из пружины, поршень с кольцом и регулировочными винтами для установки зазора между витками пружины, вал с радиальными лопастями и коромыслом, снабженным профилированными выступами на торцовой поверхности (А.с. СССР №1036343, B01D 25/20, 1983).
Недостаток фильтра заключается в том, что с его помощью возможна очистка жидкости только с мягкими механическими примесями, поскольку твердые примеси при попадании на выступы замедляют вращение коромысла и снижают амплитуду колебаний пружины, при которых частицы удаляются из зазоров.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и принятым за прототип является самоочищающийся скважинный фильтр, включающий фильтрующий элемент из витой цилиндрической пружины, нижний конец которого перекрыт заглушкой с регулировочным винтом, вал с лопастями и элементами очистки в виде щеток по их торцам, укрепленный в опорах внутри фильтрующего элемента (А.с. СССР №1165427, B01D 25/20, 1985).
Недостатком принятого за прототип самоочищающегося скважинного фильтра является малый крутящий момент на валу, поскольку не весь протекающий через фильтрующий элемент поток жидкости вращает лопасти, что может привести к застреванию щетинок между витками пружины при значительной длине фильтрующего элемента и, как следствие, к прекращению самоочистки последнего.
Настоящее изобретение решает задачу создания скважинного самоочищающегося фильтра, обладающего повышенной способностью к самоочистке.
Указанный технический результат достигается тем, что в скважинном самоочищающемся фильтре, содержащем фильтрующий элемент с открытым и закрытым торцом, вал, лопасть на валу и элементы очистки, связанные с валом, согласно изобретению, вал выполнен составным и состоит из ведущего и ведомого валов, соединенных между собой посредством редуктора, ведомый вал с установленными на нем элементами очистки окружен фильтрующим элементом, нижний торец которого открыт, а верхний торец закрыт крышкой, через которую проходит ведомый вал, на ведущем валу расположена лопасть, заключенная в корпус с входными отверстиями внизу и выходными отверстиями вверху, при этом на корпусе выше входных отверстий и на нижнем конце фильтрующего элемента установлены уплотнительные кольца.
Фильтрующий элемент может быть оснащен предохранительным клапаном.
Элементы очистки могут быть выполнены в виде реечных щеток или подпружиненных бойков, взаимодействующих с фильтрующим элементом при вращении ведомого вала.
К нижнему торцу фильтрующего элемента может быть присоединен шламосборник с входными отверстиями вверху.
Фильтрующий элемент может быть выполнен в виде цельносварной конструкции из навитого и аксиальных призматических профилей.
На фиг. 1 схематично изображен заявляемый скважинный самоочищающийся фильтр, продольное сечение; на фиг. 2 - фильтрующий элемент с элементами очистки в виде подпружиненных бойков, поперечное сечение.
Скважинный самоочищающийся фильтр содержит ведущий и ведомый валы 1 и 2, с разных сторон присоединенные с помощью шлицевых муфт 3 к редуктору 4. Фильтрующий элемент 5 с крышками 6, 7 по торцам, в которых размещены подшипниковые опоры (не показаны), установлен на ведомом валу 2, проходящем через верхнюю крышку 7. В нижней крышке 6 выполнены входные отверстия 8 для жидкости. На ведомом валу 2 установлены элементы очистки в виде реечных щеток 9, щетинки которых соприкасаются с поверхностью фильтрующего элемента 5, обращенной к потоку жидкости. В некоторых вариантах исполнения элементами очистки могут быть подпружиненные бойки 23, соударяющиеся с фильтрующим элементом 5 (фиг. 2). Ведущий вал 1 опоясан лопастью 10 и заключен в корпус 11, в нижней и верхней крышках 12 и 13 которого имеются входные и выходные отверстия 14 и 15 и подшипниковые опоры (не показаны). Нижний конец фильтрующего элемента 5 и корпус 11 выше входных отверстий 14 охватывают уплотнительные кольца 16, разделяющие пространство между ними и стенкой скважины на три области для организации движения жидкости в скважинном самоочищающемся фильтре по требуемой траектории. В верхней части фильтрующего элемента 5 установлен предохранительный клапан 17. К нижнему торцу фильтрующего элемента 5 присоединен шламосборник 18 с входными отверстиями 19 вверху, служащий для сбора удаленных с поверхности фильтрующего элемента 5 механических примесей. Фильтрующий элемент 5 представляет собой цельносварную конструкцию, состоящую из внутреннего навитого профиля 20 и наружных опорных аксиальных профилей 21 (фиг. 2). Между витками профиля 20 имеется расширяющаяся изнутри наружу щель 22, ширина которой определяет тонкость очистки пластовой жидкости. Фильтрующий элемент может быть выполнен из внутренних аксиальных профилей, удаленных друг от друга на ширину щели, и опорных витков профиля снаружи (не показано). В обоих вариантах фильтрующего элемента внутренний профиль или профили образуют гладкую поверхность, обращенную навстречу потоку жидкости. Для защиты от повреждений при спускоподъемных операциях на фильтрующем элементе 5 устанавливают перфорированный кожух (не показан).
Скважинный самоочищающийся фильтр работает следующим образом.
В составе погружной насосной установки скважинный самоочищающийся фильтр спускают в скважину до интервала перфораций в эксплуатационной колонне (фиг. 1). Под действием создаваемого погружным насосом разряжения пластовая жидкость устремляется внутрь фильтрующего элемента 5 через отверстия 8 в нижней крышке 6, поскольку кольцевой зазор между фильтрующим элементом 5 и стенкой скважины перекрыт уплотнительным кольцом 16. Затем жидкость фильтруется через щель 22 между витками внутреннего профиля 20, а находящиеся в ней частицы породы остаются над щелью (фиг. 2). При наличии шламосборника 18 жидкость попадает в фильтрующий элемент 5 через входные отверстия 19. Из фильтрующего элемента 5 очищенная жидкость выходит в кольцевой зазор и течет по нему вдоль редуктора 4 до уплотнительного кольца 16, перекрывающего кольцевой зазор между корпусом 11 и стенкой скважины. Жидкость проходит через отверстия 14 в корпус 11, идет вверх и покидает его через выходные отверстия 15.
При восходящем движении в корпусе 11 жидкость обтекает лопасть 10, которая преобразует потенциальную энергию потока жидкости в кинетическую энергию ведущего вала 1, вызывая его вращение в подшипниковых опорах, имеющихся в крышках 12, 13. Вращение от ведущего вала 1 передается через редуктор 4 к ведомому валу 2, при этом редуктор 4 понижает частоту вращения и увеличивает крутящий момент на ведомом валу 2 по сравнению с ведущим валом 1. Ведомый вал 2 с размещенной на нем реечной щеткой 9 вращается внутри фильтрующего элемента 5, при этом щетинки реечной щетки 9 лишь соприкасаются с гладкой поверхностью внутреннего навитого профиля 20, и на преодоление силы трения между ними расходуется небольшое количество энергии потока жидкости. По мере накапливания частиц над щелью 22 щетинки вращающихся реечных щеток 9 начинают цеплять их и выдергивать из щели 22. За счет повышенной мощности на ведомом валу 2 без затруднений преодолевается сила трения щетинок о внутренний навитый профиль 20 с частицами в щели 22.
Щетинки не уплотняют застрявшие частицы в расширяющейся щели 22, они лишь проталкивают частицы размером менее ширины щели за пределы фильтрующего элемента 5. Удаленные с внутренней поверхности фильтрующего элемента 5 частицы опускаются под действием силы тяжести в шламосборник 18.
При исполнении элементов очистки в виде прикрепленных в ведомому валу 2 подпружиненных бойков последние соударяются с навитым профилем 20. В результате в нем возникают колебательные процессы в виде упругих волн, которые сообщают ускорение застрявшим над щелью 22 частицам, вызывая их отрыв от фильтрующего элемента 5.
При залповом выбросе частиц из пласта и необратимом загрязнении щели 22 частицами породы предохранительный клапан 17 открывается, и пластовая жидкость, минуя фильтрующий элемент 5, попадает в корпус 11 и поступает далее на прием погружного насоса.
В скважинном самоочищающемся фильтре элементы очистки постоянно удаляют задержанные частицы с поверхности фильтрующего элемента и, таким образом, поддерживают его пропускную способность практически на исходном уровне в течение длительного времени, что увеличивает ресурс работы погружной насосной установки.